Une nouvelle méthodologie fondée sur l’interfaçage de la géochimie et de la biologie a été utilisée pour étudier la durabilité d’un système d’agriculture irriguée face aux changements globaux (climat et urbanisation). L’étude de sa durabilité nécessite une vision dynamique spatio-temporelle de l’évolution d’un agrosystème irrigué, ici le système « irrigation – prairie (plante) – sol – nappe ». Pour cela, deux démarches sont utilisées : l’étude de terrain et la modélisation. L’étude de terrain comprend des suivis temporels et spatiaux de la qualité des eaux de surface, de la nappe phréatique et de la qualité du foin des prairies. La modélisation consiste en un modèle biogéochimique prenant en compte l’ensemble des compartiments réactionnels du système. Le fil directeur est constitué par les mécanismes d’acquisition de la composition chimique de l’eau lors de son transfert dans le sol depuis eau d’irrigation jusqu’à l’eau de nappe. Ces mécanismes sont étudiés du double point de vue de leurs bilans géochimiques et des réactions sol / solution. L’acquisition de données porte ainsi sur : (1) la composition chimique des eaux d’irrigation et des eaux souterraines de la nappe ; (2) la minéralogie des sols ; (3) la nature des engrais apporté ; (4) la quantité des éléments chimiques prélevés et exportés par les plantes. Le modèle biogéochimique consiste à interfacer le modèle de culture STICS et le modèle de géochimie PHREEQC. Ce modèle est capable de rendre compte de l’évolution des eaux lors de leur parcours dans le sol et de mettre en évidence les processus majeurs qui déterminent la qualité de l’eau ; en sortie, il permet d’établir des indicateurs géochimiques pertinents pour la gestion du système. Cette méthode est appliquée aux prairies irriguées en la Crau, au Sud de France. Le système d’irrigation gravitaire par les eaux de la Durance depuis le 16e siècle sur la Crau a construit un système agricole durable en amenant des alluvions sur les terres irriguées, sur lequel poussent les prairies (le foin de Crau (AOP)). De plus cette irrigation participe à plus de 70% au renouvellement des eaux de la nappe phréatique. L’analyse des données sur une longue durée (1960-2013), l’acquisition de données récentes et la modélisation montrent l’originalité et la durabilité de cet agrosystème irrigué et sa résilience face à une augmentation de température de 2°C, tant en ce qui concerne les rendements que la qualité du foin. Cependant dans la perspective des changements globaux, les prévisions tablent sur une disponibilité en eau pour l’irrigation en diminution, de plus des changements d’occupation du sol (10% de la surface totale), avec une réduction des prairies irriguées. Ceci risque de remettre en cause la durabilité de l’agrosystème irrigué et partant l’approvisionnement en eau à partir de la nappe de toute l’économie locale (300 000 habitants, les industries lourdes du site de Fos-sur-Mer). / A new methodology based on geochemistry and biology interfacing to study the sustainability of an irrigated agriculture system in the face of global changes (climate and urban sprawl). It requires construction of a spatio-temporal view of the ”irrigation - meadow (plant) - soil - groundwater” system evolution. Thereby two approaches are used : the field study and the modeling. The field study includes temporal and spatial survey of waters quality, plant quality and used fertilizers. The modeling consists of a biogeochemical model taking into account all the factors reaction of the system. The main theme is the mechanisms of acquiring the chemical composition of water during its transfer the soil horizon from irrigation water to groundwater. These mechanisms are studied from the double point of view of their geochemical balances and soil / solution reactions. The data acquisition thus relates to : (1) the chemical composition of irrigation water and groundwater ; (2) the soil mineralogy ; (3) the nature of the provided fertilizer ; (4) quantity of chemical elements uptaken by plants. The biogeochemical model consists in interfacing the crop model (STICS) and the geochemical model (PHREEQC). This model is able to perform the chemical evolution of waters during their pathway in the soil and to highlight the major processes that determine the water quality ; in output, it makes it possible to establish geochemical indicators relevant to the system management. The Crau is chosen as a demo area, South France, its grassland production is based on surface irrigation via channels withdrawn from the Durance River. Irrigation water is rich in minerals and trace elements thanks to alluvium brought, on which produce high quality hay that is regulated under appellation control since 1997. Additionally, this irrigation recharge the aquifer by 70% But it is threatened by global changes, which ultimately risks to compromising the sustainability of the irrigated grassland system. Data analysis over a long term (1960-2013), the acquisition of recent data and modeling show the originality and durability of this irrigated agrosystem and Its resilience to an increase in temperature by about 2°C, both in terms of yields and hay quality. However, according to future scenarios, declining of irrigation water is forecasted, and changes in land use by 10% of the total area, with a reduction in irrigated grassland areas. This may jeopardize the sustainability of the the irrigated agrosystem and thus the water supply for local use (300 000 inhabitants, the heavy industries of the Fos-sur-Mer site).

Les facteurs environnementaux (physiques, chimiques et biologiques) influencent la composition des communautés de phytoplancton marin. D'autre part, le transport dynamique peut lui aussi impacter l'abondance relative des organismes au sein de ces communautés. Par conséquent, les biomasses phytoplanctoniques, ainsi que la nature des organismes qui les composent, présentent une importante variabilité à la fois sur le plan spatial (biorégionalisation) et sur le plan temporel (successions). Les régions côtières sont des zones particulièrement contrastées dans lesquelles les gradients environnementaux sont généralement marqués. Ainsi, la mer d'Iroise se caractérise par la présence d'un front de marée saisonnier (front d'Ouessant), particulièrement productif, qui sépare deux régimes distincts. A l'Est du front, les eaux du plateau continental sont régulièrement rendues homogènes par la présence de forts courants de marée alors que la zone du large est soumise à un cycle saisonnier marqué par une stratification verticale estivale. Il s'agit donc d'une région propice à l'étude plus générale des mécanismes d'interaction entre les structures frontales et la diversité phytoplanctonique.L'objet plus spécifique de cette thèse est de caractériser, à l'aide de la modélisation 3D, la nature et la diversité du phytoplancton en mer d'Iroise, à la fois en termes de groupes fonctionnels puis de diversité phénotypique, au cours d'un cycle saisonnier en général et plus particulièrement lors de la période estivale au niveau de la zone frontale.Les premiers résultats obtenus ont montré que la composition en groupes fonctionnels du phytoplancton présente un cycle saisonnier marqué, principalement influencé par la profondeur de la couche de mélange. Durant l'hiver, le picoplancton domine partout dans la zone d'étude. La stratification, qui s'installe à partir du mois d'Avril entraîne par la suite un bloom phytoplanctonique dominé par le microphytoplancton (principalement des diatomées). La période estivale correspond ensuite à la mise en place d'une bio-régionalisation des conditions environnementales en mer d'Iroise avec (i) la zone côtière mélangée qui reste fortement productive et dominée par les diatomées et (ii) la zone offshore, dans laquelle la croissance autotrophe est limitée par les nutriments en surface, ce qui favorise la coexistence entre microphytoplancton et picophytoplancton.Une seconde étude a porté sur la composition de la communauté phytoplanctonique en termes de diversité phénotypique pendant le mois de septembre. Les résultats mettent en évidence une zone de forte diversité en surface, légèrement décalée vers l'Ouest par rapport à la zone frontale (dans laquelle la biomasse est maximale). Au niveau de ce maximum de diversité, l'importance des échanges verticaux (upwelling et mélange) du côté chaud (stratifié) du front a été mise en évidence. Ainsi, un mélange entre des phénotypes ubiquistes présents dans la zone mélangée à l'Est du front et du picoplancton, issu à la fois du maximum de chlorophylle de subsurface et de la surface oligotrophe à l'ouest, est observé dans le maximum de diversité.Finalement, une dernière étude portant sur l'effet du cycle de marée vives eaux/ mortes eauxa permis de comprendre, et ce pour la première fois, les processus qui expliquent l'impact de ce cycle sur la modification de la biomasse phytoplanctonique et sur la composition de la communautéen terme de diversité phénotypique dans le système côtier homogène. Les résultats montrent une augmentation de la biomasse totale ainsi que de la proportion de diatomées et une diminution de la diversité lors des périodes de stratification associées aux mortes eaux. / Phytoplankton diversity depends on physical, chemical and biological local conditions. Moreover, physical transport could also impact the distribution of autotrophic organisms/species within phytoplankton communities. Therefore, phytoplanktonic assemblages exhibit significant spatial (bioregionalization) and temporal (successions) variability in terms of species diversity as well as productivity. Coastal regions are particularly contrasted area with sharp environmental gradients underlying strong heterogeneity in phytoplankton communities' composition. In this context, the Iroise Sea presents a seasonal, highly productive, tidal front, which separates two distinctregimes. Eastside, continental shelf waters are regularly mixed by tidal currents while offshore waters remain stratified throughout the whole summer period.Thus, the Iroise Sea may be an opportune region to study the processes linking the frontal structure dynamic and its impact on phytoplanktonic diversity.This thesis aims, more specifically, at characterizing phytoplankton communities in the Iroise Sea interms of both functional and phenotypic diversity over a seasonal cycle in general and during the summer at the frontal interface in particular. This work is based on a 3D numerical modeling approach using a physical/biogeochemical coupled model. As a first part of this thesis, the implementation of a regional configuration for the Iroise Sea has been conducted, including the technical coupling between the hydrodynamical model (ROMS-AGRIF) and the phytoplankton diversity model (DARWIN). This work was the first necessary step to simulate and study the Iroise sea phytoplanktonic diversity.Our results show a pronounced seasonal cycle of the phytoplankton functional composition, driven by the surface mixed layer depth that influenced light and nutrients' availabilty. Indeed, during winter, the biomass is dominated by picoplankton in the Iroise Sea. Then, as water column becomes stratified offshore, in April, a characteristic phytoplankton bloom occurs with a larger contribution of microphytoplancton (mainly diatoms). During summer, the nutrient-replete coastal well-mixed area remains highly productive and dominated by diatoms while surface stratified offshore waters (where phytoplankton growth is nutrient-limited) show higher coexistence between phytoplankton functional types.We also examined the phytoplankton phenotypic diversity simulated within the frontal region in relation with the surrounding areas in September (summer conditions). The results highlight a diversity maximum located at the surface slightly westward from the biomass maximum of the front. This diversity maximum is suggested to be the result of the upward transport of typical phenotypes from the offshore Deep Chlorophyll Maximum (DCM) toward the Surface at the west warm side of the front. Indeed, picoplanktonic phenotypes growing in the DCM coexist, in this diversity maximum, with those from the surface oligotrophic waters and ubiquitous ones growing in the eastside mixed coastal waters.Finally, the effect of tidal spring/neap tide cycle has been investigated and shows, for the first time, how this cycle impacts the phytoplankton biomass and the phenotypic community composition within the coastal well-mixed, homogeneous system. Indeed, the neap-tide conditions of reduced vertical mixing and stabilization lead to an increase in total phytoplankton biomass associated with the rapid development of fast-growing, opportunistic, diatoms species and a decrease in phenotypic diversity.