Le climat, les sols et les ressources en eau sont des facteurs essentiels de la production agricole et conditionnent la disponibilité des ressources alimentaires mondiales. La nécessité de quantifier, d'évaluer et de prédire les pressions exercées sur les ressources en eau et les ressources agricoles dans un contexte de changement climatique représente un enjeu majeur. Pour répondre à ces problématiques, des modèles numériques du fonctionnement des surfaces continentales sont développés. Ils permettent de simuler de nombreux processus naturels tels que le cycle de l'eau, du carbone, la croissance et la sénescence de la végétation, et les flux à l'interface sol-atmosphère. Ces outils puissants sont très largement utilisés par la communauté scientifique mais présentent de nombreuses incertitudes dans la représentation des différents processus biophysiques pris en compte et dans l'estimation des paramètres qui les pilotent. L'absence de données d'observation de variables clefs du cycle hydrologique ou de variables clefs de la végétation à grande échelle spatiale et temporelle est un frein majeur pour la validation de ces modèles. L'objectif général de ce travail de thèse est d'évaluer dans quelle mesure l'intégration de données satellitaires disponibles depuis une trentaine d'années dans un modèle générique des surfaces continentales permet de mieux représenter les sécheresses agricoles à différentes échelles spatiales. Le modèle ISBA-A-gs développé par le CNRM est utilisé. Il représente la variabilité interannuelle de la biomasse végétale en lien avec les ressources en eau du sol. Des études précédentes ont montré que les simulations du système sol-plante en condition de stress hydrique sont très sensibles à la valeur de la réserve utile du sol, et que la représentation par ce type de modèle de la variabilité interannuelle de la production des céréales à paille est difficile. Une méthodologie de calibration/validation du modèle basée sur l'intégration de séries temporelles satellitaires d'indice de surface foliaire (Leaf Area Index ou LAI) observées à 1km de résolution dans ISBA-A-gs a été développée afin d'estimer la réserve utile du sol pour des cultures de céréales à paille pluviales. Le LAI satellitaire est préalablement désagrégé pour les céréales à pailles. La validation de cette méthodologie est fondée sur la comparaison de la biomasse simulée et des rendements agricoles observés. Une méthode simple de modélisation inverse par minimisation d'une fonction coût a été confrontée à une méthode plus complexe : l'assimilation séquentielle de données. Cette dernière permet de combiner de manière optimale les séries temporelles de LAI observées et simulées par ISBA-A-gs afin de fournir une analyse du LAI, de la biomasse aérienne, et de l'humidité du sol. L'assimilation repose sur la chaîne LDAS-Monde développée par le CNRM. Elle donne des résultats plus réalistes que la modélisation inverse en terme de biomasse simulée et de réserve utile estimée. La représentation de l'impact négatif des sécheresses et des années très humides sur les rendements est améliorée grâce à cette méthode. Les réserves utiles obtenues sur les zones céréalières françaises ont permis la construction d'un modèle de régression linéaire simple permettant d'estimer les réserves utiles directement à partir des valeurs annuelles maximales de LAI satellitaires (LAImax). La cartographie de la réserve utile à partir du LAImax est comparée à la carte au millionième de l'INRA sur la France. La possibilité d'utiliser cette méthode à l'échelle locale est évaluée, ainsi que son extension à d'autres zones agricoles en Eurasie et en Amérique du Nord. / Climate, soils and water resources are essential factors of agricultural production and affect the availability of world food resources. The need to quantify, assess and predict pressures on water resources and agricultural resources in the context of climate change is a major issue. To answer these questions, numerical models of the processes at stake over continental surfaces are developed. They simulate many natural processes such as the water cycle, the carbon cycle, vegetation growth and senescence, and the fluxes at the soil-atmosphere interface. These powerful tools are widely used by the scientific community but present many uncertainties in the representation of the various biophysical processes taken into account and in the estimation of the parameters that drive them. The lack of observation data for key hydrological cycle variables or key vegetation variables of large spatial and temporal scales is a major obstacle to the validation of these models. The general objective of this thesis is to evaluate how the integration of satellite data available over the last thirty years in a generic model of continental surfaces allows a better representation of agricultural droughts at different spatial scales. The ISBA-A-gs model developed by CNRM is used. It represents the interannual variability of plant biomass in relation to soil water resources. Previous studies have shown that simulations of the soil-plant system under water stress conditions are very sensitive to the value of the soil maximum available water content, and that the representation by this type of model of the interannual variability of cereal straw is difficult. A model calibration / validation methodology based on the integration of Leaf Area Index (LAI) satellite time series observed at 1 km resolution in ISBA-A-gs was developed. The objective is to estimate the soil maximum available water content for non-irrigated straw cereal crops. The satellite LAI is first disaggregated for straw cereals. The validation of this methodology is based on a comparison of the simulated above-ground biomass with observed agricultural yields. A simple method of inverse modeling by minimizing a cost function is compared with a more complex method: sequential data assimilation. The latter allows optimal combinations of the LAI time series observed and simulated by ISBA-A-gs to provide an analysis of LAI, above-ground biomass, and soil moisture. The assimilation is based on the LDAS-Monde chain developed by CNRM. It gives more realistic results than inverse modeling in terms of simulated biomass and of soil maximum available water content. The representation of the negative impact of droughts and very wet years on yields is improved by this method. It is found that the soil maximum available water content retrieved on the French cereal areas correlates with the maximum annual values ??of satellite LAI (LAImax). A simple linear regression model can be used to estimate the soil maximum available water content directly from LAImax . The mapping of the soil maximum available water content as derived from LAImax is compared with the one millionth map of INRA over France. The possibility of using this method at a local scale is evaluated, as well as its extension to other agricultural areas in Eurasia and North America.

Les sols sont définis comme étant caillouteux à partir d'une proportion supérieure à 35 % d'éléments grossiers. Les sols caillouteux - dont certains supportent des zones de grandes cultures - couvrent environ 30% de la superficie de l'Europe occidentale. Outre le fait qu'ils sont plus contraignants pour la production agricole car les opérations culturales y sont plus délicates, les sols caillouteux sont souvent des sols peu épais ; ils contribuent ainsi de façon significative à la recharge des nappes mais sont a priori très sensibles au lessivage hivernal du nitrate et des produits phytosanitaires. Malgré leur grande étendue géographique et leurs propriétés spécifiques, les sols caillouteux ont été peu étudiés. Devant ce déficit de connaissances et devant les problèmes spécifiques posés par les sols caillouteux (variabilité de la phase caillouteuse, échanges entre la phase caillouteuse et la fraction fine des sols), tant en termes de production végétale qu'en termes de protection de l'environnement, ce projet de thèse a eu pour objectifs de : i) déterminer la réserve utile des éléments grossiers de sols caillouteux d'origine sédimentaire ; ii) d'évaluer qualitativement et quantitativement la pierrosité de sols caillouteux à l'échelle parcellaire ; et iii) d'estimer la réserve utile effective de sols caillouteux et leur fonctionnement hydrique sur de grands territoires agricoles. Grâce à des analyses au laboratoire, nous avons montré que les cailloux étaient saturés en eau à -100 hPa et que les teneurs en eau à la capacité au champ et au point de flétrissement pouvaient s'exprimer simplement en fonction de la masse volumique, ce qui a permis de définir des fonctions de pédotransfert robustes et opérationnelles pour le calcul de l'humidité utile des éléments grossiers. Grâce à l'analyse du bruit du signal de la résistivité électrique, mesurée in situ par prospections géophysiques, il a été possible d'évaluer leur pierrosité volumique à l'échelle d'une parcelle. Enfin, à l'échelle régionale, nous avons montré que la non-prise en compte du volume de la phase caillouteuse et/ou de ses propriétés conduisait à des sous-estimations de 20 % de la réserve utile, ce qui avait pour conséquence une surestimation du déficit hydrique de 20 mm par an en moyenne, avec une grande variabilité spatiale. Ces travaux permettront, à terme, une meilleure gestion spatialisée des agrosystèmes, aux échelles locales et régionales. En effet, les nouvelles propriétés hydriques calculées permettront d'améliorer la compréhension du fonctionnement environnemental spatialisé des sols afin de mieux estimer certains risques (lessivage de nitrate, émissions de gaz à effet de serre par les sols, etc.).

Les sols sont définis comme étant caillouteux à partir d’une proportion supérieure à 35 % d’éléments grossiers. Les sols caillouteux - dont certains supportent des zones de grandes cultures - couvrent environ 30% de la superficie de l’Europe occidentale. Outre le fait qu’ils sont plus contraignants pour la production agricole car les opérations culturales y sont plus délicates, les sols caillouteux sont souvent des sols peu épais ; ils contribuent ainsi de façon significative à la recharge des nappes mais sont a priori très sensibles au lessivage hivernal du nitrate et des produits phytosanitaires. Malgré leur grande étendue géographique et leurs propriétés spécifiques, les sols caillouteux ont été peu étudiés. Devant ce déficit de connaissances et devant les problèmes spécifiques posés par les sols caillouteux (variabilité de la phase caillouteuse, échanges entre la phase caillouteuse et la fraction fine des sols), tant en termes de production végétale qu’en termes de protection de l’environnement, ce projet de thèse a eu pour objectifs de : i) déterminer la réserve utile des éléments grossiers de sols caillouteux d’origine sédimentaire ; ii) d’évaluer qualitativement et quantitativement la pierrosité de sols caillouteux à l’échelle parcellaire ; et iii) d’estimer la réserve utile effective de sols caillouteux et leur fonctionnement hydrique sur de grands territoires agricoles. Grâce à des analyses au laboratoire, nous avons montré que les cailloux étaient saturés en eau à -100 hPa et que les teneurs en eau à la capacité au champ et au point de flétrissement pouvaient s’exprimer simplement en fonction de la masse volumique, ce qui a permis de définir des fonctions de pédotransfert robustes et opérationnelles pour le calcul de l’humidité utile des éléments grossiers. Grâce à l’analyse du bruit du signal de la résistivité électrique, mesurée in situ par prospections géophysiques, il a été possible d’évaluer leur pierrosité volumique à l’échelle d’une parcelle. Enfin, à l’échelle régionale, nous avons montré que la non-prise en compte du volume de la phase caillouteuse et/ou de ses propriétés conduisait à des sous-estimations de 20 % de la réserve utile, ce qui avait pour conséquence une surestimation du déficit hydrique de 20 mm par an en moyenne, avec une grande variabilité spatiale. Ces travaux permettront, à terme, une meilleure gestion spatialisée des agrosystèmes, aux échelles locales et régionales. En effet, les nouvelles propriétés hydriques calculées permettront d’améliorer la compréhension du fonctionnement environnemental spatialisé des sols afin de mieux estimer certains risques (lessivage de nitrate, émissions de gaz à effet de serre par les sols, etc.). / Stony soils are soils containing a proportion of rock fragments larger than 35%. These soils - including intensive agricultural areas - cover about 30% of the surface of Western Europe. Stony soils are not only more stringent for agricultural production because the farming operations are usually more difficult, but also they are often thin; they then significantly contribute to the groundwater recharge, but are they are very sensitive to winter leaching of nitrate and pesticides. Despite their geographical spread and their specific properties, the stony soils have not been largely studied whereas they present specific scientific problems (variability of phase stony, exchanges between the stony phase and the fine fraction of soil). In that context, this thesis aimed at: i) determining the available water content of rock fragments from rock fragments of sedimentary origin; ii) assessing qualitatively and quantitatively the stoniness of stony soils at field scale; and iii) estimating the effective available water content of stony soils and their hydric functioning for large agricultural areas. From laboratory experiments, we demonstrated that rock fragments were saturated for a water potential of -100 hPa and that their water content at field capacity and at permanent wilting point could be easily estimated from their bulk density, which enable to define robust and operational pedotransfer functions for the estimation of the available water content of rock fragments. Thanks to the analysis of the signal noise of the electrical resistivity, measured in situ by geophysical prospectings, it was possible to assess the stoniness of stony soils at the plot scale. Finally, at the regional scale, we demonstrated that the available water content could be underestimated of about 20 % when the volume and/or properties of rock fragments were not taken into account, which induced overestimations of the hydric deficit of about 20 mm as a mean, with high spatial variability. This work will ultimately be used for a better spatial management of agricultural soils, at local and regional scales. Indeed, the new hydric properties will help in improving our knowledge of the environmental spatial soil functioning in order to better estimate some risks (nitrate leaching, greenhouse gas emissions from soils).

Un défi de la modélisation des cultures est de comprendre et de reproduire les hétérogénéités de développement de la végétation à l'échelle du pédon afin de prédire le rendement. Le but de ce travail est de proposer une méthode de spatialisation des modèles de culture par la spatialisation des données d'entrée, notamment de la réserve utile, pour reproduire les hétérogénéités observées au sein d'un petit sous-bassin versant. Ce travail a été mené en 3 étapes : (1) calage du modèle STICS au contexte local (2) spatialisation des entrées du modèle par une méthode dérivée desapproches SCORPAN et (3) évaluation des simulations spatialisées avec STICS. Préalablement à la spatialisation des données d'entrée du modèle STICS, il était nécessaire d'identifier quels étaient les déterminants des hétérogénéités de végétation observéesau sein du sous-bassin versant expérimental étudié. Pour cela un travail préliminaire a conduit à délimiter les situations pouvant être reproduites par le modèle et les variables pouvant être spatialisées ainsi que de définir une stratégie optimale pour spatialiser les entrées. Sur cette base, une méthodologie de travail a pu être définie pour évaluer et paramétrer le modèle sans spatialisation (approche locale) dans un contexte de sols ayant des propriétés vertiques. Cette particularité des sols locaux nécessite d'établir un nouveau domaine de validité du modèle, compte tenu des hypothèses indispensables (processus considérés comme négligeables) pour simuler dans ce contexte. Par ailleurs, le protocole utilisé pour déterminer la réserve utile a nécessité d'établir la manière dont l'incertitude de la mesure se propageait dans le modèle. Ainsi, grâce à ce travail de spatialisation statistique des mesures, le modèle STICS a pu être utilisé sur des mailles de 8 x 8 m pour simuler le développement de végétation sur tout le sous-bassin versant étudié. / One of the challenges in crop modelling is to understand and be able to reproduce heterogeneities in crop development at intra-plot scale in order to better predict the yield. The aim of this work was to suggest a method for spatializing the input data of crop models, in particular the water stock accessible to plants, in order to reproduce the differences in crop development within a subwatershed. This work was carried out in 3 main steps: (1) adaptationof the STICS crop model to the local context, (2) spatialization of the inputs by the spatial correlation method (SCORPAN-like method) and (3) evaluation of the simulated spatialization with STICS model. Prior to spatialization step, it was necessary to identify the determinants of vegetation heterogeneities observed within the experimental subwatershed. A preliminary study led to delimit the situations that could be reproduced by the model and to identify variables that could be spatialized as well as to define an optimal strategy to spatialize the inputs. Based on this, a methodological work was established to evaluate and parameterize the model without spatialization (local approach) in a context of soils with vertisolic properties. Particularity of local soils properties underlined the need to define a new domain of model validity. Moreover, the protocol used to measure water holding capacity, implied a needful and important step that was to determine the propagation of measurement uncertainty in the model. Finally, thanks to statistical spatialization of measurements, STICS model was used on 8 x 8 m meshes to simulate vegetation development on the whole studied subwatershed.

Les marais de l'Ouest ont été gagnés sur les sédiments fluvio-marins par poldérisation débutée dès le moyen âge. Les aménagements hydrauliques avaient, initialement, des objectifs sanitaires et d'élevage. A partir des endiguements, ils ont divisé les territoires en marais mouillés et marais desséchés. Depuis les années 1970 le développement des cultures intensives de céréales a nécessité un rabaissement complémentaire de la nappe par drainage en partie pour augmenter la désalinisation de surface et limiter l’engorgement des sols. Néanmoins, ces territoires restent caractérisés par des nappes proches de la surface. En conséquence les profils hydriques vont être gouvernés par les conditions météorologiques y compris l'évapotranspiration, la pluviométrie, mais également par les remontées capillaires issues d'une nappe salée. D'autre par la nature argileuse des sols et ses propriétés de retrait conditionnent énormément le fonctionnement hydrodynamique et les évolutions de structure.La première partie du travail a été de suivre les évolutions des profils hydriques et de salinité en parcelles non drainées (prairies) et en parcelles drainées (Maïs, Blé, Tournesol). Ces suivis ont été complétés par les mesures des niveaux de nappes et par des mesures tensiométriques via des bougies poreuses implantées à différentes profondeurs. L'objectif final a été de calculer et modéliser les profils de réserve utile (RU) et de RU "résiduelle" utilisable par les plantes. Dans ces systèmes alimentés par les remontées capillaires, le réseau racinaire puise l'eau dans la zone non saturée de surface (vadose) puis dans la zone saturée sous-jacente. La teneur en eau caractéristique de l'interface zone non saturée - zone saturée a été déterminée par analogie entre les chemins d'état de la matrice argileuse le long de sa courbe de retrait et du sol le long de sa courbe de compaction. Les profils de RU résiduelle utilisable par les plantes ont été calculés à partir des profils de teneurs en eau puis comparés aux profils de RU obtenus via les données de station météorologique. Ces profils de RU résiduelle ont pu être écrits sous forme d'équation polynomiale du second degré puis modélisés. Dans cet environnement alimenté par les remontées capillaires, ces profils de RU résiduelles peuvent être modélisés à partir d'un paramètre facilement mesurable en surface qui prend en compte la structure du sol et les conditions météorologique : soit la teneur en eau à 10 cm de profondeur. Cette modélisation reste suffisamment réaliste pour être utilisée comme un outil prédictif face à la pédodiversité et/ou les rendements de culture.A ce travail s'ajoute deux études préliminaires : - les mesures des conductivités thermiques effectives de ces sols par la méthode du fil chaud et leurs modélisations dans les systèmes biphasés : eau - argile et air - argile, mais également pour les systèmes triphasés non saturés : eau - air - argile. Les perspectives sont la modélisation des transferts thermiques et hydriques dans le sol à partir de la surface, - et l'élaboration d'un protocole d'imprégnation-polymérisation des sols argileux humides par des résines de type HEMA. Cette imprégnation permet d'envisager la confection de lames minces dans le matériau argileux induré avec conservation de sa structure initiale humide. Les perspectives sont la pétrographie quantitative à l'interface racine - sol le long de profils verticaux dans les environnements argileux à degrés de saturation et structure évolutives. / The coastal marshlands are territories generally reclaimed on primary fluvio-marine sediments. They result from hydraulic managements and/or polderization which may date from the Middle Ages. Historically these hydraulic managements were built for goals of wholesomeness, breeding and farming. They isolate two territories: the dried marshes and the wet marshes. For the intensive cereal crops the slow drying caused by land reclamation was recently improved by the drainage, in part for increase the depth of desalinization and decrease waterlogging. Nevertheless, these territories remain characterized by shallow ground water of initial salt water. Consequently, the hydric profiles are governed by the meteoric conditions including the Evapotranspiration, the rainfall, but also the capillarity rises from the salt groundwater. Moreover, the clay dominated nature of the soils and their drastic shrinkage properties govern the hydrodynamic functioning and the soil structure behavior.The first part of the work was the monitoring of the water content and salinity profiles in drained cereal crops and in undrained grasslands. These measurements have been completed by the ground water level and tensiometric monitoring. The final goal was the calculation and modeling of the available water capacity (AWC) and plant available water (PAW) profiles. In these systems mainly supplied by the capillarity rises, the root network gets water in the subsurface vadose zone and then in the deeper saturated groundwater zone. The water content characteristic of the interface between the vadose and saturated zone was determined by comparison between the clay material state paths along its shrinkage curve and along its compaction curve. The PAW profiles were calculated from the water content profiles and then compared to the AWC profiles. The PAW profiles have been equated as polynomial second degree equations. In these shallow groundwater environments the PAW profiles have been modeled taking into account an easy measurable surface parameter which includes the soil structure behavior and the meteoric conditions: i.e. the water content measured at 10 cm depth. The PAW modelling remains sufficiently realistic to be used as a tool for farming management. Two preliminary studies were added to this work: - the measurement of effective thermal conductivity of the clayey soils by the transient hot wire method, and the modeling of the effective thermal conductivity of biphasic air-clay and water-clay media, but also triphasic unsaturated air-water-clay media. The prospect is the modeling of thermal and hydric transfer from the surface to the depth. - and the elaboration of a protocol of impregnation - hardening for wet clay dominated soils by HEMA resins. This impregnation allows the making of thin sections in these clay materials with conservation of their initial wet structures. The prospective is the quantitative petrography at the root - clay matrix interface along vertical profiles in clayey soils at different degrees of saturation and different structures.