L'étude menée dans cette thèse avait pour but de développer et d'approfondir nos connaissances sur la relation entre le mouvement diffusif des gaz dans le sol et certaines propriétés physiques du sol, à trois niveaux d'observations : micro-, méso- et macroéchelle. À cette fin, cinq objectifs ont été définis : (1) micro-échelle - mise en évidence de la relation entre la porosité du sol, décrite par des paramètres multi-fractals et calculée sur des images de systèmes porals en 3-D obtenues de données CT scan (tomodensitométrie assistée par ordinateur), et la diffusion des gaz mesurée en laboratoire à méso-échelle; (2) méso-échelle - mesures sur des colonnes de sol en laboratoire des coefficients de diffusion relatifs des gaz dans le sol (Dc/D0) et sélection d'un modèle de prédiction optimal basé sur des caractéristiques physiques du sol; (3) macro-échelle - mise en application du modèle de prédiction de Ds/D0 par une analyse temporelle des patrons de distribution spatiale multi-échelles de Ds/D0 en sol agricole; (4) multi-échelle - intégration de DJD0 et de sa relation avec les paramètres physiques des sols agricoles décrivant la porosité aux trois niveaux d'observations; (5) macro-échelle - application concrète du transfert d'échelle (méso à macro) par une approche simple permettant d'estimer l'oxydation du méthane dans un sol de recouvrement de site d'enfouissement. Les résultats ont montré que : (1) à micro-échelle, il existe une forte corrélation entre Ds/D0 et certains paramètres multi-fractals décrivant la porosité du sol. Une loi de puissance d'ordre deux serait applicable comme relation d'échelle de Ds/D0. (2) À mésoéchelle, le modèle de Millington et Quirk (1961), aussi une loi de puissance, s'avère être le plus performant pour les sols agricoles et le sol de recouvrement de site d'enfouissement. (3) À macro-échelle, ce modèle permet l'analyse de la variabilité spatio-temporelle de Dç/Do à l'échelle d'un champ. Cela a révélé une variabilité spatiale élevée de Ds/D0, dépendante de la distance dans le champ, et dont la structure spatiale se maintient au cours d'une saison de croissance. (4) L'intégration de ces trois échelles a permis d'esquisser un pont empirique entre certaines propriétés physiques du sol et Ds/D0 sur trois niveaux d'observations. (5) Une approche simple a pu être validée à macro-échelle où ce modèle de prédiction de Ds/D0 s'est avéré adéquat pour estimer l'oxydation du méthane à partir de propriétés physiques du sol faciles à mesurer.