An integrated approach is developed to assess a priori the effects of irrigation management interventions on soil salinity, sodicity and transpiration. The approach is tested for a 75,000 ha irrigation system in Pakistan, where canal and groundwater are used conjunctively. The main hypothesis is that by reallocating good quality canal water, the use of poor quality groundwater can be restricted, thus combating salinity and sodicity and mitigating their effects on crops. The study has three components. Firstly, interventions in canal water deliveries to tertiary units are analyzed using an unsteady state hydraulic model, based on the St. Venant equations, and linked with a regulation module, which captures the operational decisions of the irrigation agency. By changing the operational rules at the main canal, and by redimensioning the outlets in secondary canals, the water can be distributed equitably to tertiary units or delivered to those units that require it for salinity control. Secondly, the impact of irrigation on salinity, sodicity and transpiration is assessed for farmers' fields, using a combined soil water flow and solute transport model, based on Richard's equation and the convection-dispersion equation, and a regression equation, based on the irrigation quality and soil texture. A curvilinear relationship with a decreasing tangent was found between the irrigation quantity and soil salinity. Increases in the EC of the irrigation water result in a parallel curve with higher salinity levels. Adapting the irrigation quantity and quality to the existing soil types and depth to groundwater table can, therefore, reduce salinity and sodicity, thus avoiding soil degradation, which already occurs at an ESP of 4%. Thirdly, both components are combined with a parallel, socio-economic study, where farmers' decisions related to the crop portfolio and acquisition/application of water, were captured in Linear Programming models. The individual models of both studies are interfaced to develop a tool, capable of quantifying the effect of irrigation management interventions. For a secondary canal serving 14,000 ha, it is shown that the area threatened by sodicity is reduced by 40% by reallocating canal water, without affecting the agricultural production. The results of the developed tool should not be taken as accurate predictions, as there are likely to be unforeseen events due to the complexity of irrigation systems. Instead, the approach should be evaluated for its effectiveness in supporting actors' decisions in irrigation system management, by enhancing their understanding of the effects of interventions on salinity, sodicity and agricultural production. The application of the approach, in two case studies, shows that it allows the investigation of a wide range of policy and management interventions, and captures adequately the complexity of an irrigation system, thus providing indications about its transferability. However, the tools should be applied as part of an integrated concept, which includes phases of diagnosis, identification of relevant processes and parameters, and discussions with actors.

L'interaction entre la température des océans et la teneur isotopique des précipitations antarctiques est étudiée à l'aide d'un modèle de circulation générale atmosphérique, en distinguant différentes sources des précipitations. La contribution de ces sources est estimée pour des conditions climatiques modernes et glaciaires, il y a 21000 ans. Les variations entre ces climats résultent du refroidissement de l'océan et du renforcement du gradient méridien de température. Différentes reconstructions des températures tropicales glaciaires, mal connues, montrent leur forte influence sur la contribution des sources. Pour les latitudes polaires, la teneur isotopique des précipitations issues de chaque source est reliée à la température de la source et à sa distance au lieu de précipitation. Contrairement à l'idée développée par Boyle (1997), un refroidissement glaciaire généralisé des sources n'est pas susceptible de biaiser l'interprétation classique des isotopes en paléotempérature, car il est compensé dans nos simulations par une plus forte contribution des sources chaudes. La distribution de l'oxygène 18 dans l'océan est simulée à l'aide d'un modèle de circulation générale océanique, en prescrivant des flux isotopiques issus du modèle atmosphérique. Ces mêmes flux servent à simuler une 'salinité' passive, cohérente avec l'oxygène 18. Les différentes caractéristiques ainsi que la corrélation spatiale entre ces 2 traceurs, salinité et isotope, sont correctement reproduites. La modélisation permet d'étudier la sensibilité de leur relation aux flux de surface, et notamment à l'écoulement continental. L'effet du mélange océanique horizontal est apprécié par comparaison avec un modèle en boite. L'impact des conditions (température et humidité) et de la teneur isotopique de la surface océanique sur l'excès en deutérium des précipitations antarctiques est aussi évalué.

Dans les zones arides et semi-arides, les performances des systèmes irrigués collectifs et leur durabilité sont souvent remises en question. Le point de départ de notre démarche est le constat que les approches disciplinaires qui ont abordé les performances de ces systèmes restent fragmentaires et ne permettent pas d'identifier les déterminants effectifs des performances ni d'évaluer leurs effets dans un milieu réel fortement anthropisé avec un fonctionnement complexe. Il est ainsi difficile d'établir les interventions les mieux adaptées. Proposer une approche plus intégrée d'analyse du fonctionnement et d'évaluation des performances, tel est l'objectif général de notre recherche appliquée à une oasis du sud tunisien. Notre démarche s'articule en deux principales étapes. La première étape consiste en une analyse diagnostic basée sur une confrontation des perceptions des agriculteurs avec le diagnostic des ingénieurs dans l'optique d'une analyse critique du discours et des pratiques des agriculteurs. Cette étape nous a permis d'identifier les principales contraintes et leurs effets, mais aussi de comprendre les pratiques d'adaptation des agriculteurs aux contraintes de leur environnement. A partir de l'élaboration d'une représentation conceptuelle du fonctionnement de l'aménagement et d'un ensemble d'indicateurs issus de la phase de diagnostic, la seconde étape consiste en deux évaluations successives. Dans un premier temps, l'analyse de la performance de la gestion individuelle et collective de l'irrigation met en évidence le rôle d'un ensemble de déterminants sociotechniques sur l'allongement du tour d'eau, liés à des pratiques inappropriées et à un faible engagement de certains agriculteurs. Dans un second temps, l'analyse des performances quantitatives et qualitatives du palmier dattier met en évidence l'influence de la conduite de l''irrigation, et des contraintes de salinité et d'engorgement en interaction. Les regards croisés de l'hydraulicien et de l'agronome nous ont permis de dégager les principaux mécanismes qui déterminent la stratégie et les pratiques des agriculteurs, et les performances des palmeraies. Notre démarche illustre le besoin d'un changement de posture, des approches normatives classiques et des approches participatives, pour la mise en œuvre d'interventions adaptées. Il s'agit ainsi de comprendre les spécificités locales et le contexte social et historique mais aussi la logique d'action des agriculteurs pour en adapter les changements techniques projetés. Ce travail s'inscrit dans une démarche de recherche-action qui tente de spécifier in fine les priorités d'intervention et d'accompagnement des agriculteurs.

L'objectif du satellite européen SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity), lancé le 02 novembre 2009, est de mesurer, par radiométrie en bande L, la salinité de surface des océans (SSS) et l'humidité des sols. Pour atteindre une précision de 0.1 – 0.2 pss sur des cartes de SSS moyennées sur 10 jours et sur 200 km x 200 km, une phase d'étalonnage et de validation des mesures doit être réalisée. Une des techniques retenues est la comparaison entre des salinités in situ, mesurées à plusieurs mètres de profondeur et les salinités SMOS, représentatives du premier centimètre sous la surface océanique. Cette différence verticale peut engendrer des biais de salinité importants, notamment en cas de fortes précipitations. Ce travail, réalisé en collaboration avec le LOCEAN et ACRI-St, se concentre sur la variabilité verticale de la salinité dans les 10 premiers mètres de la couche de surface océanique et sur ses conséquences pour la phase d'étalonnage/ validation de SMOS. Il propose, à partir de mesures in situ, une description des différences verticales de salinité sur l'ensemble des zones océaniques tropicales (30°N – 30°S). Une étude statistique de la relation entre ces différences verticales et un paramètre de pluie, construit à partir des mesures satellitaires de taux de précipitation est également effectuée. Enfin,pour combler le manque de salinités in situ proches de la surface, la possibilité d'utiliser des modèles théoriques pour simuler les différences verticales de salinité en cas de pluie a été étudiée. Les modèles utilisés sont le modèle de circulation océanique NEMO et le modèle unidimensionnel PWP ([Price et al., 1986]) qui calcule la profondeur de la couche de mélange.

Entre 1975 et 1978 l'association GERSAR-SCET, à la suite d'un appel d'offres international émis par le Gouvernement Syrien, réalisait une étude de projet d'aménagement du secteur de la Basse Vallée de l'Euphrate. Les objectifs de cette mise en valeur étaient les suivants - répondre, dans le domaine de la production agricole, aux objectifs nationaux tout en assurant les équilibres nutritionnels de la population de la Basse Vallée ; - améliorer le revenu familial des exploitations agricoles maintenir un niveau d'emplois suffisant dans le secteur par le maintien des agriculteurs à la terre et par la création d'emplois dans les secteurs para-agricoles et les industries de transformation. Les études de reconnaissance entreprises en 1975-1976 ont mis en évidence le bon niveau actuel de mise en valeur de la région, limité malheureusement principalement par la salinisation. Aussi les types d'aménagements préconisés ont-ils essentiellement porté sur le drainage (rééquilibration du bilan sels-eaux) et l'irrigation. Le but de cette étude est de profiter du grand nombre de données disponibles concernant les sols et les eaux pour essayer de caractériser et d'analyser plus précisément ce phénomène de salinité; l'approche en est essentiellement géochimique. Dans une première partie on donne une présentation générale du secteur étudié : cadres géographique, climatique, géologique, géomorphologique, hydrogéologique, occupation des sols. Une seconde partie rassemble les données descriptives concernant les sols et les eaux du secteur étudié. La troisième partie aborde, à partir des conclusions de la seconde partie, l'étude des relations existant entre nappe et sols. On y précise les mécanismes de la salinisation. Dans la quatrième partie, après la description du bilan en eau et en sels dans la Basse Vallée de l'Euphrate, on tente de décrire ce qu'apporte un raisonnement géochimique au problème de l'irrigation; on présente ensuite une prévision de l'évolution de la salinité de l'Euphrate, consécutive aux hypothèses d'aménagement adoptées. Au niveau mondial, les prévisions (UNESCO-1978) montrent que les terres cultivées irriguées des pays en voie de développement s'accroîtront à une vitesse bien plus grande que les terres arables non irriguées. L'accroissement de la salure des sols irrigués étant un phénomène pratiquement universel (UNESCO-1978), l'étude détaillée du cas particulier de la Basse Vallée de l'Euphrate présente, en tant que référence, une utilité certaine.

Nous nous sommes intéressés à la compréhension des mécanismes régissant la symbiose Rhizobium-Acacia dans les conditions de stress salin. Les lipopolysaccharides jouent un rôle important dans les étapes de cette symbiose. Le but était de mettre en évidence les modifications pariétales de la bactérie en réponse au stress salin par l'étude de la structure des lipopolysaccharides des souches isolées du désert marocain tolérant NaCl 7%. Ainsi, une nouvelle méthode d'hydrolyse des lipopolysaccharides sensible, non destructive et compatible avec la spectrométrie de masse a été développée. En présence de stress salin, nous avons montré que la membrane externe devenait plus hydrophobe en augmentant l'acylation de la région lipidique ainsi qu'en réduisant la présence des molécules de LPSs à longues chaînes de sucres.Des essais d'évaluation de l'efficience et de l'infectivité des Rhizobia étudiés ont été mis en œuvre pour déterminer l'impact de ces modifications des LPSs sur la symbiose sous stress salin.

Ce travail entre dans le cadre d’une meilleure compréhension des mécanismes de réponse des crustacés au facteur salin. Nos travaux ont démontré que les abondances des copépodes et branchiopodes dans la saline de Sfax sont régulées principalement par les concentrations en sels et la température. Des expérimentations réalisées en laboratoire ont permis de déterminer les salinités optimales pour les trois espèces de copépodes majoritaires (Bryocamptus sp., Oithona nana, Pararcartia grani) et du branchiopode Artemia salina, Une approche biochimique focalisée sur A. salina a montré qu’il assurait son osmorégulation par l’utilisation de l’énergie dépendante de la gestion de ses stocks de protéines, glucides et lipides, et par la mise en œuvre de réponses physiologiques antioxydantes. Une étude exhaustive de la bibliographie a permis de monter que la pompe transmembranaire Na+/K+ ATPase est un élément clé de la gestion de l’osmolarité cellulaire. L’analyse des gènes, ARNm et protéines correspondants à sa sous unité alpha (primordiale pour la fonction) a révélé : i) l’existence d’un gène unique au sein des invertébrés (excepté pour les nématodes), ii) une grande diversité du nombre et de la longueur des introns, iii) un phénomène d’épissage alternatif, et iii) une conservation de domaines protéiques transmembranaires. Enfin, une étude comparative de l’activité de la Na+/K+ ATPase entre deux écrevisses Astacus astacus (espèce native d’Europe) et Procambarus clarkii (espèce invasive en Europe) a démontré que seule l’espèce invasive montrait une activité élevée lors de stress salin ; ce qui pourrait expliquer en partie son aptitude à coloniser des nouveaux milieux. / The aim of our investigations was to increase your understanding of the mechanisms of crustacean’s response to salinity changes. We revealed that, in the Sfax solar saltern, the copepods and branchiopod abundances are mainly regulated by salinity and temperature. Experiments in the laboratory allowed defining the optimum of salinity for the most abundant copepod species (Bryocamptus sp, Oithona nana, Pararcartia grani) and for the branchiopod Artemia salina. An biochemical approach focused on Artemia salina (euryhaline species) showed that he ensured his energy uptake for osmoregulation by the regulation of their internal protein, carbohydrate and lipid contents. In addition, antioxidative reactions are induced to compensate the physiological disruption. A review of bibliography allowed revealing that the transmembrane pump Na+/ K+ ATPase is primordial for the cellular osmolality regulation. The structural analyses of the gene, mRNA and proteins coding alpha subunit in invertebrates showed : i) the existence of a unique gene (except for nematodes), ii) variability in the number and length of introns, iii) an alternative splicing phenomen, and iiii) high conservation of the ten transmembrane protein domains. Finally, a comparative study of the activity Na+/K+ ATPase for two crayfish species (Astacus astacus, native European species; Procambarus clarkia, alien American species) during salt stress demonstrated that only the invasive species have high Na+/K+ ATPase activity; which can explain its ability to colonize various environments.

Les microbialites sont des roches organo-sédimentaires dont les processus de formation restent mal compris. L'objectif central de cette thèse est de mieux comprendre les conditions environnementales permettant le développement de microbialites actuels provenant de 10 lacs volcaniques mexicains. Une grande diversité de compositions minéralogiques des microbialites a été observée, comprenant divers carbonates et la quasi omniprésence de silicates de magnésium authigènes. A partir de cette étude nous proposons une valeur minimale d'alcalinité permettant le développement des microbialites. De plus, une corrélation positive entre l'alcalinité et la teneur en sodium des lacs est apparue. Cette corrélation pourrait s'expliquer par des niveaux différents d'évaporation des lacs et/ou des degrés différents d'altération des silicates alentours. L'étude plus particulière des silicates de magnésium a révélé que ces phases sont faiblement cristallisées, semblables à la kérolite et ont un fort potentiel de fossilisation des microorganismes et de la matière organique. Ces silicates de magnésium sont parfois associés à du fer dont l'origine pose question dans ces environnements alcalins et oxygénés. Nous avons mis en évidence la présence de différents types de phases porteuses du fer : des hydroxydes doubles lamellaires (hydrotalcites), des oxy(hydroxy)des, des silicates de magnésium et des sulfures. Nous proposons plus spécifiquement que l'hydrotalcite pourrait être issue de l'altération des basaltes par la circulation de fluides souterrains et plus généralement que cette phase pourrait être un précurseur des silicates de magnésium abondamment observés dans les microbialites actuels. / The processes leading to the formation of microbialites, which are organo-sedimentary rocks, are not well understood. The main goal of this thesis is to better understand the environmental conditions allowing the development of modern microbialites. Here we performed geochemical analyses of water solutions and mineralogical analyses of microbialites in 10 Mexican volcanic lakes. We found a large diversity of microbialites in terms of mineralogical composition, with occurrence of diverse carbonate phases as well as the frequent presence of authigenic magnesium silicate phases. From this study, we infer a minimum alkalinity value for the formation of lacustrine microbialites. Moreover, we observe a positive correlation between the alkalinity and the sodium content of the lakes. This may relate to variations in evaporation intensity and/or various degrees of weathering of the surrounding silicates. The study of Mg-silicates revealed that this phase is similar to kerolite, a poorly crystalline hydrated talc phase, and has a strong potential for the fossilization of microorganisms and organic matter. These silicates are sometimes associated with iron, the origin of which remains uncertain in these alkaline and oxidized environments. By the mineralogical study of several microbialites, we found several phases bearing iron: layered double hydroxides (hydrotalcites), Mg-silicates, oxy(hydroxi)des and sulfides. We propose more specifically that hydrotalcite could be the by-product of basalts weathering by groundwater. We propose more generally that hydrotalcite could be a precursor phase of Mg-silicates abundantly observed in modern microbialites.

L’objectif général de ce travail est de comprendre et d’évaluer le rôle des cultures, à fort développement racinaire et susceptibles de se développer en milieu salin et saturé, sur le processus de phytodésalinisation des Vertisols. L’étude est réalisée sur le périmètre irrigué de Kollo (Niger) dans la vallée du fleuve Niger et couple deux expérimentations : i) la première in situ teste la capacité de Echinochloa stagnina à dessaler les Vertisols durant 15 mois en comparaison avec le riz (Oriza sativa) et le sol nu submergé et ii) la deuxième, au laboratoire sur des colonnes du sol, étudie l’effet de E. stagnina sur les propriétés hydro-structurales des Vertisols durant 11 mois et vise à analyser et modéliser le processus de la phytodésalinisation des VertisolsLes résultats montrent que la porosité du sol croît progressivement sur le sol cultivé avec E. stagnina. La macroporosité totale est plus élevée sur le sol cultivé avec E. stagnina (6 à 10 %) que sur le sol nu (2 à 4 %). La salinité des Vertisols décroît significativement avec le temps du développement des cultures. A la fin de l’expérimentation in situ, le stock des sels dans la couche 0-60 cm a baissé de 33 à 36 % sous E. stagnina et seulement de 3 % pour le riz et le sol nu submergé. Au laboratoire, le stock des sels initial a baissé de 65 à 87 % sous E. stagnina et de 34 à 45 % sur le sol nu submergé. Il est nécessaire de comprendre davantage l’interaction entre les différents processus (fissuration, salinité, géochimie) intervenants pendant la période d’inter-culture. / The general objective of this study was to understand and to evaluate the role of crops, characterized by heavy root development and susceptible to growth in saline and flooded conditions, on phytodesalinization process of Vertisols.The study was conducted in the irrigated perimeter of Kollo (Niger) in Niger River valley and coupled two experimental approaches: i) a field study to test the capacity of Echinochloa stagnina to reclaim Vertisols salinity during 15 months in comparison with rice (Oriza sativa) and ponded bare soil and ii) a laboratory experimentation on soil columns to study the effect of E. stagnina roots on hydro-structural properties of Vertisols during 11 months and aims to analyze and modelling phytodesalinization processes of VertisolsThe results showed that the soil porosity progressively increased under soil cultivated with E. stagnina. The soil macroporosity was higher on soil cultivated with E. stagnina (6-10%) than bare soil (2-4%). The soil salinity of Vertisols significantly decreased with time of crop development. At the end of field study, the initial salt stock of 0-60 cm layer decreased by 33 to 36% under the E. stagnina crop and only by 3% under rice crop and ponded bare soil. In laboratory study, initial salt stock decreased by 65 to 87% under soil cultivated with E. stagnina and by 34 to 45% under ponded bare soil. It is necessary to understand the interactions between the different processes (cracking, salinity, and geochemistry) involved during the intercropping season

Les travaux présentés dans cette thèse ont porté sur la specificité des réponses cellulaires de l’halophyte obligatoire Cakile maritima au choc salin et la régulation des événements précoces impliqués dans la mort cellulaire programmée et la survie en condition de salinité. Dans une première étape, nous avons montré que cette plante est aussi tolérante aux chocs salins répétés qu’au stress salin progressif. Cependant, on a observé de zones de mort cellulaires sur les feuilles âgées soumises à un choc salin sévère (400 mM NaCl). Pour mieux cerner la cascade d’événements impliqués dans ce processus de mort cellulaire, nous avons poursuivi nos expériences sur des suspensions cellulaires de C. maritima, dont nous avons-nous même optimisé les conditions d’obtention, et des suspensions cellulaires d’Arabidopsis thaliana (glycophyte modèle). Chez les deux espèces, nous avons observé une mort cellulaire programmée qui dépend de la durée et l’intensité du traitement salin appliqué, et qui met en jeu les mêmes événements cellulaires notamment la dépolarisation de la membrane plasmique due à l’entrée de Na+ par les NSCCs, un dysfonctionnement mitochondrial, une production d’anions superoxydes et une activation de protéines de type caspase. La tolérance de C. maritima au stress salin serait potentiellement due à une forte accumulation d’ascorbate qui permettrait à cette halophyte de mieux réduire les dommages générés par le stress oxydatif. C. maritima s’est aussi distinguée par une meilleure capacité de contrôler l’accumulation cytoplasmique de Na+, conduisant à la survie de ses cellules en condition de salinité. Cette étude sur la mort cellulaire induite par le NaCl chez les cellules en culture de C. maritima nous a aussi permis de mettre en évidence deux types de comportement dans cette population de cellules en culture : l’un lié à une dépolarisation soutenue en réponse au NaCl conduisant probablement à la mort de ces cellules, l’autre lié à une dépolarisation transitoire indiquant que l’influx de Na+ au travers des NSCC était régulé permettant probablement aux cellules présentant ce comportement de survivre en évitant l'accumulation excessive de Na+ dans le cytosol. Dans la dernière partie de ce travail, nous avons mis en évidence la capacité de C. maritima d’exclure Na+ via le système SOS. Ce résultat suggère l’existence d’une deuxième voie de signalisation induite parallèlement à celle conduisant à la mort cellulaire. Cette voie, impliquant une production rapide d’oxygène singulet, pourrait permettre un influx de Ca2+ dans le cytoplasme activant la protéine SOS3 et en cascade SOS2 et SOS1 et les H+-ATPases de la membrane plasmique permettant un efflux du Na+ via SOS1 hors des cellules. / AbstractThis work aimed at understanding the specificity of cellular responses of the obligate halophyte Cakile maritima to salt shock and regulation of early events involved in programmed cell death and survival under salinity conditions. In a first step, we have shown that this plant is tolerant upon both repetitive salt shocks and gradual salt application. However, we have observed a cell death zones on older leaves subjected to a severe shock saline (400 mM NaCl). To better understand the cascade of events involved in the cell death process, we continued our experiments on suspension culture of C. maritima, which we have optimized ourselves the conditions for establishment and suspension culture of Arabidopsis thaliana (glycophyte model). In both species, salinity induced programmed cell death that depends on the duration and the intensity of the applied salt treatment. Also, the same cellular events, including depolarization of the plasma membrane due to the Na+ influx by NSCCs, mitochondrial dysfunction, production of superoxide anions and activation of caspase-like proteins, occurs early in response to salt stress. C. maritima tolerance to salt stress is potentially due to a strong accumulation of ascorbate that would allow this halophyte to better reduce damage generated by oxidative stress. C. maritima is also distinguished by a better ability to control the cytoplasmic accumulation of Na+, leading to the survival of its cells under salinity conditions. This study on cell death induced by NaCl in cell culture of C. maritima also allowed us to identify two types of behavior in this population of cells in culture: one related to a sustained depolarization in response to NaCl probably leading to death of these cells, the other linked to a transient depolarization indicating that the Na+ influx through the NSCC was probably regulated allowing cells exhibiting this behavior to survive by avoiding excessive accumulation of Na+ in the cytosol. In the last part of this work, we have demonstrated the ability of C. maritima to exclude Na+ via the SOS system. This result suggests the existence of a second signaling pathway induced in parallel to that leading to cell death. This pathway, involving a rapid production of singlet oxygen, could allow a Ca2+ influx in the cytoplasm that acts as an elicitor for activation of SOS3 protein and SOS2-SOS1 cascade and H+- ATPases of the plasma membrane allowing Na+ efflux via SOS1 out of cells.