Les systèmes socio-écologiques sont omniprésents et la compréhension de leur fonctionnement est devenue une priorité pour aborder de manière commune et précise les questions soulevées par l'action de l'homme sur son environnement, mais aussi pour identifier des trajectoires et explorer des scénarios prospectifs sur la base desquels, une stratégie de pilotage pourrait être envisagée. Appliquée à un ravageur des cultures dans le nord des Andes, l'approche de ces systèmes par un modèle d'automate cellulaire a permis d'identifier les facteurs humains clefs de sa dispersion et de disposer de cartes de probabilité de présence. Par la suite, l'intégration de variabilité génétique par un modèle individu-centré a facilité l'exploration de scénarios de structuration des populations de ravageurs. Pour une meilleure compréhension de la dynamique spatio-temporelle de ces derniers, une approche à base d'agents, théorique puis empirique, a fourni des éléments d'explication des délais observables entre la mise au point d'une technique de protection des cultures et son application par les agriculteurs d'une petite région agricole, par un modèle de diffusion de l'information couplé aux approches précédentes. Afin d'exploiter ces résultats et suite à une recherche participative fructueuse dans la zone d'étude, une méthode innovante basée sur un modèle a été insérée dans un programme de formation d'agriculteurs pour souligner la nécessité d'une approche systémique pour une protection des cultures efficace. Malgré certaines limitations, ces approches pourraient être applicables plus largement à tout programme agricole dans des systèmes socio-écologiques.

L’alimentation et l’excrétion constituent deux besoins physiologiques fondamentaux de tout être humain. En analysant leur matérialisation depuis l’échelle cellulaire jusqu’à celle des grands cycles biogéochimiques planétaires, nous proposons de considérer que l’alimentation et l’excrétion humaines participent d’un système dont les modalités de réalisations dans les différentes sociétés humaines permettent de caractériser des régimes socio-écologiques. Nous avons plus particulièrement analysé les systèmes alimentation/excrétion des territoires urbains au regard de leur soutenabilité et proposons une méthodologie de caractérisation fondée principalement sur l’analyse du flux de la substance qui nous paraît la plus pertinente, à savoir l’azote, et sur les modalités de gestion des urines humaines qui représentent près des trois quarts de ce flux. Nous montrons que les systèmes alimentation/excrétion des différentes communautés humaines présentent une très grande variété selon les lieux et époques considérés et proposons de les distinguer entre autres en fonction de leur circularité, c’est-à-dire par le taux de retour sur des sols agricoles des excrétats. En prenant l’agglomération parisienne comme cas d’étude, nous montrons que son système alimentation/excrétion a été de plus en plus circulaire au cours du XIXe siècle, culminant au tout début du XXe siècle aux alentours de 50 % de circularité, avant de se linéariser progressivement au cours du XXe siècle. En ce début de XXIe siècle, nous caractérisons le système alimentation/excrétion de l’agglomération parisienne comme non soutenable car linéaire à plus de 95 %, intensif, inefficace et polluant aux échelles locales et globales. Ces caractéristiques sont généralisées au sein du monde occidental et interpellent sur la possibilité d’une transition socio-écologique vers des systèmes alimentation/excrétion soutenables. Or, depuis les années quatre-vingt-dix, une prise de conscience relative à l’urine a réémergé, principalement en Suède puis dans l’Europe germanique. Elle s’est traduite par de nombreuses réalisations et recherches autour de la séparation à la source des urines. Nous montrons que ce dispositif est actuellement le seul, dans le monde occidental, à avoir permis de nouveau la mise en œuvre de systèmes alimentation/excrétion circulaires. Pouvant être déclinée sous de multiples formes en fonction des contextes, la séparation à la source des urines bénéficie, malgré le verrouillage socio-technique de l’agglomération parisienne autour du tout-à-l’égout, d’un contexte favorable à son développement. Nous avons élaboré un scénario prospectif explorant ainsi la possibilité que l’agglomération parisienne dépasse, en quelques décennies, l’extremum de circularité qu’elle avait connu à la Belle Époque et que les acteurs de ce territoire réalisent, en cohérence avec une transition socio-écologique des autres systèmes énergétiques, hydrauliques et de transport, un régime socio-écologique soutenable de leur système alimentation/excrétion. Cette thèse fait partie du programme de recherche et action OCAPI (www.leesu.fr/OCAPI) / Nutrition and excretion are fundamental physiological needs for all human beings. Analysis of their materiality, from the cellular scale up to the great planetary-scale biogeochemical cycles, shows that nutrition and excretion form a system. The focus of our study is the sustainability of the nutrition/excretion systems of urban areas, which we have sought to assess by analysing substance flows. The most relevant of these substances seems to be nitrogen, so by assessing urban nitrogen flows we can characterise the different possible socioecological regimes and their sustainability. We identify a wide diversity of nutrition/excretion systems depending on the places and eras considered. We propose to distinguish them in terms of their circularity, in other words by the rate at which nitrogen from excreta returns to agricultural land. Using the Paris urban area as our case study, we show that its nutrition/excretion system became increasingly circular in the 19th century, reaching maximum circularity right at the start of the 20th century, before becoming steadily more linear in the course of the 20th century. In these early years of the 21st century, the nutrition/excretion system of the Paris urban area is essentially linear, and still generates significant pollution at both local and global scales. Its environmental footprint is exacerbated by a diet that is very protein rich, mostly animal in origin, and by the non-consumption of a significant proportion of the food produced. All these factors make it unsustainable. These characteristics are found throughout the Western world and raise questions about the possibility of a socioecological transition to sustainable systems of nutrition and excretion. Since the 1990s, initially in Sweden, followed by Nordic and German-speaking Europe, awareness has been growing of the role of urine. Urine is responsible for three-quarters of urban nitrogenous excretions and is a safe substance: following a period of storage, it can be used as agricultural fertiliser. This new awareness has been followed by extensive experimentation and research on urine source separation. We show that this is currently the only method in the Western world to have accomplished a return to circular systems of nutrition/excretion. Urine source separation can be done in multiple ways, depending on circumstances, and conditions in France are favourable to its development, despite the sociotechnical lock-in to mixed sewage management systems. In a forward-looking scenario, we therefore explore the possibility that the Paris urban area could return to, and within a few decades even surpass, the heights of circularity that it attained during the Belle Époque. In that case, alongside a socioecological transition in the other systems – water, energy, transport – the people of this territory could establish a sustainable regime for their system of nutrition/excretion. This thesis is part of the OCAPI research and action programme (www.leesu.fr/OCAPI)

Depuis les années 1990, le secteur de l’élevage au Vietnam subit des transformations rapides et profondes. Les productions de viande et de lait sont passées d’un système d’élevage familial intégré aux activités agricoles à un mode plus intensif et largement industrialisé. Les grandes exploitations capitalistiques se substituent progressivement à la petite paysannerie. Cette évolution soulève un certain nombre d’enjeux spatiaux. Le développement des villes, l’implantation des usines d’alimentation animale dans les campagnes, la relocalisation des bassins de production et l’essor de la production de maïs entrainent une réorganisation complète de la géographie de l’élevage au Vietnam. Cette dynamique spatiale est largement méconnue alors même qu’elle s’accélère depuis l’entrée du pays dans l’OMC en 2007. Cette thèse s’intéresse en particulier à trois districts – Thong Nhat, Mai Son et Ba Vi – dans lesquels l’élevage est une composante majeure du développement local. Les principaux résultats de cette thèse montrent que la concentration spatiale des systèmes d’élevage industriel dans un nombre réduit de régions est de fait organisée par un partenariat étroit entre autorités politiques et firmes privées qui privilégient les bénéfices économiques de cette industrialisation. Cependant, les autorités locales et les firmes impliquées peinent à prendre en compte les préjudices à moyen-terme de l’agglomération des systèmes de production sur la durabilité des anthroposystèmes. La gestion des milieux apparait laissée à la charge des communautés locales, et les fonctions de l’agriculture évoluent progressivement vers le recyclage des externalités du système d’élevage industriel. / Since the 1990’s, livestock sector in Vietnam has been deeply changing. Meat and milk productions are mouving from a mixed farming system towards a more intensive and industrialized production model. Concentrated animal feeding operations are progressively replacing small-scale livestock farming. This transition raises specific spatial issues. Expansion of urban areas, location of feed mills in rural areas, relocation of intensive production areas lead to a complete reorganization of the geography of livestock sector in Vietnam. This spatial dynamic is becoming an issue, especially since Vietnam has joined WTO in 2007. This thesis focuses on three districts – Thong Nhat, Mai Son et Ba Vì – where livestock plays a major role in local development. We show that spatial concentration of industrial production systems occurs in a limited number of regions. This dynamics appears to be organized by a close partnership between local authorities and private firms, with a focus on economic benefit. However, those stakeholders seem not to be in condition to manage all medium term impacts of this concentration on anthroposystem sustainability. Most of the challenges related to the Environmental management of industrial livestock systems remains in the hands of local communities. The role of agriculture progressively evolves towards the recycling of industrial livestock systems effluents.

À l’extrémité Est des Caraïbes, la Barbade importe quelques 90% de ses aliments. Les menaces croissantes liées aux changements climatiques, aux maladies non-transmissibles, à la réduction des mobilités due à la pandémie de COVID-19 et aux prix éternellement en hausse ont remis en évidence la vulnérabilité de ce territoire insulaire exigu et l’importance de la souveraineté alimentaire. L’autosuffisance alimentaire est toutefois un projet ambitieux à la Barbade vu la petite taille de l'île, ses sols et sa biodiversité appauvris par trois siècles de monoculture de canne à sucre, et une pression déjà lourde sur ses ressources limitées en eau douce. En plus des contraintes environnementales de l'île, des enjeux sociaux et économiques freinent également la transition vers un système alimentaire autonome. Par exemple, le travail agricole, stigmatisé par l'histoire coloniale, l’esclavage et la mondialisation, est souvent peu attractif pour de nombreux habitants. Puis, l’économie barbadienne, toujours basée sur le tourisme, les imports et une agriculture destinée aux exports, présente des barrières structurelles importantes empêchant son indépendance vis-à-vis du marché global. Cette étude cherche à comprendre les défis socio-environnementaux qui freinent les changements positifs dans le système alimentaire de la Barbade et à stimuler la discussion dans la communauté pour identifier des pistes de solutions assurant à la fois la réalisation de la sécurité alimentaire, soit l’accès aux aliments, et de la souveraineté alimentaire, soit le droit du peuple à définir ses propres politiques agricoles et alimentaires. Cette recherche a deux buts principaux : d’abord, d’offrir une réflexion critique sur l’héritage colonial de la Barbade et ses implications en agriculture; puis, d’identifier des avenues agraires qui respectent les limites socio-environnementales de l’île, à travers l’évaluation de modèles utilisés localement et dans des environnements semblables dans le monde. L’étude de 26 entretiens semi-dirigés et de l’observation participante effectués dans les champs, marchés et cuisines de la Barbade d’août 2021 à avril 2022 met en lumière les habitudes, perceptions et ambitions des Barbadiens et Barbadiennes en termes d’alimentation, d’agriculture et de système alimentaire. En plus d’observations plus larges sur les phénomènes sociaux et politiques barbadiens, permises par une longue immersion sur l’île débutant en 2020, ces méthodes identifient les causes sous-jacentes et les processus persistants qui maintiennent le système alimentaire barbadien dans la vulnérabilité. À travers un partenariat avec des organismes agro-alimentaires locaux et la réalisation d’un film documentaire et de contenu vidéo pour les médias sociaux, ce projet célèbre les solutions au niveau local et régional et offre l’opportunités d’amener plus loin la discussion entre les différents acteurs à la Barbade, mais aussi avec d’autres communautés confrontées à des défis similaires. / It is estimated that Barbados imports nearly 90% of its food. Growing threats of climate change, non-communicable diseases, reduced mobilities due to COVID-19 and the ever-rising prices highlighted the vulnerability of the island and the importance of food sovereignty. However, aiming towards food self-sufficiency is an ambitious project in Barbados, considering the island’s small size, an already heavily used limited freshwater resource, and impoverished soils and biodiversity due to three centuries of sugar cane monoculture. In addition to those environmental constraints, social and economic issues also hinder change. For example, agricultural work, stigmatized by colonial history, slavery and globalization, is often unattractive to the locals. Furthermore, the Barbadian tourism-based economy and export-oriented agriculture present significant structural barriers to building independence from the global market. This research project seeks to build an understanding of and stimulate the discussion on the socio-environmental challenges that prevent positive changes in Barbados’ food system to overcome them, to ensure that both food security, or access to food, and food sovereignty, or the right of the people to define their own agricultural and food policies, are fulfilled. The project has two main goals. First, to bring a critical perspective on the colonial heritage of Barbados and its implications in agriculture. Second, to identify agrarian avenues that respect the socio-environmental limits by evaluating the models used locally and in similar environments around the world. A study of 26 semi-directed interviews and participant observation in the fields, markets and kitchens of Barbados from August 2021 to April 2022 provides insights into the habits, perceptions and aspirations of Barbadians in terms of food, agriculture and the food system. Together with wider observations of the Barbadian society and politics, allowed by a long-term immersion on the island starting in 2020, these methods identify some of the underlying causes and perpetuating processes at play in the unsustainable food system. Through a partnership with local agri-food organizations and the production of a documentary film and video content for social media, this research project celebrates the solutions found at the local and regional level and offers opportunities for further discussion with stakeholders in Barbados, but also in other communities facing similar challenges.

Alors que les activités anthropiques font basculer de nombreux écosystèmes vers des régimes fonctionnels différents, la résilience des systèmes socio-écologiques devient un problème pressant. Des acteurs locaux, impliqués dans une grande diversité de groupes — allant d’initiatives locales et indépendantes à de grandes institutions formelles — peuvent agir sur ces questions en collaborant au développement, à la promotion ou à l’implantation de pratiques plus en accord avec ce que l’environnement peut fournir. De ces collaborations répétées émergent des réseaux complexes, et il a été montré que la topologie de ces réseaux peut améliorer la résilience des systèmes socio-écologiques (SSÉ) auxquels ils participent. La topologie des réseaux d’acteurs favorisant la résilience de leur SSÉ est caractérisée par une combinaison de plusieurs facteurs : la structure doit être modulaire afin d’aider les différents groupes à développer et proposer des solutions à la fois plus innovantes (en réduisant l’homogénéisation du réseau), et plus proches de leurs intérêts propres ; elle doit être bien connectée et facilement synchronisable afin de faciliter les consensus, d’augmenter le capital social, ainsi que la capacité d’apprentissage ; enfin, elle doit être robuste, afin d’éviter que les deux premières caractéristiques ne souffrent du retrait volontaire ou de la mise à l’écart de certains acteurs. Ces caractéristiques, qui sont relativement intuitives à la fois conceptuellement et dans leur application mathématique, sont souvent employées séparément pour analyser les qualités structurales de réseaux d’acteurs empiriques. Cependant, certaines sont, par nature, incompatibles entre elles. Par exemple, le degré de modularité d’un réseau ne peut pas augmenter au même rythme que sa connectivité, et cette dernière ne peut pas être améliorée tout en améliorant sa robustesse. Cet obstacle rend difficile la création d’une mesure globale, car le niveau auquel le réseau des acteurs contribue à améliorer la résilience du SSÉ ne peut pas être la simple addition des caractéristiques citées, mais plutôt le résultat d’un compromis subtil entre celles-ci. Le travail présenté ici a pour objectifs (1), d’explorer les compromis entre ces caractéristiques ; (2) de proposer une mesure du degré auquel un réseau empirique d’acteurs contribue à la résilience de son SSÉ ; et (3) d’analyser un réseau empirique à la lumière, entre autres, de ces qualités structurales. Cette thèse s’articule autour d’une introduction et de quatre chapitres numérotés de 2 à 5. Le chapitre 2 est une revue de la littérature sur la résilience des SSÉ. Il identifie une série de caractéristiques structurales (ainsi que les mesures de réseaux qui leur correspondent) liées à l’amélioration de la résilience dans les SSÉ. Le chapitre 3 est une étude de cas sur la péninsule d’Eyre, une région rurale d’Australie-Méridionale où l’occupation du sol, ainsi que les changements climatiques, contribuent à l’érosion de la biodiversité. Pour cette étude de cas, des travaux de terrain ont été effectués en 2010 et 2011 durant lesquels une série d’entrevues a permis de créer une liste des acteurs de la cogestion de la biodiversité sur la péninsule. Les données collectées ont été utilisées pour le développement d’un questionnaire en ligne permettant de documenter les interactions entre ces acteurs. Ces deux étapes ont permis la reconstitution d’un réseau pondéré et dirigé de 129 acteurs individuels et 1180 relations. Le chapitre 4 décrit une méthodologie pour mesurer le degré auquel un réseau d’acteurs participe à la résilience du SSÉ dans lequel il est inclus. La méthode s’articule en deux étapes : premièrement, un algorithme d’optimisation (recuit simulé) est utilisé pour fabriquer un archétype semi-aléatoire correspondant à un compromis entre des niveaux élevés de modularité, de connectivité et de robustesse. Deuxièmement, un réseau empirique (comme celui de la péninsule d’Eyre) est comparé au réseau archétypique par le biais d’une mesure de distance structurelle. Plus la distance est courte, et plus le réseau empirique est proche de sa configuration optimale. La cinquième et dernier chapitre est une amélioration de l’algorithme de recuit simulé utilisé dans le chapitre 4. Comme il est d’usage pour ce genre d’algorithmes, le recuit simulé utilisé projetait les dimensions du problème multiobjectif dans une seule dimension (sous la forme d’une moyenne pondérée). Si cette technique donne de très bons résultats ponctuellement, elle n’autorise la production que d’une seule solution parmi la multitude de compromis possibles entre les différents objectifs. Afin de mieux explorer ces compromis, nous proposons un algorithme de recuit simulé multiobjectifs qui, plutôt que d’optimiser une seule solution, optimise une surface multidimensionnelle de solutions. Cette étude, qui se concentre sur la partie sociale des systèmes socio-écologiques, améliore notre compréhension des structures actorielles qui contribuent à la résilience des SSÉ. Elle montre que si certaines caractéristiques profitables à la résilience sont incompatibles (modularité et connectivité, ou — dans une moindre mesure — connectivité et robustesse), d’autres sont plus facilement conciliables (connectivité et synchronisabilité, ou — dans une moindre mesure — modularité et robustesse). Elle fournit également une méthode intuitive pour mesurer quantitativement des réseaux d’acteurs empiriques, et ouvre ainsi la voie vers, par exemple, des comparaisons d’études de cas, ou des suivis — dans le temps — de réseaux d’acteurs. De plus, cette thèse inclut une étude de cas qui fait la lumière sur l’importance de certains groupes institutionnels pour la coordination des collaborations et des échanges de connaissances entre des acteurs aux intérêts potentiellement divergents. / As anthropic activities are slowly pushing many ecosystems towards their functional tipping points, social-ecological resilience has become a pressing concern. Local stakeholders, acting within a diversity of groups — from grassroots organizations to higher-scale institutional structures — may act on these issues and collaborate to develop, promote, and implement more sustainable practices. From these repeated collaborations emerge complex networks, the topologies of which have been shown to either enhance or hinder social-ecological systems’ (SES) resilience. The main topological characteristics of a stakeholder network enhancing SES’s resilience include a combination of: a highly modular community structure, which helps groups of stakeholders develop and propose solutions both more innovative (by reducing knowledge homogeneity in the network), and close to their interest and values; high connectivity and synchronizability, in order to improve consensus building, social capital and learning capacity; and high robustness so as to prevent the first two characteristics from sharply decreasing if some stakeholders were to leave the network. These characteristics are straight-forward both in concept and in their mathematical implementation, and have often been used separately to discuss the structural qualities of stakeholder networks in case studies. However, some of these topological features inherently contradict each other. For example, modularity is in direct conflict with connectivity, which is in conflict with a network’s robustness. This issue makes the creation of a more global measure difficult, as the level to which stakeholders contribute to enhancing SES’s resilience cannot simply be a summation of these features, but instead needs to be the outcome of a delicate trade-off between them. The present study aims to: (1) explore the trade-offs at work between these structural features; (2) produce a measure of how well-suited empirical stakeholder networks are to enhancing the resilience of their SES; and (3) thoroughly analyze an empirical stakeholder network in the context, among other things, of its resilience-enhancing qualities. This dissertation is organized in four parts. The first part (Chapter 2) is a review of the literature on SES resilience. It identifies a series of structural features (as well as their corresponding network metrics) associated with resilience-enhancement in SES. The second part (Chapter 3) is a case study on the Eyre Peninsula (EP), a rural region of South Australia where land-use, as well as climate change, contribute to biodiversity erosion. For this case study, field work was conducted in 2010 and 2011, during which time a series of face-to-face interviews was conducted to populate a list of individuals — and groups of individuals — holding a stake in biodiversity conservation on the EP. The data was thereafter used to develop an online questionnaire documenting interactions between these stakeholders. The two steps led to produce a weighted, directed network of 129 stakeholders interacting through 1180 collaboration links. The third part (Chapter 4) describes a methodology to measure the level to which stakeholder networks contribute to resilience-building in SES. The method is articulated in two steps: (i) an optimization algorithm (simulated annealing — SA —) is used to craft a semi-random archetypal network which scores high in one compromise of modularity, connectivity, synchronizability, and robustness, and (ii) an empirical stakeholder networks (such as our EP network) is compared to the archetypal network through a measure of structural distance. The shorter the distance, the closer the empirical network is to its ideal configuration. The fourth and last part of the dissertation research (Chapter 5) is an improvement on the simulated annealing used in Chapter 4. As is frequently done for this kind of optimization technique, the SA used in Chapter 4 projected the four dimensions of the multi-objective problem into one (as a weighted average). While performing well, this only resolves one of the possible trade-offs between the objectives. To better explore the trade-offs at work in this optimization problem, a true multi-objective simulated annealing (MOSA) is proposed where, instead of optimizing one solution, the algorithm optimizes a multidimensional surface of solutions scoring better than the others in a least one of the objectives. This study, which focuses on the social part of SESs, improves our understanding of the stakeholder collaboration structures which, theoretically, best contribute to resilient SESs. It shows that while some resilience-enhancing topological characteristics are in conflict (modularity vs. connectivity, and connectivity vs. robustness to a lesser extent) others can be easily reconciled (connectivity vs. synchronizability, and, less-so, modularity vs. robustness). It also provides an intuitive method to quantitatively assess empirical stakeholder networks, which opens the way to comparisons between case studies, or monitoring of stakeholder network evolution through time. Additionally, this thesis provides a case study which highlights the importance of a key institutional group in coordinating collaborations and information exchanges among other stakeholders of potentially diverging interests and values.