In the 400-600 mm annual rainfall zone of the Sahel, soil fertility is the main determinant of yield in rainfed millet cropping systems in all but the driest years. Numerous on-farm and on-station experiments have addressed the issue of improving soil fertility. Yet the widespread use of the experimental results is restricted by the highly site specific millet response to fertility management practices due to high spatially variable soil properties as well as high intra- and inter-annual rainfall variability. Mathematical soil-crop growth simulation models could therefore suitably complement experimental research to support decision making regarding soil fertility under variable rainwater supply conditions. The objective of this thesis was therefore to develop the biophysical basis for the use of crop-soil models in decision support regarding water and soil fertility management and risk mitigation strategies in rainfed millet-based systems of Sahelian Niger. Because farmers rely on multiple cultivars with variable length of growing cycle due to sensitivity to temperature and photoperiod as part of their risk management strategies we first characterized seven Sahelian millet genotypes and parameterized the Agricultural Production Systems Simulator (APSIM-millet model). The cultivars include three improved cultivars (CIVT, ICMV-IS-89305, ZATIB) and four landraces (Ankoutes, Hainikirey, Maewa and Zongo). Our research showed that only one of the cultivars, Maewa, was very photosensitive contrary to the six others. The majority of the agronomic state variables (leaf number, leaf area, biomass and grain yield) were negatively affected by late sowing (associated with lower air temperatures). This characterization enabled to compute for the first time in the Sahel the principal eco-physiological or genetic millet parameters (thermal times of development phases, leaf area dynamics) of crop growth models (e.g. APSIM, DSSAT). To gain confidence in the use of the APSIM model for decision support in the Sahelian environment, it was successfully tested to reproduce the agronomic state variables under non-limiting water and nutrient supply conditions. Moreover the APSIM model satisfactorily reproduced the millet CIVT cultivar response to water x N interaction from the combined application of crop residue, cattle manure and mineral fertilizer during two years and for contrasted rainfall conditions. Using the model with site and cultivar specific parameterization, we implemented two applications for decision support. A 23-year, long term factorial numerical experiment showed that a moderate N application of 15 kg N/ha is more appropriate for smallholder, subsistence farmers than the usual 30 kg N/ha recommendation. Although it implies a lower long term average yield than at 30 kg N/ha, the application of 15 kg N/ha guarantees both a higher minimum yield in extreme dry years and a lower inter-annual variability, thereby increasing food security and reducing farmers vulnerability. In the second model application, we integrated GIS information (land tenure, spatially distributed weather data, fertility management) and the APSIM model in a 12-year yield simulation to show that the spatial dispersion of fields of a household throughout the village territory (farmer risk management strategy) leads to more uniform yields across households and reduces the inter-annual yield variability in the Fakara region of Niger. Our research breaks the ground for several other applications of the use of crop-soil simulation models in millet-based systems in the Sahel, e.g. climate change impact and food crisis mitigation. / Dans la zone Sahélienne avec 400 à 600 mm de précipitation annuelle, la fertilité des sols est le principal facteur déterminant des rendements du mil pluvial hormis lors des années plus sèches. De nombreuses expérimentations au champ et en station ont abordé la question de l’amélioration de la fertilité des sols. Cependant, l’extrapolation de ces résultats, et a forciori leur utilisation par les agriculteurs, est limitée par le fait que la réponse du mil à ces pratiques de fertilité dépend fortement des propriétés des sols très variables dans l’espace ainsi que de la pluviométrie annuelle et sa répartition intra-annuelle. Les modèles mathématiques et dynamiques de simulation de la croissance des plantes peuvent donc utilement compléter la recherche expérimentale pour l’aide à la décision en ce qui concerne la gestion de la fertilité des sols dans diverses conditions d’alimentation hydrique. L’objectif de cette thèse était donc de développer les bases biophysiques pour l’utilisation de modèles de croissance des cultures en vue de leur utilisation comme outils d’aide à la décision en matière de gestion de l’eau et la fertilité des sols dans les systèmes de culture à base de mil en zone sahélienne du Niger. Puisque les paysans utilisent de multiples variétés de mil avec des cycles de croissance variables en tant qu’élément dans leurs stratégies de gestion des risques, nous avons d’abord caractérisé sept génotypes de mil Sahelien en vue de la paramétrisation du model dynamique APSIM (Agricultural Production Systems Simulator). Trois variétés améliorées (CIVT, ICMV-IS-89305, ZATIB) et quatre variétés locales paysannes (Ankoutes, Hainikirey, Maewa et Zongo) ont été étudiées. Notre recherche a montré que seule une des variétés, l’écotype Maewa, est très photosensible contrairement aux six autres. La majorité des variables agronomiques (nombre de feuille, surface foliaire, biomasse et rendement en grain) ont été négativement affectées par un semis tardif (associés à des températures de l’air plus faibles). Cette caractérisation a permis de calculer pour la première fois au Sahel les principaux paramètres éco-physiologiques du mil (durée thermique des phases de développement, dynamique de la surface foliaire), indispensables aux modèles dynamiques de croissance des plantes tels qu’APSIM et DSSAT. Le modèle APSIM a permis de reproduire avec succès les variables agronomiques de 6 des 7 variétés de mil en condition nonlimitante d’apport en eau et en nutriments. De plus, le modèle APSIM a reproduit de manière satisfaisante la réponse de la variété améliorée CIVT à l’interaction de l’eau et de l’azote suite à l’apport combiné de résidus de récolte, de fumier de bétail et d’engrais minéral sur deux années ayant des pluviométries contrastées. Ceci a permis de renforcer la confiance dans l’utilisation du modèle APSIM comme outil d’aide à la décision dans l’environnement Sahélien. Sur base du modèle APSIM ainsi paramétrisé pour des conditions spécifiques de site et de variété, nous avons développé deux applications en matière d’aide à la décision. Une expérimentation factorielle numérique à long terme (23 ans) a révélé que l’application d’une dose modérée d’azote (15 kg N/ha) est plus appropriée dans le contexte d’une agriculture de subsistance que la recommandation habituelle de 30 kg N/ha. Bien qu’elle implique un rendement moyen à long terme inférieur à celui obtenu avec 30 kg N/ha, l’application de 15 kg N/ha garantit un plus grand rendement minimum pendant les années sèches extrêmes et une variabilité inter-annuelle plus faible, ce qui permet de garantir une meilleure sécurité alimentaire tout en réduisant la vulnérabilité des paysans. Dans la deuxième application du modèle, nous avons intégré des données SIG (parcellaire villageois, données climatiques et de pratiques de gestion de fertilité distribuées dans l’espace) et le modèle APSIM dans une simulation de rendement de mil sur 12 années. Ceci a permis de montrer que la dispersion spatiale des champs d’un ménage dans le terroir villageois (stratégie paysanne de gestion du risque) permet l’obtention de rendements plus uniformes entre ménages au sein du même village et de réduire la variabilité inter-annuelle des rendements de chaque ménage dans la région de Fakara au Niger. Notre recherche ouvre la voie à plusieurs autres applications de l’utilisation des modèles dynamiques de croissance des plantes dans les systèmes à base de mil au Sahel, par exemple dans l’étude de l’impact des changements climatiques et de prévention des crises alimentaires.

La germination est un processus clé qui conditionne la régénération des plantes dans leur milieu ainsi que leur distribution. Connaître les conditions thermique et hydrique qui permettent aux plantes de germer est un préalable nécessaire à l’identification des menaces qui pèsent sur elles et tout particulièrement dans un contexte de changement climatique. Les modèles en temps thermique et temps hydrique permettent de prédire la phénologie de germination sur le terrain en fonction des conditions climatiques dans l’environnement de la graine dépassant des valeurs seuil de température et de potentiel hydrique de base, Tb et Ψb (i.e. respectivement la température minimale et le potentiel hydrique minimum permettant la germination).Dans ce travail de thèse, il est donc question d’étudier l’écophysiologie de la germination à l’aide de ces modèles à deux échelles taxonomiques : (i) celle des plantes à graines et (ii) à l’échelle du genre Silene de la région PACA. Dans les deux cas le but est d’évaluer les contraintes évolutives des traits de réponse au climat de la germination ainsi que leurs liens avec les contraintes morphologiques et phénologiques des plantesLes résultats de cette thèse montrent un fort signal phylogénétique des traits de germination de la température de base et une plus grande labilité pour le potentiel hydrique de base quelle que soit l’échelle taxonomique considérée. En revanche, les liens avec les traits des plantes, tels que la masse des graines, sont plus variables et dépendent à la fois de l’origine biogéographique et de la longévité des espèces. / Germination is a key process in plant reproduction, a critical and irreversible phase conditioning the regeneration and distribution of plants. Understanding how temperature and water act on germination, is major step prior to identify risks plants may undergo under warming climate. Thermal time and hydrotime modelling of germination are useful tools to predict germination in the field as a function of climatic conditions above threshold value of temperature and water potential (respectively base temperature, Tb, and base water potential, Ψb) in a seed’s environment. This PhD thesis aimed at studying germination ecophysiology at two contrasted taxonomic scales: (i) for all seed plants and (ii) at the restricted level of the genus Silene in the Provence Alpes Côte d’Azur region. In both cases the objective was to evaluate evolutionary implications of the germination traits, Tb and Ψb and their link with plant morphological and phenological constraints. This work is structured in three parts : (I) Temperature but not moisture response of germination shows phylogenetic contraints while both interact with seed mass and life span ; (II) Germination ecophysiology in the Silene genus : thermal time and hydrotime models ; (III) Comparative ecology of Silene germination : relation with plant traits and climate.The mains results of this work show strong evidences of phylogenetic signal in base temperature and greater lability for base water potential at both taxonomic scales. The links with plant traits such as seed mass depend on biogeographical origins and life span.

L'objectif général de la thèse est d'améliorer la modélisation numérique RANS des flux thermiques turbulents notamment en proposant un modèle fonctionnant dans les trois régimes de convection thermique (forcée, mixte et naturelle).Pour ce faire, un état des lieux, non exhaustif, des modèles des flux thermiques utilisant les approches algébriques et à équations de transport, est effectué. Puis, le modèle EB-RSM (Elliptic Blending-Reynolds Stress Model) étant utilisé pour modéliser la turbulence, le principe de la pondération elliptique est appliqué aux modèles des flux thermiques turbulents algébriques EB-GGDH (EB-General Gradient Diffusion Hypothesis), EB-AFM (EB-Algebraic Flux Model) et à équations de transport EB-DFM (EB-Differential Flux Model). Une attention particulière a été apportée aux échelles de temps et de longueur utilisées pour ces modèles. Il en résulte qu'utiliser une échelle de longueur thermique différente de l'échelle de longueur dynamique et une échelle de temps mixte dans le terme de flottabilité de l'équation de la dissipation turbulente est préférable.Pour valider les formulations retenues, nous avons effectué des tests pour des fluides usuels (nombre de Prandtl de l’ordre de 1) dans les trois régimes de convection à l'aide de l'outil de calcul Code_Saturne sur des configurations académiques, semi-académiques et industrielles.Des résultats satisfaisants ont été obtenus en associant l'EB-RSM et le GGDH en convection forcée ou mixte et l'EB-RSM aux modèles EB-DFM et AFM en convection naturelle. / The PhD main objective is to improve the turbulent heat flux RANS modelling especially by proposing a model working in the three thermal convection regime (forced, mixed and natural).In order to achieve this, a non-exhaustive state of art of heat flux model, using algebraic approach and transport equations, is done. Then, as EB-RSM model (Elliptic Blending-Reynolds Stress Model) is used to model turbulence, elliptic blending approach is apply to algebraic turbulent heat flux model EB-GGDH (EB-General Gradient Diffusion Hypothesis), EB-AFM (EB-Algebraic Flux Model) and transport equation model EB-DFM (EB-Differential Flux Model). Special attention was paid to time and length scales used with these models. It follows that using a thermal length scale different from dynamic length scale and a mixed time scale in the buoyant term of turbulent dissipation equation is better.To validate these models, some test were done for common fluids (Prandtl number in the order of 1) in the three convection regimes with the tool Code_Saturne on academic, mid-academic and industrial cases.Good results were obtained combining EB-RSM with GGDH in forced or mixed convection and EB-RSM with EB-DFM or AFM in natural convection.