Les changements climatiques et d'usages des sols sont des facteurs clés affectant la biodiversité. Par ailleurs, la nécessité de concilier production agricole et biodiversité, en améliorant les mesures de conservation existantes et en intégrant les considérations environnementales dans les futures politiques agricoles, est devenue une préoccupation majeure. L'objectif de la thèse était d'étudier comment les changements environnementaux (climatiques et d'usages des sols agricoles) et les mesures de conservation mises en œuvre en réponse à ces pressions environnementales, sont susceptibles d'affecter les communautés d'oiseaux nicheurs. Une première partie de mes travaux a porté sur l'évaluation des effets des mesures agro-environnementales (MAE) récemment mises en œuvre en France. Ces travaux mettent en évidence l'efficacité mitigée des MAE dans leur ensemble, bien que certaines semblent pouvoir améliorer la dynamique des populations en déclin. Dans une seconde partie, j'ai cherché à prédire les impacts potentiels des changements environnementaux futurs sur les communautés d'oiseaux. Les prédictions des impacts potentiels de différents scénarios PAC à l'horizon 2020 m'ont tout d'abord permis de mettre en évidence la nécessité de développer des scénarios à fine échelle spatiale, tenant compte de la diversité des systèmes agricoles en France. J'ai donc développé différents scénarios de changements d'assolements à l'échelle des petites régions agricoles, certains étant déclinés à deux échelles de prise de décision politique : nationale et régionale. Les prédictions des impacts de ces scénarios combinés à différents scénarios de changements climatiques et d'usage des sols, nous permettent notamment de mettre en évidence que la régionalisation de politiques d'extensification en fonction des agrosystèmes, pourrait permettre de maximiser la conservation des communautés d'oiseaux communs en milieu agricole. En conclusion, le développement de telles approches prédictives est utile pour prédire les impacts des changements potentiels du climat et de l'utilisation des terres, et est par conséquent un réel outil d'aide à la décision pour élaborer les futures politiques agricoles

Le silicium est le second élément le plus abondant de la croûte terrestre et un nutriment clefs des écosystèmes aquatiques. Il existe de fortes interactions entre Si, le cycle du carbone et les processus biogéochimiques. Cette étude porte sur la variabilité de Si (amorphe-ASi, lithogène-LSi et dissous-DSi) et les isotopes de Si le long du continuum continent-océan. Nous avons étudié la variabilité saisonnière et spatiale de ASi, LSi, DSi et des isotopes dans ~20 estuaires indiens. Nous avons catégorisé les estuaires selon une analyse statistique (PCA et regroupement). Le prélèvement par les diatomées semble être le principal processus contrôlant ASi en saison sèche, surtout au Sud. L’altération et l’érosion contrôlent LSi dans les autres estuaires. En saison humide, l’impact des diatomées n’est pas observé à cause d’une trop forte charge sédimentaire et tous les estuaires sont dominés par les apports lithogéniques. Les compositions isotopiques de Si peuvent tracer les sources de Si et les interactions biogéochimiques. Les résultats isotopiques montrent une différence saisonnière claire avec un impact fort de l’altération aux deux saisons. Les bassins versants du sud-ouest sont très différents des autres bassins du fait de leur topographie et climat. L’impact de l’agriculture et de la couverture forestière est aussi clairement présent dans tous les bassins tandis que la composition isotopique de Si des eaux souterraines résulte d’une combinaison de production et dissolution de minéraux. Ainsi, cette étude montre le rôle prépondérant de l’altération et du type d’argiles formées sur les isotopes de Si, indépendamment des saisons, plutôt que des processus biologiques ou de mélange tels que rapportés précédemment. / Silicon is the second most abundant element in Earth’s crust and one of the key nutrient in aquatic ecosystems. There are strong interactions of Si with carbon cycle and biogeochemical processes. The present thesis focused on variability of silicon (amorphous-ASi, lithogenic-LSi and dissolved-DSi) and Si isotopes along the land to ocean continuum. We investigated the seasonal and spatial variability of ASi, LSi & DSi and Si isotopes in ~20 Indian estuaries. We categorize the estuaries using statistical analysis (PCA and cluster analysis). Diatom uptake seems to be the main process controlling ASi during dry period, especially in the South. Weathering and erosion control the variability of LSi in the remaining estuaries. Similarly lithogenic supply controls Si during wet period in all estuaries and no impact of diatoms was seen because of high suspended load. Si isotopic compositions trace the Si sources and biogeochemical pathways. The isotopic results exhibit clear seasonal difference with high impact of type of weathering during both seasons. They show that southwest watersheds are very special in terms of weathering regime compared to the other watersheds because of topography and climate. The impact of agriculture and forest cover on Si cycle is also clearly evidenced in all the basins during wet period. We show that groundwater Si isotopic variability results from a combination of dissolution and production of minerals. Overall, this study shows the preponderant influence of weathering and type of secondary clays on Si isotopes irrespective to the seasons, rather than the biological uptake or mixing as reported elsewhere

Le sol fait face à de nombreuses pressions anthropiques qui menacent son fonctionnement et sa capacité à fournir des services essentiels au bien-être humain. Pour évaluer l’effet de ces perturbations et proposer de nouvelles voies de gestion des sols, il est nécessaire de développer des méthodes d’évaluation de la qualité des sols opérationnelles. La qualité des sols a été définie comme « la capacité des sols à fonctionner […] » (Karlen et al., 1997). Cependant, la littérature scientifique se focalise plutôt sur son état et ses propriétés que sur son fonctionnement. En effet, la qualité des sols est généralement appréhendée comme une somme de propriétés édaphiques, chimiques et biologiques qui ne tiennent pas compte des nombreuses interactions de cet écosystème. Cette étude propose un nouveau cadre conceptuel d’évaluation fonctionnelle de la qualité des sols basé sur la mesure directe des fonctions portées par les assemblages biologiques du sol. A partir de ce cadre, un nouveau set d’indicateurs, nommé Biofunctool®, a été développé. Biofunctool® permet de renseigner trois fonctions du sol (transformation du carbone, cycle des nutriments et maintenance de la structure) à partir de douze indicateurs, bords de champ et de faible technicité. Le set d’indicateurs a été appliqué dans divers sites expérimentaux en Asie du Sud Est et a permis de relever l’impact i) de la transition entre une culture annuelle et une culture pérenne, ii) de l’évolution du développement de cultures pérennes et iii) d’une couverture du sol avec légumineuses en plantation d’hévéa sur la qualité des sols. L’évaluation locale et fonctionnelle de la qualité des sols a pu ensuite être extrapolée à une échelle plus globale grâce à un modèle prédictif. Ce modèle permet de répondre à une forte attente d’intégration d’un indicateur fonctionnel de qualité des sols dans les modèles d’évaluation environnementale à une échelle globale comme l’Analyse Cycle de Vie. / Soils are currently threatened by many human activities that jeopardize soil functioning and its ability to provide ecosystem services, vital for human well-being. In order to assess human impacts and to propose new management practices to protect soils, it is necessary to implement assessments of soil quality. Soil quality was defined by Karlen et al. (1997) as “the capacity of soil to function […]”. However, in the literature, most of study focus on assessment of soil properties and intrinsic states rather than focusing on the soil functioning and the multiple interactions within the complex system. This study proposes a new integrative approach of the soil quality from direct assessment of the functions carried out by the soil biological assemblages, namely Biofunctool®. Biofunctool® allows for assessing three soil functions (carbon transformation, nutrient cycling, structure maintenance) based on twelve functional, in-field and low-tech indicators. Biofunctool® was applied over several case studies in Thailand to assess the impact of various land management on soil quality. The results pinpointed the impact of the conversion from an annual cropping system to a perennial one on soil; it also raised the evolution of soil quality over perennial tree stands and the impact of cover crop in rubber tree systems. The local assessment of soil integrative quality was then scaled up, to be integrated within the Life Cycle Assessment framework through a predictive model approach. The model developed allows to meet the current demand in defining integrative indicators of soil quality adapted to global scale environmental frameworks.

Le nombre de personnes vivant dans les villes a considérablement augmenté depuis 1950, passant de 746 millions à 3,9 milliards en 2014.La croissance démographique et l'urbanisation devraient ajouter 2,5 milliards de personnes à la population urbaine mondiale d'ici 2050.Cette situation pose de nouveaux défis sur la manière de concevoir des villes qui accueillent de telles quantités de population d'une manière durable, qui devrait aborder plusieurs aspects, allant des questions économiques aux questions sociales et environnementales.Les processus urbains sont la conséquence de différents facteurs d'interaction, liés entre eux de telle sorte que le processus qui en résulte est complexe à mesurer et à comprendre.Étant donné le nombre croissant de personnes vivant dans les villes, il devient urgent de comprendre la complexité sous-jacente de ces modèles urbains.A cette fin, nous proposons dans cette thèse des outils d'aide à la décision appliqués dans le contexte de l'analyse urbaine, qui permettent d'étudier les phénomènes de mixité et d'étalement urbain.Tout d'abord, un cadre permettant de saisir la répartition spatiale de l'utilisation des terres dans les villes est présenté.En premier lieu, les données urbaines sont extraites d'OpenStreetMap.En utilisant les techniques d'estimation de la densité du noyau, des estimations de la densité d'utilisation des terres sont ensuite effectuées pour les utilisations résidentielles et les activités.Les résultats sont utilisés pour calculer les indices de développement spatial mixte.En outre, des estimations de densité pour différents types d'activités sont proposées, qui décrivent un modèle clair de localisation dans les villes en fonction de leur type.Nous fournissons les résultats des systèmes d'information géographique, qui s'avèrent être un atout, en particulier pour les urbanistes, en soutenant et en facilitant leur processus de prise de décision - surtout en comparaison relative avec les mesures agrégées.Deuxièmement, les travaux susmentionnés ont été étendus pour le calcul des indices d'étalement urbain.L'approche proposée formalise l'étalement urbain sous l'angle du développement durable, en trois dimensions : la mixité de l'utilisation des sols, la dispersion des zones bâties et l'accessibilité aux opportunités d'activités.Il en résulte un nombre gérable de dimensions, où chaque dimension est formalisée d'une manière facile à interpréter, et en particulier une pertinence par rapport aux aspects de l'étalement urbain qui entravent le développement durable.Troisièmement, nous proposons deux approches pour effectuer des estimations désagrégées de la population.Le premier exploite l'information sur les surfaces résidentielles, en supposant une consommation de surface résidentielle constante par habitant.Grâce à l'utilisation de données maillées - c'est-à-dire agrégées - sur les secteurs de recensement, une désagrégation fine est effectuée pour répartir les données démographiques dans les bâtiments.Le second consiste en un réseau neuronal entièrement convolutif qui cartographie les données de population à grain grossier à fin.Nous utilisons la base de données OpenStreetMap pour extraire un ensemble de caractéristiques urbaines qui décrivent un contexte urbain local et guident la procédure de désagrégation.Les densités de population sont estimées pour des mailles 25 fois plus petites que la résolution d'entrée, c'est-à-dire 200m par 200m. / The number of people living in cities has been increasing considerably since 1950, from 746 million to 3.9 billion in 2014.The continuing population growth and urbanization are projected to add 2.5 billion people to the world's urban population by 2050.This situation brings new challenges on how to conceive cities that host such amounts of population in a sustainable way, which should address several aspects, ranging from economical to social and environmental matters.Urban processes take place as a consequence of different interacting factors, linked between them in such a way that the resulting process is complex to measure and understand.Given the increasing number of people living in cities, understanding the underlying complexity of these urban patterns is thus becoming a pressing issue.To this end, we propose in this thesis decision-support tools applied in the context of urban analysis, which allow to study land use mix and urban sprawl phenomena.In our first contribution, a framework for capturing spatial land use mix in cities is presented.In the first place, urban data are extracted from OpenStreetMap.Using Kernel Density Estimation techniques, land use density estimations are then carried out for residential and activity uses.The outputs are employed to calculate spatial mixed-use development indices.Additionally, density estimations for different activity types (i.e. commercial and industrial, leisure and amenities, and shops) are proposed.We provide fine-grained Geographic Information System outputs, which happen to be an asset particularly for urban planners, supporting and aiding their decision-making procedure -- specially in relative comparison to aggregated measures.In a second contribution, the above work was extended for calculating spatial urban sprawl indices.The proposed approach formalizes sprawl under a sustainable development angle, into three dimensions: land use mix, dispersion of built-up area, and accessibility to activity opportunities.This results in a manageable number of dimensions, where each dimension is formalized in an easy-to-interpret way, and in particular pertinence to the aspects of sprawl that impede sustainable development.In our third contribution, we propose two approaches for performing disaggregated population estimates.The first one exploits information on residential surfaces, assuming a constant residential surface consumption per-capita.By means of employing gridded -- i.e. aggregated -- census tract data, a fine disaggregation is carried out to distribute population count data into buildings.The second one consists of a fully convolutional neural network that maps coarse-grained to fine-grained population data.We use the OpenStreetMap database to extract a set of urban features which describe a local urban context and guide the disaggregation procedure.Population densities are estimated for grid-cells 25 times smaller than the input resolution, i.e. 200m by 200m.

Le changement de l'occupation des sols (LUC) a une influence importante sur le climat de par les modifications des propriétés physiques de la surface. Le niveau de connaissance de ces impacts biogéophysiques est cependant insuffisant, en raison notamment des nombreux processus impliqués. Via l'intercomparaison de modèles de climat et d'autres outils développés, cette thèse vise à identifier les signaux climatiques robustes liés au LUC, ainsi qu'à évaluer les incertitudes associées. Depuis l'époque préindustrielle, le LUC a résulté en une déforestation extensive dans les régions tempérées de l'hémisphère Nord, où l'augmentation de l'albédo de surface a sûrement induit un refroidissement durant l'hiver et le printemps. L'amplitude de cet impact ainsi que le rôle des effets non radiatifs en été reste pourtant très incertain parmi les modèles. Ces incertitudes répondent (1) à la façon dont le LUC est représenté dans les modèles de surface et (2) aux sensibilités intrinsèques des modèles de climat au LUC. Le deuxième point explique plus de 50% de la dispersion inter-modèle dans des variables clés au climat de surface comme l'évapotranspiration. Suite à cette incertitude, les impacts du LUC dans albédo de surface et l'évapotranspiration ont été estimés à partir d'observations contemporaines et les cartes de végétation prescrites dans les modèles de surface ici évalués. L'ensemble de ces analyses montre que les incertitudes actuelles des effets sur le climat du LUC sont en grande partie liées aux paramétrisations des modèles de surface, et peuvent donc être réduites par une évaluation plus rigoureuse de ceux-ci.

L'implémentation à large échelle de stratégies d’atténuation des émissions dans le secteur de l'agriculture, la forêt et autres usages des sols (AFOLU) pose des questions sur leur durabilité. Par exemple, les bio-fuels de seconde génération menacent la biodiversité et la reforestation d'espaces agricoles augmente le prix de l'alimentation. De plus, ces stratégies d’atténuation des émissions dépendent fortement des conditions socio-économiques décrivant le reste du système alimentaire (libéralisation du commerce agricole, développement économique, augmentation de la population...). Dans cette thèse, nous cherchons à préciser les impacts sur la biodiversité, l'alimentation et les émissions de gaz à effet de serre de différentes stratégies d’atténuation à large échelle dans le secteur AFOLU au regard de différentes situations socio-économiques. Pour cela, nous utilisons la modélisation prospective qui nous permet de simuler des scénarios décrivant l'évolution de l'usage des sols à l'échelle mondiale à l'horizon 2030, 2050 et 2100. Le couplage du modèle d'usage des sols Nexus Land-Use (NLU) avec le modèle de biodiversité Projecting Responses of Ecological Diversity In Changing Terrestrial Systems (PREDICTS) permet d’étudier l’impact de ces stratégies d’atténuation sur différentes composantes de la biodiversité. Le calcul de bilan d’azote permet quant à lui de préciser le lien entre l’intensification et sont impact environnemental.Dans la première partie du manuscrit de thèse, nous testons des scénarios d’augmentation de la production de légumineuse en Europe en évaluant les effets sur les émissions de gaz à effet de serre du secteur AFOLU. Nous montrons que le principal avantage environnemental des légumineuses est de fournir des protéines comme substitut aux produits d'origine animale plutôt que de permettre une réduction de la consommation d'engrais de synthèse par une fixation accrue de l'azote par les légumineuses. La majorité de la réduction d’émission a lieu dans le secteur de production animal et hors de l'Europe. Notons également l'importance des mécanismes indirects qui mène à une réduction des émissions de N2O associées à la fertilisation azotée dans le secteur végétal. La sensibilité de ces résultats à la combinaison du scénario de changement de régime alimentaire avec un scénario de reforestation nous amène à nous intéresser dans la suite aux interactions entre stratégies d’atténuation.Dans la seconde partie, nous étudions les compromis et les synergies entre conservation de la biodiversité et maintien de la sécurité alimentaire pour différents scénarios d’atténuation. La production à large échelle de bioénergie a des effets négatifs à la fois sur différents indicateurs de biodiversité (richesse spécifique et l’indicateur d'intégrité de la biodiversité) et sur la sécurité alimentaire (prix de l’alimentation et coût de production). Bien que présentant un compromis entre protection de la biodiversité et sécurité alimentaire, les combinaisons de changement de régime alimentaire et de scénario de reforestation permettent d’améliorer la biodiversité et la sécurité alimentaire dans de nombreux cas par rapport à une situation sans atténuation des émissions.Dans la troisième partie, nous comparons différentes évolutions de l'usage des sols à l'échelle mondiale en identifiant les scénarios qui permettent de ne pas dépasser les limites de la planète au regard d'indicateurs renseignant le cycle de l’azote, l'intégrité de la biosphère, les émissions de CO2 du secteur AFOLU et la conservation des forêts. Nous montrons que malgré l’incertitude régnant autour de la détermination des limites planétaires, les scénarios environnementaux qui permettent de rester de manière robuste au sein de ces limites planétaires sont constitués majoritairement de reforestation, de changement de régime alimentaire et d’augmentation de l’efficacité de l’utilisation des intrants dans la production végétale. / The large-scale implementation of emission reduction strategies in the agriculture, forestry and other land uses (AFOLU) sector raises questions about their sustainability. For example, second-generation bio-fuels threaten biodiversity and the reforestation of agricultural land increases food prices. In addition, these emission reduction strategies are highly dependent on socio-economic conditions describing the rest of the food system (agricultural trade liberalization, economic development, population growth, etc.). For example, an increase in food demand, due to population growth and economic development, can increase pressures on the food system, leading to ecosystem degradation and increased greenhouse gas emissions. In this thesis, we seek to clarify the impacts on biodiversity, food and greenhouse gas emission of large-scale mitigation strategies in the AFOLU sector under different socio-economic conditions. To do this, we used prospective modeling to simulate various global land uses in 2030, 2050 and 2100 under different scenarios. More specifically, to study the impact of different mitigation strategies on biodiversity indicators, we coupled the Nexus Land-Use (NLU) model with the Projecting Responses of Ecological Diversity In Changing Terrestrial Systems (PREDICTS) biodiversity model. A nitrogen balance is also built to specify the link between intensification and environmental impact.In the first chapter, we assessed the impact of scenarios of increased legume production in Europe on greenhouse gas emissions in the AFOLU sector. We found that the main environmental benefit of legumes is to provide proteins as a substitute for animal products rather than enabling a lower consumption of synthetic fertilizer through the increased leguminous nitrogen fixation. Most of the emission reduction takes place in the animal production sector and outside Europe. This first chapter also highlights the importance of indirect mechanisms that lead to a reduction in N2O emissions associated with nitrogen fertilization in the plant sector. The sensitivity of these results to different reforestation scenario led me to then focus on the interactions between mitigation strategies.In the second chapter, we analyzed the trade-offs and synergies between biodiversity and food security for different combinations of mitigation scenarios. Large-scale bioenergy production had negative effects on different biodiversity indicators (species richness and biodiversity intactness index) as well as on different food security indicators (food prices and production costs). Although presenting a trade-off between biodiversity protection and food security, a combination of diet change and reforestation scenarios can improve biodiversity and food security in many cases compared to a situation without mitigation.In a third chapter, we identified global land-use scenarios that ensure to stay within planetary boundaries in terms of nitrogen cycle, biosphere integrity, non-CO2 emissions from the AFOLU sector and forest conservation. We showed that despite the uncertainty surrounding the determination of global boundaries, the most robust environmental scenarios that ensure to stay within these global boundaries are mainly composed of reforestation, dietary changes and increased efficiency in the use of inputs in crop production.

L'objet de cette recherche porte sur une ligne à grande vitesse appelée à desservir la Région Provence-Alpes-Côte d'Azur à l'horizon 2020. La LGV PACA est une infrastructure programmée mais qui n'en est qu'au stade de projet non encore réalisé, c'est pourquoi notre objectif est de proposer des scénarios visant à mesurer les incidences sur l'évolution du territoire transfrontalier franco-italo-monégasque, à partir de la démarche de géoprospective territoriale. Cette approche méthodologique repose ici sur une modélisation spatiale basée sur un modèle d'automate cellulaire contraint du nom de MOLAND. L'application de MOLAND a permis de procéder à une modélisation intégrant transport et usage des sols, ce qui a pour avantage de faciliter la compréhension de l'évolution actuelle et possible du comportement de l'occupation des sols au sein des espaces limitrophes de la frontière. Trois grandes parties sont proposées dans cette thèse. Il est suggéré dans la première partie un cadrage méthodologique portant sur l'interdépendance existante et pouvant exister entre le système territorial et le sous-système des transports. Dans la deuxième partie, nous abordons la problématique de la modélisation et de la simulation spatiale en insistant sur la difficulté du paramétrage des modèles dynamiques et spatialement explicites et notamment sur le paramétrage des modèles basés sur les automates cellulaires contraints. Dans la troisième et dernière partie de cette thèse, c'est la difficulté de l'exercice géoprospectif encore méconnu qui est mise en avant. À partir de différents scénarios géoprospectifs, cette thèse fournit des éléments de connaissance quant à l'avenir possible d'un espace transfrontalier qui s'apprête à accueillir la grande vitesse ferroviaire. Elle apporte des réponses concrètes aux questions liées à la croissance urbaine et à l'accessibilité des territoires jusque-là isolés des grands couloirs européens de communication. Les résultats de cette recherche sont plus que jamais d'actualité car, dans le cadre de l'aide à la connaissance du territoire et de l'aide à la décision, ils permettent de se pencher sur un volet ignoré jusqu'à présent par les études menées par le maître d'ouvrage RFF (Réseau Ferré de France) : la prise en compte simultanée de l'infrastructure de transport et de l'occupation des sols pour l'appréhension et la compréhension des dynamiques d'un territoire en devenir. La prise en compte de l'occupation des sols dans la modélisation géoprospective par automates cellulaires permet au géographe de poser les bonnes questions à partir d'une entrée territoriale. RFF a récemment lancé de nouvelles études sur l'opportunité qu'offre l'infrastructure grande vitesse ferroviaire pour améliorer la desserte de la Région PACA. En permettant de mesurer les impacts nationaux de cette infrastructure sur ce territoire transfrontalier, les simulations réalisées constituent une aide à la décision utile et indispensable.

Dans les études sur le devenir et les impacts de pollutions métalliques dans les sols l'influence de leur usage est encore mal connue. Cette influence a été examinée ici à travers une étude détaillée de comportements de trois métaux polluants, présentant des mobilités différentes: Zn, Cd, et Pb. Cette étude a été menée à la fois dans des horizons de surface d'une petite région affectée par des retombées de poussières métallifères émises par l'industrie métallurgique, ainsi que dans un site comportant deux sols agricoles gérés de manière contrastée. Il s'agit d'un sol sous prairie permanente (PP) et un sol cultivé (CA), situés à une même distance de la source d'émission et développés dans des conditions pédogenétiques semblables. L'objectif principal de ce travail était de quantifier les parts endogènes et exogènes des ETM dans les sols, leurs distributions dans les horizons et dans les compartiments pédologiques (microstructures, agrégats, constituants) et d'identifier les principaux vecteurs d'incorporation. Cette étude a fait appel à des analyses de teneurs totales en éléments (C. organique, Fe, Zn, Pb, Cd,) des études macro- et micromorphologiques, des extractions cinétiques à l'EDTA et des études de la composition isotopique. Un deuxième objectif était de hiérarchiser le rôle des paramètres révélateurs de l'usage des sols sur la distribution et la mobilité des ETM. Ce travail montre que, 40 ans après l'arrêt de l'activité industrielle, la distribution actuelle des teneurs en métaux dans les horizons de surface ne reflète pas celle de retombées atmosphériques attendus selon un modèle simple de distribution en fonction de la distance à la source et des vents dominants. Les teneurs en Zn, Pb et Cd dans les premier 30 cm des sols varient selon l'usage des sols et notamment en fonction du pH, du potentiel redox, de la texture ou encore de l'activité biologique. Ainsi, les horizons de surface de sols acides en forêt auraient perdu plus de 80% du Zn retombé, contre environ 60% de l'horizon A d'un sol sous prairie permanente, suite à la bioturbation lombricienne, et "seulement " 40% pour l'horizon L d'un sol cultivé. Une typologie de secteurs de la zone impactée, pertinente par rapport à la migration de polluants a été proposée à partir de cartographies des rapports Zn/Pb et Cd/Pb. A l'échelle du solum et des horizons, un siècle de pratiques agricoles distinctes a conduit à des phénoformes différents. En particulier, l'activité biologique différente dans les sols PP et CA a modifié le cycle bio-géochimique des métaux et induit des différences dans leurs distributions et mobilité. Les 2 sols présentent en effet des profils de teneurs totales en Zn, Pb et Cd contrastés, avec une rétention de la majeure partie des métaux exogènes dans l'horizon labouré en CA (entre 53% pour Zn et 92% pour Pb et Cd) et une incorporation nettement plus importante dans PP (40% du Zn seulement, 73% du Cd et 82% du Pb exogène sont aujourd'hui présent dans les 26 premiers cm). L'incorporation est significative jusqu'à 80 cm de profondeur sous prairie. A l'échelle des agrégats, l'activité biologique en PP conduit à l'occurrence de trois types de fractions impliquées dans la dynamique des métaux (agrégats de 50-100 μm, 2-20μm, et fraction <2μm), alors que pour CA, seules les fractions 2-20μm et <2μm semblent prioritairement impliquées dans leur rétention et extractabilité. L'analyse de la composition isotopique du Pb sur des échantillons de sol et des extraits EDTA, est un outil performant pour détailler la nature et l'incorporation du Pb exogène. Par cette technique analytique le Plomb exogène sous prairie se retrouve jusqu'à la base du profil et jusqu'à 60cm de profondeur dans le sol sous culture. Cette approche a permis de valider l'ensemble des résultats obtenus à partir des teneurs totales en métaux. Elle souligne la nécessité d'une prise en compte des paramètres pédologiques afin de garantir la représentativité des échantillons étudiés et autoriser une évaluation plus pertinente des risques environnementaux qu'à partir des seules teneurs totales en métaux.

Potentiel stock de carbone dans les horizons minéraux des sols, sources de nutriments et vecteurs de polluants dans les écosystèmes aquatiques, les matières organiques dissoutes (MOD), leurs origines, et leurs transferts des sols à la rivière sont encore mal connus. Cette thèse a pour objectif de caractériser la variabilité temporelle et spatiale de la quantité et de la qualité des MOD des sols et des rivières et d'en identifier les facteurs de contrôle. Ce travail s'appuie sur le bassin versant expérimental de Kervidy-Naizin (Morbihan, Observatoire de Recherche en Environnement AgrHys). Ce site de 5 km² bénéficie de 13 années de suivi journalier des concentrations en carbone organique dissous (COD) dans la rivière et hautes fréquences des paramètres hydro-climatiques (débit, niveaux piézométriques, climat). Un suivi au moins bimensuel de la quantité et de la qualité des MOD de sols hydromorphes soumis à différents usages (culture, prairie, bois) et de rivières a été réalisé sur 2 cycles hydrologiques. L'exploitation des données long-terme a permis de proposer un schéma complet et cohérent des processus hydrologiques contrôlant les exports de MOD, leur relais dans le temps (en proposant une définition objective des saisons hydrologiques) et leur importance relative variable suivant le contexte climatique de l'année. L'exportation hivernale des MOD produites dans les sols pendant l'été contrôle la dynamique intra-annuelle décroissante des concentrations en COD des eaux de rivière. L'effet compensatoire de ces mécanismes de production et d'exportation explique la relative stabilité des concentrations moyennes annuelles de la rivière. La caractérisation des MOD par spectroscopie de fluorescence 3D, couplée à la modélisation PARAFAC (parallel factor analysis) des matrices d'excitation-émission générées, a permis d'identifier des exportations de MOD d'origine agricole, faiblement aromatiques, protéiques et dérivées de l'activité microbienne. Ces MOD sont exportées saisonnièrement pendant les périodes d'inter-crue des hivers très humides, par remontée de la nappe dans les sols cultivés des versants, et ponctuellement au printemps, lors de crues suivant l'épandage d'effluents d'élevage sur les sols du bassin. L'organisation spatiale des dynamiques temporelles de la quantité et de la qualité des MOD des sols suggère un contrôle hydro-pédo-topographique des différences rapportées. Les MOD faiblement aromatiques des horizons organo-minéraux sont préférentiellement exportées depuis les sols situés dans les pentes de versant. Les MOD exportées depuis les horizons minéraux sont partiellement compensées par les apports de MOD provenant des sols situés en amont. L'instauration de conditions réductrices dans les sols de bas de versant, produit des MOD aromatiques uniquement exportées en crue. La composition et la position dans le bassin des MOD des sols agricoles les rendent donc sensibles au processus d'exportation. La question du devenir de ces MOD est posée. / The role of dissolved organic matter (DOM) as carbon storage in mineral soil horizons and the impacts of DOM on aquatic ecosystems, either as a source of nutrients, or a vector of pollutants, raise the need to understand its origin, and the mechanisms linked to its transport from soils to stream. This work aims to characterize the temporal and spatial dynamics of the amount and the quality of DOM in soil and stream water, and to identify the controlling factors. It is based on the Kervidy-Naizin catchment of 5 km² (Morbihan ; Environment Research Observatory AgrHyS). This site benefits from 13 years of daily stream dissolved organic carbon (DOC) concentrations and high frequency of hydro-climatic parameters (discharge, groundwater table depths, and meteorological variables). DOM concentration and composition of soil water under contrasted land uses (cropland, grassland, or woodland) and stream water were assessed at least fortnightly during 2 hydrological cycles. A comprehensive and consistent pattern of hydrological processes that control the DOM exports, their changes in time (by providing an objective definition of hydrological seasons), and the changes of their relative importance according to the climatic context of the year was proposed. The exports of DOM produced in the soils during summer control the intra-annual decrease of stream DOC concentrations. This suggests a compensatory mechanism whereby increased winter exports can balance the summer production of DOM resulting in a relatively uniform mean annual DOC concentration. The DOM composition of soil and stream water was determined by fluorescence spectroscopy combined with PARAFAC (parallel factor analysis) modeling built from excitation-emission matrices. Exports from agricultural sources characterized by low aromatic, protein-like, microbial-derived DOM were reported. This DOM is transported to the stream seasonally during inter-storm periods of very wet winters, by rising of the water table in arable hillslope soils, and occasionally in spring, during storm events that follow the animal manure application on catchment soils. The spatial organization of temporal dynamics of the DOM concentration and composition of soil waters suggested that they were controlled by combined effects of hydrology, soil properties and topography. DOM with fewer aromatic moieties is preferentially exported from organo-mineral horizons of hillslope soils. DOM loss from mineral soil horizons are partially balanced by DOM inputs from upper soils. The onset of reducing conditions in downslope soils produces aromatic DOM that is transported to the stream only during storm events. Hence, DOM from agricultural soils is more susceptible being transport to stream due to its composition and its location within the catchment. The question of the fate of these DOM in aquatic ecosystems is raised.