« Thèse en cotutelle : Université Laval, Québec, Canada, et Université de Bordeaux, Talence, France » / L'orge de printemps (*Hordeum vulgare* L.) et la fléole des prés (*Phleum pratense* L.) sont des cultures de première importance économique pour la province du Québec et d'autres régions au climat continental froid et humide (Amérique du Nord, les pays nordiques...). Les modèles sol-culture sont des outils puissants capables de calculer de nombreuses variables d'intérêt agronomique et environnemental. Ils sont conçus pour simuler les interactions complexes entre les cultures, l'eau et l'azote (N) du sol dans le continuum sol-plante-atmosphère. Entre autres modèles, STICS (Simulateur mulTIdisciplinaire pour les Cultures Standard) est un modèle sol-culture basé sur les processus, qui a été développé initialement pour des conditions agropédoclimatiques des régions tempérées. Cependant, étant un modèle générique, il est possible de l'adapter aux conditions d'autres agrosystèmes. Les objectifs de cette thèse étaient d'analyser et d'élargir le domaine d'application de STICS aux deux cultures susmentionnées, cultivées dans des conditions agropédoclimatiques de la province du Québec et d'évaluer ses performances prédictives par des simulations à long terme. Cette thèse est une contribution à l'étude de la généricité de STICS pour des agrosystèmes québécois. Outre le contexte climatique, l'originalité de ce travail porte sur les cultures étudiées, orge de printemps et fléole des prés, et le nombre d'années successives de simulations en continu (sans réinitialisation annuelle). Les performances prédictives de STICS ont été analysées pour la production de biomasse aérienne annuelle, sa teneur en N et la quantité de N exporté pour i) une monoculture d'orge de printemps de 31 ans cultivée avec deux modes de travail du sol et fertilisée avec deux sources de N différentes (engrais azoté minéral et fumier liquide de vaches laitières) ; et ii) une prairie de fléole des prés de 8 ans, fertilisée chaque année avec quatre doses d'engrais azoté minéral (0, 60, 120, 180 kg N ha⁻¹). Nous avons utilisé les bases de données de deux dispositifs expérimentaux au champ d'Agriculture et Agroalimentaire Canada. Pour la monoculture d'orge, la procédure de calibration de STICS a nécessité l'ajustement des paramètres de cultivar en particulier, confirmant ainsi la généricité de la plupart des paramètres des plantes définis dans STICS. Les valeurs simulées sur une période de 31 ans se sont révélées être correctement en accord avec les valeurs observées des variables d'intérêt pour les différents traitements, mais avec une plus grande dispersion pour la nutrition azotée. Les résultats de la simulation des attributs de la production végétale au moment de la récolte étaient plus précis pour les années où les précipitations étaient proches de la normale. Pour la prairie de fléole des prés suivie pendant 8 ans, la correspondance entre les valeurs observées et simulées était satisfaisante pour la première coupe effectuée au printemps. STICS a correctement simulé l'effet positif de la dose de fertilisation azotée sur la production de biomasse et la nutrition azotée des plantes. Néanmoins, les valeurs des variables étaient surestimées par le modèle en l'absence de fertilisation azotée, impliquant une carence excessive en N au fil du temps. Si l'on excepte cette situation très particulière, non représentative des pratiques agronomiques, les performances de STICS sont donc satisfaisantes dans le contexte des deux essais au champ étudiés. De plus, STICS a bien reproduit la tendance à la baisse de la productivité de la fléole des prés observée en fonction de l'âge de la prairie. Les résultats ont montré que cette baisse de rendement au fil du temps est fortement corrélée à la réduction de la réserve métabolique dans les organes de réserve. En conclusion, ce travail de thèse a montré l'applicabilité et la fiabilité du modèle STICS pour la simulation sur le long terme de la production de biomasse et de la nutrition azotée d'orge de printemps et de la fléole des prés dans des conditions agropédoclimatiques de la province de Québec. / Spring barley (*Hordeum vulgare* L.) and timothy (*Phleum pratense* L.) are crops of prime economic importance for the province of Quebec and other regions with cold and humid continental climate (e.g. north America, Nordic countries). Soil-crop models are powerful tools for calculating, a wide range of agronomic and environmental variables They are designed to simulate the complex interactions between crops, water, and soil nitrogen (N) in the soil-plant-atmosphere continuum. Among the existing models, STICS (*Simulateur mulTIdisciplinaire pour les Cultures Standard*) is a process-based soil-crop model initially developed for temperate agropedoclimatic conditions. However, it can be adapted to other agrosystem conditions. The objectives of this thesis were to analyze and extend the scope of application of STICS to the two aforementioned crops grown under agropedoclimatic conditions in the province of Quebec. Furthermore, this study aims to evaluate the model's predictive performance on long-term simulations. This thesis is a contribution to the study of the genericity of STICS for the Quebec agrosystems. In addition to the climatic context, the originality of this work lies in the crops studied - spring barley and timothy - and the number of successive years of continuous simulations (without annual reinitialization). The predictive performances of STICS were analyzed for aboveground biomass production, N content and N export for i) 31-year spring barley monoculture grown under two tillage systems and fertilized with two N sources (mineral N and liquid dairy manure); and ii) 8- year timothy grassland, fertilized each year with four application N rates (0, 60, 120, 180 kg N ha⁻¹). To achieve our goals, we used databases from two experimental field trials conducted by Agriculture and Agri-Food Canada. For the barley monoculture, the STICS calibration procedure particularly required the adjustment of cultivar parameters, thus confirming the genericity of most plant parameters defined in STICS. The results show that there is a good agreement between observed and predicted variables of interest with the various tillage systems and N sources during the 31 successive barley cropping years, but with greater dispersion for the N nutrition. Predictions of crop attributes were more accurate in years with rainfall close to the long-term average. For timothy grassland grown over 8 years, the agreement between observed and predicted values was satisfactory for the first harvest. STICS correctly simulated the positive effect of the N application rates on biomass production and plant N nutrition. Nevertheless, the predicted values were overestimated by the model in the absence of N fertilization, implying an excessive N deficiency over time. Except for this very specific situation, which is not representative of agronomic practices, STICS performed satisfactorily in the context of the two field experiments studied. In addition, STICS reproduced well the decreasing trend in timothy productivity observed with the age of the sward. The results showed that this decrease in yield over time is strongly correlated with the reduction in metabolic reserve in the perennial organs. In conclusion, this thesis has demonstrated the applicability and reliability of the STICS model for the long-term simulation of biomass production and N nutrition of spring barley and timothy under agropedoclimatic conditions in the province of Quebec.

Le but principal de ce travail est de déterminer l’effet de la cristallinité sur la perméation aux gaz pour des films polymères. En particulier, on utilise l’acide polylactique (PLA) comme matrice et différents gaz (azote, dioxyde de carbone, hydrogène, méthane et oxygène) pour les propriétés de transfert. À cet effet, le travail a été divisé en trois parties. Dans la première partie, on utilise le talc comme agent de nucléation afin de modifier la cristallinité du PLA. Dans ce cas, on remarque que la perméabilité au gaz et le coefficient de diffusion sont réduits en augmentant la teneur en talc (0-3% poids). On constate aussi que l’augmentation de la cristallinité due à la nucléation hétérogène ne modifie pas significativement les propriétés mécaniques, sauf pour la déformation à la rupture. Néanmoins, les propriétés de transfert sont diminuées. Dans la deuxième partie, l’effet du temps de recuit pour modifier la cristallinité du PLA seul et avec 3% de talc a été étudié. Dans ce cas, on constate que la perméabilité aux gaz et le coefficient de diffusion sont réduits en augmentant le temps de recuit (jusqu'à 40 minutes). On constate également que l'augmentation de la cristallinité ne modifie pas les propriétés mécaniques, à l'exception du module de Young. Enfin, la température de recuit pour améliorer la cristallinité du PLA seul ou avec 3% de talc a été étudiée. Bien que la perméabilité aux gaz et le coefficient de diffusion aient diminué en augmentant la température de traitement (de 60 à 120°C), l'augmentation de la cristallinité finale n’a pas changé de manière significative les propriétés mécaniques, à l'exception du module de Young et la déformation à la rupture pour le composite ayant 3% de talc. / The main purpose of this work is to determine the effect of crystallinity on the gas permeation of polymer films. In particular, polylactic acid (PLA) was used as the matrix and various gases were selected (nitrogen, carbon dioxide, hydrogen, methane and oxygen) for the gas transport properties. To this end, the work was divided into three parts. In the first part, talc was used as a nucleating agent to modify the crystallinity of PLA. In this case, it was noted that the gas permeability and the diffusion coefficient were reduced with increasing talc content (0-3% by weight). It was also observed that increased crystallinity was related to heterogeneous nucleation, but had limited effect on mechanical properties, with the exception of strain at break. However, the transport properties were decreased. In the second part, annealing time was used to modify PLA crystallinity with 0% and 3% talc. In this case, it was found that gas permeability and diffusion coefficient were lowered with higher annealing time (up to 40 min). It was also observed that higher crystallinity did not change the mechanical properties except for the Young’s modulus. Finally, annealing temperature was modified to improve the crystallinity of neat PLA and 3% talc composite. While gas permeability and diffusion coefficient both decreased with increasing annealing temperature (from 60 to 120°C), crystallinity changes did not significantly modify the mechanical properties, except for the Young’s modulus and strain at break of the 3% talc composite.

La baisse de la teneur en protéines alimentaires a été promue pour réduire les impacts environnementaux de la production porcine, car elle permet d'améliorer la valorisation des ressources protéiques par les animaux, tout en réduisant l'excrétion azotée et les émissions associées, et ce sans affecter les performances de croissance. Une approche par méta-analyse et une revue des analyses de cycle de vie publiées ont montré un manque de connaissances sur les effets de très basses teneurs en protéines, ainsi qu'un effet du contexte de production sur les bénéfices de la stratégie. L'objectif de cette thèse étaient donc d'évaluer les bénéfices environnementaux de la baisse de la teneur en protéines chez le porc à l'engrais, en testant de très basses teneurs en protéines pour identifier des points de ruptures éventuels et en prenant en compte l'effet du contexte de production. Deux essais ont été réalisés pour valider l'effet de très faibles teneurs en protéines sur les performances de croissance et la balance azotée et les émissions gazeuses en contexte québécois. Les performances de croissance étaient constantes, même avec de très basses teneurs en protéines, dans le premier essai. Cependant, avec des niveaux de performances plus élevés, un maximum d'efficacité azotée a été identifié dans le second essai, associé à une réduction plus modérée de l'excrétion azotée et des émissions d'ammoniac avec une baisse de la teneur en protéines de 24 g/kg. Cet essai a confirmé que le facteur d'émission de l'ammoniac est fixe alors que celui de l'oxyde nitreux augmente avec la baisse de la teneur en protéines. Une analyse de cycle de vie a ensuite été réalisée avec une approche par modélisation pour évaluer l'effet de différents niveaux de baisses de la teneur en protéines dans trois contextes contrastés (Québec, Brésil et France). Cette étude a montré que seuls les impacts causés par les émissions d'ammoniac étaient toujours réduits avec la baisse de la teneur en protéines (acidification et eutrophisation terrestre). Pour les autres impacts , l'effet de la baisse de la teneur en protéines dépendait des matières premières utilisées avec des bénéfices observés uniquement en contexte français. Les pratiques nutritionnelles et la génétique animale conditionnaient la baisse possible de la teneur en protéines, mais aussi les impacts actuels de l'élevage porcin et l'amplitude de la variation des impacts avec la baisse de la teneur en protéines. L'approche par analyse de cycle de vie pourrait être perfectionnée, notamment en prenant en compte l'effet de la baisse de la teneur en protéines sur les pratiques de fertilisation. Cette thèse a identifié des limites à la baisse de la teneur en protéines comme stratégie pour réduire les impacts environnementaux de la production porcine, dépendant du contexte de production, et malgré des performances de croissance maintenues. Il serait donc intéressant d'évaluer le potentiel de la baisse de la teneur en protéines en combinaison à d'autres stratégies de réduction des impacts environnementaux, ciblant notamment le choix des matières premières, comme la formulation multi-objectif d'éco-aliments. / Dietary crude protein reduction has been presented as a strategy to reduce environmental impacts of pig production, thanks to improved valorization of protein resources, reducing nitrogen excretion and associated emissions, without impacting pig performance. A meta-analysis and a review of published life cycle assessments showed a lack of data on very low crude protein diets, and an effect of production context on environmental benefits of low crude protein strategies. The objective of this thesis was to evaluate the environmental benefits of crude protein reduction in fattening pig diets, by testing the effect of very low crude protein diets to identify eventual break-off points and taking into account production contexts. Two trials were performed to explore effect of very low crude protein diets on pig performance, nitrogen excretion and gaseous emissions, in Quebec context. Growth performances were constant in the first trial, even with very low crude protein diets. However, a maximum was identified for nitrogen efficiency in the second trial, where performance levels were higher. It limited potential for reduction of nitrogen excretion and ammonia emissions with very low crude protein diets. The second trial confirmed that ammonia emission factor was fixed, but nitrous oxide emission factor increased with crude protein reduction. A modelling approach was then used to perform a life cycle assessment, evaluating the effect of different levels of crude protein reduction on environmental impacts of pig production, in three contrasted contexts (Quebec, Brazil, France). This study showed that only the impacts mainly linked to ammonia emissions were consistently reduced with low crude protein diets (acidification and terrestrial eutrophication). For other impacts, effect of crude protein reduction depended on raw materials used, with positive effects only in the French context. Pig farming practices determined the potential crude protein reduction, as well as current levels of environmental impacts and magnitude of their variation with crude protein reduction. The life cycle assessment methodology used could be perfected, in particular with a better inclusion of the effect of low crude protein diets on fertilizing practices. This thesis identified limits to crude protein reduction as an environmental strategy, influenced by production context, and despite constant growth performances. Evaluating potential of low crude protein strategies combined with other environmental impact reduction strategies, focusing more on raw materials used, such as multiobjective feed formulation, would be an interesting next step.

Les biopuces à ADN permettent d’étudier à une échelle génomique une très grande variété de questions sur la physiologie et la différenciation cellulaires. Elles ont ainsi contribué de manière considérable aux progrès récents de nombreux domaines de la biologie et occuperont bientôt une place de choix dans le secteur du diagnostic médical. C’est la levure Saccharomyces cerevisiae qui a servi de modèle pour le développement de la première biopuce génomique. L’application de cette approche à la levure a permis d’explorer sous un angle nouveau l’étude de ses différents états de différenciation, de son cycle cellulaire, et de sa capacité d’adaptation à diverses conditions nutritionnelles ou à des conditions environnementales induisant un stress cellulaire. Plusieurs études ont plus particulièrement examiné la réponse des cellules de levure à une carence en azote ou en acides aminés. Cependant, une étude systématique de la réponse transcriptionnelle de la cellule aux différentes sources d’azote n’a jamais été entreprise en croissance confinée à l'état de régime. S. cerevisiae est capable d’utiliser plus d’une vingtaine de substances en tant que sources uniques d’azote pour la croissance. On distingue parmi les sources d’azote celles qui permettent une croissance optimale, appelées « bonnes » sources d’azote, des autres, appelées « mauvaises » sources d’azote. La levure possède plusieurs systèmes de régulation lui permettant de s'adapter à la condition azotée. Au niveau transcriptionnel, on recense trois régulations générales – la NCR (répression catabolique azotée), le GAAC (le contrôle général de la biosynthèse des acides aminés) et le système SPS (Ssy1-Ptr3-Ssy5) – et une multitude de régulations plus spécifiques. En utilisant la technique des puces à ADN, nous avons généré une matrice d'expression de l'ensemble des gènes de la levure en croissance confinée à l'état de régime dans un milieu de culture contenant une parmi 21 sources d'azote différentes. Nous avons pu ainsi recenser systématiquement 506 gènes soumis à une régulation transcriptionnelle dépendante de l'azote. En nous basant sur ces résultats, nous avons pu décrire l'ensemble des régulations transcriptionnelles engagées dans l'adaptation à la source d'azote fournie dans le milieu de culture. Parallèlement, nous avons défini deux grands groupes de sources d'azote en fonction du transcriptome de S. cerevisiae. Le premier groupe rassemble les composés qui exercent une répression catabolique azotée forte et dont la liste a été complétée. Fait nouveau, nous montrons que ces mêmes composés enclenchent aussi l'activation de la réponse aux protéines mal repliées (UPR). Au contraire, lorsque la source d'azote appartient au second groupe que nous avons défini, non seulement la croissance des levures est plus lente, la NCR levée et la réponse aux protéines mal repliées réprimée, mais nous montrons de façon inattendue que le contrôle général de la biosynthèse des acides aminés est activé. Plusieurs autres régulations qui ne sont pas impliquées dans le métabolisme azoté présentent un comportement différent en fonction de la source d'azote fournie. C'est le cas notamment des gènes dont l’expression est régulée selon l’apport en zinc et qui sont moins exprimés sur le milieu urée. De même, les gènes impliqués dans les résistances multiples aux drogues sont activés par le tryptophane. En confrontant nos résultats à ceux obtenus dans le cadre de travaux indépendants, nous avons proposé plus d'une cinquantaine de nouveaux gènes cibles de la NCR. Beaucoup d'entre eux n'ont jamais été caractérisés expérimentalement. En utilisant des techniques avancées d'analyse de séquences primaires de protéines, nous avons pu proposer une fonction pour plusieurs de ces gènes. Ces analyses bioinformatiques et la réalisation d’expériences complémentaires à l’aide de biopuces à ADN nous ont permis de proposer que l'un d'entre eux code pour une protéine impliquée dans la déstabilisation d'ARN messagers lors de la carence azotée. Nous avons aussi identifié plusieurs nouveaux gènes appartenant à des régulons spécifiquement activés en réponse à un nombre restreint de sources d'azote. Il est probable que ces gènes soient impliqués dans le catabolisme des sources d'azote sur lesquelles ils sont activés.

Rampant increases in oil prices and detrimental effects of fossil fuels on the environment have been the main impetus for the development of environmentally friendly and sustainable energy sources. Amongst the many possibilities, microalgae have been proposed as a new alternative energy source to fossil fuels, as their growth is both sustainable and ecologically safe. By definition, microalgae are unicellular photosynthetic microorganisms containing chlorophyll a. These organisms are capable of producing large quantities of oils, surpassing that of traditional oil-seed crops, which can be transformed, through chemical processes, into biofuels such as biodiesel or bio-gasoline. Thus, recent research has gone into discovering high lipid producing algal strains, optimising growth media for increased lipid production and developing metabolic engineering to make microalgae a source of biofuel that is competitive to more traditional sources of biofuel and even to fossil fuel. In this context, the research reported here focused on using a mixotrophic growth mode as a way to increase lipid production for certain strains of microalgae. In addition, nitrogen starvation combined with mixotrophy was studied to analyse its effects on lipid production. Mixotrophy is the parallel usage of two trophic modes, in our case photoautotrophy and heterotrophy. Consequently, 12 algal strains were screened for mixotrophic growth, using glycerol as a carbon source. Glycerol is a waste product of the current biodiesel industry; it is a cheap and abundant carbon source present in many metabolic pathways. From this initial screening, several strains were chosen for subsequent experiments involving nitrogen starvation. Nitrogen starvation has been shown to induce lipid accumulation. The results obtained show that a mixotrophic growth mode, using glycerol as a carbon source, enhances lipid production for certain strains. Moreover, lipid enhancement was shown for nitrogen starvation combined with mixotrophic growth mode. This was dependant on time spent under nitrogen starvation and on initial concentrations of the nitrogen source. / L’augmentation effrénée des prix du pétrole et les effets néfastes des carburants fossiles sur l’environnement sont les raisons principales pour la recherche et le développement de nouvelles sources d’énergie durables et écologiques. Parmi de grands nombres de possibilités, les micro-algues sont proposées comme une source alternative d’énergie aux carburants fossiles, étant donné que leur croissance est durable et écologique. Les micro-algues sont des organismes unicellulaires et photosynthétiques détenant comme pigment essentiel la chlorophylle a. Ces organismes sont capables de produire de grandes quantités d’huile, parfois excédant celles des cultures agricoles traditionnellement utilisées pour les biocarburants. Ces huiles peuvent être transformées en biocarburants, tel que le biodiésel et le bio-essence, par certains procédés chimiques. La recherche actuelle est basée sur la découverte de souches d’algues capables de produire un haut rendement de lipides, l’optimisation de milieux de croissance pour accroitre la production lipidique et la manipulation génomique afin de créer des souches de micro-algues dont les rendements peuvent rivaliser avec l’agriculture tradionnelle et même les carburants fossiles. Dans ce contexte, notre recherche se concentre sur l’utilisation d’un mode de croissance mixotrophe afin d’induire une augmentation dans la production lipidique de certaines souches de micro-algues. De plus, des études sur la carence en azote combinée à la croissance mixotrophe ont été entreprises pour évaluer l’effet de ces paramètres sur la production lipidique. La mixotrophie est un mode de croissance qui utilise en parallèle deux modes trophiques différents, tel que l’hétérotrophie et l’autotrophie. De ce fait, 12 souches d’algues ont été examinées pour leur capacité à croitre dans un milieu mixotrophe. Le glycérol est un produit secondaire de l’industrie du biodiésel actuelle. Cette substance est à bas prix, abondante et peut être utilisé comme substrat dans plusieurs voies métaboliques. Du criblage initial, plusieurs souches ont été choisies pour des expériences subséquentes impliquant la carence en azote. La carence en azote à été démontrer comme un déclencheur de l’accumulation de lipide chez les micro-algues dans des recherches antérieures. Les résultats obtenus démontrent que la croissance mixotrophe permet d’augmenter la production de lipide chez certaines souches. De plus, la carence en azote combinée à la croissance mixotrophe a permis d’augmenter la production lipidique. Cependant, celle-ci dépendait du temps passer en carence et des concentrations initiales de source d’azote.

Parmi les perturbations attendues des écosystèmes forestiers dans le cadre du changement climatique, les dégâts causés par les insectes ravageurs devraient augmenter en raison notamment de la hausse des températures. Ces dommages devraient réduire la capacité des forêts à stocker du carbone, et donc à atténuer les causes du changement climatique. Plus spécifiquement, il est prédit que l’augmentation des pullulations d’insectes défoliateurs conduise à une diminution importante de la productivité des forêts mais leur impact réel est difficile à quantifier et à comprendre. L’objectif général de ce travail a donc été d’améliorer nos connaissances sur l’impact d’une défoliation sur la croissance d’arbres d’âges contrastés et soumis à différentes contraintes environnementales. Dans un premier temps, ce travail a permis de quantifier la relation entre l’intensité de défoliation de la processionnaire du pin et la perte de production du pin maritime. Une méta-analyse nous a permis de synthétiser les résultats de l’ensemble des 45 études publiées à ce jour sur le sujet. Par la suite, profitant d’une pullulation exceptionnelle de processionnaire du pin pendant l’hiver 2009-2010, nous avons expérimentalement testé l’effet de défoliations variant de 25 à 100% en interaction avec l’âge des peuplements de pin maritime. Nous concluons que les pertes de production sont proportionnelles à l’intensité de défoliation et augmentent avec l’âge de l’arbre.L’évolution du climat étant susceptible de favoriser la combinaison de différents stress, nous nous sommes également intéressés aux effets cumulés de la défoliation et du stress hydrique sur la croissance de l’arbre. Notre étude révèle que la défoliation et le stress hydrique ont des effets additifs sur la croissance du pin maritime. Nos résultats confirment la complexité de la réponse éco-physiologique de l’arbre à la défoliation. L’étude des réserves carbonées et azotées nous a permis d’explorer les possibles mécanismes sous-jacents à l’effet d’une défoliation. Plus qu’une simple diminution de la fixation carbonée par altération de l’appareil photosynthétique, nous proposons que la défoliation affecte la croissance via des processus de limitation en ressources carbonées et azotées. Les réserves carbonées n’étant affectées qu’en début de saison, nous émettons l’hypothèse d’une limitation azotée de l’arbre après défoliation. Ainsi, la défoliation et le stress hydrique pourraient diminuer conjointement la disponibilité en eau et en ressources minérales, ce qui expliquerait leurs effets additifs sur la croissance de l’arbre. / In the context of climate change, forest pest outbreaks, among other biotic disturbances, are expected to be more frequent in response to increasing temperatures. The resulting damage is likely to adversely affect forests net primary production and their contribution to climate mitigation via carbon sequestration. More specifically, insect defoliators are to predicted to be more prevalent in the future but their real impact on forest productivity is difficult to evaluate and interpret. Our main objective was then to improve our understanding of insect defoliation impact on tree growth at different tree ages and under various climatic conditions.First, we assessed the relationship between the intensity of pine processionary moth defoliation and maritime pine growth loss. We carried out a meta-analysis to summarize the outcomes of the 45 published studies that addressed this issue. Then, we took advantage of a severe pine processionary moth outbreak to set up a large field experiment where we controlled for both the age (from 3 to 40 years old) and the defoliation rate (from 25 to 100%) of Pinus pinaster trees. We showed that radial growth losses were proportional to defoliation intensity and more important in older trees.As the combination of several disturbances is likely to be more frequent under climate change, we developed a manipulative experiment to quantify the cumulative impact of water stress and defoliation on maritime pine tree growth. We found additive detrimental effects of water stress and defoliation on maritime pine tree growth.Our results confirm that tree response to defoliation, including various eco-physiological processes, is complex. To decipher the underlying mechanisms we analyzed the dynamics of nutrient and carbohydrates pools in defoliated trees during the growing season. Our findings suggest that defoliation affect tree growth through resource limitation rather than via a reduction of carbon fixation due to altered photosynthesis. Since carbohydrates pools were only affected early in the season, our results support the hypothesis of a nitrogen limitation in trees following defoliation. Additive effects of defoliation and water stress may then be explained by similar adverse consequences on water flow and nitrogen uptake.

Ces dernières décennies, les plantations à croissance rapide sont apparues comme un moyen de répondre à la demande croissante en produits forestiers ligneux et comme une alternative à l'exploitation des forêts naturelles en zone tropicale. Un enjeu majeur est aujourd'hui de garantir la durabilité de ces plantations souvent installées sur sols pauvres et avec de fortes exportations de biomasse tous les 6-7 ans. Les litières présentes à la surface des sols peuvent jouer un rôle crucial sur la fertilité minérale et organique des sols qui conditionnent la productivité à court et long terme de ces écosystèmes tropicaux. L'objectif de ce travail était de comprendre par quels mécanismes le retrait ou l'ajout de litières influencent le développement de plantations d'Eucalyptus. En parallèle de mesures de croissance des arbres, la dynamique de minéralisation d'azote (N) au cours de la décomposition des rémanents a fait l'objet de plusieurs expérimentations. Les flux de nutriments en solution ont été comparés aux stocks initiaux dans les différents compartiments de l'écosystème et à la minéralomasse des arbres à la fin de l'étude. Un bilan de recouvrement de 15N apporté sous forme de rémanents lors de la plantation a été réalisé à l'échelle de la plantation. L'impact de la manipulation des litières sur les stocks de MO du sol a été évalué à partir d'analyses de sol ainsi que d'un partitionnement complet des sources de CO2 émis à la surface du sol. Les résultats de cette thèse montrent que la rétention des rémanents doit être optimisée et l'exportation de biomasse ligneuse compensée par l'apport de fertilisants, la pratique du brûlage doit être prohibée et les feux sauvages évités / In the last decades, fast-growing plantations have emerged as an important option to supply a growing share of the increasing demand for woody forest products and as an alternative to reduce the pressure on tropical rainforests. A major stake is nowadays to ensure the sustainability of these plantations often established on poor soils with large amounts of biomass exported every 6-7 years. Aboveground litters may play a crucial role on the mineral and the organic soil fertility which drive short- and long-term productivity in these tropical ecosystems. The main objective of our study was to identify the mechanisms involved in the Eucalyptus growth response to aboveground litter removal or addition over the two first years after planting. Apart from measurements of tree growth, the dynamic of nitrogen (N) mineralization in decomposing harvest residues has been studied in several experiments. Nutrient fluxes in soil solutions were compared to nutrient stocks initially contained in ecosystem compartments and to nutrient content within trees at age two years. A complete recovery budget of 15N brought within residues at the harvest was made at the stand scale. The long-term impact of aboveground litter manipulations on soil OM stocks was also assessed. Standard soil analyses (C&N) as well as a complete partitioning of soil CO2 efflux were carried out. The qualitative and quantitative dynamics of dissolved OM received special attention. The results show that the rapid release of potassium and the more progressive release of N contained in aboveground litter largely explain tree growth differences observed among OM management treatments. Eucalyptus tree considerably benefit from the nutrient released throughout litter decomposition since losses by deep drainage were very low as a consequence of soil depth and of the very fast development of roots both in the deep soil layers and in the organic layer. Our study also highlighted the large contribution of the topsoil OM (0-15 cm) for the production of nitrate and dissolved OM in gravitational soil solutions. The use of 15N labelling demonstrated that N is initially retained within the organic layer probably by microbial immobilization; transferred in simultaneous and balanced ways between organic residues components (leaves, barks and branches); and finally transported in particulate OM toward the mineral topsoil layer by gravitational water, supplying thus the soil OM pool on which the soil fertility relies. The retention of aboveground litter contributed to maintain soil OM stocks after the clear-cutting while its removal led to an initial decrease in soil OM stocks at the beginning of the rotation, which seemed to be balanced thereafter by litterfall inputs. The addition of litter led to an increase in dissolved OM fluxes in the first 15 centimeters of the soil profile which remained insignificant in comparison with soil OM stocks and exhibited low interactions with soil OM. Despite the rapid recovery of the soil OM pool, some nutrients might limit the productivity of these plantations after several rotations, as a result of repeated biomass exportation. Consequently, the retention of organic residues at the harvest should be optimized and the exportation of woody biomass must be compensated by fertiliser addition, burning of organic residues must be prohibited and wild fires prevented

La préservation de la qualité de l’eau est un enjeu majeur du 21ème siècle notamment avec l’augmentation de la population humaine. Or les rejets de stations d’épuration représentent un risque de pollution du milieu récepteur, notamment en azote et phosphore, aux effets néfastes pour la santé et l’environnement. C’est pour limiter cette pollution que les zones tampon végétalisées (ZTV), systèmes d’infiltration ou d’écoulement des effluents, plantés d’espèces végétales, ont été développées. Cette étude a pour objectif principal de mieux comprendre les transferts de nutriments dans ce type de système. L’impact des différents compartiments –Sol, végétation, microflore- a été étudié dans deux ZTVs de type « noues » situées en aval de stations d’épuration végétalisées en activité et dans une zone expérimentale aux modalités contrôlées. Cette étude a démontré l’importance de l’hydraulique du site, de la texture du sol et de la surface de la zone dans l’efficacité de rétention des flux d’eau et nutriments. L’impact du compartiment microbien dépend en grande partie du temps de rétention hydraulique lié à la surface de la ZTV, et du taux d’oxygénation de l’effluent. La végétation permet une amélioration de l’activité microbienne mais son rôle dans la rétention et l’élimination des nutriments s’avère mineur au regard des quantités en nutriments apportés. Le sol est le compartiment majeur de rétention du phosphore, même si une saturation rapide du sol en phosphore pourrait limiter cette potentialité. Ces observations ont permis de mettre en évidence une variabilité de l’efficacité des ZTVs dans la rétention de l’eau et des nutriments. Cette variabilité peut d’ores et déjà être minimisée par des mesures d’aménagement et de gestion. L’étude des transferts de nutriments mérite d’être approfondie et étendue à tous les types de ZTV. / The conservation of water quality is a major issue in the 21th century in particular with the increase in the human population. Water-treatment plants rejections represent a risk of pollution of the receiving environment, in particular in nitrogen and phosphorus, with fatal effects for the health and the environment. It is to limit this pollution that the vegetated buffer zones (VBZs), systems of infiltration, where water and nutrients retention are expected, were developed. This study has for main objective to better understand the transfers of nutrients in this type of system. The impact of the various compartments - soil, vegetation, microflora- was studied in two VBZs ditches type, situated downstream to vegetated water-treatment plants in service and in an experimental zone with controlled modalities. This study demonstrated the importance of site hydraulic, soil texture and VBZ surface in effectiveness of water and nutrients retention. The impact of microbial compartment depends largely on the hydraulic retention time bonds to VBZ surface and oxygenation rate of the effluent. Vegetation allows microbial activity improvement but its role in nutrients retention and removal is minor because of high quantities brought by effluents. The soil is the major compartment in phosphorus retention, although a rapid saturation of soil phosphorus could limit this potential. These observations demonstrate variability in the effectiveness of VBZ in water and nutrients retention. This variability could be minimized by planning and management measures. The study of nutrients transfers deserve to be further study and extended to all types of VBZ.

Le recyclage des résidus organiques sur les sols cultivés d'un territoire pourrait-il rendre possible la substitution au moins partielle des engrais azotés dans la conduite des cultures ? Cette question a été traitée dans le cas de la conduite des grandes cultures dans une zone périurbaine caractérisée par une forte diversité de résidus organiques. Le territoire étudié est la "Plaine de Versailles et le Plateau des Alluets" (PVPA), situé en Ile de France, à l'ouest de Versailles. Il représente 178km2 dont 9900ha cultivés par 82 agriculteurs dont 60 en grande culture. Il y a peu d'élevage dans la région d'étude et les sols les plus fréquents sont les luvisols et cambisols. Dans ce territoire on a mis au point une démarche d'analyse des substitutions possibles des fertilisants chimiques par des PRO (produits résiduaires organiques) qui comprend plusieurs étapes. Tout d'abord un inventaire de tous les PRO disponibles ou potentiellement disponibles sur le territoire a été réalisé et tous les PRO ont été échantillonnés et caractérisés sur un plan physicochimique : en particulier, la disponibilité du N a été évaluée via la minéralisation potentielle de l'azote organique dans des conditions contrôlées au laboratoire (norme française XPU 44-163). Les résidus organiques du territoire ont été classés en (i) PRO « amendants » (26320 tonnes de matière sèche et 442 tonnes de Ntot) caractérisés par une matière organique stabilisée, ayant un potentiel important d'entretien et d'augmentation des teneurs en matière organique des sols et (ii) les PRO « fertilisants » ayant une forte disponibilité de N (5686 tonnes de matières sèches et 361 tonnes de Ntot). Parmi les PRO recensés, les boues de stations d'épuration (séchées et chaulées), un produit commercial correspondant à un lisier de porc en provenance de Bretagne et les fientes de volailles sont les PRO ayant les valeurs fertilisantes les plus intéressantes. Des PRO à forte valeur amendante ont aussi été recensés, dont des fumiers de chevaux compostés ou non et des composts de déchets verts.[...] Suite et fin du résumé dans la thèse. / Did the recyling of organic residues of a territory on cultivated soils could make possible, at least, partial substitution of nitrogen fertilizers in crop management? This issue was treated in the case of cereal crops in a suburban area characterized by a high diversity of organic residues. The study area is the “Plaine de Versailles and the Plateau Alluets”, located in Ile de France, west of Versailles. The total surface is about 178km2 including 9900ha cultivated by 82 farmers from which 60 cultivate cereals. The animal breeding is scarce in the study area and the most common soils are Cambisols and Luvisols. We tried to develop an approach for analyzing possible substitutions of chemical fertilizers by OWP (organic waste products) use. This approach involves several steps. First an inventory of the entire OWP available or potentially available in the territory has been achieved and all OWP were sampled and characterized: in particular, the availability of N was evaluated using the potential mineralization of the organic nitrogen under controlled conditions in the laboratory (French standard XPU 44-163). Organic residues territory were classified into (i) "organic amendments" (26320 tons of dry matter and 442 tons of total N) characterized by a stabilized organic matter, with significant potential maintenance and increasing levels of soil organic matter and (ii) "organic fertilizers" with a high availability of N (5686 tons of dry matter and 361 tons of total N) . Among the identified OWP, sludge from sewage treatment (dried and limed), and a commercial product corresponding to dried pig slurry from Britain and poultry manure are OWP with the most interesting fertilizing values. Organic amendments with high stabilized organic matter value were also identified, including composted or not horse manure, and green waste compost. Last and final summary in the thesis.

Les apports fluviaux en éléments nutritifs comme l'azote (N) le phosphore (P) et la Silice (Si) sont indispensables au fonctionnement des écosystèmes côtiers et en conditionnent la productivité. Cependant, l'intensité et le déséquilibre des flux de nutriments peuvent conduire à l'eutrophisation de ces zones de transition marines. En Manche – Mer du Nord cet enrichissement excessif se caractérise par des blooms phytoplanctoniques qui apparaissent sous l'influence des apports de la Seine, de la Somme et de l'Escaut. Ces trois hydrosystèmes, qui diffèrent largement par leur morphologie, leurs débits mais également les pressions anthropiques qui s'y exercent, offrent un cas d'étude exemplaire pour analyser les flux d'éléments nutritifs dans les bassins versants et leurs impacts à la zone côtière. L'objectif de cette thèse a été d'implémenter, pour ce continuum aquatique drainant plus de 100 000 km2 de surface continentale, une modélisation déterministe du fonctionnement des hydrosystèmes, s'attachant à décrire l'ensemble des processus microscopiques impliqués dans le transport, la rétention et la transformation des éléments N, P et Si. Validé sur la période récente (1996-2001), le modèle Sénèque-Riverstrahler a permis un calcul détaillé des transferts de nutriments, nécessaire pour quantifier le déséquilibre des flux d'azote et de phosphore exportés à la zone côtière franco-belge, par rapport à la silice. Différents scenarios, incluant des mesures de gestion concrètes, du type de celles préconisées par la directive Cadre Européenne sur l'eau (DCE), mais également des prospectives plus théoriques sur long terme, ont été élaborées et simulées. L'évaluation de ces scénarios porte sur la possibilité de rééquilibrer les apports fluviaux, en se basant sur les rapports de Redfield, de limiter la contamination azotée et phosphatée dans les réseaux hydrographiques et de réduire l'ouverture des cycles biogéochimiques qui a prévalu depuis plus de 30 ans. Dans le cadre d'une approche intégrée ‘rivière – zone côtière', ces résultats ont été couplés avec un modèle du fonctionnement des écosystèmes marins côtiers, permettant ainsi de traduire l'impact des mesures implémentées à l'échelle des bassins versants, en terme de développement algal atteint dans la zone côtière.