La dynamique du carbone en forêt boréale est contrôlée par celle des incendies qui consument partiellement la biomasse et la matière organique du sol, libérant du carbone dans l’atmosphère. À long terme, une perte de résilience peut conduire les forêts brûlées à évoluer vers des écosystèmes présentant différentes compositions, structures et cycles biogéochimiques. Les modèles prédictifs de la dynamique du carbone en forêt boréale simulent rarement ces différentes trajectoires successionnelles, ce qui biaise les prévisions à long terme. Nous avons étudié la résilience aux incendies et la dynamique du carbone des pessières à mousses du Québec. La régénération de l’épinette noire, du pin gris et du sous-bois a été inventoriée suite à trois années d’importante activité des feux dans la province. Trois à cinq ans après feu, une épaisse couche de matière organique résiduelle avait compromis l’établissement de l’épinette noire, provoquant une ouverture du couvert et un changement de dominance vers le pin gris. Les éricacées s’étaient régénérées en abondance dans la plupart des parcelles. La composition du sous-bois après feu était principalement déterminée par les caractéristiques du site et du peuplement. Elle reflétait les assemblages d’origine, les legs biologiques ayant été préservés par la faible sévérité des incendies. Nous avons ensuite modélisé les feux, la succession et la dynamique du carbone à l’échelle du paysage pour quantifier l’impact de la sévérité du feu et de la régénération des arbres sur le cycle du carbone. Une diminution de 13 % du carbone stocké dans le paysage était prédite au bout de 500 ans lorsqu’on simulait la sévérité du feu et son impact sur la régénération. Cette diminution était plus fortement liée à la faible régénération de l’épinette noire qu’à la combustion de la matière organique en elle-même. Les émissions liées au feu étaient déterminées par les variations de la surface annuelle brûlée. Ainsi, la perte de résilience des pessières à mousses suite aux feux légers affecte fortement le stockage du carbone à long terme. Le modèle utilisé pourrait encore être amélioré en incorporant la dynamique du sous-bois. / Wildfire is a major driver of carbon dynamics in boreal forests. Immediate effects of wildfires include partial consumption of aboveground biomass and the forest floor, and carbon emissions to the atmosphere. Wildfires can also have long-term effect on carbon cycling. Indeed, when resilience of burned forests is exceeded, regenerating ecosystems differ from that of the pre-fire stands in composition, structure and biogeochemical cycles. Predictive models of carbon dynamics in boreal forests rarely take into account such multiple post-fire successional trajectories, which could bias long-term predictions of carbon storage and emissions. This study examined post-fire ecosystem resilience and carbon dynamics of black spruce-feathermoss forests of Quebec. Regeneration of black spruce, jack pine and understory plant communities were inventoried three to five years after the occurrence of a three-year episode of major fire activity in the province. In the studied plots, low burn severity had left intact a thick residual organic layer that impeded black spruce establishment. As a result, stem density of the burned stand decreased, while jack pine became dominant. Ericales resprouted abundantly. Understory regeneration was mainly driven by pre-fire site and stand characteristics. Post-fire understory composition reflected pre-fire species assemblages, because biological legacies were preserved by the low-severity fires. A model was used to simulate wildfires, succession and carbon dynamics at the landscape level, in order to assess the influence of forest floor combustion and post-fire tree regeneration on carbon cycling. After 500 years of simulation, modelling of burn severity and its influence on post-fire tree establishment caused a 13% decrease in predicted landscape carbon stocks. Simulation of the forest floor combustion alone caused a lower decrease in predicted carbon stocks than simulation of low spruce regeneration rates. Modelled fire emissions were mainly driven by variations in annual area burned. Loss of resilience of black spruce-feathermoss forests can have long-term consequences on carbon stocks. The model used in the present study could be further improved by incorporating explicit simulation of understory species dynamics.

L'intensité de la récolte forestière, définie par le niveau d'exportation de la biomasse des arbres hors du site, soulève plusieurs enjeux environnementaux, particulièrement par rapport au statut nutritionnel du sol et de la régénération après coupe. Des méthodes intensives telles la coupe par arbre entier (CAE) exportent plus de matière organique et d'éléments nutritifs que des méthodes moins intensives comme la coupe par tronc entier (CTE); on soupçonne donc la CAE de nuire à la nutrition des sols et des forêts. L'objectif de cette thèse était d'examiner, à l'aide de méthodes empiriques et de la simulation dynamique, les effets biogéochimiques de la CAE et de la CTE dans des peuplements boréaux du Québec représentant une gamme de caractéristiques de sol et de végétation. Les résultats empiriques ont montré que, 15-20 ans après la récolte, la CAE a réduit, par rapport à la CTE, la capacité du sol de stocker les cations basiques échangeables, et a réduit les concentrations de carbone organique dans les sols minéraux intrinsèquement pauvres en matière organique. La CTE a augmenté la quantité de Ca et Mg disponible pour la régénération, et a procuré un avantage nutritionnel par rapport à la CAE aux peuplements sur sols pauvres en Ca et/ou Mg élémentaires totaux. Cet avantage était plus évident pour le pin gris, une espèce possédant des attributs permettant une acquisition rapide des ressources. Toutefois, une étude de cas empirique dans des peuplements du Bouclier canadien a montré que, contrairement à notre hypothèse, la CTE ne reproduisait pas les effets biogéochimiques des feux de forêt : la coupe en soi a diminué la disponibilité des cations basiques et augmenté l'acidité du sol par rapport au feu, 15-20 ans après perturbation. Néanmoins, un exercice avec le modèle biogéochimique dynamique SAFE a suggéré que les perturbations forestières, anthropogéniques ou naturelles, influencent la disponibilité des cations basiques pour des périodes de une à cinq décennies, mais ne sont pas la principale force régissant la chimie du sol à long terme. Les tendances à long terme de l'acidification du sol et des réserves en cations basiques semblent être plus liées aux dépôts atmosphériques acides. / Intensity of forest harvesting, as defined by the level of tree biomass exportation from the forest site, raises an array of environmental issues, particularly about soil and forest regeneration nutritional status after harvest. Intensive forest harvesting methods like whole tree harvesting (WTH) export larger amounts of organic matter and nutrients than less intensive methods such as stem-only harvesting (SOH); WTH is thus thought to be detrimental to soil productivity and forest nutrition. The objective of this thesis was to use empirical methods and dynamic modelling to examine the biogeochemical effects of WTH and SOH in a range of boreal stands of Québec with contrasting vegetation and soil characteristics. Empirical results showed that, 15 to 20 years after harvest, WTH reduced soil's capacity to store exchangeable base cations compared to SOH, and also reduced organic carbon concentrations in mineral soils with inherently low levels of organic matter. Stem-only harvesting added Ca and Mg available for tree uptake, and provided a nutritional advantage over WTH to regenerating stands in soils poor in total elemental Ca and/or Mg. This nutritional advantage was more obvious in jack pine, which possesses attributes that allow rapid acquisition of resources. However, contrary to our hypothesis that SOH would more closely emulate the biogeochemical effects of wildfire, an empirical case study on the Boreal Shield showed that harvesting per se, irrespective of the harvesting method used, created conditions of lower base cation availability and higher soil acidity than wildfire, as observed 15 to 20 years after disturbance. Nevertheless, a modelling exercise using the dynamic biogeochemical model SAFE suggested that forest disturbances, both anthropogenic and natural, influence soil base cation availability for periods of one to five decades, but are not the main driving force of soil chemistry on the long term. Long-term trends in soil acidification and soil base cation reserves appear to be more closely linked to acidic atmospheric deposition.

Les petits plans d'eau, en particulier ceux riches en matière organique, sont encore négligés en tant que sources naturelles majeures d'émission de carbone (C) dans l'atmosphère et contributeurs importants au bilan mondial de C. Les mares de tourbières riches en matières organiques sont une source nette de C atmosphérique dans les écosystèmes de tourbières, qui sont généralement un puits net de C. Ces mares émettent des gaz à effet de serre (GES) à des taux plus élevés, en particulier de méthane (CH4), par rapport à d'autres petits plans d'eau lentiques (petits lacs et étangs), ce qui peut être attribué à la connectivité hydraulique des bassins donc aux apports en C de la tourbe environnante et aux caractéristiques morphologiques des mares. Cependant, il existe très peu d'informations sur les schémas et les mécanismes de la dynamique du C dans les bassins de tourbières par rapport à leur couvert végétal ainsi qu'à d'autres petits environnements aquatiques. En particulier, la matière organique dissoute (MOD), un important intermédiaire et substrat de C, peut influencer la dynamique des émissions de GES, mais son rôle demeure méconnu à l'échelle intra- et inter-régionale. Dans cette étude, nous avons caractérisé et identifié les patrons intra- et interrégionaux et les mécanismes potentiels contrôlant la quantité et la qualité de la MOD et des concentrations de GES, ainsi que leurs liens en analysant une gamme de variables optiques et chimiques et en compilant les données géographiques (c'est-à-dire le climat, le couvert végétal et morphométrie des bassins) à partir de bassins de tourbières ombrotrophes dans cinq régions de l'est du Canada (Grande plée Bleue, sud du Québec et région de la Minganie, est du Québec) et du sud de la Patagonie chilienne (Punta Arenas, parc Karukinka et île Navarino). Nous avons également effectué un échantillonnage interannuel dans la Grande plée Bleue pour identifier les tendances temporelles des concentrations et de la composition des GES et de MOD. Nous avons trouvé une variabilité interrégionale élevée dans les patrons de MOD et de GES par rapport à la variabilité intrarégionale qui était cohérente avec l'hétérogénéité des propriétés géographiques, en particulier, le climat. Les patrons interrégionaux des concentrations de GES étaient de plus déterminés par la couverture végétale environnante, la morphométrie du bassin et la composition de la MOD de type protéique. D'autre part, bien que nous n'ayons pas observé de patrons temporels significatifs dans les concentrations de GES, de MOD et de la composition de type humique terrestre au cours de l’été dans la Grande plée Bleue, les patrons temporels de GES ont été influencés par la concentration de MOD, la composition de type humique terrestre, et la chimie interne de l'eau. Dans l'ensemble, nos résultats suggèrent que les patrons interrégionaux de la MOD et des GES, et les liens entre eux, sont principalement contrôlés par le climat (température et précipitations), la couverture végétale et la morphométrie des bassins, tandis que les patrons temporels de la MOD et des GES sont principalement régis par des facteurs à l'échelle locale tels que la morphométrie des bassins et la connectivité hydrologique. / Small waterbodies, especially organic-rich, are still overlooked as a major natural source of carbon (C) emission to the atmosphere and an important contributor in the global C budget. Organic-rich peatland pools are generally net atmospheric C sources embedded in peatland ecosystems, which are generally net C sinks. They emit high areal rates of greenhouse gases (GHG), particularly methane (CH4), compared to other small lentic waterbodies (small lakes and ponds) which may be attributed to peat-pool hydraulic connectivity leading to C loading from the surrounding peat and morphological characteristics. But there is very little information on the patterns and drivers of C dynamics within peatland pools compared to their vegetated areas as well as other small aquatic environments. In particular, the role that dissolved organic matter (DOM), an important intermediate and C substrate, may play in GHG dynamics is poorly known at the intra- and inter-regional scales. In this study, we characterized and identified the intra- and inter regional patterns and drivers of DOM quantity and quality and GHG concentrations as well as their links. We did so by analyzing a range of optical and chemical variables and compiling geographic data (i.e., climate, vegetation cover and pool morphometry) from ombrotrophic peatland pools across five regions in eastern Canada (Grande plée Bleue, southern Québec and Minganie region, eastern Québec) and southern Chilean Patagonia (Punta Arenas, Karukinka Park and Navarino Island). We also conducted inter-annual sampling in Grande plée Bleue to identify the temporal patterns in GHG and DOM concentrations and composition. We found high inter-regional variability in DOM and GHG patterns compared to intra-regional variability which was coherent with the heterogeneity of geographical properties. Inter-regional patterns in GHG concentrations were driven by surrounding vegetation cover, pool morphometry and protein-like DOM composition. On the other hand, although we did not observe significant temporal patterns in GHG and DOM concentrations and terrestrial humic-like composition throughout the growing seasons in Grande plée Bleue, temporal patterns of GHG were influenced by the DOM concentration, terrestrial humic-like composition, and internal water chemistry. Overall, our results suggest that inter-regional patterns in DOM and GHG, and the links among them are predominantly controlled by the broad-scale patterns in climate (temperature and precipitation), vegetation cover, and pool morphometry, while temporal patterns in DOM and GHG are predominantly governed by local-scale drivers such as pool morphometry.

Les structures de (sous)mésoéchelle (tourbillons, filaments ou fronts) sont des composantes majeures de la circulation océanique et dirigent la distribution des éléments chimiques et biologiques dans l'océan. Cependant, encore peu d'observations attestent de cette influence. L'objectif de cette thèse est de regrouper divers jeux de données in situ, acquis aux échelles typiques de la (sous)mésoéchelle et de coupler ces informations à des observations satellites haute-résolution et des sorties de modèles numériques pour identifier et mieux comprendre l'influence de la circulation fine échelle sur la distribution spatiale des éléments. Dans un premier temps, une étude globale de la circulation océanique de surface dans le Pacifique Sud-Ouest permet de donner un aperçu de l'importance des circulations de chaque échelle (de la grande à la petite échelle) sur la distribution horizontale des éléments biogéochimiques dans cette région. Dans un second temps, l'influence de la mésoéchelle dans deux régions (mer de Corail et zone autour de 170°O et 19°S) mises en avant par la première étude pour leurs caractéristiques hydrodynamiques et biogéochimiques, est inspectée. Deux cas d'études montrent respectivement que les tourbillons océaniques, en particulier les anticyclones, sont responsables du transport et de l'échange de masses d'eau entre deux courants indépendants et que la circulation à mésoéchelle est une des sources de la formation d'un bloom phytoplanctonique. Enfin, deux autres études témoignent de l'influence des fronts et des vitesses verticales à sousmésoéchelle sur la distribution horizontale et vertical de matière et sur la structure des communautés phytoplanctoniques. / Meso- and submesoscale features (eddies, filaments, fronts) are key components of the oceanic circulation and drive the distribution of chemical and biological elements in the ocean. However, very few in situ observations confirm this influence. The aim of this PhD thesis is to use various in situ datasets, achieved at (sub)mesoscale, coupled with high-resolution satellite observations and modelled outputs to identify and better understand the impact of fine scale circulations on the spatial distribution of biogeochemical matter. Firstly, a global study of the entire southwest Pacific surface circulation provides an overview of the significance of each scale (from large to submesoscale) circulations on the horizontal distribution of biogeochemical components in this region. Secondly, the influence of mesoscale activity is inspected in two regions (Coral Sea and the region around 170°W and 19°S) highlighted by the previous study for their hydrodynamical and biogeochemical characteristics. Two cases study show, respectively, that eddies, and in particular anticyclones, are able to transport water masses between two independant jets and that mesoscale trajectories of surface water masses are responsible for a phytoplanktonic bloom formation. Finally, two other studies highlight the influence of submesoscale fronts and vertical velocities on the horizontal and vertical distribution of biogeochemical matter and on the phytoplanktonic community structure.

La réhabilitation des friches industrielles dans les zones urbaines est un enjeu majeur pour le développement durable des villes. La gestion et la reconversion de ces sites, imposées par la réglementation, nécessitent toutefois le développement d’outils d’évaluation des risques environnementaux et sanitaires, et de techniques de remédiation durables. Cette thèse a porté sur la mise en place d’outils multidisciplinaires pour la gestion durable des sites pollués, avec le cas particulier d’un site de recyclage de batteries au plomb caractérisé par une pollution historique en plomb principalement mais également d’autres polluants inorganiques (Cd, Sb, As, Cu et Zn), couramment définis par le terme d’Eléments Traces Métalliques (ETM). Ce travail a cherché à renseigner les mécanismes impliqués dans les systèmes polluants-sol-plantes pour renforcer la prise en compte de la qualité globale des sols dans la gestion des sites industriels, tout en essayant de répondre à des questions de la recherche appliquée. En plus des outils et procédures classiquement utilisés pour évaluer, contrôler et réduire les risques environnementaux et sanitaires causés par les sols pollués, le développement des mesures de biodisponibilité (plantes et les humains) et d’écotoxicité (différents tests biologiques: inhibition de la mobilité de daphnies, Microtox® et induction de bactéries bioluminescentes, microbiologie) permet d’affiner la classification des sols contaminés en termes de dangerosité. De plus, des plantes engrais verts (bourrache, phacélie et moutarde), communément utilisées en agriculture ou par les jardiniers (car elles améliorent les propriétés bio-physico-chimiques des sols avec un système racinaire et une grande production d’exsudats racinaires), ont été testées pour la re-fonctionnalisation des sols pollués. Enfin, les mécanismes impliqués dans le devenir des polluants dans la rhizosphère et les microorganismes associés ont été étudiés. L’ensemble des résultats fourni des éléments de réponse et des moyens d’améliorer la gestion des sols contaminés par des métaux et métalloïdes. (1) Tout d’abord, la séparation par taille des différentes fractions de sol permet une réduction significative des tonnages de matériaux contaminés et donc une économie réelle lors de la mise en décharge des sols excavés avec un gain certain en termes d’empreinte écologique. (2) Ensuite, le calcul d’écoscores pour les differents échantillons de sols pollués, sur la base des résultats des essais d’écotoxicité, ont permis d’affiner plus précisemment les risques par rapport aux paramètres physico-chimiques « classiques » requis par la réglementation. Des différences de sensibilité ont été observées en fonction de la nature de l’essai biologique, l’origine de l’échantillon, les propriétés physico-chimiques et les concentrations totales de polluants. (3) Contrairement à la phacélie, la bourrache et la moutarde ont amélioré la respiration du sol, réduit l’écotoxicité et la quantité de plomb bioaccessible et totale dans le sol, respectivement par phytostabilisation et stockage dans les racines (Pb, Sb) ou par phytoextraction et donc stockage dans les parties aériennes. En outre, ces plantes pourraient être testées sur le terrain pour une utilisation en phytoremédiation des friches industrielles et des jardins modérément pollués. Selon la nature du métal, du type de sol et des plantes, la compartimentation et la spéciation du polluant diffèrent, ainsi qu’en fonction des caractéristiques agronomiques du sol et l’activité microbienne de la rhizosphère. Un criblage moléculaire et une méta-analyse de la génomique microbienne ont permis de mettre en évidence les différences dans les communautés bactériennes étudiées en fonction du niveau de concentration métallique, des espèces végétales et des caractéristiques des sols étudiés. / Rehabilitation of brownfields in urban areas is a major challenge for the sustainable development of cities. Management and conversion of these sites, imposed by regulation, however, require the development of tools for environmental risk assessment and health and sustainable remediation techniques. This thesis focused on the establishment of multidisciplinary tools for the sustainable management of polluted site, with the particular case of rehabilitation recycling of lead batteries with a mainly historical lead pollution and other inorganic pollutants (Cd, Sb, As, Cu and Zn), currently defined as Metal Trace Elements (MTE). While trying to answer questions of applied research, this work has sought to investigate the mechanisms involved in the soil-plant pollutants to strengthen the consideration of the overall quality of soil management for industrial sites. In addition to the tools and procedures conventionally used to assess, control and reduce environmental and health risks caused by polluted soils; measures of bioavailability (plants and humans) and ecotoxicity (different bioassays: inhibition of the mobility of Daphnia magna, Microtox® and induction of bioluminescent bacteria and microbiology) have been developed with the aim to refine the classification of contaminated soils in terms of dangerousness. Moreover, green manure plants (borage, phacelia and mustard), commonly used in agriculture or by gardeners because they improve the bio-physico-chemical properties of soils with a root system and a large production of root exudates were tested for re-functionalization of polluted soils. Finally, the mechanisms involved in the fate of pollutants in the rhizosphere and their microorganisms in the plant were studied. The main results provide some answers and ways of improving the management of soils contaminated by metals and metalloids. (1) First, the size separation for soil fractions allows a significant reduction in tonnages of contaminated material and therefore costs for the landfill excavated soil with a gain result in terms of ecological footprint. (2) Then, calculation for the differents polluted soil samples of eco-scores based on the results of ecotoxicity tests can discriminate more accurately compared to physicochemical parameters required by the regulations. Differences in sensitivity were observed depending on the nature of the bioassay, the origin of the sample, physico-chemical properties and total concentrations of pollutants. (3) Unlike phacelia, borage and mustard improve soil respiration, ecotoxicity and reduce theamount of bioaccessible and total lead in soil, respectively by phytostabilisation and storage in roots (Pb, Sb) or phytoextraction and storage in aerial parts. Further, these plants could be field tested for use in phytoremediation of brownfields and gardens moderately polluted. Depending on the nature of the metal, the type of soil and plant, compartmentalization and speciation of the pollutant differ, and in conjunction with agronomic characteristics of soil and rhizosphere microbial activity. Molecular screening and meta-analysis of microbial genomics have enabled highlight differences in bacterial communities studied by species and growing conditions.

Cette étude vise à estimer l'impact des échelles dynamiques, allant de la grande à la sub-mésoéchelle, sur la structure et le fonctionnement de l'écosystème planctonique, en s'appuyant sur la modélisation. Elle se situe en Atlantique Nord-Est dans le cadre du programme POMME. Une première partie étudie le cycle saisonnier de l'écosystème à partir d'une configuration 1D. En moyenne, le modèle montre un cycle annuel marqué, avec des flux de régénération importants, contraint par l'évolution de la profondeur de couche de mélange (MLD). Le modèle reproduit les variations méridiennes du cycle saisonnier et de l'amplitude des flux liées à la variabilité spatiale de la MLD. Une seconde partie, basée sur une configuration 3D, montre un écosystème contrasté entre les tourbillons à mésoéchelle et les eaux ambiantes. A sub-mésoéchelle, de forts gradients de MLD et de vitesses verticales modifient les apports de nutriments ainsi que la disponibilité en lumière, et donc la production primaire. Les trois échelles considérées ont une influence significative sur la distribution et la production planctonique, influence qui varie au cours du cycle saisonnier.

Notre objectif est de contribuer à la compréhension du fonctionnement du système Méditerranéen grâce à la modélisation.<br />Nous nous intéressons d'abord à la formation et au devenir des masses d'eau en Méditerranée nord-occidentale. L'influence de la résolution spatiale du modèle océanique est examinée lors de l'étude de la convection profonde au large pour une année réelle. Le rôle essentiel joué par les structures de méso-échelle dans la formation et le devenir de l'eau profonde est mis en évidence. La comparaison de simulations effectuées avec différents forçages atmosphériques permet de montrer l'influence de la résolution spatiale de ce forçage sur la modélisation de la convection, liée à l'importance des extrêmes atmosphériques. Puis nous examinons l'impact de la variabilité interannuelle atmosphérique et du changement climatique sur la formation d'eau dense sur le plateau du Golfe du Lion. Les volumes d'eau dense formée, exportée, et cascadant sont corrélés à la perte de chaleur atmosphérique hivernale. L'intensification de la stratification de la colonne d'eau d'ici la fin du XXIème siècle provoque une quasi-disparition du cascading.<br />L'influence des processus physiques sur l'écosystème planctonique pélagique est examinée au moyen d'un modèle couplé hydrodynamique-biogéochimie. L'étude d'une année de référence permet de valider le modèle et d'en soulever les points faibles. Si les bilans de production présentent une faible variabilité interannuelle, celle de l'exportation de carbone et du métabolisme net est plus marquée. Le changement climatique provoque une augmentation de la production primaire et une intensification de la boucle microbienne.

L'océan Austral joue un rôle crucial dans la régulation du système climatique en absorbant de grandes quantités de CO2 atmosphérique. Toutefois de nombreuses incertitudes demeurent quant à l'évolution récente du puits de carbone austral notamment en raison du manque d'observations et des lacunes des modèles océaniques dans la représentation de processus dynamiques comme les tourbillons. Depuis quelques décennies notamment, l'efficacité du puits de carbone austral diminuerait en raison d'une intensification des vents liée à une tendance positive du Mode Annulaire Austral (SAM). L'objectif de ces travaux de thèse est de décrire et comprendre la variabilité spatiale et temporelle récente des flux air-mer de CO2 dans l'océan Austral. Pour cela, des simulations de sensibilité aux phases positives du SAM sont réalisées dans une configuration régionale de l'océan Austral (sud de 30°S), basée sur un modèle couplé dynamique-biogéochimie forcé par l'atmosphère et résolvant partiellement la méso-échelle océanique. Dans l'océan Austral, la réponse des flux de CO2 au SAM correspond à un dégazage intense de CO2 dans la zone antarctique dû à une augmentation des concentrations de surface de carbone inorganique dissous (DIC). Cette augmentation est pilotée par la dynamique de la couche de mélange et alimentée par un transport méridien de DIC qui résulte essentiellement de la compétition entre circulation induite par les vents et par les méandres stationnaires. Ces travaux montrent l'apport d'une augmentation de la résolution numérique des modèles pour la simulation des flux de CO2.

Silicon (Si) is one of the most abundant elements in the dissolved phase in rivers and is a key nu-trient in riverine and marine ecosystems. The continental cycle of Si is complex and involves interactions with many secondary reservoirs such as clay minerals and biogenic silica (BSi), making the Si fluxes hard to constrain. Stable isotopes provide a way to trace and describe element cycling. The natural isotopic fractionations that accompany the transfer of the element from one reservoir to another lead to specific isotopic signatures that can be used to reconstruct its source and the pathway during its biogeochemical cycle. The aim of this thesis is therefore to explore the potential of Si isotopes as a tracer of the factors controlling the dissolved Si (DSi) concentration in rivers and more specifically in tropical rivers.<p>Key issues treated in this thesis are the improvement of our understanding of 1° the spatial and seasonal variability of Si isotopic signatures in rivers, 2° the biological influence on the riverine isotopic signatures and on DSi and BSi fluxes, and 3° the impact of the type of weathering on the riverine isotope signatures.<p>The isotopic composition of different tropical basins such as the Congo River (Central Africa), the Tana River (Kenya), the Amazon (South America) and its tributaries, were determined along with other physico-chemical parameters. In order to achieve this, the water sample purification processing, necessary before isotope analyses, required specific improvements that are also pre-sented here. The average of all the riverine δ30Si signatures available so far is +1.11 ‰ (n = 253). The impact of diatom growth on the isotopic signatures of the rivers can be clearly shown in the different systems studied, and especially in the Congo River where the isotopic signature could be used in order to estimate the diatom production. The impact of anthropic perturbations through dam construction is also clearly shown in the Tana River. On a global scale the biological influ-ence on the riverine isotopic signatures is estimated to induce an increase of 0.18 ‰ of the δ30Si signature in rivers. This study also confirms the preponderant influence of weathering and secondary clay formation on dissolved Si isotope signatures in the studied rivers. Finally, isotopic signatures from these rivers are compared to data available for other rivers around the world in order to draw large trends on a global scale. <p>/<p>Le silicium (Si) est l’un des éléments les plus abondants sous forme dissoute dans les rivières et est un nutriment fondamental tant dans les rivières que dans les écosystèmes marins. Le cycle continental du Si est complexe et inclut des interactions avec de nombreux réservoirs secondaires, comme les argiles et la silice biogénique (BSi), rendant les flux de Si difficiles à quantifier. Les isotopes stables fournissent un moyen de tracer et de décrire le cycle d’un élément. Le fractionnement isotopique qui accompagne le transfert de l’élément d’un réservoir à un autre induit des signatures isotopiques spécifiques qui peuvent être utilisées pour retracer la source et la trajectoire suivie par cet élément au cours de son cycle biogéochimique. Le but de cette thèse est d’explorer le potentiel des isotopes du Si en tant qu’indicateur des facteurs contrôlant la concentration en Si dissous (DSi) dans les rivières et plus spécifiquement dans les rivières tropicales.<p>Les questions principales traitées dans cette thèse sont l’amélioration des connaissances de :1° la variabilité spatiale et saisonnière des signatures isotopiques du Si dans les rivières, 2° l’influence biologique sur les signatures isotopiques des rivières et sur les flux de DSi et BSi et 3° l’impacte du type d’altération sur les signatures isotopiques des rivières. <p>Les compositions isotopiques de différents bassins tropicaux tels que le Fleuve Congo (Afrique Centrale), le Fleuve Tana (Kenya), l’Amazone (Amérique du Sud) et ses principaux affluents ont été déterminées en même temps que d’autres paramètres physicochimiques. Pour ce faire, le pro-cédé de purification des échantillons d’eau, préalable aux analyses isotopiques, a nécessité des améliorations spécifiques qui sont également présentées ici. La moyenne de toutes les signatures δ30Si accessibles à l’heure actuelle est de +1.11 ‰ (n = 253). L’impact de la croissance des diatomées sur les signatures isotopiques des rivières est démontré dans les différents systèmes étudiés, spécialement pour le Fleuve Congo où la signature isotopique a pu être utilisée afin de déterminer la production de diatomées. L’influence de perturbations anthropiques telles que la construction de barrages a pu être démontrée pour le Fleuve Tana. À l’échelle globale, on estime que l’influence biologique sur la signature isotopique des rivières mène à une augmentation de 0.18 ‰ de la signature δ30Si moyenne des rivières. Cette étude confirme également l’influence prépondérante de l’altération et de la formation d’argiles secondaires sur les signatures isotopiques du DSi dans les rivières étudiées. Enfin, les signatures isotopiques de ces rivières sont comparées aux données accessibles pour d’autres rivières à travers le monde afin d’en déduire les grandes tendance à l’échelle mondiale.<p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le complexe des lobes terminaux du système turbiditique du Congo, localisé à 760 km des côtes de l’Afrique Equatoriale et à 5000 m de profondeur, constitue un système sédimentaire unique pour étudier les transferts de matière organique dans l’Océan Atlantique. En effet, ce complexe, d’une superficie de 3000 km² environ, est actuellement le réceptacle final des apports turbiditiques, initiés dans le canyon du fleuve Congo. Cette thèse, qui s’inscrit dans le cadre du projet ANR-Congolobe, a pour objectif d’apporter des connaissances sur la composition biogéochimique de ces apports et d’apporter des conclusions sur leur(s) origine(s), leur distribution et leur devenir dans les sédiments. Pour ce faire, neuf carottes d’interface (~20 cm) et une carotte longue (~900 cm) prélevées en différents sites du complexe des lobes ont été étudiées. La stratégie employée a consisté (1) à réaliser une description des faciès et de la granulométrie des sédiments, (2) à réaliser une étude géochimique globale et moléculaire sur ces mêmes sédiments (%Corg, C/N, δ13Corg et δ15N, 137Cs, acides gras, tétraéthers) (3) à confronter les données acquises avec celles obtenues sur les sources initiales marines et terrestres par un modèle de mélange binaire (δ13Corg) et par une analyse discriminante (acides gras), (4) à considérer un site spécifique en tant que référence temporelle, (5) à combiner les données acquises à tous les sites dans une analyse multivariée pour appréhender le devenir de cette région à l’échelle millénaire. Tous les marqueurs considérés ont révélé que les sédiments des lobes constituent un véritable puits de matière organique particulaire terrigène en provenance du Congo. Les concentrations en carbone organique sont élevées dans les sédiments argilo-silteux (~3 à 5 %). 70 à 80 % de ce carbone organique dérive du fleuve et consiste en des débris végétaux et en de la matière organique altérée issue de l’érosion des sols, alors que les 20 à 30 % restants consistent en une matière organique marine très dégradée. Une analyse plus détaillée des biomarqueurs lipidiques suggère que la matière organique apportée par les turbidites est peu réactive, néanmoins, l’analyse des acides gras a permis de détecter la présence de composés marins frais dans certains échantillons. Une conclusion importante de cette étude est que tous les résultats portant sur la composition et la distribution de la matière organique dans les sédiments sont en accord avec les modalités de dépôt turbiditique (rapidité du transfert, fréquence des apports, épaisseur des dépôts) ainsi qu’avec les propriétés granulométriques des sédiments. Ces caractéristiques physiques permettent d’expliquer que la matière organique soit exceptionnellement bien préservée dans les couches anoxiques des sédiments, une observation valable à l’échelle des millénaires qui soulève l’intérêt de prendre en compte la région des lobes pour comprendre le devenir de la matière organique terrestre dans l’océan global. / The terminal lobe complex of the Congo deep-sea fan, which is a unique region to study the transfer of organic matter from the land to the Atlantic Ocean, is located 760 km off the Equatorial African coast and at 5,000 m depth. This region covers 3000 km2 and is the terminal receptacle of the particulate organic matter provided by turbidity currents originating from the Congo River canyon. This thesis is part of the Congolobe ANR-project and aims at providing information on the biogeochemical composition of these organic matter inputs to study their origin, distribution and fate in lobe complex sediments. Nine short sediment cores (~20 cm) and one long core (~900 cm) were collected in different sites of the lobes complex for different sediment analyses. The strategy of the study consists of the following five analytical steps: (1) to achieve a facies and granulometry description of the sediments; (2) to study the global and molecular geochemical characteristics of the sediments (%OC , C/N, δ13Corg, δ15N, 137Cs, fatty acids and tetraethers); (3) to compare these data to data from marine and terrestrial end-members using a binary mixing model (δ13Corg) and a discriminant analysis (fatty acids); (4) to consider a specific site as a time reference and (5) to discuss the fate of the sedimentary organic matter at the millennium time scale of the overall area by combining different data in a multivariate analysis. All the different proxies used in this study revealed that lobe sediments could be a sink for organic inputs from the Congo River. Organic carbon concentrations are high in silty-clay sediments (~3 to 5 %). Over the study region, 70 to 80 % of the organic carbon originate from the Congo River and consist of vegetal detritus and soil derived-OM. The remaining 20 to 30 % consists of highly degraded organic matter. A more detailed lipid biomarker analysis shows that the organic matter is poorly reactive; however, fatty acid analyses reveal the presence of fresh planktonic compounds in some samples. An important finding of this study is that the composition and the distribution of the organic matter in sediments are consistent with turbiditic deposition patterns (e.g., rapidity of transfer, frequency and thickness of deposits) as well as with the granulometry properties of the sediments from the terminal lobe complex. Due to the specific sediment characteristics, organic matter is exceptionally well preserved in the anoxic sediment layers, reaching back to millennial time scales. Hence, studying the lobe complex area is of great interest for a better understanding of the fate of terrestrial organic matter in the global ocean.