La pollution des sols par les Eléments Traces Métalliques est un problème majeur car, contrairement aux autres milieux, le sol possède une plus faible capacité à s’épurer. Les différents modèles empiriques exprimant la solubilité et le coefficient de distribution Kd de ces polluants inorganiques dans les sols ne tiennent pas compte de l’influence des facteurs environnementaux. Le travail de thèse a consisté à étudier l’effet de facteurs environnementaux, dits « sensibles au changement global », sur la mobilité de Cd, Pb, Zn, As et Hg dans les sols, à l’aide d’un plan factoriel fractionnaire 24-1. Onze échantillons de sol représentatifs de 3 sites d’études industriels et agricoles des bassins de la Meuse et de l’Ebre ont été étudiés dans le cadre du projet européen AQUATERRA. Le comportement de As n’est pas significativement corrélé à la nature intrinsèque des échantillons de sol mais à l’augmentation de la température et à une condition anoxique. Ces facteurs stimulent les activités microbiennes de solubilisation de As tels que réduction dissolutive microbienne des oxyhydroxydes de Fe et la réduction de As(V). La forte implication de l’activité microbienne permet de modéliser la mobilité de As en fonction des facteurs environnementaux, pour l’ensemble des 11 échantillons de sol. A l’inverse, le comportement de Cd, Pb et particulièrement Zn, est très significativement corrélé à la nature des échantillons de sol et notamment le pH du sol. Enfin, la phytodisponibilité de Cd, Pb, Zn et As a été estimée, à l’aide d’un système à compartiment, et modélisée de manière empirique, afin de permettre une meilleure compréhension des phénomènes de transfert sol-plante. / Pollution induced by trace elements in soils is a major environmental problem because, compared to atmospheric and water pollution, the soil environment is much less resilient. Few studies have been conducted on the effect of environmental factors on trace elements mobility. The different empirical models expressing trace elements solubility and distribution coefficient in soils don’t take into account the effect of these factors. The thesis study the effect of global-change-sensitive factors on Cd, Pb, Zn, As and Hg mobility in soils, using a 24-1 fractional factorial design. Eleven soil samples representative of the 3 industrial and agricultural studied sites of the Meuse and Ebro basins have been studied in the framework of the European AQUATERRA project. As behaviour is not significatively linked to intrinsic nature of soil samples but to the temperature increase and to an anaerobic condition. These factors stimulate microbial activities involved in As solubilisation processes such as microbial dissolutive reduction of Fe oxyhydroxydes and As(V) reduction. The strong influence of microbial activity allow to model As mobility as a function of environmental factors for the whole 11 soil samples. On the contrary, Cd, Pb and above all Zn behaviour, are correlated very significatively to the nature of soil samples like soil pH. Finally, Cd, Pb, Zn and As phytoavailability have been assessed thanks to a compartment system and modelled empirically which aims to better estimate of soil-plant transfer processes.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Dans un contexte de changement climatique et de production de bois énergie, une amélioration de la compréhension du fonctionnement des hêtraies de plaine dans leur aire de répartition actuelle semble nécessaire. Ces travaux de recherche apparaissent primordiaux notamment sur les hêtraies à faible fertilité minérale, celles-ci étant par définition plus sensibles aux perturbations extérieures. La hêtraie de Fougères (35-France), caractérisée par une faible fertilité minérale, a été étudiée au cours de ce travail. L'objectif général de ce travail est de réaliser un état des lieux du fonctionnement minéral de la hêtraie de Fougères, sur l'ensemble d'une révolution forestière. Une approche par chronoséquence à été utilisée, les âges des peuplements étudiés couvrant l'ensemble de la révolution forestière (8 ans , 25 ans, 80 ans et 145 ans). Une approche par bilan de fertilité a par ailleurs été retenue, ces bilans constituants un des outils pertinents pour le diagnostic global de l'évolution d'un système. Le calcul des bilans de fertilité minérale et l'étude des cycles d'éléments nutritifs au sein de l'écosystème ont été réalisés sur chaque peuplement pour des segments temporels de 7 ans (1998-2004). Les substrats de Fougères sur lesquels les sols se sont développés sont pauvres et s'ensuit donc une fourniture limitée d'éléments nutritifs par altération. Les flux de K et le Mg libérés par altération sont néanmoins élevés sur l'ensemble du profil et particulièrement les flux de Mg dans la zone de mélange arène-limons. La quantité estimée de Ca et P libérée par altération des minéraux sur la tranche 0-120 cm des sols est quand à elle très faible. Les apports atmosphériques sont un des piliers majeurs de la durabilité de cet écosystème à faible fertilité minérale, notamment pour un élément limitant comme le Ca. La majorité des apports atmosphériques d'éléments nutritifs sont en baisse sur la période 1998-2004 et cette baisse est également visible sur la quantité d'éléments en circulation dans les sols de Fougères. Si cette tendance se prolonge dans le temps, la fertilité de l'écosystème pourrait en pâtir. Les pertes de nutriments par drainage, à la profondeur de 120 cm, sont relativement similaires quelque soit l'âge du peuplement. Nous avons montré par ailleurs que l'effet de l'âge des peuplements de hêtre sur les stocks disponibles présents dans les humus et les sols de Fougères n'est pas significatif. Le faible niveau de fertilité minérale de l'écosystème de Fougères pourrait expliquer ces constats. Les bilans de fertilité minérale sont positifs pour les éléments Mg, K et P, quelque soit l'âge des peuplements de la chronoséquence. Pour le Ca, les bilans de fertilité minérale sont positifs dans les jeunes peuplements (8 ans et 25 ans) et négatifs dans les peuplements les plus vieux (81 ans et 145 ans). Les pertes liées à la récolte de biomasse, qui augmentent fortement avec l'âge des peuplements, sont responsables du bilan négatif de Ca dans les peuplements âgés de plus de 50 ans. Les bilans de fertilité minérale calculés montrent que les pertes liées à la récolte de biomasse expliquent majoritairement l'évolution des bilans de fertilité avec l'âge des peuplements.

Le but de ce travail est l'étude de processus à mésoéchelle de la mer Ligure. L'étude concerne les tourbillons et leur effet sur les variables biogéochimiques liées au plancton. Le modèle implémenté pour les simulations est ROMS, Regional Ocean Modeling System (Shchepetkin and McWilliams, 2005). La simulation à haute résolution du courant Ligure-Provençal-Catalan dans la Mer Ligure a révélé la présence d'instabilités qui induit la formation de structures tourbillonnaires. Ces tourbillons sont particulièrement intenses lorsque le forçage du vent provient d'un modèle météorologique à haute résolution spatiale et temporelle. Au contraire, l'utilisation de vents climatologiques à basse résolution comme forçage, induit des structures à mésoéchelle moins intenses et moins nombreuses. Les simulations forcées avec des vents réels permettent la formation d'intenses tourbillons anticycloniques entre le courant Ligure-Provençal et la côte. Ces tourbillons se déplacent lentement avec le courant. L'augmentation de la résolution permet de faire apparaître de petites structures tourbillonnaires autour du vortex principal. Les tourbillons observés sont associés à des structures de vitesse verticale complexes. La simulation montre d'importantes vitesses verticales positives (upwelling) près de la côte qui peuvent induire la remontée de masses d'eaux riches en nutriments, et des vitesses verticales négatives au centre du tourbillon. Les vitesses verticales augmentent avec la résolution de la simulation et peuvent atteindre des valeurs de l'ordre de la dizaine de mètres par jour. L'augmentation de la résolution permet de résoudre plus en détail la distribution du champ de vitesse et on observe ainsi des structures complexes de vitesses positives et négatives que s'alternent en correspondance d'un tourbillon. Pour ce qui concerne les vitesses horizontales, la résolution n'a pas un effet significatif sur leur intensité et distribution. Cela signifie que le processus est suffisamment bien résolu dans la simulation à plus basse résolution. Les vitesses verticales associées V au tourbillon peuvent avoir un rôle significatif pour la dynamique de l'écosystème marin de la Mer Ligure. Ces structures peuvent apporter en surface des masses d'eaux riches en nutriments qui peuvent mettre en route la chaîne trophique liée à la production primaire. Tous les vivants sont liés directement ou indirectement à cette production. Pour étudier l'impact des structures à mésoéchelle sur les variables biologiques nous avons appliqué un module biogéochimique couplé au modèle hydrodynamique. Les résultats mettent en évidence la complexité du comportement des variables biogéochimiques en présence des structures dynamiques, ainsi que leur variabilité en fonction du type de tourbillons (cyclonique ou anticyclonique). Les tourbillonnes cycloniques représentent essentiellement des zones de croissance de biomasse. Les tourbillonnes anticycloniques représentent aussi des zones d'accumulation de biomasse mais aussi des zones de croissance de biomasse due à la remontée d'eaux riches en nutriment au bord du tourbillon. Les résultats du travail de thèse et décrits dans ce document, montrent l'importance des processus à la mesoéchelle, l'impact de tourbillons sur la production biologique et la nécessité d'adopter une résolution spatiotemporelle suffisamment haute pour le modèle océanique et pour les forçages atmosphériques.

À la limite écotonale de la toundra forestière et de la pessière à lichen, une hausse des conditions d'humidité enregistrée depuis le Petit Âge Glaciaire a causé un rehaussement de la nappe phréatique régionale. Dans les fens structurés de la région, cette hausse de la nappe phréatique a entraîné une dégradation progressive des buttes et des lanières qui séparent les mares permettant alors la fusion de ces dernières par coalescence. Il résulte de ce phénomène une augmentation de la superficie couverte par les mares au détriment des portions terrestres des tourbières favorisant le maintien de biotopes caractérisés par une nappe phréatique affleurante. Dans une tourbières de la région de Laforge (Abeille), nous avons mesuré les flux de méthane (CH4), dioxyde de carbone (C02) et carbone organique dissout (DOC) afin de déterminer l'influence d'une nappe phréatique affleurante et d'une importante proportion de mare sur le bilan annuel du carbone. 83% de la tourbière à l'étude est soit couverte par les mares (42%), les dépressions (28%) et lanières (13%) et présente une nappe phréatique en moyenne supérieure à 7 cm sous la surface. Les flux de CO2 et de CH4 ont été mesurés le long d'un gradient microtopographique durant les saisons de croissance de 2009 et 2010 et les flux de DOC ont été mesurés à l'exutoire de la tourbière en 2010. L'identification des contrôles environnementaux a permis la modélisation du budget annuel de carbone de la tourbière Abeille. La tourbière à l'étude a été une source de carbone durant les deux années échantillonnées. Trois variables permettent d'expliquer ce phénomène : la durée de la saison froide, les conditions météorologiques durant la saison de croissance et le ratio mare/portion terrestre. Les flux hivernaux sont de faible envergure et la photosynthèse est inhibée en sol gelé. Ainsi, la saison froide représente 210-214 jours d'émissions nettes de CO2 et de CH4 vers l'atmosphère et joue un rôle important dans le budget annuel. Durant la saison de croissance, nous avons observé que des conditions chaudes et sèches diminuent la capacité de la végétation à effectuer la photosynthèse tout en augmentant le taux de respiration qui contrebalance alors l'absorption de CO2. La tourbière peut toutefois représenter un puits de carbone en conditions humides et chaudes puisque la photosynthèse est plus importante que la respiration. Les portions aquatiques sont également une importante source de carbone. Elles émettent en moyenne 5 fois plus de méthane que les compartiments terrestres et représentent 80% du budget annuel de méthane extrapolé spatialement. La respiration mesurée dans les mares est similaire à celle mesurée en milieu terrestre mais les flux sont unidirectionnels. Ainsi, les flux en provenance des mares représentent 57-60% du budget annuel de CO2 extrapolé spatialement. Enfin, les tourbières aqualysées représentent une source de carbone dont la magnitude est déterminée par les conditions météorologiques durant la saison de croissance. Une projection du bilan futur de carbone pourra être effectuée à partir de scénarios climatiques issus du Modèle Régional Canadien du Climat (MRCC). ______________________________________________________________________________

Cette étude expérimentale a consisté dans un premier temps en la caractérisation de la réactivité et des propriétés physico-chimiques de microparticules d'opales biogènes appelées phytolithes, pour plusieurs espèces de plantes terrestres provenant de milieux différents. Pour ce faire, une approche combinant plusieurs techniques complémentaires telles que, mesures de solubilité, cinétiques de dissolution, mesures électrophorétiques et titrages acido-basiques, a été menée sur ces phytolithes ce qui a permis de mieux quantifier le cycle biogéochimique du silicium (Si) à travers les plantes terrestres. Dans un second temps et afin de mieux contraindre ce cycle biogéochimique, cette étude a aussi porté sur les interactions de litières de plantes terrestres avec les solutions aqueuses en combinant cette fois des expériences de dégradation de litières dans des réacteurs fermés et dans des réacteurs à circulation. Les résultats démontrent une très forte réactivité des phytolithes et des litières de plantes vis-à-vis du relargage de Si, qui sont au minimum de un à deux ordres de grandeur plus élevés que les minéraux. La quantification du contrôle des phytolithes et des litières de plantes sur le relargage de Si à partir de ces réservoirs solides, démontre la possibilité d'un fort impact des plantes sur le cycle biogéochimique du silicium dans la plupart des environnements terrestres.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

La production primaire (PP) dans l'Océan Austral joue un rôle crucial dans la capacité des océans à absorber le carbon atmosphérique. Elle est caractérisée par une forte limitation en Fer et par un cycle saisonnier très marqué, présentant un bloom planctonique en fin d'hiver, plus ou moins intense selon les régions. Ma thèse est centrée sur la compréhension des mécanismes qui contrôlent ce bloom et sa variabilité, ainsi que sur les éléments, présents et futurs, qui contrôlent son intensité. J'ai abordé le premier aspect (phénologie et mécanismes) en mettant en place une approche mécaniste basée sur une nouvelle configuration du modèle biogéochimique PISCES forcé par un environnement physique 1D idéalisé. Cette méthodologie m'a permis de réconcilier les différentes théories sur la formation des blooms aux hautes-latitudes, d'identifier les spécificités du bloom de l'Océan Austral et de proposer des critères adaptés à sa détection dans les observations. En outre, les résultats de cette étude de modélisation ont été confrontés à ceux issues d'une deuxième approche, basée sur des observations satellitaires, ce qui a permis la localisation géographique des différentes phénologies de bloom que j'ai identifiées dans l'Océan Austral. Pour répondre au deuxième aspect (altération et changements futurs), j'ai également suivi une double approche. J'ai d'abord examiné comment les limitations par la lumière et par le fer se combinent, via la variabilité du cycle saisonnier du mélange vertical, et pilotent ainsi la production primaire dans l'Océan Austral actuel à l'aide de la configuration idéalisée présentée plus haut. Dans un deuxième temps, cette analyse a permis d'aider à l’interprétation des variations de PP observées dans les projections climatiques issues de 8 modèles couplés (CMIP5). L'ensemble de mes résultats permet de mieux comprendre les processus physiques et biologiques qui contrôlent la croissance du phytoplancton dans l'Océan Austral et d'appréhender comment la modification de ces processus peut entraîner des altérations de la PP dans une région clé pour l'évolution future du climat. / Primary production (PP) in the Southern Ocean (SO) plays a crucial role on atmospheric carbon uptake. PP in this ocean is highly iron-limited and presents a marked seasonal cycle. Such a seasonal cycle has a strong productive phase in late winter, called bloom, which distribution and intensity is highly variable. My PhD focus on two specific aspects of the PP in the SO: first, the mechanisms that drive such a bloom and its dynamics and, second, the elements able to control the bloom intensity at present and in the future. The first aspect (bloom phenology and mechanisms) was addressed by setting up a mechanistic approach based on a novel model configuration: a complex biogeochemical model (PISCES) forced by a 1D idealised physical framework. This methodology allowed me to conciliate the different bloom formation theories and to identify the SO bloom specificities. Moreover, I proposed how to use different bloom detection criteria to properly identify bloom from observations. Such criteria were then tested in a complementary observation-based approach (with satellite and in-situ data) to characterise different bloom phenologies and its spatial distribution in the SO. The second aspect (bloom intensity and future change) was also addressed by a twofold approach. First, using the 1D model, I studied how seasonal variability of vertical mixing combine light and Fe limitation to drive PP. Secondly, I used such an analysis to interpret PP trends observed in 8 coupled model climatic projections (CMIP5 models). My PhD thesis results allow for a better understanding of the physical and biological processes controlling phytoplankton growth. My conclusions also suggest how an alteration of these processes by Climate Change may influence PP in the whole SO, a key region for future climate evolution.

A l'interface des échanges sol-plante-atmosphère, la couche supérieure du sol contient la plus grande réserve de carbone organique (Corg) et d'azote (N) potentiellement disponible pour la croissance des plantes, elle joue un rôle fondamental dans la nutrition et l'équilibre de la planète.Dans les sols Tunisiens, une première quantification de N, faisant suite à celle de Corg, nous a permis de mettre en évidence une fragilité des réserves, et la nécessité de managements préservatifs des terres et des pratiques agricoles. Nous nous sommes alors rapprochés des nombreuses études de modélisation des variations de stocks de Corg et N suite à des changements d'usage. Cependant, la majorité des références publiées concernait les évolutions globales à moyen ou plus long terme (de plusieurs années à plusieurs décades) et manquaient de précision sur la prédiction mécaniste des transferts journaliers entre les plantes, les compartiments du sol et l'atmosphère. Selon nous et d'autres auteurs, ces études ne prenaient pas suffisamment en compte le rôle crucial des micro-organismes dans les échanges. Ceci nous a orientés vers le modèle MOMOS centré sur l'écologie fonctionnelle de la biomasse microbienne (BM), avec des paramètres pour sa croissance, sa mortalité, et sa respiration étroitement liés aux conditions climatiques, édaphiques, et culturales.L'objectif était d'étudier à court terme les cycles Corg et N dans les systèmes complexes de production céréalière intensifiés par couplage avec des légumineuses à graines fixatrices d'azote en milieu méditerranéen. Il comportait deux défis : (i) coupler les équations de décomposition avec des modules d'eau du sol, et de production végétale vers un nouvel outil pour l'agro-écologie et le changement global (ii) faire tourner l'ensemble en milieu méditerranéen calcaire, avec des équations proposées et validées en milieu tropical acide.Le dispositif agronomique comportait des associations comparées à des rotations blé dur-féverole en culture biologique sans fertilisation depuis treize ans. Les simulations ont été trouvées en bonne concordance avec les données mesurées et celles de la littérature. Croissances végétales et fonctionnement microbien apparaissent prédits par les mêmes fonctions climatiques et co-limités par la température en hiver et l'humidité en été. Dans les parcelles expérimentales peu fertiles, la plus grande part de Corg photo synthétisé était modélisée comme allouée aux racines et perdue pour les parties aériennes et le rendement des récoltes. Ces pertes étaient simulées vers la respiration de croissance des racines de céréales, probablement pour la recherche des nutriments, et la mortalité des racines de légumineuses alimentant la croissance des décomposeurs et peut-être des symbiotes fixateurs d'azote. Au total, le système de culture associée était modélisé comme un puits de plus 4 Mg Corg ha-1 durant la saison culturale, mais uniquement dans Corg labile d'origine microbienne. Ce compartiment était aussi simulé comme la principale réserve de N potentiellement disponible pour les organismes vivants, très supérieure à celle des micro-organismes, elle-même supérieure à celle de la céréale et égale à celle de la légumineuse. La modélisation des échanges microbiens avec N minéral montrait une immobilisation nette d'azote juste compensée par la fixation symbiotique. Elle a permis de mieux comprendre les flux de Corg et N entre atmosphère, légumineuse, micro-organismes et céréale et de proposer des solutions agronomiques pour l'amélioration des systèmes de culture en association ou rotation. / At the interface of soil-plant-atmosphere exchanges, the top layer of soil contains the largest part of organic carbon (Corg) and nitrogen (N) potentially available for plant growth; this soil layer plays a fundamental role in nutrition and equilibrium of earth.In Tunisians soils, a first quantification of N, following that of Corg, has allowed us to highlight the fragility of the reserves, and the need of conservation managements of lands and improvement of agricultural practices.Many studies of literature data try to model the changes of Corg and N stocks due to land use changes. However, most of the published references concern overall trends at medium or longer term (several years to several decades) and lack of precision in mechanistic prediction of daily transfers between plants, soil compartments and the atmosphere. Conjointly with other authors we think that the published studies do not take sufficient account of the crucial role of microorganisms in the exchange modelling. This directed us to the MOMOS model centered on the functional ecology of microbial biomass (MB), with parameters for growth, mortality and respiration of MB, closely related to climate, soil conditions and the quality of organic inputs.Our objective was to study the Corg and N cycles during a cropping season in complex cereal-legume systems for intensification by symbiotic N fixation in the Mediterranean environment. It included two challenges: (i) to couple the equations of decomposition with a model of soil water and modules of quantitative and qualitative vegetal production toward a new tool for agro-ecology and the global change (ii) to run this tool in Mediterranean calcareous conditions, with equations proposed and validated in tropical acid areas.The agronomic experiment included an intercropping of durum wheat and faba bean compared with pure cropping both managed in organic farming without any fertilizer addition during the last thirteen years. The model predicted ecophysiological parameters in accordance with published references and simulated accurately the measured data. Plant growth and the microbial functioning appear linked to the same climate equations and co-limited by temperature in winter and availability of water in summer. In these unfertile plots, the largest part of Corg photo-synthesized was modelled as allocated to roots and lost for the aerial parts and grain yields. These losses were simulated mainly (i) to increase root respiration of cereal, probably as energy source for root growth in order to find nutrients, and (ii) to increase the mortality of legume roots as energy source for the growth of decomposers and perhaps the growth of symbiotes for fixation of atmospheric N. Overall, the intercropping system was modeled as a sink of over 4 Mg ha-1 of Corg during the growing season, but only in the compartment labile of microbial origin. This compartment was also simulated as the main reserve of N potentially available for living organisms, much higher than N stock of microorganisms, which is itself higher than N stored in the cereal and similar to N stored in the legume. The modeling of microbial exchange with inorganic N showed a net immobilization of N just compensated by the symbiotic fixation. It helped to better understand the flows of Corg and N between atmosphere, legume, microorganisms and cereal, and to propose solutions for improving agricultural cropping systems in combination or rotation.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.