Dans un environnement fluctuant, le fonctionnement de l'écosystème prairial est régulé par la diversité des espèces végétales et leur dynamiqie propre. Comprendre les mécanismes fins par lesquels opère cette régulation et pouvoir simuler en retour le fonctionnement de l'écosystème sont des enjeux majeurs en agriculture (valorisation de la ressource fourragère) et en écologie ( gestion de la biodiversité). Dans ce cadre d'étude, nous avons développé, utilisé et évalué un modèle écophysiologique de diversité prairiale (GEMINI), qui simule de manière mécaniste la réponse des plantes à des contraintes climatiques et de gestion, et la dynamique des interactions entre les différentes espèces. Un dispositif expérimental situé à Theix a permis de paramétrer ce modèle grâce aux traits fonctionnels et de l'évaluer sur 13 espèces de graminées en culture pure et en mélange de six espèces, et sous deux conditions de fréquence de coupe et deux niveaux de fertilisation azotée. Nous avons montré que la complexité du modèle était nécessaire et suffisante pour prédire correctement la réponse individuelle de ces espèces dans ces différentes conditions. L'utilisation de ce modèle a également permis d'avancer les connaissances sur les différences de statégies végétales utilisées par les plantes pour les mécanismes d'acquisition et d'utilisation de l'azote minérale et d'acquisition du carbone atmosphérique pour la photosynthèse. Pour ces différents mécanismes nous avons montré des lois de compromis entre les différentes fonctions d'une plante et des lois de coordination entre les flux de carbone et d'azote au sein d'une plante. Grâce au modèle, nous avons montré que ces deux types de lois étaient essentiels pour le fonctionnement et la plasticité d'une plante.

Les bassins d’infiltration font partie intégrante des techniques alternatives de gestion des eaux pluviales en milieu urbain. Néanmoins, la potentialité de transfert de polluants vers la nappe est accrue en cas d’écoulements préférentiels dans les sols sous-jacents. Une bonne compréhension du couplage entre processus d’écoulements préférentiels en zone vadose et mécanismes géochimiques est requise. Cette thèse s’inscrit dans le cadre du suivi d’un bassin d’infiltration depuis plusieurs dizaines d’années de fonctionnement. Le site d’étude est situé sur le dépôt fluvioglaciaire hétérogène couvrant une grande partie de la région lyonnaise. Des auscultations sur une fosse sous le bassin (section 13.5m*2.5m) ont mis en évidence une régionalisation particulière de la pollution dans le sol. Cette étude s’appuie sur une étude numérique visant à identifier l’origine de la régionalisation des polluants et à la relier aux écoulements préférentiels résultant des hétérogénéités lithologiques. En amont de l’étude numérique, les lithofaciès sont complètement caractérisés aux regards de leurs propriétés hydrodynamiques, hydrodispersives et géochimiques. La modélisation numérique permet de souligner l’établissement de cheminements préférentiels en lien avec le contraste de propriétés hydrodynamiques, notamment lorsque de faibles débits sont appliqués en surface. Le rôle de chaque lithofaciès et de l’architecture du dépôt (stratification et inclusions) est clairement identifié. Les répercussions de tels écoulements sur les transferts non réactifs sont ensuite investiguées en combinant l’influence des écoulements préférentiels et le fractionnement de l’eau en fractions mobile et immobile résultant de l’hétérogénéité intrinsèque au sein de chaque lithofaciès. Enfin, ces processus physiques sont couplés à la réactivité géochimique pour le cas d’un polluant modèle (le cuivre) en prenant en compte la réactivité différentielle des lithofaciès. Ces résultats permettent de générer un modèle conceptuel d’écoulements préférentiels et de transfert de masse en milieu fortement hétérogène. / An infiltration basin is a stormwater best management practice (BMP) designed to infiltrate runoff volumes in urban areas. Nevertheless, preferential flow paths in the underlying soil may cause rapid migration of pollutants, thus contributing to groundwater contamination. Understanding the coupling between preferential flow processes in the vadose zone and geochemical mechanisms is then required. This thesis is a part of the follow-up of an infiltration basin for several decades of exploitation. The study site was settled over a highly heterogeneous glaciofluvial deposit covering much of the Lyon region. The investigation of an excavated section of the basin (13.5m long and 2.5m deep) pointed out a specific regionalization of pollution in the soil. This research is based on a numerical study to identify the origin of such a pollutant pattern and link this with preferential flow resulting from lithological heterogeneities. Different lithofacies were fully characterized regarding their hydraulic, hydrodispersive and geochemical properties. The numerical study proves that the high contrast in hydraulic properties triggers the establishment of preferential flow (capillary barriers and funneled flow). Preferential flow develops mainly for low initial water contents and low fluxes imposed at surface. The role of each lithofacies and architecture of deposit (stratification and inclusions) is clearly identified. The impact of such flows on non-reactive transfers is then investigated by combining the influence of preferential flow and pore water fractionation info into mobile and immobile fractions, resulting from the intrinsic heterogeneity within each lithofacies. Finally, these physical processes are coupled to the geochemical reactivity for a pollutant model (copper), taking into account the differential reactivity of lithofacies. These results generate a conceptual model of preferential flow and mass transfer in strongly heterogeneous media.

Depuis plus d’un siècle, les changements globaux sont à l’origine de profondes modifications de nos sociétés, nos modes de vie et il en va bien sûr de même pour notre environnement. Cette trajectoire empruntée, bon gré mal gré, par l’ensemble de l’humanité n’est pas sans conséquences pour les systèmes naturels et semble déjà mener les générations futures au-devant de grands défis. Afin de ne pas compromettre notre capacité à relever ces épreuves futures et, devant l’urgence du besoin d’action, une partie de la communauté scientifique a choisi de concentrer ses efforts sur la couche superficielle de notre planète qui soutient la vie terrestre : la Zone Critique. L’émergence de ce concept souligne la nécessité de développer des approches scientifiques pluridisciplinaires intégrant une large variété d’échelles de temps et d’espace. En tant que lien entre les différents compartiments de la Zone Critique (Atmosphère, Biosphère, Hydrosphère, Lithosphère et Pédosphère), l’eau est une molécule essentielle aux échanges d’énergie et de matière dont la dynamique requiert une attention particulière. Compte tenu de la diversité et de la variabilité spatiotemporelle des transferts d’eau et de matière dissoute dans les milieux aquatiques, de nouvelles méthodes d'investigations sont nécessaires. L'objectif général de cette thèse est de décrire l’intérêt et le potentiel qui résident dans l’utilisation des gaz dissous, en particulier lorsqu’ils sont mesurés à haute fréquence sur le terrain, afin de caractériser la dynamique hydrobiogéochimique des eaux naturelles de la Zone Critique à différentes échelles spatiales et temporelles. Pour parfaire cette ambition, ce travail s’est tout d’abord attaché au développement d'une instrumentation innovante puis, à la mise en place de nouveaux traceurs intégrés dans des dispositifs expérimentaux originaux et enfin, à l'acquisition, au traitement et à l'analyse de différents jeux de données de gaz dissous en se focalisant sur les eaux souterraines. / For more than a century, global change has led to a profound modification of our societies, our lifestyles and, of course, our environment. This trajectory followed willy-nilly by all mankind has consequences for natural systems and already seems to lead the future generations ahead of serious challenges. In order not to compromise our ability to meet these future ordeals, and because of the urgent need for action, part of the scientific community has chosen to concentrate on the near-surface environment that supports terrestrial life: the Critical Zone. The emergence of this concept underlines the need to develop multidisciplinary scientific approaches integrating a wide variety of temporal and spatial scales. As the link between the different compartments of the Critical Zone (Atmosphere, Biosphere, Hydrosphere, Lithosphere and Pedosphere), water is an essential molecule controlling the exchanges of energy and matter whose dynamics require special attention. In view of the diversity and spatiotemporal variability of water and matter transfers arising in aquatic environments, new methods of investigation are needed. The general objective of this thesis is to describe the interest and the potential lying in the use of dissolved gases, especially when they are measured at high frequency in the field, in order to characterise the hydrobiogeochemical dynamics of the natural waters of the Critical Zone at different spatial and temporal scales. To perfect this ambition, this work focused first on the development of an innovative instrumentation, then, on the implementation of novel tracers integrated into original experimental setups and finally, on the acquisition, processing and analysis of different dissolved gas datasets focusing on groundwater.

(Résumé de la thèse) Ayant constaté l’échec de ses Objectifs 2010 pour la biodiversité, dont, entre autres, l’incapacité de l’Empreinte écologique à rendre compte de la biodiversité, la Convention sur la Diversité Biologique a adopté en 2011 "Les objectifs d’Aichi (2011-2020) pour la biodiversité". Parmi ceux-ci les objectifs 1 et 2 concernent la prise de conscience des valeurs de la biodiversité, leur intégration dans les processus de planification nationaux et locaux de développement, et leur incorporation dans les comptabilités nationales. Ce en quoi ces objectifs de la CDB convergent désormais avec ceux des Nations Unies concernant le Système de Comptabilité Economique et Environnementale (SCEE). La présente thèse s’inscrit dans ce cadre de questionnement unifié. Elle a le double objectif : (a) de rechercher, fonder et mettre au point une unité de mesure biophysique de la diversité biologique caractérisant tout aussi bien l’ordre naturel que le désordre anthropogénique, et (b) d’incorporer celle-ci dans un nouveau système de comptabilité physique, le Bilan écologique. Celui-ci est susceptible de comparer, à toutes échelles territoriales, le Passif écologique des collectivités urbaines, vu comme le reflet biophysique de leur comptabilité monétaire, à l’Actif écologique de leurs espaces naturels, afin de révéler les relations de cause à effet, et de signifier les impacts cumulés de la perturbation anthropogénique sur l’Ecosphère et la Biosphère. Il aurait ainsi vocation, à terme, à nous permettre de caractériser les voies d’un développement véritablement écologique des territoires. / (Abstract of the thesis) Having noted the failure of its 2010 targets for biodiversity, including, among others, the inability of the Ecological Footprint to account for biodiversity, the Convention on Biological Diversity adopted in 2011 "The 2011-2020 Aichi Targets for biodiversity". Among these, objectives 1 and 2 concern awareness of the values of biodiversity, their integration into national and local development planning process, and their incorporation into national accounts. This how these objectives of the CBD converge now with those of the United Nations for the System of Environmental-Economic Accounting (SEEA). This thesis lie within this unified questioning framework. It has the double purpose : (a) of searching for, founding and developing a biophysical measurement unit of biodiversity, characterizing just as well the natural order as the anthropogenic disorder, and (b) to incorporate it into a new physical accounting system, the Ecological balance sheet. The latter is likely to compare, for all territorial scales, the Ecological liability of urban communities, seen as the biophysical reflection of their monetary accounting, to the Ecological asset of their natural spaces, in order to reveal the relationships of cause and effect, and to signify the cumulative impacts of anthropogenic disturbance on the Ecosphere and the Biosphere. In the end, it would have so vocation to enable us to characterize the ways of a truly ecological development of the territories.