Cette thèse ne contient pas de résumé.

Les matières organiques dissoutes (MOD) constituent un paramètre essentiel de la qualité des milieux aquatiques et du fonctionnement des écosystèmes. La production de MOD dans les sols et leur devenir lors de leur transfert dans les bassins versants ont été étudiés au cours d'expérimentation réalisées à différentes échelles, du microcosme de sol au bassin versant, à l'aide du traçage isotopique des formes stables du carbone (13C). À l'échelle du bassin versant, nous avons mis en évidence le rôle des zones humides dans la formation du carbone organique dissous (COD). Lors d'évènement de crues nous avons néanmoins observé la mobilisation de plusieurs sources de COD pour alimenter les rivières. Au cours d'expérimentations de laboratoire, nous avons démontré que le type d'essence forestière influence le devenir du carbone extractible à l'eau contenu dans les sols. La substitution de forêts natives par des plantations de Douglas diminue les apports de carbone dans le sol et les vitesses de minéralisation du carbone organique du sol lesquelles dépendent aussi de la température. Pourtant, l'évolution du carbone extractible à l'eau des sols de forêt, conditionnée par le type d'essences, ne dépend ni des vitesses de minéralisation du carbone ni de la température. Nous avons donc conclu que dans les horizons de surface des sols forestiers, le COD ne provient pas principalement de la décomposition de la matière organique du sol mais de la végétation par l'intermédiaire des lessivats de litière.

La croissance démographique rapide que connait le continent africain ces dernières décennies ainsi que l'exode rural, tendent de plus en plus à concentrer dans quelques mégapoles (e.g. Abidjan) une grande partie des activités nationales polluantes (transports, industries,...), en plus du développement des activités pétrolières et minières le long des côtes du Golfe de Guinée. De même, les combustions de biofuels sont largement répandues pour les besoins domestiques. Tout ceci contribue à des émissions anthropiques considérables et croissantes d'aérosols de combustion dont les inventaires sont encore très imparfaitement connus sur le continent. L'objectif premier de cette thèse a permis de mettre en évidence et de mieux caractériser les émissions de carbone suie et de carbone organique primaire associées à l'utilisation des véhicules deux roues, un mode essentiel de transport dans certains pays en Afrique de l'Ouest. Par la suite, j'ai développé deux nouveaux inventaires d'émissions de carbone suie et de carbone organique primaire à l'échelle de l'Afrique pour les années 2005 et 2030, afin de réviser et de mettre à jour les données de l'inventaire global de Junker and Liousse (2008) de 2005. Enfin, nous avons simulé les concentrations ambiantes à partir des données de nos nouveaux inventaires 2005 et 2030 à l'aide du modèle global TM5. Ce modèle peut simuler de manière satisfaisante les concentrations en zones rurales, moins bien en zones urbaines. En outre, pour les épaisseurs optiques, le modèle fournit des ordres de grandeur satisfaisants avec un positionnement encore imparfait des maxima en Afrique de l'Ouest et en Afrique Centrale. Pour l'albédo de simple diffusion, nos résultats sont encourageants, sachant que le carbone suie et le carbone organique sont seuls pris en compte dans notre version du modèle global TM5.

Le réservoir Eastmain-1 (est de la Baie de James, Nouveau Québec) a été inondé de novembre 2005 à mai 2006. Il s'étend sur une superficie de 603 km² et possède une profondeur d'eau moyenne de 11,5 m, ce qui lui confère des conditions holomictiques lors des périodes libres de glace. Cette recherche a pour objectif l'étude du cycle du carbone organique et inorganique dissous (COD & CID) suite à la création du réservoir. Pour ce faire, l'analyse élémentaire C/N de la matière organique dissoute et particulaire, ainsi que l'analyse isotopique de tous les composés du carbone -incluant le CO₂ atmosphérique à la surface du réservoir-ont été réalisées, suite à cinq campagnes de terrain menées de Juin 2006 à Juillet 2007. Une relation linéaire négative est observable entre les valeurs δ¹³C-CID et l'inverse de la pression partielle de CO₂ (1/pCO₂), avec une ordonnée à l'origine de -23,7 ± 01,0‰. Cette valeur correspond à la composition isotopique d'un CID en quasi-équilibre avec le CO₂ produit in situ par l'oxydation de la matière organique dissoute (MOD) du réservoir. Les valeurs élevées des ratios C/N de cette MOD indiquent une origine majoritairement terrestre. Le second pôle de cette relation linéaire correspond à des conditions d'équilibre avec le CO₂ atmosphérique ambiant, portant la signature de la forêt boréale avoisinante. Selon les conditions de températures, d'hydraulicité, d'agitation des vents, etc., les pCO₂ et les compositions isotopiques mesurées se dispersent autour de la courbe de mélange, ce qui suggère un système de plus faible inertie en comparaison avec les réservoirs plus âgés et de plus vastes étendues de la région de la Baie de James. Toutefois, la légère tendance temporelle en ¹³C du CID, de 2006 à 2007, pourrait suggérer une évolution vers des conditions plus stables suite aux hauts taux d'oxydation du COD lors de la mise en eau du réservoir. Le réservoir Eastmain-1 (est de la Baie de James, Nouveau Québec) a été inondé de novembre 2005 à mai 2006. Il s'étend sur une superficie de 603 km² et possède une profondeur d'eau moyenne de 11,5 m, ce qui lui confère des conditions holomictiques lors des périodes libres de glace. Cette recherche a pour objectif l'étude du cycle du carbone organique et inorganique dissous (COD & CID) suite à la création du réservoir. Pour ce faire, l'analyse élémentaire C/N de la matière organique dissoute et particulaire, ainsi que l'analyse isotopique de tous les composés du carbone -incluant le CO₂ atmosphérique à la surface du réservoir-ont été réalisées, suite à cinq campagnes de terrain menées de Juin 2006 à Juillet 2007. Une relation linéaire négative est observable entre les valeurs δ¹³C-CID et l'inverse de la pression partielle de CO₂ (1/pCO₂), avec une ordonnée à l'origine de -23,7 ± 01,0‰. Cette valeur correspond à la composition isotopique d'un CID en quasi-équilibre avec le CO₂ produit in situ par l'oxydation de la matière organique dissoute (MOD) du réservoir. Les valeurs élevées des ratios C/N de cette MOD indiquent une origine majoritairement terrestre. Le second pôle de cette relation linéaire correspond à des conditions d'équilibre avec le CO₂ atmosphérique ambiant, portant la signature de la forêt boréale avoisinante. Selon les conditions de températures, d'hydraulicité, d'agitation des vents, etc., les pCO₂ et les compositions isotopiques mesurées se dispersent autour de la courbe de mélange, ce qui suggère un système de plus faible inertie en comparaison avec les réservoirs plus âgés et de plus vastes étendues de la région de la Baie de James. Toutefois, la légère tendance temporelle en ¹³C du CID, de 2006 à 2007, pourrait suggérer une évolution vers des conditions plus stables suite aux hauts taux d'oxydation du COD lors de la mise en eau du réservoir. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : réservoirs hydroélectriques, CO₂, carbone organique dissous, ¹³C, C/N, Baie de James, Québec

Les tourbières boréales stockent une grande quantité de carbone (C) par l'accumulation de la matière organique qui excède sa décomposition. Les changements climatiques anticipés pourraient induire un important retour de ce C dans l'atmosphère. Il est donc nécessaire d'obtenir des estimations précises quant à la distribution et le bilan du C stocké dans les tourbières. La plupart des études quantifiant les stocks de C ont été réalisées à l'échelle régionale en utilisant un nombre restreint de valeurs. Cette étude a permis d'évaluer le bilan de C d'une tourbière de la région d'Eastmain (baie James) en tentant d'éliminer l'incertitude d'un sous échantillonnage par l'utilisation de relevés au géoradar. Le géoradar est un outil de prospection géophysique basé sur la propagation d'ondes électromagnétiques dans le sol et dont la réflexion/diffraction du signal est largement contrôlée par la distribution du contenu en eau. La prospection au géoradar a permis d'obtenir des profils continus des principales unités stratigraphiques d'une tourbière ombrotrophe de 2,2 km2. Pour cette recherche, plus de 10 km de profils géoradar ont été récoltés. L'interprétation et la validité des profils ont été basées sur des données de terrain (e.g. épaisseur manuelle de tourbe, stratigraphie des carottes, tranchée de 10 m, mesures de conductivité électrique, mesures de la profondeur de la nappe phréatique et mesures de permittivité électrique en laboratoire) et des analyses paléostratigraphiques (e.g. perte au feu, macrorestes et description Tröels-Smith). Trois grands changements ont été identifiés sur les profils : (a) le contact organique/minéral, (b) la transition minérotrophe/ombrotrophe et (c) l'accumulation post Petit Âge Glaciaire. Ces résultats ont été interpolés afin de modéliser en 3D les différentes couches stratigraphiques sur l'ensemble de la tourbière et calculer la masse totale de C. L'emploi du géoradar a permis de calculer avec plus de précision le volume total de tourbe et d'appliquer des valeurs distinctes (e.g. densité sèche, teneur en matière organique) à chacune des unités pour le calcul de la masse globale de carbone. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Tourbières boréales, Géoradar, Bilan de carbone, Interpolations, Baie James.

Ce travail de thèse porte sur l’étude des mécanismes et des bilans de transfert des pesticides vers les cours d’eau sur deux bassins versants agricoles emboités, de tailles différentes en Gascogne (Sud Ouest de la France) : la Save à Larra (1110 km2).et le Montoussé (3,28 km2) à Auradé. Dans cette région, les pratiques d’une agriculture intensive conduisent à des risques importants pour les ressources en eau, notamment pendant les périodes de crue. C’est pour cela que nous avons porté une attention particulière dans cette étude à ces événements au cours desquels une grande quantité de contaminants sont transportés par les cours d’eau. Quatorze molécules de pesticides (herbicides et fongicides) largement utilisées sur ces bassins versants ont été étudiées grâce à un échantillonnage intensif, notamment en périodes de crue, durant deux années hydrologiques (2007/2008 et 2008/2009). La majorité des molécules étudiées présentent des concentrations qui dépassent les limites autorisées par l’Union Européenne pour l’eau potable (0.1 μg.L-1 pour chaque molécule et 0.5 μg.L-1 pour l’ensemble des molécules), notamment en périodes de crue. L’analyse des hystérésis mises en évidence sur les relations entre les concentrations (pesticides, MES, COD, POC) et les débits du cours d’eau permet de mieux comprendre les mécanismes de transfert des pesticides et de leurs paramètres de contrôle. Ces hystérésis montrent pour un même débit des concentrations différentes en montée et en descente de crue ; elles peuvent être dextres (sens des aiguilles d’une montre) ou senestres (sens inverse) suivant l’origine des molécules et l’écoulement responsable de leur transfert des sols vers les eaux. C’est pourquoi nous avons procédé dans cette étude à une séparation des différentes composantes (ruissellement superficiel, écoulement hypodermique, écoulement de nappe) de l’écoulement fluvial pour mieux comprendre la dynamique de transferts des pesticides et de leurs paramètres de contrôle. On peut ainsi mettre en évidence des relations positives entre MES, COD, COP ou certaines molécules de pesticides et les débits des écoulements de surface (ruissellement superficiel ou écoulement hypodermique suivant les caractéristiques physico-chimiques des molécules). Les calculs de flux des différents pesticides exportés par les cours d’eau montrent que 60 à 90% (suivant les molécules) des transports annuels se font durant les épisodes de crue. Les flux spécifiques (masse exportée par unité de surface) calculés sont plus importants sur le bassin versant de la Save que sur celui du Montoussé et les relations flux spécifiques-débits mettent en évidence des concentrations plus élévées sur la Save où l’utilisation des pesticides est globalement plus importante que sur le Montoussé où les pratiques sont raisonnées. L’analyse des pesticides dans l’eau filtrée et non filtrée nous a permis d’estimer la distribution de chaque molécule entre les phases particulaires et dissoutes (Kd). De plus, les valeurs de flux calculés pour chaque crue nous ont permis d’estimer un Kd moyen pour chaque molécule. Ces valeurs de Kd présentent une très bonne relation avec les valeurs de Kow (coefficient de partage octanol-eau) extraites de la littérature. De même, les pourcentages calculés de chaque pesticide exporté sous forme particulaire sont aussi très bien corrélés au Kow de chaque molécule. / The mechanisms of pesticides transport to stream flow were studied in two agricultural nested catchments of different size in Gascogne region (South West of France): the Save river basin at Larra (1110 km2) and the Montoussé experimental watershed at Auradé (3.28 km2). The intensive agricultural practices used in this region lead to an important risk for water resources by pesticides, especially during storm events. This is why we have paid special attention on storm events when a large quantity of contaminant was transported during hydrological periods. Fourteen molecules of pesticides (herbicides and fungicides) were investigated during the study period. Both of these groups are widely used for agricultural purposed in these catchments. The results achieved over the two years monitoring (2007-2009) enable us to emphasize the principal processes, implied in pesticide transfer on these agricultural catchments. The majority of compounds are detected during storm runoff events. And, the average concentrations of some pesticides are exceeded at the authorization limit of the European Union for pesticide concentrations in drinking water (0.1 µg.L-1 for individual pesticides and 0.5 µg.L-1 for total pesticides). To better understand the mechanisms of pesticide transport hysteresis, patterns on the concentration-discharge relationship (result of different concentration of pesticides in rising and falling limb of storm) were studied. However, clockwise or anticlockwise hysteresis patterns could be observed for some molecules of pesticide and their controlling factors such as dissolved organic carbon (DOC), particulate organic carbon (POC) and total suspended matters (TSM) according to their transfer dynamic in the catchment. We proceeded with hydrograph separation of the main stormflow components (surface runoff, subsurface flow and groundwater) so that the main pesticide routing could be traced for its soil-river transfers. We also came to the conclusion that there is a positive relationship between riverine TSM, DOC and pesticide, concentrations and the discharges of surface or subsurface runoffs according to pesticide properties. Pesticide flux calculation shows between 60 to 90% of the molecule transport takes place during storm periods. Specific flux calculation also demonstrated the higher flux value in Save catchment than in Aurade with higher pesticide concentration for a given specific discharge. The latter result may be due to the more consumption of pesticide in Save catchment. The analyses of pesticides both in filtered and unfiltered water enabled us to estimate the distribution of pesticides into particulate and dissolved phases. Moreover, the pesticide flux values allow calculating average partition coefficients kd between dissolved and particulate fractions which present good relationship with Kow values (octanol-water) extracted from literature. The percentage of each pesticide transported as particulate forms is also well correlated to Kow.

La contribution, dans le cycle supergène, du carbone organique fossile (COF), issu de l’érosion des roches sédimentaires, est aujourd’hui une inconnue majeure du cycle du carbone. Le présent travail, initié dans le cadre du GIS Draix "étude de l'érosion en montagne », s'est intéressé au devenir de la matière organique contenue dans les "terres noires" (marnes jurassiques) des bassins versants de Draix (Alpes de haute Provence, France). Ceci a nécessité : - la mise en évidence de la contribution de COF au sein des compartiments supergènes (sols, particules fluviatiles, altérites) à travers une approche pluri-analytique (investigations géochimiques, optiques, isotopiques). - l’estimation de la part de COF disparue lors de son transfert d’un compartiment à un autre obtenue grâce au développement d’une nouvelle méthode analytique (palynofacies quantitatif) et en couplant approches terrain et expérimentale. - l’estimation et la modélisation des flux de COF libérés par les altérations mécaniques et chimiques des terres noires à l’échelle des bassins étudiés. Les résultats obtenus permettent : - 1) de confirmer la résistance du COF, dont les pertes n’excèdent pas 30 % et ne concernent que la part libérée par l’altération chimique; - 2) de rappeler la pluralité du COF, dont les familles réagissent différemment face aux différents types d’altérations ; - 3) de hiérarchiser les facteurs contrôlant les flux de COF (couvert végétal, pentes, précipitations) ; - 4) de mettre en évidence l’importance du COF libéré, exprimé en t/ha/an, par les « terres noires » aux échelles locales et régionales. / Initiated within the framework of GIS Draix « mountains erosion study), this work relates to the debate on the fossil organic carbon (FOC) input in modern environments and its possible implications for the carbon cycle. It focuses on the fate of FOC released by of jurassic marls weathering occuring in Draix watersheds (Alpes de haute Provence, France). Such work needed to : - confirm FOC occurrence both in weathered rocks, soils and riverine particles (multi-analytical approach); - quantify FOC losses during pools transitions by using a new analytical method (quantitative palynofacies) and combining field and experimental investigations; - estimate and model FOC fluxes released both by chemical and mechanical weathering in the studied watersheds. Obtained results permit us to : - point out FOC resistance to weathering processes. FOC losses only occur during chemical one and do not exceed 30 %. - highlight fossil organic matter plurality composed with labile and refractory components ; - hierarchize fluxes controlling factors such as vegetal cover, slope,and precipitations ; - emphasize FOC fluxes importance, expressed in t/ha/y, released by jurassic marls weathering at local and regional scales.

Les particules atmosphériques appelées aérosols jouent un rôle potentiellement important sur le bilan radiatif terrestre et sur celui des photo-oxydants comme l'ozone troposphérique. Lorsque leurs tailles est inférieures à 2,5µm, ils peuvent présenter un danger pour la santé publique. La connaissance de la composition physico-chimique de ces aérosols est encore très insuffisante en ce qui concerne sa composante organique, appelée MOP (Matière Organique Particulaire). De même, les mécanismes de formation de la MOP demeurent encore mal connus. Ce travail s'inscrit donc dans la problématique générale d'une meilleure connaissance de la composante organique de l'aérosol.<br /> <br />Dans le cadre du programme PO.V.A. (POllution des Vallées Alpines), articulé autour de la réouverture du tunnel sous le Mont Blanc et dont les principaux objectifs sont de mieux appréhender les phénomènes de pollution atmosphérique et les mécanismes dispersifs propres aux systèmes montagneux, des aérosols ont été collectés dans les vallées de Chamonix et de Maurienne au cours de deux campagnes intensives de mesures. Elles se sont déroulées au cours de l'été 2000 et de l'hiver 2001. <br /><br />Après la présentation des problématiques (chapitre I) et des méthodes utilisées (chapitre II), les résultats de deux types d'analyse sont présentés (chapitre III). Le premier type se focalise sur une classe de composés : Les Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP). L'intérêt de l'étude des HAP est double. D'une part ils sont, pour la plupart, considérés comme cancérogènes et mutagènes. D'autre part, ils sont émis quasi exclusivement par les combustions (dérivés du pétrole et biomasse) et leur étude permet de mieux appréhender les influences relatives des différentes sources anthropiques. Le second type d'analyses, plus exploratoire, consiste à réaliser une spéciation quantitative, la plus exhaustive possible, de la fraction organique et d'établir des relations entre la composition chimique, les sources, les saisons et les paramètres météorologiques. Des composés comme le guaiacol, la vanillin, le syringol (...) (émis par les feux de bois) ou comme la nopinone (composé secondaire) ont ainsi pu être quantifiés.<br />Les résultats obtenus ont permis de mettre en évidence :<br />- un apport anthropique important dans les deux vallées, pour les deux saisons et plus particulièrement en hiver où des concentrations en HAP très élevées et représentatives de grands centres urbains ont été observées (maximum 150 ng.m-3) ;<br />- des niveaux de concentrations en composés anthropiques primaires systématiquement plus importants dans la vallée de Chamonix, malgré l'absence du trafic des poids lourds;<br />- l'influence des conditions météorologiques et de la géomorphologie des vallées dans la dispersion des polluants ; <br />- une contribution très marquée des combustions de bois (chauffage domestique) dans la vallée de Chamonix l'hiver.<br /><br />La spéciation quantitative de la MOP (chapitre III) a permis de déterminer globalement entre 10 et 74% du carbone organique. La fraction identifiée dépend de la saison considérée et est plus élevée l'hiver (34-74%) lorsque l'apport des sources primaires anthropiques est prépondérant. Cette variabilité saisonnière a mis en évidence les lacunes du protocole analytique utilisé, qui ne permet pas de quantifier la plupart des composés oxygénés polyfonctionnels et donc les composés constitutifs l'aérosol organique secondaire. Une méthode alternative de prélèvement et d'analyse de ces composés a été développée (Chapitre IV).

Human activities may have, through land use and management changes, an impact on the large amounts of carbon sequestered in soils. Increasingly, inventories of Soil Organic Carbon (SOC) stocks are requested at the regional/national level for countries involved in the Kyoto Protocol and as input in biogeochemical models. However, SOC is characterised by a high spatial variability and a slow temporal dynamic, which reduce our ability to detect and explain SOC stock changes. At the regional scale, local (e.g. land use, topography) and global (e.g. climate) driving factors interact in a complex way and are likely to generate high uncertainties. This thesis represents an effort in assessing and detecting SOC stocks and SOC stock changes at the regional scale. Specifically, our objective was to explore two possible strategies to cope with spatial variability: (i) increase the sampling density using a fast analytical technique (reflectance spectroscopy) and (ii) use information on land use change history to decrease spatial variability in landscape units. In the first part of the thesis, we investigate the capabilities of laboratory, portable and imaging spectroscopy to determine SOC concentrations in croplands. It is shown that laboratory and portable spectroscopy can reach accuracy levels comparable to a standard analytical method (Walkley & Black). Imaging spectroscopy, even with somewhat lower performance, can enhance the estimation of mean SOC stocks by providing a very large sampling density. Outside of the controlled environment of a laboratory, portable and imaging spectroscopy fail to demonstrate reasonable calibration stability over a range of soil types and surface conditions. In the second part of the thesis, we found after re-sampling a soil database collected in 1950-1960 that land use change history has a significant impact on SOC dynamic in forest. Building on this, a bookkeeping model based on historical land use maps (1868-2005) and SOC response curves was developed to assess the temporal evolution SOC stocks. A small carbon sink was observed in the study area due to the reclamation of heathland and the establishment of coniferous plantations.

Les réseaux trophiques jouent un rôle primordial dans la régulation des flux de matière et d'énergie au sein des écosystèmes. Dans le cadre des pratiques de recharge artificielle des aquifères, les biocénoses souterraines sont pleinement sollicitées et leur capacité à dégrader les flux de matière organique de surface conditionne le maintien de la qualité des eaux souterraines. L'objectif de ce travail est de déterminer l'influence d'une augmentation des flux de carbone organique dissous sur l'intensité des interactions trophiques entre les communautés microbiennes et les assemblages d'invertébrés au toit des nappes phréatiques rechargées artificiellement avec des eaux de ruissellement pluvial. A travers une approche expérimentale de terrain et de laboratoire, ce travail permet d'évaluer l'intensité des relations existant entre les flux de carbone organique dissous, les conditions environnementales, l'activité et la diversité de communautés microbiennes et l'abondance des communautés d'invertébrés.