Les exploitations mixtes d'agriculture-élevage sont le pilier des systèmes agricoles des pays en développement. Dans les hauts plateaux de Madagascar, les exploitations familiales d'agriculture-élevage sont basées sur l'association riz et élevage bovin. Les bovins ont un rôle central dans l'économie et la reconnaissance sociale de ces exploitations malgaches. Cependant ces exploitations sont souvent confrontées à des problèmes de faibles productivités liés à la dégradation de la fertilité des sols et à un accès limité aux intrants. Dans ce contexte, les exploitants doivent gérer les ressources végétales pour trouver un compromis entre alimentation humaine, alimentation animale et retours aux sols. Certaines pratiques de gestion des biomasses peuvent aggraver les phénomènes de dégradation de la fertilité des sols et remettre alors en cause la durabilité des exploitations. L'objectif de cette thèse est de montrer que la diversité des pratiques de gestion des biomasses au sein des exploitations familiales d'agriculture-élevage des hauts plateaux de Madagascar conditionne la durabilité des systèmes en termes de fertilité des sols, de recyclage des éléments nutritifs, de revenus et de sécurité alimentaire. Pour cela, il a été nécessaire de : i) caractériser au préalable la diversité des exploitations familiales d'agriculture-élevage du Vakinankaratra et de comprendre le fonctionnement de ces exploitations mixtes ; ii) étudier les effets des pratiques de gestion des parcelles sur la variabilité de la fertilité des sols des exploitations ; iii) évaluer la durabilité des exploitations d'agriculture-élevage et tester l'impact d'améliorations des pratiques d'alimentation animale, de gestion des effluents et de fertilisation sur la durabilité des exploitation. Quatre exploitations d'agriculture-élevage du Vakinankaratra, sélectionnées à dires d'experts, ont été enquêtées par immersion. Une étude typologique des exploitations d'agriculture-élevage du Vakinankaratra a été effectuée. Des prélèvements de sol ont été effectués pour l'ensemble des parcelles des quatre exploitations d'agriculture-élevage étudiées. Un outil de calcul des flux d'azote au sein des exploitations a été élaboré, puis a été associé aux matrices du Network Analysis afin de générer des indicateurs environnementaux, sociaux et économiques. Cet outil a été utilisé pour simuler les options d'améliorations des pratiques d'alimentation animale, de gestion des effluents et de fertilisation.L'étude typologique a identifié six types d'exploitations d'agriculture-élevage au Vakinankaratra. L'étude du fonctionnement des exploitations sélectionnées a mis en évidence d'une grande diversité des pratiques d'alimentation des animaux, de gestion des effluents d'élevage et de fertilisation. Une hétérogénéité de la fertilité des sols induite par les pratiques de gestion des parcelles a été révélée. Pour les quatre exploitations étudiées, l'amélioration des pratiques d'alimentation du troupeau bovin laitier associée à l'amélioration des pratiques de gestion des effluents d'élevage a permis d'améliorer la durabilité environnementale (efficience azotée globale, recyclage de l'azote, bilan azoté du sol), économique (marge brute agricole) et sociale (autosuffisance alimentaire).Ce travail a permis de caractériser la diversité des exploitations d'agriculture-élevage du Vakinankaratra, la diversité des pratiques et leurs effets sur la fertilité du/des sol. Cette étude s'est avérée être une approche intéressante pour évaluer des options d'amélioration de la durabilité des exploitations d'agriculture-élevage dans un contexte peu documenté. / Mixed crop-livestock systems constitute the backbone of agriculture in developing countries. In highlands of Madagascar, crop–livestock systems are based on rice and cattle. Cattle play a major role in the economy and the social recognition of these smallholder farms. Smallholder farms used to face with low crop productivity related to soil fertility degradation and to low access to inputs. In this context, smallholders have to manage plant resources in order to find a trade-off between food, feed and soil returns. Some biomass management may increase soil fertility degradation and then compromise farms sustainability.The objective of this thesis is to show that the diversity of biomass management on smallholder crop–livestock systems of highlands of Madagascar determines the sustainability of farming systems in terms of soil fertility, nutrients recycling, incomes and food security. For this, it was necessary to: i) characterize the diversity of crop-livestock systems in the region of Vakinankaratra and understand how smallholder farms are managed; ii) study the effects of soil management on the soil variability; iii) assess the farms sustainability and explore improvements of feeding, manure management and fertilization.Four crop-livestock farms of the Vakinankaratra (selected with local experts) were surveyed using participant observation methodology. A typology of crop-livestock farms was performed. Topsoil samples were collected in all plots of the four cases studies. A nitrogen flows calculating tool was developed and has been associated with Network Analysis matrices to generate environmental, social and economic indicators. This tool was used to simulate improvements in feeding, manure management and fertilization.The typology identified six farm types of crop-livestock systems in the Vakinankaratra. The farms study revealed a great diversity of animal feeding practices, manure management and fertilization. Heterogeneity of soil fertility induced by farmer management was shown. For the four case studies, improved feeding practices on dairy combined with improved manure management have increased environmental (farm nitrogen efficiency, nitrogen recycling, soil nitrogen balance), economic (agricultural gross margin) and social (food self-sufficiency) sustainability.This study characterized the diversity of crop-livestock farms of the Vakinankaratra, the diversity of practices and their effects on soil fertility. It proved to be an interesting approach to explore options for improving sustainability of crop-livestock farms in context of data scarcity.

Les forêts tropicales constituent le principal réservoir de biodiversité et de carbone (C). Cependant, la plupart des forêts tropicales, en particulier les forêts de Bornéo en Asie du Sud-Est, subissent une pression intense et sont menacées par des activités anthropiques telles que l'exploitation forestière, l'industrie minière l’agriculture et la conversion en plantations industrielles. En 2010, la superficie des forêts de production de Bornéo était de 26,8 millions d’ha (environ 36% de la superficie totale de l’île, dont 18 millions ha (environ 24%) déjà exploités. Par conséquent, les forêts de production occupent donc une place importante à Bornéo et jouent un rôle essentiel dans la compensation des biens fournis et la maintenance des services écosystémiques, tels que la conservation du C et de la biodiversité.L’exploitation sélective réduit la biomasse aérienne et souterraine par l’élimination de quelques grands arbres, et augmente les stocks de bois mort par des dommages collatéraux. En créant des trouées dans la canopée, le microclimat dans les sous-étages et au sol change localement et accélèrent la décomposition de la litière et de la matière organique. L'importance des dégâts, de l'ouverture de la canopée et de la rapidité du rétablissement du C s'est avéré principalement liée à l'intensité de l'exploitation forestière. Cependant, les évaluations empiriques de l'effet à long terme de l'intensité de l'exploitation forestière sur l'équilibre du C dans les forêts de production restent rares.La présente thèse se concentre principalement sur l'évaluation de l'effet à long terme de l'intensité de l'exploitation forestière sur la séquestration de carbone dans une forêt à Diptérocarpées de Nord Bornéo (District de Malinau, Kalimantan Nord) exploitée en 1999/2000. Cinq principaux réservoirs de C, à savoir le C aérien dans les arbres vivants (AGC), le C souterrain dans les arbres vivants (BGC), le bois mort, la litière et le C organique du sol (SOC) ont été estimés le long d’un gradient d'intensité d'exploitation (0-57% de la biomasse perdue).Nos résultats ont montré que les stocks totaux de C, 16 ans après l'exploitation, variaient de 218 à 554 Mg C ha-1 avec une moyenne de 314 Mg C ha-1. Une différence de 95 Mg C ha-1 a été observée entre une faible intensité d'exploitation forestière (<2,1% de la biomasse initiale perdue) et une intensité d'exploitation élevée (>19%). La plus grande partie du C (environ 77%) était présente dans les arbres vivants, suivie par les stocks du sol (15%), les stocks de bois mort (6%) et une fraction mineure des stocks de litière (1%). L'empreinte de l'intensité de l'exploitation forestière était encore détectable 16 ans après l'exploitation et a été le principal facteur expliquant la réduction des AGC>20, BGC>20, du bois mort et des stocks de C et une augmentation du bois mort. L'intensité de l'exploitation expliquait à elle seule 61%, 63%, 38% et 48% des variations des AGC>20, BGC>20, du bois mort et des stocks de C totaux, respectivement. L'intensité de l'abattage a également réduit considérablement les stocks de SOC dans la couche supérieure de 30 cm. Pour l'ensemble des stocks de SOC (0-100 cm), l'influence de l'intensité de l'exploitation était encore perceptible, en conjonction avec d'autres variables.Nos résultats quantifient l'effet à long terme de l'exploitation forestière sur les stocks de C forestier, en particulier sur les AGC et les bois morts. L'intensité élevée de l'exploitation forestière (réduction de 50% de la biomasse initiale) a réduit les stocks totaux de C de 27%. La récupération de l'AGC était plus faible dans les parcelles d'intensité d'exploitation forestière élevée, ce qui suggère une résilience plus faible de la forêt à l'exploitation forestière. Par conséquent, une intensité d'exploitation forestière inférieure à 20%, devrait être envisagé afin de limiter l'effet à long terme sur les AGC et le bois mort. / Tropical forests are a major reservoir of biodiversity and carbon (C), playing a pivotal role in global ecosystem function and climate regulation. However, most of the tropical forests, especially Bornean forests in Southeast Asia, are under intense pressure and threatened by anthropogenic activities such as logging, mining industry, agriculture and conversion to industrial plantation. In 2010, the area of production forests in Borneo was 26.8 million ha (approx. 36% of the total land area of Borneo) including 18 million ha (approx. 24%) of logged forests. Production forests are thus emerging as a dominant land-use, playing a crucial role in trading-off provision of goods and maintenance of ecosystem services, such as C and biodiversity retention.Selective logging is known to reduce both above- and below-ground biomass through the removal of a few large trees, while increasing deadwood stocks through collateral damages. By creating large gaps in the canopy, microclimates in the understory and on the forest floor change locally speeding up the decomposition of litter and organic matter. The extent of incidental damages, canopy openness, as well as the speed of C recovery, was shown to be primarily related to logging intensity. However, empirical evaluations of the long-term effect of logging intensity on C balance in production forests remain rare.The present thesis aims to assess the long-term effect of logging intensity on C sequestration in a north Bornean Dipterocarp forests (Malinau District, North Kalimantan) logged in 1999/2000. Five main C pools, namely above-ground (AGC) and below-ground (BGC) carbon in living trees, deadwood, litter, and soil organic carbon (SOC) were estimated along a logging intensity gradient (ranging from 0 to 57% of initial biomass removed).Our result showed that total C stocks 16 years after logging, ranged from 218-554 Mg C ha-1 with an average of 314 Mg C ha-1. A difference of 95 Mg C ha-1 was found between low logging intensity (<2.1% of initial biomass lost) and high logging intensity (>19%). Most C (approx. 77%) was found in living trees, followed by soil (15%), deadwood (6%), and a minor fraction in litter (1%). The imprint of logging intensity was still detectable 16 years after logging, and logging intensity thus was the main driver explaining the reduction of AGC>20, BGC>20, deadwood, and total C stocks and an increase in deadwood. Solely, logging intensity explained 61%, 63%, 38%, and 48% of variations of AGC>20, BGC>20, deadwood, and total C stocks, respectively. Logging intensity also significantly reduced SOC stocks in the upper 30 cm layer. For total SOC stocks (0-100 cm), the negative influence of logging intensity was still perceptible, being significant in conjunction with other variables.Our results quantify the long-term effect of logging on forest C stocks, especially on AGC and deadwood. High logging intensity (50% reduction of initial biomass) reduced total C stocks by 27%. AGC recovery was lower in high logging intensity plots, suggesting lowered forest resilience to logging. Our study showed that maintaining logging intensity, below 20% of the initial biomass, limit the long-term effect of logging on AGC and deadwood stocks.

Ce travail s'inscrit dans le cadre du projet SIMED fédérant les activités de modélisation à l'échelle méditerranéenne, et plus globalement dans le programme MERMEX qui vise à étudier les cycles biogéochimiques en mer Méditerranée et leurs évolutions futures. L'étape préliminaire a été de coupler la plateforme de modélisation hydrodynamique (NEMO) à celle de modélisation biogéochimique mécaniste (Eco3M), afin de réaliser une simulation (2000-2012) utilisant les sorties hydrodynamiques de la configuration NEMO-MED12 pour forcer le modèle biogéochimique Eco3M-MED. Les nombreuses comparaisons menées dans cette thèse (chlorophylle, sels nutritifs, production primaire, etc.) ont aidé à s'assurer de la capacité du modèle à reproduire les principales caractéristiques biogéochimiques de la Méditerranée. Ce travail a permis de généraliser le rôle majeur joué par le carbone organique dissous dans la pompe biologique à l'échelle de la mer Méditerranée. Les résultats montrent que la production de carbone organique particulaire est restreinte aux régions de forte dynamique physique, tandis que l'accumulation de carbone organique dissous dans les eaux de surface est commune à la plupart des régions du bassin. Ce dernier processus s'est avéré dépendant des contenus cellulaires du phytoplancton et des bactéries hétérotrophes. Finalement d'après le modèle, la fraction dissoute du carbone organique contribuerait à hauteur d'environ 64 % à l'exportation dans le bassin Ouest, et de 90 % dans le bassin Est. Le bassin Est -en dépit de sa plus forte oligotrophie- s'avère participer à près de 60 % à l'exportation de carbone organique en mer Méditerranée. / This work is part of the SIMED project which is dedicated to basin-scale modeling of the Mediterranean Sea. It also belongs to the MERMEX program which aims at studying biogeochemical cycles in the Mediterranean Sea and their evolution. The first step of this work was to couple the hydrodynamic modeling platform (NEMO) to the mechanistic biogeochemical modeling platform (Eco3M). We ran a simulation (2000-2012) using the hydrodynamic outputs from NEMO-MED12 configuration to force the biogeochamical model Eco3M-MED. The model evaluation was conducted using numerous field measurements (chlorophyll, nutrients, primary production, etc.). The simulation strengthens and extends to the whole basin the prominent role of dissolved organic carbon in the biological carbon pump in the whole Mediterranean Sea. A comprehensive analysis of organic carbon (particulate and dissolved) production processes production was performed. Results reveal that particulate organic carbon production is restricted to the highly dynamic areas, whereas dissolved organic carbon accumulation in the surface layers is a common process in much areas of the basin. This latter process appeared to dependant on the cellular contents of phytoplancton and heterotrophic bacteria, themselved being controled by low phosphate availability. Finally, the dissolved organic carbon contribution to carbon export is around 64 % in the Western basin, and up to 90 % in the Eastern basin. When taking into account the dissolved fraction, total organic carbon export in the Eastern basin -despite its higher oligotrophy- exceeds the one in the Western basin (60% against 40 %).

La concentration de Carbone organique de sol (COS) et les émissions de gaz à effet de serre (GES) ne sont pas uniformes à travers l’espace, mais se regroupent en “hotspots” dans des endroits spécifiques. Ces différences s’expliquent principalement par les activités anthropiques telles que la gestion agricole. 40-50% de la surface de la Terre est utilisé par l’agriculture, par exemple les terres cultivées, les prairies gérées et cultures permanentes, y compris l’agro-foresterie et de bio-cultures énergétiques. En outre, 62% du carbone globale est COS, et le sol conserve plus que 3 fois plus de C que l’atmosphère. Ainsi, la séquestration du carbone dans les sols agricoles joue un rôle potentiellement important dans l’augmentation de stockage de COS et l’atténuation des GES, et il y a un intérêt considérable pour comprendre les effets de la gestion agricole sur le COS et les flux de GES aux prairies et terres cultivées, afin de mieux évaluer l’incertitude et la vulnérabilité des réservoirs de COS. Afin de découvrir les pratiques de gestion agricole qui contribuent à la séquestration efficace et durable du carbone aux terres agricoles en Europe, il est essentiel de simuler les stocks futurs de carbone terrestriel et les budgets de GES par rapport aux systèmes de gestion agricole variés sur les grands écosystèmes européens. Dans ce contexte, la modélisation est une méthode utile, et la modélisation a déjà été utilisée dans beaucoup d’études. Cependant beaucoup de résultats de la modélisation n’ont pas encore été validés avec les données mesurées sur l’horizon long-terme, et d’ailleurs d’autres études ont constaté un fort impact de l’initialisation du modèle sur le résultat du modèle. Néanmoins, la variabilité des prévisions annuelles et décennales concernant le C et le GES en Europe dépendent des résultats du modèle. Par conséquence, il est important de trouver la meilleure méthode d’initialisation des modèles pour obtenir des résultats des modèles fiables, notamment pour les modèles d’écosystèmes dits “process-based”. Au cours des dernières années, Zimmermann et al. (2007) a réussit à initialiser le modèle de Rothamsted carbone (RothC) en utilisant une méthode (physique et chimique) de fractionation des sols. Pour cette raison, j’ai fait l’hypothèse que les données COS détaillées seraient utiles pour initialiser des modèles d’écosystème, et que cette hypothèse doit être testée avec les modèles différents par rapport aux gestions agricoles différentes. Les buts de cette thèse sont les suivants: i) évaluation des influences des gestions agricoles sur le stockage de COS, en utilisant des approches expérimentales et des approches de modélisation; et ii) déterminer la meilleur méthode d’initialisation des modèles. (...) / Soil organic carbon (SOC) concentrations and greenhouse gas (GHG) emissions are not uniform across the landscape, but assemble in “hotspots” in specific areas. These differences are mainly driven by human-induced activities such as agricultural management. 40-50% of the Earth’s land surface is under agricultural land-use, for instance cropland, managed grassland and permanent crops including agro-forestry and bio-energy crops. Furthermore, 62% of the global soil C stock is SOC and the soil stores more than 3 times more C than the atmosphere. Thus, C sequestration in agricultural soil has a potentially important role in increasing SOC storage and GHG mitigation, and there is considerable interest in understanding the effects of agricultural management on SOC and GHG fluxes in both grasslands and croplands, in order to better assess the uncertainty and vulnerability of terrestrial SOC reservoirs. For the sake of discovering the agricultural management practices relating to the effective and sustainable C sequestration in agricultural lands in Europe, simulating future terrestrial C stocks and GHG budgets under varied agricultural management systems in major European ecosystems is essential. Using models is a useful method with the purpose of this and abundant studies have carried out. However, many model results have not been validated with reliable observed long-term data, while other studies have reported a strong impact of model initialisation on model result. Nevertheless, predictions of annual to decadal variability in the European terrestrial C and GHG ressources largely rely on model results. Consequently, finding the most appropriate and comprehensive model initialisation method for obtaining reliable model simulations became important, especially for process-based ecosystem models. In recent years, Zimmermann et al. (2007) have succeed in initialising the Rothamsted Carbon model (RothC) using a physical and chemical soil fractionation method. For that reason, we hypothesised that measured detailed SOC data would be useful to initialise ecosystem models, and this hypothesis should be tested for different process-based models and agricultural land-use and management. (...)

Le recyclage des résidus organiques (RO) en agriculture pourrait permettre de limiter l’utilisation des ressources minérales de phosphore (P), à condition de déterminer leur efficacité pour fournir du P aux cultures. L’objectif de ce travail était donc d’étudier les mécanismes déterminant l’effet des RO apportés au sol sur la biodisponibilité du P pour la plante (phytodisponibilité). Ce travail a été basé sur cinq essais de terrain à La Réunion, fertilisés sur une décennie avec des fertilisants organiques ou minéraux, et sur des expérimentations d’incubations en conditions contrôlées et de cultures de plantes en pot. Le P inorganique (Pi) et organique (Po) disponible du sol a été déterminé par des extractions (eau, Olsen), la technique des diffusive gradients in thin films (DGT) et la dilution isotopique associée à des membranes échangeuses d’ions. La capacité de sorption en Pi des sols a été évaluée avec des courbes de sorption. Le P phytodisponible a été déterminé en mesurant le P prélevé par la plante. Dans les différents types de sol (andosol, andique cambisol, nitisol et arenosol), l’apport de RO a augmenté le Pi disponible relativement au Po, suggérant que la minéralisation du Po issu des RO n’est pas un facteur limitant la disponibilité du Pi. Les RO ont augmenté le Pi disponible principalement par l’augmentation du pH du sol et par conséquent la diminution de sa capacité de sorption de Pi. Le P phytodisponible a augmenté avec le Pi disponible du sol, mais a diminué avec l’augmentation du pH du sol. Au-delà de la dose de P, l’effet de l’apport de RO à long-terme sur la phytodisponibilité du P semble principalement contrôlé par l’évolution induite du pH du sol. / Application of organic residues (OR) on agricultural soils could reduce the use of mineral phosphorus (P) fertilizers, but this implies to determine the efficiency of OR to meet crop requirements. We thus aimed to study mechanisms determining the effects of OR on P bioavailability to plants (phytoavailability). Our work was based on five field trials with decadal organic or mineral fertilization located in Réunion island, and on incubations and plant growth experiments under controlled conditions. Available inorganic P (Pi) and organic P (Po) was determined using extractions (water, Olsen), the diffusive gradients in thin films technique (DGT) and the isotopic dilution associated to anion exchange membranes (EAEM). Phytoavailable P was determined as the plant P uptake. Soil Pi sorption capacity was determined using sorption curves. For all soil types studied (andosol, andic cambisol, nitisol, and arenosol), RO increased mainly available Pi and had few effects on available Po, which suggests that mineralization of Po applied with RO does not limit Pi availability. Application of RO increased available Pi mainly by increasing soil pH and consequently by decreasing soil Pi sorption capacity. Phytoavailable P increased with soil available Pi, but decreased with increasing soil pH. Our work suggests that except the dose of P applied, effect of RO on P phytoavailability depends mainly on soil pH changes induced.

L'objectif de cette thèse était d'identifier certains processus liés au fonctionnement des nourriceries de la<br />sole Solea solea (L.) dans les pertuis Charentais, bassin ostréicole de 1er rang européen et nourriceries majeures<br />pour la sole du golfe de Gascogne. Les juvéniles de la sole dépendent d'habitats côtiers et estuariens, ce qui<br />implique (i) une capacité d'adaptation à la variabilité environnementale de ces milieux et (ii), l'accès à l'intégralité<br />d'un habitat essentiel au cycle biologique de l'espèce. La nourricerie réalisée rend compte des ajustements que le<br />poisson doit opérer entre les contraintes liées à l'habitat et sa capacité à gérer ces contraintes, à travers la<br />sélection des aires de nourrissage, de repos et de refuge. Couplant travaux de terrains et expériences en<br />mésocosme, des méthodes basées sur des estimateurs intégratifs ont été retenues, taux de croissance, indice de<br />condition de Fulton et statut endocrine de ces poissons. Ces résultats ont été confrontés à une approche<br />comportementale visant à déterminer comment les soles utilisent l'espace (pistage par télémétrie acoustique) et<br />accèdent à la nourriture (régime alimentaire et estimation de la ration en équivalent carbone) dans un habitat sous<br />influence conchylicole.<br />La croissance des juvéniles du pertuis Breton, sub-maximale durant la période de croissance rapide, tend<br />vers un plateau autour de l'équinoxe d'automne. Une expérience en mésocosme confirme que la température in<br />situ ne peut entraîner ce ralentissement de la croissance. Or en même temps, ces juvéniles présentent une<br />condition médiocre, les niveaux d'hormones thyroïdiennes circulantes les plus faibles et l'activité alimentaire la plus<br />basse de l'année. Cet état suggère des contraintes propres à la mer des Pertuis, système de baies semi-fermées<br />sous influence modérée de panaches estuariens. Il semble qu'un environnement marin moins favorable en fin d'été<br />et/ou des effets en cascade sur le réseau trophique ne permettent pas à l'intégralité de la classe d'âge 0 d'y grandir<br />en fonction des potentialités de l'espèce. Dans le contexte climatique actuel néanmoins, une partie d'entre eux est<br />capable d'hiverner dans ces nourriceries où ils recouvrent des niveaux hormonaux élevés et restaurent leur activité<br />alimentaire. Les contraintes environnementales des pertuis Charentais, si elles sont d'ordre à moduler la<br />croissance des soles, ne semblent pas altérer leur comportement. Nous avons pu montrer par une expérience en<br />mésoscosme que ni l'effet des structures d'élevage, ni celui des modifications d'habitat liées à la biodéposition ne<br />restreignent l'accès aux zones placées sous emprises ostréicoles. Vérifier ces résultats en mer sera nécessaire<br />avant de conclure que les juvéniles accèdent à l'intégralité des nourriceries dans les pertuis Charentais. Toutefois,<br />deux cycles d'alimentation de 30 h dans le pertuis d'Antioche démontrent la capacité de très jeunes soles à ajuster<br />leurs rythmes d'activité et l'intensité de la prise alimentaire selon, vraisemblablement, le contexte hydrodynamique,<br />qu'il soit imposé par le cycle des marées de quinzaine ou par le vent. Cela a également permis une première<br />estimation de la ration journalière des jeunes soles en carbone organique, ce qui permettra de compléter les<br />modèles de réseau trophique actuellement développés. Enfin, l'infestation importante des soles des pertuis par les<br />métacercaires d'un Bucephalidae, enkystées dans différents organes sensibles, révèle des interactions biotiques<br />inattendues. Les cercaires de ce parasite étant propagées par les élevages de moules, cette parasitose donne un<br />nouvel éclairage aux interactions existant entre la fonction de nourricerie des habitats côtiers et la conchyliculture.

Le bassin de la Garonne, deuxième plus grand bassin français de par sa superficie (52000 km2 au Mas d'Agenais), fait l'objet de pressions anthropiques liées aux activités humaines agricoles, domestiques et industrielles.<br />Le prélèvement des eaux de la Garonne et de ces principaux affluents sur une année hydrologique a permis de détecter des enrichissements significatifs pour un grand nombre d'éléments en trace métalliques (ETM : Pb, Cr, Ni, Cu, Zn...). Il s'avère que la plus part de ces éléments métalliques en quantité de trace (ppb) sont éventuellement transportés sous forme particulaire par les rivières. De nombreux arguments vont dans le sens d'une source majeure diffuse de pollution à l'origine de ces enrichissements : les pluies. Toutefois, certains enrichissements spécifiques liés à des activités industrielles locales sont observées (cas du Cr sur l'Agout). Les bilans des flux [entrée (pluies), sortie (exutoire)] ont mis en évidence le stockage de certains métaux, vraisemblablement dans les sols et les sédiments du lit de la Garonne.<br />Le suivi des flux d'éléments dissous majeurs (NO3-, Cl-, SO42-, Mg2+, Ca2+, K+, Na+) et plus spécialement des nitrates, en période de basses eaux estivales (50 m3/s), dans les eaux d'un tronçon de Garonne Toulousaine, a permis la caractérisation et la quantification des apports anthropiques spécifiques en NO3-, Cl-, K+ et Na+ liés à cette agglomération. Certains de ces éléments, nitrates et potassium, sont partiellement éliminés tout au long de ce tronçon. Cette consommation peut être attribuée à l'activité biologique qui se développe dans le lit de la Garonne (développement du biofilm) dans ces périodes critiques où les eaux sont plus anoxiques (moins oxygénées).<br />L'étude plus spécifique du devenir des nitrates dans une zone humide riveraine de la Garonne (site de Monbéqui) a mis en exergue les capacités de ces sites à éliminer ce composé azoté. Ces zones humides sont le théâtre de la rencontre entre les eaux de la Garonne et de la nappe, propice au développement de nombreux processus biogéochimiques. Nous avons identifié et quantifié de fortes consommations biologiques en nitrates dans les zones de mélange entre la Garonne et la nappe. Cela résulte des effets couplés de l'oxydation de la matière organique, de la respiration aérobie, de la dénitrification et de la réduction des oxydes et hydroxydes de Mn et de Fe. Au contraire, dans les zones de sortie de nappe vers la Garonne, il semblerait qu'il y ait nitrification de l'ammonium probablement originaire des profondeurs de la nappe et/ou des sols.

Les projections concernant les changements climatiques dans les régions arctiques annoncent une augmentation disproportionnée des températures de surface pouvant influencer le cycle hydrologique et la fonte des pergélisols. Les hautes latitudes sont donc perçu comme des environnements potentiellement très sensibles aux modifications du climat. Ces modifications ont la capacité d’impacter les cycles biogéochimiques, en particulier la mobilisation du carbone vers les milieux aquatiques de la zone arctique. Dans les rivières arctiques, la période la plus importante du cycle hydrologique est la crue de printemps qui peut réaliser la majeure partie des transferts annuels de carbone organique vers l’océan dans un lapse de temps très court. L’objectif de cette thèse vise à suivre la dynamique des MOD en termes de quantité et de qualité au cours du cycle hydrologique du fleuve Ienisei, grâce à diverses techniques de caractérisation des MOD permettant de mettre en évidence les variations saisonniéres de leur composition, sources, âge et état de dégradation. La première étape a été d’examiner la large gamme de techniques de caractérisation des MOD dans les rivières du monde afin d’identifier les plus répendues,pértinentes et fiables. Grâce au développement d’une base de données des mesures des qualités des MOD, nous avons pu évaluer la couverture géographique des études de caractérisation des MOD, donner des estimations et gamme de valeurs des principales variables de caractérisation des MOD et observer des tendances générales des qualités des MOD selon un gradient latitudinal. La seconde étape a porté sur l’étude de la dynamique du COD dans le fleuve Ienisei concernant les variations de concentrations et les liens avec la chimie de l’eau et l’hydrologie. Nous avons mené des campagnes d’échantillonnage durant trois années consécutives (2014 à 2016), en couvrant avec une haute fréquence de prélèvement la période de la crue de printemps afin d’en capturer la dynamique rapide. Nous avons observé des concentrations en COD qui suivent l’hydrogramme avec les concentrations maximales mesurées quelques jours avant le pic de crue. Le COD a aussi répondu aux variations de débit (augmentation, probablement liée à des précipitations plus intenses du début d’automne. Nous avons enregistré un flux de COD moyen, durant les trois années de prélèvement, d’environ 4,53 Tg yr-1, ce qui est dans l’ordre de grandeur rapporté dans la littérature. Nous avons également observe ue variabilité interannuelle relativement importante avec les estimations d’exports annuels variant de 5,45 Tg yr-1 en 2014 à 3,57 Tg yr-1 en 2016, certainement influence par l’amplitude de débit. Nous avons confirmé le rôle prédominant de la crue de printemps dans les exports de COD avec en moyenne plus de 65% des exportations ayant lieu Durant cette période (approximatvement mai/juin). Le troisième point a consisté en l’étude de la qualité des MOD présentent dans les eaux du Ienisei et de son évolution durant le cycle hydrologique en combinant différentes outils de caractérisation. Associer les modes de caractérisation aide à renforcer les observations et à valider les interprétations. La plus part des variables mesurées avec les différentes techniques se sont confirmées les unes les autres. L’utilisation des biomarqueurs de la lignine, des propriétés optiques et de la datation 14C ont permis de tracer les sources prédominantes des MOD comme étant principalement dérivées de matières organiques récemment produites lixiviée depuis les litières forestières boréales et des horizons supèrieures pendant la crue de printemps et de matières organiques plus anciennes provenant des horizons plus profonds durant la période des basses eaux. / Arctic regions are expected to be highly sensitive to climate change regarding the prediction of disproportionately large increases in surface temperatures and their related influence over the hydrological cycle and permafrost thaw. These modifications have the potential to impact biogeochemical cycles in these regions and in particular the mobilization of organic carbon into rivers. The most crucial period in arctic rivers hydrological cycle is the spring freshet that can account for most of the annual organic carbon transfers to the ocean in a very short window of time. The focus of this thesis was to monitor the dynamic of DOM in terms of quantity and quality along the hydrological cycle of the Yenisei river, through DOM characterization approaches to reveal seasonal variations in its composition, sources, age and degradation state. The first step was to make a review of the full range of existing DOM characterization approaches in worldwide river systems to identify the most widely used, the most relevant and reliable ones. Through the development of a DOM quality measurements database, we have been able to evaluate the geographical coverage of DOM characterization studies, to give estimates and ranges of values of the main reported DOM characterization variables and to observe global trends of DOM quality across latitudinal gradient. Second stage was to investigate DOC dynamic in the Yenisei river with regard to quantity and links with water chemistry and hydrology. We conducted sampling campaigns during three consecutive years (2014 to 2016), covering with a high sampling frequency the spring flood period to capture its very dynamic evolution. We reported DOC concentrations that followed the hydrograph with highest concentrations observed a few days before peak discharge. DOC concentration also responded to discharge variation (increase, likely due to higher precipitation) in early autumn. We reported average DOC flux over the three sampling years of about 4.53 Tg yr-1 which is within the range of values reported in the literature. We observed interannual variability with annual export estimates ranging from 5.45 Tg yr-1 in 2014 to 3.57 Tg yr-1 in 2016, likely driven by discharge amplitude. We confirmed the important role of spring freshet in DOC export with on average more than 65% occurring during this period (roughly May/June). Third point was to determine DOM quality combining characterization techniques. Combination of approaches helped to strengthen observations and cross validate interpretations. Most of the variables reported from the different characterization techniques confirmed one each other. The use of lignin biomarkers, optical properties and radiocarbon age of DOM allowed us to trace DOM main sources has primarily deriving from recently produced organic matter leached from boreal forest litter and top soil horizon during the spring flood and older organic matter derived from deeper soil horizons during low flow period.

Ce travail a pour objectif principal l'étude des interactions entre les compartiments procaryotiques des zones méso- et bathypélagique avec les différentes fractions du carbone organique dissout (DOC) océanique. Des mesures d'assimilation de monomères (3H-Glucose), de dégradation de molécules complexes (3H-EPS et HMW-DOC), et de production hétérotrophe procaryotique (PHP/3H-Leucine) ont été réalisées le long de la colonne d'eau en Mer Méditerranée Nord Occidentale (Golfe du Lion, sites DYFAMED, ANTARES) et en Océan Atlantique Nord-Est (site PAP). Au cours des ces études, toutes les mesures réalisées au-delà de 1000 m de profondeur ont été effectuées dans des conditions in situ de haute pression hydrostatique (> à 10 MPa, HP) et comparées à des mesures réalisées sous pression atmosphérique (0,1 MPa, ATM). Cette double mesure détermine le rôle de la pression hydrostatique sur les activités microbiennes profondes via un rapport Pe pour pressure effect (= mesure HP / mesure ATM). Les résultats démontrent que les activités microbiennes mesurées en conditions HP sont plus importantes qu'en conditions ATM en période de stratification des eaux, (Pe moyen de 4,01, n=120), et confirment la capacité des procaryotes du domaine océanique profond à dégrader des molécules organiques complexes. Par ailleurs et à une échelle cellulaire, les populations métaboliquement actives du milieu profond dégradent les 3H-EPS à une vitesse 6 fois plus rapide que leur homologue de surface, indiquant la capacité des procaryotes autochtones profonds à dégrader des molécules plus complexes en conditions de haute pression. / This main objective of this work is the study of interactions between prokaryotic compartments of meso-and bathypelagic zones with different size classes of dissolved organic carbon (DOC). Several measurements of monomers assimilation (3H-Glucose), of complex molecules degradation (3H-EPS and HMW-DOC) and prokaryotic heterotrophic production were realized through the water column of NW Mediterranean Sea (Gulf of Lion, DYFAMED and ANTARES station) and NE Atlantic Ocean (PAP site). During these studies, all measurements realized below 1000 m depth, were carry out under in situ condition of hydrostatic pressure (> 10 MPa, HP) and compared to their decompressed counterpart measurements, realized at atmospheric pressure (0.1 MPa, ATM). These coupled measurements determine the role of hydrostatic pressure on deep sea microbial activity following the Pressure effect (Re) ration (=HP measurement / ATM measurement). The results show that microbial activities measured under HP condition during stratified water period, were more important than those measured under ATM condition (mean Pe = 4.01, n=120), and confirm the abilities of deep sea prokaryotes to degrade complex organic molecules. Moreover, the cell-specific activity of deep sea prokaryotes in 3H-EPS degradation are 6 time more active than the surface, indicating the ability of autochthonous deep sea prokaryotes to degrade complex molecules under high conditions of pressure.

Les proliférations nuisibles de la cyanobactérie filamenteuse benthique Lyngbya wollei qui forme des tapis déposés sur les sédiments ont augmenté en fréquence au cours des 30 dernières années dans les rivières, lacs et sources de l'Amérique du Nord. Lyngbya wollei produit des neurotoxines et des composés organiques volatils (géosmin, 2-méthylisobornéol) qui ont des répercussions sur la santé publique de même que des impacts d'ordre socioéconomiques. Cette cyanobactérie est considérée comme un habitat et une source de nourriture de piètre qualité pour les invertébrés en raison de sa gaine robuste et de sa production de toxines. Les proliférations de L. wollei ont été observées pour la première fois en 2005 dans le fleuve Saint-Laurent (SLR; Québec, Canada). Nous avons jugé important de déterminer sa distribution sur un tronçon de 250 km afin d'élaborer des modèles prédictifs de sa présence et biomasse en se basant sur les caractéristiques chimiques et physiques de l'eau. Lyngbya wollei était généralement observé en aval de la confluence de petits tributaires qui irriguent des terres agricoles. L’écoulement d’eaux enrichies à travers la végétation submergée se traduisait par une diminution de la concentration d’azote inorganique dissous (DIN), alors que les concentrations de carbone organique dissous (DOC) et de phosphore total dissous (TDP) demeuraient élevées, produisant un faible rapport DIN :TDP. Selon nos modèles, DOC (effet positif), TP (effet négatif) et DIN :TDP (effet négatif) sont les variables les plus importantes pour expliquer la répartition de cette cyanobactérie. La probabilité que L. wollei soit présent dans le SLR a été prédite avec exactitude dans 72 % à 92 % des cas pour un ensemble de données indépendantes. Nous avons ensuite examiné si les conditions hydrodynamiques, c'est-à-dire le courant généré par les vagues et l'écoulement du fleuve, contrôlent les variations spatiales et temporelles de biomasse de L. wollei dans un grand système fluvial. Nous avons mesuré la biomasse de L. wollei ainsi que les variables chimiques, physiques et météorologiques durant trois ans à 10 sites le long d'un gradient d'exposition au courant et au vent dans un grand (148 km2) lac fluvial du SLR. L'exposition aux vagues et la vitesse du courant contrôlaient les variations de biomasses spatiales et temporelles. La biomasse augmentait de mai à novembre et persistait durant l'hiver. Les variations interannuelles étaient contrôlées par l'écoulement de la rivière (niveau d'eau) avec la crue printanière qui délogeait les tapis de l'année précédente. Les baisses du niveau d'eau et l'augmentation de l'intensité des tempêtes anticipées par les scénarios de changements climatiques pourraient accroître la superficie colonisée par L. wollei de même que son accumulation sur les berges. Par la suite, nous avons évalué l'importance relative de L. wollei par rapport aux macrophytes et aux épiphytes. Nous avons examiné l'influence structurante de l'échelle spatiale sur les variables environnementales et la biomasse de ces producteurs primaires (PP) benthiques. Nous avons testé si leur biomasse reflétait la nature des agrégats d'habitat basées sur l'écogéomorphologie ou plutôt le continuum fluvial. Pour répondre à ces deux questions, nous avons utilisé un design à 3 échelles spatiales dans le SLR: 1) le long d'un tronçon de 250 km, 2) entre les lacs fluviaux localisés dans ce tronçon, 3) à l'intérieur de chaque lac fluvial. Les facteurs environnementaux (conductivité et TP) et la structure spatiale expliquent 59% de la variation de biomasse des trois PP benthiques. Spécifiquement, les variations de biomasses étaient le mieux expliquées par la conductivité (+) pour les macrophytes, par le ratio DIN:TDP (+) et le coefficient d'extinction lumineuse (+) pour les épiphytes et par le DOC (+) et le NH4+ (-) pour L. wollei. La structure spatiale à l'intérieur des lacs fluviaux était la plus importante composante spatiale pour tous les PP benthiques, suggérant que les effets locaux tels que l'enrichissement par les tributaire plutôt que les gradients amont-aval déterminent la biomasse de PP benthiques. Donc, la dynamique des agrégats d'habitat représente un cadre général adéquat pour expliquer les variations spatiales et la grande variété de conditions environnementales supportant des organismes aquatiques dans les grands fleuves. Enfin, nous avons étudié le rôle écologique des tapis de L. wollei dans les écosystèmes aquatiques, en particulier comme source de nourriture et refuge pour l'amphipode Gammarus fasciatus. Nous avons offert aux amphipodes un choix entre des tapis de L. wollei et soit des chlorophytes filamenteuses ou un tapis artificiel de laine acrylique lors d'expériences en laboratoire. Nous avons aussi reconstitué la diète in situ des amphipodes à l'aide du mixing model (d13C et δ15N). Gammarus fasciatus choisissait le substrat offrant le meilleur refuge face à la lumière (Acrylique>Lyngbya=Rhizoclonium>Spirogyra). La présence de saxitoxines, la composition élémentaire des tissus et l'abondance des épiphytes n'ont eu aucun effet sur le choix de substrat. Lyngbya wollei et ses épiphytes constituaient 36 et 24 % de l'alimentation in situ de G. fasciatus alors que les chlorophytes, les macrophytes et les épiphytes associées représentaient une fraction moins importante de son alimentation. Les tapis de cyanobactéries benthiques devraient être considérés comme un bon refuge et une source de nourriture pour les petits invertébrés omnivores tels que les amphipodes. / Harmful proliferations of the filamentous cyanobacterium L. wollei forming conspicuous benthic mats on the bottom sediment have been reported with increasing frequency in the last 30 years in rivers, lakes, and springs in North America. It is a known producer of neurotoxins and volatile organic compounds (geosmin, 2-methylisoborneol) thus exerting socioeconomic and public health impacts. Lyngbya wollei is also considered a poor nutritional source for invertebrates because of its robust sheath and toxin production. Proliferation of L. wollei in St. Lawrence River (SLR; Quebec, Canada) was first noticed in 2005. We deemed important to determine its distribution over a 250 km stretch of the SLR to elaborate predictive models of its presence and biomass based on chemical and physical characteristics. Lyngbya wollei was generally found downstream of the inflow tributaries draining farmlands. As enriched waters flowed slowly through submerged vegetation, dissolved inorganic nitrogen (DIN) concentration dropped but dissolved organic carbon (DOC) and total dissolved phosphorus (TDP) remained high, leading to a low DIN:TDP ratio. Models identified DOC (positive effect), TP (negative effect), and DIN:TDP (negative effect) as the most important variables explaining L. wollei distribution. The risk of L. wollei occurrence in the SLR was correctly forecasted in 72%-92% of all cases with an independent data set. We then examined if hydrodynamic conditions, namely currents generated by waves and river flow, control spatial and temporal variations of L. wollei biomass in a large river system. We measured L. wollei biomass together with meteorological, physical, and chemical variables over three years at 10 sites along a gradient of exposure to current and wind in a large (148 km2) fluvial lake of SLR. Wave exposure and current velocity controlled spatial and temporal biomass variations. Biomass increased from May to November and persisted during winter. Interannual variations were primarily controlled by river flow (water level) with spring discharge dislodging mats from the previous year. As anticipated under climate change scenarios, drops in water level and rising storm intensity may lead to an increase in the areas colonized by L. wollei, together with more frequent episodes of mat disruption and beach fouling. Additionally, we evaluated the relative importance of L. wollei with respect to macrophytes and epiphytes. We assessed the influence of the spatial scale in structuring environmental variables and biomass of these benthic primary producers (PP). We also test to which extent their biomass reflected the nature of patches based on ecogeomorphology or the river continuum. To address these two questions, we used a nested design at 3 spatial scales within the SLR: 1) along a 250-km-long upstream-downstream river stretch, 2) among three fluvial lakes located within that river stretch and 3) within each fluvial lake. Environmental factors (conductivity and TP) and spatial structure together explained 59% of the variability in biomass of all three benthic PP. Spatial variability of biomass was best explained by conductivity (+) for macrophytes, DIN:TDP ratio (+) and water extinction coefficient (+) for epiphytes and DOC (+) and NH4+ (-) for L. wollei mats. Within-lake structure was the most important spatial component for all benthic PP, suggesting that local effects, such as enrichment by the inflow of tributaries, rather than upstream-downstream gradients, determined the biomass and composition of benthic PP. Therefore patch dynamics represents a general framework which adequately covers the spatial variability and wide variety of environmental conditions experienced by aquatic organisms found in large rivers. Finally, we investigated the ecological role of L. wollei mats in aquatic ecosystems, especially as a food source and shelter for the amphipod Gammarus fasciatus. We offered amphipods a choice between mats of L. wollei and either chlorophytes or an artificial mat made of acrylic wool in laboratory experiment. Moreover, we reconstructed in situ amphipod diet using mixing model (δ13C and δ15N). Gammarus fasciatus selected the substratum offering the best light refuge (Acrylic > Lyngbya = Rhizoclonium > Spirogyra). Presence of saxitoxins, tissue elemental composition and epiphyte abundance had no significant effect on substratum choice. Lyngbya wollei and its epiphytes constituted 36 and 24% of the in situ diet of G. fasciatus whereas chlorophytes, macrophytes and associated epiphytes represented a less important fraction of its diet. Benthic cyanobacterial mats should be considered a good shelter and food source for small omnivorous invertebrates such as amphipods.