Depuis des décennies, les dépôts atmosphériques azotés sont connus pour agir de manière sévère sur le fonctionnement des écosystèmes forestiers. Ils influent en effet la biogéochimie du sol, l’équilibre des éléments nutritifs et, en conséquence, la croissance des espèces végétales, la biodiversité végétale de sous-étage et plus globalement la santé des forêts. Dans le cadre de la convention internationale de Genève visant à limiter la pollution atmosphérique transfrontalière à longue distance, le concept de « Charges Critiques », défini à la fin des années 1980, a été retenu comme outil permettant d’évaluer la sensibilité d’un écosystème aux contaminants. Il permet d’estimer la quantité maximale de polluants atmosphériques acceptable par l’écosystème avant apparition de conséquences néfastes à son fonctionnement. De plus, en raison de l’impact des changements globaux sur les processus biogéochimiques régissant le fonctionnement des écosystèmes, l’influence des dépôts atmosphériques et du changement climatique doit être considéré de manière simultanée pour évaluer l’évolution de l’état des écosystèmes au cours du temps. Dès lors l’enjeu majeur est de pouvoir prédire l’effet combiné de ces facteurs sur les écosystèmes forestiers français. C’est l’objectif de ce travail de thèse. Des modèles dynamiques couplés biogéochimiques – écologiques, tels que les modèles ForSAFE-VEG ou PROPS, ou écologiques (basés sur la base de données EcoPlant) ont été développés ou adaptés à ces fins, et appliqués à différentes échelles locale, régionale et nationale, selon différents scénarios de dépôts et climatiques. L’application et la calibration du modèle couplé ForSAFE-VEG sur des placettes forestières permanentes du réseau RENECOFOR ont permis de prédire l’évolution de la composition biogéochimique de la solution du sol et en cascade de la composition floristique de trois sites, sous différents scénarios de dépôts atmosphériques et de changement climatique. Les principales évolutions des sites sont liées à leurs caractéristiques stationnelles. Si le changement climatique joue un rôle prédominant sur la réponse des espèces, les écosystèmes oligotrophes restent sensibles aux dépôts de N. A court terme, l’effet combiné des dépôts et du changement climatique sur le long terme est modulé par les effets de la gestion forestière. L’extrapolation du modèle couplé à plus large échelle nécessite une continuité dans la disponibilité des données d’entrée et de calibration de la réponse des espèces. Les données et scénarios de changement climatiques ont été complétés et actualisés à l’aide du modèle SAFRAN et des nouveaux scénarios RCP régionalisés. La calibration de la réponse des espèces végétales à l’échelle de la France a été réalisée à partir des mesures de la base de données phytoécologiques EcoPlant, par le développement de modèles de distribution d’espèces (SDM), en intégrant simultanément des variables climatiques, édaphiques, d’énergie et de nutrition. Le couplage entre le modèle ForSAFE et les SDM assure une modélisation robuste à l’échelle du territoire de la réponse des écosystèmes forestiers dans le temps, calibrée pour les conditions pédoclimatiques françaises. La modélisation des charges critiques d’acidité, d’eutrophisation et de biodiversité sur l’ensemble des sites RENECOFOR et la totalité des écosystèmes forestiers français montre des sensibilités variées aux dépôts de soufre et d’azote en fonction des écosystèmes, avec parmi les plus sensibles les Landes, la Sologne et le Massif Central. Des indices de qualité des habitats (HSi) ont été calculés à l’échelle de tous les écosystèmes par le modèle PROPS et les SDM. La sélection des espèces représentatives reste primordiale car elle conditionne la valeur finale de HSi. Ce paramètre est l’un des plus sensibles à prendre en compte dans la modélisation. Il est à mettre en relation avec les objectifs de protection des écosystèmes voulus par les gestionnaires.

Depuis des décennies, les dépôts atmosphériques azotés sont connus pour agir de manière sévère sur le fonctionnement des écosystèmes forestiers. Ils influent en effet la biogéochimie du sol, l’équilibre des éléments nutritifs et, en conséquence, la croissance des espèces végétales, la biodiversité végétale de sous-étage et plus globalement la santé des forêts. Dans le cadre de la convention internationale de Genève visant à limiter la pollution atmosphérique transfrontalière à longue distance, le concept de « Charges Critiques », défini à la fin des années 1980, a été retenu comme outil permettant d’évaluer la sensibilité d’un écosystème aux contaminants. Il permet d’estimer la quantité maximale de polluants atmosphériques acceptable par l’écosystème avant apparition de conséquences néfastes à son fonctionnement. De plus, en raison de l’impact des changements globaux sur les processus biogéochimiques régissant le fonctionnement des écosystèmes, l’influence des dépôts atmosphériques et du changement climatique doit être considéré de manière simultanée pour évaluer l’évolution de l’état des écosystèmes au cours du temps. Dès lors l’enjeu majeur est de pouvoir prédire l’effet combiné de ces facteurs sur les écosystèmes forestiers français. C’est l’objectif de ce travail de thèse. Des modèles dynamiques couplés biogéochimiques – écologiques, tels que les modèles ForSAFE-VEG ou PROPS, ou écologiques (basés sur la base de données EcoPlant) ont été développés ou adaptés à ces fins, et appliqués à différentes échelles locale, régionale et nationale, selon différents scénarios de dépôts et climatiques. L’application et la calibration du modèle couplé ForSAFE-VEG sur des placettes forestières permanentes du réseau RENECOFOR ont permis de prédire l’évolution de la composition biogéochimique de la solution du sol et en cascade de la composition floristique de trois sites, sous différents scénarios de dépôts atmosphériques et de changement climatique. Les principales évolutions des sites sont liées à leurs caractéristiques stationnelles. Si le changement climatique joue un rôle prédominant sur la réponse des espèces, les écosystèmes oligotrophes restent sensibles aux dépôts de N. A court terme, l’effet combiné des dépôts et du changement climatique sur le long terme est modulé par les effets de la gestion forestière. L’extrapolation du modèle couplé à plus large échelle nécessite une continuité dans la disponibilité des données d’entrée et de calibration de la réponse des espèces. Les données et scénarios de changement climatiques ont été complétés et actualisés à l’aide du modèle SAFRAN et des nouveaux scénarios RCP régionalisés. La calibration de la réponse des espèces végétales à l’échelle de la France a été réalisée à partir des mesures de la base de données phytoécologiques EcoPlant, par le développement de modèles de distribution d’espèces (SDM), en intégrant simultanément des variables climatiques, édaphiques, d’énergie et de nutrition. Le couplage entre le modèle ForSAFE et les SDM assure une modélisation robuste à l’échelle du territoire de la réponse des écosystèmes forestiers dans le temps, calibrée pour les conditions pédoclimatiques françaises. La modélisation des charges critiques d’acidité, d’eutrophisation et de biodiversité sur l’ensemble des sites RENECOFOR et la totalité des écosystèmes forestiers français montre des sensibilités variées aux dépôts de soufre et d’azote en fonction des écosystèmes, avec parmi les plus sensibles les Landes, la Sologne et le Massif Central. Des indices de qualité des habitats (HSi) ont été calculés à l’échelle de tous les écosystèmes par le modèle PROPS et les SDM. La sélection des espèces représentatives reste primordiale car elle conditionne la valeur finale de HSi. Ce paramètre est l’un des plus sensibles à prendre en compte dans la modélisation. Il est à mettre en relation avec les objectifs de protection des écosystèmes voulus par les gestionnaires. / For decades, it has been known that atmospheric nitrogen depositions have a severe impact on the operations of forest ecosystems. Indeed, they affect the soil biogeochemistry, the balance of the nutritive elements and consequently the plant species growth, the biodiversity of the understory vegetation and more globally the forest health. As part of the Geneva Agreement to limit the long-range transboundary air pollution, the concept of "critical loads", defined towards the end of the 1980s, was adopted as a tool to enable the assessment of the sensitivity of the ecosystems to contaminants. It can be used to estimate the maximal amount of atmospheric contaminants which can be accepted by the ecosystem before significant harmful effects on specified sensitive biological indicators appear. In addition, because of the impact of global warming on biogeochemical processes regulating the functioning of ecosystems, the influence of atmospheric depositions and climate change must be considered simultaneously to evaluate the evolution of ecosystem conditions over time. Since then, the major issue has been to be able to predict the combined effect of these factors on the French forest ecosystems. This is the aim of this PhD work. Coupled dynamic biochemical-ecological models, such as ForSAFE-VEG or PROPS models, or ecological (based on EcoPlant database) were developed or adapted for this purpose and applied to different local, regional and national scales against different deposition and climatic scenarios. The application and calibration of the coupled model ForSAFE-VEG on permanent forest plots from the RENECOFOR network enabled prediction of the evolution of the soil solution biogeochemical composition, as well as monitoring of the floristic composition of three sites, under different scenarios of atmospheric deposition and climate change. The principal site evolutions are related to their stational characteristics. If the climate change plays a primary role on a species’ response, the oligotrophic ecosystems remain sensitive to nitrogen depositions. On a short term basis, the combined effect of the deposits and long term climate change is modulated by forest management. The extrapolation of the coupled model on a larger scale requires continuity in the availability of input data and calibration of the species’ response. The data and climate changes scenarios were completed and updated with the SAFRAN model and new regionalised RCP scenarios. The calibration of the response of plant species throughout France was carried out using measurements of the phytoecological database EcoPlant, via development of species distribution models (SDM). The coupling between ForSAFE and the SDM ensures a robust global modelling of the forest ecosystems’ response over time, calibrated for the French pedoclimatic conditions. The modelling of the acidic, eutrophication and biodiversity critical loads, on all the RENECOFOR sites and French forest ecosystems, shows the various sensitivities to sulphur and nitrogen depositions depending on the ecosystem. Ecosystems located in the Landes, Sologne and Massif Central appear to be amongst the most sensitive ones. The Habitats Suitability Index (HSI) was calculated throughout all the ecosystems via PROPS models and the SDM. The selection of representative species remains pivotal as the final HSI value is conditional, depending on this factor. This parameter is one of the most sensitive factors to take into account with the model. It must be linked with forest managers' objectives for the protection of the ecosystems.

Le thème de l'évolution historique de la productivité forestière est abordé pour les deux grands feuillus sociaux du territoire, hêtre commun (Fagus sylvatica L.) et chêne sessile (Quercus petraea Liebl.), conduits en futaie régulière et pure, en forêt domaniale, avec un objectif de description et quantification du phénomène à l'échelle du peuplement. L'analyse privilégie la croissance en hauteur dominante, indicateur classique de la productivité forestière. Elle repose sur la comparaison d'accroissements reconstitués de façon rétrospective (analyses de tiges) de deux générations de peuplements, associés en couples pour assurer un contrôle efficace des conditions de fertilité. L'évolution de la vitesse de croissance est estimée par une modélisation statistique des accroissements, qui prend en compte l'effet du stade de développement des peuplements et les différences de fertilité entre couples. Le diagnostic a été régionalisé, conduisant à échantillonner les hêtraies dans 2 secteurs (Normandie/Picardie et Lorraine/Alsace) et les chênaies dans 4 secteurs (Normandie, val de Loire, plaine d'Allier, Lorraine/Alsace). Une analyse complémentaire de la croissance radiale dominante (lectures de cernes) et de la densité du bois (microdensitométrie aux rayons X) à 1,30 m a été réalisée dans les hêtraies du Nord-Est. Les conditions trophiques et climatiques des peuplements ont été caractérisées. <br />L'augmentation de la vitesse de croissance en hauteur dominante a un caractère général sur le territoire, structuré selon un gradient longitudinal. Pour chaque essence, elle est plus marquée dans le Nord-Est, tandis qu'elle reste faible ou récente dans le Nord-Ouest. L'essentiel de l'évolution a été acquis dans la seconde moitié du siècle. La progression est ponctuée de crises d'origine climatique, communes ou spécifiques, dont la plus marquée est celle de la décennie 1940. Défavorable au hêtre, la décennie 1990 a été bénéfique au chêne, et explique que l'évolution constatée pour cette essence culmine en fin de siècle à un niveau bien supérieur à celui du hêtre. L'augmentation séculaire est comprise pour les extrêmes entre +20% et +100%, et atteint dans le Nord-Est un niveau commun aux deux essences de +50-60% en excluant la période récente. Dans ce secteur, les évolutions de croissance radiale et en hauteur du hêtre sont similaires. La densité du bois est restée stable. En conséquence, la productivité en biomasse a pu suivre l'évolution estimée sur la hauteur dominante. L'analyse des relations croissance - facteur du milieu permet d'aborder la causalité des changements de productivité, et suggère un déterminisme multifactoriel. Le climat aurait eu jusqu'alors des conséquences essentiellement conjoncturelles. Des effets saisonniers opposés sur la croissance sont de plus possibles. Le caractère récent des évolutions constatées, leur organisation spatiale, conjugués à une sensibilité des essences aux conditions trophiques, font ressortir le rôle clé possible des dépôts atmosphériques azotés dans la réponse aux changements de l'environnement.