Comprendre les relations entre écohydrologie et structure fonctionnelle des communautés végétales est une problématique croissante en écologie. Cette thèse a pour objectif d'analyser les effets d'un gradient de ressource édaphique sur la structure et le fonctionnement de parcours herbacés dans le sud de la France, en intégrant les niveaux de l'écosystème à la plante. Par modélisation du bilan hydrique, les différences d'utilisation de l'eau au niveau de l'écosystème ont été quantifiées pour cinq années contrastées révélatrices de la variabilité des propriétés des sols et du fonctionnement végétal. Utilisation de l'eau et productivité des plantes sont proportionnelles à la réserve utile des sols et à son taux de remplissage, suggérant un équilibre fonctionnel entre les communautés végétales et la disponibilité de l'eau locale. Par une approche ‘traits', nous avons ensuite montré que le ratio entre surface foliaire et surface racinaire totales de la communauté est le facteur déterminant une relation 'allométrique' entre évapotranspiration potentielle et capacité de prélèvements hydriques. La coordination entre les compartiments racinaire et aérien de la végétation dépend d'une suite d'adaptations architecturales et morphologiques. Des modifications d'abondances relatives spécifiques et le turn-over d'espèces génèrent une variabilité de morphologie et de fonctionnement des communautés permettant leur adaptation à des ressources limitées. Au niveau plante, une expérimentation de transplantation a permis de quantifier l'importance relative de la disponibilité hydrique et des interactions entre plantes sur la productivité individuelle de trois espèces-cibles. L'importance de la compétition s'est révélée plus élevée sous fort niveau de ressource et dépendait plus des relations hiérarchiques entre traits que de la biomasse. La compétition entre plantes affecte les axes de niche fonctionnelle des espèces de façon indépendante, avec une convergence de la ‘teneur en matière sèche des feuilles' pour des faibles valeurs mais une plus forte divergence fonctionnelle pour la ‘hauteur des plantes'. Cette approche fonctionnelle a permis d'éclairer le rôle de la diversité végétale dans la réponse des systèmes écologiques à des ressources hydriques variables. De plus, ces résultats sur les propriétés écohydrologiques des communautés naturelles peuvent contribuer à la conception d'agro-écosytèmes complexes mieux adaptés aux sécheresses intenses prévues dans le contexte actuel de changement climatique. / Understanding the relationships between ecohydrology and functional structure of plant communities is a timely issue in plant ecology. From ecosystem to species levels, this works investigated the effects of a resource availability gradient on the structure and functioning of Mediterranean rangelands in Southern France. Using a water-balance modeling approach, differences in water-use at the ecosystem level were quantified across five contrasting years, accounting for the variability in both soil characteristics and vegetation functioning. Plant water-use and productivity scaled with soil water storage capacity and its filling rate, suggesting a functional equilibrium between plant communities and local water availability. Using a trait-based approach, we then showed that the ratio of total leaf area of the community on total root area determined an allometric relationship between potential evapotranspiration and water uptake capacity. The “coordination” between above- and belowground compartment of the vegetation was achieved by a suite of architectural and morphological adaptations. Modifications of species relative abundances and species turn-over explained morphological and functioning adaptations to cope with limiting resources. Finally at species level, a removal experiment allowed to quantify the relative importance of water limitations and effects of plant-plant interaction on individual plant productivity of three target species of graminoïds. The importance of competition increased with soil resource availability and depended more on trait-trait hierarchical distances among species than standing biomass. Competition among plants affects the axes of the functional niche of species independently, leading to the convergence of leaf dry matter content towards low values but to greater functional divergence for plant height. Overall, this functional approach provided an integrative understanding of the role of plant diversity in the response of ecological systems to changes in water availability. Furthermore, these results on ecohydrological properties of natural communities can contribute to the design of complex agro-ecosystem better adapted to intense droughts predicted under climate change.

Environ 65% des eaux intérieures sont menacées modérément ou fortement par l'altération anthropique et le changement climatique. La Terre a perdu environ la moitié de ses habitats d'eau intérieure au cours des cent dernières années et le prélèvement mondial d'eau devrait augmenter de plus de 50% au cours des 20 prochaines années. Dans ce contexte, la concurrence pour les ressources en eau entre les humains et les écosystèmes est appelée à s'intensifier au détriment de la biodiversité d'eau douce. Pour cette raison, il est aujourd'hui impératif de quantifier et de sauvegarder les besoins en eau de ces écosystèmesEn tant qu'outil global d'aide à la prise de décision, plusieurs modèles d'évaluation d'impact de la consommation d'eau sur les écosystèmes ont été proposés dans le cadre de l'analyse du cycle de vie (ACV). L'un des défauts importants des modèles actuels d'ACV, qu'ils soient mécanistes ou non-mécanistes, midpoint ou endpoint, c’est la prise en compte limitée des besoins environnementaux en eau (EWR). Pour cette raison, les approches existantes pour l'évaluation des EWR ont été étudiées, afin d'évaluer les avantages potentiels d'une meilleure prise en compte des principes écohydrologiques dans l’ACV sur les écosystèmesCela a permis de définir le concept d'habitat d'eau douce en ACV et d'élaborer un cadre conceptuel pour l'application des méthodes de simulation d'habitat dans la modélisation. Un indicateur midpoint du potentiel de changement d'habitat (HCP) évaluant l'impact de la modification du débit sur les habitats des poissons et des invertébrés dans les cours d'eau a été élaboré. Le nouveau modèle a été testé sur le réseau fluvial français à l'échelle du tronçon fluvial, en caractérisant le changement d'habitat en saison sèche et humide. Les HCP ont ensuite été agrégés à l'échelle du bassin versant. Après, le nouveau modèle a été généralisé pour permettre une extension globale. Les variables d'entrée du modèle HCP généralisé ont été calculées à partir des bases de données et des modèles existants sur une résolution mensuelle. Les limites, l'incertitude et les perspectives de recherche de la nouvelle approche ont finalement été discutées. / Approximately 65% of inland waters are under moderate or high threat by anthropogenic alteration and climate change. Earth has lost around half of inland water habitats in the last hundred years and global water withdrawal is expected to increase by more than 50% within the next 20 years. In this context, competition for water resources between humans and ecosystems is set to rise at the expense of freshwater-dependent biodiversity. For this reason, nowadays it is imperative to quantify and safeguard water needs of freshwater-dependent ecosystems.As a global tool to support decision-making, in life cycle assessment (LCA) several models for life cycle impact assessment (LCIA) of water consumption on ecosystems have been proposed. One important flaw of current LCIA models, whether they are mechanistic or non-mechanistic, midpoint or endpoint-oriented, is their limited consideration of environmental water requirements (EWR). For this reason, existing approaches for EWR assessment have been investigated to evaluate potential benefits of better including ecohydrological principles in LCIA on ecosystems.This enabled the definition of the concept of freshwater habitat within the boundaries of LCIA and the development of a framework for the application of habitat simulation methods in LCIA modeling. A midpoint habitat change potential (HCP) indicator assessing the impact of flow alteration on instream habitats of fish and invertebrates was developed. The new model has been tested on the French river network at the river reach scale, characterizing habitat change in wet and dry seasons. HCPs were then aggregated at watershed scale. The new model was subsequently generalized to allow global extension. Input variables of the generalized HCP model have been calculated from existing databases and models on a monthly resolution. Limitations, uncertainty and research perspectives of the new approach are discussed.

La présence d’arbres en milieu urbain, où vit plus de la moitié de la population mondiale, participe à l’amélioration de la qualité́ de vie des citadins par les services écosystémiques qu’ils nous rendent. Cependant, de nombreuses études ont mis en évidence l’importante mortalité́ et la faible espérance de vie des arbres en ville du fait des stress hydriques. Nos résultats dendroclimatiques ont pu montrer qu’en comparaison avec les arbres de parc urbain ou d’arboretum, les arbres de rue ont généralement une croissance plus faible. Les précipitations en automne et au printemps semblent jouer un rôle prépondérant pour la croissance annuelle des tilleuls argentés urbains. Nos résultats sur le niveau des réserves (lipides et glucides) montrent que les arbres en condition de stress hydrique pourraient activement réguler leurs réserves de C selon une stratégie de survie à long terme. Les jeunes tilleuls argentés, quant à eux, semblent privilégier l’allocation du C dans la croissance radiale. Nos résultats sur la signature isotopique en 18O et en 2H des sources d’eau en ville, indiquent enfin que les arbres en rue semblent dépendre principalement de l'eau du sol très superficiel (couche 0-20 cm). Cette eau est un mélange d'eau de pluie et d'eau non potable plus ou moins évaporées, bien que ces arbres ne soient soumis à aucune stratégie d'irrigation particulière à Paris. Les arbres les plus matures en rue semblent disposer d’une plus faible disponibilité́ en eau due à la plus forte évaporation des sols en surface. En conclusion, cette étude appelle à (i) la protection des sols nus d’une évaporation excessive, et (ii) une irrigation en harmonie avec la phénologie. / The presence of trees in urban areas, where more than half of the world's population lives, contributes to improving the quality of city through ecosystem services they provide. However, many studies have shown that urban trees face high mortality rates and low life expectancy due to water stress. Dendroclimatic results have showed that, in comparison with the urban park or arboretum trees, street trees generally have lower annual growth rate. Precipitation in autumn and spring seem to play the main role in the annual growth of urban silver lindens. Reserve measurements (lipids and carbohydrates) show that trees under water stress could priorize C reserves as a long-term survival strategy. On the contrary, younger silver lindens seem to favor the allocation of C in the radial growth. Our results on the isotope signature in 18O and 2H of water sources in the city, indicated that street trees seem to depend mainly on soil water in upper layers (0-20 cm layer). This water is a mixture, more or less evaporated, from precipitation and non potable water, although street trees are not subject to any particular irrigation strategy in Paris. Larger street trees seem to have lower water availability due to increase of surface soils evaporation. To conclude, This study would rethink current irrigation strategies in the city, focusing on (i) the protection of bare soil from excessive evaporation, and (ii) an irrigation in harmony with the phenology of species.