L'activité agricole peut entraîner un déséquilibre des cycles du carbone (C) et de l'azote (N) dans les écosystèmes terrestres naturels et entrainer une diminution des stocks de C et N dans le sol, une augmentation de la lixiviation du nitrate et des pertes d'azote par voie gazeuse. Pour réduire ces impacts environnementaux, la mise en place de systèmes agricoles innovants et durables est encouragée, tels que les systèmes à bas niveau intrants, l'agriculture de conservation ou l'agriculture biologique. Les objectifs de cette thèse sont i) de quantifier l'impact à long terme des différents systèmes de culture sur le devenir du carbone et de l'azote dans le système sol-plante-atmosphère et ii) de simuler la dynamique de ces éléments avec le modèle agro-environnemental STICS. À cette fin, nous avons étudié trois essais de longue durée : l'essai de La Cage (France) établi en 1998, l'essai DOK (Suisse) débuté en 1978 et l'essai Foulum (Danemark) créé en 1998. Alors que l'essai de La Cage a permis une quantification in situ du stockage du carbone et de l'azote organiques du sol, de la lixiviation de l'azote, des émissions de protoxyde d’azote (N2O) et de la balance des gaz à effet de serre pour des systèmes de culture alternatifs, les essais danois et suisses ont permis l'estimation in silico du devenir du C et N en agriculture biologique, après adaptation du modèle STICS pour simuler de nouvelles pratiques culturales. Après 16 années d’expérimentation, une accumulation annuelle significative de SOC et de SON a été observée en agriculture et en agriculture biologique à La Cage, alors qu'aucun changement significatif n'a été observé dans les systèmes conventionnels et bas intrants. La minéralisation spécifique de SOC et SON des quatre systèmes, simulée sur AMG et mesurée lors d’incubation des sols pendant quatre mois, s’est montrée équivalente entre systèmes. Le stockage de C et N observé dans les systèmes de conservation et biologiques s’explique principalement par l'augmentation des résidus de cultures plutôt que par l'effet du non-labour en agriculture de conservation. De plus, le surplus azoté (différence entre apports et exportations d’azote) a été calculé pour chaque système de culture. Le devenir de l’excédent d’azote a été estimé entre stockage de N dans le sol, pertes gazeuses et lixiviation de l'azote. Les émissions cumulatives de N2O mesurées en continu pendant plus de trois ans sont fortement corrélées avec les pertes totales calculées de N par voix gazeuse (volatilisation et dénitrification), ces pertes étant les plus importantes dans le système de conservation. Enfin, la réalisation d’un bilan complet des émissions de GES a montré de fortes différences entre système et des phénomènes de compensation entre stockage et perte de C et N. Le modèle sol-culture STICS a ensuite été utilisé pour simuler le devenir de l’azote dans les essais DOK et Foulum. Après une adaptation du modèle, sa calibration et son évaluation ont été réalisées permettant de simuler de façon satisfaisante les rendements, l'absorption de N, le surplus de N et l’évolution des stocks de SON dans les systèmes conventionnels et biologiques. Les simulations suggèrent que le devenir de l’azote dans ces systèmes peut être contrasté en fonction de la fertilisation et de la gestion des cultures et que les pertes d'azote ne sont pas systématiquement réduites en agriculture biologique par rapport au conventionnel. Cette thèse remet en question les appréciations simplistes qui associent systématiquement systèmes de culture alternatifs et diminution des impacts environnementaux liés aux cycles de C et N / Agricultural activities can lead to imbalanced carbon (C) and nitrogen (N) dynamics compared to natural terrestrial eco-systems, causing potential damages for soil, water and air quality. Among these prejudices, decreased soil C and N stocks, increased nitrate leaching in waters and gaseous N emissions towards the atmosphere are of a major concern. To reduce these environmental impacts, innovative and sustainable farming systems are promoted, such as low inputs cropping systems, “conservation” agriculture or organic farming. The objectives of this work were i) to quantify the long term impact of different alternative cropping systems on the fate of C and N in the soil-plantatmosphere system and ii) to simulate C and N dynamics with the agro-environmental model STICS. For this purpose, we studied three long-term field trials: the experiment of La Cage (France) established in 1998, the DOK (Switzerland) started in 1978 and the Foulum Organic (Denmark) established in 1998. The methodological approach combined experimentation and modelling. While La Cage trial enabled an in situ quantification of soil organic C and N storage, N leaching, nitrous oxide (N2O) emissions and greenhouse gas (GHG) balance in alternative cropping systems compared to conventional, the Swiss and Danish experiments were used for in silico estimation of the C and N fates in organic cropping systems, after adaptation of the STICS model, followed by calibration and evaluation of the model. Significant annual SOC and SON accumulation was found under conservation agriculture and organic farming at La Cage, whereas no significant change was observed in the low input and the conventional systems. No difference of specific SOC and SON mineralization rates was found between systems in vitro or in silico : we conclude that the higher C and N storage in soil observed in the conservation and organic systems was mainly driven by increased crop residues, rather than by the effect of no tillage practiced in conservation agriculture. The N surplus, i.e. the difference between N inputs and N exports at the field scale, varied widely between treatments. The fate of this N surplus also varied between systems with wide variations in SON storage and gaseous losses but no differences in N leaching. The cumulative N2O emissions measured continuously for three years were highly correlated with the calculated gaseous N losses (volatilization and denitrification), with higher losses in the conservation system. These calculations allowed establishing a full GHG balance. Therefore the four agricultural systems dissimilarly impacted the N fate, which could not be predicted by the N surplus alone. The GHG balance is a much better indicator of the environmental impact of cropping systems relative to C and N fluxes. In the Danish and Swiss experiments, the soil-crop model STICS was used to mimic crop production, N uptake and N surplus. The model was first adapted and evaluated to simulate organic farming systems. The model could satisfactorily simulate crop production, N uptake, N surplus and SON storage in the organic and conventional systems of these two longterm experiments. Model outputs suggested that the N fate could be contrasted according to fertilization and crop management, and that N losses were not systematically reduced in organic compared to conventional cropping systems. This study challenges the frequent belief that alternative cropping systems systematically improve the global C and N environmental impacts of agriculture.

Les agrosystèmes représentent une importante part des terres émergées (plus d'un tiers de la surface au sol en Europe) et sont au cœur de nombreuses problématiques de développement durable. Ils sont consommateur d'eau et produisent des gaz à effet de serre (GES) qui contribuent aux changements climatiques en cours, ceux-ci ayant en retour des impacts encore difficiles à prévoir sur le fonctionnement et la gestion des agrosystèmes. L'étude des cycles biogéochimiques au sein des agrosystèmes est donc fondamentale. Le principal objectif de ces travaux de thèse a été d'étudier le fonctionnement carboné et hydrique des agrosystèmes à partir du suivi de la végétation (phénologie, biomasse, surface foliaire) et de mesures micro météorologiques d'échanges de matière (CO2, H2O) et d'énergie à l'interface entre le système sol/couvert et l'atmosphère sur deux parcelles agricoles expérimentales situées au Sud Ouest de Toulouse. L'ensemble de ces travaux a permis de montrer que la mesure des flux par la méthode des fluctuations turbulentes (EC) permet de quantifier les bilans de carbone et d'eau des agrosystèmes et d'étudier certains des processus physiques et écophysiologiques à l'origine des différents flux. A partir de ces mesures, une analyse des flux et bilans d'eau et de carbone a été effectuée. Une méthode de calcul des écobilans intégrant les émissions de GES liées aux pratiques culturales a été établie pour nos sites et appliqués aux parcelles expérimentales de cultures du réseau Européen CarboEurope-IP, représentant un panel important de cultures et de pratiques culturales. Les mesures annuelles de flux net de CO2 à l'interface sol/couvert et atmosphère ont montré que les agrosystèmes se comportent le plus souvent comme des puits atmosphériques de carbone. Cependant, la prise en compte des imports de carbone (fertilisation organique et semences) et des exports de carbone au moment de la récolte en plus des mesures de flux net vertical au dessus de la parcelle a permis de montrer que le bilan de carbone des cultures correspond rarement à un puits et que le plus souvent il est une source de carbone pour l'atmosphère (127 ± 243 g C m-2 an-1 pour 41 années-sites du réseau CarboEurope-IP). En moyenne, pour ces 41 années-sites étudiés, le flux net vertical de CO2 représentait 37 % du bilan de carbone (soit 88 % des entrées de carbone dans la parcelle), les apports de carbone sous forme de fertilisation organique et de semences représentaient 5 % du bilan (soit 12 % des entrées de carbone) et les exports de carbone au moment de la récolte représentaient 58 % du bilan. Les émissions de GES liées aux pratiques culturales représentaient en moyenne seulement 7.6 % du bilan de GES. Ces résultats montrent qu'il est donc fondamental de considérer les flux biosphériques de CO2 (qui représentent 88 % des entrées de carbone) dans le bilan annuel de GES de la parcelle sans quoi ce bilan serait très fortement surestimé. L'efficience de l'utilisation de l'eau (WUE) a été abordée à travers des points de vue agronomiques (production de biomasse par quantité d'eau évapotranspirée) et environnementaux (production nette de carbone de l'écosystème par quantité d'eau évapotranspirée). Ces approches pouvaient parfois produire des résultats contradictoires dans le cas de cultures avec de fortes exportations de biomasse (cas du maïs utilisé pour l'ensilage par exemple) et doivent donc être précautionneusement pris en compte dans l'optique d'une gestion durable des agrosystèmes. Finalement les mesures de flux ont permis 1) de tester une première version du modèle ICASTICS qui permettra de mieux comprendre les processus et de simuler les différentes composantes des flux nets d'eau et de carbone des agrosystèmes pour une gamme importante de cultures, de modes de gestions et de conditions climatiques. 2) de faire évoluer le modèle SAFY pour qu'il puisse calculer des flux et bilans d'eau et de carbone à des échelles supérieures a celles de la parcelle, en utilisant des données de télédétection, dans une perspective de gestion des ressources.

L'agriculture représente 10-15 % des émissions anthropiques de gaz à effet de serre (GES), ce qui justifie que ce secteur soit amené à jouer un rôle dans la lutte contre les changements climatiques. Les échanges de GES entre agro-écosystèmes et atmosphère font intervenir trois composés : le protoxyde d'azote (N2O), le méthane (CH4) et le dioxyde de carbone (CO2). La prédiction de ces échanges de GES nécessite de prendre en compte les processus sous-jacents au sein du système sol-plante, qui sont fortement régulés par les conditions agro-pédoclimatiques. L'utilisation de modèles biophysiques est actuellement une approche très prometteuse en ce sens, mais encore en émergence. La problématique centrale de ce travail de thèse est l'estimation du pouvoir de réchauffement global des agro-écosystèmes, basée sur une modélisation biophysique des agro-écosystèmes et de leurs échanges de GES avec l'atmosphère. Le développement du modèle CERES-EGC a permis d'estimer ses paramètres, grâce à une méthode originale de calibration bayésienne, et d'évaluer son erreur de prédiction pour la simulation des flux de N2O et de CO2 à l'échelle de la parcelle. Ce modèle est désormais en mesure de prédire le bilan de GES des systèmes de cultures. L'application du modèle sur des sites expérimentaux aux conditions pédoclimatiques contrastées a permis de quantifier le pouvoir de réchauffement global de systèmes de cultures à l'échelle de rotations et de tester différentes stratégies de mitigation. L'utilisation et le développement du modèle dans une perspective d'extrapolation spatiale permet de produire des inventaires d'émissions de GES par les surfaces agricoles à échelle régionale.

Au Brésil, les systèmes de culture en semis direct couvrent aujourd'hui près de 20 millions d'hectares et se révèlent bien adaptés agronomiquement aux exigences tropicales. Cette thèse étudie, à partir d'une importante collecte de données au champ complétée par des expérimentations en laboratoire et des simulations, la séquestration du carbone (C) sous semis direct sous couverture végétale (SCV) en comparaison avec un système de culture avec travail du sol (offset, OFF) à l'échelle du cycle cultural sur un dispositif expérimental de la région des Cerrados. <br />Dans un premier temps, nous avons étudié les stocks de C des sols en 2003 et les avons comparés aux stocks initiaux (1998). Nous avons constaté une augmentation du stockage de C en surface (0-10 cm) sous SCV, en comparaison avec OFF, de l'ordre de 0,35 t C.ha-1.an-1, ce qui correspond à 10% environ des résidus de couverture restitués au sol. Une analyse par fractionnement granulométrique de la matière organique (MO) a montré que le C nouvellement stocké est localisé essentiellement dans les fractions fines (< 50 µm) dont la MO est généralement considérée comme relativement stable. Cependant, si les pratiques de non-travail augmentent le stockage de C dans le sol, elles pourraient toutefois favoriser les émissions de N2O et CH4. <br />Dans un second temps, nous avons donc mesuré les flux de CH4 et N2O à la surface du sol à l'aide de chambres statiques, les concentrations en CO2 et N2O à différentes profondeurs du sol, ainsi que les déterminants de production et d'émission des GES (température, azote minéral, teneur en eau). Aucune différence significative n'a été notée entre les deux systèmes pour les flux de CH4 et N2O. Les émissions annuelles mesurées de N2O correspondent à 0,03% de la quantité d'azote apportée par fertilisation sur les parcelles, ce qui est très faible mais non contradictoire avec la littérature existante sur les Cerrados. Les émissions de CH4 sont faibles également. En équivalent C-CO2, la somme des émissions de N2O et CH4 correspondent à 6,0 et 7,8 kg C.ha-1.an-1 pour SCV et OFF respectivement. Finalement, le bilan mesuré pour la séquestration du C (en équivalent C-CO2), considérant l'ensemble des flux de CO2 (approché par les variations de stocks de C du sol), de N2O et de CH4 (par mesures directes à la surface du sol) est de 351,8 kg C.ha-1.an-1, et donc bien en faveur du système SCV. <br />Cependant, l'estimation des bilans de N2O et CH4 au champ souffre de la grande variabilité et de la discontinuité des mesures de terrain. Aussi, avons-nous mené une expérimentation en laboratoire visant à caractériser, dans le cas de N2O, les potentiels d'émission par dénitrification et nitrification. Les résultats permettent de classer le sol étudié comme peu émetteur de N2O. Nous avons par la suite utilisé ces mesures, ainsi que la base de données acquises au champ, afin de renseigner le modèle NOE (Nitrous Oxide Emissions) de simulation des émissions de N2O. Ce modèle nécessitant une connaissance précise des humidités du sol, et celles-ci étant considérées comme un déterminant clé des émissions de N2O, elles ont été simulées par le modèle PASTIS afin de renseigner en continu le modèle NOE. Ces simulations sur l'ensemble du cycle cultural ont permis de montrer que (i) le sol étudié, qu'il soit sous SCV ou sous OFF, est très faiblement émetteur de N2O (et de CH4), (ii) les émissions de N2O par nitrification et par dénitrification s'ajoutent au cours du cycle cultural, (iii) les émissions par dénitrification représentent des évènements ponctuels, d'amplitude très importante (15 fois l'ordre de grandeur de l'émission par nitrification), (iv) la contribution de la nitrification aux émissions de N2O n'est pas négligeable et s'élève à 35 et 31% pour SCV et OFF respectivement et que (v) les mesures au champ semblent estimer essentiellement les flux de N2O liés a la nitrification. Le nouveau bilan « simulé » confirme le bilan « mesuré » au champ avec une séquestration du C sous SCV d'environ 320 kg C.ha-1.an-1. <br />La potentiel de séquestration du C des SCV confère à ces systèmes de culture un intérêt environnemental supplémentaire en conditions tropicales.

L'air interstitiel extrait du névé de 4 sites polaires nous a donné accès à des échantillons atmosphériques âgés jusqu'à une centaine d'années en quantité suffisante pour l'analyse de la composition isotopique du CH4, considéré comme le second gaz responsable de l'effet de serre induit par l'Homme. L'optimisation d'un dispositif expérimental particulièrement sensible (CF-IRMS) nous a ainsi permis de mesurer le rapport 13CH4/12CH4 d'échantillons d'air pompé à diverses profondeurs du névé dont les résultats, sur 2 des 4 sites étudiés, sont en remarquable concordance avec les rapports mesurés par une autre méthode (TDLAS) au sein du MPI de Mayence (Allemagne). A partir des profils obtenus dans le névé, et grâce à l'utilisation récursive d'un modèle physique de transport diffusif des gaz à travers le névé, nous avons alors pu reconstruire un historique probable du rapport 13CH4/12CH4 dans l'atmosphère au cours du dernier siècle. La contrainte ainsi apportée sur l'évolution du bilan atmosphérique du CH4 nous a permis de confirmer l'hypothèse existante d'une responsabilité primordiale des sources d'origine anthropique dans l'augmentation de 150 % de la teneur en CH4 de l'atmosphère depuis la révolution industrielle. Nous avons également utilisé cette contrainte afin de valider, à travers l'utilisation d'un modèle atmosphérique global, la pertinence de l'hypothèse d'une réduction de 20 % de la capacité oxydante de l'atmosphère depuis 1885. Par ailleurs, une collaboration avec le PSSRI de l'Université d'Open (Royaume-Uni) nous a permis de reprendre la mise au point d'une technique de mesure du rapport CH3D/CH4 dans l'air, que nous avons tenté d'appliquer aux échantillons provenant de 2 des 4 sites déjà considérés en 13C/12C. Enfin, nous avons mis au point et testé avec succès une méthode sensible d'extraction et d'analyse du CH4 de l'air contenu dans les glaces polaires, qui pourra par conséquent être mise en oeuvre pour l'analyse de l'air pré-industriel.

L'Analyse de Cycle de Vie (ACV) permet de comptabiliser les émissions de la production à la combustion d'un biocarburant mais elle ne prend pas en compte la dynamique locale de ces émissions, notamment celle des émissions de N2O, principal gaz à effet de serre agricole. Notre objectif fut d'abord d'analyse l'effet du tassement du sol sur les émissions de N2O en combinant expérimentation et modélisation. À l'aide de chambres automatiques sur des parcelles de betterave, nous avons mesuré en 2007-2008 des émissions cumulées de 944-977 g N-N2O ha-1 en sol non tassé et 1,448-1,382 g N-N2O ha-1 en sol tassé. Les émissions plus importantes sur le tassé furent surtout dues aux conditions anoxiques propices à la dénitrification. Nous avons modifié le modèle NOE pour mieux simuler la nitrification et la variation des fractions de N2O sur les produits totaux. Malgré une meilleure prédiction de la nitrification et des flux post-fertilisation, le modèle modifié NOE2 sous-estima les émissions totales. La sévère sous-estimation en été montre que les cycles sec-humides peuvent entraîner de fortes émissions dont le déterminisme n'est ni élucidé ni modélisé. Nous avons ensuite utilisé un modèle d'agro-écosystème (CERES-EGC-NOE2) pour produire les données d'inventaire pour nos ACV locales. L'éthanol de Miscanthus produit en Picardie entraîne potentiellement beaucoup moins d'impacts environnementaux que celui de betterave. Comparés à l'essence, l'éthanol de Miscanthus permettrait une réduction de gaz à effet de serre de 82-85% par MJ, celui de betterave une réduction de 28-42% par MJ en fonction des conditions pédo-climatiques et des pratiques agricoles locales.

Cette thèse vise à clarifier le panorama actuel des résultats d'Analyse de Cycle de Vie (ACV) pour les carburants issus de cultures végétales, en vue d'identifier le potentiel et les marges de manœuvre de ces filières, pour la consommation d'énergie et les émissions de Gaz à Effet de Serre (GES). A cette fin, après une analyse bibliographique de la méthodologie d'ACV, les études existantes sur les carburants végétaux de première génération sont revues et les causes de leurs disparités identifiées par une analyse de sensibilité portant sur les paramètres méthodologiques et les données. Il apparaît que les choix méthodologiques ont un impact prépondérant sur les résultats finaux, et des recommandations sont formulées quant à la réalisation de ces études d'ACV. Le lien étroit entre résultats d'ACV et localisation de la production est également relevé. Une simulation simplifiée des procédés a ensuite été effectuée pour mesurer l'impact sur les bilans d'ACV de variantes technologiques ou de modes de valorisation des co-produits. Si la valorisation énergétique des co-produits montre le potentiel d'économies le plus important, sa rentabilité n'est assurée que pour des prix du baril élevés et des cours des marchés agricoles modérés, et les économies de GES réalisées par hectare mobilisé sont moindres que dans les cas de référence. Enfin la méthodologie de l'ACV est complétée en intégrant le rôle des sols en tant que puits de carbone au sein des frontières du système. Ceci a conduit à proposer un cadre temporel de comparaison des scénarios plus précis, ainsi qu'à définir une méthode dynamique de pondération des GES en fonction de leur année d'émission, cohérente avec les usages actuels des pouvoirs radiatifs des gaz. Son application à deux cas d'étude de changements d'usage des sols démontre la nécessité de définir, pour la production de carburants végétaux, des critères d'efficacité d'usage des sols en plus de ceux relatifs aux économies de GES de la directive 2009/28/CE.

L'objectif de ce travail est d'étudier et de contribuer à améliorer la capacité des liquides ioniques pour l'absorption sélective de dioxyde de carbone. Pour cela nous avons envisagé la fluorination partielle des cations ou des anions constituant les liquides ioniques. Nous avons sélectionné des liquides ioniques partiellement fluorés à étudier, dont trois ont été synthétisés dans ce travail. Dans un premier temps, nous avons étudié l'impact de la structure des liquides ioniques purs sur leurs propriétés thermophysiques telles que la masse volumique, la viscosité et la stabilité thermique. Dans un deuxième temps, nous avons étudié les propriétés thermodynamiques de mélanges des liquides ioniques avec des gaz ou des liquides. La miscibilité de l'eau a ainsi été étudiée en fonction de la température. Nous avons mesuré la solubilité de cinq gaz (dioxyde de carbone, protoxyde d'azote, éthane, azote, hydrogène) dans les liquides ioniques, pour des températures comprises entre 298 K et 343 K et des pressions proches de la pression atmosphérique. La simulation moléculaire a été utilisée afin d'identifier les sites préférentiels de solvatation de dioxyde de carbone et d'éthane, et de proposer des mécanismes moléculaires de solvatation de ces gaz. Les coefficients de diffusion du dioxyde de carbone et de l'éthane dans les liquides ioniques ont été calculés. Nous avons déterminé l'enthalpie de solution et la limite de solubilité du dioxyde de carbone en fonction de la pression à 313 K utilisant une technique calorimétrique à écoulement.

Proefschrift : Leiden : 1999. / Notes bibliogr.

L'analyse de cycle de vie (ACV), telle qu'elle est pratiquée aujourd'hui, peut conduire à des résultats biaisés. L'utilisation de cet outil s'avère particulièrement sensible dans des cadres réglementaires. En effet, au lieu d'inciter les entreprises à réduire leurs impacts sur l'environnement, les certifications obtenues à partir des ACV risquent de produire un effet contraire : comme elles tendent à récompenser des moyennes industrielles plutôt que les résultats propres aux entreprises, elles peuvent détruire toute incitation pour ces dernières à agir correctement sur le plan environnemental. Dans cette thèse nous proposons des éléments de réflexion en matière de gestion pouvant être utiles à l'évolution de l'ACV à partir d'une étude de cas sur l'évaluation de la soutenabilité d'une filière biodiesel issu d'huile de palme brésilienne dans le cadre de la Directive EnR. Trois principaux résultats émergent de ce travail doctoral. Le premier se rapporte à la réflexion que nous menons sur l'évaluation de la durabilité imposée par la Directive EnR. Le deuxième renvoie aux réponses concrètes sur l'évaluation de la filière biodiesel évaluée à l'égard de la Directive, notamment par rapport aux émissions de gaz à effet de serre. Le troisième résultat concerne l'identification des besoins latents en matière d'évaluation de qualité des données d'ACV