L’eutrophisation et le réchauffement climatique sont reconnus comme des forçages majeurs du fonctionnement des lacs. Toutefois les connaissances concernant la réponse des communautés microbiennes eucaryotes à ces forçages sont encore très lacunaires, alors même que les microbes eucaryotes, porteurs d’une vaste diversité taxonomique et fonctionnelle, sont des acteurs clés des réseaux trophiques lacustres. La pertinence des approches paléolimnologiques pour comprendre les impacts de ces forçages sur les communautés lacustres n’est plus à démontrer, mais aujourd’hui l’intégration des outils moléculaires pour analyser l’ADN archivé dans les sédiments offre des opportunités nouvelles pour reconstituer la dynamique passée de la biodiversité lacustre. Dans ce cadre, en s’appuyant sur le couplage entre paléolimnologie et outils de séquençage massif appliqués à l’ADN sédimentaire, ces travaux ont pour but (i) d’apporter des connaissances concernant la préservation de l’ADN des microbes eucaryotes dans les sédiments lacustres (ii) d’appliquer l’approche de paléogénétique sur des carottes sédimentaires issues de 3 lacs pour révéler la dynamique à long terme (de la décennie au millénaire) des microbes eucaryotes en lien avec l’évolution des conditions climatiques et anthropiques. Les résultats acquis sur le lac du Bourget ont permis de mettre en évidence l’efficacité d’archivage de l’ADN planctonique dans les sédiments récents pour la plupart des groupes eucaryotes (notamment chrysophycées, chytrides, chlorophytes, cercozoaires, ciliés, dinophycées). A partir d’une collection de carottes (issues du lac suédois Nylandssjön), l’effet de la diagénèse s’opérant au cours des premières années d’enfouissement a été évalué, permettant de démontrer que si la richesse taxonomique n’est pas impactée, des variations peuvent être détectées dans la structure de la communauté au cours des 10 premières années d’archivage avec une stabilisation du signal au-delà de cette période. L’approche paléogénétique a, en parallèle, été déployée d’une part à l’échelle du siècle sur deux lacs de même typologie mais ayant subi des niveaux d’eutrophisation contrastés, et d’autre part à une échelle temporelle plus longue (2200 ans) pour deux lacs de typologie contrastée (lac du Bourget, France et Igaliku, Groenland). Les résultats acquis démontrent que des réarrangements des communautés s’opèrent de manière concomitante aux périodes climatiques (réchauffement médiéval, petit âge glaciaire, réchauffement récent), et que le réchauffement climatique au cours des 30 dernières années a plus particulièrement favorisé certains groupes, notamment la richesse et l’abondance des dinophycées (en condition non eutrophe ; lac d’Annecy et du Bourget). Toutefois l’effet de l’eutrophisation est identifié comme le facteur le plus structurant, notamment dans le lac du Bourget (cas d’eutrophisation marquée, ~120 µgP.L-1). La forte influence du niveau d’eutrophisation est détectée sur la communauté eucaryote totale et plus particulièrement sur des groupes spécifiques tels que les chlorophytes et les ciliés. Les réarrangements majeurs de la communauté sont par ailleurs marqués par la mobilisation de taxons rares dans l’assemblage microbien eucaryote suggérant le rôle de la biosphère rare dans la capacité tampon des écosystèmes. Ces travaux pluridisciplinaires comptent parmi les premières études paléogénétiques appliquées aux microbes eucaryotes lacustres, contribuant de manière inédite aux connaissances de leur dynamique temporelle à long terme. Ces études tendent à confirmer le potentiel de ces approches pour reconstituer une vaste diversité de communautés lacustres. Les perspectives qui se dessinent dans la continuité de ces travaux concernent à la fois des aspects méthodologiques autour de la calibration du signal ADN archivé et la nécessité de déployer cette approche pour des lacs (sélectionnés) de typologies et histoires écologiques variées. / Eutrophication and climate warming are key factors governing lake functioning. However, there is a lack of knowledge about the response of microbial eukaryotic communities to these forcing factors even though microbial eukaryotes represent a huge taxonomic and functional diversity within lacustrine trophic networks. Paleolimnology has a well-established reputation for providing valuable insights into the drivers of biological assemblages over long time scales. The emergence of DNA analyses of lake sediments opens up many new opportunities for the reconstruction of past lacustrine biodiversity, including taxa that do not leave distinct morphological fossils. The present work aimed (i) to gain knowledge about the preservation of microbial eukaryotes DNA in lacustrine sediments (ii) to apply DNA-based methods to dated sediments in order to reveal the long-term dynamics (centennial to millennial) of microbial eukaryotes related to climatic and anthropogenic changes. The results obtained for Lake Bourget demonstrated the good efficiency of planktonic DNA archiving in recent sediments for most of microbial groups (chrysophyceae, chytrids, chlorophytes, cercozoa, ciliates, dinophyceae …). In complement, the use of a unique collection of freeze cores of varved sediment (Lake Nylandssjön, Sweden) allowed to assess the effects of diagenetic processes on microbial eukaryotes DNA occurring during the first years of burying. While the richness of the microbial eukaryotic community was not impacted, modifications were detected on the community structure during the first 15 years after deposition, then the DNA signal became stable. The paleoecological approach was applied to quantify centennial to millennial-scale dynamics on two deep peri-alpine lakes selected for their contrasted trophic history (lakes Bourget and Annecy, France) and two lakes with contrasted typologies (Lake Bourget, France and Lake Igaliku, Greenland). The results showed that some community rearrangements were concomitant with climate events (i.e. medieval warming, little ice age, recent warming) and that the recent climatic warming (over the last 30 years) favored more particularly some microbial groups including the dinophyceae (in terms of richness and relative abundance, in lakes Annecy and Bourget). However, the eutrophication seemed to prevail as a driver of these biological assemblages, in particular for Lake Bourget submitted to a marked eutrophication (up to 120 µg P. L-1 in the 1970s). The strong impact of the eutrophication was detected both at the whole community level and for specific groups such as chlorophytes and ciliates. Major rearrangements within eukaryotes community were also marked by the mobilization of rare taxa suggesting an important role of the rare biosphere as a reservoir of diversity to buffer the impacts of environmental stress. This multidisciplinary work thus provide new insights into the long-term dynamics of microbial eukaryotes communities. Our results confirm the potential of the application of high-throughput sequencing to sedimentary DNA for the lacustrine biodiversity reconstruction. Although these approaches are promising for further revolutionizing our understanding of long-term ecological dynamics, careful calibration studies are still to be conducted, as with any paleolimnological proxy. The generalization of our results is also to be tested using a sufficient number of lakes selected for their specific typologies and ecological histories (multi-lakes approach).

Ce travail a pour objectif d’étudier les conditions physicochimiques qui causent dans la Loire des développements excessifs de phytoplancton, et de mettre en évidence les modifications des équilibres biogéochimiques qui en résultent. L’analyse des variables de l’eutrophisation a été conduite sur plusieurs niveaux d’échelle temporelle et spatiale, sur la base de longues chroniques de qualité de l’eau (1980- 2012), de données acquises à l’échelle journalière pendant la thèse (2012-2014), et d’un modèle numérique biogéochimique à résolution horaire. Depuis les conditions hypereutrophes des années 1980, la biomasse phytoplanctonique qui se développe en période estivale a été réduite d’un facteur 2,5 dans la Loire et dans ses affluents, de manière concomitante avec la baisse généralisée d’un facteur 3 des teneurs en phosphore biodisponible, liée au contrôle des rejets ponctuels urbains et industriels. Le fleuve de la Loire (France) reste cependant sensible à l’eutrophisation, du fait d’une forte pression agricole et urbaine, des étiages prononcés, et une morphologie fluviale à chenaux multiples qui ralentit l’écoulement, laissant pleinement au phytoplancton le temps de se développer. Lorsque les conditions hydrologiques le permettent, le développement du phytoplancton impacte fortement le fonctionnement de l’écosystème, en agissant significativement sur les cycles biogéochimiques des nutriments, du carbone et de l’oxygène. / This thesis aims at studying the physical and chemical causes and consequences that result from excessive phytoplankton growth in the Loire River. The analysis identified some parameters characterizing river eutrophication and was conducted on several spatial and temporal scales. This was based on long-term water quality time-series (1980-2012), a daily survey carried out during this work (2012-2014), and the numerical modeling of the river biogeochemical functioning with an hourly resolution. Phytoplankton development in summer was reduced 2.5-fold in the Loire River and in the main tributaries, synchronously with the generalized reduction 3-fold of bioavailable phosphorus as a result of controlling and limiting phosphorus point sources. However, the Loire River remains sensitive to eutrophication, with a significant urban and agricultural pressure, low water levels in summer, and its multiple channels morphology slowing down the water velocity. All these factors combined favor phytoplankton development. When hydrological conditions are favorable, phytoplankton grows and significantly affects the ecosystem functioning, with an impact on nutrients, carbon and oxygen biogeochemical cycles.

Un des enjeux importants de l’écologie est de comprendre comment les pratiques anthropiques affectent la biodiversité et quelles en sont les conséquences sur le fonctionnement des écosystèmes. L’objectif de cette thèse est d’améliorer la compréhension des mécanismes régissant les communautés végétales aquatiques, et plus particulièrement ceux liés aux perturbations anthropiques et aux phénomènes d’eutrophisation. Les méta-écosystèmes constitués de réseaux d’étangs agro-piscicoles sont des modèles d’étude adaptés à notre problématique car ils sont sous forte pression anthropique et présentent une forte variabilité environnementale. Dans un premier temps, nous avons étudié l’impact des modes de gestion des bassins versants sur l’eutrophisation des étangs. Dans un second temps, nous avons mesuré l’effet de l’eutrophisation sur la productivité et la diversité des communautés phytoplanctoniques. Enfin, nous avons relié 3 types de contraintes générées par les pratiques anthropiques (l’eutrophisation, l’assèchement et la connectivité entre les étangs) sur les communautés de plantes aquatiques en termes de diversité spécifique et fonctionnelle. L’effet de l’eutrophisation, le recrutement et l'établissement des communautés des plantes aquatiques a été abordé au travers de la relation entre la banque de graines et la végétation établie. L’eutrophisation est le facteur majeur responsable de la diminution de la biodiversité végétale dans les étangs. Cependant les perturbations récurrentes constituées par les assecs, engendrent une succession cyclique qui contribue à maintenir une forte biodiversité dans les étangs. / One important issue of research in Ecology is to understand how anthropogenic activities are influencing biodiversity and what are the consequences on ecosystem functioning. The aim of the study is to improve the knowledge of the mechanisms governing aquatic plant communities, particularly those related to human disturbance and eutrophication. Meta-ecosystems constituted by networks of fish-farming shallow lakes are study models adapted to our problematic because they are submitted to a strong anthropogenic pressure and because they show a high environmental variability. First, we studied the impact of watershed management practices on shallow lakes eutrophication. In a second step, we measured eutrophication effect on productivity and on diversity of phytoplankton communities. Finally, we were able to link 3 types of constraints generated by human practices (eutrophication, drying and connectivity between shallow lakes) to aquatic plant communities in terms of specific and functional diversity. The impact of eutrophication, recruitment and establishment of aquatic plant communities has been approached through the relationship between the seed bank and established vegetation. Eutrophication is the major factor responsible for the loss of plant biodiversity in shallow lakes. However frequent disturbances due to drying events induce a cyclic succession that helps maintain a high biodiversity.

Ce travail se situe dans le cadre d’un projet global visant à développer un procédé innovant pour un traitement ciblé de plantes aquatiques invasives dans une masse d’eau lentique. L’un des enjeux est d’optimiser la concentration de substance active nécessaire pour éliminer les plantes ciblées sans créer de potentiels dommages écologiques. Une méthodologie basée sur une approche de modélisation ascendante a été appliquée en utilisant la Mécanique des Fluides Numérique (MFN) afin de pouvoir définir des conditions optimales pour un traitement efficace. Cette approche de modélisation a été appliquée pour la simulation de l’écoulement et la dispersion des substances actives de l’échelle d’un pilote de 1m3 à celle de plans d’eau alimentés en surface et par le fond. Cinq modèles de turbulence ont été présélectionnés afin d’évaluer leur influence sur les résultats de simulation. Le modèle RNG k-ε a été choisi définitivement après sa validation par des traçages expérimentaux à l’échelle du pilote mimant le fonctionnement hydrodynamique d’un plan d’eau réel. Des mesures expérimentales sur pilote et des simulations numériques réalisées à l’échelle de celui-ci et sur quatre configurations de plans d’eau ont permis d’évaluer l’impact de plusieurs paramètres hydrodynamiques (débit, nombre d’entrées et sorties, type d’alimentation en eau, …) et des forçages extérieurs (vent, température) sur le maintien de la concentration algicide au cours du traitement. Le vent joue principalement le rôle d'un diffuseur naturel provoquant 95% de la dilution de la concentration algicide. La prise en compte de la vitesse de réaction chimique de la substance active dans l’eau indique également une diminution de la concentration locale de substance active. Le traitement optimal ne serait donc pas seulement lié à la maîtrise de la concentration à injecter mais à une bonne compréhension de l’écoulement local / This work is part of an overall project to develop an innovative process for targeted treatment of invasive aquatic plants in a lentic water body. One of the challenges is to optimize the concentration of active substance required to remove the target plants without creating potential ecological damage. A methodology based on a bottom-up modeling approach was applied using Computational Fluid Dynamics (CFD) in order to define optimal conditions for effective treatment. This modeling approach was used for the flow and the dispersion of active substance simulations from a 1 m3 pilot to lentic water bodies fed by surface water or groundwater. Five turbulence models were preselected in order to assess their influence on the simulation results. The RNG k-ε model was selected after final validation by tracer experiments at pilot scale mimicking the hydrodynamics of a real lentic water bodies. Experimental measurements on pilot and numerical simulations carried out on scale thereof with four configurations of lentic water bodies have allowed to evaluate the impact of several hydrodynamic parameters (water flow, number of inlets and outlets, type of water supply, …) and external forcing (wind, temperature) on maintaining of algaecide concentration during the treatment. The wind mainly acts as a natural diffuser causing 95% of diluting the algaecide concentration. Taking account of the rate of chemical reaction of the active substance in water also indicates a decrease of the local concentration of active substance. The optimal treatment is not only based to the control of injected concentration but it is also related to a good understanding of the local water flow

À l'interface bentho-pélagique, les herbiers marins présentent une multitude de rôles écosystémiques. Historiquement, les scientifiques et décideurs de La Réunion se sont focalisés sur l'écosystème récifal. Néanmoins, des prairies monospécifiques à Syringodium isoetifolium sont présentes de manière pérenne (3 hectares) au sein du complexe récifal de l'Ermitage / La Saline (côte ouest). L'objectif principal de cette étude était d'apporter les premières données sur l'écologie de ces herbiers marins. Ainsi, une approche pluridisciplinaire a été développée : 1. L'étude de la dynamique spatiale du paysage herbier sur 65 ans (dès 1950), et à l'échelle saisonnière (2013-2015) qui a permis de définir le rôle majeur des forçages hydrodynamiques et de l'eutrophisation. 2. L'analyse de la productivité de l'écosystème herbier et sa réponse métabolique face à des apports nutritifs, révèle des bilans métaboliques opposés (autotrophie/hétérotrophie) en fonction des conditions environnementales, ainsi qu'un rôle de tampon sur les flux de nutriments. 3. Des analyses isotopiques (δ13C et δ15N) ont permis d'identifier les sources de matière entrant dans l'écosystème et alimentant les réseaux trophiques associés aux herbiers. L'étude a permis d'établir un lien trophique entre Holothuria leucospilota et les herbiers marins ainsi qu'un rôle essentiel dans le maintien des populations de poisson herbivores récifaux. 4. Des enquêtes locales ont révélé une méconnaissance de cet écosystème malgré leur potentiel économique et écologique. À la lumière de ces travaux de thèse, la prise en considération des herbiers marins dans la gestion du milieu marin réunionnais est nécessaire. / Located at the benthos-pelagos interface, seagrass beds have many ecosystemic roles such as coastal protection or biodiversity. Historically, scientists and decision-makers at Reunion Island have been focusing on reef ecosystems. However, for several decades, monospecific (Syringodium isoetifolium) seagrass beds have been observed (3 hectares – 2013) within Ermitage / La Saline reef (West coast). The main objective of this study was to give the first data on seagrass ecology at Reunion Island. Therefore, a multi-disciplinary study was developed. First, seascape ecology of seagrasses is analyzed at decadal (since 1950) and seasonal scales (2013-2015). Physical settings (swell) and eutrophication were driving factors on the spatial dynamics of seagrass beds. Second, seagrass community metabolism and response to nutrient loads (nitrate and phosphate) show variations in metabolic budget (autotrophy to heterotrophy) and make seagrass beds a nutrient sink following the environmental conditions. Third, stable isotope analysis (δ13C and δ15N) identified sources of particulate matter entering the ecosystem and fueling food webs. The trophic roles of seagrass beds are assessed for echinoderm and herbivorous fish communities. This study highlighted a trophic link between seagrass and Holothuria leucospilota, and proved some species to be heavily dependent on seagrass ecosystem (Leptoscarus vaigiensis, Siganus sutor). Finally, interviews showed a lack of knowledge about this ecosystem despite crucial economic and ecologic roles. Considering their major functions, seagrass beds have to be considered in future management of the coastal marine systems at Reunion Island.

Titre de l'écran-titre (visionné le 29 février 2024) / Dans la vallée du Fraser en Colombie-Britannique, l'élevage intensif de vaches laitières produit d'importantes quantités de fumier. Le maïs ensilage (*Zea mays* L.), cultivé en rotation avec d'autres plantes fourragères telles que le ray-grass (*Lolium perenne* L.), représente la principale source d'aliments pour cet élevage intensif. Cet agroécosystème permet de recycler le fumier riche en nutriments comme le phosphore (P). Cependant, la culture du maïs ensilage dans la vallée du Fraser implique d'importantes applications de fumier et d'engrais de démarrage. Ceci entraine une accumulation de P dans les sols, augmentant le risque de perte de P vers les sources d'eau. De plus, le risque de mobilisation et de transport de P peut aussi être accéléré par les conditions hydriques des sols, notamment l'engorgement en eau, du fait des fortes précipitations qui s'accumulent dans les parcelles agricoles à cause du mauvais drainage des sols. Cette thèse, qui se déroule sur un sol riche en P dans la zone humide de la vallée du Fraser en Colombie Britannique, a pour objectif d'évaluer l'impact de régime d'humidité du sol, de la fertilisant en P sous forme de lisier de vache laitière, et de l'ajout de nitrate de fer sur (i) les rendements du raygrass et les exportations de P, (ii) la réduction de Fe$^\textup{3+}$ en Fe$^\textup{2+}$ et la solubilité et la mobilité du P, (iii) les activités microbiennes et les émissions de gaz à effet de serre, (iv) les activités enzymatiques, et (v) les pertes de P par lessivage. Dans les sols engorgés, le rendement en matière sèche du raygrass et l'exportation du P étaient inférieurs par rapport aux sols à capacité au champ. Une baisse du potentiel redox dans les sols engorgés a réduit le Fe$^\textup{3+}$ en Fe$^\textup{2+}$, entrainant une augmentation du pH du sol en 120 jours. Cette augmentation du pH est due à la consommation des ions H$^\textup{+}$ pendant la réduction microbienne des cations métalliques. Cette réduction de Fe$^\textup{3+}$ en Fe$^\textup{2+}$ dans les sols engorgés a libéré du P, du carbone organique dissous et de l'azote total dissous, reflétée par la diminution du P extractible à l'eau (Pw), du P extractible à la solution Mehlich-3 (P$_\textup{M3}$) et de l'indice de saturation en phosphore, mais une augmentation de la biomasse microbienne du C, du N (avant 120 jours) et des émissions de CO₂ et N₂O. L'ajout de nitrate de Fe$^\textup{3+}$ a inhibé la réduction de fer tout en stimulant les émissions de N₂O, indiquant la préférence du NO₃$^\textup{-}$ sur le Fe$^\textup{3+}$ comme accepteur d'électrons en conditions inondées. La réduction du fer et la libération des éléments tels que le P et le Fe dans les sols engorgés étaient plus marquées à la surface du sol qu'en profondeur. La libération accrue de carbone organique dissous et d'ions phosphatés dans les sols engorgés a diminué la demande en enzymes de 399 nmol MUF g$^\textup{-1}$ soil h$^\textup{-1}$ pour la β-glucosidase et de 1646 nmol MUF g$^\textup{-1}$ soil h$^\textup{-1}$ pour la phosphomonoestérase acide à la surface du sol (0-5 cm). Les conditions de l'engorgement ont cependant augmenté l'activité de la N-acétyl-β-glucosaminidase de 50.5 nmol MUF g$^\textup{-1}$ soil h$^\textup{-1}$ et accru l'azote total dissous de 9.1 mg kg$^\textup{-1}$ à travers toutes les profondeurs. L'apport de lisier au sol engorgé a diminué les activités enzymatiques extracellulaires, suggérant un apport suffisant en C, N, et P. Les activités enzymatiques et la biomasse microbienne étaient principalement confinées dans la couche superficielle du sol qui a été plus affectée par l'engorgement par rapport à la couche profonde. En conclusion, les conditions d'engorgement dans les sols entraînent des changements significatifs dans la chimie du P dans le sol et l'activité microbienne, conduisant à une diminution du rendement des cultures, à une modification de la dynamique des nutriments, et à une augmentation des pertes de nutriments et des émissions de gaz à effet de serre. La diminution des activités enzymatiques dans les sols engorgés et lors de l'application de lisier souligne la nécessité d'une gestion intégrée des nutriments et de l'eau dans les pratiques agricoles. / In the Fraser Valley of British Columbia (BC), intensive dairy farming produces large amount of manure. Silage corn (*Zea mays* L.), grown in rotation with other forage plants such as ryegrass (*Lolium perenne* L.), is the primary feed source for this intensive farming. This agroecosystem allows the recycling of nutrient-rich manure, like phosphorus (P). However, growing silage corn in the Fraser Valley involves significant applications of manure and starter fertilizers. This results in a buildup of P in the soils, increasing the risk of P loss to water sources. Additionally, the risk of mobilization and transport of P might be accelerated by soil water conditions, especially waterlogging, due to heavy rainfall accumulating in farmland because of poor soil drainage. This thesis, conducted on a P-rich soil in the humid area of the Fraser Valley, BC, aims to evaluate the impacts of soil moisture regime, P fertilizer levels in the form of dairy slurry, and iron nitrate addition on (i) ryegrass yields and P uptake, (ii) reduction of Fe$^\textup{3+}$to Fe$^\textup{2+}$and P solubility and mobility, (iii) microbial activities and greenhouse gas emissions, (iv) soil enzyme activities, and (v) P leaching. In waterlogged soils, ryegrass dry matter yield and exportation of P were lower compared to field capacity soils. A decrease in redox potential in the waterlogged soils reduced Fe$^\textup{3+}$ to Fe$^\textup{2+}$, leading to an increase in soil pH in 120 days. This increase in soil pH is due to the consumption of H$^\textup{+}$ ions during microbial reduction of metallic cations. This reduction of Fe$^\textup{3+}$ to Fe$^\textup{2+}$ in waterlogged soils released P, dissolved organic carbon (DOC), and total dissolved nitrogen (TDN), reflected by a decrease in water-extractable P (Pw), Mehlich-3 extractable P (P$_\textup{M3}$), and P saturation index (PSI) but an increase in microbial biomass C, N (before 120 days), and CO₂ and N₂O emissions. The addition of Fe$^\textup{3+}$ nitrate inhibited iron reduction while stimulating N₂O emissions, indicating the preference of NO₃$^\textup{-}$ over Fe$^\textup{3+}$ as an electron acceptor under waterlogged conditions. Iron reduction and the release of elements such as P and Fe in waterlogged soils were more pronounced at the topsoil than subsoil. The increased release of dissolved organic carbon and phosphate ions in waterlogged soils decreased the enzyme demand by 398.5 nmol MUF g$^\textup{-1}$ soil h$^\textup{-1}$ for β-glucosidase and by 1646.1 nmol MUF g$^\textup{-1}$ soil h$^\textup{-1}$ for acid phosphomonoesterase at the topsoil (0-5 cm). Waterlogged conditions on the other hand increased the activity of N-acetyl-β-glucosaminidase by 50.5 nmol MUF g$^\textup{-1}$ soil h$^\textup{-1}$ and raised the total dissolved nitrogen by 9.1 mg kg$^\textup{-1}$ across all depths. The application of slurry to waterlogged soil decreased extracellular enzymatic activities, suggesting a sufficient supply of C, N, and P. The activities of soil enzyme and microbial biomass were primarily confined to the topsoil, which was more affected by waterlogging compared to the subsoil. In conclusion, waterlogged conditions in soils lead to significant shifts in soil P chemistry and microbial activity, resulting in decreased crop yield, altered nutrient dynamics, and increased nutrient losses and greenhouse gas emissions. The decreased enzymatic activities under waterlogged soils and upon slurry application emphasize the need for integrated nutrient and water management in agricultural practices.

La sensibilité du lac Saint-Charles à l'eutrophisation a été démontrée. Des installations septiques sont soupçonnées de contribuer à son enrichissement en nutriments. La littérature révèle que certaines installations septiques âgées provoquent une contamination de la nappe, notamment en phosphore. Cette étude présente un modèle conceptuel de la contamination issue d’installations septiques basé sur la littérature et un portrait sommaire de l’hydrogéologie du bassin-versant du lac Saint-Charles. Des essais en colonnes ont été menés sur trois échantillons de sédiments récoltés dans la zone d’étude. Les résultats de ces essais suggèrent un épuisement éventuel des sites de rétention de phosphore et la libération de fortes concentrations de phosphore suite à l’introduction d’eau pure. La présence d’une zone oxydante augmente la quantité de phosphore retenue et diminue la réversibilité des mécanismes de rétention du phosphore. Les installations septiques contribuent probablement à l’eutrophisation du lac Saint-Charles, surtout lorsque leur conception ou utilisation ne favorisent pas l’oxydation de l’effluent. / The changes of Lac Saint-Charles toward eutrophication have been demonstrated. Septic systems are suspected to contribute to its enrichment in nutrients. Literature reveals that aged septic systems can lead to groundwater contamination, including release of phosphorus which is responsible for lacustrine eutrophication. This study presents a conceptual model of contamination from septic systems as described in the literature and a general description of the hydrogeology of lac Saint-Charles’ watershed. Column tests were carried out on three sediment samples from the study area. Results suggest an eventual exhaustion of retention sites and the release of important concentrations of phosphorus following the introduction of pure water. Presence of an oxidizing zone will increase the retention and diminish the reversibility of the phosphorus attenuation mechanism. Aged septic systems most probably contribute to lac Saint-Charles eutrophication, more importantly when their use or design do not favour effluent oxidation.

Le lac Saint-Augustin (Québec) est un lac montrant une eutrophisation avancée. L'eutrophisation, qui est un vieillissement accéléré d'un plan d'eau, est causée par l'apport excessif de phosphore (P) en provenance des sédiments qui sont contaminés en P et en métaux lourds. L'alimentation du lac est principalement souterraine ce qui contribue au relargage du P dans les eaux du lac. Un recouvrement actif est envisagé pour contrer le relarguage du phosphore. Ce recouvrement est constitué de calcite qui a la capacité d'adsorber le phosphore. Une étape préliminaire est envisagée afin de diminuer la teneur de phosphore dans la colonne d'eau par un traitement de coagulation/floculation avec de l'alun. Le projet de maîtrise vise à estimer la performance du recouvrement actif en essais en colonnes de grande taille. Ces essais reproduisent les conditions de terrain en laboratoire dans deux colonnes de près de trois mètres de hauteur. Les méthodes de réhabilitation y sont appliquées. Les deux colonnes sont différentes car seulement l'une des deux subit le prétraitement à l'alun à raison de 20 mg/l d'alun dans la colonne d'eau. Par contre, les deux colonnes contiennent la couche de recouvrement qui a une épaisseur de 15 cm de calcite surmontée d'une couche de 15 cm de sable (pour protéger et maintenir la calcite en place). Les essais en colonnes ont duré six mois. La calcite a montré une capacité élevée de rétention du phosphore avec une adsorption moyenne de 317 ± 106 mg de Pextractibie/kg calcite dans la colonne sans alun. La colonne avec alun n'a pas été aussi efficace, probablement à cause d'une vitesse de percolation plus rapide due à une perméabilité des sédiments trop élevée. Les conditions d'opération n'ont pas donné les résultats escomptés en terme de performance mais ont permis de démontrer le bon potentiel d'une couche de calcaire comme recouvrement actif pour contrer l'eutrophisation du lac Saint-Augustin.

Même si la réduction des apports de nutriments dans les écosystèmes aquatiques est généralement envisagée avec des approches « effects-based », ce n’est pas le cadre qui a été suivi dans cette thèse. En effet, dans une démarche de développement durable, il semble plus pertinent, de définir des mesures de contrôle de la pollution agissant sur les relations de cause à effet. Selon cette logique, la méthodologie proposée par la Directive Cadre sur l’Eau (DCE) pour protéger les écosystèmes aquatiques présente plusieurs faiblesses. Par le fait qu’elle réfère à certains principes de l’économie standard de l’environnement, l’analyse économique de la DCE pose plusieurs problèmes pour agir sur la causalité de la pollution. Néanmoins, la méthodologie proposée par la DCE est pertinente par le fait qu’elle recommande l’utilisation combinée de mesures techniques et d’instruments pour diminuer les dommages environnementaux. Conformément à cette disposition, l’effet de mesures techniques et d’instruments sur le secteur agricole et sur la chaine alimentaire l’englobant a été évalué puisque cette dernière est responsable de la majorité des émissions diffuses et ponctuelles d’azote et de phosphore dans les eaux de surface. La définition de mesures techniques en fonction de l’efficience de l’utilisation des nutriments (Nutrient Use Efficiency, NUE) dans la production agricole a été complétée par l’étude des instruments économiques utilisés dans la Politique Agricole Commune (PAC) pour développer une agriculture multifonctionnelle. Si la thèse concerne de manière générale l’eutrophisation des écosystèmes aquatiques, elle se penche plus particulièrement sur les pressions au sein du bassin de l’Escaut et sur leurs impacts jusqu’à la zone côtière de la mer du Nord. Des mesures techniques agissant sur les causes des émissions diffuses du secteur agricole et sur les émissions ponctuelles des stations d’épuration ont été proposées pour ce bassin. Ces mesures techniques ont été caractérisées prioritairement par leur efficacité environnementale (grâce aux modèles Sénèque-Riverstrahler et MIRO) et en fonction de leurs coûts directs. <p><p>/<p><p>Although reducing the load of nutrients in aquatic ecosystems is usually looked at through "effects-based" approaches, this is not the context which this paper has chosen to follow. In fact, keeping in line with sustainable development, it seems more relevant to define measures to control pollution which act on cause and effect relations. According to this way of thinking, the methodology proposed by the Water Framework Directive (WFD) to protect aquatic ecosystems presents a number of weaknesses. By the fact that it refers to certain standard economic principles for the environment, the WFD’s economic analysis poses several problems towards acting on the cause of the pollution. Nevertheless, the methodology proposed by the WFD is relevant, as it recommends the combined use of technical measures and of instruments to reduce environmental damage. In accordance with this disposition, an assessment has been made of the effect of technical measures and instruments on the agricultural sector and on the food chain encompassing it, since the food chain is responsible for the majority of diffuse and point emissions of nitrogen and phosphorus in surface waters. The definition of technical measures in terms of efficient use of nutrients (Nutrient Use Efficiency, NUE) in agricultural production has been complemented by a study of economic instruments used in the Common Agricultural Politicy (CAP) to develop a multifunctional type of agriculture. Although the paper deals with the eutrophication of aquatic ecosystems in a general way, it concentrates particularly on the increasing pressures in the Scheldt basin and on their impacts as far as the North Sea coastal zone. Technical measures acting on the causes of diffuse emissions in the agricultural sector and on point emissions in the water treatment plants have been proposed for this basin. These technical measures have been categorised in order of priority according to their environmental effectiveness (thanks to the Sénèque-Riverstrahler et MIRO models) and depending on their direct costs. / Doctorat en Sciences agronomiques et ingénierie biologique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La végétation herbacée est un bon indicateur des conditions environnementales, et elle a pour cela été utilisée pour la mise en évidence des changements environnementaux causés par les actions humaines, tels qu'eutrophisation, dépôts atmosphériques acides, changements de l’usage des sols ou de la pression d'herbivorie. Depuis peu, on s’intéresse à la réponse de la végétation aux changements climatiques. Le choix des zones d'étude se porte naturellement sur la montagne, où le gradient thermique induit par le relief y est fort (-0,56°C pour 100 mètres d'altitude), et où l'urbanisation et la pression agricole sont moindres par rapport aux zones de plaine, favorisant ainsi une réponse migratoire des espèces précoce et non biaisée. Afin de s'affranchir des effets potentiels des changements d'usage du sol, une partie de cette thèse est consacrée aux milieux forestiers dans lesquels l'effet du pastoralisme est réduit. Par ailleurs, une méthode basée sur la modélisation des changements de la réponse de la végétation au gradient d'altitude est développée, permettant ainsi d'étendre l'utilisation de données anciennes à des séries de relevés non géolocalisés. En s'appuyant sur cette méthode, deux caractéristiques de la végétation ont été analysées : la position de l'optimum d'espèces prises individuellement d'une part, et les changements de la valeur indicatrice des communautés végétales d'autre part. Par ailleurs, on a étudié les déplacements à long terme de la limite inférieure des espèces, pour tester la réponse des espèces en limite inférieure de leur distribution. Enfin, on a étudié l'évolution de la flore d'une zone très localisée, protégée par une large barrière physique constituée de deux glaciers permettant de s'affranchir des effets potentiels d'autres perturbations anthropiques concomitantes. Chacun des cas étudiés montre une remontée des espèces en altitude. Cependant, d'autres phénomènes expliquant la réponse de la végétation sont clairement mis en cause : fermeture et maturation du couvert forestier, eutrophisation importante, probable fragmentation de l'habitat ou dispersion par les randonneurs. Ces perturbations anthropiques directes jouent à des échelles de temps et d'espace comparables à l'effet anthropique indirect du changement climatique. Il est donc primordial de les prendre en compte dans les changements de végétation observés, avant de conclure à un effet du réchauffement climatique seul / Herbaceous vegetation is a good bio-indicator of environmental conditions, and was often used to detect and to put in evidence environmental changes caused by anthropogenic activities, like eutrophication, acid atmospheric deposit, land-use change and herbivory pressure. More recently, the interest had focused on the response of vegetation to climatic change. Mountains were naturally chosen as study areas, since the thermal gradient induced by the relief is strong (-0.56°C for 100m a.s.l.) and urbanisation and agricultural pressure are weaker than in lowlands, thus promoting early and unbiased migratory response of species. To free oneself from potential effects of land use change, a part of this PhD is devoted to mountain forest habitat, where pastoralism effects are reduced. Moreover, a method is developed, based on the modelling of changes in vegetation response to elevation gradient, allowing extending the use of historical data to non-geolocalized dataset. With this method, two characteristics of vegetation were analysed: the optimum position of individual species on the one hand, and changes in the indicator value of plant communities on the other. Furthermore, the long-term shift of species’ lower limit is studied, to test the species response at their lower limit. The last part focuses on changes in the flora of a really localised area, protected by a broad physical barrier formed by two glaciers, allowing to free from potential effects of other parallel anthropogenic disturbances. Every studied case shows a shift of species toward higher elevations. However, other phenomena explaining vegetation response became also evident in our study: forest closure and maturation, important eutrophication, probable habitat fragmentation and dispersal by hikers. Those direct anthropogenic disturbances play a role comparable in space and time to the indirect anthropogenic impact of climate change. Thus, it is essential to consider them in the observation of vegetation changes, before assigning the effects to climate warming only