Les tourbières après exploitation perdent leur capacité de puits de carbone, propriété importante dans le contexte des modifications climatiques attendues au cours des prochaines années avec l'augmentation de la teneur atmosphérique en gaz à effet de serre.<br />Afin d'effectuer le bilan de carbone d'une tourbière anciennement exploitée du massif du Jura, trois stades de régénération ont été choisis : tourbe nue, régénération récente avec principalement Eriophorum angustifolium et régénération avancée avec une majorité de Sphagnum. Les flux de carbone et les facteurs abiotiques et biotiques les influençant ont été suivis très régulièrement pendant deux saisons complètes de végétation afin d'établir un modèle empirique et de simuler les flux de carbone.<br />La station de tourbe nue est une faible source de carbone (entre -19 et -32 g C m-2 an-1). Les deux stations en régénération sont des puits de carbone légèrement plus faibles pour la station récente (entre 67 et 166 g C m-2 an-1) que pour la station avancée (entre 93 et 183 g C m-2 an-1).<br />La mesure du δ13C du CO2 respiré des trois stations étudiées a permis de les distinguer avec une signature isotopique de plus en plus négative depuis la tourbe nue jusqu'à la régénération avancée. <br />L'augmentation de la respiration de la tourbe nue avec la baisse du niveau de la nappe a un impact négatif sur le bilan. Ce dernier dépend aussi de la quantité relative de bryophytes (perdant leur capacité de puits de carbone en cas de sécheresse) et de plantes vasculaires (facilitant le dégagement de méthane). Le retour de la fonction de puits de carbone de ces écosystèmes en régénération est ainsi lié aux choix de gestion instaurés sur ces sites.

Dans le contexte des changements globaux, la biodiversité en Méditerranée est menacée, notamment par une sécheresse plus intense, avec des modifications probables du fonctionnement des écosystèmes. Cette thèse étudie l’effet de la sécheresse accrue sur la végétation et la modulation des effets par la diversité végétale, par une expérimentation d’exclusion de pluie dans une garrigue au nord de Marseille avec un gradient naturel de diversité. Les performances des 4 arbustes dominants, la diversité spécifique et fonctionnelle, les relations interspécifiques et la relation diversité-productivité de la garrigue ont été étudiés sous deux niveaux de pluieAprès 2,5 années, les effets de la sécheresse accrue sur la performance des 4 arbustes dépendent de l’espèce et du paramètre évalués et peuvent être modulés par la diversité des co-dominantes. Q.coccifera parait plus résistante et résiliente, suivie de R.officinalis et finalement de C.albidus et U.parviflorus. Ceci s’explique en partie par leurs différentes stratégies d’acquisition, utilisation et conservation du carbone et de l’eau. Les traits foliaires et la diversité fonctionnelle et spécifique ne sont pas affectés significativement par la réduction des pluies, mais dépendent du nombre, l’identité et le recouvrement des dominantes. Au vu de l’effet différentiel de la sécheresse accrue sur les espèces dominantes, on peut s’attendre à un effet négatif indirect de la sécheresse sur la biodiversité et donc sur le fonctionnement de la garrigue. On confirme l’importance d’intégrer les facteurs biotiques dans les modèles visant à prévoir le fonctionnement et les services des écosystèmes dans le cadre du changement climatique. / In the global change context, the biodiversity in the Mediterranean is under threat, mainly due to the more intense drought, which could lead to modification of ecosystem functioning. This thesis focuses on the effects of higher drought on the aboveground vegetation and the modulation of these effects by plant diversity thanks to a precipitation exclusion experiment in a shrubland in the south of France whith a natural diversity gradient. The 4 dominant shrub species performances, the specific and functional diversity, the interspecific interaction, and the biodiversity-productivity relationship were studied under 2 rain levelsAfter 2,5 years the effects of increased drought on the 4 dominant shrub performances was species- and parameter-dependant and can be modulated by the diversity of the co-dominant species. Q. coccifera seems the most resistant and resilient, followed by R. officinalis and finally by C. albidus and U. parviflorus. This is partly explained by the different strategies of acquisition, utilization and conservation of carbon and water of the four species. The leaf traits, the functional and specific diversity are not significantly affected by the precipitation decrease, but they depend on the number, the identity and the cover of the dominant shrubs. Given the differential effect of higher drought on the dominant species performances, we could expect an indirect negative effect of drought on the shrubland diversity and so on ecosystem functioning. We confirm the importance of taking into account the biotic factors in models aiming to predict the ecosystem functioning and environmental risks and services under future in the climate change context

Cette thèse étudie par trois modèles et une expérience les effets des interactions entre le réseau vert (basé sur la production primaire) et brun (basé sur la décomposition) sur le fonctionnement des écosystèmes. Trois interactions entre les deux réseaux sont étudiées: 1) les nutriments recyclés par tous les organismes couplent les réseaux verts et bruns par une relation de mutualisme/compétition entre les producteurs primaires et les décomposeurs; 2) les consommateurs généralistes se nourrissent de proies des deux réseaux trophiques et 3) les connexions spatiales par les consommateurs généralistes mobiles en haut des réseaux trophiques et les flux de nutriments et de détritus en bas. Les résultats montrent que ces interactions peuvent affecter le fonctionnement des écosystèmes y compris les cascades trophiques, la stabilité et l'importance relative de la chaîne verte et brune. Ces résultats conduisent à (1) de nouvelles perspectives sur la modélisation du fonctionnement des réseaux trophiques, (2) des prédictions originales, (3) des nouvelles interprétations de résultats empiriques, (4) des idées sur des différences fondamentales de fonctionnement entre types d’écosystèmes, (5) des prédictions sur la réponses des écosystèmes aux changements globaux. / This thesis studies through three models and an experiment the important effects of the interactions between the green (based on primary production) and brown (based on decomposition) food webs on ecosystem functioning. Three interactions between the two food webs are studied: 1) nutrients recycled from all organisms in the food web couple the green and brown food webs through mutualistic/competitive interaction between primary producers and decomposers; 2) generalist consumers feed on prey from both food webs; and 3) the spatial connections between the two food webs through mobile generalist consumers at the top and through nutrient and detritus fluxes at the bottom of the food webs. The results show that these interactions may affect the ecosystems functioning including trophic cascades, stability and the relative importance of green and brown food chains. These results lead to new (1) insights on the way to model food webs, (2) predictions on food web functioning, (3) interpretation of empirical results, (4) ideas to compare the functioning of different ecosystem types and (5) predictions on food web responses to global changes.

L'évaluation des conséquences de l'érosion de la biodiversité sur le fonctionnement de divers écosystèmes est récemment devenue une problématique centrale de l'écologie. Par le biais de 4 expériences réalisées dans des cours d'eau de tête de bassin, nous avons montré que la diversité de la ressource, des organismes décomposeurs, et de leurs prédateurs peuvent altérer le processus de décomposition par le biais de différents mécanismes. Notamment, il est montré que des altérations concomitantes de la biodiversité à plusieurs niveaux trophiques peuvent avoir des conséquences synergiques sur le fonctionnement de ces écosystèmes et l'efficacité de la décomposition des litières. Ces résultats suggèrent que l'évaluation formelle des conséquences de l'érosion de la biodiversité nécessite une prise en compte plus systématique de l'influence de la complexité trophique sur la structuration des communautés et sur le fonctionnement des écosystèmes.

Dans un contexte de gestion des systèmes côtiers, l'approche développée dans cette étude -associer un suivi des paramètres environnementaux avec celui des peuplements pélagiques et benthiques- permet d'appréhender le fonctionnement global de l'écosystème. La veille écologique menée depuis plus de 20 ans en rade de Brest a fait apparaître un nouveau risque écologique (et économique): la prolifération d'un filtreur benthique exotique, compétiteur potentiel de la coquille Saint-Jacques, la crépidule Crepidula fornicata (L.). Ses mécanismes de prolifération étaient encore inconnus en rade, notamment concernant l'accélération récente (15-20 ans) du processus. L'approche multidisciplinaire de ce travail permet d'étudier les mécanismes d'adaptation et de régulation naturelle de la crépidule en rade de Brest face aux fluctuations naturelles de l'environnement (hydroclimat) et aux perturbations anthropiques (eutrophisation...) et d'identifier ses impacts sur le fonctionnement de l'écosystème.<br />Les causes de la prolifération actuelle de la crépidule en rade et ses impacts sur la structuration et le fonctionnement de l'écosystème ont été précisés : les filtreurs exercent un rétro-contrôle de la production primaire (filtration, biodépositions). L'analyse des conditions favorables à la prolifération de la crépidule a montré la place importante prise par cette espèce dans l'écosystème et a permis de mieux appréhender les processus d'évolution de son aire de répartition et de son stock. La description réalisée des peuplements benthiques soumis à cette invasion constitue un état de référence de la mégafaune de la rade en 2000. Les impacts de la crépidule sur l'écosystème (colonne d'eau, sédiment, biocénoses) ont été précisés. Des évolutions futures sont envisagées et des recommandations sont faites pour en limiter l'extension et pérenniser la pêcherie de coquilles Saint-Jacques en rade de Brest. Des perspectives sont proposées dans le cadre de la gestion intégrée de cet écosystème.

L'objectif principal de cette thèse était d'étudier la dynamique spatiale et temporelle de la structure des communautés de poissons du fleuve Mékong en aval et du grand lac Tonlé Sap au Cambodge. Les deux systèmes sont fortement liés et caractérisés par les systèmes d'inondation pulsés. À l'aide d'approches multivariées sur des bases de données piscicoles, environnementales et des traits fonctionnels des taxons étudiés, j'ai pu mettre en évidence : * les gradients longitudinaux des caractéristiques physicochimiques des eaux et l'importance relative des facteurs environnementaux dans la structuration des communautés de poissons à large échelle ; * la structure temporelle des communautés de poissons qui est fortement liée aux traits fonctionnels des taxons et déclenchée par les crues occasionnées du système * la structure de base du réseau trophique et l'état écologique du système d'inondation pulsé qui est perturbé par la pression anthropique. Ces résultats ont démontré leurs valeurs quant à leurs potentiels de transferts vers la compréhension écologique et la gestion durable des ressources de pêches dans le système d'inondation pulsé en Asie tropicale en relevant que : * la connectivité entre le fleuve Mékong et le lac Tonlé Sap est indispensable pour les poissons pour compléter leurs cycles de vie, et la conservation devrait prioritairement s'effectuer au milieu du Mékong où se trouve la plus forte diversité. * dans le système d'inondation pulsé, la structure temporelle des communautés dépend des dynamiques des crues, donc l'aménagement des cours d'eau est à éviter au maximum. * la compréhension bioécologique complète des communautés et leurs relations trophiques sont primordiales pour la mise en place des plans de gestion et de conservation à long terme. / The main objective of the thesis was to study the spatial and temporal dynamics of fish community structure in Lower Mekong river basin and Tonle Sap Great Lake in Cambodia. These two systems are strongly connected to each other and characterised by flood pulse system. By using the multivariate approaches on the fish, environmental and fish functional traits data sets, I am able to highlight: * the longitudinal gradients of physicochemical characteristics of water and the relative importance of environmental factors in explaining the large scale patterns of fish community; * the temporal structure of fish community, which is strongly linked to functional traits of fish and trigged by the pulse dynamics of the system; * the baseline trophic structure model and ecological health assessment of flood pulse system, which is disturbed by anthropogenic pressure. These results have demonstrated their values as well as their potentials to transfers toward an ecological understanding and sustainable fisheries resource management of the flood pulse system in tropical Asia by suggesting: * the connectivity between Mekong river and Tonle Sap lek is essential for fish to complete their life cycle and also the conservation should be done in the middle part of Lower Mekong river where containing the highest diversity; * in flood pulse system, the temporal structure of fish community strongly depend on the dynamics of pulses; therefore any river development must be strictly prohibited; * complete bio-ecological understanding of communities and their trophic relationships are crucial to the establishment of long-term management and conservation plans.

Comment mesurer la dégradation de la nature, son état de "santé", afin de déterminer l’amortissement de son utilisation, non-enregistré dans les bilans des nations? Mon travail de thèse sur la « comptabilité écosystémique » du bassin versant du Rhône est une première expérimentale sur une nouvelle méthodologie intégrable aux outils encore incomplets des comptabilités nationales de type PIB. Consommer du capital écologique, nos ressources renouvelables, sans l’amortir revient à créer des dettes écologiques. L’objectif de la comptabilité écosystémique est de produire un outil d’aide à la décision permettant d’éviter la dégradation nette des écosystèmes par des politiques publiques informées par la science. L’outil produit des bilans écologiques basés sur des informations géographiques et mesurés en termes physiques, permettant d’effectuer des modélisations et simulations afin d’estimer l’internalisation des externalités (Figure). J’ai élaboré divers indicateurs synthétiques relatifs aux fonctions des écosystèmes et de leur intégrité, pour calculer le potentiel écologique du bassin versant du Rhône. Le diagnostic comptable est assortie d’une description spatialisée des changements observés afin de mieux saisir leur pertinence. L’outil est susceptible d’aider les différentes entités territoriales à se positionner sur la gestion de leurs ressources renouvelables stratégiques (eau, sols, biomasse, infrastructures et services écologiques) dans le contexte d’un ordre mondial en transformation: il s’agit des enjeux géopolitiques majeurs en matière de sécurité et souveraineté alimentaire et énergétique, dans leur lien avec la santé publique. / How to measure the degradation of nature, its "health" condition, to determine the depreciation of its use, not recorded in the balance sheets of the nations? My thesis work on the "ecosystem accounting" of the Rhone river basin is an experimental first on a new methodology integrable with the still incomplete tools of the national accounts of the type GDP. Consuming ecological capital, our renewable resources, without amortizing means the creation of ecological debts.The goal of ecosystem accounting is to produce a decision support tool to avoid the net degradation of ecosystems through science-informed public policies. The tool produces ecological balances based on geographical information and measured in physical terms, making it possible to perform modelizations and simulations in order to estimate the internalisation of externalities (Figure). I have developed various synthetic indicators relating to the functions of ecosystems and their integrity, to calculate the ecological potential of the Rhône watershed. The accounting diagnosis is accompanied by a spatial description of the changes observed in order to better understand their relevance. The tool is likely to help the various territorial entities to position themselves on the management of their strategic renewable resources (water, soil, biomass, infrastructures and ecological services) in the context of a changing world order: major geopolitical issues in terms of security and food and energy sovereignty, in their link with public health.

L'augmentation de la décomposition de la matière organique des cryosols arctiques sous l'effet du réchauffement et de la dégradation du pergélisol contribuerait à une rétroaction positive sur les changements climatiques. Nous étudions le fonctionnement biogéochimique de deux Cryosols: un cryosol histique (H) et un cryosol turbique (T), en conditions naturelles et réchauffés. Les profils ont été instrumentés à Salluit (Nunavik, Canada) et les mesures ont été faites pendant les étés 2010 et 2011. Le réchauffement augmente la respiration de l'écosystème (ER) de manière plus intense pour H que pour T, bien que ER pour H soit plus faible. La sensibilité thermique de ER (Q10) est supérieure pour T que pour H et diminue avec le réchauffement. L'étude montre que les cycles journaliers de ER en fonction de la temperature forment des hystérésis. La variance de ER est mieux expliquée en utilisant la température minimale de la journée et la profondeur du front de dégel pour H. Pour T, l'ajout de la vitesse du vent et la radiation solaire améliore l'explication de la variance de ER. Nous montrons trois dynamiques spécifiques aux écosystèmes nordiques: 1) ER dépendant des propriétés du sol et de la solution du sol ; 2) rôle de variables thermo-indépendantes sur ER et 3) variations journalières du Q10 et interannuelles de la respiration basale. La décomposition de la matière organique est la principale source de CO2 pour H alors que les processus végétaux contrôlent ER pour T. Nos résultats contribuent à la compréhension et à l'extrapolation des mesures ponctuelles dans les écosystèmes de toundra, améliorant ainsi la modélisation du cycle du carbone dans les cryosols. / Increased organic mater decomposition rate in Arctic Cryosols due to warming and to permafrost thawing can lead to the release of greenhouse gases, thus potentially creating a positive feedback on climate change. We studied the biogeochemical functioning of two different permafrost-affected soils (i.e. Cryosols): a Histic Cryosol (H) and a Turbic Cryosol (T), both in natural conditions and under an experimental warming. Profiles were instrumented in Salluit (Nunavik, Canada) and monitored during summers 2010 and 2011. The induced warming increased CO2 fluxes in both soils; this impact was however more striking at H even if ER was lower than at T. Temperature sensitivity of ER (Q10) was higher at T than at H and decreased both with warming. We highlighted that diurnal ER cycles as a function of temperature showed hysteretic loops. Linear models performed to explain ER variance were improved adding daily minimum temperature and thaw front depth at H. In contrast at T, adding wind speed and solar radiation in models improved the ER variance explanation. We showed three specific CO2 flux dynamics related to northern ecosystems: 1) the large difference of ER depending on soil properties and soil solution composition; 2) environmental variables strongly alter CO2 fluxes and 3) the diurnal Q10 variations and the inter annual variability of basal respiration. Our results support the assumption that organic matter decomposition might be the major source of CO2 at H while plant-derived processes dominated ER at T. Our results contribute to understand and extrapolate the numerous punctual measurements of CO2 fluxes from tundra ecosystems improving carbon cycle modeling in Cryosols.