L’accroissement des dépôts de nitrate atmosphérique (NO3-atm) sur les bassins versants d’altitude, limités en ressources, entraîne des changements nets de disponibilité d’azote. Ces apports modifient la diversité biologique (végétation, plantes), les processus des sols liés à l’azote et conduisent à l’eutrophisation des cours d’eau. A terme, l’impact sur les populations humaines se traduira par la perte d’importants services fournis par ces écosystèmes (alimentation en eau, qualité du fourrage, contrôle de l’érosion, biodiversité). Si les effets des dépôts de NO3-atm sur les bassins versants pauvres en azote sont maintenant bien documentés, il n’en reste pas moins à comprendre les processus régissant la rétention de NO3-atm dans les écosystèmes de montagne. Pour ce faire, la variabilité spatio-temporelle de la répartition du NO3-atm dans tous les compartiments subalpins est ici étudiée en utilisant un traceur multi-isotopique (17O, 18O, 15N) du NO3-. L’importante proportion de NO3-atm dans les cours d’eau de montagne, tout au long de l’année et plus particulièrement à la fonte des neiges, laisse à penser que les bassins versants sont cinétiquement saturés en azote. La composition isotopique du NO3- dans les eaux de surface illustre la transformation rapide de l’ammonium de la neige et confirme que la fonte des neiges est une période cruciale du cycle de l’azote dans les montagnes enneigées. La proportion de NO3-atm dans les sols varie, quant à elle, en fonction du type d’occupation des sols et des propriétés biotiques et abiotiques afférentes. Le suivi de la végétation a montré une forte teneur en NO3-atm dans les tissus, par assimilation racinaire et foliaire. Ces avancées scientifiques permettront, à terme, de mieux comprendre comment les dépôts de NO3-atm affectent l’environnement. / Increasing rates of atmospheric nitrate (NO3-atm) deposition in nutrients poor mountainous regions have led to critical changes in nitrogen (N) availability, with consequences on biodiversity (plants, microbes), soils N turnover, and water nutrients status. This will ultimately affect human populations through the loss of critical ecosystem services (e.g., provision of clean freshwater, erosion control, biodiversity). If the impacts of NO3-atm deposition to N-limited basins are now well documented, little is known about the processes driving NO3-atm retention in subalpine ecosystems. In this context, new tools are necessary to better understand the fate of NO3-atm in mountains and to predict the mid and long-term ecological consequences of increasing NO3-atm deposition. This work uses a high-resolution multi-isotopic technique combining 17O, 18O and 15N signatures of NO3- in the different subalpine compartments to understand the temporal and spatial evolution of NO3-atm partitioning in a subalpine watershed of the French Alps. Subalpine streams elevated year-round exports of NO3-atm suggest that the watersheds are kinetically N saturated, especially after snowmelt. The isotopic composition of NO3- in freshwaters also points at the rapid processing of snow ammonium, confirming that snowmelt is “hot moment” for the N cycle in seasonally snow-covered catchments. The monitoring of soils reveals varying NO3-atm proportions depending on the land management treatments and implied biotic and abiotic characteristics. Two dominant subalpine plants showed high proportions of NO3-atm in organs acquired by both root and foliar uptake. These scientific breakthroughs will ultimately lead to a better understanding of how NO3-atm deposition affects the environment.

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Les écosystèmes prairiaux alpestres sont supposés être très sensibles au changement climatique. Cependant leur long historique fait de variation du climat et de multiples siècles d'utilisation des terres peut avoir sélectionné des mécanismes de résilience écologique à la variabilité climatique et aux stress climatiques extrêmes. Nous avons utilisé un dispositif expérimental de grande envergure pour explorer les mécanismes de réponses des prairies subalpines à une combinaison d’extrêmes météorologiques hivernaux (fonte des neiges précoce) et estivaux (sécheresse) en fonction de la composition fonctionnelle des communautés végétales et des pratiques de gestion des terres. La composition fonctionnelle des prairies a été manipulée à l’aide d’assemblages de trois espèces de poacées en différentes abondances relatives, représentant in fine un gradient d’utilisation des ressources allant de la conservation à l'exploitation. De manière générale, la composition fonctionnelle a été le principal déterminant de tous les paramètres observés pour la performance individuelle des plantes, les réponses intraspécifiques des plantes, la décomposition de la litière et les processus de recyclage de l'azote. Le fonctionnement des écosystèmes prairiaux dominés par des plantes conservatrices a été remarquablement résistant aux traitements climatiques extrêmes, tandis que les écosystèmes prairiaux dominés par des plantes plus exploitatrices ont été plus résilients. Les pratiques de gestion ont modulé ces réponses et plus particulièrement dans le cas des communautés exploitatrices. Les allocations souterraines aux réserves glucidiques et aux pools d'azote microbiens ont été identifiées comme deux mécanismes clés sous-tendant les réponses des communautés résilientes. Néanmoins, des répercussions à plus long terme du changement climatique pourraient être observées, causées par un épuisement successif des réserves végétales et une diminution des retours azotés vers le sol via les processus de décomposition. / Alpine grassland ecosystems are presumed to be highly sensitive to climate change, yet their long history of climate variability, and multiple centuries of land use may have selected for mechanisms of ecological resilience to climate variability and climate extremes. We used a large experimental design to explore patterns and mechanisms for responses of subalpine grasslands to combined winter (snow removal) and summer (drought) weather extremes depending on plant functional composition and management. Plant functional composition was manipulated by establishing grass mixtures with three species representing a conservation to exploitation gradient planted at varying relative abundances. Overall, functional composition was the primary determinant of all observed parameters for plant individual performance, intraspecific plant trait responses, litter decomposition and nitrogen recycling processes. The functioning of grassland ecosystems dominated by conservative plants was remarkably resistant to extreme weather treatments, while grassland ecosystems dominated by more exploitative plants were more resilient. Management altered these responses mostly in the case of exploitative communities. Belowground allocation to carbohydrate reserves and to microbial nitrogen pools were identified as two key mechanisms underpinning these resilient responses. Longer-term impacts of climate change may however unfold through the exhaustion of plant reserves and decreasing nitrogen returns to soils via decomposition process.

L’étude cherche à mettre en évidence un cas de maladie hollandaise au Canada, c'est-à-dire si la relative force de la monnaie canadienne explique les difficultés du secteur manufacturier. Sous cette hypothèse, le taux de change et/ou le prix des produits de base devraient affecter différemment la croissance des régions énergétiques de l’Ouest de celle des régions manufacturières de l’Est. La méthodologie économétrique consiste en un modèle à correction d’erreur servant à décrire la dynamique de court terme et de long terme qui existerait théoriquement entre notre variable dépendante (emploi) et nos variables explicatives (taux de change et prix des produits de base).

Les prairies semi-naturelles constituent des espaces multifonctionnels susceptibles de rendre de nombreux services à la société. Ce sont en particulier des agro-écosystèmes favorables à l'expression d'une grande diversité floristique et faunistique. Le pâturage peut constituer un mode de gestion durable de ces espaces adapté à des objectifs de préservation et de restauration de la diversité, pouvant concilier enjeux écologiques et agronomiques. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est d'arriver à une meilleure compréhension de la réponse des communautés végétales au pâturage et des conséquences fonctionnelles associées en utilisant comme modèle d'étude, trois communautés végétales rencontrées dans les prairies humides du Marais Poitevin. Cet objectif requiert d'étudier le pâturage à la lumière de deux problématiques majeures de l'écologie des communautés : (i) l'étude des règles d'assemblage des communautés et (ii) l'étude du lien entre la structure des communautés et le fonctionnement des écosystèmes. Pour cela, une approche fonctionnelle basée sur les traits des espèces se révèle pertinente. Nous avons montré que le pâturage a un impact positif sur la richesse et la diversité floristiques des trois communautés étudiées. Au sein de chacune de ces communautés, le patron de pâturage hétérogène des herbivores est à l'origine d'une hétérogénéité de la structure de la végétation qui se présente sous la forme d'une mosaïque de types de patchs caractérisés par des compositions floristiques et des abondances relatives des espèces contrastées. L'impact positif du pâturage sur la diversité et la richesse floristiques des communautés résulte à la fois (i) des variations de la composition floristique et des abondances relatives des espèces entre patchs et (ii) de l'impact des herbivores sur la diversité et la richesse spécifiques de la végétation à l'échelle intra-patch. Les variations de la composition floristique observées entre types de patchs sont le résultat des variations de l'importance de différents filtres environnementaux associés au pâturage, notamment du prélèvement de biomasse et de la compétition interspécifique. L'augmentation de l'intensité du pâturage entraîne un remplacement des espèces dominantes caractérisées par une fortes aptitude à la compétition aérienne et une stratégie conservatrice vis à vis des ressources par des espèces dominantes présentant une forte aptitude à l'acquisition des ressources une forte aptitude à la compétition racinaire. L'impact du pâturage sur la diversité à l'échelle intra-patch peut résulter de son impact négatif sur l'intensité de la compétition pour la lumière et de son impact sur l'hétérogénéité environnementale à une échelle fine. Nous avons enfin montré que le patron hétérogène de pâturage avait pour conséquence des variations des processus écosystémiques associés au cycle de l'azote et du carbone. Il existe un lien entre la structure des différents types de patchs générés par les herbivores et ces processus. Il apparaît que les valeurs des traits des espèces dominantes influencent davantage le fonctionnement écosystémique que la diversité de ces traits. Ce travail constitue une étape vers une approche prédictive de l'impact du pâturage sur la structure des communautés et le fonctionnement de l'écosystème pouvant se révéler d'une grande utilité dans l'optique de la gestion des prairies naturelles.

Les prairies permanentes peuvent fournir une grande diversité de services écosystémiques. Elles se trouvent dans des conditions contrastées en termes de gestion et de climat en Europe. Cette diversité de conditions induit une grande variété de types de prairies différant par leur végétation et leur fourniture en services écosystémiques. Certains travaux suggèrent que le fonctionnement des écosystèmes prairiaux peut être directement relié à des critères de diversité fonctionnelle végétale. Ces critères, qui pourraient être utilisés pour évaluer les services écosystémiques, sont influencés par la gestion et le climat. L'objectif de ce doctorat est d'évaluer les effets de la gestion et du climat sur la diversité fonctionnelle végétale liée à des services écosystémiques des prairies permanentes. La première étape a consisté à sélectionner 29 critères de diversité fonctionnelles liés à 8 services écosystémiques (quantité de fourrage, qualité du fourrage, stabilité de la production de fourrage, conservation de la biodiversité, pollinisation, la séquestration du carbone, résistance à la sécheresse et fertilité azotée). Cette sélection a été faite à partir d'interviews d'experts et d'une revue de la littérature. La deuxième étape a consisté à évaluer différentes inexactitudes dans le calcul des 29 critères de diversité fonctionnelle à partir de bases de traits fonctionnels et différents jeux de relevés botaniques. La troisième étape a consisté à évaluer les critères de diversité fonctionnelle à partir des données de gestion et de climat, en utilisant notamment la technique mathématique des forêts de Breiman. Les résultats montrent que les variables climatiques ont généralement plus d'effet sur la diversité fonctionnelle que celles de gestion. En outre, pour certaines conditions climatiques, la gestion n'affecte pas certains critères de diversité fonctionnelle. Parmi les 29 critères de diversité fonctionnelle, seulement 8 critères avaient plus de 40% de leur variance expliquée par la gestion et le climat / Permanent grasslands can provide a large diversity of ecosystem services. They are found in contrasted conditions in terms of management and climate in Europe. These conditions induce a wide variety of grassland types that differ in their vegetation and are expected to differ with respect to the provision of ecosystem services. Because ecosystem functioning in grassland has been shown to be linked to plant functional diversity criteria, we put forward that these functional diversity criteria can be used to evaluate the provision of ecosystem services. These criteria are influenced by the management and the climate. The overall objective of this PhD program is to assess the effects of management and climate on the plant functional diversity related to ecosystem services of permanent grasslands. The first step of the PhD program was to select 29 functional diversity criteria related to 8 ecosystem services (quantity of forage, forage quality, stability of the forage production, biodiversity conservation, pollination carbon sequestration, dryness resistance and nitrogen fertility). This selection was made using experts' interview and literature survey. The second step was to evaluate inaccuracies in the calculation of the 29 functional diversity criteria from functional trait databases and different sets of botanical surveys. The third step was to estimate the functional diversity criteria from management and climate data using "Random Forests" methodology. The results show that the climatic variables had generally more effect on the functional diversity than the management ones. Furthermore, for some climatic conditions, the management does not affect some functional diversity criteria. Among the 29 functional diversity criteria, only 8 have more than 40 % of their variance explained by the management and climate variables

Une assurance indicielle est proposée en réponse à l'augmentation des sécheresses impactant les prairies. Elle se base sur un indice de production fourragère (IPF) obtenu à partir d'images satellitaires de moyenne résolution spatiale pour estimer l'impact de l'aléa dans une zone géographique définie. Le principal enjeu lié à la mise en place d'une telle assurance réside dans la bonne estimation des pertes subies. Les travaux de thèse s’articulent autour de deux objectifs : la validation de l'IPF et la proposition d'amélioration de cet indice. Un protocole de validation est construit pour limiter les problèmes liés à l'utilisation de produit de moyenne résolution et au changement d’échelle. L'IPF, confronté à des données de référence de différentes natures, montre de bonnes performances : des mesures de production in situ (R² = 0,81; R² = 0,71), des images satellitaires haute résolution spatiale (R² = 0,78 - 0,84) et des données issues de modélisation (R² = 0,68). Les travaux permettent également d'identifier des pistes d'amélioration pour la chaîne de traitement de l'IPF. Un nouvel indice, basé sur une modélisation semiempirique combinant les données satellitaires avec des données exogènes relatives aux conditions climatiques et à la phénologie des prairies, permet d'améliorer la précision des estimations de production de 18,6 %. L’ensemble des résultats obtenus ouvrent de nombreuses perspectives de recherche sur le développement de l'IPF et ses potentiels d'application dans le domaine assurantiel. / An index-based insurance is provided in response to the increasing number of droughts impacting grasslands. It is based on a forage production index (FPI) retrieved from medium resolution remote sensing images to estimate the impact of hazard in a specific geographical area. The main issue related to the development of such an insurance is to obtain an accurate estimation of losses. This study focuses on two objectives: the FPI validation and the improvement of this index. A validation protocol is defined to limit problems attached to the use of medium resolution products and scaling issues in the comparisons process. FPI is validated with different data: ground measurements production (R² = 0.81; R² = 0.71), high resolution remote sensing images (R² = 0.78 - 0.84) and modelled data (R² = 0.68). This study also points out areas of improvement for the IPF chain. A new index, based on semi-empirical modeling combining remote sensing data with exogenous data referring to climatic conditions and grassland phenology, allows improving production estimation accuracy by 18.6%. Results of this study open several new research perspectives on FPI development and its potential practical application.

Les effets de deux types de perturbations anthropiques sévères et ponctuelles (une perturbation physique et une contamination chimique) ont été étudiés sur les propriétés physico-chimiques et biologiques de sols prairiaux. La perturbation physique est engendrée par des travaux de terrassement important pour la création des pistes de ski. L'intensité des travaux conduit à un bouleversement de l'écosystème : la végétation pérenne est arrachée et la nature du sol totalement modifiée. La dégradation chimique est occasionnée par l'épandage d'effluents issus de déchets d'incinération sur une prairie de déprise agricole. Les déchets étudiés sont les mâchefers d'incinération des ordures ménagères (MIOM) et les résidus d'épuration de fumées d'incinération des ordures ménagères (REFIOM). L'évaluation de leur écocompatibilité est basée sur une approche dite en scénarios, c'est à dire de mise en situation des déchets. Nos travaux ont permis de préciser l'influence de la structuration physique du milieu (hétérogénéité physico-chimique et structurale des sols, structure et dynamique de la végétation) sur la réponse des activités et des communautés bactériennes aux perturbations. Les modifications observées dans les profils A-RISA et les profils de restriction des pools de gènes nifH, confirment une implication importante de la structure des sols et de la colonisation des racines, dans l'adaptation et la stratégie démographique des communautés bactériennes globales et fixatrices d'azote. Les modifications environnementales induites par les deux perturbations incitent le développement de communautés bactériennes à stratégie adaptative identique, mais de structure et de composition différentes. Les modifications des activités microbiennes (respiration, fixation d'azote et dénitrification) dévoilent, selon la perturbation, un dysfonctionnement de l'état physiologique de la cellule, de l'expression de l'activité enzymatique ou un déséquilibre dans les populations fonctionnelles. Nos travaux développent et suggèrent l'utilisation d'une démarche intégrant plusieurs échelles d'observation et de multiples indicateurs, pour appréhender la qualité des sols et évaluer l'influence de sa détérioration sur le fonctionnement des écosystèmes terrestres.

Les pâturages constituent un écosystème terrestre important. En France, ils occupent 21% de la superficie totale, ce qui justifie l'effort pour développer un suivi en temps réel de la production de la biomasse au niveau national, en prenant en compte la variabilité spatiale et temporelle des prairies. L'absence de méthodes indirectes de faible coût applicables à des grandes régions conduit à étudier les modèles de simulation du fonctionnement des cultures, comme dans le cas du système ISOP (Information et Suivi Objectif des Praires), et les possibilités offertes par la télédétection pour contribuer à améliorer le diagnostic fourni. Le travail effectué dans cette thèse a pour but d'évaluer ces possibilités. Pour cela, un nombre limité de treize régions fourragères (FR) de France ont été sélectionnées pour leur contexte géomorphologique, climatique et pédologique associé à leur production fourragère. Les données du capteur VEGETATION embarqué sur la plateforme SPOT4 (résolution spatiale de kilométrique) ont été utilisées pour fournir, à partir de modèles de déconvolution, les valeurs de réflectance correspondant à la signature d'une prairie pure. Celle-ci a été mise en relation avec certaines variables de croissance estimées par le modèle STICS-Prairie à l'intérieur du système ISOP. Au delà du bon accord général entre les deux types de données, l'analyse de ces relations a permis d'établir que celle qui lie les indices de végétation basés sur le moyen infrarouge (SWVI) et l'indice foliaire (LAI) était la plus forte. Les résultats obtenus confirment les capacités des données satellitaires à fournir des estimateurs de variables productives complémentaires de celles estimées à partir de modèles de simulation. En particulier les différences spatiales et temporelles entre les informations fournies par le satellite et les estimations du modèle, surtout pendant les périodes de récolte de biomasse dans les systèmes de production, pourraient contribuer à améliorer les estimations du modèle à l'échelle régionale.