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.