Le transfert et les effets de 3 éléments traces métalliques (ETMs : Cd, Pb et Zn) dans les réseaux trophiques terrestres ont été étudiés sur une zone de 40 km2 polluée par l'ancienne fonderie de Metaleurop Nord (France). Les objectifs étaient (i) d'identifier les principaux facteurs expliquant les concentrations en ETMs dans les sols et les animaux étudiés, de déterminer à quelles échelles spatiales ces facteurs interviennent et si le paysage module les contaminations; (ii) de mesurer les réponses des espèces étudiées à différents niveaux d'organisation biologique et de rechercher des liens entre réponses individuelles et/ou populationnelles. Des échantillonnages portant sur les sols d'habitats ligneux (milieux boisés favorables pour les espèces étudiées) et plusieurs espèces d'escargots et de micromammifères ont été menés durant 3 années consécutives à plusieurs saisons. L'analyse de la distribution spatiale de la contamination des sols montre que les variables expliquant les concentrations totales en ETMs dans les sols (distance à la source, fréquence du vent) agissent à des échelles spatiales relativement larges, alors que des facteurs locaux (caractéristiques des sols, notamment le pH) déterminent les concentrations extractibles au CaCl2 (considérées comme disponibles). Des méthodes géostatistiques d'interpolation spatiale, krigeage ordinaire et universel, ont permis de générer des cartes de contamination des sols sur l'ensemble de la zone d'étude et d'établir une évaluation du risque spatialisée pour les invertébrés et vertébrés des habitats ligneux (basée sur les Eco-SSLs de l'US EPA). Les relations entre les concentrations en ETMs des animaux et des sols ont été étudiées chez 2 espèces d'escargots (Cepaea sp et Oxychilus draparnaudi) et 2 espèces de micromammifères (Crocidure musette Crocidura russula et Campagnol roussâtre Myodes glareolus) sympatriques ayant des régimes alimentaires contrastés. Les concentrations internes augmentent avec la contamination des sols et sont toujours mieux expliquées par les concentrations totales qu'extractibles, sauf pour Cepaea sp. Le paysage influence les niveaux d'ETMs accumulées et leur augmentation le long du gradient de pollution. L'échelle spatiale à laquelle la corrélation entre les concentrations en ETMs dans les animaux et les sols est la meilleure varie entre espèces et entre paysages. Les facteurs physiologiques et écologiques, tels que le régime alimentaire mais aussi la préférence et l'exploitation d'habitat, modulent la bioaccumulation des ETMs. L'influence des caractéristiques du récepteur (sexe, âge, régime alimentaire...) sur l'accumulation et la séquestration des ETMs a été étudiée chez plusieurs micromammifères sympatriques (Mulot sylvestre Apodemus sylvaticus, Campagnol roussâtre, Musaraigne carrelet Sorex araneus et Musaraigne pygmée Sorex minutus). L'âge plus que le sexe, et l'espèce plus que le niveau trophique, influencent les niveaux d'ETMs et de métallothionéines (MTs) et leurs relations. Trois patrons de relations entre capacité d'accumulation des ETMs et production de MTs ont été identifiés. Des mesures de santé individuelle suggèrent que la sensibilité des récepteurs aux ETMs (musaraigne < campagnol < mulot) décroît quand leur capacité de production de MTs augmente. La mesure des MTs seule ne constitue pas un biomarqueur d'exposition pertinent, mais elle est nécessaire pour interpréter la probabilité d'occurrence d'effets délétères. La variabilité temporelle de l'accumulation des ETMs a été étudiée chez le Campagnol roussâtre, mettant en évidence des différences inter-annuelles et inter-saisonnières. Tandis que le Pb (foie et reins) montre des variations inter-saisonnières (printemps < automne), le Cd et le Zn ont des patrons différents entre organes, et des variations inter-annuelles sans effet saisonnier net. L'adaptation potentielle à la pollution métallique de 2 escargots autochtones du site d'étude, l'escargot petit-gris Cantareus aspersus et l'escargot des bois Cepaea nemoralis, a été examinée : des individus issus de 2 origines (parents exposés ou non aux ETMs) ont été exposés in situ en microcosmes dans une expérience de transplantation croisée. L'analyse de l'accumulation des ETMs (facteur de bioaccumulation, paramètres cinétiques) ne montrent pas d'adaptation. Cependant, les caractéristiques de la coquille suggèrent des processus d'acclimatation et d'adaptation à travers une modification du métabolisme du Ca. Ce travail montre que l'analyse de la réponse d'un organisme à la pollution doit s'appuyer sur la mesure de plusieurs paramètres (bioaccumulation, biomarqueur, indice de santé, population...), et que l'interprétation d'une mesure nécessite sa mise en perspective dans son contexte global en changeant de niveaux de perception (niveau d'organisation biologique, contextes temporel et spatial). Dans le cadre de l'évaluation du risque environnemental et de la biosurveillance, nos travaux soulignent la nécessité des suivis à long terme, et de la mise en place de procédures sur des étendues pertinentes par rapport aux processus écologiques qui participent aux réponses observées et tenant compte du paysage.

Ce travail de thèse a un double objectif : (i) combler le manque de connaissances concernant la cohérence spatiale et la prévisibilité potentielle de descripteurs intrasaisonniers (DIS) de la saison des pluies en Afrique soudano-sahélienne. Les descripteurs retenus sont le cumul saisonnier (S), l'occurrence des jours pluvieux > 1 mm (O), l'intensité moyenne des pluies journalières (I), les dates de démarrage (DSP) et de fin (FSP) de la saison des pluies, la durée moyenne des séquences sèches (DSS) et humides (DSH) ; (ii) documenter la relation climat-agriculture et en particulier celle entre variabilité intrasaisonnière des pluies et rendements, à partir de l'exemple de la culture du mil dans la région de Niamey. À partir des enregistrements pluviométriques journaliers (1950-2000) issus de la base FRIENDAOC documentant un réseau de 136 stations localisées au Sénégal, Mali, Burkina Faso et Niger, la cohérence spatiale à l'échelle interannuelle, a été estimée par divers scores statistiques (DOF, var[SAI], ACP, corrélations). Elle apparaît contrastée entre les descripteurs intrasaisonniers. Les anomalies de cumul saisonnier et d'occurrence des jours pluvieux > 1 mm présentent une forte cohérence spatiale d'une année sur l'autre. À l'inverse, la cohérence spatiale les anomalies interannuelles de l intensité moyenne des pluies journalières, des dates de démarrage et de fin de la saison des pluies, et de la durée moyenne des séquences sèches et humides est faible. Ainsi, le signal interannuel régional du cumul saisonnier semble principalement lié à une modulation systématique en phase de l'occurrence des jours pluvieux > 1 mm. La prévisibilité potentielle de S, O, DSP et FSP, estimée à partir des précipitations issues de 24 simulations du MCG ECHAM 4.5 forcé par les TSO historiques, est faible. Par contre, l'application de modèles statistico-dynamiques basés sur les précipitations ou la dynamique atmosphérique simulées permet d'améliorer les scores de performance pour le cumul saisonnier et l'occurrence des jours de pluies > 1 mm.Enfin, à partir d'enquêtes et de suivis menés en milieu agricole sur la culture du mil, ainsi que d'enregistrements pluviométriques journaliers sur l'observatoire AMMA-CATCH Niger entre 2004 et 2007, une analyse de la relation entre date de semis, date de démarrage de la saison des pluies et rendements finaux a été réalisée. Les résultats montrent que (i) la plupart des agriculteurs attendent le premier événement pluvieux recueillant au moins 10 mm en deux jours pour semer ; (ii) les vagues de semis sont généralement synchronisées sur le démarrage méso-échelle de la saison des pluies plutôt que sur le démarrage agronomique et (iii) la sensibilité du rendement en grains, testée à partir de simulations du modèle agronomique SARRA-H, pour différentes dates de semis (semis observé, date de démarrage de la saison des pluies), est faible.

Le biome boréal, emmagasinant d’importantes quantités de carbone en son sol et recouvrant une majorité du territoire alaskien, fennoscandien et russe, contribue grandement au système climatique. Toutefois, les variabilités climatiques et les propriétés de l’écosystème, notamment en ce qui a trait à la présence ou l’absence de pergélisol, complexifient la quantification de la variabilité des bilans de carbone du biome boréal, au sein duquel se retrouvent des écosystèmes forestiers, lentiques et de zones humides. Ces bilans de carbone sont grandement influencés par le début et la fin de la saison de croissance photosynthétique, étant à leur tour dépendants de plusieurs variables environnementales telles que la température de l’air et du sol, le contenu du sol en eau, les stades de développement de la végétation, etc. Cette recherche vise à quantifier l’impact de ces variabilités environnementales sur la variabilité des moments où se produisent le début et la fin de la saison de croissance photosynthétique, en distinguant les forêts boréales avec et sans pergélisol. La saison de croissance photosynthétique est caractérisée à partir de la productivité primaire brute dérivée de mesures covariance des turbulences provenant de 40 sites-années d’observation à travers la forêt boréale nord-américaine où l’épinette noire est l’espèce d’arbre dominante. Les variables environnementales considérées étaient les températures de l’air et du sol, les stades de développement de la végétation, le couvert nival, le rayonnement photosynthétiquement actif et le contenu du sol en eau. Le cadre statistique choisi incluait le calcul des coefficients de corrélations de Pearson, l’analyse des points communs et la modélisation par équations structurelles. Les résultats de cette étude montrent que la variabilité du début de la saison de croissance dans les sites sans pergélisol est contrôlée directement par la variabilité annuelle des stades de développement de la végétation ainsi que par le moment où survient le dégel du sol. Ce résultat souligne ainsi l’importance de l’accès à l’eau liquide du sol afin que la végétation initie la photosynthèse. Aucune variable environnementale ne pouvait significativement expliquer le contrôle du début de la photosynthèse au sein des sites avec pergélisol. À l’automne, le contenu du sol en eau ainsi que le début du couvert nival influencent directement la variabilité de la fin de la saison de croissance photosynthétique. Il est alors montré que la disponibilité de l’eau peut mener à une cessation plus hâtive de la photosynthèse à l’automne. L’effet de l’apparition du couvert nival est quant à lui opposé dans les sites avec et sans pergélisol. Son retard dans les sites sans pergélisol témoigne d’une température de l’air suffisamment élevée pour que les précipitations tombent sous forme liquide, prolongeant ainsi les activités photosynthétiques. Son retard dans les sites avec pergélisol signifie plutôt des précipitations neigeuses moindres, retardant ainsi l’apparition d’une couche isolante pour le sol, qui aurait pu allonger la saison de croissance photosynthétique. Cette étude contribue à clarifier les processus contrôlant le début et la fin de la saison de croissance photosynthétique et aidera à améliorer la compréhension des effets des changements climatiques sur la force du puits de carbone de la forêt boréale nord-américaine. / The boreal forest, storing large amounts of carbon in its soil and covering a majority of the Alaskan, Canadian, Fennoscandian and Russian territory, is an integral part of the climate system. However, climatic variability and ecosystem properties, particularly with regards to the presence or absence of permafrost, limits our understanding of the carbon balance variability in the boreal biome, which comprises forest, lake and wetland ecosystems. The boreal carbon sink-source strength is greatly influenced by phenological events, including the start and end of the photosynthetic growing season, which are themselves dependent on several environmental variables such as air and soil temperature, soil water content, vegetation development stages, etc. This research aims to provide new insights on the influence of environmental variability on the variability in the timing of the photosynthetic growing season, by broadly distinguishing between boreal forests with and without permafrost. The photosynthetic growing season is characterized using gross primary productivity derived from eddy covariance measurements of net ecosystem carbon dioxide exchange. Data from 40 black spruce- dominated site-years of observation across the North American boreal forest are used. The considered environmental predictors were air and soil temperatures, vegetation development stages, snow cover, photosynthetically active radiation and soil water content. The statistical framework included the calculation of Pearson correlation coefficients, commonality analyses and structural equation modeling. This study shows that the variability in the start of the growing season in permafrost-free sites is directly controlled by the variability in vegetation development stage as well as by the thawing of seasonally frozen ground. This result thus emphasizes the importance of access to liquid soil water for the vegetation to initiate photosynthesis. No environmental variable could significantly explain photosynthesis recovery in sites with permafrost. In fall, the soil water content as well as the start of snow cover directly influence the variability in the end of the photosynthetic growing season. These results suggest that the availability of water can limit photosynthesis in the fall. The effect of snow cover is opposite in sites with and without permafrost. A delay in the appearance of continuous snow cover in sites without permafrost indicates that the air temperature is high enough for precipitation to fall in liquid form and for photosynthesis to continue. In contrast, its delay in sites with permafrost indicates less snowfall, thus delaying the appearance of an insulating layer for the soil, which could have lengthened the photosynthetic growing season. This study sheds light on the controls of the annual variation of the timing of the photosynthetic growing season and will help understanding of the effects of climate change on the strength of the North American boreal forest carbon sink.

Les changements climatiques sont susceptibles d’affecter la croissance, le développement et la régénération des pessières noires de la forêt boréale. Les échecs de régénération dans les pessières à mousses (PM) de l’ouest du Québec causent des trouées dans la mosaïque forestière dense et augmentent la proportion de pessières à lichens (PL) dans le paysage. Les objectifs de l’étude sont de déterminer si les caractéristiques contrastantes des PM et des PL engendrent différents taux de photosynthèse maximale (Amax) chez les épinettes noires sur un gradient latitudinal ou saisonnier. Ensuite, l’étude tentera de déterminer si le Amax des individus reflète leurs capacités physiologiques par leur taux de carboxylation maximal (Vcmax) et de transport des électrons maximal (Jmax) extraits de courbes de réponse au CO2. Les taux de Vcmax et Jmax sont différents entre les PM et les PL car l’acquisition de ces nutriments semble différente. La latitude influence les valeurs de Vcmax et Jmax, mais l’effet serait causé par les caractéristiques floristiques et la composition du sol des placettes plutôt que par la latitude. Les capacités physiologiques ne se reflètent pas dans les valeurs de Amax, autant pour le type de peuplement que la latitude, car Amax serait limité par la concentration en CO2 qui ne permet pas la saturation de l’enzyme rubisco. Malgré l’absence de différence entre le Amax des PM et des PL, l’augmentation de la concentration en CO2 et de la température risque de créer un écart de Amax entre les types de peuplement, considérant leurs capacités physiologiques différentes. / Climate change is likely to affect the growth, development and regeneration of black spruce stands across the boreal forest. Regeneration failures cause gaps in the dense black spruce-feathermoss (BSFM) mosaic increasing the landscape proportion of open lichen-woodland (LW). The aims of the study are to determine whether the contrasting characteristics of BSFM and LW induce different light-saturated maximum photosynthesis (Amax) in black spruce trees across a latitudinal or seasonal gradient. Then the study will attempt to determine if Amax is likely to reflect their physiological capacities based on their maximum carboxylation rate (Vcmax) and maximum electron transport rate (Jmax) derived from CO2 response curves. Vcmax and Jmax are different between BSFM and LW mainly because nutrient acquisition seems different between stand types. Latitude affects values of Vcmax and Jmax, but the effect could be explained by soil and vegetation composition between experimental plots rather than by latitude. Physiological capacities do not match Amax values for stand type and latitude because Amax would be limited by CO2 concentration which does not allow saturation of rubisco. Despite the lack of difference between the Amax of BSFM and LW stands, future increase in CO2 concentration and temperature could induce a gap between their respective photosynthesis rates because of their different physiological capacities.