Dissertations / Theses: 'Couverture végétale du sol – Arctique' – Grafiati (2024)

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Abstract:

Bien que représentant une petite proportion de la matière organique (MO) des sols, la MO dissoute (MOD) est au cœur de nombreux processus biogéochimiques dans l’environnement. Sa composition reflète ses sources de production, et des processus auxquels elle a été exposée. Cependant, les processus ayant lieu dans les premiers instants suivant la production de MOD naturelle sont encore mal connus, du fait de la haute réactivité de celle-ci. Dans les environnements terrestres, la litière est une des sources initiales majeures de MOD, avant d’être dégradée. Les travaux effectués au cours de ce doctorat se sont donc focalisés sur la caractérisation des MOD produites par différentes espèces végétales, ainsi que sur leurs évolutions qualitatives et quantitatives, au cours de la biodégradation. Le lien entre la composition de la couverture végétale et la signature moléculaire de la MOD a également été évalué, afin de déterminer l’influence de la végétation sur les propriétés des MOD naturelles. Les MO extractibles à l’eau (WEOM) produites par 6 espèces végétales (C. stellaris, F. nivalis, E. vagin*tum, B. nana, B. pubescens, et Salix sp.) ont été caractérisées grâce à l’utilisation de techniques analytiques complémentaires. Les résultats ont montré que la quantité et la composition de la WEOM produite par les végétaux étaient dépendantes du type fonctionnel de plante (PFT). Il a également été mis en avant que certains proxys classiquement utilisés pour caractériser la MOD n’étaient pas applicables à l’étude de WEOM non transformées. Néanmoins, la confrontation des proxys appropriés a permis d’affirmer que les graminées étaient potentiellement moins biodégradables que les lichens, mais plus que les arbustes. Des expériences de biodégradation de WEOM ont ensuite été effectuées en conditions contrôlées. Pour cela, 4 espèces appartenant à différents PFT ont été sélectionnées, et leurs WEOM extraites. Ces espèces sont C. stellaris (lichen), E. vagin*tum (carex), A. polifolia (arbuste persistant), et B. nana (arbuste à feuilles caduques). Les résultats montrent une consommation significativement plus importante des WEOM produites par C. stellaris et E. vagin*tum, que A. polifolia et B. nana en fin d’incubation. En parallèle, l’accumulation des composés récalcitrants dans les WEOM a été observée, en particulier pour B. nana. Ces résultats reflètent des biodégradabilités plus importantes pour les WEOM de lichens et graminées que pour celles des arbustes. La diversité moléculaire de la WEOM a également significativement diminué pour C. stellaris et E. vagin*tum, et à l’inverse, a augmenté pour B. nana. Des processus de biodégradation propres aux espèces produisant ces WEOM ont donc été mise en évidence. Enfin, des échantillons de MOD ont été prélevés dans des écosystèmes Arctiques aux compositions de couvertures végétales contrastées. Ces MOD ont été analysées par spectrométrie de masse à haute résolution (HRMS). Leurs signatures moléculaires ont été confrontées les unes aux autres, puis comparées à celles des WEOM issues des végétaux. Une majorité de composés sont communs à toutes les MOD. Malgré ces composés ubiquistes, les écosystèmes peuvent être distingués à partir des compositions moléculaires de leurs MOD. Pour chaque espèce végétale étudiée, la contribution de celle-ci à la couverture totale (en % de surface) a été confrontée à la contribution des molécules spécifiques à cette espèce à la composition totale de la MOD. Ces comparaisons ont montré une corrélation positive significative pour B. nana, contrairement aux autres espèces étudiées. L’ensemble des résultats de cette thèse montrent que les quantités et les qualités de WEOM produites par les végétaux sont spécifiques, et par conséquence, leurs biodégradabilités aussi. Ainsi, les MOD produites par les différentes espèces végétales n’auront pas les mêmes dynamiques dans l’environnement. Lors de leur biodégradation, les MOD issues des végétaux sont hom*ogénéisées
Although dissolved organic matter (DOM) represents a small fraction of soil organic matter (OM), it is involved in many biogeochemical processes in the environment. Its composition reflects its sources of production, and the processes it has been exposed to. However, the processes taking place immediately after DOM production are still poorly understood, due to its high reactivity. In terrestrial environments, fresh leaf litter is one of the major initial sources of DOM, before it is degraded. This PhD focused on the characterisation of DOM produced by different vegetation species, and the evolution of their properties during biodegradation. The relationship between the composition of vegetation cover and the molecular signature of DOM has been assessed, in order to determine the influence of vegetation on DOM properties in the environment. The water extractable OM (WEOM) produced by 6 vegetation species (C. stellaris, F. nivalis, E. vagin*tum, B. nana, B. pubescens, and Salix sp.) were characterised through complementary analytical technics. The results showed that the quantity and composition of WEOM produced by vegetation were different between plant functional types (PFT). It was also pointed out that some proxies commonly used to characterise DOM were not relevant to the study of unprocessed WEOM. However, the comparison of relevant proxies indicated that graminoids were potentially less biodegradable than lichens, but more than shrubs. WEOM biodegradation experiments were carried out under controlled conditions. For this purpose, 4 species belonging to different PFT were selected, and their WEOM extracted. These species were C. stellaris (lichen), E. vagin*tum (sedge), A. polifolia (dwarf evergreen shrub), and B. nana (deciduous dwarf shrub). The results showed a significantly higher consumption of WEOM produced by C. stellaris and E. vagin*tum, than A. polifolia and B. nana, at the end of the experiment. In the meantime, the accumulation of recalcitrant compounds in WEOM was observed, especially for B. nana. These results put into light a more important biodegradability of lichens and graminoids compared to shrubs. Furthermore, the molecular diversity of WEOM significantly decreased for C. stellaris and E. vagin*tum, whereas it increased for B. nana. Species-specific biodegradation processes have been brought to light. Finally, samples of DOM were collected from Arctic ecosystems with contrasted vegetation cover compositions. DOM samples were analysed by high resolution mass spectrometry (HRMS). Their molecular signatures were compared to each other, and to WEOM produced by vegetation. A great amount of compounds were common to all DOM samples. Despite these ubiquitous compounds, it was possible to discriminate ecosystems, based on the molecular compositions of their DOM. The contributions of each species to the vegetation cover were compared to the contributions of their WEOM to the molecular signature of DOM. These comparisons showed a significant positive correlation for B. nana, but not for other studied species. The results of this thesis show that the quantity and composition of produced WEOM are vegetation-specific. Consequently, WEOM biodegradability is also vegetation-specific. Therefore, the DOM produced by different vegetation species won’t have the same dynamic in the environment. Furthermore, the WEOM produced by vegetation are hom*ogenised during their biodegradation

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Abstract:

Ce document présente un prototype de dispositif multipôle fonctionnant en régime quasi statique permettant d'accéder à la distribution spatiale du contenu en eau de la végétation. Le principe consiste à estimer le contenu en eau des couverts végétaux à partir d'une mesure de leur permittivité diélectrique. La mesure s'effectue in situ, sans contact avec les plantes, est non destructive et instantanée. Le dispositif multipôle est composé de plusieurs électrodes : un courant alternatif à 450 khz est injecté dans le milieu sonde grâce à deux électrodes, tandis qu'une ou plusieurs paires d'électrodes de réception mesurent une différence de potentiel. Une étude théorique basée sur la méthode des éléments finis a permis de simuler le fonctionnement du dispositif multipôle dans un couvert de blé considèré comme un milieu stratifié horizontalement (air, épis, tiges et sol). Les résultats montrent que la différence de potentiel entre les électrodes de réception dépend à la fois de la permittivité des épis de blé et de celle des tiges, mais que le sol n'a pratiquement pas d'influence sur les mesures. Un réseau de neurones, utilisé pour inverser les données de la simulation, montre alors que la permittivité des organes végétaux peut être estimée précisément à partir des différences de potentiel mesurées. La validation expérimentale de l'instrument a été menée sur un couvert de blé. Comme prévu par l'étude théorique, les mesures effectuées avec le dispositif multipôle sont inversem*nt corrélées au contenu en eau des plantes. Des variations temporelles des différences de potentiel permettent ainsi de révèler des variations de contenu en eau. Par ailleurs, il est possible d'estimer le contenu en eau des plantes de blé, pour les plantes entières mais aussi pour des organes précis comme les tiges ou les épis. Les incertitudes obtenues sur l'estimation du contenu en eau sont alors du même ordre de grandeur que les incertitudes dues à la méthode destructive de référence.

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Abstract:

Dans le nord ouest du Bassin Parisien ainsi que dans de nombreuses zones cultivées de la ceinture loessique du nord de l'Europe, des problèmes économiques et environnementaux graves dus à l'érosion des sols sont de plus en plus fréquents. Les conditions à la surface du sol, i. E. La structure de surface, la rugosité et le couvert végétal, jouent un rôle majeur sur les capacités d'infiltration, et la sensibilité à l'érosion. La connaissance et la compréhension de l'hétérogénéité spatiale et de la dynamique temporelle de ces conditions de surface sont des points clé pour la modélisation de l'érosion hydrique des sols cultivés. L'objectif de cette étude est l'élaboration d'un modèle d'érosion à l'échelle du bassin versant qui intègre ces connaissances. A cet effet, de récentes expérimentations ont fourni des références quantitatives de taux de ruissellement et d'érosion à différentes échelles et pour différentes situations en termes de caractéristiques climatiques, d'état de surface, d'occupation du sol et de pratiques agricoles. Ces références ont été utilisées afin de développer des règles de décisions qui permettent d'évaluer la capacité d'infiltration, la concentration potentielle en sédiment du ruissellement et la sensibilité à l'incision des parcelles agricoles. Un réseau de circulation du ruissellement élaboré à partir du modèle numérique d'altitude combiné avec des informations sur les motifs agraires permet de calculer la hauteur d'eau ruisselée, le transport de sédiment par érosion diffuse ainsi que la localisation et la quantification de l'érosion linéaire en tout point du bassin versant.

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Abstract:

De même que les structures cohérentes sont caractéristiques des écoulements de laboratoires, elles le sont aussi de la couche limite de surface atmosphérique. à partir de mesures hautes fréquences, on compare les manifestations de ces mouvements cohérents au voisinage de trois couverts végétaux (une forêt et deux parcelles de maïs de densité de peuplement différente. Le traitement de ces signaux turbulents transitoires nécessite le développement d'analyses fondées par exemple sur la transformée en ondelettes pour extraire des informations quantifiées, telles que la durée moyenne ou la période d'apparition des événements turbulents. Pour la détection de singularités sur ces signaux telles que les rampes de température, la méthode des « zéro-crossings » parait plus objective et plus pratique d'utilisation que ses équivalents classiques. On constate l'universalité des processus associes aux mouvements cohérents sur divers types de rugosité, tandis que les ordres de grandeur de leurs constantes de temps ou de fréquence semblent dépendre principalement de la hauteur du couvert et de la vitesse de frottement de l'écoulement. En outre, leur contribution aux flux de chaleur sensible et de quantité de mouvement apparait significative. Dans la perspective d'une modélisation de tels écoulements, cette étude fournit quelques outils pour la détermination de certains paramètres d'entrée de modèles prenant en compte l'intermittence de la turbulence à l'exemple des modèles de renouvellement de surface

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Abstract:

Les resultats recueillis de 1975 a 1987 portent sur: (1) les proprietes hydriques des sols; (2) la structure de la vegetation (composition floristique, spectre biologique et floristique de la strate herbacee); (3) les relations entre les especes et les variables ecologiques; (4) les biomasses et les viovolumes de la strate herbacee; (5) la diversite specifique etudiee par le biais des indices de diversite (shannon-wiener, mc naughton et simpson); (6) les courbes d'abondance specifique et les ajustements des donnees a quatre modeles de distribution specifique (modeles de motomura, de mandelbrot, de pareto et de preston)

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Abstract:

Dans le contexte de la protection de l'environnement, une modélisation mécaniste du dépôt d'aérosols sur les couverts végétaux en conditions sèches est proposée. Les interactions entre les particules et la végétation sont tout d'abord décrites à l'échelle de chaque surface élémentaire. La captation à l'échelle du couvert est ensuite déduite par une méthode statistique construite à partir des paramètres qui pilotent le dépôt élémentaire. Ce modèle fait intervenir la répartition spatiale et la géométrie des surfaces végétales ainsi que les principales grandeurs caractérisant l'écoulement porteur. Les mécanismes de dépôt pris en compte sont la diffusion brownienne, l'impaction inertielle, l'impaction turbulente, la sédimentation et l'interception. La pertinence du modèle est démontrée sur la base de données expérimentales existantes, tout d'abord à l'échelle de rameaux de conifère, puis à l'échelle de couverts végétaux plus ou moins rugueux, tels qu'une prairie, un champ ou une forêt
The dry deposition of aerosols onto vegetated canopies is modelled through a mechanistic approach. The interaction between aerosols and vegetation is first formulated by using a set of parameters, which are defined at the local scale of one surface. The overall deposition is then deduced at the canopy scale through an up-scaling procedure based on the statistic distribution of these parameters. This model takes into account the canopy structural and morphological properties, and the main characteristics of the turbulent flow. Deposition mechanisms considered are Brownian diffusion, interception, inertial and turbulent impaction, and gravitational settling. The model is validated on existing measurement campaigns, initially with coniferous branches and then with entire canopies of different roughness, such as grass, crop field and forest

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Abstract:

Stocker du carbone (C) dans le sol représente à la fois des enjeux agronomiques (amélioration des propriétés physico-chimiques du sol) et environnementaux (réduction de la quantité de C02 atmosphérique). A Madagascar, le stockage et la protection de C dans le sol, sous systèmes de culture en semis direct avec couverture végétale (SCY) sont étudiés sur un dispositif de longue durée (11 ans) de la région d'Antsirabe, Hautes Terres malgaches). Quatre systèmes sont étudiés: un système en labour conventionnel (Conventional-tillage) [CT mis, rotation maïs {Zea mays L.)-soja (Glycine max. L.)]. et trois systèmes en SCY sans travail du sol (No-tillage, NT) [NT mis, rotation maïs-soja; NT rn/m-d. rotation maïs-maïs avec une couverture végétale de Desmodium uncinatum ; et NT h/s-k. rotation haricot (Phaseolus vulgaris)-soja avec une couverture de Pennissetum c/andestinum]. Les résidus de récoltes sont exportés de la parcelle pour CT mis alors qu'ils sont restitués pour les NT. Les résultats montrent des teneurs en C significativement plus élevées sous systèmes NT par rapport à CT à 0-5 et 5-10 cm de profondeur. Au-delà de 10 cm de profondeur. les deux modes de gestion ne sont plus différents. Les valeurs de stocks de C à masse équivalente indiquent des stockages annuels élevés pour les systèmes NT étudiés. de 0.7 à 1,0 Mg C.haI.anI pour la couche de 0-20 cm. Ce stockage annuel élevé sous systèmes NT est en grande partie attribué à l'importante quantité de biomasse restituée par ces systèmes. par rapport au système labouré. Les teneurs en C élevées sous NT s'accompagnent d'une teneur élevée en macroagrégats (MA) stables à l'eau, de 16 à 33 % plus élevée par rapport à CT, à 0-5 et 5-10 cm. Ces macroagrégats stables contribuent à plus de 80 % à la différence de teneur en Centre systèmes NT et CT. Ceci pourrait induire une protection physique du C se trouvant à l'intérieur des agrégats contre la minéralisation microbienne. Les fractionnements granulo-densimétriques effectués sur ces échantillons permettent de localiser le C stocké sous NT. A 0-5 cm, 30 à 40 % du C stocké sont associés aux matières organiques particulaires internes aux agrégats stables (MOPi) de taille supérieure à 50 urn et 40 à 60 % aux fractions fines de taille inférieure à 50 urn, A 5-10 cm, 60 à 90 % du C stocké sont localisés dans les fractions fines " 50 urn) du sol. Si la matière organique associée aux fractions fines du sol est protégée physico-chimiquement contre la minéralisation microbienne par son adsorption sur les particules minérales du sol. les MOPi sont protégées physiquement par leur emprisonnement à l'intérieur des agrégats. Par ailleurs, la déprotection de ces MOPi, par broyage grossier " 200 urn) du sol total ou par broyage fin " 50 urn) des macro- et mésoagrégats, ne révèle. qu'une faible quantité de C protégé physiquement (de 26,2 à 54,0 I-lgC.g-1 sol). Ceci pourrait s'expliquer par le fait que ces MOPi, comme le montrent les observations au microscopie électronique à balayage, sont recouvertes et imprégnées de fractions fines qui les protègent physico-chimiquement contre la minéralisation microbienne malgré la destruction des agrégats. En conclusion. pour le sol argileux considéré ici, les systèmes SCY testés s'avèrent très efficaces pour stocker du C dans le sol. Ce C stocké est relativement stabilisé puisqu'H est protégé, au moins physico-chimiquement. contre la minéralisation microbienne.

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Abstract:

La télédétection permet d’estimer les variables biophysiques révélatrices de l’état et du fonctionnement du couvert végétal. A l’heure actuelle, la répétitivité temporelle nécéssaire pour caractériser le fonctionnement des couverts végétaux n’est assurée que par des capteurs à large champ observant la surface à des résolutions spatiales hectométrique ou kilométrique. Toutefois, l’hétérogénéité spatiale intrapixellaire constitue une source d’incertitude significative lorsque les relations entre les variables biophysiques et les variables radiométriques mesurées par télédétection sont non linéaires. L’hétérogénéité du pixel moyenne résolution est caractérisée à partir du variogramme d’images de variables radiométriques (NDVI, PIR, ROUGE) issues d’un capteur à haute résolution spatiale. L’analyse de différents paysages montre que les échelles de variation expliquant la plus grande part de variabilité de la couverture végétale ont une gamme de valeur comprise entre 60m et 800m. D’autre part, un modèle a été construit pour corriger l’erreur d’estimation des variables biophysiques induite par l’hétérogénéité spatiale du pixel moyenne résolution. L’erreur d’estimation s’exprime de façon multiplicative en fonction du degré d’hétérogénéité et du degré de non-linéarité de la relation entre la variable radiométrique et la variable biophysique. La correction est satisfaisante, en particulier à 1000m de résolution. A partir de la caractérisation e l’hétérogénéité spatiale de dix-huit paysages, la résolution spatiale optimale qui permet e capturer le maximum de variabilité de la couverture végétale du paysage pour minimiser l’erreur d’estimation a été estimée à 30m
Biophysical variable estimates from remote sensing data characterize plant canopy structure and functioning. The monitoring of earth surface dynamic processes at global scale requires high temporal frequency remote sensing observations which are provided up to now thanks to coarse spatial resolution sensors. At these scales, both the spatial heterogeneity of the observed scenes and the non linearity of the relationships between the biophysical variable of interest and the radiometric data, generate a bias in the variable estimation. This work aims at reducting the biophysical variable estimation uncertainty due to scaling effects. Spatial heterogeneity is characterized by the variogram of high spatial resolution remote sensing data (NDVI, NIR, RED). The analysis is performed for different landscapes. Typical length scales as measured by the range of the variogram is between 50m and 800m. Then, a method is developed to reduce scaling effects in the estimates of the biophysical variable. It accounts for spatial heterogeneity within coarse resolution pixel and the degree of non linearity of the relationship between remote sensed data and biophysical variable. Results show good performance for coarse resolution sensors. Based on the characterization of heterogeneity over a large range of landscapes (18), the optimal resolution, i. E the resolution that would minimize the artefacts due to the spatial heterogeneity, is estimated at 30m

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Abstract:

L'utilisation des fertilisants azotés et des herbicides de synthèse est aujourd'hui nécessaire pour assurer la productivité des systèmes de culture et répondre à la demande alimentaire d'une population mondiale en croissance démographique. Cependant, les effets potentiels de ces produits de synthèse sur les propriétés édaphiques et aériennes des agrosystèmes ont été décrits comme dépendants de l'environnement physico-chimique et biologique du sol sur lequel ils sont appliqués. En particulier, il semblerait que les sols non perturbés et sous couverture végétale permanente, caractérisés par des propriétés édaphiques très différenciées des sols gérés sous labour conventionnel, puissent modifier les effets non ciblés de certains herbicides. Plusieurs expérimentations en champ ainsi que deux études en conditions contrôlées ont permis de mettre en évidence que les systèmes gérés en semis-direct sous couverture végétale permanente étaient associés à une augmentation des teneurs en carbone et azote organique, des activités fonctionnelles microbiennes, de l'abondance en spores de champignons mycorhiziens arbusculaires, et de la colonisation racinaire du maïs par les champignons mycorhiziens. Deuxièmement, la fertilisation azotée a induit des effets négatifs sur certains indicateurs biologiques du sol comme l'activité de deshydrogénase alors qu'elle a permis d'augmenter la productivité végétale et la survie de certains parasites aériens des cultures. Troisièmement, le glyphosate, un herbicide total, a augmenté le temps de dégradation des substrats organiques, et n'a pas eu d'effet sur l'activité des champignons mycorhiziens lorsqu'il était appliqué seul ; par contre l'application d'azote en combinaison avec le glyphosate sur un sol fertilisé depuis 6 ans a entraîné une diminution du taux de colonisation du haricot par les champignons mycorhiziens. Les engrais azotés appliqués sur le long terme sont donc capables de modifier les effets non ciblés du glyphosate. Enfin, le S-Metolachlore, un herbicide sélectif, a augmenté la teneur en nitrates des sols cultivés en semis-direct, sans affecter ceux gérés en labour annuel, et a également augmenté la teneur en ammonium des turricules de vers de terre des sols conduits en semis-direct et fertilisés depuis 6 ans. Nous concluons que ce sont essentiellement les combinaisons de pratiques qui sont responsables des effets des herbicides sur les propriétés édaphiques et aériennes dans les agrosystèmes
Nowadays, the use of synthetic nitrogen fertilizers and herbicides is required to ensure cropping systems productivity and meet the demand for food of a growing population. However, the potential effects of these synthetic products on agrosystem’s below- and above-ground properties have been described to be dependent of soil physicochemical and biological characteristics on which they are applied. Especially, it seems that soils under no-till and continuous cover-cropping, characterized by contrasted edaphic properties as compared to soils managed under annual plowing, may change the non-target effects of certain herbicides. Several field experiments, as well as two mesocosm studies, evidenced that cropping systems conducted under no-till with continuous cover-cropping were associated to increased organic carbon and nitrogen contents, microbial functional activities, arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) spore density, and maize root colonization by AMF. Secondly, nitrogen fertilization induced negative effects on soil biological indicators such as dehydrogenase activity while it improved plant productivity and nymph survival of certain above-ground pests. Thirdly, glyphosate, a total herbicide, increased degradation time of organic substrates, while it did not change AMF activity when applied alone. However, the combinaison of glyphosate plus nitrogen fertilization in a soil fertilized over a 6-year period led to a decreased root colonization of bean by AMF. Thus, the long term nitrogen fertilization is capable to change the non-target effects of glyphosate. Finally, S-Metolachlor, a selective herbicide, increased nitrate content of soils subjected to no-till, while those conducted under annual plowing revealed no effect, and increased ammonium content of earthworm casts in soils managed under no-till with nitrogen fertilization for 6 years. We conclude that the effects of herbicides on agrosystem's above- and below-ground properties are mainly due to the combination with other agricultural practices such as nitrogen fertilization

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Abstract:

Quelques aspects des relations herbe-arbre en conditions paturees et fertilisees sont etudies dans trois taillis de chene pubescent des hautes garrigues du montpellierais, de la vallee du bueech (prealpes) et du causse mejean. Sous l'influence d'un paturage respectant une restitution totale de matiere organique dans les parcelles, il existe une synergie herbe-chene pubescent dans les taillis

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Abstract:

Le dépôt d'ammoniac atmosphérique est une cause importante de changement des écosystèmes semi-naturels en Europe suite à des processus d'acidification, d'eutrophisation et de diminution de la biodiversité. La végétation, qui absorbe ou émet de l'ammoniac via les stomates ou depuis la surface participe ainsi à la régulation de ce polluant atmosphérique. La thèse, réalisée dans le cadre du projet européen GRAMINAE (GRassland AMmonia INteractions Across Europe), présentait deux objectifs majeurs : l'étude de l'origine des flux dans un couvert prairial et l'estimation du bilan d'ammoniac à l'échelle de la parcelle sous un climat semi-continental en fonction des différentes phases de production de la prairie. Afin d'étudier les sources et puits d'ammoniac dans le couvert prairial, nous avons développé une chambre dynamique pour mesurer les flux d'ammoniac à l'échelle de la plante, au champ et en continu. .
Atmospheric ammonia is recognised as a pollutant mainly because of its negative impact, associated with acidification and eutrophication, on natural ecosystems. The ammonia exchange between plants and the atmosphere is bidirectional: both ammonia emission and deposition can occur. Semi-natural ecosystems are generally regarded as ammonia sinks and agricultural ecosystems as ammonia sources. However, less is known about the role of the vegetation in atmospheric ammonia budgets. This PhD thesis, a part of the European project GRAMINAE (GRassland AMmonia INteractions Across Europe), focuses on two main points: the study of the origin of the ammonia fluxes within the canopy and the quantification of the net exchange budgets under a semi-continental climate. A dynamic chamber was developed to measure ammonia emissions within a grassland canopy under field conditions over several days. The emissions from the green leaves, the litter and the soil were assessed. .

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Abstract:

Résumé : Au Québec méridional, la principale source de dégradation du sol est l'érosion causée par la pluie. L'augmentation de la monoculture en rangs dans les secteurs à topographie accidentée, tel que l'Estrie, accroît les risques d'érosion hydrique. En effet, ce type de culture laisse les champs à découvert, sans protection, au cours des mois de l'année les plus propices à l'érosion hydrique. On peut alors affirmer que les risques d'érosion varient en fonction de plusieurs facteurs, en particulier le degré de protection offert par le couvert végétal en place. Ainsi, pour l'amélioration du calcul des pertes de sol causée par l'érosion hydrique, il devient important de pouvoir calculer le plus précisément possible le pourcentage de couverture au sol de différentes cultures pour une saison végétative, en plus de l'érosivité des pluies dont l'agressivité varie dans le temps et dont l'effet est intimement relié au couvert en place. Des mesures radiométriques (CIMEL) et photographiques furent prises sur le terrain à intervalle d'environ dix jours pour six cultures dominantes. Les mesures radiométriques nous permettent de calculer les indices de végétation tandis que les photographies servent à estimer le taux de couverture végétale pour une saison végétative. L'utilisation d'images SPOT multidates va permettre de déterminer les relations entre les indices de végétation mesurés sur le terrain et ceux calculés avec l'imagerie satellitaire. Par la suite, la relation entre le taux de couverture et les indices de végétation pour chaque culture est établie. Les résultats démontrent différents comportements en terme de couvert, qui correspondent aux périodes de forts et faibles risques d'érosion hydrique pour une saison végétative. Il est également intéressant de constater que l'indice de végétation, en général, surestime le taux de couverture en début de saison et le sous-estime en fin de saison végétative. De plus, la sénescence pose un problème au calcul du taux de couverture à l'aide des indices de végétation, ces cerniers ayant été conçu pour l'estimation de la végétation verte vivante.|| Abstract : In southern Quebec, the main source of soil degradation is erosion induced by rain fall. The growing use of in-row crop planting practices in areas of rough terrain, such as The Eastern Townships, increases the risk of water erosion. These agricultural practices leave the bare soil with no protection during the months of high erosion risk. Erosion risks are related to several factors however, the main factor is the level of protection offered by the vegetation cover. To achieve more accurate results from the Universal Soil Loss Equation, the percentage of ground cover for different crop types should be calculated as precisely as possible, for an entire growing season. It is equally important to measure the strength and quantity of rainfall over the affected area. Field radiometric and photographic data were taken on an interval of approximately ten days for six main crop types. The radiometric measurements allow us to calculate the vegetation indices and the photographic measurements are used to calculate the amount of vegetal cover throughout a growing season. The use of multitemporal SPOT imagery assisted in establishing the relationship between the vegetation indices calculated from the field data, and the ones calculated from the satellite imagery. The relationship between the amount of vegetation ground cover and the vegetation indices for each crop type was then calculated. The results show different behaviours in terms of cover, which are related to the periods of high and low water erosion over a growing season. We can also observe that as a general rule the vegetation indices over-estimate the amount of vegetation ground cover at the beginning of the growing season and under-estimate it at the end. Senescent vegetation creates a problem when calculating the amount of ground cover with the indices since the indices were created to estimate living vegetation.

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Abstract:

Cette thèse comporte trois parties. La première partie est un approfondissem*nt de l'article de Cohen et Cooper intitulé simple parallel hierarchical and relaxation algorithms for segmenting noncausal markovian random fields. Chaque étape des algorithmes proposés est évaluée, les conditions sont discutées et une estimation des paramètres complète le travail des auteurs. Ces algorithmes ont été mis en oeuvre et testés sur différentes images. La deuxième partie propose une classification d'images de farines. Il s'agit de permettre aux industries agroalimentaires un contrôle automatique de la qualité du broyage de farine. Des méthodes classiques ont été utilisées pour caractériser les textures. Ces méthodes dépendent de la quantification des images. Une méthode de quantification est donc proposée. La dernière partie, la plus importante de ce travail, est l'analyse d'images couleur de couverts végétaux. Le problème est de reconstruire des caractéristiques locales de l'image, essentiellement la proportion de végétation, à partir d'images prises à différentes résolutions. La première méthode consiste à définir une courbe de seuillage sur les intensités à partir de leur histogramme. Cette méthode effectue une classification binaire terre- végétation des pixels. La deuxième méthode affine cette première classification pour les pixels frontière. Les intensités sont supposées suivre une loi gaussienne dont les paramètres sont estimés localement. Les proportions de végétation sont obtenues par maximum de vraisemblance. Une analyse détaillée montre que cette méthode ne prend pas en compte les propriétés géométriques l'image. La troisième méthode utilise une modélisation par champ markovien. L'énergie se décompose en deux termes. Le premier est un potentiel d'ajustement des proportions à un certain nombre d'attributs affectés à chaque pixel. Le second introduit la géométrie locale de l'image. Une phase d'apprentissage permet d'estimer les paramètres associes au modèle à l'aide des spécifications locales empiriques. Cette approche s'apparente à celle des boites qualitatives. Enfin, un algorithme icm permet de reconstruire les proportions de végétation de chaque pixel

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Abstract:

A partir d'une approche, associant sciences de la nature et sciences de la société, nous proposons un diagnostic de l'état du couvert végétal et de l'environnement dans des espaces nord-sahéliens organisés autour des zones humides d'Aleg et Mâl, dans la wilaya du Brakna, (Sud--ouest de la Mauritanie). Ces espaces sont actuellement exploités et gérés par les populations en systèmes agro-pastoraux fortement fragilisés par les sécheresses des années 1970 et 1980 et une forte pression anthropique sur leurs ressources. L'un des objectifs de ce travail était de trouver les voies d'une réhabilitation des écosystèmes, supposant la restauration des milieux et de leurs différents éléments, en prenant en compte leurs valeurs sociales et économiques et au-delà prévenir les conflits entre des projets de protection et le développement local. Nous proposons la conception d'un système d'aménagement et de gestion des ressources naturelles de type " gestion de terroir " qui favorise la restauration de leur potentiel, puis leur exploitation d'une manière durable et équitable par la population. Un tel concept paraît être un préalable à toute mesure de protection (RAMSAR)
Lakes Aleg and Mâl, located in South-West Mauritania in northern Sahel, are wetlands which offer many resources to a population using essentially practices of cattle breeding and cultivation. The environment has been deteriorated because of a dryness period (during 70's / 80's) and a human pressure increase. ITarious signs of désertification can be seen today. An objective of our pluridisciplinary study was to know how a rural sahelian population could use efficiently resources of its environment and if protective measures could be compatible with a sustainable development. We propose a concept of " gestion de terroir " as an answer to the problems of the environmental resources management. This concept involves the control of resources management and land use being transferred towards local populations. Afterwards an inscription on the Ramsar List could ensure a protection of natural richness and could also have an interest for the development of the area

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Abstract:

Les mesures de la température de brillance des couverts végétaux s’appliquent à de très nombreux domaines comme la climatologie, l’hydrologie, l’agronomie, écologie. Son intérêt principal est de permettre d’accéder à l’estimation du bilan énergétique de la surface. Les mauvaises performances des modèles actuels en terme de restitution de la température de surface sont attribuées, en grande partie, à l'hétérogénéité des surfaces continentales. Les modèles actuels sont inaptes à rendre compte correctement des flux dans ces conditions (même éventuellement avec une correction de type kB-1). Les espoirs portent sur les modèles à deux sources qui traitent de façon différente les flux surface/atmosphère pour les sols et pour la végétation. Ce travail a permis de montrer que les paramètres structurels de la végétation comprenant l'indice de superficie foliaire, la distribution d'angle foliaire et l’indice de groupement exercent de grands effets sur la simulation du transfert radiatif dans le couvert végétal, et également sur la séparation des températures composantes du couvert végétal à partir des données multidirectionnelles dans les domaines visible et infrarouge thermique. Ce travail a aussi montré qu’il était possible d’amélioration la séparation des températures composantes du couvert végétal en utilisant la distribution d'angle foliaire et l’indice de groupement obtenus de données satellitaires. Un modèle analytique en tenant compte de la structure de la végétation a été développé et l'architecture optimale du réseau neuronal a été étudiée et proposée pour extraire les températures composantes du couvert végétal à partir des données multidirectionnelles dans les domaines visible et infrarouge thermique
The separation of component temperature is the basic step for the application of two-source algorithm. Multi-angular thermal infrared measurements provide a chance for the estimation of component temperatures (namely, soil and vegetation temperatures) with remotely-sensed data. The objective of this study is to explore the factors that affect the estimation of component temperatures and propose new algorithm for inverting the canopy radiative transfer models to compute component temperatures. The objectives of this dissertation include: (1) finding an appropriate candidate leaf angle distribution functions for modeling and inversion, (2) evaluating the scaling behavior of Beer's law and its effect on the estimation of component temperatures, (3) proposing an analytical model for directional brightness temperature at top of canopy, (4) retrieving component temperatures with neural network and simplex algorithms. The effects of leaf angle distribution function on extinction coefficient, which is a key parameter for simulating the radiative transfer through vegetative canopy, is explored to improve the radiative transfer modeling. These contributions will enhance our understanding of the basic problems existing in thermal IR remote sensing and improve the simulation of land surface energy balance. Further work can be conducted to continue the enhancement and application of proposed algorithm to remote sensing images

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Abstract:

De tous les éléments nutritifs, l'azote (N) est le plus important pour la croissance des cultures et l'expression du rendement potentiel. La disponibilité en azote minéral constitue un des principaux facteurs limitant de la production quantitative et qualitative des plantes non légumineuses en général et des céréales en particulier. Le maintien des hauts niveaux de production actuels nécessitant de maintenir un état de nutrition azotée optimal des cultures ; L'amélioration de l'efficacité ou l'efficience des apports d’engrais azotés de synthèse devient ainsi une priorité de gestion des systèmes de productions intensifs au niveau national. Améliorer l'efficience d'utilisation de l'azote constitue un sujet de préoccupation depuis de nombreuses années. Diverses approches ont été développées mondialement pour atteindre cet objectif. Parmi celles-ci, figure, la modification des pratiques culturales de type agroécologiques, mises en œuvre dans le cadre de l'agriculture de conservation des sols permettant simultanément de maintenir les niveaux de fertilité naturelle des sols cultivés en luttant principalement contre les phénomènes d'érosion des sols. L'objectif principal de la thèse est d'analyser les nouveaux systèmes de cultures économiquement et écologiquement performants basés sur les techniques d'agriculture de conservation de sols au plan de la nutrition azotée. Nous avons choisi d'étudier l'influence des modifications des pratiques culturales (type de travail du sol, couverts végétaux, niveaux de fertilisation azotée) sur les divers paramètres affectant la productivité végétale et la nutrition azotée de deux céréales (Blé et Maïs). Dans ce cadre, trois expérimentations ont été mises en place au champ pour mieux comprendre les phénomènes agronomiques et processus écologiques s'opérant lors des changements de pratiques culturales. L'objectif finalisé étant de trouver le ou les systèmes de cultures le(s) plus adapté(s) pour obtenir de bons rendements financiers tout en diminuant les apports d'azote minéraux. La première expérimentation réalisée sur le maïs a permis de mettre en évidence, après 4 années de non travail du sol, une augmentation significative de l'efficience d'utilisation de l’azote NUE, de l'indice de récolte d'azote ainsi que de l'efficience de remobilisation de l'azote, valable pour les systèmes de culture développés avec et sans fertilisation azotée. En ce qui concerne la deuxième expérimentation réalisée sur le blé, les résultats obtenus au cours de deux années successives ont montré les mêmes tendances que sur le maïs, avec une augmentation de l'efficience d'utilisation de l'azote, l'efficience agronomique d'utilisation de l'azote, le facteur de productivité partielle de l'azote, le coefficient apparent d'utilisation de l'azote et l'efficience de remobilisation de l'azote. De même secondairement, on a étudié l'indice de nutrition azotée (NNI) pour évaluer le statut de la nutrition azotée du blé entre les deux systèmes de travail du sol. Le travail du sol affecte de façon significative le NNI qui était plus élevé dans les systèmes de non-labour par rapport au système du labour classique. Dans la troisième partie de ce travail réalisée sur le blé, nous avons tenté de préciser les mécanismes physiologiques à l'origine de l'amélioration des divers paramètres de l'utilisation de l'azote constatée en analysant par système de culture, l'efficience photosynthétique d'utilisation de l'azote et de l'eau chez le blé au travers divers paramètres tels que : caractéristiques physiologiques des feuilles, taux de photosynthèse, conductance stomatique, taux de transpiration, indice de teneur en chlorophylle et surface spécifique foliaire. Nous avons ainsi constaté que le blé utilise l'eau et l'azote plus efficacement dans le système sans labour par rapport au système labour classique. Au même stade de développement du blé, le taux de photosynthèse et la surface spécifique foliaire étaient plus élevés en modalités [...]
Of all the essential nutrients, nitrogen (N) is the most important for crop growth and yield potential. The mineral N availability is a major limiting factor of quantitative and qualitative production of crops in general and cereals in particular. Maintaining the current high production levels requires managing crops to provide an optimum nitrogen nutrition. Therefore, the agricultural management practices must be at forefront of measures to sustain crop productivity and N efficiency in the intensive production systems at national level. In the last three decades, improving N use efficiency in crops (NUE) has been one of the most important challenge in modern agriculture. Therefore, various scientific, technological and agronomic approaches have been developed in parallel to improve our knowledge on the genetic and physiological basis of NUE for further breeding and agronomic applications. In particular, it has been emphasized that agricultural management practices on both short- and long-term perspectives must be at forefront of measures to develop sustainable crop productivity with regards to NUE improvement. The main objective of this work is to examine the new cropping systems, economically and environmentally efficient, based on conservation agriculture techniques. In other words, to investigate the influence of modification in agricultural practices (tillage system, cover crops) on the parameters affecting plant productivity and nitrogen nutrition of two cereals (wheat and maize). In this context, three field experiments were conducted to understand agricultural phenomena taking place during changes in farming practices, in order to examine the most sustainable agricultural system for maintaining crop productivity while rationalization of N fertilizer usage. A two-year experiment was conducted in the field to measure the combined impact of tilling and N fertilization on various agronomic traits related to NUE and to grain yield in maize cultivated in the presence of a cover crop. Four years after conversion to no-till, a significant increase in N use efficiency N harvest index, N remobilization and N remobilization efficiency was observed both under no and high N fertilization conditions. The second field study was conducted during two consecutive years to evaluate the combined effect of tilling, cover crops and N fertilization on various agronomic traits related to nitrogen use efficiency and to N nutrition in wheat. Five years after conversion to no-till, a significant increase in N use efficiency, N utilization efficiency, N agronomic efficiency, N partial factor productivity, N apparent recovery fraction and N remobilization was observed under three levels of N fertilization. Moreover, we observed that grain yield and grain N content were similar under tillage and no-till conditions. The N nutrition index was higher under no-till conditions at the three rates of N fertilization. Moreover, N use efficiency related traits and N nutrition were increased in the presence of cover crops both under no-till and conventional tilling conditions. Thus, agronomic practices based on continuous no-till in the presence of cover crops appear to be a promising strategy to increase N use efficiency and N nutrition in wheat while reducing both the use and the loss of N-based fertilizers.In the third study, wheat plants were grown under tillage and no- till conditions, with and without cover crops under no and high nitrogen fertilization conditions, to evaluate the combined effect of tilling and N fertilization on photosynthetic nitrogen use efficiency and photosynthetic water use efficiency through its impact on leaf physiological traits, such as photosynthesis rate, stomatal conductance, transpiration rate, leaf area ratio and specific leaf area. Six years after conversion to no-till, in the presence and in the absence of cover crops, a significant increase in water use efficiency and soil water content was observed both under [...]

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Abstract:

La gestion extensive des prairies constitue une alternative à l'abandon de certaines surfaces mais conduit à une hétérogénéité spatio-temporelle en quantité et en qualité du couvert. Notre objectif était de déterminer comment le comportement de l'animal et la dynamique du couvert végétal expliquent le développement et l'organisation spatiale de cette hétérogénéité au cours de la saison de pâturage. Le développement de l'hétérogénéité du couvert végétal sur deux parcelles de dactyle pâturée en continu par des brebis, l'une avec un chargement fort et l'autre avec un chargement faible, a été mis en relation avec l'ingestion et le comportement alimentaire et spatial des animaux (essai 1). Ceux-ci ont adapté leur comportement aux échelles des bouchées, des stations alimentaires et des déplacements entre patches en vue de maximiser la qualité de l'ingéré. A partir de l'épiaison leur mode de déplacement n'a plus été aléatoire et s'est organisé autour d'une échelle charnière de 5 mètres. Sur la parcelle peu chargée, ce comportement s'est traduit dès la floraison par l'émergence d'une rétroaction positive conduisant au pâturage répété des zones de meilleure qualité. La variabilité du couvert s'est organisée en macro et en micro-hétérogénéité sans qu'une échelle particulière d'organisation spatiale puisse être identifiée. Nous avons analysé le rôle de la sévérité et de la fréquence de pâturage sur la différenciation des couverts végétaux et sur l'évolution des préférences des brebis entre ceux-ci (essai 2). Dans la gamme de situation étudiée, la différenciation des couverts a résulté principalement de la pression de pâturage globale. Les préférences des animaux ont été expliquées par l'abondance relative en limbes verts des couverts végétaux et par la fréquence de pâturage. Ces résultats sont discutés selon une perspective temporelle, une perspective spatiale, et par rapport à des modèles théoriques de développement de l'hétérogénéité
Extensive management of grassland is an alternative way of abandoning certain areas, but it leads to a spatio-temporal heterogeneity of sward, both in quality and quantity. Our aim was to determine how animal behaviour and sward dynamic would explain the development of this heterogeneity and its spatial organisation. We analysed this development of heterogeneity in relation with intake and behaviour of animals, by making ewes graze continuously two co*cksfoot swards at either a high or a low stoking rate (experiment 1). The ewes modified their behaviour at bite and feeding station scales and adapted their movements between patches so as to maximize their diet quality. From ear emergence grazing paths were not randomly performed and were organized around a specific scale of 5 meters. From flowering, on sward with low stocking rate, this behaviour led to a positive feedback resulting in a more frequent grazing of the best quality patches. Sward variability was organised at a macro and micro-heterogeneity, but no specific scale of spatial organization could be identified. We then analysed the role of grazing severity and frequency on sward differentiation and sheep preferences between swards (experiment 2). Sward differentiation was mainly influenced by the overall grazing pressure. Sheep preferences were explained by the relative abundance of green leaves in swards and by grazing frequency. Results are discussed in both a temporal and spatial perspectives and in relation with theoretical models of sward heterogeneity development

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Abstract:

Des systèmes de culture innovants doivent être proposés pour répondre aux nouveaux objectifs de l'agriculture qui devront allier productivité, respect de l'environnement et rentabilité économique. Les systèmes de culture en semis direct sous couvert végétal (SCV) avec cultures associées permettraient d'atteindre ces objectifs. Si ces systèmes ont en effet montré des intérêts en climat tropical, ils sont presque inexistants en climat tempéré.
Cette thèse se propose d'accroître les connaissances scientifiques sur ces systèmes particuliers pour faciliter leur conception et leur évaluation en climat tempéré. Le travail repose sur un dispositif expérimental mis en place à Grignon (Yvelines, France) en 2002 pour trois campagnes culturales. Du blé tendre d'hiver (Triticum aestivum L.) est semé (i) dans un sol labouré, (ii) directement dans les résidus de la culture précédente et, (iii) directement dans six plantes de couverture différentes. En combinant sur ce dispositif une double approche, systémique et analytique, les objectifs de la thèse sont de comprendre, selon l'espèce de couverture, (i) l'impact des différents SCV avec cultures associées sur le rendement de la culture de vente en mettant en évidence les phases de sensibilité aux stress de cette culture, (ii) les relations de compétition et/ou de facilitation pour l'azote et la lumière entre les espèces associées et, (iii) l'évolution, à court terme, de la structure du sol et de ses propriétés hydriques.
Ce travail montre que la présence d'une plante de couverture peut réduire, parfois fortement, le rendement de la culture de vente, différemment selon l'espèce de couverture, sa conduite technique et les conditions climatiques ; les phases d'élaboration du rendement qui sont perturbées dans ces situations culturales dépendent aussi de ces trois facteurs. De plus, l'étude met en évidence que la compétition pour le rayonnement lumineux entre les espèces associées est le processus le plus défavorable au rendement du blé.
A court terme, il n'apparaît pas de différences marquées entre la structure d'un sol non travaillé sans plante de couverture et celle d'un sol non travaillé avec une plante de couverture. Toutefois, l'étude révèle que les propriétés hydriques peuvent être modifiées selon l'absence ou la présence d'une plante de couverture sur un sol non travaillé sans démontrer de variations importantes de ces propriétés selon l'espèce de couverture.
La thèse fournit des informations scientifiques et techniques sur le fonctionnement, en climat tempéré, de peuplements associant sur un sol non travaillé, une culture de vente à différentes plantes de couverture. Elle montre la faisabilité mais aussi les risques des SCV avec cultures associées ; elle permet d'identifier des axes de recherche pour compléter les connaissances et fournir des références pour réduire ces risques.

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Abstract:

Le bassin versant de la Doubégué (500 km2) appartient au bassin du lac de Bagré, principal barrage burkinabé. Cette région où prédominent les activités agro-pastorales a connu au cours des trente dernières années de profondes modifications relevant de la sphère physique (péjoration climatique) et principalement humaines (arrivée de nouvelles populations, activités inédites, mise en eau d’un lac de barrage, exacerbation des conflits, réforme agraire et décentralisation). Ces changements ont alors eu d’importantes répercussions sur l’environnement physique et humain, au point de modifier le paysage de cette région burkinabée. Cette thèse s’attache alors à comprendre les processus qui ont eu et qui ont encore cours dans ce bassin versant de la région Centre-Est, en s’appuyant sur des études relevant des sciences « dures » et des sciences sociales. Ainsi, elle dresse un état des lieux de l’occupation des sols, des formes de phénomènes érosifs en cours et de la présence de turbides dans le bassin versant de la Doubégué. La turbidité est également un indicateur des risques sanitaires encourus par les populations. Parallèlement, cette thèse a pour objectif de prendre en compte et de connaître d’une part comment les populations ont conscience des processus en cours modifiant les ressources que sont la végétation, les terres et l’eau, et d’autre part les solutions appliquées et désirées par ces dernières. En définitive, cette thèse a comme objectif final, la mise en place de solutions afin d’atteindre une gestion intégrée de ce bassin versant. Elles doivent s’inscrire dans la durabilité et ainsi répondre à la protection de l’environnement mais aussi au développement socio-économique de cette région du Pays Bissa
The Doubégué catchment area (500 km2) belongs to the Bagré Lake catchment, wich is the main dam in Burkina-Faso. The agro-pastoral activies dominate in the region, which experienced profound modifications during the last thirty years : ranking from the physical sphere (climate change) to the human prevailing one (new populations, new activities, building of a dam, and a creation of a lake, exacerbation of the conflicts, agrarian and decentralization reforms). These changes had thus important repercussions on the physical and human environment, to the point that they modified the landscape of this region in Burkina Faso. This thesis attempts then to understand the processes which have been and are still currently running in this catchment area in the region Central-East, by leaning on relevant studies from both “hard” and social sciences. So, it draws up an inventory of the land use, the types of current erosion phenomena and of turbides presence in Doubégué catchment area. The turbidity is also an indicator of the risk for their health encountered by the populations. Meanwhile, this thesis has for objective to take into account and to know on one hand how the populations are aware of the current processes modifying the resources such as vegetation, lands and water, and on the other hand the solutions applied and wished by the population. Eventually, this thesis aims at the implementation of solution to reach an integrated Management in the Doubégué catchment area. These solutions have to be sustainable to protect the environmental and to help also the socioeconomic development of this region in the Bissa Country

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Abstract:

Selon les projections démographiques de la FAO, la population mondiale atteindra 9 milliards de personnes d'ici 2050. Cette augmentation sera associée à une demande accrue de produits agricoles et à une augmentation de la production de déchets. Par conséquent, des approches alternatives dans les pratiques agricoles, tels que l'utilisation permanente de la couverture végétale et/ou l'application de boues d'épuration, sont envisagées pour répondre aux exigences mondiales et préserver l'environnement. Ces nouvelles pratiques pourraient influencer le fonctionnement et les propriétés du sol et des organismes microbiens présents dans cet environnement. Par conséquent, passer de l'agriculture intensive à une agriculture écologiquement intensive pourrait entraîner des modifications de la biodiversité des sols. En utilisant différents systèmes expérimentaux permettant une comparaison entre différentes pratiques agricoles, des études de la diversité microbienne taxonomique et fonctionnelle du sol (bactéries et champignons) ont été entreprises. La diversité taxonomique des organismes microbiens a été obtenue par séquençage à haut débit des régions hypervariables des gènes codant l'ARN16S et l'ITS1. Nous avons évalué les rôles écologiques des microorganismes du sol en utilisant des identifications taxonomiques, puis des études permettant d'examiner leur physiologie et leurs fonctions par rapport à différentes propriétés physicochimiques du sol. Nous avons constaté que la fertilisation azotée avait une incidence négative sur la diversité microbienne du sol et modifié leur fonctionnalité. Ces effets peuvent être modulés par l'utilisation de PPC ou l'application de boues. Ces travaux indiquent que les pratiques agricoles conventionnelles ont un impact sur la biodiversité microbienne du sol et peuvent être remplacées par des pratiques agricoles plus respectueuses de l'environnement afin de préserver l'écosystème et ses services
According to demographic projections, world population will reach 9 billion people by 2050. This increase will be associated with higher demand of agricultural products and an increase in wastes production. Therefore, alternative approaches in agricultural practices; such as permanent plant cover usage and/or sewage sludge application, are envisaged to meet global demands and preserve the environment. These new practices could therefore influence the properties of the soil and its functioning. Therefore moving from intensive to ecologically intensive agriculture could lead to modifications in soil biodiversity. Using different experimental systems allowing comparison between different agricultural practices, studies of the taxonomic and functional soil microbial diversity (bacteria and fungi) had been undertaken. This was achieved by next generation high-throughput sequencing of the hypervariable regions of the genes encoding RNA16S and ITS1. Sequencing was performed using an Illumina platform and the sequences obtained were analyzed using various bioinformatic tools. We inferred the ecological roles of soil micro-organisms by using taxonomic identifications, moving on to the examination of their physiology and functions in comparison with different soil physiochemical properties. We found that nitrogen fertilization negatively impacted the soil microbial diversity and altered their functionality. These negative effects have been modulated by the PPC usage or SS application. Proving that conventional agricultural practices effects the soil biodiversity and can be replaced by ecofriendly farming applications in order to preserve the ecosystem and its services

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Abstract:

La télédétection est un outil majeur pour mieux gérer les couverts végétaux. De ce fait, la modélisation du transfert radiatif (TR) tridimensionnel (3D) est essentielle pour comprendre les mesures de télédétection des couverts végétaux. Les modèles de TR unidimensionnels (1D) sont souvent utilisés pour inverser les données de télédétection en termes de paramètres de la végétation. Cependant, ils ne sont pas adaptés à la complexité des couverts végétaux, car ils les simulent comme des couches hom*ogènes, ce qui est irréaliste. Beaucoup de travaux sont donc consacrés à la conception de modèles de TR 3D adaptés à l'architecture 3D des couverts végétaux. Cependant, développer un modèle de TR 3D efficace pour de grandes scènes réalistes est un défi en termes de modélisation du TR et d'obtention de description réaliste du couvert végétal. Ainsi, les modèles de TR 3D actuels n'opèrent en général que sur des scènes très simplifiées ou des scènes réalistes de petite dimension inadaptées à la résolution de la plupart des capteurs satellites actuels (e.g., MODIS). Les modèles de la communauté "informatique graphique" (i.e., modèles de "rendu") sont les plus précis et les plus efficaces, mais ils n'ont pas été conçus pour une modélisation précise du TR. Ils sont donc peu employés pour les applications de télédétection. Les progrès en infographie et puissance informatique permettent de beaucoup accélérer les modèles 3D de TR. De plus, les mesures 3D à haute résolution spatiale des LiDARs et caméras photogrammétriques deviennent plus accessibles pour reconstruire des couverts végétaux réalistes. Il est donc essentiel de développer des modèles de TR qui utilisent ces informations 3D. Cette thèse est axée sur 1) le développement d'un modèle de TR 3D basé sur les techniques récentes de suivi de rayons et 2) la récupération de la densité volumique 3D des feuilles (LVD: leaf volume density) pour construire des scènes forestières. Elle présente le développement du modèle TR 3D LESS (LargE-Scale remote sensing data and image Simulation framework), basé sur les algorithmes de lancer de rayons. Ainsi, LESS simule des données BRF multi-spectrales avec une méthode de lancer de photons virtuels (i.e., pondérés) en mode "direct" (i.e., photons lancés depuis la source) et des images de capteur à petite échelle (e.g., images "fisheye") et grande échelle (e.g., 1 km2) avec une méthode de lancer de photons en mode "inverse". Le mode inverse est aussi utilisé pour simuler des images infrarouges thermiques et le TR atmosphérique. Une comparaison entre modèles et une comparaison avec des mesures "terrain" ont démontré l'efficacité et la précision du modèle LESS. De plus, une interface utilisateur graphique conviviale permet de saisir les paramètres d'entrée, et aussi de construire et de visualiser les scènes 3D. La reconstruction de scènes 3D de forêt est réalisée avec un jeu de données LiDAR simulées avec le modèle de TR anisotrope discret (DART), afin d'évaluer diverses approches d'obtention du LVD à partir de données LiDAR aéroportées
Remote sensing is needed for better managing vegetation covers. Hence, three-dimensional (3D) radiative transfer (RT) modeling is essential for understanding remote sensing signals of complex 3D vegetation covers. Due to the complexity of 3D models, one-dimensional (1D) RT models are commonly used to retrieve vegetation parameters, e.g., leaf area index (LAI), from remote sensing data. However, 1D models are not adapted to actual vegetation covers because they abstract them as schematic 1D layers, which is not realistic. Much effort is devoted to the conception of 3D RT models that can consider the 3D architecture of vegetation covers. However, developing an efficient 3D RT model that works on large and realistic scenes is still a challenging task. Major difficulties are the intensive computational costs of 3D RT simulation and the acquisition of detailed 3D canopy structures. Therefore, 3D RT models usually only work on abstracted scenes or small realistic scenes. Scene abstraction may cause uncertainties, and the small-scale approach is not compatible with most satellite observations (e.g., MODIS). The computer graphics community provides the most accurate and efficient models (i.e., renderers). However, the initial renderer models were not designed for accurate RT modeling, which explains the difficulty to use them for remote sensing applications. Recently emerged advanced techniques in computer graphics and light detection and ranging area (LiDAR) make it more possible to solve the above problems. 3D RT can be greatly accelerated due to the increasing computer power and improvement of rendering algorithms (e.g., ray-tracing acceleration and computational optimization). Also, 3D high-resolution information from LiDARs and photogrammetry become more accessible to reconstruct realistic 3D scenes. This approach requires new processing methods to combine 3D information and 3D RT models, which is of great importance for better remote sensing survey of vegetation. This thesis is focused on 1) Development of a 3D RT model based on recent ray-tracing techniques and 2) Retrieval of 3D leaf volume density (LVD) for constructing 3D forest scenes. This first chapter presents the development of an efficient 3D RT model, named LESS (LargE-Scale remote sensing data and image Simulation framework). LESS makes full use of ray-tracing algorithms. Specifically, it simulates multispectral BRF and scene radiative budget with a weighted forward photon tracing method, and sensor images (e.g., fisheye images) or large-scale (e.g. 1 km2) spectral images are simulated with a backward path tracing method. In the forward mode, a "virtual photon" algorithm is used to simulate accurate BRF with few photons. The backward mode is used to simulate thermal infrared images and also atmosphere RT. LESS efficiency and accuracy were demonstrated with a model intercomparison and field measurements. In addition, LESS has an easy-to-use graphic user interface (GUI) to input parameters, construct and visualize 3D scenes. 3D forest reconstruction is done with a simulated LiDAR dataset to assess approaches that retrieve LVD from airborne LiDAR data. The dataset is simulated with the discrete anisotropic radiative transfer model (DART)

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Abstract:

Ce travail porte sur l'amélioration de la restitution de variables biophysiques de surface, tels l'albédo, l'indice foliaire ou la fraction de végétation, en combinant des données satellitaires provenant de différents capteurs optiques à grand champ comme VEGETATION, MERIS, AVHRR, ou POLDER. La fusion multi-capteurs nécessite l'application d'une normalisation spectrale destinée à compenser les réponses spectrales des différents capteurs, dont le principe est validé à l'aide de mesures hyperspectrales aéroportées et des données issues des capteurs MERIS et VEGETATION. Le fusion de jeux de données de résolutions spatiales différentes repose sur l'utilisation d'un filtre de Kalman pour la désagrégation des mesures à basse résolution. Ce dernier permet en outre une fourniture continue dans le temps des variables de surface, à la différence des méthodes classiques de régression qui sont pénalisées par l'absence de données en période nuageuse
This work aims at improving the determination of surface biophysical parameters, such as albedo, leaf area index or fraction of vegetation cover, by combining data from different wide field optical sensors like VEGETATION, MERIS, AVHRR, or POLDER. The multi-sensor fusion requires the application of a spectral normalization to compensate the spectral responses of the different sensors, which is validated with airborne hyperspectral measurements and MERIS and VEGETATION datasets. The fusion of measurements at different spatial resolutions is based on the use of a Kalman filter for the downscaling of the low resolution data. The latter also gives the possibility to deliver continuous products, contrarily to standard regressions methods that are limited in the case of cloud coverage

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Abstract:

L’évaluation des performances et des caractéristiques des nouvelles variétés produites est une étape clef de l’amélioration des performances d’une culture. Cependant, le processus d’évaluation des variétés est actuellement principalement basé sur des expérimentations en champs. Cela réduit le nombre et la diversité des conditions pédologiques, climatiques et les pratiques culturales évaluées et bien sûr rend impossible l’évaluation dans des conditions climatiques futures induites par le changement climatique. Evaluer, comprendre génétiquement et prédire la plasticité de la performance des variétés est donc un enjeu de recherche fondamentale et appliquée pour adapter les variétés aux conditions climatiques et aux systèmes de culture futurs. Notre objectif général est de construire des outils qui permettent de tirer parti de la plasticité phénotypique pour utiliser plus efficacement les ressources génétiques et environnementales afin de réduire les écarts de rendement actuellement observés entre le progrès génétique (rendement potentiel) et la production agricole. Pour parvenir à cet objectif, nous avons développé deux approches pour contribuer à l’identification de marqueurs génétiques impliqués dans la performance et la stabilité des variétés dans des environnements de culture variés. Les deux approches utilisent à la fois des modèles de génétique quantitative et un modèle écophysiologique pour tenir compte de l’interaction entre les variétés et l’environnement. La première approche ("plasticité") se base sur l’identification des bases génétiques de la plasticité du rendement et la seconde ("optimisation") sur l’identification des bases génétiques des caractéristiques d’hybrides optimaux pour le niveau et la stabilité du rendement dans une population d’environnement de cultureélargie. Dans la première approche "plasticité", le modèle écophysiologique nous a permis de caractériser les niveaux de stress abiotiques des environnements du réseau d’essais. Nous avons ensuite pu estimer la plasticité des performances d’un panel d’hybride vis-à-vis de ces stress. L’intégration avec les données de génotypage a permis ensuite d’en identifier le contrôle génétique et de prédire ces caractéristiques chez des hybrides apparentés. Dans la seconde approche "optimisation", la conception d’un modèle multi-échelle génétique et écophysiologique est un élément central pour prédire la performance d’hybrides non observés en champ dans des conditions de culture variées. Nous avons procédé en deux étapes : (1) utiliser des modèles de prédiction génomique pour prédire un ensemble de paramètres phénotypiques caractérisant un hybride en fonction de son génotype, puis (2) utiliser un modèle de simulation pour prédire le rendement de l’hybride en fonction de l’environnement, de la conduite de culture et de ses paramètres phénotypiques. La performance de ce modèle couplé s’est révélée inférieure à une approche de prédiction génomique seule et nous a permis d’identifier des verrous méthodologiques pour cette problématique. Nous avons mis en oeuvre de manière exploratoire ce modèle dans une approche d’optimisation par simulation qui nous a permis d’identifier des combinaisons de caractères physiologiques et développementaux associés à des performances plus élevées ainsi que d’en identifier le contrôle génétique. Dans les deux approches menées, les analyses de génétique d’association ont permis de la complexité du contrôle génétique des différents caractères, les informations relatives à aux marqueurs associés sont disponibles pour développer des variétés qui seront adaptées à des conditions de culture de plus en plus variables, du fait du changement climatique et de la nécessité de développer des pratiques agricoles plus durables
Assessing the performance and the characteristics (e.g. yield, quality, disease resistance, abiotic stress tolerance) of new varieties is a key component of crop performance improvement. However, the variety testing process is presently exclusively based on experimental field approaches. This reduces the number and the diversity of experienced combinations of varieties x environment x management conditions and of course testing in future climatic conditions generated by climate change. Testing, understanding genetically and predicting phenotyic plasticity of crop performance constitutes therefore a challenge for basic and applied research in order to adapt varieties to future climatic conditions and technical practices. Our aim is to design tools to leverage phenotypic plasticity and better use genetic and environmental resources to reduce yield gaps currently observed between the genotypic potential and the agricultural production. We developed two approaches to identify genetic markers associated to yield and its stability in various production situations. Both approaches are based on the combination of quantitative genetics models and crop simulation models to capture phenotypic plasticity. The first approach ("plasticity") aims to identify the genetic architecture of yield plasticity in a multi-environment trial, while the second ("optimization") rather focus of the genetic architecture of plant traits that are optimal for yield and its variance in specific growing conditions. In the first "plasticity" approach, the crop simulation model allowed assessing abiotic stress levels occurring in a multi environment trial. We then calculated yield plasticity for each genotype in a hybrid panel as the regression of the yield of the hybrid against the stress level in the environment (reaction norms). Finally, a genome-wide association study (GWAS) identified genetic markers linked to yield plasticity. In the second "optimization" approach, the key step was to design a multiscale model to predict the performance of new hybrids in new environments. We proceed in two steps: (1) build whole genome prediction models to predict a set of component traits as a function of allelic combination of genotypes and (2) use a crop simulation model to predict the hybrid yield as a function of component traits, environmental variables and management practices. We found that the accuracy of our multi-scale model was worse than the accuracy of a sole genome prediction model directly predicting crop yield, but we identified new bottlenecks related to the design of such models. We nevertheless used this model in an experimental simulation-based optimisation method, which allowed identifying plant traits associated to high yield level and stability in specific growing conditions and we discussed their genetic architecture. In both approaches, association studies identified numerous genomic regions controlling yield plasticity in responses to abiotic stresses and highlighted its complexity. Such information is available to plant breeders to develop new genotypes adapted to increasingly variable cropping conditions drived by climate change to fulfill the societal need to switch to more sustainable agricultural management

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Abstract:

Parmi les ouvrages de protection de la ressource en eau du réseau autoroutier français, cette étude s’est focalisée sur un ensemble de 18 bassins dans le Sud-Est de la France appartenant à la Société ASF. Son objectif a été de déterminer les paramètres structurelles, physico-chimiques et biotiques qui caractérisent le fonctionnement de ces bassins pour évaluer la potentialité de leur végétation spontanée à dépolluer l’eau et les sédiments de ces ouvrages. Les résultats ont mis en évidence que le compartiment eau présente des variations de composition chimique dépendantes du renouvellement en eau des bassins, ce qui ne permet pas d’utiliser ces critères pour discriminer les ouvrages. Par contre, les analyses chimiques des sédiments ont permis une nette discrimination des bassins selon leur teneur en carbonates. La végétation des bassins est principalement structurée par la variable temps selon le modèle hydrarche classique avec la succession des hydrophytes puis des hélophytes. En ce qui concerne la flore, les paramètres discriminants sont les caractéristiques physico-chimiques distinguant : des bassins riches en carbonates dans lesquels Chara vulgaris domine et d’autres, moins carbonatés, dans lesquels Chara globularis est l’espèce dominante. Si un effet « rhizosphère » a pu être démontré sur les teneurs en ETM biodisponibles, il n’ pas été possible de mettre en évidence de phénomène d’hyperaccumulation des ETM par les plantes. La contribution des plantes à l’accumulation des métaux contenus dans les bassins est extrêmement faible par rapport aux quantités piégées dans le sédiment. Les quantités bioaccumulées les plus importantes sont localisées dans les parties souterraines de typha. Les charophytes, qui développent une biomasse importante dans les bassins, présentent toutefois des aptitudes réduites à accumuler des métaux. Cependant, le rôle stabilisateur de la végétation des bassins n’est pas négligeable : il est notamment à mettre en parallèle avec les conditions météorologiques particulières auxquelles sont soumis les bassins : climat méditerranéen avec de forts vents et risques de dissémination éolienne des contaminants. Ainsi la végétation spontanée peut contribuer au piégeage des particules dans les bassins
Amongst the numerous retention ponds alongside motorways from the French concession motorway company ASF, this study focused on a pool of 18 ponds in the South-East of France. The purpose was to determine the major features of the pond functioning beyond structural characters, biotic and abiotic environmental parameters and evaluate the remediation potential of the spontaneous flora. Results showed that water chemistry was not a discriminant pool of data because these parameters were under control of water renewal. However, among the sediment chemical parameters selected, carbonate content was a good discriminant. Pond vegetation showed a classical dynamic of evolution with helophytes following hydrophyte colonization. Amongst the plant taxa, Chara vulgaris was more abundant in carbonated ponds while Chara globularis occurred in less carbonated ponds. A rhizospheric effect was demonstrated enhancing trace elements biodisponibility. However no metal hyperaccumulation was observed in the analysed aquatic plants. Metal contents in plants were low compared with metal contents in sediments. The highest metal accumulation was obtained in roots of typha. Even if charophytes produced high biomass in the ponds, low levels of trace elements were accumulated in plant tissue. However, plant cover play a stabilization role in the ponds: regarding strong gusts of wind, typical of Mediterranean climate and possible pollutant dispersion, vegetation may improve particles trapping in the ponds

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Abstract:

Au Brésil, les systèmes de culture en semis direct couvrent aujourd'hui près de 20 millions d'hectares et se révèlent bien adaptés agronomiquement aux exigences tropicales. Cette thèse étudie, à partir d'une importante collecte de données au champ complétée par des expérimentations en laboratoire et des simulations, la séquestration du carbone (C) sous semis direct sous couverture végétale (SCV) en comparaison avec un système de culture avec travail du sol (offset, OFF) à l'échelle du cycle cultural sur un dispositif expérimental de la région des Cerrados.
Dans un premier temps, nous avons étudié les stocks de C des sols en 2003 et les avons comparés aux stocks initiaux (1998). Nous avons constaté une augmentation du stockage de C en surface (0-10 cm) sous SCV, en comparaison avec OFF, de l'ordre de 0,35 t C.ha-1.an-1, ce qui correspond à 10% environ des résidus de couverture restitués au sol. Une analyse par fractionnement granulométrique de la matière organique (MO) a montré que le C nouvellement stocké est localisé essentiellement dans les fractions fines (< 50 µm) dont la MO est généralement considérée comme relativement stable. Cependant, si les pratiques de non-travail augmentent le stockage de C dans le sol, elles pourraient toutefois favoriser les émissions de N2O et CH4.
Dans un second temps, nous avons donc mesuré les flux de CH4 et N2O à la surface du sol à l'aide de chambres statiques, les concentrations en CO2 et N2O à différentes profondeurs du sol, ainsi que les déterminants de production et d'émission des GES (température, azote minéral, teneur en eau). Aucune différence significative n'a été notée entre les deux systèmes pour les flux de CH4 et N2O. Les émissions annuelles mesurées de N2O correspondent à 0,03% de la quantité d'azote apportée par fertilisation sur les parcelles, ce qui est très faible mais non contradictoire avec la littérature existante sur les Cerrados. Les émissions de CH4 sont faibles également. En équivalent C-CO2, la somme des émissions de N2O et CH4 correspondent à 6,0 et 7,8 kg C.ha-1.an-1 pour SCV et OFF respectivement. Finalement, le bilan mesuré pour la séquestration du C (en équivalent C-CO2), considérant l'ensemble des flux de CO2 (approché par les variations de stocks de C du sol), de N2O et de CH4 (par mesures directes à la surface du sol) est de 351,8 kg C.ha-1.an-1, et donc bien en faveur du système SCV.
Cependant, l'estimation des bilans de N2O et CH4 au champ souffre de la grande variabilité et de la discontinuité des mesures de terrain. Aussi, avons-nous mené une expérimentation en laboratoire visant à caractériser, dans le cas de N2O, les potentiels d'émission par dénitrification et nitrification. Les résultats permettent de classer le sol étudié comme peu émetteur de N2O. Nous avons par la suite utilisé ces mesures, ainsi que la base de données acquises au champ, afin de renseigner le modèle NOE (Nitrous Oxide Emissions) de simulation des émissions de N2O. Ce modèle nécessitant une connaissance précise des humidités du sol, et celles-ci étant considérées comme un déterminant clé des émissions de N2O, elles ont été simulées par le modèle PASTIS afin de renseigner en continu le modèle NOE. Ces simulations sur l'ensemble du cycle cultural ont permis de montrer que (i) le sol étudié, qu'il soit sous SCV ou sous OFF, est très faiblement émetteur de N2O (et de CH4), (ii) les émissions de N2O par nitrification et par dénitrification s'ajoutent au cours du cycle cultural, (iii) les émissions par dénitrification représentent des évènements ponctuels, d'amplitude très importante (15 fois l'ordre de grandeur de l'émission par nitrification), (iv) la contribution de la nitrification aux émissions de N2O n'est pas négligeable et s'élève à 35 et 31% pour SCV et OFF respectivement et que (v) les mesures au champ semblent estimer essentiellement les flux de N2O liés a la nitrification. Le nouveau bilan « simulé » confirme le bilan « mesuré » au champ avec une séquestration du C sous SCV d'environ 320 kg C.ha-1.an-1.
La potentiel de séquestration du C des SCV confère à ces systèmes de culture un intérêt environnemental supplémentaire en conditions tropicales.

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Abstract:

Les architectes, les urbanistes et les ingénieurs sont fortement sollicités pour élaborer des méthodes de conception permettant de limiter l'impact environnemental de l'urbanisation. De nombreux travaux montrent que des phénomènes climatiques comme l'îlot de chaleur urbain sont à la fois les causes et les conséquences de l'augmentation de la consommation énergétique à l'échelle de la ville. Par ailleurs, l'expertise énergétique des bâtiments est possible avec des outils opérationnels qui ne prennent pas correctement en compte les conditions climatiques à petite échelle spatiale alors qu'il est démontré que leurs effets sont avérés. Souvent négligé, l'impact direct et indirect de l'aménagement constitue pourtant une piste intéressante pour la régulation énergétique passive. Pour étudier ces phénomènes, nous proposons dans cette thèse d'utiliser un outil de simulation microclimatique, reposant sur le couplage d'un modèle thermoradiatif et d'un code de mécanique des fluides numérique. Dans une première partie, nous développons un modèle de sol et un modèle thermique de bâtiment, ce dernier permettant le calcul des consommations énergétiques d'un bâtiment interagissant avec son environnement urbain. Nous les intégrons à l'outil de simulation thermoradiative (Solene), puis adaptons la procédure de couplage physique avec l'outil de simulation thermoaéraulique (Fluent). Dans une deuxième partie, nous caractérisons le comportement d'un bâtiment de référence en site isolé et décrit par des paramètres variables, en établissant des classes de consommations énergétiques à partir d'une méthode statistique d'étude de sensibilité multicritères. Enfin, nous réutilisons ces classes de bâtiments dans un contexte urbain réel, le projet Lyon Confluence, pour analyser l'impact de deux modes d'aménagement des îlots étudiés : un aménagement minéral et un aménagement végétal. Cette dernière partie fait ressortir deux résultats principaux à savoir l'écart important entre des consommations énergétiques simulées en contexte théorique isolé et simulées en site urbain, puis, l'économie potentielle d'énergie entre deux choix d'aménagement urbain pour un même projet.

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Abstract:

La région sahélienne est devenue l'archétype de la désertification et de la dégradation des terres depuis les grandes sécheresses qui l'ont ravagée dans les années 70 et 80. Cependant, la relative reprise des précipitations depuis le milieu des années 90 et l'observation subséquente d'un « reverdissem*nt» du Sahel à partir d'indices de végétation extraits grâce au développement de la Télédétection Spatiale ont contribué à nuancer la thèse de l'avancée irréversible de la désertification. Le lien entre ces indices et la dégradation des terres demeure néanmoins très complexe et les conclusions tirées de leur analyse sont parfois contradictoires. En effet, les profondes mutations du paysage inhérentes à la croissance démographique ou la grande variabilité climatique sont autant de facteurs qui rendent délicat tout diagnostic définitif. La forte interdépendance des échelles spatiales et temporelles de la dégradation des terres au Sahel nous conduit à proposer une analyse multiscalaire, avec l'objectif initial de comprendre la situation actuelle et d'établir la méthode la mieux adaptée au suivi de ce phénomène à l'échelle régionale. Cette analyse est réalisée pour l'ensemble de la région sahélienne durant la période 1982-2011 à partir de l'indice de végétation NDVI GIMMS-3g et des produits de précipitations. Elle est ensuite transposée au sud-ouest nigérien, où l'évolution du couvert végétal est étudiée à partir du NDVI MODIS ainsi que des photographies aériennes et satellitaires des dernières décennies
The Sahel region has become the archetype of desertification and land degradation since the important droughts that took place during the 70s and 80s. However, the rainfall recovery since the middle of the 90s and the re-greening trend observed from remoting sensed vegetation indexes has challenged the view of an advancing desertification in the Sahel. Nevertheless, the relation between these indexes and land degradation is very complex and the conclusions made are sometimes contradictory. In fact, the high climate variability and the important landscape mutations, due to demographic growth, make of land degradation assessment a difficult task in this region. The strong interdependency between temporal and spatial scales of land degradation, led to carry out a multi-scalar analysis to understand; what is the actual situation of the Sahel concerning land degradation, and what is the most effective way to assess this phenomenon at a regional scale. This analysis has been done for the entire Sahel region during the period 1982-2011using the NDVI GIMMS-3g vegetation index and rainfall products. It has been later transposed to south-west Niger using the NDVI MODIS index and aerial and satellite photographs of the last decades

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Abstract:

La coopération entre la France et les pays d'Amérique latine, dans l'esprit de la Conférence des Nations Unies sur l'Environnement et le Développement, contribue à clarifier les principes de base d'une gestion intégrée des bassins : la connaissance du milieu, la planification des interventions, la participation des usagers et la mise en place de mécanismes de financement durable en application du principe usager-payeur. Le bassin du Paraiba do Sul, dans la région sud-est du Brésil, est présenté comme cas d'étude. Le projet pilote de coopération a permis au Brésil de se doter d'une nouvelle loi sur l'eau inspirée du modèle français, qui permet la création d'Agences et de Comités de bassins. La gestion intégrée des bassins hydrographiques en Amérique latine est la base d'une nouvelle politique de l'eau qui doit intégrer la gestion des sols et de la couverture végétale, avec comme objectif un développement durable des bassins hydrographiques. La première partie de ce travail, intitulée " Situation actuelle de la gestion de l'eau en Amérique latine ", fait l'état des lieux de la gestion de l'eau dans le continent et propose une systématique pour la caractérisation de systèmes de gestion et indique les grands thèmes à prendre en compte pour une politique de développement durable. La deuxième partie, intitulée " Gestion des sols et de la couverture végétale au niveau du bassin versant : exemple du Paraiba do Sul, Brésil ", développe un aspect souvent négligé dans les plans de gestion des bassins et propose, du fait des importants problèmes d'érosion, une intégration de la gestion des sols avec celle de l'eau. Enfin, la troisième partie intitulée " Méthodes et exemples de mise en place de politiques de développement durable des bassins ", propose les éléments méthodologiques généraux d'une action intégrée à l'échelle du bassin, sur la base de l'expérience de huit années en coopération en Amérique latine.

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Abstract:

La possibilité de déterminer par télédétection infrarouge satellitaire les paramètres et flux de surface à une échelle régionale (102 à 104 km2) a été développée récemment. La plupart des méthodes sont fondées sur l'équation de la conservation des flux à la surface considérée comme un milieu conductif équivalent à un sol nu. Dans ce contexte, l'appert de notre travail a été l'introduction d'une description réaliste du couvert végétal à l'échelle régionale et de ses relations avec les contraintes atmosphériques. La méthodologie développée a repris et généralisé le formalisme de Deardorff qui introduit un nombre restreint de paramètres de surface à méso-échelle. Par des tests de sensibilité du modèle, il a été montré que sur les couverts végétaux bien développés, un seul paramètre la résistance stomatique globale du couvert, joue un rôle dominant et qu'en conséquence une seule température de surface celle du maximum de jour, par inversion du modèle, suffit pour le déterminer et en déduire les flux de surface. Cette approche est appliquée à des zones apparaissant thermiquement hom*ogènes sur l'imagerie infrarouge, par un algorithme de classification. Une étude climatique de la Beauce, sur l'année 1982, montre que sur une région agricole uniforme (couverte de blé) des zones hom*ogènes thermiquement différentes apparaissent liées à des drainages du sol différents à grandes échelles et révélées en période de stress hydrique du couvert. La pertinence de cette approche a été testée lors d'une période d'assèchement de 10 jours (en Juillet 1983) pendant une expérience sur une plaine agricole hom*ogène (Grande Beauce 30 km x 30 km). Sur un site expérimental, des mesures de flux de surface. Par télédétection acoustique (SODAR), cohérentes avec la résolution satellitaire, om été acquises et une comparaison positive des flux simulés et mesurés a été obtenue. Pour la même période, un modèle de sol nu s'est révélé inapplicable lorsqu'il y avait de la végétation. Des tests de simulations ont quantifié la sensibilité des résultats aux erreurs expérimentales. Plus que sur sol nu, le modèle de végétation reste dépendant d'une correction précise de la température radiative. L'utilisation simultanée de satellites défilants et géosynchrones, observant la même zone thermiquement hom*ogène sous 2 angles différents, minimise l'erreur sur la température radiative télédétection satellitaire infrarouge, inversion "température IR/flux de surface'', modélisation du couvert végétal, évaporation, résistance stomatique globale du couvert, algorithme de segmentation d'images, validation à l'échelle satellitaire, erreur de la méthodologie.

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Abstract:

Dans un contexte biophysique caractérisé par d’importants changements socio-environnementaux,l’objectif principal de la thèse vise à comprendre dans quelle mesure les pratiques agropastorales modulent dans l’espace et dans le temps la vulnérabilité et l’adaptabilité des agro-écosystèmes et des sociétés agropastorales du Sahel. Afin d’atteindre le but visé, cette problématique a été envisagée à l’échelle macro-régionale, celle du Sahel,en s’appuyant sur trois sites d’étude micro-régionaux à savoir le Ferlo (Sénégal) ; le Gourma (Mali) et le Fakara (Niger) au sein desquels les perceptions et les représentations des sociétés ont été étudiées dans un échantillon de villages et de campements.La méthode d’analyse élaborée comporte deux volets :1) un travail de cartographie par télédétection basé sur le traitement d’images satellites, et 2) des analyses géo-textuelles basées sur la lexicométrie à partir d’entretiens semi-directifs. La cartographie par télédétection a permis d’établir un diagnostic aux échelles micro-régionales et locales sur l’évolution du couvert végétal depuis les années 70 jusqu’en 2010. Du diagnostic tiré d’une approche multiscalaire, il ressort des contrastes intra et inter régionaux dans l’évolution de la couverture du sol par la végétation qui invitent à nuancer les observations faisant état d’un reverdissem*nt du Sahel. L’articulation de la télédétection avec les enquêtes de terrain a permis d’appréhender l’évolution des ressources végétales d’une part, et d’autre part d’examiner la diversité des réponses données par les sociétés rurales du Sahel à la crise climatique des années 70 et 80, et aux évolutions socio-économiques récentes qu’ont connu leur pays et leur région. A travers la lexicométrie, des analyses géo-textuelles basées sur les entretiens semi-directifs ont permis d’approcher les perceptions des agropasteurs au sujet de la vulnérabilité et de la résilience des ressources naturelles. A la lumière des perceptions exprimées, les pratiques adaptatives ont été appréhendées dans leur variété. Il en ressort des reconfigurations socio-spatiales dans les trajectoires des activités agricoles et pastorales qui expliquent en partie les contrastes intra et inter régions observés entre le Ferlo, le Gourma et le Fakara
In a biophysical context characterized by important socioenvironmental changes, the main objective of this PhD is to understand how much agropastoral practices modulatein space and time the vulnerability and adaptability of agroecosystems and sahelians agropastoral societies. To reach this target, this question has been applied at macro-regional scale, relying on three micro-regional study areas: Ferlo (Senegal); Gourma (Mali) and Fakara (Niger) in which perceptions and representations of societies have been studied in a sample of villages and camps. The method developed in this PhD has two components: 1) remote sensing mapping based on satellite image processing, and 2) geo-textual analyses based on lexicometry from semi-structured interviews. The remote sensing mapping allowed to diagnose micro-regional and local scales on land cover change since the 70s until 2010. The diagnosis, based on a multiscale approach, shows intra and inter regional contrasts in the evolution of soil cover by vegetation that invite to nuance observations indicating a greening of Sahel. The articulation of remote sensing with field investigations helped to understand, first the evolution of plant resources, then to consider the variety of responses from the Sahel rural societies to the 70’s and 80’s climate crisis, and to the recent socio-economic changes experienced by sahelian countries. Through lexicometry, geo-textual analysis based on semi-structured interviews allowed to approach the livestock farmer’s perception about the vulnerability and resilience of natural resources. Thanks to the expressed perceptions, the adaptive practices were identified in their variety. It enabled to show the sociospatial reconfigurations in the trajectories of agricultural and pastoral activities that partly explain the contrasts within and between regions observed in Ferlo, Gourma and Fakara

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Abstract:

Les andosols des hauts de l'ile de la reunion presentent souvent une particularite : la presence d'un niveau de sol superficiel leger d'aspect tres clair et d'origine vegetale : la mascareignite. Les etudes anterieures localisent la mascareignite exclusivement sur le versant le plus sec de l'ile (hauts de l'ouest). Dans le cadre de cette etude, des sols a mascareignite ont ete localises sur le versant le plus humide et ont fait l'objet d'une caracterisation pedologique en comparaison avec ceux deja etudies sur le versant sec. L'origine de la mascareignite etant essentiellement vegetale, nous nous sommes interesse a reconstituer le passe floristique d'un profil des hauts de l'ouest par l'outil pedoanthracologie (datation et identification de charbons de bois). Les ages donnes par les mesures en #1#4c montrent que la genese de la mascareignite est anterieure a l'arrivee de l'homme sur l'ile. La paleo-vegetation serait composee dans un premier temps de philippia montana (49. 000 a 43. 000 ans bp), auquel aurait succede philippia arborescens, en association avec stoebe passerinoides (38. 000 a 3. 800 ans bp), peu a peu remplaces par acacia heterophylla. Les deux especes de philippia et le stoebe etant caracteristiques des regions les plus froides de l'ile, une variation climatique serait a l'origine de cette modification. Dans le niveau le plus recent (10-17 cm de profondeur) et date a 395 ans, philippia arborescens disparait, laissant la place a hypericum lanceolatum et nastus borbonicus. Ces deux dernieres especes seraient apparues ulterieurement a la mascareignite et constituent les elements majeurs du sous bois de la tamarinaie actuelle. L'etude de la distribution actuelle du couvert vegetal des hauts de l'ile a ete realisee a partir de donnees satellitaires. Le recul des peuplements a philippia au profit d'acacia heterophylla dans l'etage a vegetation mesotherme, et des bois de couleurs des hauts dans l'etage a vegetation ericoides, est bien mis en evidence.

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Abstract:

Cette étude présente un modèle biophysique de fonctionnement de culture capable de traduire la dynamique de l'évolution de tout couvert végétal, sous différentes conditions abiotiques du milieu (température, eau et rayonnement) mais aussi de sols et de climats. L'approche développée pour le suivi de la cinétique de croissance et de développement des couverts reste très proche de la réalité physiologique de leurs fonctionnements mais aussi de celle liée aux interventions humaines qui se trouve alors compatible avec l'échelle de notre modélisation. Alors que l'utilisation d'une simple loi linéaire d'action de la température par les modèles de fonctionnements des cultures permet de prendre en partie l'effet de l'action de la température sur une gamme assez limitée de température active des espèces végétales, l'approche, assez originale, adoptée dans ce modèle permet l'utilisation d'une vraie loi d'action de la température sur les différents processus biologiques liés au développement et à la croissance, valable sur toute la gamme des températures biologiquement actives. Aussi, cette approche très générique permet de suivre la cinétique des vitesses d'évolution de toutes entités d'une plante, quelque que soit l'espèce ou la variété, et de travailler à n'importe quelle échelle de temps (jour, heure). L'adaptation du modèle logistique (largement utilisé pour décrire les processus biologiques) au contexte physiologique des plantes a permis une description assez originale de la dynamique de la croissance en fonction du développement, prenant en compte à tout moment l'effet d'une contrainte du milieu et sa rétroaction sur la dynamique d'évolution du couvert. La régulation de la croissance a été possible dans ce modèle de développement-croissance à travers la modulation de sa vitesse de croissance (processus le plus sensible au stress) en fonction de deux stress les plus importants chez les végétaux, soit l'eau et le rayonnement. A partir d'un petit nombre de paramètres facilement abordable en bibliographie, il est possible de caractériser la dynamique d'évolution de tout type de couvert végétal évaluant en conditions de sol et de climat variés. Couplé au modèle de bilan hydrique Bilhyna, ce dernier est capable de fonctionner sous différentes situations du milieu, conditions pluviales limitantes notamment, et de gérer ainsi le manque d'eau avec des apports possibles par irrigation de complément où limitées aux besoins tout au long de la croissance intègre alors la rétroaction d'une contrainte du milieu sur la dynamique de l'évolution du couvert. Pour étudier notre modèle, nous avons confronté dans un premier temps les sorties du modèle de loi d'action de la température sur les vitesses de développement aux résultats expérimentaux concernant les cultures du Lin, du maïs et du blé, issus de plusieurs travaux d'auteurs assez connus et tirés de la bibliographie. La confrontation des résultats modèle-mesures a donné des résultats très satisfaisants. Nous avons dans une seconde partie confronté les sorties de l'ensemble du modèle biophysique couplé à bilhyna aux mesures expérimentales que nous avons réalisé au champ sur une période de cinq années, et portant sur deux cultures : le sorgho et du blé. Nous avons ainsi suivi l'évolution de la dynamique de ces couverts à travers leurs trois composantes (LAI, la hauteur du couvert et la profondeur de ses racines) de même que celle des stocks d'eau du sol durant toute la période de la croissance des cultures. Les résultats de la confrontation des sorties du modèle avec les mesures expérimentales ont été assez satisfaisants. [Suite et fin du résumé dans la thèse].

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Abstract:

De par sa géométrie et sa situation géographique (2°N-13°N – 8°E-16°E ; ouverture sur l’océan Atlantique), le Cameroun offre l’avantage de proposer un ensemble représentatif des climats régionaux rencontrés en Afrique tropicale. La diminution des cumuls de précipitations enregistrée dans la région pendant la seconde moitié du XXe siècle, est associée à la récurrence de périodes anormalement sèches, essentiellement au cœur de la saison des pluies. Ces conditions ont amplifié la dégradation du couvert végétal au travers ses contraintes socioéconomiques et démographiques (déforestation, extension des surfaces d’activité). Les conséquences souvent dommageables de la variabilité climatique en général, et des sécheresses en particulier, sur les hommes et leurs activités suscitent l’intérêt de développer des études pour mieux comprendre comment le climat et les pressions naturelles et environnementales interagissent localement. Ainsi, l’objectif de cette thèse est de diagnostiquer la variabilité multiéchelle (saisonnière, interannuelle, intra-saisonnière, synoptique) des précipitations et les relations qu’elle entretient avec le couvert végétal au sens large qui, à ces latitudes, est associé directement ou non, à la dynamique d’occupation et d’utilisation du sol, particulièrement sur la période 1951-2002. A partir de données de précipitations observées (CRU/ponctuelles), les modes spatiaux de la variabilité ont été définis aux échelles annuelles et interannuelles, par Analyses en Composante Principale (ACP) et la Classification Ascendante Hiérarchique (CAH). Ces méthodes de classifications ont permis de discriminer cinq zones climatiques, différentes les unes des autres par l’intensité des cumuls et la saisonnalité (unimodal/bimodal). Pour chaque zone, l’attention a été portée sur les paramètres intrasaisonniers qui modulent la variabilité annuelle telle que, les séquences sèches (nombre, longueur, périodes d’occurrence) et les variations des dates de début et de fin des périodes végétatives. La répartition du couvert végétal dans l’espace et dans le temps (1982-2002) a été étudiée, en utilisant des méthodes de classification non supervisée (ISODATA) sur les données de NDVI (Normalized Difference Vegetation index) à 8km de résolution. Enfin, des méthodes statistiques et de télédétection ont permis d’évaluer l’impact des facteurs pluviométriques et anthropogéniques (croissance démographique et utilisation du sol) sur la dynamique du couvert végétal en utilisant des bases de données à plus fine résolution (NDVI/1Km ; Global Land Cover (GLC 2000/1Km)). Ces dernières investigations ont été menées dans le Nord-Cameroun (6°N-13°N – 11°E-16°E), qui est la région la plus sensible des points de vue climatique, économique et environnemental
Due to its shape and location (2°N-13°N – 8°E-16°E; proximity of the Atlantic Ocean), Cameroon is characterized by a panel of cross-regional climate encountered widely in tropical Africa. Over the region, the decrease rainfall during the second half of the last century has been shown to be associated with stronger recurrence of drier periods, specifically in the core of the rainy season. These conditions have favored the degradation of vegetation cover, driven by socioeconomic and demographic constraints. The substantial impacts on human activities and local society highlight the need to better understand how climate and environmental dynamics do interact locally. The aim of this study is to diagnose multi-scale rainfall variability and its relationship with vegetation cover (natural and/or grown), which is directly or indirectly associated to the land-cover and land-use dynamics at these latitudes. Using observed rainfall data (Climatic Research Unit/punctual), the spatial modes of rainfall variability at annual and intraseasonal scales are defined through Principal Component Analysis (PCA) and Agglomerative Hierarchical Clustering (AHC). These regionalizations lead to the discretisation of 5 climatic zones, distinguished from each other, by both the amount of rainfall and seasonality (unimodal / bimodal). New intraseasonal dry spells statistics (number, length, period of occurrence) are produced as well as dates of onset and end of the vegetative seasons by sub-regions. Using unsupervised classification methods (such as ISODATA) in Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) data at a 8km spatial resolution, vegetation cover spatiotemporal distribution and typology were produced. Then, based on a concomitant use of statistical and GIS approaches, higher resolutions of NDVI (SPOT-1Km) and Global Land-cover data (GLC 2000), allowed to further evaluate both the pluviometric and anthropogenic factors (demography, land use) influencing vegetation dynamics. Analysis were carried out in Northern Cameroon (6°N-13°N – 11°E-16°E), which is the most sensitive region with regards to climatic and environmental variability, that could lead to important socio-economic thread locally

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Abstract:

Les biomes herbacés africains intertropicaux devraient faire face, dans un proche futur, à des changements drastiques. Les modèles dynamiques de végétation (DGVM) ont des difficultés à simuler les limites actuelles de ces biomes, notamment parce qu’ils ne prennent pas en compte la diversité des couverts herbacés en C4. Il est donc nécessaire de caractériser cette diversité floristique et physionomique afin qu’elle puisse être facilement prise en compte dans les DGVMs, et que les comparaisons modèle/données (phytolithes) soient possibles.Dans cet objectif, les traits physionomiques des graminées en C4 dominantes au Sénégal et en Afrique du Sud ont été répertoriés. Quatre groupes physionomiques ont été statistiquement discriminés. Ils varient avec la distribution spatiale des biomes et les précipitations régionales. Deux groupes sont fortement corrélés à l’indice de surface foliaire (LAI) et à la biomasse herbacée. Au Sénégal ces deux groupes sont bien différenciés par l’indice phytolithique Iph qui est un proxy des couverts herbacés intertropicaux. En Afrique du Sud, les phytolithes n’ont pas permis de tracer l’ensemble de la transition savane/steppe. Ces deux groupes physionomiques remplissent les critères nécessaires à la caractérisation de types fonctionnels de plantes (PFT). L’intégration de ces PFTs dans le modèle LPJ-GUESS améliore la simulation des biomes herbacés actuels et permet de proposer des simulations pour l’horizon 2100. Ces simulations montrent que l’augmentation de la durée de la saison sèche et de la concentration en CO2 atmosphérique devraient favoriser l’expansion simultanée des steppes et des savanes fermées aux dépens des savanes ouvertes
Intertropical african herbaceous biomes are expected to face drastic changes in a near future. However Dynamic Global Vegetation Models (DGVMs) simulate their modern boundaries with poor accuracy, especially at the regional scale. DGVMs fail to consider the diversity of their C4 grass cover. Efforts are thus needed to characterize this floristic and physiognomic diversity in a way that can be used for enhancing DGVMs simulations, and enabling model/data (phytoliths) comparisons. For that purpose, physiognomic traits of dominant C4 grass species settled in Senegal and South Africa were listed. Four grass physiognomic groups were statistically identified. The abundance of four of them significantly varied with biome distributions and regional precipitation. Two grass physiognomic groups were additionally strongly correlated with leaf area index (LAI) and grass biomass. In Senegal, those two groups were also well traced by the Iph phytolith index which is a tropical grass cover proxy. In South Africa the limited set of phytolith data did not allow to observe the full savanna/steppe transition. The two physiognomic groups finally fulfilled the criteria required for creating Plant Functional Types (PFTs). Those new PFTs, parameterized in the LPJ-GUESS DGVM, enhanced the simulation of modern herbaceous biomes distribution in Senegal and South Africa. Simulations were additionally performed for the 2100 horizon. They evidence that the increase of both length of the dry season and atmospheric CO2 concentration should favor the simultaneous spread of steppes and closed savannas at the expense of open savannas

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Abstract:

Augmenter la diversité végétale au sein même du champ permet de réguler les populations de ravageurs dans de nombreux agroécosystèmes. Les mélanges variétaux (diversité intraspécifique) ou les associations de cultures avec une plante compagne (diversité interspécifique) sont considérées comme des pratiques agroécologiques prometteuses pour les systèmes de culture à bas intrants ou l'agriculture biologique. En effet, ces pratiques favorisent de nombreux services écosystémiques tels que la régulation des ravageurs, des maladies ou des adventices, ainsi que la fertilisation azotée. Cependant, le potentiel de régulation des ravageurs du blé par la combinaison de ces deux pratiques de diversification n'a pas encore été étudié.Nous avons combiné ces deux pratiques dans le cadre d'expérimentations menées en plein champ et sur deux saisons de culture, afin d'examiner leurs impacts sur les populations de pucerons et d'ennemis naturels. Nous avons également évalué le potentiel de régulation des ravageurs en mesurant les taux de prédation de proies sentinelles.La combinaison des diversités intra- et interspécifique n'est pas plus performante pour réduire les populations de pucerons que les pratiques prises séparément. L'association de culture blé-trèfle tend à être moins infestée par les pucerons, tandis que le mélange variétal est plus infesté que la variété la moins sensible. Les variations annuelles des conditions climatiques impactent fortement le développement du blé et du trèfle, ainsi que la date d'apparition du pic de puceron. Le rendement du blé, ainsi que le taux d'azote du grain sont réduits par l'association de culture par 7 à 10%, mais pas par le mélange variétal. La présence d'un couvert de trèfle dans les champs de blé, semble avoir favorisé la biodiversité fonctionnelle, particulièrement les ennemis naturels tels que les carabes, mais pas le mélange variétal. Les résultats sont variables selon la famille d'arthropodes concernée et leur position au sein du couvert végétal (au sol ou dans le feuillage). Le couvert de trèfle et le champ ont influencé la composition de la communauté de carabes prédateurs. Les taux de prédation des proies sentinelles n'ont pas été impactés par les pratiques de diversifications.En laboratoire, nous avons évalué comment l'association du blé avec des légumineuses (trèfle ou pois) pouvait modifier le comportement du puceron du blé Sitobion avenae en terme de location de sa plante hôte et du développement de la population. Les pucerons ont résidé moins de temps sur le blé quand il était associé à du trèfle. Les populations de pucerons se sont moins développées dans les associations du blé avec une légumineuse par rapport à du blé seul, mais si l'on prend en compte la biomasse du blé, seulement l'association blé-trèfle a considérablement réduit les densités de pucerons sur le blé. Ainsi l'espèce associée et sa densité sont des paramètres importants qui devraient être pris en compte dans les études sur la diversité interspécifique, car ils pourraient expliquer la grande variation dans les résultats rapportés par les analyses bibliographiques.Nos résultats suggèrent qu'augmenter la diversité cultivée au sein du champ peut aider à réguler les pucerons dans une certaine mesure, mais la combinaison des deux pratiques de diversification ne résultent pas en un trade-off entre la régulation des ravageurs et les performances agronomiques particulièrement attractifs pour les agriculteurs
Increasing intrafield plant diversity has been shown to regulate pest populations in various agroecosystems. Polyvarietal mixtures of a crop species (intraspecific diversity) or associations of a crop and a companion plant (interspecific diversity) are both considered as promising agroecological practices for low-input or organic agriculture systems by providing several ecosystem services such as pest, disease and weed control, and nitrogen fertilization. However, combining both diversification practices has not been studied yet in perspective of winter wheat pest control.In organic field experiments over two growing seasons, we combined both practices and examined the direct impact on aphid and natural enemy populations and on wheat production. We also investigated the potential pest regulation service through the assessment of the rate of predation by using sentinel preys.Results show that combining intra- and interspecific diversity did not outperform each practice individually in reducing aphid populations, thus not clearly showing synergetic effects. Taken separately, intercropping tended to have lower aphid infestation, while it the cultivar mixtures was more infested by aphids than the least susceptible cultivar. Yearly variation in climatic conditions strongly impacted wheat and clover development, as well as the appearance of aphid peaks. Wheat yields and grain nitrogen content were reduced in intercropping by 7 to 10%, but not in cultivar mixtures. Functional biodiversity, especially natural enemies such as ground beetles, tended to be positively correlated to the presence of a clover cover in the wheat fields (interspecific diversification), but did not respond to the wheat cultivar mixture (intraspecific diversification). Results varied according to the family of arthropods concerned and their position within the vegetation layer (ground dwelling or foliage dwelling arthropods). The cover of white clover and the field context influenced the community composition of predatory ground dwelling beetles. Rates of predation on sentinel preys were not influenced by any of the diversification practices.Under laboratory conditions, we evaluated how combining wheat and legumes (clover or pea) modifies the behaviour of the cereal aphid Sitobion avenae in terms of host-plant location, and population growth. We observed that aphids’ residence time on wheat was decreased when this host-plant was intercropped with clover. At the population level, wheat-legume intercrops reduced the number of aphids on wheat plants compared to wheat sole crops but if we take into account plant biomass, only intercropping clover with wheat significantly reduced aphid densities on wheat. The species used as non-host plants and their density are important parameters that should be taken into account in studies on intercropping systems and that may explain the large variability in the results observed in the literature.Our findings suggest that intrafield diversification may regulate wheat aphids to some extent, but combining the two diversification practices did not result in an interesting trade-off between pest regulation and wheat production in real farming conditions

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Abstract:

L'effet de la végétation locale, composée de Castanea sativa cultivé, sur la stabilité des pentes a été étudié sur un site d'essai au Mont Faito (Campanie, Italie). En Campanie, les sols pyroclastiques peu profonds sont sensibles aux glissem*nts de terrain provoqués par les précipitations. Des périodes de pluies prolongées suivies de précipitations extrêmes à court terme déclenchent des glissem*nts de terrain rapides et destructeurs au niveau des coupes routières et des escarpements pyroclastiques sur les falaises rocheuses dans les régions autour du volcan Vésuve.Des échantillons de sol pyroclastiques non perturbés contenant des racines de C. sativa matures ont été utilisés pour la caractérisation hydraulique par le biais d'un ensemble d'expériences en laboratoire. La perméabilité saturée, la réponse à l’évaporation et l’imbibition, la teneur en eau pour les fortes valeurs de succion et la biomasse sèche des racines ont été déterminées.La présence de racines a augmenté la perméabilité d'un ordre de grandeur dans les sols les plus superficiels (10-7 à 10-6 m s-1) et diminué la valeur d'entrée d'air des courbes de rétention (6 à 4 kPa). La variabilité de la perméabilité entre les couches de sol a été identifiée comme conditionnant l'écoulement de l'eau souterraine par rapport à la vitesse du mouvement du front de mouillage et à la génération de pressions positives de l'eau interstitielle dans le profil. L'étalonnage du modèle hystérétique pour caractériser les sols pyroclastiques naturels a fourni une méthode plus approximative de modélisation des réponses hydrauliques. Une bonne concordance entre le modèle et les observations a été obtenue.L’étude sur le terrain a permis de montrer que la distribution des racines de C. sativa est associée au régime des eaux souterraines. Les distributions spatiales et verticales de la densité et des traits des racines ont été quantifiées pour les racines de C. sativa prélevées dans des forages réalisés au Mont Faito. La succion minimale, la teneur minimale en eau et la pente minimale (indiquant un débit d'eau descendant) ont été surveillées tout au long de l'année et confrontées avec la distribution des racines et à la distribution spatiale des arbres. Une densité racinaire croissante était associée à des valeurs de succion plus faibles et à des gradients d'infiltration plus élevés, ce qui peut avoir une influence négative sur la stabilité de la pente.La modélisation du renforcement mécanique du sol par les racines des arbres a permis de comprendre l'importance des composantes hydrauliques et mécaniques sur la stabilité d'une pente. Les racines augmentent la résistance au cisaillement (jusqu'à 25,8 kPa) grâce à un renforcement mécanique et donc le facteur de sécurité de la pente augmente. L'examen du renforcement dû aux racines dans l'estimation du facteur de sécurité des surfaces de rupture potentielles a montré que la surface de rupture la plus faible a été trouvée à 2,2 m, où le renforcement dû aux racines était de 1,3 kPa, au lieu de 0,9 m sans le renforcement de 13,8 kPa. La surface de rupture la plus faible correspond aux surfaces de rupture observées lors de glissem*nts de terrain antérieurs. Le site d'essai ne présentait pas les caractéristiques d'une zone de déclenchement d'un glissem*nt de terrain. L'angle de pente des zones de déclenchement des glissem*nts de terrain (35° à 45°) peut dépasser l'angle de frottement du sol (36,5° à 38,5°) et l'effet hydraulique ne serait pas suffisant pour garantir la stabilité de la pente pendant la saison humide (0 à 10 kPa). On estime que le renforcement dû aux racines peut maintenir les pentes jusqu'à un angle de 42°.On a donc constaté que la présence de racines d'arbres affectait la stabilité hydraulique et mécanique des couvertures de sol pyroclastiques. Ces conclusions peuvent être étendues aux autres zones de plantations de C. sativa. L'effet hydraulique de la végétation a été largement compensé par le renforcement mécanique dû aux racines
The effect of the local vegetation, composed of cultivated Castanea sativa, on slope stability was investigated on a test site in Mount Faito (Campania, Southern Italy). In Campania, shallow pyroclastic soil covers are susceptible to landslides triggered by rainfall. Prolonged rainfall periods followed by extreme short-term rainfall events trigger fast moving and highly destructive landslides in road cuts and pyroclastic scarps on rocky cliffs in the areas surrounding the Vesuvius volcano.Undisturbed pyroclastic soil samples containing roots of mature C. sativa were used for hydraulic characterization through an extensive set of laboratory experiments. Saturated permeability, evaporation and imbibition response, water content for high suction ranges, and the root dry biomass were determined.The presence of roots increased the hydraulic permeability by one order of magnitude in the most surficial soil (10-7 to 10-6 m s-1) and decreased the air-entry value of the water retention curves (6 to 4 kPa). The variability of soil permeability among soil layers was identified as conditioning of the groundwater flow with regard to the speed of the wetting front movement and generation of positive pore-water pressures within the soil profile. The calibration of hysteretic model to characterize natural pyroclastic soil provided a more approximate manner of modelling in situ hydraulic responses. A good agreement between the model and the field observations was obtained.Field monitoring was performed with the intent of showing that the distribution of roots of C. sativa is associated to the groundwater regime. The spatial and vertical distribution of root density and traits were quantified for C. sativa roots collected from several boreholes performed in Mount Faito. Minimum suction, minimum water content and minimum gradient (indicative of downward water flow), were monitored throughout the year and related to root distribution and spatial distribution of trees. An increasing root density was found to be associated to lower values of suction and higher gradients of infiltration, which can potentially have a negative influence of the slope stability.A modelling investigation on the mechanical reinforcement of soil by tree roots allowed us to understand the importance of hydraulic and mechanic components on the stability of a slope. Roots increase greatly the shear strength of soil (up to 25.8 kPa) through mechanical reinforcement and consequently, the safety factor of the slope increased significantly. Considering the root reinforcement in the estimation of potential failure surfaces safety factor showed that the weakest failure surface was found at 2.2 m, where the root reinforcement was 1.3 kPa, instead of 0.9 m without the root reinforcement of 13.8 kPa. The weakest failure surface found was in agreement with the failure surfaces observed from previous landslides. The test site did not present the characteristics of a landslide triggering area. The slope angle of the landslide triggering areas (35° to 45°) can easily exceed the soil friction angle (36.5° to 38.5°) and the hydraulic effect would not be enough to guarantee the stability of the slope during the wet season (0 to 10 kPa). However, the root reinforcement was estimated to be able to sustain the slopes until an angle of 42°.Therefore, the presence of tree roots was found to affect hydraulically and mechanically stability of pyroclastic soil covers. Such conclusions may be extended to the areas of Campania where C. sativa plantations are present. The hydraulic effect of vegetation was greatly compensated by the mechanical reinforcement of roots

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Abstract:

La présente analyse est ciblée sur la transition entre les phases géomorphologiques, pionnières et biogéomorphologiques décrites par le concept de succession biogeomorphologique fluviale d’une rivière sablo-graveleuse de plaine, la Loire moyenne. L’étude se focalise sur la reproduction sexuée et la survie (dans leur premiers stades, au cours des crues) de deux espèces de Salicacées : Populus nigra L. et Salix alba L. sur une barre sédimentaire et repose sur des approches in- et ex-situ. La dynamique hydro-sédimentaire d’une barre forcée influence le potentiel de survie des semis des ligneux pionniers. Les semis présentent des adaptations morphologiques différentes en fonction des conditions sédimentaires de germination modulant leur potentiel de survie. Trois modèles conceptuels sont proposés : (i) dynamique d’une barre forcée en crue, (ii) évolution longitudinale des processus de mortalité des semis selon le granoclassem*nt amont-aval, (iii) vitesse d’évolution d’une barre forcée vers une île pionnière initiée par l’installation de semis de ligneux pionniers et archivage sédimentaire associé dans une rivière sablo-graveleuse de plaine
The present study is focused on the three first stages: geomorphic, pioneer and biogeomorphic of the Fluvial Biogeomorphological Succession applied to a sandy-gravel bed lowland river: the Loire River (in its middle reaches). This work is based on both an in and ex situ approach. It analyses the recruitment and survival during their first stages of growth of two Salicaceae trees: Populus nigra L. and Salix alba L. developed on a non-migrating (forced) bar. The dynamics of this bar influences the survival potential of seedlings during floods. The seedlings adapt morphologically according to the sedimentary structure, and as a consequence, modify their survival potential. Three conceptual models detail: (i) the dynamics of a mid-channel forced bar during floods, (ii) the longitudinal evolution of the mortality of seedlings induced by the downstream fining of sediments, (iii) the sediment archiving and time needed to reach a pioneer island state from a non-migrating vegetated bar

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Abstract:

Le brachypode rameux (Brachypodium retusum) est une espèce herbacée pérenne qui domine les pelouses sèches de Méditerranée occidentale. Dans notre zone d’étude du Sud de la France, la recolonisation spontanée est très faible après perturbation du sol. Cette observation ne correspond pas aux résultats d'études menées dans d'autres régions montrant une capacité de colonisation élevée. L'objectif principal de cette thèse était donc de tester les différentes hypothèses pouvant expliquer les différents patrons de colonisation.Dans un premier chapitre, nous avons testé si ces différents patrons de colonisation résultent d'une différenciation génétique entre les populations. Des marqueurs AFLP ont été utilisés pour analyser la structure génétique de 17 populations de Méditerranée occidentale dont la différenciation neutre entre populations. Dans un sous-échantillon de 13 populations françaises, la différenciation de traits phénotypiques sous sélection a été testée dans un jardin commun et comparée à la différenciation neutre. Dans le deuxième chapitre, nous présentons une étude sur la différenciation adaptative des traits phénotypiques et avons testé une potentielle réponse différentielle à la manipulation de facteurs environnementaux clés. Les deux derniers chapitres de la thèse ont analysé les facteurs environnementaux qui limitent la recolonisation in situ, indépendamment du génotype ou de la population. Dans le troisième chapitre, nous avons testé l’effet du pâturage et du feu sur le recouvrement végétatif ainsi que sur la reproduction sexuée de B. retusum installé. Enfin, dans le quatrième chapitre, nous avons mesuré l’effet de l’arrosage initial et du pâturage sur l’installation de plantules transplantées initialement germées en serre et de plantules issues de semis in situ. Nos résultats ont montré que les populations de B. retusum sont génétiquement différenciées pour les marqueurs neutres mais également pour les traits phénotypiques. Cette différenciation est supérieure à la dérive seule et suggère une adaptation aux conditions environnementales, en particulier aux températures estivales et à la fréquence du gel en hiver. Une réponse différentielle à la manipulation expérimentale de facteurs environnementaux (sol, pâturage, humidité du sol) a confirmé le caractère adaptatif de la différenciation génétique. Les expériences in situ ont montré que le feu a un effet positif sur la reproduction de B. retusum et sur la communauté végétale associée, alors que son recouvrement végétatif n’était pas supérieur à la moyenne de la communauté. L'exclusion du pâturage pendant deux saisons n'a eu d'incidence sur aucun des paramètres mesurés chez les populations adultes. L'arrosage initial a affecté l’installation des plantules au cours de la première saison. Au cours de la deuxième saison, l'effet seul de l’arrosage n'était pas significatif, cependant son effet est resté positif sur la survie uniquement dans les parcelles pâturées. Le pâturage, au début du cycle de vie de B. retusum, a eu un effet négatif sur le recrutement et la croissance des plantules. En conclusion, la différenciation adaptative entre les populations peut avoir contribué aux différences régionales en termes de capacité de colonisation et doit être prise en compte lors du ciblage des populations sources pour l'introduction de plantes en restauration écologique. La réponse positive de B. retusum a indiqué que le feu était une force sélective importante dans le passé qui pourrait être utilisée pour favoriser l'espèce et la communauté végétale associée dans des opérations de conservation et de restauration. L'exclusion du pâturage à court terme est tolérée par les populations adultes de B. retusum, mais l'abandon à long terme entraîne une diminution de son recouvrement par rapport aux graminées pérennes à croissance rapide
Ramose false brome (Brachypodium retusum) is a perennial herbaceous species that dominates dry grasslands of the Western Mediterranean. In our southern French study area, spontaneous re-colonisation is very low after soil disturbance. This observation does not correspond to the results of studies from other regions showing a high colonisation capacity. The major objective of this PhD thesis was to test different hypotheses potentially explaining the different colonisation patterns.In the first chapter, we tested whether these different colonisation patterns are the result of genetic differentiation among populations. AFLP markers were used to analyse genetic structure including neutral population differentiation in 17 Western Mediterranean populations. In a sub-sample of 13 French populations, differentiation in phenotypic traits under selection was tested in a common garden and compared to neutral differentiation. In the second chapter, we present a study on adaptive differentiation in phenotypic traits testing a potentially differential response to the manipulation of key environmental factors. The last two chapters of the PhD analysed environmental factors that limit re-colonisation in the field independent of genotype or population. In the third chapter, we tested the effect of grazing and fire on vegetative recovery as well as on sexual reproduction of established B. retusum and in the fourth chapter we measured the effect of initial watering and grazing on the establishment of transplanted seedlings pre-grown in a greenhouse and of field-sown seedlings.Our results showed that populations of B. retusum are genetically differentiated in neutral markers but also in phenotypic traits. This differentiation is superior to drift alone and suggests adaptation to environmental conditions, particularly to summer temperature and winter frost frequency. A differential response to experimental manipulation of environmental factors (soil, pasture, soil moisture) confirmed the adaptive character of genetic differentiation. The field experiments showed that fire has a positive effect on B. retusum reproduction and on the associated community whereas vegetative recovery was not higher than community average. Two seasons of grazing exclosure did not affect any of the measured parameters in adult populations. Initial watering affected seedling establishment in the first season. In the second season, the watering main effect was not significant but interestingly the effect remained positive on survival in grazed plots whereas no such effect was observed in exclosures. Grazing in early life cycle stages of B. retusum had a negative effect on seedling recruitment and growth.In conclusion, adaptive differentiation between populations may have contributed to regional differences in colonisation capacity and needs to be taken into account in targeting source populations for plant introduction in ecological restoration. The positive response of B. retusum indicated that fire was an important selective force in the past which may be used to favour the species and its associated plant community in current conservation and restoration management. Short-term grazing exclosure is tolerated by mature B. retusum populations but long-term abandonment results in a decrease of cover relative to high-growing perennial grasses. In early stages of seedling establishment grazing should be avoided to guarantee introduction success - or grazing stress needs to be compensated by watering

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Abstract:

Comprendre le fonctionnement des écosystèmes est un enjeu crucial, en particulier dans un contexte de changements globaux. Afin de mieux prédire les processus écosystémiques, j'ai testé la précision et les limites des hypothèses du biomass-ratio de Grime (HBMR) et de l'annulation idiosyncratique (HAI), cette dernière étant une hypothèse originale de cette thèse. Pour cela, j'ai appliqué le principe du biomass-ratio aux traits fonctionnels, en employant la méthode des traits agrégés en communauté, pour estimer la réponse globale des espèces en mélange. La décomposition des litières plurispécifiques constitue un bon modèle biologique, pour lequel je me suis posé les questions suivantes : (1) est-ce que l'HBMR prédit bien les taux de décomposition en mélanges plurispécifiques ? ; (2) est-ce que le degré de variabilité de ces taux diminue pour des raisons biologiques avec l'augmentation de la richesse spécifique (RS) des mélanges (HAI) ? ; (3) est-ce que la variabilité des taux entre mélanges diminue quand les conditions abiotiques du site deviennent plus limitantes ? ; (4)considérant que les mélanges plus contrastés fonctionnellement sont susceptibles de développer plus d'interactions, est-ce que la déviation à la prédiction augmente avec la dispersion fonctionnelle des mélanges(" FDis ", La liberté & Legendre 2010) ? Cette thèse inclut deux expériences de décomposition en sachets à litières : (1) à Sherbrooke (QC, Canada) avec des microcosmes, impliquant des litières de six espèces d'arbres, décomposant seules et en mélanges et (2) sur trois sites au climat contrasté dans la région de Clermont-Ferrand (France) avec des litières de quatre espèces d'herbacées, décomposant seules et en mélanges. Les résultats montrent des déviations positives et négatives par rapport aux taux prédits, mais l'HBMR décrit bien la réponse moyenne des litières plurispécifiques. Bien que l'HAI ait été rejetée, les résultats montrent une convergence des taux observés vers les taux prédits quand (1) la RS des mélanges augmente, (2)l'échelle spatiale augmente et (3) le climat est plus limitant pour la décomposition. Enfin, malgré des corrélations entre FDis et interactions entre espèces dans les litières, cette relation n'est pas généralisable et l'hypothèse de corrélation positive entre FDis et déviation à l'HBMR a été rejetée.