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International audience; Robust estimates of CO2 budget, CO2 exchanged between the atmosphere and terrestrial biosphere, are necessary to better understand the role of the terrestrial biosphere in mitigating anthropogenic CO2 emissions. Over the past decade, this field of research has advanced through understanding of the differences and similarities of two fundamentally different approaches: “top-down” atmospheric inversions and “bottom-up” biosphere models. Since the first studies were undertaken, these approaches have shown an increasing level of agreement, but disagreements in some regions still persist, in part because they do not estimate the same quantity of atmosphere–biosphere CO2 exchange. Here, we conducted a thorough comparison of CO2 budgets at multiple scales and from multiple methods to assess the current state of the science in estimating CO2 budgets. Our set of atmospheric inversions and biosphere models, which were adjusted for a consistent flux definition, showed a high level of agreement for global and hemispheric CO2 budgets in the 2000s. Regionally, improved agreement in CO2 budgets was notable for North America and Southeast Asia. However, large gaps between the two methods remained in East Asia and South America. In other regions, Europe, boreal Asia, Africa, South Asia, and Oceania, it was difficult to determine whether those regions act as a net sink or source because of the large spread in estimates from atmospheric inversions. These results highlight two research directions to improve the robustness of CO2 budgets: (a) to increase representation of processes in biosphere models that could contribute to fill the budget gaps, such as forest regrowth and forest degradation; and (b) to reduce sink–source compensation between regions (dipoles) in atmospheric inversion so that their estimates become more comparable. Advancements on both research areas will increase the level of agreement between the top-down and bottom-up approaches and yield more robust knowledge of regional CO2 budgets.

BackgroundIt is important to quantify changes in CO2sources and sinks with land use and land cover change. In the last several decades, carbon sources and sinks in East Asia have been altered by intensive land cover changes due to rapid economic growth and related urbanization. To understand impact of urbanization on carbon cycle in the monsoon Asia, we analyze net CO2exchanges for various land cover types across an urbanization gradient in Korea covering high-rise high-density residential, suburban, cropland, and subtropical forest areas.ResultsOur analysis demonstrates that the urban residential and suburban areas are constant CO2sources throughout the year (2.75 and 1.02 kg C m−2 year−1at the urban and suburban sites), and the net CO2emission indicate impacts of urban vegetation that responds to the seasonal progression of the monsoon. However, the total random uncertainties of measurement are much larger in the urban and suburban areas than at the nonurban sites, which can make it challenging to obtain accurate urban flux measurements. The cropland and forest sites are strong carbon sinks because of a double-cropping system and favorable climate conditions during the study period, respectively (− 0.73 and − 0.60 kg C m−2 year−1at the cropland and forest sites, respectively). The urban area of high population density (15,000 persons km−2) shows a relatively weak CO2emission rate per capita (0.7 t CO2 year−1 person−1), especially in winter because of a district heating system and smaller traffic volume. The suburban area shows larger net CO2emissions per capita (4.9 t CO2 year−1 person−1) because of a high traffic volume, despite a smaller building fraction and population density (770 persons km−2).ConclusionsWe show that in situ flux observation is challenging because of its larger random uncertainty and this larger uncertainty should be carefully considered in urban studies. Our findings indicate the important role of urban vegetation in the carbon balance and its interaction with the monsoon activity in East Asia. Urban planning in the monsoon Asia must consider interaction on change in the monsoon activity and urban structure and function for sustainable city in a changing climate.

Agrosystems represent an important proportion of terrestrial ecosystems (more than one third in Europe) and play a key role in sustainable development issues. For instance, they produce green house gasses (GHG) that contribute to climate changes whose feedback on agrosystem functioning and management are still difficult to predict. Therefore, studies on biogeochemical cycle in agrosystems and their GHG production are essential. The main objective of this PhD thesis was the study of cropland carbon and water cycles using 1) micro meteorological measurements of mass and energy fluxes at the soil/vegetation and atmosphere interface and 2) data describing crop dynamics (phenology, biomass, leaf area) for two experimental crop sites located near Toulouse in South West France. This work showed that micro meteorological measurements of fluxes by the eddy covariance method (EC) are well suited to quantify agrosystem carbon and water budgets and to study the main physical and ecophysiological processes driving the different fluxes. From these measurements, carbon and water fluxes were analysed. A methodology to compute GHG budgets at plot scale considering GHG emissions associated with farm operations was developed at our sites and applied to the CarboEurope-IP cropland sites, representing an important range of crop species and management regimes. Annual net CO2 fluxes measurements between the soil/vegetation system and the atmosphere showed that agrosystem act mostly as atmospheric carbon sinks. However, accounting for carbon inputs through organic fertilisation and seeds and outputs through harvest together with vertical CO2 fluxes measurements showed that cropland are rarely carbon sinks and most often act as carbon sources (127 ± 243 g C m-2 y-1 for 41 site-years of the CarboEurope-IP network). On average for these 41 studied site-years, vertical CO2 fluxes represented 37 % of the carbon budget (88 % of the carbon inputs), carbon inputs through organic fertilisation and seeds represented 5 % of the budget (12 % of the carbon inputs) and carbon exportation at harvest represented 58 % of the carbon budget. GHG emissions caused by farm operations represented only 8 % of the annual GHG budget. These results showed that accounting for biospheric CO2 fluxes (88 % of carbon inputs) is fundamental for the evaluation of the annual GHG budgets; otherwise this budget would be strongly overestimated. Water use efficiency (WUE) was addressed through agronomical (biomass production divided by water release by evapotranspiration) and environmental (net ecosystem carbon production divided by water release by evapotranspiration) point of view. These approaches could produce non-consistent results in the case of crops with high yields (i.e. maize used for silaging) and should therefore be carefully considered in the perspective of a sustainable cropland management. Finally, flux measurements were used 1) to test a beta version of the ICASTICS model that will be used to assess processes and estimate the carbon and water net fluxes components for a range of crops, management regimes and climatic conditions. 2) .to parameterise new functions in the SAFY model, so it could calculate both water and carbon fluxes and budgets at spatial resolutions larger than plot scale, in combination with remote sensing data, in a natural resources management perspective; Les agrosystèmes représentent une importante part des terres émergées (plus d'un tiers de la surface au sol en Europe) et sont au cœur de nombreuses problématiques de développement durable. Ils sont consommateur d'eau et produisent des gaz à effet de serre (GES) qui contribuent aux changements climatiques en cours, ceux-ci ayant en retour des impacts encore difficiles à prévoir sur le fonctionnement et la gestion des agrosystèmes. L'étude des cycles biogéochimiques au sein des agrosystèmes est donc fondamentale. Le principal objectif de ces travaux de thèse a été d'étudier le fonctionnement carboné et hydrique des agrosystèmes à partir du suivi de la végétation (phénologie, biomasse, surface foliaire) et de mesures micro météorologiques d'échanges de matière (CO2, H2O) et d'énergie à l'interface entre le système sol/couvert et l'atmosphère sur deux parcelles agricoles expérimentales situées au Sud Ouest de Toulouse. L'ensemble de ces travaux a permis de montrer que la mesure des flux par la méthode des fluctuations turbulentes (EC) permet de quantifier les bilans de carbone et d'eau des agrosystèmes et d'étudier certains des processus physiques et écophysiologiques à l'origine des différents flux. A partir de ces mesures, une analyse des flux et bilans d'eau et de carbone a été effectuée. Une méthode de calcul des écobilans intégrant les émissions de GES liées aux pratiques culturales a été établie pour nos sites et appliqués aux parcelles expérimentales de cultures du réseau Européen CarboEurope-IP, représentant un panel important de cultures et de pratiques culturales. Les mesures annuelles de flux net de CO2 à l'interface sol/couvert et atmosphère ont montré que les agrosystèmes se comportent le plus souvent comme des puits atmosphériques de carbone. Cependant, la prise en compte des imports de carbone (fertilisation organique et semences) et des exports de carbone au moment de la récolte en plus des mesures de flux net vertical au dessus de la parcelle a permis de montrer que le bilan de carbone des cultures correspond rarement à un puits et que le plus souvent il est une source de carbone pour l'atmosphère (127 ± 243 g C m-2 an-1 pour 41 années-sites du réseau CarboEurope-IP). En moyenne, pour ces 41 années-sites étudiés, le flux net vertical de CO2 représentait 37 % du bilan de carbone (soit 88 % des entrées de carbone dans la parcelle), les apports de carbone sous forme de fertilisation organique et de semences représentaient 5 % du bilan (soit 12 % des entrées de carbone) et les exports de carbone au moment de la récolte représentaient 58 % du bilan. Les émissions de GES liées aux pratiques culturales représentaient en moyenne seulement 7.6 % du bilan de GES. Ces résultats montrent qu'il est donc fondamental de considérer les flux biosphériques de CO2 (qui représentent 88 % des entrées de carbone) dans le bilan annuel de GES de la parcelle sans quoi ce bilan serait très fortement surestimé. L'efficience de l'utilisation de l'eau (WUE) a été abordée à travers des points de vue agronomiques (production de biomasse par quantité d'eau évapotranspirée) et environnementaux (production nette de carbone de l'écosystème par quantité d'eau évapotranspirée). Ces approches pouvaient parfois produire des résultats contradictoires dans le cas de cultures avec de fortes exportations de biomasse (cas du maïs utilisé pour l'ensilage par exemple) et doivent donc être précautionneusement pris en compte dans l'optique d'une gestion durable des agrosystèmes. Finalement les mesures de flux ont permis 1) de tester une première version du modèle ICASTICS qui permettra de mieux comprendre les processus et de simuler les différentes composantes des flux nets d'eau et de carbone des agrosystèmes pour une gamme importante de cultures, de modes de gestions et de conditions climatiques. 2) de faire évoluer le modèle SAFY pour qu'il puisse calculer des flux et bilans d'eau et de carbone à des échelles supérieures a celles de la parcelle, en utilisant des données de télédétection, dans une perspective de gestion des ressources.

Agrosystems represent an important proportion of terrestrial ecosystems (more than one third in Europe) and play a key role in sustainable development issues. For instance, they produce green house gasses (GHG) that contribute to climate changes whose feedback on agrosystem functioning and management are still difficult to predict. Therefore, studies on biogeochemical cycle in agrosystems and their GHG production are essential. The main objective of this PhD thesis was the study of cropland carbon and water cycles using 1) micro meteorological measurements of mass and energy fluxes at the soil/vegetation and atmosphere interface and 2) data describing crop dynamics (phenology, biomass, leaf area) for two experimental crop sites located near Toulouse in South West France. This work showed that micro meteorological measurements of fluxes by the eddy covariance method (EC) are well suited to quantify agrosystem carbon and water budgets and to study the main physical and ecophysiological processes driving the different fluxes. From these measurements, carbon and water fluxes were analysed. A methodology to compute GHG budgets at plot scale considering GHG emissions associated with farm operations was developed at our sites and applied to the CarboEurope-IP cropland sites, representing an important range of crop species and management regimes. Annual net CO2 fluxes measurements between the soil/vegetation system and the atmosphere showed that agrosystem act mostly as atmospheric carbon sinks. However, accounting for carbon inputs through organic fertilisation and seeds and outputs through harvest together with vertical CO2 fluxes measurements showed that cropland are rarely carbon sinks and most often act as carbon sources (127 ± 243 g C m-2 y-1 for 41 site-years of the CarboEurope-IP network). On average for these 41 studied site-years, vertical CO2 fluxes represented 37 % of the carbon budget (88 % of the carbon inputs), carbon inputs through organic fertilisation and seeds represented 5 % of the budget (12 % of the carbon inputs) and carbon exportation at harvest represented 58 % of the carbon budget. GHG emissions caused by farm operations represented only 8 % of the annual GHG budget. These results showed that accounting for biospheric CO2 fluxes (88 % of carbon inputs) is fundamental for the evaluation of the annual GHG budgets; otherwise this budget would be strongly overestimated. Water use efficiency (WUE) was addressed through agronomical (biomass production divided by water release by evapotranspiration) and environmental (net ecosystem carbon production divided by water release by evapotranspiration) point of view. These approaches could produce non-consistent results in the case of crops with high yields (i.e. maize used for silaging) and should therefore be carefully considered in the perspective of a sustainable cropland management. Finally, flux measurements were used 1) to test a beta version of the ICASTICS model that will be used to assess processes and estimate the carbon and water net fluxes components for a range of crops, management regimes and climatic conditions. 2) .to parameterise new functions in the SAFY model, so it could calculate both water and carbon fluxes and budgets at spatial resolutions larger than plot scale, in combination with remote sensing data, in a natural resources management perspective; Les agrosystèmes représentent une importante part des terres émergées (plus d'un tiers de la surface au sol en Europe) et sont au cœur de nombreuses problématiques de développement durable. Ils sont consommateur d'eau et produisent des gaz à effet de serre (GES) qui contribuent aux changements climatiques en cours, ceux-ci ayant en retour des impacts encore difficiles à prévoir sur le fonctionnement et la gestion des agrosystèmes. L'étude des cycles biogéochimiques au sein des agrosystèmes est donc fondamentale. Le principal objectif de ces travaux de thèse a été d'étudier le fonctionnement carboné et hydrique des agrosystèmes à partir du suivi de la végétation (phénologie, biomasse, surface foliaire) et de mesures micro météorologiques d'échanges de matière (CO2, H2O) et d'énergie à l'interface entre le système sol/couvert et l'atmosphère sur deux parcelles agricoles expérimentales situées au Sud Ouest de Toulouse. L'ensemble de ces travaux a permis de montrer que la mesure des flux par la méthode des fluctuations turbulentes (EC) permet de quantifier les bilans de carbone et d'eau des agrosystèmes et d'étudier certains des processus physiques et écophysiologiques à l'origine des différents flux. A partir de ces mesures, une analyse des flux et bilans d'eau et de carbone a été effectuée. Une méthode de calcul des écobilans intégrant les émissions de GES liées aux pratiques culturales a été établie pour nos sites et appliqués aux parcelles expérimentales de cultures du réseau Européen CarboEurope-IP, représentant un panel important de cultures et de pratiques culturales. Les mesures annuelles de flux net de CO2 à l'interface sol/couvert et atmosphère ont montré que les agrosystèmes se comportent le plus souvent comme des puits atmosphériques de carbone. Cependant, la prise en compte des imports de carbone (fertilisation organique et semences) et des exports de carbone au moment de la récolte en plus des mesures de flux net vertical au dessus de la parcelle a permis de montrer que le bilan de carbone des cultures correspond rarement à un puits et que le plus souvent il est une source de carbone pour l'atmosphère (127 ± 243 g C m-2 an-1 pour 41 années-sites du réseau CarboEurope-IP). En moyenne, pour ces 41 années-sites étudiés, le flux net vertical de CO2 représentait 37 % du bilan de carbone (soit 88 % des entrées de carbone dans la parcelle), les apports de carbone sous forme de fertilisation organique et de semences représentaient 5 % du bilan (soit 12 % des entrées de carbone) et les exports de carbone au moment de la récolte représentaient 58 % du bilan. Les émissions de GES liées aux pratiques culturales représentaient en moyenne seulement 7.6 % du bilan de GES. Ces résultats montrent qu'il est donc fondamental de considérer les flux biosphériques de CO2 (qui représentent 88 % des entrées de carbone) dans le bilan annuel de GES de la parcelle sans quoi ce bilan serait très fortement surestimé. L'efficience de l'utilisation de l'eau (WUE) a été abordée à travers des points de vue agronomiques (production de biomasse par quantité d'eau évapotranspirée) et environnementaux (production nette de carbone de l'écosystème par quantité d'eau évapotranspirée). Ces approches pouvaient parfois produire des résultats contradictoires dans le cas de cultures avec de fortes exportations de biomasse (cas du maïs utilisé pour l'ensilage par exemple) et doivent donc être précautionneusement pris en compte dans l'optique d'une gestion durable des agrosystèmes. Finalement les mesures de flux ont permis 1) de tester une première version du modèle ICASTICS qui permettra de mieux comprendre les processus et de simuler les différentes composantes des flux nets d'eau et de carbone des agrosystèmes pour une gamme importante de cultures, de modes de gestions et de conditions climatiques. 2) de faire évoluer le modèle SAFY pour qu'il puisse calculer des flux et bilans d'eau et de carbone à des échelles supérieures a celles de la parcelle, en utilisant des données de télédétection, dans une perspective de gestion des ressources.