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A thorough understanding of how tropical forests respond to climate is important to improve ecosystem process models and to reduce uncertainties in current and future global carbon balance calculations. The Amazon rainforest, a major contributor to the global carbon cycle, is subject to strong intra- and interannual variations in climate conditions. Understanding their effect on carbon fluxes between the ecosystem and the atmosphere and on the resulting carbon balance is still incomplete. We examined the long-term (over a 12-year period; 2004-2015) variations in gross primary productivity (GPP), ecosystem respiration (RE) and net ecosystem exchange (NEE) in a tropical rainforest in French Guiana and identified key climatic drivers influencing the changes.The study period was characterized by strong differences in climatic conditions among years, particularly differences in the intensity of the dry and wet seasons, as well as differences in annual carbon fluxes and balance. Annual average GPP varied from 3384.9 g C m(-2) yr(-1) (95% CI [3320.7, 3445.9]) to 4061.2 g C m(-2) yr(-1) (95% CI [3980.1, 4145.0]). RE varied even more than GPP, with a difference of 933.1 C m(-2) yr(-1) between the minimum (3020.6 g C m(-2) yr(-1); 95% CI [2889.4, 3051.3]) and maximum (3953.7 g C m(-2) yr(-1); 95% CI [3887.6, 4019.6]) values. Although NEE showed large interannual variability (nine-fold), from-65.6 g C m(-2) yr(-1) (95% CI [-4.4, -126.0]) to -590.5 g C m(-2) yr(-1) (95% CI [-532.3, -651.6]), the forest remained a carbon sink over the 12-year period.A combination of global radiation (Rg), relative extractable water (REW) and soil temperature (Ts) explained 51% of the daily variations for GPP, 30% for RE and 39% for NEE. Global radiation was always the best predictor of these variations, but soil water content and temperature did also influence carbon fluxes and balance. Seasonally, Rg was the major controlling factor for GPP, RE and NEE during the wet season. During the dry season, variations in carbon fluxes and balance were poorly explained by climate factors. Yet, REW was the key driver of variations in NEE during the dry season.This study highlights that, over the long-term, carbon fluxes and balance in such tropical rainforest ecosystems are largely controlled by both radiation and water limitation. Even though variations in Rg have a greater impact on these fluxes, water limitation during seasonal droughts is enough to reduce ecosystem productivity, respiration and carbon uptake. The reduced precipitation expected in tropical rainforest areas under future climatic conditions will therefore strongly influence carbon fluxes and carbon uptake. This study also highlights the importance for land surface or dynamic global vegetation models to consider the main drivers of carbon fluxes and balance separately for dry and wet seasons.

Le rôle du phosphore (P) en agriculture est indéniable: le P est un nutriment essentiel dont tous les êtres vivants ont besoin pour fonctionner, et est donc nécessaire pour maintenir les rendements agricoles à l’échelle globale dans les années à venir. Une grande partie du P utilisé pour fertiliser les cultures se présente sous forme d’engrais chimique et provient de mines de roches phosphatées. Cette ressource finie est gérée de manière non-optimale: dans certains endroits du Monde, le P est utilisé de manière excessive et peut nuire à l’environnement, alors qu’à d’autres endroits, le P apporté est insuffisant et conduit à des baisses de rendement importantes. Cette hétérogénéité, combiné à des problématiques d’accès à la ressource, qui dépend également de facteurs économiques et politiques, conduit à de sérieuses questions sur les impacts potentiels du P sur la sécurité alimentaire mondiale. Des études récentes se sont penchées sur les principaux facteurs limitant les rendements agricoles dans le Monde, mais présentent des difficultés à séparer la contribution de ces différents facteurs, et en particulier du P. Dans un premier temps, j’ai combiné des simulations de la distribution du P dans les sols agricoles et des simulations de croissance des céréales dans des conditions idéales (i.e. non limitantes en eau, azote, etc.), tout en prenant en compte, de manière fine, les mécanismes de transfert du P entre le sol et la plante. J’ai montré que le P pourrait contribuer de manière significative à une baisse de rendement par rapport au rendement potentiel de 22, 55 et 26 % en blé d’hiver, maïs et riz. Cette diminution n’est que partiellement impactée quand les apports actuels de P par fertilisants chimiques sont considérés et ceci s’explique principalement par l’historique du bilan en P des sols (qui a contribué à fortement augmenter les stocks de P des sols). Cependant, la non prise en compte de certains processus, à savoir ceux liés aux ajustements des plantes dans des conditions limitantes en P, ont pu fortement biaisé ces estimations. Pour mieux représenter ces processus d’ajustements, j’ai ensuite développé un modèle d’allocation du carbone (C) et du P basé sur des principes d’optimisation d’utilisation des ressources au sein de la plante. Le modèle est capable de simuler la réponse de la plante à une limitation en P: augmentation du ratio racines / biomasse aérienne, diminution de la biomasse totale et de la concentration en P. Le modèle a été testé dans un gradient de disponibilité en P à différentes échelles (plante en hydroponie et au champ) et reproduit raisonnablement le comportement des plantes. Malgré des hypothèses simplistes qui ne permettent pas de capturer la nature exacte de l’allocation, le modèle présenté peut être introduit dans un modèle de végétation plus physique, permettant l’étude de la limitation en P de manière plus générique. Le couplage du modèle d’allocation idéalisé à un modèle de végétation physique a été réalisé en utilisant ORCHIDEE, un modèle de végétation dynamique utilisé pour étudier les interactions végétation-climat. Les paramétrisations de processus fondamentaux au sein d’ORCHIDEE (assimilation, etc.) ont été utilisées pour piloter le modèle d’allocation en fonction de la disponibilité en C et en P, et les simulations ont été comparées à deux jeux d’observations sur maïs irrigué. Les résultats ont montré le potentiel de la combinaison de ces deux modèles pour simuler de fonctionnement des cultures dans différents environnements. Le modèle ainsi obtenu pourra être utilisé pour mieux quantifier, à l’échelle mondiale, la contribution du P à la baisse de rendement des cultures par rapport à leur potentiel., The global role of phosphorus (P) in agriculture is undeniable: P is an essential nutrient required by all living beings to function, and thus necessary for sustaining yields worldwide in the time to come. In global agriculture, most of the P used to grow crops comes in form of chemical fertilizer which is mined from existing soil deposits. This in itself would not be an issue, was it not for the way we globally (mis)manage this potentially finite resource. While some places use P to the point of harming the environment, others do not have enough to sustain their yields and feed themselves. Combined with uncertainties of equitable P supply in the future which depend on economical and political factors as well, serious questions arise on the potential impacts of P on global food security. Recent studies have looked into the main drivers of yield worldwide, but have difficulties separating P’ contribution, as they lack the information to do so due to their empirical nature. As an initial step, we combined simulated global information on agricultural soil P and cereal growth in ideal conditions, while accounting for mechanisms of soil-plant P transfer more faithfully. We have found that P could significantly contribute to existing global production gaps with an average yield gap of 22, 55 and 26 % in winter wheat, maize and rice; lowering only slightly with today’s P fertilizer use. This is mainly to be due to the global P management history or the net soil P balance up to date. But the idealized nature of the employed models ignored other processes, namely plant adjustment in P limited environments, which have a significant potential to change our diagnostic estimates. To better represent plant adjustment, we have then developed an carbon (C) & P allocation model based on optimal functioning principles. The idealized model is capable of simulating primary plant response to a P limited environment: root-shoot ratio change, biomass and P concentration decrease. It was compared to plant growth across a P availability gradient at different scales (hydroponic to field) and has been found to reasonably predict observed plant behaviour. In spite of its simplistic assumptions which do not capture the exact nature of P flow within a plant, the idealized model could be introduced into a more physical vegetation one to allow the study of P limitation in a generic growing environment. The coupling of our idealized allocation model to a physical vegetation one was performed using ORCHIDEE, a dynamic vegetation model used to study global vegetation-climate interaction. Its parameterizations of fundamental plant processes were used to drive our model as function of C and P availability, and compared to two irrigated maize observation datasets. The results have shown the potential of their combination to simulate crops in different growing environments, which is to be used on a global scale and finally help us better understand contribution of P to crop productivity globally.

The global role of phosphorus (P) in agriculture is undeniable: P is an essential nutrient required by all living beings to function, and thus necessary for sustaining yields worldwide in the time to come. In global agriculture, most of the P used to grow crops comes in form of chemical fertilizer which is mined from existing soil deposits. This in itself would not be an issue, was it not for the way we globally (mis)manage this potentially finite resource. While some places use P to the point of harming the environment, others do not have enough to sustain their yields and feed themselves. Combined with uncertainties of equitable P supply in the future which depend on economical and political factors as well, serious questions arise on the potential impacts of P on global food security. Recent studies have looked into the main drivers of yield worldwide, but have difficulties separating P’ contribution, as they lack the information to do so due to their empirical nature. As an initial step, we combined simulated global information on agricultural soil P and cereal growth in ideal conditions, while accounting for mechanisms of soil-plant P transfer more faithfully. We have found that P could significantly contribute to existing global production gaps with an average yield gap of 22, 55 and 26 % in winter wheat, maize and rice; lowering only slightly with today’s P fertilizer use. This is mainly to be due to the global P management history or the net soil P balance up to date. But the idealized nature of the employed models ignored other processes, namely plant adjustment in P limited environments, which have a significant potential to change our diagnostic estimates. To better represent plant adjustment, we have then developed an carbon (C) & P allocation model based on optimal functioning principles. The idealized model is capable of simulating primary plant response to a P limited environment: root-shoot ratio change, biomass and P concentration decrease. It was compared to plant growth across a P availability gradient at different scales (hydroponic to field) and has been found to reasonably predict observed plant behaviour. In spite of its simplistic assumptions which do not capture the exact nature of P flow within a plant, the idealized model could be introduced into a more physical vegetation one to allow the study of P limitation in a generic growing environment. The coupling of our idealized allocation model to a physical vegetation one was performed using ORCHIDEE, a dynamic vegetation model used to study global vegetation-climate interaction. Its parameterizations of fundamental plant processes were used to drive our model as function of C and P availability, and compared to two irrigated maize observation datasets. The results have shown the potential of their combination to simulate crops in different growing environments, which is to be used on a global scale and finally help us better understand contribution of P to crop productivity globally.; Le rôle du phosphore (P) en agriculture est indéniable: le P est un nutriment essentiel dont tous les êtres vivants ont besoin pour fonctionner, et est donc nécessaire pour maintenir les rendements agricoles à l’échelle globale dans les années à venir. Une grande partie du P utilisé pour fertiliser les cultures se présente sous forme d’engrais chimique et provient de mines de roches phosphatées. Cette ressource finie est gérée de manière non-optimale: dans certains endroits du Monde, le P est utilisé de manière excessive et peut nuire à l’environnement, alors qu’à d’autres endroits, le P apporté est insuffisant et conduit à des baisses de rendement importantes. Cette hétérogénéité, combiné à des problématiques d’accès à la ressource, qui dépend également de facteurs économiques et politiques, conduit à de sérieuses questions sur les impacts potentiels du P sur la sécurité alimentaire mondiale. Des études récentes se sont penchées sur les principaux facteurs limitant les rendements agricoles dans le Monde, mais présentent des difficultés à séparer la contribution de ces différents facteurs, et en particulier du P. Dans un premier temps, j’ai combiné des simulations de la distribution du P dans les sols agricoles et des simulations de croissance des céréales dans des conditions idéales (i.e. non limitantes en eau, azote, etc.), tout en prenant en compte, de manière fine, les mécanismes de transfert du P entre le sol et la plante. J’ai montré que le P pourrait contribuer de manière significative à une baisse de rendement par rapport au rendement potentiel de 22, 55 et 26 % en blé d’hiver, maïs et riz. Cette diminution n’est que partiellement impactée quand les apports actuels de P par fertilisants chimiques sont considérés et ceci s’explique principalement par l’historique du bilan en P des sols (qui a contribué à fortement augmenter les stocks de P des sols). Cependant, la non prise en compte de certains processus, à savoir ceux liés aux ajustements des plantes dans des conditions limitantes en P, ont pu fortement biaisé ces estimations. Pour mieux représenter ces processus d’ajustements, j’ai ensuite développé un modèle d’allocation du carbone (C) et du P basé sur des principes d’optimisation d’utilisation des ressources au sein de la plante. Le modèle est capable de simuler la réponse de la plante à une limitation en P: augmentation du ratio racines / biomasse aérienne, diminution de la biomasse totale et de la concentration en P. Le modèle a été testé dans un gradient de disponibilité en P à différentes échelles (plante en hydroponie et au champ) et reproduit raisonnablement le comportement des plantes. Malgré des hypothèses simplistes qui ne permettent pas de capturer la nature exacte de l’allocation, le modèle présenté peut être introduit dans un modèle de végétation plus physique, permettant l’étude de la limitation en P de manière plus générique. Le couplage du modèle d’allocation idéalisé à un modèle de végétation physique a été réalisé en utilisant ORCHIDEE, un modèle de végétation dynamique utilisé pour étudier les interactions végétation-climat. Les paramétrisations de processus fondamentaux au sein d’ORCHIDEE (assimilation, etc.) ont été utilisées pour piloter le modèle d’allocation en fonction de la disponibilité en C et en P, et les simulations ont été comparées à deux jeux d’observations sur maïs irrigué. Les résultats ont montré le potentiel de la combinaison de ces deux modèles pour simuler de fonctionnement des cultures dans différents environnements. Le modèle ainsi obtenu pourra être utilisé pour mieux quantifier, à l’échelle mondiale, la contribution du P à la baisse de rendement des cultures par rapport à leur potentiel.

Assessing underground hydrosystem recharge is crucial to characterizing their hydrogeological functioning. The common questions arising from a poor understanding of hydrogeological mechanism are about parts of the gross rain amount that evapotranspire and get temporarily stored within the soil. Evapotranspiration and soil water storage are largely influenced by the structure and the function of the aboveground vegetation, which is generally composed of heterogeneous forest layer in Mediterranean karstic systems. However, most models used to compute karst hydrosystem recharge rely on simplistic formulations of evapotranspiration (ET) that do not account for vegetation functioning. In this study, we used the vegetation process-based model CASTANEA to improve water transfer in the higher horizon of the karst system and recharge simulations. Effective infiltration was computed with CASTANEA or with a classical approach (based on precipitation minus ET) for a well-documented holm oak site in southern France. We then compared simulation results with outflow data measured at 33 m below ground. We found significant differences between the two calculation methods, up to 200 % of annual recharge in the case of a very dry year. The comparison of modelled effective infiltration with outflow data indicated that using CASTANEA improved assessment of the temporal dynamics of water recharge in this karst system compared to a more classical approach. Our approach constitutes a promising way to improve the simulation of karst hydrosystem recharge.

Clear analogies between carbonyl sulfide (OCS) and carbon dioxide (CO2) diffusion pathways through leaves have been revealed by experimental studies, with plant uptake playing an important role for the atmospheric budget of both species. Here we use atmospheric OCS to evaluate the gross primary production (GPP) of three dynamic global vegetation models (Lund–Potsdam–Jena, LPJ; National Center for Atmospheric Research – Community Land Model 4, NCAR-CLM4; and Organising Carbon and Hydrology In Dynamic Ecosystems, ORCHIDEE). Vegetation uptake of OCS is modeled as a linear function of GPP and leaf relative uptake (LRU), the ratio of OCS to CO2 deposition velocities of plants. New parameterizations for the non-photosynthetic sinks (oxic soils, atmospheric oxidation) and biogenic sources (oceans and anoxic soils) of OCS are also provided. Despite new large oceanic emissions, global OCS budgets created with each vegetation model show exceeding sinks by several hundred Gg S yr−1. An inversion of the surface fluxes (optimization of a global scalar which accounts for flux uncertainties) led to balanced OCS global budgets, as atmospheric measurements suggest, mainly by drastic reduction (up to −50 %) in soil and vegetation uptakes. The amplitude of variations in atmospheric OCS mixing ratios is mainly dictated by the vegetation sink over the Northern Hemisphere. This allows for bias recognition in the GPP representations of the three selected models. The main bias patterns are (i) the terrestrial GPP of ORCHIDEE at high northern latitudes is currently overestimated, (ii) the seasonal variations of the GPP are out of phase in the NCAR-CLM4 model, showing a maximum carbon uptake too early in spring in the northernmost ecosystems, (iii) the overall amplitude of the seasonal variations of GPP in NCAR-CLM4 is too small, and (iv) for the LPJ model, the GPP is slightly out of phase for the northernmost ecosystems and the respiration fluxes might be too large in summer in the Northern Hemisphere. These results rely on the robustness of the OCS modeling framework and, in particular, the choice of the LRU values (assumed constant in time) and the parameterization of soil OCS uptake with small seasonal variations. Refined optimization with regional-scale and seasonally varying coefficients might help to test some of these hypothesis.

Grassland biomes are currently dominating the inter-tropical zone, but main proxies used do not reflect properly their range. Therefore, modeling activities and paleo-reconstructions in these zones are not convincing. Phytoliths are amorphous silica that precipitate in and/or between living plant cells. They are commonly used to trace grass dynamics. However, calibration between phytolith assemblages, vegetation, and climate parameters are scarce. This thesis introduces transfer functions between phytolith indices, modern inter-tropical grassland physiognomies, and bio-climatic constraining variables. In a near future, we would like to (1) integrate phytolith data in the biomization method that allows reconstructing vegetation biomes, (2) improve and validate some vegetation models. In West Africa, the Iph phytolith index allows discriminating tall from short grass savannas. A transfer function is proposed to estimate the evapotranspiration (AET/PET). Results are good, similar and complementary to the pollen biomization estimates. The Ic index, studied on an altitudinal gradient in East Africa, permits to accurately estimate the proportion of Pooideae and Panicoideae grass sub-families, and so potentially the C4/C3 grass dominance. For the first time, a vegetation marker, the D/P index, has been quantitatively calibrated as proxy of Leaf Area Index, along a forest-savanna transition. Finally, a discriminant analysis using all the modern assemblages presents six phytolith biomes. These biomes, when integrated into the pollen biomization method, will improve the definition of vegetation transition such as desert/savanna/forest., Les formations herbacées actuellement dominantes en zone intertropicale sont mal discriminées par les marqueurs de végétation courants. Ainsi, la modélisation de la végétation et les reconstitutions des climats passés dans ces zones sont limitées. Les phytolithes sont des particules d'opale formées par précipitation de silice amorphe entre et/ou dans les cellules de nombreuses plantes vivantes, couramment utilisés pour tracer la dynamique des formations herbacées. Cependant, les calibrations entre assemblages phytolithiques, végétation et climat sont rares. Cette thèse établit des fonctions de transfert entre indices phytolithiques, caractéristiques des formations herbacées intertropicales actuelles, et contraintes bio-climatiques, en vue de pouvoir intégrer les données phytolithiques à la méthode de biomisation pollinique permettant des reconstitutions de végétation. Ceci permettra d'améliorer et de valider certains modèles prédictifs de végétation. En Afrique de l'Ouest, l'indice Iph permet de différencier les savanes à graminées basses des savanes à graminées hautes. Une fonction de transfert, établie pour estimer l'évapotranspiration (AET/PET), offre de bons résultats, comparables et complémentaires aux estimations fournies par la biomisation pollinique. L'indice Ic étudié sur un gradient altitudinal en Afrique de l'Est estime correctement la proportion des sous-familles graminéennes Pooideae et Panicoideae en zone intertropicale soit, potentiellement, la domination des Poaceae en C4/C3, jusqu'alors difficilement enregistrée. Pour la première fois un marqueur de végétation, l'indice D/P, est calibré de façon quantitative en terme de LAI le long d'un transect forêt-savane. Finalement, une analyse discriminante utilisant la totalité des assemblages permet de définir six biomes phytolithiques. Ces biomes intégrés à la méthode de biomisation pollinique, offriront des reconstructions paléo-environnementales plus précises, notamment les transitions désert/savane/forêt.

Classical climate reconstruction based on statistical method implicitly assumes that the atmospheric C02 concentration, which has greatly fluctuated during the Quaternary, has no influence on the vegetation. In order to attenuate this assumption, we propose to use a process-based vegetation model (BIOME 3.5) in inverse mode to reconstruct from pollen data the most probable climate under lowered C02 concentration in the biosphere. Appropriate tools to match the model outputs with the pollen data are developed to generate a probability distribution associated with the reconstruction (Monte Carlo sampling and neural network techniques). The method is validated with modern pollen data from Europe and Northern Eurasia : it is able to reconstruct modern climate with a sometimes large error bar from pollen data. The error bar depends in fact on the tolerance of the vegetation to the corresponding climatic variable. The application to 7 1 pollen assemblages from these regions, representing the last glacial maximum (LGM : 18,000 14C-yr B.P.), is done through two experiments : modem and LGM C02 concentration. We show that there is a good agreement between previous results based on statistical methods and inverse modelling in the northern part of the studied region. In the Mediterranean region and southern Siberia, the summer temperatures and the water availability parameters could be higher than previously reconstructed, because of the C02 effect., La reconstruction climatique classique, basée sur la méthode statistique, suppose implicitement que la concentration atmosphérique en C02, qui a considérablement fluctué pendant le Quaternaire, n'a aucune influence sur la végétation. Afin de tempérer ce postulat, nous proposons d'utiliser un modèle fonctionnel de végétation (BIOME 3.5) en mode inverse pour reconstruire, à partir des données polliniques, le climat le plus probable sous faible concentration de C02 dans la biosphère. Des outils adaptés permettant de faire coïncider les sorties des modèles avec les données polliniques sont développés afin d’établir une distribution de probabilité associée à la reconstruction (échantillonnage de Monte Carlo et réseaux neuronaux). La méthode est validée avec les données polliniques actuelles d'Europe et d'Eurasie du nord : il est possible de reconstruire le climat actuel, avec parfois une marge d'erreur importante, à partir des données polliniques. L'erreur dépend en fait de la tolérance de la végétation à la variable climatique correspondante. L'application à 71 assemblages polliniques de ces mêmes régions représentant le dernier maximum glaciaire (DMG : 18,000 ans 14C B.P.) est réalisée au travers de deux expériences : concentration en C02 actuel et glaciaire. Nous montrons qu'il y a une bonne concordance entre les résultats précédents basés sur les méthodes statistiques et la modélisation inverse, dans la partie nord de la région étudiée. En région méditerranéenne et en Sibérie méridionale, les températures estivales et les paramètres de disponibilité de l'eau pourraient être plus élevés que ceux reconstruits précédemment en raison de l'effet du C02., Guiot Joël, Torre Franck, Cheddadi Rachid, Peyron Odile, Tarasov Pavel E., Jolly Dominique, Kaplan Jed O. The climate of the Mediterranean Basin and of Eurasia of the last glacial maximum as reconstructed by inverse vegetation modelling and pollen data. In: Ecologia mediterranea, tome 25 n°2, 1999. pp. 193-204.