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Northern high-latitude regions are warming more intensely than the rest of the world. This phenomenon, called Arctic amplification, is due in part to the decrease in sea ice extent and snow cover. Snow, which is present 9 months of the year, could have a significant effect on the increase in land surface temperatures by changing its reflective and insulating properties. Thawing of permafrost which could release important amount of soil carbone into the atmosphere could have a significant positive feedback on the future climate of the Arctic. The objective of this research project is to improve the monitoring of Arctic snow cover and ground temperatures. Detailed models of snow cover evolution such as the Crocus multi-layered model are unable to reproduce the particular physics of Arctic snow, which leads to significant uncertainties in the modeling of ground temperatures. New physical parameterizations have been implemented within the Crocus model to improve the vertical stratification of the snowpack by introducing vegetation effects (less dense snow at the bottom) and wind effects (denser snow at the surface), as well as to modify the thermal conductivity of snow. These new parameterizations allow a better representation of ground temperatures under the snowpack, validated with a large dataset in Alaska, Canadian Arctic and Siberia. The simulations thus carried out using the modified Crocus model, driven by the ERA-Interim meteorological reanalysis over the last 39 years (1979-2018), at the pan-Arctic scale, show a significant increase in snow density in spring as well as in snow moisture, mainly in spring and fall, accompanied by a significant decrease in the duration of the snow cover. These effects, combined with the increase in air temperature, lead to an increase in ground temperature of up to +0.89 K per decade for the month of June. In order to improve monitoring the spatial and temporal evolution of the snow cover, the use of microwave satellite observation data is proposed. Based on the analysis of a unique dataset of surface radiometric measurements, associated with the in-situ characterization of the snowpit (119 snowpits with simultaneous observations) in the Arctic and sub-Arctic zones, an optimal parameterization of the SMRT model has been defined. The results show that using a fitted exponential correlation length as a snow microstructure parameter in the Improved Born Approximation (IBA) electromagnetic model gives the best results compared to the other model configurations tested, with a mean error (RMSE) of less than 30% of the observations for subarctic snow and 24% for Arctic snow. Coupled with Crocus, the simulated brightness temperatures over the entire Arctic are significantly better with modified Crocus than with standard Crocus (38 K improvement in mean bias). These results pave the way for using the assimilation of satellite microwave observations into the Crocus model to improve simulations of Arctic snow density, a key snowpack parameter influencing the evolution of ground temperatures under the snow.; Les régions de hautes latitudes nord se réchauffent de façon plus intense que sur le reste du globe. Ce phénomène, appelé amplification arctique, est dû en partie à la diminution de l'étendue de glace de mer et de la couverture de neige. Par ses changements de pouvoirs réfléchissant et isolant, la neige, présente 9 mois de l'année, pourrait avoir un effet important sur l'augmentation des températures du sol. Le dégel du pergélisol à travers le carbone ainsi libéré serait susceptible d'avoir un impact important sur le climat futur de l'Arctique. Ce projet de recherche a pour objectif d'améliorer le suivi du couvert nival arctique et des températures du sol. À l'heure actuelle, les modèles détaillés d'évolution du manteau neigeux tels que le modèle Crocus ne parviennent pas à reproduire la physique particulière de la neige arctique ce qui conduit à des incertitudes importantes dans la modélisation des températures du sol. De nouvelles paramétrisations physiques ont été implémentées au sein du modèle Crocus pour améliorer la stratification verticale du manteau neigeux en introduisant les effets de la végétation (neige moins dense en profondeur) et les effets du vent (neige plus dense en surface), ainsi que pour modifier la conductivité thermique de la neige. Ces nouvelles paramétrisations permettent une meilleure représentation des températures du sol sous la neige, validée avec un large jeu de données en Alaska, dans l'Arctique canadien et en Sibérie. Les simulations ainsi réalisées à l'aide du modèle Crocus modifié, piloté par la réanalyse météorologique ERA-Interim sur les 39 dernières années (1979-2018), à l'échelle panarctique, montrent une augmentation significative de la densité de la neige au printemps ainsi que de l'humidité de la neige principalement au printemps et en automne, accompagnée d'une diminution significative de la durée d'enneigement. Ces effets cumulés à l'augmentation des températures de l'air entraînent une augmentation des températures du sol allant jusqu'à +0.89 K par décade pour le mois de juin. De façon à pouvoir améliorer le suivi de l'évolution spatiale et temporelle du couvert nival, l'utilisation de données d'observations satellitaires micro-onde est proposée. À partir de l'analyse d'un jeu de données unique de mesures radiométriques en surface associées à la caractérisation in-situ du manteau neigeux (119 snowpits avec des observations simultanées) en zone arctique et subarctique, une paramétrisation optimale du modèle de transfert radiatif SMRT a été définie. En utilisant une longueur de corrélation exponentielle ajustée comme paramètre de microstructure de la neige dans le modèle électromagnétique Improved Born Approximation (IBA), l'étude montre, par rapport aux autres configurations de modèles testées, de meilleurs résultats avec une erreur moyenne (RMSE) inférieure à 30% des observations pour la neige subarctique et 24% pour la neige arctique. Couplées à Crocus, les températures de brillance simulées sur l'ensemble de l'Arctique sont significativement meilleures avec Crocus modifié qu'avec Crocus standard (38 K d'amélioration de l'erreur en moyenne). Ces résultats ouvrent la voie à l'utilisation de l'assimilation des observations micro-onde satellitaires dans le modèle Crocus à grande échelle afin d'améliorer les simulations de densité de la neige arctique, paramètre clef du manteau neigeux influant sur l'évolution des températures du sol sous la neige.

Climate change will affect agricultural production conditions, which will translate in impacts on yield and cost of production for Quebec farmers. This would likely affect the relative competitive position of Quebec in North America. Using the Delphi technique and partial budgets, climate change scenarios for the 2050 period were elaborated and their impact on relative competitiveness assessed for Quebec and its competitors in North America. Results indicate that Quebec competitive position would improve due to more favorable conditions for corn and apple production and due to worsen conditions for the competitors in maple syrup production.

Nutrient analyses were done in melted ice, frazil and sea water of the upper part of the water column, where as major constitutive elements of micro-algae were analysed. Measurements of nutrient uptake were carried out with frazil algae incubated at -1.5 degree C in a field incubator. Differential-enrichment bioassays and mean N/P ratio (5.9) demonstrated that actual growth of the cultures was nutrient-limited. Nitrogen governed the algal yield when illumination and grazing allowed the microalgae to grow. It concluded that the epontic dynamics is not only controlled from above, by the seasonal (climatic) changes in light intensity as generally assumed, but also from below, by the short-term (hydrodynamic) events of vertical mixing that replenish the ice-water interface in nutrients.

Résumé : Au Canada, près de 80% des émissions totales, soit 692 Mt eq. CO[indice inférieur 2], des gaz à effet de serre (GES) sont produits par les émissions de dioxyde de carbone (CO[indice inférieur 2]) provenant de l’utilisation de matières fossiles non renouvelables. Après la Conférence des Nations Unies sur les changements climatiques, COP21 (Paris, France), plusieurs pays ont pour objectif de réduire leurs émissions de GES. Dans cette optique, les microalgues pourraient être utilisées pour capter le CO[indice inférieur 2] industriel et le transformer en biomasse composée principalement de lipides, de glucides et de protéines. De plus, la culture des microalgues n’utilise pas de terre arable contrairement à plusieurs plantes oléagineuses destinées à la production de biocarburants. Bien que les microalgues puissent être transformées en plusieurs biocarburants tels le bioéthanol (notamment par fermentation des glucides) ou le biométhane (par digestion anaérobie), la transformation des lipides en biodiesel pourrait permettre de réduire la consommation de diesel produit à partir de pétrole. Cependant, les coûts reliés à la production de biodiesel à partir de microalgues demeurent élevés pour une commercialisation à court terme en partie parce que les microalgues sont cultivées en phase aqueuse contrairement à plusieurs plantes oléagineuses, ce qui augmente le coût de récolte de la biomasse et de l’extraction des lipides. Malgré le fait que plusieurs techniques de récupération des lipides des microalgues n’utilisant pas de solvant organique sont mentionnées dans la littérature scientifique, la plupart des méthodes testées en laboratoire utilisent généralement des solvants organiques. Les lipides extraits peuvent être transestérifiés en biodiesel en présence d’un alcool tel que le méthanol et d’un catalyseur (catalyses homogène ou hétérogène). Pour la commercialisation du biodiesel à partir de microalgues, le respect des normes ASTM en vigueur est un point essentiel. Lors des essais en laboratoire, il a été démontré que l’extraction des lipides en phase aqueuse était possible afin d’obtenir un rendement maximal en lipides de 36% (m/m, base sèche) en utilisant un prétraitement consistant en une ébullition de la phase aqueuse contenant les microalgues et une extraction par des solvants organiques. Pour l’estérification, en utilisant une résine échangeuse de cations (Amberlyst-15), une conversion des acides gras libres de 84% a été obtenue à partir des lipides de la microalgue Chlorella protothecoïdes dans les conditions suivantes : température : 120°C, pression autogène, temps de réaction : 60 min, ratio méthanol/lipides: 0.57 mL/g et 2.5% (m/m) Amberlyst-15 par rapport aux lipides. En utilisant ces conditions avec une catalyse homogène (acide sulfurique) et une seconde étape alcaline avec de l’hydroxyde de potassium (température : 60°C ; temps de réaction : 22.2 min; ratio catalyseur microalgue : 2.48% (m/m); ratio méthanol par rapport aux lipides des microalgues : 31.4%), un rendement en esters méthyliques d’acides gras (EMAG) de 33% (g EMAG/g lipides) a été obtenu à partir des lipides de la microalgue Scenedesmus Obliquus. Les résultats démontrent que du biodiesel peut être produit à partir de microalgues. Cependant, basé sur les présents résultats, il sera necessaire de mener d’autre recherche pour prouver que les microalgues sont une matière première d’avenir pour la production de biodiesel. ; Abstract : In Canada, near 80% of the greenhouse gases (GHG), 692 Mt eq. CO[subscript 2], are produced by CO[subscript 2] emissions from non renewable fossil fuel used. Following the United Nations conference on climate changes (COP21) (Paris, France), several countries have the objective to reduce their GHG emissions. Consequently, the microalgae should be used to trap industrial carbon dioxide and transform them to a biomass composed of lipids, carbon hydrates and proteins. Moreover, this type of culture does not require arable land in opposition to several oleagineous plant used to produce biofuels. Despite the fact that microalgae can be transformed to several biofuels as bioethanol (among others by fermentation) or biomethane (by anaerobic digestion), the lipid transformation into biodiesel shoud allow reducing the petrodiesel consumption. However, the cost linked to the biodiesel production from microalgae remain relatively high far for a short term commercialisation partially because microalgae are cultivated in aqueous phase in opposition to several oleagineous plants increase the biomass harvesting and the lipid extraction cost. Despite de fact that several techniques of microalgae lipids recovery which do not use organic solvents as mentioned in the literature, most methods tested in laboratory generally used organic solvents. The lipids extracted can be transformed into biodiesel in presence of an alcool such as methanol and a catalyst (homogeneous or heterogeneous). For the microalgae biodiesel commercialization, the respect of ASTM standards is an essential point. At the laboratory scale, it was shown that the lipid extraction in aqueous phase was possible to obtain a maximum yield of 36wt% (dry weight) by using a boiling pretreatment of the aqueous phase microalgae followed by an extraction with organic solvents. For the esterification of FFAs with a strong acid resin (Amberlyst-15), a FFAs conversion of 84% was obtained from Chlorella protothecoides microalgae lipids in the following conditions: temperature: 120°C, autogeneous pressure, reaction time: 60 min, methanol/lipids ratio: 0.57 mL/g and 2.5wt% Amberlyst-15 compared to lipids. With the same reaction conditions (1st step) with a homogeneous catalyst (H[subscript 2] SO[subscript 4]) and an alkaline second step with a catalyst of potassium hydroxide (KOH) (temperature: 60°C; reaction time: 22.2 min ; catalyst to microalgue ratio: 2.48wt%; methanol to lipids ratio: 31.4%), a fatty acid methyl ester (FAME) yield of 33% (g FAME/g lipids) was obtained from the Scenedesmus obliquus microalgae lipids. These results showed that biodiesel can be produced from microalgae lipids. However, based on these results, further research had be conducted in order to prove that microalgae are a promising raw matrial to produce biodiesel.

During 50 last years, West Africa has been undergoing one of the most significant variations in rainfall observed around the globe. These climatic fluctuations have not only affected the characteristics of precipitations but also the hydrogeologic and forest resources considering their major effects on the agricultural ones of the area. This thesis examines climate variability and its consequences on water resources and the dynamic of wetlands, particularly Niayes 3 in Senegal during the period between 1950 and 2004.The thesis is based on three components. The first is an inter-annual and daily characterization of climate variability through a trend analysis of several variability indices and precipitation extremes. The second deals with the response of Niayes’ hydrogeological systems’ to rainfall variations through an inter-annual analysis (1958-2002) and an intra-annual analysis of the water table level. Two extreme examples are analyzed in order to illustrate the phenomenon: The excessive rainfall year of 1958 and the deficient rainfall year of 1974. Finally, the impact of hydro- climatological variability on wet zones is estimated based on monitoring of changes to soil use via an analysis of aerial photographs from 1954, 1974 and 2000.The results show that the rainfall deficit recorded in the Niayes’ since the end of the year 1960 is related to a reduction of the number of rainy days (2j/10 years on average) and a rise of the maximum number of consecutive dry days (4j/10 years on average) during the monsoon season between April and October. The number of days exceeding high precipitation values (compared to the 90th percentile) also decreased. However, cumulative three-day precipitation totals frequently reached 1⁄4 of the annual total, which confirms the role played by extreme events on the average intensity and monthly or seasonal totals of precipitation. In addition to a reduction in the length of the rainy season from more than five months to close to three months between 1950 and 2004, precipitation decreased more substantially in the South than the North, resulting in a reduction of the South-North gradient.The Quaternary water table is currently at an extremely low level, due to a long period of insufficient rainfall. The piezometric maximum for the region as a whole went from an average of +55 m in 1958 to +22 m in 1994 (above the sea level 0 value). The greatest variations were recorded in the 1970s and 1980s - particularly in the south of the Niayes region - with -0.60 m every 10 years. The hydrological total for 1974 suggests that natural factors are the main causes of depletion of the water table with 96% of outflows, including 89% by evapotranspiration. On a seasonal scale, the water table recharge depends on the frequency, intensity and the length of precipitation and dry sequences within the rainy season more than the annual total. In a «rainy year» (1958), the recharge time was between 5 and 7 months compared to a «dry year» (1974) when piezometric fluctuations were nil.The current degradation of hydro-climactic conditions is demonstrated by a progressive drying out of wetlands. For the entire Niayes region, the area of permanently flooded areas went from more than 1.000 ha in 1954 to less than 170 ha in 1974 to reach approximately 50 ha in 1982. In 2000, no ponds were noticeable in the region. In the Mboro area (15°9 N - 16°54 W) permanently flooded zones have gradually transformed into partial hydromorph soils. The «rain recovery» observed in the late 1990s did not lead to a surface reappearance of the water table which is undergoing a «memory effect» due to repeated rain deficits.; Au cours des 50 dernières années, l’Afrique de l’Ouest a subi une des plus fortes variations de la pluviométrie observées à l’échelle du Globe. Ces fluctuations climatiques ont non seulement affecté le régime des précipitations mais elles ont également engendré des conséquences sur les ressources hydrologiques et végétales. Cette thèse traite de la variabilité climatique et de ses conséquences sur les ressources en eau et la dynamique des zones humides notamment des Niayes 2 du Sénégal au cours de la période comprise entre 1950 et 2004.La thèse s’articule autour de trois volets. Le premier est une caractérisation inter- annuelle et quotidienne de la variabilité climatique par l’analyse de tendance de quelques indices de variabilité et d’extrêmes de précipitations. Le second volet porte sur la réponse des systèmes hydrogéologiques des Niayes à la variabilité pluviométrique par une analyse inter-annuelle (1958-2002) et intra-annuelle du niveau de la nappe. Deux exemples extrêmes sont analysés pour illustrer le phénomène: l’année excédentaire de 1958 et l’année déficitaire de 1974. Enfin, l’impact de la variabilité hydro-climatologique sur les zones humides a été estimé à partir d’un suivi de l’évolution des zones humides via l’analyse diachronique de photographies aériennes des années 1954, 1974 et 2000.Les résultats de l’étude montrent que le déficit pluviométrique enregistré dans la région des Niayes depuis la fin des années 1960 est lié à une réduction du nombre de jours pluvieux (2j/10 ans en moyenne) et une hausse du nombre maximum de jours secs consécutifs (4j/10 ans en moyenne) au cours de la saison de mousson entre avril et octobre. Le nombre de jours dépassant les fortes valeurs de précipitations (par rapport au 90 e centile) a également subi une baisse. Par contre, les précipitations cumulées sur trois jours atteignent souvent le 1⁄4 du cumul annuel ce qui confirme le rôle joué par les événements extrêmes sur l’intensité moyenne et les cumuls mensuels ou saisonniers des précipitations. En plus d’une réduction de la durée de la saison pluvieuse qui est passée de plus de cinq mois à près de trois mois entre 1950 et 2004, les précipitations ont davantage baissé au Sud qu’au Nord, induisant une réduction du gradient Sud-Nord.La Nappe des Sables Quaternaires est actuellement à un niveau extrêmement bas résultant d’une longue période pluviométrique déficitaire. Le maximum piézométrique est passé, sur l’ensemble de la région, de +55 m en moyenne en 1958 à +22 m en 1994 (au dessus du niveau 0 de la mer). Les plus fortes variations sont enregistrées au cours des années 1970 et 1980 - notamment au sud de la région des Niayes - avec -0.60 m tous les dix ans. Le bilan hydrologique de l’année 1974 suggère que les facteurs naturels sont les principales causes de déstockage de la nappe avec 96% des sorties dont 89% par évapotranspiration. À l’échelle saisonnière, la recharge de la nappe dépend de la fréquence, de l’intensité et de la durée des précipitations et des séquences sèches à l’intérieur de la saison pluvieuse plus que du cumul annuel. En année de précipitations excédentaires (1958), le temps de recharge est de 5 à 7 mois contrairement en année «sèche» (1974) où les fluctuations piézométriques sont quasi nulles.La dégradation actuelle des conditions hydro-climatiques se manifeste par un asséchement progressif de zones humides. Sur l’ensemble de la région des Niayes, la superficie des zones inondées en permanence est passée de plus de 1000 ha en 1954 à moins de 170 ha en 1974 pour atteindre environ 50 ha en 1982. En 2000, aucune zone inondée en permanence n’est perceptible. Dans le secteur de Mboro (15°9 N - 16°54 W) les zones inondées en permanence se sont transformées progressivement en sols à hydromorphie partielle. La «reprise pluviométrique» observée à la fin des années 1990 n’a pas initié une réapparition en surface de la nappe qui subit un «effet mémoire» dû aux déficits pluviométriques répétés.

Les communautés d'espèces présentent une grande diversité dans l'espace et le temps. Pour comprendre comment et pourquoi elles varient, il faut saisir comment les facteurs biotiques et abiotiques interagissent. La température est un facteur abiotique majeur : elle induit un fort gradient latitudinal, varie dans le temps, et a des effets directs et indirects à de multiples niveaux d'organisation, de l'individu à l'écosystème. La théorie métabolique en écologie stipule en effet que les taux biologiques dépendent de la température et que cette dépendance se retrouve à des niveaux d'organisation supérieurs. Pour comprendre le fonctionnement des communautés écologiques, il est donc essentiel de saisir les nombreux effets de la température à travers ces différentes échelles et niveaux d'organisation. Dans cette thèse, j'explore comment les espèces et leurs interactions trophiques sont affectées par la température. J'étudie les effets de la température à 1) différentes échelles spatiales, du local au global, 2) différentes échelles de temps, écologique et évolutif, et 3) différents niveaux d'organisation, des populations aux communautés, avec des approches théoriques et empiriques. Pour aborder ces questions, j'utilise la théorie des réseaux trophiques couplée à des relations allométriques pour les processus biologiques. Dans le premier chapitre, je m'intéresse particulièrement à la dynamique des systèmes consommateur-ressource dans un contexte de réchauffement climatique. J'étudie plus précisément comment des asymétries thermiques dans les taux biologiques affectent la dynamique de ces systèmes. Je dérive une théorie et utilise un ensemble de données sur les sensibilités thermiques (c'est-à-dire les valeurs d'énergie d'activation) pour différents taux biologiques d'organismes terrestres et aquatiques afin de démontrer comment des asymétries dans ces sensibilités thermiques peuvent entraîner des changements dans la distribution de biomasse et le contrôle trophique avec des variations de température. J'utilise deux études de cas pour illustrer 1) l'applicabilité du cadre théorique pour l'herbivorie à l'échelle globale, et 2) la précision et les limites de nos prédictions. Ce premier chapitre permet d'acquérir une compréhension plus mécaniste de la manière dont les propriétés structurelles et dynamiques des chaînes trophiques dépendent de la température. Sur la base de ce travail sur les systèmes consommateur-ressource, je passe à un niveau de complexité écologique supérieur dans le deuxième chapitre en explorant la dynamique des réseaux trophiques. Dans ce chapitre, j'utilise des données de réseaux trophiques de poissons à l'échelle globale. J'étudie comment les propriétés dynamiques de ces réseaux trophiques varient le long du gradient latitudinal et comment ils sont impactés par un réchauffement des températures. Les résultats suggèrent que le contrôle par les ressources, la stabilité et l'importance des interactions indirectes diminuent avec la latitude. Les principaux facteurs moteurs de ces variations sont la richesse spécifique et la taille corporelle. Ensuite, je simule un réchauffement de 2 degrés, et montre que le réchauffement a un fort impact sur la biomasse des espèces individuelles dans les réseaux trophiques, mais un impact plus modéré sur les propriétés des communautés. Ce chapitre permet de mieux comprendre les facteurs qui déterminent les variations latitudinales dans la dynamique des réseaux trophiques et aide à démêler les effets directs et indirects de la température. Dans ces premiers chapitres, j'ai étudié les effets de la température sur la structure et la dynamique des réseaux trophiques à des échelles de temps écologiques, plutôt qu'évolutives. Dans les modèles, j'ai utilisé une fonction exponentielle pour caractériser la relation entre la température et les taux biologiques des espèces. Cependant, dans le cas où les espèces s'adaptent à des changements de température, cette relation pourrait être modifiée, ce qui aurait des conséquences sur la structure et la dynamique des communautés. Dans le dernier chapitre, j'ai donc réalisé une expérience évolutive avec des bactéries pour étudier la relation entre la température et leur taux de croissance. J'ai incubé des bactéries à dix températures différentes pour leur permettre de s'adapter à ces températures. J'ai ensuite mesuré la différence de taux de croissance entre les lignées évoluées et leurs ancêtres. Ce travail a permis de démontrer qu'il existe des contraintes sélectives sur le taux de croissance pour certaines souches de bactéries mais que l'adaptation ne surmonte pas les contraintes thermodynamiques. En effet, la forme des courbes de performance thermiques est robuste, aucune des lignées évoluées n'a un taux de croissance optimal à la température sélective. Notre étude démontre que les adaptations thermiques peuvent conduire à une variété de réponses chez les bactéries, mais que de manière générale, les contraintes thermodynamiques sont fortes. Les résultats de mes recherches apportent de nouvelles connaissances théoriques et empiriques pour tendre vers une meilleure compréhension mécaniste des effets de la température sur la dynamique des réseaux trophiques et ouvre de nouvelles pistes de réflexion. La température a des effets complexes et contrôle de nombreux processus écologiques. Étudier ses effets à différentes échelles spatio-temporelles et niveaux d'organisation est essentiel pour comprendre le fonctionnement des communautés. ; Abstract : Species communities exhibit great diversity in space and time and understanding how and why they vary requires to capture how biotic and abiotic factors interact. Temperature is one major abiotic factor : it induces a strong latitudinal gradient, varies in time, and has some direct and indirect effects at multiple levels of organization, from the individual to the ecosystem. The metabolic theory in ecology stipulates that biological rates increase exponentially with temperature and that this effect scale up at higher organizational levels. To understand the functioning of ecological communities, it is thus essential to capture the numerous effects of temperature across these different scales and levels. In this thesis, I explore how species and their trophic interactions are affected by temperature. I investigate the effects of temperature at different 1) spatial scales from local to global, 2) timescales from ecological to evolutionary and 3) organizational levels from populations to communities, and use theoretical and empirical approaches. To tackle these questions, I use food web theory that focuses on trophic links among organisms coupled to allometric relationships, that are among the most general quantitative patterns in ecology and have been widely used to develop dynamical models of food webs. In the first chapter, I take a particular interest in consumer-resource systems under warming. I more precisely investigate how they are affected by thermal mismatches in species biological rates. I derive a theory and use a dataset of thermal sensitivities (i.e. activation energy values) for different biological rates to demonstrate how mismatches in these sensitivities can drive changes in biomass distribution and trophic control with temperature. This framework generates predictions of the impacts of warming in terrestrial and aquatic consumer-resource systems and demonstrates that warming should lead to top-heavier terrestrial food chains and stronger top-down control in aquatic environments. I use two case studies to illustrate the framework's applicability to herbivory at the global scale, and to validate the accuracy and limits of our predictions. This first chapter helps to gain a mechanistic understanding of how food chain structural and dynamical properties depend on temperature. Building on this work on consumer-resource interactions, I scale up ecological complexity in the second chapter by exploring food web dynamics. Using a modeling approach coupled to fish food web data at the global scale, I explore how food web dynamical properties vary along the latitudinal gradient and how they are affected by warming. I first investigate how three metrics of community dynamics vary across the latitudinal gradient: I demonstrate that bottom-up control, stability and the importance of indirect interactions decrease with latitude and identify the main drivers of these variations. Second, I simulate a 2 degrees warming, and show that it has a strong impact on individual species biomass in the food webs, but a moderate one on community properties. This chapter provides a better understanding of the drivers of latitudinal variation in community dynamics and helps to disentangle the direct and indirect effects of temperature. In these first chapters, I studied the impacts of warming on community structure and dynamics at ecological, rather than evolutionary, time scales. The relationship between temperature and biological rates is often considered to be exponential. Species might however be able to adapt to changing temperatures, which could modify their response to warming, and in turn the response of the community. In the last chapter, I focus on the population level but consider evolutionary times. I perform an evolutionary experiment with bacteria to investigate how their growth rate varies under thermal adaptation. I measure the difference in growth rate between evolved lines and their ancestors. I demonstrate that there are selective constraints on growth rate for some bacteria strains but that adaptation does not overcome thermodynamical constraints as the shape of the thermal performance curve is robust to evolutionary treatments. None of the evolved lines do have an optimal growth rate at the selective temperature. Our study demonstrates that thermal adaptation can be limited by biophysical constraints on growth. My research findings bring new theoretical and empirical knowledge to tend toward a better mechanistic understanding of ecological dynamics under climate change and opens new avenues for further reflection. Answering this question remains challenging due to the complexity of temperature effects. Studying the effects of temperature at different scales and organizational levels is key in understanding how it impacts ecological processes.

Pour intensifier de manière durable les cultures vivrières dans les zones de terres de barre dégradées au sud du Togo, plusieurs options ont été évaluées avec les paysans. Grâce à des entretiens collectifs de type participatif, sept différents groupes d'exploitants ont procédé à un classement par ordre de préférence de ces différentes options. Parmi cinq variantes d'un paquet MME (Maïs-Mucuna-Engrais minéraux) portées à leur choix, les paysans préfèrent (1) le MME avec un degré de préférence de 66%, à cause de son efficacité en termes de production agronomique; (2) le MM (Maïs-Mucuna sans engrais) avec 57% de degré de préférence pour ceux n'ayant pas de moyens financiers pour l'achat d'engrais et (3) le MMCCE (Maïs- Mucuna à Cycle Court + Engrais) avec 54% de degré de préférence parce qu'il permet une deuxième saison de cultures. En dehors du paquet MME et de ses variantes, d'autres options d'intensification des cultures, Maïs/Haies-vives + fumier (MHF), cultures en couloirs Maïs/Cajanus cajan (Cajanus), haies vives pour la production de biomasse et labour profond ont respectivement obtenu 86%, 79%, 36% et 18% de préférence. Les durabilités écologique, économique et sociologique des options ont aussi été évaluées par les exploitants au moyen de méthodes participatives d'entretiens de groupe. De cette évaluation, il ressort que les trois paquets ayant le plus fort potentiel d'adoption sont: (1) le paquet MME, (2) le paquet MCCE et (3) le paquet MHF. (Résumé d'auteur)

Description du sujet. Au Nord-Togo, particulièrement en milieu rural, les populations utilisent des biens d’espèces ligneuses et des services écosystémiques pour satisfaire des besoins multiples. Dans un environnement marqué par une déforestation accrue, se développe une pression anthropique croissante avec une incidence sur la vulnérabilité et la valorisation de ces ressources. Objectifs. Cette étude sur la diversité et les usages des ligneux permet d’apprécier la richesse floristique des terroirs et d’évaluer, à partir de quatre paramètres, la vulnérabilité des espèces répertoriées et connues des populations en zone de savane sèche. Méthode. L’approche méthodologique est basée sur des enquêtes ethnobotaniques et socio-économiques menées auprès de 14 groupes ethniques par interview individuel et au sein de « focus groups ». Les analyses ont porté sur des calculs de fréquences et d’indices de valeurs d’usage et d’importance des espèces répertoriées. Résultats. Au total, 149 espèces ligneuses utiles ont été identifiées et réparties en 45 familles. Neuf principaux usages reconnus sont relevés : alimentaire (69 espèces), médicinal (91 espèces), bois-énergie (57 espèces), fourrager (57 espèces), artisanal (37 espèces), soins hygiéniques (36 espèces), bois de service (40 espèces), rituel ou magico-spirituel (35 espèces) et cosmétique (26 espèces). Ces usages portent essentiellement sur les feuilles, racines, fruits, graines, fleurs, bois et écorces. Sur l’ensemble des espèces répertoriées, 42 (28 %) présentent un risque élevé de vulnérabilité, celle-ci étant évaluée sur base de quatre paramètres : la fréquence de citation, le nombre d’usages différents, l’organe collecté et le mode de collecte. Conclusions. L’étude montre que l’utilisation des espèces ligneuses varie selon le milieu géographique et la valeur d’importance des espèces explique la vulnérabilité de celles-ci dans la savane sèche.

Changes in forest composition and structure are projected in response to the future climate likely more conducive to fire and water stress. A decrease in carbon and biomass stocks could significantly affect the forest industry and global warming by high carbon emissions during fires. However, despite its ecological and socio-economic importance, the future of the forest is uncertain because the impacts of climate change on ecosystem processes and standing biomass are still poorly understood. The primary objective is therefore to assess the potential effects of climate change on vegetation dynamics and fires, and to characterize their joint effects on the resilience of eastern Canada's boreal forest on both sides of the northern limit of managed forests (NLMF). Simulations were carried out with the LPJ-LMfire dynamic global vegetation model and focused on three specific objectives: (1) to reconstruct fire activity during the 20th century and analyze changes in spatial and temporal fire trends related to vegetation and climate, (2) to analyze the forest response projection to climate change and to fire increase to assess if abrupt changes in biomass of dominant species could occur, (3) to simulate trajectories of past fires and vegetation in response to Holocene climatic variations to understand the relationship between climate, fire and vegetation. For the first time, simulations are performed on the eastern boreal forest with LPJ-LMfire over 6000 years and at high spatial resolution (100 km 2) over a study area stretching west to east, from Manitoba to Newfoundland. The plant functional types for the four dominant tree genera (Picea, Abies, Pinus, Populus) have been parameterized. The predictive capabilities of the model were tested over the 20th century by comparing simulated annual rates of combustion and biomass with independent observations. The same variables, simulated over the past 6,000 years, have been compared to paleoecological reconstructions from lacustrine records of microcharcoals and pollen. Finally, the present version of LPJ-LMfire has been used with IPCC climate scenarios to analyze trajectories along the 21st century. The results show that LPJ-LMfire correctly reproduces the spatio-temporal trends in fire frequency observed in the 20th century, particularly in Manitoba and Ontario. The simulated spatial distribution of plant biomass is also consistent with observations, except at the northern limit of trees where it is overestimated, especially for Picea. The trajectories of simulated fires and vegetation over the last 6,000 years were spatially shifted compared to paleoecological reconstructions: too far south in the west and too far north in the east. The observed difference would be due to the IPSL-CM5A-LR climate data provided as input of LPJ-LMfire. Climate variability and lightning impacts are the determining factors in the distribution of fire frequency during the 20th century, while vegetation feedbacks on fires control the distribution of their frequency over long time scales. Our results contradict the predicted increase in future fire risk, suggesting a decrease in fire frequency by 2100, especially in the south, associated with an increase in the proportion of deciduous taxa and an opening of landscapes that should limit ignition and spread of fires. The frequency and intensity of droughts induced by climate change are expected to increase and favor tree mortality south of the NLMF. Rising temperatures and atmospheric CO2 will only temporarily increase forest productivity. By 2100, declining biomass stocks and increasing broadleaf proportion south of the NLMF could threaten the economy of the forest sector. Silvicultural practices that preserve productivity and boreal forest resilience are therefore recommended to maintain sustainable forest management.; Des changements de composition et de structure forestière sont projetés en réponse au climat futur potentiellement plus propice aux feux et au stress hydrique. Une réduction importante des stocks de carbone et de biomasse pourraient influencer considérablement l’industrie forestière et le réchauffement global. Malgré son importance écologique et socioéconomique, le devenir de la forêt est incertain car les impacts du changement climatique sur les processus écosystémiques et la biomasse sont encore mal compris. L’objectif principal est donc d’évaluer les effets potentiels du changement climatique sur la dynamique de végétation et des incendies, et de caractériser leurs effets conjoints sur la résilience de la forêt boréale de l’Est canadien de part et d’autre de la limite nordique des forêts sous aménagement (LNFA). Des simulations ont été réalisées avec le modèle LPJ-LMfire pour répondre à trois objectifs spécifiques : (1) reconstruire l’activité de feux au 20ème siècle et analyser l’évolution des tendances spatio-temporelles des feux avec la végétation et le climat, (2) projeter la réponse de la forêt au changement climatique et à l’augmentation prévue des feux pour déterminer si des changements brusques de biomasse des espèces dominantes pourraient survenir, (3) simuler les trajectoires passées des feux et de la végétation en réponse aux variations climatiques holocènes afin de comprendre les relations ayant existé entre le climat, le feu et la végétation. Pour la première fois, des simulations sont effectuées avec LPJ-LMfire sur plus de 6000 ans et à haute résolution spatiale (100 km2) sur la forêt boréale de l'Est canadien. Les types fonctionnels de plantes correspondant aux quatre genres d’arbres dominants (Picea, Abies, Pinus, Populus) ont été paramétrés. Les capacités prédictives de LPJ-LMfire ont été examinées en comparant nos simulations des taux annuels de combustion et de biomasse avec des ensembles indépendants de données disponibles pour le dernier siècle et des reconstructions paléoécologiques obtenues à partir des enregistrements lacustres de charbons et de pollens. Enfin, la version LPJ-LMfire développée a été utilisée avec des scénarios climatiques de l’IPCC pour analyser les trajectoires sur le 21ème siècle. Les résultats principaux de cette étude ont révélé que LPJ-LMfire reproduit correctement les tendances spatio-temporelles de la fréquence des feux observée au cours du dernier siècle et les tendances spatiales de la biomasse aérienne totale, à l’exception de la biomasse à la limite nord des arbres qui est surestimée. Les trajectoires des feux et de la végétation simulées sur l'Holocène sont décalées spatialement par rapport aux reconstructions paléoécologiques et serait dû aux données climatiques IPSL-CM5A-LR fournies en entrée du modèle. La variabilité climatique et les impacts de foudre sont les facteurs déterminants de la répartition de la fréquence des feux au cours du 20ème siècle alors que les rétroactions de la végétation sur les feux contrôlent la distribution de leur fréquence sur de longues échelles de temps. Nos résultats contredisent l’augmentation prévue du risque de feu futur, suggérant plutôt une diminution de la fréquence des feux d’ici 2100, surtout dans le sud, associée à une augmentation de la proportion des taxons feuillus et à une ouverture des paysages qui devraient limiter les allumages et la propagation des feux. Dans les zones les plus méridionales, l’effet fertilisant de l’augmentation des concentrations en CO2 atmosphériques sur la productivité forestière ne compensera pas les pertes de biomasse causées par les feux de forêt et les épisodes de mortalité attribuables aux sécheresses. En 2100, la baisse des stocks de biomasse et l’enfeuillement au sud de la LNFA pourraient menacer l’économie du secteur forestier. Des pratiques sylvicoles préservant la productivité et la résilience de la forêt sont donc à recommander pour permettre une gestion durable des forêts.