Literatura académica sobre el tema "Services écosystémiques – Modèles mathématiques"

En zone tropicale, les services écosystémiques associés aux espèces agroforestières sont peu connus. Une enquête ethnobotanique a été conduite dans le bassin versant de Boura pour appréhender la perception des espèces agroforestières et leurs services écosystémiques. Des interviews semi-structurées et des observations directes ont été réalisées auprès de 214 chefs d'exploitation (CE) appartenant aux groupes ethniques Sissala, Dagara et Mossi. Les caractéristiques socio-économiques des CE, les espèces ligneuses conservées dans les champs et leurs services écosystémiques ont été recensés. L’importance des espèces a été déterminée selon la méthode de l’indice culturel d’importance (ICT). Des tests de comparaison des réponses et des modèles linéaires généralisés ont été réalisés à l’aide du logiciel R.3.3.2. Au total, 64 espèces ligneuses appartenant à 59 genres et 30 familles ont été recensées. Ces espèces fournissent aux communautés 17 services écosystémiques répartis en quatre catégories. Vitellaria paradoxa (ICT = 10,45) et Parkia biglobosa (ICT = 7,80) sont deux espèces agroforestières clés pourvoyeuses de services écosystémiques à l’ensemble des communautés. L’ordination non métrique (NMS) de la matrice d’occurrence des espèces agroforestières indique qu’en dépit des similitudes de connaissances ethnobotaniques les groupes ethniques Dagara et Sissala manifestent différentes préférences dans la conservation d’essences ligneuses spécifiques dans les champs. Le groupe ethnique, le genre, la taille du ménage, le niveau d’éducation et l’expérience du chef d’exploitation sont les principaux facteurs déterminant la perception et la conservation des espèces agroforestières. La sélection d’essences végétales pour les interventions agroforestières doit tenir compte des facteurs socio-économiques déterminant les préférences des communautés.

L’évaluation des écosystèmes est l’un des pivots essentiels pour l’élaboration de moyens adaptés permettant de lutter contre la diminution massive de la biodiversité. Pour la première fois, elle a fait l’objet d’une analyse à l’échelle mondiale dans le cadre de l’Evaluation des écosystèmes en début de millénaire (EM). Le rassemblement de plus d’un millier de chercheurs et de plusieurs organismes internationaux durant quatre années ont permis de dessiner la carte nécessaire à toute action efficace. L’article expose les éléments principaux de l’EM : l’évaluation des écosystèmes en tant que tels, mais surtout des services écosystémiques, dans toutes leurs dimensions, en ce que leur évolution affecte le bien-être humain. Il analyse ensuite les quatre points principaux de l’apport de l’EM, des avantages de l’utilisation croissante des services écologiques à sa non viabilité. Des scénarios, modèles et outils sont proposés pour inverser la courbe négative d’appauvrissement de la biodiversité et des services écosystémiques dans un premier bilan des retombées de l’EM.

Les services écosystémiques (SE) des grands types d’écosystèmes, comme les forêts, agrosystèmes ou récifs coralliens, ont été largement décrits, avec la proposition de méthodologies spécifiques, mais peu d’études se sont intéressées à modéliser les différents services des grands lacs. Les lacs représentent pourtant l’une des principales sources d’eau douce, constituent des lieux de pêche, d’implantation des sociétés, des espaces de loisirs et de bien-être. Dans le cadre de notre étude, l’approche choisie est essentiellement géographique, plaçant au coeur de la modélisation conceptuelle la problématique spatiale et l’analyse des relations entre la qualité de l’eau et les services écosystémiques. Nous avons adapté à l’étude des SE rendus par les grands lacs alpins français (lac d’Annecy, lac du Bourget) et le Léman, l’un des modèles les plus utilisés pour caractériser les services : le modèle de la cascade (Potschin et Haines-Young, 2011). Ce modèle facilite l’identification et la caractérisation des variables-clefs écologiques, socio-économiques et techniques qui modifient le niveau des services rendus par les lacs, tout en mettant en lumière les interactions, rétroactions et chaînes causales associant les lacs à la société. Notre réflexion est une contribution à une nouvelle approche d’étude des territoires limniques, mobilisant le concept de service écosystémique en tant qu’outil de dialogue entre sciences et société. Le concept de SE invite dans l’immédiat à questionner les observatoires actuels de suivi des grands lacs qui sont centrés sur des indicateurs biophysiques (bioindication et flux hydrochimiques) pour qu’ils évoluent dans une approche plus systémique et intégrée, mieux adaptée pour répondre aux enjeux croisés du réchauffement climatique, de l’impact des micropolluants et pour anticiper les évolutions sociétales à venir.

Les grands programmes internationaux d'observation des écosystèmes, tels que le Millenium Ecosystem Assessment (Mea), puis Redd (Réduction des émissions liées à la déforestation et à la dégradation des forêts) et Redd+, préconisent le développement des approches permettant de quantifier et de spatialiser les services écosystémiques afin de mettre en oeuvre des pratiques et des politiques de gestion environnementale plus adaptées. La cartographie des services écosystémiques apparaît ainsi comme un outil majeur des espaces à forts enjeux environnementaux. Cependant, elle souffre encore de certaines limitations. C'est le cas du stock de carbone dans la biomasse végétale. À l'échelle d'une localité d'Amazonie brésilienne de 175 km², cette fonction écologique a été cartographiée avec une résolution spatiale de 30 x 30 m. Afin de quantifier ces stocks, des mesures de biomasse arborée et arbustive au sein de 45 " points " et des données géographiques obtenues par télédétection sont mises en jeu. Pour cela, deux méthodes statistiques sont testées : l'arbre de décision et la régression linéaire multiple. Les résultats statistiques de chacune de ces méthodes sont présentés, permettant d'en comprendre les intérêts et les inconvénients. La qualité d'ajustement de ces modèles est testée. Si l'arbre de décision décrit mieux le rôle des variables explicatives, la régression linéaire multiple permet une prédiction beaucoup plus efficace. Elle rend alors davantage compte de la variabilité spatiale au sein de chaque type d'occupation du sol. Cette méthode fait apparaître à l'échelle de la ferme des phénomènes spécifiques au territoire étudié. Cela permet de retranscrire simplement le résultat d'un processus écologique tout en le mettant en relation avec les activités anthropiques. Cette étude permet donc d'illustrer l'importance des choix méthodologiques afin d'obtenir la cartographie d'un processus.

La moitié des forêts tropicales du monde est désignée comme des forêts de production par les services forestiers nationaux. Pour la seule Amazonie brésilienne (400 millions d’hectares), l’exploitation sélective affecte chaque année entre un et deux millions d’hectares. Si l’effet de la déforestation sur les émissions de carbone et les pertes de biodiversité en région tropicale ont fait l’objet de nombreuses études, les impacts à long terme de l’exploitation commerciale de bois sur ces forêts restent à ce jour très peu étudiés. Or, les enjeux sont grandissants pour ces forêts de production. Non seulement elles doivent alimenter le commerce du bois tropical, mais leur rôle dans le stockage de carbone et dans la préservation de la biodiversité est de plus en plus reconnu. La thèse s’organise en trois temps. Premièrement, un modèle de bilan carbone de l’exploitation forestière est développé, et les différences régionales de dynamique de récupération du carbone post-exploitation sont modélisées. Deuxièmement, un modèle de récupération du volume de bois d’œuvre a été développé et calibré à l’échelle amazonienne. Ces résultats ont permis de montrer la lenteur de la récupération du volume de bois en Amazonie, et la non-durabilité des pratiques actuelles d’exploitation. Ces modèles (carbone et bois d’œuvre) ont été élaborés dans un cadre bayésien, avec l’appui et les données du Tropical managed Forest Observatory (TmFO : www.tmfo.org), réseau rassemblant neuf institutions de recherche et plus de 200 parcelles de suivi de la dynamique forestière après exploitation en Amazonie depuis plus de 30 années. Enfin, une analyse comparative de scénarios prospectifs a été effectuée, où les compromis possibles entre services écosystémiques (bois d’œuvre, carbone et biodiversité) ont été explorés par des techniques d’optimisation multicritère.

La transition agroécologique est indispensable pour concilier le développement socio-économique et la conservation de l’environnement dans les territoires ruraux du monde entier et plus particulièrement en Amazonie Brésilienne. Le concept de coproduction de services écosystémiques (SE) a été proposé pour penser et discuter cette transition, mais on connaît mal comment les acteurs perçoivent et échangent en pratique sur ce concept. La question principale de cette thèse est : Comment le cadre conceptuel des SE peut-il servir de base cognitive et opérationnelle pour soutenir la transition agroécologique ? Nous examinons deux municipalités aux modèles de production contrastés, situées dans la partie orientale de l'Amazonie brésilienne : Irituia et Paragominas. Nous avons adopté une perspective multi-acteurs et une approche de méthodes mixtes, combinant des méthodologies qualitatives, telles que des entretiens semi-directifs et l'observation participante, avec des méthodologies semi-quantitatives telles que des questionnaires et un jeu de rôles. Nous avons d'abord cherché à comprendre comment les acteurs qui appuient l’agriculture perçoivent la coproduction des SE. Les perceptions diffèrent sensiblement selon le type d'activité exercée par les acteurs, notamment en fonction de la nature de leurs connaissances (plus scientifique ou empirique). Nous avons ensuite examiné comment ces perceptions influençaient le processus de décision de pratiques de gestion de l’agroécosystème. Nous avons constaté l'importance de marchés institutionnels pour valoriser l'agrobiodiversité. Des facteurs internes à l'exploitation, tels que le travail, les revenus, les valeurs de l’agriculteur, influencent également ce processus de prise de décision. Enfin, le jeu de rôles construit a permis aux parties prenantes de synthétiser et de discuter de différents types de connaissances sur ce processus. Finalement, nous avons démontré comment les connaissances générées lors des étapes précédentes pouvaient contribuer à rendre la transition agroécologique plus opérationnelle. En révélant les attentes et les facteurs qui motivent des acteurs locaux, ces connaissances permettent de comprendre ce qui influence les pratiques de gestion de l’agroécosystème. Nous en concluons que le cadre conceptuel de la coproduction des SE permet d’aller au-delà de l'explicitation simple des éléments corrélés à la gestion des agroécosystèmes. Il constitue également un outil pertinent pour stimuler la communication entre les différents acteurs.

Dans un contexte économique incertain et face à des demandes sociétales de plus en plus pressantes, les filières animales ont des défis majeurs à relever : assurer leur compétitivité et la viabilité économique des élevages ens’adaptant à l’ouverture des marchés et à une plus grande volatilité des prix ; reconstruire un modèle social en repensant l’acceptabilité de l’élevage et le métier d’éleveur ; produire des aménités reconnues par la société enlimitant les effets négatifs sur l’environnement et en qualifiant les services écosystémiques et patrimoniaux produits par les activités d’élevage. Répondre à ces enjeux nécessite de mettre en place de nouveaux modes de partenariats entre les acteurs. Le Groupement d’Intérêt Scientifique (GIS) « Elevages Demain » crée en 2010 (www.gis-elevages-demain.org) et dédié aux systèmes de production animale (ruminants, porcs et volailles) à hautes performances économiques,environnementales et sociétales, rassemble quatorze partenaires de la recherche, du développement et des filières professionnelles. Cette démarche s’inscrit dans la volonté de l’ensemble des acteurs des filières animales derépondre ensemble aux défis posés à l’élevage afin de proposer de nouveaux modèles productifs, économiquement viables, respectueux de l’environnement et socialement acceptables et équitables, en un mot : durables. Lesorganismes initiateurs du GIS « Elevages Demain » se fixent donc comme objectif de définir les conditions d’une meilleure compatibilité entre les différentes catégories de performances (techniques, économiques, environnementales, sociales) des systèmes de production animale et de proposer des solutions qui soient innovantes et adaptées à la variété des contextes territoriaux et des filières. Les actions de recherche conduites par le GIS « Elevages Demain » s’organisent autour de quatre axes thématiques : i) les relations entre élevage, filières et territoire, avec une action sur les services rendus par l’élevage et une autre sur l’emploi dans les filières animales ; ii) les relations entre l’élevage et la société avec une action visant à recenser et à analyser les principales controverses ; iii) l’évaluation multicritère de la durabilité des systèmes d’élevage avec l’élaboration d’un guide méthodologique réalisé en commun avec le GIS « Grandes cultures à hautes performances économiques et environnementales » et iv) la conduite des animaux et des systèmes d’élevage avec des actions sur le phénotypage animal (avec le GIS Agenae), l’élevage de précision et l’agro-écologie en élevage.Les Réseaux Mixtes Technologiques du domaine de l’élevage constituent une autre forme de partenariat qui a pour objectif de constituer des pôles d’expertises pour les professionnels de l’élevage et les pouvoirs publics en stimulant les synergies entre disciplines, filières et territoires et sur des domaines précis, tels que l’économie des filières d’élevage, le travail en élevage, l’élevage et l’environnement, le bien-être animal, les bâtiments d’élevage etc...A travers son objectif de synthétiser les connaissances et de diffuser les résultats de la recherche sur les productions animales à un large public, la revue INRA Productions Animales s’efforce d’apporter régulièrementdes contributions pour éclairer le débat scientifique et sociétal sur les enjeux et les défis que doivent relever les productions animales. Ce fut le cas du dossier consacré aux « Gaz à effet de serre en élevage bovin », des numérosspéciaux sur le « Travail en élevage » ou sur « Quelles innovations pour quels systèmes d’élevage ? » pour ne citer que quelques exemples récents. C’est pourquoi nous avons souhaité réunir dans ce premier numéro de l’année2015 quatre articles complémentaires : - Le premier, issu d’un travail mené dans le RMT « Economie des filières animales », propose un état des lieux précis et une analyse détaillée des facteurs explicatifs de la spécialisation territoriale et de laconcentration des productions animales européennes. Il pose ainsi clairement un certain nombre d’enjeux relatifs aux services et aux « dys-services » rendus par les productions animales et à l’acceptabilité de cette concentration par la société ; - Le deuxième, issu d’un groupe de travail du GIS « Elevages Demain », propose une méthodologie originale pour identifier, qualifier et évaluer les multiples services économiques, environnementaux, sociaux et culturels rendus par les activités d’élevage. Cet article pose ainsi un certain nombre de questions de recherche pour progresser dans la quantification et l’évaluation de ces services ;- Le troisième, également issu d’un groupe de travail du GIS « Elevages Demain », présente le recensement et l’analyse des principales controverses qui traversent la société sur l’élevage à partir du regard croisé de différents acteurs. Cet article pose aussi de nombreuses questions de recherches sur les déterminants des attentes de la société vis-à-vis de l’élevage et sur les mécanismes permettant de résoudre ces controverses. - Le quatrième, issu du travail conduit par l’INRA dans le cadre de l’étude commanditée par le Commissariat Général à la Stratégie et à la Prospective, propose une méthodologie de conception et d’évaluation de systèmes de production multiperformants, c’est-à-dire conjuguant performances productives, économiques, environnementales et sociales. En s’appuyant sur un large répertoire de pratiques agricoles élémentaires dont l’impact a été qualifié sur les différentes catégories de performances, cette méthode se veut applicable à une large diversité d’orientations productives. Enfin, nous avons souhaité clore ce numéro avec un texte, issu d’une réflexion menée dans le GIS « Elevages Demain », sur les réseaux de référence en élevage et leur avenir. Ces dispositifs constituent de réelles infrastructures immatérielles de recherche et développement, et dans un contexte budgétaire contraint, il importe de les faire évoluer pour mieux répondre aux nouvelles attentes en lien avec la durabilité des élevages.

Description du sujet. Cet article traite d’une manière d’aborder la relation société-milieu, adaptée au caractère multi-échelle et interdisciplinaire des problématiques socio-écologiques contemporaines complexes. Objectifs. Son objectif est méthodologique : construire un cadre conceptuel, formel et générique, qui ait le potentiel de guider la phase d'observation et rende mieux compte de la relation société-milieu. Méthode. La modélisation conceptuelle utilise un standard de langage formel, des ontologies de domaines de connaissance pour définir un méta-modèle d'observation puis modéliser l'objet d'intérêt, un triplet, lui-même en relation avec son contexte, et la notion de service écosystémique (SE). Elle procède par abstraction croissante. Résultats. Le modèle RESOMI décrit le triplet-SE (une personne - un faisceau de liens en vue de services écosystémiques - un espace géographique) en précisant ses attributs internes et ses relations avec son contexte territorial, puis en abstrait des fonctions ; il distingue les concepts directement observables (1er niveau d'abstraction) de ceux des fonctions, non directement observables (2e niveau d'abstraction). De plus, avec un niveau d'abstraction encore supérieur, le modèle AIM positionne deux nouveaux concepts, attache et insertion au monde, dans une ingénierie territoriale elle-même abstraite à partir de l'organisation des fonctions. Conclusions. Le cadre conceptuel formé de deux modèles opère des ponts entre disciplines et échelles ; il offre des perspectives de modélisation mathématique et informatique. Son potentiel d’observation-description est mis en perspective dans deux expériences de terrain. Il est ensuite discuté de façon générale et pour sa capacité à intégrer plus d'éthique et de durabilité dans les problématiques socio-écologiques pour une meilleure gouvernance.

Le sol est un environnement fortement hétérogène dans lequel de nombreux processus interagissent pour fournir des services écosystémiques. L'approche de couplage de modèle propose de définir ce type de système en utilisant une architecture modulaire dans laquelle les divers processus représentés par des modèles communiquent pour reproduire les différents aspects du mécanisme d'un phénomène tel que le fonctionnement du sol. Dans ce projet de thèse, développons une telle approche dans le but de modéliser le fonctionnement du sol. Les défis d'un tel projet réside sur la résolution des problèmes de représentation des processus du sol. Ces problèmes de représentation prennent leur origine du fait qu'on réutilise des modèles venant de disciplines variés pour décrire les processus. Cet hétérogénéité de représentation peut se résumer par l'écriture des modèles, le cadre d'exécution temporelle et la résolution des données décrites par les modèles. Ces contraintes de couplage, sont traités par bon nombre d'approches dans la littérature. Tous proposent des solutions satisfaisantes à ces contraintes dans leur domaines d'application respectives. Dans nôtre approche, nous utilisons le paradigme agent pour encapsuler les divers processus du sol. Ces processus communiquerons à travers l'espace en utilisant les ressources qui y sont présent. Le comportement des processus dépendent alors de la disponibilité des ressources. Un problème de coordination peut jaillir de ce type de couplage, les processus peuvent consommer de la ressource de manière simultanée alors que cette dernière peut ne pas supporter cette demande. Pour remédier à cela nous utilisons une technique en théorie d'action appelé Influence-Reaction afin de définir des stratégies pour gérer ce type de situation. Nous nous sommes inspiré des approches présente dans la littérature afin de gérer les différentes temporalités des processus. Cette approche de couplage a été appliqué à un modèle de décomposition de la matière organique ou plusieurs processus (vers de terre, microbes et racine) se disputent de la ressource dans un sol. Les résultats suggèrent que l'utilisation de nôtre approche sied à la modélisation du fonctionnement du sol, mais donnent aussi des indications plus précises quand à la disponibilité de la ressource
Soil is a highly heterogeneous environment in which many processes interact to provide ecosystem services. Model coupling approaches propose to define such system by using a modular architecture in which various processes, represented by models, communicate to reproduce different aspects of a phenomenon such as soil functioning. In this thesis project, we develop such an approach for the purpose of modelling soil functioning. The challenges of such a scheme lie in solving representation problems of soil processes. These representation problems originate from the fact that models from various disciplines are reused to describe the processes. By representations problems, we mean model description which can be (individual or equation based), the temporal execution settings and data resolution. These coupling constraints are addressed by a number of approaches in the literature. All of them propose satisfactory solutions to these constraints in their respective application fields. In our approach, we use the agent paradigm to encapsulate the various soil processes. Then processes will communicate through the space by using resources inside it. The behaviour of the processes then depends on the availability of resources. A coordination problem can arise from this type of coupling, as processes may consume the resource simultaneously while the resource may not support this demand. To overcome that matter, we use an action-theoretic technique called Influence-Reaction to define strategies to manage this type of situation. We used algorithms suggested by the abbundant litterature to manage any processes temporality issues. This coupling approach was applied to a model of organic matter decomposition in which several processes (earthworms, microbes and roots) compete for soil ressources. The results suggest that the use of our approach is suitable for modelling soil functioning, but also gives more accurate indications of resource availability

Dans une époque dominée par de fortes transformations anthropiques, la recherche de nouvelles approches pour concilier les activités humaines et les écosystèmes naturels devienent de plus en plus importants. En ce sens, les concepts de « Services Ecosystémiques »et de « Systèmes Socio-Ecologiques » sont de plus en plus utilisés dans différentes disciplines scientifiques et sont pris en compte dans les sphères politiques pour attirer l'attention sur les bénéfices que les humains tirent des écosystèmes. Ces concepts conduisent à l'étude des liens complexes entre la société et la nature, où la dimension spatiale et les caractéristiques du paysage ont une forte influence. Cependant, peu d'études ont été appliquées dans le cadre d'une approche spatiale.Cette thèse présente une recherche sur la dimension spatiale des Services Ecosystémiques, en particulier ceux des forêts tempérées des montagnes à la périphérie du Mexico DF. Les écosystèmes jouent un rôle important dans le bien être humaine par le biais de nombreux services écosystémiques. Ces Services Ecosystémiques sont le résultat des interactions complexes entre la nature et la société.Le Valle Central (zone centrale) du Mexique en particulière est un espace prioritaire pour la conservation de la biodiversité du fait du haut degré d’endémisme des espèces de faune et de flore présente. Dans cette zone où se situent plusieurs aires naturelles protégées, une initiative publique-privée cherche à créer une nouvelle catégorie de conservation qui inclut la gestion de toutes ces aires. Cette initiative est connue sous le nom de « Bosque de Agua » (Foret d’eau). Or, au « Bosque de Agua » les enjeux spatiaux entre nature et société font l’objet de pressions anthropiques fortes qui sont dues aux activités minières et agricoles et à l’étalement urbain des grandes conurbations. Dans cet espace, ces pressions entraînent la dégradation des écosystèmes naturels. Des recherches sont nécessaires pour analyser la dimension spatiale des interactions entre la nature et la société, en étudiant la synergie entre les Systèmes-Socio-Ecologiques et Services Ecosystémiques.La thèse introduit le cadre conceptuel utilisé pour étudier les liens entre les Services Ecosystémiques et les Systèmes Socio-Ecologiques. On considère dans cette recherche que les Services Ecosystémiques se trouvent au centre du Système Socio-Ecologique « Bosque de Agua ».Dans la partie sur modélisation spatiale ont été évalué quatre services (la provision d’eau, la provision de bois, la provision de nourriture et la régulation du climat local). Les résultats de cette partie incluent une carte des Services Ecosystémiques en identifiant les zones sensibles « points chauds » (hotspots) des Services Ecosystémiques. Ces résultats rendent explicite dans l'espace, par le biais de régressions pondérées géographiquement, l'impact des caractéristiques du paysage sur les Services Ecosystémiques.Par ailleurs, la cohérence spatiale des aires naturelles protégées et la distribution spatiale des services écosystémiques ont été évaluées en termes de superficie. L'objectif est de créer une typologie des zones naturelles en fonction de la surface des points chauds des Services Ecosystémiques protégés et non protégés.Finalement, un troisième résultat porte sur la perception qu’ont les habitants locaux de la capacité intrinsèque du « Bosque de Agua » de fournir des Services Ecosystémiques. Ce capacité perçu a été évalué par le biais des photoquestionaires effectué sur le terrain
In an era dominated by strong anthropogenic transformations, the search for new approaches to reconcile human activities and natural ecosystems is becoming increasingly important. In this sense, the concepts of "Ecosystem Services" and "Socio-Ecological Systems" are increasingly used in different scientific disciplines and are taken into account in political spheres to draw attention to the benefits that humans derive from ecosystems. These concepts lead to the study of complex links between society and nature, where the spatial dimension and landscape characteristics have a strong influence. However, few studies have been applied in a spatial approach.This thesis presents a research on the spatial dimension of Ecosystem Services, in particulary those of the temperate forests of the mountains on the periphery of Mexico City. Ecosystems have an important role to the human well-being through many ecosystem services. These Ecosystem Services are the result of complex interactions between nature and society.The Central Valley (central zone) of Mexico is a priority area for biodiversity conservation due to the high degree of endemism of the fauna and flora species present. In this zone where several protected natural areas are located, a public-private initiative is seeking to create a new conservation category that includes the management of all these areas. This initiative is known as the "Bosque de Agua" (Water Forest). However, in the "Bosque de Agua" the spatial stakes between nature and society are subject to strong anthropic pressures which are due to mining and agricultural activities and to the urban spread of large conurbations. In this space, these pressures lead to the degradation of natural ecosystems. Research is needed to analyse the spatial dimension of interactions between nature and society, by studying the synergy between Socio-Ecological Systems and Ecosystem Services.The thesis introduces the conceptual framework used to study the links between Ecosystem Services and Socio-Ecological Systems. It is considered in this research that Ecosystem Services are at the centre of the "Bosque de Agua" Socio-Ecological Ecological System.In the spatial modelling section, four Ecosystem Services were evaluated (water supply, wood supply, food supply and local climate regulation).The results of this section include a map of Ecosystem Services by identifying hotspots of Ecosystem Services. These results make explicit in space, through geographically weighted regressions, the impact of landscape characteristics on Ecosystem Services.In addition, the spatial coherence of protected natural areas and the spatial distribution of Ecosystem Services were assessed in terms of area. The objective is to create a typology of natural areas according to the surface area of protected and unprotected Ecosystem Services hotspots.Finally, a third result relates to the perception of local inhabitants of the intrinsic capacity of the "Bosque de Agua" to provide Ecosystem Services. This perceived capacity was assessed through field photo questionnaires

Les écosystèmes participent au bien-être des populations au travers de multiples services d’approvisionnement, de régulation et culturels. Un territoire ne peut pas forcément offrir tous ces services écosystémiques (SE) simultanément et à tous. Des conflits d’usage peuvent apparaitre, impliquant des arbitrages entre SE et entre acteurs. Cette thèse de doctorat propose une approche interdisciplinaire pour rendre compte de ces arbitrages. Elle vise plus précisément à répondre aux questions de recherche suivantes : Comment les configurations et les dynamiques temporelles des territoires influencent-elles les arbitrages entre SE et leurs conséquences pour les acteurs ? Comment décrire et étudier les arbitrages entre SE et leurs implications ? Les dynamiques temporelles des SE et l’effet de moteurs socio-économiques sont étudiés au Costa Rica en appliquant le cadre de la transition forestière pour révéler l’existence d’arbitrages entre SE au cours du temps. Plusieurs méthodes permettant de décrire les arbitrages entre SE (corrélations et frontières de production) sont comparées, notamment afin de discuter de leur pertinence pour différents cadres de décision. L’analyse de la distribution des bénéfices fournis par les SE et de la participation à la gestion des SE met en lumière les arbitrages entre acteurs dans le bassin du Mariño au Pérou
Ecosystems contribute to human well-being by providing multiple provisioning, regulating and cultural ecosystem services (ES, i.e. benefits of nature to people). Even though appealing, landscape multifunctionality is challenging and conflicts may appear between competitive uses. In this PhD thesis, we analyzed tradeoffs between ES resulting from landscape configurations and their implications for multiple stakeholders. More precisely, we addressed the following questions: How do landscape configuration and evolution determine the tradeoffs between ecosystem services and their implications for multiple stakeholders? How to study the tradeoffs between ecosystem services and their implications? We mobilized interdisciplinary methods, relying on ecology, economics and sociology. We proposed a framework for analyzing temporal changes of ES and linking socio-economic drivers to ES demand at different scales. We applied it to the upper part of the Reventazón watershed in Costa Rica to reveal tradeoffs between ES. We compared different methods for assessing ES tradeoffs (correlations and production frontiers) and discuss their relevance for different decision context. Finally, we highlighted the tradeoffs between stakeholders by analyzing the differentiated distribution of ES benefits and participation in the governance of ES in the Mariño watershed (Peru)

Les sols agricoles contribuent à fournir de nombreux services écosystémiques (SE) aux agriculteurs et à la société. Stockage et restitution d'eau verte et bleue, fourniture de nutriments, régulation de la qualité de l'eau, séquestration du carbone, etc. Or, la majeure partie des écosystèmes agricoles est encore cultivée de manière intensive via l'utilisation d'intrants de synthèse, sans réelle considération des effets négatifs de ces pratiques sur l'environnement et sur la capacité des sols à fournir ces SE. Un des enjeux de la transition agroécologique est de parvenir à concevoir des systèmes de production plus durables, qui limitent l'utilisation des intrants de synthèse, en favorisant notamment une agriculture basée sur la biodiversité et les SE supports de la production. Cela nécessite d'approfondir nos connaissances sur les interactions spatio-temporelles qui existent entre pratiques agricoles, production agricole, SE et impacts environnementaux. Ce manuscrit présente une synthèse des travaux de recherche réalisés dans le cadre d'un partenariat INRAE - ANDRA et qui avait pour but de répondre, du moins en partie, à cet enjeu. Ils furent structurés en deux grandes phases. La première consistait en une revue systématique de la littérature sur les relations qui existent entre la production agricole, les SE et les impacts liés au fonctionnement du sol, dans les systèmes de grandes cultures en climat tempéré. Afin de pouvoir comparer et synthétiser les résultats des 40 études sélectionnées, nous avons développé une nouvelle ontologie des SE et des impacts liés au fonctionnement du sol. Cette revue a permis de mettre en évidence que les relations entre la production de biomasse et les autres SE et impacts étaient majoritairement non significatives, confirmant qu'il n'y a pas d'antagonisme systématique entre production agricole et SE de régulation. Elle a également permis d'identifier des relations qui n'ont pas été étudiées dans les études synthétisées, comme celles entre la séquestration du C et la régulation de la qualité physique du sol ou le maintien de sa biodiversité. En outre, une analyse des effets des déterminants de ces services a révélé que les trois piliers de l'agriculture de conservation et la fertilisation organique semblent être des pratiques prometteuses pour promouvoir l'expression de bouquets équilibrés de SE. La seconde phase a été basée sur la modélisation et simulation de systèmes de culture actuels et agro-écologiques au sein du territoire de l'Observatoire Pérenne de l'Environnement de l'ANDRA. Elle avait comme objectifs d'évaluer les effets de systèmes visant une plus grande autonomie en azote et une atténuation du changement climatique sur les relations temporelles qui existent entre la production agricole, 5 SE et 3 impacts environnementaux liés au fonctionnement du sol. Ces systèmes de culture ont été conçus en mobilisant trois leviers agronomiques : a) les couverts intermédiaires avec légumineuse (trèfle incarnat), b) les légumineuses à grain (pois) et c) les légumineuses fourragères (luzerne). Pour évaluer les performances de ces systèmes, nous avons mobilisé le modèle de culture STICS, qui simule le fonctionnement du système sol-plante au pas de temps journalier. Cette analyse a été réalisée sur deux périodes de 20 ans : une première simulation en climat passé récent (2000-2021), et une seconde simulation, sous projection climatique RCP 8.5 (2036-2057). Si la plupart des relations temporelles analysées ressortent non significatives, il apparait que la mise en place de couverts intermédiaires longs dans la rotation permet de fournir les plus hauts niveaux de séquestration de carbone et de fourniture en azote minéral et parmi les plus bas niveaux de lixiviation d'azote
Agricultural soils provide many ecosystem services (ES) to farmers and Society such as green and blue water provision, nutrient provision to crops, water quality regulation, carbon sequestration etc. However, most cropping systems are still intensively managed, based on chemical inputs, with little to no consideration of the possible effects of such practices on the environment and the ability of soils to provide these ES. One issue of agroecological transition is to design more sustainable production systems, with limited use of chemical inputs, that provide and benefit from biodiversity and the ES support of agricultural production. We thus need to improve our knowledge on the spatio-temporal relationships that may exist between management practices, agricultural production, ES and environmental impacts. This manuscript synthesizes the results of a three years INRAE-ANDRA collaboration that aimed at providing key information on soil-crop functioning while facing this challenge. This work was structured into two parts. We first conducted a systematic literature review of the relationships between agricultural production, the ES and the impacts linked to soil functioning, within temperate annual production systems. In order to be able to compare the results of the 40 studies selected, we developed a new ontology of soil-based ES and impacts. This review evidenced mainly non-significant relationships between Biomass production and the ES and impacts investigated suggesting that there is no systematic trade-off between agricultural production and regulating ES. We also identified key relationships that have never been investigated in the studies selected as those between C sequestration and Physical soil quality regulation or Soil biodiversity. Also, an analysis of the effects of drivers of these ES revealed that the three pillars of conservation agriculture, as well as organic fertilization, seem promising practices to provide balanced bundles of ES. We then performed simulation analyses of actual and agroecological cropping systems of the French long-term Environmental Observatory of ANDRA. The objectives were to assess the effects of more N self-sufficient cropping systems, with a climate change mitigation purpose, on the temporal relationships between agricultural production, 5 ES and 3 impacts linked to soil functioning. These cropping systems were designed by implementing three agroecological management practices: a) long cover crops with legume (crimson clover), b) grain legumes (pea) and c) fodder legumes (alfalfa). To assess the performances of these systems, we used the STICS model, that simulates the functioning of the soil-crop system at a daily time-step. Simulations were run over two 20-years time periods: a first one for recent past climate (2000-2021) and a second one for future climate projection using RCP 8.5 (2036-2057). If most of the temporal relationships analysed were non-significant, results highlighted that the use of long cover crops in the rotation provided the highest values of N provision to crops and C sequestration and the lowest values of NO3 lixiviation

Les services écosystémiques (SE) ont reçu une attention croissante de la part de la communauté scientifique et des preneurs de décisions. Des approches multi-services ont été développées qui permettent de dresser un diagnostic environnemental, social et économique de territoires à plusieurs échelles. Révélant les variations spatiales individuelles de SE, les relations entre eux et l’existence de profils multi-services caractéristiques (‘bouquets’), ces études favorisent la communication entre acteurs et la gestion concertée. Pour permettre leur utilisation par le plus grand nombre, des plateformes multi-modèles permettent de fournir des estimations avec un minimum de données et d’efforts de modélisation. Des modèles plus performants existent par ailleurs mais leur coût de mise en œuvre plus élevé limite leur utilisation. Afin de répondre à une plus large palette de moyens et d’objectifs, des approches ‘par tiers’ sont donc maintenant développées.Nous présentons ici une suite de modèles génériques de SE, établis à partir de bases de données publiques et de ressources en ligne, et appliqués au cas du bassin de vie grenoblois. Ils permettent de caractériser un large éventail de services dans un territoire aux paysages et aux enjeux contrastés, tout en apportant des informations pertinentes quant aux différents aspects de planification.Nous présentons tout d’abord une suite de modèles génériques issus de la littérature et réappliqués à notre échelle. Ces modèles spatialement explicites et établis à partir de processus automatisés permettent une estimation rapide des stocks de carbone, de la prévention de l’érosion des sols, de la richesse spécifique des Vertébrés et du contrôle biologique.En réponse aux enjeux multiples de gestion des régions de montagne, nous avons développé un modèle de SE récréatif basé sur l’utilisation de traces GPS partagées sur les forums de sport. En intégrant ces données au modèle de Spectre d’Opportunité Récréative, nous avons obtenu une représentation spatiale fine de la fréquentation et de la multifonctionnalité récréative des écosystèmes.Dans une troisième partie, nous présentons une suite de modèles de SE fournis spécifiquement par les agrosystèmes. Nous avons tout d’abord établi un modèle spatialement explicite des paysages agricoles du territoire, à partir de données de télédétection et de statistiques agricoles. En couplant cette carte avec d’autres sources de données publiques et modèles biophysiques, nous avons pu évaluer les SE de production agricole, de maintien de la fertilité du sol, et de régulation de la qualité des eaux.A la lumière de ces résultats, nous examinons les implications d’utiliser au sein d’une approche multi-services une diversité de modèles issus de philosophies et de méthodologies différentes, fournissant des résultats aux niveaux d’incertitudes variables. Le regroupement d’informations contrastées dans une analyse commune interroge sur la complémentarité de ces modèles et le transfert des incertitudes à l’analyse générale. Au-delà des aspects strictement techniques, le but ultime de ces études étant d’informer les teneurs d’enjeux, un travail de communication doit donc être réalisé afin d’assurer un transfert cohérent des informations et des conclusions aux utilisateurs.Le travail présenté ici porte trois principales perspectives de développement. La mise en place d’un module informatique autonome du modèle de SE récréatif permettra sa diffusion directe à un large public. Deuxièmement, la suite de modèles servira de support pour une analyse des relations entre SE reflétant les enjeux du territoire : production agricole/efficience environnementale/biodiversité pour les agrosystèmes, hotspots récréatifs et de biodiversité dans les milieux ruraux et montagnards. L’analyse de projections selon des scénarios de développement du territoire permettra par la suite de tester la capacité de ces modèles à retourner des résultats pertinents en termes de planification
Ecosystem services (ES) have gained increased attention from both researchers and decision-makers in recent years. Multi-service approaches have been developed and applied at various spatial scales, allowing an environmental, social and economic diagnosis of territories. Disclosing spatial patterns of ecosystem services, untangling spatial and/or causal relationships between services, and revealing the existence of characteristic ‘service profiles’ (ES bundles), such studies have helped designing land planning options and fostering communication among stakeholders. To support such efforts, comprehensive modelling platforms have been created which can provide raw estimates of multiple ES with minimum data availability and modelling efforts. On the other hand, many accurate but highly specific and hardly reproducible methods remain inapplicable to most cases. Researchers are now challenged by a double objective: to develop generic and reproducible methods which can still provide relevant information in the context of the study area. In this direction, tier-based modelling approaches have been designed in order to offer answers adaptable to a variety of situations.Here we present a suite of generic ES models for the Grenoble living basin, a major urban area located at the foot of three mountain ranges and surrounded by large agricultural lowlands. By making relevant use of a variety of large-scale databases and online resources, these models characterize a large panel of biophysical aspects in a contrasted territory and yet provide relevant information for land planning concerns.We first present a suite of generic and spatially-explicit models built from national datasets or downscaled from larger studies using fully-automated processes, which provided estimates for carbon storage, prevention of soil erosion, Vertebrate species richness and biological control.Addressing the concerns associated with management of mountain areas for multiple objectives, we developed a model of recreation ES based on the use of GPS tracks downloaded from crowd-sourced websites. Integrated within a Recreation Opportunity Spectrum framework, this process allows a spatially-accurate assessment of both visitor presence and recreational multifunctionality.We then introduce a suite of SE provided by agrosystems. Building on the results of an analysis of teledetection images and agricultural statistics, we constructed a high-resolution map reflecting spatial patterns of crop systems, serving as a common base for modelling agricultural ES: production, maintenance of soil fertility, and regulation of water quality – assessed using additional public data sources and biophysical models.In the light of these results, we examine the implications of using models originating from several fields of research, each with its own philosophy, methodology, accuracy and data requirements, in multi-service approaches. The pooling of such information in a single analysis raises several questions, such as the complementarity of these models and the transfer of uncertainties from each single model to the whole study system. Beyond these technical aspects, the ultimate goal being to inform stakeholders, a communication work must therefore be carried out to efficiently convey the right messages from the expert to the user.This work presents three main development perspectives. The release of an autonomous module of the recreation model will favor its distribution to a larger public. Second, the suite of models will provide a relevant basis for analyzing spatial relationships between SE in accordance with local stakes: combined analyses of agricultural production, environmental efficiency and animal biodiversity in agrosystems, hotspot analyses of recreation SE and biodiversity in rural and mountain areas. Third, projection analyses according to scenarios of land use change will allow testing the capacity of these models to return relevant information for land planning

Cette thèse porte sur la résolution de problèmes de décision séquentielle sous incertitude,modélisés sous forme de processus décisionnels de Markov (PDM) dont l’espace d’étatet d’action sont tous les deux de grande dimension. La résolution de ces problèmes avecun bon compromis entre qualité de l’approximation et passage à l’échelle est encore unchallenge. Les algorithmes de résolution dédiés à ce type de problèmes sont rares quandla dimension des deux espaces excède 30, et imposent certaines limites sur la nature desproblèmes représentables.Nous avons proposé un nouveau cadre, appelé PDMF3, ainsi que des algorithmesde résolution approchée associés. Un PDMF3 est un processus décisionnel de Markov àespace d’état et d’action factorisés (PDMF-AF) dont non seulement l’espace d’état etd’action sont factorisés mais aussi dont les politiques solutions sont contraintes à unecertaine forme factorisée, et peuvent être stochastiques. Les algorithmes que nous avonsproposés appartiennent à la famille des algorithmes de type itération de la politique etexploitent des techniques d’optimisation continue et des méthodes d’inférence dans lesmodèles graphiques. Ces algorithmes de type itération de la politique ont été validés sur un grand nombre d’expériences numériques. Pour de petits PDMF3, pour lesquels la politique globale optimale est disponible, ils fournissent des politiques solutions proches de la politique globale optimale. Pour des problèmes plus grands de la sous-classe des processus décisionnels de Markov sur graphe (PDMG), ils sont compétitifs avec des algorithmes de résolution de l’état de l’art en termes de qualité. Nous montrons aussi que nos algorithmes permettent de traiter des PDMF3 de très grande taille en dehors de la sous-classe des PDMG, sur des problèmes jouets inspirés de problèmes réels en agronomie ou écologie. L’espace d’état et d’action sont alors tous les deux de dimension 100, et de taille 2100. Dans ce cas, nous comparons la qualité des politiques retournées à celle de politiques expertes. Dans la seconde partie de la thèse, nous avons appliqué le cadre et les algorithmesproposés pour déterminer des stratégies de gestion des services écosystémiques dans unpaysage agricole. Les adventices, plantes sauvages des milieux agricoles, présentent desfonctions antagonistes, étant à la fois en compétition pour les ressources avec la cultureet à la base de réseaux trophiques dans les agroécosystèmes. Nous cherchons à explorerquelles organisations du paysage (ici composé de colza, blé et prairie) dans l’espace etdans le temps permettent de fournir en même temps des services de production (rendementen céréales, fourrage et miel), des services de régulation (régulation des populationsd’espèces adventices et de pollinisateurs sauvages) et des services culturels (conservationd’espèces adventices et de pollinisateurs sauvages). Pour cela, nous avons développé unmodèle de la dynamique des adventices et des pollinisateurs et de la fonction de récompense pour différents objectifs (production, maintien de la biodiversité ou compromisentre les services). L’espace d’état de ce PDMF3 est de taille 32100, et l’espace d’actionde taille 3100, ce qui en fait un problème de taille conséquente. La résolution de ce PDMF3 a conduit à identifier différentes organisations du paysage permettant d’atteindre différents bouquets de services écosystémiques, qui diffèrent dans la magnitude de chacune des trois classes de services écosystémiques
This PhD thesis focuses on the resolution of problems of sequential decision makingunder uncertainty, modelled as Markov decision processes (MDP) whose state and actionspaces are both of high dimension. Resolution of these problems with a good compromisebetween quality of approximation and scaling is still a challenge. Algorithms for solvingthis type of problems are rare when the dimension of both spaces exceed 30, and imposecertain limits on the nature of the problems that can be represented.We proposed a new framework, called F3MDP, as well as associated approximateresolution algorithms. A F3MDP is a Markov decision process with factored state andaction spaces (FA-FMDP) whose solution policies are constrained to be in a certainfactored form, and can be stochastic. The algorithms we proposed belong to the familyof approximate policy iteration algorithms and make use of continuous optimisationtechniques, and inference methods for graphical models.These policy iteration algorithms have been validated on a large number of numericalexperiments. For small F3MDPs, for which the optimal global policy is available, theyprovide policy solutions that are close to the optimal global policy. For larger problemsfrom the graph-based Markov decision processes (GMDP) subclass, they are competitivewith state-of-the-art algorithms in terms of quality. We also show that our algorithmsallow to deal with F3MDPs of very large size outside the GMDP subclass, on toy problemsinspired by real problems in agronomy or ecology. The state and action spaces arethen both of dimension 100, and of size 2100. In this case, we compare the quality of thereturned policies with the one of expert policies. In the second part of the thesis, we applied the framework and the proposed algorithms to determine ecosystem services management strategies in an agricultural landscape.Weed species, ie wild plants of agricultural environments, have antagonistic functions,being at the same time in competition with the crop for resources and keystonespecies in trophic networks of agroecosystems. We seek to explore which organizationsof the landscape (here composed of oilseed rape, wheat and pasture) in space and timeallow to provide at the same time production services (production of cereals, fodder andhoney), regulation services (regulation of weed populations and wild pollinators) andcultural services (conservation of weed species and wild pollinators). We developed amodel for weeds and pollinators dynamics and for reward functions modelling differentobjectives (production, conservation of biodiversity or trade-off between services). Thestate space of this F3MDP is of size 32100, and the action space of size 3100, which meansthis F3MDP has substantial size. By solving this F3MDP, we identified various landscapeorganizations that allow to provide different sets of ecosystem services which differ inthe magnitude of each of the three classes of ecosystem services

Cette thèse porte sur la modélisation et l’optimisation de mécanismes ayant pour but d’améliorer les services de base fournis par le réseau Internet. Ce réseau a été conçu pour assurer un service minimum de délivrance de données grâce aux protocoles TCP/IP. La thèse comporte deux parties. La première partie est consacrée à l’étude des services différenciés. En particulier, nous développons de nouveaux modèles, validés par simulation, qui permet de caractériser le comportement du protocole TCP en présence de certains éléments des services différenciés. La deuxième partie est consacrée à l’étude d’une approche différente : le multicast applicatif. Cette solution n’introduit pas des changements dans les routeurs, mais elle nécessite la conception d’algorithmes spécifiques pour optimiser les délais et les bandes passantes. Nous proposons et évaluons analytiquement et par simulation des algorithmes de construction d’arbres de recouvrement adaptée à ce type d’applications
In this thesis, we study two paradigms that aim to improve the best-effort service provided by the TCP/IP protocols of the Internet network. The thesis is organized in two parts. In the first part, we study differentiated services mechanisms. In particular, we develop models to evaluate the performance of TCP protocol in networks with multiple levels of assurance. We also use the model to investigate the problem of setting the parameters of routers with two drop probability functions. In the second part, we study overlay multicast, a new approach to improve the quality perceived by multicast applications. This approach requires the design of specific algorithms to optimize end-to-end delays and bandwidths. We propose and evaluate analytically and by simulation algorithms for overlay construction adapted to this kind of applications

Les systèmes de coûts, initialement élaborés dans le milieu industriel sont indifféremment utilisés dans le secteur des services. L'objectif de la recherche est d'étudier les répercussions des particularités du contexte des services sur la qualité des coûts modélisés à partir de ces systèmes. L'analyse s'articule autour de la variable "temps" largement employée pour allouer les charges aux objets de coûts dans les systèmes. Pour pouvoir traiter la problématique dans son ensemble, une étude de cas est menée. L'analyse débute en amont du système par une évaluation de la qualité de la variable "temps" et se poursuit en aval par une évaluation de la qualité des coûts calculés. Les résultats rappellent et précisent les particularités des services qui rendent difficile la modélisation des coûts et permettent d'élaborer des préconisations pour éviter qu'elles ne biaisent la fiabilité des coûts calculés. Ils reflètent également la difficulté à apprécier l'impact global de ces particularités sur la qualité des systèmes et invitent à formaliser des théories normatives propres à la comptabilité de gestion pour amélioration la qualité de la modélisation des coûts.

Le concept de « service écosystémique », en plein essor depuis la publication du Millenium Ecosystem Assessment en 2005, a permis de souligner l'importance des performances non-marchandes des écosystèmes. En arboriculture, assurer une bonne productivité tout en préservant les ressources naturelles et la santé humaine est aujourd’hui un défi majeur, qui peut être analysé sous l’angle des services écosystémiques. Quels sont ces services au sein d’un verger de pommiers ? Comment les analyser ? Quels sont les liens - conflits et synergies - entre services écosystémiques multiples et comment les systèmes de culture modifient-ils les profils de services multiples? Ce travail de thèse vise à répondre à ces questions avec une démarche novatrice combinant mesures expérimentales, modélisation et analyse statistique. Suite à une analyse bibliographique des services écosystémiques pouvant être délivrés dans des vergers, cinq services ont été sélectionnés. Il s’agit de la production de fruits, de la disponibilité de l’azote dans le sol, de la régulation du climat reposant sur la prévention de la dénitrification de l’azote et sur la séquestration du carbone, de la maintenance et de la régulation du cycle de l’eau y compris de sa qualité, et de la régulation des bioagresseurs. Conjointement à ces services nous avons considéré les nuisances environnementales dues aux pesticides. Pour chaque service nous avons identifié les fonctions écosystémiques sous-jacentes ainsi que les pratiques agricoles et les conditions pédoclimatiques ayant un impact sur ces fonctions. Les services et fonctions ont été décrits par un ou plusieurs indicateurs et quantifiés à l’aide de modèles dans les cas suivants : (i) neuf systèmes de culture réels sur deux dispositifs expérimentaux dans le sud-est de la France et (ii) 150 systèmes de culture fictifs conçus à partir de la combinaison de cinq leviers de pratiques et de leurs modalités, dans des conditions pédoclimatiques identiques. Les deux modèles utilisés ont été STICS, un modèle générique de simulation du fonctionnement du sol et des cultures sous l’influence des pratiques, qui a nécessité une paramétrisation et une évaluation sur pommier à partir de mesures expérimentales, et IPSIM, une plateforme de modélisation simulant les effets des pratiques et des conditions du milieu sur les dégâts aux cultures causés par les bioagresseurs. IPSIM a été paramétré sur pommier, sur la base d’une importante étude bibliographique et à dires d’experts. Les simulations des modèles ont fait l’objet d’analyses statistiques simples dans le cas des systèmes de culture réels, et d’analyses multivariées à deux tableaux (analyse en composantes principales avec variables instrumentales) pour les systèmes de culture fictifs. Pour les neufs systèmes de culture réels, 14 liens importants entre services écosystémiques ont été identifiés, notamment des conflits comme celui entre la prévention de la dénitrification ou de la lixiviation de l’azote et la disponibilité de l’azote dans le sol à court terme, et des synergies, comme celle entre l’humidité du sol ou la séquestration du carbone et la disponibilité de l’azote dans le sol à court terme. Ces liens entre services sont expliqués par les fonctions écosystémiques sous-jacentes. La comparaison de profils de services entre systèmes a mis en évidence l’impact de pratiques agricoles sur certains services. Ainsi, sur un même site, une forte densité de plantation augmente la production de fruits et la séquestration du carbone. La fertilisation exclusivement sous une forme organique diminue la production de fruits via un stress azoté mais diminue également la lixiviation. Par ailleurs, les profils de services sont fortement influencés par les caractéristiques pédoclimatiques de chaque site. Ces résultats confortent la nécessité d’une prise en compte explicite de l’interdépendance ‘pratiques x conditions du milieu’ pour analyser les services
The concept of « ecosystem service », which has been used increasingly since the publication of the Millennium Ecosystem Assessment in 2005, has highlighted the importance of ecosystem’s non-marketed performances. In orchards, ensuring high productivity while preserving natural resources and human health has become a real challenge that could be analyzed with the concept of ecosystem service. Which ecosystem services are delivered in an apple orchard? How to analyze them? What are the relationships - conflicts or synergies – among multiple ecosystem services and how do cropping systems change multiple ecosystem service profiles? This PhD work aims at answering those questions with an innovative approach combining experimental measures, modeling and statistical analysis.Based on a literature review of ecosystem services in orchards, five services were selected: fruit production, nitrogen availability in soil, climate regulation based on the prevention of nitrogen denitrification and on carbon sequestration, maintenance and regulation of water cycle, including water quality, and pest control. We also considered the environmental disturbances caused by the use of pesticides. For each service, we identified the underlying ecosystem functions as well as the agricultural practices and soil and climate conditions affecting these functions. Services and functions were described by one or multiple indicators and quantified using models in the case of (i) nine existing cropping systems on two experimental sites in southeastern France differing in terms of soil and climate conditions, and (ii) 150 virtual cropping systems designed out of the combination of five major agricultural practice levers and their modalities, in identical soil and climate conditions. The two models used were STICS, a generic soil-crop simulation model under the influence of practices which required a parameterization and an evaluation on apple orchards based on experimental measures, and IPSIM, a generic modeling framework simulating the impacts of agricultural practices and local conditions on crop injuries caused by pests. IPSIM was parameterized on apple orchards, based on an important literature review and expert opinions. Model simulations were analyzed with simple statistics in the case of the nine existing cropping systems and with two-table multivariate analyses (principal component analysis with instrumental variables) for virtual cropping systems.Concerning the existing cropping systems, 14 important relationships were identified among ecosystem services, especially conflicts, like the one between nitrogen denitrification or leaching prevention and soil nitrogen availability on the short term, and synergies such as the one between soil humidity or carbon sequestration and nitrogen availability on the short term. These relationships are explained by the underlying ecosystem functions. Comparing service profiles among cropping systems highlighted the impacts of agricultural practices on some services. That way, on a same site, a high planting density increases fruit production and carbon sequestration. An exclusively organic fertilization decreases fruit production through nitrogen stress but also nitrogen leaching in drained water. Furthermore, service profiles are strongly influenced by the soil and climate conditions of each site. These results strengthen the need to explicitly consider the ‘agricultural practices x soil and climate conditions’ interdependence in order to analyze ecosystem services. The results obtained with the virtual cropping systems simulations confirmed those of the existing ones and gave precision on the impacts of fertilization, irrigation and pest control for codling moth, rosy apple aphid and apple scab on ecosystem functions and services