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29 Research products

  • SDSN - Greece
  • 2014-2023
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  • Doctoral thesis
  • Mémoires en Sciences de l'Information et de la Communication
  • Hal-Diderot

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  • Authors: Perthame, Laurène;

    Reducing the use of herbicide and mineral fertilizers is crucial to develop sustainable cropping systems. Such changes might result in an increased weed flora as well as intensify competition for resources, particularly nitrogen, between crops and weeds. The aim of this thesis was to analyze and model (via the mechanistic crop model FLORSYS) the key processes underlying nitrogen competition, in order to determine if changes in nitrogen fertilization techniques and cultivar choice could promote biological weed regulation.At the beginning of the thesis, the FLORSYS model (which simulates the effects of cropping systems in interaction with pedoclimate on weed dynamics) only included light competition. A first step consisted in including nitrogen competition in the model. Experiments in controlled conditions were used to establish original formalisms and parameters characterizing the diversity of crop and weed traits related to nitrogen nutrition.Then, virtual experiments (simulations) with the new FLORSYS version identified nitrogen fertilization techniques and crop traits related to nitrogen nutrition that the most influenced weed impacts on production and biodiversity for a case study (maize monoculture in Aquitaine, France).Finally, for the case study, optimization algorithms were applied to nitrogen fertilization techniques and crop traits related to nitrogen nutrition to propose innovative cropping systems promoting biological weed regulation by competition and reconciling crop productivity and biodiversity.This thesis resulted in producing new knowledge on (1) how to model plant nitrogen nutrition in heterogeneous canopies and (2) the role of nitrogen in crop-weed competition. This work suggests that including nitrogen fertilization techniques and cultivar choice among levers would be helpful to promote weed biological regulation.; Limiter l’usage des herbicides et des engrais minéraux est nécessaire pour des systèmes de culture plus durables. Ces limitations peuvent entraîner le développement d’une flore adventice résiduelle et une compétition accrue entre cultures et adventices, notamment pour l’azote. L’objectif de cette thèse était d’analyser et modéliser (au sein du modèle mécaniste FLORSYS) les processus clefs sous-jacents à la compétition pour l’azote, afin de déterminer dans quelle mesure le raisonnement de la fertilisation azotée et le choix des variétés cultivées peuvent aider à favoriser la régulation biologique des adventices.Au début de cette thèse, le modèle FLORSYS (qui simule les effets des systèmes de culture en interaction avec le pédoclimat sur la dynamique des adventices) considérait que les plantes étaient en compétition pour la lumière uniquement. Une première étape de la thèse a donc visé à compléter le modèle afin d’y intégrer la compétition pour l’azote. Des expérimentations en serre ont permis d’établir des formalismes et paramètres originaux caractérisant la diversité des traits liés à la nutrition azotée des cultures et des adventices.Ensuite, des expérimentations virtuelles (simulations) avec la nouvelle version de FLORSYS ont permis d’identifier les techniques culturales liées à la fertilisation azotée et les traits variétaux liées à la nutrition azotée, qui affectaient le plus les impacts des adventices sur la production et la biodiversité, dans un cas d’étude (monoculture de maïs en Aquitaine, France).Finalement, des algorithmes d'optimisation ont été appliqués aux techniques de fertilisation azotée et aux traits liés à la nutrition azotée de la culture pour ce cas d’étude, afin de proposer des systèmes de culture innovants favorisant la régulation biologique des adventices par compétition et conciliant production agricole et biodiversité.Cette thèse a permis des avancées notables dans (1) la modélisation individu-centrée de la nutrition azotée des plantes en couvert hétérogène et (2) la compréhension du rôle de l’azote dans la compétition culture-adventice. Ces travaux suggèrent qu’il peut être utile d’intégrer la fertilisation azotée et le choix des variétés parmi les leviers à mobiliser pour favoriser la régulation des adventices.

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    Authors: Cheriere, Timothée;

    La diversification des systèmes de culture est un enjeu important pour améliorer leur durabilité. Cependant, l’introduction de cultures de diversification est confrontée à de nombreux freins. Le soja, une légumineuse produisant des graines riches en protéines, est une culture de diversification potentielle qui bénéficie d’un contexte favorable à son développement en France. Mais la maitrise de la croissance des adventices et la stabilisation des rendements sont des défis importants pour les producteurs. Afin de pallier ces problèmes, nous proposons d’utiliser l’association de cultures comme outils d’aide à la diversification des systèmes de culture. Pour tester la pertinence de cette stratégie, quatre services, la production de soja, celle de la culture associée, le contrôle des adventices et l’effet précédent lié à l’azote sont évalués sous l’influence de deux leviers de gestion de l’association : le choix de l’espèce associée et l’arrangement spatial des cultures. Une approche fonctionnelle est mobilisée pour identifier des traits associés à la croissance et aux fonctions des cultures. L’espèce associée a un impact sur l’ensemble des services considérés dans ce travail. Les services de production de soja et de contrôle des adventices se sont révélés être antagonistes mais cet antagonisme peut être modulé dans certaines associations grâce à l’arrangement spatial. L’approche fonctionnelle a permis d’identifier des traits liés à la dynamique de croissance des cultures et à la persistance des résidus après récolte. De plus nous montrons que la réponse des traits des espèces à la gestion des associations est faible. Enfin, l’association du soja modifie certains postes du bilan azoté ainsi que les quantités et qualités des résidus de culture. Cependant, aucune différence d’effet sur le blé suivant n’a été mesurée entre les associations et le soja pur. Diversification is necessary to improve cropping systems sustainability. However, diversification crop introduction into cropping systems is confronted to many barriers. Soybean, a leguminous crop producing protein rich grain, is a potential diversification crop which beneficiate from a favourable context for its development in France. Weed growth reduction et yield stabilisation are important issues for producers. In order to facilitate cropping system diversification, we suggest the use of intercropping to solve these problems. To test this strategy, four services: soybean grain production, associated crop grain production, weed control and nitrogen pre-crop effect are assessed under the influence of two management levers: associated crop species choice and spatial arrangement of crops. Functional approach was used to identify traits associated to crop growth and functions. Associated crop had an impact on all services considered in this work. A trade-off was identified between soybean production service and weed control service. Nonetheless this trade-off could be modulated in some intercrops through spatial arrangement. Functional approach helped identify effect traits related to the growth dynamics of the crops and to the persistence of crop residues. In addition we show that crop traits response to management was low. Finally, intercropping soybean mofifies some parts of nitrogen balance as well as the quantity and quality of crop residues. Nonetheless, no differences were measured on the following wheat between intercrops and sole cropped soybean

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    Doctoral thesis . 2020
    Data sources: Hal-Diderot
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      Other literature type . 2020
      Hal-Diderot
      Doctoral thesis . 2020
      Data sources: Hal-Diderot
  • Authors: Yang, Xu;

    Atmospheric Hg photoreduction could take place in both gas- and aqueous phase. Rainwater Hg(II) photoreduction rates, under fully sunlit conditions, are an order of magnitude slower than the optimized maximum in-cloud photoreduction rate of > 1.0 h-1 in global Hg models. Atmospheric aqueous Hg photoreduction is too slow to be dominant reduction pathway. Atmospheric gaseous HgBr2, HgCl2, HgBrNO2, HgBrHO2 forms, scavenged by aqueous aerosols and cloud droplets, are converted to Hg(II)-DOC forms in rainfall due to abundant organic carbon in aerosols and cloud water. Computation of gas phase photolysis rates of Hg(II) compounds can be fast, and is fast enough to rebalance the modeled atmospheric Hg cycle between Hg(0) oxidation and Hg(II) reduction.; La photoréduction atmosphérique du Hg pourrait avoir lieu à la fois en phase gazeuse et aqueuse. Les taux de photoréduction du Hg(II) que nous observons dans l'eau de pluie, en condition d'ensoleillement total, sont d'un ordre de grandeur inférieur au taux optimisé de photoréduction dans les nuages >1.0 h-1 dans les modèles globaux de mercure. La photoréduction aqueuse de mercure dans l'atmosphère est trop lente pour constituer une voie de réduction dominante. Les formes HgBr2, HgCl2, HgBrNO2, HgBrHO2 gazeuses atmosphériques, balayées par les aérosols aqueux et les gouttelettes de nuages, sont converties en formes de Hg(II)-DOC dans les précipitations en raison de l'abondance de carbone organique dans les aérosols et de l'eau de nuages. Des calculs théoriques montrent que les taux de photolyse en phase gazeuse de composés de mercure(II) peuvent être suffisamment rapide pour rééquilibrer le cycle de mercure atmosphérique modélisé.

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    Authors: Lévy, Léa;

    The electrical signature of volcanoes is affected by several characteristics of rocks: volume and salinity of pore fluid, abundance of conductive minerals, rock temperature and presence of molten crust (magma). Electromagnetic soundings are widely used to image the underground structure of volcanoes and look for high-temperature geothermal resources. However, the relative contribution of the above-mentioned elements to the measured resistivity is often an unsolved question when interpreting resistivity inversions. This thesis aims at improving the interpretation of electrical resistivity structures at active volcanoes, in order to develop innovative tools for the assessment of high-enthalpy geothermal resources. Focus is on conductive minerals, which can either be solid ionic conductors (clay minerals, in particular smectite) or electronic semi-conductors (pyrite and iron-oxides). Also investigated are the effects of porosity, salinity, temperature and melting. Iron-oxides are mostly formed during the primary crystallization of magma, while smectite and pyrite are formed upon hydrothermal alteration of volcanic rocks, thereby witnessing hydrothermal convections. Krafla volcano, Iceland, is used as a laboratory area, where extensive literature, borehole data, core samples, surface soundings and infrastructures are available. The contribution of smectite to the electrical conductivity of volcanic samples saturated with pore water at different salinity is first investigated in the laboratory (room temperature) by electrical impedance spectroscopy, also called complex resistivity. Non-linear variations of the conductivity at 1 kHz with salinity are observed and interfoliar conduction is suggested as an important mechanism by which smectite conducts electrical current. The influence of pyrite and iron-oxides on the charge-storage (capacitive) properties of the rock is then analyzed, using the frequency-dependent phase-angle of the impedance. Maximum phase-angle (MPA) higher than 20 mrad can be attributed to pyrite if the rock is conductive and to iron-oxides if the rock is resistive. Moreover, the MPA increases by about 22 mrad for each additional volumetric per cent of pyrite or iron-oxide. These laboratory frequency-domain findings are partly upscaled to interpret field time-domain complex resistivity tomography at Krafla: smectite, pyrite and iron-oxides can be identified down to about 200 m with the measurements carried out. The in-situ temperature, higher than in laboratory conditions, appears to significantly increase the conductivity associated to smectite. In general, time-domain complex resistivity measurements are recommended as a complementary method to electromagnetic soundings for geothermal exploration. Rafeiginleikar bergs, bæði eðlisviðnám og fasvik, á eldfjallasvæðum eru m.a. háðir póruhluta (holrýmd) bergs, styrk uppleystra jóna í póruvökvanum (seltu), magni rafleiðandi steinda í berginu, hita þess og hvort það er bráðið eða storkið. Rafsegulmælingar eru notaðar til þess að skoða innri gerð eldfjalla og kanna háhitasvæði með því að búa til viðnámslíkön af þeim. Túlkun þeirra er oft flókin og vandasamt er að greina á milli fyrrnefndra þátta sem hafa áhrif á eðlisviðnám og fasa. Þessari ritgerð er ætlað að auka skilning á eðlisviðnámi jarðlaga í virkum eldstöðvum í því skyni að þróa þá tækni sem notuð er til þess að meta stærð og eiginleika háhitasvæða. Ritgerðin fjallar einkum um rafleiðandi steindir, sem eru annað hvort málmleiðarar (leirsteindir, einkum smektít) eða hálfleiðarar (pýrít og járnoxíð). Einnig eru rannsökuð áhrif póruhluta, styrks jóna í póruvökva, hita og bráðnunar bergs. Járnoxíð eru að mestu frumsteindir, þ.e.a.s. þau kristallast þegar bergkvikan kólnar. Smektít og pýrít myndast hins vegar sem útfellingar eða við ummyndun og bera vitni um hringrás jarðhitavökva. Notuð eru gögn frá eldstöðvakerfi Kröflu en þar eru til miklar heimildir eins og borholugögn, borkjarnar og yfirborðsmælingar og góð aðstaða til rannsókna. Áhrif smektíts í bergi á eðlisviðnám bergsýna voru mæld við stofuhita í tilraunastofu. Pórur þeirra voru mettaðar vökva með breytilegum styrk jóna og áhrifin könnuð með litrófsmælingu á eðlisviðnámi og fasa (tvinntöluviðnám). Niðurstöður sýna ólínulegar breytingar í viðnámi við 1 kHz tíðni sem fall af seltu vökvans. Sú tilgáta er sett fram að leiðni milli atómlaga í kristöllum, interfoliar conduction, eigi mikilvægan þátt í rafleiðni smektíts. Áhrif pýríts- og járnoxíðsteinda á rafrýmd bergs var könnuð með því að skoða hvernig fasahorn tvinntöluviðnáms er háð tíðni. Ef hámark fasahornsins (MPA) er stærra en 20 mrad stafar það af tilvist pýríts ef bergið er velleiðandi en járnoxíða ef bergið er torleiðandi. Þá eykst MPA um 22 mrad við hverja prósentu-aukningu í rúmmáli pýrits- eða járnoxíðsteinda. Þessar niðurstöður úr tilraunastofumælingum á tíðniháðu tvinntöluviðnámi voru nýttar til þess að túlka yfirborðsmælingar á tvinntöluviðnámi á Kröflusvæðinu. Tvinntöluviðnámslíkan frá Kröflusvæðinu sýnir að greina má tilvist smektíts, pýríts og járnoxíðs niður á um 200 m dýpi í mælingunum sem gerðar voru. Hiti jarðlaga, sem er hærri en í tilraunastofumælingum, virðist hækka verulega leiðni bergs sem inniheldur smektít. Lagt er til að mælingar á tvinntöluviðnámi verði notaðar til viðbótar við hefðbundnar rafleiðnimælingar við jarðhitarannsóknir vegna þeirra viðbótarupplýsinga sem fást með slíkum mælingum. Paris Sciences et Lettres; IMAGE FP7 European Project (grant agreement 608553); GEMex H2020 European Project (grant agreement 727550). Final thesis

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    Opin visindi
    Doctoral thesis . 2019
    Data sources: Opin visindi
    Hal-Diderot
    Doctoral thesis . 2019
    Data sources: Hal-Diderot
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      Doctoral thesis . 2019
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      Doctoral thesis . 2019
      Data sources: Hal-Diderot
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    Authors: Mewafy, Basma;

    Les cellules d'électrolyse à oxyde solide (SOEC) sont des dispositifs électrochimiques à haute température dans lesquels l'eau se dissocie en hydrogène et en oxygène sous un potentiel appliqué. La technologie SOEC offre un potentiel énorme pour la production future massive d’hydrogène et montre une grande dynamique pour devenir compétitive sur le plan commercial par rapport à d’autres technologies d’électrolyse (par exemple, l’électrolyse à membrane polymère ou alcaline), mieux établies mais plus coûteuses et moins efficaces. Ceci est principalement dû au fait que l'augmentation de la température de fonctionnement permet de réduire considérablement la demande en énergie électrique, ce qui permet des rendements de conversion d'énergie électrique à chimique élevés. À la baisse, les dispositifs des pays de l’Europe centrale et orientale jusqu’à présent ne sont toujours pas viables commercialement, principalement en raison de la difficulté à trouver des matériaux qui répondent aux exigences de haute performance et de durabilité aux températures de fonctionnement élevées. L'objectif général de cette thèse est de traiter les deux inconvénients majeurs qui entravent la pénétration de la technologie SOEC sur le marché de l'énergie, à savoir les taux de dégradation élevés et le coût des équipements. La dégradation de la voltage au cours du vieillissement de la cellule est l’indicateur de performance qui se traduit par une augmentation du overpotential qu’il faut appliquer à une cellule d’électrolyse afin de maintenir une production constante d’hydrogène. Solid Oxide Electrolysis Cells (SOEC) are high temperature electrochemical devices where water dissociates to hydrogen and oxygen under an applied potential. SOEC technology has a huge potential for future mass production of hydrogen and shows great dynamics to become commercially competitive against other electrolysis technologies (e.g. alkaline or polymer membrane electrolysis), which are better established but more expensive and less efficient. This is mainly due to the fact that by increasing the operating temperature the demand in electrical energy is significantly reduced, allowing high electrical-to-chemical energy conversion efficiencies. On the downside, up to now SOECs devices are still not commercially viable mainly due to the difficulty to find materials that fulfill the high-performance and durability requirements at high operating temperatures. The general objective of this thesis is to deal with the two major drawbacks that hamper the penetration of SOEC technology in the energy market, namely high degradation rates and device cost. Voltage degradation during the ageing of the cell is the performance indicator which is translated in an increase on the overpotential that has to be applied to an electrolysis cell in order to maintain constant hydrogen production.

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    HAL-Inserm
    Other literature type . 2019
    Data sources: HAL-Inserm
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      HAL-Inserm
      Other literature type . 2019
      Data sources: HAL-Inserm
  • Authors: Dupin, Romain;

    Dynamic Line Rating is the modification of the maximal current capacity of an overhead electrical line, depending on weather characteristics. Such modifications allow important decreases of congestion phenomena, around 99% of the time.Similarly to renewable generation, it is possible to forecast the modified constraints, accordingly to some historic observations, weather predictions and artificial intelligence methods.In this document, the development of short-term probabilistic DLR forecast models. A focus is especially made on methods providing forecasts having a very low probability of being overestimated. This is made through the development and the comparison of several forecast methods, and some improvements such as the remodelling of very low quantile forecasts with tail density modelling.Following that, a reflection is proposed on the use of such forecasts in practice, first with some simplified test cases, then with electrical grid simulations. These approaches allow us developing new strategies for the use of the DLR forecasts, maximizing the social welfare while keeping risks associated with forecasts errors at low levels.Finally, an evaluation of the forecast models function of their economic value is made with the electrical grids models, and the value of the proposed modifications of the forecast models is then demonstrated.; Le Dynamic Line Rating est la modification dynamique des contraintes de courant sur une ligne électrique aérienne, en accord avec la météorologie. De telles modifications permettent alors d’avoir des réductions des phénomènes de congestion près de 99% du temps.De manière similaire aux énergies renouvelables, il est possible de générer des prévisions de ces contraintes modifiées, en accord avec des observations historiques, des prévisions météorologiques et des méthodes d’intelligence artificielle.Dans cette thèse, nous proposons le développement de modèles de prévision probabilistes à court terme du DLR. Nous nous concentrons plus particulièrement sur des méthodes fournissant des prévisions ayant de très faibles probabilités d’être surestimées. Cela passe par le développement et la comparaison de plusieurs méthodes de prévision, ainsi que des améliorations comme des modifications de prévisions à très bas quantile à l’aide de remodélisations des queues de distribution.Par la suite, une réflexion est faite sur l’utilisation en pratique de ces prévisions, d’abord par des cas d’étude simplifié, puis à l’aide de simulations de réseaux électrique. Ces approches nous permettent de développer de nouvelles stratégies d’utilisation des prévisions DLR, optimisant le bien-être social tout en maintenant les risques associés aux erreurs de prévision à un niveau faible.Finalement, nous évaluons les modèles de prévisions développés en fonction de leurs performances économiques à l’aide des modèles de réseaux électriques, et nous démontrons la valeur des améliorations des modèles de prévision que nous proposons.

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  • Authors: Campagne, C.S.;

    [Departement_IRSTEA]Territoires [ADD1_IRSTEA]Dynamique et fonctionnement des écosystèmes [Encadrant_IRSTEA]Roche, P.; Ecosystem services (ES) are the benefits that humans derive from ecosystems. Among the different approaches developed to assess ES, the capacity matrix is flexible and quick to implement. The matrix is a look-up table that assigns each ecosystem type a score expressing its ES capacity. It is increasingly used in France, Europe and internationally. However, for a filling-in process based on experts' judgements, recommendations are needed on collecting and integrating the experts' knowledge to improve control of some of the method's biases and limitations. The first part describes a methodological analysis of the potential and limits of the expert- based matrix. We studied the number of participants required to complete the matrix, analysed variability and determined a confidence index. We compared three approaches to estimate the score means and standard errors: usual statistics, bootstrapping, and Bayesian models. We proposed a seven-step methodology for the expert-based matrix approach to promote cogency in the method and coherence in the matrices produced. Finally, we compared the scores of seven services in the expert matrix with eight spatial quantitative biophysical indicators at the scale of the Hauts-de-France Region. We show that using expert knowledge through the matrix approach yields results very close to those from quantitative proxies, indicators or biophysical models for the evaluation of ES at the regional level. In the second part, we assess the capacity of all the habitats of the Hauts-de-France Region to produce ES. We tested, in partnership with DREAL and the Ecosphere design office, the integration of ES into environmental assessments based on the matrix results. Findings show the usefulness of integrating ES into the existing components of environmental assessments in France. We addressed the assessment of the sustainability of ES use in the Scarpe-Escaut Regional Natural Park (RNP). We assessed the biophysical sustainability of ecosystem uses through the balance of capacity and use of services and their relation to ecological integrity indicators. We thus developed a capacity matrix and a usage matrix and validation of the results in a feedback workshop and an online survey. On the Scarpe-Escaut RNP, we found a majority of positive situations, indicating sustainability. We also highlight sensitive and potentially unsustainable ecosystem types and ES to integrate them into public policies. The third part addresses the need for a more integrative assessment of ES and a fuller account of the relation between humans and nature. Here we focused on the assessment of ecosystem disservices and on the concept of ecological integrity as a complement to ES. We show that the use of capacity matrices is also relevant for the assessment of disservices. Although we initiate a conceptual and bibliographical reflection on ecological integrity, we cannot yet assess ecological integrity based on appropriate indicators. However, we highlight the importance of clearly defining the desired form of ecological integrity to use appropriate indicators. This work clarifies the methodology of the matrix approach, proposes innovative methodological developments and moves towards an integrative approach of ES to respond to territorial issues with scientific robustness.; Les services écosystémiques (SE) sont définis comme les bénéfices que les humains retirent des écosystèmes. Parmi les différentes approches d'évaluation des SE, la matrice de capacité est une méthode considérée comme flexible et rapide à mettre en oeuvre. Constituée d'une table d'allocation d'un score pour chaque SE et chaque écosystème considéré, elle est de plus en plus utilisée en France, ainsi qu'à l'international. Dans le cadre de cette thèse nous avons travaillés sur l'évaluation des scores à dire d'experts dans le but, notamment, de déterminer certains biais et limites méthodologiques, mais également d'explorer des développements innovants pour différentes applications. La première partie de la thèse porte sur l'analyse méthodologique des potentialités et des limites des matrices de capacité à dire d'experts. Nous avons étudié la variabilité, les indices de confiance, ainsi que le nombre de participants nécessaires pour remplir la matrice. De plus, nous avons comparé plusieurs calculs du score final de la matrice en utilisant des statistiques classiques, bootstrappées et des estimations bayésiennes. Nous avons ensuite développé une méthodologie en sept points pour produire des matrices basées sur les connaissances d'experts et clarifier les différentes façons de remplir la matrice. Enfin, nous avons comparé les scores de sept services de la matrice à dire d'experts à huit indicateurs biophysiques quantitatifs à l'échelle de la Région Hauts-de-France. Les résultats montrent que l'utilisation des connaissances des experts par le biais de l'approche des matrices permet de disposer de résultats proches des proxys quantitatifs ou des modèles biophysiques pour l'évaluation des SE au niveau régional. En deuxième partie, en partenariat avec la DREAL nous avons réalisé une évaluation de la capacité de l'ensemble des habitats de la Région Hauts-de-France à produire des SE. Puis, en partenariat avec la DREAL et le bureau d'étude Écosphère, nous avons testé l'intégration des SE dans les évaluations environnementales à partir des résultats de la matrice. Nous avons également testé l'évaluation de la durabilité de l'usage en SE sur le Parc Naturel Régional (PNR) Scarpe-Escaut à travers la balance entre la capacité et l'usage des services ainsi que leur relation avec des indicateurs de l'intégrité écologique. Dans ce but, nous avons élaboré une matrice des capacités et une des usages, une validation des résultats de la balance lors d'un atelier de restitution et une enquête en ligne. Sur le PNR Scarpe-Escaut, le bilan montre une majorité de situations positives, indiquant un usage durable. Nous avons aussi mis en avant les types d'écosystèmes et les SE sensibles et susceptibles d'être non durables pour les intégrer aux politiques publiques. La troisième partie est basée sur une volonté d'aller vers une méthode plus intégrative au niveau territorial pour prendre en compte plusieurs dimensions de la relation Homme-Nature. Pour cela, nous nous sommes intéressés à l'évaluation des disservices écosystémiques et de l'intégrité écologique en complément des SE eux-mêmes. Bien que nous ayons initié des travaux et notamment une réflexion conceptuelle et bibliographique sur la notion d'intégrité écologique, nous n'avons pas pu aller jusqu'à l'évaluation de l'intégrité écologique sur la base d'indicateurs ad-hoc. Nos résultats mettent notamment en avant l'importance de définir clairement la forme d'intégrité écologique souhaitée pour utiliser des indicateurs appropriés. En conclusion, les travaux réalisés pendant la thèse ont permis de clarifier la méthodologie des matrices à dire d'experts, de proposer des développements méthodologiques innovants et de tendre vers une approche intégrative des services pour répondre aux problématiques territoriales avec une robustesse scientifique.

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  • Authors: Campagne, C.S.;

    [Departement_IRSTEA]Territoires [ADD1_IRSTEA]Dynamique et fonctionnement des écosystèmes [Encadrant_IRSTEA]Roche, P.; Ecosystem services (ES) are the benefits that humans derive from ecosystems. Among the different approaches developed to assess ES, the capacity matrix is flexible and quick to implement. The matrix is a look-up table that assigns each ecosystem type a score expressing its ES capacity. It is increasingly used in France, Europe and internationally. However, for a filling-in process based on experts' judgements, recommendations are needed on collecting and integrating the experts' knowledge to improve control of some of the method's biases and limitations. The first part describes a methodological analysis of the potential and limits of the expert- based matrix. We studied the number of participants required to complete the matrix, analysed variability and determined a confidence index. We compared three approaches to estimate the score means and standard errors: usual statistics, bootstrapping, and Bayesian models. We proposed a seven-step methodology for the expert-based matrix approach to promote cogency in the method and coherence in the matrices produced. Finally, we compared the scores of seven services in the expert matrix with eight spatial quantitative biophysical indicators at the scale of the Hauts-de-France Region. We show that using expert knowledge through the matrix approach yields results very close to those from quantitative proxies, indicators or biophysical models for the evaluation of ES at the regional level. In the second part, we assess the capacity of all the habitats of the Hauts-de-France Region to produce ES. We tested, in partnership with DREAL and the Ecosphere design office, the integration of ES into environmental assessments based on the matrix results. Findings show the usefulness of integrating ES into the existing components of environmental assessments in France. We addressed the assessment of the sustainability of ES use in the Scarpe-Escaut Regional Natural Park (RNP). We assessed the biophysical sustainability of ecosystem uses through the balance of capacity and use of services and their relation to ecological integrity indicators. We thus developed a capacity matrix and a usage matrix and validation of the results in a feedback workshop and an online survey. On the Scarpe-Escaut RNP, we found a majority of positive situations, indicating sustainability. We also highlight sensitive and potentially unsustainable ecosystem types and ES to integrate them into public policies. The third part addresses the need for a more integrative assessment of ES and a fuller account of the relation between humans and nature. Here we focused on the assessment of ecosystem disservices and on the concept of ecological integrity as a complement to ES. We show that the use of capacity matrices is also relevant for the assessment of disservices. Although we initiate a conceptual and bibliographical reflection on ecological integrity, we cannot yet assess ecological integrity based on appropriate indicators. However, we highlight the importance of clearly defining the desired form of ecological integrity to use appropriate indicators. This work clarifies the methodology of the matrix approach, proposes innovative methodological developments and moves towards an integrative approach of ES to respond to territorial issues with scientific robustness.; Les services écosystémiques (SE) sont définis comme les bénéfices que les humains retirent des écosystèmes. Parmi les différentes approches d'évaluation des SE, la matrice de capacité est une méthode considérée comme flexible et rapide à mettre en oeuvre. Constituée d'une table d'allocation d'un score pour chaque SE et chaque écosystème considéré, elle est de plus en plus utilisée en France, ainsi qu'à l'international. Dans le cadre de cette thèse nous avons travaillés sur l'évaluation des scores à dire d'experts dans le but, notamment, de déterminer certains biais et limites méthodologiques, mais également d'explorer des développements innovants pour différentes applications. La première partie de la thèse porte sur l'analyse méthodologique des potentialités et des limites des matrices de capacité à dire d'experts. Nous avons étudié la variabilité, les indices de confiance, ainsi que le nombre de participants nécessaires pour remplir la matrice. De plus, nous avons comparé plusieurs calculs du score final de la matrice en utilisant des statistiques classiques, bootstrappées et des estimations bayésiennes. Nous avons ensuite développé une méthodologie en sept points pour produire des matrices basées sur les connaissances d'experts et clarifier les différentes façons de remplir la matrice. Enfin, nous avons comparé les scores de sept services de la matrice à dire d'experts à huit indicateurs biophysiques quantitatifs à l'échelle de la Région Hauts-de-France. Les résultats montrent que l'utilisation des connaissances des experts par le biais de l'approche des matrices permet de disposer de résultats proches des proxys quantitatifs ou des modèles biophysiques pour l'évaluation des SE au niveau régional. En deuxième partie, en partenariat avec la DREAL nous avons réalisé une évaluation de la capacité de l'ensemble des habitats de la Région Hauts-de-France à produire des SE. Puis, en partenariat avec la DREAL et le bureau d'étude Écosphère, nous avons testé l'intégration des SE dans les évaluations environnementales à partir des résultats de la matrice. Nous avons également testé l'évaluation de la durabilité de l'usage en SE sur le Parc Naturel Régional (PNR) Scarpe-Escaut à travers la balance entre la capacité et l'usage des services ainsi que leur relation avec des indicateurs de l'intégrité écologique. Dans ce but, nous avons élaboré une matrice des capacités et une des usages, une validation des résultats de la balance lors d'un atelier de restitution et une enquête en ligne. Sur le PNR Scarpe-Escaut, le bilan montre une majorité de situations positives, indiquant un usage durable. Nous avons aussi mis en avant les types d'écosystèmes et les SE sensibles et susceptibles d'être non durables pour les intégrer aux politiques publiques. La troisième partie est basée sur une volonté d'aller vers une méthode plus intégrative au niveau territorial pour prendre en compte plusieurs dimensions de la relation Homme-Nature. Pour cela, nous nous sommes intéressés à l'évaluation des disservices écosystémiques et de l'intégrité écologique en complément des SE eux-mêmes. Bien que nous ayons initié des travaux et notamment une réflexion conceptuelle et bibliographique sur la notion d'intégrité écologique, nous n'avons pas pu aller jusqu'à l'évaluation de l'intégrité écologique sur la base d'indicateurs ad-hoc. Nos résultats mettent notamment en avant l'importance de définir clairement la forme d'intégrité écologique souhaitée pour utiliser des indicateurs appropriés. En conclusion, les travaux réalisés pendant la thèse ont permis de clarifier la méthodologie des matrices à dire d'experts, de proposer des développements méthodologiques innovants et de tendre vers une approche intégrative des services pour répondre aux problématiques territoriales avec une robustesse scientifique.

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    Authors: van den Beld, Inge;

    Les habitats de coraux d’eau froide formés par des scléractiniaires coloniaux, des gorgones, des antipathaires et des pennatules sont des hotspots de biodiversité et de biomasse. Ils fournissent des fonctions importantes, comme des refuges et des zones d’alimentation, pour d’autres organismes. Mais, ils sont également vulnérables aux activités humaines, parce qu’ils sont fragiles, croissent lentement et atteignent des records de longévité. Dans les canyons sous-marins, le relief tourmenté, l’hydrodynamisme et l’hétérogénéité des substrats offrent des conditions environnementales propices au développement des habitats coralliens. Dans le Golfe de Gascogne, les coraux d’eau froide sont connus depuis la fin du 19e siècle, mais leur distribution, leur densité et leur rôle fonctionnel avaient été très peu étudiés.Pour augmenter cette connaissance, 24 canyons sous-marins et 3 sites sur l’interfluve/haut de pente contiguë aux canyons adjacents ont été visités par un ROV et une caméra tractée pendant 46 plongées au cours de 7 campagnes océanographiques. Les habitats coralliens définis par le système de classification CoralFISH ont été cartographiés à partir des images prises par les engins sous-marins puis la faune associée, les types de substrat et les déchets ont été annotés.Onze habitats coralliens et 62 morphotypes de coraux ont été observés dans les canyons sous-marins du Golfe de Gascogne hébergeant 191 morphotypes de faune associée, dont 160 morphotypes uniques. Les patrons de distribution à l’échelle locale et à l’échelle régionale pourraient être liés aux régimes hydrodynamiques et sédimentaires. Le type de substrat était important pour les assemblages de coraux et leurs faunes associées, distinguant les habitats biogéniques, sur substrat dur et sur substrat meuble. Les assemblages de coraux étaient similaires entre habitats biogéniques et habitats sur substrat dur, mais la faune associées était plus abondante et diversifiée sur les habitats biogéniques. La diversité-alpha, -beta et –gamma étaient étonnement élevée sur les habitats coralliens sur substrat meuble, égalant ou dépassant la diversité des habitats biogéniques.Les déchets marins étaient abondants et principalement composés de plastiques et de matériels de pêche. Ces déchets pourraient impacter les habitats coralliens : ils ont été trouvés à des profondeurs similaires et les déchets étaient piégés par des reliefs créés par des structures biologiques et géologiques. L’ocurrence des récifs de coraux préférentiellement sur les pentes plus abruptes des canyons sous-marins tandis que les débris de coraux sont plus fréquents sur des aires plus plates de l’interfluve ou du haut de pente, pourraient indiquer un impact de la pêche.Cette étude a contribué à l’initiative en cours de création d’un réseau Natura 2000 qui protégera à terme l’habitat « récif » dont les habitats coralliens biogéniques et sur substrat dur, mais pas les habitats coralliens sur substrat meuble. Pour ces derniers, un complément d’étude et d’autres stratégies de préservation seront nécessaires. Cold-water coral (CWC) habitats formed by colonial scleractinians, gorgonians, antipatharians and sea pens are biodiversity and biomass hotspots that provide important functions, such as shelter and feeding grounds, to other organisms. But, they are also vulnerable to human activities, because they are long-lived, grow slowly and have a low resistance. Submarine canyons may offer the environmental conditions needed for CWC habitat development, due to their steep topography, complex hydrodynamics and substrate heterogeneity. In the Bay of Biscay, which margin is incised by hundreds of canyons, CWCs are known to exist since the late 19th century, but their distribution, density and functional role remained largely unknown, which impaired their preservation.To increase this knowledge, 24 canyons and three locations between adjacent canyons were visited with an ROV and a towed camera system during 46 dives on 7 cruises. Images were analysed for CWC habitats using the CoralFISH classification system. Within these habitats, corals, associated fauna were identified and substrate cover measured. Litter was identified in 15 out of 24 canyons.Eleven coral habitats constructed by 62 coral morphotypes were observed in the canyons of the Bay of Biscay hosting 191 associated megafaunal morphotypes, including 160 unique morphotypes. The distribution patterns at regional and local scales could be linked to hydrodynamics and sedimentary regimes. Substrate type was an important driver for coral and associated faunal assemblages, distinguishing biogenic, hard substrate and soft substrate habitats. Coral assemblages were similar between biogenic and hard substrate habitats, but the associated fauna was more abundant and diverse on biogenic habitats. The alpha, beta and gamma diversity was surprisingly high on soft substrate habitats, equalling or exceeding that of biogenic habitats.Marine litter was abundant and was mainly composed of plastic items and fishing gear. Litter could co-occur with CWCs and impact them: litter and most CWC habitats were observed at similar water depths and litter was more abundant in areas with a seafloor relief created by biological or geological features. Observations of coral reefs on steeper areas in the canyons and coral debris on flatter areas on the interfluve/upper slope may indicate a potential impact of the fishing industry. This study supports the ongoing effort to create a Natura 2000 network that will protect biogenic and hard substrate habitats, but also points out the need to develop a framework for the preservation of coral habitats on soft substrate.

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    Hal-Diderot
    Doctoral thesis . 2017
    Data sources: Hal-Diderot
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      Doctoral thesis . 2017
      Data sources: Hal-Diderot
  • Authors: Kane, Idrissa oumar;

    This PhD sets and explores the possibilities of « dialogue of knowledge » between scientists and local communities about resilience strategies implementations for climate coastal risks adaptation. This dialogue focuses on questions of paradigmatics representations, values and materials issues. This dialogue of knowledge, advocated by scientific community and claimed by wide audience, is increasingly needed due to complex societal problems related to climate change and different world visions. The technocentered rationality has always been an approche which dominate in the responses to the challenge of adaptation. However, in the name of integrated gouvernance, this approach is more and more contested by local communities due to their strong engagement in proposing socially co-constructed alternatives. In the first paper « Communicating risk through a DSS: a coastal risk centered empirical analysis » our research focus on the conflict of representation between scientists and local stackeholders about the probabilistic nature of coastal risk and the impacts mitigation options. Thus, a dialogic communication, based on taking into account heuristic values of local actors, is necessary. In the second paper « L'utilisation du concept polysémique de résilience: une analyse empirique en milieu côtier » our research focus on the choice of meaning of resilience concept through public policy of coastal risk management. This concept, considering its history and evolution through its various disciplinary practices, has raised, in addition to problem of polysemy due to its high use, a lack of consensus on the suitable definition. In the third paper «Vulnérabilité et résilience, entre conceptions déterministes et non déterministes : les sciences du risque côtier à la croisée des chemins », it is to questionne the choice of models and approaches used by reseachers to analyse and intervene on the coastal system. Building on the two first papers, this pape ris an unique proposition of paradigmatic tilt in the conceptual and operational processing of socio-ecosystems gouvernance. This way of presentation (thesis structured by papers) is done in accordance with required principles and technics of redaction approved by academic world (here, the University of Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines). The three papers are closely linked in their respective thematic. This explain the coherence of the conducted research and the obtained results. In the methodology, the research is built/base on an empirical approach starting from an theorical approach related to the concepts studied. The method of datas collection is semi-structured interviews, focus group, with a thematic questionnaire. The method of datas processing is done by coding these latter in ATLAS.ti. The method of datas analysis is done by iterative grounded theorisation. The targeted audience is the scientific involved in the THESEUS project and the coastal communities lived in three experimental coastal settings of the project (Gironde in France, Santander in Spain and Cesenatico in Italia). In the conclusion, it is first admitted that paradigmatic tensions can compromise the efficacity of decision support system process and the need of consensus between heuristics on the coastal risk ; second, the same paradigmatic conflicts have some consequences in the operational deployment of resilience concept and it requires a dialogue about the signification of this concept in an epistemologically robust way. Finally, it is primordial to found a neat articulation between the choice of meaning, the operational deployment and the paradigmatic representations underlying the displayed concepts.; Cette thèse pose et explore ici les possibilités de « dialogue des connaissances » entre scientifiques et communautés locales concernant la mise en place des stratégies de résilience en vue de l'adaptation aux risques côtiers attribués aux changements climatiques. Ce dialogue porte sur la question des représentations paradigmatiques, des valeurs et des enjeux matériels. Ce dialogue des connaissances, prôné au sein de la communauté scientifique et réclamé par le public large, s'impose de plus en plus vu la complexité des questions de sociétés liées au climat et aux visions du monde différentes. La rationalité technocentrée a toujours dominé dans les réponses aux défis liés à l'adaptation. Cependant, au nom de la gouvernance intégrée, cette approche est de plus en plus battue en brèche par les communautés locales du fait de leur fort engagement dans la proposition d’alternatives socialement co-construites. Dans le premier article « Communicating risk through a DSS: a coastal risk centered empirical analysis », nos recherches portent sur le conflit de représentations opposant scientifiques et acteurs locaux à propos de la nature probabiliste du risque côtier et des options de mitigation des impacts. Ainsi, une communication dialogique, basée sur la prise en compte des heuristiques de valeurs des acteurs locaux, est nécessaire. Dans le deuxième article « L'utilisation du concept polysémique de résilience: une analyse empirique en milieu côtier », nos recherches portent sur le choix de sens à propos du mot résilience à travers les politiques publiques de gestion du risque côtier. Ce concept, eu égard à son histoire et son évolution à travers ses différents usages disciplinaires, a posé, outre le problème de polysémie liée à sa forte utilisation, un manque de consensus sur le sens adéquat. Dans le troisième article «Vulnérabilité et résilience, entre conceptions déterministes et non déterministes : les sciences du risque côtier à la croisée des chemins », il s’agit de questionner les choix de modèles et d’approches utilisés par les chercheurs pour analyser et intervenir sur les systèmes côtiers. Construisant sur les résultats des premiers articles, cet article constitue une proposition unique de basculement paradigmatique dans le traitement conceptuel et opérationnel de la gouvernance des socio-écosystèmes complexes. La forme de présentation adoptée (thèse par articles) est faite dans le respect des principes et techniques rédactionnels requis, approuvée dans le monde académique (ici l'université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines). Les trois articles sont étroitement liés par leurs thématiques respectives. Ceci explique la cohérence de la recherche menée et des résultats obtenus. Dans la méthodologie, la recherche s'appuie sur une démarche empirique en partant d’une démarche théorique ayant trait aux concepts étudiés. La méthode de collecte de données est les entretiens semi-directifs, focus groupe, muni de questionnaires thématiques. La méthode de traitement des corpus empiriques s’est effectuée par le codage dans ATLAS.ti. La méthode d’analyse des corpus est faite par l’approche théorisation ancrée itérative. Le public cible est les scientifiques du projet THESEUS et les communautés côtières de trois sites d'expérimentation du projet (Gironde en France, Santander en Espagne et Cesenatico en Italie). Dans la conclusion, d'abord il a été admis que les tensions paradigmatiques compromettent l'efficacité des systèmes d'aide à la décision et la nécessité d’un consensus entre heuristiques sur le risque côtier ; ensuite, les mêmes conflits de paradigmes ont des conséquences dans le redéploiement opérationnel du concept de résilience et qu'un dialogue sur le sens du concept puisse être établi de façon épistémologiquement robuste ; enfin, il est primordial que soit établi une articulation fine entre choix de sens, déploiement opérationnel et représentations paradigmatiques sous-jacentes aux concepts déployés.

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  • Authors: Perthame, Laurène;

    Reducing the use of herbicide and mineral fertilizers is crucial to develop sustainable cropping systems. Such changes might result in an increased weed flora as well as intensify competition for resources, particularly nitrogen, between crops and weeds. The aim of this thesis was to analyze and model (via the mechanistic crop model FLORSYS) the key processes underlying nitrogen competition, in order to determine if changes in nitrogen fertilization techniques and cultivar choice could promote biological weed regulation.At the beginning of the thesis, the FLORSYS model (which simulates the effects of cropping systems in interaction with pedoclimate on weed dynamics) only included light competition. A first step consisted in including nitrogen competition in the model. Experiments in controlled conditions were used to establish original formalisms and parameters characterizing the diversity of crop and weed traits related to nitrogen nutrition.Then, virtual experiments (simulations) with the new FLORSYS version identified nitrogen fertilization techniques and crop traits related to nitrogen nutrition that the most influenced weed impacts on production and biodiversity for a case study (maize monoculture in Aquitaine, France).Finally, for the case study, optimization algorithms were applied to nitrogen fertilization techniques and crop traits related to nitrogen nutrition to propose innovative cropping systems promoting biological weed regulation by competition and reconciling crop productivity and biodiversity.This thesis resulted in producing new knowledge on (1) how to model plant nitrogen nutrition in heterogeneous canopies and (2) the role of nitrogen in crop-weed competition. This work suggests that including nitrogen fertilization techniques and cultivar choice among levers would be helpful to promote weed biological regulation.; Limiter l’usage des herbicides et des engrais minéraux est nécessaire pour des systèmes de culture plus durables. Ces limitations peuvent entraîner le développement d’une flore adventice résiduelle et une compétition accrue entre cultures et adventices, notamment pour l’azote. L’objectif de cette thèse était d’analyser et modéliser (au sein du modèle mécaniste FLORSYS) les processus clefs sous-jacents à la compétition pour l’azote, afin de déterminer dans quelle mesure le raisonnement de la fertilisation azotée et le choix des variétés cultivées peuvent aider à favoriser la régulation biologique des adventices.Au début de cette thèse, le modèle FLORSYS (qui simule les effets des systèmes de culture en interaction avec le pédoclimat sur la dynamique des adventices) considérait que les plantes étaient en compétition pour la lumière uniquement. Une première étape de la thèse a donc visé à compléter le modèle afin d’y intégrer la compétition pour l’azote. Des expérimentations en serre ont permis d’établir des formalismes et paramètres originaux caractérisant la diversité des traits liés à la nutrition azotée des cultures et des adventices.Ensuite, des expérimentations virtuelles (simulations) avec la nouvelle version de FLORSYS ont permis d’identifier les techniques culturales liées à la fertilisation azotée et les traits variétaux liées à la nutrition azotée, qui affectaient le plus les impacts des adventices sur la production et la biodiversité, dans un cas d’étude (monoculture de maïs en Aquitaine, France).Finalement, des algorithmes d'optimisation ont été appliqués aux techniques de fertilisation azotée et aux traits liés à la nutrition azotée de la culture pour ce cas d’étude, afin de proposer des systèmes de culture innovants favorisant la régulation biologique des adventices par compétition et conciliant production agricole et biodiversité.Cette thèse a permis des avancées notables dans (1) la modélisation individu-centrée de la nutrition azotée des plantes en couvert hétérogène et (2) la compréhension du rôle de l’azote dans la compétition culture-adventice. Ces travaux suggèrent qu’il peut être utile d’intégrer la fertilisation azotée et le choix des variétés parmi les leviers à mobiliser pour favoriser la régulation des adventices.

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    Authors: Cheriere, Timothée;

    La diversification des systèmes de culture est un enjeu important pour améliorer leur durabilité. Cependant, l’introduction de cultures de diversification est confrontée à de nombreux freins. Le soja, une légumineuse produisant des graines riches en protéines, est une culture de diversification potentielle qui bénéficie d’un contexte favorable à son développement en France. Mais la maitrise de la croissance des adventices et la stabilisation des rendements sont des défis importants pour les producteurs. Afin de pallier ces problèmes, nous proposons d’utiliser l’association de cultures comme outils d’aide à la diversification des systèmes de culture. Pour tester la pertinence de cette stratégie, quatre services, la production de soja, celle de la culture associée, le contrôle des adventices et l’effet précédent lié à l’azote sont évalués sous l’influence de deux leviers de gestion de l’association : le choix de l’espèce associée et l’arrangement spatial des cultures. Une approche fonctionnelle est mobilisée pour identifier des traits associés à la croissance et aux fonctions des cultures. L’espèce associée a un impact sur l’ensemble des services considérés dans ce travail. Les services de production de soja et de contrôle des adventices se sont révélés être antagonistes mais cet antagonisme peut être modulé dans certaines associations grâce à l’arrangement spatial. L’approche fonctionnelle a permis d’identifier des traits liés à la dynamique de croissance des cultures et à la persistance des résidus après récolte. De plus nous montrons que la réponse des traits des espèces à la gestion des associations est faible. Enfin, l’association du soja modifie certains postes du bilan azoté ainsi que les quantités et qualités des résidus de culture. Cependant, aucune différence d’effet sur le blé suivant n’a été mesurée entre les associations et le soja pur. Diversification is necessary to improve cropping systems sustainability. However, diversification crop introduction into cropping systems is confronted to many barriers. Soybean, a leguminous crop producing protein rich grain, is a potential diversification crop which beneficiate from a favourable context for its development in France. Weed growth reduction et yield stabilisation are important issues for producers. In order to facilitate cropping system diversification, we suggest the use of intercropping to solve these problems. To test this strategy, four services: soybean grain production, associated crop grain production, weed control and nitrogen pre-crop effect are assessed under the influence of two management levers: associated crop species choice and spatial arrangement of crops. Functional approach was used to identify traits associated to crop growth and functions. Associated crop had an impact on all services considered in this work. A trade-off was identified between soybean production service and weed control service. Nonetheless this trade-off could be modulated in some intercrops through spatial arrangement. Functional approach helped identify effect traits related to the growth dynamics of the crops and to the persistence of crop residues. In addition we show that crop traits response to management was low. Finally, intercropping soybean mofifies some parts of nitrogen balance as well as the quantity and quality of crop residues. Nonetheless, no differences were measured on the following wheat between intercrops and sole cropped soybean

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    Other literature type . 2020
    Hal-Diderot
    Doctoral thesis . 2020
    Data sources: Hal-Diderot
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      Hyper Article en Ligne
      Other literature type . 2020
      Hal-Diderot
      Doctoral thesis . 2020
      Data sources: Hal-Diderot
  • Authors: Yang, Xu;

    Atmospheric Hg photoreduction could take place in both gas- and aqueous phase. Rainwater Hg(II) photoreduction rates, under fully sunlit conditions, are an order of magnitude slower than the optimized maximum in-cloud photoreduction rate of > 1.0 h-1 in global Hg models. Atmospheric aqueous Hg photoreduction is too slow to be dominant reduction pathway. Atmospheric gaseous HgBr2, HgCl2, HgBrNO2, HgBrHO2 forms, scavenged by aqueous aerosols and cloud droplets, are converted to Hg(II)-DOC forms in rainfall due to abundant organic carbon in aerosols and cloud water. Computation of gas phase photolysis rates of Hg(II) compounds can be fast, and is fast enough to rebalance the modeled atmospheric Hg cycle between Hg(0) oxidation and Hg(II) reduction.; La photoréduction atmosphérique du Hg pourrait avoir lieu à la fois en phase gazeuse et aqueuse. Les taux de photoréduction du Hg(II) que nous observons dans l'eau de pluie, en condition d'ensoleillement total, sont d'un ordre de grandeur inférieur au taux optimisé de photoréduction dans les nuages >1.0 h-1 dans les modèles globaux de mercure. La photoréduction aqueuse de mercure dans l'atmosphère est trop lente pour constituer une voie de réduction dominante. Les formes HgBr2, HgCl2, HgBrNO2, HgBrHO2 gazeuses atmosphériques, balayées par les aérosols aqueux et les gouttelettes de nuages, sont converties en formes de Hg(II)-DOC dans les précipitations en raison de l'abondance de carbone organique dans les aérosols et de l'eau de nuages. Des calculs théoriques montrent que les taux de photolyse en phase gazeuse de composés de mercure(II) peuvent être suffisamment rapide pour rééquilibrer le cycle de mercure atmosphérique modélisé.

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    Authors: Lévy, Léa;

    The electrical signature of volcanoes is affected by several characteristics of rocks: volume and salinity of pore fluid, abundance of conductive minerals, rock temperature and presence of molten crust (magma). Electromagnetic soundings are widely used to image the underground structure of volcanoes and look for high-temperature geothermal resources. However, the relative contribution of the above-mentioned elements to the measured resistivity is often an unsolved question when interpreting resistivity inversions. This thesis aims at improving the interpretation of electrical resistivity structures at active volcanoes, in order to develop innovative tools for the assessment of high-enthalpy geothermal resources. Focus is on conductive minerals, which can either be solid ionic conductors (clay minerals, in particular smectite) or electronic semi-conductors (pyrite and iron-oxides). Also investigated are the effects of porosity, salinity, temperature and melting. Iron-oxides are mostly formed during the primary crystallization of magma, while smectite and pyrite are formed upon hydrothermal alteration of volcanic rocks, thereby witnessing hydrothermal convections. Krafla volcano, Iceland, is used as a laboratory area, where extensive literature, borehole data, core samples, surface soundings and infrastructures are available. The contribution of smectite to the electrical conductivity of volcanic samples saturated with pore water at different salinity is first investigated in the laboratory (room temperature) by electrical impedance spectroscopy, also called complex resistivity. Non-linear variations of the conductivity at 1 kHz with salinity are observed and interfoliar conduction is suggested as an important mechanism by which smectite conducts electrical current. The influence of pyrite and iron-oxides on the charge-storage (capacitive) properties of the rock is then analyzed, using the frequency-dependent phase-angle of the impedance. Maximum phase-angle (MPA) higher than 20 mrad can be attributed to pyrite if the rock is conductive and to iron-oxides if the rock is resistive. Moreover, the MPA increases by about 22 mrad for each additional volumetric per cent of pyrite or iron-oxide. These laboratory frequency-domain findings are partly upscaled to interpret field time-domain complex resistivity tomography at Krafla: smectite, pyrite and iron-oxides can be identified down to about 200 m with the measurements carried out. The in-situ temperature, higher than in laboratory conditions, appears to significantly increase the conductivity associated to smectite. In general, time-domain complex resistivity measurements are recommended as a complementary method to electromagnetic soundings for geothermal exploration. Rafeiginleikar bergs, bæði eðlisviðnám og fasvik, á eldfjallasvæðum eru m.a. háðir póruhluta (holrýmd) bergs, styrk uppleystra jóna í póruvökvanum (seltu), magni rafleiðandi steinda í berginu, hita þess og hvort það er bráðið eða storkið. Rafsegulmælingar eru notaðar til þess að skoða innri gerð eldfjalla og kanna háhitasvæði með því að búa til viðnámslíkön af þeim. Túlkun þeirra er oft flókin og vandasamt er að greina á milli fyrrnefndra þátta sem hafa áhrif á eðlisviðnám og fasa. Þessari ritgerð er ætlað að auka skilning á eðlisviðnámi jarðlaga í virkum eldstöðvum í því skyni að þróa þá tækni sem notuð er til þess að meta stærð og eiginleika háhitasvæða. Ritgerðin fjallar einkum um rafleiðandi steindir, sem eru annað hvort málmleiðarar (leirsteindir, einkum smektít) eða hálfleiðarar (pýrít og járnoxíð). Einnig eru rannsökuð áhrif póruhluta, styrks jóna í póruvökva, hita og bráðnunar bergs. Járnoxíð eru að mestu frumsteindir, þ.e.a.s. þau kristallast þegar bergkvikan kólnar. Smektít og pýrít myndast hins vegar sem útfellingar eða við ummyndun og bera vitni um hringrás jarðhitavökva. Notuð eru gögn frá eldstöðvakerfi Kröflu en þar eru til miklar heimildir eins og borholugögn, borkjarnar og yfirborðsmælingar og góð aðstaða til rannsókna. Áhrif smektíts í bergi á eðlisviðnám bergsýna voru mæld við stofuhita í tilraunastofu. Pórur þeirra voru mettaðar vökva með breytilegum styrk jóna og áhrifin könnuð með litrófsmælingu á eðlisviðnámi og fasa (tvinntöluviðnám). Niðurstöður sýna ólínulegar breytingar í viðnámi við 1 kHz tíðni sem fall af seltu vökvans. Sú tilgáta er sett fram að leiðni milli atómlaga í kristöllum, interfoliar conduction, eigi mikilvægan þátt í rafleiðni smektíts. Áhrif pýríts- og járnoxíðsteinda á rafrýmd bergs var könnuð með því að skoða hvernig fasahorn tvinntöluviðnáms er háð tíðni. Ef hámark fasahornsins (MPA) er stærra en 20 mrad stafar það af tilvist pýríts ef bergið er velleiðandi en járnoxíða ef bergið er torleiðandi. Þá eykst MPA um 22 mrad við hverja prósentu-aukningu í rúmmáli pýrits- eða járnoxíðsteinda. Þessar niðurstöður úr tilraunastofumælingum á tíðniháðu tvinntöluviðnámi voru nýttar til þess að túlka yfirborðsmælingar á tvinntöluviðnámi á Kröflusvæðinu. Tvinntöluviðnámslíkan frá Kröflusvæðinu sýnir að greina má tilvist smektíts, pýríts og járnoxíðs niður á um 200 m dýpi í mælingunum sem gerðar voru. Hiti jarðlaga, sem er hærri en í tilraunastofumælingum, virðist hækka verulega leiðni bergs sem inniheldur smektít. Lagt er til að mælingar á tvinntöluviðnámi verði notaðar til viðbótar við hefðbundnar rafleiðnimælingar við jarðhitarannsóknir vegna þeirra viðbótarupplýsinga sem fást með slíkum mælingum. Paris Sciences et Lettres; IMAGE FP7 European Project (grant agreement 608553); GEMex H2020 European Project (grant agreement 727550). Final thesis

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    Opin visindi
    Doctoral thesis . 2019
    Data sources: Opin visindi
    Hal-Diderot
    Doctoral thesis . 2019
    Data sources: Hal-Diderot
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      Opin visindi
      Doctoral thesis . 2019
      Data sources: Opin visindi
      Hal-Diderot
      Doctoral thesis . 2019
      Data sources: Hal-Diderot
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    Authors: Mewafy, Basma;

    Les cellules d'électrolyse à oxyde solide (SOEC) sont des dispositifs électrochimiques à haute température dans lesquels l'eau se dissocie en hydrogène et en oxygène sous un potentiel appliqué. La technologie SOEC offre un potentiel énorme pour la production future massive d’hydrogène et montre une grande dynamique pour devenir compétitive sur le plan commercial par rapport à d’autres technologies d’électrolyse (par exemple, l’électrolyse à membrane polymère ou alcaline), mieux établies mais plus coûteuses et moins efficaces. Ceci est principalement dû au fait que l'augmentation de la température de fonctionnement permet de réduire considérablement la demande en énergie électrique, ce qui permet des rendements de conversion d'énergie électrique à chimique élevés. À la baisse, les dispositifs des pays de l’Europe centrale et orientale jusqu’à présent ne sont toujours pas viables commercialement, principalement en raison de la difficulté à trouver des matériaux qui répondent aux exigences de haute performance et de durabilité aux températures de fonctionnement élevées. L'objectif général de cette thèse est de traiter les deux inconvénients majeurs qui entravent la pénétration de la technologie SOEC sur le marché de l'énergie, à savoir les taux de dégradation élevés et le coût des équipements. La dégradation de la voltage au cours du vieillissement de la cellule est l’indicateur de performance qui se traduit par une augmentation du overpotential qu’il faut appliquer à une cellule d’électrolyse afin de maintenir une production constante d’hydrogène. Solid Oxide Electrolysis Cells (SOEC) are high temperature electrochemical devices where water dissociates to hydrogen and oxygen under an applied potential. SOEC technology has a huge potential for future mass production of hydrogen and shows great dynamics to become commercially competitive against other electrolysis technologies (e.g. alkaline or polymer membrane electrolysis), which are better established but more expensive and less efficient. This is mainly due to the fact that by increasing the operating temperature the demand in electrical energy is significantly reduced, allowing high electrical-to-chemical energy conversion efficiencies. On the downside, up to now SOECs devices are still not commercially viable mainly due to the difficulty to find materials that fulfill the high-performance and durability requirements at high operating temperatures. The general objective of this thesis is to deal with the two major drawbacks that hamper the penetration of SOEC technology in the energy market, namely high degradation rates and device cost. Voltage degradation during the ageing of the cell is the performance indicator which is translated in an increase on the overpotential that has to be applied to an electrolysis cell in order to maintain constant hydrogen production.

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    HAL-Inserm
    Other literature type . 2019
    Data sources: HAL-Inserm
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      HAL-Inserm
      Other literature type . 2019
      Data sources: HAL-Inserm
  • Authors: Dupin, Romain;

    Dynamic Line Rating is the modification of the maximal current capacity of an overhead electrical line, depending on weather characteristics. Such modifications allow important decreases of congestion phenomena, around 99% of the time.Similarly to renewable generation, it is possible to forecast the modified constraints, accordingly to some historic observations, weather predictions and artificial intelligence methods.In this document, the development of short-term probabilistic DLR forecast models. A focus is especially made on methods providing forecasts having a very low probability of being overestimated. This is made through the development and the comparison of several forecast methods, and some improvements such as the remodelling of very low quantile forecasts with tail density modelling.Following that, a reflection is proposed on the use of such forecasts in practice, first with some simplified test cases, then with electrical grid simulations. These approaches allow us developing new strategies for the use of the DLR forecasts, maximizing the social welfare while keeping risks associated with forecasts errors at low levels.Finally, an evaluation of the forecast models function of their economic value is made with the electrical grids models, and the value of the proposed modifications of the forecast models is then demonstrated.; Le Dynamic Line Rating est la modification dynamique des contraintes de courant sur une ligne électrique aérienne, en accord avec la météorologie. De telles modifications permettent alors d’avoir des réductions des phénomènes de congestion près de 99% du temps.De manière similaire aux énergies renouvelables, il est possible de générer des prévisions de ces contraintes modifiées, en accord avec des observations historiques, des prévisions météorologiques et des méthodes d’intelligence artificielle.Dans cette thèse, nous proposons le développement de modèles de prévision probabilistes à court terme du DLR. Nous nous concentrons plus particulièrement sur des méthodes fournissant des prévisions ayant de très faibles probabilités d’être surestimées. Cela passe par le développement et la comparaison de plusieurs méthodes de prévision, ainsi que des améliorations comme des modifications de prévisions à très bas quantile à l’aide de remodélisations des queues de distribution.Par la suite, une réflexion est faite sur l’utilisation en pratique de ces prévisions, d’abord par des cas d’étude simplifié, puis à l’aide de simulations de réseaux électrique. Ces approches nous permettent de développer de nouvelles stratégies d’utilisation des prévisions DLR, optimisant le bien-être social tout en maintenant les risques associés aux erreurs de prévision à un niveau faible.Finalement, nous évaluons les modèles de prévisions développés en fonction de leurs performances économiques à l’aide des modèles de réseaux électriques, et nous démontrons la valeur des améliorations des modèles de prévision que nous proposons.

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  • Authors: Campagne, C.S.;

    [Departement_IRSTEA]Territoires [ADD1_IRSTEA]Dynamique et fonctionnement des écosystèmes [Encadrant_IRSTEA]Roche, P.; Ecosystem services (ES) are the benefits that humans derive from ecosystems. Among the different approaches developed to assess ES, the capacity matrix is flexible and quick to implement. The matrix is a look-up table that assigns each ecosystem type a score expressing its ES capacity. It is increasingly used in France, Europe and internationally. However, for a filling-in process based on experts' judgements, recommendations are needed on collecting and integrating the experts' knowledge to improve control of some of the method's biases and limitations. The first part describes a methodological analysis of the potential and limits of the expert- based matrix. We studied the number of participants required to complete the matrix, analysed variability and determined a confidence index. We compared three approaches to estimate the score means and standard errors: usual statistics, bootstrapping, and Bayesian models. We proposed a seven-step methodology for the expert-based matrix approach to promote cogency in the method and coherence in the matrices produced. Finally, we compared the scores of seven services in the expert matrix with eight spatial quantitative biophysical indicators at the scale of the Hauts-de-France Region. We show that using expert knowledge through the matrix approach yields results very close to those from quantitative proxies, indicators or biophysical models for the evaluation of ES at the regional level. In the second part, we assess the capacity of all the habitats of the Hauts-de-France Region to produce ES. We tested, in partnership with DREAL and the Ecosphere design office, the integration of ES into environmental assessments based on the matrix results. Findings show the usefulness of integrating ES into the existing components of environmental assessments in France. We addressed the assessment of the sustainability of ES use in the Scarpe-Escaut Regional Natural Park (RNP). We assessed the biophysical sustainability of ecosystem uses through the balance of capacity and use of services and their relation to ecological integrity indicators. We thus developed a capacity matrix and a usage matrix and validation of the results in a feedback workshop and an online survey. On the Scarpe-Escaut RNP, we found a majority of positive situations, indicating sustainability. We also highlight sensitive and potentially unsustainable ecosystem types and ES to integrate them into public policies. The third part addresses the need for a more integrative assessment of ES and a fuller account of the relation between humans and nature. Here we focused on the assessment of ecosystem disservices and on the concept of ecological integrity as a complement to ES. We show that the use of capacity matrices is also relevant for the assessment of disservices. Although we initiate a conceptual and bibliographical reflection on ecological integrity, we cannot yet assess ecological integrity based on appropriate indicators. However, we highlight the importance of clearly defining the desired form of ecological integrity to use appropriate indicators. This work clarifies the methodology of the matrix approach, proposes innovative methodological developments and moves towards an integrative approach of ES to respond to territorial issues with scientific robustness.; Les services écosystémiques (SE) sont définis comme les bénéfices que les humains retirent des écosystèmes. Parmi les différentes approches d'évaluation des SE, la matrice de capacité est une méthode considérée comme flexible et rapide à mettre en oeuvre. Constituée d'une table d'allocation d'un score pour chaque SE et chaque écosystème considéré, elle est de plus en plus utilisée en France, ainsi qu'à l'international. Dans le cadre de cette thèse nous avons travaillés sur l'évaluation des scores à dire d'experts dans le but, notamment, de déterminer certains biais et limites méthodologiques, mais également d'explorer des développements innovants pour différentes applications. La première partie de la thèse porte sur l'analyse méthodologique des potentialités et des limites des matrices de capacité à dire d'experts. Nous avons étudié la variabilité, les indices de confiance, ainsi que le nombre de participants nécessaires pour remplir la matrice. De plus, nous avons comparé plusieurs calculs du score final de la matrice en utilisant des statistiques classiques, bootstrappées et des estimations bayésiennes. Nous avons ensuite développé une méthodologie en sept points pour produire des matrices basées sur les connaissances d'experts et clarifier les différentes façons de remplir la matrice. Enfin, nous avons comparé les scores de sept services de la matrice à dire d'experts à huit indicateurs biophysiques quantitatifs à l'échelle de la Région Hauts-de-France. Les résultats montrent que l'utilisation des connaissances des experts par le biais de l'approche des matrices permet de disposer de résultats proches des proxys quantitatifs ou des modèles biophysiques pour l'évaluation des SE au niveau régional. En deuxième partie, en partenariat avec la DREAL nous avons réalisé une évaluation de la capacité de l'ensemble des habitats de la Région Hauts-de-France à produire des SE. Puis, en partenariat avec la DREAL et le bureau d'étude Écosphère, nous avons testé l'intégration des SE dans les évaluations environnementales à partir des résultats de la matrice. Nous avons également testé l'évaluation de la durabilité de l'usage en SE sur le Parc Naturel Régional (PNR) Scarpe-Escaut à travers la balance entre la capacité et l'usage des services ainsi que leur relation avec des indicateurs de l'intégrité écologique. Dans ce but, nous avons élaboré une matrice des capacités et une des usages, une validation des résultats de la balance lors d'un atelier de restitution et une enquête en ligne. Sur le PNR Scarpe-Escaut, le bilan montre une majorité de situations positives, indiquant un usage durable. Nous avons aussi mis en avant les types d'écosystèmes et les SE sensibles et susceptibles d'être non durables pour les intégrer aux politiques publiques. La troisième partie est basée sur une volonté d'aller vers une méthode plus intégrative au niveau territorial pour prendre en compte plusieurs dimensions de la relation Homme-Nature. Pour cela, nous nous sommes intéressés à l'évaluation des disservices écosystémiques et de l'intégrité écologique en complément des SE eux-mêmes. Bien que nous ayons initié des travaux et notamment une réflexion conceptuelle et bibliographique sur la notion d'intégrité écologique, nous n'avons pas pu aller jusqu'à l'évaluation de l'intégrité écologique sur la base d'indicateurs ad-hoc. Nos résultats mettent notamment en avant l'importance de définir clairement la forme d'intégrité écologique souhaitée pour utiliser des indicateurs appropriés. En conclusion, les travaux réalisés pendant la thèse ont permis de clarifier la méthodologie des matrices à dire d'experts, de proposer des développements méthodologiques innovants et de tendre vers une approche intégrative des services pour répondre aux problématiques territoriales avec une robustesse scientifique.

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  • Authors: Campagne, C.S.;

    [Departement_IRSTEA]Territoires [ADD1_IRSTEA]Dynamique et fonctionnement des écosystèmes [Encadrant_IRSTEA]Roche, P.; Ecosystem services (ES) are the benefits that humans derive from ecosystems. Among the different approaches developed to assess ES, the capacity matrix is flexible and quick to implement. The matrix is a look-up table that assigns each ecosystem type a score expressing its ES capacity. It is increasingly used in France, Europe and internationally. However, for a filling-in process based on experts' judgements, recommendations are needed on collecting and integrating the experts' knowledge to improve control of some of the method's biases and limitations. The first part describes a methodological analysis of the potential and limits of the expert- based matrix. We studied the number of participants required to complete the matrix, analysed variability and determined a confidence index. We compared three approaches to estimate the score means and standard errors: usual statistics, bootstrapping, and Bayesian models. We proposed a seven-step methodology for the expert-based matrix approach to promote cogency in the method and coherence in the matrices produced. Finally, we compared the scores of seven services in the expert matrix with eight spatial quantitative biophysical indicators at the scale of the Hauts-de-France Region. We show that using expert knowledge through the matrix approach yields results very close to those from quantitative proxies, indicators or biophysical models for the evaluation of ES at the regional level. In the second part, we assess the capacity of all the habitats of the Hauts-de-France Region to produce ES. We tested, in partnership with DREAL and the Ecosphere design office, the integration of ES into environmental assessments based on the matrix results. Findings show the usefulness of integrating ES into the existing components of environmental assessments in France. We addressed the assessment of the sustainability of ES use in the Scarpe-Escaut Regional Natural Park (RNP). We assessed the biophysical sustainability of ecosystem uses through the balance of capacity and use of services and their relation to ecological integrity indicators. We thus developed a capacity matrix and a usage matrix and validation of the results in a feedback workshop and an online survey. On the Scarpe-Escaut RNP, we found a majority of positive situations, indicating sustainability. We also highlight sensitive and potentially unsustainable ecosystem types and ES to integrate them into public policies. The third part addresses the need for a more integrative assessment of ES and a fuller account of the relation between humans and nature. Here we focused on the assessment of ecosystem disservices and on the concept of ecological integrity as a complement to ES. We show that the use of capacity matrices is also relevant for the assessment of disservices. Although we initiate a conceptual and bibliographical reflection on ecological integrity, we cannot yet assess ecological integrity based on appropriate indicators. However, we highlight the importance of clearly defining the desired form of ecological integrity to use appropriate indicators. This work clarifies the methodology of the matrix approach, proposes innovative methodological developments and moves towards an integrative approach of ES to respond to territorial issues with scientific robustness.; Les services écosystémiques (SE) sont définis comme les bénéfices que les humains retirent des écosystèmes. Parmi les différentes approches d'évaluation des SE, la matrice de capacité est une méthode considérée comme flexible et rapide à mettre en oeuvre. Constituée d'une table d'allocation d'un score pour chaque SE et chaque écosystème considéré, elle est de plus en plus utilisée en France, ainsi qu'à l'international. Dans le cadre de cette thèse nous avons travaillés sur l'évaluation des scores à dire d'experts dans le but, notamment, de déterminer certains biais et limites méthodologiques, mais également d'explorer des développements innovants pour différentes applications. La première partie de la thèse porte sur l'analyse méthodologique des potentialités et des limites des matrices de capacité à dire d'experts. Nous avons étudié la variabilité, les indices de confiance, ainsi que le nombre de participants nécessaires pour remplir la matrice. De plus, nous avons comparé plusieurs calculs du score final de la matrice en utilisant des statistiques classiques, bootstrappées et des estimations bayésiennes. Nous avons ensuite développé une méthodologie en sept points pour produire des matrices basées sur les connaissances d'experts et clarifier les différentes façons de remplir la matrice. Enfin, nous avons comparé les scores de sept services de la matrice à dire d'experts à huit indicateurs biophysiques quantitatifs à l'échelle de la Région Hauts-de-France. Les résultats montrent que l'utilisation des connaissances des experts par le biais de l'approche des matrices permet de disposer de résultats proches des proxys quantitatifs ou des modèles biophysiques pour l'évaluation des SE au niveau régional. En deuxième partie, en partenariat avec la DREAL nous avons réalisé une évaluation de la capacité de l'ensemble des habitats de la Région Hauts-de-France à produire des SE. Puis, en partenariat avec la DREAL et le bureau d'étude Écosphère, nous avons testé l'intégration des SE dans les évaluations environnementales à partir des résultats de la matrice. Nous avons également testé l'évaluation de la durabilité de l'usage en SE sur le Parc Naturel Régional (PNR) Scarpe-Escaut à travers la balance entre la capacité et l'usage des services ainsi que leur relation avec des indicateurs de l'intégrité écologique. Dans ce but, nous avons élaboré une matrice des capacités et une des usages, une validation des résultats de la balance lors d'un atelier de restitution et une enquête en ligne. Sur le PNR Scarpe-Escaut, le bilan montre une majorité de situations positives, indiquant un usage durable. Nous avons aussi mis en avant les types d'écosystèmes et les SE sensibles et susceptibles d'être non durables pour les intégrer aux politiques publiques. La troisième partie est basée sur une volonté d'aller vers une méthode plus intégrative au niveau territorial pour prendre en compte plusieurs dimensions de la relation Homme-Nature. Pour cela, nous nous sommes intéressés à l'évaluation des disservices écosystémiques et de l'intégrité écologique en complément des SE eux-mêmes. Bien que nous ayons initié des travaux et notamment une réflexion conceptuelle et bibliographique sur la notion d'intégrité écologique, nous n'avons pas pu aller jusqu'à l'évaluation de l'intégrité écologique sur la base d'indicateurs ad-hoc. Nos résultats mettent notamment en avant l'importance de définir clairement la forme d'intégrité écologique souhaitée pour utiliser des indicateurs appropriés. En conclusion, les travaux réalisés pendant la thèse ont permis de clarifier la méthodologie des matrices à dire d'experts, de proposer des développements méthodologiques innovants et de tendre vers une approche intégrative des services pour répondre aux problématiques territoriales avec une robustesse scientifique.

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