Evolution de la productivité globale des écosystèmes terrestres sous contrainte liée à la disponibilité en azote : analyse sur la période historique récente et projections futures

Terrestrial ecosystems currently absorb more than a quarter of CO₂ emissions of anthropogenic origin, thanks to the fertilization effect associated with the increase in atmospheric CO₂. Most of the terrestrial system models used in recent IPCC work estimate that terrestrial ecosystems will continue to behave like a carbon sink of greater or lesser magnitude in the 21st century, depending on the future trajectories of atmospheric CO₂ and climate. Whatever the evolution of atmospheric CO₂ concentration, it remains critical to determining whether enough nutrients (particularly nitrogen) will be available to fully support the increase in primary production resulting from the fertilization effect of elevated CO₂. Most global models of terrestrial ecosystems do not account for the nitrogen cycle and the interactions between the nitrogen and carbon cycles. The latest version of the ORCHIDEE model developed in France incorporates these new features.Using this model, the objective of the thesis will be to analyze the evolution of terrestrial productivity over the recent historical period and to quantify the future development of the productivity of terrestrial ecosystems under the combined effect of these global changes: climate, CO₂ concentration, and reactive nitrogen production evolution, according to different socio-economic scenarios. Including the coupled nitrogen and carbon cycle in ORCHIDEE also requires a better approximation to one key Nitrogen input resulting from Biological Nitrogen Fixation that is currently determined by evapotranspiration. This has been recently invalidated by a meta analysis study. The second objective of this thesis consists then of implementing a process-based dynamic model for reproducing BNF in ORCHIDEE to improve the estimation of the carbon fluxes.Les écosystèmes terrestres absorbent actuellement plus d'un quart des émissions de CO₂ d'origine anthropique, grâce à l'effet de fertilisation associé à l'augmentation du CO₂ atmosphérique. La plupart des modèles de systèmes terrestres utilisés dans les récents travaux du GIEC estiment que les écosystèmes terrestres continueront à se comporter comme un puits de carbone de plus ou moins grande ampleur au XXIe siècle, en fonction des trajectoires futures du CO₂ atmosphérique et du climat. Quelle que soit l'évolution de la concentration de CO₂ atmosphérique, il reste essentiel de déterminer si suffisamment de nutriments (en particulier l'azote) seront disponibles pour soutenir pleinement l'augmentation de la production primaire résultant de l'effet de fertilisation d'un CO₂ élevé. La plupart des modèles globaux des écosystèmes terrestres ne tiennent pas compte du cycle de l'azote et des interactions entre les cycles de l'azote et du carbone. La dernière version du modèle ORCHIDEE développé en France intègre ces nouvelles fonctionnalités. En utilisant ce modèle, l'objectif de la thèse sera d'analyser l'évolution de la productivité terrestre sur la période historique récente et de quantifier l'évolution future de la productivité des écosystèmes terrestres sous l'effet combiné de ces changements globaux : climat, concentration en CO₂, et évolution de la production d'azote réactif, selon différents scénarios socio-économiques. L'inclusion du cycle couplé de l'azote et du carbone dans ORCHIDEE nécessite également une meilleure approximation d'un apport clé d'azote résultant de la fixation biologique de l'azote qui est actuellement déterminé par l'évapotranspiration. Ceci a été récemment invalidé par une étude de méta-analyse. Le second objectif de cette thèse consiste donc à implémenter un modèle dynamique basé sur les processus pour reproduire la BNF dans ORCHIDEE afin d'améliorer l'estimation des flux de carbone