Les écosystèmes terrestres jouent un rôle essentiel dans le cycle global du carbone en absorbant plus du quart des émissions de CO₂ d'origine anthropique. Cette séquestration de carbone dans les écosystèmes terrestres est principalement due à l'effet fertilisant lié à l'augmentation du CO₂ atmosphérique. Cependant, les nutriments, en particulier l'azote, jouent également un rôle clé car leur disponibilité peut limiter ou amplifier l'augmentation de la productivité terrestre résultant de l'effet de fertilisation du CO₂, contrôlant ainsi directement le stockage net de carbone.

La thèse vise à quantifier le rôle de l'azote sur la productivité terrestre globale sur la période industrielle et pour des scénarios futurs. Il est basé sur l'utilisation et le développement d'un modèle global d'écosystème terrestre, nommé ORCHIDEE, qui inclut une représentation du cycle de l'azote et des interactions carbone-azote.

Sur la base d'un ensemble de simulations factorielles sur la période industrielle (variant alternativement le CO₂ atmosphérique, les dépôts d'azote et/ou le climat), j'ai estimé que l'augmentation anthropique des dépôts d'azote atmosphérique sur les terres était responsable de ~20% du puits de carbone terrestre actuel, le reste étant principalement dû à l'augmentation du CO₂ atmosphérique. L'impact de l'augmentation des dépôts d'azote est très variable dans l'espace, avec un effet important à proximité des régions industrialisées ou des activités agricoles intenses (avec des pratiques de fertilisation).

Dans la deuxième partie de la thèse, je me concentre sur l'évolution projetée du carbone stocké dans les écosystèmes terrestres (ECST) au cours du 21e siècle sous l'évolution combinée du climat, de la concentration en CO₂, du changement d'affectation des terres et de la production d'azote réactif, selon différents scénarios socio-économiques (issus du dernier projet d'intercomparaison des projections climatiques, CMIP6). J'ai estimé que la dispersion de l’ECST associée à l'incertitude sur les trajectoires de changement d'affectation des terres est aussi grande que celle associée au CO₂ atmosphérique, tandis que l'incertitude associée aux dépôts de N est responsable d'une dispersion de l’ECST inférieure d'un facteur trois.

Dans la troisième partie de ma thèse, j'ai implémenté un modèle dynamique de la fixation biologique de l'azote (BNF) dans ORCHIDEE (en remplacement du taux de fixation initial constant au cours du temps) et ai quantifié l'impact de ce nouveau schéma de modélisation sur les flux de carbone simulés. (sur la période historique et pour le futur). Alors que le modèle par défaut et le nouveau modèle de BNF induisent des flux de carbone similaires au cours de la dernière période industrielle, des changements significatifs sont projetés au cours du 21e siècle, avec une augmentation de la réserve de carbone terrestre de 70 % avec le nouveau modèle de BNF pour certains scénarios socio-économiques.

Dans l'ensemble, la thèse fournit une analyse intégrée des interactions entre les cycles du carbone et de l'azote dans les écosystèmes terrestres en réponse aux changements globaux, en utilisant un modèle de surface terrestre basé sur des processus. Les résultats de cette thèse contribueront au développement de projections plus précises et fiables du potentiel de séquestration du carbone terrestre pour le climat futur et pourraient servir à la prise de décision concernant des mesures d'atténuation et d'adaptation au changement climatique.