Caractérisation de la dynamique des stocks d'eau dans les sols forestiers par combinaison d'approches hydrogéophysiques en laboratoire et sur le terrain // Characterization of total available water dynamics in forest soils using a combination of hydrogeop

Contexte :
La survie des arbres dépend de leur capacité à utiliser l'eau présente dans les sols. Les sols forestiers présentant une forte hétérogénéité, il est très difficile de quantifier la variabilité spatiale et temporelle des stocks d'eau accessibles par les arbres. Dans ce contexte, la combinaison de mesures de teneur en eau ponctuelles avec des observations géophysiques distribuées et non invasives peut contribuer à mieux caractériser la dynamique des stocks d'eau à l'échelle de la parcelle forestière. Les méthodes d'imagerie hydrogéophysique peuvent ainsi contribuera à mieux comprendre les réponses du continuum sol-plante en période de stress hydrique et à anticiper la réponse des écosystèmes forestiers à la hausse des températures et au changement du régime de précipitation caractéristiques du changement climatique en cours.

Objectif général :
Cette thèse comporte trois objectifs : 1) Parvenir à combiner efficacement différentes méthodes géophysiques de terrain afin d'imager la dynamique de teneur en eau saisonnière ainsi que la structure des sols forestiers à l'échelle métrique, 2) Développer une méthodologie permettant d'établir des relations pétrophysiques teneur en eau - résistivité électrique sur des échantillons de sol non déstructurés et évaluer l'incertitude associée, 3) Evaluer l'impact de la disponibilité en eau sur l'état physiologique des arbres à court terme (e.g. réponse à une sécheresse) et à long terme (e.g. croissance).
Elle tentera d'apporter une réponse à la question suivante : Comment le climat, le type de sol et le type de couvert végétal impactent-ils l'état hydrique du continuum sol-plante en contexte forestier ?

Méthodologie :
Des campagnes de tomographie de résistivité électrique (ERT) et de cartographie de conductivité électrique par induction électromagnétique (EMI) seront répétées en période sèche et humide en un même point afin d'isoler les variations de conductivité électrique associées aux variations de teneur en eau.
La dynamique de teneur en eau des sols sera reconstruite à partir des mesures ERT et EMI en utilisant des relations pétrophysiques établies in situ et en laboratoire. Des mesures seront réalisées à la fois sur des carottes de sol non déstructurées et des échantillons de sol déstructuré afin de quantifier l'incertitude associées aux relations pétrophysiques.
Les mesures ERT permettront également de caractériser la structure des sols.
Des mesures gravimétriques effectuées avec un gravimètre de terrain à différentes profondeurs permettront de caractériser la dynamique des stocks d'eau à l'échelle de la parcelle forestière et d'isoler les contributions du sol et de la zone non saturée.

Les principales missions du doctorant/de la doctorante seront :
- Développer une méthode d'imagerie time-lapse combinant EMI et ERT pour imager la structure et la dynamique de la conductivité électrique des sols forestiers,
- Développer un dispositif expérimental en labo permettant de mesurer la conductivité électrique d'échantillons de sol avec des températures et des teneurs en eau contrôlés afin d'établir les relations pétrophysiques,
- Intégrer les observations acquises dans un modèle d'hydraulique des plantes (SUREAU) permettant de simuler les transferts d'eau au sein du continuum sol-plante.

Mise en œuvre :
La thèse s'appuiera sur 4 sites ICOS densément instrumentés et couvrant un large gradient de climat et de type de sol. La thèse s'appuiera sur le large jeu de données géophysiques déjà collecté sur ces 4 sites, aussi bien les carottes de sol prélevées sur 1 des 4 sites que les suivis éco-physiologiques mis en place dans le cadre de l'ANR TAW-Tree. Le doctorant/la doctorante bénéficiera de l'expérience en hydrogéophysique de l'UMR METIS ainsi que de la plateforme instrumentale Terre-Mer-Sol de l'OSU Ecce Terra. Il/elle pourra travailler en synergie avec des éco-physiologues du projet TAW-Tree notamment pour mener à bien le volet de modélisation éco-physiologique de la thèse.
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Context:
The survival of trees depends on their ability to use water present in the soil. Given the high heterogeneity of forest soils, it is very difficult to quantify the spatial and temporal variability of water stocks accessible to trees. In this context, combining punctual measurements of water content with distributed, non-invasive geophysical observations can help to better characterize the dynamics of water stocks at the forest plot scale. Hydrogeophysical imaging methods can thus contribute to a better understanding of the responses of the soil-plant continuum during periods of water stress and to anticipating the response of forest ecosystems to rising temperatures and changes in precipitation patterns characteristic of ongoing climate change.

General objective:
This thesis has three objectives: 1) To effectively combine different geophysical field methods in order to image seasonal water content dynamics and forest soil structure at the metric scale, 2) Develop a methodology for establishing petrophysical relationships between water content and electrical resistivity in undisturbed soil samples and assess the associated uncertainty, 3) Assess the impact of water availability on the physiological condition of trees in the short term (e.g., response to drought) and in the long term (e.g., growth).
It will attempt to answer the following question: How do climate, soil type, and vegetation cover impact the water status of the soil-plant continuum in a forest context?

Methodology:
Electrical resistivity tomography (ERT) and electromagnetic induction (EMI) electrical conductivity surveys will be repeated during dry and wet periods in order to isolate variations in electrical conductivity associated with variations in water content.
Soil water content dynamics will be reconstructed from ERT and EMI measurements using petrophysical relationships established in situ and in the laboratory. Petrophysical measurements will be performed on both undisturbed soil cores and disturbed soil samples to quantify the uncertainty associated with the relationships. ERT measurements will also be used to characterize soil structure.
Gravimetric measurements taken with a field gravimeter at different depths will be used to characterize the dynamics of water reserves at the forest plot level and isolate the contributions of the soil and the unsaturated zone.

The main tasks of the doctoral student will be:
- To develop a time-lapse imaging method combining EMI and ERT to image the structure and dynamics of the electrical conductivity of forest soils,
- Develop a laboratory experimental device to measure the electrical conductivity of soil samples at controlled temperatures and water contents in order to establish petrophysical relationships,
- Integrate the observations acquired into a plant hydraulics model (SUREAU) to simulate water transfers within the soil-plant continuum.

Implementation:
The thesis will be based on four densely instrumented ICOS sites covering a wide range of climates and soil types. The thesis will rely on the large set of geophysical data already collected at these four sites, including soil cores taken at one of the four sites and eco-physiological monitoring carried out as part of the ANR TAW-Tree project. The doctoral student will benefit from the hydrogeophysical expertise of the METIS joint research unit and the OSU Ecce Terra land-sea-soil instrumental platform. He/she will be able to work in synergy with eco-physiologists from the ANR TAW-Tree project, in particular to carry out the eco-physiological modeling component of the thesis.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Contrat doctoral

Concours pour un contrat doctoral

Sorbonne Université SIS (Sciences, Ingénierie, Santé)

398 Géosciences, Ressources Naturelles et Environnement

Le candidat/la candidate dispose de connaissances approfondies en méthodes de prospection géophysique. Elle/il est capable de mettre en œuvre des mesure de la résistivité/conductivité électrique à courant continu (tomographie de résistivité électrique, ERT) et à basse fréquence (méthode électromagnétique de type Slingram, EMI). Une expérience en acquisition et traitement de mesures micro-gravimétriques serait favorablement évalué. Une expérience en mesure pétrophysique en laboratoire serait également favorablement évaluée. La candidate/le candidat dispose de notions en sciences de l'eau et écologie fonctionnelle : - hydrologie (cycle de l'eau, hydrogéologie des milieux poreux, fracturés et karstiques), - écophysiologie végétale (hydraulique des plantes, phénologie), - pédologie. Ainsi qu'un engouement et un intérêt à se former en : - simulation numérique (des compétences en programmation Python sont souhaitées), - traitement du signal (traitements données gravimétrique, électrique), - expérimentation de terrain, - établir un lien fort entre les communautés d'hydrologie, d'écologie et de géophysique. La maîtrise de l'anglais (niveau B2) est requise.
The candidate has advanced knowledge in geophysical prospecting methods. He/she is able to implement electrical resistivity/conductivity measurements using direct current (electrical resistivity tomography, ERT) and low frequency (Slingram electromagnetic method, EMI) methods. Experience in acquiring and processing microgravimetric measurements would be considered an asset. Experience in laboratory petrophysical measurements would also be considered an asset. The candidate has a basic understanding of water sciences and functional ecology: - hydrology (water cycle, hydrogeology of porous, fractured, and karstic environments), - plant ecophysiology (plant hydraulics, phenology), - pedology. As well as an enthusiasm and interest in training in: - numerical simulation (Python programming skills are desirable), - signal processing (gravimetric and electrical data processing), - field experimentation, - establishing strong links between the hydrology, ecology, and geophysics communities. Fluency in English (level B2) is required.