Modeling and mathematical analysis of the dynamics of soil organic carbon

par Alaaeddine Hammoudi

Thèse de doctorat en Mathématiques et Modélisation

Sous la direction de Oana Iosifescu et de Martial Bernoux.

  • Titre traduit

    Modélisation et analyse mathématique de la dynamique du carbone organique dans le sol


  • Résumé

    La compréhension du cycle de la matière organique du sol (MOS) est un outil majeur dans la lutte contre le réchauffement climatique, la préservation de la biodiversité ainsi que dans la consolidation de la sécurité alimentaire. Dans ce contexte, cette thèse porte sur la modélisation et l'analyse mathématique de modèles de la dynamique du carbone organique dans le sol.Dans le chapitre 2, nous avons étudié la robustesse et les propriétés mathématiques d'un modèle non linéaire (MOMOS). Nous avons montré que si les données sont périodiques nous obtenons l'existence d'une solution périodique attractive. Le chapitre3 est consacré à la validation mathématique d'un modèle spatialisé basé sur les équations de MOMOS, auxquels nous avons ajouté des opérateurs de diffusion et de transport. L'effet de l'hétérogénéité spatiale sur ce modèle est étudié dans le chapitre4 en utilisant des techniques d'homogénéisation. Suivant la méthodologie de Bosattaet Agren, nous dérivons un autre modèle à qualité continue, qui prend en compte l'effet de l'âge sur la décomposition de la MOS. Le chapitre 5 contient la validation mathématique et expérimentale du modèle. Enfin, nous considérons dans les chapitres6 et 7, un modèle incluant l'effet de la chemotaxie. Nous montrons l'existence, la positivité et l'unicité des solutions dans des domaines suffisamment réguliers de dimension inférieure ou égale à 3.


  • Résumé

    Understanding the soil organic matter (SOM) cycle is a major tool in the effort toreduce global warming, to preserve biodiversity and to improve food safety strategies.In this context, this thesis is about modelling and mathematical analysis of thedynamics of the organic carbon in soil.In chapter 2, we validate mathematically a nonlinear soil organic carbon model(MOMOS) and we prove that, if data is periodic, then there is a unique attractiveperiodic solution. In chapter 3, we focus on the mathematical validation of a spatialmodel derived from MOMOS and where we used diffusion and transport operators.We prove also the existence of a periodic solution. In addition, the effect of soilheterogeneities on the model is studied in chapter 4 using homogenization techniques.Moreover, following the Bosatta and Agren methodology, we derive a continuousquality model taking in consideration the effect of age on the quality of SOM. Wevalidate the model mathematically and experimentally in chapter 5. Finally, weconsider in chapters 6 and 7 another model that takes into account the chemotaxismovement of soil microorganisms. We prove mainly the existence and uniqueness of apositive solution in a regular spatial domain of dimension less or equal to 3.


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