Soutenance de thèse de Alain FUMENIA

À ce jour, l’océan Pacifique tropical sud-ouest (WTSP) est une des régions oligotrophes les moins explorées de l’océan global. Ce travail de thèse de doctorat s’inscrit dans le cadre de la campagne Oligotrophy to UlTra-oligotrophy PACific Experiment (OUTPACE, 160° E - 160° W, 18° - 20° S, Mars/Avril 2015), et concerne les cycles biogéochimiques et les écosystèmes dans cette région. En se basant sur les mesures in situ faites pendant la campagne et les données des flotteurs Biogeochemical Argo (BGC-Argo), l’objectif principal de cette étude est de définir les différents processus qui contrôlent la dynamique spatiale et temporelle de la matière organique particulaire (MOP) synthétisée dans la couche éclairée. Les résultats montrent que la dynamique de la MOP est contrôlée par deux systèmes planctoniques à priori distincts dans cette région oligotrophe. Dans la couche de mélange (<30 dbar) fortement éclairée mais limitée en éléments nutritifs ([NO3-] <0.05µM), des concentrations en azote et phosphate organique particulaire (NOP et POP) relativement élevées (respectivement de 0.32-1.18 µM et 0.02-0.06 µM) sont observées dans l’Archipel Mélanésien (160° E - 170° W). La MOP produite présente un excès d’azote par rapport à la valeur attendue par la stœchiométrie de Redfield, avec un rapport N:P de 19±2. Nos résultats démontrent que l’intense fixation biologique de diazote (N2) (631 ± 286 μmol N m-2 j-1 L en moyenne) mesurée dans cette région est la principale source d’azote nouveau capable de soutenir la production de MOP enrichie en N. Parallèlement, une forte augmentation du N* est observée dans les eaux de la thermocline (100-500 dbar) de l’Archipel Mélanésien. La production de MOP enrichie en N soutenue par la fixation de N2, et la reminéralisation de cette MOP chutant dans la colonne d’eau sont à l’origine d’une augmentation de N* (ΔN*diazotrophe) dans les eaux de la thermocline (entre 30 ± 19 mmol m-2 a-1 et 192 ± 87 mmol m-2 a-1, en fonction du rapport N:P considéré pour l’estimation). À partir des mesures de coefficient de rétrodiffusion particulaire (bbp) combinées à des mesures in situ de NOP et de POP, des relations statistiquement significatives ont été observées entre les valeurs de bbp et de NOP (POP) (R²=0.87 et 0.91, respectivement), permettant de définir des proxys optiques (PONopt et POPopt) de la biomasse organique particulaire. Sur toute la période d’étude (3 années), des augmentations significatives de PONopt (de 0.16 à 0.80 µM) sont observées uniquement dans l’Archipel Mélanésien et en période stratifiée. Il a été démontré que cette production de biomasse autotrophe (et de particules associées) ne pouvait être soutenue que par l’apport d’azote via le processus de fixation de N2, suggérant fortement que la région du WTSP pourrait jouer un rôle relativement important sur la pompe biologique de carbone. À proximité du fond de la couche euphotique (Z01), dans les eaux de subsurface faiblement éclairées mais suffisamment riches en éléments nutritifs, les résultats obtenus dans ce travail de thèse montrent la présence permanente d’un maximum de chlorophylle-a (Chla) de subsurface (SCML). Ce SCML est associé en permanence à un maximum de biomasse organique particulaire. Une corrélation significative (R²=0.77) est observée entre les valeurs de Chla et de PONopt, notamment entre Z01 et la profondeur à laquelle le PAR est réduit à 0.1% de sa valeur de surface (Z001), mettant ainsi en évidence l’origine phytoplanctonique du maximum de biomasse organique particulaire associée au SCML. En utilisant les données en O2 recueillies par le flotteur FA sur une échelle de temps saisonnière, les résultats montrent qu’une production communautaire nette relativement faible mais positive (0.08 ± 0.01 mmol m-3 j-1 en moyenne) est associée au SCML dans les couches faiblement éclairées entre Z01 et Z001.

To date, the Western Tropical South Pacific (WTSP) is one of the least sampled oligotrophic regions of the world's ocean. My thesis was carried out in the framework of the Oligotrophy to UlTra-oligotrophy PACific Experiment cruise (OUTPACE, 160° E - 160° W, 18° - 20° S, March/April 2015), in which we investigated the biogeochemical cycles and ecosystems in this region. Based on both in situ measurements and Biogeochemical Argo floats’ data, the main objective of this study is to get insight on the different processes controlling the spatial and temporal dynamics of particulate organic matter (POM) in the light zone. The results obtained in this thesis highlighted that the dynamics of the POM derives from two distinct planktonic systems in this oligotrophic region. In the light-sufficient but nutrient-limited mixed layer (<30 dbar) ([NO3-] <0.05μM), relatively high concentrations of nitrogen and particulate organic phosphate (PON and POP) (0.32-1.18 μM and 0.02-0.06 μM) are observed in the mixed layer (<30 dbar) of the Melanesian Archipelago (160 ° E - 170 ° W). This POM presents an excess of nitrogen with respect to the Redfield stoichiometry, with a N:P ratio of 19 ± 2. In this study, the high rates of biological dinitrogen fixation (N2) (631 ± 286 μmol N m-2 d-1 L) measured in this region has been pointed as the main source of new nitrogen, supporting the N-enriched POM production. At the same time, a sharp increase in N* is observed in the thermocline waters (100-500 dbar) of the Melanesian Archipelago. The production of N-enriched POM supported by the fixation of N2, and the remineralization of this POM falling downward in the water column, results in an increase of N* (ΔN * diazotrophic) in the thermocline waters (up to 30 ± 19 mmol m-2 y-1 and 192 ± 87 mmol m-2 y-1, depending on the N:P ratio considered for the estimation). By coupling particle backscattering coefficient (bbp) measurements with in situ measurements of PON and POP, statistically significant relationships between bbp and PON (and POP) concentrations were established (R² = 0.87 and 0.91, respectively), allowing to define, for the first time, optical proxies (PONopt and POPopt) of particulate organic biomass. During the stratified periods of the studied period (3 years), significant increases in PONopt (from 0.16 to 0.80 μM) are observed only in the Melanesian Archipelago. These recurrent increases of PON concentrations in this area can only be supported by nitrogen input via the N2 fixation process, suggesting that the WTSP region could play a relatively large role on the biological carbon pump. In the vicinity of the euphotic depth (Z01), in the light-limited but nutrient-rich subsurface waters, the results obtained in this thesis show the permanent presence of a Subsurface Maximum of Chlorophyll-a (Chla) Layer (SCML). This SCML is permanently associated with a maximum of particulate organic biomass. A significant correlation (R² = 0.77) is observed between the Chla and PONopt values, especially between Z01 and the depth in which the measured PAR is reduced to 0.1% of its surface value (Z001). The significant correlation between PONopt and Chla in this layer highlights the phytoplanktonic origin of the particulate organic biomass maximum associated to the SCML. By using O2 data collected by the float FA on a seasonal time scale, the calculated Net Community Production (0.08 ± 0.01 mmol m-3 d-1 on average) exhibited a low but positive value within the SCML, in the dimly lit layers between Z01 and Z001.