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.