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Coral reef provides coastal communities with vital and valuable ecosystem services, such as food and coastal protection, sources of income, and contribute to their societal and cultural identity. However, coral reef ecosystems are subjected to a combination of increasing natural disturbance regimes and increasing multiple human stressors. This may cause irreversible shifts in community structure and, thus, in the delivery of ecosystem services. Understanding the dynamics of these state shifts is fundamental to sustainably manage coral reef social-ecological systems. The overarching goal of this PhD thesis is to better develop system modeling methods to better inform sustainability management. We used two main modeling approaches: Ecopath with Ecosim (EwE) and Agent Based Modeling. We used the coral reef social-ecological system of Moorea, French Polynesia, as a case study. Firstly, we collected and integrated various ecological and social data to build three food web models of Moorea, before, during and after a natural disturbance-driven coral mortality. Then, we used an ecosystem network approach to assess recovery pathways of that coral reef ecosystem. We showed that, while benthic communities recovered in a decade after the disturbance, the ecosystem as a whole presented a recovery debt. To investigate how fisheries dynamics interact with this ecosystem dynamic, we developed a dynamic food web model that revisits a natural disturbance regime under different fishing scenarios. We showed that indirect effect of fisheries can maintain intermediate level of fished populations, thus buffering the impact of the disturbance regime on local society. Finally, to better predict local fisheries management initiatives, we developed an agent-based model that accounts for more realist fisheries dynamics. We showed that a network of Marine Protected Areas (MPA) could in the long-term benefit both marine resources and fisheries production, but under a scenario without disturbance regime. Some of our results give new insights on how both natural disturbances and fisheries activities interact to shape coral reef ecosystems.; Les récifs coralliens fournissent des services écosystémiques critiques aux populations côtières qui en dépendent pour leur mode de vie et leur bien-être. Cependant, les écosystèmes coralliens sont soumis à une combinaison de perturbations naturelles et de facteurs de stress anthropiques de plus en plus importants. Ces pressions peuvent entraîner des changements abruptes et parfois irréversibles dans la structure et le fonctionnement des communautés et, donc, dans les services écosystémiques délivrés par ces écosystèmes. Comprendre la dynamique de ces changements de régime est fondamentale pour gérer durablement les systèmes socio-écologiques des récifs coralliens. L’objectif principal de cette thèse est de développer de meilleurs systèmes de modélisation afin de mieux informer les initiatives de gestion. Deux approches de modélisation ont été utilisées: Ecopath avec Ecosim (EwE) et la modélisation multi-agents. Le système socio-écologique corallien de Moorea, en Polynésie française, a servi de cas d’étude. Dans un premier temps, nous avons recueilli et intégré diverses données écologiques et sociales pour modéliser le réseau trophique de Moorea, textit{avant}, textit{pendant} et textit{après} une perturbation d'origine naturelle. Nous avons ensuite utilisé une analyse de réseau écologique pour évaluer les voies de récupération de cet écosystème corallien. Nous avons montré que, bien que les communautés benthiques se soient rétablies en une dizaine d'années après la perturbation, l’écosystème dans son ensemble présentait des trajectoires de récupération incomplètes. Pour explorer les effets de la pêche sur les dynamiques de l'écosystème, nous avons développé un modèle de réseau trophique dynamique qui revisite un régime de perturbation naturelle selon différents scénarios de pêche. Nous avons montré que l'effet indirect de la pêche peut maintenir un niveau intermédiaire de populations de poissons, atténuant ainsi l'impact des régimes de perturbations naturelles sur la société locale. Finalement, pour mieux prédire l'efficacité des initiatives de gestion des pêches, nous avons développé un modèle multi-agents qui tient compte des dynamiques de pêche plus réalistes. Nous avons montré qu'un réseau d'aires marines protégées (AMP) pourrait, à long terme, avoir des effets positifs sur les populations marines et sur la production halieutique, mais à condition que l'écosystème n'ait pas subi de perturbation naturelle. Cette thèse donne de nouvelles informations sur la manière dont les perturbations naturelles et les activités de pêche façonnent la dynamique des récifs coralliens.

Coral reef provides coastal communities with vital and valuable ecosystem services, such as food and coastal protection, sources of income, and contribute to their societal and cultural identity. However, coral reef ecosystems are subjected to a combination of increasing natural disturbance regimes and increasing multiple human stressors. This may cause irreversible shifts in community structure and, thus, in the delivery of ecosystem services. Understanding the dynamics of these state shifts is fundamental to sustainably manage coral reef social-ecological systems. The overarching goal of this PhD thesis is to better develop system modeling methods to better inform sustainability management. We used two main modeling approaches: Ecopath with Ecosim (EwE) and Agent Based Modeling. We used the coral reef social-ecological system of Moorea, French Polynesia, as a case study. Firstly, we collected and integrated various ecological and social data to build three food web models of Moorea, before, during and after a natural disturbance-driven coral mortality. Then, we used an ecosystem network approach to assess recovery pathways of that coral reef ecosystem. We showed that, while benthic communities recovered in a decade after the disturbance, the ecosystem as a whole presented a recovery debt. To investigate how fisheries dynamics interact with this ecosystem dynamic, we developed a dynamic food web model that revisits a natural disturbance regime under different fishing scenarios. We showed that indirect effect of fisheries can maintain intermediate level of fished populations, thus buffering the impact of the disturbance regime on local society. Finally, to better predict local fisheries management initiatives, we developed an agent-based model that accounts for more realist fisheries dynamics. We showed that a network of Marine Protected Areas (MPA) could in the long-term benefit both marine resources and fisheries production, but under a scenario without disturbance regime. Some of our results give new insights on how both natural disturbances and fisheries activities interact to shape coral reef ecosystems., Les récifs coralliens fournissent des services écosystémiques critiques aux populations côtières qui en dépendent pour leur mode de vie et leur bien-être. Cependant, les écosystèmes coralliens sont soumis à une combinaison de perturbations naturelles et de facteurs de stress anthropiques de plus en plus importants. Ces pressions peuvent entraîner des changements abruptes et parfois irréversibles dans la structure et le fonctionnement des communautés et, donc, dans les services écosystémiques délivrés par ces écosystèmes. Comprendre la dynamique de ces changements de régime est fondamentale pour gérer durablement les systèmes socio-écologiques des récifs coralliens. L’objectif principal de cette thèse est de développer de meilleurs systèmes de modélisation afin de mieux informer les initiatives de gestion. Deux approches de modélisation ont été utilisées: Ecopath avec Ecosim (EwE) et la modélisation multi-agents. Le système socio-écologique corallien de Moorea, en Polynésie française, a servi de cas d’étude. Dans un premier temps, nous avons recueilli et intégré diverses données écologiques et sociales pour modéliser le réseau trophique de Moorea, textit{avant}, textit{pendant} et textit{après} une perturbation d'origine naturelle. Nous avons ensuite utilisé une analyse de réseau écologique pour évaluer les voies de récupération de cet écosystème corallien. Nous avons montré que, bien que les communautés benthiques se soient rétablies en une dizaine d'années après la perturbation, l’écosystème dans son ensemble présentait des trajectoires de récupération incomplètes. Pour explorer les effets de la pêche sur les dynamiques de l'écosystème, nous avons développé un modèle de réseau trophique dynamique qui revisite un régime de perturbation naturelle selon différents scénarios de pêche. Nous avons montré que l'effet indirect de la pêche peut maintenir un niveau intermédiaire de populations de poissons, atténuant ainsi l'impact des régimes de perturbations naturelles sur la société locale. Finalement, pour mieux prédire l'efficacité des initiatives de gestion des pêches, nous avons développé un modèle multi-agents qui tient compte des dynamiques de pêche plus réalistes. Nous avons montré qu'un réseau d'aires marines protégées (AMP) pourrait, à long terme, avoir des effets positifs sur les populations marines et sur la production halieutique, mais à condition que l'écosystème n'ait pas subi de perturbation naturelle. Cette thèse donne de nouvelles informations sur la manière dont les perturbations naturelles et les activités de pêche façonnent la dynamique des récifs coralliens.