La contamination des eaux de surface par les substances phytosanitaires représente une menace tant pour la santé humaine que pour l'intégrité des écosystèmes aquatiques et elle peut remettre en cause les usages de l'eau. Même si l'agriculture n'est pas la seule en cause, elle utilise plus de 90% du tonnage total des produits commercialisés en France et concerne plus de 14 millions d'hectares au niveau national. La contamination des eaux de surface résulte à la fois de pollutions dites ponctuelles, liées aux pratiques de manipulation et d'application des produits, et de pollutions dites diffuses liées à l’entraînement des substances appliquées par l'eau (ruissellement, infiltration, drainage) ou l'air. Ce dernier type de pollution est plus difficile à quantifier et à maîtriser de par son caractère aléatoire et du fait du grand nombre de processus et de facteurs impliqués. Dans ce contexte, l'Equipe Pollutions Diffuses du Cemagref/Irstea, au sein de laquelle s'inscrivent mes activités, vise à améliorer la compréhension, la quantification et la limitation des transferts hydriques diffus des substances phytosanitaires vers les eaux de surface. Je décris dans ce mémoire les recherches que j'ai réalisées, encadrées ou animées en collaboration avec mes collègues du Cemagref et d'autres organismes de recherche (INRA, Universités, CNRS, …), ce à trois niveaux d'observation : i) l'échelle locale, pour l'étude de la genèse du ruissellement et de l’entraînement des substances en phases liquide et solide, ii) l'échelle intermédiaire, pour l'étude du transfert et de la rétention des substances au sein de fossés agricoles – éléments du paysage très fréquents en milieu cultivé et connexions hydrauliques directes entre parcelles et milieux aquatiques, et iii) l'échelle du bassin versant pour l'étude de la contamination résultante au sein des petits cours d'eau. Dans l'approche de tels systèmes, je m'attache à mettre en avant l'importance de mieux prendre en compte conjointement les processus hydrologiques et chimiques et leurs dynamiques temporelles spécifiques. Je confirme également l'intérêt de mener des études à différentes échelles spatiales complémentaires - le changement d’échelle de la parcelle au petit bassin pouvant induire une forte modification des flux et des concentrations en aval. Par ailleurs, la grande variabilité spatio-temporelle des chroniques de concentration met en exergue la difficulté de l'échantillonnage au sein des petits cours d'eau et le besoin de développer des stratégies et des outils diversifiés pour mieux mesurer la qualité de l'eau et répondre aux différents objectifs des gestionnaires tels que la caractérisation de l'état chimique des milieux aquatiques ou de l'impact d'actions correctives. Ces résultats mettent également en évidence le besoin de développer des outils (modèles, indicateurs) qui permettent de mieux évaluer le risque lié à l'utilisation des produits phytosanitaires pour les écosystèmes, à travers une meilleure prise en compte des relations pression-exposition-impact intégrant la vulnérabilité des milieux, l'objectif, in fine, étant de dégager des pistes pour la limitation et la gestion de ce risque. Malgré la complexité croissante engendrée, ces travaux montrent l'intérêt de mener des recherches en conditions naturelles et dans des situations variées afin de mieux cerner les types de réponses réelles du milieu, même si des études plus fines et mieux contrôlées en laboratoire s'avèrent utiles pour vérifier les hypothèses formulées sur le terrain. Enfin, j'insiste sur l'importance de pouvoir disposer de sites de recherche fédérateurs permettant d'associer des démarches pluridisciplinaires (hydrologie, chimie de l'environnement, biologie, agronomie, systèmes d'information, informatique, modélisation) et pluri-acteurs autour d'objectifs partagés ou complémentaires.