2.2 Instrumentations et suivis in situ
2.2.2 Caractérisation initiale et finale des structures végétalisées
Analyses des substrats
L’évolution des caractéristiques des substrats a été fondée sur des échantillonnages effectués à l’installation sur la toiture et à la fin des expérimentations. A l’automne 2010, des échantillons ont été constitués directement dans les « big bags ». Les prélèvements finaux ont eu lieu en avril 2013. Trois prélèvements par toiture ont été effectués pour le substrat et le drainage puis mélangés pour obtenir un échantillon représentatif de l’ensemble de la structure. Sur la toiture Extensive, cinq prélèvements ont été réalisés dont quatre sous différentes espèces de sedums et un dans une zone dépourvue de végétation. Ils ont été analysés séparément afin d’évaluer la variabilité des caractéristiques au sein d’une même parcelle et selon le couvert végétal. Trois zones différentes ont été distinguées dans le substrat : la première correspond au substrat restant accroché aux racines des végétaux assimilable à la rhizophère, la seconde au substrat proche de la surface qui s’est séparé des racines et jusqu’à environ 6 cm de profondeur, puis la troisième de 6 cm de profondeur jusqu’au filtre géosynthétique. Seul le géosynthétique filtrant a été prélevé en une seule zone afin de ne pas détériorer les parcelles expérimentales. Les matériaux ont ensuite été débarrassés des débris végétaux et des insectes potentiellement présents avant d’être séchés à l’air.
Une caractérisation agronomique classique a été réalisée sur les trois substrats et l’argile expansée à l’état initial et l’état final par le Laboratoire d’Analyses des Sols de l’INRA d’Arras selon des méthodes normalisées :
- pH (NF ISO 10390)
- granulométrie 5 fractions sans décarbonatation (NF X 31-107)
- carbone organique et total ainsi qu’azote total et teneur en matière organique (NF ISO 10694 et 13878)
- phosphore (P2O5) selon méthode Olsen (NF ISO 11263) - calcaire total et actif (NF ISO 10693 et NF X 31-106)
- capacité d’échange cationique méthode Metson (NF X 31-130) - extraction des cations échangeables (NF X 31-108).
Des analyses plus spécifiques aux ETM ont également été réalisées par ce laboratoire sur les matériaux intégralement concassés en une fraction < 250 µm :
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- quantités totales en As, B, Cd, Cr, Cu, Ni, Pb et Zn sur les deux séries de prélèvements après minéralisation par eau régale (ISO 11466) ou acide fluorhydrique (NF X 31-147) selon les éléments
- quantités extractibles au CaCl2, NH4NO3 et DTPA (la première méthode n’a été appliquée qu’aux matériaux initiaux).
Pour chaque élément, les incertitudes de mesure à prendre en compte ont également été fournies (Tableau 13 avec incertitude = a . « valeur mesurée » + b) et dans les résultats les valeurs inférieures aux limites de détection étaient signalées. En ce qui concerne les incertitudes liées aux prélèvements d’échantillons, seuls les 5 prélèvements issus de la toiture Extensive en avril 2013 ont pu été analysés séparément permettant ainsi d’évaluer les variations en différents points d’une même toiture. Les autres ont été regroupés en un seul échantillon.
Tableau 13 - Incertitudes de mesure liées à l'analyse des teneurs en ETM dans les substrats et l'argile expansée a b As total HF 0,042 0,02 Sol Hg total 0,067 0,0011 Cd Eau régale 0,061 0,022 Cr Eau régale 0,061 2,6 Cu Eau régale 0,042 1,2 Ni Eau régale 0,082 3,1 Pb Eau régale 0,040 2,2 Zn Eau régale 0,042 2,6 Source : LAS – INRA d’Arras
Des essais de lixiviations ont été conduits à partir de la norme EN NF 12457-3 : 2002, dédiée aux déchets mais déjà utilisée sur des matériaux de toitures végétalisées (Molineux et al., 2009). Après quartage d’un échantillon de volume plus important et concassage, 5 g de matériau sont mis en suspension dans 10 mL d’eau déminéralisée pendant 6 h avec rotation à 16 tours min-1. Un premier prélèvement est réalisé, filtré à 0,45 µm puis acidifié avec 0,5% d’acide nitrique trace metal grade. Ensuite le volume d’eau est complété afin d’obtenir 50 mL de solution agitée pendant 18 h. Un second prélèvement est effectué et filtré puis acidifié. L’ensemble des échantillons est ensuite stocké en chambre froide à +4°C avant analyse par ICP OES (Laboratoire Sols et Environnement). Ces essais ont été réalisés en trois réplicas, permettant ainsi d’évaluer les incertitudes liées aux manipulations.
Les matériaux synthétiques comme le filtre, la structure synthétique stockante et l’étanchéité ont été soumis à un protocole de minéralisation à partir de HNO3 (Annexe VII) afin de déterminer les
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teneurs totales en ETM. Ils ont ensuite été analysés à l’ICP MS (Inductive Coupled Plasma – Mass Spectrometry) à l’IFSTTAR (paragraphe 2.2.5 pour les incertitudes de mesure associées).
Des analyses complémentaires ont également été réalisées sur les matériaux prélevés initialement. La surface spécifique a été évaluée grâce à la méthode Brunauer-Emett-Teller (BET) et la porosité, le volume et la distribution des tailles des pores par porosimétrie au mercure. Ces analyses ont été réalisées sur matériaux non concassés, afin de connaître les caractéristiques des matériaux utilisés en conditions réelles, par le laboratoire Delft Solids Solutions. Une analyse des espèces cristallisées a également été réalisée sur matériaux concassés par diffraction aux rayons X (LIEC, Université de Lorraine-CNRS).
Comportement de l’eau dans le substrat
Dans le substrat de chaque parcelle, deux types de capteurs sont intégrés :
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une sonde de mesure de la teneur en eau, mesurant également la température,-
un capteur diélectrique pour la mesure du potentiel matriciel du sol, qui renseigne sur l'eau disponible pour les végétaux.Les capteurs existants sur le marché étant généralement destinés à des sols plus « classiques », plus cohésifs que les substrats de toitures végétalisées, un essai avait été réalisé en laboratoire afin de vérifier que les gammes de mesure étaient adaptées et que les variations au cours du temps étaient bien détectées. Avant mise en place sur les toitures, ces capteurs ont été étalonnés afin que l'ensemble des capteurs donne les mêmes résultats dans une situation donnée. Chaque structure dispose de deux capteurs de chaque type afin de pouvoir détecter au plus vite d'éventuels dysfonctionnements de l'un d'entre eux. Au sein de la parcelle, les mêmes capteurs sont placés au milieu du substrat et à l'opposé l'un de l'autre tout en évitant d'être trop près du bord et suffisamment loin également de l'autre type de capteur afin de ne pas induire de potentielles interactions entre ces deux types de capteurs. (Annexe VIII)
Suivis du développement de la végétation
Trois zones de 1 m2 ont été définies sur chaque parcelle de façon permanente afin de réaliser un suivi du développement de la végétation représentatif de l’ensemble de la parcelle. Ces inventaires sont réalisés tous les mois environ, d’avril à septembre puis tous les deux à trois mois pendant le reste de l’année, voire moins selon les conditions météorologiques qui restreignent l’accès aux toitures expérimentales (gel, neige, forte pluie et vent). Le nombre de plant de chaque espèce est évalué ainsi que leur diamètre et hauteur. Le pourcentage de recouvrement global et par espèce est
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défini à partir de la « Charte pour l’estimation visuelle des rapports de surface » (d’après Folk, 1951 in Baize & Jabiol, 1995).
Prélèvements des végétaux
L’ensemble des végétaux initialement introduits a été prélevé avant implantation sur les toitures en octobre 2010 et avril 2011. Puis seuls Sedum album (S. album) et Sedum reflexum germanium (S. reflexum g.), les deux variétés présentes sur toutes les toitures, ont été prélevés tous les six mois : octobre 2011, avril 2012, octobre 2012 et avril 2013. Plusieurs prélèvements par toiture étaient réalisés en différentes zones afin de réaliser un échantillon représentatif de l’ensemble de la structure. Enfin, en avril 2013, des prélèvements complémentaires des espèces représentant des pourcentages de recouvrements important ont été réalisés sur l’ensemble des toitures et regroupés par nature de substrat (extensif, semi-intensif et fibre de coco) : S. album, S. reflexum g., S. spurium, S. floriferum, S. sexangulare et S.hispanicum. Afin de déterminer la masse de végétaux frais par m2, les parties aérienne et souterraine ont été d’abord séparées. La masse a été rapportée à la surface de la zone prélevée initialement mesurée sur le terrain lors des prélèvements.
Réalisation des lames minces de substrat et de coupes de végétaux
Lors de la campagne de prélèvements d’avril 2013, quatre blocs de substrat ont été prélevés sur la toiture Extensive sous différents types de sedums (floriferum, spurium, reflexum et album) dans des boîtes de Kubiena (90 x 60 x 50 mm). Les boites vides sont enfoncées horizontalement dans le sol, puis désolidarisées du substrat avec un couteau (cf. Figure 14). Après extraction, les boîtes ont été transportées délicatement au laboratoire (LSE, Université de Lorraine - INRA). Sortis des boîtes, les blocs de substrats sont séchés à l’air, puis à l’acétone avant d’être imprégnés progressivement par une résine (Norsodine 2984, résine polyester liquide) polymérisant à 65°C. Des plaquettes de chaque bloc de 10 mm environ ont été découpées, puis amincies à 60 µm d’épaisseur (50 x 80 mm) par ponçage avec une pâte abrasive de carbure de silicium. Une lame de verre a été collée sur une face de la plaquette ainsi rectifiée. Finalement les lames minces de substrat sont amincies manuellement jusqu’à 20 µm à l’aide de papier abrasif fin. Une description générale des lames ainsi obtenues a été réalisée avec un grossissement allant de x 8 à x 60 grâce à une loupe binoculaire équipée d’un appareil photo (Leica Microsystems AG). Les descriptions ont concerné l’identification des matières organiques et minérales, ainsi que l’agencement relatif de ces matières organiques et de la porosité. Une grille de 5 mm x 5 mm a pu être superposée aux lames, afin de repérer des zones d’intérêt et de procéder à des comptages, notamment pour évaluer la porosité des substrats.
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Simultanément aux prélèvements de substrats, des échantillons de tiges, feuilles et racines des sedums des mêmes blocs ont été réalisés. Des fragments millimétriques de ces matières organiques ont été conditionnés en vue de leur observation en microscopie électronique à transmission : fixation chimique au tétroxyde d’osmium, déshydratation progressive dans des bains d’acétone et imprégnation dans une résine Epoxy. Des coupes de 200 nm ont alors été réalisées à l’aide d’un ultramicrotome (Ultracut, Reichert) équipé d’un couteau en diamant, puis colorées avec du bleu de toluidine, permettant de contraster les tissus lors de l’observation à la loupe binoculaire. En vue d’une observation au microscope électronique à transmission (JEM 1200 EX II, 80 kV), des coupes de 80 nm d’épaisseur ont également été réalisées. Dans un souci de représentativité, une dizaine de coupes par échantillon ont été récupérées sur des grilles en nickel de 3 mm de diamètre, mises ensuite au contact de solutions de métaux lourds (citrate d’uranium et acétate de plomb) permettant d’augmenter le contraste aux électrons des matières organiques des échantillons. Des coupes non contrastées sont utilisées pour l’analyse élémentaire par EDX (énergie dispersive des rayons X, microanalyseur Quantax, détecteur XFlash). Des spectres sont ainsi obtenus et une évaluation de la quantité d’ETM présents au point d’analyse est possible grâce à la comptabilisation du nombre de coups induits par des photons aux longueurs d’ondes associées spécifiquement à ces éléments. Des réplicats ont été réalisés pour l’analyse de certains tissus et dans la résine Epoxy, permettant ainsi d’obtenir une évaluation de l’incertitude d’analyse et du biais lié au mode de préparation de la coupe (notamment présence de Ni et traces de Cu dans la lame sur lesquelles sont déposées ces coupes). Des particules de substrat extensif (mélange de pouzzolane, écorce de pin et tourbe) issues des prélèvements initiaux ont été broyées et mise sur lame suivant le même protocole pour observation au MET également.
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