Développement des végétaux sur les différentes parcelles

Le développement de la végétation sur les différentes parcelles a été rapide durant le printemps et l’été de la première année, avec un pourcentage de recouvrement atteignant les 60 % pour l’ensemble des toitures en août 2011. L’année suivante, un recouvrement de 80 % a été obtenu, objectif à atteindre en 2 ans environ pour une plantation en micro-mottes (ADIVET et al., 2007). Ce taux a été atteint en août 2012 sur l’ensemble des toitures quel que soit le mélange de végétaux considéré (Figure 41). En fin d’expérimentation, les plantes les plus présentes sont des sedums de différentes espèces, essentiellement S. album, S. reflexum, S. floriferum et S. spurium (Figure 42).

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Figure 41 - Evolution du pourcentage de recouvrement par la végétation des différentes toitures d'avril 2011 à avril 2013

Figure 42 - Part des différents végétaux dans le recouvrement des toitures végétalisées en avril 2013

La hauteur et le diamètre des végétaux permettent d’estimer la biomasse présente sur la toiture. Les évolutions de ces deux paramètres sont représentées pour S. reflexum g. avec les quatre modalités différentes d’associations des trois substrats et deux drainages (Figure 43). Les tendances sont les

0 20 40 60 80 100

avr.-11 juil.-11 août-11 oct.-11 avr.-12 mai-12 juin-12 juil.-12 août-12sept.-12 oct.-12 févr.-13 avr.-13

Ta ux de rec ou v rem e nt (% ) Vosges Stockage 40 Plateau calcaire Fibre coco Semi-intensive Extensive

159

mêmes pour le S. album. Ainsi, la quantité de biomasse varie surtout en été pour ces deux sedums, avec des hauteurs et diamètres maximaux des plants rencontrés en juillet. Aux mois d’avril et octobre les variations de hauteur et diamètre sont relativement faibles.

Figure 43 - Evolution de la hauteur moyenne des plants de S. reflexum germanium selon les associations de substrats et drainages de juillet 2011 à avril 2013

Figure 44 - Evolution du diamètre moyen des plants de S. reflexum germanium selon les associations de substrats et drainages de juillet 2011 à avril 2013

1.1.2 Teneurs en ETM

Le rapport teneur parties aériennes / teneur parties souterraines ne présente pas d’évolution significative pour les différents ETM dans les S. album et S. reflexum g. Il reste inférieur à un pour l’ensemble de ces éléments sauf pour B, comme remarqué dans les teneurs initiales avant introduction sur les toitures expérimentales (Partie II paragraphe 1.1.1). C’est pourquoi seules seront présentées par la suite les évolutions des teneurs dans les racines de ces végétaux.

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00

juil.-11 août-11 oct.-11 avr.-12 mai-12 juin-12 juil.-12 août-12 oct.-12 févr.-13 avr.-13

H

au

teu

r

(cm)

Vosges (Semi-int. + A.E.) Stockage 40 (Ext + S.S.S. 40) Extensive (Ext. + A.E.)

Fibre coco (Fibre de coco + A.E.)

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00

juil.-11 août-11 oct.-11 avr.-12 mai-12 juin-12 juil.-12 août-12 oct.-12 févr.-13 avr.-13

Diamèt

re

(cm)

Vosges (Semi-int. + A.E.) Stockage 40 (Ext + S.S.S. 40) Extensive (Ext. + A.E.)

160

Pour les six toitures végétalisées et les deux sedums, deux ETM, Cd et Sb, présentent une forte diminution voire une disparition une fois installés sur les toitures expérimentales dès le premier prélèvement sur site d’octobre 2011. Concernant Sb, seules les parties aériennes de S. album présentent des teneurs ponctuellement non nulles mais très faibles sur deux toitures (Vosges et semi-intensive) dans l’ensemble des prélèvements de S. album et S. reflexum g. réalisés au cours de l’étude. Cet ETM ne sera donc pas étudié par la suite. Ensuite différentes tendances se dégagent selon les substrats et végétaux considérés. Les teneurs de As dans S. album diminuent au cours du temps sur l’ensemble des substrats alors qu’elles augmentent significativement dans S. reflexum g. sur le substrat semi-intensif (Figure 45 a, b et c). A l’inverse, les teneurs en Pb augmentent dans les racines de S. album, alors qu’elles sont constantes pour S. reflexum g. Pour ce dernier, les teneurs en Zn et Ni augmentent fortement en octobre 2011 sur l’ensemble des toitures sauf la toiture extensive. Il en est de même pour S. Album sur le substrat semi-intensif avec Zn également avec ensuite des diminutions variables selon les structures considérées. D’autres éléments comme Cr pour S. album et Cu pour S. reflexum g. montrent une forte augmentation des teneurs en avril 2012 sur substrat semi-intensif puis une diminution par la suite.

Figure 45.a – Evolution des teneurs en ETM dans les S.album et reflexum g. sur les différentes parcelles végétalisées d'avril 2011 à avril 2013

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Figure 45.b – Evolution des teneurs en ETM dans les S.album et reflexum g. sur les différentes parcelles végétalisées d'avril 2011 à avril 2013

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Figure 45.c – Evolution des teneurs en ETM dans les S.album et reflexum g. sur les différentes parcelles végétalisées d'avril 2011 à avril 2013

Concernant les variations saisonnières, les teneurs sont légèrement plus importantes à l’automne dans les parties aériennes du S. reflexum g. pour As et B sur les toitures des Fibre coco, Vosges et Extensive et sur B pour les deux dernières avec le S. album. La même tendance est observée sur les racines du S. reflexum g. sur la toiture des Vosges pour Cr et sur cette toiture ainsi que la toiture des Plateaux calcaires lorrains pour Ni. Celles-ci sont cependant beaucoup moins importantes que celles observées par Ye et al. (2013) et ne sont pas généralisables à l’ensemble des ETM considérés. La tendance inverse est observée pour plusieurs éléments sur différentes toitures avec les deux sedums : As pour le S. album sur toitures des Vosges et Semi-intensive, Pb pour les toitures contenant du substrat semi-intensif avec le S. reflexum g. et les toitures des Vosges, Semi-intensive et Extensive avec le S. album. L’élément accumulé pendant l’hiver dans les racines a peut-être été transféré au printemps et en été dans les parties aériennes et les inflorescences qui sécheront par la suite, mécanisme fréquent de protection des végétaux pour se débarrasser des métaux absorbés (Kamal et al., 2004). En octobre, les inflorescences ont pour la plupart déjà séché et sont tombées, elles n’ont donc pas été analysées.

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Figure 46 - Teneurs moyennes en As dans les principaux végétaux présents sur les toitures en avril 2013 selon les substrats

Les teneurs moyennes par substrat des différents éléments dans les six espèces de sedum prélevées en avril 2013 sont comparées. . Les teneurs en Sb étant nulles dans l’ensemble des sedums prélevés en complément de S. album et S. reflexum g., l’étude de cet ETM dans les végétaux ne sera pas poursuivie. Pour les autres ETM, les teneurs moyennes par substrat dénotent une dépendance à la nature du substrat, plus particulièrement sensible dans la partie racinaire. Les teneurs en Cu et Ni sont notamment supérieures dans les substrats ayant poussé dans le substrat semi-intensif pour plus de 50 % des espèces de sedums considérées. Sur ce même substrat, les teneurs en As, Cd, Pb et Cr sont supérieures pour tous les sedums sauf S. album (Figure 46). Enfin, les teneurs en Zn sont plus importantes sur le substrat fibre de coco pour tous les sedums sauf S. sexangulare. Les coefficients de Pearson établis entre les teneurs initiales dans les substrats et les teneurs racinaires dans chaque espèce de sedum pour ces différents substrats sont d’ailleurs proches de 1 pour S. floriferum, hispanicum, sexangulare et spurium pour l’ensemble des éléments sauf Cd et Zn, et ponctuellement Ni pour le S. floriferum (

Tableau 31). Seul S. album semble avoir un comportement différent et présente des teneurs généralement plus importantes sur les substrats extensifs et fibre de coco que sur le substrat semi-intensif. Les coefficients de Pearson calculés comme précédemment sont d’ailleurs <0 pour l’ensemble des éléments sauf As et Cu. Il est toutefois à noter que cette espèce de sedum semblait rencontrer des difficultés à redémarrer son développement après l’hiver 2012-2013 contrairement aux autres, ce qui aurait peut-être pu influencer ponctuellement les mécanismes d’assimilation d’ETM mis en jeux.

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Tableau 31 - Coefficients de Pearson entre les teneurs initiales en ET dans les substrats et les teneurs dans les racines des végétaux ayant poussés dans ces substrats, prélevés en avril 2013

Espèce de sedum As B Cd Cr Cu Ni Pb Zn S. album racinaire 0,05 -0,84 0,00 -0,47 1,00 -0,15 -0,08 -0,98 S. floriferum racinaire 1,00 1,00 -0,19 0,98 0,99 -0,13 0,99 -0,98 S. germanium racinaire 1,00 -0,15 0,58 0,18 0,59 0,81 0,51 -0,64 S. hispanicum racinaire 0,99 0,98 0,00 1,00 0,97 1,00 0,98 -0,44 S. sexangulare racinaire 1,00 1,00 -1,00 1,00 -1,00 1,00 1,00 -1,00 S. spurium racinaire 1,00 0,96 0,24 0,91 0,97 0,39 0,91 -0,21

Tableau 32 - Ratio teneurs dans les végétaux / teneurs initiales dans les substrats

Substrat Espèce de sedum As B Cd Cr Cu Ni Pb Zn

Extensif S. album racinaire 1,32 28,37 0,63 0,17 0,43 0,22 0,66 0,87 Fibre de coco S. album racinaire 0,23 16,71 0,13 0,01 0,42 0,09 0,23 0,85 Semi-intensif S. album racinaire 0,09 1,28 0,40 0,01 0,35 0,03 0,04 0,33 Extensif S. floriferum racinaire 0,45 14,38 1,00 0,01 0,42 0,16 0,23 0,76 Fibre de coco S. floriferum racinaire 0,53 11,22 0,20 0,01 0,48 0,11 0,18 0,76 Semi-intensif S. floriferum racinaire 0,12 1,39 0,44 0,01 0,47 0,02 0,06 0,26 Extensif S. germanium racinaire 0,16 25,38 0,21 0,00 0,18 0,04 0,10 1,24 Fibre de coco S. germanium racinaire 0,17 17,54 0,18 0,04 0,49 0,11 0,51 1,88 Semi-intensif S. germanium racinaire 0,08 1,93 0,48 0,01 0,30 0,03 0,05 0,52 Extensif S. hispanicum racinaire 0,45 20,62 0,85 0,02 0,41 0,07 0,37 1,12 Fibre de coco S. hispanicum racinaire 0,72 17,78 0,18 0,02 0,48 0,09 0,48 3,89 Semi-intensif S. hispanicum racinaire 0,16 2,40 0,93 0,01 0,41 0,06 0,09 0,59 Extensif S. sexangulare racines 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Fibre de coco S. sexangulare racinaire 0,56 13,94 0,12 0,02 0,67 0,11 0,62 1,03 Semi-intensif S. sexangulare racinaire 0,16 1,80 0,46 0,02 0,26 0,04 0,07 0,57 Extensif S. spurium racinaire 0,47 12,89 1,01 0,01 0,96 0,36 0,12 0,53 Fibre de coco S. spurium racinaire 0,68 11,72 0,28 0,04 0,63 0,15 0,46 1,42 Semi-intensif S. spurium racinaire 0,21 1,59 0,81 0,02 1,18 0,07 0,09 0,41

Les ratios teneurs racinaires dans les végétaux en avril 2013 / teneurs initiales dans les substrats sont inférieures à 1 pour l’ensemble des végétaux et des ETM sauf pour B et Zn (

Tableau 32). Pour Pb sur le substrat semi-intensif, Cr et Ni, ce ratio est même inférieur à 0,1 pour la majorité des végétaux et substrats. Trois sedums présentent des teneurs significativement plus importantes que les autres pour un à deux ETM spécifiques. S. spurium présente par exemple des teneurs en Cu et Ni près de deux fois supérieures à celles des végétaux ayant les deuxièmes teneurs les plus importantes. La teneur moyenne en Cr dans le S. album est 2,7 fois supérieure à celle du S. spurium qui présente la deuxième teneur la plus importante. Enfin, la teneur en Zn est 50 % plus

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importante dans le S. hispanicum que dans le sedum avec la deuxième plus forte teneur. L’ensemble de ces teneurs reste cependant dans les mêmes gammes et aucun des sedums ne présente donc des capacités de rétentions de l’ensemble des ETM significativement plus importantes que les autres.

1.1.3 Discussion : des teneurs en ETM dans les végétaux fortement

influencées par les teneurs des substrats

Pour la plupart des ETM, il existe une corrélation significative entre les teneurs dans les végétaux et la concentration initiale dans les substrats. Ainsi, les polluants adsorbés ne sont pas exclusivement issus de l’atmosphère mais proviennent aussi du stock initialement présent dans le matériau. En outre, une variation de la quantité de biomasse a pu être observée entre les périodes estivales et hivernales avec notamment le dessèchement des inflorescences après l’été. La décomposition progressive de cette matière organique pourrait conduire à une libération dans le substrat des ETM initialement stockés. Le stockage dans la partie végétale serait donc cyclique. Enfin, les évolutions de teneurs observées dans S. album et S. reflexum germanium au cours du temps, avec notamment des pics à certaines périodes, peuvent potentiellement indiquer une variation de la biodisponibilité des ETM présents dans les substrats, liée au vieillissement des matériaux.

Pistes pour la conception de toitures végétalisées aux capacités épuratoires optimisées

Aucun des sedums utilisés sur ces toitures ne se distingue pour ses capacités de rétentions d’ETM significativement plus importantes que les autres. Pour l’ensemble des végétaux, les teneurs en ETM observées dans l’ensemble des sedums analysés en avril 2013 sont très éloignées des critères de teneurs de l’ordre de 100 µg g^-1 de Cd, 1000 µg g^-1 de Ni, Cu et Pb ou encore 10 000 µg g^-1 de Zn permettant d’identifier les espèces végétales hyperaccumulatrices (Baker et al., 2000), comme S. alfredii (Wu et al., 2007). S’il s’avérait que les capacités de rétentions des ETM par les végétaux de ces toitures expérimentales étaient arrivées à saturation, il pourrait être pertinent d’introduire des espèces avec de plus fortes capacités de stockage. Des études à plus long terme et sur des supports de cultures avec de plus fortes teneurs seraient nécessaires pour le déterminer. Par ailleurs, si la végétation était envisagée comme une nouvelle sortie du système possible pour les ETM apportés par l’atmosphère et présents dans le substrat, une réflexion serait nécessaire sur les pratiques d’entretien de ces toitures. En effet, un fauchage ou une tonte serait nécessaire pour éviter que les ETM présents dans les parties qui disparaîtront à l’automne ne se trouvent à nouveau dans le substrat voire emportés par les eaux une fois la matière organique décomposée. Enfin les capacités de rétention du mélange de plantes locales sont comparables à celles des mélanges classiques de toitures végétalisées, incitant ainsi à la prise en compte de cet aspect dans la conception de futures structures.

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