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Submitted on 3 Jun 2020
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Le génie pédologique au service d’une
refonctionnalisation écologique d’espaces urbains dégradés
Christophe Schwartz, Geoffroy Séré, Jérôme Cortet, Françoise Watteau, S.
Ouvrard, Sophie Leguédois, Jean-Louis Morel
To cite this version:
Christophe Schwartz, Geoffroy Séré, Jérôme Cortet, Françoise Watteau, S. Ouvrard, et al.. Le génie pédologique au service d’une refonctionnalisation écologique d’espaces urbains dégradés. 6. Rencontres du Végétal, Jan 2011, Angers, France. �hal-02749907�
Laboratoire Sols et Environnement 54505 Vandœuvre-lès-Nancy
Le génie pédologique au service d’une refonctionnalisation écologique d’espaces urbains dégradés
Christophe SCHWARTZ, Geoffroy SERE, Jérôme CORTET, Françoise WATTEAU, Stéphanie OUVRARD, Sophie LEGUEDOIS et Jean-Louis MOREL
Artificialisation des sols en France
(Naizot, 2005)
forêts +3,6
zones interdites d'accès +5
(SCEES,-Ifen)
Variation relative de superficie entre 1994 et 2004
-9,5 -8
haies, arbres épars et peupleraies landes, parcours et alpages
38,3%
+10,2
+16,3 +18,7 routes et parkings
sols artificiels bâtis sols artificiels non bâtis 8,3
%
-4,8
+0,3 -2,4
prairies cultures pérennes cultures annuelles
49,8%
roches et eaux -1,8
3,4
% enjeux agronomiques,
environnementaux et fonciers
• quels sont ces sols ?
• quelles sont leurs propriétés agronomiques ?
• quelles sont leurs niveaux de pollution ?
• quelles sont leurs aptitudes à assurer des fonctions ?
Les sols très anthropisés en milieu urbain :
terra incognita ?
matériaux
technogéniques >20%
matériaux naturels déplacés
>80 %
Technosols ou Anthroposols
100%
sol
“naturel”
technic
100%
Les sols très anthropisés
ont des caractéristiques physico-chimiques très variables et contrastées
avec celles des sols peu anthropisés
sables (‰)
éléments grossiers
(‰)
C
organique (‰)
0 100 200 300 400 500
A B
A B
n = 347 n = 302
Cd (mg kg-1)
0 200 400 600 800 1000
0
n = 264 n = 261
0 200 400 600 800 1000
n = 342 n = 240A
0 5 10 15 20 25 30 35 40
0 200 400 600 800 1000
n = 41 n = 351
-2,5 0 2,5 5 5
0
-5
axe 2 ( 22 %)
-2,5 2,5
9 groupes se dégagent :
• 3 très majoritairement peu anthropisés
• 3 mixtes
• 3 très majoritairement très anthropisés
Thèse C. Lefort, 2009
Les sols très anthropisés
forment des groupes distincts
au sein d’un continuum
Une forêt naturelle?
Un système
forêt spontanée – sol très anthropisé
constitué à 100% de matériaux technogéniques
bassin de décantation (2 ha) : accumulation de déchets sidérurgiques
1992
… plus de 6000 hectares de friches industrielles en Lorraine Région Lorraine
charbon, acier, textile
1963
134 ha 5200 ouvriers
Un passé industriel marqué
une résilience est-elle possible ?
Une approche multidisciplinaire
Mésofaune
-diversité des Collemboles Macrofaune
- diversité
- biodiponibilité des métaux
Plantes - richesse spécifique - biodisponibilité des métaux
Sols
- respirométrie
Micromorphologie
Profil de sol - chimie
Ultrastructures
% Al Ca Fe K Mg Mn
3,90 4,75 7,06 0,222 1,300 8,9
4,61 8,33 6,88 0,660 0,938 4,8
3,82 8,89 10,5 0,455 0,733 5,2
mg/kg Cr Cu Ni Zn Co Pb Cd Tl Mo
176 222 64 56 500 8,1 49 600 175 83,5 1,7
112 139 51 10 200 8,3 19 600 35 12,5 7,3
99 171 59 19 200 13,6 21 500 61 10,1 7,7
Elements en traces
g/kg C org N t C/N pH MO CaCO3 P2O5
73 4,6 16,0 8,0 127 68 0,088
111 7,2 15,5 7,9 192 127 0,071
79 4,7 17,0 8,0 137 180 0,052
Agronomie
s1 s2 s3
s1 s2 s3
s1 s2 s3
s1
fertilité élevée et très forte contamination métallique
Qualité des sols
s3 s2
2 4 6 8 10 keV
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5
cps/eV
C N
O Mg Al Si S S
Cl K Ca Cr Mn
Mn
Fe Fe
Ni
Ni
Ni Cu
Cu Cu
P Pb
Os
Os
Os Os
Os
Os
Pb Ca Cu
associations matières organiques / Pb et Cu
bactéries champignons
parois
cellulaires
Ultrastructures : fraction 2-20 µm
(horizon organo-minéral)
500 µm
1 2 3 4 5 6 7 8 9
keV 0.0
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
cps/eV
C N
O Mg Al Si P S S
Cl K Ca Cr Mn
Mn
Fe
Fe Ni
Ni Ni
Cu
Cu
Cu Zn
Zn Pb
Mn, Si associés au Zn et Pb
forte activité bactérienne
en dépit de la présence de Zn et Pb
SiPb Mn Zn
Bactéries vivantes entourées d’exoplymères
Ultrastructures : fraction 2-20 µm
(horizon organo-minéral)
Contribution des constituants du Technosol à l’immobilisation des métaux
limitation de la biodisponibilité
+++
++
+
fortement adsorbé moyennement adsorbé
faiblement adsorbé
• dominance des Collemboles
• 30 espèces de Collemboles
pas d’espèce “particulière”
• structure fonctionnelle typique d’un écosystème forestier
La mésofaune du Technosol : Collemboles
Epi-édaphique
Eu-édaphique Hémi-édaphique
38%
57%
5%
RMQS Biodiv data (Forest sites)
EPI 4,9%
HEMI 55,6%
EU 39,6%
P. armata
M. grassei O. cincta
pendant les 65 dernières années,
les déchets ont évolué sous l’influence de la couverture végétale
Strate herbacée du bassin de décantation
Espèces Cd Ni Zn
Geum urbanum (benoîte) 1,8 0,7 280
Hedera helix (lierre) 2,7 29,3 141
Myosoton aquaticum (stellaire) 0,8 1,2 207
Populus tremula (tremble) 3,0 4,2 326
Viola hirta (violette) 2,8 0,9 198
Transfert des métaux aux plantes
(mg kg-1 matière sèche)• pour 5 espèces sur 49 observées sur le site au moins 2 métaux > limite de toxicité
• pour Hedera helix
3 métaux > limite de toxicité
• espèces hypertolérantes
• pas de plantes hyperaccumulatrices Limites de toxicité
(Kabata Pendias et Pendias, 1992) 0,2 à 30 10 à 100 100 à 400
Modèle de biofonctionnement du bassin de décantation
synthèse des travaux du LSE
Faible transfert de métaux vers la plante via la solution du sol
Teneurs en métaux élevées (associations avec
matières organiques, argiles, oxydes de Fe et de Mn)
Fertilité élevée pH élevé
Accumulation de matières organiques en surface Développement rapide de la végétation
Effets négatifs significatifs sur la macrofaune endogée
vers de terre
Développement des décomposeurs macro et microfaune
consommation limitée de matières organiques
Fort retour de matière organique au sol
Evolution du système ?
production d’acides organiques par la litière
dissolution des carbonates baisse de pH ?
augmentation de la mobilité des métaux ? accumulation de litière
production de biomasse
végétale
absence de vers de terre
? ?
eau
?
Risque de mobilisation des métaux à long terme ? Effet sur le biofonctionnement ?
Des enjeux de restauration de sites dégradés
écosystème d’origine
sol d’origine
écosystème dégradé
sol dégradé résilience
écologique ?
génie végétal
génie écologique
génie
pédologique
fonctions pour des usages
attendus nouvel
écosystème remis en état
nouveau sol
refonctionnalisé
Le génie pédologique
un concept neuf, des besoins d’acquisition de connaissances
Sol naturel
Sol dégradé Technosol construit refonctionnalisé
Génie pédologique et construction de sol
• génie pédologique :
savoir-faire lié à la gestion durable des sols dégradés
• construction de sol :
9 remise en état de sites dégradés
9 mise en œuvre de fortes quantités de terres
industrielles traitées et sous-produits
organo-minéraux
9 formulation de matériaux
1.20 m
sous-produit papetier (P) (sous-produit d’épuration
du recyclage du papier)
terre industrielle traitée (T) (terre de cokerie traitée
par désorption thermique)
compost de déchets verts (C) (résidus de taille, de tonte,
produit normalisé NF 44-051)
mélange P/T (50/50 v/v) (M)
Octobre 07 Avril 09
GESSOL BIOTECHNOSOL Collaboration TVD
Brevet TVD – INPL – INRA Thèse G. SERE, 2007 Thèse B. PEY, 2007-2010
Procédé de construction de sol
implications pour la croissance de la végétation
Croissance de la végétation
implication directe dans l’évolution des matières organiques Biostructuration
Caractérisation physicochimique
Décomposition de la matière organique
Fonctionnement des sols
Respirométrie
Comprendre in situ la dynamique et l’influence des organismes dans les stades précoces
de la pédogénèse d’un Technosol construit
Mésaufaune :
une colonisation centripète de la parcelle de Technosol par les collemboles
M. grassei
a a
a b
b a
n.s.
n.s.
Production de biomasse végétale
• germination et croissance de végétaux
sur les sols construits
• différences entre les modalités
– développement – densité
– diversité
• production totale et diversité plus élevées sur sol construit que sur terre industrielle traitée → différence de fertilité physico-chimique
modalité I
« terre industrielle traitée »
modalité II
« Technosol construit »
0,6 m 28
%
47
%
• forte densité racinaire au sein de l’horizon de compost
• exploration racinaire plus profonde et sur une plus grande surface
dans la modalité II que dans la modalité I (différence de densité apparente)
Profils racinaires
modalité I
« terre industrielle traitée »
modalité II
« Technosol construit »
• un modèle d’écosystème unique, adapté à l’étude des dynamiques de colonisation en milieu ouvert
• des communautés animales initialement dominées par le substrat (effet matériau)
• une diversification progressive des communautés
• un « terrain de jeu » particulièrement favorable au développement de modèles en écologie
• un modèle pour des écosystèmes
encore largement ignorés et à valoriser
• une problématique au cœur d’enjeux complexes et divers (e.g. urbanisation, déprise industrielle, bioénergies, gestion des pollutions)
La parcelle de Technosol construit
t0 t6 mois Spolic Garbic
Technosol (Calcaric)
t18 mois Spolic Garbic
Technosol (Calcaric, Reductic)
t30 mois Spolic Histic
Technosol (Calcaric) Spolic Garbic
Technosol (Calcaric)
Technic Cambisol
tX années
1,2 m
?
les sols construits sont rapidement capables
d’assurer les mêmes fonctions de support de végétation et de biodiversité qu’un sol naturel
Scénario d’évolution pédogénétique
Ecosystème d’origine
Ecosystème dégradé
altération restauration
Nouvel écosystème
ref onctionnalisation
Structure Fonction
d'après Bradshaw, 1984 ; Décamps, 2002 ; Séré, 2007
Complexité du système
Biomasse et nutriments
