Deux écosystèmes forestiers lorrains (Clermont-en-Argonne CA et Azerailles AZ) développés sur des sols polycycliques ont un fonctionnement complexe du fait de la présence de deux matériaux différents au sein du profil de sol conduisant à une rupture texturale brutale. Ces sols possèdent de plus des stocks de calcium (Ca) et Magnésium (Mg) échangeables faibles dans la couche de limon de surface (pauvreté plus importante à CA qu’à AZ) et très grands dans l’argile profonde (égalité entre le sites). La différence de fertilité de surface entre les sites, peut s’expliquer en partie par une agrégation meilleure à AZ qu’à CA (où les agrégats dominants sont pauvres en matières organiques et argiles). Le sol de CA retient moins bien le Ca et le Mg que celui d’AZ, malgré des apports atmosphériques plus importants et une minéralisation rapide des litières. La richesse des horizons profonds en Ca et Mg échangeables sur les deux sites ne peut s’expliquer par les entrées classiques seules (dépôts atmosphériques et altération des minéraux). L’utilisation du traçage isotopique naturel de Sr, Ca et Mg, a permis sur ces deux sites, la mise en évidence du rôle de la nappe souterraine qui permet la recharge régulière de la CEC des horizons profonds du sol par simple échange d’ion en période hivernale. Les arbres ont mis en place une stratégie de prélèvement dans les horizons profonds pour pallier la pauvreté relative de leur surface. Cependant, les conséquences d’une fertilité limitée en Mg dans les horizons de surface, se traduit par une translocation interne significative de Mg avant la sénescence à CA. / Two forest ecosystems in Lorraine, France (Clermont-en-Argonne CA and Azerailles AZ) developed on polycyclic soils have a complex functioning due to the presence of two different materials within the soil profile, leading to an abrupt disruption in soil texture. Indeed, they have low exchangeable Ca and Mg stocks in the silty soil upper layers (with a greater poverty in CA than in AZ), and very large stocks in deep clayey layers. These differences in upper soil fertility between the studied sites can be partly explained by a weaker aggregation in CA than in AZ (with aggregates poor in organic matter and clays). The CA soil then holds less nutrients than AZ one, despite higher atmospheric inputs and more rapid mineralization of litter. The richness of the deep soil layers in both sites, cannot be explained by the two conventional inputs i.e. atmospheric deposition and mineral weathering, A third un-expected source was identify using Sr, Ca and Mg isotopes, i.e. a mineralized groundwater table, which allows the CEC recharging of the deep clay layers by simple ion exchange when its invades the subsoil during the winter period. Trees have developed an uptake strategy into these Ca and Mg rich clay layer, to overcome the relative poverty of the upper soil layers. However the consequence of the Mg limititation of the soil upper layers in CA is visible through the increase in the internal Mg-translocation before leaf senescence.

L’application de l’agromine à des zones ultramafiques délaissées constitue un enjeu majeur à la vue des surfaces potentiellement valorisables. Par contre, les sols ultramafiques sont particuliers avec de fortes concentrations en métaux et une quasi absence de matière organique. Malgré tout, la mise en place de l’agromine a déjà donné de bons résultats, couplée avec l’application d’herbicides et une fertilisation minérale. Notre défi a été de développer une agromine durable par la mise en place d’agro-écosystèmes basés sur l’introduction d’une légumineuse en association avec une plante hyperaccumulatrice et la suppression de tout intrant chimique. Nos résultats ont confirmé clairement que l'introduction d'une légumineuse dans l’agromine a amélioré la production de biomasse de Alyssum murale et les rendements de nickel par rapport à sa monoculture fertilisée et non fertilisée. Nos travaux ont également montré que l'insertion d'une légumineuse dans l’agromine permet d’améliorer la structure du sol avec des agrégats plus stables. De plus, de meilleures teneurs en carbone, azote et en matière organique ont été détectées. L’ensemble de ces éléments conduit ainsi à une amélioration globale de la structure du sol, de sa fertilité et de son biofonctionnement. Corrélativement, nos résultats ont mis en évidence les effets positifs de ces nouvelles pratiques, à la fois sur la taille, la diversité et les acitivités liées aux cycles biogéochimiques des communautés bactériennes. D’un point de vue écononique, l’introduction de la légumineuse dans l’agromine implique un gain financier et de temps du fait de la réduction de l'application d’engrais et de produits phytosanitaires. Enfin, tous ces avantages conduisent à une réhabilitation des sols ultramafiques avec une restauration de leurs qualités physique, chimique et biologique, tout en permettant à ces sols particuliers d’offrir plusieurs services écosystémiques / The application of agromining to abandoned ultramafic areas is a major challenge in the presence of potentially recoverable areas. Howerver, ultramafic soils are particular in terms of their fertility with high concentrations of metals and a near absence of organic matter. Nevertheless, this challenge was partly met by the application of chemical fertilizers and herbicides. Our challenge, through this PhD, was to develop a sustainable agro-ecosystem based on the introduction of a legume in association with the hyperaccumulating plant and then the reduction of any chemical input. Our results clearly confirmed that the introduction of a legume into these new cropping systems improved both the biomass production of Alyssum murale and the Ni yields in comparison to the fertilized and non-fertilized monoculture. Our work has also shown that the insertion of a legume into agromining cropping systems improves the structure of the soil due to stable and larger aggregates. In addition, higher levels of carbon and nitrogen and higher concentrations of organic matter were detected. These results led to an overall improvement of the soil structure, its fertility and its biofunctioning. Our results showed positive effects of these new cropping systems, both on the size of the bacterial communities and on the microbial enzymes involved in the soil biogeochemical cycles. In addition, the structure and diversity of bacterial communities were modified with the insertion of the legume, compared to the monoculture. Economically, the introduction of legume into cropping systems dedicated to Ni agromining involves a gain of money and time due to reduced application of mineral fertilizers as well as products of phytosanitary. Finally, all these benefits lead to the rehabilitation of ultramafic soils with the restoration of their physical, chemical and biological qualities while allowing these particular soils to offer many ecosystem services

Au regard de l’amenuisement des ressources primaires et de l’augmentation de la production mondiale de déchets, le concept d’agromine propose de phytoextraire les métaux contenus dans les matériaux délaissés. La solution proposée dans ce concept s’inspire de la Nature (SBN) et des principes de l’agronomie et s’inscrit dans une démarche d’économie circulaire. Ainsi, les plantes hyperaccumulatrices (HA) sont capables de prélever les métaux à partir de leur système racinaire pour les stocker à de hautes concentrations dans leurs parties aériennes. Les enjeux de la thèse sont de valoriser des déchets ou matériaux secondaires par l’extraction des éléments d’intérêt qu’ils contiennent et d’identifier les plantes à même de pouvoir se développer sur ces milieux. L’objectif est de formuler à partir des matériaux choisis un substrat fonctionnel, c’est-à-dire capable de rendre un service de fourniture en nickel (Ni). Dans cette optique, le substrat doit permettre l’installation et le développement des HA pour parvenir au transfert des métaux vers les parties aériennes. Les travaux s’intéressent à une boue de phosphatation acide essentiellement composée de Fe, Zn, P et Mn et contenant 0,5% de Ni. Des tests de germination et de croissance ont été effectués avec différents substrats élaborés à partir de cette boue assemblée avec un mélange terreux. Le substrat retenu est constitué de 10% de boue et 90% de terre (m/m). Sur celui-ci, l’HA Alyssum murale produit une biomasse supérieure comparée à un sol témoin (sol ultramafique au même pH et contenant la même quantité de Ni biodisponible), malgré des signes de toxicité pour les plantes. Un des verrous majeurs est la forte toxicité due à la présence de 6% de Zn dans la boue. Deux voies d’amélioration du substrat sont expérimentées : i) l’utilisation d’amendements et ii) la disposition des matériaux dans le profil. L’amendement le plus efficace est un biochar de bois ; il améliore le développement des plantes et ainsi la quantité de Ni phytoextraite. De plus, en modifiant la disposition des matériaux au sein du profil par une répartition en couches, la production de biomasse et la phytoextraction sont améliorées. Ce dispositif permet de lever la toxicité liée au Zn. Il apparait essentiel de contrôler le pH du substrat lors d’une multi-contamination car l’immobilisation du métal varie selon l’élément. L’association du génie pédologique et du génie végétal a permis de formuler un substrat fonctionnel pour la récupération d’éléments d’intérêt tel que le Ni. Ces travaux démontrent la possibilité de valoriser des sous-produits appelés classiquement « déchets » pour obtenir une plus-value, diminuant aussi leur charge métallique et faisant émerger une nouvelle source de métaux « d’origine végétale » obtenue par l’agromine / In view of the depletion of primary resources and the increase in global waste production, the concept of agromining proposes phytoextracting the metals contained in abandoned materials. The solution proposed in this concept is inspired by Nature (NbS) and the principles of agronomy and is part of a circular economy. Thus, hyperaccumulator plants (HA) are able to collect metals from their root system and to store them at high concentrations in their aerial parts. The challenges of the thesis are to give value to waste or secondary materials by extracting the elements of interest that they contain and to identify the plants able to develop on these media. The objective is to formulate, from the chosen materials, a functional substrate, that is to say, capable of rendering a Ni supply service. From this point of view, the substrate must allow the installation and the development of the HAs in order to transfer the metals to the aerial parts. The work focuses on an acid phosphating sludge essentially composed of Fe, Zn, P and Mn and containing 0.5% Ni. Germination and growth tests were carried out with different substrates prepared from this sludge assembled with a soil sample mixture. The retained substrate consists of 10% sludge and 90% soil (w/w). On the latter, HA Alyssum murale produces a higher biomass compared to a control soil (ultramafic soil at the same pH and containing the same amount of bioavailable Ni), despite signs of toxicity to plants. One of the major locks is the high toxicity due to the presence of 6% Zn in the sludge. Two ways of improving the substrate are tested: i) the use of amendments and ii) the arrangement of materials in the profile. The most efficient amendment is a wood biochar; it improves the development of plants and thus the amount of phytoextracted Ni. In addition, by modifying the layout of the materials within the profile by a layered distribution, biomass production and phytoextraction are improved. This device makes it possible to remove Zn-related toxicity. It is essential to control the pH of the substrate during multi-contamination because the immobilization of the metal varies according to the element. The association of soil engineering and plant engineering has made it possible to formulate a functional substrate for the recovery of elements of interest such as Ni. This work demonstrates the possibility of upgrading by-products conventionally called "waste" in order to obtain a surplus value, also reducing their metallic charge and bringing about a new source of "plant-derived" metals obtained by agromining

La végétalisation d'espaces en zone urbaine nécessite l'utilisation de grandes quantités de ressource naturelle terreuse. Pour préserver cette ressource non renouvelable, le génie pédologique propose une stratégie de construction de Technosols fertiles à partir du recyclage de déchets et sous-produits. Les propriétés des Technosols sont alors fortement influencées par les matériaux technogéniques qui les constituent. La formulation de mélanges performants pour la croissance des végétaux urbains passe par une analyse scientifique préalable. La fertilité des mélanges et leur évolution au cours du temps peuvent être appréciées par l'étude du processus d'agrégation et du transfert d'éléments nutritifs lors des stades précoces de la pédogenèse. Le modèle expérimental de Technosol construit proposé dans la Thèse développe une méthodologie aboutissant à la sélection de 11 matériaux (ballasts, béton, boues de station d'épuration urbaine, briques, compost de boues et de déchets verts, déchets de balayage de rue, déchets de démolition, déchets verts, terres excavées de profondeur, sous produits papetiers) représentatifs des gisements de déchets recensés au niveau européen et compatibles avec la construction de sol fertile. Le potentiel fertile initial de chaque matériau pur et de certaines combinaisons de mélanges a été mesuré. Puis des expériences menées en conditions contrôlées ont permis d'évaluer l'effet de différents facteurs pédogénétiques (e.g. anthropique, climatique et biologique) sur les processus déterminant de la fertilité des Technosols construits. Les résultats indiquent (i) qu'il est possible de construire un Technosol fertile exclusivement à partir de deux ou trois déchets aux propriétés physico-chimiques complémentaires; (ii) que les propriétés des mélanges sélectionnés peuvent être modélisées à partir des propriétés initiales de leurs matériaux parents.(iii) que lors des premiers stades d'évolution pédogénétique des mélanges, des agrégats stables se forment en fonction de la nature et des propriétés des matériaux parents, (iv) que les transferts d'éléments nutritifs sont fortement dépendants de la nature des matières organiques et du procédé de mélange des particules entre elles. La libération d'éléments nutritifs (e.g. phosphore) serait liée à la taille et la quantité des agrégats formés et en corollaire à la mise en place d'une organisation porale. Les connaissances acquises sur le fonctionnement et l'évolution des Technosols construits à partir de déchets apportent des connaissances nouvelles pour le génie pédologique. La méthode de choix de déchets ainsi que le procédé de formulation de mélanges développés dans ces travaux permettent d'obtenir des mélanges voire des sols construits performants par rapport à des usages attendus. Les modèles d'évolution des mélanges permettent de prédire au cours du temps la fertilité physico-chimique des Technosols construits. Dans le cadre du programme SITERRE-ADEME (2010-2015), les résultats acquis constituent des bases incontournables dans le développement d'un outil d'aide à la décision pour les gestionnaires (e.g. collectivités, bureaux d'étude, entreprises) auquel doit être associée une expertise sur la construction de sol pour la production de biomasse végétale / Greening of urban spaces requires large amounts of arable soil which is a non-renewable resource. To preserve this resource, a strategy is proposed to build fertile Technosols from wastes and by-products by pedological engineering. The properties of Technosols are highly influenced by their constitutive technogenic materials. In order To create favourable mixtures of materials for urban plant growth a preliminary scientific analysis is required. The fertility of the mixtures and their evolution can be assessed by the study of the aggregation process and nutrients transfer during the first stage of pedogenesis. An experimental model of constructed Technosol is proposed in this work. From this model a methodology is developed for the selection of eleven constitutive materials (e.g. bricks, compost made of sludge and green waste, concrete, demolition rubble, excavated earth materials, green wastes, paper mill sludge, sewage sludge, street sweeping wastes, track ballast). Each of these materials is representative of wastes deposits listed European wide and they are suitable candidates for the construction of fertile soils. The fertility of each pure material and of selected mixtures has been determined. Thereafter, experiments under controlled conditions enabled to assess the impact of different pedogenesis factors (e.g. anthropogenic, climatic and biological) involved in the definition of the fertility of constructed Technosols. The results demonstrate (i) the feasibility of the formulation of fertile constructed Technosols exclusively with two or three wastes presenting contrasted physico-chemical properties; and (ii) that the properties of selected mixtures can be modelled using the initial properties of their constitutive parent materials ; (iii) that during the first stage of pedogenesis of the mixtures, depending on parent materials nature and properties, stable aggregates can be formed, (iv) that nutrients transfer are highly dependent on organic matter nature and the process of particles mixing. The delivery of nutrients (e.g. phosphorus) seems to be related to the amounts and size of the formed aggregates and, consequently, to the established porosity. The understanding of the functioning and evolution of Technosols constructed with waste materials provides new knowledge for the development of pedological engineering. The methodology of wastes selection and the mixing process developed in this work enables us to propose mixtures and constructed soils favourable to various uses. The evolution models of the mixtures developed in this work allow the prediction of the physico-chemical fertility of constructed Technosols. The results acquired during this thesis are the main basis of a decision support tool for green spaces operators developed in the framework of the research program SITERRE-ADEME (2010-2015). The use of this decision support tool for plant biomass production, has to be associated with an expertise in soil construction