Titre de l'écran-titre (visionné le 29 mai 2023) / L'impact de l'urbanisation couplé aux changements climatiques influence le régime hydrologique, entrainant d'importants défis de gestion des eaux pluviales. Dans ce contexte, l'utilisation d'infrastructures végétalisées tels les systèmes de biorétention et les noues végétalisées est de plus en plus fréquente en Amérique du Nord au cours des dernières années afin d'intercepter, de ralentir et de filtrer les eaux de ruissellement. Or, peu de données sont disponibles quant à la sélection des espèces adaptées sous climat froid, malgré le fort intérêt des municipalités pour ces phytotechnologies. L'influence du positionnement sur la croissance des végétaux ainsi que le suivi évolutif des substrats sont également des facteurs qui restent à étudier. Ainsi, l'objectif de ce projet consistait à évaluer la survie et la croissance d'espèces à différentes positions et de suivre l'évolution des propriétés physico-chimiques des substrats pendant les trois années suivant l'implantation de noues végétalisées en juillet 2020. Pour le volet sur les végétaux, 22 espèces ont été suivies au sein de 48 noues végétalisées dans une banlieue de la ville de Québec. Pour ce qui est du volet sur les substrats, ce sont 12 noues parmi celles choisies au volet sur les végétaux qui ont été sélectionnées pour le dispositif expérimental. Les principaux paramètres examinés comprenaient la survie, la croissance foliaire et la floribondité des végétaux implantés, la prépondérance et la diversité des adventices, ainsi que les propriétés chimiques, la conductivité hydraulique saturée et la teneur en eau volumétrique du substrat. Les résultats ont permis de confirmer que le positionnement dans la noue exerçait une influence importante sur la croissance des espèces. Quinze espèces se sont avérées bien adaptées, tandis que les sept autres démontraient une survie et une croissance moindre. Enfin, une augmentation de la concentration en polluants et une baisse de la vitesse d'infiltration de l'eau dans le substrat ont été observées au fil du temps. Une bonne compréhension de l'impact du positionnement des espèces sur leur développement peut contribuer à l'amélioration de la disposition des végétaux dans les aménagements et ainsi maximiser la performance des ouvrages. En complément, de bonnes pratiques d'entretien sont importantes afin de minimiser la compaction des substrats et de favoriser la croissance des végétaux. / Urbanization coupled with climate change is influencing the hydrological regime, resulting in significant stormwater management challenges. In this context, the use of green infrastructures such as bioswales and bioretention systems to intercept, slow down and filter runoff has been increasing in North America in recent years. However, little data is available on the selection of optimal plant species adapted to cold climates, despite the strong interest of municipalities for these phytotechnologies. The influence of positioning on the establishment and growth of plants as well as the intra and inter-seasonal evolutionary monitoring of substrates are also factors that require further investigation. Thus, the main objective of this project was to evaluate the growth and survival of plant species at various positions, and to monitor the evolution of the physico-chemical properties of substrates for three years following the construction of planted stormwater management systems. For the plant component, 22 species were monitored within 48 bioretention cells built in a proximal suburb of Quebec City, starting from the project implementation in July 2020. As for the substrate component, a subset of 12 bioretention cells were selected from those where plants were monitored. Key parameters evaluated during this project included survival rate, leaf growth and floridity of the plants, weed abundance and diversity, as well as the chemical properties, saturated hydraulic conductivity, and relative moisture content of the growing substrate. The results confirmed that plant positioning in the bioretention cells had an important influence on their growth. Fifteen species were found to be well adapted to the environmental conditions, while the other seven showed reduced survival and growth. Finally, an increase in pollutants and nutrients concentration as well as a decrease in water infiltration were observed over time in the bioretention cells. A better knowledge of the plant interaction in spatial and temporal distribution can contribute to improve the planting arrangements and thus potentially maximize the bioretention performance for better stormwater management. In addition, good maintenance practices are important to minimize substrate compaction and promote plant growth.

La problématique de la contamination des sols urbains et agricoles par les éléments traces métalliques (ETM) est un enjeu majeur en termes de santé publique et de protection de l’environnement. Dans le contexte de l’expansion de l’agriculture urbaine et des jardins communautaires souvent localisés sur des sites contaminés, il existe un intérêt fort pour le développement de méthodes de décontamination moins coûteuses que les méthodes de remédiation conventionnelles et qui préservent l’intégrité et la fertilité du sol. La phytoextraction est une technique écologique de remédiation des sols contaminés en ETM qui repose sur l’utilisation de plantes accumulatrices de métaux pour diminuer les concentrations en ETM dans le sol. La crucifère européenne Noccaea caerulescens (tabouret calaminaire), hyperaccumulatrice de zinc (Zn), cadmium (Cd) et nickel (Ni), s’est imposée comme plante phytoextractrice modèle vu ses étonnantes capacités d’accumulation in natura. Cependant, les conditions de culture optimales de N. caerulescens sont largement méconnues.L’optimisation de la phytoextraction du Cd et du Zn avec N. caerulescens a donc constitué l’objectif principal de ce travail. Nous avons mené des essais de terrain à Bruxelles sur des sites dont les sols sont modérément contaminés en ETM. Le premier objectif était de comparer l’efficacité d’extraction des populations calaminaires du Sud de la France (CAL-SF) et des populations non-métallicoles luxembourgeoises (NMET) de N. caerulescens. En parallèle, un deuxième objectif était de tester l’effet de plusieurs pratiques de culture sur la croissance et l’accumulation afin de développer un itinéraire technique performant. Un dernier objectif était d’étudier l’influence des paramètres édaphiques sur l’efficacité de la phytoextraction. Nous avons mis en évidence pour la première fois sur le terrain que les populations NMET sont nettement plus efficaces pour l’extraction du Zn que les populations CAL-SF et qu’elles combinent à la fois une meilleure production de biomasse et une plus grande résistance aux herbivores et aux pathogènes. Ce travail de thèse souligne que le cycle de vie – annuel ou bisannuel – est un déterminant important de la vitesse de croissance, du rendement d’extraction et du cycle de culture à privilégier. Nos résultats montrent que l’itinéraire technique le plus performant est celui d’un repiquage à l’automne de plantules à cycle bisannuel à densité élevée (100-120 plantes m-²), suivi d’une longue saison de culture (12 mois), tandis que pour des plantes annuelles il faut favoriser une installation au printemps. Enfin, la croissance de N. caerulescens est essentiellement stimulée par des hautes teneurs en matière organique, une faible densité apparente, une texture limoneuse et un bon apport en azote. Ce dernier élément entraîne cependant une baisse des concentrations en ETM dans les plantes quand sa teneur augmente dans le sol. La fertilisation azotée ne devrait donc être utilisée qu’en cas de forte carence azotée.Ce travail a permis de démontrer qu’une culture de N. caerulescens pouvait extraire jusqu’à 18 % du Cd total (CAL-SF) et 10 % du Zn total (NMET) dans les 20 premiers cm de sols modérément contaminés (jusqu’à 10 mg Cd kg-1 et 1000 mg Zn kg-1). À condition d’augmenter et de stabiliser les rendements de biomasse aérienne, la phytoextraction du Cd avec N. caerulescens pourrait donc être une technique pour décontaminer des sols modérément contaminés en Cd tels que les sols agricoles ou les sols urbains. / Doctorat en Sciences agronomiques et ingénierie biologique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Au cours des dernières décennies, un type de marais filtrant, généralement planté de saules, a été développé pour opérer un système de traitement d’eau sans effluent, par évapotranspiration. Ces marais à effluent sont généralement utilisés pour le traitement d’eau usée domestique, mais pourraient aussi présenter une alternative intéressante pour d’autres applications, comme le traitement de lixiviat contaminé. Les guides de conception actuellement disponibles ne permettent toutefois pas de concevoir un système flexible qui permettrait de gérer les grandes variations de volume à traiter liées à la nature même des lixiviats (i.e. résultent entièrement des précipitations) et ne tiennent pas compte de la variation inter et intra-annuelle de l’évapotranspiration (ET) du saule. Cette thèse présente d’abord une revue de littérature de ET du genre Salix et de ses facteurs de variation les plus importants. Il apparaît que les conditions de croissance ont plus d’importance que l’identité spécifique et que la disponibilité en eau, la fertilisation et la contamination sont les principaux facteurs dictant l’ET des saules. L’effet de l’âge, du contexte expérimental, de la densité de plant et du type de sol n’a pas pu être clairement démontrés par cette revue. Ensuite, une étude portant sur le potentiel d’ET de S. miyabeana ‘SX67’ est présentée. Il est démontré qu’un modèle basé sur des paramètres foliaires et sur le déficit de pression de vapeur d’eau dans l’air permet de prédire l’ET de S. miyabeana en condition de marais filtrant. Cette étude permettra entre autres d’améliorer les plans de conception d’un éventuel marais de saules à effluent nul. Pour continuer, la réponse de S. miyabeana ‘SX67’ à différentes concentrations de lixiviat et à différents types de substrats a été étudiée. Ce cultivar s’est montré tolérant aux concentrations du lixiviat brut retrouvées sur un site d’entreposage de poteaux de bois traité. Le type de substrat a influencé la réponse du saule et ses performances écophysiologiques, en plus d’affecter la dynamique des contaminants. Finalement, la modélisation hydrologique d’un système à effluent nul par marais de saules permet de proposer une méthode de dimensionnement des différents compartiments du système pour atteindre un objectif d’effluent nul sur une période de 20 ans, ainsi que de proposer des solutions de conception et d’opération optimale. L’application du modèle au cas spécifique d’un site d’entreposage de poteaux de bois traité a permis d’évaluer la faisabilité, d’un point de vue hydrologique, de cette technologie dans le contexte climatique du sud du Québec. Sur la base de cette étude, la principale limite pour l’application des marais à effluent nul au Québec sont la surface de marais et le volume de stockage requis. Dans le cas où une étape de prétraitement efficace précède le marais de saule, la durée de vie du marais ne devrait pas être limitante et dépendra principalement de la durée de vie des végétaux. Cependant, le destin des contaminants dans le système, qu’il s’agisse de la disposition des contaminants accumulés à l’étape de prétraitement ou d’une éventuelle translocation de contaminants dans les parties aériennes des végétaux, devrait être considéré avant d’établir un système à effluent nul. Les résultats de cette recherche permettent, entre autres, de proposer les marais de saules à effluent nul comme une alternative intéressante pour le traitement d’eau contaminée au Québec. / During the last decades, a type of constructed wetlands, usually planted with willows, was developed to operate a water treatment system with zero effluent, by evapotranspiration. These zero liquid discharge wetlands are typically used for domestic wastewater treatment, but could also be an attractive alternative for other applications, such as contaminated leachate treatment. However, the design guidelines currently available do not allow for the design of a flexible system that would manage the large variations of volume to be treated related to the very nature of leachates (i.e. produced entirely from precipitation) and do not take into account inter and intra-annual variation of willows evapotranspiration (ET). This thesis first presents a literature review of ET for the genus Salix and its most important driving factors. It appears that growing conditions are more important than species identity and that water availability, fertilization and contamination are the main factors dictating ET in willow. The effect of age, experimental context, planting density, and soil type could not be clearly demonstrated by this review. Then, a study on the potential ET of S. miyabeana 'SX67' is presented. It is shown that a model based on foliar parameters and on the water vapor pressure deficit in the air makes it possible to predict the ET of S. miyabeana under wetland conditions. This study will, among other things, improve the design plans for a potential zero effluent willow wetland. To continue, the response of S. miyabeana 'SX67' to different leachate concentrations and different types of substrates was studied. This cultivar has been tolerant of raw leachate concentrations found at a treated wood pole storage site. The type of substrate influenced the willow response and ecophysiological performance, and affected the dynamics of the contaminants. Finally, the hydrological modelling of a system with zero effluent by willow bed makes it possible to propose a method of dimensioning for the different compartments of the system in order to reach a zero effluent objective over a period of 20 years, as well as to propose solutions for optimal design and operation. The application of the model to the specific case of a treated wood pole storage site made it possible to assess the hydrological feasibility of this technology in the climate context of southern Quebec. On the basis of this study, the main limit for the application of zero effluent willow bed in Quebec is the wetland area and the storage volume required. In the case where an effective pre-treatment step precedes the willow bed, the life of the wetland should not be limiting and will depend mainly on the lifespan of the plants. However, the fate of the contaminants in the system, be it the disposition of the accumulated contaminants at the pre-treatment stage or a possible translocation of contaminants into the aerial parts of the plants, should be considered before establishing a system with zero effluent. The results of this research make it possible, among other things, to propose zero-effluent willow wetlands as an interesting alternative for the treatment of contaminated water in Quebec.