Dans le contexte de la rareté croissante des ressources naturelles non renouvelables, le génie pédologique permet de construire des Technosols fertiles exclusivement à partir du recyclage de sous-produits industriels délaissés. Cependant, la croissance des plantes peut être limitée par différentes contraintes liées à la présence de contaminants inorganiques dans les matériaux utilisés. L’agromine, qui vise à recycler les métaux stratégiques de l’environnement, représente alors une stratégie écologique et prometteuse pour la gestion durable de ces agrosystèmes. Afin de mieux comprendre les processus contrôlant la pédogenèse et l’évolution des Technosols, ainsi que le potentiel d’agromine sur ces sols, une série d’expériences en conditions contrôlées et sur le terrain ont été réalisées avec (i) Noccaea caerulescens, espèce hyperaccumulatrice de Cd, Ni et Zn (ii) sur des Technosols construits à partir de matériaux délaissés contaminés ou non en métaux (iii) amendés ou non en produits résiduaires organiques (compost ou biochar). A l’échelle du terrain, les résultats attestent que les propriétés des Technosols construits sont fortement influencées par les matériaux parents utilisés. Les sous-produits industriels utilisés dans la construction de sol peuvent avoir un effet initial indésirable pour la production de biomasse végétale due à l’augmentation de la salinité du sol. Une caractérisation fine de la spéciation des métaux a mis en évidence une évolution très rapide des Technosols, en particulier, la dissolution et la lixiviation des phases minérales solubles et la formation de nouvelles phases sorbantes (oxydes de Fe et de Mn) réduisant la disponibilité chimique des métaux. En conditions contrôlées, les amendements en biochar ou en compost tendent à améliorer la disponibilité en éléments nutritifs. Ceci peut être attribué à l’augmentation des activités enzymatiques et de la diversité microbienne, tant structurelle que fonctionnelle, en particulier lors d’addition de compost. Il en résulte une augmentation des teneurs en éléments essentiels dans les parties aériennes de la plante. Concernant les éléments en traces, l’addition au sol de biochar conduit à une diminution de leur disponibilité, alors qu’un effet inverse a été observé lors d’addition de compost. Toutefois les deux amendements augmentent les teneurs en métaux dans les parties aériennes avec un effet supérieur du compost par rapport au biochar. Ainsi, l’espèce hyperaccumulatrice Noccaea caerulescens a montré son aptitude à s’établir sur des Technosols peu fertiles et à concentrer Cd et Zn à des valeurs supérieures au seuil d’hyperaccumulation démontrant la faisabilité de l’agromine de ces métaux. Par ailleurs, les deux amendements organiques semblent pertinents pour améliorer la phytoextraction sur des Technosols construits. / In the context of the increasing scarcity of non-renewable natural resources, the soil engineering has already allowed to build fertile Technosols exclusively from the recycling of abandoned industrial byproducts. However, it has also been shown that plant growth can be limited by various constraints related to the presence of inorganic contaminants in the used materials. Therefore agromining, which aims to recycle strategic metals from the environment, represents a promising strategy for ecological and sustainable management of these agricultural systems. To better understand the processes controlling pedogenesis and evolution of Technosols and the potential of agromining on these soils, a series of experiments in controlled conditions and field were performed with (i) Noccaea caerulescens, a hyperaccumulator species of Cd and Zn, (ii) on Technosols constructed from abandoned materials (iii) amended or not with organic compounds (compost or biochar). At the field scale, the results attest that Technosols properties are strongly influenced by the used parent materials. Industrial by-products used in soil construction can have an adverse effect for the initial plant biomass production due to the increase in soil salinity. A detailed characterization of metal speciation highlighted a very rapid evolution of Technosols in particular the dissolution and leaching of soluble mineral phases and the formation of new sorbent phases (Fe oxides and Mn) reducing the chemical availability metals. Under controlled conditions, biochar or compost amendments tend to improve nutrient availability. This can be attributed to the increase in enzyme activities and microbial diversity, at both structural and functional level, particularly in case of compost addition. This results an increase of essential elements content in the aerial parts of the plant. Regarding trace elements, adding to the soil biochar leads to a decrease of their availability, while an opposite effect was observed during compost addition. However, the two amendments increase the concentration of metals in shoots with a superior effect of compost with respect to biochar. Thus, hyperaccumulator species Noccaea caerulescens has shown its ability to establish on low fertility Technosols and concentrate high levels of Cd and Zn above the threshold of hyperaccumulation demonstrating then the feasibility of agromining of these metals. Moreover, both amendments appeared relevant to improve phytoextraction from abandoned industrial materials.

Les besoins en terre végétale pour l’aménagement d’espaces verts urbains induisent un prélèvement de sols agricoles ou naturels. D’autre part, des volumes considérables d’horizons profonds excavés lors de la construction de bâtiments sont mis en décharge en périphérie des villes, avec un impact sur l’environnement. Le recyclage de ces déchets inertes pour la construction de sols des espaces verts apparaît comme une solution prometteuse. Il est toutefois nécessaire de s’assurer que ces Technosols construits peuvent accueillir une diversité végétale et animale pour délivrer des services écosystémiques, comme propose de le faire ce travail de thèse. La composition des mélanges de matériaux (horizons profonds, compost de déchets verts, béton concassé) a été manipulée dans une expérimentation de 4000 m² en collaboration avec l’entreprise ECT et le CD 93. Un suivi de quatre ans a montré que le compost utilisé était responsable de la mort de certains arbres, mais qu’associé au béton, il augmentait fortement leur vitesse de croissance et de colonisation par la macrofaune. En usage prairial, l’ajout de compost a augmenté la production de biomasse et modifié l’assemblage de la communauté végétale, en favorisant les espèces compétitives, mais pas de la macrofaune. Dans une expérience en mésocosmes visant à étudier le lien entre diversité végétale et productivité, une complémentarité entre espèces a été observée pour une des trois communautés, à un niveau de fertilité intermédiaire. Il est donc possible d’améliorer la productivité primaire de nouveaux écosystèmes en manipulant la composition des mélanges de matériaux tout en évitant la dominance de certaines espèces, afin de conserver des communautés diversifiées / Topsoil requirements for the development of urban green spaces induce a harvest of agricultural or natural soils. On the other hand, huge volumes of deep horizons excavated during the construction of buildings are dumped on the outskirts of cities, with an impact on the environment. The recycling of these inert wastes for the construction of soils for green spaces appears as a promising solution. However, it is necessary to ensure that these constructed Technosols are suitable for plant and animal diversity, and can deliver ecosystem services, as proposed by this thesis. The composition of the material mixes (deep horizons, urban green waste compost, crushed concrete) was manipulated in a 4000 m² experiment in collaboration with the company ECT and CD 93. A four-year monitoring showed that the compost used was responsible for the death of some trees, but associated with concrete, it greatly increased their growth rate and macrofaunal colonization. In the meadow land use, the addition of compost increased biomass production and altered the assemblage of the plant community, favoring competitive species, but no effect on macrofauna assemblage was observed. In a mesocosm experiment aiming at studying the link between plant diversity and productivity, complementarity between species was observed for one of the three communities, at an intermediate level of fertility. It is therefore possible to improve the primary productivity of new ecosystems by manipulating the composition of the mixtures of materials while avoiding the dominance of certain species, in order to preserve diversified communities

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