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.

Dans le but de mieux comprendre les processus régissant la pédogenèse des Technosols, un ancien bassin à boues sidérurgiques riches en métaux et recouvert par une forêt caducifoliée de milieu tempéré, a fait l'objet d'une caractérisation approfondie, à partir d'un profil de 2 m et en colonnes lysimétriques sous l'influence du climat et de la végétation. Le Technosol, qui s'est développé sur les boues, résulte de plusieurs étapes de pédogenèse localisées dans le temps et dans l'espace. Les principaux moteurs ont d'abord été les cycles de dessiccation-humectation et les changements de conditions physiques et chimiques associés, puis l'activité biologique, notamment en lien avec l'apport de matières organiques en surface et l'installation des racines. Le développement d'une végétation diversifiée malgré les fortes teneurs en métaux toxiques s'explique par la nature des constituants minéraux et les propriétés chimiques (pH alcalin, forte CEC) et physiques (forte porosité, forte capacité de rétention en eau) qui limitent jusqu'à présent la disponibilité des métaux. Le Technosol est le produit d'une combinaison de processus normalement rencontrés dans des sols naturels d'évolution pédogénétique différente (e.g. Andosols, sols carbonatés) en lien avec la diversité des matériaux parents technogéniques et le mélange original des constituants qui les compose. Cette concomitance de processus coexistant rarement dans la nature pourrait être une caractéristique génétique des Technosols formés sur des matériaux complexes et être appelée « technosolisation » / With the aim of better understanding pedogenetic processes occurring in Technosols, a former settling pond of iron industry containing metal-rich sludge and covered by a deciduous forest of temperate region was thoroughly characterized, from a 2-m profile and in lysimeter experiments under the influence of climate and vegetation. The Technosol developing on iron industry sludge resulted from several stages of pedogenesis with areas of more intense changes. Main pedogenesis drivers were, first, drying-wetting cycles and involved changes of physical and chemical conditions, then biological activity, especially related to organic matter input at the surface and root colonization. The development of diversified vegetation despite high contents of toxic metals can be explained by the nature of mineral constituents and chemical (alkaline pH, high CEC) and physical (high porosity, high water retention capacity) properties which have limited metal availability until now. The Technosol resulted from a combination of processes which occurred usually in natural soils with distinct pedogenetic evolution (e.g. Andosols, carbonated soils) due to the diversity of technogenic parental materials and the original mixture of constituents they contained. This simultaneity of processes coexisting rarely in natural environments could be a genetic particularity of Technosols formed on complex materials and could be called 'technosolization'

Les Technosols issus de l’arrêt des activités industriels présentent des propriétés physico-chimiques très contrastées de celles de sols naturels et peuvent renfermer de fortes teneurs en polluants organiques (e.g. composés aromatiques polycycliques (CAP)). Leur abandon pendant des décennies a entrainé l’apparition d’une pédogenèse, particulièrement sous l’influence de facteurs climatiques et supposé entrainer un phénomène d’atténuation naturelle des polluants organiques bien que ces effets ne soient rarement identifiés. Nous proposons ainsi de modéliser l’évolution de la disponibilité des CAP au cours du temps et sous l’influence du facteur climatique. La première étape a été de transcrire des données climatiques atmosphériques en conditions pédoclimatiques et ce, selon les effets de la localisation à l’échelle mondiale, de scénarios de changements climatiques (GIEC), des propriétés des sols et de la profondeur. L’effet de modalités pédoclimatiques sur la disponibilité des CAP a ensuite été testée en conditions contrôlées et sur 11 terres industrielles contrastées (cokeries, usines à gaz). Les conséquences de ces variations de disponibilité des CAP sur la toxicité des sols ont ensuite été validées par un test de croissance de Zea mays L sur les terres vieillies. Les résultats ont été incrémentés dans les modélisations des pédoclimats permettant ainsi de prédire l’évolution de la disponibilité des CAP. Si les conditions climatiques actuelles participent à une diminution de la disponibilité des CAP, le phénomène inverse se produit suite à un réchauffement climatique, que nous définirons comme amplification naturelle, soulignant à nouveau les risques potentiels liés aux changements climatiques sur les sols / Technosols linked with the end of industrial activities depict contrasted properties from those of natural soils and may contain high concentration of organic pollutants (e.g. polycyclic aromatic compounds (PAC)). Their neglect led to the apparition of pedogenetic processes particularly under the influence of climate which potentially contribute to the natural attenuation phenomenon. Hence, we suggest a new method to predict the evolution of PACs’ availability over time and under the influence of climate. The first step was to build a transcription model to predict the pedoclimate evolution derived from weather datasets and under the influence of climate location, climate change scenarios (IPCC), soil properties and depth. The effect of pedoclimatic events on the evolution of PAC availability was then tested in controlled conditions and on 11 contrasted industrial soils (coking plant and gas plant). This allowed predicting the frequency and occurrence of major pedoclimatic events (e.g. freeze-thaw, wetting-drying cycles and periods of high temperature) that drive pedogenesis. The consequence of these availability variation on toxicity were then tested using a growth test of Zea mays L. on aged soils, confirming that PAC availability and soil phytotoxicity are linked. The aging results were then incremented into the pedoclimate model to predict the evolution of PAC availability over time. As the current climatic conditions lead to a decrease in PAC availability (natural attenuation), the opposite effect is observed under the warmer climate of 2100. We described this phenomenon as natural amplification which underlines the upcoming threat of climate change on soils

L’imperméabilisation des sols en ville génère des problématiques aigües au niveau du cycle de l’eau urbaine : dégradation de la qualité des eaux de ruissellement, saturation des réseaux de collecte, risque d’inondation. Parmi différentes solutions, la construction de toitures végétalisées offre de nouvelles perspectives dans la gestion de ces eaux pluviales urbaines. De telles structures jouent en effet un rôle de régulation hydrique en retardant les pics de débit lors des pluies d’orage et plus globalement en diminuant les flux envoyés vers les réseaux. L’objectif de cette thèse est de quantifier et de modéliser les performances hydriques ce type de Technosol urbain, en intégrant à la fois les variations saisonnières et le vieillissement de la toiture végétalisée. Le travail repose en premier lieu sur une caractérisation physique et hydrique des constituants des toitures, à travers une démarche pour partie originale de transposition des méthodes développées sur les sols. Ensuite, un suivi expérimental (monitoring des flux et paramètres météorologiques) de quatre modalités de toitures – dont deux équipées d’une structure innovante de stockage d’eau – a été effectué à deux échelles : le laboratoire et le bâtiment. La modélisation et la simulation numérique du transport de l’eau a enfin été effectuée à l’aide du logiciel HYDRUS-1D, avec le formalisme des équations de Richards qui décrivent le transfert en conditions insaturées et la résolution de van Genuchten-Mualem. Les recherches ont permis de caractériser, sur une base physique robuste, les écoulements au sein de ces milieux poreux complexes. Une estimation des performances de différentes modalités de toitures au cours de trois années climatiques est proposée en contexte climatique Lorrain. La démarche de modélisation permet de décrire fidèlement les transferts à l’échelle du laboratoire mais tend à sous-estimer les flux in situ. À plus long terme, ces travaux permettent d’envisager aussi bien la simulation du comportement de toitures végétalisées sous d’autres climats, que des développements technologiques basées sur des nouvelles associations de constituants. / The sealing in cities highly degrades the buffer and filter functions of soils which generates and/or emphasizes major environmental issues (e.g. urban heat island, flooding, pollution of the runoff water). Among other technologies, advances in green roof engineering provide solutions for the management of urban rainwater. Indeed, green roofs can highly contribute to water regulation service by delaying run-off peaks and decreasing water fluxes to storm water collection network. The purpose of this work is to quantify and model the hydric performances of such an urban Technosol by taking into account the seasonal variations and the aging of the green roof. Physic and hydric measurements were conducted on the green roof constituents. Then, water fluxes and meteorological parameters were monitored in four green roofs parcels – including two with an innovative water storage structure – both at the lab and the building scales. Finally, the hydrodynamics of green roofs was modeled and numerically investigated with HYDRUS-1D in the framework of the Richards equations and the van Genuchten-Mualem model that describe unsaturated flows. As a result: i) the water flows inside these complex porous media were physically characterized, ii) the hydric performances of different parcels over three years, under Lorraine climate, were evaluated, iii) the model approach reached to a good description of the hydraulic behavior at the lab-scale but tends to underestimate in situ water fluxes. Beyond that, this work can provide a robust approach to simulate water transfer in green roofs under different climates or situations and may also contribute to further technological development

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

Les Technosols ont des propriétés et une pédogenèse influencées par des matériaux technogéniques qui les constituent. Le modèle expérimental de Technosol construit a été choisi et résulte de l’utilisation délibérée de matériaux technogéniques au sein d’un profil. L’objectif scientifique est d’évaluer la contribution de la faune du sol aux processus impliqués dans le fonctionnement et l’évolution des Technosols. Des expérimentations en laboratoire (cosmes) et en conditions climatiques réelles (lysimètres, parcelles) ont été menées de l’échelle ultrastructurale à celle du pédon. Les résultats indiquent que (i) le Technosol construit est un support de vie de la faune, (ii) le modèle d’ingénieur de l’écosystème : Lumbricus terrestris, par la création de macroporosité et par ses structures biogéniques contribue à sa structuration, son agrégation et à la décomposition de sa matière organique, (iii) lorsque plusieurs groupes d’organismes assurant des fonctions différentes sont associés, des effets sont mesurés majoritairement sur la décomposition de la matière organique. La forte disponibilité des ressources du Technosol autorise la présence de la faune mais masquent en partie ses effets et inhibent les interactions faunistiques qui auront un effet sur les fonctions des sols. Un modèle d’évaluation de l’effet de Lumbricus terrestris sur la macroporosité est proposé. En termes de génie pédologique, un projet de modèle d’aide à la décision résulte des acquis scientifiques. L’inoculation de la faune contribuerait ainsi à initier des mécanismes d’évolution des sols et à les accélérer / Technosols are soils whose properties and pedogenesis are influenced by technical materials which take part in their constitution. The experimental model used here is a constructed Technosol which is deliberately composed of technical materials in a soil profile. The scientific objective is to evaluate the contribution of soil fauna to processes implied in soil functioning and evolution. Experiments in laboratory (cosms) and in climatic conditions (lysimeters, field) are conducted from ultrastructural scale to soil profile scale. Results indicate that (i) constructed Technosol can support soil fauna, (ii) the model of ecosystem engineer: Lumbricus terrestris, by macroporosity and by stables biogenic structures, contribute to the structuration, the aggregation and the decomposition of organic matter of the Technosol, (iii) when several groups of organisms implied in differents soil functions are used, effects are observed on organic matter decomposition. The huge availability of resources in the Technosol allow the presence of soil fauna but its effects and reduce soil fauna interactions which can have effects on soil functioning. A model whose objective is to evaluate effect of Lumbricus terrestris on macroporosity is proposed. In terms of soil engineering, a project of decision support model results of scientific experiences. Soil fauna inoculation in soil engineering could contribute to initiate and accelerate mechanisms of Technosol evolution

Les Technosols forment une nouvelle classe de sols, caractérisée par une forte influence anthropique dont le fonctionnement est peu étudié. L'agrégat étant l'intégrateur de l'histoire du sol et révélateur de son fonctionnement actuel, l'étude du processus d'agrégation est de ce fait une entrée pertinente pour comprendre le fonctionnement des Technosols et les stades vers lesquels ils peuvent évoluer. A partir d'échantillons de sol prélevés sur une parcelle d'un hectare, un protocole non destructif de quantification directe de la porosité et de l'agrégation par analyse d'images a été mis en place. Les résultats montrent qu'au bout de deux ans, le Technosol construit se compacte avec une réduction de la surface de des pores de diamètre > 25 µm et une augmentation des pores < 25 µm. Malgré cette compaction, l'agrégation augmente avec le temps. Pour suivre la dynamique de la porosité et d'agrégation de ce Technosol en fonction de facteurs choisis de pédogenèse, un dispositif de visualisation in situ a été conçu. Les résultats d'analyse d'images ont montré que dans les stades précoces d'évolution des sols, la porosité et l'agrégation augmentent significativement. Ensuite, elles baissent significativement dans la modalité « humectation-dessiccation» tout en continuant d'augmenter dans les modalités « plante » et « faune + plante ». Cette augmentation est proportionnelle à l'âge des racines et à l'intensité de l'action des vers de terre. Le « Technosol construit » est alors un modèle expérimental dont la constitution organominérale et le fonctionnement sont très largement contrôlés, en comparaison de sols « naturels » évolués dont le point initial de développement est quasi systématiquement inconnu / Technosols form a new class of soils, which is characterized by a strong anthropogenic influence of which functioning is less studied. Aggregates can be considered as an integrator of soil history and an indicator of soil bio functioning, therefore studying the process of aggregation is a relevant way to understand how technosols operate and states towards which they will evolve. Through samples collected on a hone hectare plot, a protocol of none destructive direct quantification of aggregates and porosity by thin sections images analysis has been performed. Results showed that this Technosol is compacting with a decrease of pores with an equivalent diameter >2000 µm and an increase of those <25µm. Despite this compaction, the aggregation increases with time. To study the dynamics of porosity and aggregation of this constructed Technosol as function of pedogenetic factors, a dispositive of in situ soil visualization has been developed. Results of images analysis showed that, during the early stage of soil evolution, porosity and aggregation increase significantly in all modalities. Then, they significantly decrease in ?wetting drying cycle? modality but continued increasing in ?plant? and ?plant-earthworm? modalities. This increase is proportional to the age of plants roots and intensity of earthworm?s activity. The ?constructed Technosol? is therefore an experimental soil model whose organomineral contents and function are well controlled compared to so-called ?natural soils?. In these evolved natural soils, the starting point is quite systematically unknown

Les villes ne cessent de se densifier au détriment des espaces de nature qui corrélativement se réduisent, tout comme les services écosystémiques qui leur sont associés. Face à ce constat, la végétalisation du bâti apparaît comme une alternative indispensable. Dans ce cadre, les toitures végétalisées font partie des outils d'aménagement des villes qui sont en pleine expansion. Ces toitures revêtent différentes formes, s'adaptant aux contraintes et enjeux urbains. Depuis quelques années, une nouvelle forme de toiture végétalisée a émergé : les toitures végétalisées productives (e.g. de biomasse alimentaire). Encore peu développée et mal connue, l'intérêt concernant cette forme de toiture ne cesse de croître. Leur conception, leur aménagement et surtout les services écosystémiques quelles peuvent rendre sont aujourd’hui encore mal connus et nécessitent d’être mieux appréhendés. Clé de voûte des toitures végétalisées, le sol en place influence directement et indirectement les services écosystémiques rendus par celles-ci. En dépit du rôle majeur de ces sols, peu d'études leur sont consacrés. Par ailleurs, des produits non renouvelables tels que la pouzzolane, l’argile expansée ou la tourbe sont aujourd’hui très majoritairement utilisés dans leur composition. Nous avons étudié des Technosols, c’est à dire des sols reconstitués, de toitures productives composés uniquement de produits issus de résidus du milieu urbain. Ce travail a eu une double ambition : (i) évaluer quantitativement les services écosystémiques rendus et (ii) comprendre les premières phases d’évolution des Technosols. Pour cela, trois dispositifs expérimentaux, installés sur la toiture « Bertrand Ney » de l’école AgroParisTech ont été utilisés. Il s’agit de bacs de cultures dans lesquels des sols sont construits, avec des agencements divers de cinq résidus urbains: un compost de déchet vert, du bois broyé, de la brique et de la tuile concassée, un résidu de champignonnière et un compost de biodéchet. Nous avons étudié l’effet des différents types de Technosols construits sur (i) les services écosystémiques rendus, (ii) la production alimentaire (quantitative et qualitative), (iii) la fertilité physico-chimique et (iv) leur évolution temporelle. Les Technosols construits sont fertiles et permettent une production alimentaire conséquente sur une à cinq années, caractérisée par de faibles teneurs en éléments traces métalliques équivalentes à celles de la moyenne des productions maraichères. L’évaluation quantitative de services écosystémiques (production alimentaire, recyclage de résidus urbain, rétention des eaux de pluies et qualité des eaux de percolations (C et N), a souligné le caractère multifonctionnel des systèmes étudiés et met en évidence un disservice, qui est une altération de la qualité des eaux de percolation par lixiviation du carbone, pouvant être liée à celle d’autres éléments. Une première phase de pédogénèse rapide et intense est observée, marquée par une forte biodégradation des matériaux et une forte lixiviation. Nos travaux ont mis en évidence l’existence d’un double compromis dans la conception d’un Technosol productif, entre (1) la biodégradation des matériaux (assurant la fourniture des nutriments minéraux aux plantes) et le maintien de la structure et porosité du matériau, donc de sa fertilité physique d’une part et entre (2) la fourniture d’élément nutritifs par biodégradation et la lixiviation, se traduisant par une perte de ces éléments et une altération de la qualité des eaux de percolation d’autre part. La connaissance des propriétés des matériaux utilisés et de ses liens avec les services écosystémiques attendus permet déjà de concevoir des toitures productives multifonctionnelles à partir de résidus urbains et de les gérer de manière durable. / Cities are becoming denser at the expense of nature spaces that are correspondingly decreasing, as are the ecosystem services associated with them. Faced with this observation, the greening of buildings appears as a valuable alternative. Nowadays, green roofs have become a planning tool in urban planning. These roofs take different forms, adapting to urban constraints and challenges. In recent years, a new form of green roof has emerged: productive green roofs (i.e. of edible biomass). Despite a growing interest, rooftop farming is still poorly developed and known. Their design, their development and especially, the ecosystem services they could deliver are still poorly understood and need to be known. Keystone to green roofs, the soil in place directly and indirectly influences the provided ecosystem services. Despite, it’s key role, soil is still poorly studied. Furthermore, non-renewable products such as pozzolan or expanded clay or peat are today mostly used in their composition. In this work we have studied constructed soils, named Technosols, for productive roofs made only of urban wastes. The objectives of this thesis were: (i) to achieve a quantitative assessment of delivered ecosystem services (ii) analyze the first stages of Technosol pedogenesis. In order to do so, three experimental devices were implemented on the “Bertrand Ney” rooftop of the technical University AgroParisTech in Paris. The experimental devices consist of multiple plots filled with different disposal of five urban wastes: green waste compost, shredded woods, crushed tiles and bricks, spent coffee grounds used to grow mushroom and a biowaste compost. The impact of the different Technosols on (i) ecosystem services, (ii) food production (quality and quantity), (iii) fertility) and (iv) temporal evolution, were assessed. Constructed Technosol are fertile and allow a consistent food production over one to five years. The level of food production was equivalent to that of a professional producer and food quality regarding trace metal element was below existing norms. The quantitative assessment of ecosystem services (food production, urban waste recycling, rainwater retention and overflow quality (C and N)), highlighted the multifunctional nature of productive green roofs. However, we identified an ecosystem disservice which is an alteration in the quality of the leachates due to carbon leaching and presumably other elements. A first phase of rapid and strong pedogenesis was observed marked by an intense biodegradation and lixiviation of the Technosols. Our works identified two trade-offs in the design of a productive Technosol: between (i) the biodegradation or organic materials (ensuring the supply of mineral nutrient to plants) and the maintenance of the structure and porosity of the Technosol (i.e. its physical fertility) and (ii) the supply of nutrients by biodegradation and leaching, resulting in a loss of these elements and an alteration of the quality of percolation waters on the other hand. Knowledge of the properties of the materials used to build Technosols and on their link with the expected ecosystem services already makes it possible to design multifunctional productive rooftop based on urban waste and manage them sustainably.

Le nombre croissant de sites affectés par la présence de matériaux technogéniques rend nécessaire l’étude du (bio)fonctionnement des Technosols, qui s’y développent. Un matériau technogénique, issu d’une ancienne friche industrielle de cokerie et présentant une multipollution en HAP et en métaux a été disposé dans des parcelles lysimétriques pour une étude in situ (site d’Homécourt, www.gisfi.fr). La caractérisation morphologique et analytique à différentes échelles du matériau initial nous a permis d’y définir, en analogie avec la classification pédologique standard, la présence (1) de constituants primaires tels que quartz, oxydes de fer, gypse et matières organiques anthropiques, (2) de pseudo-sables technogéniques, soit des laitiers, (3) d’agrégats technogéniques stables à l’eau (12% de la masse du sol) néoformés grâce au rôle agrégeant de la fraction fine (0-20µm). Matières organiques anthropiques et ETM (Zn Pb, Ba) contribuent à la formation de ces associations organo-minérales. Ce matériau d’origine anthropique, tout spécifique qu’il soit, contient des constituants minéraux et organiques capables de s’associer et donc susceptibles, au même titre que ceux des sols naturels, d’évoluer sous l’effet des facteurs pédogénétiques et former ainsi un technosol. Si les deux années d’expérimentation n’ont pas été suffisantes pour mettre en évidence une modification de la stabilité structurale de ce jeune Technosol, les résultats y soulignent l’impact des plantes colonisatrices et de la microflore rhizosphérique sur la formation d’associations organo-minérales. L’activité biologique est donc un facteur clef d’évolution de ces sols / The increasing number of sites affected by the presence of technogenic materials makes necessary the study of (bio)functioning of Technosols, developed there. A technogenic material, resulting from an old industrial coking plant and presenting a multipollution of HAP and metals was laid out in lysimetric pieces for an “in situ” study (site of Homécourt, www.gisfi.fr). The morphological and analytical characterization at different scales of initial material enabled us to define, in analogy with standard pedological classification, the presence (1) of primary constituents such as quartz, iron oxides, gypsum and anthropic organic matters, (2) of technogenic pseudo-sands, like slags, (3) of water-stable technogenic aggregates (12% of the soil mass), generated through the aggregating role of the fine fraction (0-20 µm). Anthropic organic matter and ETM (Zn Pb, Ba) contribute to the formation of these organo-mineral associations. This material of anthropic origin, while it is specific, contains mineral and organic components able to aggregate and is thus, as well as natural soils, able to develop under the influence of pedogenic factors to form a Technosol. If the two years of experimentation were not sufficient to highlight a modification of the structural stability of this young Technosol, the results underline there the impact of the colonizing plants and the rhizospheric microflora on the formation of organo-mineral associations. The biological activity is thus a key factor of evolution of these soils

Les sédiments fins qui s’accumulent naturellement en amont des ouvrages hydroélectriques sont parfois amenées à être gérés à terre, pour des raisons techniques ou environnementales. L’une des voies de valorisation envisagée pour les gérer est la construction de sols fertiles pour l’aménagement d’espaces végétalisés ou encore pour la réhabilitation de zones dégradées. Cet usage des sédiments en tant que matériaux alternatifs pour construire des sols contribue à préserver la ressource en terre végétale et nécessite de prouver la valeur agronomique et l’innocuité environnementale des sédiments. Une approche expérimentale (essai sous serre de 3 mois et essai in situ en bacs lysimétriques de 24 mois) a permis d’évaluer les composantes physiques, chimiques et biologiques de la fertilité de sols construits à partir de 6 sédiments, seuls ou mélangés avec 40 % (v:v) de compost de déchets verts.Les résultats de l’étude ont mis en évidence que la capacité d’agrégation des sédiments est un facteur clé de leur fertilité. Le suivi du développement de la couverture végétale des sols construits a démontré la capacité de tous les sédiments étudiés à être support de végétation. Les sédiments riches en matière organique (MO) (>30 g kg-1) sont adaptés aux végétaux des espaces végétalisés ayant potentiellement des exigences hydriques et trophiques élevées. Les sédiments pauvres en MO (<30 g kg-1), semblent davantage adaptés à une utilisation pour des opérations de restauration où les exigences des végétaux sont généralement moindres. Ce travail aboutit à la proposition de critères environneme / Fine sediments naturally accumulate upstream of hydropower facilities. For technical or environmental reasons, they occasionally have to be dredged and land managed. Using dredged sediment to construct fertile soils and set up green spaces or rehabilitate degraded land is one the ways dredged sediment can be valorized. This use of sediment as an alternative soil-building material helps preserve the topsoil resource, but its agronomical value and environmental safety first has to be demonstrated. We used an experimental approach (a 3-month greenhouse trial and a 24-month in situ lysimeter test) to assess the physical, chemical, and biological parameters of soil fertility from 6 sediments that were either pure or mixed with 40 % (v:v) of green waste compost.The results showed that sediment aggregation capacity is a key factor of their fertility. The monitoring of vegetation cover development on the constructed soil demonstrated that all six sediments could support vegetation. High organic matter (OM) content sediments (> 30 g kg-1) are suitable to grow plants with potentially high water and nutrient requirements. Low OM content sediments (< 30 g kg-1) appear to be more suitable for use in restoration operations where plant requirements are generally lower. This work leads to the proposal of environmental and agronomical criteria for directing sediments towards soil construction and propose adapted uses.