Au cours de notre ère dite « Anthropocène » et caractérisée par l’urbanisation, la biodiversité est fortement contrainte. Il s’agit d’un problème important car elle est considérée comme le principal moteur du fonctionnement des écosystèmes et comme une source de services écosystémiques. Les toits verts sont un exemple de nouveaux écosystèmes au sein de l’environnement urbain. Ils constituent de nouveaux habitats et peuvent alors limiter la perte de biodiversité en ville. Ils offrent de plus d’autres services écosystémiques comme la régulation thermique, la gestion des eaux pluviales, ainsi qu’une certaine valeur esthétique. Dans cette thèse, nous mettrons notamment l’accent sur les toits verts dit "extensifs" (profondeur du substrat < 20 cm) car ils ont une gamme d'applications plus large et sont plus durables (car autonomes et nécessitant donc moins de maintenance).Dans l’Europe du Sud (région Méditerranéen), les performances des toits verts extensifs sont plutôt faibles, probablement à cause de l'effet des fortes températures et de la sécheresse estivale. On peut même s’attendre à une augmentation du niveau de stress des végétaux des toits verts à cause du changement climatique. La mise en place de systèmes d’irrigation pourrait alors aider en favorisant la croissance des plantes et leur survie. Cependant, cet aménagement est souvent perçu comme une option non soutenable car l'accès à l’eau est limité en région méditerranéenne. Au cours de la période estivale, la pénurie d’eau sera de plus encore plus grave du fait du changement climatique. Par conséquent, une augmentation du nombre de recherches menées sur ce sujet est nécessaire afin de sélectionner les espèces végétales les plus adaptées aux toits verts extensifs non irrigués. Il est également nécessaire d’adapter les éléments structurels des toits extensifs pour mieux répondre aux exigences de ces plantes. Pour les pays plus au nord, avec des climats plus froids (par exemple en climat tempéré maritime), les scénarios de changements climatiques prévoient également une augmentation des températures et des précipitations plus erratiques. Les entreprises de toits végétalisés dans ces régions bénéficieront donc également des résultats d’une telle recherche.L’objectif principal de cette thèse était d’élaborer et de tester un nouveau concept pour la réalisation de toits verts extensifs, comprenant notamment la sélection de la végétation et des éléments de structure (substrat). Le travail est basé sur l’hypothèse de « l’habitat modèle », qui énonce qu’il faut cibler les habitats naturels possédant des caractéristiques similaires aux toits verts extensifs afin de trouver des espèces végétales les plus appropriées. La biodiversité en région Méditerranéenne est très riche et il y a plusieurs habitats qui ressemblent plus au moins aux conditions des toits verts extensifs (sols calcaires et superficielles, drainage rapide, pauvreté en nutriments, fluctuations de température, vents forts). Notre hypothèse est alors qu’il serait possible de trouver des plantes possédant des potentiels pour être introduites sur des toits verts extensifs. Parce que la région Méditerranéenne est très étendue, le sud de la France a été sélectionné comme région d’études. Nous concluons que la végétation méditerranéenne peut être une source d'inspiration pour le développement et l’amélioration de la conception des toits verts extensifs, que ce soit pour le climat méditerranéen actuel ou pour d’autres climats sous l'effet futur des changements climatiques prévus. Un choix de plantes appropriées est alors essentiel, ainsi que la conception en termes de techniques d’irrigation durable, de profondeur et composition du substrat et aussi des possibilités de rétention de l’eau. De plus, il existe encore de nombreuses voies pour la réalisation de recherches supplémentaires qui contribueront à la mise en place de toits verts avec une biodiversité plus importante. / In an era of urbanization, biodiversity is under pressure more than ever. Biodiversity is considered a major driver of ecosystem functioning and the provision of ecosystem services. Green roofs, a prime example of urban novel ecosystems, offer habitats and can hence mitigate some biodiversity loss in cities. Apart from biodiversity, green roofs also offer other ecosystem services, such as thermal regulation, stormwater management, and aesthetic and amenity value. Here we focused on extensive green roofs (substrate depth < 20 cm) as these can be applied widely and are more durable (i.e. less maintenance, self-sustaining). In southern Europe (Mediterranean), the performance of (extensive) green roofs is rather low, probably due to the elevated temperatures and summer drought. One may expect that plant stress on green roofs will further increase as a result of climate change. Irrigation could help plant growth and survival. However, irrigation is often perceived as an unsustainable practice, as water is already a limiting factor in many regions and climate change will lead to an even more severe water scarcity during summer. Therefore, research is needed to select plant species suitable for Mediterranean (unirrigated) extensive green roofs, and to adapt green roof design to meet the requirements of the selected plant species. More northern countries with colder climates (e.g. temperate maritime climate) will also face higher temperatures and erratic precipitation events as a result of climate change. The green roof industries located in these regions will hence also benefit from the outcome of such research. The main goal of this thesis was to elaborate and test a new concept for extensive green roof design, comprising both plant selection and design elements. The work is based on the habitat template theory, which states that natural habitats with similar characteristics as extensive green roofs should be targeted when searching for suitable plant species. Mediterranean regions are a hotspot of biodiversity and contain many habitats that match to some extent the conditions on extensive green roofs (e.g. shallow, free draining, nutrient poor and calcareous soils, high temperature fluctuations, windy). We hence hypothesized that it would be possible to find potential plant species for use on extensive green roofs. Because of practical reasons we selected the southern part of France as study region. At the end of this thesis, we conclude that natural habitats in the Mediterranean region can definitely inspire us as a source for development and improvement of extensive green roof design, whether this is for the current Mediterranean climate itself or for other climates under predicted climate change. Appropriate vegetation choice is essential, as well as the design in terms of sustainable irrigation techniques, appropriate substrate depth and composition, and water retention possibilities. Finally suggestions for further research were made.

Les toits verts sont des écosystèmes d’une grande importance pour les milieux urbains. Cependant, le microbiome du sol est peu considéré dans l’aménagement de ces habitats, alors qu’il est pourtant à la base de nombreux services écosystémique, dont le cyclage des nutriments et la productivité primaire. Il est donc nécessaire de s’intéresser davantage à l’assemblage de ce microbiome, de manière à éventuellement mieux manipuler ces communautés pour favoriser le maintien des services écosystémiques. Nous avons donc échantillonné le sol 19 toits verts en plus de cinq grands parcs urbains afin d’étudier les communautés bactériennes, fongiques et mycorhiziennes de ces habitats. Contrairement à ce que prédisent les théories classiques en écologie, les communautés microbiennes des sols des toits verts sont abondantes et diversifiées même dans les toits les plus jeunes. De plus ces communautés ne sont pas dominées par des microorganismes reconnus comme étant tolérants au stress. Ainsi, les limites à la dispersion ne semblent pas affecter ces communautés microbiennes isolées. Une grande variation dans les structures des communautés est restée non expliquée, montrant peu d’évidences d’assemblages déterministes. Ce phénomène pourrait être dû à une plus grande importance de déterminants ou processus stochastiques. Nous avons aussi observé ce phénomène chez les champignons mycorhiziens avec une plus grande abondance des espèces fréquentes régionalement et globalement. Cela montre l’importance du pool régional d’espèces pour l’assemblage des communautés des toits verts. Les toits échantillonnés ont des microbiomes uniques aux parcs environnants, avec une faible abondance de certains groupes taxonomiques, comme les Thaumarchaeota (procaryotes nitrificateurs), les actinobactéries (saprotrophes), ou les Gigasporaceae (champignons mycorhiziens produisant un important réseau d’hyphes extraracinaires). Ces profils microbiens uniques pourraient induire des conséquences biogéochimiques importantes sur les processus écosystémiques du sol des toits verts. Les recherches futures devraient évaluer les liens entre la structure du microbiome et les fonctions écosystémiques rendus par les toits verts. / Green roofs are novel ecosystems of great importance for urban environments. However, green roof soil microbiome has received little attention, even though it supports numerous ecosystem services. It is therefore necessary to pay more attention to the green roof soil microbiome assembly and eventually better manipulate it to promote the maintenance of ecosystem services, as nutrient cycling and primary productivity. We sampled 19 green roofs in addition to five large urban parks to study the bacterial, fungal and mycorrhizal communities in these habitats. Contrary to what was expected under classic ecological theories, microbial communities were abundant and diverse, even on the youngest roofs. Moreover, green roofs soils were not dominated by microorganisms known to be particularly stress tolerant. Dispersal limitation did not appear to affect the green roof soil communities. High level of variation in community structure remained unexplained, showing little evidence of deterministic assembly. This phenomenom may be a sign of stochastic assembly in these habitats. It was partly observed for mycorrhizal fungi with greater abundance of regionally and globally frequent species. This suggests the importance of regional species pool for community assembly in green roofs. The sampled roofs showed unique microbiomes, with low abundance of some taxonomic groups, such as the Thaumarchaeota (nytrifying prokaryotes), Actinobacteria (sapotrophs), or Gigasporaceae (mycorrhizal fungi producing an important external hyphae network). This could have important biogeochemical consequences on green roofs. Much insight will be gained from future research looking at the links between microbiome composition and the ecosystem services provided by green roofs.