Soutenance de thèse de CALMON Lucie
Titre de thèse
Évaluation multi échelle de l'effet barrière végétale des espèces ligneuses spontanées pour limiter la diffusion d'éléments potentiellement toxiques en lisière d'une friche industrielle
Multi-scale evaluation of the vegetative barrier effect of spontaneous woody species in limiting the spread of potentially toxic elements at the edge of a brownfield
Résumé de la thèse
Cette thèse s'inscrit dans le champ de l'ingénierie écologique et des solutions fondées sur la nature. Elle évalue le potentiel d'une barrière végétale spontanée à retenir et piéger des particules contaminées en éléments potentiellement toxiques (EPT : As, Cd, Cu, Pb, Sb, Zn) et à contribuer à leur bio-confinement, en contexte de pollution multi-source.
Le travail a été mené sur le littoral sud de Marseille, en lisière du Parc national des Calanques, au niveau d'une barrière végétale spontanée, localisée en bordure d'une ancienne usine de plomb (1873-1884) dans un secteur affecté par une contamination multi-source en EPT, héritée de près d'un siècle d'activités industrielles. Les sols de ce secteur portent une contamination multi-source et diffuse en EPT, héritée d'activités industrielles variées, exercées par des usines réparties le long du littoral. La barrière végétale étudiée, longue d'environ 70 m, est majoritairement composée d'espèces ligneuses méditerranéennes : Pinus halepensis, Pistacia lentiscus, Quercus ilex et Juniperus phoenicea ainsi que d'une espèce exotique, Pittosporum tobira. Un site de référence non contaminé (Roy d'Espagne) comprenant les deux espèces majoritaires (P. halepensis, P. lentiscus) a permis d'établir un fond local de contamination.
La démarche repose sur l'analyse de la barrière végétale en conditions réelles et sur un changement d'échelle allant de la feuille à la barrière végétale entière. Dans les sols, les concentrations des EPT ont été analysées dans la fraction fine (<2mm, formes pseudo-totales, échangeables et mobilisables), ainsi que dans la fraction érodable (<250µm, formes pseudo-totales, bioaccessibilité orale). Les concentrations en EPT ont été déterminées dans les feuilles lavées et non lavées, les écorces et la litière. Des traits foliaires (morphologiques, fonctionnels, chimiques) ont été mesurés. La biomasse aérienne a été estimée par équations allométriques et comparée à des volumes dérivés de données LiDAR HD (IGN).
Les sols présentent une contamination marquée, particulièrement dans la fraction érodable, significativement plus concentrée en As, Cu, Pb, Sb et Zn. La fraction échangeable reste faible (<1%), mais la fraction mobilisable est substantielle (jusqu'à 58% pour Pb). L'étude des corrélations entre les traits foliaires et la contamination en EPT (du sol et foliaire) n'a révélé aucune influence significative de la contamination sur ces traits, suggérant une tolérance aux EPT des espèces sclérophylles étudiées. L'absence de gradient de contamination entre les deux faces de la barrière végétale confirme une pollution diffuse et multi-sources. La barrière végétale n'agit donc pas comme un filtre à particules unidirectionnel, mais comme un piège multidirectionnel. Les dépôts foliaires en EPT, bien que faiblement concentrés par rapport aux sols, représentent jusqu'à 22% du Pb et 44% du Sb totaux dans les feuilles, avec des capacités de rétention similaires entre P. halepensis et P. lentiscus. Le stockage préférentiel des EPT non essentiels (Cd, Pb, Sb) dans l'écorce reflète un stockage dans les parties sénescentes. La litière, à contamination intermédiaire, assure quant à elle une couverture du sol limitant l'érosion, soit un bio-confinement des sols. La corrélation entre volume LiDAR et biomasse aérienne allométrique est robuste (R²=0,93 et 0,82), validant une approche d'estimation non destructive à l'échelle de la barrière végétale.
Cette thèse qui propose une démarche intégrative combinant écologie fonctionnelle, chimie analytique et télédétection LiDAR, apporte une méthodologie transposable à d'autres sites contaminés en milieu méditerranéen. Tolérantes à la contamination et adaptées aux contraintes méditerranéennes, ces barrières végétales, pérennes et spontanées limitent la diffusion des EPT par piégeage atmosphérique et bio-confinement, tout en préservant le sol vivant, et constituent à ce titre une solution fondée sur la nature adaptée aux secteurs contaminés en EPT.
Thesis resume
This thesis is part of the field of ecological engineering and nature-based solutions. It assesses the potential of a spontaneous vegetative barrier to retain and trap particles contaminated with potentially toxic elements (PTEs: As, Cd, Cu, Pb, Sb, Zn) and to contribute to their bio-confinement, in a context of multi-source pollution.
The work was carried out on the southern coast of Marseille, on the edge of the Calanques National Park, at a spontaneous vegetative barrier located along the boundary of a former lead factory (1873–1884), in an area affected by multi-source PTE contamination inherited from nearly a century of industrial activity. The soils in this area carry diffuse, multi-source PTE contamination stemming from various industrial activities carried out by factories located along the coastline. The vegetative barrier studied, approximately 70 m long, is mainly composed of Mediterranean woody species: Pinus halepensis, Pistacia lentiscus, Quercus ilex, and Juniperus phoenicea, as well as an exotic species, Pittosporum tobira. An uncontaminated reference site (Roy d'Espagne), containing the two dominant species (P. halepensis, P. lentiscus), was used to establish a local background contamination level.
The approach is based on analyzing the vegetative barrier under real conditions and on a change of scale, from the leaf to the entire vegetative barrier. In the soils, PTE concentrations were analyzed in the fine fraction (<2 mm, pseudo-total, exchangeable, and mobilizable forms), as well as in the erodible fraction (<250 µm, pseudo-total forms, oral bioaccessibility). PTE concentrations were determined in washed and unwashed leaves, bark, and litter. Leaf traits (morphological, functional, chemical) were measured. Aboveground biomass was estimated using allometric equations and compared with volumes derived from HD LiDAR data (IGN).
The soils show marked contamination, particularly in the erodible fraction, which is significantly more concentrated in As, Cu, Pb, Sb, and Zn. The exchangeable fraction remains low (<1%), but the mobilizable fraction is substantial (up to 58% for Pb). The study of correlations between leaf traits and PTE contamination (in soil and in leaves) revealed no significant influence of contamination on these traits, suggesting PTE tolerance in the sclerophyllous species studied. The absence of a contamination gradient between the two sides of the vegetative barrier confirms diffuse, multi-source pollution. The vegetative barrier therefore does not act as a unidirectional particle filter, but as a multidirectional trapper. Foliar PTE deposits, although present at low concentrations relative to soils, account for up to 22% of total Pb and 44% of total Sb in the leaves, with similar retention capacities between P. halepensis and P. lentiscus. The preferential storage of non-essential PTEs (Cd, Pb, Sb) in the bark reflects storage in senescent tissues. Litter, showing intermediate contamination levels, provides soil cover that limits erosion, thereby ensuring soil bio-confinement. The correlation between LiDAR-derived volume and allometric aboveground biomass is robust (R² = 0.93 and 0.82), validating a non-destructive estimation approach at the scale of the vegetative barrier.
This thesis, which proposes an integrative approach combining functional ecology, analytical chemistry, and LiDAR remote sensing, provides a methodology transferable to other contaminated sites in Mediterranean environments. Tolerant to contamination and adapted to Mediterranean constraints, these perennial, spontaneous vegetative barriers limit the spread of PTEs through atmospheric trapping and bio-confinement, while preserving living soil, and as such constitute a nature-based solution suited to PTE contaminated areas.