Contribution des fractions granulométriques grossières au fonctionnement des sols très anthropisés

Contribution of coarse granulometric fractions to the functioning of highly anthropized soils

• Auteur / Autrice : Guillaume Hostyn
• Direction : Christophe Schwartz, Stéphanie Ouvrard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences agronomiques
• Date : Soutenance le 29/06/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire sols et environnement (Vandoeuvre-les-Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Sophie Cornu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Schwartz, Stéphanie Ouvrard, Patrice Cannavo, Cécile Delolme, Jean-Marie Côme, Hélène Roussel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrice Cannavo, Cécile Delolme

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sols -- Fertilité

Sols -- Analyse

Granulométrie

Échantillonnage

Technosols

Effets de l'homme

Sols

Mots clés libres

Sols très anthropisés

Technosols

Typologie

Réactivité

Matériaux naturels et technogéniques grossiers

Support de végétation

Highly anthropized soils

Technosoils

Typology

Reactivity

Natural and technogenic materials

Vegetation support

Résumé

Les approches de requalification de sites dégradés répondent de plus en plus à un double enjeu de dépollution et de valorisation. Les sols de ces sites, dits « sols très anthropisés », sont très souvent caractérisés par un fonctionnement dégradé lié aux processus anthropo-génétiques à l'œuvre dans ces contextes. Ces processus sont à l'origine de la présence dans ces sols de matériaux exogènes technogéniques ou naturels en quantités et natures variées. Dans ce contexte, les études et réflexions sur leur gestion s'effectuent classiquement sur la fraction fine, obtenue après tamisage à 2 mm, et laisse de côté la fraction dite « grossière », souvent surreprésentée (jusqu'à 50-60 % en masse). Or cette fraction, souvent considérée comme inerte, ne l'est pas nécessairement et sa présence peut éventuellement orienter le fonctionnement des écosystèmes et leur gestion future. Une approche méthodologique a alors été développée grâce à laquelle les dimensions et la nature des objets à étudier ont été précisément définis à travers l'utilisation d'une échelle granulométrique adaptée et la construction d'une typologie. Le couplage de cette approche à des caractérisations physico-chimiques a démontré la capacité de discrimination de la stratégie de tri mise en œuvre. La typologie a ainsi pu être amendées avec les informations liées aux composés caractéristiques des catégories de matériaux identifiées. Sur cette base, cinq matériaux modèles (anthracite, brique, calcaire, coke de pétrole et laitier de haut fourneau) ont été sélectionnés afin d'aider à la généralisation des résultats. Un processus d'adaptation des méthodes standardisées d'analyses de sol a alors été développé afin d'évaluer la réactivité des fractions granulométriques grossières. Ces dernières ne sont pas inertes et leur réactivité, bien qu'elle soit réduite par rapport à la fraction fine d'un point de vue massique, est uniquement dépendante du type de matériau et de la surface des particules. Pris seuls, les matériaux modèles sélectionnés présentent un niveau de fertilité insuffisant pour le développement du végétal et ne sont que marginalement à l'origine d'une toxicité. Ces résultats indiquent, qu'au sein du sol, les fractions grossières constituent un stock pérenne d'éléments mobilisables dans le temps à travers le processus d'altération mis en jeu par la pédogenèse. Ceci a été confirmé avec des essais de culture de végétaux sur des substrats à la formulation originale associant fractions grossières, fractions fines et matériaux inertes en conditions contrôlées en laboratoire et en lysimètres à l'échelle pilote de terrain. La contribution directe des fractions grossières à l'alimentation de la solution du sol en éléments puis à la nutrition minérale des végétaux est mise en évidence à court et à moyen termes. Ces fractions jouent également un rôle majeur dans le fonctionnement hydrique du sol en contribuant significativement à la rétention, au stockage de l'eau et à la libération d'éléments. Le type de matériau apparaît être le facteur principal gouvernant l'intensité de ces effets. Ces travaux de thèse ont ainsi permis de replacer les fractions granulométriques grossières dans un rôle actif dans le fonctionnement et l'évolution des sols très anthropisés. Les résultats obtenus apportent des connaissances nouvelles pour le génie pédologique et les acteurs de la gestion des sols très anthropisés. A cet effet, une procédure systématique de diagnostic des fractions granulométriques grossières a été proposée dont les effets doivent servir deux objectifs, i) enrichir les connaissances liées aux constituants des fractions grossières et ii) permettre une prise de décision éclairée, basée sur une connaissance plus complète du contenu d'un sol très anthropisé, autorisant une meilleure gestion en fonction du type de renaturation visée.

The approaches of requalification of degraded sites increasingly answer the double challenge of depollution and valorization. The soils of these sites, known as "highly anthropized soils", are often characterized by a disturbed functioning due to anthropogenetic impacts. In particular, anthropic actives are responsible for the presence in these soils of exogenous materials, from both technogenic or natural origins, in varying quantities and natures. In this context, all the diagnoses and considerations regarding their management are carried out on the fine fraction, obtained after sieving at 2 mm, and ignore the so-called "coarse" fraction, which is often overrepresented (up to 50-60% by mass). This fraction, considered as inert, may not necessarily be so and its presence may have important consequences on the functioning of ecosystems and their future management.A dedicated methodological approach was developed. First, the dimensions and nature of the objects to be studied were precisely defined using an appropriate granulometric scale and the construction of a typology. This approach coupled to physico-chemical characterizations confirmed the efficiency of the tested screening strategy and fully enabled a precise and meaningful discrimination among coarse materials. The typology was thus implemented with composition characteristics of the material categories. On this basis, five reference materials (anthracite, brick, limestone, petroleum coke and blast furnace slag) were selected in order to allow for the generalization of the results. An adaptation process of standard soil analysis methods was then developed in order to assess the reactivity of coarse granulometric fractions. Results showed that coarse fractions are not inert. Their reactivity, although reduced compared to the fine fraction from a mass point of view, is only dependent on the type of material and the surface of the particles. Taken alone, the selected model materials present an insufficient level of fertility for plant development and are only marginally at the origin of toxicity. In an overall soil system, the coarse fraction constitutes a perennial stock of elements of interest that can be mobilized over time through the weathering processes generated by pedogenesis. The direct contribution of coarse fractions to plant nutrition was confirmed both under controlled conditions in the laboratory and in lysimeters at the pilot field scale. They also significantly contribute to water retention and storage. The type of material is the main factor governing the intensity of these effects.This thesis work has thus positioned the coarse granulometric fractions as being an active part of the functioning of highly anthropized soils. The results obtained provide new knowledge for stakeholders involved in soil engineering and highly anthropized soils management. To this end, a systematic procedure of diagnosis of coarse granulometric fractions has been proposed, the effects of which should serve two purposes, i) to enrich the knowledge related to the constituents of coarse fractions and ii) to allow an insightful decision-making process, based on a complete knowledge of the reality of a highly anthropized soil, authorizing an optimal and sensible management according to the targeted type of renaturation.