Impact of ageing of green roof substrates on their hydrological and thermal performances | Impact du vieillissement des substrats de toiture végétalisée sur leurs performances hydrologiques et thermiques

Английский. The green roof system is a complex system that could be described by its “properties”, considering on the nature and physical, chemical, and thermal properties of its abiotic components (i.e., substrate and drainage layers) and on the other hand its biotic components (i.e., vegetation, spontaneous fauna, and microbiota). As in all biotic/abiotic systems, complex interactions happen. First, the external system—here described as “factors”—induces an ageing effect that results in the evolution of “properties” over time (e.g., rain may induce leaching of fine particles; cold temperature may alter the vegetation development). Moreover, interactions between abiotic and biotic components may also induce evolution of “properties” (e.g., plant litter may increase the organic matter content in the substrate; decrease of the substrate physico-chemical fertility can decrease the biomass production). Eventually, such inter-relations and interactions between all “factors” and “properties” can control the level of performances that could be submitted to changes over time. Though the system is complex, our approach sheds light on the potential of simplifying each Factor property performance relations and hence understanding the system evolution and performances better. This research need originated from the fact that most of the relevant studies conducted to date have neglected these temporal dynamics of green roof evolution and their high reactive technosol properties. This PhD aimed to reach a crossroad point between ageing -of inert materials and pedogenesis- that describes evolution of living media and to evaluate the performance evolution of green roof over time. To evaluate this, first, a meta-analysis was conducted whose main findings highlighted that most factors and properties have a positive influence on the performances of green roofs, showing there are many existing levers to enhance the green roof performances and tackle some of the main urban environmental issues. But, considering that these lists were far from exhaustive, it was noted that a huge potential in determining green roof performances remains unearthed. Thus, experiments were designed and conducted with the purpose to reproduce certain factors considered as influential (i.e. rain, vegetation and freeze/thaw alternation), under controlled conditions, on mesocosms of 3 different green roof substrates chosen based on composition and granulometry. Their substrate properties were monitored over time through self-designed artificial aging over a period of 2 months to mimic real time evolution. Our results showed evidence of early pedogenesis especially for the finer substrate. Depending on the substrate: i) vegetation stimulates or maintains microbiology; ii) rain modifies granulometry through leaching processes; iii) frost modifies granulometry through fractionation. There was also change in the poral structure thus modifying the water retention performance. Other than that, the changes in the performance of other studied properties seem more due to the temporal evolution rather than factorial based. It was also noted in monitoring of the reference samples which revealed: a decrease or increase in pH depending on the substrate, small variations in microbiology and in organic carbon and total nitrogen concentrations. As a final step, in situ aged property evolution measurements from 7 substrates originating from two different sites of different ages and 3 different vegetation, revealed that the evolution is mainly driven by the age where the younger substrates (3 years) could be seen undergoing a rapid pedogenisis compared to the older substrates (10 years) whose evolution seem to have comparatively settled. Considering the results overall, it can be said that within the first years, the pedogenesis trajectories of green roof substrates are mostly dominated by the nature and composition of their parent materials. Then, after a while, the factors could take the lead.

Французский. Une toiture végétalisée (TV) est un système complexe qui peut être décrit par ses propriétés, en considérant d'une part les propriétés de ses composants abiotiques (substrat et couche de drainage) et d'autre part ses composants biotiques (végétation, faune spontanée et microbiote). Comme dans tous les systèmes biotiques/abiotiques des interactions complexes se produisent. Tout d'abord, le système externe - introduit ici comme étant des facteurs - induit un effet de vieillissement qui se traduit par l'évolution des propriétés. De plus, les interactions entre les composants abiotiques et biotiques peuvent également induire une évolution des propriétés. Ces interrelations et interactions entre tous les facteurs et propriétés peuvent contrôler le niveau des performances qui pourraient être soumit à des changements dans le temps. Notre approche met en lumière la possibilité de simplifier les relations entre les performances de chaque facteur et donc de mieux comprendre l'évolution et les performances d'une TV. Ce besoin de recherche est né du fait que la plupart des études pertinentes menées à ce jour ont négligé cette dynamique temporelle de l'évolution des TV et des propriétés du technosol hautement réactives. Cette thèse vise à atteindre un point de croisement entre le vieillissement des matériaux inertes et la pédogenèse qui décrit l'évolution des milieux vivants puis à évaluer l'évolution des performances des TV au fil du temps. Pour ce faire, une méta-analyse a d'abord été menée, dont les principaux résultats ont mis en évidence que la plupart des facteurs et des propriétés ont une influence positive sur les performances des TV, montrant qu'il existe de nombreux leviers pour améliorer leurs performances et résoudre certains des principaux problèmes environnementaux urbains. Mais, considérant que ce recensement était loin d'être exhaustif, il a été noté qu'un énorme potentiel dans la détermination des performances des TV reste à découvrir. Des expériences ont été conduites afin de reproduire dans des conditions contrôlées certains facteurs considérés comme influents (e.g. pluie, végétation, alternance gel/dégel), sur des mésocosmes de 3 substrats de TV différentes choisis en fonction de leur composition et de leur granulométrie. Les propriétés de leurs substrats ont été suivies en suivant un protocole de vieillissement artificiel sur une période de 2 mois pour simuler l'évolution en temporelle. Nos résultats ont montré des preuves de pédogenèse précoce, en particulier pour le substrat le plus fin. Selon le substrat : i) la végétation stimule ou maintient la microbiologie ii) la pluie modifie la granulométrie par des processus de lessivage iii) le gel modifie la granulométrie par fractionnement. Il y a également un changement dans la structure porale, ce qui modifie les performances de rétention d'eau. De plus, les changements dans les performances des autres propriétés étudiées semblent plus dus à l'évolution temporelle qu'à une influence des facteurs. Le suivi des échantillons de référence ont révélé une diminution ou une augmentation du pH selon le substrat, de petites variations dans la microbiologie et dans les concentrations de carbone organique et d'azote total. Enfin, des prélèvements in situ, nous ont permis de mesurer l'évolution des propriétés vieillies de 7 substrats provenant de deux sites d'âges différents et de 3 végétations différentes. Elles ont révélé que l'évolution est principalement déterminée par l'âge ; les substrats les plus jeunes (3 ans) subissant une pédogenèse rapide par rapport aux substrats plus anciens (10 ans) dont l'évolution semble s'être relativement stabilisée. En considérant l'ensemble des résultats, on peut dire que dans les premières années, les trajectoires de pédogenèse des substrats de TV sont principalement dominées par la nature et la composition de leurs matériaux intrinsèques. Puis, après un certain temps, les facteurs semblent régir les performances.