Impact du stress des arbres urbains sur la qualité de l'air – sTREEt

La première expérimentation (2020 à 2023) est constituée de jeunes platanes (Platanus x hispanica), forts émetteurs d’isoprène, cultivés en milieu urbain (Vitry/Seine, en pots. Durant cette période les paramètres environnementaux et physiologiques (échanges gazeux, fluorescence chlorophyllienne…) …) ont été suivis. La moitié des arbres a été soumise à une sécheresse en 2021 (modérée) et en 2022 (sévère). Les émissions de COVb ont été mesurées à l’échelle du rameau avec un analyseur en ligne PTR-MS en 2020 et 2021 et à l'échelle de la feuille avec une GC-MS portable en 2022 (méthode développée au cours du projet). Des marqueurs biochimiques de stress foliaire (proline, malondialdehyde) ont été quantifiés et une analyse métabolomique a été effectuée en 2022.
La seconde expérimentation a eu lieu en juin-juillet 2022 au centre de Paris dans le « Jardin des combattants de la Nueve » (4ème arrondissement) près d’un axe routier à fort trafic. Les émissions de COVb de 13 espèces d’arbres et d’arbustes de ce jardin ont été mesurées à l’échelle du rameau et un suivi physiologique a été réalisé. En parallèle, la composition de l’air ambiant (COV, NOx et aérosols dont la fraction de 14C dans la phase particulaire) a été caractérisée afin d'évaluer l'impact des différentes sources de COVb sur les phases gazeuse et particulaire.
Les données expérimentales obtenues ont alimenté le modèle de fonctionnement hydraulique de l'arbre urbain. Les arbres urbains n’étant pas pris en compte dans les modèles de qualité de l’air aussi bien à l’échelle régionale qu’à l’échelle de la rue, les processus associés ont été paramétrisés et ajoutés. La base de données des arbres de la ville de Paris a été utilisée pour intégrer leurs émissions de COVb dans le modèle régional CHIMERE. Une méthode d’estimation des caractéristiques des arbres qui sont utilisées en données d’entrée des différents modèles (surface de feuille, biomasse sèche, taille de la couronne, etc.) a été développée. Ainsi, les différents effets des arbres urbains sur la qualité de l’air à l’échelle de la rue ont été ajoutés dans le modèle de réseau de rue MUNICH. L’effet aérodynamique des arbres dans les rues a été paramétré à partir de simulations de mécanique des fluides. Le dépôt sur les feuilles des arbres a été calculé à partir d’une approche résistive adaptée à l’échelle de l’arbre urbain dans la rue. Pour représenter les impacts des hétérogénéités du microclimat urbain et de l’effet thermo-radiatif des arbres sur les concentrations de gaz et de particules, un couplage entre les modèles de surface urbaine (TEB), de continuum sol-plante-atmosphère (SPAC) et de qualité de l’air à l’échelle des rues (MUNICH) a été mis en place. Le couplage entre les modèles MUNICH, TEB et SPAC permet également de calculer plus précisément les émissions de COVb, grâce à l’estimation de la température de surface des feuilles et du rayonnement solaire reçu par les feuilles dans la rue.

Pour la première expérimentation, les paramètres physiologiques et la variabilité (temporelle, intra et inter-arbres) des émissions de COVb ont été caractérisés à l’échelle du rameau en 2021. La sécheresse modérée n’a pas eu d’effet significatif sur le facteur d’émission d’isoprène, entre autres à cause d'une variabilité très importante. Un platane de 70 ans proche de la parcelle présentait des émissions similaires à celles des jeunes arbres. En 2022, la méthode de mesure des COVb à l’échelle de la feuille a été validée et une sécheresse intense a été appliquée. Les platanes ont montré une régulation stomatique de la photosynthèse tant que le stress hydrique était modéré puis, quand le stress est devenu sévère, des dommages de l’appareil photosynthétique et une défoliation. Les émissions d’isoprène n’étaient pas corrélées à l’assimilation du carbone mais semblent plutôt reliées au pouvoir réducteur issu de la photochimie. Chez le platane, un stress hydrique modéré ne réduit pas les émissions d’isoprène. Celles-ci chutent néanmoins en réponse à un stress sévère principalement à cause de la défoliation. Ainsi, aucun effet significatif négatif de la sécheresse, lié aux émissions d’isoprène des platanes en ville n’est attendu sur la qualité de l’air.
La seconde expérimentation a permis de caractériser une source locale biogénique dominée par l'isoprène, aux abords d'un trafic routier très intense. Ainsi, les teneurs ambiantes d'isoprène en ville sont supérieures à celles d’un site péri-urbain (Saclay) hors vague de chaleur. Pour autant, il semble que la contribution anthropique d'isoprène pourrait être, ponctuellement, non négligeable. A cet effet, la poursuite des analyses du 14C sur les filtres prélevés sur site, nous aidera in fine à caractériser et quantifier la contribution de la source biogénique vs anthropique sur les phases gazeuse et particulaire dans l'air ambiant.
La modélisation de la qualité de l’air de la région parisienne a montré qu’en moyenne sur les mois de juin et juillet 2022 à Paris, l’effet aérodynamique induit une augmentation des concentrations des composés émis dans la rue (NO2, carbone suie), amplifiée par la surface de feuille et l'intensité du trafic (+4.6% en moyenne et jusqu’à +37% pour le NO2 selon les conditions testées). Cette accumulation des NOx entraîne une diminution des concentrations d'O3 (-2.3% en moyenne et jusqu'à -23.2%). Le dépôt sec de polluants sur les feuilles a un effet minime sur les concentrations de gaz et particules. Les émissions de COVb induisent principalement une augmentation des concentrations de particules organiques (+4.6% en moyenne et jusqu’à +11.5%) et dans une moindre mesure d'O3 (+1.0% en moyenne et jusqu’à +2.4%). Le couplage des différents modèles montre que lors d’une sécheresse les arbres ne rendent plus leur service de rafraichissement et que les émissions de COVb sont stimulées par l’augmentation de la température des feuilles (jusqu’à +36% pour l’isoprène).

Les données expérimentales et le modèle obtenus permettent de prendre en compte les émissions de COVb des arbres urbains dans les modèles de qualité de l’air et par les gestionnaires de la ville. Les recommandations qui pourraient être formulées seraient de limiter l'implantation d'arbres avec des grands houppiers dans les rues à fort trafic, d’assurer un bon approvisionnement en eau des arbres en été pour maintenir leur effet rafraichissant et de limiter l'implantation d'espèces fortes émettrices de terpènes.

1. Kim Y., Lugon L., Maison A., Sarica T., Roustan Y., Valari M., Zhang Y., André M., Sartelet K. (2022) TI MUNICH v2.0: a street-network model coupled with SSH-aerosol (v1.2) for multi-pollutant modelling, Geoscientific Model Development, 15, 7371-7396. doi.org/10.5194/gmd-15-7371-2022
2. Maison A., Flageul C., Carissimo B., Tuzet A., Sartelet K. (2022a) Parametrization of Horizontal and Vertical Transfers for the Street-Network Model MUNICH Using the CFD Model Code_Saturne. Atmosphere 13, 527. doi.org/10.3390/atmos13040527
3. Maison A., Flageul C., Carissimo B., Wang Y., Tuzet A., Sartelet K. (2022b) Parameterizing the Aerodynamic Effect of Trees in Street Canyons for the Street Network Model MUNICH Using the CFD Model Code_Saturne. Atmospheric Chemistry and Physics 22, 9369-9388. doi.org/10.5194/acp-22-9369-2022
4. Wang, Y., Flageul, C., Maison, A., Carissimo, B., Sartelet, K. (2023). Impact of trees on gas concentrations and condensables in a 2-D street canyon using CFD coupled to chemistry modeling. Environmental Pollution, 121210. doi.org/10.1016/j.envpol.2023.121210
5. Maison, A., Lugon, L., Park, S.-J., Baudic, A., Cantrell, C., Couvidat, F., D'Anna, B., Di Biagio, C., Gratien, A., Gros, V., Kalalian, C., Kammer, J., Michoud, V., Petit, J.-E., Shahin, M., Simon, L., Valari, M., Vigneron, J., Tuzet, A., and Sartelet, K. (2023) Significant impact of urban-tree biogenic emissions on air quality estimated by a bottom-up inventory and chemistry-transport modeling, EGUsphere, accepted for publication in Atmos. Chem. Phys. doi.org/10.5194/egusphere-2023-2786

La végétation urbaine est une source de services écosystémiques comme la réduction du phénomène d’îlots de chaleur urbains ou l’augmentation des surfaces de d épôt de polluants. Cependant, les arbres urbains émettent des composés organiques volatils biogéniques (COVB ; les isoprènes par ex.) qui peuvent réagir avec les polluants atmosphériques pour former des polluants secondaires, tels que l'ozone (O3) et des aérosols organiques secondaires (AOS). Les émissions de COVB ont été davantage étudiées dans les écosystèmes naturels ; ces émissions étant régulées par les conditions environnementales, il est intéressant de se focaliser sur les arbres urbains soumis à de fortes contraintes (ressources réduites, pollution). Leur contribution à la qualité de l'air doit être clarifiée afin d'améliorer les facteurs d'émission utilisés dans les modèles de qualité de l'air, notamment en conditions de stress. Le projet sTREEt a pour objectifs i) d'analyser les interactions entre les facteurs abiotiques urbains, la physiologie des arbres et leurs émissions de COVB, ii) de modéliser le fonctionnement de l’arbre urbain et iii) d’intégrer toutes ces données dans des modèles de qualité de l'air. Il s’appuiera sur deux expérimentations et sur de la modélisation de l’arbre et de la qualité de l’air.
L’expérimentation 1 (années 1 et 2) utilisera de jeunes platanes cultivés en milieu urbain, en pots afin de maîtriser leur état hydrique, principal facteur limitant le développement des arbres urbains. Ces platanes, forts émetteurs d’isoprène, seront étudiés pendant deux ans, au printemps et en été. Les paramètres environnementaux seront enregistrés, la moitié des arbres sera arrosés régulièrement, l’autre sera soumise à une sécheresse. Les échanges gazeux, la fluorescence de la chlorophylle, le potentiel hydrique des feuilles, la température du couvert et des indices spectraux seront mesurés. Les émissions de COVB seront évaluées à l'échelle de la feuille avec un système développé au cours du projet, et à l’échelle du rameau avec une chambre dynamique déjà validée. L'analyse des COVB sera effectuée à l'aide d'analyseurs en ligne, PTR-MS et d’un système GC portable, connectés aux chambres. Des marqueurs biochimiques de stress foliaire (proline, mannitol, carbonylation de protéines) seront également quantifiés. Des analyses métabolomiques permettront de suivre le lien entre métabolisme primaire et voies de synthèse des COVB. L’expérimentation 2 (année 3) utilisera des arbres plus âgés d’un site urbain, un platane et une autre espèce ligneuse émettrice de monoterpènes (précurseurs d’AOS). Les émissions de COVB seront ainsi mesurées in situ, avec les échanges gazeux des arbres urbains et la composition de l'air environnant, afin d'évaluer l'impact des émissions de COVB sur les phases gazeuse et particulaire (PTR-MS). Enfin, la composition chimique des aérosols sera analysée à l'aide d'un ACSM et des dosages de 14C permettront d'estimer la fraction biogénique de la phase particulaire.
Les données expérimentales obtenues alimenteront la partie modélisation du projet. Un modèle de continuum sol-plante-atmosphère conçu pour un arbre de forêt sera adapté à l’arbre urbain. Le fonctionnement hydraulique de l'arbre sera modélisé en fonction des conditions radiatives, de la régulation stomatique et de la diffusion radiale de l'eau du sol aux racines. Ce projet permettra une meilleure représentation des paramètres requis pour le paramétrage des émissions de COVB qui sera utilisée par la modélisation de la qualité de l'air (Polyphemus) qui finalisera cette étude. Cette modélisation simulera les concentrations d’O3, NOx, particules PM10, PM2.5 dont composés organiques), à l'échelle régionale et dans les rues de Paris, qui seront comparées aux émissions de COVB mesurées in situ. Ce modèle, utile aux gestionnaires de la ville, permettra de valider l'impact de la végétation, stressée ou pas, sur les concentrations d'ozone et de particules dans le Grand Paris.