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

L’expérimentation 1 utilisera de jeunes platanes (Platanus x hispanica) cultivés en milieu urbain en pots. La première année, les arbres seront maintenus dans un état hydrique optimal et la seconde année, la moitié des arbres sera soumise à une sécheresse. Les paramètres environnementaux, les échanges gazeux, la fluorescence de la chlorophylle, la température du couvert seront mesurés. Les émissions de COVB seront évaluées à l'échelle de la feuille et à l’échelle du rameau avec des analyseurs en ligne, PTR-MS et un système GC-MS portable. Des marqueurs biochimiques de stress foliaire (proline, 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 utilisera des arbres plus âgés d’un site urbain, un platane (année 2) et d’autres espèces ligneuses émettrices de monoterpènes (précurseurs d’AOS) (année 3). 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. 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 le modèle de fonctionnement hydraulique de l'arbre urbain, selon les conditions radiatives, de la régulation stomatique et de la diffusion radiale de l'eau du sol aux racines. Ce projet permettra une paramétrisation des émissions de COVB pour la modélisation de la qualité de l'air (Polyphemus) qui finalisera cette étude. En intégrant l’effet aérodynamique des arbres dans les rues, 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.

La campagne de mesures de juillet 2020 sur les jeunes platanes en milieu urbain a permis de faire de mesurer en conditions d’arrosage optimal des paramètres suivants: émissions de COVb, échanges gazeux (photosynthèse nette, conductance stomatique), mesures allométriques (surfaces et biomasses foliaires, hauteur des arbres), teneur en pigments foliaires. La variabilité inter-arbres a été estimée par des mesures sur 8 individus et la variabilité intra-arbres par des mesures sur plusieurs branches d’un même individu.
Le modèle de fonctionnement de l'arbre urbain est en cours d'élaboration.
Pour améliorer la représentation des arbres urbains dans les modèles de qualité de l’air, l’effet aérodynamique des arbres dans les rues canyons a été paramétrisé. La paramétrisation a été construite à partir de simulations avec un modèle de dynamique des fluides. La paramétrisation sera utilisée par la suite dans le modèle de réseaux de rues qui sera mis en place sur Paris pour la modélisation de la campagne 2022.

Les données et le modèle obtenu seront utiles aux gestionnaires de la ville, il permettra de quantifier l'impact de la végétation, stressée ou pas, sur les concentrations d'ozone et de particules dans le Grand Paris et d'optimiser la gestion de la végétation urbaine.

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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.