Bioindication végétale de la pollution de l’air · PIC Végétation). Leur protocole standardisé de culture des plantes et de bio-surveillance est appliqué dans l’étude BIPA

RAPPORT D'ETUDE

En partenariat avec :

BIOINDICATION VEGETALE DE LA POLLUTION DE L’AIR

Mesure et cartographie de la pollution à l’ozone du réseau départemental des bio-stations du Val-de-Marne

Mai 2017

N° de contrat : 1562c0017

Étude réalisée pour le compte de l'ADEME par : Université Paris Est Créteil

Coordination technique ADEME : GALSOMIES Laurence – Direction\Service : VANVES DVTD SEQA

Mai 2017

Bioindication végétale de la pollution de l’air Page 2 sur 19

REMERCIEMENTS Comité de pilotage :

Laurence GALSOMIÈS (ADEME) Jean-François CASTELL (INRA-AgroParisTech) Jean-Jacques BESSOULE (CNRS) Béatrice Hollande (CD94) Consortium de recherche :

Luis LEITAO (UPEC) Felicity HAYES (CEH, Bangor, UK)

CITATION DE CE RAPPORT

BAGARD Matthieu. 2017. Bioindication végétale de la pollution de l’air - Mesure et cartographie de la pollution à l’ozone du réseau départemental des bio-stations du Val-de-Marne. Rapport ADEME, 19 pages. Toute représentation ou reproduction intégrale ou partielle faite sans le consentement de l’auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause est illicite selon le Code de la propriété intellectuelle (art. L 122-4) et constitue une contrefaçon réprimée par le Code pénal. Seules sont autorisées (art. 122-5) les copies ou reproductions strictement réservées à l’usage privé de copiste et non destinées à une utilisation collective, ainsi que les analyses et courtes citations justifiées par le caractère critique, pédagogique ou d’information de l’œuvre à laquelle elles sont incorporées, sous réserve, toutefois, du respect des dispositions des articles L 122-10 à L 122-12 du même Code, relatives à la reproduction par reprographie.

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TABLE DES MATIERES

Résumé ............................................................................................................................................................................... 4

1. Contexte ....................................................................................................................................................................... 5

2. Méthodologie ................................................................................................................................................................ 5

2.1. Espèces végétales et protocole de bio-surveillance .............................................................................................. 5

2.2. Lieux d’implantation des bio-stations...................................................................................................................... 5

2.3. Bio-station de référence ......................................................................................................................................... 6

3. Principaux résultats (campagne 2014-2016) ............................................................................................................... 8

3.1. Niveaux d’exposition à l’ozone ............................................................................................................................... 8

3.2. Bio-surveillance des épisodes de pollution forte .................................................................................................. 10

3.3. Bio-surveillance de la pollution chronique par l’ozone ......................................................................................... 10

4. Recommandations ..................................................................................................................................................... 14

5. Conclusions / Perspectives ........................................................................................................................................ 15

Références bibliographiques ............................................................................................................................................. 16

Index des figures ............................................................................................................................................................... 17

Sigles et acronymes .......................................................................................................................................................... 18

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Résumé

Cette étude (BIPA : Bio-Indication de la Pollution de l’Air) concerne un suivi de la pollution atmosphérique par de la bio-surveillance mise en œuvre depuis 2014 dans le département du Val-de-Marne, avec le soutien de l’ADEME et du Conseil Départemental du Val-de-Marne. Cette étude porte sur un réseau de bio-stations réparties sur six sites départementaux (parcs et pépinière). Ce réseau s’inscrit par ailleurs dans le cadre du programme international concerté sur les effets de la pollution atmosphérique sur les écosystèmes naturels et les grandes cultures de la convention de Genève (PIC Végétation – ONU-CEE/GTE).

L’objectif de l’étude BIPA est de mettre en évidence, mesurer et cartographier dans le département du Val-de-Marne les niveaux de pollution à l’ozone et leurs effets grâce à un réseau de stations de bio-surveillance qui est complémentaire au dispositif Airparif (association agréée pour la surveillance de la qualité de l’air en région Île-de-France). Cette complémentarité passe, d’une part, par la localisation des bio-stations le long d’un gradient d’urbanisation (ou transect) s’éloignant de Paris et, d’autre part, par l’utilisation de plantes bio-indicatrices. En tant qu’alternative aux mesures physico-chimiques, une méthode de surveillance par bio-indication est moins onéreuse. C’est un outil de communication efficace pour le grand public car les conséquences de la pollution de l’air sont visibles sur les végétaux. Dans cette étude, deux variétés de haricots (Phaseolus vulgaris L.) sont testées, l’une connue pour sa tolérance à l’ozone (variété R123) et l’autre connue pour sa sensibilité à l’ozone (variété S156). C’est un système de plants de haricots préconisé par les scientifiques du groupe de travail sur les effets de la pollution atmosphérique transfrontière à longue distance (convention de Genève, PIC Végétation). Leur protocole standardisé de culture des plantes et de bio-surveillance est appliqué dans l’étude BIPA.

Les résultats montrent un effet limité (-5 % à -15 %) mais significatif de l’exposition chronique à l’ozone. En effet, le rendement en gousses de la variété sensible (S156) est réduit par comparaison à celui de la variété tolérante (R123). De plus, des symptômes foliaires spécifiques sont apparus pour la variété sensible de haricot pour trois des bio-stations. Ces symptômes correspondent à des épisodes estivaux de pollution à l’ozone (juillet 2015, juillet et août 2016, confirmés par les mesures de concentrations en ozone de l’association Airparif). Si les résultats ne laissent pas clairement apparaître des différences de distribution et d’impact de l’ozone selon un gradient d’urbanisation à l’échelle du département du Val-de-Marne, les symptômes foliaires observés révèlent une hétérogénéité spatiale des teneurs en ozone et de ses impacts que les méthodes de surveillance par mesures physico-chimiques et de modélisation ne permettent pas de révéler à l’heure actuelle.

ABSTRACT

The BIPA project is an air pollution biomonitoring project established, since 2014, in the Val-de-Marne area, with a support from the French Environment and Energy Management Agency and the Val-de-Marne council. This project is based on a network of biomonitoring stations spread over the Val-de-Marne area. The project is part of the International Cooperative Programme on the effects of air pollution on vegetation (IPC Vegetation, ONU-CEE/GTE).

The objectives of the BIPA project are to detect, quantify and map ozone pollution levels in the Val-de-Marne area, through a network of biomonitoring stations that complements the classical air quality survey network. The biomonitoring stations are located along an urbanization gradient and consist of bioindicator plants, which are an inexpensive and effective tool for the public to visualize the effects of air polution through its damage on living organisms. The biomonitoring system uses two varieties of beans (Phaseolus vulgaris L.) known for their tolerance and sensitivity to ozone (varieties R123 and S156, respectively). This system is recommended by the working group on effects of long-range transboundary air pollution (UNECE-LRTAP / WGE, ICP Vegetation). The same standardized protocol for plant cultivation and biomonitoring is applied in the BIPA study.

The results obtained since 2014 show a limited (-5 % to -15 %) but significant effect of chronic ozone exposure on grain yield in the sensitive variety as compared to the tolerant variety. Moreover, the observation of foliar symptoms on the sensitive variety at specific sites revealed the occurrence of ozone pollution episodes observed in July 2015 and July-August 2016 and confirmed by air quality survey data from Airparif. Although the results do not reveal clear differences in the distribution and impact of ozone across the Val-de-Marne following a gradient of urbanization, localized occurrence of foliar symptoms indicate a spatial heterogeneity of ozone levels and impacts, that physico-chemical monitoring and modeling methods cannot describe accurately at present.

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1. Contexte

La pollution de l’air est un problème environnemental considéré comme le plus préoccupant par les Français. L’organisation mondiale de la santé a estimé à 3,7 millions le nombre de décès prématurés provoqués par la pollution de l’air extérieur dans le monde en 2012 (WHO, 2013). L’agence nationale de santé publique a estimé son impact sanitaire à 48 000 décès prématurés par an pour les seules particules fines (Santé Publique France, 2016). La densité urbaine et l’intensité des transports de l’agglomération parisienne placent les départements de la petite couronne, dont le département du Val-de-Marne, en première ligne face à la pollution de l’air. En France, la surveillance de la qualité de l’air est réalisée par des associations agréées de surveillance de la qualité de l’air (les AASQA, et notamment Airparif pour la région Île de France). L’action des AASQA s’appuie sur un réseau de stations et de capteurs permettant de mesurer les polluants à l’aide de méthodes physico-chimiques, de cartographier les niveaux de pollution et d’alerter le public en cas de dépassement des seuils réglementaires de qualité de l’air.

L’étude BIPA permet de déployer dans le département du Val-de-Marne un réseau de bio-stations (bio-surveillance de la pollution de l’air) complémentaires aux stations du dispositif Airparif. Cette complémentarité porte sur la localisation des bio-stations (installées pour l’étude BIPA le long d’un transect s’éloignant de Paris) et sur la méthode utilisée (dans l’étude BIPA qui repose sur la bio-indication végétale de la pollution de l’air). En tant qu’alternative aux mesures physico-chimiques, la bio-indication est une méthode beaucoup moins onéreuse et c’est un outil de communication efficace pour le grand public car les conséquences de la pollution de l’air sont visibles sur les végétaux avec l’apparition de symptômes spécifiques dans le cas de l’ozone.

L’étude BIPA, réalisée dans le département du Val-de-Marne en région parisienne, a comme objectif de mettre en évidence, de mesurer et de cartographier les niveaux de pollution à l’ozone et leurs effets sur les végétaux, en utilisant une méthode de bio-indication avec deux variétés de haricots (Phaseolus vulgaris L). Les stations de bio-indication (ou bio-stations) déployées dans le département du Val-de-Marne ont aussi un rôle informatif et éducatif auprès des visiteurs fréquentant les lieux d’implantation. Enfin, les résultats de cette campagne française de bio-surveillance est aussi valorisée au niveau international puisque qu’ils sont intégrés à la base de données du programme international concerté sur les effets de la pollution de l’air sur les écosystèmes naturels et les grandes cultures, mis en œuvre dans la convention de Genève sur les effets de la pollution atmosphérique transfrontière à longue distance, sous l’égide de la commission économique pour l’Europe des Nations-Unies (ONU-CEE/GTE/PIC Végétation).

2. Méthodologie

2.1. Espèces végétales et protocole de bio-surveillance

La méthode de bio-indication végétale utilisée dans l’étude BIPA repose sur l’utilisation de deux variétés de haricots (Phaseolus vulgaris L.) connues pour leur tolérance (variété R123) et leur sensibilité à l’ozone (S156). Cette méthode, décrite dans deux articles (Reinert & Eason, 2000 ; Burkey et al., 2005), est issue des travaux du PIC Végétation des Nations-Unies (ONU-CEE). Les semences de haricots sont fournies par le PIC Végétation et leur protocole standardisé est appliqué pour la culture des plantes et la mise en œuvre de la bio-surveillance. En étroite collaboration avec les responsables scientifiques de l’étude BIPA, le personnel du conseil départemental du Val-de-Marne (CG94) facilite le fonctionnement des bio-stations (accès aux parcs, au système d’arrosage).

Le suivi des bio-stations est essentiellement basé sur l’observation et l’analyse de nécroses foliaires (des symptômes typiques d’une exposition à l’ozone). L’ampleur des nécroses foliaires et leur évolution sont enregistrées de manière standardisée, selon le protocole européen (rappelé précédemment). Ce suivi est assuré par le personnel du CG94, avec le soutien d’étudiants de l’université Paris-Est Créteil (UPEC). À la fin de la campagne d’observation, les effets de l’ozone sont évalués grâce à la mesure du rendement en graines des plants à la fin de la saison de végétation.

2.2. Lieux d’implantation des bio-stations

Les sept sites sont localisés sur un gradient d’urbanisation, le long d’un transect allant du périphérique parisien à Ivry-sur-Seine jusqu’au plateau Briard en zone périurbaine à Mandres-les-Roses et en passant par des zones plus urbaines à Créteil et Valenton (Figure 1).

Les sites sont détaillés avec leur degré d’urbanisation :

1. Parc Départemental des Cormailles, Ivry-sur-Seine (le plus proche de Paris) 2. Parc Départemental des Hautes Bruyères, Villejuif (proche d’axes routiers majeurs) 3. Parc Départemental des Lilas, Vitry-sur-Seine (sur un plateau maraîcher en zone urbaine)

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4. Campus centre de l’Université Paris-Est Créteil, Créteil (en zone urbaine avec trafic routier important) 5. Parc Départemental de la Plage Bleue, Valenton (en zone urbaine intermédiaire) 6. Pépinière départementale, Mandres-les-Roses (en zone périurbaine) 7. Lycée Edouard Branly, Nogent-sur-Marne (zone urbaine)

2.3. Bio-station de référence

Une bio-station de référence est en cours de mise au point à l’UPEC (Figure 2). Cette bio-station, équipée de capteurs optiques et infra-rouge, permet de suivre avec une haute résolution temporelle les paramètres physiologiques des variétés résistante et sensible (Phaseolus vulgaris L., R123 et S156). De plus, ces mesures sont couplées à des données météorologiques (température, pression atmosphérique, humidité relative, vent, précipitations, rayonnement actif pour la photosynthèse) et des données de pollution (O3, NO2, NO, CO). L’ensemble de ces données doit aider à corréler les résultats observés sur les plantes bio-indicatrices (effets) aux facteurs environnementaux afin de mieux caractériser le système bio-indicateur. Réciproquement, sont évalués plusieurs autres critères tels que l’usage et la fiabilité des paramètres mesurés par capteurs optiques en tant qu’indicateurs de contraintes environnementales.

Les paramètres physiologiques mesurés à l’aide des capteurs optiques sont indiqués dans le Tableau 1.

L’installation de la bio-station de référence était prévue au printemps 2017 sur le toit de l’UFR de Sciences et Technologie de l’UPEC à Créteil. En attendant d’obtenir les autorisations nécessaires à cette installation, le dispositif est testé en conditions contrôlées au laboratoire (Figure 3).

Paramètres physiologiques Descriptions

NDVI (Normalized Difference Vegetation Index, indice de

végétation par différence normalisée) Indice de réflectance qui est avant tout un indice de teneur en chlorophylle du couvert végétal mais aussi de structure de ce couvert.

Pour un espèce annuelle telle que le haricot, cet indice permet de suivre la phénologie du couvert végétal, de la germination à la sénescence foliaire.

PRI (Photochemical Reflectance Index, indice photochimique de

réflectance) Indice de réflectance qui n’est pas seulement lié à la structure du couvert végétal, mais aussi à son fonctionnement, par le biais du cycle des xanthophylles qui est un processus physiologique de réponse aux variations d’intensité lumineuse (Gamon et al. 1997).

Température de surface foliaire Les variations de température de surface de la feuille sont corrélées au variations du taux de transpiration foliaire. La température de surface foliaire sera mesurée à distance par des thermomètres infra-rouge à haute sensibilité.

Tableau 1 : Description des paramètres physiologiques mesurés par les capteurs optiques

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Figure 1 : Carte des stations de bio-surveillance du réseau BIPA et des stations de mesures physico-chimiques d’Airparif dans le département du Val-de-Marne

NB : en vert, de 1 à 7, les bio-stations BIPA ; en bleu, les trois stations Airparif.

Figure 2 : Schéma conceptuel de la bio-station de référence du réseau BIPA, équipée de capteurs optiques et d’appareils de mesures de paramètres météorologiques et de polluants atmosphériques

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Figure 3 : Mise au point du dispositif de télédétection de paramètres physiologiques du système bio-indicateur (en conditions contrôlées au laboratoire).

NB : Plantes et appareils dans une enceinte climatique Conviron Adaptis A-1000, équipée d’un système d’injection et de régulation d’ozone.

3. Principaux résultats (campagne 2014-2016)

3.1. Niveaux d’exposition à l’ozone

Les données de concentration en ozone sont recueillies (mesurées par Airparif dans les stations physico-chimiques et situées à proximité des bio-stations) et l’indice1 AOT40 d’exposition à l’ozone est calculé (Figure 4). L’AOT40 est déterminé en sommant les différences entre les moyennes horaires de concentration en ozone et une valeur fixe de 40 ppb, en annulant les termes négatifs (Karenlämpi & Skarby 1996). L’utilisation d’un seuil minimal reflète la capacité de détoxication de la plante et permet d’éliminer les concentrations en ozone trop faibles pour induire des effets physiologiques.

Les résultats pour la période de 2009 à 2015 (Figure 4) montrent qu’en région parisienne l’exposition à l’ozone de la végétation a dépassé le seuil critique de 3000 ppb.h, au-dessus duquel 5 % de pertes en rendement sont attendus pour les espèces cultivées (Mills et al. 2007). Au regard de ces données, dans l’étude BIPA une diminution du rendement en gousses est donc attendue pour la variété de haricot sensible (S156) en comparaison à la variété de haricot résistante (R123). L’analyse rétrospective des concentrations en ozone montrent que des pics de pollution à l’ozone supérieurs à 80 ppb sont très rarement enregistrés sur la période 2009-2015. L‘apparition de nécroses foliaires sur la variété sensible devrait donc rester relativement rare. Le gradient attendu d’exposition à l’ozone, avec des niveaux croissants à mesure que l’on s’éloigne de Paris, est peu marqué. Seule la station de mesure du 13ème arrondissement à Paris montre des

1 AOT40 signifie (en anglais) “accumulated dose over a threshold of 40 ppb”

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niveaux d’exposition plus faibles que ceux enregistrés sur les autres stations, qui présentent des niveaux assez proches les uns des autres.

Afin de compléter les données d’Airparif avec des mesures enregistrées au niveau des bio-stations elles-mêmes, des capteurs passifs d’ozone Gradko sont installés en 2015 de mai à septembre. Les concentrations moyennes sont relativement faibles mais elles tendent à augmenter en fonction de la distance avec Paris, à l’exception de la bio-station des Hautes Bruyères (site n°2 à Villejuif) qui se trouve à proximité d’un axe routier important ce qui limite les teneurs en ozone par excès d’oxydes d’azote (Figure 5). Ce gradient reste cependant peu marqué. De plus, la méthode de mesure à l’aide de capteurs passifs, qui prend en compte l’ozone nocturne (qui n’a que très peu d’effets sur les plantes), limite l’intérêt de ces données dans le cadre de l’étude BIPA.

Figure 4 : Indice d’exposition à l’ozone pour la végétation (AOT40) pour cinq stations Airparif (pendant la période de végétation entre mai et septembre de 2009 à 2016)

NB : Les stations physico-chimiques d’Airparif sont situées à Cachan, Champigny-sur-Marne et Montegeron (donc à proximité des bio-stations du réseau BIPA), mais aussi à Paris 13ème arrondissement (en zone urbaine dense) et à Fontainebleau (en zone rurale forestière) dans le prolongement du transect de l’étude BIPA.

Figure 5 : Concentration moyenne en ozone dans les six bio-stations du réseau BIPA (mesurée à l’aide de capteurs passifs Gradko, au cours de la

période entre Mai et Septembre 2015)

NB : Les données représentent la moyenne de concentrations de 10 périodes d’exposition de 15 jours, avec pour chaque période deux capteurs par site.

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3.2. Bio-surveillance des épisodes de pollution forte

En 2014, les concentrations moyennes horaire en ozone (données Airparif) pour région Île-de-France ne dépassent le seuil de 80 ppb d’ozone (seuil de détection du système bio-indicateur pour une exposition aigüe). De façon concordante, aucun dommage foliaire visible (nécroses brun/noir), caractérisant un effet de l’ozone, n’a été observé sur la variété sensible de haricot (S156).

En 2015, des nécroses caractéristiques sont observés au début du mois de juillet sur les feuilles de la variété sensible (S156) au Parc des Lilas à Vitry-sur-Seine (Figure 6b). L’observation de ces symptômes coïncide avec un épisode de pollution à l’ozone mesuré en région Île-de-France du 30 juin au 4 juillet, épisode ayant déclenché le dispositif préfectoral d’information du public (Figure 6a). La distribution spatiale de l’ozone, observée en Île-de-France au cours de cet épisode de pollution, montre que le département du Val-de-Marne n’a pas été exposé aux concentrations les plus fortes. Pour autant, des symptômes caractéristiques sont observés sur le site n°3 à Vitry-sur-Seine. Les stations Airparif situées à proximité du Parc des Lilas (site n°3) n’ont pas enregistré de teneurs dépassant les 80 ppb, ce qui suggère qu’une forte hétérogénéité spatiale peut exister à une échelle très fine dans la distribution des concentrations en ozone et des impacts dus à l’ozone. L’absence de symptôme sur d’autres bio-stations du réseau BIPA tend à confirmer cette distribution hétérogène du polluant, que le réseau Airparif, avec sa résolution actuelle peut difficilement appréhender.

En 2016, la concentration en ozone a dépassé cinq fois la valeur cible pour la santé (> 60 ppb pour le maximum journalier de la moyenne sur 8h), avec un dépassement du seuil réglementaire de recommandation et d’information (> 80 ppb en moyenne heure sur 1h) du 24 au 26 août 2016. Chacun des épisodes de pollution a pu être détecté par le système bio-indicateur du réseau BIPA (Figure 6c). Aucuns symptômes foliaires n’ont été observés sur la totalité des bio-stations, ce qui met en évidence la forte hétérogénéité spatiale des concentrations en ozone.

3.3. Bio-surveillance de la pollution chronique par l’ozone

La méthode de bio-indication utilisée dans cette étude permet de mettre en évidence une exposition chronique à la pollution par l’ozone grâce au suivi des paramètres suivants :

La teneur foliaire en chlorophylles ;

Le rendement en gousses.

Chez la variété sensible de haricot (S156), la teneur foliaire en chlorophylles permet de révéler le début d’une sénescence foliaire précoce et/ou accélérée, qui est un effet connu d’une exposition chronique à l’ozone sur les espèces végétales sensibles (Pell et al. 1997). En 2014, une seule mesure réalisée 15 jours après la floraison a montré que la variété sensible présentait une teneur en chlorophylles plus faible que celle de la variété résistante (Figure 7a). En 2015, deux mesures effectuées au moment de la floraison et 15 jours après la floraison indiquent que la teneur en chlorophylles a moins augmenté, voire pour certains sites a chuté plus rapidement, entre ces deux temps de mesure chez la variété sensible S156 comparé à la variété résistante R123 (Figure 7b). Des tendances similaires sont observées en 2016 mais sans différences significatives (Figure 7c).

Le rendement en gousses est un paramètre intégrant, au cours d’une saison, les effets cumulés des différentes contraintes de l’environnement. Avec des conditions de croissance équivalentes (conditions climatiques, alimentation hydrique et minérale, etc.), une différence de rendement entre les variétés de haricot, sensible S156 et résistante R123, doit refléter les effets de l’ozone sur les composantes du rendement, principalement la photosynthèse. En 2014, le rendement en gousses s’est révélé systématiquement inférieur pour la variété sensible S156 en comparaison à la variété résistante R123, avec des effets allant de -5 % pour le site n°1 à Ivry-sur-Seine jusqu’à -20 % pour le site n°5 à Valenton (Figure 8a). En 2015, des résultats plus contrastés sont observés, avec une diminution du rendement en gousses pour trois sites (sites 1, 3 et 6, avec une diminution significative à Vitry-sur-Seine, site 3) et une absence d’effet, voire une légère augmentation, pour les trois autres sites (sites 2, 4, et 5, Figure 8b). En 2016, un soin plus important apporté à l’entretien des cultures a permis d’atténuer les variations de rendement entre les sites d’exposition (Figure 8c). Quatre des cinq sites étudiés en 2016 ont montré une diminution du poids moyen d’une gousse chez la variété sensible S156 par rapport à la variété résistante R123, mais la perte de rendement s’est révélée modeste (-5 % à -15 %).

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Figure 6 : Cartes régionales d’expositions à un épisode de pollution à l’ozone (du 30 juin au 4 juillet 2015 en région Île-de-France) et évolution en 2016 des maxima horaires de concentrations en ozone. Photographies de symptômes spécifiques d’ozone, sur les feuilles de la variété sensible S156 de haricot commun (Phaseolus vulgaris L.), observées dans les bio-stations du réseau BIPA

NB : (A) Épisode de pollution à l’ozone (du 30 juin au 4 juillet 2015) cartographié en région Île-de-France (source : Airparif). (B) Nécroses foliaires observées sur la variété sensible S156 de haricot commun (Phaseolus vulgaris L.) dans le Parc Départemental des Lilas à Vitry-sur-Seine (site n° 3, Val-de-Marne) à partir du 3 juillet 2015. (C) Évolution des maximas horaires de concentrations en ozone dans le département du Val-de-Marne au cours de l'année 2016 et dommages foliaires associés sur les bio-stations de Vitr-sur-Seine, Créteil (UPEC) et Valenton.

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Figure 7 : Évolution des teneurs foliaires en chlorophylles totales chez les variétés sensible (S156) et résistante (R123) de haricot commun (Phaseolus vulgaris) au cours des campagnes de bio-indication en 2014, 2015 et 2016 (dans les bio-stations du réseau BIPA)

NB : (a) en 2014 ; (b) en 2015 ; (c) en 2016. Teneurs foliaires en chlorophylles mesurées (S156 et R123 Phaseolus vulgaris L.) au moment de la floraison (a, b, c), 15 jours après la floraison (a, b, c) et 30 jours après floraison (c), sur les feuilles développées trifoliolées des rangs 3 à 5 des variétés sensible et résistante. Les données correspondent à la moyenne de 10 plants par cultivar et par site.

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Figure 8 : Évolution des poids sec moyen des gousses chez les variétés sensible (S156) et résistante (R123) de haricot commun (Phaseolus vulgaris)

au cours des campagnes de bio-indication en 2014, 2015 et 2016 (dans les bio-stations du réseau BIPA

NB : (a) en 2014 ; (b) en 2015 ; (c) en 2016. Poids sec moyen des gousses (S156 et R123 Phaseolus vulgaris L.) au moment de la récolte (a, b, c). Les données correspondent à la moyenne de 10 plants par cultivar et par site.

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Concernant les plantes de haricots étudiées, les résultats chez la variété sensible (S156) en comparaison à la variété résistante (R123) mettent en évidence une exposition chronique à l’ozone, que l’on a pu révéler par la sénescence accélérée et la diminution du rendement en gousses. Les résultats obtenus pour le rendement en gousses montrent une plus grande disparité inter-sites et n’ont pas pu rendre compte de l’exposition plus forte des années 2015 et 2016 en comparaison à l’année 2014 (Figure 4). En 2016, la réduction de la variabilité inter-sites n’a pas permis de mettre en évidence de manière plus claire une relation linéaire entre l’exposition à l’ozone et la perte de rendement. Les résultats de l’étude BIPA confirment que l’exposition actuelle à l’ozone des cultures dans le département du Val-de-Marne pourrait causer des pertes de rendement d’environ 10 %. Enfin, la teneur foliaire en chlorophylles mesurée dans l’étude BIPA, et en particulier ses variations observées autour de la période de floraison chez la variété de haricot sensible, apparait être comme un indicateur fiable de l’exposition chronique à l’ozone.

4. Recommandations

Les résultats des trois campagnes, 2014, 2015 et 2016, montrent que la méthode de bio-indication utilisée dans l’étude BIPA avec des plants de haricots (S156 et R123) est un système bio-indicateur pertinent. Il a mis en évidence les épisodes de pollution constatés en juillet 2015 et en août 2016, ainsi que l’exposition chronique à laquelle les écosystèmes, et donc la population, sont soumis dans le département du Val-de-Marne. Pour autant, des limites apparaissent dans l’exploitation d’un tel dispositif de bio-indication.

La première limite est la difficulté de mettre en œuvre des conditions de culture optimales et surtout parfaitement homogènes d’un site à l’autre :

o L’arrosage est un élément critique puisque la fermeture des stomates causée par un déficit hydrique limite l’entrée de l’ozone dans les tissus foliaires et donc l’impact du polluant sur la plante. Un problème d’arrosage, surtout s’il précède un épisode de pollution, peut rendre inopérant le système bio-indicateur. En cas de difficultés pratiques à assurer un arrosage régulier des cultures (site reculé, accès difficile à l’eau, personnel peu informé), il sera recommandé sur chaque bio-station l’installation d’un dispositif d’arrosage automatique au goutte à goutte piloté par un programmateur (ou au moins l’installation de dispositifs d’arrosage retardé).

o Le suivi de l’état phytosanitaire des cultures est un autre élément important du succès d’une campagne de bio-indication végétale, puisque les plants de haricots peuvent subir des dégâts ayant de multiples origines (dégâts causés par les pucerons, les limaces et les lapins). Par cohérence avec la politique « zéro phyto » du département du Val-de-Marne, il sera recommandé de traiter les plants de haricot avec des produits utilisés en agriculture biologique (savon noir dilué contre les pucerons, granulés anti-limaces) et de les protéger avec l’installation de grillages.

o De manière générale, l’information et l’implication des personnels en charge du suivi des cultures sont des facteurs essentiels de réussite d’une campagne de bio-surveillance.

La deuxième limite est de pouvoir apporter une information complémentaire aux données existantes (physico-chimiques) de surveillance de la qualité de l’air :

o Avant d’étendre le réseau de bio-surveillance, les résultats obtenus sur un tel réseau pilote de bio-stations dans le département du Val-de-Marne doivent être comparés aux mesures physico-chimiques dans l’air des concentrations en ozone. Les mesures physico-chimiques montrent en général des résultats ayant une sensibilité, une précision et une robustesse plus importantes (comparé aux mesures d’un système de bio-indication) mais sont encore très onéreuses et demandent un niveau de technicité plus élevé. Nous avons utilisé les données d’Airparif (AASQA en région Île-de-France) afin de calculer des niveaux d’exposition à l’ozone à comparer aux effets observés sur les bio-stations. Cette démarche est limitée par la relativement faible densité de capteurs déployés par Airparif à l’échelle du département du Val-de-Marne, qui ne permet pas de rendre de compte des variations d’exposition à l’ozone à des échelles assez fines. De même, les outils de modélisation disponibles, tels que le modèle CHIMERE dont les sorties sont utilisées par PREVAIR (plate-forme de modélisation pour la prévision de la qualité de l’air en France), basés sur les données générées par les associations agréées pour la surveillance de la qualité de l’air, ne peuvent pas mettre en évidence des variations locales de concentration en ozone à l’échelle d’un département tel que le Val-de-Marne.

Le dispositif de bio-surveillance s’est révélé un outil de communication et de sensibilisation très intéressant (cibles variées :

agents, jardiniers et gestionnaires départementaux, groupes scolaires (atelier scientifique du lycée Branly de Nogent-sur-Marne),

associations (Exploradôme, Planète Lilas)). L’étude BIPA a été sélectionné par le dispositif ministériel « Sciences à l’école » dans le cadre d’un appel à projets destiné aux établissements du secondaire. Cet atelier scientifique a consisté en la mise

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en place et le suivi par des lycéens d’une bio-station au lycée Edouard Branly de Nogent-sur-Marne et par une exposition des productions végétales des élèves de l’école dans le cadre de l’exposition QSEC2 à l’Exploradôme de Vitry-sur-Seine. Même si la dimension participative et de sensibilisation est difficile à évaluer, elle reste une plus-value certaine des projets de bio-surveillance.

5. Conclusions / Perspectives

La méthode de bio-surveillance mise en œuvre dans le réseau BIPA a permis de mettre en évidence l’occurrence d’épisodes de pollution à l’ozone ainsi que l’exposition chronique des écosystèmes à la pollution de l’air (notamment à l’ozone). Le dispositif de bio-surveillance BIPA s’est montré un outil très efficace pour la sensibilisation du public à la problématique de la pollution atmosphérique et de ses conséquences sur le vivant.

Deux axes de développement du réseau BIPA sont à ce jour envisagés :

Étendre le réseau de bio-stations dans le département du Val-de-Marne, en faisant participer écoles, associations et clubs scientifiques ;

Développer au laboratoire des indicateurs optiques de la réponse des plantes à l’ozone pouvant être utilisés sur le terrain, en utilisant le système bio-indicateur comme modèle expérimental. À ce titre, le dispositif illustré en Figure 3 a pu être testé aux cours des campagnes mises en œuvre dans l’étude BIPA, mais les résultats demandent à être consolidés et validés en comparant à des mesures réalisées avec des appareils et des méthodes plus complexes que ceux utilisés jusqu’ici et devant être déployés sur le terrain.

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Références bibliographiques

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Bonn.

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Index des tableaux et figures

Tableaux

Tableau 1 : Description des paramètres physiologiques mesurés par les capteurs optiques……………………………. 6

Figures

Figure 1 : Carte des stations de bio-surveillance du réseau BIPA et des stations de mesures physico-chimiques d’Airparif dans le département du Val-de-Marne ..................................................................... Erreur ! Signet non défini.7

Figure 2 : Schéma conceptuel de la bio-station de référence du réseau BIPA, équipée de capteurs optiques et d’appareils de mesures de paramètres météorologiques et de polluants atmosphériques79Figure 2 : Schéma conceptuel de la bio-station de référence du réseau BIPA, équipée de capteurs optiques et d’appareils de mesures de paramètres météorologiques et de polluants atmosphériques ..................................................... 7

Figure 3 : Mise au point du dispositif de télédétection de paramètres physiologiques du système bio-indicateur (en conditions contrôlées au laboratoire).811Figure 3 : Mise au point du dispositif de télédétection de paramètres physiologiques du système bio-indicateur (en conditions contrôlées au laboratoire). ...................................... 8

Figure 4 : Indice d’exposition à l’ozone pour la végétation (AOT40) pour cinq stations Airparif (pendant la période de végétation entre mai et septembre de 2009 à 2016)913Figure 4 : Indice d’exposition à l’ozone pour la végétation (AOT40) pour cinq stations Airparif (pendant la période de végétation entre mai et septembre de 2009 à 2016) ..................................................................................................................................................... 9

Figure 5 : Concentration moyenne en ozone dans les six bio-stations du réseau BIPA (mesurée à l’aide de capteurs passifs Gradko, au cours de la période entre Mai et Septembre 2015)914Figure 5 : Concentration moyenne en ozone dans les six bio-stations du réseau BIPA (mesurée à l’aide de capteurs passifs Gradko, au cours de la période entre Mai et Septembre 2015) .......................................................................................................... 9

Figure 6 : Cartes régionales d’expositions à un épisode de pollution à l’ozone (du 30 juin au 4 juillet 2015 en région Île-de-France) et évolution en 2016 des maxima horaires de concentrations en ozone. Photographies de symptômes spécifiques d’ozone, sur les feuilles de la variété sensible S156 de haricot commun (Phaseolus vulgaris L.), observées dans les bio-stations du réseau BIPAErreur ! Signet non défini.17Figure 6 : Cartes régionales d’expositions à un épisode de pollution à l’ozone (du 30 juin au 4 juillet 2015 en région Île-de-France) et évolution en 2016 des maxima horaires de concentrations en ozone. Photographies de symptômes spécifiques d’ozone, sur les feuilles de la variété sensible S156 de haricot commun (Phaseolus vulgaris L.), observées dans les bio-stations du réseau BIPA ....................................................... Erreur ! Signet non défini.

Figure 7 : Évolution des teneurs foliaires en chlorophylles totales chez les variétés sensible (S156) et résistante (R123) de haricot commun (Phaseolus vulgaris) au cours des campagnes de bio-indication en 2014, 2015 et 2016 (dans les bio-stations du réseau BIPA)1219Figure 7 : Évolution des teneurs foliaires en chlorophylles totales chez les variétés sensible (S156) et résistante (R123) de haricot commun (Phaseolus vulgaris) au cours des campagnes de bio-indication en 2014, 2015 et 2016 (dans les bio-stations du réseau BIPA) ...................... 12

Figure 8 : Évolution des poids sec moyen des gousses chez les variétés sensible (S156) et résistante (R123) de haricot commun (Phaseolus vulgaris) au cours des campagnes de bio-indication en 2014, 2015 et 2016 (dans les bio-stations du réseau BIPA1320Figure 8 : Évolution des poids sec moyen des gousses chez les variétés sensible (S156) et résistante (R123) de haricot commun (Phaseolus vulgaris) au cours des campagnes de bio-indication en 2014, 2015 et 2016 (dans les bio-stations du réseau BIPA ................................................ 13

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Sigles et acronymes

AASQA Association Agrée pour la Surveillance de la Qualité de l’Air

ADEME Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie

AOT40 Dose d’ozone cumulée au-dessus d’un seuil de 40 ppb

BIPA Bio-Indication de la Pollution de l’Air

CD94 Conseil Départemental du Val-de-Marne

ICP Vegetation Programme international coopératif sur les effets de la pollution de l’air sur la végétation

iEES Paris Institut d’Ecologie et des Sciences de l’Environnement - Paris

NDVI Indice de végétation par différence normalisée

PAR Rayonnement Photosynthétiquement Actif

PRI Indice photochimique de réflectance

UNECE-LRTAP / WGE

Groupe de travail sur les effets transfrontières des pollutions atmosphériques

UPEC Université Paris-Est Créteil

WHO Organisation Mondiale de la Santé

L’ADEME EN BREF

L'Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Energie

(ADEME) participe à la mise en œuvre des politiques

publiques dans les domaines de l'environnement, de

l'énergie et du développement durable. Elle met ses

capacités d'expertise et de conseil à disposition des

entreprises, des collectivités locales, des pouvoirs publics

et du grand public, afin de leur permettre de progresser

dans leur démarche environnementale. L’Agence aide en

outre au financement de projets, de la recherche à la mise

en œuvre et ce, dans les domaines suivants : la gestion des

déchets, la préservation des sols, l'efficacité énergétique et

les énergies renouvelables, la qualité de l'air et la lutte

contre le bruit.

L'ADEME est un établissement public sous la tutelle

conjointe du ministère de l'Ecologie, du Développement

durable et de l’Energie, et du ministère de l'Éducation

nationale, de l'Enseignement supérieur et de la Recherche.

Documents

Bioindication végétale de la pollution de l’air · PIC Végétation). Leur protocole standardisé de culture des plantes et de bio-surveillance est appliqué dans l’étude BIPA