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Chapitre 4 Technologies hydroponiques

1. 4.1 Introduction

   Original publication 2019 · Publié pour la première fois sur FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Dans la production horticole, la définition « culture sans sol » englobe tous les systèmes qui fournissent la production végétale dans des conditions sans sol où l'approvisionnement en eau et en minéraux est effectué dans des solutions nutritives avec ou sans milieu de culture (par exemple laine de pierre, tourbe, perlite, ponce, noix de coco fibres, etc.). Les systèmes de culture sans sol, communément appelés systèmes hydroponiques, peuvent être divisés en systèmes ouverts, où la solution nutritive excédentaire n'est pas recyclée, et en systèmes fermés, où l'excès de nutriments provenant des racines est recueilli et recyclé dans le système (figure 4.1).

   Les systèmes de culture sans sol ont évolué comme une solution possible pour éviter les maladies transmises par le sol qui ont toujours été un problème dans l'industrie de la culture en serre.

   De nos jours, les systèmes de culture sans sol sont courants dans la pratique horticole dans la plupart des pays européens, bien que cela ne se produise pas dans tous les pays. Les avantages des systèmes sans sol par rapport aux cultures cultivées en sol sont les suivants :

   • Commencer sans agent pathogène avec l'utilisation de substrats autres que le sol et/ou un contrôle plus facile des agents pathogènes transmis par le sol.
   • La croissance et le rendement sont indépendants du type de sol et de la qualité de la surface cultivée.
   • Un meilleur contrôle de la croissance grâce à un approvisionnement ciblé de solution nutritive.
   • Le potentiel de réutilisation de la solution nutritive permettant de maximiser les ressources.
   • Amélioration de la qualité des produits grâce à une meilleure maîtrise des autres paramètres environnementaux (température, humidité relative) et des ravageurs.

    

   Figure 4.1 Schéma des systèmes à cycle ouvert (a) et à boucle fermée (b)

   Dans la plupart des cas, des systèmes à boucle ouverte ou à décharge plutôt que des systèmes à boucle fermée ou de recirculation sont adoptés, bien que, dans de plus en plus de pays européens, ces systèmes soient obligatoires. Dans ces systèmes ouverts, la solution nutritive usée et/ou superflue est déposée dans les plans d'eau souterraine et de surface, ou elle est utilisée en plein champ. Toutefois, en ce qui concerne les préoccupations économiques et environnementales, les systèmes sans sol devraient être aussi fermés que possible, c'est-à-dire là où la solution nutritive est recirculation, où le substrat est réutilisé et où des matériaux plus durables sont utilisés.

   Les avantages des systèmes fermés sont :

   • Une réduction de la quantité de déchets.

   • Moins de pollution des eaux souterraines et de surface.

   • Une utilisation plus efficace de l'eau et des engrais.

   • Augmentation de la production grâce à de meilleures options de gestion.

   • Réduction des coûts grâce aux économies de matériaux et à l'augmentation de la production.

   Il y a aussi un certain nombre d'inconvénients tels que :

   • La qualité de l'eau requise.

   • Investissements élevés.

   • Le risque de dispersion rapide des agents pathogènes présents dans le sol par la solution nutritive recirculante.

   • Accumulation de métabolites phytotoxiques potentiels et de substances organiques dans la solution nutritive recirculante.

   Dans les systèmes commerciaux, les problèmes de dispersion des agents pathogènes sont résolus en désinfectant l'eau par des techniques de filtration physique, chimique et/ou biologique. Cependant, l'un des principaux facteurs qui entravent l'utilisation de la culture en solution nutritive recirculante pour les cultures en serre est l'accumulation de sels dans l'eau d'irrigation. Typiquement, il y a une augmentation constante de la conductivité électrique (CE) due à l'accumulation d'ions, qui ne sont pas complètement absorbés par les cultures. Cela peut être particulièrement vrai dans les milieux aquaponiques (AP) où le chlorure de sodium (NaCl), incorporé dans les aliments pour poissons, peut s'accumuler dans le système. Pour remédier à ce problème, il a été suggéré qu'une étape de dessalement supplémentaire pourrait améliorer l'équilibre nutritionnel dans les systèmes AP à boucle multiple (Goddek et Keesman, 2018).

2. 4.2 Systèmes sans sol

   Original publication 2019 · Publié pour la première fois sur FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Les recherches intenses menées dans le domaine de la culture hydroponique ont conduit au développement d'une grande variété de systèmes de culture (Hussain et al. 2014). Sur le plan pratique, tous ces éléments peuvent également être mis en œuvre en combinaison avec l'aquaculture ; toutefois, à cette fin, certains sont plus appropriés que d'autres (Maucieri et al., 2018). La grande variété de systèmes qui peuvent être utilisés nécessite une catégorisation des différents systèmes sans sol (tableau 4.1).

   Tableau 4.1 Classification des systèmes hydroponiques selon différents aspects

   table thead tr class="en-tête » Thcaractéristique/Th Thcatégories/TH Thexamples/TH /tr /thead tbody tr class="impair » td Rowspan="6"Système sans sol/td td rowspan="3"Pas de substrat/td TDnft (technique du film nutritif) /td /tr tr class="même » TDAEROPONIQUE/TD /tr tr class="impair » TDDft (technique de flux profond) /td /tr tr class="même » td rowspan="3"avec substrat/td TDSubstrats organiques (tourbe, fibre de coco, écorce, fibre de bois, etc.) /td /tr tr class="impair » td Substrats inorganiques (laine de pierre, pierre ponce, sable, perlite, vermiculite, argile expansée) /td /tr tr class="même » TDSubstrats synthétiques (polyuréthane, polystyrène) /td /tr tr class="impair » td rowspan="2"Ouvrir/fermé/td TDOuvrir ou exécuter les systèmes de déchets/td td Les plantes sont alimentées en continu avec une solution « fraîche » sans récupération la solution drainée des modules de culture (fig. 4.1a) /td /tr tr class="même » TDSystèmes fermés ou de recirculation/td td La solution nutritive drainée est recyclée et complétée avec manque nutriments au niveau CE approprié (fig. 4.1b) /td /tr tr class="impair » td Rowspan="2"Alimentation en eau/td TDcontinue/TD TDnft (technique de film nutritif) DFT (technique de flux profond) /td /tr tr class="même » TDPériodique/TD TDrip irrigation, reflux et débit, aéroponique/td /tr /tbody /table

   4.2.1 Systèmes de substrat solide

   Au début de la culture sans sol dans les années 1970, de nombreux substrats ont été testés (Wallach, 2008 ; Blok et al., 2008 ; Verwer, 1978). Beaucoup d'entre eux ont échoué pour des raisons telles que le fait d'être trop humide, trop sec, pas durable, trop coûteux et la libération de substances toxiques. Plusieurs substrats solides ont survécu : laine de pierre, perlite, coco (fibre de coco), tourbe, mousse de polyuréthane et écorce. Les systèmes de substrat solide peuvent être divisés comme suit :

   Substrats fibreus Ceux-ci peuvent être organiques (p. ex. tourbe, paille et fibre de coco) ou inorganiques (p. ex. laine de pierre). Ils se caractérisent par la présence de fibres de différentes tailles, qui donnent au substrat une grande capacité de rétention d'eau (60— 80%) et une faible capacité d'air (porosité libre) (Wallach 2008). Un pourcentage élevé de l'eau retenue est facilement disponible pour la plante, ce qui se reflète directement dans le volume minimum de substrat par plante nécessaire pour garantir un approvisionnement suffisant en eau. Dans ces substrats, il n'y a pas de gradients d'eau et de salinité évidents le long du profil, et, par conséquent, les racines ont tendance à croître plus rapidement, uniformément et abondamment, en utilisant tout le volume disponible.

   Substrats granulaires Ils sont généralement inorganiques (p. ex. sable, ponce, perlite, argile expansée) et sont caractérisés par différentes tailles de particules et donc textures ; ils ont une grande porosité et sont drainants librement. La capacité de rétention d'eau est plutôt faible (10 à 40 %), et une grande partie de l'eau retenue n'est pas facilement accessible à l'usine (Maher et al., 2008). Par conséquent, le volume requis de substrat par plante est plus élevé que les fibreux. Dans les substrats granulaires, un gradient marqué d'humidité est observé le long du profil, ce qui provoque le développement des racines principalement sur le fond des récipients. Des particules plus petites, une augmentation de la capacité de rétention d'eau, une homogénéité de l'humidité et une plus grande EC et un volume plus faible du substrat sont nécessaires pour la plante.

   Les substrats sont généralement enveloppés dans des revêtements en plastique (dits sacs de culture ou dalles) ou insérés dans d'autres types de récipients de différentes tailles et de matériaux synthétiques.

   Avant de planter le substrat doit être saturé afin de :

   • Fournir suffisamment d'eau et de nutriments dans toute la dalle du substrat.

   • Atteindre des niveaux uniformes EC et pH.

   • Expulser la présence d'air et faire un mouillage homogène du matériau.

   Il est tout aussi important pour une phase sèche du substrat après la plantation de stimuler les plantes à développer l'exploration homogène du substrat par les racines afin d'obtenir un système racinaire abondant et bien distribué aux différents niveaux et d'exposer les racines à l'air. L'utilisation d'un substrat pour la deuxième fois par rémouillage peut poser un problème car la saturation n'est pas possible en raison des trous de vidange dans l'enveloppe plastique. Dans un substrat organique (comme la noix de coco), qui adopte des tours d'irrigation courts et fréquents, il est possible de récupérer la capacité de rétention d'eau pour l'utiliser pour la deuxième fois, plus facilement que les substrats inertes (laine de pierre, perlite) (Perelli et al., 2009).

   4.2.2 Substrats pour systèmes à base moyenne

   Un substrat est nécessaire pour l'ancrage des racines, un support pour la plante et aussi comme mécanisme hydro-nutritionnel en raison de sa microporosité et de sa capacité d'échange de cations.

   Les plantes cultivées dans des systèmes sans sol sont caractérisées par un rapport pousse/racine déséquilibré, une demande d'eau, d'air et de nutriments beaucoup plus importante que dans des conditions de plein champ. Dans ce dernier cas, les taux de croissance sont plus lents et les quantités de substrat sont théoriquement illimitées. Pour satisfaire à ces exigences, il est nécessaire de recourir à des substrats qui, seuls ou en mélange, assurent des conditions chimiques, physiques et nutritionnelles optimales et stables. Un ensemble de matériaux ayant des caractéristiques et des coûts différents peut être utilisé comme substrat, comme illustré à la figure 4.2. Cependant, il n'existe pas encore de substrat unique qui puisse être utilisé universellement dans toutes les situations de culture.

    

   Fig. 4.2 Matériaux utilisables comme substrats dans les systèmes sans sol

   4.2.3 Caractérisation des substrats

   Densité volumique (BD) La BD est exprimée par le poids sec du substrat par unité de volume. Il permet l'ancrage des racines et offre un support végétal. Le BD optimal pour les cultures en conteneur varie entre 150 et 500 kg msup-3/sup (Wallach, 2008). Certains substrats, en raison de leur faible BD et de leur desserrage, comme c'est le cas de la perlite (env. 100 kg msup-3/sup), du polystyrène en granules (env. 35 kg msup-3/sup) et de la tourbe non compressée sphagnum (env. 60 kg msup-3/sup), ne conviennent pas à une utilisation seule, en particulier pour les plantes qui poussent verticalement.

   Tableau 4.2 Principales caractéristiques chimiques — caractéristiques physiques des tourbes et des fibres de coco. (dm = matière sèche)

   table thead tr class="en-tête » th rowspan="2"les caractéristiques/th th colspan="2"marais surélevés/th ThFen bogs/th th rowspan="2"Fibre de coco (coco) /th /tr tr TDBlond/TD TDbrun/TD TDNoir/TD /tr /thead tbody tr class="même » TDMatière organique ( % dm) /td td94—99/td td94—99/td td55—75/td td94—98/td /tr tr class="impair » TDash ( % dm) /td td1—6/td td1—6/td td23—30/td td3—6/td /tr tr class="même » TDPorosité totale ( % vol) /td td84—97/td td88—93/td td55—83/td td94—96/td /tr tr class="impair » TDCapacité de rétention d'eau ( % vol) /td td52—82/td td74—88/td td65—75/td td80—85/td /tr tr class="même » TDPorosité libre ( % vol) /td td15—42/td td6—14/td td6—8/td td10—12/td /tr tr class="impair » TDmasse volumique (kg msup3/sup) /td td60—120/td td140—200/td td320 — 400/td td65—110/td /tr tr class="même » TDCEC (meq%) /td td100—150/td td120—170/td td80—150/td td60—130/td /tr tr class="impair » TDazote total ( % dm) /td td0.5—2.5/td td0.5—2.5/td td1.5—3.5/td td0.5—0.6/td /tr tr class="même » TDC/N/TD td30—80/td td20—75/td td10—35/td td70—80/td /tr tr class="impair » TDCalcium ( % dm) /td td<0,4/td td<0,4/td td>2/td td—/td /tr tr class="même » TdpH (Hsub2/subO) /td td3.0—4.0/td td3.0—5.0/td td5.5—7.3/td td5.0—6.8/td /tr /tbody /table

   Source : Enzo et coll. (2001)

   Porosity Le substrat idéal pour les cultures en pot devrait avoir une porosité d'au moins 75 % avec des pourcentages variables de macropores (15 à 35 %) et de micropores (40 à 60 %) selon les espèces cultivées et les conditions environnementales et culturales (Wallach, 2008 ; Blok et al., 2008 ; Maher et al., 2008). Dans les petits contenants, la porosité totale devrait atteindre 85 % du volume (Bunt, 2012). La structure doit être stable au fil du temps et résister au compactage et à la réduction du volume pendant les phases de déshydratation.

   _Capacité de rétention d'eau _ La capacité de rétention d'eau assure des niveaux adéquats d'humidité du substrat pour les cultures, sans avoir à recourir à des irriguations fréquentes. Cependant, la capacité de rétention d'eau ne doit pas être trop élevée pour éviter l'asphyxie des racines et un refroidissement excessif. L'eau disponible pour la plante est calculée par la différence entre la quantité d'eau à la capacité de rétention et celle retenue au point de flétrissement. Cela devrait représenter environ 30 à 40 % du volume apparent (Kipp et al., 2001). Enfin, il faut considérer qu'avec l'augmentation constante de la biomasse du système racinaire pendant la croissance, la porosité libre dans le substrat est progressivement réduite et les caractéristiques hydrologiques du substrat sont modifiées.

   _Capacité d'échange de cations (CEC) _ CEC est une mesure du nombre de cations qui peuvent être conservés sur les surfaces de particules du substrat. En général, les matières organiques ont une CCE plus élevée et une capacité tampon plus élevée que les matières minérales (Wallach, 2008 ; Blok et al., 2008) (tableau 4.2).

   pH Un pH approprié est requis pour répondre aux besoins des espèces cultivées. Les substrats à faible pH sont plus appropriés pour les cultures en récipients, car ils sont plus facilement modifiés vers les niveaux souhaités en ajoutant du carbonate de calcium et aussi parce qu'ils répondent aux besoins d'un plus grand nombre d'espèces. En outre, pendant la culture, la valeur du pH tend à augmenter en raison de l'irrigation avec de l'eau riche en carbonates. Le pH peut également varier en fonction du type d'engrais utilisé. Il est plus difficile de corriger un substrat alcalin. On peut toutefois y parvenir en ajoutant du soufre ou des engrais physiologiquement acides (sulfate d'ammonium, sulfate de potassium) ou des engrais constitutionnellement acides (phosphate minéral).

   _Conductivité électrique (CE) _ Les substrats doivent avoir une teneur en nutriments connue et des valeurs EC faibles (voir aussi le tableau 4.4). Il est souvent préférable d'utiliser un substrat chimiquement inerte et d'ajouter les nutriments en fonction des besoins spécifiques de la culture. Une attention particulière doit être accordée aux niveaux de la CE. Des niveaux élevés d'EC indiquent la présence d'ions (par exemple Nasup+/SUP) qui, bien qu'ils ne soient pas importants en tant que nutriments, peuvent jouer un rôle décisif dans l'adéquation du substrat.

   Santé et sécurité La santé des systèmes et la sécurité des agents sont assurées par l'absence d'agents pathogènes (nématodes, champignons, insectes), de substances potentiellement phytotoxiques (pesticides) et de graines de mauvaises herbes. Certains matériaux industriels (argile expansée, perlite, laine de pierre, vermiculite et polystyrène) garantissent des niveaux élevés de stérilité en raison des températures élevées appliquées pendant leur traitement.

   Sustainabilité Une autre caractéristique importante d'un substrat est son profil de durabilité. De nombreux substrats couramment utilisés font face à des défis écologiques liés à leur provenance, à leur procédé de production et/ou à leur traitement ultérieur et à leur empreinte en fin de vie. À cet égard, les substrats provenant de matériaux à faible empreinte écologique (modifiés de manière écologique et finalement biodégradables) constituent une caractéristique supplémentaire à prendre en considération. La réutilisation du substrat peut également être un aspect important de la durabilité d'un substrat.

   Coût Enfin, le substrat doit être peu coûteux ou du moins rentable, facilement disponible et normalisé du point de vue chimique—physique.

   4.2.4 Type de substrats

   Le choix des substrats va des produits d'origine organique ou minérale présents dans la nature et soumis à des traitements spéciaux (tourbe, perlite, vermiculite, etc.) à ceux d'origine organique provenant d'activités humaines (déchets ou sous-produits agricoles, industriels et urbains, par exemple activités) et d'origine industrielle obtenues par des procédés de synthèse (par exemple le polystyrène).

   4.2.4.1 Matières organiques

   Cette catégorie comprend les substrats organiques naturels, y compris les résidus, les déchets et les sous-produits de nature organique provenant de l'agriculture (fumier, paille, etc.) ou, par exemple, des sous-produits industriels de l'industrie du bois, etc. ou des agglomérations urbaines, par exemple les boues d'épuration, etc. traitement supplémentaire, comme l'extraction et la maturation.

   Tous les matériaux qui peuvent être utilisés en hydroponie peuvent également être utilisés en AP. Cependant, comme la charge bactérienne dans une solution AP peut être plus élevée que dans les solutions hydroponiques conventionnelles, on peut donc s'attendre à ce que les substrats organiques soient sujets à une augmentation du taux de décomposition, ce qui cause des problèmes de compactage du substrat et d'aération des racines. Par conséquent, les matières organiques peuvent être envisagées pour les cultures ayant un cycle de croissance plus court, tandis que les substrats minéraux peuvent être privilégiés pour les cultures ayant un cycle de croissance long.

   Tourbe

   La tourbe, utilisée seule ou avec d'autres substrats, est actuellement la matière d'origine organique la plus importante pour la préparation du substrat. Le terme tourbe désigne un produit dérivé de résidus de bryophytes (Sphagnum), Cypéraceae (Trichophorum, Eriophorum, Carex) et d'autres (Calluna, Phragmites, etc.) transformés en conditions anaérobies.

   Les tourbières surélevées se forment dans des environnements froids et très pluvieux. L'eau de pluie, sans sels, est retenue à la surface par des mousses et des résidus végétaux, créant ainsi un environnement saturé. Dans les tourbières surélevées, on peut distinguer une couche plus profonde et très décomposée de couleur foncée (tourbe brune) et une couche légèrement décomposée et peu profonde d'une couleur claire (tourbe blond). Les deux tourbes sont caractérisées par une bonne stabilité structurelle, une très faible disponibilité en nutriments et un pH acide, alors qu'elles diffèrent principalement par leur structure (tableau 4.2).

   Les tourbes brunes, avec de très petits pores, ont une plus grande capacité de rétention d'eau et moins de porosité libre pour l'air et ont une capacité plus élevée de CEC et de tampon. Les caractéristiques physiques varient en fonction de la taille des particules qui permet l'absorption de l'eau de 4 à 15 fois son propre poids. Les tourbières surélevées satisfont généralement aux exigences requises pour un bon substrat. De plus, ils ont des propriétés constantes et homogènes et peuvent donc être exploités industriellement. Cependant, l'utilisation de ces tourbes nécessite des corrections de pH avec, par exemple, du carbonate de calcium (CaCOsub3/sub). Généralement, pour une tourbe Sphagnum avec un pH de 3—4, il faut ajouter 2 kg msup-3/sup de Cacosub3/sub pour augmenter le pH d'une unité. Il faut veiller à éviter le séchage complet du substrat. Il faut également tenir compte du fait que la tourbe est soumise à des processus de décomposition microbiologique qui, avec le temps, peuvent augmenter la capacité de rétention d'eau et réduire la porosité libre.

   Les tourbières fernes sont principalement présentes dans les zones tempérées (p. ex. l'Italie et l'ouest de la France), où les cypéracées, les Carex et les Phragmites sont dominantes. Ces tourbes sont formées en présence d'eau stagnante. La teneur en oxygène, en sels et en calcium de l'eau permet une décomposition et une humidification plus rapides, par rapport à ce qui se produit dans les tourbières surélevées. Il en résulte une tourbe très foncée, brune à noire, avec une teneur en éléments nutritifs plus élevée, en particulier l'azote et le calcium, un pH plus élevé, une densité volumique plus élevée et une porosité libre beaucoup plus faible (tableau 4.2). Ils sont plutôt fragiles à l'état sec, et ont une plasticité remarquable à l'état humide, ce qui confère une grande sensibilité à la compression et à la déformation. Le rapport carbone/azote (C/N) se situe généralement entre 15 et 48 (Kuhry et Vitt, 1996 ; Abad et al., 2002). En raison de ses propriétés, la tourbe noire est de faible valeur et ne convient pas comme substrat, mais peut être mélangée avec d'autres matériaux.

   Il convient de noter que dans certains pays, on s'emploie à réduire l'utilisation et l'extraction de tourbe afin de réduire les effets sur l'environnement et que divers substituts de tourbe ont été identifiés avec succès.

   Fibre de coco

   La fibre de coco (coco) provient de l'élimination des enveloppes fibreuses des noix de coco et est un sous-produit de l'industrie du coprah (production d'huile de coco) et de l'extraction de fibres, et est composée presque exclusivement de lignine. Avant utilisation, il est composté pendant 2 à 3 ans, puis il est déshydraté et comprimé. Avant son utilisation, il doit être réhydraté en additionnant jusqu'à 2—4 fois de son volume comprimé avec de l'eau. La fibre de coco possède des caractéristiques chimiques et physiques semblables à celles de la tourbe blonde (tableau 4.2), mais présente l'avantage d'avoir un pH plus élevé. Il a également un impact environnemental inférieur à celui de la tourbe (exploitation excessive des tourbières) et de la laine de roche où il y a des problèmes d'élimination. C'est l'une des raisons pour lesquelles il est de plus en plus préféré dans les systèmes sans sol (Olle et al., 2012 ; Fornes et al., 2003).

   Substrats à base de bois

   Les substrats organiques dérivés du bois ou de ses sous-produits, comme l'écorce, les copeaux de bois ou la poussière de scie, sont également utilisés dans la production d'usines commerciales mondiales (Maher et al., 2008). Les substrats à base de ces matériaux possèdent généralement une bonne teneur en air et des conductivités hydrauliques saturées élevées. Les inconvénients peuvent inclure une faible capacité de rétention d'eau, une aération insuffisante causée par l'activité microbienne, une distribution non appropriée de la taille des particules, une immobilisation des éléments nutritifs ou des effets négatifs dus à l'accumulation de sel et de composés toxiques (Dorais et al., 2006).

   4.2.4.2 Matières inorganiques

   Cette catégorie comprend les matières naturelles (p. ex. sable, pierre ponce) et les produits minéraux dérivés de procédés industriels (p. ex. vermiculite, perlite) (tableau 4.3).

   Tableau 4.3 Principales caractéristiques chimiques et physiques des substrats inorganiques utilisés dans les systèmes sans sol

   table thead tr class="en-tête » Thsubstrates/TH Densité en vrac (kg msup3/sup) /e La porosité totale (%vol) /e Porosité libre (%vol) /e Capacité de rétention d'eau (%vol) /th THCEC (meq%) /e TheC (mS cmsup1/sup) /th THPH/TH /tr /thead tbody tr class="impair » TDS/TD td1400—1600/td td40—50/td td1—20/td td20—40/td td20—25/td td0.10/td td6.4—7.9/td /tr tr class="même » TDpumice/TD td450—670/td td55—80/td td30—50/td td24—32/td td—/td td0.08—0.12/td td6.7—9.3/td /tr tr class="impair » TDTuffes volcaniques/td td570—630/td td80—90/td td75—85/td td2—5/td td3—5/td td—/td td7.0—8.0/td /tr tr class="même » TDvermiculite/TD td80—120/td td70—80/td td25—50/td td30—55/td td80—150/td td0.05/td td6.0—7.2/td /tr tr class="impair » TDperlite/TD td90—130/td td50—75/td td30—60/td td15—35/td td1.5—3.5/td td0.02—0.04/td td6.5—7.5/td /tr tr class="même » TDArgile expansée/td td300—700/td td40—50/td td30—40/td td5—10/td td3—12/td td0.02/td td4.5—9.0/td /tr tr class="impair » Laine TDStone/td td85—90/td td95—97/td td10—15/td td75—80/td td—/td td0.01/td td7.0—7.5/td /tr tr class="même » Polystyrène expansé TD/TD td6—25/td td55/td td52/td td3/td td—/td td0.01/td td6.1/td /tr /tbody /table

   Source : Enzo et coll. (2001)

   Sable

   Les sables sont des matières inorganiques naturelles dont les particules sont comprises entre 0,05 et 2,0 mm de diamètre, provenant de l'altération de différents minéraux. La composition chimique des sables peut varier selon l'origine, mais en général, il est constitué de 98,0— 99,5 % de silice (Siosub2/sub) (Perelli et al. 2009). Le pH est principalement lié à la teneur en carbonate. Les sables à faible teneur en carbonate de calcium et pH 6,4—7,0 sont mieux adaptés comme substrat, car ils n'influencent pas la solubilité du phosphore et de certains oligo-éléments (p. ex. le fer, le manganèse). Comme tous les substrats d'origine minérale, les sables ont une CCE faible et une faible capacité tampon (tableau 4.3). Les sables fins (0,05—0,5 mm) sont les plus appropriés pour une utilisation dans les systèmes hydroponiques dans des mélanges de 10 à 30 % en volume avec des matières organiques. Les sables grossiers ( \ >0,5 mm) peuvent être utilisés pour augmenter la capacité de drainage du substrat.

   Pumice

   La pierre ponce comprend le silicate d'aluminium d'origine volcanique, très léger et poreux, et peut contenir de petites quantités de sodium et de potassium ainsi que des traces de calcium, de magnésium et de fer selon le lieu d'origine. Il est capable de retenir le calcium, le magnésium, le potassium et le phosphore des solutions nutritives et de les libérer progressivement dans la plante. Il a généralement un pH neutre, mais certains matériaux peuvent avoir un pH excessivement élevé, une bonne porosité libre mais une faible capacité de rétention d'eau (tableau 4.3). La structure a cependant tendance à se détériorer assez rapidement, en raison de la rupture facile des particules. La pierre ponce, ajoutée à la tourbe, augmente le drainage et l'aération du substrat. Pour l'horticulture, on préfère les particules de pierre ponce de 2 à 10 mm de diamètre (Kipp et al., 2001).

   Tuffes volcaniques

   Les tufs proviennent d'éruptions volcaniques, dont les particules varient entre 2 et 10 mm de diamètre. Ils peuvent avoir une densité volumique variant entre 850 et 1100 kg msup-3/sup et une capacité de rétention d'eau comprise entre 15 et 25 % en volume (Kipp et al., 2001).

   Vermiculite

   La vermiculite comprend des phyllosilicates hydre de magnésium, d'aluminium et de fer, qui, à l'état naturel, ont une structure lamellaire mince qui retient de minuscules gouttes d'eau. La vermiculite exfoliée est couramment utilisée dans l'industrie horticole et se caractérise par une capacité tampon élevée et des valeurs de CCE semblables à celles des meilleures tourbes (tableau 4.3), mais, comparativement à celles-ci, elle a une plus grande disponibilité en nutriments (5— 8% de potassium et 9— 12% de magnésium) (Perelli et al., 2009). NHsub4/Subsup+/SUP est particulièrement fortement retenu par la vermiculite ; cependant, l'activité des bactéries nitrifiantes permet la récupération d'une partie de l'azote fixe. De même, la vermiculite se lie à plus de 75 % du phosphate sous une forme irréversible, alors qu'elle a une faible capacité absorbante pour le CLSUP-/SUP, le NOSub-3/Subsup-/SUP et le SOsub4/Subsup-/SUP. Ces caractéristiques doivent être soigneusement évaluées lorsque la vermiculite est utilisée comme substrat. La structure de la vermiculite n'est pas très stable en raison d'une faible résistance à la compression et tend à se détériorer avec le temps, ce qui réduit le drainage de l'eau. Il peut être utilisé seul ; cependant, il est préférable de le mélanger avec de la perlite ou de la tourbe.

   Perlite

   La perlite comprend le silicate d'aluminium d'origine volcanique contenant 75 % de siosub2/sub et 13 % d'alsub2/subosub3/sub. La matière première est broyée, tamisée, compressée et chauffée à 700—1000 °C. À ces températures, le peu d'eau contenue dans la matière première se transforme en vapeur en dilatant les particules en petits agrégats gris blanchâtre qui, contrairement à la vermiculite, ont une structure cellulaire fermée. Il est très léger et possède une porosité libre élevée même après le trempage. Il ne contient aucun élément nutritif, a une CCE négligeable et est pratiquement neutre (tableau 4.3) (Verdonk et al., 1983). Cependant, le pH peut varier facilement parce que la capacité tampon est insignifiante. Le pH devrait être contrôlé par la qualité de l'eau d'irrigation et ne devrait pas tomber en dessous de 5,0 afin d'éviter les effets phytotoxiques. effets de l'aluminium. La structure à cellules fermées permet de retenir l'eau uniquement sur la surface et dans les espaces entre les agglomérations, de sorte que la capacité de rétention d'eau est variable par rapport aux dimensions des agglomérations. Il est commercialisé en différentes tailles, mais les plus appropriés pour l'horticulture sont de 2—5 mm de diamètre. Il peut être utilisé comme substrat dans les lits d'enracinement, car il assure une bonne aération. Dans les mélanges avec des matières organiques, il améliore la douceur, la perméabilité et l'aération du substrat. La perlite peut être réutilisée pendant plusieurs années tant qu'elle est stérilisée entre les utilisations.

   Argile expansée

   L'argile expansée est obtenue par traitement de la poudre d'argile à environ 700 C. On forme des agrégats stables et, selon le matériau argileux utilisé, ils ont des valeurs variables en ce qui concerne la CCE, le pH et la densité volumique (tableau 4.3). L'argile expansée peut être utilisée dans des mélanges contenant des matières organiques dans des quantités d'environ 10 à 35 % en volume, ce qui permet une plus grande aération et un meilleur drainage (Lamanna et al., 1990). Les argiles expansées dont le pH est supérieur à 7,0 ne peuvent pas être utilisées dans les systèmes sans sol.

   Laine de pierre

   La laine de pierre est le substrat le plus utilisé dans la culture sans sol. Il provient de la fusion de silicates d'aluminium, de calcium et de magnésium et de coke de carbone à 1500—2000 °C. Le mélange liquéfié est extrudé en brins de 0,05 mm de diamètre et, après compression et addition de résines spéciales, le matériau présente une structure fibreuse très légère avec une porosité élevée (tableau 4.3).

   La laine de pierre est chimiquement inerte et, lorsqu'elle est ajoutée à un substrat, elle améliore son aération et son drainage et offre également un excellent ancrage pour les racines des plantes. Il est utilisé seul, comme substrat de semis et pour la culture sans sol. Les dalles utilisées pour la culture peuvent être utilisées pendant plusieurs cycles de production en fonction de la qualité, à condition que la structure soit en mesure de garantir suffisamment de porosité et d'oxygène pour les systèmes racinaires. Habituellement, après plusieurs cycles de culture, la plus grande partie de la porosité du substrat est remplie de vieilles racines mortes, ce qui est dû au compactage du substrat au fil du temps. Il en résulte une profondeur réduite de substrat où les stratégies d'irrigation peuvent nécessiter une adaptation.

   Zéolites

   Les zéolites comprennent des silicates d'aluminium hydratés caractérisés par leur capacité à absorber les éléments gazeux ; ils sont riches en macro- et microéléments, ils ont un pouvoir absorbant élevé et ils ont une surface interne élevée (structures avec des pores de 0,5 mm). Ce substrat est d'un grand intérêt car il absorbe et libère lentement les ions KSUP+/SUP et NHSub4/Subsup+/SUP, alors qu'il n'est pas capable d'absorber CLSUP et NASUP+/SUP, qui sont dangereux pour les plantes. Les zéolites sont commercialisées dans des formulations qui diffèrent par leur teneur en N et en P et qui peuvent être utilisées dans l'ensemencement des semences, pour l'enracinement des boutures ou pendant la phase de culture (Pickering et al., 2002).

   4.2.4.3 Matériaux synthétiques

   Les matériaux synthétiques comprennent à la fois des matériaux plastiques de faible densité et des résines synthétiques échangeuses d'ions. Ces matériaux, appelés « expansés », parce qu'ils sont obtenus par un processus de dilatation à des températures élevées, ne sont pas encore largement utilisés, mais ils possèdent des propriétés physiques appropriées pour équilibrer les caractéristiques d'autres substrats.

   Polystyrène expansé

   Le polystyrène expansé est produit en granules de 4—10 mm de diamètre avec une structure à cellules fermées. Il ne se décompose pas, est très léger et a une porosité très élevée mais avec une capacité de rétention d'eau extrêmement faible (tableau 4.3). Il n'a pas de CEC et de capacité tampon pratiquement nulle, de sorte qu'il est ajouté au substrat (p. ex. tourbe) exclusivement pour améliorer sa porosité et son drainage. La taille préférée des particules est de 4—5 mm (Bunt, 2012).

   Mousse de polyuréthanne

   La mousse de polyuréthane est un matériau de faible densité (12—18 kg msup-3/sup) avec une structure poreuse qui permet une absorption d'eau égale à 70% de son volume. Il est chimiquement inerte, a un pH presque neutre (6,5—7,0), ne contient pas de nutriments utiles disponibles pour les plantes et ne subit pas de décomposition (Kipp et al., 2001). Sur le marché, il est possible de le trouver sous la forme de granulés, de cubes d'enracinement ou de blocs. Comme une laine de pierre, il peut également être utilisé pour la culture sans sol.

   4.2.5 Préparation de substrats de culture mixte

   Les substrats mixtes peuvent être utiles pour réduire les coûts globaux des substrats et/ou pour améliorer certaines caractéristiques des matériaux d'origine. Par exemple, la tourbe, la vermiculite et la noix de coco peuvent être ajoutées pour augmenter la capacité de rétention d'eau ; la perlite, le polystyrène, le sable grossier et l'argile expansée pour augmenter la porosité et le drainage libres ; la tourbe blonde pour augmenter l'acidité ; des quantités plus élevées de matière organique ou des quantités appropriées de sol argileux pour augmenter la CCE et le tampon et des substrats peu décomposables pour une durabilité et une stabilité accrues. Les caractéristiques des mélanges représentent rarement la moyenne des composants, car avec le mélange, les structures sont modifiées entre les particules individuelles et, par conséquent, la relation entre les caractéristiques physiques et chimiques. En général, les mélanges à faible teneur en éléments nutritifs sont préférables, afin de pouvoir mieux gérer la culture. La bonne relation entre les différents constituants d'un mélange varie également selon les conditions environnementales dans lesquelles il opère. À des températures élevées, il est rationnel d'utiliser des composants qui possèdent une capacité de rétention d'eau plus élevée et qui ne permettent pas une évaporation rapide (par exemple la tourbe) et qui, en même temps, sont résistants à la décomposition. En revanche, dans les environnements humides, avec un faible rayonnement solaire, les composants caractérisés par une porosité élevée sont privilégiés pour assurer un bon drainage. Dans ce cas, il sera nécessaire d'ajouter des substrats grossiers tels que le sable, la pierre ponce, l'argile expansée et le polystyrène expansé (Bunt 2012).

3. 4.3 Types de systèmes hydroponiques selon la distribution de l'eau et des éléments nutritifs

   Original publication 2019 · Publié pour la première fois sur FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   4.3.1 Technique d'écoulement profond (DFT)

   La technique d'écoulement profond (DFT), également connue sous le nom de technique d'eau profonde, consiste à cultiver des plantes sur des supports flottants ou suspendus (radeaux, panneaux, planches) dans des récipients remplis de solution nutritive de 10 à 20 cm (Van Os et al., 2008) (figure 4.3). Dans AP, cela peut aller jusqu'à 30 cm. Il existe différentes formes d'application qui peuvent être distinguées principalement par la profondeur et le volume de la solution, et les méthodes de recirculation et d'oxygénation.

    

   Figure 4.3 Illustration d'un système DFT à panneaux flottants

   L'un des systèmes les plus simples comprend des réservoirs de 20 à 30 cm de profondeur, qui peuvent être construits en différents matériaux et imperméabilisés avec des films de polyéthylène. Les réservoirs sont équipés de radeaux flottants (plusieurs types sont disponibles auprès des fournisseurs) qui servent à soutenir les plantes au-dessus de l'eau tandis que les racines des plantes pénètrent dans l'eau. Le système est particulièrement intéressant car il minimise les coûts et la gestion. Par exemple, il existe un besoin limité d'automatisation du contrôle et de la correction de la solution nutritive, en particulier dans les cultures de courte durée comme la laitue, où le volume relativement élevé de solution facilite la reconstitution de la solution nutritive seulement à la fin de chaque cycle, et seulement la la teneur en oxygène doit être surveillée périodiquement. Les niveaux d'oxygène doivent être supérieurs à 4—5 mg de LSUP-1/SUP ; sinon, des carences en éléments nutritifs peuvent apparaître en raison de la faible performance de l'absorption des systèmes racinaires. La circulation de la solution ajoutera normalement de l'oxygène, ou des systèmes Venturi peuvent être ajoutés, ce qui augmente considérablement l'air dans le système. Ceci est particulièrement important lorsque la température de l'eau est supérieure à 23 °C, car de telles températures élevées peuvent stimuler le boulonnage de la laitue.

   4.3.2 Technique du film nutritif (TVN)

   La technique NFT est utilisée de façon omniprésente et peut être considérée comme le système de culture hydroponique classique, où une solution nutritive circule et circule dans des cuves avec une couche d'eau de 1 à 2 cm (Cooper, 1979 ; Jensen et Collins, 1985 ; Van Os et al., 2008) (figure 4.4). La recirculation de la solution nutritive et l'absence de substrat représentent l'un des principaux avantages du système NFT. Un avantage supplémentaire est son grand potentiel d'automatisation pour économiser sur les coûts de main-d'œuvre (plantation et récolte) et la possibilité de gérer la densité végétale optimale pendant le cycle de culture. D'autre part, le manque de substrat et les faibles niveaux d'eau rendent le TVN vulnérable à la défaillance des pompes, par exemple en raison d'un colmatage ou d'une défaillance de l'alimentation électrique. Les fluctuations de température dans la solution nutritive peuvent causer un stress végétal suivi de maladies.

    

   Fig. 4.4 Illustration du système NFT (à gauche) et d'un creux NFT multicouche, développé et commercialisé par New Growing Systems (NGS), Espagne (à droite)

   Le développement du système racinaire, dont une partie reste suspendue dans l'air au-dessus du flux nutritif et qui est exposé à un vieillissement précoce et à une perte de fonctionnalité, représente une contrainte majeure car il empêche la production de cultures à long cycle (sur 4 à 5 mois). En raison de sa grande sensibilité aux variations de température, ce système n'est pas adapté aux environnements de culture caractérisés par des niveaux élevés d'irradiation et de température (par exemple les zones méridionales du bassin méditerranéen). Cependant, en réponse à ces défis, un creux multicouche NFT a été conçu pour permettre des cycles de production plus longs sans problèmes de colmatage (NGS). Il est constitué d'une série de couches interconnectées placées en cascade, de sorte que même dans les espèces de plantes à enracinement fortes, telles que les tomates, la solution nutritive va toujours trouver son chemin vers les racines en contournant la couche obstruée par la racine via une couche positionnée inférieure.

   4.3.3 Systèmes aérotoniques

   La technique aéroponique est principalement destinée aux petites espèces horticoles et n'a pas encore été largement utilisée en raison des coûts élevés d'investissement et de gestion. Les plantes sont supportées par des panneaux en plastique ou par du polystyrène, disposées horizontalement ou sur des sommets inclinés des boîtes de culture. Ces panneaux sont soutenus par une structure faite de matériaux inertes (plastique, acier revêtu de film plastique, panneaux de polystyrène), afin de former des boîtes fermées où le système racinaire suspendu peut se développer (fig. 4.5).

    

   Fig. 4.5 Illustration de la technique aéroponique

   La solution nutritive est directement pulvérisée sur les racines, qui sont suspendues dans la boîte dans l'air, avec des gicleurs statiques (pulvérisateurs), insérées sur des tuyaux logés à l'intérieur du module de boîte. La durée de pulvérisation est de 30 à 60 s, tandis que la fréquence varie en fonction de la période de culture, du stade de croissance des plantes, de l'espèce et de l'heure de la journée. Certains systèmes utilisent des plaques vibrantes pour créer des micro-gouttelettes d'eau qui forment une vapeur qui se condense sur les racines. Le lixiviat est recueilli sur le fond des modules de la boîte et transporté au réservoir de stockage, pour être réutilisé.

4. 4.4 Physiologie végétale

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   4.4.1 Mécanismes d'absorption

   Parmi les principaux mécanismes impliqués dans l'alimentation des plantes, le plus important est l'absorption qui, pour la majorité des nutriments, se fait sous forme ionique suite à l'hydrolyse des sels dissous dans la solution nutritive.

   Les racines actives sont l'organe principal de la plante impliqué dans l'absorption des nutriments. Les anions et les cations sont absorbés par la solution nutritive et, une fois à l'intérieur de la plante, ils provoquent la sortie des protons (HSUP+/SUP) ou des hydroxyles (OHSUP-/SUP), ce qui maintient l'équilibre entre les charges électriques (Haynes 1990). Ce procédé, tout en maintenant l'équilibre ionique, peut provoquer des changements dans le pH de la solution par rapport à la quantité et à la qualité des nutriments absorbés (figure 4.6).

   Les implications pratiques de ce procédé pour l'horticulteur sont doubles : fournir une capacité tampon adéquate à la solution nutritive (en ajoutant des bicarbonates si nécessaire) et induire de légers changements de pH avec le choix de l'engrais. L'effet des engrais sur le pH est lié aux différentes formes chimiques des composés utilisés.

    

   Fig. 4.6 Absorption ionique par le système racinaire d'une plante

   Dans le cas de N, par exemple, la forme la plus couramment utilisée est l'azote nitrique (NOSub3/Subsup-/SUP), mais lorsque le pH doit être abaissé, l'azote peut être fourni sous forme d'azote ammonium (NHsub4/Subsup+/SUP). Cette forme, lorsqu'elle est absorbée, induit la libération de HSUP+/SUP et, par conséquent, une acidification du milieu.

   Les conditions climatiques, en particulier la température de l'air et du substrat et l'humidité relative, exercent une influence majeure sur l'absorption des nutriments (Pregitzer et King 2005 ; Masclaux-Daubresse et al. 2010 ; Marschner 2012 ; Cortella et al. 2014). En général, la meilleure croissance se produit là où il y a peu de différences entre le substrat et la température de l'air. Cependant, des niveaux de température élevés persistants dans le système racinaire ont un effet négatif. Des températures sous-optimales réduisent l'absorption de N (Dong et al., 2001). Alors que le NHsub4/Subsup+/SUP est utilisé efficacement à des températures optimales, à basse température, l'oxydation bactérienne est réduite, provoquant une accumulation à l'intérieur de la plante qui peut produire des symptômes de toxicité et endommager le système racinaire et la biomasse aérienne. Les basses températures au niveau des racines inhibent également l'assimilation de K et P, ainsi que la translocation de P. Bien que l'information disponible sur l'effet des basses températures sur l'absorption des micronutriments soit moins claire, il semble que l'absorption du Mn, du Zn, du Cu et du Mo soit la plus touchée (Tindall et al., 1990 ; Fageria et al., 2002).

   4.4.2 Les nutriments essentiels, leur rôle et les antagonismes possibles

   La gestion appropriée de la nutrition végétale doit reposer sur des aspects fondamentaux qui sont influencés par l'absorption et l'utilisation de macro-nutriments et de micro-nutriments (Sonneveld et Voogt, 2009). Les macro-nutriments sont nécessaires en quantités relativement importantes, tandis que les micronutriments ou oligo-éléments sont nécessaires en petites quantités. En outre, la disponibilité de nutriments pour la plante dans le cas des systèmes sans sol présente des phénomènes plus ou moins cohérents de synergie et d'antagonisme (fig. 4.7).

   _Azote (N) _ L'azote est absorbé par les plantes pour produire des acides aminés, des protéines, des enzymes et de la chlorophylle. Les formes d'azote les plus utilisées pour la fertilisation des plantes sont le nitrate et l'ammonium. Les nitrates sont rapidement absorbés par les racines, sont très mobiles à l'intérieur des plantes et peuvent être stockés sans effets toxiques. L'ammonium ne peut être absorbé par les plantes qu'en faibles quantités et ne peut pas être stocké en grandes quantités parce qu'il exerce des effets toxiques. Des quantités supérieures à 10 mg de LSUP-1/SUP inhibent l'absorption de calcium et de cuivre chez les plantes, augmentent la croissance des pousses par rapport à la croissance des racines et donnent une forte couleur verte des feuilles. D'autres excès de concentration d'ammoniac entraînent des effets phytotoxiques tels que la chlorose le long des marges des feuilles. L'excès d'azote provoque une croissance végétative élevée, une augmentation de la longueur du cycle de culture, une forte couleur verte des feuilles, une faible teneur en fruits, une forte teneur en eau dans les tissus, une faible lignification tissulaire et une forte accumulation de nitrates tissulaires. Généralement, la carence en azote se caractérise par une couleur vert pâle des feuilles plus âgées (chlorose), une croissance réduite et une progression de la sénescence.

    

   Fig. 4.7 Synergies nutritives et antagonismes entre les ions. Les ions connectés présentent une relation synergique ou antagoniste selon la direction de la flèche

   _Potassium (K) _ Le potassium est fondamental pour la division et l'extension des cellules, la synthèse des protéines, l'activation enzymatique et la photosynthèse et agit également comme un transporteur d'autres éléments et glucides à travers la membrane cellulaire. Il joue un rôle important dans le maintien du potentiel osmotique de la cellule en équilibre et la régulation de l'ouverture stomatale. Les premiers signes de carence se manifestent sous la forme de taches jaunâtres qui nécrotisent très rapidement sur les marges des feuilles plus âgées. Les plantes déficientes en potassium sont plus sensibles aux chutes soudaines de température, au stress hydrique et aux attaques fongiques (Wang et al., 2013).

   _Phosphore (P) _ Le phosphore stimule le développement des racines, la croissance rapide des bourgeons et la quantité de fleurs. P est absorbé très facilement et peut être accumulé sans endommager la plante. Son rôle fondamental est lié à la formation de composés à haute énergie (ATP) nécessaires au métabolisme des plantes. Les quantités moyennes demandées par les plantes sont plutôt modestes (10 à 15 % des besoins en N et K) (Le Bot et al., 1998). Cependant, contrairement à ce qui se produit dans le sol, le P est facilement lixiviable dans les cultures sans sol. L'absorption du P semble être réduite par les basses températures du substrat ( \ 13 ˚C) ou par l'augmentation du pH ( \ 6.5), ce qui peut entraîner des symptômes de carence (Vance et al., 2003). Dans ces conditions, une augmentation de la température et/ou une réduction du pH sont plus efficaces que d'autres modifications d'engrais phosphore. L'excès de P peut réduire ou bloquer l'absorption de certains autres nutriments (p. ex. K, Cu, Fe) (figure 4.7). La carence en phosphore se manifeste par une couleur vert-violet des feuilles plus âgées, qui peut suivre la chlorose et la nécrose en plus du retard de croissance de l'apex végétatif. Cependant, ces symptômes ne sont pas spécifiques et rendent difficile l'identification des carences en P (Uchida, 2000).

   _Calcium (Ca) _ Le calcium est impliqué dans la formation de la paroi cellulaire, la perméabilité de la membrane, la division et l'extension cellulaires. Une bonne disponibilité donne à la plante une plus grande résistance aux attaques fongiques et aux infections bactériennes (Liu et al., 2014). L'absorption est très étroitement liée au débit d'eau entre les racines et les parties aériennes. Son mouvement se fait à travers le xylème et est donc particulièrement influencé par les basses températures au niveau des racines, par la réduction de l'approvisionnement en eau (sécheresse ou salinité de la solution) ou par l'humidité relative excessive de l'air. Comme le Ca n'est pas mobile à l'intérieur de l'usine, les carences proviennent des pièces les plus récemment formées (Adams, 1991 ; Adams et Ho, 1992 ; Ho et al., 1993). Les principaux symptômes sont le retard de croissance des plantes, la déformation des marges des feuilles plus jeunes, la coloration vert clair ou parfois chlorotique de nouveaux tissus et un système racinaire raboutré sans racines fines. Les carences sont présentées de différentes manières, par exemple la pourriture apicale dans la tomate et/ou le brunissement marginal des feuilles dans la laitue.

   _Magnésium (Mg) _ Le magnésium est impliqué dans la constitution des molécules de chlorophylle. Il est immobilisé à des valeurs de pH inférieures à 5,5 et entre en compétition avec l'absorption du K et du Ca (figure 4.7). Les symptômes de carence sont le jaunissement entre les veines foliaires et la chlorose interne des feuilles basales. Comme le Mg peut être facilement mobilisé, les plantes déficientes en magnésium décomposent d'abord la chlorophylle dans les feuilles plus anciennes et transportent le Mg vers les feuilles plus jeunes. Par conséquent, le premier signe de carence en magnésium est la chlorose interveineuse chez les feuilles plus âgées, contrairement à la carence en fer où la chlorose interveineuse apparaît pour la première fois chez les feuilles les plus jeunes (Sonneveld et Voogt, 2009).

   _Soufre (S) _ Le soufre est requis par l'usine en quantités comparables à celles du phosphore, et pour optimiser son absorption, il doit être présent dans un rapport de 1:10 avec l'azote (McCutchan et al., 2003). Il est absorbé sous forme de sulfate. Les carences ne sont pas facilement détectées, car les symptômes peuvent être confondus avec ceux de la carence en azote, sauf que la carence en azote commence à se manifester à partir des feuilles plus anciennes, tandis que celle du soufre des plus jeunes (Schnug et Haneklaus 2005). La nutrition S joue un rôle important dans l'amélioration des dommages causés par la carence en Fe dans les appareils photosynthétiques (Muneer et al., 2014).

   _Fer (Fe) _ Le fer est l'un des micro-nutriments les plus importants car il est essentiel dans de nombreux processus biologiques tels que la photosynthèse (Briat et al. 2015 ; Heuvelink et Kierkels 2016). Pour améliorer son absorption, le pH de la solution nutritive devrait être d'environ 5,5—6,0, et la teneur en Mn ne devrait pas être trop élevée parce que les deux éléments entrent ensuite en compétition (figure 4.7). Le rapport optimal de Fe— Mn est d'environ 2:1 pour la plupart des cultures (Sonneveld et Voogt, 2009). À basse température, l'efficacité d'assimilation est réduite. Les symptômes de carence sont caractérisés par une chlorose interveineuse des jeunes feuilles vers les plus anciennes basales et par une croissance réduite du système racinaire. Les symptômes de carence ne sont pas toujours dus à la faible présence de Fe dans la solution nutritive, mais souvent ils sont dus à l'indisponibilité de Fe pour la plante. L'utilisation d'agents chélatants garantit une disponibilité constante de Fe pour la plante.

   _Chlorine (Cl) _ Le chlore a été récemment considéré comme un micro-nutriment, même si sa teneur dans les plantes (0,2— 2,0% p.c.) est assez élevée. Il est facilement absorbé par la plante et est très mobile à l'intérieur. Il est impliqué dans le processus photosynthétique et la régulation de l'ouverture des stomates. Les carences, qui sont plutôt rares, se produisent avec des symptômes typiques du dessèchement des feuilles, surtout en marge. Les dommages causés par un excès de Cl sont beaucoup plus répandus, ce qui conduit à un retrait visible des plantes par rapport aux différentes sensibilités des différentes espèces. Pour éviter d'endommager les cultures, il est toujours conseillé de vérifier la teneur en Cl de l'eau utilisée pour préparer les solutions nutritives et de choisir les engrais appropriés (par exemple, KSub2/SubsoSub4/sub plutôt que KCl).

   _Sodium (Na) _ Le sodium, s'il est en excès, est nocif pour les plantes, car il est toxique et interfère avec l'absorption d'autres ions. L'antagonisme avec K (fig. 4.7), par exemple, n'est pas toujours nocif parce que chez certaines espèces (par exemple les tomates), il améliore le goût des fruits, tandis que chez d'autres (par exemple les haricots), il peut réduire la croissance des plantes. Tout comme le Cl, il est important de connaître la concentration dans l'eau utilisée pour préparer la solution nutritive (Sonneveld et Voogt, 2009).

   _Manganèse (Mn) _ Le manganèse fait partie de nombreux coenzymes et est impliqué dans l'extension des cellules racinaires et leur résistance aux agents pathogènes. Sa disponibilité est contrôlée par le pH de la solution nutritive et par la concurrence avec d'autres nutriments (figure 4.7). Les symptômes de carence sont semblables à ceux du Fe, à l'exception de l'apparition de zones légèrement enfoncées dans les zones interveineuses (Uchida, 2000). Les corrections peuvent être apportées en ajoutant du MNSOSub4/Sub ou en abaissant le pH de la solution nutritive.

   _Bore (B) _ Le bore est essentiel pour la mise en valeur des fruits et le développement des semences. Les méthodes d'absorption sont similaires à celles déjà décrites pour le Ca avec lesquelles il peut concurrencer. Le pH de la solution nutritive doit être inférieur à 6,0 et le niveau optimal semble se situer entre 4,5 et 5,5. Les symptômes de carence peuvent être détectés dans les nouvelles structures qui apparaissent vert foncé, les jeunes feuilles augmentent considérablement leur épaisseur et ont une consistance coriace. Par la suite, ils peuvent apparaître chlorotiques puis nécrotiques, avec une coloration rouillée.

   Zinc (Zn) _ Le zinc joue un rôle important dans certaines réactions enzymatiques. Son absorption est fortement influencée par le pH et l'apport en P de la solution nutritive. Des valeurs de pH comprises entre 5,5 et 6,5 favorisent l'absorption du Zn. Les basses températures et les niveaux élevés de P réduisent la quantité de zinc absorbée par la plante. Les carences en zinc se produisent rarement et sont représentées par des taches chlorotiques dans les zones interveineuses des feuilles, des entre-nœuds très courts, une épinastie foliaire et une faible croissance (Gibson, 2007).

   _Cuivre (Cu) _ Le cuivre est impliqué dans les processus respiratoires et photosynthétiques. Son absorption est réduite à des valeurs de pH supérieures à 6,5, tandis que des valeurs de pH inférieures à 5,5 peuvent entraîner des effets toxiques (Rooney et al., 2006). Des niveaux élevés d'ammonium et de phosphore interagissent avec le Cu, ce qui réduit la disponibilité de ce dernier. La présence excessive de Cu interfère avec l'absorption de Fe, Mn et Mo. Les carences se manifestent par une chlorose interveineuse qui entraîne l'effondrement des tissus foliaires qui semblent desséchés (Gibson 2007).

   _Molybdène (Mo) _ Le molybdène est essentiel dans la synthèse des protéines et dans le métabolisme de l'azote. Contrairement à d'autres micro-nutriments, il est mieux disponible à des valeurs de pH neutres. Les symptômes de carence commencent par la chlorose et la nécrose le long de la côte principale des vieilles feuilles, tandis que les jeunes feuilles semblent déformées (Gibson 2007).

   4.4.3 Gestion des éléments nutritifs par rapport aux exigences des végétaux

   Depuis le développement des systèmes horticoles sans sol dans les années 1970 (Verwer, 1978 ; Cooper, 1979), différentes solutions nutritives ont été développées et ajustées en fonction des préférences des producteurs (tableau 4.4 ; De Kreij et al., 1999). Tous les mélanges suivent les principes de la disponibilité excessive de tous les éléments afin de prévenir les carences et l'équilibre entre les cations (bivalents) afin d'éviter la concurrence entre les cations dans l'absorption des éléments nutritifs des plantes (Hoagland et Arnon, 1950 ; Steiner, 1961 ; Steiner, 1984 ; Sonneveld et Voogt, 2009). Généralement, la CE est autorisée à augmenter dans une certaine mesure dans la zone radiculaire. Dans les tomates, par exemple, la solution nutritive a généralement une EC d'environ 3 dS msup-1/sup, tandis que dans la zone racinaire des dalles de laine de roche, la CE peut atteindre 4—5 dS msup-1/sup. Cependant, dans les pays d'Europe du Nord, pour la première irrigation de nouvelles dalles de laine de roche au début du cycle de production, la solution nutritive peut avoir une CE allant jusqu'à 5 dS msup-1/sup, saturant le substrat de laine de roche avec des ions jusqu'à un EC de 10 dS msup-1/sup, qui sera ensuite rincé après 2 semaines. Pour assurer un rinçage suffisant de la zone racinaire, dans un système typique de dalles de laine de pierre d'irrigation goutte à goutte, environ 20 à 50 % de l'eau dosée est collectée sous forme d'eau de drainage. L'eau de drainage est ensuite recyclée, filtrée, mélangée à de l'eau douce et complétée de nutriments pour être utilisée dans le cycle suivant (Van Os, 1994).

   Dans la production de tomates, l'augmentation de la CE peut être appliquée pour améliorer la synthèse du lycopène (favorisant la coloration rouge vif des fruits), les solides solubles totaux (TSS) et la teneur en fructose et en glucose (Fanasca et al., 2006 ; Wu et Kubota, 2008). De plus, les plants de tomates ont des taux d'absorption plus élevés pour N, P, Ca et Mg et une faible absorption de K pendant les premiers stades (végétatifs). Une fois que les plantes commencent à produire des fruits, la production de feuilles est ralentie, ce qui entraîne une réduction des besoins en azote et en Ca, tandis que les besoins en K augmentent (p. ex. Zekki et al., 1996 ; Silber, Bar-Tal, 2008). En revanche, dans le cas de la laitue, une augmentation de la CE peut favoriser la brûlure des pointes pendant les conditions de croissance chaudes. Huett (1994) a montré une diminution significative du nombre de feuilles atteintes de la maladie de la pointe par plante lorsque la CE est passée de 3,6 à 0,4 dS msup-1/sup, ainsi que lorsque la formulation nutritive K/Ca a été réduite de 3, 5:1 à 1, 25:1. Dans la PA, la gestion des nutriments est plus difficile que dans l'hydroponie puisqu'ils dépendent principalement de la densité des stocks de poissons, du type d'alimentation et des taux d'alimentation.

   4.4.4 Propriétés de la solution nutritive

   Le phosphore est un élément qui se présente sous des formes fortement dépendantes du pH de l'environnement. Dans la zone racinaire, cet élément peut être trouvé sous forme d'ions PoSub4/Subsup-3/SUP, HPOSub4/Subsup2-/SUP et HSUB2/Subposub4/Subsup-/SUP, où les deux derniers ions sont les principales formes de P absorbées par les plantes. Ainsi, lorsque le pH est légèrement acide (pH 5—6), la plus grande quantité de P est présentée dans une solution nutritive (De Rijck et Schrevens, 1997).

   Le potassium, le calcium et le magnésium sont disponibles pour les plantes dans une large gamme de pH. Cependant, la présence d'autres ions peut interférer dans leur disponibilité végétale en raison de la formation de composés de différentes nuances de solubilité. À un pH supérieur à 8,3, les ions CaSUP2+/SUP et MgSUP2+/SUP précipitent facilement sous forme de carbonates en réagissant avec le CoSub3/Subsup2-/SUP. Le sulfate forme également des complexes relativement forts avec CaSUP2+/SUP et MgSUP2+/SUP (De Rijck et Schrevens, 1998). À mesure que le pH augmente de 2 à 9, la quantité de SOSub4/Subsup2-/SUP formant des complexes solubles avec MgSUP2+/SUP sous forme de MgSOsub4/sub et avec KSUP+/SUP sous forme de KSOSub4/Subsup-/SUP augmente (De Rijck et Schrevens 1999). En général, la disponibilité des nutriments pour l'absorption des plantes à un pH supérieur à 7 peut être limitée en raison d'une précipitation de bore, de FESUP2+/SUP, de MNSUP2+/SUP, de POSub4/Subsup3-/SUP, de CaSUP2+/SUP et de MgSUP2+/SUP en raison de sels insolubles et indisponibles. Les valeurs de pH les plus appropriées de la solution nutritive pour le développement des cultures se situent entre 5,5 et 6,5 (Sonneveld et Voogt, 2009).

   4.4.5 Qualité de l'eau et éléments nutritifs

   La qualité de l'eau fournie est extrêmement importante dans les systèmes hydroponiques et AP. Pour la recirculation à long terme, la composition chimique doit être bien connue et surveillée fréquemment pour éviter un déséquilibre dans l'approvisionnement en nutriments, mais aussi pour éviter l'accumulation de certains éléments entraînant une toxicité. De Kreij et al. (1999) ont donné un aperçu des exigences chimiques sur la qualité de l'eau pour les systèmes hydroponiques.

   Avant de commencer, une analyse de l'approvisionnement en eau doit être faite sur les macro- et les microéléments. Sur la base de l'analyse, un schéma pour la solution nutritive peut être fait. Par exemple, si l'eau de pluie est utilisée, une attention particulière doit être accordée au Zn lorsque la collecte se fait via des gouttières non traitées. Dans l'eau du robinet, des problèmes peuvent apparaître avec Na, Ca, Mg, SOSub4/Sub et HCOSub3/Sub. De plus, on peut utiliser de l'eau de surface et d'alésage qui peut également contenir des quantités de Na, Cl, K, Ca, Mg, SOSub4/sub et Fe, mais aussi des microéléments comme Mn, Zn, B et Cu. Il convient de noter que tous les robinets et tuyaux doivent être faits de matériaux synthétiques tels que le PVC et le PE, et ne pas contenir de pièces de Ni ou de Cu.

   Il arrive souvent que les réserves d'eau contiennent une certaine quantité de Ca et de Mg ; par conséquent, le contenu doit être soustrait de la quantité contenue dans la solution nutritive pour éviter l'accumulation de ces ions. HCOsub3/sub doit être compensé de préférence par de l'acide nitrique, soit environ 0,5 mmol LSUP-1/SUP qui peut être maintenu comme tampon de pH dans la solution nutritive. L'acide phosphorique et l'acide sulfurique peuvent également être utilisés pour compenser le pH, mais les deux donneront rapidement un surplus de HSUB2/SubpoSubSub4/Susup-/SUP ou de SOSub4/Subsup2-/SUP dans la solution nutritive. Dans les systèmes AP, l'acide nitrique (HNOsub3/sub) et l'hydroxyde de potassium (KOH) peuvent également être utilisés pour réguler le pH et fournir en même temps des macronutriments dans le système (Nozzi et al. 2018).

   4.4.5.1 Gestion de la qualité de l'eau

   Pour la formulation de solutions nutritives, on utilise de préférence des engrais simples (granulaires, poudres ou liquides) et des substances (p. ex. des composés acides) qui affectent le pH. L'intégration des éléments nutritifs dans la solution prend en compte les valeurs optimales des quantités de chaque élément. Cela doit être fait en fonction des besoins de l'espèce et de ses cultivars en tenant compte des phases phénologiques et du substrat. Le calcul des compléments nutritifs doit être effectué en tenant compte des conditions de l'eau utilisée, selon un ensemble de priorités_ strict. Sur l'échelle prioritaire, le magnésium et les sulfates sont positionnés au fond, au même niveau, parce qu'ils ont moins d'importance nutritionnelle et que les plantes ne présentent pas de dommages même si leur présence est abondante dans la solution nutritive. Cette caractéristique présente une rétroaction pratique avantageuse car elle permet une exploitation des deux éléments afin d'équilibrer la composition nutritionnelle par rapport à d'autres macronutriments dont la carence ou l'excès peut être négatif pour la production. À titre d'exemple, nous pouvons considérer une solution nutritive où une intégration de seulement potassium ou seulement de nitrate est nécessaire. Les sels à utiliser, dans ce cas, sont respectivement le sulfate de potassium ou le nitrate de magnésium. En fait, si le nitrate de potassium ou le nitrate de calcium le plus courant étaient utilisés, les niveaux de nitrate, dans le premier cas, et de calcium, dans le second cas, augmenteraient automatiquement. En outre, lorsque l'analyse de l'eau utilisée révèle un déséquilibre entre les cations et les anions, et afin de pouvoir calculer une solution nutritive avec la CE en équilibre, la correction des valeurs hydriques est effectuée en réduisant les niveaux de magnésium et/ou de sulfates.

   Les points suivants fournissent des lignes directrices pour la formulation de solutions nutritives :

   1. Définition de l'espèce et des exigences en matière de cultivars. Il convient de tenir compte de l'environnement de culture et des caractéristiques de l'eau. Afin de satisfaire les besoins des plantes pendant les périodes chaudes et avec un rayonnement intense, la solution doit avoir une teneur en EC et en K plus faible, ce qui contraste avec une plus grande quantité de Ca. Au lieu de cela, lorsque la température et la luminosité atteignent des niveaux sous-optimaux, il est conseillé d'augmenter les valeurs de la CE et de K en réduisant celles du Ca. Il est important de noter en ce qui concerne les cultivars qu'il existe des variations substantielles, en particulier pour les valeurs du NOSub3/Subsup-/SUP, en raison de la vigueur végétative différente des cultivars. En effet, pour les tomates, on utilise en moyenne 15 mmol LSUP-1/SUP de NoSub3/Subsup-/SUP (tableau 4.4), et dans le cas des cultivars caractérisés par une faible vigueur végétative et dans certaines phases phénologiques (par exemple, la fixation des fruits de la quatrième grappe), jusqu'à 20 mM LSUP-1/SUP de NOSub3/Subsup-/SUP est adopté. Dans le cas où certains éléments tels que le Na sont présents dans l'eau, afin de réduire son effet, ce qui est particulièrement négatif pour certaines cultures, il sera nécessaire d'augmenter la quantité de NOSub3/Subsup-/SUP et Ca et éventuellement de diminuer le K, en maintenant la CE au même niveau.

   Tableau 4.4 Solution nutritive dans la culture hydroponique de laitue (DFT) tomate, poivre et concombre (dalles de laine de pierre irrigation goutte à goutte) aux Pays-Bas (De Kreiji et al.1999)

   table thead tr class="en-tête » e rowspan="2"/th THPH/TH Lec/Th THNSUB4/SUB/TH THK/TH THCA thmg/th ThnoSub3/Sud/TH THSOSub4/Sud/TH THP/TH THFE/TH THMN/th THZN/th THB/th THCU/TH THMO/TH /tr tr class="en-tête » th/th THD msup-1/sup/th thmmol LSUP-1/sup/th thmmol LSUP-1/sup/th thmmol LSUP-1/sup/th thmmol LSUP-1/sup/th thmmol LSUP-1/sup/th thmmol LSUP-1/sup/th thmmol LSUP-1/sup/th thmmol LSUP-1/sup/th thmmol LSUP-1/sup/th thmmol LSUP-1/sup/th thmmol LSUP-1/sup/th thmmol LSUP-1/sup/th thmmol LSUP-1/sup/th /tr /thead tbody tr class="impair » TDLettuce (Wageningen UR) /td td5.9/td td1.7/td td1.0/td td4.4/td td4.5/td td1.8/td td10.6/td td1.5/td td1.5/td td28.1/td td1.5/td td6.4/td td47.0/td td1.0/td td0.7/td /tr tr class="même » TDLettuce/TD td5.8/td td1.2/td td0.7/td td4.8/td td2.3/td td0.8/td td8.9/td td0.8/td td1.0/td td35.1/td td4.9/td td3.0/td td18.4/td td0.5/td td0.5/td /tr tr class="impair » TDLettuce/TD td5.8/td td1.2/td td/td td3.0/td td2.5/td td1.0/td td7.5/td td1.0/td td0.5/td td50.0/td td3.7/td td0.6/td td4.8/td td0.5/td td0.01/td /tr tr class="même » TDtomato génératif/td td5.5/td td2.6-3.0/td td1.2/td td13.0/td td4.2/td td1.9/td td15.4/td td4.7/td td1.5/td td15.0/td td10.0/td td5.0/td td30.0/td td0.8/td td0.5/td /tr tr class="impair » TDTomate végétative/td td5.5/td td2.6/td td1.2/td td8.3/td td5.7/td td2.7/td td15.4/td td4.7/td td1.5/td td15.0/td td10.0/td td5.0/td td30.0/td td0.8/td td0.5/td /tr tr class="même » TDConcombre/TD td5.5/td td3.2/td td1.2/td td10.4/td td6.7/td td2.0/td td23.3/td td1.5-2.0/td td1.5-2.0/td td15.0/td td10.0/td td5.0/td td25,0/td td0.8/td td0.5/td /tr tr class="impair » TDpoivre/TD td5.6/td td2.5-3.0/td td1.2/td td5-7/td td4-5/td td2.0/td td17.0/td td1.8-2.0/td td1.5-2.5/td td25,0/td td10.0/td td7.0/td td30.0/td td1.0/td td0.5/td /tr tr class="même » TDPropagation des plantes/td td5.5/td td2.3/td td1.2/td td6.8/td td4.5/td td3.0/td td16.8/td td2.5/td td1.3/td td25,0/td td10.0/td td5.0/td td35.0/td td1.0/td td0.5/td /tr /tbody /table

   Adopté et modifié de Vermeulen (2016, communication personnelle)

   2. Les calculs des besoins en éléments nutritifs doivent être obtenus en soustrayant les valeurs des éléments chimiques de l'eau des éléments chimiques définis ci-dessus. Par exemple, le besoin établi de Mg de poivrons (Capsicum sp.) est de 1,5 mM LSUP-1/SUP, ayant l'eau à 0,5 mM LSUP-1/SUP et 1,0 mM LSUP-1/SUP de Mg doit être ajouté à l'eau (1,5 exigence — 0,5 approvisionnement en eau = 1,0).

   3. Choix et calcul des engrais et des acides à utiliser. Par exemple, avoir à fournir Mg, comme dans l'exemple du point 2 ci-dessus, MgSOSub4/sub ou Mg (NoSub3/sub) sub2/sub peut être utilisé. Une décision sera prise en tenant compte également de la contribution collatérale du sulfate ou du nitrate.

   4.4.6 Comparaison entre la production hydroponique et la production aquaponique

   Au cours de leur cycle de vie, les plantes ont besoin de plusieurs macro- et microéléments essentiels pour un développement régulier (bore, calcium, carbone, chlore, cuivre, hydrogène, fer, magnésium, manganèse, molybdène, azote, oxygène, phosphore, potassium, soufre, zinc), généralement absorbés par la solution nutritive (Bittsanszky et al. 2016). La concentration et le rapport entre les éléments nutritifs sont les variables les plus importantes susceptibles d'influer sur l'absorption des plantes. Dans les systèmes PA, les déchets métaboliques des poissons contiennent des éléments nutritifs pour les plantes, mais il faut tenir compte, surtout à l'échelle commerciale, du fait que les concentrations nutritives fournies par les poissons dans les systèmes PA sont significativement plus faibles et déséquilibrées pour la plupart des nutriments comparativement aux systèmes hydroponiques (Nicoletto et al. 2018). Habituellement, dans l'AP, avec des taux d'ensemencement appropriés, les niveaux de nitrate sont suffisants pour une bonne croissance des plantes, alors que les niveaux de K et de P sont généralement insuffisants pour une croissance maximale des plantes. En outre, le calcium et le fer pourraient également être limités. Cela peut réduire le rendement et la qualité des cultures, de sorte que l'intégration des éléments nutritifs devrait être réalisée pour favoriser une réutilisation efficace des éléments nutritifs. Les communautés microbiennes jouent un rôle crucial dans la dynamique nutritive des systèmes PA (Schmautz et al., 2017), en convertissant l'ammonium en nitrate, mais en contribuant également au traitement des particules et des déchets dissous dans le système (Bittsanszky et al., 2016). L'absorption de N et de P par les plantes ne représente qu'une fraction de la quantité éliminée de l'eau (Trang et Brix, 2014), ce qui indique que les processus microbiens dans la zone racinaire des plantes, dans le substrat (le cas échéant) et dans l'ensemble du système jouent un rôle majeur.

   La composition des aliments pour poissons dépend du type de poisson, ce qui influe sur la libération d'éléments nutritifs provenant de la production métabolique du poisson. Typiquement, les aliments pour poissons contiennent une source d'énergie (glucides et/ou lipides), des acides aminés essentiels, des vitamines, ainsi que d'autres molécules organiques nécessaires au métabolisme normal, mais certaines que les cellules du poisson ne peuvent pas synthétiser. De plus, il faut tenir compte du fait que les besoins nutritionnels d'une plante varient selon l'espèce (Nozzi et al., 2018), la variété, le stade du cycle de vie, la durée du jour et les conditions météorologiques et que récemment (Parent et al., 2013 ; Baxter, 2015), la loi de Liebig (la croissance des plantes est contrôlée par la ressource la plus rare) a ont été remplacés par des algorithmes complexes qui tiennent compte des interactions entre les éléments nutritifs individuels. Ces deux aspects ne permettent pas une évaluation simple des effets des changements dans les concentrations d'éléments nutritifs dans les systèmes hydroponiques ou AP.

   La question se pose donc de savoir s'il est nécessaire et efficace d'ajouter des éléments nutritifs aux systèmes AP. Comme l'ont signalé Bittsanszky et al. (2016), les systèmes AP ne peuvent être exploités efficacement et donc avec succès que si une surveillance continue de la composition chimique de l'eau en recirculation pour déterminer les concentrations et les ratios adéquats des nutriments et du composant potentiellement toxique, l'ammonium. La nécessité d'ajouter des nutriments dépend des espèces végétales et du stade de croissance. Souvent, bien que la densité des poissons soit optimale pour l'approvisionnement en azote, l'ajout de P et de K avec des engrais minéraux, au moins, devrait être effectué (Nicoletto et al., 2018). Contrairement à, par exemple, la laitue, les tomates qui doivent porter des fruits, mûrir et mûrir, ont besoin de nutriments supplémentaires. Afin de calculer ces besoins, un logiciel peut être utilisé, tel que HydroBuddy qui est un logiciel libre (Fernandez 2016 ) qui est utilisé pour calculer la quantité de suppléments minéraux nutritifs nécessaires.

5. 4.5 Désinfection de la solution nutritive recirculante

   Original publication 2019 · Publié pour la première fois sur FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Pour réduire au minimum le risque de propagation d'agents pathogènes transmis par le sol, la désinfection de la solution nutritive en circulation est nécessaire (Postma et al., 2008). Le traitement thermique (Runia et al., 1988) a été la première méthode utilisée. Van Os (2009) a donné un aperçu des méthodes les plus importantes et un résumé est présenté ci-dessous. La recirculation de la solution nutritive ouvre des possibilités d'économiser de l'eau et des engrais (Van Os 1999). Le grand inconvénient de la recirculation de la solution nutritive est le risque croissant de propagation d'agents pathogènes racinaires dans tout le système de production. Pour minimiser ces risques, la solution doit être traitée avant la réutilisation. L'utilisation de pesticides pour un tel traitement est limitée, étant donné que des pesticides efficaces ne sont pas disponibles pour tous ces agents pathogènes et que, le cas échéant, une résistance peut apparaître, et que la législation environnementale limite les rejets d'eau contenant des pesticides (et des nutriments) dans l'environnement (Parlement européen et Conseil européen) 2000). En outre, dans les systèmes AP, l'utilisation de pesticides a des effets négatifs sur la santé des poissons et ne peut pas être réalisée, même si des parties hydroponiques et AP du système se trouvent dans des locaux différents, car la pulvérisation de produits chimiques peut pénétrer dans la solution nutritive par l'eau de condensation ou par pulvérisation directe sur le substrat des dalles. Dans ce contexte, une approche de lutte biologique peut être adoptée pour lutter contre les maladies nuisibles, et on peut y accéder via la fiche d'information du Hub Aquaponics de l'UE (Hub Aquaponics de l'UE). Dans le même temps, des problèmes similaires peuvent être observés pour le traitement du poisson à l'aide de médicaments vétérinaires qui ne sont pas compatibles avec le cycle de la plante.

   4.5.1 Description des méthodes de désinfection

   La désinfection de la solution nutritive circulante doit avoir lieu en continu. Pour une serre de 1000 msup2/sup dans une culture de substrat (laine de pierre, coco, perlite), une capacité de désinfection d'environ 1 à 3 msup3/sup par jour est nécessaire pour désinfecter un excédent estimé à 30 % de l'eau fournie avec goutte-à-goutte irrigation aux plants de tomate pendant une période de 24 h en été. En raison du taux de retour variable de l'eau de vidange, il faut disposer d'un réservoir de captage suffisamment grand pour l'eau de vidange dans lequel l'eau est stockée avant d'être pompée dans l'unité de désinfection. Après la désinfection, un autre réservoir est nécessaire pour stocker l'eau propre avant d'ajuster la CE et le pH et de mélanger avec de l'eau nouvelle pour alimenter les plantes. Les deux réservoirs ont une taille moyenne de 5 msup3/sup par 1000 msup2/sup. Dans un système de film nutritif (NFT), environ 10 msup3/sup par jour devraient être désinfectés quotidiennement. On considère généralement qu'une telle capacité n'est pas rentable à désinfecter (Ruijs, 1994). DFT nécessite un traitement similaire. C'est la principale raison pour laquelle les unités de production NFT et DFT ne désinfectent normalement pas la solution nutritive. La désinfection est réalisée soit par des méthodes non chimiques ou chimiques comme suit :

   4.5.1.1 Méthodes non chimiques

   En général, ces méthodes ne modifient pas la composition chimique de la solution, et il n'y a pas d'accumulation de résidus :

   1. Traitement thermique. Chauffer l'eau de vidange à des températures suffisamment élevées pour éradiquer les bactéries et les agents pathogènes est la méthode la plus fiable de désinfection. Chaque type d'organisme a sa propre température létale. Les bactéries qui ne forment pas de spores ont des températures létales comprises entre 40 et 60 °C, des champignons entre 40 et 85 °C, des nématodes entre 45 et 55 °C et des virus entre 80 et 95 °C (Runia et al., 1988) à un temps d'exposition de 10 s. Si cela peut sembler très gourmand en énergie, il convient de noter que l'énergie est récupérée et réutilisée avec des échangeurs de chaleur. La disponibilité d'une source d'énergie bon marché est d'une plus grande importance pour une application pratique.

   2. _Rayonnement UV. Le rayonnement UV est un rayonnement électromagnétique avec une longueur d'onde comprise entre 200 et 400 nm. Les longueurs d'onde comprises entre 200 et 280 nm (UV-C), avec un optimum à 254 nm, ont un fort effet de destruction sur les micro-organismes, car elles minimisent la multiplication des chaînes d'ADN. Différents niveaux de rayonnement sont nécessaires pour différents organismes afin d'atteindre le même niveau d'efficacité. Runia (1995) recommande une dose qui varie de 100 mJ cmsup-2/sup pour éliminer les bactéries et les champignons à 250 mJ cmsup-2/sup pour éliminer les virus. Ces doses relativement élevées sont nécessaires pour compenser les variations de turbidité de l'eau et les variations de pénétration de l'énergie dans la solution dues à une faible turbulence autour de la lampe UV ou à des variations de sortie de la lampe UV. Zoschke et al. (2014) ont examiné que l'irradiation UV à 185 et 254 nm permet de contrôler et de désinfecter les contaminants organiques de l'eau. De plus, Moriarty et coll. (2018) ont signalé que le rayonnement UV inactivait efficacement les coliformes dans les systèmes AP.

   3. Filtration. La filtration peut être utilisée pour enlever tout matériau non dissous de la solution nutritive. Différents types de filtres sont disponibles par rapport à la gamme de tailles de particules. Les filtres à sable rapides sont souvent utilisés pour éliminer les grosses particules de l'eau de vidange avant d'ajouter, de mesurer et de contrôler la CE, le pH et l'application de nouveaux engrais. Après avoir passé l'unité d'engrais, un filtre synthétique fin (50—80 um) est souvent construit dans le débit d'eau pour éliminer les sels d'engrais non dissous ou les précipités afin d'éviter le colmatage des goutteurs d'irrigation. Ces filtres synthétiques sont également utilisés comme prétraitement pour les méthodes de désinfection avec traitement thermique, traitement à l'ozone ou rayonnement UV. Avec la réduction de la taille des pores de filtration, le débit est inhibé, de sorte que l'élimination des très petites particules nécessite une combinaison de filtres adéquats et une pression élevée suivie d'un nettoyage fréquent du ou des filtres. L'élimination des agents pathogènes nécessite des tailles de pores relativement petites ( \ 10 μm ; soi-disant micro-, ultra- ou nanofiltration).

   4.5.1.2 Méthodes chimiques

   1. _Ozone (O<sub3/sub) _. L'ozone est produit à partir de l'air sec et de l'électricité à l'aide d'un générateur d'ozone (conversion 3OSub2/Sub → 2OSub3/Sub). L'air enrichi en ozone est injecté dans l'eau qui est désinfectée et stockée pendant une heure. Runia (1995) a conclu qu'un apport d'ozone de 10 g par heure par msup3/sup d'eau de vidange avec une durée d'exposition de 1 h suffit à éliminer tous les agents pathogènes, y compris les virus. Nicoletto et al. (2017) ont également observé la réduction des populations microbiennes dans la production de légumes dans les systèmes sans sol gérés à l'ozone. L'exposition humaine à l'ozone qui s'échappe du système ou des réservoirs de stockage doit être évitée car même une courte durée d'exposition d'une concentration de 0,1 mg de LSUP-1/SUP d'ozone peut provoquer une irritation des muqueuses. Un inconvénient de l'utilisation de l'ozone est qu'il réagit avec le chélate de fer, comme le fait les UV. Par conséquent, des doses plus élevées de fer sont nécessaires et des mesures doivent être prises pour traiter les dépôts de fer dans le système. Des recherches récentes (Van Os 2017) portant sur des installations contemporaines d'ozone semblent prometteuses, où l'élimination complète des agents pathogènes et la dégradation des pesticides restants est réalisée, sans problème de sécurité.

   2. _Peroxyde d'hydrogène (Hsub2/Subosub2/sub) _. Le peroxyde d'hydrogène est un agent oxydant puissant et instable qui réagit pour former du HSub2/subO et un radical O. Commercialement, des activateurs sont ajoutés à la solution pour stabiliser la solution originale et augmenter l'efficacité. Les activateurs sont principalement de l'acide formique ou de l'acide acétique, qui diminuent le pH de la solution nutritive. Différentes doses sont recommandées (Runia 1995) contre Pythium spp. (0,005%), d'autres champignons (0,01%), tels que Fusarium et les virus (0,05%). La concentration de 0,05% est également nocive pour les racines des plantes. Le peroxyde d'hydrogène est particulièrement utile pour nettoyer le système d'arrosage, tandis que l'utilisation pour la désinfection a été reprise par d'autres méthodes. La méthode est considérée comme peu coûteuse, mais pas efficace.

   3. _Hypochlorite de sodium (NaOCl) _. L'hypochlorite de sodium est un composé dont les noms commerciaux sont différents (p. ex., eau de Javel domestique) et dont les concentrations sont différentes, mais dont la structure chimique est identique (NaOCl). Il est largement utilisé pour le traitement de l'eau, en particulier dans les piscines. Le produit est relativement peu coûteux. Lorsqu'il est ajouté à l'eau, l'hypochlorite de sodium se décompose en Hocl et en NaOH et, selon le pH, en OCLSU-/SUP ; ce dernier se décompose en Cl et en Osup. /sup pour une forte oxydation. Il réagit directement avec n'importe quelle substance organique, et s'il y a suffisamment d'hypochlorite, il réagit également avec des agents pathogènes. Le Quillec et al. (2003) ont montré que la tenabilité de l'hypochlorite dépend des conditions climatiques et des réactions de décomposition connexes. Les températures élevées et le contact avec l'air provoquent une décomposition rapide, à laquelle NacloSub3/Sub se forme avec des propriétés phytotoxiques. Runia (1995) a montré que l'hypochlorite n'est pas efficace pour éliminer les virus. La chloration avec une concentration de 1—5 mg de Cl LSUP-1/SUP et un temps d'exposition de 2 h a permis une réduction de 90—99,9% de Fusarium oxysporum, mais certaines spores ont survécu à toutes les concentrations. Des mesures de sécurité doivent être prises pour assurer la sécurité de l'entreposage et de la manutention. L'hypochlorite peut agir contre un certain nombre d'agents pathogènes, mais pas tous, mais en même temps, la concentration de NaSUP+/SUP et de CLSUP-/SUP est augmentée dans un système de culture fermé, ce qui conduira également à des niveaux qui diminuent la productivité de la culture et, à ce moment, la solution nutritive doit être lessivée. Malgré les inconvénients susmentionnés, le produit est utilisé et recommandé par les opérateurs commerciaux comme méthode bon marché et utile.

   4.5.2 Méthodes chimiques par rapport aux méthodes non chimiques

   Les producteurs préfèrent les méthodes de désinfection avec d'excellentes performances en combinaison avec de faibles coûts. Un bon rendement peut être décrit en éliminant les agents pathogènes avec une réduction de 99,9 % (ou une réduction log 3) combinée à un processus clair, compréhensible et contrôlable. De préférence, les faibles coûts sont associés à de faibles investissements, à de faibles coûts d'entretien et à l'absence de besoin pour le producteur de travailler comme spécialiste de laboratoire. Le traitement thermique, le rayonnement UV et le traitement à l'ozone montrent une bonne performance. Toutefois, les investissements dans le traitement de l'ozone sont très élevés, ce qui entraîne des coûts annuels élevés. Le traitement thermique et le rayonnement UV ont également des coûts annuels élevés, mais les investissements sont inférieurs, tandis que le processus d'élimination est facile à contrôler. Ces deux dernières méthodes sont les plus populaires parmi les cultivateurs, en particulier dans les pépinières de plus de 1 ou 2 ha. La filtration lente sur sable est moins parfaite en termes de performance, mais a des coûts annuels considérablement plus faibles. Cette méthode pourrait être recommandée pour les producteurs de moins de 1 ha et pour les producteurs ayant un capital d'investissement inférieur, car les filtres à sable peuvent être construits par le producteur lui-même. L'hypochlorite de sodium et le peroxyde d'hydrogène sont également des méthodes bon marché, mais la performance est insuffisante pour éliminer tous les agents pathogènes. En outre, il s'agit d'un biocide et non d'un pesticide, ce qui signifie que par la loi, au moins dans l'UE, il est légalement interdit de l'utiliser pour éliminer les agents pathogènes.

   4.5.3 Biofsalissure et prétraitement

   Les méthodes de désinfection ne sont pas très sélectives entre les agents pathogènes et les autres matières organiques présentes dans la solution. Par conséquent, un prétraitement (filtres à sable rapides ou filtres mécaniques de 50 à 80 um) de la solution avant la désinfection est recommandé au traitement thermique, au rayonnement UV et à l'ozone. Si, après désinfection, des résidus des méthodes chimiques restent dans l'eau, ils peuvent réagir avec les biofilms qui se sont formés dans les conduites des systèmes d'arrosage. Si le biofilm est libéré des parois des tuyaux, ils seront transportés vers les goutteurs et provoquent un colmatage. Plusieurs méthodes d'oxydation (hypochlorite de sodium, peroxyde d'hydrogène avec activateurs, dioxyde de chlore) sont principalement utilisées pour nettoyer les conduites et l'équipement, ce qui crée un risque particulier de colmatage des goutteurs avec le temps.