12.5 Aquaponie verticale

12.5.1 Introduction

Alors que l’aquaponie peut être considérée comme faisant partie d’une solution globale visant à accroître la production alimentaire de manière plus durable et plus productive et que la culture d’aliments dans les zones urbaines est désormais reconnue comme faisant partie de la solution à la sécurité alimentaire et à une crise alimentaire mondiale (Konig et al. 2016), les systèmes aquaponiques peuvent eux-mêmes devenir plus productives et durables en adoptant des technologies de culture alternatives et en tirant parti des technologies émergentes telles que l’agriculture verticale et les murs vivants (Khandaker et Kotzen 2018). De plus, en étant peu encombrants, ils peuvent être mieux intégrés dans les zones urbaines.

Dans les pays développés, la plupart des systèmes aquaponiques sont placés dans des serres pour contrôler la température ; dans le nord de l’Europe et de l’Amérique du Nord, par exemple, les températures hivernales sont trop froides en hiver et dans les régions méditerranéennes comme l’Espagne, l’Italie, le Portugal, la Grèce et Israël, les températures estivales sont trop chaudes. Il y a bien sûr de nombreux avantages supplémentaires à cultiver des aliments dans des serres contrôlées, comme la capacité de réguler l’humidité relative et de contrôler le mouvement de l’air, de mettre en quarantaine les poissons ainsi que les plantes contre les maladies et les ravageurs et de pouvoir éventuellement ajouter du COSub2/Sub, pour favoriser la croissance des plantes. Cependant, la culture de produits dans une serre peut facilement augmenter les coûts grâce à (a) les coûts en capital de la serre (une estimation générale de US \ 350 $US msup2/sup Arnold 2017) et (b) les infrastructures connexes telles que les contrôles microclimatiques qui comprennent les systèmes de chauffage et de refroidissement et l’éclairage. En plus des coûts d’infrastructure initiaux, il y a aussi les coûts spécifiques de production de serre, qui comprennent l’énergie et l’alimentation électrique pour le chauffage et le refroidissement ainsi que l’éclairage.

La plupart des systèmes aquaponiques tels que le système de l’Université de l’île vierge (UVI) (figure 12.1), conçu par le Dr James Rakocy et ses collègues, utilisent des réservoirs ou des lits de culture horizontaux, imitant les modèles traditionnels de culture arable pour produire des légumes (Khandaker et Kotzen 2018). En d’autres termes, le système s’appuie sur des rangées horizontales de plantes généralement élevées autour du niveau de la taille, de sorte que les tâches de gestion liées aux plantes puissent être facilement entreprises. Des développements parallèles dans les technologies de l’agriculture verticale et des murs vivants sont apparus presque au même moment que l’aquaponie a évolué et en est de même au stade de développement adolescent. De même que dans l’aquaponie, à mesure que de plus en plus de personnes s’impliquent, il y a une augmentation concomitante des systèmes et du développement technologique pour augmenter la productivité et réduire les coûts. Le couplage de systèmes de culture verticaux (systèmes d’élevage verticaux et murs vivants) plutôt que de lits horizontaux avec les bassins de poisson et de filtration est potentiellement un moyen clé d’accroître la productivité, car il devrait être possible d’augmenter le nombre de légumes cultivés par rapport aux quantités produites dans les lit horizontal aquaponique. Les systèmes aquaponiques UVI (fig. 12.2) produisent environ 32 plantes par mètre carré (Al-Hafedh et al. 2008), selon l’espèce et le cultivar cultivés, mais comme le notent Khandaker et Kotzen (2018), environ 96 plantes peuvent être cultivées par mètre carré en utilisant des éléments dos à dos de la Terapia Urbana [1] Système LW qui est plus de trois fois la densité

Fig. 12.2 Diagramme schématique d’un système UVI typique illustrant le rapport entre les réservoirs de poissons, les filtres et les réservoirs de culture, qui est de 2:1:5. Cela montre que la plus grande surface est subsumée par les plantes et c’est dans cette zone que l’on peut envisager des économies d’espace. (Khandaker et Kotzen 2018)

par rapport au système de culture horizontal UVI ». Une estimation prudente devrait au moins doubler la quantité maximale cultivée dans des lits horizontaux pour atteindre 64 plantes/msup2/sup. Dans une expérience avec la laitue (Lactuca sativa L. cv. « Little Gem’) utilisant des lits horizontaux et des colonnes plantées, plantées à des densités similaires, Touliatos et al. (2016) suggèrent que le « système d’agriculture verticale (VFS) offre une alternative attrayante aux systèmes de croissance hydroponique horizontaux (et) que d’autres augmentations du rendement pourraient être obtenues en intégrant éclairage artificiel dans le VFS ‘.

**Systèmes d’agriculture verticaux (VFS) **

Avant de discuter des exigences spécifiques pour les systèmes verticaux, nous devons discuter des types de systèmes disponibles. Dans VFS, il existe trois types génériques principaux (fig. 12.3) :

1. Lits horizontaux empilés : Au lieu d’avoir un seul lit de croissance horizontal, les lits sont empilés comme des étagères en niveaux. Cette disposition signifie que dans une serre, seul le lit supérieur sera exposé à la lumière naturelle directe et qu’une lumière supplémentaire doit être fournie à tous les niveaux. Ceci est généralement fourni directement sous le lit de croissance ci-dessus. En principe, cela pourrait signifier que les lits de croissance pourraient être empilés aussi haut que la serre le permet, mais bien sûr, faire pousser des choses en hauteur signifie une plus grande difficulté dans la gestion du système, y compris la plantation, l’entretien et la récolte, nécessitant des élévateurs à ciseaux et une énergie supplémentaire pour pomper de l’eau riche en éléments nutritifs à tous les niveaux. Selon Bright Agrotech (Storey 2015), jusqu’à quatre niveaux est rentable et tout ce qui est supérieur n’est pas rentable. Storey (2015) note en outre que la main-d’œuvre augmente de 25 % aux deuxième, troisième et quatrième niveaux lorsqu’un élévateur à ciseaux est nécessaire (figure 12.3, illustration A).

Fig. 12.3 Systèmes d’élevage verticaux et leurs dispositifs d’éclairage

2. Systèmes à tour verticale (VTS) : Les systèmes à tour verticale comprennent des systèmes qui poussent des plantes dans des réseaux verticaux à l’intérieur d’un conteneur ou d’une série de modules empilés. Selon le système, les plantes sont cultivées dans une direction ou si, par exemple, elles sont plantées sous une forme tubulaire, alors elles peuvent être disposées face à n’importe quelle direction. Un exemple de système de réseau vertical, où les plantes sont cultivées face à une seule direction est le ZipGrowSuptm/SUP qui sont soit suspendues soit supportées en rangées (figure 12.3, illustration B1). Les rangées entre elles mesurent environ 0,5 mètre (20 pouces). La culture de manière plus tridimensionnelle se produit avec des systèmes empilés ou dans des systèmes tubulaires qui permettent de cultiver plus de plantes, mais l’éclairage est plus complexe (figure 12.3, illustration B2).

3. Niveaux étagés : Ces systèmes contiennent des abreuvoirs rigides ou mobiles. Le SkyGreens VFS de Singapour utilise un système d’auge rotatif qui déplace les abreuvoirs vers le haut et vers la lumière. La lumière naturelle supplémentaire est plus importante vers le haut et moins en bas (figure 12.3, illustration C1). D’autres systèmes de niveau sont étagés de sorte que chaque niveau ait une interface libre avec la lumière d’en haut, qu’il s’agisse de lumière naturelle provenant du toit de la serre ou de lumière artificielle. Mais ces systèmes doivent être assez bas pour que les gens atteignent les plantes (Fig. 12.3, Illustration C2).

Murs de Séjour

Les murs vivants n’ont pas encore été utilisés en aquaponie, sauf dans un certain nombre de systèmes d’essai tels que l’Université de Greenwich, Londres (Khandaker et Kotzen 2018). Alors que la plupart des VFS utilisent des canaux de culture de la technique du film nutritif (NFT) ou des blocs de laine minérale encapsulés, les LW utilisent parfois aussi des substrats de type sol dans des pots ou des auges, qui fournissent le milieu d’enracinement. Bien que cela soit parfait pour la culture de plantes ornementales ainsi que de légumes et d’herbes, lorsqu’il est couplé avec des bassins à poissons, tout ajout de sol au système peut compliquer le caractère microbien du système et nuire aux poissons. Ceci est cependant inconnu et nécessite des recherches. Des expériences menées à l’Université de Greenwich (Khandaker et Kotzen 2018) indiquent que, à partir d’un certain nombre de substrats inertes uniques testés (y compris l’hydroléica, la perlite, la paille, la mousse de sphagnum_, la laine minérale et la fibre de coco), la fibre de coco et la laine minérale étaient supérieures en termes de pénétration racinaire et la croissance des racines dans la laitue (Lactuca sativa).

Vertical v. Horizontal : Facteurs à considérer

Il y a quatre aspects clés qui doivent être pris en compte lors de la comparaison des avantages (productivité et durabilité) de la culture verticale par rapport à la culture horizontale. Il s’agit de (1) l’espace, (2) l’éclairage, (3) l’énergie et (4) les coûts du cycle de vie.

1. Espace

Les avantages de pouvoir cultiver des produits verticalement, dos à dos, doivent être équilibrés avec la quantité d’espace nécessaire pour assurer une répartition uniforme de l’éclairage ainsi que l’espace de rangées nécessaire à la gestion et à la maintenance. La largeur d’une rangée dans les systèmes hydroponiques varie. Comme on l’a noté, le système standard ZipGrowSuptm/SUP est d’environ 0,5 mètre, alors que la largeur habituelle des rangées pour la culture des tomates et des concombres varie de 0,9 à 1,2 mètre (Badgery-Parker et James, 2010). La culture de plantes plus petites comme la laitue et les herbes comme le basilic peut permettre des rangées plus étroites, mais bien sûr, la largeur des rangées doit veiller à ce que les produits ne soient pas compromis par le déplacement d’objets tels que les chariots et les élévateurs à ciseaux. Un problème clé avec la croissance verticale est le conflit qui se produit entre avoir des rangées fixes et un éclairage fixe, qui doit être situé dans les rangées entre les façades de plantation. Ces lumières empêcheront les mouvements des personnes et, par conséquent, soit les lumières doivent faire (i) partie de la structure en croissance, soit (ii) rétractables ou mobiles, de sorte que les travailleurs puissent facilement entreprendre des tâches, soit (iii) les structures de plantation sont mobiles et les lumières restent statiques.

2. Éclairage

La production en serre de légumes et d’autres plantes repose sur des arrangements spatiaux spécifiques qui permettent la plantation, la gestion par la croissance, puis la récolte. L’arrangement spatial dépendra des types de plantes et des types de mécanisation installés. En outre, la croissance repose efficacement sur le supplément de lumière supplémentaire de différents types, qui ont leurs propres avantages et inconvénients. En général, ces lumières fournissent des longueurs d’onde spécifiques pour la croissance des plantes et pour la production de fruits ou de fleurs. Alors qu’il est relativement simple et plus courant d’éclairer uniformément les plantes cultivées horizontalement, il est plus difficile d’éclairer uniformément une surface verticale.

En ce qui concerne les types d’éclairage, de nombreux producteurs ont déménagé ou sont tentés d’installer des LED (diodes électroluminescentes), en raison de leur longue durée de vie, jusqu’à 50 000 heures ou plus (Gupta 2017), de leurs faibles besoins en énergie et de leur récente réduction des coûts. Virsile et al., dans Gupta (2017), notent que la plupart des applications d’éclairage LED dans les serres choisissent les combinaisons de longueurs d’onde rouges et bleues avec une efficacité photonique élevée, mais que la lumière verte et blanche contenant des quantités substantielles de longueurs d’onde vertes a un impact physiologique positif sur les plantes. Cependant, la combinaison des lumières bleues et rouges crée une image gris violacé, ce qui entrave l’évaluation visuelle de la santé des plantes. Le type de longueurs d’onde choisies est complexe et peut avoir des avantages à différents stades de la vie de la plante et même selon les cultivars de, par exemple, la laitue. Les laitues à feuilles rouges, par exemple, réagissent à l’éclairage LED bleu, augmentant leur pigmentation (Virsile et al., dans Gupta, 2017). En outre, l’éclairage LED bleu peut améliorer la qualité nutritionnelle des légumes verts, réduisant la teneur en nitrates, augmentant les antioxydants et les composés phénoliques et autres composés bénéfiques. Les spectres lumineux affectent également le goût, la forme et la texture (Virsile et al. dans Gupta 2017). Les coûts des LED ont chuté de manière significative et l’efficacité des LED a augmenté de sorte que le temps de retour sur investissement a diminué (Bugbee in Gupta 2017).

D’autres éclairages existent bien sûr, y compris l’éclairage fluorescent, l’éclairage aux halogénures métalliques (MH) et l’éclairage à haute pression au sodium (HPS). Le type d’éclairage utilisé dans l’agriculture verticale et avec des murs vivants varie considérablement en fonction de l’échelle et de l’emplacement. Les lampes fluorescentes compactes (CFL) sont relativement minces et peuvent facilement s’intégrer dans de petits espaces, mais elles nécessitent un ballast inductif pour réguler le courant à travers les tubes. Les CFL utilisent seulement 20 à 30 % d’une ampoule à incandescence et elles durent six à huit fois plus longtemps, mais elles sont presque 50 % moins efficaces que les LED. Ils sont de loin les moins chers des trois principaux types de lampes de culture. La technologie HPS grow light a plus de 75 ans et est bien établie pour la culture sous verre, mais elle produit beaucoup de chaleur et ne convient donc pas à l’agriculture verticale et aux murs vivants, où la lumière doit être livrée assez près des plantes. Par contre, la chaleur produite par les lampes à LED est minime. Cependant, le coût est plus élevé que les deux autres types, et une protection oculaire est nécessaire pour une exposition à plus long terme aux LED, car l’exposition à long terme aux spectres lumineux peut nuire aux yeux. La disposition des unités VFS dictera la disposition de l’éclairage, mais dans l’ensemble ceux-ci sont éclairés par des LED. La méthode d’éclairage des murs vivants dépendra de la hauteur du mur. Plus le mur est grand, plus il est difficile d’appliquer une répartition uniforme sur toute la surface, bien qu’il convient de noter que le nombre de lumières utilisées ne doit pas être différent de celui utilisé dans les lits de croissance horizontaux et que si le mur est haut, les lumières doivent être décalées. Comme la plupart des murs vivants sont situés à des fins esthétiques, l’éclairage doit être maintenu aussi loin que possible, à l’écart et l’éclairage doit non seulement fournir une lumière adéquate pour la croissance et la santé des plantes, mais aussi pour que les plantes soient belles (fig. 12.4).

Fig. 12.4 Un mur de vie de 4 mètres de haut et de 5 mètres de long peut être suffisamment éclairé avec six lampes à décharge haute efficacité. Notez qu’ils ont été choisis non seulement pour fournir une lumière suffisante pour la croissance, mais aussi pour que les plantes dans le mur vivant aient l’air bien. (Université de Greenwich Living Wall. Source : Benz Kotzen)

Les progrès de la technologie LED, où les fréquences et l’intensité de l’éclairage peuvent être conçues pour s’adapter aux espèces et aux cultivars individuels ainsi qu’à leurs différents cycles de vie, signifient que les LED deviendront la technologie de choix dans un avenir proche. Cela sera en outre renforcé par des réductions des coûts.

3. Énergie

Il est probable qu’il faudra davantage d’énergie pour l’éclairage VFS et LW, car même un éclairage naturel ne peut pas être obtenu sur des surfaces verticales. En outre, plus de puissance de pompage pour l’irrigation sera nécessaire et cela sera relatif à la hauteur du VFS ou LW.

4. _Analyse comparative du cycle de vie (ACV) _

Bien qu’il existe de nombreuses études sur l’analyse du cycle de vie de l’aquaponie et divers aspects des systèmes aquaponiques, il n’existe pas d’études comparatives qui comparent l’aquaponie verticale et l’aquaponie horizontale. Cela n’a pas encore été fait. Nous arrivons à un point où l’aquaponie verticale est susceptible de justifier d’autres essais et recherches et, avec le temps, l’aquaponie verticale, qui associe les systèmes d’élevage verticaux ou les systèmes de paroi vivante avec les bassins à poissons et les unités de filtration, est susceptible de devenir plus répandue, tant qu’ils peuvent être rentables et durable.