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).