Aqu @teach : Systèmes de contrôle des serres

Les systèmes de contrôle comprennent les systèmes d’éclairage, de chauffage, de refroidissement, d’humidité relative et d’enrichissement en dioxyde de carbone. Bien qu’il soit utile d’avoir un environnement entièrement contrôlé, la culture aquaponique peut également prospérer sans elle, ou avec seulement certains des paramètres étant contrôlés.

Lumière

La transmission maximale de la lumière, de la quantité et de la qualité appropriées (PAR, 400-700 nm), est cruciale pour une photosynthèse, une croissance et un rendement optimaux. S’il y a trop de lumière en été, la peinture d’ombre ou le lavage blanc peut être pulvérisée à l’extérieur de la serre. Cela s’usera soit à la fin de la saison de croissance, soit il peut être lavé. Les chiffons d’abat-jour extérieurs en tissu de différents degrés de maille pour exclure des quantités spécifiques de lumière (par exemple, 30 %, 40 %, 50 %) peuvent être placés à l’extérieur de la serre ou suspendus à l’intérieur. S’il y a trop peu de lumière pendant l’hiver, les couvertures de sol réfléchissantes blanches peuvent augmenter considérablement la luminosité du couvert végétal (Rorabaugh 2015).

Les lumières artificielles peuvent être utilisées pour prolonger la saison de croissance hivernale. Différentes technologies de lumière sont utilisées dans les serres, mais le type le plus commun est les diodes électroluminescentes (LED). Contrairement à tous les autres systèmes d’éclairage artificiel, les LED ne contiennent pas de verre ou de composants gazeux : tous les composants sont à l’état solide. Ils sont donc moins fragiles que les autres types de lampes et peuvent être situés dans des endroits où d’autres lampes peuvent être endommagées et poser un risque pour la santé et la sécurité. Cependant, l’un des effets négatifs potentiels de l’utilisation de l’éclairage à DEL dans les serres est le manque de chaleur radiative qu’elles produisent, ce qui réduit les économies d’énergie globales en raison de l’augmentation de la demande de chauffage (Davis 2015).

Les LED sont maintenant disponibles avec presque toutes les longueurs d’onde comprises entre 200 et 4000 nm. Les avantages des LED sont (i) leur rendement élevé (sortie d’énergie lumineuse/énergie électrique) par rapport à d’autres sources d’éclairage ; (ii) que la lumière émise est directionnelle, ce qui réduit la quantité de lumière parasite et garantit que la quantité maximale de lumière atteint la culture ; et (iii) que le spectre global peut être modifié pour différentes applications en changeant le nombre et la couleur des LED installées dans une unité d’éclairage. Les LED offrent ainsi le potentiel d’optimisation des traitements de lumière qui permettent d’améliorer les qualités spécifiques des plantes ou de contrôler la morphologie des plantes et le temps de floraison. Pour produire des plantes saines, la lumière rouge et bleue sont nécessaires. La lumière rouge est utilisée le plus efficacement pour stimuler la photosynthèse, mais les plantes se développent généralement plus efficacement lorsque la lumière bleue est contenue dans le spectre lumineux, car elle contribue à favoriser l’absorption du CO₂ favorisant la stomate. Cependant, les réactions stomatales à la lumière diffèrent d’une espèce à l’autre, de sorte que toutes les espèces ne bénéficieront pas également de l’ajout de la lumière bleue. Dans la laitue, par exemple, on a constaté que les taux de croissance diminuaient à mesure que la lumière bleue augmentait (Davis 2015).

Il y a des cas où des couleurs de lumière supplémentaires peuvent apporter des avantages supplémentaires. Il a été démontré que l’inclusion du feu vert augmente l’accumulation de biomasse en poids frais et sec chez les laitues lorsque le feu vert remplace une partie du feu bleu ou rouge dans le mélange. La lumière verte peut également pénétrer plus profondément dans le couvert végétal, et donc conduire plus de photosynthèse. La lumière rouge lointaine est importante pour le développement et la performance des plantes tout au long de la durée de vie d’une culture. Bien qu’il puisse inhiber la germination des graines de laitue, il peut néanmoins augmenter la surface foliaire, ce qui permet potentiellement une capture de la lumière et des taux de croissance plus élevés. Au cours des dernières étapes du développement des cultures, en revanche, il provoquera des étirements et des boulonnages. La zone où la lumière rouge lointaine peut être utilisée avec le plus grand effet est pour contrôler le temps de floraison (Davis 2015).

Les LED offrent également la possibilité d’éclairer les cultures de manière non traditionnelle. Les DEL sont des sources de lumière fraîches et, à ce titre, peuvent être placées près des cultures ou à l’intérieur d’un couvert pour éclairer les feuilles qui recevraient normalement peu de lumière naturelle ou supplémentaire. En ajoutant de la lumière aux feuilles normalement dans la région ombragée de la canopée, les plantes sont en mesure d’utiliser la lumière plus efficacement. Cela signifie que « l’entrelacement » a le potentiel d’augmenter les rendements plus que la même quantité de lumière ajoutée sur la verrière. Il a été constaté que l’entrelacement de la lumière bleue avait des résultats mitigés dans les rendements de plants de concombre et de tomates (Davis 2015).

La manipulation spectrale peut également être utilisée pour améliorer la pigmentation. La lumière bleue est importante pour la synthèse de l’anthocyane, qui est l’un des types de composés qui provoque la pigmentation rouge. La lumière joue également un rôle important dans la régulation de la biosynthèse de nombreux composés qui agissent pour modifier directement la saveur et l’arôme des feuilles, des fruits et des fleurs. L’exposition à la lumière UVB a été liée à une augmentation de la teneur en huile et en volatiles de diverses espèces d’herbes, dont la mélisse et le basilic (Davis 2015).

Dans la majorité des recherches, l’influence de la qualité de la lumière sur la qualité des cultures est prise en compte pendant la période de croissance des cultures, mais plus récemment, l’effet des traitements légers après récolte a également été pris en considération. Les traitements après récolte offrent le potentiel d’améliorer les qualités des cultures pendant le transport, ce qui retarde l’apparition de la sénescence, ce qui prolonge la durée de conservation. L’exposition à deux heures de lumière rouge de faible intensité retarde la sénescence des feuilles de basilic pendant deux jours pendant l’entreposage à 20 °C dans l’obscurité (Davis 2015).

La réaction des plantes aux différentes couleurs du spectre lumineux peut donc être utilisée pour manipuler des plantes afin de satisfaire différents besoins, notamment :

• La lumière ultraviolette peut être utilisée pour raccourcir les entre-nœuds

• La lumière bleue et ultraviolette peut être utilisée pour augmenter la tolérance aux contraintes végétales avant la transplantation

• La lumière bleue peut être utilisée pour stimuler la croissance végétative et empêcher la floraison des plantes de jours plus courts pendant leurs stades de propagation

• La lumière rouge peut être utilisée pour induire la floraison et allonger les entre-nœuds pour produire des plantes avec des tiges plus longues et des fleurs plus grandes.

• La lumière rouge lointaine peut être utilisée pour contrôler le photopériodie des plantes

Les Lux mètres sont largement utilisés en horticulture pour mesurer l’intensité des lampes à sodium à haute pression (HPS). Les Lux mètres ont été conçus pour avoir la même sensibilité aux différentes régions du spectre électromagnétique que l’œil humain, qui est le plus sensible à la lumière verte. Cependant, pour un grand nombre de lampes LED horticoles, en particulier celles qui ont principalement des LED rouges et bleues, les spectres d’émission tombent dans les régions où les lux mètres sont relativement insensibles, et fournissent des estimations très faibles, même lorsque l’intensité réelle de ces spectres est élevée. La mesure de la lumière la plus appropriée pour une utilisation avec les plantes est l’irradiance des photons PAR (également appelée densité de flux de photons photosynthétiques, PDFD). L’irradiance photo PAR indique le nombre de photons qui sont incidents sur une surface mesurée en micromoles par mètre carré par seconde (µmol m^-2 s^-1 ). Étant donné que la photosynthèse est mesurée en unités similaires (µmol \ [CO₂ ] m^-2 s^-1 ), l’utilisation de l’irradiance des photons PAR permet de comparer directement la quantité de lumière et la quantité de photosynthèse à effectuer (Davis 2015).

Figure 13 : Croissance sous la lumière UV < https://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Aquaponics#/media/File:Light_on_Aquaponics.jpg >

Température et humidité

Les appareils de chauffage maintiendront la température dans la plage optimale pendant les périodes de froid. Le matériau isolant (rideaux en tissu ou en film) peut être placé au-dessus de la culture ou près du toit pour retenir la chaleur près de la culture. Le matériau isolant utilisé pendant la nuit peut être le même que le matériau utilisé pour l’ombrage pendant la journée (Rorabaugh 2015).

Les températures élevées peuvent nuire à la croissance des plantes, en particulier s’il y a une faible disponibilité de la lumière. Les températures élevées peuvent causer des problèmes tels que des tiges minces et faibles, une taille réduite des fleurs, un retard de floraison et/ou une mauvaise pollinisation ou fécondation et la fixation des fruits, et l’avortement des fleurs, des bourgeons et des fruits. Les systèmes de ventilation passive comprennent des chiffons d’abat-jour ou de peinture d’abat-jour ou de lavage blanc qui, en plus de réguler l’intensité lumineuse, peuvent également aider à refroidir la serre. Les évents de crête dans le toit d’une serre permettent à l’air chaud et intérieur de s’échapper. La surface des évents devrait être de 25% de la surface du plancher. Les parois latérales enroulables peuvent être utilisées dans les serres à vitrage flexible (film de polyéthylène) pour permettre un écoulement horizontal naturel d’air sur les plantes. Comme pour les évents de crête, la surface des évents de paroi latérale devrait être de 25% de la surface du plancher. Des tampons refroidis à l’eau au sommet des tours de refroidissement peuvent être utilisés pour refroidir l’air environnant qui tombe ensuite, déplaçant ainsi l’air plus chaud au-dessous. Les conceptions récentes de serre peuvent inclure un toit qui se rétracte complètement pour une ventilation naturelle. Cela permet aux plantes cultivées en serre de s’adapter aux conditions extérieures (Rorabaugh 2015).

Les systèmes de refroidissement actifs impliquent un « refroidissement par évaporation » par un ventilateur et un tampon où l’air de l’extérieur est tiré à travers des tampons poreux et humides (généralement du papier cellulose). La chaleur de l’air entrant évapore l’eau des tampons, refroidissant ainsi l’air. Le refroidissement par évaporation aidera également à augmenter l’humidité relative dans la serre. Les systèmes de brumage utilisent également un refroidissement par évaporation, mais intègrent une dispersion de gouttelettes d’eau qui s’évaporent et extraient la chaleur de l’air. Ce système donne une meilleure uniformité puisque la buée est répartie dans toute la serre, et pas seulement près d’une extrémité de tampon comme avec le système de ventilateur et de pad. Plus la taille des gouttelettes est petite, plus chaque gouttelette s’évapore rapidement, et donc plus le taux de refroidissement est rapide. L’humidité relative peut être augmentée en faisant fonctionner les coussinets de refroidissement ou par la buée, et peut être réduite en faisant fonctionner des appareils de chauffage ou simplement en procédant à l’aération (Rorabaugh 2015).

Dioxyde de carbone (CO₂)

Le taux de photosynthèse dépend de la disponibilité du dioxyde de carbone. La ventilation peut fournir suffisamment de CO₂ au printemps, en été et en automne, mais en hiver ou à tout moment dans les climats froids, elle entraînera l’apport d’air froid dans la serre. Le chauffage sera alors nécessaire pour maintenir la température appropriée, ce qui peut devenir peu rentable. La production de CO₂ est donc un moyen efficace d’augmenter les niveaux dans la serre pendant l’hiver ou dans les climats froids. Les génératrices de CO₂ peuvent brûler divers types de combustible, y compris le gaz naturel (le plus économique) ou le propane. Les générateurs à flamme ouverte produisent également de la chaleur et de la vapeur d’eau en tant que sous-produits. Par conséquent, les producteurs hydroponiques utilisent parfois des générateurs de CO₂ en hiver, lorsque la production de chaleur supplémentaire est la bienvenue, et mettent en bouteille du CO₂ et des doseurs en été, car ils ne produisent pas de chaleur ou d’humidité supplémentaire. Étant donné que le CO₂ est libéré par les plantes par respiration la nuit, il n’est pas rare que les concentrations s’accumulent jusqu’à 0,045 % à 0,007 % dans la salle de culture le matin. Régler la minuterie pour commencer le dosage du CO₂ une heure après l’allumage des lumières, avec la dernière dose une heure avant que les lumières ne s’éteignent, est le moyen le plus économique de fournir un supplément de CO₂ . Pour maintenir le CO₂ à des niveaux optimaux, il est préférable de doser pendant de courtes périodes à des volumes plus élevés que de doser pendant de longues périodes à de faibles volumes. (Rorabaugh 2015). En aquaponie, les bassins à poissons se trouvent souvent dans la même pièce que la composante hydroponique. La respiration des poissons augmente les niveaux de CO₂ de l’eau du système, et le CO₂ pénètre également dans l’atmosphère. Par conséquent, des apports supplémentaires de CO₂ ne sont pas requis ou sont très faibles (Körner et al. 2014).

Circulation d’air

Une des raisons d’avoir une serre est de créer un « environnement contrôlé » pour toutes les plantes. Cependant, surtout pendant les périodes où les systèmes de chauffage et de refroidissement ne fonctionnent pas, des poches de température élevée ou basse, d’humidité relative ou de dioxyde de carbone peuvent se développer, ce qui peut être moins qu’optimal pour la croissance des plantes ou le développement des fleurs et des fruits. Les ventilateurs à flux d’air horizontal (HAF) peuvent être placés dans les chevrons de la serre pour faire circuler l’air au-dessus de la culture. Cela aide à minimiser les poches d’air chaud ou froid et l’humidité élevée ou faible ou le dioxyde de carbone. Les ventilateurs HAF peuvent être utilisés conjointement avec des systèmes de chauffage à air chaud pour faire circuler l’air chaud dans toute la serre (Rorabaugh 2015).

Systèmes de contrôle de l’environnement

Les systèmes de contrôle de l’environnement peuvent être très simples ou très complexes. Les systèmes les plus simples consistent à enrouler manuellement un évent latéral, à ouvrir un évent de toit ou une porte, ou à allumer un appareil de chauffage ou un refroidisseur. Les régulateurs simples fonctionnent à partir d’un thermostat dans la serre et réglent automatiquement les plages de température de jour et de nuit, ouvrent et ferment les évents, et activent ou éteignent les appareils de chauffage et les refroidisseurs. Les contrôleurs de pas à pas contrôlent automatiquement 1 ou 2 étages de chauffage, en fonction du nombre d’appareils de chauffage, et contrôlent plusieurs étages de refroidissement à l’aide de ventilateurs de refroidissement et de pompes pour mouiller les tampons. Les systèmes de contrôle environnemental les plus complexes utilisent des ordinateurs sophistiqués qui fonctionnent à partir d’un capteur de température dans la serre et réglent automatiquement les plages de température de jour et de nuit, contrôlent l’équipement de chauffage, y compris les chaudières, le chauffage des zones racinaires, les rideaux de rétention de chaleur, etc., contrôlent d’autres équipements y compris les ventilateurs HAF, les ventilateurs d’échappement, les évents, les pompes à tampons, les systèmes de brumage, etc., contrôlent l’humidité relative et contrôlent les rideaux d’abat-jour et l’éclairage artificiel en fonction des exigences de lumière. Des ordinateurs sophistiqués peuvent également surveiller une station météorologique externe et utiliser les données recueillies (lumière, température, humidité relative, pluie et vent) pour contrôler les conditions internes dans la serre. Ils peuvent également faire fonctionner le système de fertigateur en utilisant automatiquement la quantité de lumière (p. ex. X ml de solution/Y quantité de lumière) et en contrôlant le moment de l’arrosage, la durée de l’arrosage, le pH et la EC de la solution nutritive, et la brumisation (Rorabaugh 2015).

*Copyright © Partenaires du projet Aqu @teach. Aqu @teach est un partenariat stratégique Erasmus+ dans l’enseignement supérieur (2017-2020) dirigé par l’Université de Greenwich, en collaboration avec l’Université des sciences appliquées de Zurich (Suisse), l’Université technique de Madrid (Espagne), l’Université de Ljubljana et le Centre biotechnique Naklo (Slovénie) . *