Soutenance mémoire
Technologies d’éclairage horticole artificiel
Photosynthèse et croissance grâce au PAR
La photosynthèse est fondamentale au cycle biologique sur Terre. C’est une réaction chimique produite par les végétaux, producteurs primaires de la matière organique (MO), leur permettant de synthétiser du dioxygène (O2) et des molécules organiques comme le glucose (sucre) à partir de dioxyde de carbone (C02), d’eau et d’énergie lumineuse (▲ Figure 3). Les sucres produits peuvent ensuite être transformés en d’autres molécules organiques comme les acides aminés (constituants des protéines) à travers de nouveaux processus physiologiques impliqués dans la croissance et le développement de la plante, mais aussi être utilisés pour la respiration de la plante ou être stockés sous forme d’amidon. Environ 60 % du sucre qui est produit par la photosynthèse est utilisé pour la croissance des plantes.
Ce sont les photorécepteurs comme les chlorophylles a et b contenues dans la membrane des thylakoïdes empilés sous forme de granum dans les organites des cellules végétales appelés chloroplastes (▲ Figure 3), mais aussi, dans une moindre mesure, les caroténoïdes et les phycobilines qui captent l’énergie lumineuse à destination de la photosynthèse (▲ Figure 4) (Hopkins et Evrard, 2003). Ce sont les longueurs d’onde comprises entre environ 400 et 700 nm qui sont utiles à la photosynthèse. On parle de rayonnement photosynthétiquement actif (PAR, « Photosynthetically Active Radiation », en anglais) exprimé le plus souvent par la Densité de Flux de Photons Photosynthétique (PPFD) en μmol de photons/m2/s. Seulement 43 % de l’énergie solaire est comprise dans le PAR utile aux végétaux. Dans cette région PAR, les photorécepteurs chlorophylliens absorbent principalement la lumière dans les régions bleues (B, 400-500 nm) et rouges (R, 600-700 nm) du spectre lumineux et une petite partie de la lumière verte (G, « Green » en anglais, 500-550 nm) pour la photosynthèse. La raison pour laquelle la plupart des feuilles semblent de couleur verte est que les photorécepteurs absorbent très peu de G, c’est-à-dire que le G est davantage réfléchi par les feuilles par rapport aux autres couleurs de la lumière.
Ultraviolets et Infrarouges en marge du PAR
Le reste du rayonnement du spectre lumineux est composé de longueurs d’onde très courtes à forte énergie comme les rayons ultraviolets (UV, 100-380 nm) et très longues à faible énergie comme les rayons infrarouges (IR, >770 nm). Les UV-A (320 nm) et UV-B (280 nm) peuvent être nocifs pour les plantes et réduire leur taux de croissance et d’élongation. Les serres verre absorbent et réfléchissent ces UV, limitant ainsi leurs effets sur les cultures sous serre, à l’inverse des cultures d’extérieur (Lopez et Runkle, 2017). En revanche, les longues ondes de faible énergie administrent de la chaleur. Lorsque celles-ci sont émises dans les serres, elles sont réfléchies et produisent ce que l’on appelle l’« effet de serre ». Par une journée ensoleillée pendant l’été, la lumière solaire extérieure atteint environ 2 000 μmol/m2/s à midi (108 000 lux, 440 W/m2 de PAR, ou 1 000 W/m2 d’énergie totale). Selon Lopez et Runkle, 2017, ce niveau d’énergie équivaut à un appareil de chauffage électrique de 1 000 W ou à 10 ampoules de 100 W dans chaque mètre carré d’une pièce. Cela représente beaucoup d’énergie et illustre pourquoi il est difficile de refroidir les serres ou les installations de production intérieures.
Photomorphogénèse, phototropisme et modulation du développement La photomorphogénèse et le phototropisme sont des processus de développement morphologique et directionnel des plantes en réponse à la lumière mais indépendants de la photosynthèse et de la photopériode. Les longueurs d’ondes utiles à la mise en place de ces processus complémentaires à la photosynthèse sont regroupées dans la fraction de rayonnement du spectre lumineux appelée MAR (Morphogenic Active Radiation) (▲ Figure 5). Leurs principaux photorécepteurs sont les phytochromes (PHY), qui absorbent dans les régions du spectre correspondant au B mais principalement au R et au rouge lointain (FR, « Far Red » en anglais, 720 nm), les cryptochromes (CRY) et les phototropines (PHOT) absorbant la lumière bleue et les UV-A et enfin les récepteurs des UV-B comme UVR8. Ces familles de photorécepteurs prennent parfois des formes réversibles en fonction de la qualité et de l’intensité de la lumière à laquelle elles sont exposées et déclenchent des réponses variées comme la stimulation de la germination, le dé-étiolement, la floraison, l’évitement de l’ombre, une croissance différentielle dirigée vers la lumière ou encore le maintien de l’intégrité cellulaire (Fankhauser, 2015). Ces éléments sont détaillés dans le ▼ Tableau I. Savoir comment gérer au mieux la quantité, la qualité et la durée de l’éclairage dans des environnements contrôlés peut donc être bénéfique aux producteurs. Par exemple, il leur est possible de développer un cycle de production supplémentaire de jeunes plants, hâter la floraison des plantes à massif ou vivaces, produire des légumes hors saison à des prix plus élevés, retarder la croissance des plantes, augmenter le contenu nutritionnel des légumes ou encore prendre des décisions plus éclairées lors de l’achat de nouvelles structures et de nouveaux équipements.
Technologies d’éclairage horticole artificiel La présence d’un environnement lumineux favorable est essentielle pour une croissance et un développement optimal des plantes. Les déficits spatio-temporels de la lumière naturelle en fonction des abris horticoles et des saisons limitent la productivité des plantes, ce qui se traduit par un faible rendement quantitatif et qualitatif. Ainsi, des technologies d’éclairage horticole artificiel se développent peu à peu sur le marché afin de compléter ou remplacer la lumière solaire selon les objectifs des producteurs. L’utilisation de ces technologies innovantes permet de répondre à de nouvelles problématiques liées à la qualité des produits en fonction de l’évolution des exigences des consommateurs, à la réduction des durées de culture et à la restriction de l’espace et de l’éclairage disponibles. Il existe, aujourd’hui, des lampes à incandescence, des lampes fluorescentes, des lampes haute pression à base de mercure ou de sodium (HPM, « High Pressure Mercury » ou HPS, « Sodium », en anglais), des lampes à halogénures métalliques (MH, « Metal Halide », en anglais) et enfin des LEDs (▲ Figure 6).
D’après Agarwal et Dutta Gupta, 2017, les lampes conventionnelles produisent un spectre fixe, consomment beaucoup d’énergie électrique et ont une durée de vie courte. Elles émettent des IR qui diffusent de la chaleur rayonnante, en particulier les lampes à incandescence, ce qui peut être un inconvénient lorsque l’on souhaite maîtriser la température dans un environnement contrôlé. De plus, leur spectre (550-650 nm) se compose majoritairement de G, jaune (Y, « Yellow » en anglais)) et orange (O), au détriment du B et R que l’on souhaiterait abondants. Les LEDs ne produisent pas ou très peu d’IR, facilitant la gestion des températures. A l’inverse, l’intensité lumineuse et le spectre d’émission des LEDs peuvent être réglés pour correspondre aux besoins de l’espèce végétale cultivée. Les LEDs peuvent ainsi émettre des pics de longueur d’onde dans les régions les plus intéressantes du spectre lumineux pour les plantes : B, R et G, dans une moindre mesure. Leur faible consommation d’énergie et leur longue durée de vie en font le choix idéal pour l’éclairage des installations dans les petites et grandes exploitations.
Effet de différents éclairages artificiels sur la production de jeunes plantes horticoles Des recherches sur les effets des éclairages artificiels sur la production de jeunes plants ont déjà été réalisés à travers le monde, notamment aux Etats-Unis, à l’Université du Tennessee par Kopsell et al., 2014, et à l’Université de Purdue dans l’Indiana, où Lopez et Runkle, 2017, se spécialisent dans ce domaine depuis plusieurs années. Selon Runkle et Lopez, 2017, les éclairages horticoles en SL ou SSL ont un effet bénéfique significatif sur la qualité des jeunes plants par rapport à la lumière du soleil seule et présentent un réel intérêt en production. Une étude de Kopsell et al., 2014, sur la production de jeunes pousses maraîchères (récolte stade cotylédons/1ères feuilles) utilisées en garniture en raison de leur saveur, de leur texture mais aussi de leurs concentrations élevées en nutriments phytochimiques et minéraux bénéfiques pour la santé présente des résultats pertinents sous LEDs.
En effet, l’utilisation de LEDs en SSL par rapport à l’éclairage fluorescent et à incandescence dans un cycle de production de 21 jours nous indique que des germes de brocoli (Brassica oleracea var italica) cultivés avec un éclairage LED B20/R80 présentent une masse fraiche (MF) et une quantité de chlorophylle, de caroténoïdes et de nutriments minéraux significativement plus élevées que les graines germées sous éclairage fluorescent et incandescent (▼ Tableau II). De plus, un autre essai avec un traitement LED de courte durée de 100 % de B sur les brocolis durant 5 jours, du semis à la récolte (à 41 μmol/m2/s) a augmenté de manière significative les concentrations de carotène antioxydant, de glucoraphanine anticancérigène et d’éléments minéraux (tels que P, K, Ca, Mg, Ca, S, B et Fe), comparativement à ceux produits sous un spectre LED B12/R88 à 350 μmol/m2/s. Il n’y avait pas de différence significative dans le rendement microscopique de MF entre les deux traitements LED. Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour déterminer les intensités lumineuses et les qualités optimales pour l’application de l’éclairage LED dans la production de jeunes pousses.
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Table des matières
LISTE DES FIGURES
GLOSSAIRE
LISTE DES ABREVIATIONS
TABLE DES MATIERES
TABLE DES FIGURES
TABLE DES TABLEAUX
TABLE DES ANNEXES
1. Introduction à l’essai
1.1. La STEPP et son environnement
1.1.1. Contexte de l’horticulture ornementale française
1.1.2. L’institut technique national de l’horticulture ASTREDHOR
1.1.3. La Station Technique d’Expérimentation des Plantes en Pot (STEPP)
1.2. Etat des effets de la lumière sur les plantes
1.2.1. Lumière et cultures horticoles
1.2.2. Photosynthèse et croissance grâce au PAR
1.2.3. Ultraviolets et Infrarouges en marge du PAR
1.2.4. Photomorphogénèse, phototropisme et modulation du développement
1.2.5. Technologies d’éclairage horticole artificiel
1.2.6. Effet de différents éclairages artificiels sur la production de jeunes plantes horticoles
1.3. Le projet irradiance
2. Matériel et Méthodes
2.1. Objectif du projet de la STEPP
2.2. Matériel végétal
2.3. Dispositif expérimental
2.4. Plan expérimental
2.5. Traitements/applications
2.6. Conduite culturale
2.7. Mesures
2.8. Traitement statistique des données
3. Résultats
3.1. Brocoli
3.1.1. Vitesse de croissance du brocoli
3.1.2. Longueur de tige du brocoli
3.1.3. Teneur en chlorophylle du brocoli
3.1.4. Masse Fraîche du brocoli
3.2. Radis
3.2.1. Vitesse de croissance du radis
3.2.2. Longueur de tige du radis
3.2.3. Teneur en chlorophylle du radis
3.2.4. Masse Fraîche du radis
3.3. Pois
3.3.1. Vitesse de croissance du pois
3.3.2. Teneur en chlorophylle du pois
3.3.3. Masse Fraîche du pois
3.4. Betterave
3.4.1. Vitesse de croissance de la betterave
3.4.2. Longueur de tige de la betterave
3.4.3. Teneur en chlorophylle de la betterave
3.4.4. Masse Fraîche de la betterave
3.5. Tagète Marigold French Bonanza ‘Bolero’ Improved
3.5.1. Vitesse de germination et de croissance des tagètes Marigold French Bonanza ‘Bolero’
3.5.2. Longueur de tige des tagètes Marigold French Bonanza ‘Bolero’
3.5.3. Teneur en chlorophylle et autres pigments des tagètes Marigold French Bonanza ‘Bolero’
3.5.4. Note racinaire des tagètes Marigold French Bonanza ‘Bolero’
4. Discussion
4.2. Longueur de tige
4.3. Teneur en chlorophylle et autres pigments
4.4. Masse Fraîche
4.5. Note racinaire
5. Conclusion et perspectives
5.1. Conclusion de l’essai préliminaire au projet IRRADIANCE
5.2. Perspectives dans la recherche et l’application de l’éclairage sous LEDs de jeunes plants horticoles en environnement contrôlé
6.1. Article de périodique
6.2. Ouvrage collectif
6.3. Chapitre d’ouvrage
6.4. Sites Web
ANNEXES
Annexe I : Comparaison des coûts totaux et amortissements d’éclairage LED et HPS
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