Les systèmes de culture en Aquaponie et en Hydroponie

En aquaponie comme en hydroponie, différents systèmes de culture peuvent être mis en œuvre pour cultiver les végétaux. Un système de culture se caractérise par une technique d’irrigation et un support de culture (avec ou sans substrat) type. Ils se distinguent les uns des autres par des spécificités qui les rendent plus ou moins adaptés aux variétés de végétaux cultivés, aux pratiques culturales (hydroponie ou aquaponie), et aux conditions environnementales du milieu. Explorons ensemble ces différentes approches :

Les techniques de culture sans substrat

Les Films Nutritifs (Nutrient Film Technique ou NFT)

Cette technique repose sur l’écoulement continu d’une mince pellicule d’eau chargée en nutriments sur les racines des plantes. La solution nutritive (eau des poissons en aquaponie ou solutions nutritives minérales en hydroponie) circule dans le fond de gouttières perforées (diamètres standards de 32 à 50 mm) pour accueillir les jeunes plants, inclinées pour garantir un écoulement de l’eau en gravitaire, sur une pente de 1% à 3% entre l’arrivée et l’évacuation de la solution nutritive.

Avantages

Cette technique permet aux racines d’absorber les nutriments et l’eau de manière efficace tout en maintenant un bon apport en oxygène, essentiel au bon développement des plantes grâce à des racines simultanément immergées et émergées. Elle est particulièrement adaptée aux plantes à croissance rapide, comme les plantes à feuilles (laitues, aromates, choux etc.), aux besoins en eau et en nutriments relativement faibles comparés à des plantes à développement racinaire plus important.

Il s’agit d’un système peu coûteux à mettre en place, simple à monter, léger et facile d’entretien. Il permet d’optimiser les temps de transplantation, récolte et nettoyage en comparaison à un système raft. Il peut être facilement aménagé en tables glissantes pour saturer une zone de production et augmenter le nombre de plants par m², mais attention au temps humain si ce système NFT glissant n’est pas automatisé. Les systèmes NFT glissants sont parmi les technologies les plus efficaces de cultures de plantes à feuilles, largement répandus aux Etats-Unis depuis plus d’une dizaine d’années.

Les NFT peuvent être alimentés en flux continu ou fractionné pour faire quelques économies énergétiques. L’avantage en aquaponie de coupler des systèmes NFT est d’avoir un débit minimal filtré en continu par les plantes qui y sont cultivées.

Inconvénients

Un développement trop important des racines peut encombrer les gouttières et limiter le bon écoulement de la solution nutritive qui va venir submerger les racines et limiter l’oxygénation.

L’utilisation de cette technique pour la culture de plantes aux cycles de croissance longs (plantes à fruits ou à cycle de production de plus de 2 mois) est donc à proscrire.

Une coupure électrique de quelques heures voire de quelques dizaines de minutes en pleine journée, peut provoquer un assèchement racinaire et donc une perte totale de la production.

La température de l’eau est très importante dans les systèmes de culture sans substrat et il faudra veiller à maintenir un optimum entre 15 et 25°C. Or, les gouttières NFT agissent comme des grands échangeurs thermiques, il faudra donc prioriser des systèmes à double paroi en régions chaudes ou très froides. Par ailleurs limiter la longueur de chaque gouttière à 15 m max en milieu tempéré et 8 m max en milieu tropical permettra d’atténuer l’impact de la température atmosphérique et assurer une répartition homogène des nutriments et de l’oxygène de l’entrée à la sortie de la gouttière, au risque sinon d’avoir une hétérogénéité de croissance sur une même gouttière (ce qui dégradera vos rotations et donc vos rendements).

Enfin, il faut veiller à apporter une eau filtrée à 200 µm maximum et à assurer un entretien régulier du réseau. Le système comportant de nombreux capillaires, le développement d’un biofilm et/ou une accumulation importante de matières organiques peut rapidement entraver l’écoulement de la solution nutritive.

La Culture en Eau Profonde (Deep Water Culture ou DWC) et les RAFTS

Souvent désignée par le terme « Raft » ou radeau en français, en raison de l’utilisation démocratisée de supports de cultures flottants (différentes matières plastiques sont utilisées) dans les systèmes de production végétale hydroponique ou aquaponique à échelle commerciale, la culture en eau profonde est un système où les racines des plantes sont immergées dans une solution nutritive souvent aérée. Elle se compose d’un réservoir dans lequel circule une solution nutritive et de diffuseurs d’air ; on parle d’aération active.

Avantages

A l’instar de la technique des films nutritifs (NFT), la culture en eau profonde permet aux racines des plantes, directement en contact avec la solution nutritive, d’absorber facilement l’oxygène (sous réserve de bien surélever les rafts par rapport au niveau d’eau) et les nutriments présents dans l’eau. Facile à mettre en place et peu onéreuse, cette technique de culture permet de produire efficacement de grandes quantités de plantes à feuilles. Bénéficiant d’un volume d’immersion important, elle permet également la culture de plantes à fruits et légumes aux cycles plus longs et donc présentant des systèmes racinaires plus développés.

L’inertie thermique de la solution nutritive, plus ou moins grande selon la profondeur du réservoir utilisé, permet d’éviter une montée ou descente rapide de la température de l’eau. Le grand volume d’eau présent dans les systèmes DWC apporte donc une inertie thermique mais aussi nutritionnelle et facilite donc le pilotage de ces paramètres. Bien que l’inertie soit un avantage majeur des systèmes DWC, il est aussi l’un des principaux inconvénients…

Inconvénients

La culture en eau profonde nécessite une aération permanente ou une circulation intense de la solution nutritive et donc l’utilisation d’aérateurs ou de pompes pouvant présenter une consommation électrique importante en comparaison aux systèmes NFT; et en cas de panne prolongée, une nécrose des racines peut être rapidement observée. Les racines des plantes étant immergées en permanence dans l’eau, il est nécessaire de contrôler régulièrement la température de la solution nutritive pour éviter de stresser les plantes et de ralentir leur croissance.

L’entretien de ces systèmes est complexe car ils agissent comme de grands décanteurs qui accumulent toutes les particules et détritus. Il est donc nécessaire d’effectuer des vides-sanitaire, comme pour tous les autres systèmes de culture, qui vont nécessiter un grand nettoyage du fond des DWC et une importante quantité d’eau neuve pour les remettre en production. Un effondrement nutritionnel est souvent constaté à chaque relance après un vide-sanitaire et provoque des carences ou nécessite un apport conséquent de nutriments.

Les étapes de culture sont souvent plus longues que celles sur un système NFT, liées aux manipulations de la plaque raft, leur nettoyage (à automatiser rapidement via une machine à laver les rafts) et les transferts. Prévoyez des systèmes DWC à hauteur d’Homme (80 cm à 1m environ) même si cela vous coutera plus cher à l’installation en structure porteuse, cela vous économisera du temps de travail et améliorera nettement le confort des employés. 

Comme pour les NFT, veillez à utiliser des matériaux certifiés « food-grade » pour empêcher tout relargage de molécules chimiques ou microparticules dans votre système, les systèmes DWC et les RAFTS étant très risqués sur ce point si une détérioration précoce des outils apparaît.

Dynamic Root Floating Technique (DRFT)

Cette technique s’apparente à celle des RAFT en eau profonde puisqu’elle fait également appel à des radeaux flottants comme support de culture. En revanche, elle utilise une petite lame d’eau (5 cm maximum), ce qui permet toujours d’avoir un développement de racines importants (car la surface disponible reste élevée) mais en utilisant un volume d’eau bien plus faible qui peut être mis en mouvement plus facilement voire être renouvelé en fractionné, on parle d’aération passive.

Avantages

Ce système mélange les avantages du système NFT et de la culture sur RAFTS. Les végétaux cultivés peuvent survivre plusieurs heures en cas de panne d’électricité. Le système bénéficie là aussi d’une bonne inertie thermique, l’eau étant isolée au sein de la structure souvent en panneaux XPS et couverte par les rafts. La régulation thermique de ce volume d’eau sera plus aisée que dans un système DWC étant donné que l’on travaille avec un volume très inférieur (5 à 10 fois plus faire qu’en DWC). Les ajustements des paramètres de la solution nutritive pourront être pilotés plus finement et les vides-sanitaire seront réalisables plus régulièrement.

Inconvénients

Un réglage fin du niveau d’eau est nécessaire pour assurer une bonne circulation de la couche d’air située entre la base des plantes et la partie immergée des racines. Le nettoyage du système, comme pour les DWC, reste une étape lourde mais nécessaire, bien que la sédimentation soit plus faible. Les volumes d’eau étant largement inférieurs à ceux mis en œuvre dans les systèmes de culture en eau profonde, le remplissage sera plus rapide et moins sujet à un effondrement nutritionnel.

Les techniques de culture avec substrat

« Culture hors-sol » ne veut pas nécessairement dire sans substrat. Si les racines des plantes, en hydroponie ou en aquaponie, puisent les nutriments qui assurent leur croissance, directement depuis la solution nutritive avec laquelle elles sont irriguées, un substrat organique ou inorganique peut être utilisé comme base d’ancrage du système racinaire tout au long de sa croissance. Il existe différents types de substrats utilisés en hydroponie et en aquaponie. Les plus populaires, les billes d’argile expansé, la fibre de coco, la laine de roche ou encore la perlite, ont chacun des avantages et inconvénients propres à leur capacité de rétention de l’eau et des nutriments, de drainage, de stabilité de pH, ou encore d’impact sur l’environnement.

Ils sont également à adapter aux techniques culturales mises en œuvre. La fibre de coco par exemple, au pouvoir de rétention de l’eau important, sera particulièrement adaptée aux irrigations en goutte à goutte, alors que les billes d’argile, plus drainantes, seront à privilégier pour les cultures immergées avec des systèmes de type « tables à marées ».  

Les systèmes de tables à marées (Flux-Reflux – Ebb & flow)

Les tables à marée fonctionnent sur un cycle de remplissage et de vidange d’un bac de culture rempli d’un substrat (billes d’argile, gravier, perlite, etc.) ou d’un plateau sur lequel les végétaux sont disposés dans des pots individuels ou des plaques (notamment pour les semis), là aussi remplis d’un substrat. Ce système est inspiré du mouvement naturel des marées, d’où son nom.

Le système fonctionne par un remplissage automatique et une vidange contrôlée :

À intervalle régulier, la pompe envoie de l’eau enrichie en nutriments vers la table. L’eau inonde progressivement le substrat de culture, immergeant les racines des plantes. Une fois le niveau d’eau atteint (généralement quelques centimètres au-dessus du substrat), l’eau est drainée, ce qui permet de laisser l’oxygène atteindre les racines. Le cycle de marée dure quelques minutes à quelques heures selon le système. Ce processus peut se répéter plusieurs fois par jour.

Avantages

Le cycle de remplissage et de vidange permet d’alterner entre l’irrigation et l’oxygénation, ce qui est bénéfique pour les racines. L’air qui entre dans le substrat lorsqu’il est vidé favorise la croissance saine des racines. Les tables à marées peuvent être glissantes afin d’optimiser le nombre de plants par m². La gestion des irrigations et des nutriments est souvent très simplifiée.

Inconvénients

En cas de disfonctionnement du système de siphon ou du pompage, une fluctuation excessive du niveau d’eau peut nuire à la santé des racines, par manque ou excès d’irrigation. L’utilisation de tables à marées remplies de substrat permet une très grande diversité de cultures mais accumulera des matières organiques et sera un réservoir non-maitrisé à court ou moyen terme, nécessitant une très lourde opération de nettoyage et de vide-sanitaire. Il faut donc privilégier cet outil pour les plaques de semis ou les cultures en pots.

Le goutte à goutte (dripping system)

Le système de goutte à goutte repose sur un réseau de tuyaux et de capillaires permettant d’acheminer la solution nutritive, depuis une cuve de ferti-irrigation ou directement depuis une cuve de reprise d’élevage aquacole vers les plantes cultivées dans des pains substrats (fibre de coco, tourbe, écorces, laine de roche etc.) ou en pots (billes d’argile, pouzzolane, coco etc.).

Des goutteurs sont installés au niveau de chaque pain ou dans chaque pot. Ces goutteurs sont reliés à un régulateur de débit allant souvent de 2 à 4 L/h. Le volume apporté par goutteur dépend du temps de fonctionnement de la pompe et est très important à ajuster en fonction du type de substrat, de cultures et du stade de développement. Il doit être rectifié en fonction du taux de drainage mesuré. La solution nutritive drainée, peut-être récupérée, filtrée et réinjectée dans le réseau d’irrigation, on parle de système fermé, opposable au système ouvert ou l’excédent d’eau n’est pas récupéré. Dans le cas d’un système fermé, les cultures en pains substrats sont disposées dans des gouttières collectrices dans lesquelles la solution nutritive en excès s’écoule en gravitaire.

Avantages

L’eau et les nutriments sont délivrés avec précision directement aux racines, réduisant les pertes. Cette technique d’irrigation convient à presque toutes les cultures. Les pains ou pots sont faciles à mettre en place et à retirer en cas de vide-sanitaire ou de contamination (attention à bien séparer la solution drainée du substrat de culture). Les racines se développent facilement dans le substrat permettant des cycles de cultures longs, à condition que les propriétés physico-chimiques de ce dernier correspondent bien aux besoins des végétaux. Les substrats organiques sont réutilisables pour d’autres usages (bandes florales, fruitiers etc.).

Inconvénients

Le pilotage des irrigations doit être précis pour éviter toute sur- ou sous-irrigation qui peut rapidement détériorer la culture et donc impacter négativement une saison complète de cycle végétal! Il doit être ajusté en fonction du climat du jour, de l’humidité du substrat, du taux de drainage, du stade des cultures et évidemment du type de substrat utilisé.

Les piquets reliés aux capillaires doivent être équipés de système anti-colmatage, bien que cela n’empêche pas une surveillance importante sur ce point. Il est nécessaire de filtrer l’eau à 130 µm et d’assurer une forte prophylaxie des réseaux et de les purger régulièrement.

Les goutteurs peuvent se boucher en raison de dépôts minéraux, d’algues, ou de particules fines, notamment dans un système aquaponique où l’eau contient des déchets de poissons et des micro-organismes. La distribution de l’eau peut ne pas être uniforme si le système est mal conçu ou si les goutteurs ont des débits inconstants. Cela peut entraîner des différences dans la croissance des plantes. Le substrat doit retenir l’eau mais aussi permettre une bonne aération des racines.

Le temps de plantation peut être important si les perforations ne sont pas adaptées. Les fentes de drainage doivent correspondre à votre support de culture pour faciliter l’écoulement de la solution drainée qui doit absolument être isolée de la lumière (sous peine de développer des algues).

L’aspersion

L’irrigation par aspersion consiste à pulvériser une solution nutritive (en hydroponie) ou l’eau des poissons (en aquaponie) sous forme de fines gouttelettes sur les plantes (notamment  pour les cultures d’orchidées) ou leur système racinaire (aéroponie). Cette méthode utilise des asperseurs ou des buses pour distribuer uniformément l’eau.

Avantages

L’irrigation par aspersion permet une distribution uniforme de l’eau et des nutriments, garantissant que chaque plante ou système racinaire reçoit les apports nécessaires de manière homogène. Elle offre une excellente oxygénation des racines, favorisant une croissance saine des plantes, particulièrement en aéroponie.

Elle peut être utilisée à la fois pour l’irrigation mais aussi pour la régulation thermique (fogging) ou encore pour appliquer des traitements ou des boosters.

Inconvénients

Le système nécessite une filtration conséquente en amont du réseau d’aspersion, les buses étant susceptibles de se boucher à cause de particules ou de dépôts minéraux, notamment en aquaponie. Les asperseurs auront une pression minimale de fonctionnement : système à basse ou haute pression, qui peut engendrer une consommation électrique parfois importante.

En cas de panne du système ou de dysfonctionnement de la pompe, les racines peuvent rapidement se dessécher, provoquant un stress hydrique pour les plantes. Enfin, elle peut être moins adaptée aux cultures à feuillage dense, où l’aspersion n’atteint pas efficacement les racines ou le substrat.

Biblio :

Substrats : https://www.croquepousse.com/substrat-culture-hydroponique/

DWC : https://www.misterplantes.ca/dwc-deep-water-culture/

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