Hydroponics – Tout ce que vous devez savoir

Qu’est-ce que l’hydroponie

L’hydroponie est une méthode de culture qui fait pousser les plantes dans l’eau au lieu de la terre. Elle fait partie des méthodes de culture “sans sol”, qui incluent l’aquaponie et l’aéroponie.

La plupart du temps, la culture est effectuée avec les racines de la plante dans l’eau, mais elle peut également être occasionnellement effectuée dans d’autres substrats, comme des gels ou un milieu inerte comme le perlite, le gravier, etc.

Comme il n’y a pas de sol, la nutrition des plantes en éléments minéraux est effectuée en les dissolvant dans l’eau. Dans de nombreux cas, la culture hydroponique est équivalente à la culture en intérieur, avec la lumière fournie par des lumières artificielles. Cependant, l’hydroponie est également possible à l’extérieur, car elle offre une “lumière gratuite” au détriment d’un risque accru de contamination (voir ci-dessous).

Le marché de l’hydroponie a atteint près de 5 milliards de dollars en 2023, et devrait croître à un taux de 12,4% par an jusqu’en 2030.

La science de l’hydroponie

Alors que la plupart des plantes peuvent être cultivées avec des systèmes hydroponiques, certaines nécessitent un substrat pour ancrer leurs racines. C’est pourquoi des substrats inerts comme le coir de noix de coco, la vermiculite (une roche silicate) et le perlite (un verre volcanique amorphe) sont utilisés.

Source: Climate Control

Les nutriments comme le phosphate, le potassium et l’azote (“NPK”), ainsi que les oligo-éléments, sont dissous dans l’eau, permettant une efficacité quasi totale dans l’utilisation des fertilisants.

L’hydroponie peut être séparée en 2 types de conceptions : les systèmes ouverts et les systèmes fermés.

Systèmes ouverts : nécessitent que l’eau chargée de nutriments s’écoule du réservoir à la chambre de croissance.
Systèmes fermés : ont les racines directement immergées dans la solution nutritive et, par conséquent, n’ont pas besoin de pompes.

Les systèmes passifs, par opposition aux systèmes actifs, sont des systèmes hydroponiques qui ne nécessitent pas de composants électriques tels que des pompes, des ventilateurs, des lumières artificielles et des minuteries.

Que peut-on cultiver avec l’hydroponie

L’hydroponie est utilisée pour cultiver de nombreuses cultures de haute valeur et sensibles. Les plus courantes sont les suivantes, dans l’ordre : tomates, herbes, laitue, concombre.

Source: Grand View Research

Une autre utilisation moins documentée mais significative de l’hydroponie a été la culture de cannabis à petite ou moyenne échelle. Bien que cette pratique soit illégale dans la plupart des pays, il existe une liste croissante de nations qui autorisent une telle culture de récolte avec les licences appropriées dans un cadre commercial – le Canada est l’un des principaux exemples de cela.

De nombreuses fermes commerciales de cannabis opérant dans les États américains où la culture de cannabis est légale favorisent la culture en serre. Ici, les méthodes hydroponiques sont utilisées pour produire des résultats plus consistants que ce qui est possible avec le sol.

Les avantages de l’hydroponie

Contrôle

Le principal avantage de l’hydroponie est le niveau de contrôle offert par la technique. C’est particulièrement vrai lorsqu’il est combiné avec la culture en intérieur, par rapport à la culture en sol ou même en serre. Cela se traduit par de nombreux avantages pour la culture commerciale.

Elle peut produire des résultats plus consistants. Par exemple, la composition chimique exacte d’une plante de cannabis destinée à être utilisée ultérieurement pour la production de produits pharmaceutiques. Cela permet des efforts de recherche et de développement pour trouver les conditions parfaites, aboutissant à un produit de la plus haute qualité.

Elle peut également résulter en un contrôle plus précis du moment de la croissance pour obtenir une production très consistante et stable. C’est très précieux pour les produits dont la demande est relativement constante, mais dont la production est saisonnière, comme les tomates ou les baies.

En combinant chacune de ces capacités, le niveau de contrôle possible peut être utilisé pour optimiser la vitesse de croissance, le goût, l’odeur ou l’aspect de la plante finale, ce qui est susceptible de justifier un prix premium.

Enfin, elle peut également être utilisée pour surveiller les cultures et détecter tout problème précocement.

Espace

Grâce aux conditions optimales, plus de cultures peuvent être cultivées par mètre carré que dans d’autres conditions. Cela en fait une bonne option pour l’agriculture urbaine, comme discuté dans notre article “Scaling Urban Agriculture to Bring Many Benefits“. Cela peut permettre que les aliments soient cultivés localement au lieu d’être importés de centaines ou de milliers de miles, même si la terre et l’espace sont plus chers localement.

Cela sera une méthode d’agriculture extrêmement précieuse pour les environnements hostiles comme les futures bases lunaires ou martiennes, où les coûts de transport prohibitifs rendront les approvisionnements alimentaires locaux extrêmement précieux.

Demande de nutriments et déchets

Comme mentionné, parce que les nutriments sont dans l’eau et que l’eau reste dans les chambres de croissance et/ou un réservoir, il n’y a pas de perte de nutriments dans le système, sauf par ce qui est effectivement absorbé par la plante pendant sa croissance.

Source: Unsplash

Cela rend l’utilisation des fertilisants pour faire pousser les cultures aussi proche que possible de l’optimal. Dans les approches traditionnelles de l’agriculture, l’utilisation excessive de fertilisants dans les champs ouverts conduit à de multiples problèmes. Ces problèmes s’étendent à la dégradation des écosystèmes du sol à la formation de blooms d’algues toxiques et même à la eutrophisation des masses d’eau douces. Ainsi, la réduction de la quantité de fertilisants qui pénètrent dans l’environnement est une préoccupation écologique importante et souvent négligée.

Source: Britannica

Utilisation de l’eau

Contrairement aux apparences, l’hydroponie utilise beaucoup moins d’eau que les méthodes de culture traditionnelles. Cela est vrai que cela se passe dans des champs ouverts ou des serres.

C’est parce que l’évaporation de l’eau est minimisée en raison d’un contact minimal avec l’air, et ne s’écoule pas dans le sol. Essentiellement, l’eau reste à l’intérieur du système fermé.

Par conséquent, l’hydroponie peut utiliser autant que 1/10ème de l’eau que les méthodes traditionnelles d’irrigation des cultures. Cela peut donc en faire une excellente option pour les zones où l’eau est rare et/ou les cultures sont particulièrement gourmandes en eau, comme les feuilles vertes.

Intensité de la main-d’œuvre

Parce que les plantes poussent dans un environnement contrôlé et conçu sur mesure, elles peuvent également être conçues pour optimiser les coûts de main-d’œuvre. L’automatisation peut remplacer la plupart des travaux agricoles traditionnels plus dangereux, et les plantes qui poussent déjà dans des pots sans sol peuvent économiser du temps pour la récolte, le nettoyage et l’emballage.

Les inconvénients de l’hydroponie

Coûts

La principale limitation de l’hydroponie est son coût. Puisqu’elle nécessite des installations dédiées et souvent des pompes, une ventilation, etc., elle est beaucoup plus chère à mettre en place que les méthodes de culture traditionnelles. Cela est exacerbé dans les climats froids qui nécessitent un matériel supplémentaire comme le contrôle climatique et les lumières artificielles – chacun de ces éléments ne fait qu’ajouter aux coûts énergétiques des opérations de culture.

En raison de cette limite, la plupart des fermes commerciales qui s’appuient sur l’hydroponie se concentrent sur les cultures de haute valeur comme les fruits, les baies, les feuilles vertes, le cannabis, etc., dans un effort pour maximiser leur retour sur investissement.

Jusqu’à présent, ce problème a entravé l’adoption plus large de l’agriculture verticale en général, y compris non seulement l’hydroponie mais également l’aquaponie et l’aéroponie.

Résilience

Les systèmes hydroponiques sont, par conception, plus artificiels que les cultures en champ ouvert. Cela signifie qu’ils dépendent de chacun des éléments suivants pour fonctionner correctement :

• Chaîne d’approvisionnement en pièces et composants.
• Alimentation électrique.
• Système électronique connecté pour les opérations hautement automatisées et avancées.
• Main-d’œuvre qualifiée capable d’effectuer efficacement la surveillance et la maintenance requises.

Bien qu’il existe des moyens d’atténuer ces risques, par exemple avec des systèmes redondants ou un plus grand inventaire (ce qui ajoute aux coûts de mise en place), ou une alimentation électrique locale grâce à la production d’énergie renouvelable, l’hydroponie ne sera jamais aussi résiliente qu’une culture irriguée par la pluie en champ ouvert.

Maladies et contamination des eaux

Pathogènes

Enlever le sol élimine évidemment tous les risques liés aux maladies du sol, mais cela signifie également éliminer un écosystème entier de micro-organismes bénéfiques qui protègent contre les maladies des plantes. Pendant ce temps, l’eau constamment circulante peut être un vecteur de propagation d’autres pathogènes, ce qui signifie que les événements défavorables peuvent être dévastateurs et se produire même plus rapidement dans les systèmes hydroponiques.

Les deux organismes les plus courants qui causent des maladies hydroponiques sont Pythium et Phytophthora, tous deux des maladies fongiques. Pythium peut attaquer toutes les plantes, tandis que Phytophthora affecte principalement les cultures de fleurs.

Pour résoudre ces problèmes, les agriculteurs emploient généralement des pratiques de nettoyage et de désinfection régulièrement planifiées et l’utilisation de filtres, ce qui peut réduire considérablement le risque de pathogènes aquatiques des plantes. En s’appuyant sur cela, des tests et une surveillance réguliers sont également bénéfiques pour détecter les premiers signes de contamination.

Plusieurs systèmes hydroponiques parallèles et non connectés pour les grandes installations sont également recommandés pour éviter une contamination généralisée. Le contrôle du pH de l’eau peut également aider à réduire la croissance fongique.

Algues

Un autre contaminant qui peut affecter les systèmes hydroponiques est les algues. Alors que l’eau contient le mélange parfait de nutriments pour stimuler la croissance des plantes, le même mélange est, en même temps, l’environnement parfait pour les algues unicellulaires. Si elles sont présentes, les algues créeront une couche visqueuse et difficile à nettoyer sur les surfaces et peuvent même bloquer les filtres à eau ou les petits tubes.

Alors que les systèmes hydroponiques n’ont pas à se soucier des mauvaises herbes comme dans un champ, les algues sont essentiellement équivalentes. Comme les mauvaises herbes, les algues priveront les cultures de leurs nutriments, réduisant la croissance et la santé des plantes.

En outre, les algues réduiront la concentration d’oxygène dans l’eau. Le premier effet est qu’il peut endommager les racines de la plante et sa croissance. Le deuxième problème est qu’il favorise la croissance de maladies fongiques telles que Pythium.

De multiples moyens existent pour contrôler la croissance algale, des filtres pour nettoyer l’eau qui entre, à l’exposition de l’eau à la lumière UV pour tuer les algues (les lampes UV sont régulièrement utilisées pour tuer les micro-organismes pour rendre l’eau potable dans les services publics).

Innovation dans l’hydroponie

Éclairage LED

Les lumières LED sont une technologie cruciale dans l’hydroponie, rendant toute la pratique possible à une échelle commerciale. C’est parce que ces lumières consomment beaucoup moins d’énergie que les sources de lumière traditionnelles, durent plus longtemps et émettent nettement moins de chaleur.

En outre, non toute la partie visible du spectre lumineux est utile pour les plantes dans la photosynthèse, les LEDs dédiées sans lumière verte peuvent donc être utilisées pour réduire encore la consommation d’électricité due à l’éclairage artificiel.

Source: Agritecture

IoT et automatisation basée sur les capteurs

La baisse des coûts des capteurs et des composants électroniques a rendu possible la surveillance continue de la température, de l’humidité, de la lumière, des niveaux de pH et du volume de nutriments.

Bien que plus avancée, cette agriculture basée sur les capteurs aide à suivre et à ajuster les conditions de croissance en temps réel pour assurer des rendements de culture optimaux, renforçant ainsi le revenu du cultivateur.

Technologies basées sur l’IA

Comme mentionné, l’hydroponie nécessite un niveau intense de surveillance du système d’eau, des maladies, des niveaux de nutriments, etc. À cette fin, l’IA est de plus en plus utilisée pour aider à optimiser les conditions environnementales existantes, y compris les niveaux de lumière, d’humidité et de nutriments.

L’IA aide également à optimiser les investissements et à réduire les coûts en créant des plans de croissance personnalisés pour chaque type de plante.

Elle peut également utiliser la vision par ordinateur ou des tests biochimiques pour avertir de la présence de pathogènes avant même que l’homme ne puisse le faire.

Enfin, avec l’essor des robots agricoles autonomes, on peut imaginer un système hydroponique où la plantation, la taille, la récolte et le remplacement des plantes peuvent être effectués de manière entièrement automatique.

Nouvelles innovations agricoles

La culture hydroponique permet un contrôle direct sur les plantes d’une manière impossible en agriculture traditionnelle. Cela ouvre la porte à l’expérimentation de nouvelles façons d’améliorer la productivité des cultures au-delà de l’augmentation de l’accès à la lumière ou aux nutriments.

Par exemple, nous explorons une telle option dans notre article “Electricity Set to Supercharge Growth in Hydroponic Crops”. Les chercheurs ont utilisé un substrat artificiel personnalisé, ou “sol conducteur / eSoil” fait de cellulose (le principal composant du papier) mélangé avec un polymère conducteur appelé PEDOT (poly(3,4-éthylenedioxythiophène)).

De cette façon, ils ont pu exposer les plantules à une tension continue basse, aboutissant à une augmentation de 50 % du taux de croissance.

Source: PNAS

Ceci est un exemple de la manière dont les systèmes hydroponiques pourraient offrir des gains de productivité importants grâce à leur niveau de contrôle accru.

Construire une installation hydroponique

Lorsque vous planifiez la construction d’une installation hydroponique, la première question doit être – Pourquoi choisir l’hydroponie plutôt que d’autres méthodes de culture ? Il peut y avoir de nombreuses raisons :

• Économiser de l’eau ou réduire la pollution.
• Pouvoir expérimenter de nouvelles méthodes de culture.
• Consommation à petite échelle à la maison ou outils pédagogiques.
• Cultiver à grande échelle des cultures de haute qualité et de haute valeur.

En fonction de la réponse, différents systèmes hydroponiques peuvent être choisis.

Une opération commerciale devra équilibrer les ressources disponibles avec les coûts de démarrage tout en cherchant à minimiser les coûts d’exploitation. La prise en compte des marchés locaux et des marges sera extrêmement importante dans le choix des cultures. Le niveau d’automatisation et la maturité de la technologie utilisée devraient également être pris en compte.

Une installation hydroponique maison à petite échelle doit être adaptée aux compétences techniques de ses constructeurs et utilisateurs, car un design “optimisé” mais trop complexe ne fonctionnera probablement pas bien. Les composants prêts à l’emploi seront probablement une meilleure option dans ce cas.

Un système conçu pour résoudre un problème spécifique, comme la rareté de l’eau, devra se concentrer sur ce paramètre, en particulier si cela rend d’autres éléments moins optimisés.

L’hydroponie en tant que partie d’un système plus large, comme combinée avec l’aquaculture (aquaponie), devra être conçue en tenant compte des autres étapes et composants.

Conclusion

L’hydroponie est une approche puissante des systèmes de culture, offrant des niveaux exceptionnels de contrôle sur les conditions de croissance. Ce sont généralement des systèmes très efficaces, avec une utilisation optimale des fertilisants et de l’eau. Cela en fait une méthode de culture commerciale idéale pour les cultures difficiles à cultiver ou les produits de haute valeur où un timing, un goût, une composition, un aspect ou d’autres métriques qualitatives peuvent justifier un prix beaucoup plus élevé.

Grâce à sa densité et à sa productivité élevée, c’est également un bon système pour la production alimentaire à la maison ou l’agriculture urbaine, où l’espace est souvent une contrainte.

Cependant, c’est un système beaucoup plus complexe que l’agriculture ou le jardinage traditionnels. Cela le rend plus coûteux, plus technique à installer et à maintenir, et plus susceptible de problèmes uniques tels que la contamination algale et les maladies aquatiques qui doivent être gérés grâce à des solutions dédiées. Dans certains cas, cela sera également tout aussi difficile pour les personnes ou les entreprises qui manquent de capacités techniques pour gérer ces défis associés en interne.

Dans l’ensemble, même si elle est peu susceptible d’être aussi rentable que les cultures cultivées en vrac à bas prix dans les champs ouverts, l’hydroponie peut être une bonne solution à des problèmes spécifiques ou une bonne méthode pour cultiver des produits de haute qualité et locaux.