Hydroponie – Tout ce que vous devez savoir

Qu’est‑ce que l’hydroponie

Hydroponie est une méthode de culture qui fait pousser les plantes dans l’eau au lieu du sol. Elle fait partie des méthodes de culture « sans sol », qui incluent l’aquaponie et l’aéroponie.

La plupart du temps, la culture se fait avec les racines des plantes immergées dans l’eau, mais il est parfois possible d’utiliser d’autres substrats, comme des gels ou un support inerte tel que la perlite, le gravier, etc.

Comme il n’y a pas de sol, la nutrition des plantes en éléments minéraux se fait en les dissolvant dans l’eau. Dans de nombreux cas, la culture hydroponique équivaut à la culture en intérieur, la lumière étant fournie par un éclairage artificiel. Cependant, l’hydroponie peut également être pratiquée à l’extérieur, offrant une « lumière gratuite » au prix 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 de 12,4 % CAGR jusqu’en 2030.

La science de l’hydroponie

Bien que la plupart des plantes puissent être cultivées avec des systèmes hydroponiques, certaines nécessitent un substrat pour ancrer leurs racines. C’est pourquoi des substrats inertes comme la fibre de coco, le vermiculite (une roche silicatée) et la perlite (un verre volcanique amorphe) sont utilisés.

Source: Climate Control

Des nutriments comme le phosphate, le potassium et l’azote (« NPK »), ainsi que les micronutriments, sont dissous dans l’eau, permettant une efficacité quasi 100 % dans l’utilisation des engrais.

Hydroponie peut être séparée en 2 types de conceptions : systèmes ouverts et systèmes fermés.

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

Les systèmes passifs, à l’inverse des systèmes actifs, sont des systèmes hydroponiques qui ne nécessitent pas de composants électriques tels que pompes, ventilation, éclairage artificiel et minuteries.

Ce qui peut être cultivé avec l’hydroponie

L’hydroponie est utilisée pour cultiver de nombreuses cultures à forte valeur ajoutée et sensibles. Les plus courantes sont, dans l’ordre : tomates, herbes aromatiques, laitue, concombre.

Source: Grand View Research

Une utilisation moins documentée mais importante de l’hydroponie a été la culture de cannabis à petite ou moyenne échelle. Bien que cette pratique reste illégale dans la plupart des pays, une liste croissante de nations autorise cette culture avec les licences appropriées dans un cadre commercial — le Canada en est un exemple phare.

De nombreuses fermes commerciales de cannabis opérant dans les États américains où la culture du cannabis est légale privilégient la culture en serres. Ici, les méthodes hydroponiques sont utilisées pour obtenir un résultat plus constant 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. Cela est particulièrement vrai lorsqu’elle est combinée à la culture en intérieur, comparée à la culture en sol ou même en serres. Cela se traduit par de multiples avantages pour la culture commerciale.

Elle peut produire des résultats plus constants. Par exemple, la composition chimique exacte d’une plante de cannabis destinée à être utilisée plus tard pour la production de produits pharmaceutiques. Cela permet aux équipes de recherche et développement de trouver les conditions idéales, aboutissant au produit de la plus haute qualité.

Elle peut également permettre un meilleur contrôle du timing de croissance afin d’obtenir une production très constante et stable. Cela est très précieux pour des produits à la demande relativement constante mais avec des pics de production saisonniers, comme les tomates ou les baies.

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

Enfin, elle peut aussi être utilisée pour surveiller les cultures et détecter tout problème dès le début.

Espace

Grâce à des 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 évoqué dans notre article “Scaling Urban Agriculture to Bring Many Benefits“. Cela permet de produire localement des aliments au lieu de les importer sur des centaines ou des milliers de kilomètres, même si le terrain et l’espace sont plus chers localement.

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

Demande en nutriments et déchets

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

Source: Unsplash

Cela rend l’utilisation d’engrais pour faire pousser les cultures aussi proche que possible de l’optimal. Dans les approches agricoles plus traditionnelles, la surutilisation d’engrais dans les champs ouverts entraîne de multiples problèmes. Ceux‑ci s’étendent jusqu’à détériorer les écosystèmes du sol et à des proliférations d’algues toxiques ainsi qu’à l’eutrophisation des milieux d’eau douce. Ainsi, réduire la quantité d’engrais qui s’infiltre dans l’environnement est une préoccupation écologique importante et souvent négligée.

Source: Britannica

Utilisation de l’eau

Contrairement à ce que l’on pourrait penser, l’hydroponie utilise beaucoup moins d’eau que les méthodes de culture traditionnelles. Cela est vrai que la culture se déroule en plein champ ou en serre.

Cela s’explique par le fait que l’évaporation de l’eau est maintenue au minimum grâce à un contact de surface limité avec l’air, et qu’elle ne s’infiltre pas dans le sol. Essentiellement, l’eau reste à l’intérieur du système fermé.

En conséquence, l’hydroponie peut utiliser aussi peu que 1/10 de l’eau des méthodes d’irrigation traditionnelles. Cela en fait donc une option excellente pour les zones où l’eau est rare et/ou pour les cultures particulièrement gourmandes en eau, comme les légumes à feuilles.

Intensité de la main‑d’œuvre

Parce que les plantes poussent dans un environnement contrôlé et conçu sur mesure, il est possible d’optimiser les coûts de main‑d’œuvre. L’automatisation peut remplacer la plupart des travaux agricoles traditionnels les plus dangereux, et les plantes déjà cultivées dans des pots sans sol peuvent faire gagner du temps lors de la récolte, du nettoyage et de l’emballage.

Les inconvénients de l’hydroponie

Coûts

La principale limitation de l’hydroponie réside dans ses coûts. Parce qu’elle nécessite des installations dédiées, et souvent des pompes, une ventilation, etc., elle est beaucoup plus chère à mettre en place que les méthodes agricoles traditionnelles. Cela est encore aggravé dans les climats froids qui requièrent du matériel supplémentaire comme le contrôle climatique et l’éclairage artificiel — chacun de ces éléments ne fait qu’ajouter aux coûts énergétiques des opérations de culture.

En raison de cette contrainte, la plupart des fermes commerciales s’appuyant sur l’hydroponie se concentrent sur des cultures à forte valeur ajoutée comme les fruits, les baies, les légumes à feuilles, le cannabis, etc., afin de maximiser leur retour sur investissement.

À ce jour, ce problème a freiné l’adoption plus large de l’agriculture verticale en général, incluant non seulement l’hydroponie mais aussi l’aquaponie et l’aéroponie.

Résilience

Les systèmes hydroponiques sont, par conception, plus artificiels que les cultures en plein champ. Cela signifie qu’ils dépendent du bon fonctionnement de chacun des éléments suivants :

• Chaîne d’approvisionnement en pièces et composants.
• Alimentation électrique.
• Système électronique connecté pour des 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 une redondance des systèmes ou un plus grand stock (qui augmente les coûts d’installation), ou une alimentation locale en énergie via la production d’énergie renouvelable, l’hydroponie ne sera jamais aussi résiliente qu’une culture arrosée par la pluie en plein champ.

Maladies d’origine aqueuse & contamination par les algues

Pathogènes

Éliminer le sol supprime évidemment tous les risques liés aux maladies d’origine terrestre, mais cela signifie aussi enlever tout un écosystème de microbes bénéfiques qui protègent contre les maladies des plantes. Parallèlement, l’eau constamment circulante peut être un vecteur de propagation d’autres pathogènes, ce qui rend les événements défavorables dévastateurs et plus rapides dans les systèmes hydroponiques.

Les deux organismes les plus courants à l’origine des maladies hydroponiques sont Pythium et Phytophthora, deux maladies fongiques. Pythium peut attaquer toutes les plantes, tandis que Phytophthora touche principalement les cultures florales.

Pour remédier à ces problèmes, les producteurs emploient généralement des pratiques de nettoyage et de désinfection régulières ainsi que l’utilisation de filtres, ce qui peut réduire significativement le risque de pathogènes d’origine aqueuse. En complément, des tests et une surveillance régulière sont tout aussi bénéfiques pour détecter les premiers signes de contamination.

Il est également recommandé d’utiliser plusieurs systèmes hydroponiques parallèles et non connectés pour les grandes installations afin d’éviter une contamination généralisée. Le contrôle du pH de l’eau peut aider à réduire la croissance fongique.

Algues

Un autre contaminant pouvant affecter les systèmes hydroponiques est l’algue. Bien que l’eau contienne le mélange parfait de nutriments pour stimuler la croissance des plantes, ce même mélange constitue, en même temps, l’environnement idéal pour les algues unicellulaires. Si elles sont présentes, les algues créeront une couche visqueuse et difficile à nettoyer sur les surfaces et peuvent même obstruer 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 l’équivalent. Comme les mauvaises herbes, les algues priveront les cultures de leurs nutriments, réduisant ainsi la croissance et la santé des plantes.

De plus, les algues réduiront la concentration d’oxygène dans l’eau. Le premier effet est qu’elles peuvent endommager les racines des plantes et leur croissance. Le second problème est qu’elles favorisent la croissance de maladies fongiques telles que le Pythium.

Il existe plusieurs moyens de contrôler la croissance des algues, depuis l’utilisation de filtres pour nettoyer l’eau entrant, jusqu’à l’exposition de l’eau à la lumière UV pour tuer les algues (les lampes UV sont couramment utilisées pour éliminer les micro‑organismes afin de rendre l’eau potable dans les réseaux publics).

Innovation dans l’hydroponie

Éclairage à LED

Les lampes à LED sont une technologie cruciale en hydroponie, rendant toute la pratique viable à l’échelle commerciale. En effet, ces lampes consomment beaucoup moins d’énergie que les sources lumineuses traditionnelles, durent plus longtemps et émettent nettement moins de chaleur.

De plus, tout le spectre lumineux visible n’est pas utile aux plantes pour la photosynthèse, ainsi des LED dédiées sans lumière verte peuvent être utilisées pour réduire davantage la consommation d’électricité de l’éclairage artificiel.

Source: Agritecture

IoT & automatisation basée sur les capteurs

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

Bien que plus avancée, cette agriculture basée sur les capteurs aide à suivre et à ajuster les conditions de culture en temps réel afin d’assurer des rendements optimaux, renforçant ainsi la rentabilité du producteur.

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 cet égard, l’IA est de plus en plus utilisée pour aider à optimiser les conditions environnementales existantes, y compris les niveaux de lumière, l’humidité et les 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 recourir à la vision par ordinateur ou à des tests biochimiques pour avertir de la présence de pathogènes avant même qu’un humain ne le puisse.

Enfin, avec la montée des robots agricoles autonomes, nous pouvons 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 façon impossible en agriculture traditionnelle. Cela ouvre la porte à l’expérimentation de nouvelles méthodes pour augmenter 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”. Des chercheurs ont utilisé un substrat artificiel personnalisé, ou « sol conducteur / eSoil », composé de cellulose (le principal composant du papier) mélangée à un polymère conducteur appelé PEDOT (poly(3,4-ethylenedioxythiophène)).

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

Source: PNAS

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

Construire une installation hydroponique

Lorsqu’on planifie de construire une installation hydroponique, la première question doit être : pourquoi choisir l’hydroponie plutôt qu’une autre méthode de culture ? De nombreuses raisons peuvent exister :

• Économiser de l’eau ou réduire la pollution.
• Possibilité d’expérimenter de nouvelles méthodes de culture.
• Consommation domestique à petite échelle ou outils pédagogiques.
• Production à grande échelle de cultures de haute qualité et à forte valeur ajoutée.

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

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

Un système domestique à petite échelle doit être adapté aux compétences techniques de ses constructeurs et utilisateurs, car un design « optimisé » mais trop complexe ne fonctionnera probablement pas bien. Des composants prêts à l’emploi seront probablement une meilleure option dans ce cas.

Un système dédié à la résolution d’un problème spécifique, comme la rareté de l’eau, devra se concentrer sur ce critère, surtout si cela rend d’autres éléments moins optimisés.

L’hydroponie comme partie d’un système plus large, comme combinée à 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 de contrôle exceptionnels sur les conditions de croissance. Ce sont généralement des systèmes très efficaces, affichant une utilisation optimisée des engrais et de l’eau. Cela en fait une méthode idéale à l’échelle commerciale pour les cultures difficiles à cultiver ou les produits à forte valeur ajoutée où le timing parfait, le goût, la composition, l’aspect ou d’autres critères qualitatifs peuvent justifier un prix bien plus élevé.

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

Cependant, il s’agit d’un système bien plus complexe que l’agriculture ou le jardinage traditionnels. Cela le rend plus coûteux, plus technique à installer et à entretenir, et plus sujet à des problèmes uniques comme la contamination algale et les maladies d’origine aqueuse qui doivent être gérées par des solutions dédiées. Dans certains cas, il sera tout aussi difficile pour les personnes ou les entreprises qui manquent des compétences techniques nécessaires pour gérer ces défis internes associés.

Dans l’ensemble, bien qu’il soit peu probable qu’il soit aussi rentable que les cultures produites en masse 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 locaux de haute qualité.