Recherche en serriculture : Cultiver l'innovation pour un avenir durable

La recherche en serriculture est un domaine en évolution rapide qui vise à améliorer la production végétale en environnements contrôlés. Alors que la population mondiale continue de croître et que le changement climatique affecte de plus en plus l'agriculture traditionnelle, les approches innovantes de la production alimentaire deviennent de plus en plus cruciales. Les serres, et autres formes d'agriculture en environnement contrôlé (AEC), offrent une voie prometteuse vers un avenir plus durable et plus sûr sur le plan alimentaire. Cet article explore les principaux domaines d'intérêt de la recherche en serriculture, en soulignant les avancées récentes et leur impact potentiel sur l'agriculture mondiale.

Comprendre l'agriculture en environnement contrôlé (AEC)

L'AEC englobe diverses technologies et pratiques visant à optimiser la croissance des plantes en contrôlant des facteurs environnementaux tels que la température, l'humidité, la lumière, les niveaux de dioxyde de carbone et l'apport en nutriments. Les serres sont un exemple majeur d'AEC, mais le domaine inclut également les fermes verticales, les chambres de culture intérieures et les usines à plantes. Le principe fondamental de l'AEC est de créer un environnement idéal pour la croissance des plantes, indépendamment des conditions météorologiques extérieures ou des limitations géographiques.

Avantages de l'AEC

• Augmentation des rendements : L'AEC permet une production tout au long de l'année et des rendements nettement supérieurs à ceux de l'agriculture traditionnelle en plein champ. En contrôlant les variables environnementales, les producteurs peuvent optimiser la croissance des plantes et réduire les pertes de récoltes dues aux ravageurs, aux maladies ou aux conditions météorologiques défavorables.
• Réduction de la consommation d'eau : De nombreux systèmes d'AEC, tels que l'hydroponie et l'aquaponie, recyclent l'eau et minimisent le gaspillage d'eau. Ceci est particulièrement important dans les régions confrontées à la pénurie d'eau.
• Lutte contre les ravageurs et les maladies : L'environnement contrôlé d'une serre réduit le risque d'infestations de ravageurs et de maladies, minimisant ainsi le besoin de pesticides et d'herbicides.
• Utilisation efficace des terres : Les fermes verticales et les systèmes de serres à plusieurs niveaux maximisent l'efficacité de l'utilisation des terres, permettant la production alimentaire dans les zones urbaines et d'autres endroits où les terres arables sont limitées.
• Amélioration de la qualité et de la nutrition des aliments : L'AEC permet un contrôle précis de l'apport en nutriments, ce qui se traduit par des cultures à valeur nutritionnelle plus élevée et des profils de saveur améliorés.
• Réduction des coûts de transport et des émissions : En rapprochant la production alimentaire des consommateurs, l'AEC peut réduire les coûts de transport et les émissions de gaz à effet de serre associés à l'expédition sur de longues distances.

Principaux domaines de recherche en serriculture

La recherche en serriculture couvre un large éventail de disciplines, notamment la physiologie végétale, l'horticulture, l'ingénierie et l'informatique. Parmi les principaux domaines d'intérêt, on peut citer :

1. Systèmes d'éclairage optimisés

La lumière est un facteur essentiel à la croissance des plantes, et la recherche en serriculture explore constamment des moyens d'optimiser les systèmes d'éclairage pour différentes cultures. Traditionnellement, les serres dépendaient de la lumière naturelle du soleil, complétée par des lampes au sodium haute pression (HPS). Cependant, la technologie LED gagne rapidement en popularité en raison de son efficacité énergétique, de son spectre personnalisable et de sa longue durée de vie.

Axes de recherche :

• Optimisation du spectre des LED : Déterminer le spectre lumineux optimal pour différentes cultures afin de maximiser la photosynthèse et la croissance des plantes. La recherche inclut des longueurs d'onde spécifiques telles que la lumière rouge, bleue et rouge lointain.
• Intensité et durée de la lumière : Étudier l'intensité lumineuse et la photopériode (durée d'exposition à la lumière) idéales pour diverses espèces de plantes à différents stades de croissance.
• Contrôle dynamique de l'éclairage : Développer des systèmes qui ajustent l'intensité et le spectre de la lumière en fonction des besoins des plantes en temps réel et des conditions environnementales.
• Efficacité énergétique : Améliorer l'efficacité énergétique des systèmes d'éclairage LED grâce à des conceptions et des stratégies de contrôle innovantes.

Exemple : Des chercheurs de l'Université de Wageningen & Research aux Pays-Bas mènent des études approfondies sur les effets de différents spectres de lumière LED sur la croissance des tomates et des concombres. Ils ont découvert que des combinaisons spécifiques de lumière rouge et bleue peuvent augmenter considérablement les rendements et améliorer la qualité des fruits.

2. Contrôle climatique et surveillance environnementale

Le maintien d'un climat stable et optimal à l'intérieur d'une serre est essentiel pour maximiser la production agricole. Cela nécessite un contrôle précis de la température, de l'humidité, des niveaux de CO2 et de la circulation de l'air. Des systèmes de contrôle climatique avancés et des capteurs sont utilisés pour surveiller ces paramètres et ajuster automatiquement les réglages de la serre.

Axes de recherche :

• Contrôle climatique de précision : Développer des algorithmes de contrôle avancés capables de prédire et de réguler avec précision le climat de la serre en se basant sur des données en temps réel et des prévisions météorologiques.
• Systèmes de refroidissement et de chauffage écoénergétiques : Explorer des technologies de refroidissement et de chauffage innovantes, telles que l'énergie géothermique, le chauffage solaire et le refroidissement par évaporation, pour réduire la consommation d'énergie et les émissions de gaz à effet de serre.
• Enrichissement en CO2 : Optimiser les niveaux de CO2 dans la serre pour améliorer la photosynthèse et la croissance des plantes.
• Circulation de l'air et ventilation : Améliorer la circulation de l'air pour prévenir les épidémies de maladies et assurer une distribution uniforme de la température et de l'humidité.
• Surveillance en temps réel et analyse de données : Développer des réseaux de capteurs sophistiqués et des outils d'analyse de données pour surveiller les conditions de la serre et identifier les problèmes potentiels à un stade précoce.

Exemple : Au Japon, des entreprises comme Spread Co. utilisent des systèmes de contrôle climatique avancés et une surveillance automatisée pour exploiter des fermes verticales à grande échelle qui produisent de la laitue et d'autres légumes-feuilles toute l'année, quelles que soient les conditions météorologiques extérieures.

3. Hydroponie et gestion des nutriments

L'hydroponie est une méthode de culture des plantes sans sol, utilisant des solutions aqueuses riches en nutriments. Cette technique permet un contrôle précis de l'apport en nutriments et réduit la consommation d'eau par rapport à l'agriculture traditionnelle en sol. L'hydroponie est largement utilisée dans la production en serre, notamment pour les légumes-feuilles, les herbes aromatiques et les tomates.

Axes de recherche :

• Formulations nutritives optimisées : Développer des solutions nutritives spécifiquement adaptées aux besoins des différentes cultures à divers stades de croissance.
• Recyclage de l'eau et récupération des nutriments : Mettre en œuvre des systèmes de recyclage de l'eau et de récupération des nutriments des solutions hydroponiques pour minimiser les déchets et réduire l'impact environnemental.
• Gestion de la zone racinaire : Étudier les effets des différents environnements de la zone racinaire sur la croissance des plantes et l'absorption des nutriments.
• Aéroponie et culture en eau profonde : Explorer des techniques hydroponiques alternatives, telles que l'aéroponie (pulvérisation de solutions nutritives sur les racines des plantes) et la culture en eau profonde (suspension des racines des plantes dans de l'eau riche en nutriments), pour améliorer la croissance des plantes et réduire la consommation d'eau.

Exemple : L'entreprise AeroFarms aux États-Unis utilise l'aéroponie et des systèmes d'irrigation en circuit fermé pour cultiver des légumes-feuilles dans des fermes verticales, en utilisant jusqu'à 95 % moins d'eau que l'agriculture traditionnelle.

4. Physiologie végétale et réponses au stress

Comprendre la physiologie des plantes et la manière dont elles réagissent aux divers stress environnementaux est crucial pour optimiser la production en serre. La recherche dans ce domaine se concentre sur l'identification des gènes et des voies biochimiques qui régulent la croissance, le développement et la tolérance au stress des plantes.

Axes de recherche :

• Amélioration génétique : Développer des variétés de plantes mieux adaptées aux environnements de serre et plus résistantes aux ravageurs et aux maladies.
• Mécanismes de tolérance au stress : Étudier comment les plantes réagissent aux stress abiotiques, tels que la chaleur, la sécheresse et la salinité, et développer des stratégies pour améliorer la tolérance au stress.
• Régulation des hormones végétales : Étudier le rôle des hormones végétales dans la régulation de la croissance, du développement et des réponses au stress des plantes.
• Efficacité de la photosynthèse : Améliorer l'efficacité de la photosynthèse pour augmenter les rendements des cultures.

Exemple : Des chercheurs en Australie travaillent au développement de variétés de tomates tolérantes à la sécheresse qui peuvent être cultivées en serre avec une consommation d'eau réduite. Ils utilisent le génie génétique et les techniques de sélection traditionnelles pour identifier et incorporer des gènes qui confèrent une résistance à la sécheresse.

5. Automatisation et robotique

L'automatisation et la robotique jouent un rôle de plus en plus important dans la production en serre, réduisant les coûts de main-d'œuvre et améliorant l'efficacité. Les robots peuvent effectuer des tâches telles que la plantation, la récolte, la taille et la lutte antiparasitaire avec une plus grande précision et rapidité que les travailleurs humains.

Axes de recherche :

• Récolte robotisée : Développer des robots capables d'identifier et de récolter des fruits et légumes mûrs sans endommager les plantes.
• Plantation et repiquage automatisés : Concevoir des robots capables de semer automatiquement des graines ou de repiquer des plants dans des lits de serre ou des conteneurs.
• Surveillance automatisée des ravageurs et des maladies : Utiliser des robots équipés de caméras et de capteurs pour détecter précocement les ravageurs et les maladies.
• Taille et palissage automatisés : Développer des robots capables de tailler et de palisser les plantes pour optimiser leur croissance et leur rendement.
• Gestion autonome de la serre : Créer des systèmes de serre entièrement automatisés capables de fonctionner de manière indépendante, en ajustant les paramètres environnementaux et en gérant les cultures sans intervention humaine.

Exemple : Plusieurs entreprises développent des systèmes de récolte robotisés pour les fraises et les tomates qui utilisent la vision par ordinateur et une technologie de préhension avancée pour cueillir les fruits mûrs sans les endommager. Ces robots peuvent réduire considérablement les coûts de main-d'œuvre et améliorer l'efficacité de la récolte.

6. Pratiques durables et gestion des ressources

La durabilité est une considération essentielle dans la recherche en serriculture. Les chercheurs explorent des moyens de réduire l'impact environnemental de la production en serre en minimisant la consommation d'énergie, l'utilisation de l'eau et la production de déchets.

Axes de recherche :

• Sources d'énergie renouvelables : Intégrer des sources d'énergie renouvelables, telles que l'énergie solaire et éolienne, dans les opérations de serre pour réduire la dépendance aux combustibles fossiles.
• Technologies de conservation de l'eau : Mettre en œuvre des techniques d'irrigation économes en eau, telles que l'irrigation au goutte-à-goutte et les systèmes hydroponiques à recirculation, pour minimiser la consommation d'eau.
• Gestion et recyclage des déchets : Développer des systèmes pour le compostage des déchets végétaux et le recyclage des matières plastiques utilisées dans la construction et l'exploitation des serres.
• Lutte intégrée contre les ravageurs (IPM) : Mettre en œuvre des stratégies de lutte intégrée pour minimiser l'utilisation de pesticides et d'herbicides.
• Analyse du cycle de vie (ACV) : Réaliser des ACV pour évaluer l'impact environnemental des systèmes de production en serre et identifier les domaines d'amélioration.

Exemple : Des chercheurs de l'Université de l'Arizona développent des systèmes de serre en circuit fermé qui intègrent l'énergie solaire, le recyclage de l'eau et la gestion des déchets pour créer un système de production alimentaire plus durable et respectueux de l'environnement.

Perspectives mondiales sur la recherche en serriculture

La recherche en serriculture est menée dans le monde entier, différentes régions se concentrant sur des priorités et des défis différents. En Europe, l'accent est mis sur l'efficacité énergétique et les pratiques de production durables. En Amérique du Nord, la recherche se concentre sur le développement de technologies avancées pour l'agriculture verticale et l'agriculture urbaine. En Asie, on observe un intérêt croissant pour l'utilisation des serres afin de relever les défis de la sécurité alimentaire dans les zones densément peuplées. Voici des exemples de pays spécifiques :

• Pays-Bas : Largement reconnus comme un chef de file dans la technologie et la recherche en serriculture. L'accent est mis sur les solutions de haute technologie pour maximiser le rendement et minimiser l'impact environnemental.
• Canada : Investissement important dans la recherche en serriculture, en particulier dans des domaines tels que l'éclairage LED et le contrôle climatique.
• Israël : Travaux pionniers dans la gestion de l'eau et les technologies d'irrigation pour la production en serre dans des environnements arides.
• Chine : Expansion rapide de la production en serre pour répondre à la demande alimentaire croissante. Accent de plus en plus mis sur l'automatisation et les pratiques durables.
• Émirats arabes unis : Investissement massif dans la technologie des serres pour surmonter les défis du climat désertique et assurer la sécurité alimentaire.

L'avenir de la recherche en serriculture

La recherche en serriculture est appelée à jouer un rôle de plus en plus important dans le façonnement de l'avenir de l'agriculture. À mesure que la technologie progresse et que de nouveaux défis apparaissent, les chercheurs continueront d'explorer des moyens innovants pour améliorer la production végétale en environnements contrôlés. Parmi les principales tendances et orientations futures de la recherche en serriculture, on peut citer :

• Intelligence artificielle (IA) et apprentissage automatique (Machine Learning) : Utilisation de l'IA et du ML pour optimiser le climat de la serre, l'apport en nutriments et la lutte contre les ravageurs.
• Internet des objets (IdO) : Connexion des capteurs et des systèmes de contrôle de la serre à Internet pour permettre la surveillance et la gestion à distance.
• Technologie Blockchain : Utilisation de la blockchain pour suivre et tracer les produits alimentaires de la serre au consommateur, garantissant la sécurité et la transparence alimentaires.
• Soins personnalisés pour les plantes : Développer des systèmes capables d'adapter les conditions de croissance aux besoins spécifiques de chaque plante.
• Agriculture spatiale : Recherche sur la faisabilité de la culture de plantes dans des serres sur d'autres planètes ou dans des stations spatiales pour soutenir les missions spatiales de longue durée.

Conclusion

La recherche en serriculture est un moteur d'innovation dans l'agriculture et ouvre la voie à un avenir plus durable et plus sûr sur le plan alimentaire. En optimisant les techniques de culture, en développant des technologies avancées et en adoptant des pratiques durables, les chercheurs contribuent à transformer notre façon de produire des aliments. Alors que la population mondiale continue de croître et que le changement climatique pose des défis croissants, la recherche en serriculture deviendra encore plus essentielle pour garantir un approvisionnement alimentaire fiable et nutritif pour tous.

Cette exploration complète met en lumière la nature multidimensionnelle de la recherche en serriculture, illustrant son importance dans le façonnement de l'avenir de l'agriculture à l'échelle mondiale. Des systèmes d'éclairage optimisés aux pratiques durables et à l'intégration de l'IA et de l'IdO, les avancées discutées recèlent un immense potentiel pour améliorer les rendements des cultures, minimiser l'impact environnemental et, en fin de compte, contribuer à un monde plus sûr sur le plan alimentaire.