Systèmes de culture souterrains : Un guide complet de l'agriculture souterraine

Alors que la population mondiale continue de croître et que les terres arables diminuent en raison de l'urbanisation, du changement climatique et des pratiques agricoles non durables, des solutions innovantes sont nécessaires pour garantir la sécurité alimentaire. Les systèmes de culture souterrains, également connus sous le nom d'agriculture souterraine ou d'agriculture en profondeur, offrent une approche prometteuse pour maximiser l'utilisation des ressources, réduire l'impact environnemental et produire des cultures de haute qualité dans un environnement contrôlé. Ce guide complet explore les différents aspects des systèmes de culture souterrains, de leurs principes et technologies de base à leurs avantages, défis et potentiel pour l'avenir.

Que sont les systèmes de culture souterrains ?

Les systèmes de culture souterrains impliquent la culture de plantes dans des environnements souterrains clos ou semi-clos. Ces systèmes tirent parti des conditions stables de température, d'humidité et d'éclairage que l'on trouve sous la surface de la Terre pour optimiser la croissance des plantes et minimiser les influences environnementales externes. Contrairement à l'agriculture traditionnelle, qui dépend de la lumière du soleil et des conditions de plein air, la culture souterraine utilise un éclairage artificiel, des systèmes de contrôle climatique et des méthodes d'apport de nutriments pour créer un environnement idéal pour le développement des plantes.

Le concept d'agriculture souterraine n'est pas entièrement nouveau. Historiquement, les caves à légumes et les installations de stockage souterraines ont été utilisées pour conserver les aliments pendant de longues périodes. Cependant, les systèmes de culture souterrains modernes représentent une avancée significative, intégrant des technologies de pointe et des connaissances scientifiques pour permettre une production agricole tout au long de l'année avec une efficacité et une durabilité accrues.

Types de systèmes de culture souterrains

Il existe plusieurs types de systèmes de culture souterrains, chacun ayant ses propres avantages et applications. Ces systèmes peuvent être globalement classés en fonction de leur conception, de leur technologie et de leurs méthodes de culture :

1. Serres souterraines

Les serres souterraines, également connues sous le nom de serres enterrées ou serres-fosses, sont des structures partiellement ou entièrement enfouies qui utilisent la masse thermique de la Terre pour réguler la température. Ces serres offrent plusieurs avantages, notamment :

• Efficacité énergétique : Le sol environnant agit comme un isolant naturel, réduisant les besoins en chauffage et en climatisation.
• Impact environnemental réduit : Une consommation d'énergie plus faible se traduit par une empreinte carbone plus petite.
• Protection contre les conditions météorologiques extrêmes : Les serres souterraines sont moins vulnérables aux vents violents, aux fortes chutes de neige et à d'autres événements météorologiques sévères.

Les serres souterraines peuvent être construites avec divers matériaux, notamment du béton, du bois et des bâches en plastique. Elles intègrent généralement des matériaux de toiture transparents ou translucides pour permettre à la lumière naturelle d'entrer, complétée par un éclairage artificiel si nécessaire.

Exemple : Dans les régions plus froides du Canada et de la Scandinavie, les serres souterraines sont utilisées pour prolonger la saison de croissance et cultiver des plantes qui seraient autrement impossibles à faire pousser en extérieur.

2. Fermes verticales souterraines

Les fermes verticales souterraines sont des systèmes de culture à plusieurs niveaux qui utilisent un éclairage artificiel, l'hydroponie, l'aéroponie ou l'aquaponie pour cultiver des plantes dans un environnement contrôlé. Ces fermes offrent plusieurs avantages par rapport à l'agriculture traditionnelle et aux serres souterraines :

• Rendements de culture élevés : L'empilement vertical maximise l'utilisation de l'espace, permettant des rendements nettement supérieurs par mètre carré par rapport à l'agriculture traditionnelle.
• Production toute l'année : Les conditions environnementales contrôlées permettent une production agricole continue, quelles que soient les conditions météorologiques extérieures.
• Consommation d'eau réduite : Les systèmes hydroponiques et aéroponiques recyclent l'eau, minimisant le gaspillage d'eau.
• Utilisation minimale de pesticides : Les environnements contrôlés réduisent le risque de parasites et de maladies, minimisant le besoin de pesticides.

Les fermes verticales souterraines sont généralement situées dans des mines abandonnées, des tunnels ou des installations souterraines construites à cet effet. Elles nécessitent des systèmes sophistiqués de contrôle climatique, d'éclairage et d'apport de nutriments pour maintenir des conditions de croissance optimales.

Exemple : Growing Underground à Londres, au Royaume-Uni, utilise des abris antiaériens abandonnés de la Seconde Guerre mondiale pour cultiver des légumes-feuilles et des herbes aromatiques, approvisionnant les restaurants et marchés locaux.

3. Fermes souterraines en conteneurs

Les fermes souterraines en conteneurs consistent à utiliser des conteneurs maritimes réaménagés ou d'autres structures modulaires pour créer des environnements de culture autonomes. Ces systèmes offrent plusieurs avantages, notamment :

• Mobilité : Les fermes en conteneurs peuvent être facilement transportées et déployées dans divers endroits.
• Évolutivité : Le nombre de conteneurs peut être facilement augmenté ou diminué pour répondre aux besoins de production.
• Environnement contrôlé : Les conteneurs peuvent être équipés de systèmes de contrôle climatique, d'éclairage et d'apport de nutriments pour créer des conditions de croissance optimales.

Les fermes souterraines en conteneurs peuvent être situées dans des sous-sols, des tunnels ou d'autres espaces souterrains. Elles sont particulièrement bien adaptées aux environnements urbains où l'espace est limité.

Exemple : Plusieurs entreprises aux États-Unis développent des fermes souterraines en conteneurs pour la production alimentaire urbaine, en utilisant des sources d'énergie renouvelables pour alimenter les systèmes.

Technologies utilisées dans les systèmes de culture souterrains

Les systèmes de culture souterrains s'appuient sur une gamme de technologies pour créer et maintenir des conditions de croissance optimales. Ces technologies comprennent :

1. Éclairage artificiel

Étant donné que les environnements souterrains manquent de lumière naturelle, l'éclairage artificiel est essentiel pour la photosynthèse. L'éclairage LED (diode électroluminescente) est le choix le plus courant en raison de son efficacité énergétique, de sa longue durée de vie et de sa capacité à émettre des longueurs d'onde de lumière spécifiques qui favorisent la croissance des plantes. Différentes longueurs d'onde de lumière peuvent être utilisées pour stimuler différentes étapes du développement des plantes, telles que la croissance végétative ou la floraison.

Exemple : Des chercheurs expérimentent différents spectres d'éclairage LED pour optimiser la teneur nutritionnelle des légumes-feuilles cultivés dans les fermes souterraines.

2. Systèmes de contrôle climatique

Le maintien de niveaux de température et d'humidité stables est crucial pour la croissance des plantes. Les systèmes de contrôle climatique, y compris les unités de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC), sont utilisés pour réguler ces paramètres. Des déshumidificateurs peuvent également être utilisés pour prévenir les maladies fongiques.

Exemple : L'énergie géothermique peut être utilisée pour alimenter les systèmes de contrôle climatique dans les fermes souterraines, réduisant ainsi davantage leur impact environnemental.

3. Hydroponie, aéroponie et aquaponie

Ces méthodes de culture hors-sol sont couramment utilisées dans les systèmes de culture souterrains pour fournir des nutriments directement aux racines des plantes. L'hydroponie consiste à faire pousser des plantes dans des solutions d'eau riches en nutriments, tandis que l'aéroponie consiste à pulvériser des solutions nutritives sur les racines des plantes suspendues dans l'air. L'aquaponie intègre l'aquaculture (élevage de poissons) à l'hydroponie, en utilisant les déjections de poissons comme source de nutriments pour les plantes.

Exemple : Les systèmes hydroponiques sont largement utilisés dans les fermes verticales souterraines pour cultiver des légumes-feuilles, des herbes aromatiques et des légumes avec une consommation d'eau minimale.

4. Systèmes d'apport de nutriments

Les systèmes automatisés d'apport de nutriments garantissent que les plantes reçoivent la quantité précise de nutriments dont elles ont besoin à chaque étape de leur développement. Ces systèmes peuvent être programmés pour ajuster les niveaux de nutriments en fonction de la croissance des plantes et des conditions environnementales.

Exemple : Des capteurs peuvent être utilisés pour surveiller les niveaux de nutriments dans les solutions hydroponiques et ajuster automatiquement l'apport de nutriments pour maintenir des concentrations optimales.

5. Capteurs et automatisation

Des capteurs sont utilisés pour surveiller divers paramètres environnementaux, tels que la température, l'humidité, l'intensité lumineuse et les niveaux de nutriments. Ces données sont ensuite utilisées pour automatiser divers processus, tels que l'ajustement de l'éclairage, de la ventilation et de l'apport de nutriments.

Exemple : Les systèmes d'irrigation automatisés peuvent être programmés pour arroser les plantes en fonction des niveaux d'humidité du sol, évitant ainsi un arrosage excessif ou insuffisant.

Avantages des systèmes de culture souterrains

Les systèmes de culture souterrains offrent un large éventail d'avantages par rapport à l'agriculture traditionnelle et à d'autres formes d'agriculture en environnement contrôlé :

1. Augmentation des rendements des cultures

Des conditions environnementales contrôlées et un apport optimisé de nutriments conduisent à des rendements agricoles nettement plus élevés par mètre carré par rapport à l'agriculture traditionnelle. Les techniques d'agriculture verticale améliorent encore l'utilisation de l'espace.

2. Réduction de la consommation d'eau

Les systèmes hydroponiques, aéroponiques et aquaponiques recyclent l'eau, minimisant le gaspillage. Les environnements souterrains réduisent également l'évaporation, conservant ainsi davantage d'eau.

3. Utilisation minimale de pesticides

Les environnements contrôlés réduisent le risque de parasites et de maladies, minimisant le besoin de pesticides. Cela se traduit par des cultures plus saines et plus durables.

4. Production toute l'année

Les systèmes de culture souterrains ne sont pas affectés par les conditions météorologiques extérieures, ce qui permet une production agricole continue tout au long de l'année. Cela garantit un approvisionnement alimentaire stable et fiable.

5. Réduction des coûts de transport

Les fermes souterraines peuvent être situées dans des zones urbaines, à proximité des consommateurs, ce qui réduit les coûts de transport et les émissions de carbone associées au transport des aliments depuis les fermes rurales.

6. Efficacité des ressources

Les systèmes de culture souterrains peuvent utiliser des mines abandonnées, des tunnels et d'autres espaces souterrains, en réutilisant les infrastructures existantes et en réduisant le besoin de nouvelles constructions. Ils peuvent également être alimentés par des sources d'énergie renouvelables, réduisant ainsi davantage leur impact environnemental.

7. Résilience au changement climatique

Les systèmes de culture souterrains sont moins vulnérables aux impacts du changement climatique, tels que les événements météorologiques extrêmes, les sécheresses et les fluctuations de température. Cela en fait un outil précieux pour assurer la sécurité alimentaire dans un climat en évolution.

8. Biosécurité

L'environnement contrôlé des fermes souterraines permet des mesures de biosécurité renforcées, protégeant les cultures de la contamination externe et garantissant la sécurité alimentaire.

Défis des systèmes de culture souterrains

Malgré leurs nombreux avantages, les systèmes de culture souterrains sont également confrontés à plusieurs défis :

1. Coûts d'investissement initiaux élevés

La mise en place d'un système de culture souterrain nécessite un investissement en capital important dans les infrastructures, les équipements et la technologie. Cela peut être un obstacle à l'entrée pour les petits agriculteurs et les entrepreneurs.

2. Consommation d'énergie

L'éclairage artificiel et les systèmes de contrôle climatique peuvent consommer des quantités importantes d'énergie. L'impact environnemental des fermes souterraines dépend de la source d'énergie utilisée pour alimenter ces systèmes.

3. Expertise technique

L'exploitation d'un système de culture souterrain nécessite des connaissances et des compétences spécialisées dans des domaines tels que l'hydroponie, le contrôle climatique et l'automatisation. La main-d'œuvre qualifiée peut être difficile à trouver et à retenir.

4. Diversité limitée des cultures

Toutes les cultures ne sont pas bien adaptées aux systèmes de culture souterrains. Des recherches sont nécessaires pour identifier et optimiser les méthodes de culture pour une plus grande variété de cultures.

5. Perception du public

Certains consommateurs peuvent hésiter à accepter des aliments cultivés dans des environnements souterrains, les percevant comme non naturels ou artificiels. L'éducation et la sensibilisation sont nécessaires pour répondre à ces préoccupations.

6. Obstacles réglementaires

La réglementation des systèmes de culture souterrains est encore en évolution. Des réglementations claires et cohérentes sont nécessaires pour garantir la sécurité alimentaire et la durabilité environnementale.

Applications des systèmes de culture souterrains

Les systèmes de culture souterrains ont un large éventail d'applications potentielles :

1. Production alimentaire urbaine

Les fermes souterraines peuvent être situées dans des zones urbaines, fournissant des produits frais et locaux aux populations urbaines. Cela réduit les coûts de transport et améliore la sécurité alimentaire.

2. Sécurité alimentaire dans des environnements difficiles

Les systèmes de culture souterrains peuvent être utilisés pour produire de la nourriture dans des zones où les terres arables sont limitées, les climats extrêmes ou l'accès à l'eau est limité. Cela peut améliorer la sécurité alimentaire dans ces régions.

3. Exploration spatiale

Les systèmes de culture souterrains pourraient être utilisés pour produire de la nourriture dans l'espace, fournissant aux astronautes une source durable de nutrition lors des missions de longue durée. La NASA étudie actuellement l'utilisation de systèmes de culture souterrains à cette fin.

4. Production pharmaceutique

Les systèmes de culture souterrains peuvent être utilisés pour produire des plantes médicinales et des produits pharmaceutiques dans un environnement contrôlé, garantissant une qualité et une pureté constantes.

5. Recherche et développement

Les systèmes de culture souterrains offrent un environnement contrôlé pour mener des recherches sur la physiologie des plantes, les besoins en nutriments et la gestion des ravageurs. Cela peut conduire à de nouvelles innovations en agriculture.

L'avenir des systèmes de culture souterrains

L'avenir des systèmes de culture souterrains semble prometteur. À mesure que la technologie progresse et que les coûts diminuent, ces systèmes deviennent de plus en plus accessibles et économiquement viables. Plusieurs tendances façonnent l'avenir de l'agriculture souterraine :

1. Automatisation et robotique

L'utilisation de l'automatisation et de la robotique réduira encore les coûts de main-d'œuvre et améliorera l'efficacité dans les fermes souterraines. Les robots peuvent être utilisés pour des tâches telles que la plantation, la récolte et la lutte contre les ravageurs.

2. Intelligence artificielle (IA)

L'IA peut être utilisée pour optimiser les conditions de croissance, prédire les rendements des cultures et détecter précocement les parasites et les maladies. Cela conduira à une production agricole plus efficace et durable.

3. Internet des objets (IdO)

Les capteurs IdO peuvent être utilisés pour surveiller divers paramètres environnementaux en temps réel, fournissant des données précieuses pour optimiser les conditions de croissance. Ces données peuvent être consultées à distance, permettant une surveillance et un contrôle à distance des fermes souterraines.

4. Intégration des énergies renouvelables

L'intégration de sources d'énergie renouvelables, telles que l'énergie solaire et géothermique, réduira encore l'impact environnemental des systèmes de culture souterrains.

5. Diversification des cultures

Des recherches sont nécessaires pour identifier et optimiser les méthodes de culture pour une plus grande variété de cultures, rendant les systèmes de culture souterrains plus polyvalents et adaptables.

6. Engagement communautaire

L'implication des communautés locales dans les projets d'agriculture souterraine peut promouvoir la sécurité alimentaire, créer des emplois et éduquer le public sur l'agriculture durable.

Conclusion

Les systèmes de culture souterrains offrent une solution prometteuse aux défis de la sécurité alimentaire, de la rareté des ressources et du changement climatique. En tirant parti des conditions stables et des environnements contrôlés que l'on trouve sous la surface de la Terre, ces systèmes peuvent produire des cultures de haute qualité toute l'année avec un impact environnemental minimal. Bien que des défis subsistent, les avancées technologiques continues et la prise de conscience croissante des avantages de l'agriculture durable stimulent la croissance et l'adoption des systèmes de culture souterrains dans le monde entier. Alors que la population mondiale continue de croître et que la demande de nourriture augmente, les systèmes de culture souterrains sont appelés à jouer un rôle de plus en plus important pour assurer un avenir alimentaire durable et sûr pour tous.