Par Abhay Thosar, Ph.D., directeur des services d'horticulture pour Fluence by OSRAM
Publié précédemment dans le numéro de février 2021 d'Inside Grower.
La croissance démographique et l'urbanisation placent la production alimentaire mondiale à la croisée des chemins. Dans l'ensemble, la migration vers des zones à forte densité augmente l'accès aux soins de santé, à des emplois mieux rémunérés, à l'éducation et à d'autres opportunités socio-économiques. Mais elle exerce également une pression accrue sur les infrastructures existantes et la demande de ressources, ce qui entraîne une plus grande pénurie d'eau, une plus grande consommation d'énergie, des déchets et, peut-être plus important encore, des menaces sur l'approvisionnement, les prix et la qualité des denrées alimentaires.
Les personnes économiquement défavorisées
seront les premiers à payer le prix de l'urbanisation croissante. À mesure que les prix augmentent et que l'accès à des sources alimentaires de qualité diminue, la santé nutritionnelle des populations pauvres se dégrade. Au cours des prochaines années, la responsabilité de combler le fossé entre l'offre et la demande alimentaires prévues dans les zones urbaines incombera en grande partie aux exploitations agricoles verticales, un secteur d'activité qui s'est développé au cours des dernières années.
qui devrait presque quadrupler d'ici 2025 à environ 16 milliards de dollars. La pandémie de COVID-19 pourrait encore accélérer ce taux de croissance. Le secteur de l'agriculture verticale a encore des défis à relever. Les coûts de production restent relativement élevés et, s'agissant d'un marché jeune, les lacunes en matière de connaissances sur les meilleures pratiques opérationnelles dans des domaines critiques tels que la conception des installations et les conditions environnementales menacent la durabilité et la rentabilité à long terme. L'évolution de la dynamique économique des supermarchés oblige les exploitations agricoles verticales à s'agrandir rapidement, car elles tentent de cultiver et de fournir une plus grande variété de produits tout en respectant les normes de l'acheteur en matière de taille, de qualité et de valeur nutritionnelle des produits. En outre, les innovations en matière de stratégies d'éclairage, de conception des installations, de meilleures pratiques de culture et d'automatisation signifient que les exploitations agricoles verticales doivent constamment s'adapter et rechercher de nouveaux avantages opérationnels. Cela vaut aussi bien pour les nouveaux venus sur le marché que pour les acteurs relativement bien établis, et chacun sera essentiel non seulement pour maintenir la rentabilité, mais aussi pour faire en sorte que la production alimentaire dans les zones urbaines puisse augmenter en fonction de la demande.
Dans cette optique, voici trois facteurs essentiels que les agriculteurs verticaux doivent prendre en compte pour répondre aux attentes du marché, améliorer leur efficacité et, en fin de compte, produire, cultiver et distribuer de plus grandes quantités d'aliments de qualité à un plus grand nombre de personnes sur une plus petite surface.
La conception des installations en fonction de la demande du marché
L'histoire et la croissance du marché de l'agriculture verticale s'expliquent en grande partie par deux tendances au niveau du consommateur et de l'acheteur. Il y a dix ans, il était pratiquement impossible pour les consommateurs de poser des questions sur la manière, le lieu et le moment où leurs aliments étaient cultivés. Les choses ont changé aujourd'hui. Les gens veulent connaître la provenance des aliments qu'ils achètent et s'assurer qu'ils sont exempts de produits chimiques et qu'ils peuvent être consommés en toute sécurité. Chaque produit est devenu plus qu'une étiquette, il est devenu une histoire que les consommateurs veulent entendre et qui a un impact tout aussi important sur l'endroit où ils font leurs courses et sur ce qu'ils achètent.
Les supermarchés l'ont compris. En outre, les exploitations agricoles verticales ont offert aux supermarchés une option supplémentaire en plus des chaînes d'approvisionnement existantes sur lesquelles ils s'appuient pour la production et la distribution des denrées alimentaires. Les exploitations agricoles verticales jouent un rôle encore plus important en cas de perturbation à grande échelle, comme la pandémie de COVID-19 ou les rappels massifs. Par conséquent, les supermarchés, qui accordent une importance primordiale à la régularité de l'approvisionnement en produits, se tournent vers leurs exploitations agricoles verticales locales et, dans certains cas, se tournent même vers leurs fournisseurs de produits alimentaires.
en investissant directement dans ces derniers. Cette attention accrue a toutefois un coût (littéralement et métaphoriquement). Les supermarchés exigent des fermes verticales qui les approvisionnent qu'elles cultivent une plus grande variété de produits - laitues, tomates, concombres, légumes-feuilles, microgreens, herbes aromatiques - de manière plus régulière, tout en répondant à des spécifications uniques en matière de poids, d'esthétique, de valeur nutritionnelle et d'une série d'autres facteurs qui sont en fin de compte dictés par l'environnement de la ferme verticale et l'expertise du cultivateur.
Les agriculteurs verticaux se rendent rapidement compte qu'ils doivent élargir leur gamme de produits pour passer d'une poignée de cultures à quelques dizaines ou plus, ce qui soulève toute une série de questions sur la manière de concevoir ou d'adapter leurs installations et d'ajuster les conditions environnementales qui favorisent une culture donnée.
La première décision à laquelle sont confrontés de nombreux agriculteurs verticaux concerne la technique de culture qui sera la plus évolutive et la plus viable pour leur exploitation. L'hydroponie, l'aéroponie et l'aquaponie se sont toutes imposées comme des options viables avec plus ou moins de succès, mais elles sont loin d'être interchangeables.
En fin de compte, il n'existe pas de solution universelle pour toutes les exploitations verticales. Les cultivateurs doivent examiner attentivement les attentes de leurs acheteurs et la manière dont ces attentes peuvent évoluer au fil du temps. Ils doivent ensuite évaluer l'ensemble des besoins de leurs cultures et la manière dont chacune d'entre elles peut réagir différemment à divers facteurs environnementaux et stratégies d'éclairage.
Trouver un équilibre entre les facteurs environnementaux
L'ensemble suivant de facteurs régissant la conception des installations, les investissements et les opérations quotidiennes devrait toujours être les conditions environnementales elles-mêmes.
La manière dont l'air circule à l'intérieur et à travers chaque étagère d'une ferme verticale est l'un des défis les plus uniques et les plus importants que les fermes verticales doivent relever. Le fait d'ignorer ou de ne pas surveiller étroitement le flux d'air porte souvent un coup fatal à des sections entières de cultures et, par conséquent, à la rentabilité, au rendement et à la régularité. Le mouvement de l'air permet de maintenir la température, l'humidité et la transpiration à chaque étage, et l'absence de mouvement crée de grandes variations de température ou de grands écarts entre les cultures du bas et celles du haut. C'est un équilibre incroyablement fragile à trouver. Tout, depuis le nombre de points d'accès à l'entrepôt - il ne devrait y avoir qu'un seul point d'accès - jusqu'aux systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation, influe sur le mouvement de l'air. La meilleure pratique consiste à ne pas dépasser deux degrés Fahrenheit entre la température du rayonnage le plus haut et celle du rayonnage le plus bas. Dans la pratique, les cultivateurs confrontés à d'importantes fluctuations de température peuvent également envisager de placer les cultures qui préfèrent des températures relativement plus chaudes - comme le basilic, l'origan, la ciboulette, la sauge ou le thym - au sommet et de laisser les lois de la thermodynamique faire le reste.
L'enrichissement en dioxyde de carbone est une condition un peu plus facile à gérer, mais non moins importante, qui change en fonction de la température et de la stratégie d'éclairage. L'enrichissement en CO2 peut lui aussi fluctuer en fonction du nombre de points d'accès à l'entrepôt (là encore, il ne devrait y en avoir qu'un seul). L'enrichissement d'un environnement de culture en dioxyde de carbone stimule la photosynthèse et la croissance des plantes, dont le taux dépend essentiellement de la différence entre les concentrations de CO2 dans l'air et dans les cellules des feuilles.
La loi des rendements décroissants limite la quantité de dioxyde de carbone que les cultivateurs devraient introduire. Le CO2 n'est en aucun cas le seul facteur régissant la croissance des plantes, mais les fermes verticales ont l'avantage de pouvoir surveiller et contrôler étroitement les niveaux de CO2. Pour ce faire, elles ne doivent pas hésiter à investir massivement dans des appareils portables - qui permettent aux cultivateurs de mesurer les niveaux de dioxyde de carbone sur chaque support, chaque plante et chaque feuille - mais aussi dans des systèmes de contrôle à grande échelle capables de mesurer et de suivre le CO2 dans l'ensemble de l'entrepôt.
Les niveaux d'humidité régissent le taux de transpiration d'une plante et la taille de l'ouverture de ses stomates, ce qui influe en fin de compte sur la quantité d'eau qu'elle retire de sa zone racinaire pour la relâcher dans l'entrepôt. Lorsque les stomates d'une plante s'ouvrent, ils libèrent de l'eau tout en recueillant du dioxyde de carbone, ce qui rend l'équilibre entre l'humidité, la température et le dioxyde de carbone d'autant plus crucial. Les différents types de plantes à différents stades de croissance ont des taux de transpiration différents, ce qui rend encore plus complexe la conception et la gestion d'une ferme verticale. La façon la plus courante d'exprimer l'humidité est l'humidité relative, c'est-à-dire le pourcentage de vapeur d'eau dans l'air à une température donnée par rapport à la quantité totale d'eau que l'air peut contenir à cette température. Dans l'agriculture verticale, cependant, le déficit de pression de vapeur (DPV) est le moyen le plus précis d'évaluer l'effet de l'humidité sur la croissance des plantes. Le DPV reste un sujet de discussion intéressant pour les chercheurs, car l'industrie cherche à comprendre les différences entre les DPV de l'air et des feuilles, ainsi que les calculs exacts du DPV.
Chaque facteur environnemental d'une ferme verticale influe sur les autres dans une certaine mesure. Presque tout peut être contrôlé ; c'est à la fois l'avantage et le défi propres au marché. Cependant, aucun facteur n'est plus important pour la photosynthèse que son principal moteur : la lumière. Chaque facteur - CO2, température, débit d'air, humidité, engrais, irrigation, DPV - doit être ajusté avec précision en fonction de la quantité et de la qualité de la lumière afin d'optimiser les performances et la réponse de la plante.
Concevoir une stratégie d'éclairage efficace
La conception et la mise en œuvre d'une stratégie d'éclairage efficace est et sera toujours le principal moteur de la réussite de votre ferme verticale. Dans des environnements aussi complexes que les fermes verticales, l'identification de l'intensité lumineuse, des spectres, de la photopériode et de la configuration adéquats déterminera la manière dont les autres facteurs environnementaux se conjugueront pour optimiser le rendement et la qualité des plantes.
Le premier de ces facteurs, les luminaires eux-mêmes, a plus d'implications pour les fermes verticales que pour les autres espaces de culture ; dans une ferme verticale, les plantes ne reçoivent aucune autre source de lumière. Le soleil n'est pas la couverture de sécurité qu'il est pour les serres. Ce fait simple et évident signifie que les agriculteurs verticaux doivent trouver des moyens d'efficacité que d'autres n'ont pas, ce qui peut se manifester à travers une variété de mesures opérationnelles. L'efficacité de l'éclairage, par exemple, devient plus importante. La plupart des fermes verticales sont situées dans des zones urbaines et paient probablement l'électricité au prix fort. Maximiser les micromoles par watt et réduire le gaspillage d'énergie devient plus qu'une initiative de développement durable, c'est un élément essentiel de la rentabilité globale.
De même, les fermes verticales qui exploitent des entrepôts de plusieurs dizaines de milliers de mètres carrés ont besoin de luminaires ayant un bon facteur de forme sans sacrifier l'intensité lumineuse. Au-delà des spécifications matérielles, la conception et la stratégie d'éclairage se composent de plusieurs facteurs clés : l'intensité lumineuse, la qualité de la lumière (ou spectres) et la configuration des barres lumineuses. Chacun de ces facteurs doit être ancré dans les objectifs généraux de l'installation, généralement définis par le consommateur ou l'acheteur. Les stratégies d'éclairage peuvent être personnalisées en fonction de la culture, ce qui permet d'obtenir des propriétés chimiques spécifiques des plantes ou des changements dans la biomasse. Les différences de spectres et d'intensité lumineuse peuvent affecter la coloration, la durée de conservation, le goût et l'odeur d'une culture. Les caractéristiques souhaitées des cultures doivent être déterminées dès le départ en collaboration avec l'acheteur potentiel, ce qui permet au concepteur d'éclairage d'identifier la stratégie optimale pour atteindre les objectifs de l'installation.
La quantité de lumière est l'aspect le plus important lorsqu'il s'agit d'optimiser la productivité de la culture. Il est important de viser le nombre correct de moles/jour pour chaque culture. La qualité de la lumière (ou spectre) est définie en mesurant la longueur d'onde de la lumière en nanomètres (nm). Les longueurs d'onde de la lumière qui stimulent la photosynthèse se situent principalement entre 400 et 700 nm - une plage identifiée comme le rayonnement photosynthétiquement actif (PAR). Dans un environnement agricole vertical, la lumière blanche et large s'est avérée efficace pour la culture de tissus, la propagation et la croissance végétative, tout en remplissant la fonction plus pratique de faciliter le diagnostic et l'observation des cultures par l'œil humain, jour après jour. Au fur et à mesure que les recherches sur les applications des LED se sont développées, il est devenu évident que les stratégies d'éclairage doivent être modifiées en fonction du stade de croissance. L'époque où l'on bombardait les plantes avec la même intensité et les mêmes spectres s'estompe rapidement. De plus en plus de recherches montrent que différents cultivars répondent à différentes stratégies d'éclairage à différents stades de leur maturation. Des stratégies d'éclairage plus nuancées et personnalisées conduisent de plus en plus à des résultats commerciaux tangibles pour les cultivateurs : une durée de conservation plus longue, une meilleure esthétique, une valeur nutritionnelle accrue, des temps de cycle plus rapides et des rendements plus élevés.
Les améliorations apportées aux LED continueront à faire baisser les coûts, tandis que des recherches plus approfondies permettront de découvrir et de confirmer un nouvel ensemble de stratégies d'éclairage et de meilleures pratiques opérationnelles pour aider les agriculteurs verticaux à répondre à la demande future du marché pour une production alimentaire accrue tout en améliorant la rentabilité. Dans l'ensemble, l'avenir des fermes verticales est prometteur et se prête à des innovations encore plus importantes. L'automatisation - la dernière frontière de la production alimentaire - se traduira par un contrôle encore plus poussé des environnements agricoles. Cet avenir se profile à l'horizon. Pour l'instant, cependant, les fermes verticales doivent s'en tenir à ce qu'elles peuvent contrôler, c'est-à-dire à peu près tout le reste.
À propos d'Abhay
Abhay Thosar est le directeur des services d'horticulture à
Fluence par OSRAMIl est responsable de la gestion d'une équipe de spécialistes de l'horticulture qui améliorent la façon dont les cultivateurs produisent leurs cultures, optimisent leurs stratégies d'éclairage et augmentent la rentabilité de leurs opérations. Il est titulaire d'un doctorat en physiologie végétale de l'université agricole de Gujarat et a passé plus de dix ans dans des serres et des pépinières de premier plan à travers les États-Unis.
