Auteurs : Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu, etc. Source : Technologies du génie agricole (horticulture sous serre)

Cette usine de production végétale combine industrie moderne, biotechnologie, culture hydroponique et technologies de l'information pour un contrôle précis des facteurs environnementaux. Entièrement fermée, elle est peu exigeante envers l'environnement, raccourcit la période de récolte, économise l'eau et les engrais, et, grâce à l'absence de pesticides et de rejets de déchets, son rendement au sol est 40 à 108 fois supérieur à celui de la culture en plein champ. Parmi les éléments clés de son efficacité, on retrouve un système intelligent d'éclairage artificiel et la régulation de son environnement lumineux.

La lumière, facteur environnemental physique essentiel, joue un rôle clé dans la régulation de la croissance des plantes et du métabolisme des matières organiques. « L’une des principales caractéristiques d’une usine de culture végétale est l’utilisation exclusive d’un éclairage artificiel et la mise en œuvre d’une régulation intelligente de l’environnement lumineux » : ce principe fait désormais consensus dans le secteur.

Les besoins des plantes en lumière

La lumière est l'unique source d'énergie de la photosynthèse végétale. Son intensité, sa qualité (spectre) et ses variations périodiques ont un impact considérable sur la croissance et le développement des cultures ; parmi ces facteurs, l'intensité lumineuse est celui qui influence le plus la photosynthèse.

■ Intensité lumineuse

L'intensité lumineuse peut modifier la morphologie des cultures, notamment la floraison, la longueur des entre-nœuds, l'épaisseur des tiges, ainsi que la taille et l'épaisseur des feuilles. Les besoins des plantes en lumière se répartissent en trois catégories : plantes héliophiles, plantes semi-héliophiles et plantes tolérantes à la faible luminosité. Les légumes appartiennent majoritairement à la première catégorie, et leurs seuils de compensation et de saturation lumineuses sont relativement élevés. Dans les serres à éclairage artificiel, la connaissance des besoins spécifiques des cultures en lumière est un critère essentiel pour le choix des sources lumineuses. Comprendre ces besoins est donc primordial pour concevoir des sources de lumière artificielle adaptées et optimiser ainsi le rendement du système.

■ Qualité de la lumière

La qualité de la lumière (distribution spectrale) influence fortement la photosynthèse et la morphogenèse des plantes (Figure 1). La lumière fait partie du rayonnement, et le rayonnement est une onde électromagnétique. Les ondes électromagnétiques possèdent des caractéristiques ondulatoires et quantiques (corpusculaires). En horticulture, le quantum de lumière est appelé photon. Le rayonnement dont la longueur d'onde se situe entre 300 et 800 nm est appelé rayonnement physiologiquement actif des plantes (RPA) ; et celui dont la longueur d'onde se situe entre 400 et 700 nm est appelé rayonnement photosynthétiquement actif (RPA).

La chlorophylle et les carotènes sont les deux pigments les plus importants de la photosynthèse végétale. La figure 2 présente le spectre d'absorption de chaque pigment photosynthétique, celui de la chlorophylle étant concentré dans les bandes rouge et bleue. Le système d'éclairage, basé sur les besoins spectraux des cultures, fournit un complément de lumière artificiel afin de favoriser la photosynthèse.

■ photopériode
La relation entre la photosynthèse et la photomorphogenèse des plantes et la durée du jour (ou photopériode) est appelée photopériode. La photopériode est étroitement liée à la durée d'ensoleillement, c'est-à-dire le temps pendant lequel la plante est exposée à la lumière. Différentes cultures nécessitent un certain nombre d'heures de lumière pour achever leur photopériode, fleurir et fructifier. Selon leur photopériode, on distingue les cultures de jours longs, comme le chou, qui requièrent plus de 12 à 14 heures de lumière à un certain stade de leur croissance ; les cultures de jours courts, comme l'oignon et le soja, qui nécessitent moins de 12 à 14 heures d'ensoleillement ; et les cultures de mi-journée, comme le concombre, la tomate et le poivron, qui peuvent fleurir et fructifier sous des durées d'ensoleillement plus ou moins longues.
Parmi les trois éléments de l'environnement, l'intensité lumineuse est un critère important pour le choix des sources de lumière artificielle. Il existe actuellement de nombreuses façons d'exprimer l'intensité lumineuse, dont les trois principales sont les suivantes.
(1) L'éclairage fait référence à la densité surfacique du flux lumineux (flux lumineux par unité de surface) reçu sur le plan éclairé, en lux (lx).

(2) Rayonnement photosynthétiquement actif, PAR, Unité : W/m².

(3) La densité de flux de photons photosynthétiquement efficaces (PPFD ou PPF) correspond au nombre de rayonnements photosynthétiquement efficaces qui atteignent ou traversent une surface par unité de temps, son unité étant le μmol/(m²·s). Elle se réfère principalement à l'intensité lumineuse de 400 à 700 nm directement liée à la photosynthèse. C'est également l'indicateur d'intensité lumineuse le plus couramment utilisé en production végétale.

Analyse de la source lumineuse d'un système d'éclairage supplémentaire typique
L'éclairage artificiel d'appoint vise à augmenter l'intensité lumineuse dans la zone cible ou à prolonger la durée d'éclairage grâce à l'installation d'un système d'éclairage complémentaire, afin de répondre aux besoins lumineux des plantes. Ce système comprend généralement des luminaires d'appoint, des circuits et un système de contrôle. Les sources lumineuses d'appoint incluent principalement des lampes à incandescence, des lampes fluorescentes, des lampes aux halogénures métalliques, des lampes à sodium haute pression et des LED. Compte tenu de leur faible rendement électrique et optique, de leur faible efficacité photosynthétique et d'autres inconvénients, les lampes à incandescence ont été retirées du marché ; cet article ne les analysera donc pas en détail.

■ Lampe fluorescente
Les lampes fluorescentes appartiennent à la catégorie des lampes à décharge gazeuse basse pression. Le tube de verre est rempli de vapeur de mercure ou d'un gaz inerte, et sa paroi interne est recouverte de poudre fluorescente. La couleur de la lumière varie selon le matériau fluorescent utilisé. Les lampes fluorescentes présentent un bon spectre lumineux, un rendement lumineux élevé, une faible consommation d'énergie, une durée de vie plus longue (12 000 h) que les lampes à incandescence, et un coût relativement bas. Comme elles dégagent peu de chaleur, elles peuvent être placées au plus près des plantes pour l'éclairage et conviennent à la culture tridimensionnelle. Cependant, leur spectre lumineux est difficile à optimiser. La méthode la plus courante consiste à ajouter des réflecteurs afin de maximiser la composante lumineuse efficace pour les cultures. La société japonaise Adv-Agri a également développé un nouveau type de source lumineuse d'appoint : la lampe à électrodes mixtes (HEFL). La HEFL appartient à la catégorie des lampes fluorescentes. Il s'agit d'un terme générique désignant les lampes fluorescentes à cathode froide (CCFL) et les lampes fluorescentes à électrodes externes (EEFL), et désigne une lampe fluorescente à électrodes mixtes. Le tube HEFL est extrêmement fin, avec un diamètre d'environ 4 mm seulement, et sa longueur est ajustable de 450 mm à 1200 mm selon les besoins de la culture. Il s'agit d'une version améliorée de la lampe fluorescente classique.

■ Lampe aux halogénures métalliques
La lampe aux halogénures métalliques est une lampe à décharge à haute intensité qui, à partir d'une lampe à mercure haute pression, excite différents éléments pour produire différentes longueurs d'onde. Elle utilise divers halogénures métalliques (bromure d'étain, iodure de sodium, etc.) dans son tube à décharge. Les lampes halogènes présentent un rendement lumineux élevé, une puissance élevée, une bonne qualité de lumière, une longue durée de vie et un large spectre. Cependant, leur rendement lumineux et leur durée de vie étant inférieurs à ceux des lampes à sodium haute pression, elles ne sont actuellement utilisées que dans quelques usines.

■ Lampe à sodium haute pression
Les lampes à sodium haute pression appartiennent à la catégorie des lampes à décharge gazeuse haute pression. Ces lampes à haut rendement utilisent de la vapeur de sodium haute pression dans le tube à décharge, avec l'ajout de faibles quantités de xénon (Xe) et d'halogénure de mercure. Grâce à leur rendement de conversion électro-optique élevé et à leurs coûts de fabrication réduits, les lampes à sodium haute pression sont actuellement les plus utilisées pour l'éclairage d'appoint en agriculture. Cependant, leur faible efficacité photosynthétique dans leur spectre lumineux entraîne une faible efficacité énergétique. Par ailleurs, le spectre lumineux émis par ces lampes est principalement concentré dans la bande jaune-orange, ce qui exclut les spectres rouge et bleu nécessaires à la croissance des plantes.

■ Diode électroluminescente
En tant que source lumineuse de nouvelle génération, les diodes électroluminescentes (DEL) présentent de nombreux avantages, tels qu'un rendement de conversion électro-optique supérieur, un spectre ajustable et une efficacité photosynthétique élevée. Les DEL peuvent émettre la lumière monochromatique nécessaire à la croissance des plantes. Comparées aux lampes fluorescentes classiques et autres sources de lumière d'appoint, les DEL offrent de nombreux avantages : économies d'énergie, respect de l'environnement, longue durée de vie, lumière monochromatique et lumière froide, etc. Grâce à l'amélioration continue du rendement électro-optique des DEL et à la réduction des coûts liée aux économies d'échelle, les systèmes d'éclairage horticole à DEL deviendront la norme pour l'éclairage d'appoint dans les exploitations agricoles. De ce fait, les lampes horticoles à DEL sont utilisées dans plus de 99,9 % des cultures horticoles.

La comparaison des caractéristiques des différentes sources de lumière supplémentaires permet de les comprendre clairement, comme le montre le tableau 1.

appareil d'éclairage mobile
L'intensité lumineuse est étroitement liée à la croissance des cultures. La culture tridimensionnelle est fréquemment utilisée dans les usines de production végétale. Cependant, la structure des étagères de culture impose une répartition inégale de la lumière et de la température, ce qui affecte le rendement et désynchronise les récoltes. En 2010, une entreprise pékinoise a mis au point un système manuel de levage pour l'éclairage d'appoint (lampes HPS et LED). Le principe est simple : en actionnant une poignée, on fait tourner un arbre d'entraînement et un enrouleur qui déroule le câble. Ce câble est relié à la roue d'enroulement de l'élévateur par plusieurs jeux de roues inverseuses, permettant ainsi de régler la hauteur de la lampe. En 2017, cette même entreprise a conçu et développé un nouveau système mobile d'éclairage d'appoint, capable d'ajuster automatiquement et en temps réel la hauteur de la lampe en fonction des besoins de croissance des cultures. Ce système est désormais installé sur les étagères de culture tridimensionnelles à trois niveaux. La partie supérieure du dispositif, bénéficiant des meilleures conditions d'éclairage, est équipée de lampes à sodium haute pression. Les parties intermédiaire et inférieure sont équipées de lampes horticoles LED et d'un système de réglage en hauteur. Ce système ajuste automatiquement la hauteur des lampes horticoles afin de fournir un éclairage optimal aux cultures.

Comparé aux systèmes d'éclairage d'appoint mobiles conçus pour la culture tridimensionnelle, un système d'éclairage horticole LED à déplacement horizontal a été développé aux Pays-Bas. Afin d'éviter l'influence des ombres portées sur la croissance des plantes au soleil, ce système peut être déplacé latéralement sur le support grâce à un système de glissière télescopique, permettant ainsi une irradiation optimale des plantes par la lumière. Par temps nuageux ou pluvieux, il suffit de le recentrer sur le support pour une diffusion homogène de la lumière. Ce système, également coulissant, évite les démontages et démontages fréquents et réduit la pénibilité du travail, améliorant ainsi la productivité.

Idées de conception d'un système d'éclairage horticole typique
Il n'est pas difficile de constater, d'après la conception du dispositif d'éclairage d'appoint mobile, que la conception du système d'éclairage d'appoint de l'usine végétale prend généralement comme élément central l'intensité lumineuse, la qualité de la lumière et les paramètres de photopériode des différentes périodes de croissance des cultures, en s'appuyant sur le système de contrôle intelligent pour atteindre l'objectif ultime d'économie d'énergie et de rendement élevé.

Actuellement, la conception et la mise en œuvre de systèmes d'éclairage d'appoint pour les légumes-feuilles ont atteint leur pleine maturité. Par exemple, on peut distinguer quatre stades de croissance pour les légumes-feuilles : plantule, croissance intermédiaire, croissance finale et récolte ; pour les légumes-fruits, on distingue quatre stades : plantule, croissance végétative, floraison et récolte. Concernant l'intensité lumineuse, celle-ci doit être légèrement plus faible au stade de plantule, de l'ordre de 60 à 200 µmol/(m²·s), puis augmenter progressivement. Les légumes-feuilles peuvent atteindre 100 à 200 µmol/(m²·s), et les légumes-fruits 300 à 500 µmol/(m²·s), afin de garantir l'intensité lumineuse nécessaire à la photosynthèse à chaque étape de leur croissance et d'assurer un rendement élevé. Enfin, le rapport entre le rouge et le bleu est un paramètre essentiel de la qualité de la lumière. Afin d'améliorer la qualité des jeunes plants et de prévenir une croissance excessive, le rapport lumière rouge/lumière bleue est généralement fixé à un faible niveau (1 à 2) : 1, puis réduit progressivement pour répondre aux besoins morphologiques des plantes. Ce rapport peut être de 3 à 6 : 1 pour les légumes-feuilles. La photopériode, à l'instar de l'intensité lumineuse, doit augmenter avec la durée de la période de croissance, afin d'optimiser le temps de photosynthèse pour les légumes-feuilles. La conception de l'éclairage pour les fruits et légumes est plus complexe. Outre ces principes de base, il convient d'accorder une attention particulière au réglage de la photopériode pendant la floraison, afin de favoriser la floraison et la fructification des légumes et d'éviter tout effet indésirable.

Il convient de préciser que la formule d'éclairage doit inclure le traitement final adapté aux conditions d'éclairage. Par exemple, un apport lumineux continu peut améliorer considérablement le rendement et la qualité des jeunes plants de légumes-feuilles cultivés en hydroponie, tandis qu'un traitement aux UV peut améliorer significativement la qualité nutritionnelle des germes et des légumes-feuilles (notamment les laitues à feuilles violettes et rouges).

Outre l'optimisation de l'éclairage d'appoint pour certaines cultures, le système de contrôle des sources lumineuses de certaines serres horticoles a connu un développement rapide ces dernières années. Ce système de contrôle repose généralement sur une architecture client-serveur. Le contrôle à distance et automatisé des facteurs environnementaux tels que la température, l'humidité, la luminosité et la concentration de CO2 pendant la croissance des plantes est réalisé via Wi-Fi, permettant ainsi une production indépendante des conditions extérieures. Ce type de système d'éclairage d'appoint intelligent utilise des lampes horticoles LED comme source lumineuse d'appoint. Associé à un système de contrôle intelligent à distance, il répond aux besoins d'éclairage des plantes en fonction de la longueur d'onde, est particulièrement adapté aux environnements de culture sous éclairage contrôlé et répond parfaitement à la demande du marché.

Remarques finales
Les usines de production végétale sont considérées comme une solution importante aux problèmes mondiaux de ressources, de population et d'environnement au XXIe siècle, et comme un moyen essentiel d'atteindre l'autosuffisance alimentaire dans le cadre des futurs projets de haute technologie. En tant que méthode de production agricole novatrice, les usines de production végétale sont encore en phase d'apprentissage et de développement, et nécessitent davantage d'attention et de recherches. Cet article décrit les caractéristiques et les avantages des méthodes d'éclairage d'appoint courantes dans les usines de production végétale et présente les principes de conception des systèmes d'éclairage d'appoint typiques pour les cultures. Une comparaison permet de constater que, pour pallier la faible luminosité due aux conditions météorologiques difficiles telles qu'une couverture nuageuse ou une brume persistantes, et pour garantir une production élevée et stable des cultures sous serre, les équipements d'éclairage horticole à LED sont les plus en phase avec les tendances actuelles.

L'avenir des usines de production végétale devrait s'orienter vers de nouveaux capteurs de haute précision et à faible coût, des systèmes d'éclairage à spectre ajustable et contrôlables à distance, ainsi que des systèmes de contrôle experts. Parallèlement, ces usines continueront d'évoluer vers des solutions économiques, intelligentes et auto-adaptatives. L'utilisation et la généralisation des sources lumineuses LED pour la croissance des plantes garantissent un contrôle environnemental de haute précision. La régulation de l'environnement lumineux par LED est un processus complexe qui implique une maîtrise globale de la qualité, de l'intensité et de la photopériode de la lumière. Les experts et chercheurs concernés doivent mener des recherches approfondies afin de promouvoir l'éclairage d'appoint par LED dans les usines de production végétale sous éclairage artificiel.