Abstrait

Actuellement, la pépinière assure avec succès la production de plants de légumes tels que concombres, tomates, poivrons, aubergines et melons, fournissant aux agriculteurs des plants de haute qualité en lots. Le rendement après plantation est ainsi amélioré. Les pépinières sont devenues un maillon essentiel de l'approvisionnement en plants pour le secteur maraîcher et jouent un rôle de plus en plus important dans la réforme structurelle de l'offre de ce secteur, garantissant l'approvisionnement urbain en légumes et une production maraîchère durable.

Conception et principaux équipements techniques des systèmes de multiplication des semis en usine végétale

Le système de production agricole en usine, le plus performant à l'heure actuelle, intègre des moyens techniques complets tels que l'éclairage artificiel, l'apport de solutions nutritives, le contrôle environnemental tridimensionnel, les opérations auxiliaires automatisées et la gestion intelligente de la production. Il combine biotechnologie, technologies de l'information et intelligence artificielle. Ces avancées technologiques de pointe favorisent le développement continu du secteur. 

système de source de lumière artificielle LED

La mise en place d'un environnement lumineux artificiel est une technologie clé des systèmes de production de plants en usine végétale, et représente également la principale source de consommation énergétique. Cet environnement lumineux offre une grande flexibilité et peut être régulé selon de multiples paramètres tels que la qualité, l'intensité et la photopériode de la lumière. Différents facteurs lumineux peuvent être optimisés et combinés séquentiellement afin d'établir une formule lumineuse adaptée à la culture des plants, garantissant ainsi un environnement optimal. Par conséquent, en fonction des besoins lumineux et des objectifs de production des différents types de plants, et grâce à l'optimisation des paramètres de la formule lumineuse et de la stratégie d'alimentation, une source lumineuse LED à faible consommation d'énergie a été développée. Celle-ci améliore considérablement l'efficacité de conversion de l'énergie lumineuse des plants, favorise l'accumulation de biomasse et améliore la qualité de la production, tout en réduisant la consommation énergétique et les coûts de production. De plus, la régulation de l'environnement lumineux constitue un outil technique important pour la domestication des plants et la cicatrisation des plants greffés.

Système de semis vertical multicouche détachable

La production de semis en usine végétale est réalisée à l'aide d'étagères tridimensionnelles à plusieurs niveaux. La conception modulaire du système permet un assemblage rapide. L'espacement entre les étagères est ajustable pour répondre aux besoins d'espace de la culture de différentes variétés et optimiser l'utilisation de l'espace. De plus, la conception séparée des systèmes de semis, d'éclairage et d'irrigation (eau et engrais) confère aux semis une fonction de transport, facilitant leur déplacement entre les différentes étapes (semis, germination, acclimatation) et réduisant la main-d'œuvre liée à la manipulation des plateaux de semis.

Système de semis vertical multicouche détachable 

L'irrigation par l'eau et les engrais utilise principalement des méthodes de type marée, aspersion, etc. Grâce à un contrôle précis du moment et de la fréquence d'apport de solution nutritive, on obtient un apport uniforme et une utilisation efficace de l'eau et des nutriments minéraux. Associée à une formule de solution nutritive spécifique pour les semis, elle répond à leurs besoins de croissance et de développement et assure une croissance rapide et saine. De plus, grâce au système de détection en ligne des ions nutritifs et au système de stérilisation de la solution nutritive, les nutriments sont renouvelés en temps opportun, tout en évitant l'accumulation de micro-organismes et de métabolites secondaires qui nuisent à la croissance normale des semis. 

Système de contrôle environnemental

Un contrôle environnemental précis et efficace est l'une des principales caractéristiques d'un système de multiplication de semis en usine végétale. La structure externe d'une usine végétale est généralement constituée de matériaux opaques et hautement isolants. De ce fait, la régulation de la lumière, de la température, de l'humidité, de la vitesse du vent et du CO2 est quasiment indépendante de l'environnement extérieur. Grâce à la modélisation CFD permettant d'optimiser l'agencement des conduits d'air, combinée à une méthode de contrôle micro-environnemental, une distribution uniforme des facteurs environnementaux tels que la température, l'humidité, la vitesse du vent et le CO2 est obtenue dans l'espace de culture à haute densité. La régulation environnementale intelligente est assurée par des capteurs distribués et une commande par contact, et la régulation en temps réel de l'ensemble de l'environnement de culture est effectuée grâce à la connexion entre l'unité de surveillance et le système de contrôle. De plus, l'utilisation de sources lumineuses refroidies à l'eau et d'une circulation d'eau, combinée à l'apport de sources de froid extérieures, permet un refroidissement économe en énergie et réduit la consommation d'énergie liée à la climatisation.

équipement de fonctionnement auxiliaire automatique

Le processus de production de plants en usine est rigoureux, la densité d'activité élevée et l'espace réduit. L'utilisation d'équipements auxiliaires automatisés est donc indispensable. Ces équipements permettent non seulement de réduire la main-d'œuvre, mais aussi d'optimiser l'utilisation de l'espace de culture. Parmi les équipements automatisés développés à ce jour, on trouve notamment des recouvreuses de mottes, des semoirs, des greffeuses et des chariots de transport logistique AGV. Grâce à une plateforme de gestion intelligente, l'ensemble du processus de production de plants peut être automatisé. Par ailleurs, la vision par ordinateur joue un rôle de plus en plus important dans ce processus. Elle permet de surveiller la croissance des plants, d'assurer la gestion des plants destinés à la vente et de trier automatiquement les plants faibles ou morts. Un robot manipule les plants pour les retirer et les remplacer.

Avantages de la sélection de plants en usine

Un niveau élevé de contrôle environnemental permet une production annuelle

Compte tenu des spécificités de la production de plants, la maîtrise de leur environnement de culture est primordiale. En culture hors-sol, les facteurs environnementaux tels que la lumière, la température, l'eau, l'air, les engrais et le CO2 sont rigoureusement contrôlés, offrant ainsi un environnement de croissance optimal, quelles que soient les saisons et les régions. De plus, lors de la multiplication par greffage et bouturage, la cicatrisation des plaies de greffe et la différenciation racinaire nécessitent un contrôle environnemental accru, et les cultures hors-sol constituent d'excellents supports pour ces processus. La grande flexibilité des conditions environnementales propres à ces cultures hors-sol leur confère un intérêt majeur pour la production de plants potagers en dehors des périodes de production ou dans des conditions climatiques extrêmes, garantissant ainsi un approvisionnement continu en légumes. Par ailleurs, la production de plants en culture hors-sol n'est pas limitée par l'espace et peut être réalisée directement en périphérie des villes et dans les espaces publics. La flexibilité et la modularité des installations permettent une production à grande échelle et un approvisionnement ciblé en plants de haute qualité, contribuant ainsi de manière significative au développement de l'horticulture urbaine. 

Raccourcir le cycle de reproduction et améliorer la qualité des semis

En production végétale en usine, grâce à un contrôle précis des différents facteurs environnementaux de croissance, le cycle de culture des plants est raccourci de 30 à 50 % par rapport aux méthodes traditionnelles. Ce raccourcissement permet d'accroître le nombre de plants produits, d'augmenter les revenus des producteurs et de réduire les risques liés aux fluctuations du marché. Pour les agriculteurs, cela favorise un repiquage et une plantation précoces, une commercialisation rapide et une meilleure compétitivité. Par ailleurs, les plants cultivés en usine sont robustes et vigoureux, leurs indicateurs morphologiques et qualitatifs sont nettement améliorés et leur rendement après implantation est supérieur. Des études ont montré que les plants de tomate, de poivron et de concombre cultivés en usine présentent non seulement une surface foliaire, une hauteur, un diamètre de tige et une vigueur racinaire améliorés, mais aussi une meilleure adaptabilité, une résistance accrue aux maladies et une différenciation florale plus marquée après implantation. La production et d'autres aspects bénéficient ainsi d'avantages significatifs. Le nombre de fleurs femelles par plant a augmenté de 33,8 % et le nombre de fruits par plant de 37,3 % après la plantation de plants de concombre cultivés en usine. Grâce à l'approfondissement continu des recherches théoriques sur la biologie de l'environnement de développement des plantules, les usines de production végétale seront plus précises et contrôlables dans la formation de la morphologie des plantules et l'amélioration de leur activité physiologique.

 Comparaison de l'état des plants greffés en serres et en usines de production végétale

Utilisation efficace des ressources pour réduire les coûts des semis

L'usine de production végétale adopte des méthodes de plantation standardisées, informatisées et industrialisées, permettant un contrôle rigoureux de chaque étape de la production de plants et une nette amélioration de l'efficacité d'utilisation des ressources. Les semences représentent le principal poste de dépenses dans la production de plants. En raison des pratiques irrégulières et du faible contrôle de l'environnement dans les semis traditionnels, des problèmes tels que la non-germination ou une croissance insuffisante des semences entraînent un gaspillage important tout au long du processus, des semences aux plants commercialisables. Dans l'environnement de l'usine de production végétale, grâce au prétraitement des semences, au semis fin et au contrôle précis de l'environnement de culture, l'efficacité d'utilisation des semences est considérablement améliorée et la dose peut être réduite de plus de 30 %. L'eau, les engrais et autres ressources constituent également le principal poste de dépenses dans la production traditionnelle de plants, et le gaspillage de ressources est important. Dans les usines de production végétale, grâce à l'application de technologies d'irrigation de précision, l'efficacité d'utilisation de l'eau et des engrais peut être augmentée de plus de 70 %. De plus, grâce à la structure compacte de l'usine de production végétale et à l'uniformité du contrôle environnemental, l'efficacité d'utilisation de l'énergie et du CO2 dans le processus de multiplication des plants est également significativement améliorée.

Comparativement aux méthodes traditionnelles de culture de plants en plein champ et sous serre, la principale caractéristique de la production de plants en usine végétale réside dans sa capacité à être réalisée de manière tridimensionnelle et multicouche. En usine végétale, la production de plants peut s'étendre horizontalement et verticalement, ce qui améliore considérablement le rendement par unité de surface et l'utilisation de l'espace. Par exemple, le module standard de production de plants développé par une entreprise spécialisée en biologie permet, sur une surface de 4,68 m², de produire plus de 10 000 plants en une seule fois, couvrant ainsi les besoins de production de légumes sur 2 201,1 m² (3,3 mu). Dans ce contexte de production tridimensionnelle multicouche à haute densité, l'utilisation d'équipements auxiliaires automatisés et d'un système de transport logistique intelligent permet d'améliorer significativement l'efficacité de la main-d'œuvre et de réaliser des économies de plus de 50 %.

Sélection de plants à haute résistance pour favoriser la production verte

L'environnement de production propre des serres permet de réduire considérablement l'apparition de ravageurs et de maladies dans les espaces de culture. Parallèlement, grâce à une configuration optimisée de cet environnement, les plants produits présentent une résistance accrue, ce qui diminue fortement l'utilisation de pesticides lors de leur propagation et de leur plantation. De plus, pour la production de plants spécifiques tels que les plants greffés et les boutures, des mesures de contrôle écologique (lumière, température, eau et fertilisation) mises en œuvre en serre permettent de remplacer l'utilisation massive d'hormones dans les méthodes traditionnelles, garantissant ainsi la sécurité alimentaire, réduisant la pollution environnementale et contribuant à une production durable de plants écologiques.

Analyse des coûts de production 

Les méthodes permettant aux usines de production végétale d'accroître la rentabilité des plants reposent principalement sur deux axes. D'une part, l'optimisation de la conception structurelle, la standardisation des opérations et l'utilisation d'équipements intelligents permettent de réduire la consommation de semences, d'électricité et de main-d'œuvre lors de la production de plants, tout en améliorant l'utilisation de l'eau, des engrais, de la chaleur et de l'énergie. L'efficacité d'utilisation des gaz et du CO2 contribue à réduire les coûts de production. D'autre part, un contrôle précis de l'environnement et l'optimisation des processus permettent de raccourcir la durée de production des plants, d'augmenter le nombre de lots annuels et le rendement par unité de surface, ce qui renforce la compétitivité sur le marché. 

Avec le développement des technologies de production végétale en usine et l'approfondissement constant des recherches en biologie environnementale sur la culture des plants, le coût de production de plants en usine est aujourd'hui comparable à celui des serres traditionnelles, tout en offrant des plants de qualité et à valeur marchande supérieure. Prenons l'exemple des plants de concombre : les intrants représentent une part importante du coût total, soit environ 37 %, incluant les semences, la solution nutritive, les plateaux alvéolés, les substrats, etc. La consommation d'énergie électrique représente quant à elle environ 24 % du coût total, incluant l'éclairage, la climatisation et la pompe à solution nutritive, et constitue un axe prioritaire d'optimisation future. Par ailleurs, la faible main-d'œuvre est un atout majeur de la production végétale en usine. L'automatisation croissante permettra de réduire encore davantage les coûts liés à la main-d'œuvre. À l'avenir, la rentabilité de la production de plants en usine pourra être encore améliorée grâce au développement de cultures à haute valeur ajoutée et à la mise au point de techniques de culture industrialisée pour les plants d'arbres forestiers précieux.

Composition du coût des plants de concombre /%

État d'industrialisation

Ces dernières années, des instituts de recherche scientifique, notamment l'Institut de recherche en agriculture urbaine de l'Académie chinoise des sciences agricoles, et des entreprises de haute technologie ont développé une filière de production de plants en usine. Celle-ci permet une production industrielle efficace, de la graine à la levée. À titre d'exemple, une usine construite dans le Shanxi et mise en service en 2019 couvre une superficie de 3 500 m² et peut produire 800 000 plants de poivron ou 550 000 plants de tomate en 30 jours. Une autre usine de production de plants, d'une superficie de 2 300 m², peut produire entre 8 et 10 millions de plants par an. L'unité mobile de traitement des plants greffés, développée par l'Institut d'agriculture urbaine de l'Académie chinoise des sciences agricoles, offre une plateforme intégrée de traitement et de domestication pour la culture de ces plants. Un seul espace de travail peut traiter simultanément plus de 10 000 plants greffés. À l'avenir, la diversité des variétés de semis cultivées dans les usines de production végétale devrait encore s'accroître, et le niveau d'automatisation et d'intelligence continuera de s'améliorer.

Plante de soin mobile pour semis greffés, mise au point par l'Institut d'agriculture urbaine de l'Académie chinoise des sciences agricoles.

Perspectives

En tant que nouveau vecteur de production industrielle de plants, les usines de production végétale présentent des avantages considérables et un fort potentiel de commercialisation par rapport aux méthodes traditionnelles, grâce à un contrôle environnemental précis, une utilisation efficace des ressources et des opérations standardisées. En réduisant la consommation de ressources telles que les semences, l'eau, les engrais, l'énergie et la main-d'œuvre nécessaires à la production de plants, et en améliorant le rendement et la qualité des plants par unité de surface, le coût de production en usine de production végétale diminuera encore et les produits seront plus compétitifs sur le marché. La demande de plants est très forte en Chine. Outre la production de cultures traditionnelles comme les légumes, on prévoit de produire en usine des plants à haute valeur ajoutée tels que des fleurs, des plantes médicinales chinoises et des arbres rares, ce qui améliorera encore les retombées économiques. Parallèlement, la plateforme industrielle de production de plants doit prendre en compte la compatibilité et la flexibilité des différentes méthodes de production afin de répondre aux besoins du marché des plants selon les saisons.

La théorie biologique de l'environnement de culture des semis est essentielle au contrôle précis de l'environnement des usines de production végétale. Une étude approfondie de la régulation de la morphologie, de la photosynthèse et des autres activités physiologiques des semis par des facteurs environnementaux tels que la lumière, la température, l'humidité et le CO2 permettra d'établir un modèle d'interaction semis-environnement. Ce modèle permettra de réduire la consommation d'énergie liée à la production de semis et d'améliorer leur qualité et leur rendement. Sur cette base, il sera possible de développer des technologies et des équipements de contrôle centrés sur la lumière et couplés à d'autres facteurs environnementaux. Ces technologies permettront de personnaliser la production de semis présentant des caractéristiques spécifiques, une grande uniformité et une qualité élevée, répondant ainsi aux exigences de la culture à haute densité et de la mécanisation en usine de production végétale. À terme, elles fourniront les bases techniques nécessaires à la construction d'un système de production de semis numérique et permettront une culture de semis standardisée, automatisée et numérique en usine de production végétale.

Auteurs : Xu Yaliang, Liu Xinying, etc. 

Informations de citation :

Xu Yaliang, Liu Xinying, Yang Qichang. Équipements techniques clés et industrialisation de la sélection de plants dans les usines végétales [J]. Agricultural Engineering Technology, 2021,42(4):12-15.