Technologie du génie agricole pour les cultures sous serre. Publié à Pékin à 17h30 le 13 janvier 2023.

L'absorption de la plupart des éléments nutritifs est un processus étroitement lié à l'activité métabolique des racines des plantes. Ce processus requiert l'énergie produite par la respiration cellulaire racinaire. L'absorption d'eau est également régulée par la température et la respiration, et cette dernière nécessite de l'oxygène. Par conséquent, la présence d'oxygène dans le milieu racinaire est essentielle à la croissance normale des cultures. La teneur en oxygène dissous dans l'eau est influencée par la température et la salinité, et la structure du substrat détermine la teneur en air du milieu racinaire. L'irrigation a un impact très variable sur le renouvellement et l'apport d'oxygène dans les substrats présentant différents états d'humidité. De nombreux facteurs permettent d'optimiser la teneur en oxygène du milieu racinaire, mais leur influence est très variable. Maintenir une capacité de rétention d'eau (teneur en air) adéquate du substrat est indispensable au maintien d'une teneur en oxygène élevée dans le milieu racinaire.

Effets de la température et de la salinité sur la teneur en oxygène saturé en solution

Teneur en oxygène dissous dans l'eau

L'oxygène dissous est l'oxygène libre présent dans l'eau. Sa concentration atteint un maximum à une certaine température : c'est la concentration en oxygène à saturation. Cette concentration varie avec la température ; elle diminue lorsque la température augmente. L'eau claire a une concentration en oxygène à saturation supérieure à celle de l'eau de mer salée (figure 1). Par conséquent, la concentration en oxygène à saturation des solutions nutritives varie en fonction de leur concentration.

Transport d'oxygène dans la matrice

L'oxygène que les racines des cultures sous serre peuvent absorber à partir de la solution nutritive doit être sous forme libre. Cet oxygène est transporté dans le substrat par l'air et l'eau environnante. À une température donnée, lorsque la concentration d'oxygène dissous dans l'eau atteint un équilibre avec celle de l'air ambiant, la concentration d'oxygène dissous dans l'eau est maximale. Toute variation de la concentration d'oxygène dans l'air entraîne alors une variation proportionnelle de la concentration d'oxygène dans l'eau.

Effets du stress hypoxique au niveau des racines sur les cultures

Causes de l'hypoxie racinaire

Plusieurs facteurs expliquent pourquoi le risque d'hypoxie est plus élevé en été dans les systèmes de culture hydroponiques et sur substrat. Premièrement, la saturation en oxygène de l'eau diminue avec l'augmentation de la température. Deuxièmement, les besoins en oxygène pour la croissance racinaire augmentent également avec la température. De plus, l'absorption des nutriments étant plus importante en été, la demande en oxygène est plus élevée. Il en résulte une diminution de la teneur en oxygène au niveau des racines et un manque d'apports nutritifs efficaces, ce qui provoque une hypoxie racinaire.

Absorption et croissance

L'absorption de la plupart des nutriments essentiels dépend des processus étroitement liés au métabolisme racinaire, qui nécessitent l'énergie produite par la respiration cellulaire racinaire, c'est-à-dire la décomposition des produits de la photosynthèse en présence d'oxygène. Des études ont montré que 10 à 20 % des assimilats totaux des plants de tomate sont utilisés par les racines, dont 50 % pour l'absorption des ions nutritifs, 40 % pour la croissance et seulement 10 % pour le maintien. Les racines doivent trouver l'oxygène dans leur environnement immédiat, où elles rejettent du CO₂.₂Dans des conditions anaérobies dues à une mauvaise ventilation des substrats et des systèmes hydroponiques, l'hypoxie affecte l'absorption d'eau et de nutriments. L'hypoxie induit une absorption active rapide des nutriments, notamment des nitrates (NO₃⁻).₃^-), potassium (K) et phosphate (PO₄^3-), ce qui interférera avec l’absorption passive du calcium (Ca) et du magnésium (Mg).

La croissance des racines des plantes nécessite de l'énergie. Une activité racinaire normale requiert une concentration minimale d'oxygène, et une concentration inférieure au COP (coefficient de performance racinaire) limite le métabolisme des cellules racinaires (hypoxie). Lorsque le taux d'oxygène est faible, la croissance ralentit, voire s'arrête. Si l'hypoxie racinaire partielle n'affecte que les branches et les feuilles, le système racinaire peut compenser la partie inactive en augmentant localement l'absorption d'oxygène.

Le métabolisme des plantes dépend de l'oxygène comme accepteur d'électrons. Sans oxygène, la production d'ATP s'arrête. Sans ATP, l'excrétion de protons par les racines est interrompue, la sève des cellules racinaires s'acidifie et ces cellules meurent en quelques heures. Une hypoxie temporaire et de courte durée n'entraîne pas de stress nutritionnel irréversible chez les plantes. Grâce au mécanisme de « respiration des nitrates », ce mécanisme peut constituer une adaptation à court terme pour faire face à l'hypoxie racinaire. Cependant, une hypoxie prolongée induit un ralentissement de la croissance, une diminution de la surface foliaire et une baisse de la masse fraîche et sèche, ce qui provoque une chute importante du rendement des cultures.

Éthylène

En situation de stress hydrique important, les plantes produisent de l'éthylène in situ. Normalement, l'éthylène est éliminé des racines par diffusion dans l'air du sol. En cas d'engorgement hydrique, la production d'éthylène augmente et sa diffusion est fortement réduite, les racines étant entourées d'eau. L'augmentation de la concentration d'éthylène induit la formation de tissus aérés dans les racines (Figure 2). L'éthylène peut également provoquer la sénescence des feuilles, et son interaction avec l'auxine favorise la formation de racines adventives.

Le stress oxydatif entraîne une diminution de la croissance des feuilles

L'ABA est produite dans les racines et les feuilles pour faire face à divers stress environnementaux. Au niveau des racines, la réponse typique au stress est la fermeture des stomates, qui implique la formation d'ABA. Avant la fermeture des stomates, la partie aérienne de la plante perd de sa pression de gonflement, les feuilles supérieures flétrissent et l'efficacité photosynthétique peut également diminuer. De nombreuses études ont montré que les stomates réagissent à l'augmentation de la concentration d'ABA dans l'apoplaste par leur fermeture, c'est-à-dire que la teneur totale en ABA dans les parties non foliaires est augmentée par la libération d'ABA intracellulaire. Les plantes peuvent ainsi accroître très rapidement la concentration d'ABA dans l'apoplaste. Lorsqu'elles sont soumises à un stress environnemental, les plantes commencent à libérer de l'ABA dans leurs cellules, et le signal de libération racinaire peut être transmis en quelques minutes au lieu de plusieurs heures. L'augmentation de l'ABA dans les tissus foliaires peut réduire l'élongation de la paroi cellulaire et entraîner une diminution de l'élongation des feuilles. Un autre effet de l'hypoxie est le raccourcissement de la durée de vie des feuilles, ce qui affecte l'ensemble du feuillage. L'hypoxie entraîne généralement une diminution du transport des cytokinines et des nitrates. Un manque d'azote ou de cytokinine raccourcira la durée de vie de la surface foliaire et arrêtera la croissance des branches et des feuilles en quelques jours.

Optimisation de l'environnement oxygéné du système racinaire des cultures

Les caractéristiques du substrat sont déterminantes pour la distribution de l'eau et de l'oxygène. La concentration en oxygène au niveau des racines des légumes de serre dépend principalement de la capacité de rétention d'eau du substrat, de l'irrigation (volume et fréquence), de la structure du substrat et de sa température. Ce n'est que lorsque la teneur en oxygène au niveau des racines dépasse 10 % (4 à 5 mg/L) que l'activité racinaire est optimale.

Le système racinaire des cultures est essentiel à leur croissance et à leur résistance aux maladies. L'eau et les nutriments y sont absorbés en fonction des besoins des plantes. Cependant, le niveau d'oxygène dans le milieu racinaire détermine en grande partie l'efficacité de cette absorption et la qualité du système racinaire. Un niveau d'oxygène suffisant garantit la santé du système racinaire et confère aux plantes une meilleure résistance aux micro-organismes pathogènes (Figure 3). Un niveau d'oxygène adéquat dans le substrat minimise également le risque de conditions anaérobies, réduisant ainsi le risque de développement de micro-organismes pathogènes.

consommation d'oxygène dans l'environnement racinaire

La consommation maximale d'oxygène des cultures peut atteindre 40 mg/m²/h (variable selon les cultures). En fonction de la température, l'eau d'irrigation peut contenir jusqu'à 7 à 8 mg/L d'oxygène (Figure 4). Pour atteindre 40 mg/L, il faudrait apporter 5 L d'eau par heure afin de satisfaire la demande en oxygène, mais en pratique, ce volume d'irrigation quotidien est rarement atteint. Cela signifie que l'oxygène apporté par l'irrigation ne joue qu'un rôle mineur. La majeure partie de l'oxygène parvient à la zone racinaire par les pores du substrat, et cette contribution peut atteindre 90 %, selon le moment de la journée. Lorsque l'évaporation des plantes est maximale, le volume d'irrigation l'est également, soit 1 à 1,5 L/m²/h. Si l'eau d'irrigation contient 7 mg/L d'oxygène, elle fournira 7 à 11 mg/m²/h d'oxygène à la zone racinaire, ce qui correspond à 17 à 25 % de la demande. Bien entendu, cela ne s'applique qu'au cas où l'eau d'irrigation pauvre en oxygène présente dans le substrat est remplacée par de l'eau d'irrigation fraîche.

Outre la consommation des racines, les micro-organismes présents dans leur environnement consomment également de l'oxygène. Il est difficile de quantifier cette consommation, car aucune mesure n'a été effectuée à ce sujet. Étant donné que les substrats sont renouvelés chaque année, on peut supposer que les micro-organismes contribuent de manière relativement mineure à la consommation d'oxygène.

Optimiser la température ambiante des racines

La température ambiante du système racinaire est très importante pour la croissance et le fonctionnement normaux de ce système, et elle constitue également un facteur important influençant l'absorption d'eau et de nutriments par les racines.

Une température du substrat (température racinaire) trop basse peut entraver l'absorption d'eau. À 5 °C, l'absorption est 70 à 80 % inférieure à celle observée à 20 °C. Si cette basse température du substrat s'accompagne d'une température ambiante élevée, la plante risque de flétrir. L'absorption des ions dépend fortement de la température : elle est inhibée à basse température. Par ailleurs, la sensibilité des différents éléments nutritifs à la température varie.

Une température de substrat trop élevée est également inutile et peut entraîner un développement excessif du système racinaire. Autrement dit, la matière sèche est mal répartie dans la plante. Ce développement racinaire excessif engendre des pertes inutiles par respiration, énergie qui pourrait être utilisée pour la récolte. À température de substrat élevée, la teneur en oxygène dissous est plus faible, ce qui a un impact bien plus important sur l'oxygénation du milieu racinaire que l'oxygène consommé par les micro-organismes. Le système racinaire consomme beaucoup d'oxygène et peut même provoquer une hypoxie en cas de substrat ou de structure du sol de mauvaise qualité, réduisant ainsi l'absorption d'eau et d'ions.

Maintenir une capacité de rétention d'eau raisonnable de la matrice.

Il existe une corrélation négative entre la teneur en eau et le pourcentage d'oxygène dans la matrice. Lorsque la teneur en eau augmente, la teneur en oxygène diminue, et inversement. Il existe une plage critique entre la teneur en eau et l'oxygène dans la matrice, soit 80 % à 85 % (Figure 5). Le maintien à long terme d'une teneur en eau supérieure à 85 % dans le substrat influence l'apport d'oxygène. La majeure partie de cet apport (75 % à 90 %) s'effectue par les pores de la matrice.

Apport d'irrigation pour augmenter la teneur en oxygène du substrat

Un ensoleillement accru entraîne une consommation d'oxygène plus importante et une concentration d'oxygène plus faible dans les racines (Figure 6), tandis qu'une plus grande quantité de sucre accroît la consommation d'oxygène la nuit. La transpiration est forte, l'absorption d'eau importante, et le substrat contient davantage d'air et d'oxygène. On observe (à gauche de la Figure 7) que la teneur en oxygène du substrat augmente légèrement après irrigation lorsque la capacité de rétention d'eau du substrat est élevée et sa teneur en air très faible. (À droite de la Figure 7), sous un éclairage relativement meilleur, la teneur en air du substrat augmente en raison d'une absorption d'eau accrue (pour une même fréquence d'irrigation). L'influence relative de l'irrigation sur la teneur en oxygène du substrat est bien moindre que celle de sa capacité de rétention d'eau (teneur en air).

Discuter

En production, la teneur en oxygène (air) dans l'environnement racinaire des cultures est facilement négligée, mais c'est un facteur important pour assurer la croissance normale des cultures et le développement sain des racines.

Afin d'obtenir un rendement maximal lors de la production agricole, il est primordial de préserver au mieux l'environnement du système racinaire. Des études ont montré que l'O₂Une concentration inférieure à 4 mg/L dans le milieu racinaire aura un impact négatif sur la croissance des cultures.₂La composition du milieu racinaire est principalement influencée par l'irrigation (quantité et fréquence), la structure et la teneur en eau du substrat, ainsi que par la température de la serre et du substrat. Elle varie également selon les modes de culture. Les algues et les micro-organismes ont aussi une incidence sur la teneur en oxygène du milieu racinaire des plantes hydroponiques. L'hypoxie ralentit non seulement le développement des plantes, mais accroît également la pression des pathogènes racinaires (Pythium, Phytophthora, Fusarium) sur la croissance des racines.

La stratégie d'irrigation a une influence significative sur l'O₂L'arrosage régulier permet de contrôler l'humidité du substrat et offre un meilleur contrôle lors de la plantation. Des études sur la culture des rosiers ont montré qu'un arrosage progressif (le matin) favorise une meilleure oxygénation. Dans un substrat à faible capacité de rétention d'eau, l'oxygénation est maintenue, et il est nécessaire d'éviter les variations d'humidité entre les différentes parcelles en arrosant plus fréquemment et à intervalles plus courts. Plus la capacité de rétention d'eau est faible, plus les différences d'humidité entre les parcelles sont importantes. Un substrat humide, un arrosage moins fréquent et plus espacé garantissent un meilleur renouvellement de l'air et des conditions d'oxygénation optimales.

Le drainage du substrat est un facteur déterminant pour le taux de renouvellement et le gradient de concentration en oxygène, en fonction du type et de la capacité de rétention d'eau du substrat. L'eau d'irrigation ne doit pas stagner au fond du substrat et doit être évacuée rapidement pour permettre à une eau fraîche et oxygénée d'atteindre à nouveau le fond. La vitesse de drainage peut être optimisée par des mesures simples, comme la pente du substrat dans le sens longitudinal et horizontal. Plus la pente est importante, plus le drainage est rapide. La porosité et le nombre d'orifices de drainage varient selon les substrats.

FIN

[informations de citation]

Xie Yuanpei. Effets de la teneur en oxygène environnemental sur la croissance des cultures en serre [J]. Agricultural Engineering Technology, 2022,42(31):21-24.