Recherche sur l'effet de l'éclairage LED d'appoint sur l'augmentation du rendement de la laitue et du pak-choï hydroponiques en serre en hiver
[Résumé] À Shanghai, l'hiver est souvent marqué par des températures basses et un faible ensoleillement. La croissance des légumes-feuilles hydroponiques en serre est lente et leur cycle de production long, ce qui ne permet pas de satisfaire la demande du marché. Ces dernières années, l'éclairage horticole LED s'est développé en culture sous serre afin de pallier, dans une certaine mesure, l'insuffisance de lumière naturelle pour répondre aux besoins de croissance des plantes. Dans le cadre d'une expérience, deux types d'éclairage LED de qualité lumineuse différente ont été installés en serre pour évaluer leur impact sur la production de laitue et de légumes-feuilles hydroponiques en hiver. Les résultats ont montré que les deux types d'éclairage LED augmentent significativement le poids frais par plant de pak-choï et de laitue. L'augmentation du rendement du pak-choï se traduit principalement par une amélioration de ses qualités organoleptiques, notamment un élargissement et un épaississement des feuilles, tandis que celle de la laitue se manifeste principalement par une augmentation du nombre de feuilles et de la teneur en matière sèche.

La lumière est indispensable à la croissance des plantes. Ces dernières années, les lampes LED se sont largement répandues dans la culture et la production en serre grâce à leur rendement photoélectrique élevé, leur spectre personnalisable et leur longue durée de vie [1]. À l'étranger, grâce à des recherches précoces et à des systèmes de soutien bien établis, de nombreuses exploitations horticoles (fleurs, fruits et légumes) à grande échelle disposent de stratégies d'éclairage d'appoint relativement complètes. L'accumulation de données de production réelles permet également aux producteurs de prédire avec précision l'impact de l'augmentation de la production. Parallèlement, le retour sur investissement de l'utilisation de systèmes d'éclairage d'appoint LED est évalué [2]. Cependant, la plupart des recherches nationales actuelles sur l'éclairage d'appoint se concentrent sur l'optimisation de la qualité et du spectre lumineux à petite échelle, et ne proposent pas de stratégies directement applicables en production [3]. De nombreux producteurs nationaux utilisent directement les solutions d'éclairage d'appoint étrangères existantes, sans tenir compte des conditions climatiques de leur zone de production, des types de légumes cultivés ni des caractéristiques de leurs installations et équipements. De plus, le coût élevé des équipements d'éclairage d'appoint et leur forte consommation énergétique entraînent souvent un écart important entre le rendement réel des cultures et la rentabilité économique, et l'effet escompté. Cette situation actuelle freine le développement et la promotion de la technologie d'éclairage d'appoint et l'augmentation de la production agricole dans le pays. Il est donc urgent d'intégrer judicieusement des produits d'éclairage d'appoint LED performants dans les environnements de production nationaux, d'optimiser les stratégies d'utilisation et de recueillir les données pertinentes.

L'hiver est la saison où les légumes-feuilles frais sont très demandés. Les serres offrent un environnement plus adapté à leur culture hivernale que les champs. Cependant, un article souligne que certaines serres anciennes ou mal entretenues présentent une transmittance lumineuse inférieure à 50 % en hiver. De plus, les épisodes de pluie prolongés sont fréquents en hiver, créant un environnement froid et peu lumineux à l'intérieur des serres, ce qui nuit à la croissance des plantes. La lumière devient ainsi un facteur limitant pour la croissance des légumes en hiver [4]. Le système Green Cube, déjà en production, est utilisé dans cette expérience. Ce système de culture hydroponique de légumes-feuilles à faible profondeur d'écoulement liquide est équipé de deux modules d'éclairage LED supérieurs de Signify (Chine) Investment Co., Ltd., avec différents ratios de lumière bleue. La culture de laitue et de pak-choï, deux légumes-feuilles très demandés sur le marché, vise à étudier l'augmentation réelle de la production de légumes-feuilles hydroponiques grâce à l'éclairage LED en serre hivernale.

Matériels et méthodes
Matériaux utilisés pour les tests

Les légumes utilisés pour l'expérience étaient de la laitue et du pak-choï. La laitue, variété « Green Leaf Lettuce », provient de Beijing Dingfeng Modern Agriculture Development Co., Ltd., et le pak-choï, variété « Brilliant Green », de l'Institut d'horticulture de l'Académie des sciences agricoles de Shanghai.

Méthode expérimentale

L'expérience a été menée dans la serre en verre de type Wenluo de la base de Sunqiao de Shanghai Green Cube Agricultural Development Co., Ltd., de novembre 2019 à février 2020. Deux séries d'expériences répétées ont été réalisées. La première a eu lieu fin 2019 et la seconde début 2020. Après le semis, les plants ont été placés dans une chambre climatique à éclairage artificiel pour leur croissance, avec un système d'irrigation par marée. Durant cette période, une solution nutritive standard pour légumes hydroponiques (EC 1,5 et pH 5,5) a été utilisée. Lorsque les plants ont atteint le stade de trois feuilles et un cœur, ils ont été repiqués sur un lit de culture hydroponique à faible profondeur de type Green Cube. Après la plantation, le système de circulation de solution nutritive (EC 2 et pH 6) a assuré un arrosage quotidien, avec une alimentation en eau de 10 minutes suivie d'une pause de 20 minutes. Un groupe témoin (sans éclairage d'appoint) et un groupe expérimental (avec éclairage LED d'appoint) ont été constitués. Le groupe témoin (CK) a été cultivé en serre sans éclairage d'appoint. Dans le groupe LB, un éclairage d'appoint (drw-lb Ho de 200 W) a été utilisé après la culture en serre. La densité de flux lumineux pulsé (PPFD) à la surface du couvert végétal hydroponique était d'environ 140 μmol/(m²·s). Dans le groupe MB, après la culture en serre, un éclairage d'appoint (drw-lb de 200 W) a été utilisé, et la PPFD était d'environ 140 μmol/(m²·s).

La première série de plantations expérimentales a eu lieu le 8 novembre 2019, et les plantations ont été effectuées le 25 novembre 2019. Le groupe test a bénéficié d'un éclairage d'appoint de 6h30 à 17h00. La deuxième série de plantations expérimentales a eu lieu le 30 décembre 2019, et les plantations ont été effectuées le 17 janvier 2020. Le groupe expérimental a bénéficié d'un éclairage d'appoint de 4h00 à 17h00.
Par temps ensoleillé en hiver, la serre ouvrira le toit ouvrant, le film latéral et le ventilateur pour une ventilation quotidienne de 6h00 à 17h00. Lorsque la température est basse la nuit, la serre fermera le puits de lumière, le film latéral et le ventilateur de 17h00 à 6h00 (le lendemain), et ouvrira le rideau d'isolation thermique à l'intérieur de la serre pour conserver la chaleur nocturne.

Collecte de données

La hauteur des plants, le nombre de feuilles et le poids frais par plant ont été mesurés après la récolte des parties aériennes de Qingjingcai et de laitue. Après pesée, les plants ont été placés dans une étuve et séchés à 75 °C pendant 72 heures. Le poids sec a ensuite été déterminé. La température et la densité de flux de photons photosynthétiques (PPFD) dans la serre ont été mesurées et enregistrées toutes les 5 minutes par un capteur de température (RS-GZ-N01-2) et un capteur de rayonnement photosynthétiquement actif (GLZ-CG).

Analyse des données

Calculez l'efficacité d'utilisation de la lumière (LUE, Light Use Efficiency) selon la formule suivante :
LUE (g/mol) = rendement des légumes par unité de surface / quantité totale cumulée de lumière reçue par les légumes par unité de surface, de la plantation à la récolte
Calculer la teneur en matière sèche selon la formule suivante :
Teneur en matière sèche (%) = poids sec par plante / poids frais par plante x 100 %
Utilisez Excel 2016 et IBM SPSS Statistics 20 pour analyser les données de l'expérience et déterminer la signification de la différence.

Matériels et méthodes
Lumière et température

La première phase de l'expérience a duré 46 jours, de la plantation à la récolte, et la seconde, 42 jours. Lors de la première phase, la température moyenne journalière dans la serre s'est généralement située entre 10 et 18 °C. Durant la seconde phase, les fluctuations de cette température ont été plus importantes, avec une température moyenne journalière minimale de 8,39 °C et une température moyenne journalière maximale de 20,23 °C. La température moyenne journalière a globalement affiché une tendance à la hausse au cours de la croissance (Fig. 1).

Lors de la première phase de l'expérience, l'intégrale de lumière journalière (ILJ) dans la serre a fluctué en dessous de 14 mol/(m²·J). Lors de la seconde phase, la quantité cumulée journalière de lumière naturelle dans la serre a globalement augmenté, dépassant 8 mol/(m²·J), avec une valeur maximale de 26,1 mol/(m²·J) atteinte le 27 février 2020. L'évolution de la quantité cumulée journalière de lumière naturelle dans la serre lors de la seconde phase a été plus importante que lors de la première (Fig. 2). Lors de la première phase, la quantité totale de lumière cumulée journalière (somme de l'ILJ de la lumière naturelle et de l'ILJ de l'éclairage d'appoint par LED) du groupe bénéficiant d'un éclairage d'appoint a été supérieure à 8 mol/(m²·J) la plupart du temps. Lors de la seconde phase, cette quantité totale a été supérieure à 10 mol/(m²·J) la plupart du temps. La quantité totale de lumière supplémentaire accumulée au cours du deuxième cycle était de 31,75 mol/m² de plus que celle du premier cycle.

Rendement des légumes-feuilles et efficacité d'utilisation de l'énergie lumineuse

● Premiers résultats des tests
On observe sur la figure 3 que le pak-choï éclairé par LED présente une meilleure croissance, une forme plus compacte et des feuilles plus grandes et plus épaisses que le témoin (CK) non éclairé. Les feuilles des pak-choï LB et MB sont d'un vert plus vif et plus foncé que celles du témoin. La figure 4 montre que la laitue éclairée par LED présente une meilleure croissance que le témoin (CK) non éclairé : elle possède davantage de feuilles et une forme plus touffue.

Le tableau 1 montre qu'il n'y a pas de différence significative en termes de hauteur des plants, de nombre de feuilles, de teneur en matière sèche et d'efficacité d'utilisation de l'énergie lumineuse des pak-choï traités avec CK, LB et MB, mais que le poids frais des pak-choï traités avec LB et MB est significativement supérieur à celui du témoin (CK) ; il n'y a pas eu de différence significative de poids frais par plant entre les deux lampes de croissance LED avec différents ratios de lumière bleue dans le traitement LB et MB.

Le tableau 2 montre que la hauteur des plants de laitue du traitement LB était significativement supérieure à celle du traitement témoin (CK), mais aucune différence significative n'a été observée entre les traitements LB et MB. Le nombre de feuilles différait significativement entre les trois traitements, le traitement MB présentant le nombre de feuilles le plus élevé (27). Le poids frais par plant était le plus élevé pour le traitement LB (101 g), avec une différence significative entre les deux groupes. La teneur en matière sèche était similaire pour les traitements CK et LB, mais supérieure de 4,24 % pour le traitement MB. L'efficience d'utilisation de la lumière différait significativement entre les trois traitements, la plus élevée (13,23 g/mol) étant observée pour le traitement LB et la plus faible (10,72 g/mol) pour le traitement CK.

● Résultats du deuxième cycle de tests

Le tableau 3 montre que la hauteur des plants de Pakchoi traités avec la lumière bleue (MB) était significativement supérieure à celle du témoin (CK), sans différence significative avec le traitement avec la lumière bleue (LB). Le nombre de feuilles des plants de Pakchoi traités avec les lumières bleue et bleue était significativement supérieur à celui du témoin (CK), mais aucune différence significative n'a été observée entre les deux groupes recevant les traitements d'éclairage d'appoint. Le poids frais par plant présentait des différences significatives entre les trois traitements. Le poids frais par plant était le plus faible pour le témoin (CK) (47 g) et le plus élevé pour le traitement avec la lumière bleue (MB) (116 g). La teneur en matière sèche était comparable entre les trois traitements. L'efficacité d'utilisation de l'énergie lumineuse (EUSE) différait significativement : elle était faible pour le témoin (CK) (8,74 g/mol) et la plus élevée pour le traitement avec la lumière bleue (MB) (13,64 g/mol).

Le tableau 4 montre qu'aucune différence significative n'a été observée concernant la hauteur des plants de laitue entre les trois traitements. Le nombre de feuilles dans les traitements LB et MB était significativement supérieur à celui du témoin (CK). Le traitement MB présentait le nombre de feuilles le plus élevé (26). Aucune différence significative n'a été constatée entre les traitements LB et MB quant au nombre de feuilles. Le poids frais par plant des deux groupes soumis à un éclairage d'appoint était significativement supérieur à celui du témoin (CK), et le poids frais par plant était le plus élevé pour le traitement MB (133 g). Des différences significatives ont également été observées entre les traitements LB et MB. La teneur en matière sèche différait significativement entre les trois traitements, le traitement LB présentant la teneur la plus élevée (4,05 %). L'efficacité d'utilisation de l'énergie lumineuse du traitement MB était significativement supérieure à celle des traitements CK et LB (12,67 g/mol).

Lors de la seconde phase de l'expérience, l'apport lumineux quotidien (DLI) total du groupe ayant bénéficié d'un éclairage d'appoint était nettement supérieur à celui observé lors de la première phase, pour une même durée de colonisation (figures 1 et 2). La durée d'éclairage d'appoint de ce groupe (4 h 00 - 17 h 00) a augmenté de 2,5 heures par rapport à la première phase (6 h 30 - 17 h 00). La récolte du pak-choï a eu lieu 35 jours après la plantation, pour les deux phases. Le poids frais individuel des plants témoins (CK) était similaire lors des deux phases. La différence de poids frais par plant entre les traitements LB et MB et le témoin (CK) lors de la seconde phase était bien plus importante que lors de la première phase (tableaux 1 et 3). La récolte de la laitue expérimentale a eu lieu 42 jours après la plantation lors de la seconde phase, contre 46 jours lors de la première phase. Le nombre de jours de colonisation lors de la deuxième récolte de laitue expérimentale (CK) était inférieur de 4 jours à celui de la première récolte, mais le poids frais par plant était 1,57 fois supérieur (Tableaux 2 et 4), et l'efficacité d'utilisation de l'énergie lumineuse était similaire. On constate donc qu'à mesure que la température augmente progressivement et que la lumière naturelle s'accroît dans la serre, le cycle de production de la laitue se raccourcit.

Matériels et méthodes
Les deux séries d'essais ont couvert la quasi-totalité de l'hiver à Shanghai. Le groupe témoin (CK) a permis de reproduire, dans une certaine mesure, les conditions de production réelles de choux verts et de laitues cultivés en hydroponie sous serre, malgré les basses températures et le faible ensoleillement hivernaux. Le groupe ayant bénéficié d'un éclairage d'appoint a montré un effet significatif sur l'indicateur le plus intuitif (poids frais par plante) lors des deux séries d'essais. Chez le pak-choï, l'augmentation du rendement s'est traduite par une amélioration simultanée de la taille, de la couleur et de l'épaisseur des feuilles. La laitue, quant à elle, a vu son nombre de feuilles augmenter et sa forme paraître plus dense. Les résultats des essais démontrent que l'éclairage d'appoint améliore le poids frais et la qualité des deux légumes, augmentant ainsi leur rentabilité. Le pak-choï éclairé par des modules LED rouge-blanc/bleu clair et rouge-blanc/bleu moyen présente des feuilles d'un vert plus foncé et plus brillantes que celui cultivé sans éclairage d'appoint. Ses feuilles sont plus grandes et plus épaisses, et sa croissance est plus compacte et vigoureuse. Cependant, la laitue mosaïque appartient à la famille des légumes-feuilles vert clair et ne présente aucun changement de couleur notable durant sa croissance. Ce changement est imperceptible à l'œil nu. Un apport approprié de lumière bleue favorise le développement des feuilles et la synthèse des pigments photosynthétiques, tout en inhibant l'allongement des entre-nœuds. C'est pourquoi les légumes cultivés avec un supplément de lumière sont davantage appréciés des consommateurs pour leur aspect.

Lors de la seconde phase de l'essai, la quantité totale de lumière cumulée quotidienne du groupe ayant bénéficié d'un éclairage d'appoint était nettement supérieure à l'apport lumineux quotidien (DLI) pour une même durée de colonisation lors de la première phase (figures 1 et 2). La durée d'éclairage d'appoint de cette seconde phase (4 h 00 - 17 h 00) était supérieure de 2,5 heures à celle de la première phase (6 h 30 - 17 h 00). La récolte du pak-choï a eu lieu 35 jours après la plantation, pour les deux phases. Le poids frais du témoin (CK) était similaire lors des deux phases. La différence de poids frais par plante entre les traitements LB et MB et le témoin (CK) lors de la seconde phase était bien plus importante que lors de la première phase (tableaux 1 et 3). Par conséquent, un éclairage d'appoint prolongé peut favoriser l'augmentation de la production de pak-choï hydroponique cultivé en intérieur en hiver. La récolte de la deuxième culture expérimentale de laitue a eu lieu 42 jours après la plantation, contre 46 jours pour la première. Lors de la deuxième récolte, le nombre de jours de colonisation du groupe témoin (CK) était inférieur de 4 jours à celui de la première culture. Cependant, le poids frais d'un plant était 1,57 fois supérieur à celui de la première culture (Tableaux 2 et 4). L'efficacité d'utilisation de l'énergie lumineuse était similaire. On constate qu'à mesure que la température et la luminosité naturelle augmentent progressivement dans la serre (Figures 1 et 2), le cycle de production de la laitue peut être raccourci. Par conséquent, l'ajout d'un système d'éclairage d'appoint dans la serre en hiver, lorsque les températures et l'ensoleillement sont faibles, permet d'améliorer efficacement le rendement de la production de laitue et, par conséquent, d'accroître la production. Lors de la première phase de l'expérience, la consommation d'énergie lumineuse des plantes cultivées avec un supplément d'éclairage était de 0,95 kWh, et lors de la seconde phase, elle était de 1,15 kWh. Comparée entre les deux phases, la consommation d'énergie lumineuse des trois traitements appliqués au pak-choï était inférieure lors de la seconde phase. L'efficacité d'utilisation de l'énergie lumineuse des laitues CK et LB, traitées avec un supplément d'éclairage, était également légèrement inférieure lors de la seconde phase. On peut supposer que cela est dû à la faible température moyenne journalière observée durant la semaine suivant la plantation, ce qui allonge la période de croissance lente des plantules. Bien que la température ait légèrement remonté au cours de l'expérience, cette remontée est restée limitée, et la température moyenne journalière globale est demeurée basse, ce qui a restreint l'efficacité d'utilisation de l'énergie lumineuse pendant tout le cycle de croissance hydroponique des légumes-feuilles (Figure 1).

Durant l'expérience, le bassin de solution nutritive n'était pas équipé d'un système de chauffage. De ce fait, l'environnement racinaire des légumes-feuilles hydroponiques était constamment à basse température, limitant ainsi la variation de température moyenne journalière. Les légumes n'ont donc pas pu tirer pleinement profit de l'augmentation de la luminosité cumulée quotidienne apportée par l'éclairage d'appoint LED. Par conséquent, lors de l'utilisation d'un éclairage d'appoint en serre en hiver, il est nécessaire de prévoir des mesures de maintien et de chauffage appropriées afin d'optimiser son efficacité et d'accroître la production. L'utilisation d'un éclairage d'appoint LED augmente les coûts de production, et l'agriculture n'est pas par nature une activité à haut rendement. Ainsi, des expérimentations supplémentaires sont nécessaires pour optimiser la stratégie d'éclairage d'appoint et son intégration à d'autres mesures dans la production de légumes-feuilles hydroponiques en serre en hiver, ainsi que pour déterminer comment utiliser efficacement cet éclairage afin d'améliorer l'efficacité énergétique et la rentabilité.

Auteurs : Yiming Ji, Kang Liu, Xianping Zhang, Honglei Mao (Shanghai green cube Agricultural Development Co., Ltd.).
Source de l'article : Technologie du génie agricole (horticulture en serre).

Références :
[1] Jianfeng Dai, Application pratique des LED horticoles Philips en production sous serre [J]. Technologie du génie agricole, 2017, 37 (13) : 28-32
[2] Xiaoling Yang, Lanfang Song, Zhengli Jin, et al. État actuel et perspectives de l’application de la technologie d’apport lumineux supplémentaire pour les fruits et légumes protégés [J]. Horticulture du Nord, 2018 (17) : 166-170
[3] Xiaoying Liu, Zhigang Xu, Xuelei Jiao, et al. État de la recherche et des applications et stratégie de développement de l'éclairage horticole [J]. Journal of lighting engineering, 013, 24 (4) : 1-7
[4] Jing Xie, Hou Cheng Liu, Wei Song Shi, et al. Application de la source lumineuse et du contrôle de la qualité de la lumière dans la production de légumes sous serre [J]. Chinese Vegetable, 2012 (2) : 1-7