SOLS - Culture hors sol

SOLS - Culture hors sol

Dans certaines cultures, la terre peut être remplacée par des matériaux naturels, tels que la tourbe, ou artificiels, tels que la perlite; ce sont des substrats. À la limite, on peut même cultiver des plantes directement sur une solution nutritive: c’est la culture sur film nutritif (en anglais: nutrient film technic , N.F.T.). Toutes ces façons de cultiver qui n’utilisent plus le sol sont dites cultures hors sol . Historiquement, les premières cultures hors sol furent réalisées vers 1850 pour mettre en lumière le rôle propre des éléments nutritifs: les racines de la plante étaient placées dans une solution nutritive artificiellement aérée pour permettre leur fonctionnement. En 1929, les premières tomates cultivées hors sol poussent aux États-Unis, puis en France (Truffaut). En 1942, la culture hors sol permet de fournir des légumes aux soldats américains engagés dans les combats du Pacifique. L’infestation des sols par certains champignons parasites responsables de maladies de l’œillet devait donner un regain d’intérêt aux cultures hors sol, en remplaçant la terre par des substrats non contaminés. Dans le même ordre d’idée, on substitue des substrats aux sols ayant de mauvaises propriétés physiques. Les plantes ornementales vendues en pot n’utilisent pratiquement plus le sol comme support de culture. Parallèlement, on s’est rendu compte que cultiver hors sol permettait de beaucoup mieux maîtriser la nutrition minérale. C’est ce dernier aspect que nous développerons, car la culture hors sol est valorisée par sa mise en œuvre intensive sous serre.

Nous présenterons successivement les substrats, les conteneurs (récipients dans lesquels sont placés les substrats), la nutrition hydrique et minérale des cultures et enfin la mise en œuvre de la culture intensive hors sol.

Les substrats

Les substrats sont des matériaux poreux dans lesquels se développent et fonctionnent les racines des plantes cultivées.

Propriétés physiques . Certaines propriétés du sol sont transposables sans inconvénient aux substrats: porosité, masses volumiques, aération. Il a fallu introduire en revanche la notion spécifique de capacités en bac pour décrire la rétention d’eau des substrats, car le fait que, contrairement au sol, le substrat soit utilisé sous une épaisseur limitée dans un récipient modifie les conditions de rétention de l’eau par rapport à la terre. Le phénomène important est que la base d’un massif de substrat est quasi saturée, quoique l’écoulement d’eau soit possible. En effet, l’eau libre ne sort du sol que si la pression de cette eau dépasse la pression atmosphérique, c’est-à-dire seulement si la succion exercée par le milieu poreux est nulle. Cela, joint au fait que l’eau en chaque point du substrat parvient à l’équilibre lorsque la succion contrebalance l’action de la pesanteur, donne une répartition verticale de l’eau particulière: l’humidité décroît lorsque, partant de la base du massif de substrat, on s’élève dans celui-ci. Si on considère maintenant des couches de substrats de moins en moins épaisses, cela revient en quelque sorte à enlever les couches supérieures les moins humides du massif précédent. La rétention en eau moyenne (quotient de la masse d’eau par la masse de substrat) est d’autant plus élevée que la couche de substrat est moins épaisse. Par exemple, si un sol sableux en place épais de 1 m a une capacité au champ de 4 p. 100 du matériau sec, ce même matériau retient après saturation et drainage 8 p. 100 pour une couche de 30 cm d’épaisseur, 10 p. 100 pour 20 cm et 18 p. 100 pour 10 cm. À chaque épaisseur correspond une humidité à l’équilibre qui est la capacité en bac pour l’épaisseur considérée. Il existe donc autant de capacités en bac que d’épaisseurs.

Le cas des substrats constitués par des particules de grandes dimensions (galets, sables très grossiers, roche en gros fragments...) est différent, car la répartition verticale de l’eau est sensiblement uniforme.

La teneur en air conditionne le développement et le fonctionnement des racines dans un milieu qui, comme on le verra, est arrosé fréquemment. Toute la porosité étant occupée par de l’air ou de l’eau, leurs volumes respectifs dans le substrat varient en sens inverse. Il est intéressant de connaître la teneur en air minimale correspondant à la capacité en bac, puisque l’eau en excès de cette capacité s’écoule rapidement. Lorsqu’on se rapproche de la base de la couche de substrat, l’augmentation de l’humidité a pour corollaire une diminution de la teneur en air. Par ailleurs, comme la capacité en bac augmente lorsque l’épaisseur de substrat diminue, la teneur en air moyenne est d’autant plus faible que le substrat est utilisé sous une épaisseur plus faible. Comme dans un sol, c’est la diffusion qui règle la composition de l’atmosphère du substrat en faisant tendre la composition de cette atmosphère vers celle de l’air atmosphérique. À cause des irrigations fréquentes, d’autres mécanismes contribuent aussi à cette régulation. C’est le transport par convection de l’air dissous dans l’eau et le déplacement par l’eau d’irrigation des gaz qui se trouvent à l’intérieur du substrat.

Les propriétés chimiques et physico-chimiques . Un substrat est en principe insoluble, ce qui exclut toute réaction chimique entre la phase solide du substrat et la solution nutritive. Par contre, à l’instar de la terre, dans certains substrats il peut y avoir échange d’ions, essentiellement de cations, entre la phase solide du substrat et la solution à son contact. Une solution donnée étant introduite dans le substrat, ce dernier peut modifier la composition de la solution à la suite des échanges, il est alors dit réactif.

Les propriétés biologiques . Il s’agit essentiellement de la capacité de s’altérer sous l’action de micro-organismes. La matière organique d’un terreau disparaît progressivement en se transformant en produits minéraux, gaz carbonique, nitrates, eau. Il en résulte une modification dans le temps de propriétés du substrat et, à terme, sa disparition.

Les principaux substrats sont succinctement décrits après avoir été classés par groupe. Le groupe des substrats organiques comprend les tourbes blondes à base de mousses (sphaignes), les tourbes noires provenant de l’accumulation de matières végétales (joncs, carex, roseaux, prêles, certains arbres...), les composts, les mélanges de composts et de tourbes et enfin les déchets organiques: paille, sciure de bois, écorce... Leur porosité est élevée (de 80 à 95 p. 100 du volume total) et corrélativement leur masse volumique apparente faible (de 0,08 à 0,250 kg/dm³). Pour une épaisseur de 10 cm, la capacité en bac varie de 60 à 85 p. 100 du volume total et la teneur en air moyenne de 9 à 25 p. 100 du volume total.

Les tourbes et les matériaux compostés ont une capacité d’échange de cations appréciable. Tous ces matériaux sont plus ou moins biodégradables, les tourbes blondes l’étant relativement peu. Ces derniers matériaux, constitués de fibres, sont des substrats de choix dont les qualités n’ont été égalées que par les substrats minéraux fibreux artificiels. Les substrats minéraux naturels sont les galets, les sables plus ou moins grossiers, la pouzzolane broyée, le tuf palagonitique, des roches volcaniques broyées. Leur porosité varie de 40 à 75 p. 100 du volume apparent et leur masse volumique apparente de 0,7 à 1,6 kg/dm³. La rétention d’eau est relativement faible: capacité en bac 10 cm, de 18 à 30 p. 100 du volume total, et la teneur en air élevée, de 10 à 50 p. 100 du volume total. Ces substrats sont généralement dépourvus de capacité d’échange et ne sont pas biodégradables.

Les substrats d’origine naturelle traités sont chauffés à des températures plus ou moins élevées. Certains substrats proviennent du chauffage à des températures telles que le matériau ne fonde pas. C’est le cas de la vermiculite expansée qui est un silicate d’alumine et de magnésie, et de l’argile expansée qui provient d’un autre silicate, une argile fibreuse (attapulgite). Pour d’autres substrats, la température de chauffage est beaucoup plus élevée au point de provoquer la fusion du matériau. C’est le cas de la perlite qui, apparaissant sous forme de granules, provient du chauffage à 1 200 ⁰C d’un silicate volcanique. Les substrats fibreux sont constitués de fibres préparées à partir d’un matériau en fusion. La laine de roche a pour origine un mélange de roches préalablement fondues à 1 600 ⁰C. Les fibres de la laine de verre proviennent de verre en fusion. Ces derniers matériaux sont en quelque sorte des homologues minéraux des tourbes blondes, mais, à la différence de celles-ci, ils sont dépourvus de capacité d’échange et ne sont pas biodégradables. La porosité est plus élevée que pour les matériaux minéraux non traités, de 70 à 95 p. 100 de leur volume total. Les masses volumiques réelles varient de 0,08 à 0,75 kg/dm³. Les capacités en bac sous 10 cm représentent de 70 à 95 p. 100 du volume total et les teneurs en air de 12 à 50 p. 100 du volume total.

Certains substrats proviennent de synthèses organiques , comme le polyméthylène-urée. Ce produit a une porosité de 96,5 p. 100 du volume total et une masse volumique apparente de 0,05 kg/dm³, la capacité en bac sous 10 cm est de l’ordre de 30 p. 100 du volume total seulement. Il faut signaler aussi l’utilisation comme substrats de rétenteurs d’eau synthétiques. Ces matériaux, pulvérulents à l’état sec, absorbent de l’ordre de 1 000 fois leur poids d’eau en gonflant énormément. Ils sont conditionnés dans des gaines plates que l’on peut enrouler puis dérouler dans la serre. Des déchets d’origine minérale peuvent être utilisés comme substrats, soit tels quels: cendres de lignite, scories, machefer, soit traités comme les schistes houillers expansés aux environs de 1 400 ⁰C. Les mélanges de substrats permettent d’obtenir de nouveaux matériaux dont les propriétés sont intermédiaires entre celles des constituants. À la tourbe, on mélange de la perlite, de la pouzzolane, des roches broyées. Il existe aussi des mélanges de tourbes de diverses natures, d’écorces de résineux et de pouzzolane.

La gamme de variation des propriétés physiques et physico-chimiques des substrats est très étendue, ce qui retentit, comme on le verra, sur la façon de les utiliser.

Les conteneurs

Les conteneurs sont des récipients destinés à recevoir les substrats meubles, granulaires ou fibreux. Ils comportent tous un ou des orifices permettant d’évacuer l’excédent de solution nutritive. Les conteneurs se classent en deux catégories selon qu’ils sont souples ou rigides.

Les conteneurs souples sont généralement placés sur le sol préalablement nivelé de façon à présenter une légère pente. Le substrat peut être conditionné en sacs plastiques qui sont disposés sur le sol de la serre ; des fentes dans le plastique sont ouvertes à la face supérieure pour mettre en place les plantes et sur le côté pour évacuer l’excès de solution nutritive. Pour les modules, une feuille plastique constitue les côtés et le fond d’un parallélépipède dont les arêtes sont des armatures métalliques; des fentes pour le drainage sont ménagées sur les parois latérales. Il est possible de réaliser un bac en plaçant un film plastique à même le sol entre deux planches; l’axe du bac est orienté perpendiculairement à la pente et une fente est ouverte au point bas. Lorsque la surface du sol est sensiblement horizontale, on place une feuille plastique dans une tranchée creusée avec une certaine pente pour l’écoulement de l’excès de solution nutritive, qui est collecté par un drain placé dans l’axe de la tranchée et enrobé dans un lit de galets.

Les conteneurs rigides peuvent être faits de plastique ou de béton. Les bacs en plastique, moins lourds, sont mobiles, à la différence des bacs en béton. Ceux-ci sont construits sur place. Une dalle de béton coulée à même le sol présente une double pente pour l’écoulement; les côtés sont constitués de planches en béton avec une lumière pour l’écoulement. Le bac peut être aussi plus ou moins surélevé par rapport au sol, la plaque de béton du fond reposant sur des allées bétonnées; le drainage est assuré par un espace existant entre les dalles tous les 50 cm. Les bacs peuvent aussi être construits à partir d’éléments préfabriqués. Ceux-ci, qui peuvent avoir la forme d’un U, sont placés côte à côte de façon à constituer une gouttière; le drainage s’effectue à la jonction entre deux éléments. D’autres possibilités existent aussi: deux plaques de béton dont la section est en L sont placées en regard l’une de l’autre; les plaques de fond reposent sur les petits côtés du L, etc.

Les bacs en béton présentent une grande résistance mécanique, ce qui permet de les conserver longtemps, mais ils rendent difficile un réagencement ultérieur de l’espace de la serre. Les conteneurs en plastique ne présentent pas cet inconvénient, mais leur durée est limitée. Tous les conteneurs permettent la mise en œuvre de la désinfection chimique, mais la vapeur d’eau ne peut être employée comme désinfectant que dans les bacs en béton.

Enfin, les conteneurs ne sont pas nécessaires lorsque le substrat est conditionné sous forme de blocs: cubes, parallélépipèdes. C’est le cas de la laine de roche et de la laine de verre dont les fibres maintenues ensemble par un liant sont comprimées dans un moule. Le film plastique qui enveloppe ces blocs n’est là que pour faciliter la manipulation, les fibres étant irritantes, et éviter en culture les pertes d’eau par évaporation.

Nutrition végétale en culture hors sol

En culture hors sol, les couches de substrat sont peu épaisses: de 7 à 15 cm, et le volume disponible pour le développement des racines, réduit. Par exemple, un plant de tomate dispose de moins de 10 l. Ces faits ont des conséquences au moins aussi importantes que celles qui tiennent au remplacement de la terre par des substrats.

Nous avons déjà signalé les incidences de la faible épaisseur du substrat sur sa rétention d’eau et son aération.

Si l’on compare dans les mêmes conditions les variations de température dans des substrats, dans un sol en place et dans la solution d’une culture sur film nutritif, on constate d’assez grandes différences. C’est pour la solution du film nutritif que les variations de température sont les plus accentuées et c’est l’inverse pour le sol en place. Les substrats occupent une position intermédiaire et, dans ce cas, amortissent moins les variations de température que le sol. Ces faits ont certainement plusieurs origines au nombre desquelles il faut compter la moindre capacité calorifique du substrat dont le volume dans une serre est moins important que le volume de terre.

Le volume de substrat disponible pour le développement des racines est réduit, ce qui entraîne des déformations du système radiculaire, les racines se concentrant à la périphérie du conteneur. En culture hors sol, le système radiculaire des plantes est confiné dans un volume restreint, sans commune mesure avec l’espace naturellement exploré par les racines. Il en résulte certainement une augmentation du rapport des masses entre parties aériennes et racines qui n’est pas préjudiciable au bon fonctionnement de la plante, si l’on en juge par les rendements enregistrés en culture intensive.

Alimentation en eau et nutrition minérale doivent être envisagées ensemble, car l’eau d’arrosage et la solution nutritive passent par les mêmes canalisations.

Schématiquement, le substrat peut être considéré comme un réservoir retenant de l’eau dans les pores suffisamment étroits pour exercer sur celle-ci une succion appréciable, ces pores ayant des largeurs différentes. L’eau est retenue avec d’autant plus d’énergie que les pores sont plus étroits. De ce fait, les racines commencent par absorber l’eau qui est la moins fortement retenue, c’est-à-dire celle qui est dans les pores larges, ensuite c’est l’eau des pores moins larges qui est absorbée et ainsi de suite. L’eau du substrat devient donc de plus en plus difficile à extraire, ce qui a pour conséquence une réduction de la production de matière végétale, comme on l’a constaté expérimentalement. En culture intensive, il importe donc que la succion à laquelle est soumise l’eau soit faible, ou en d’autres termes que l’humidité du substrat soit toujours élevée. On arrose donc dès que l’humidité du substrat devient légèrement inférieure à sa capacité en bac, ce qui implique des arrosages fréquents. Généralement, une fraction de l’eau apportée s’écoule par la base du conteneur.

L’eau est fournie par une installation d’irrigation fixe. Des asperseurs disposés sur une canalisation apportent l’eau en pluie sur toute la surface du substrat. La réduction du volume de substrat utilisé a conduit à une diminution de la section horizontale du conteneur. Cela a amené à apporter l’eau en un point de la surface du substrat par un tuyau fin d’arrosage au goutte à goutte. En fait, il ne s’agit pas d’un goutte à goutte stricto sensu qui n’utiliserait le substrat que pour le transfert en continu de l’eau du tuyau d’arrosage aux racines; les irrigations restent périodiques, ce qui implique d’utiliser entre chaque arrosage une fraction de la réserve en eau du substrat.

La consommation optimale d’eau du végétal varie considérablement d’une saison à l’autre, mais également au cours d’une journée. Il importe donc de déterminer les quantités d’eau à apporter. Pour déclencher une irrigation, on ne peut se baser sur l’aspect du végétal, la turgescence par exemple, car, lorsqu’une plante manifeste de tels signes, sa production est déjà affectée. Il faut donc utiliser d’autres moyens. Il est possible de mesurer la succion à laquelle l’eau est soumise dans le substrat au moyen d’un tensiomètre; l’irrigation commence alors dès que la succion atteint une certaine valeur. On peut également évaluer la demande en eau qu’est l’évapotranspiration potentielle, en la calculant à partir de la valeur de la radiation globale incidente, mesurée par une sonde. On peut aussi accéder directement à l’évapotranspiration en mesurant la quantité d’eau qui s’évapore d’un bac placé dans la serre. Juste après leur installation, les cultures annuelles consomment moins que l’évapotranspiration potentielle.

Par eux-mêmes, les substrats ne sont pas susceptibles de fournir d’éléments nutritifs aux cultures, à l’exception de substrats qui ont une capacité d’échange. Généralement, tous les éléments nutritifs sont apportés dans une solution avec laquelle on arrose le substrat. Ces éléments nutritifs sont directement assimilables parce que dissous dans l’eau. Cette solution, qui contient les éléments majeurs (N, P, K, Ca, Mg) et les microéléments, est préparée à partir de composés chimiques solubles de ces éléments. Cette solution est assez concentrée puisque la teneur en sels totaux est de l’ordre de 1,5 g/l, ce qui donne une conductivité électrique de 1 800 microsiemens . cm size=1^漣1. Pour éviter la précipitation des sels de phosphore, le pH de la solution doit être acide.

L’alimentation hydrique et la nutrition minérale sont souvent couplées dans ce qu’on convient d’appeler la fertirrigation . Elle consiste à arroser toujours avec une solution nutritive. Ce couplage ne va pas sans inconvénients puisque, du fait de l’absorption sélective par les racines, la consommation d’eau augmente plus en période chaude que la consommation d’éléments nutritifs. Il en résulte une concentration de la solution nutritive qui peut être préjudiciable à la culture. Par ailleurs, à certaines phases du cycle végétatif de la culture, certains éléments nutritifs sont absorbés préférentiellement. Cela justifie l’utilisation successive, au cours de la vie de la culture, de solutions de compositions différentes.

Comme une fraction de la solution s’écoule de la base du conteneur, on peut rejeter cet excès (solution perdue) ou le recueillir pour le réutiliser après ajustement de sa composition (solution recyclée); cette dernière façon de faire nécessite une analyse complète de la solution avant son ajustement.

Conception et conduite d’un dispositif de culture hors sol

Les performances d’un système de culture hors sol dépendent d’abord de la cohérence entre ses composants: substrat, conteneurs, dispositif de fertirrigation, serre, et ensuite de la façon de conduire l’ensemble. Les composants interagissent entre eux et ne peuvent être choisis indépendamment les uns des autres. Par exemple, la résistance mécanique des conteneurs doit être adaptée à la masse volumique du substrat. De même, la nature du substrat interagit avec le dispositif de fertirrigation. Si, dans un groupe de serres, il n’est pas possible d’irriguer fréquemment, le substrat doit avoir une capacité de réserve appréciable. De plus en plus, on a tendance à utiliser des substrats inertes qui ne modifient pas la solution nutritive. Ce faisant, on se prive d’une capacité d’échange qui, avec le pouvoir tampon qui en découle, limiterait les conséquences d’erreurs éventuelles dans la préparation des solutions ou du mauvais fonctionnement d’appareils.

En cours de culture, il importe d’utiliser la solution nutritive correspondant au stade de végétation de la culture. La composition de la solution nutritive au niveau des racines, ou, du moins, sa concentration globale en sels, doit être contrôlée journellement à certaines périodes pour éviter des concentrations élevées consécutives à des pointes d’évapotranspiration.

Par conséquent, la culture hors sol permet d’augmenter en production intensive la maîtrise de la nutrition minérale et hydrique. Elle exige, en plus de la serre, des investissements importants (substrat, conteneurs, dispositif de fertirrigation...) et nécessite une excellente technicité de l’horticulteur. De ce fait, elle est réservée à des productions à valeur marchande élevée, qu’il s’agisse de fleurs ou de légumes et de fruits produits hors saison.

Encyclopédie Universelle. 2012.