Détermination de l'intégrale de lumière quotidienne (DLI) optimale pour la culture intérieure de laitue iceberg dans un système hydroponique vertical indigène

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 10923 (2023) Citer cet article

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La culture de laitue en intérieur dans un système hydroponique vertical (VHS) sous éclairage artificiel est un processus énergivore qui entraîne un coût énergétique élevé. Cette étude détermine l'intégrale de lumière quotidienne (DLI) optimale en fonction de la photopériode sur les paramètres physiologiques, morphologiques et nutritionnels, ainsi que l'efficacité d'utilisation des ressources de la laitue iceberg (cv. Glendana) cultivée dans une VHS intérieure. Les semis ont été cultivés au cours d'une photopériode de 12 h, 16 h et 20 h avec une densité de flux photonique photosynthétique (PPFD) de 200 µmol m−2 s−1 à l'aide de lumières LED blanches. Les résultats obtenus ont été comparés à des VHS sans lumière artificielle à l'intérieur de la serre. Les valeurs DLI pour 12 h, 16 h et 20 h étaient respectivement de 8,64, 11,5 et 14,4 mol m−2 jour−1. Le poids frais des pousses à la récolte a augmenté de 275,5 à 393 g tandis que le DLI augmentait de 8,64 à 11,5 mol m−2 jour−1. Un DLI de 14,4 mol m−2 jour−1 a eu un impact négatif sur le poids frais, le poids sec et la surface foliaire. Le passage de la VHS sans lumière artificielle à la VHS avec lumière artificielle a entraîné une augmentation du poids frais de 60 %. Une efficacité d'utilisation de l'eau significativement plus élevée de 71 g FW/L et une efficacité d'utilisation de l'énergie de 206,31 g FW/kWh ont été observées sous un DLI de 11,5 mol m−2 jour−1. L'étude recommande un DLI optimal de 11,5 mol m−2 jour−1 pour la laitue iceberg cultivée dans un système hydroponique vertical intérieur.

La population mondiale devrait atteindre 9,7 milliards d’ici 2050, dont 70 % vivront dans des zones urbaines1, ce qui mettra à rude épreuve les infrastructures urbaines. D'ici 2023, l'Inde devrait dépasser la Chine en tant que pays le plus peuplé du monde, avec une croissance démographique plus rapide d'ici 20502,3. Les effets du changement climatique, l’épuisement des ressources naturelles et l’urbanisation accrue entraîneront une diminution des terres disponibles pour l’agriculture. Les effets du changement climatique sur les rendements agricoles impliquent que les réductions de rendement pourraient atteindre jusqu'à 60 % d'ici la fin du siècle, selon le type de culture, la région et le futur scénario de changement climatique4. Pour relever ces défis, des techniques de culture modernes telles que l’agriculture verticale doivent être pratiquées afin de garantir la sécurité alimentaire5,6. Ces systèmes peuvent faire pousser plus de plantes par unité de surface que les méthodes de culture traditionnelles, ce qui entraîne une production agricole plus élevée. Ceci est accompli en établissant la production agricole dans la dimension verticale7. L’agriculture verticale peut être pratiquée dans des serres et des usines de plantes, deux des formes typiques d’agriculture en environnement contrôlé8,9.

La laitue est l’une des cultures les plus importantes commercialement cultivées dans le monde. La laitue est la culture idéale pour l’agriculture verticale en raison de son cycle de croissance court, de sa faible demande énergétique, de sa croissance plus rapide, de son faible nombre de calories, et elle contient également des niveaux importants de fibres, de minéraux et de vitamines, en plus de substances bioactives bénéfiques10. La laitue Iceberg et la laitue des Grands Lacs sont deux des variétés de laitue pommée les plus couramment cultivées en Inde. Après la Chine et les États-Unis, l’Inde est le troisième producteur mondial de laitue, représentant 14 % de la superficie totale ensemencée dans le monde mais ne produisant que 4,1 % de la production totale11. Il existe donc un besoin croissant d’augmenter la production et la productivité de la laitue en Inde en utilisant des techniques modernes de culture intensive telles que l’agriculture verticale.

La lumière est l’une des variables environnementales les plus importantes dans l’agriculture verticale ; elle influence le développement des plantes et régit leur activité en fonction de la quantité, de la qualité et de la direction de la lumière12,13. La lumière peut être émise naturellement par le soleil, subir une transformation spectrale ou même être redirigée. La principale source d’énergie pour les cultures traditionnelles est la lumière du soleil, et la lumière que les plantes captent dans un environnement naturel est fluctuante et complexe14. Par temps nuageux et surtout en hiver, les plantes reçoivent beaucoup moins de lumière que celle nécessaire à leur croissance et à leur développement normaux. Les lampes de culture artificielles peuvent être utilisées comme lumière supplémentaire lorsque l’ensoleillement naturel est insuffisant, et les lampes de culture sont la seule source de lumière pour les fermes verticales intérieures équipées de lumières artificielles15,16. L’éclairage artificiel génère un rayonnement qui sert à la fois de source d’énergie pour la photosynthèse et de signal biologique pouvant modifier la morphologie et la qualité des plantes. Pour une production intérieure efficace tout au long de l’année de cultures à haut rendement, il est important de maximiser la croissance des plantes sous un éclairage artificiel tout en réduisant simultanément les dépenses17,18,19. Les LED ont l’efficacité de rayonnement photosynthétiquement actif (PAR) la plus élevée de toutes les sources de lumière artificielle. Ils permettent également d’atteindre le niveau optimal d’irradiation en termes de production de biomasse et de coûts énergétiques globaux20. Des études antérieures21,22 ont montré que les plantes cultivées sous une combinaison de LED rouges et bleues paraissent rougeâtres, ce qui rend difficile l'identification des signes de maladie et de problèmes de croissance. Il n’y a eu aucun changement significatif dans toutes les caractéristiques physiologiques et de rendement des plants de laitue entre les LED blanches et les ampoules fluorescentes blanc froid. Cependant, les LED blanches consommaient moins d’électricité, ce qui indique qu’elles pourraient remplacer efficacement les ampoules fluorescentes classiques23,24.