Sources de lumière et système d’éclairage pour agriculture en milieu contrôlé

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L’autosuffisance alimentaire

D’après l’Organisation des Nations Unies pour l’alimentation et l’agriculture (FAO), la sous-alimentation ou sous-nutrition fait référence à la situation des personnes dont l’apport énergétique alimentaire est en permanence inférieur au besoin énergétique alimentaire minimal (en moyenne 1900 calories par jour) pour mener une vie saine et pratiquer une activité physique modérée [8]. Malgréde nombreux progrès dans la lutte contre la faim, le nombre de personnes sous alimentées reste élevé. Les dernières estimations publiées indiquent que 795 millions de personnes dont près de 780 millions dans les régions sous développées étaienten sous-alimentation chronique pendant la période 2014-2016 [9]. La proportion de personnes sous alimentées dans la population ou prévalence de la sous-alimentation est passée de 18,6 % en 1990-1992 à 10,9 % en 2014-2016, ce qui montre que le nombre de personnes sous-alimentées est en diminution en dépit de la croissance de la population.
Les progrès accomplis pour améliorer la sécurité alimentaire varient suivant les régions et les pays. L’Asie du sud et l’Afrique subsaharienne représentent une proportion nettement plus importante de la sous-alimentation dans le monde (figure 1.2).
En Côte d’Ivoire, environ 12,6 % des ménages ruraux souffrent d’insécurité alimentaire. Globalement, le niveau d’insécurité alimentaire sévère reste faible (2,5 %) et l’insécurité alimentaire modérée touche 10,1 % des ménages [10].
Note: Les différents secteurs des diagrammes circulaires ont une taille proportionnelle au nombre total de personnes sous-alimentées pour chaque période. Les données pour 2014-2016 renvoient à des estimations provisoires. Tous les chiffres sont arrondis.
* Sont inclus les chiffres pour le Soudan qui ne sont pas compris dans ceux de l’Afrique subsaharienne, suite à la partition du pays quand le Soudan du Sud est devenu un État indépendant en2011.

La malnutrition

Le terme «malnutrition» signifie que la nourriture n’est pas assez équilibrée, c’est-à-dire qu’elle ne contient pas assez de vitamines, de sels minéraux, de protéines et de calories (hydrates de carbones et matières grasses). La malnutrition compromet la santé mentale et physique. Elle est la cause de retards de croissance qui touchent près de 147 millions d’enfants en âge préscolaire et de décès infantiles dans les pays sous-développés (figure 1.3) [11], [12].
L’éradication de la malnutrition implique l’enrichissement de la quantité et de la qualité (apports de nutriments essentiels) de la nourriture consommée et de maintenir un accès aux soins médicaux dans un environnement sain [11]. En Côte d’ivoire, Le taux moyen de malnutrition chronique au niveau national atteint 30 %. Dans le nord du pays, ce taux est encore plus élevé et atteint 40 %. Cette situation est liée aux effets des crises socio-politiques et au manque de personnel de santé. Par ailleurs, dans le nord, les conditions climatiques difficiles et les prix élevés des denrées alimentaires favorisent la pénurie alimentaire et la malnutrition [6].

Les problèmes de la filière agricole

La majorité des systèmes de cultures intensives reposent sur une mécanisation poussée et l’usage d’engrais chimiques, de pesticides, de fongicides et d’herbicides afin de maximiser la production. Ce mode de production assure un rendement important des cultures, permettant ainsi de nourrir une population mondiale de plus en plus nombreuse ; mais il met en péril la biodiversité et la santé humaine. La pollution des sols, des nappes phréatiques et des cours d’eau souterrains est en grande partie due à l’utilisation des pesticides et autres.
Par ailleurs, l’utilisation des pesticides engendre de nombreuses conséquences sur la santé que sont les empoisonnements, les maladies de la peau, les problèmes respiratoires, la stérilité, les cancers, l’asthme et les dysfonctionnements du système nerveux [13], [14]. Selon l’OMS, chaque année, 20.000 à 200.000 décès sont dus aux pesticides, surtout dans les pays en développement où environ un tiers des pesticides utilisés ne sont pas aux normes des qualités internationales [15].
En outre, la contamination des aliments par les métaux lourds, tels que le mercure ou le cadmium, est fréquente et crée des problèmesd’empoisonnement comme ce fut le cas avec la maladie itai-itai au Japon [16].

La pollution de l’environnement

Aujourd’hui, la pollution de l’environnement est un défi majeur pour l’humanité [17]. La pollution des sols, de l’air et des eaux a des conséquences néfastes sur la qualité de vie de tous les êtres vivants [18]. Avec le changement climatique, on a une amplification de la désertification, de l’érosion des sols qui ont pour conséquence la réduction des productions agricoles. L’augmentation de l’effet de serre (dû principalement à l’émission de CO2) et de la température sont les effets majeurs du changement climatique et ont également un impact négatif [19], [20]. Yang et al montrent dans leurs travaux que la Chine subira une réduction moyenne du rendement de la production de blé de -7,1 % d’ici 2100 [21].

La diminution des terres et des eaux pour l’agriculture

Le rapport de la FAO de 2011 sur l’état des ressources en terres et en eau pour l’alimentation et l’agriculture dans le monde souligne qu’un quart des terres de la planète sont très dégradées ou en cours de forte dégradation. La surface des terres cultivées dans le monde a augmenté de 12 % au cours des 50 dernières années. La surface des terres irriguées a doublé pendant la même période. Cette augmentation des terres cultivables pour des grandes productions a été favorisée par le développement des machines agricoles. Ces dernières années, les terres cultivables, sont en légère baisse du fait de l’intensification de la production. La figure ci-dessous montre l’évolution de la disponibilité des terres cultivables selon le niveau de développement des pays. Les pays développés connaissent une forte diminution des terres cultivables contrairement aux pays en développement qui en disposent. En effet, dans les pays développés, il y a une forte augmentation de la production agricole suite à la modernisation du secteur qui nécessite moins de main d’œuvre. Par ailleurs d’autres facteurs sont à considérer. Ce sont d’abord les facteurs économiques tels que la baisse des prix des denrées alimentaires et l’augmentation des salaires, puis le facteur démographique à savoir le vieillissement. En 2014, selon la FAO, la population dépendante principalement de l’agriculture pour gagner sa vie a diminué de 61 % en Europe et 40 % en Amérique du Nord entre 1961 et 2011 [22]. Dans les pays en développement disposant de terres cultivables en particulier les pays pauvres, la surexploitation des terres agricoles a occasionné la dégradation des ressources en terres et en eau et la détérioration des écosystème [23]. Les pays agricoles en développement rencontrent une légère diminution des terres cultivables. Dans ces pays, la main d’œuvre agricole a diminué nettement et les superficies des terres agricoles sont restées plus ou moins stables.
De façon générale, on rencontre les plus graves pénuries de terres et d’eau dans les pays où la demande en produits alimentaires est forte et en croissance. Ainsi, l’intensification de la production des terres agricoles déjà exploitées est une mesure optimale pour assurer la production agricole. Pour ce faire, il faut donc adopter des pratiques de gestion durable des terres (par exemple les jachères périodiques) et l’utilisation plus efficace de l’eau d’irrigation.

L’agriculture en milieu contrôlé

Le climat local peut limiter les conditions de bonne croissance des plantes (température, lumière, CO2,…). Les éléments météorologiques tels que le vent, la chaleur ou le froid peuvent entraver la croissance de certaines plantes cultivées à l’air libre. La culture en milieu contrôlé permet de s’afranchir des facteurs climatiques, ce qui n’est pas le cas pour la culture en plein air. Les cultures sous abri contribuent largement à la modernisation du secteur agricole par l’implémentation de nouvelles technologies. Parmi les avantages majeurs d’une telle production, nous avons : une production plus élevée grâce à la possibilité de contrôler les conditions climatiques de la culture et de favoriser la production à toutes les saisons ;
des garanties de récolte liées à l’absence de risques climatiques (grêle, inondations, etc.) ;
une augmentation du rendement et de la qualité de la récolte ;
une précocité de la production ;
une réduction de l’utilisation de pesticides (fongicides, insecticides, etc.).
Avant de commencer un projet d’installation de serre, des conditions sont requises :
· climat (température optimale, ensoleillement conséquent) ;
· sol (le sol doit contenir les principaux éléments nutritifs pour la plante) et eau (avoir suffisamment d’eau d’irrigation de bonne qualité) ;
· topographie (terrain plat, non exposé au vent violent,…).
Le choix du matériau de revêtement de la serre cons titue la partie la plus importante de la serre. C’est le principal élément responsable des pertes d’énergie à l’intérieur de la serre [24]. Plusieurs matériaux de recouvrement sont disponibles notamment le verre et le polyéthylène [24]. Du point de vue de la transmission lumineuse, le verre est le meilleur matériau. Sa capacité de rétention du rayonnement infrarouge lui permet de provoquer au mieux l’effet de serre. Cependant, du fait de son poids, il nécessite une structure de soutien importante qui crée de l’ombrage et a un coût élevé. Quant au polyéthylène, il est robuste, flexible et permet une structure légère. Sa transmission de la lumière est bonne et son action diffusante élimine les ombrages directs au sol causés par la structure. La pose facile d’un film de polyéthylène et son faible coût en font un des matériaux les plus utilisés comme revêtement de serre. Par contre, son incapacité à r etenir le rayonnement infrarouge ne lui confère pas l’effet de serre que possède le verre.

Les principales photoréponses de la plante

La lumière influence les différentes phases de croissance de la plante. Il existe deux types de rayonnement efficace pour les plantes : le rayonnement physiologiquement actif et le rayonnement photosynthétiquement actif (PAR). Ces deux types de rayonnement couvrant la bande de spectre de 300 à 800 nm sont physiologiquement efficaces pour la photosynthèse, la biosynthèse de pigments, le photopériodisme, le phototropisme et la photomorphogenèse [27]. Le rayonnement physiologiquement actif est divisé en cinq bandes de longueur d’onde (figure 1.7) [28].

La photosynthèse

La vie sur terre dépend de l’énergie lumineuse : les végétaux convertissent cette énergie en énergie chimique. Ce processus s’appelle la photosynthèse. C’est la fabrication de matière carbonée organique à partir d’eau et de carbone minéral (CO2) en présence de lumière (équation 1.1) :
La photosynthèse se déroule surtout dans le mésophile, tissu interne des feuilles. Le CO2 et l’O2 entrent et sortent des feuilles par des pores microscopiques appelés stomates. Ces derniers sont des cellules qui contiennent les chloroplastes à l’intérieur desquels se trouvent les thylakoïdes (figure 1.8).
Les pigments photosynthétiques qui absorbent l’énergie lumineuse se trouvent dans les thylakoïdes. Le pigment principal, la chlorophylle A (Chl-a) récupère une partie de l’énergie lumineuse absorbée par les pigments accessoires (chlorophylle B, caroténoïde). Ceci permet donc à la plante d’absorber la lumière sur une large bande spectrale. L’intensité de la photosynthèse ou spectre d’action photosynthétique (figure 1.9) montre que la plante absorbe plus les lumières bleue et rouge principalement au niveau des pics d’absorption de la chlorophylle A.
En 1972, McCree a étudié l’efficacité des longueurs d’onde sur l’activité photosynthétique de 22 espèces de plantes en mesurant le taux de CO2 dégagé par ces plantes suivant la longueur d’onde. Il a pu établir la réponse photosynthétique moyenne des plantes nommée courbe RQE (efficacité quantique relative) [32].
La courbe de rendement quantique ou courbe de McCree montre l’impact de la qualité de la lumière sur la photosynthèse. Les photons rouges et oranges ont un rendement photosynthétique plus important que les photons bleus. Ainsi, outre la quantité de photons émise par une lampe horticole, l’enveloppe spectrale, en fonction des différentes longueurs d’onde, est également très importante.

Le photopériodisme

Le photopériodisme est le rapport entre la durée du jour et la durée de la nuit. Ce paramètre est un facteur écologique qui joue un rôle prépondérant sur les végétaux et les animaux. Ce terme a été inventé par les botanistes américains Whigtman Garner et Henry Allard en 1920. Le photopériodisme impacte essentiellement la durée de la floraison. Il permet, dans ce sens, de définir deux types de plantes : les plantes de jours longs (éclairage supérieur à 12 h) et les plantes de jours courts (éclairage inférieur à 12 h).

La photomorphogenèse

La croissance des plantes, de la semence à la floraison, dépend beaucoup du rayonnement électromagnétique auquel elles sont exposées. Ce processus de développement est appelé photomorphogenèse. Par rapport à la photosynthèse, elle utilise de faibles quantités de lumière (qui jouent un rôle de signal plutôt que de source d’énergie). L’absorption d’un rayonnement d’une certaine longueur d’onde par le photorécepteur, le phytochrome est responsable de cette photoréponse. Le phytochrome se présente sous deux formes selon la longueur d’onde qu’il absorbe :
Pr (pour « red») : la forme inactive, dont le maxi mum d’absorption se situe à 660 nm,
Pfr (pour «far red», rouge lointain) : la forme ac tive, dont le pic d’absorption se situe à 720 nm.
Ces deux formes sont photoconvertibles. En effet, le phytochrome passe de Pr à Pfr sous l’action de la lumière à 660 nm. L’absorption de la lumière à 720 nm provoque la réaction inverse.

Sources de lumière et système d’éclairage pouragriculture en milieu contrôlé

Nature de la lumière

La lumière est la partie du spectre des ondes électromagnétiques sensibles à l’œil humain. Elle est donc capable d’exciter la rétine de l’œil et de créer une sensation visuelle. Elle est comprise entre l’ultraviolet (380 nm) et le proche infrarouge (780 nm) comme le présente la figure 1.11. Le rayonnement d’une source lumineuse est une émission d’énergie composée de plusieurs radiationsmonochromatiques.
La lumière, comme tout rayonnement électromagnétique, transporte une énergie E. Cette énergie E d’une particule de lumière, nomméephoton, est proportionnelle à sa fréquence. Ainsi, les photons dans les courtes longueurs d’onde portent plus d’énergie que ceux des grandes longueurs d’onde (équation 1.2) : E hν (1.2).
E : énergie transportée par la lumière
h : constante de Planck (h= 6,62·10–34J·s)
ν : fréquence de la lumière
c : célérité de la lumière (dans le vide, c = 2,98·108 m·s-1)
λ : longueur d’onde en nm
Si la lumière permet principalement à l’homme de voir les couleurs, elle est pour certains êtres vivants tels que les plantes une sou rce d’énergie ou de signaux.

Systèmes de quantification de la lumière adaptés aux plantes

Il existe trois principaux systèmes de mesure de la lumière à savoir la radiométrie, la photométrie et le système quantique [34]. La photométrie n’est pas adaptée à l’étude de la quantification de la lumière au niveau de la photosynthèse car basée sur la sensibilité à la lumière de l’œil humain qui diffère de celle des plantes. Dans ce paragraphe, nous présentons les 2 systèmes adaptésaux plantes. Nous aborderons aussi le système phytométrique qui est un système déali pour les plantes mais qui reste néanmoins théorique car il n’existe pas d’instrument de mesure conçu pour ce système.
Pour une source électromagnétique donnée, la distribution de la quantité spectrale Q de la source est donnée par l’équation suivante : Q ! R λ · Q · dλ (1.3).
Qλ : Energie spectrale électromagnétique de la sourcepar unité de longueur d’onde,
R(λ) : Réponse du capteur.

Le système radiométrique

La radiométrie permet la mesure des grandeurs énergétiques caractérisant une source. Ce système est commun et est à la base de la quantification des ondes électromagnétiques (visible ou non) [34]. Les unités sont indépendantes de tout récepteur biologique. Dans ce système, la réponse déalei ou réelle du capteur en fonction de la longueur d’onde est R(λ) = 1. On définit l’éclairement énergétique par l’équation 1.4 : E ! E, · dλ (1.4) où E e,λ est en W·m-2·nm-1 et E en W·m-2.

Table des matières

1.1 Contexte de la recherche
1.1.1 Croissance démographique mondiale
1.1.2 La sécurité alimentaire
1.1.3 Les problèmes de la filière agricole
1.2 L’agriculture en milieu contrôlé
1.2.1 La serre agricole
1.2.2 Usine de plantes
1.3 Les principales photoréponses de la plante
1.3.1 La photosynthèse
1.3.2 Le photopériodisme
1.3.3 La photomorphogenèse
1.4 Sources de lumière et système d’éclairage pour agriculture en milieu contrôlé
1.4.1 Nature de la lumière
1.4.2 Systèmes de quantification de la lumière adaptés aux plantes
1.4.3 Les sources de lumière
1.4.4 Systèmes d’éclairage pour agriculture en milieu contrôlé
2.1 Généralités sur la spiruline
2.1.1 Qu’est-ce que la spiruline?
2.1.2 Situation de la culture de spiruline dans le monde
2.1.3 Composition de la spiruline
2.2 Les applications de la spiruline
2.2.1 Valeurs nutritionnelles de la spiruline
2.2.2 Applications médicinales de la spiruline
2.3 Culture de la spiruline
2.3.1 Milieu et conditions de culture
2.3.2 Les systèmes de culture
2.3.3 Les méthodes de suivi de croissance de la spiruline en milieu contrôlé ..
3.1 Matériel et méthodes
3.1.1 Optimisation des spectres des LEDs
3.1.2 Mesure des spectres et des valeurs des PPFD des LEDs
3.1.3 Méthode de calcul de l’efficacité de l’éclairage
3.2 Résultats et discussions
3.2.1 Variation de la largeur spectrale à mi-hauteur en fonction de l’intensité du courant électrique
3.2.2 Variation des PPFD de la LED 660 nm en fonction de l’intensité du courant électrique
3.2.3 Ajustement de la courbe RQE avec les fonctions Gaussiennes et de Pearson VII
3.2.4 Validation du modèle numérique
3.2.5 Ajustement de la courbe RQE dans la région du PAR
3.2.6 Efficacité de l’éclairage pour la croissance des plantes
4.1 Matériel et méthodes
4.1.1 Conditions de culture
4.1.2 Paramètres optimisés
4.1.3 Les différentes grandeurs mesurées
4.2 Résultats et discussions
4.2.1 Croissance de la spiruline pour différentes intensités lumineuses
4.2.2 Evolution de la biomasse en fonction du temps d’éclairage
4.2.3 Evolution de la biomasse en fonction de la concentration initiale
4.2.4 Evolution de la biomasse de spiruline en fonction de la température
5.1 Matériel et méthodes
5.1.1 Conditions de culture
5.1.2 Mesure de la concentration de biomasse
5.1.3 Méthodes de mesures mise en oeuvre pour estimer la biomasse de spiruline
5.2 Résultats et discussions
5.2.1 Evolution de la biomasse dans le temps pour le test des mesures de biomasse
5.2.2 Evolution de la biomasse sèche en fonction des densités optiques
5.2.3 Evolution de la biomasse en fonction du signal de réflectance
5.2.4 Evolution de la biomasse en fonction du NDVI

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