Nutrition

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Contrôle de l’équilibre hydrominéral et recyclage des solutions nutritives

L’eau et les éléments minéraux

La composition d’une solution nutritive est clairement définie pour chaque espèce, voire pour chacun de ses stades phénologiques. Les équilibres présentés satisfont aux besoins de la tomate. Toute modification peut nuire à l’absorption racinaire, en raison notamment des antagonismes entre espèces chimiques (K-Ca ; K-Mg ; Ca-Mg ; Ca-[B, Cu, Mn, Fe] ; P-Zn ; Fe-Mo).

Composition moyenne pour les macro-éléments, culture de tomate (meq/L)

Composition moyenne pour les oligo-éléments, culture de tomate

La plante modifie, dans les proportions et les concentrations, la solution du milieu qui lui est offerte. Ces modifications sont dues à la différence de composition entre la solution nutritive apportée, et la solution effectivement absorbée par le végétal du fait de son activité métabolique. En plein champ, la solution du sol est en équilibre avec les colloïdes minéraux et organiques. Ils adsorbent à leur surface la plupart des éléments minéraux indispensables, constituant ainsi une réserve temporaire. Quand la plante prélève des éléments, elle déplace l’équilibre chimique. Les colloïdes rétablissent cet équilibre en libérant les mêmes éléments.

En culture hors sol, les équilibres fournis aux plantes ont été optimisés pour donner le meilleur rendement. Pourtant, ils sont modifiés par le passage sur la culture. Il y a deux raisons qui expliquent ce phénomène.

  • Les besoins des plantes varient de minute en minute en fonction des conditions climatiques. La solution nutritive couvre les besoins globaux, mais n’est pas adaptée en continu aux besoins du végétal.

  • L’équilibre qui convient le mieux au fonctionnement de l’absorption racinaire ne correspond peut être pas à l’équilibre réellement prélevé par les racines.

En hors sol, les solutions nutritives ne possèdent aucune réserve minérale. Un déséquilibre dans l'alimentation de la plante se traduit par une variation de la salinité de la solution nutritive. En pratique, la salinité, ou teneur en sels, n’est pas directement mesurée. On préfèrera suivre un paramètre plus facilement mesurable : la conductivité électrique ou électroconductivité (Ec). Elle se définit comme l’aptitude de la solution nutritive à conduire le courant électrique. Ce phénomène est directement lié à la présence d’ions provenant de la dissociation des sels dans ce milieu.

Les variations de salinité perturbent l’alimentation hydrique. Une diminution de 20 à 30 % de la teneur en eau d’un végétal entraîne une forte diminution de sa croissance et de son rendement, qualitatif et quantitatif.

  • Une électroconductivité élevée provoque des accidents physiologiques comme la « coulure » des bouquets ou le blossom-end-rot sur tomate. Les tiges sont plus courtes et les boutons plus petits pour le rosier. Une salinité excessive a pour effet de réduire l'ouverture des stomates de la plante. Comme ils régulent les échanges gazeux plante/atmosphère, l'assimilation de gaz carbonique, donc la photosynthèse, peut ainsi diminuer. Or celle-ci joue un rôle primordial dans la production de biomasse. Puisque la salinité totale est limitée, l’accumulation d’éléments non indispensables (Na, Cl…) se fait au détriment des éléments indispensables.

  • De même, un seuil inférieur de salinité (Ec) en dessous duquel il ne faut pas chuter est à respecter pour assurer productivité et qualité (cas de la rigidité des tiges florales, de la fermeté de la tomate, de la teneur en sucre du melon).

Effets de l’état hydrique sur la tomate

L’évolution de la composition de la solution nutritive affecte également un autre paramètre facilement mesurable : le potentiel hydrogène ou pH. Cette grandeur sans dimension caractérise l’acidité ou la basicité de la solution nutritive. Un pH élevé (pH > 7,2) est responsable d’une mauvaise disponibilité en phosphates et de carences en bore, fer et manganèse. Plus généralement, la disponibilité des ions est liée au pH.

La plupart des suivis ne sont effectués que par des mesures d'électroconductivité et de pH. Ils mettent en évidence une augmentation des valeurs de ces deux paramètres. En recyclage, le pH est généralement supérieur de 0,5 à 1 unité.

Il faut cependant se méfier de ces mesures. Le pH donne une indication sur l’acidité de la solution, mais ne donne aucune information sur l’équilibre ionique qui la constitue. De même, les mesures de conductivité sont à prendre avec précautions. Deux solutions nutritives de composition différentes peuvent avoir une électroconductivité identique. Une bonne valeur de conductivité peut donc masquer un déséquilibre dans la composition minérale de la solution nutritive. Il est donc indispensable d’accéder à la composition ionique détaillée des solutions.

Des analyses plus précises montrent l'accumulation ou la disparition de certaines espèces chimiques en système recyclé, indépendamment du climat et de la culture.

  • Espèces chimiques indispensables dont l’accumulation a été constatée
    • Les sulfates
    • Le calcium
    • Le magnésium
    • Les nitrates
    • Le fer

  • Espèces chimiques dont la disparition a été constatée
    • Les phosphates
    • Le potassium
    • Les oligo-éléments

  • Espèces chimiques non indispensables dont l’accumulation a été constaté          
    L’accumulation de ces éléments pose un grave problème. Ils contribuent à l’augmentation de la conductivité électrique. Cette dernière ne peut augmenter indéfiniment sans nuire au végétal. La place prise par ces éléments l’est aux dépens des éléments minéraux indispensables. Les accumulations constatées sont les suivantes :
    • Le sodium : Le tableau ci-dessous montre une accumulation en chlore et en sodium sur une culture de gerbera. Cette accumulation est responsable de la diminution de la surface foliaire et d’une baisse de la production de fruits chez la tomate.
    • Le chlore.

Accumulation du chlore et du sodium

La composition de l'eau d'irrigation peut parfois rendre le recyclage impossible. Le tableau suivant présente les teneurs limites à ne pas dépasser dans l’eau d’irrigation en fonction de son utilisation. L'utilisation de l'eau de pluie peut être envisagée pour rendre possible le recyclage. Aux Pays-Bas sa récupération permet d’éviter d'apporter des éléments susceptibles de s'accumuler lors du recyclage (Na, Cl...). Il faut alors éviter les contaminations potentielles en zinc et en cuivre lors du contact avec la toiture. Plus généralement, le plastique est préconisé pour les parties de l'installation au contact direct de la solution nutritive.

Qualité de l'eau d'irrigation utilisée en culture hors sol sur substrat

Une eau d'irrigation de composition défavorable peut toutefois être recyclée à condition de changer partiellement ou intégralement la solution circulante tous les 1 à 3 mois.

La consommation en eau de la serre est égale aux apports d’eau d’irrigation. En système fermé, la totalité de cette eau est absorbée par les plantes puisque les excédents sont recyclés. En système ouvert, il faut soustraire à cette quantité l’ensemble des drainages pour obtenir le prélèvement de la culture. En système recyclé, les mesures montrent qu’une culture de tomates absorbe plus d'eau. Toutefois, la consommation totale en eau est diminuée de 30 %, et celle des engrais de 50 %. La plante prélève donc en proportion plus d’eau que d’engrais. En moyenne sur l'année, la solution drainée est plus concentrée que la solution incidente.

Economie d'eau et d'engrais en système recyclé

Le recyclage des solutions nutritives entraîne des changements dans la conduite de la culture. L’augmentation du taux de drainage à 35-40% est nécessaire pour éviter l’accumulation des éléments dans les pains et éviter de brusques variations de la composition de la solution qui y séjourne. Ces évolutions varient en rapidité et en intensité suivant les caractéristiques du substrat utilisé.

Incidence de la Capacité d’Echange Cationique des substrats en recyclage

L’oxygène

Pour augmenter le taux de drainage, il faut augmenter les apports de solution nutritive. Mais l’efficacité du système est limitée par la nécessité d’aérer les racines. Moins le substrat contient d’eau, plus l’oxygénation, obligatoire, de ces dernières est importante.

Les composés organiques

Les plantes libèrent des quantités considérables de carbone organique par l'intermédiaire des exsudats racinaires (acide benzoïque, acide caféique, acide p.coumarique, acide ferulique, acide p.hydroxybenzoïque, acide palmitique, acide phényl-acétique, acide phtalique, acide vanillique...). D'une façon générale, chaque métabolite formé ou transporté dans les tissus racinaires peut être libéré dans le milieu extérieur. D'après les résultats de quelques travaux, les exsudats racinaires ne semblent pas pénaliser la croissance de la plante. Les exsudats solubles comme les sucres ou les acides organiques sont des sources d'énergie et de carbone d'une importance vitale pour les micro-organismes de la rhizosphère. Cependant, d'autres composés ayant une importance nutritive moindre comme les acides phénoliques sont aussi libérés ; s'ils s'accumulent, ils peuvent devenir phytotoxiques (ex. acide férulique entre 100 et 200 µM sur laitue). Dans les systèmes de culture hors sol, une large population de bactéries non pathogènes doit probablement agir comme un facteur de stabilisation, gardant la quantité de carbone organique dissous basse. La composition des exsudats peut changer avec l'état de la plante et du milieu (pH, stress, déséquilibre nutritif, stade physiologique...) les rendant plus toxiques. La désinfection des solutions nutritives par oxydation (peroxyde d'hydrogène, chlore actif, UV...) doit détruire une partie de ces exsudats.

Les techniques de désinfection basées sur des réactions d'oxydation comme l'UV, l'ozone, le peroxyde d'hydrogène, le chlore actif ont en commun le même mode d'action : elles détruisent les protéines des bactéries, des virus et des champignons. Ces protéines sont constituées d'acides aminés. Les agents chélatants sont, sur le plan chimique, des composés très proches de celles-ci (amino-carboxylates). En conséquence, une destruction partielle des chélates est inévitable durant la désinfection par ces procédés, les métaux liés à ces chélates donnant lieu à des réactions de précipitation après désinfection. Il faudra donc envisager plusieurs points.

  • Désinfecter le drainage et non pas la solution nutritive et laisser un temps de contact suffisant pour que les agents oxydants perdent leur activité et se retrouvent à l'état de trace avant injection du drainage dans la station de fertirrigation.

  • Filtrer la solution après désinfection.

  • Augmenter la dose d'injection des éléments détruits.

Le recyclage conduit à une modification de l’équilibre de la solution nutritive. Cette altération se traduit le plus souvent par une augmentation de l’électroconductivité. Elle résulte de la différence entre l’offre (solution nutritive) et la demande (absorption racinaire). Pour l’heure, il n’existe aucune technique permettant de contrôler la composition de la solution recyclée. Les producteurs sont donc contraints d’envoyer la solution nutritive en excès sans pouvoir la réutiliser. Cette pratique génère une perte économique (surconsommation d’eau et d’engrais) ainsi qu’une pollution de l’environnement.

La protection de l’environnement

L'eau

L’irrigation (agriculture au sens large) mobilise un prélèvement d’environ 5 Gm3/an (5.109 m3/an) au niveau national. Il est voisin de celui qui est effectué pour assurer les besoins domestiques. La différence évidente, mais radicale dans ses conséquences hydrologiques, est que dans le premier cas le prélèvement est pour l’essentiel consommé par l’évapotranspiration, alors que dans le second, il retourne très majoritairement à l’hydrosystème. Cet effet de fonctionnement des couverts végétaux détermine fortement la ressource disponible pour alimenter les écoulements terrestres, reconstituer les réserves souterraines et pourvoir aux différentes catégories d’usage. Sur un volume total de 440 Gm3 apporté au territoire par les précipitations, 270 Gm3 sont évapotranspirés au niveau des organes foliaires et secondairement évaporés à la surface du sol. En simplifiant grossièrement, la production agricole, qui utilise 55 % de la surface du territoire, représente une proportion de même ordre de cette consommation.

Schématiquement, on peut estimer à partir des données précédentes qu’un hectare de culture hors sol (10 000 m3/an) prélève 60 fois plus d’eau d’irrigation qu’un hectare agricole. La culture hors sol consomme donc 0,24 % des prélèvements d’eau destinés à l’agriculture pour une surface de 0,004 % de la SAU.

Estimation du rapport de consommations d’eau entre l’agriculture classique et les cultures hors sol

Les nitrates

L'impact sanitaire des nitrates, principalement lié à leur transformation en nitrites dans l'organisme est bien connu. Ces nitrites sont d'une part susceptibles de se combiner à l'hémoglobine pour donner naissance à la méthémoglobine impropre au transport de l'oxygène dans le sang et d'autre part de réagir avec les amines ou les amides pour donner des nitrosamines suspectées d'être cancérigènes. La dose admissible de nitrates ingérés a fait l'objet d'une recommandation du comité FAO/OMS, confirmée par le Conseil Scientifique de l'alimentation humaine en février 1991. Elle est de 3,65 mg/kg de poids corporel et par jour.

Une enquête du Ministère de la Santé en 1990 révèle que ce sont les légumes qui sont la principale source de nitrates dans l'alimentation humaine, soit 45 % de l'apport global, et 22 % pour l'eau de boisson. Certains légumes comme les salades atteignent 2 à 4 g de NO3-/kg. La réduction bactérienne transforme les nitrates en nitrites. Raisonner la fertilisation azotée des cultures est nécessaire tant par le souci de préserver l'environnement que pour garantir la sécurité alimentaire.

La réglementation

« L'eau fait partie du patrimoine commun de la Nation » (loi n°92-3 du 3 janvier 1992, J.O. du 4 janvier 1992).

La directive du Conseil de l’Europe 31-12-1991 (91-676/CEE, n°L375/1-375/5) porte sur la protection des eaux de surface ou souterraines contre la pollution par les nitrates d’origine agricole. Elle définit des zones critiques (vulnérables) qui seront déterminées selon la qualité des eaux (teneur en nitrates, état d’eutrophisation). Un code de bonnes pratiques agricoles est décrit. Pour les nitrates, le COPREN (Comité d’Orientation Pour la Réduction de la Pollution des Eaux par les Nitrates) gère ces problèmes au niveau français. Les directives parues au J.O. de la République Française du 12-1978 et du 10-1989 réglementent la teneur en pesticides et en nitrates des eaux potables. Les résidus de pesticides sont limités à 0,1 µg/L pour chaque pesticide ou à 0,5 µg/L pour l’ensemble, la concentration en nitrates dans l’eau à 50 mg/L pour qu’elle soit déclarée potable. Le décret paru au J.O. de la République Française du 27-08-1993 n°93-1038 sur la protection des eaux de surface ou souterraines contre les pollutions par les nitrates d’origine agricole établit l’inventaire des zones vulnérables et le code des bonnes pratiques agricoles. La réglementation a été modulée pour protéger les zones les plus vulnérables à la pollution par les nitrates. L’exploitant a donc intérêt à connaître sa zone de classement, fixée par arrêté préfectoral.

L’arrêté paru au J.O. de la République Française du 22-11-1993 est relatif au code des bonnes pratiques agricoles. Le décret paru au J.O. de la République Française du 3-06-1994 n°94-469 et l’arrêté du 23-11-1994 pris en application, définissent les zones sensibles (assainissement collectif ou non), ainsi que les « masses d’eau » sensibles à la pollution (lacs, rivières, mers…). L’arrêté prévoit de délimiter des bassins appelés zones sensibles par arrêtés préfectoraux. Le décret paru au J.O. de la République Française du 12-06-1996 n°96-540, est relatif au déversement et à l’épandage des effluents d’exploitations agricoles. L’article 1 mentionne : « Le déversement direct des effluents d’exploitation agricole dans les eaux superficielles, souterraines ou les eaux de la mer est interdit ».

La loi sur l’eau du 3 janvier 1992 a créé 2 outils : le Schéma Directeur d'Aménagement et de Gestion des Eaux (SDAGE), qui fixe les obligations de gestion et de protection pour l'ensemble d'un bassin et le Schéma d'Aménagement et de Gestion des Eaux (SAGE), qui a pour but de rassembler les acteurs d'un bassin "élémentaire" autour d'un projet commun puis, ultérieurement, de fonder la Communauté Locale de l'Eau (CLE) qui sera l'organisme fédérateur de la gestion commune de cette ressource au profit de tous les usagers, présents et futurs.

Actuellement, l'intégration des activités agricoles dans le système des Agences de l'Eau est en cours : dès l'an 2001, toutes les installations seront soumises à une taxation sur les excédents d'azote rejetés. Les exploitations agricoles auront à justifier de l'équilibre élémentaire de leurs exploitations pour éviter la taxation des excédents d'azote. Les exploitations taxées pourront néanmoins, en contrepartie, bénéficier d'aides leur permettant de limiter, voire d'annuler ces excédents. Par contre, les produits phytosanitaires supporteront des taxes.

Aux Pays Bas, l’objectif fixé en 1992 était que 100 % des serres fonctionnent en système recyclé en l’an 2000.

Les alternatives au recyclage

En dehors du recyclage, les solutions techniques au problème de pollution par les solutions nutritives dans le cadre réglementaire sont très limitées :

  • Réutilisation du drainage pour irriguer d'autres cultures, de plein air ou sous abri. Se posent alors les problèmes de collecte, de stockage, des exigences des cultures réceptrices et de l’évolution qualitative, voire parasitaire de la solution.

  • Passage dans une unité de traitement, mais cette option demeure très coûteuse.

  • Rejet des eaux récupérées dans un réseau aboutissant à une station d'épuration, communale ou industrielle. Il faut bien sûr l’autorisation de l'exploitant de la station. La composition des eaux (notamment richesse en ions oxygénés) doit être compatible et les produits phytosanitaires contenus ne doivent pas être préjudiciables au fonctionnement de la station.

Le déversement direct des effluents d’exploitation agricole dans les eaux superficielles, souterraines ou les eaux de la mer est interdit. Les solutions techniques restent anecdotiques, à l’exception du recyclage de la solution nutritive sur sa culture d’origine.

Modélisation du fonctionnement des installations de recyclage

Le procédé de recyclage s’adapte sur l’installation existante. Le niveau d’investissement amène à distinguer 4 systèmes de recyclage.

  • Le premier système, sans automatisme, avec un contrôle de la concentration globale possible, donne un recyclage partiel : le drainage résultant de la fertirrigation est récupéré dans un bac de stockage sur une journée ou une période. Lorsqu'on décide d'utiliser le recyclage, on utilise la solution du bac de stockage, on irrigue la culture jusqu'à épuisement du bac, sans récupérer le drainage. Puis on repasse à une fertirrigation normale en reprenant la récupération. Le système est peu précis, le recyclage partiel.

  • Le deuxième système, avec automatisme sommaire, un contrôle manuel et un réajustement de la concentration globale, donne un recyclage total. On récupère le drainage résultant de la fertirrigation provenant d'un bac de drainage dans un bac de stockage, en fin de journée, on complète celui-ci avec de l'eau et de la solution pour obtenir l'électroconductivité (Ec) souhaitée. On irrigue avec cette solution en récupérant de nouveau le drainage.

  • Le troisième système, avec un automatisme de la correction basé sur la mesure de l'Ec de la solution recyclée. C'est le cas par exemple du système Recyvar® qui gère le passage de la solution à recycler vers le système d'injection des solutions concentrées par l'intermédiaire d'une vanne trois voies motorisée, pilotée en fonction d'une consigne d'Ec à maintenir.

  • Le quatrième système utilise l'ordinateur de fertirrigation qui, en plus de l'Ec et du pH, permet de gérer la composition de la solution en calculant et en programmant manuellement le taux d'injection des pompes de solutions concentrées, en fonction des analyses réalisées au laboratoire.

Le premier système décrit ne recycle pas l’intégralité du drainage ne répond donc pas à la norme environnementale. Les deuxièmes et troisièmes systèmes présentent un défaut majeur. Ils ne tiennent compte que de l’électroconductivité pour réajuster l’équilibre de la solution. Cette stratégie conduit rapidement à un déséquilibre qui passe inaperçu au crible de l’Ec.

Enfin, le quatrième système s’appuie sur des analyses réalisées en laboratoire. Cette sous-traitance entraîne des délais incompatibles avec une gestion agronomique de la fertirrigation. Le volume d'une irrigation sera le plus souvent de l'ordre du 1/20e de la quantité de solution contenue dans le substrat, ce qui donne un temps de renouvellement du volume de solution contenue dans le substrat (cas de la laine de roche) d'environ 1 jour en période de forte ETP, et d'environ 5 en période de faible ETP. Dans ces conditions, il est très difficile de récupérer une dérive de la composition de la solution. Les analyses de composition doivent avoir lieu régulièrement et donner des résultats exploitables immédiatement.

Le retour sur investissement

Une contrainte supplémentaire s’ajoute à la liste. L’investissement sera fonction des choix techniques. L’économie réalisée sur l’eau et les engrais est quant à elle fixe. Elle est comprise entre 0,75 et 1,52 €/m2/an. En considérant un amortissement sur 5 ans pour une exploitation de 10 000 m2, l’investissement et le fonctionnement sur cette période ne doivent pas dépasser 38 à 76 000 €.

Le recyclage des solutions nutritives soulève des problèmes d’ordre technique, agronomique, environnemental et économique. A notre connaissance, il n’existe aucun système sur le marché permettant de résoudre ces problèmes. Pour le rééquilibrage des ions au sein de la solution nutritive, il n’existe pas non plus de solution technique dont la mise en oeuvre soit rapide, simple et peu onéreuse.

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