Principe de fonctionnement

La serre « type maraîchage » utilise la percolation sur substrat minéral et une station de fertirrigation complète. La solution nutritive est envoyée sur la culture. La solution drainée, 30 % de la solution incidente, est récupérée dans une cuve de stockage. L’analyse s’effectue sur un échantillon prélevé dans cette cuve. Le logiciel Vegenut® propose une fiche de fabrication : le contenu de chacune des 8 cuves d’engrais devra être incorporé au mélange, avec une proportion qui lui est propre (chaque cuve ne contenant qu’un seul engrais). Ce procédé possède une grande souplesse. Il est possible de fabriquer des solutions de compositions différentes sans changer le contenu des cuves d’engrais : il suffit de jouer sur les proportions d’incorporation entre les différentes cuves. Au cours de la fabrication, 30 % du volume de la nouvelle solution est prélevé dans la cuve de récupération du drainage, les 70 % restants provenant du réseau. La station de fertirrigation suit les consignes d’électroconductivité et de pH. L’enrichissement par les solutions mères est contrôlé par une sonde d’Ec, conformément aux proportions définies par Vegenut®. Après correction du pH (acide nitrique à 53,5 %), soumise elle aussi à l’action d’une sonde, la nouvelle solution est envoyée sur la culture.

Dispositif expérimental

L’essai, qui a été conduit sur l’intégralité de la durée de la culture, a porté sur la variété de tomate Abigaïl (Voltz). L’expérimentation s’est déroulée dans un compartiment de serre verre de 320 m² disposant de deux circuits indépendants de fertirrigation :

160 m2 en système fermé || 160 m2 en système ouvert

Les engrais utilisés sont les suivants : Ca(NO₃)₂, H₃PO₄, KOH, KNO₃, MgSO₄, NH₄NO₃ et solution complète d’oligo-éléments.

Une station de fertirrigation complète a été utilisée. Le fonctionnement a été le suivant : Le principe de fabrication de la solution nutritive perdue et celui de la solution nutritive recyclée sont identiques. Les solutions sont fabriquées en discontinu, par petits volumes (100 L). Pour permettre l'arrosage continu, les solutions nutritives sont stockées dans des cuves tampon de 500 L. Les circuits de fabrication, de stockage et de distribution des systèmes ouvert et fermé sont indépendants.

En système ouvert, l'eau du Lot est enrichie en éléments minéraux au cours de son passage dans le bac mélangeur : la station de fertilisation dilue dans les 100 L d'eau du Lot les solutions mères concentrées contenues dans les bacs A à G, jusqu'à ce que la consigne d'Ec soit atteinte. Simultanément, le pH est ramené à 5,6 par prélèvement dans la cuve d'acide. Les volumes prélevés dans les cuves de solutions mères concentrées A à G sont programmés dans le logiciel qui gère la fabrication. En système ouvert, la composition de l'eau du Lot (annexe 5) est considérée constante. Les consignes d'incorporation des solutions mères A à G sont donc constantes.

En système fermé, la solution drainée est recyclée. Le drainage représente en volume environ 30% de la solution nutritive envoyée sur la culture. Le volume de drainage seul n'est donc pas suffisant pour fabriquer la nouvelle solution. Il sera complété par de l'eau du Lot. Ce sont donc 30 L de drainage et 70 L d'eau du Lot qui entrent dans le bac mélangeur : la station de fertilisation dilue dans les 30 L de drainage et les 70 L d'eau du Lot les solutions mères concentrées contenues dans les bacs A à G, jusqu'à ce que la consigne d'Ec soit atteinte. Simultanément, le pH est ramené à 5,6 par prélèvement dans la cuve d'acide. Les volumes prélevés dans les cuves de solutions mères concentrées A à G sont programmés dans le logiciel qui gère la fabrication (sur indications de Vegenut®). En système fermé, la composition du drainage varie au cours du temps. Il faut donc jouer sur les volumes d'incorporation des solutions mères A à G pour rééquilibrer la fabrication : c'est l'objectif du procédé PROGRES. A partir des résultats de l'analyse hebdomadaire de la solution de drainage et de l'eau du Lot, le logiciel Vegenut® donne les taux d'incorporation des solutions mères A à G.

Le logiciel Vegenut® permet de calculer le rééquilibrage ionique entre les macroéléments. La balance ionique calculée est traduite concrètement par des taux d'incorporation de solutions mères concentrées contenues dans les bacs A à G. Cependant, la fabrication de la solution nutritive par la station est basée sur un ajustement de l'Ec. La concentration en éléments minéraux pourra donc être diluée ou concentrée en fonction des conditions climatiques. Cette souplesse d'utilisation ne perturbe pas l'efficacité du système puisque le facteur de concentration n'affecte pas le rapport entre les ions.

La vérification de la composition de la solution fille est effectuée hebdomadairement par analyse tant pour le système fermé que pour le système ouvert.

Pour les deux modalités, les solutions drainées sont récupérées dans des cuves de 1 000 L. En système fermé, le drainage sera recyclé. En système ouvert, la cuve sera régulièrement vidangée vers les eaux de surface. Cette conduite permet de mesurer les volumes de drainage et d'effectuer des prélèvements représentatifs.

Résultats agronomiques

Les deux essais tomate se sont déroulés à un an d’intervalle. Les mesures ont porté sur :

• le rendement commercialisable kg/m² : Cat. 0 = extra et Cat. 1 = légers défauts,
• le poids moyen des fruits cumulés en g (Pm),
• le nombre de fruits (Nb).

Concernant le rendement agronomique de l’essai n°1 et de l’essai n°2, aucune différence n'est observée entre les traitements solution recyclée et solution perdue.

Sur le plan phytosanitaire, il a été noté une présence importante de parasites racinaires la première année ayant entraîné des pertes de rendements par perturbation de l'alimentation minérale (blossom end rot) autant en solution perdue qu’en solution recyclée. De ce fait, il n'a pas pu être mis en évidence de risque phytosanitaire au niveau des solutions recyclées. La deuxième année, un cas de FORL a été observé dans la parcelle recyclée, mais il ne s'est pas étendu à d'autres plantes (application de tachigarène).

Sur le plan agronomique, le recyclage « PROGRES » de la solution nutritive d’une culture de tomate n’entraîne aucune différence significative de rendement (qualitatif et quantitatif) par rapport à une conduite en système ouvert.

En conclusion, l’utilisation du procédé PROGRES permet de recycler les solutions nutritives sans affecter la production.

Gestion de la nutrition hydrominérale des plantes

Consommation hydrique

Les arrosages correspondent à la somme des volumes de solution nutritive qui sont envoyés sur la culture (figure 20, annexe 8). Les arrosages sont homogènes sur la durée de l'essai pour les deux modalités, mais sont supérieurs pour le système fermé : ramené à 1 m² et pour une période de 280 jours, le volume total des arrosages avoisine les 1 218 L pour la modalité solution recyclée et 939 L pour la modalité solution perdue.

Arrosages = Volume unitaire d’irrigation x Nombre d’irrigations

Dans les deux modalités, la solution nutritive est toujours apportée en excès. L'excédant qui n'est pas prélevé par les plantes est drainé au bas de la serre. Les profils de drainage sont homogènes et représentent pour 1 m² et pour une période de 280 jours un peu plus de 454 L pour la modalité solution recyclée et 369 L pour la modalité solution perdue. Les taux de drainage sont respectivement de 39 % et de 37 %.

Drainage = Excédent de solution nutritive non prélevé par les plantes

Il faut différencier la consommation hydrique de la serre de celle de la culture : la consommation hydrique de la culture correspond au volume d’eau prélevé par les plantes. Pour obtenir la consommation de la serre, il faut y rajouter les volumes rejetés dans l’environnement. Dans le système ouvert, le drainage a été rejeté dans l'environnement immédiat de la serre. Dans le système fermé, le drainage a été recyclé à 100 %. De ce fait la quantité réelle d'eau du Lot utilisée, ou consommation hydrique de la serre, n'est plus que de 764 L/m2 en système recyclé. La consommation de la culture est donc de 764 L/m2 en système fermé contre seulement 570 L/m2 en système ouvert.

Consommation Serre = Consommation Culture + Rejets environnement

L'économie d'eau réalisée par rapport au système ouvert est de 37 %. Les résultats obtenus confirment ceux de l’année précédente.

Consommation minérale

Les volumes de solution nutritive mis en jeu ont été décrits précédemment. Pour déterminer des quantités d'éléments minéraux consommées, il est nécessaire d'accéder aux compositions ioniques des volumes cités. Ces compositions ont été analysées par chromatographie ionique une fois par semaine pour les solutions nutritives et les solutions de drainage. Les prélèvements ont été effectués dans les cuves de 500 L pour les solutions nutritives, et dans les cuves de 1 000 L pour les solutions drainées. On considère que les prélèvements hebdomadaires analysés sont représentatifs de la semaine en cours.

• Mesure des apports
  En multipliant les concentrations en éléments présents dans les arrosages par les volumes d’arrosages correspondants, on obtient la quantité d'éléments mis à la disposition des plantes, que l'on appellera « apports ».

Apports = Volume d'arrosage ´ [concentration ionique]

• Mesure du drainage
  En multipliant les concentrations en éléments présents dans le drainage par les volumes drainés correspondants, ont obtient le « drainage ». Il représente la quantité d'éléments rejetés dans l'environnement en système perdu, ou la quantité d'éléments récupérés en système recyclé. Les quantités d'éléments minéraux contenues dans les solutions drainées (annexe 8) sont homogènes dans les deux modalités pour l'ensemble des macro-éléments étudiés.

Drainage = Volume drainé ´ [concentration ionique]

• Consommation brute
  En soustrayant aux « apports » les quantités d'éléments du « drainage recyclé », on obtient la « consommation brute » en éléments minéraux du circuit fermé.

Consommation Brute = Apports - Drainage recyclé

• Consommation d'engrais
  La « consommation engrais » est calculée en retranchant à la « consommation brute » les quantités d'éléments apportés par l'eau du Lot.

Consommation Engrais = Consommation Brute – Eau du Lot

Consommation en éléments minéraux (meq/m²)

Consommation en éléments minéraux (kg/ha)

Compte tenu de la supériorité des volumes d’arrosages en recyclage, la composition de la solution nutritive étant identique, les apports en éléments minéraux sont plus importants en système fermé. Cependant, la consommation d'engrais est nettement plus faible en système fermé qu'en système ouvert pour l'ensemble des éléments étudiés. L'économie réalisée dans les systèmes recyclés varie en fonction de l'élément considéré et n'est donc pas équivalente à celle réalisée pour l'économie d'eau. Les tableaux précédents détaillent les différences de consommation entre le système ouvert et le système fermé pour les éléments dosés.

Le rééquilibrage effectué par Vegenut® a été réalisé à partir d’engrais composés d’un seul sel simple. L’utilisation de ces produits donne plus de souplesse au rééquilibrage, la solution recyclée correspondant presque parfaitement à l’objectif de fabrication.

Une serre qui produit 330 tonnes/ha/an de tomates en système ouvert consomme 9 400 m3 d’eau et 16,6 tonnes d’éléments minéraux. Le volume de solution drainée rejeté dans l’environnement est de 3 700 m3, contenant 11 tonnes d’éléments minéraux. Le même objectif de rendement peut être atteint sans pollution en utilisant PROGRES. La consommation n’est plus que de 7 600 m3 d’eau et de 7,5 tonnes d’éléments minéraux.

En conclusion, il apparaît que l’utilisation des bandelettes, pour l’analyse des solutions, couplée au logiciel Vegenut®, donne d’excellents résultats pour rééquilibrer les solutions nutritives. Les équilibres chimiques des solutions recyclées sont respectés avec une précision comparable à celle d’un système ouvert.

Interprétation des résultats

Les résultats obtenus valident le procédé sur les points agronomiques et nutritionnels. Certaines données inattendues méritent d’être développées.

Conservation des rendements

Les deux cultures successives sur Tomate montrent que l’application du recyclage des solutions nutritives conduit avec PROGRES n’a pas d’incidence sur les rendements. La production en système fermé (32,3 kg/m2) est même supérieure à celle du système ouvert (29,2 kg/m2), avec des fruits plus gros pour la modalité recyclée (141 g contre 136 g). L’ensemble des auteurs confirme ce maintien des rendements. Les solutions recyclées en maraîchage font l’objet d’analyses en laboratoire, puis d’un rééquilibrage, le plus souvent calculé manuellement. La technique d’analyse in situ et le logiciel de rééquilibrage Vegenut® se montrent donc au moins aussi performants qu’une analyse en laboratoire suivie d’un rééquilibrage réalisé par un technicien.

Recyclage et consommation d’eau

Les expérimentations Tomate ont mis en évidence une surconsommation d’eau par la culture recyclée (764 L/m2 contre 570 L/m2). Ce phénomène a déjà été observé et attribué à une meilleure activité racinaire rendue possible par une meilleure salinité dans le substrat.

Les apports d’eau, 9 390 m3/ha/an en système ouvert et 12 180 m3/ha/an en système fermé correspondent aux valeurs généralement mesurées. Il en est de même pour les volumes drainés, 3 690 m3/ha/an en système ouvert. En fonction des régions, on note des consommations annuelles de 8 000 à 14 000 m3/ha en système ouvert, ce qui génère un rejet de 3 500 à 5 000 m3/ha. En système fermé, les apports sont supérieurs car les producteurs ont tendance à drainer plus mais du fait du recyclage : 9 000 à 16 000 m3/ha.

En circuit fermé, le volume recyclé, 4 540 m3/ha/an, est lui aussi conforme aux données bibliographiques : 3 600 à 4 000 m3/ha/an.

Recyclage et pollution

Nous avons chiffré les rejets dans l’environnement à 11 tonnes/ha/an de sels minéraux, dont 6,4 tonnes/ha/an de nitrates. Cette pollution peut être exprimée en oxydes d’engrais. Elle est alors de 6,8 tonnes/ha/an d’engrais contenant 1 450 kg d’azote (N). Dans la bibliographie, les données varient considérablement de 4,5 tonnes/ha/an d’engrais, jusqu’à 10 tonnes/ha/an d’engrais, soit 4 000 à 6 000 kg de nitrates. Faut-il interpréter ces variations comme une difficulté à donner une valeur représentative ou bien faut il penser que la pollution a réellement augmenté ces dernières années, suivant l’intensification de la production ?

Recyclage et économie d’engrais

Si on se réfère aux données des expérimentations Tomate, du fait de la différence des apports, la pollution du système ouvert (11 tonnes/ha/an de sels minéraux) n’est pas égale à la quantité de sels recyclés dans le système fermé (13,6 tonnes/ha/an). L’amalgame qui peut être fait par certains auteurs est peut être à la source des variations évoquées dans le paragraphe précédent. De même, en système fermé, l’économie d’eau (4 500 m3/ha/an) n’est pas égale au drainage du système perdu (3 700 m3/ha/an), toujours en raison de la différence des apports.

Plus précisément, les économies d'engrais réalisées en système recyclé s'échelonnent de 0 à 88 %, l'ammonium présentant un taux d'économie nul. Ce résultat peut s'expliquer par le fait qu'il est préférentiellement absorbé par rapport aux nitrates. Il n’est donc plus présent dans la solution drainée recyclée. Il faut aussi noter que les espèces présentant les taux d'économie les plus élevés Ca++ (79 %), Mg++ (88 %), SO42- (65 %) sont celles dont les concentrations sont les plus élevées dans l'eau du Lot. Ce résultat confirme la fiabilité de notre technique puisque les éléments minéraux apportés par l'eau du Lot, et recyclés par l'intermédiaire du drainage, doivent diminuer (d'une quantité équivalente) les apports effectués par les engrais liquides. Le cas des nitrates (économie de 73 %) est lié à la correction de pH. Au cours de ces essais, la correction de pH n’a pas été prise en compte. Pour les mêmes raisons exposées pour les essais « type horticulture », les nitrates de la correction de pH sont apportés en plus du rééquilibrage calculé, ce qui explique qu’on les retrouve en abondance dans le drainage.

Ces résultats permettent de dégager des informations sur la physiologie de la nutrition des plantes. Pour un rendement équivalent, les plantes du système ouvert consomment 5,7 tonnes d’éléments minéraux alors que plantes du système fermé en consomment 7,5. La différence, 1,8 tonnes, n’est pas valorisée, ce qui veut dire que la nutrition minérale n’est pas le facteur limitant. Théoriquement, il est donc possible de réduire de 1,8 tonnes l’apport d’éléments minéraux du système recyclé sans altérer le rendement. On pourrait par exemple envisager de fournir aux plants de tomate une solution plus diluée. En comparant élément par élément  les apports du système fermé et du système ouvert, on peut penser à réduire les apports de nitrates de 2,8 tonnes (630 kg de N), de calcium de 400 kg (560 kg de CaO), de magnésium de 260 kg (431 kg de MgO) et de sulfates de 200 kg (170 kg de SO3). En considérant le calcium présent dans l’eau d’irrigation et les nitrates apportés par la correction de pH, il est envisageable de réduire les apports de nitrate de chaux (Calplant) de 2,4 tonnes (560 kg de CaO et 320 kg de N). Toujours en se basant sur les éléments les mieux recyclés, on peut penser à réduire les apports en sulfate de magnésie (Magplant) de 1,2 tonnes (170 kg de SO3 et 84 kg de MgO). Cette modification de la fertilisation entraînerait une économie supplémentaire de 890 € HT/ha/an sur le poste engrais.

Les auteurs estiment entre 30 et 60 % l’économie d’éléments minéraux générée par le recyclage. Plus précisément, on peut distinguer les éléments apportés par engrais (45-50% d‘économie), les éléments présents dans eau d'irrigation (65-80% d‘économie), et les oligo-éléments (40-70 % d’économie).

Compatibilité avec les systèmes de désinfection

Les essais Tomate ont fait l’objet d’une désinfection des solutions par UV. On peut noter la parfaite compatibilité du procédé PROGRES avec les systèmes de désinfection existants.

Bilan économique du recyclage dans une serre « type maraîchage »

Les économies réalisées grâce au recyclage

• L’eau et les engrais
  Le recyclage de la solution drainée permet d’économiser 1 800 m3 d’eau par hectare et par an. Sur cinq ans, ce volume s’élève à 9 000 m3, soit 1960 € HT (0,22 € HT/m3).
  
  

  Comme il a été expliqué, l’économie d’engrais est liée à la composition de l’eau d’irrigation. Toutefois, l’eau utilisée au cours de l’expérimentation était relativement chargée en sels minéraux. On considèrera qu’en règle générale, comme dans le cas présent, l’eau d’irrigation n’apporte pas plus de 10 % des éléments minéraux. Dans ces conditions, l’économie réalisée sur le poste engrais est de 9150 € HT/ha/an.

• Les taxes
  La législation prévoit dès 2001 de soumettre les installations horticoles à une taxation sur les rejets d’azote. Le fonctionnement en système fermé permettra d’être en règle et donc de faire l’économie de ces taxes dont le montant est en cours de définition.

Le surcoût lié au recyclage

• L’aménagement de la serre
  Les aménagements indispensables au fonctionnement du recyclage représentent un investissement de 18-23 000 € HT/ha.
  
  
• Utilisation du procédé PROGRES
  Le procédé PROGRES utilise un kit comprenant le logiciel Vegenut®, le RQflex®, et les fournitures pour réaliser les analyses de solutions pendant un an. Ce kit est commercialisé par l’INPT au prix de 1500 € HT. Le renouvellement des fournitures d’analyses pour 1 année est de 380 € HT/an.

Bilan

Les différentes informations concernant les économies et les surcoûts sont regroupées dans le tableau ci dessous :

Sur 5 ans, l’utilisation du procédé de recyclage PROGRES génère une économie de 21 910 € HT. Cette économie peut éventuellement servir à financer, en totalité ou en partie,  un module de désinfection UV, thermique ou à l’ozone (20-38 000 € HT). Un investissement de 38 000 € HT sera couvert dans sa totalité en 7 ans par le recyclage des solutions nutritives.

Les calculs ne prennent pas en compte la taxation à venir, ni les subventions susceptibles d’être accordées. Les installations de recyclage sont éligibles à l'ONIFLHOR (circulaire du 08/04/99) dans le cadre des aménagements particuliers. Elles bénéficient alors d'une aide de 22 à 25 % du coût suivant la situation du demandeur.

L’investissement pour le kit PROGRES ainsi que les charges pour son fonctionnement pendant 5 ans sont fixes. Pour une serre « type maraîchage » le seuil de rentabilité est donc défini par une surface critique de 1 500 m². Pour les exploitations de taille supérieure, l’utilisation de PROGRES est rentable.

L’utilisation du procédé PROGRES est économiquement viable pour les exploitations de plus de 1 500 m², de « type maraîchage ». L’économie dégagée est sous estimée car elle ne tient compte ni des taxes à venir ni des possibilités d’obtenir des subventions. Pour les serres de plus d’un hectare, le recyclage des solutions nutritives peut financer, en totalité, un module de désinfection des solutions nutritives.