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I Généralités SUR LA PHYSIOLOGIE VEGETALE
Dans le domaine de la physiologie végétale, outre la nécessité d’une terre fertile nécessitant un entretien constant d’un point de vue nutritif, traitement phytosanitaire, équilibre du Ph, de la densité, un autre paramètre très important est à prendre en compte : la lumière .
Une quantité minimum de lumière est nécessaire pour que le processus photosynthétique puisse s’opérer. Il faut cependant prévenir tout excès de lumière pour éviter à la plante un échauffement inutile : un excès d’énergie lumineuse provoque une saturation de la fonction chlorophyllienne.
La qualité spectrale de la lumière est aussi très importante : en effet la majorité des plantes ayant des feuilles vertes n’absorbe pas ou peu les longueurs d’ondes comprises entre 510 et 590 nm . Les autres longueurs d’ondes comprises entre 400-510 nm et 590-750 nm correspondent au domaine spectral d’absorption d’une chromoprotéine communément appelée phytochrome. Ce phytochrome existe sous deux formes isomères absorbant outre le bleu, le rouge clair, l’autre absorbant, en plus du bleu, les longueurs d’onde proche IR (jusqu'à 750 nm). C’est au niveau des phytochromes que se réalise la conversion des photons en agents réducteurs (enzymes) de CO2 et oxydants de l’eau. Cette réduction/oxydation simultanée donne naissance à un chaînon glucidique satisfaisant aux besoins énergétiques et à la croissance de la plante. Pour mémoire on peut évaluer le temps nécessaire à chaque étape de la photosynthèse voire Fig.1
Fig.1 Schéma temporel des différentes phases de la fonction chlorophyllienne.
D’autres paramètres ont une incidence sur la photosynthèse, ces paramètres sont la température et le thermopériodisme . En effet, les tests ont prouvé qu’une température trop ou pas assez élevée ralentissait la photosynthèse. Un réglage de ces paramètres est alors nécessaire pour une croissance optimale.
La qualité de la lumière est importante pour la croissance des plantes (voir Fig.2). Mais l’autre paramètre lumineux important est le photopériodisme déterminé par la photophase (période de sensibilité à la lumière du végétal) à laquelle succède une scotophase (période d’insensibilité). C’est ce rythme qui fait qu’un éclairement donné n’a pas la même influence selon qu’il est appliqué en début, au milieu ou en fin de nuit.
Les plantes peuvent être classées en trois grandes catégories en fonction du photopériodisme :
Les plantes hémépériodiques dites de jour long Les plantes nyctipériodiques dites de jour court Les plantes indifférentes au photopériodisme
On peut ralentir la floraison de certaines plantes nyctipériodiques en les soumettant de nuit à un faible éclairement (150W/m2 ) et ceci avec un rapport cyclique éclairage/obscurité de 1/5. On peut aussi provoquer une floraison toute l’année par raccourcissement de la journée en été (ex :les chrysanthèmes). A l’inverse ce même cycle nocturne permet d’induire la floraison des plantes hémépériodiques (Fraisiers, œillets, i.e.)
Les plantes, qu’elles soient hémépériodiques, nyctipériodiques ou indifférentes doivent avoir une durée d’éclairement intense d’au moins 8 à 9 heures avec une quantité d’énergie minimale reçue comprise entre 120 et 150 W/m2/h.
Cette durée peut atteindre 16h pour les plantes hémépériodiques si l’on désire accélérer leur croissance. Il est à noter que pour certains végétaux, et notamment les feuillus, une période de dormance doit être incluse pour respecter le rythme biologique annuel. Si cette période de dormance n’est pas respectée, les végétaux ne bourgeonnent pas et cela perturbe leur croissance (suppression des entrenoeuds annuels) et le tronc a un diamètre anormalement faible, donc fragile, par rapport à la hauteur de la plante.
Dans certains cas, le photopériodisme n’affecte que la maturation des fleurs et non l’induction de la floraison. D’autres plantes ont besoin d’un cycle de type hémépériodique pour induire leur floraison alors qu’un rythme nyctipériodique est nécessaire pour le développement des fleurs (cas pour certains Aster)
D’autre part des essais d’accélération de croissance de végétaux ligneux ont porté sur des feuillus de type « chênes sessiles » Les courbes ci-dessous nous donnent les spectres de transmission des deux types de chlorophylle.
Fig.2 Réponse spectrale des 2 types de chlorophylle présents dans une plante
II PRINCIPE DE « CASCADES LUMINEUSES » AGRICOLES & TESTS AGRONOMIQUES EFFECTUES SUR DES PLANTES MARAICHERES
Nous avons vu qu’en physiologie végétale les composantes lumineuses vertes et UV du spectre solaire n’étaient pas utilisées par la fonction photosynthétique des plantes. Pour tirer le meilleur parti de l’énergie solaire, le principe des « cascades lumineuses » pour décaler les longueurs d’ondes UV et vertes respectivement vers le bleu et le rouge peut être appliqué aux matériaux de couverture pour serres agricoles. On arrive ainsi à mobiliser dans les plages de plus grande sensibilité des plantes le maximum d’énergie utile à la photosynthèse.
L’intérêt majeur des cultures sous serres à Cascades Lumineuses est d’accroître la quantité en poids de végétaux récoltés, sans altérer leur qualité, ou de favoriser la précocité des récoltes.
II.1 Les cascades lumineuses appliquées aux matériaux pour Serres Agricoles.
Les cascades lumineuses appliquées aux serres agricoles ont pour but :
· D’absorber le rayonnement UV 360-400nm pour le réémettre dans la bande bleue 400-490 nm, énergie additive à celle du spectre solaire naturel incident.
· D’absorber le rayonnement vert 510-580nm pour le réémettre dans la bande rouge 650-720nm, énergie additive à celle du spectre solaire naturel incident.
· D’assurer une bonne diffusion du rayonnement solaire réémis en 2P stéradiant, pour limiter les effets d’ombrage et assurer en début et fin de journée un niveau d’énergie suffisant pour la photosynthèse (action sur le photopériodisme)
· D’avoir des caractéristiques thermiques améliorées : limitation des pertes par rayonnement vers la voûte céleste de l’énergie thermique du sol, notamment en hiver, et, corrélativement, réduction de la température diurne d’été à l’intérieur de la serre par limitation des rayonnements solaire IR de grande longueur d’onde.
Fig.3 Spectre solaire
Pour modifier le spectre solaire vu par la plante, on inclut dans les matériaux de la serre agricole des MOA ayant un pouvoir absorbant dans l’UV et le bleu profond 300-380nm et réémettant dans le bleu 400-490nm. Le rayonnement compris entre 510 et 590 nm est absorbé pour être réémis entre 620 et 800nm .
II.2 Autres matériaux testés :
Polycarbonate :
Des essais de dopage ont été réalisés dans du polycarbonate et les résultats sont très prometteurs notamment en ce qui concerne la solidité lumière du matériau ainsi constitué.
Polyméthylmétacrylate :
Dans ce type de matrice support l’introduction de substances active organique s’est faite avec succès tant du point de vu des rendements quantiques que du point de vue de la solidité lumière. Nous disposons d’un recul suffisant avec ce matériau car il a été utilisé pour la réalisation de modules photovoltaïques dont la durée de vie est très supérieure à 10 ans. Les modules photovoltaïques à CL que nous avons réalisés ont satisfait à la norme NFC 57100 -norme photovoltaïque appliquée aux modules terrestres- ainsi qu’aux normes américaines du DOE/JPL.
Sprays sur verre :
Ce type d’applications autorise le traitement des serres verre existantes par pulvérisation sur les parois internes d’un revêtement dopé « CL Agricole » ; Les spectres de ces sprays une fois appliqués, sont semblables au spectre de la figure 4 ; Leurs matrices peuvent être différenciées suivant les usages : cellulosique, vinylique, acrylique, alkyde-silicone ;
II..3 Tests agronomiques réalisés par LPRL.
Les premiers tests agronomiques ont été réalisés avec le Pfr. Roger JACQUES, Directeur du Laboratoire de Physiologie Végétale du CNRS sur des plants de tomate : les augmentations de quantité, de masse végétale, sous films dopés CL par rapport aux films neutres sont données ci-dessous : · Poids en feuilles : + 73% par rapport au film neutre · Surface des feuilles : + 36% par rapport au film neutre
Ces valeurs sont plus faibles pour des plants repiqués plus tardivement ce qui signifie que les films sont plus efficaces en période de déficit lumineux (début de saison par exemple).
Des essais effectués à l’ENITH d’Angers (Pfr. Mr. PERRON) sur les haricots verts ont permis de noter un accroissement notable en poids des récoltes, cet accroissement n’est pas identique pour toutes les variétés de haricots verts. (Cf. les courbes ci dessous Fig.5).
III DESCRIPTION DES EFFETS DU THERMOPERIODISME ET DU PHOTOPERIODISME SUR LA CROISSANCE DE VEGETAUX LIGNEUX (Expérimentation : Chênes Sessiles)
Introduction Des recherches et des essais ont été effectués conjointement avec le Laboratoire du Phytotron du CNRS à Gif sur Yvette afin de mettre en valeur les paramètres relatifs au thermopériodisme et au photopériodisme ceci dans le but déterminer une méthode opto-culturale pour accélérer la croissance des ligneux en conservant une bonne lignification. Le choix des chênes sessiles, comme thème d’expérimentation, est dû principalement à la croissance lente de ces sujets qui arrivent à l’âge adulte à environ 80ans, et qui, de ce fait, sont de bons démonstrateurs de la problématique du développement physiologique des ligneux..
Ainsi on a pu comparer les résultats obtenus pendant les premières années de leur vie par ces sujets « dopés opto-culturalement » avec le taux de croissance des mêmes sujets « chênes sessiles » élevés en technique traditionnelle . (Résultats donnés dans la publication de G.TULEY - The growth of young oak trees in shelter forestry , 58, n°2 181-195 ,1985 -) avec le système LPRL mis au point avec le CNRS.
III.1 Conditions expérimentales : (Ces informations sont classifiés « SECRET INDUSTRIEL ») III.1.1 Choix des thermopériodismes : Deux types de thermopériodismes ont été expérimentés : : III.1.2 Choix des photopériodismes III.1.3 Matériel génétique : III.1.4 Fertilisation irrigation
III.2 Résultats obtenus.
Les résultats obtenus ci-dessous démontrent qu’en l’espace de six mois de traitement opto-cultural adapté, la croissance des chênes ainsi élevés leur permet d’avoir une hauteur équivalente à la celle de leurs congénères âgés de 5 ans et élevés en culture traditionnelle par l’ONF dans la chênaie de Gif sur Yvette. Ils démontrent aussi que le volume de bois fourni par le contrôle du photo et thermopériodisme est équivalent à celui des individus de 5 ans d’âge. (voir Fig. 6)
Fig.6 : Comparaison de la croissance de chênes sessiles génétiquement identiques en fonction des 2 procédés de culture : « traditionnel » et « opto-cultural »
La qualité des plants à 5 ou 6 mois, selon le procédé décrit ci-dessus, correspond bien à celle de chênes âgés de 5 ans, cultivés de manière traditionnelle. On note cependant que le rapport volume de bois/longueur du tronc est inférieur à celui obtenu en culture traditionnelle à taille identique. A l’issue de ces 6 premiers mois d’essais, les plants ont été repiqués en site naturel pour vérifier leur comportement biologique : ainsi on note que l’acquit de croissance est bien conservé au cours des années qui ont suivis la transplantation en milieu naturel, et ce malgré un développement racinaire plus réduit au départ (inhérent à la culture sur support artificiel). A trois ans ces chênes sessiles ont une taille moyenne de 6 m correspondant à celle d’un individu de 15 ans élevé d’une façon traditionnelle (voir photos page suivante).
III.3 Avantages du procédé
Ce procédé d’accélération de la croissance des chênes à plusieurs avantages primordiaux :
III.4 Résultats obtenus en photos
IV pourquoi un microphytotron
Ces travaux et ces expérimentations montrent que le contrôle de la température ambiante, le niveau d’exposition à la lumière, la qualité spectrale et la quantité d’énergie incidente sont déterminants pour une bonne croissance des plantes à l’intérieur de la serre. Cependant, pour affiner le contrôle physiologique et obtenir un rendement photosynthétique optimal, le taux de CO2, les températures du sol, les apports nutritifs, le photopériodisme et le thermopériodisme doivent être parfaitement contrôlés suivant la loi dite « des minimas ».
Comme nous l’avons vu les rythmes biologiques diffèrent selon le type de plantes. Pour gérer les paramètres de régulation de la croissance et de la physiologie végétale il est intéressant de développer un Système de Contrôle Physiologique - SCP - automatisé et auto adaptatif d’où une informatisation des serres, et, dans une moindre mesure, des pépinières.
A cette fin, nous avons donc établi le concept de deux types de SCP, l’une pour serre l’autre pour pépinière.
IV.1 Détermination des paramètres physiologiques à contrôler dans une serre.
IV.1.1 Dans la serre on doit contrôler :
La qualité spectrale et la diffusion de la lumière incidente aux plantes Le photopériodisme et la quantité de lumière émise pendant le cycle journalier diurne/nocturne. Le thermopériodisme ambiant et la t° du sol Le rythme circadien L’hygrométrie et l’humidité du sol Le taux de CO2 L’apport nutritif dans l’eau d’irrigation
La programmation de la SCP « serre » est spécifique à chaque espèce de plante.
IV.1.2. Dans la pépinière le contrôle porte sur un nombre restreint de paramètres physiologiques:
· La qualité de la lumière · Le photopériodisme constant type 1 ( voire III 1.1) ou type 2 avec modification du rythme circadien · L’hygrométrie partielle et l’humidité du sol · L’apport nutritif dans l’eau d’irrigation
Une programmation spécifique de la SCP « pépinière » peut-être adaptée à chaque culture.
IV.2 Descriptif d’une serre équipée d’un Système de Contrôle Physiologique (SCP)
Les serres « verre » ou « film PEBD/EVA » peuvent être équipées d’un SCP comprenant un calculateur sur lequel sont couplés :
· Des capteurs pour l’acquisition des paramètres physiologiques · Des actionneurs pour contrôler les débits de fluides · Un périphérique Imprimante pour la sortie des données · Une unité de stockage des données (lecteur enregistreur de bande / disque dur) · Un écran et un clavier pour le pilotage de l’ensemble
IV.2.1 Synoptique d’une SCP
IV.2.2 Capteurs de mesure des paramètres physiologiques
IV.2.3 Actionneurs
IV.2.4.Générateurs de CO2
IV.2.5 Générateurs de chaleur (air et eau).
IV.2.6 Systèmes électriques et sécurité
IV.2.7 Informatique
IV.3 Descriptif d’une pépinière équipée d’un SCP
IV.3.1 Synoptique du SCP
IV.3.2 Capteurs de mesure des paramètres physiologiques
IV.3.3 Actionneurs
IV.3.4 Systèmes électriques et sécurité
IV.3.5 informatique
V détermination des paramètres physiologiques pour chaque type de plante
V.1 Classification primaire des plantes
V.1.1 Plante Héméropériodiques
V.1.2 Plantes Nyctipériodiques
V.1.3 Plantes indifférentes au photopériodisme
Nourrir la plante avec les bonnes longueurs d’onde et en dosant le CO2 de l’atmosphère dans laquelle elle baigne
Parmi les facteurs déterminants en physiologie végétale, (outre l'hygrométrie, la température de l'air et des racines, le rythme circadien, le cycle t° diurne /t°nocturne et l'apport nutritif), le couple CO2/Lumière est déterminant pour assurer une croissance harmonieuse et accélérée des productions sous abri (en serre ou en Phytotron). Dans la serre, grâce aux matériaux à Cascades Lumineuses de LPRL qui pompent l'UV et le vert non utiles à la croissance de la plante, l'apport du maximum de lumière solaire dans les bandes de longueurs d'ondes utiles à la plante (400-500 & 600-700nm) contribue à l'augmentation de la photosynthèse et à la croissance des plantes. Corrélativement, plus l'activité photosynthétique est importante, plus la consommation par la plante de CO2 doit être contrôlée pour ne pas en stopper sa croissance car le CO2 contribue plus particulièrement à la fabrication des fibres. C'est la notion de "Puits Carbone" bien connu et parfois évoqué au niveau de la planète comme absorbeur de gaz de réchauffement. En cas d'activité physiologique importante de la plante, en été, dans une serre méditerranéenne classique par exemple, le « serriste » réduit l'entrée de la lumière par un effet d'ombrage et augmente s'il y a lieu la quantité de CO2 nécessaire. Traditionnellement dans la serre, les agronomes augmentent cet apport de CO2 par le recyclage des gaz de combustion des machines thermiques de l'installation agricole (chaufferie, climatisation, générateurs électriques...) et par l'augmentation de la ventilation de la serre. L'effet d'ombrage est obtenu habituellement par la technique de "chaulage" des parois. Dans les serres équipées des films ORCA à CL on utilise les mêmes techniques d'apport en CO2 que dans les serres traditionnelles; Il est à noter que par le mode de fonctionnement des cascades lumineuses en "lumière diffuse" et dans les plages de plus grande sensibilité des plantes à la photosynthèse, cette fonction d'ombrage est intégrée parmi leurs caractéristiques et a été mise en évidence au CNRS (R. JACQUES, mesures spectrophotométriques) et dans les essais Agro de Montpellier (J. BROCHIER). |
