Production hydroponique de pommes de terre en fibre de bois pour la sécurité alimentaire

npj Science of Food volume 7, Article number: 24 (2023) Citer cet article

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La résilience de la sécurité alimentaire mondiale est une préoccupation essentielle. Face à un accès limité à la terre et à une perturbation potentielle des marchés alimentaires, des systèmes de production alternatifs, évolutifs et efficaces sont nécessaires comme tampon complémentaire pour le maintien de l'intégrité de la production alimentaire. Le but de cette étude était d'introduire un système alternatif de culture hydroponique de pommes de terre où les pommes de terre sont cultivées dans de la fibre de bois nue comme milieu de culture. Un système utilisant l'irrigation au goutte-à-goutte et des sacs en plastique comme conteneurs a été testé pour trois types différents de fibre de bois, deux cultivars et deux stratégies de fertirrigation. La mise en œuvre du système a entraîné une augmentation de la production de tubercules d'environ 300 % par rapport à l'agriculture conventionnelle locale. La composition minérale des tubercules obtenus à partir du système hydroponique était similaire à la composition des tubercules cultivés sur le terrain et a révélé un potentiel de biofortification. De plus, une stratégie de fertigation où les deux points d'application étaient séparés à travers la zone racinaire a donné des tubercules avec une teneur en matière sèche comparable à celle des pommes de terre cultivées dans le sol. La recyclabilité, la réutilisabilité et la simplicité de cette solution peuvent encourager son application pour améliorer la sécurité de la production alimentaire dans certaines régions du monde ainsi que son utilisation dans l'agriculture urbaine.

Au cours des prochaines décennies, l'augmentation de la population et la volatilité des marchés nécessiteront des améliorations du système alimentaire mondial. Le système alimentaire n'est pas durablement équilibré et ne fournit pas suffisamment d'aliments nutritifs à la population mondiale1. Selon l'Organisation des Nations Unies pour l'alimentation et l'agriculture, d'ici 2050, une population mondiale estimée à 9,7 milliards de personnes nécessitera 70 % de nourriture de plus que ce qui est consommé aujourd'hui, et 100 % de plus dans les pays en développement2. Afin de garantir un approvisionnement alimentaire suffisant pour les consommateurs du monde entier, de plus en plus de zones ont été converties en terres agricoles, souvent au prix de dommages aux habitats naturels à forte biodiversité. On peut se demander si la conversion de plus de terres pour produire plus de nourriture contribue à la sécurité alimentaire3. Godfray et Garnett4 ont souligné que l'objectif d'augmentation de la production alimentaire doit être limité par d'autres objectifs tout aussi importants pour le maintien de la durabilité et de l'équilibre. La production alimentaire doit être durablement intensifiée, c'est-à-dire réalisée avec moins d'impact sur la dégradation des écosystèmes, le changement climatique et la diminution des ressources en terre et en eau. D'autre part, les préoccupations environnementales remettent en cause la sécurité alimentaire d'une population en croissance rapide.

Un taux d'urbanisation sans précédent modifie les systèmes alimentaires à l'échelle mondiale5, en particulier en Afrique subsaharienne et en Asie du Sud6. L'urbanisation déclenche des changements dans la demande alimentaire vers des produits plus nutritifs et transformés, convertit les terres agricoles en zones résidentielles ou industrielles et forme des liens commerciaux plus complexes6. Avec un accès limité aux terres utilisées pour l'agriculture dans les zones urbaines et une plus grande dépendance aux transports et aux infrastructures, la nourriture est soit produite de manière plus intensive dans les terres agricoles restantes7, soit produite dans les zones urbaines et périurbaines sur des terres non classées comme agricoles. En fait, l'agriculture urbaine et périurbaine joue un rôle important dans la sécurité alimentaire et nutritionnelle de centaines de millions de citadins dans la plupart des pays à faible revenu8, bien que dans de nombreuses villes, il soit devenu difficile d'accéder aux terres nécessaires à l'agriculture9. Par conséquent, il est nécessaire d'introduire des systèmes de culture alternatifs et des solutions technologiques pour produire de la nourriture dans des zones aux ressources foncières limitées.

La pomme de terre est la troisième culture vivrière la plus importante en termes de consommation mondiale, et elle a été fortement recommandée par la FAO comme culture de sécurité alimentaire alors que le monde est confronté aux défis d'une population croissante et de perturbations de l'approvisionnement alimentaire10,11. Selon la FAO, les pommes de terre apportent plus de rendement par unité de terre cultivée en moins de temps que toute autre culture majeure2. Malgré une superficie mondiale de production de pommes de terre en constante diminution, en 2020, plus de 360 millions de tonnes ont été produites dans le monde, ce qui représente une augmentation substantielle par rapport aux 329 millions de tonnes en 201012. Des millions d'agriculteurs dépendent des pommes de terre pour leur alimentation et leurs revenus monétaires. En attendant, contrairement aux principaux produits céréaliers, il est absent des principales bourses internationales de produits de base, ce qui signifie que son approvisionnement n'est pas affecté par les activités spéculatives du marché. La pomme de terre est l'une des cultures mondiales avec le schéma de distribution le plus diversifié13. Il a été démontré que la culture de la pomme de terre (et de la patate douce) a contribué à intensifier et à diversifier les systèmes alimentaires locaux autrement dominés par les céréales, comme en Asie, contribuant à renforcer leur capacité à résister et à se remettre des crises14. Dans leur récent article d'opinion tiré de la situation du marché alimentaire pendant la pandémie de COVID-19, Heck et al.15 ont indiqué que les innovations agricoles devraient être axées sur la satisfaction des besoins des pauvres et que l'utilisation de pommes de terre et de patates douces biofortifiées améliorerait la nutrition et les moyens de subsistance pendant de telles crises.

Bien que les pommes de terre, originaires des régions de haute altitude d'Amérique du Sud, puissent être produites dans des conditions de croissance difficiles, leur rendement et leur qualité sont sensibles à la fois à l'excès et au déficit en eau du sol16. De plus, en raison des changements climatiques en cours et prévus, les pertes les plus importantes de l'aptitude des terres à la production de pommes de terre se produiront en Afrique australe, en Inde et dans les hautes terres tropicales17,18. Par conséquent, il est urgent d'explorer des systèmes de production alternatifs pour maintenir la sécurité alimentaire mondiale dans les futurs scénarios d'urgence, y compris l'expansion des zones de production de pommes de terre, l'utilisation de terres au climat inadapté ou de sols dégradés et pollués.

La culture hydroponique est une méthode de culture sans sol dans laquelle les plantes sont cultivées à l'aide d'une solution nutritive. Ce système de production supprime la dépendance vis-à-vis des terres et des sols agricoles, réduit la présence de maladies et peut atténuer les effets négatifs des phénomènes météorologiques extrêmes en utilisant une solution nutritive dosée avec précision (fertirrigation). L'utilisation de la fertigation au goutte-à-goutte peut également réduire considérablement les pertes de N par lessivage en raison de la diminution des besoins en engrais et en irrigation19. Récemment, l'aéroponie, un type de système de production où une solution nutritive est fournie dans la zone racinaire sous forme d'aérosol, a été utilisée pour la production de pommes de terre de semence20. La fertigation des pommes de terre à base d'aérosols a également été étudiée par la NASA en tant que stratégie proposée pour les systèmes de survie dans les bases extraterrestres21 Contrairement à l'aéroponie, où les tubercules et les racines du plant de pomme de terre sont suspendus à une zone de support, en culture hydroponique, les milieux de culture ou les "substrats" fournissent un environnement racinaire optimal, qui assure une aération adéquate, un apport en eau et en nutriments, ce qui rend la culture moins compliquée. Traditionnellement, la culture hydroponique sans sol utilise de la tourbe ou de la fibre de coco. La fibre de bois produite à partir d'espèces d'arbres résineux est une matière première alternative, renouvelable et recyclable avec une empreinte carbone plus faible que la tourbe ou la fibre de coco22. Ce matériau a également été soumis à un test de faisabilité initial en tant que milieu potentiel pour la croissance de la pomme de terre et a montré des résultats prometteurs23.

Le but des travaux en cours est de proposer un système alternatif de culture hydroponique de pommes de terre, où les pommes de terre sont cultivées en fibre de bois nue. Ce système n'est pas dépendant des terres agricoles et a un potentiel de réduction des pertes d'eau, il pourrait donc être considéré par les décideurs politiques comme un outil d'amélioration de l'alimentation dans les zones à ressources foncières limitées ou adopté par les praticiens de l'agriculture urbaine. Une hypothèse de recherche indiquant que la qualité des pommes de terre produites en hydroponie est différente de la production conventionnelle en terre a été testée. Les détails techniques du système sont décrits pour sa réplication facile tandis que plusieurs défis et opportunités liés à ce type de production sont décrits pour des améliorations futures potentielles.

Le système de culture hydroponique (Fig. 1), décrit en détail dans la section méthodes, a libéré le potentiel de rendement des cultivars testés sur le site expérimental et a produit jusqu'à 300 % de poids frais en plus que la référence de terrain pour le cultivar Chélidoine (cv.A) et jusqu'à 200 % pour le cultivar numéroté élevé (cv.B ; Fig. 2a, d). Parmi les deux stratégies de fertirrigation testées, la méthode délivrant toute la solution nutritive dans le haut du récipient à l'aide d'un seul goutte-à-goutte a donné un rendement en matière fraîche 30 % plus élevé que les méthodes fournissant de l'eau et des nutriments à deux niveaux à l'aide de deux gouttes. Cependant, ces dernières méthodes ont produit des tubercules avec une teneur en matière sèche significativement plus élevée (Fig. 2b, e). Cela s'est traduit par le fait qu'en termes de rendement en matière sèche, les deux méthodes de fertirrigation testées étaient assez similaires (Fig. 2c, f). Aucune différence significative entre les trois substrats testés n'a été détectée, cependant une variation intra-traitement considérable est à noter. Le rendement et la teneur en matière sèche du cv.B étaient significativement inférieurs à ceux du cv.A, ce qui suggère un potentiel de marché plus élevé pour ce dernier.

Le contour de l'unité de système en croissance (a) n'est pas une représentation complète de l'unité, mais il est simplifié pour une visualisation plus claire de ses composants. Les photographies du tracé de l'expérience hydroponique ont été prises (b) après la plantation et (c) avant la récolte.

Le rendement en matière fraîche (panneaux : a, d), la teneur en matière sèche (b, e) et le rendement en matière sèche (c, f) sont présentés par plante (n = 3) pour deux cultivars de pomme de terre distincts : la chélidoine (a–c ; cultivar A) et le cultivar numéroté (d–f ; cultivar B). Les méthodes de production comprenaient un contrôle au champ dans le sol (S) ainsi qu'un système hydroponique goutte à goutte et deux gouttes (voir la section Méthodes pour plus de détails) dans trois substrats en fibre de bois : Florentaise (F), Hunton (H) et Pindstrup (P); n représente la taille de l'échantillon et différentes lettres minuscules sur les diagrammes en boîte représentent des différences significatives entre les traitements au niveau de signification de 5 %. Les lignes verticales sur les diagrammes en boîte indiquent la variabilité en dehors des quartiles supérieur et inférieur, et tout point en dehors de ces lignes est considéré comme une valeur aberrante. Le symbole × sur les cases indique la moyenne de l'échantillon ; les petits cercles représentent des points de données individuels.

La teneur en matière sèche des tubercules était relativement plus faible dans le système hydroponique car les tubercules étaient moins mûrs à la récolte et recevaient des doses d'azote plus élevées que celles cultivées au champ. Cette différence se reflétait également dans la composition minérale des tubercules (Fig. 3, Fig. 1 supplémentaire). La teneur en azote et en phosphore était plus faible dans les tubercules plus mûrs issus de la production conventionnelle, tandis que la teneur en potassium était similaire dans les deux systèmes. Alors que la teneur en azote ne différait pas entre les deux méthodes d'irrigation, la teneur en phosphore et en potassium l'était, atteignant des niveaux plus élevés avec le traitement d'irrigation au goutte-à-goutte. Encore une fois, les différences entre les trois types de fibres de bois testés n'étaient pas significatives, avec une tendance du substrat Florentaise (F) à fournir un peu plus de macronutriments que les deux autres substrats (substrat Hunton - H et substrat Pindstrup - P).

La teneur en azote (N ; panneaux : a, d), en molybdène (Mo ; b, e) et en fer (Fe ; c, f) dans la matière sèche est présentée pour deux cultivars de pomme de terre distincts : la chélidoine (a–c ; cultivar A) et le cultivar numéroté (d–f ; cultivar B). Les méthodes de production comprenaient un contrôle au champ dans le sol (S) ainsi qu'un système hydroponique goutte à goutte et deux gouttes (voir la section Méthodes pour plus de détails) dans trois substrats en fibre de bois : Florentaise (F), Hunton (H) et Pindstrup (P); n représente la taille de l'échantillon et différentes lettres minuscules sur les diagrammes en boîte représentent des différences significatives entre les traitements au niveau de signification de 5 %. Les lignes verticales sur les diagrammes en boîte indiquent la variabilité en dehors des quartiles supérieur et inférieur, et tout point en dehors de ces lignes est considéré comme une valeur aberrante. Le symbole × sur les cases indique la moyenne de l'échantillon ; les petits cercles représentent des points de données individuels. Voir la Fig. 1 supplémentaire pour plus de détails sur la composition minérale des tubercules.

La plupart des micronutriments étaient à un niveau similaire dans le système hydroponique et dans le contrôle sur le terrain (Fig. 1 supplémentaire). Les deux exceptions intéressantes étaient le molybdène, beaucoup plus élevé dans les tubercules produits en fibre de bois, et le fer, plus élevé dans les tubercules cultivés au champ (Fig. 3). Plus d'eau traversait la zone des tubercules dans le traitement au goutte-à-goutte, ce qui a entraîné une accumulation accrue de nutriments dans les tubercules produits selon cette méthode. Les différences entre les substrats ne sont pas significatives. Cependant, une absorption légèrement plus élevée de nutriments entraîne une accumulation plus élevée de matière sèche dans le substrat de fibres F.

Il y avait une nette différence dans la structure de rendement des tubercules cultivés en expérience hydroponique et dans des conditions de terrain, le système hydroponique favorisant la production des plus gros tubercules (Fig. 4a, b). Cette différence était plus nette pour le cv.A que pour le cv.B. Dans la production conventionnelle de cv.A, environ 80% des tubercules ont été classés dans les catégories de plus petite taille de 25 à 50 g, alors que dans la production hydroponique, les tubercules étaient répartis plus également (Fig. 4a). Dans le cv.B, presque tous les tubercules ont été classés comme petits (Fig. 4b). L'absence des plus grosses pommes de terre (> 60 g) a été remarquée pour le cv.A cultivé de manière conventionnelle, tandis que le système hydroponique a produit jusqu'à 20 % du rendement total dans cette classe de taille, ce qui s'est traduit par une part substantielle du rendement total (Fig. 4a).

Répartition du rendement en tubercules (panels : a, c) présenté en % du rendement total, et rendement en tubercules (b, d) présenté en g par plant (n = 3) dans deux cultivars de pomme de terre distincts : chélidoine (a, b ; cultivar A) et cultivar numéroté (c, d ; cultivar B). Les méthodes de production comprenaient la distribution d'eau naturelle dans le contrôle des champs par précipitation (P) ainsi qu'un système hydroponique goutte à goutte et deux gouttes déployés dans la zone des tubercules uniquement (T) et dans les zones des tubercules et des racines (TR), respectivement (voir la section Méthodes pour plus de détails) ; n représente la taille de l'échantillon et différentes lettres minuscules sur les diagrammes en boîte représentent des différences significatives entre les traitements au niveau de signification de 5 %. Les lignes verticales sur les diagrammes en boîte indiquent la variabilité en dehors des quartiles supérieur et inférieur, et tout point en dehors de ces lignes est considéré comme une valeur aberrante. Le symbole × sur les cases indique la moyenne de l'échantillon ; les petits cercles représentent des points de données individuels. La fonction spline a été enveloppée sur les valeurs médianes de divers traitements pour faciliter la perception visuelle des résultats.

Dans cv.A, aucune différence réelle dans la structure de rendement n'a été observée entre les deux méthodes d'irrigation, tandis que dans cv.B, le traitement à 2 gouttes a produit des tubercules légèrement plus gros (Fig. 4a, c). Fait intéressant, il y avait une différence dans la distribution des rendements entre les deux méthodes d'irrigation. La production au goutte-à-goutte de cv.A a donné des rendements plus élevés dans les deux fractions plus importantes que dans l'irrigation au goutte-à-goutte, ce qui explique la différence de rendement total entre les deux méthodes (Fig. 4b). Dans cv.B, l'irrigation au goutte-à-goutte a conduit à un rendement élevé des tubercules dans la classe de taille la plus petite, tandis que la méthode d'irrigation à deux gouttes a favorisé la production de tubercules de plus grande taille (Fig. 4d).

Toutes les variables disponibles décrivant l'expérience hydroponique ont été synthétisées à l'aide d'une méthode de classification multivariée (PLS-DA, voir la section méthodes pour plus de détails). Les résultats ont montré une nette différence entre les deux méthodes d'irrigation appliquées (Fig. 5a). La différence était contenue dans la composante 1, qui expliquait 10 % de la variance totale du modèle et conduisait à la meilleure discrimination des groupes de traitement par irrigation. La composante 2 expliquait près de 35 % de la variation et était principalement influencée par la différence entre les deux cultivars testés. D'autres composants, bien qu'expliquant une partie substantielle de la variation, n'ont pas eu une grande influence sur le modèle car leurs charges de corrélation étaient inférieures à 0,5 et l'erreur de prédiction a progressivement augmenté (données non présentées). Néanmoins, la composante 3 a été attribuée à l'accumulation de minéraux dans les tubercules tandis que la composante 4 à la qualité des substrats.

La différence entre les méthodes de fertirrigation utilisant un système hydroponique goutte à goutte et deux gouttes déployées dans la zone des tubercules uniquement (T) et dans les zones des tubercules et des racines (TR), respectivement, a été analysée à l'aide (a) d'un graphique de score de l'analyse discriminante des moindres carrés partiels (PLS-DA). Les plus influentes parmi les variables analysées ont été sélectionnées en utilisant (b) les scores VIP calculés à partir de PLS-DA. Des scores VIP plus élevés indiquaient des variables ayant plus d'importance pour le modèle. Le codage couleur des scores indique quelle classe avait les valeurs les plus élevées d'une variable d'origine donnée.

La méthode analytique a utilisé les scores VIP et a mis en évidence les variables les plus influentes telles qu'affectées par les stratégies de fertirrigation, indiquant laquelle des deux méthodes d'irrigation a conduit à un niveau plus élevé d'une variable particulière (Fig. 5b). La méthode d'irrigation au goutte-à-goutte a entraîné une augmentation de la biomasse et de l'accumulation de minéraux dans les tubercules. Deux irrigations au goutte-à-goutte ont fourni des conditions de zone de tubercule qui ne convenaient pas à une accumulation excessive d'eau dans les tubercules. Les tubercules produits dans ces conditions avaient une teneur en matière sèche plus élevée. De plus, la zone racinaire était plus dense et pénétrait la majorité du milieu de culture disponible. Moins d'eau dans la zone des tubercules a entraîné des lenticelles relativement moins gonflées et une meilleure résistance aux maladies dans le système à 2 gouttes. La gale argentée était la maladie qui différenciait le plus les deux systèmes d'irrigation, car on sait qu'elle se transmet par les lenticelles gonflées24. La méthode du goutte-à-goutte réussissait mieux à assimiler les nutriments dans les tubercules. Le potassium, le calcium, le bore, le magnésium et le zinc étaient les nutriments qui différenciaient le plus les deux méthodes d'irrigation. La zone des tubercules dans les sacs fertigés avec cette méthode était légèrement plus profonde que dans les sacs fertigés avec 2 gouttes. Cette analyse a également montré que l'irrigation à 2 gouttes entraînait un nombre plus élevé de tubercules dans la fraction de taille préférée des consommateurs de 40 à 50 g, tandis que la méthode à 1 goutte produisait plus de tubercules de petite taille (25 à 40 g).

L'expérience a montré que les plantes n'utilisaient pas tout l'espace du conteneur pour la production de tubercules, les tubercules descendants n'étaient concentrés qu'à environ 20–25 cm autour de la pomme de terre de semence. Les racines, d'autre part, ont poussé dans tout le récipient et principalement au fond. En général, les tubercules récoltés à partir de la production hydroponique dans des substrats à base de fibres de bois étaient exempts de problèmes de qualité. Cependant, certains tubercules présentaient certains défis de ce système, y compris l'apparition de plusieurs types de défauts et de maladies, qui sont affichés visuellement à la Fig. 6 et répertoriés dans le tableau supplémentaire 1.

Par rapport à (a) le contrôle au champ, les défauts et maladies des tubercules observés comprenaient : (b) gros tubercules (> 60 g), (c) déformations, (d) fissures, (e) verdissement, (f) maladie des taches brunes internes, (g) maladie de la pourriture sèche, (h) décoloration, (i) lenticelles agrandies, (j) maladie de la pourriture molle.

Par rapport à la référence de terrain (Fig. 6a), certains tubercules cultivés dans le système hydroponique avaient tendance à être gros (> 60 g), (Fig. 6b), ce qui représentait en moyenne 16,4 % du rendement total (Fig. 4a). De plus, 6% du rendement en tubercules ont été trouvés déformés (Fig. 6c, Tableau supplémentaire 1). Des amplitudes de température et d'humidité relativement élevées existant dans l'environnement racinaire du système hydroponique ont entraîné la formation accidentelle de fissures de croissance dans certains des tubercules (Fig. 6d), mais cela ne représentait que 1% du rendement total (tableau supplémentaire 1). Certains tubercules (1% sur la base du rendement) de cv.A ont poussé à côté des parois du récipient et étaient donc partiellement verts pendant la récolte (Fig. 6e, Tableau supplémentaire 1). Certains tubercules cv.B ont été enregistrés avec un pigment violet partiellement manquant (Fig. 6h). Seuls les tubercules individuels de cv.A ont été infectés par des maladies de conditions sèches, telles que la maladie des taches brunes internes (Fig. 6f) et la pourriture sèche (Fig. 6g), voir le tableau supplémentaire 1. Dans cv.B, en revanche, les lenticelles envahies (Fig. 6i) et la pourriture molle, se sont développées env. 5% du rendement total des tubercules après trois mois de stockage (Fig. 6h, Tableau supplémentaire 1), indiquaient des conditions de croissance humides.

La production hydroponique de pommes de terre dans des substrats à base de fibres de bois, telle que présentée ici, est une solution simple et évolutive pour atténuer l'insécurité sur les marchés alimentaires en croissance constante, qui s'aggrave progressivement en raison de la diminution des ressources foncières ou des urgences aiguës. Une étude récente a montré que si la demande alimentaire mondiale continue d'augmenter en raison de la croissance démographique et d'autres problèmes socio-économiques, le potentiel maximal de production agricole réalisable a atteint son apogée dans la plupart des régions du monde25. Comme les terres agricoles ont été utilisées presque jusqu'à leurs limites, l'urbanisation a poussé encore plus l'approvisionnement alimentaire en prenant le contrôle des terres fertiles5. De plus, la production d'une nourriture suffisante pour la population toujours croissante dans les zones agricoles disponibles est remise en question par le marché des cultures non alimentaires, telles que les cultures énergétiques ou industrielles. Elles concurrencent souvent les cultures vivrières pour limiter les ressources naturelles, notamment l'eau et la terre26. En attendant, le cadre de l'intensification durable exige que l'exploitation ultérieure des habitats naturels pour l'expansion des terres agricoles soit limitée. Cela éloigne potentiellement les nouveaux sites de production alimentaire des centres de consommation et remet en question un aspect important de la sécurité alimentaire - la distribution alimentaire. D'ici 2050, 68 % de la population mondiale devrait vivre dans les villes2, car un nombre croissant de personnes migrent des zones rurales où elles vivaient généralement de la terre. En conséquence, des centaines de millions de citadins dépendent de l'agriculture urbaine pour une partie de leur consommation alimentaire ou de leurs revenus lorsqu'ils transforment et distribuent leurs excédents de production8. Par conséquent, l'agriculture urbaine est généralement considérée comme un contributeur important à la future sécurité alimentaire mondiale, ce qui place l'alimentation au premier plan du nexus eau-énergie-alimentation27. Par conséquent, il existe un intérêt mondial croissant pour la mise à l'échelle de l'agriculture urbaine, qui est progressivement encouragée par les perspectives de protection de l'environnement, de gestion des déchets et de réduction des coûts énergétiques28.

Sans accès à des terres fertiles dans les zones urbanisées, l'agriculture urbaine nécessite des innovations technologiques telles que la culture verticale en intérieur ou l'agriculture de précision pour optimiser la production alimentaire29. Cependant, pour des millions de petits agriculteurs, des systèmes de culture alternatifs, simples mais efficaces avec une empreinte environnementale minimale sont nécessaires. L'accessibilité des composants et des matériaux du système peut être problématique dans des zones particulières, mais avec le soutien des gouvernements locaux, de l'aide internationale ou des organisations caritatives, non seulement les fermes commerciales, mais aussi les petits producteurs peuvent mettre en œuvre une production alimentaire hydroponique simple.

En général, une production agricole fermée hors-sol peut présenter des avantages par rapport à la production conventionnelle dans certaines circonstances. Les systèmes hydroponiques sont en principe moins influencés par les conditions météorologiques qui sont atténuées par un dosage opportun de l'eau et des engrais empêchant les effets négatifs des précipitations excessives de la sécheresse. Cela offre une bonne prévisibilité de la production. Les concentrations de Mo plus élevées observées dans les tubercules hydroponiques (Fig. 3b, e) ont confirmé que l'utilisation de systèmes hydroponiques ouvre des possibilités de mise en œuvre directe de stratégies de biofortification d'aliments riches en calories, ce qui présente un intérêt particulier pour les sociétés vulnérables30.

Le système hydroponique conçu et testé dans cette étude comprend de petits sacs ronds enveloppés de plastique de fibre de bois comme milieu de culture (Fig. 1). Le déploiement d'un tel système dans des zones où les taux d'évaporation sont relativement élevés augmentera potentiellement l'efficacité de l'utilisation de l'eau et économisera les ressources en eau. La porosité relativement élevée de la fibre de bois permet à l'air de pénétrer dans la zone racinaire et favorise la formation à haut rendement (Fig. 2). D'autre part, pour atteindre une humidité suffisante de la zone racinaire, un degré élevé de sur-irrigation est nécessaire. Cela conduit à un drainage considérable qui, dans le développement ultérieur du système, devrait être capté et recyclé pour améliorer l'efficacité de l'utilisation de l'eau.

Un système de culture alternative efficace a le potentiel de compléter la production conventionnelle de pommes de terre et d'agir comme un tampon soutenant la résilience des chaînes de marchés alimentaires. Ceci est particulièrement important car le changement climatique peut réduire ou détruire les cultures produites de manière conventionnelle. Par exemple, l'Afrique australe et l'Amérique du Sud ont récemment connu des extrêmes au cours des saisons des pluies sèches et humides31, qui ont été attribués à des mécanismes physiques mondiaux tels que El Niño-oscillation australe, la température de surface de la mer et la rétroaction terre-atmosphère32. De tels changements dans les modèles de température et de précipitations peuvent déclencher des phénomènes météorologiques extrêmes susceptibles d'affecter la production alimentaire33.

Traditionnellement, la production alimentaire hydroponique sans sol utilise des substrats organiques comme la tourbe et la fibre de coco pour une variété de cultures, ou des substrats minéraux, comme la laine de roche, qui est généralement utilisée dans la production professionnelle de cultures de grande valeur comme les tomates, les poivrons et les concombres. Ces substrats offrent un environnement racinaire optimal en assurant une aération, une disponibilité en eau et un apport en nutriments adéquats, cependant, leur production a une empreinte carbone élevée34. La fibre de bois, en revanche, le substrat proposé ici pour la culture de la pomme de terre, est une matière première renouvelable et recyclable. Il a l'empreinte carbone la plus faible parmi les matières premières disponibles utilisées dans l'industrie des supports de culture et est de plus en plus suggéré comme un support de culture important pour la production végétale22,34.

La fibre de bois se caractérise par la porosité la plus élevée parmi les substrats organiques connus pour la production de plantes hydroponiques22, ce qui empêche l'engorgement et forme les conditions les plus optimales pour la croissance des racines et des tubercules là où des stratégies de fertirrigation moins précises sont appliquées. La densité apparente relativement faible et la porosité élevée de la fibre de bois favorisent une forte concentration d'oxygène autour des tubercules, ce qui permet de réaliser le potentiel de rendement et d'augmenter la productivité des plants de pomme de terre22. Dans une étude récente35, les auteurs ont observé que la composition minérale des tubercules peut être affectée par le type de système de production (conventionnel vs hydroponique). Par exemple, une concentration plus élevée de P a été trouvée dans les tubercules cultivés dans un système de production hydroponique, ce qui est en accord avec la présente étude. Contrairement à d'autres milieux organiques comme la tourbe et la fibre de coco, la capacité tampon de la fibre de bois est faible, ce qui permet à un producteur de contrôler relativement facilement le pH de la zone racinaire et l'absorption de nutriments spécifiques qui, par exemple, pourraient être utilisés à des fins de biofortification30. De ce fait, la différence de pH peut être responsable de l'absorption variable des macronutriments dans la présente étude et l'étude de Liszka-Skoczylas et al.35. De plus, la fibre de bois produite lors du processus de défibrage est stérile, par conséquent, la presse des maladies transmises par le sol est minimisée22. De plus, la séparation des tubercules du substrat lors de la récolte est simple et les tubercules peuvent simplement être rincés à l'eau courante et être prêts à être consommés. Fait intéressant, le milieu de culture à base de fibres usées peut être utilisé dans plusieurs cycles de croissance36. Sinon, le substrat à base de fibres restant peut être utilisé après la production végétale comme carburant ou additif pour le sol en raison de la teneur en sels résiduels (nutriments).

Bien que la plus grande facilité d'utilisation du système soit projetée dans les zones tropicales densément peuplées avec des ressources en bois durables limitées, nous ne préconisons pas l'utilisation d'essences de bois locales pour produire de la fibre. Les résineux qui poussent généralement à des latitudes élevées se sont avérés adaptés à la production de fibres pour la production hydroponique22. Normalement, après avoir été fabriquée, la fibre de bois est relativement sèche et peut être transportée compressée, ce qui réduit son empreinte carbone. Alternativement, d'autres constituants de la biomasse, tels que le miscanthus, peuvent être utilisés avec succès comme milieu de culture37. De plus, dans les zones urbaines, les déchets de bois industriels (par exemple, les palettes, le bois non traité de l'industrie du meuble) traités par les broyeurs à marteaux peuvent être considérés comme une source durable potentielle de matières premières pour la production de supports de culture.

Le système de production présenté a une conception simple à faible technologie visant une mise en œuvre simple dans la pratique. Fourni avec de la fibre de bois, un agriculteur doit remplir un sac en plastique avec le milieu de culture et le comprimer. La compression des fibres et la couleur blanche du plastique à l'extérieur du sac sont suggérées pour limiter les fortes amplitudes de température et d'humidité.

Les tubercules de semences ont été plantés dans les poches, faites par des incisions sur le côté des sacs, car l'idée de départ était de tester la faisabilité de placer les sacs les uns sur les autres pour une culture verticale peu encombrante. Nous avons remarqué qu'un tubercule ensemencé en profondeur défie le développement des stolons et réduit le rendement futur, car certains des stolons sont voués à pousser sous le sac en plastique. En pratique, il peut être nécessaire de guider manuellement les stolons hors du dessous du couvercle en plastique. Ce système est basé sur des emballages en plastique qui devraient être recyclés, cependant, dans diverses parties du monde, cela peut être difficile. Dans le développement ultérieur du système, il est préconisé d'échanger un simple sac en plastique avec une bâche ou un emballage réutilisable en plastique compostable pour réduire l'impact environnemental de ce type de production.

Bien que dans notre expérience, nous ayons utilisé un système de fertirrigation standard de qualité industrielle, la production hydroponique de fibre de bois ne nécessite pas d'investissements importants en équipement. La pompe à membrane la moins chère, une vanne venturi et un minuteur cyclique peuvent être achetés sur le marché mondial pour aussi peu que 5 $, 5 $ et 3 $, respectivement. L'échelle de mise en œuvre déterminerait la taille de la pompe et de la plomberie. Le coût des boyaux d'arrosage et des valves goutte-à-goutte est estimé à 0,5 $ par sac. Selon le prof. BE Jackson de NCSU, États-Unis, de nombreux produits à base de bois, sinon la plupart, offrent une alternative très compétitive ou moins chère aux matériaux de substrat traditionnels"38. Le coût de la fibre de bois a été estimé dans cette étude à 2 $ par sac de culture. et le marché mondial. L'approvisionnement en électricité et en eau doit être pris en compte en plus.

Quelle que soit la mise en œuvre du système, il est important de placer correctement le goutte-à-goutte d'irrigation sur la pomme de terre de semence car la croissance initiale dépend de son maintien humide. De plus, à un niveau d'irrigation donné, un seul emplacement de goutte à goutte favorise une humidité élevée de l'ensemble du profil du substrat et transporte tout le liquide à travers la zone des tubercules. Fournir le même niveau d'irrigation dans la zone des tubercules et des racines limite la croissance de la biomasse aérienne et la quantité d'eau à laquelle les tubercules sont directement exposés, ce qui augmente leur matière sèche (Fig. 2b). Alors que le rendement frais est relativement réduit par rapport à l'irrigation goutte à goutte (Fig. 2a), le rendement sec est à des niveaux relativement similaires (Fig. 2c). Le système hydroponique testé a fourni un rendement supérieur d'environ 300 % à la référence de terrain, ce qui peut être attribué à une oxygénation plus élevée des racines et à la disponibilité des nutriments. Stoian et al.39 dans leur étude sur la patate douce cultivée dans un système hydroponique, ont également observé que la texture du milieu de culture améliorant le niveau d'oxygénation peut affecter positivement la formation du rendement. Par rapport à la référence sur le terrain, un pourcentage relativement plus élevé de tubercules gros et déformés observés dans la production hydroponique de fibre de bois (Fig. 6, Tableau supplémentaire 1) pourrait être attribué à un compactage non optimal de la fibre dans les sacs et peut être réduit en ajustant la stratégie de fertirrigation, un niveau de compactage plus élevé ou l'utilisation d'une texture différente du milieu de culture.

En conclusion, le système proposé offre une solution pour la production intensive de pommes de terre de table de haute qualité, capable d'atteindre un rendement beaucoup plus élevé que la référence de terrain avec une teneur en matière sèche et une valeur nutritionnelle (composition minérale) comparables. La conception permet une mise en œuvre facile et une évolutivité de la production, même dans les zones aux ressources limitées. Plusieurs défis d'une telle production ont été notés, notamment l'importance d'un placement précis des tubercules de semence, des cycles de production plus longs en raison de l'augmentation de la production de biomasse et un risque de déformation des tubercules en raison de l'augmentation de l'humidité de la zone des tubercules. Deux régimes d'irrigation différents ont été suggérés, l'un maximisant le rendement et la teneur en nutriments, l'autre maximisant la teneur en matière sèche et minimisant les défauts des tubercules. De plus, en raison du caractère de la production hydroponique, le système utilisant la fibre de bois a le potentiel d'ajuster avec précision le pH et la composition en macro et micronutriments des tubercules et peut être utilisé pour la biofortification.

Deux cultivars de pomme de terre ont été sélectionnés pour l'expérience menée à la station de recherche NIBIO Apelsvoll située dans le sud-est de la Norvège (60°42N, 10°51 E, 260 m d'altitude). La première, la chélidoine, une pomme de terre à texture ferme, a été sélectionnée comme représentante des pommes de terre à cuire ovales/longues, savoureuses, avec un nombre élevé de tubercules et une bonne résistance à plusieurs maladies, en particulier la gale commune. L'autre cultivar était une sélection tardive (G09-1057) du programme norvégien de sélection de pommes de terre réalisé par Graminor (Graminor, Staur, Norvège), qui a été choisi dans cette étude en raison de son potentiel de matière sèche relativement faible, de sa forme et de sa couleur inhabituelles (peau et chair violettes).

Un système hydroponique a été conçu et mis en œuvre dans cette étude. Trois tubercules de semence ont été plantés le 3 juin 2021 dans des sacs en plastique distribués au hasard remplis d'env. 50 L de fibres de bois, formant un espace de croissance cylindrique de 35 cm (environ 1,15 pi) de hauteur et 45 cm (environ 1,48 pi) de diamètre. Les tubercules de semence ont été placés dans des trous relativement profonds (5 à 10 cm) pratiqués dans la partie supérieure d'un sac afin d'assurer une disponibilité uniforme de l'espace pour le nouveau tubercule et d'éviter qu'ils ne poussent contre la paroi du sac (Fig. 1a). Chaque traitement était représenté par trois répétitions. Les sacs ont été placés à 80 cm (2,62 pieds) les uns des autres (Fig. 1b), garantissant un espace pour la production de biomasse verte élevée attendue (Fig. 1c). Trois variantes commerciales de fibres de bois ont été testées : la fibre de Hunton (H) produite à partir d'épicéa commun (Picea abies) selon la méthode du défibreur (Fibergrow, Hunton, Norvège), ainsi que la fibre de Pindstrup (P) (Forest Gold, Pindstrup, Danemark) et la fibre de Florentaise (F) (Florentaise Hortipain, France), toutes deux produites à partir de pin sylvestre (Pinus sylvestris) selon la méthode de la vapeur à haute pression. La solution nutritive a été préparée en mélangeant des engrais de qualité hydroponique 1: 1 Kristalon Scarlet et Calcinit (Yara, Norvège). La solution a été distribuée par irrigation goutte à goutte fournissant 1,2 L h−1. La production hydroponique a été initiée en utilisant une solution de fertirrigation avec une conductivité électrique de 1 déciSiemens par mètre (dS m−1 ; EC1) trois fois par jour (8h00 ; 12h00 ; 16h00) pendant des intervalles de 7 min. Pour se conformer aux changements climatiques en cours de saison et à la croissance de la biomasse des cultures, à partir du 16 juillet 2021, l'EC de la solution a été élevée à 1,8 et elle a été utilisée pour fertiliser les plantes à des intervalles de 10 min, quatre fois par jour. À partir du 16 août 2021, l'EC a été réduite à 1,5 et le régime de fertirrigation a été divisé en deux traitements ; premier traitement, avec une seule goutte en haut du sac (T), et des intervalles d'irrigation de 12 min, et le deuxième traitement, avec deux gouttes, placées en haut et au milieu du sac (TR), et des intervalles de fertirrigation de 6 minutes à partir de chaque goutte. En conséquence, les deux traitements ont livré la même quantité de solution nutritive, fournissant ~10 g N par plante par saison. L'expérience s'est terminée le 14 septembre 2021, après une saison de croissance de 104 jours et 910,5 degrés-jours de croissance (GDD, à une température de base de 7 °C).

Des pommes de terre ont également été cultivées dans le champ à titre de référence. Les tubercules des deux cultivars ont été plantés dans le champ préalablement préparé (12 cm de profondeur avec une distance de 30 cm dans les rangées et 80 cm entre les rangées), le 31 mai 2021, qui est une période de plantation typique dans la zone d'étude. Le champ était situé dans le comté d'Østre Toten, l'une des principales régions de production de pommes de terre de Norvège. Le champ a été placé dans un terrain assez plat, sur un cambisol endotagnique bien drainé (IUSS Working Group WRB, 2006), avec des textures de limon et de sable limoneux, développé à partir de dépôts de moraine, une teneur en matière organique du sol de 44 g kg-1, une densité apparente de 1,3 Mg m-3 et un pH mesuré dans l'eau à 6,5. Les tubercules ont été récoltés au hasard dans le champ de référence le 15 septembre 2021, après 108 jours de production, ayant reçu 944,7 GDD. Le champ a été fertilisé avec un total de 100 kg N ha−1 (=833 kg NPK 12-4-18+micro). Le champ a reçu une fertilisation fractionnée, recevant 70 % de la dose totale à la plantation et la dose restante 30 jours après la plantation. Engrais minéral fourni ~2,5 g N par plante par saison. La stratégie utilisée pour contrôler le mildiou (Phytophtora infestans) et d'autres maladies causées par des champignons dans le champ comprenait l'utilisation du modèle de Naerstads pour décider du nombre d'applications40. Différents fongicides (cymoxanil, propamokarp, cyazofamide, mandipropamide et difénoconazole) ont été utilisés 8 fois pendant toute la saison de croissance, à la fois comme produits seuls et en mélanges, pour éviter le développement de résistances. Dans l'expérience hydroponique, cependant, en raison de la pression plus faible de la maladie, seules trois applications de métalaxyl, de mandipropamide et de cyazofamide ont été effectuées. Pendant les périodes de faibles précipitations, 4 fois pendant la saison, le champ de pommes de terre a été irrigué à l'aide d'un système d'aspersion, recevant environ 20 mm par événement d'irrigation.

L'expérience hydroponique et l'expérience sur le terrain ont été récoltées en même temps pour assurer une comparaison directe entre les deux systèmes de production. Selon la pratique locale, la biomasse des pousses de plantes dans le sentier de terrain a été tuée chimiquement, par conséquent le nombre de pousses par plante, la longueur des pousses et la biomasse fraîche des pousses ont été enregistrés uniquement pour l'essai hydroponique où la biomasse a été conservée. La qualité des tubercules (en termes de lenticelles envahies), de la biomasse verte et du substrat (en termes d'humidité, de qualité de la zone racinaire et de profondeur de la zone des tubercules) a été enregistrée. De manière inattendue, étant donné que le rendement dans le test de substrat était extraordinairement élevé, il n'a pas été possible de séparer le rendement d'une seule plante. Le rendement en tubercules de pomme de terre a donc été mesuré pour trois plants. Les tubercules ont été séparés en quatre fractions de taille, 25–40 mm, 40–50 mm, 50–60 mm et >60 mm, et les tubercules de chaque fraction ont été comptés et pesés. Les résultats ont ensuite été recalculés par plante unique. La teneur en matière sèche a été déterminée par le poids sur et sous l'eau pour déterminer le poids spécifique des tubercules. L'équation suivante a été utilisée pour calculer la teneur en matière sèche : matière sèche = 215,73 * (x − 0,9825), où x est le poids spécifique calculé comme poids dans l'air * (poids dans l'air − poids dans l'eau)−1. Après trois mois de stockage à 4 °C et une humidité relative de 90 à 95 %, l'analyse classique de la qualité des tubercules a été effectuée par du personnel formé au NIBIO et comprenait la détermination visuelle des différentes maladies de la pomme de terre comme décrit par24 ainsi que l'enregistrement du poids des tubercules dans chaque échantillon avec les maladies sélectionnées, c'est-à-dire : pourriture molle, pourriture sèche, tache brune ; et défauts, c'est-à-dire : tubercules verts, craquelures, déformations, décoloration.

L'analyse élémentaire des tubercules de pomme de terre a été réalisée par le laboratoire commercial (Eurofins, Wageningen, Pays-Bas). NH4, NO3, Cl ont été analysés à l'aide de la méthode interne, et la teneur en macronutriments P, K, Ca, Mg et S, ainsi que les micronutriments B, Cu, Fe, Mn et Zn dans les tubercules ont été analysés par spectroscopie d'émission optique à plasma à couplage inductif (ICP-OES) en utilisant les protocoles internes du laboratoire.

L'analyse des données a suivi le paradigme de présentation des données suggéré par Weissgerber et al.41 et Amrhein et al.42. En raison de l'ensemble de données relativement petit, tous les points de données sont présentés dans les figures. Avant l'analyse, la normalité de la distribution des données a été vérifiée par le test d'Anderson-Darling. Pour les données distribuées normalement, une analyse de variance unidirectionnelle (ANOVA) a été effectuée pour déterminer la signification des différences entre les groupes et le test post hoc de Fisher a ensuite été appliqué pour comparer les traitements. Pour les distributions de données non normales, un test non paramétrique de Kruskal-Wallis a été utilisé. L'analyse multivariée de toutes les variables de l'étude a été réalisée à l'aide de l'analyse discriminante partielle des moindres carrés (PLS-DA) pour étudier les modèles dans les données en discriminant les groupes dans les données et pour identifier les variables clés qui entraînent une telle discrimination, qui a été réalisée en utilisant les méthodes PLS appelées scores VIP. Les analyses ont été effectuées à l'aide du logiciel statistique MiniTab (version 17.2.1, MiniTab, MiniTab Inc., PA, États-Unis) et du logiciel statistique R (version 4.1.3, R Foundation for Statistical Computing, Vienne, Autriche) avec RStudio (version 2022.02.2 Build 485, RStudio, RStudio Inc. Boston, États-Unis).

De plus amples informations sur la conception de la recherche sont disponibles dans le résumé des rapports sur le portefeuille Nature lié à cet article.

Les données brutes à l'appui des résultats rapportés dans cette étude sont disponibles sur demande auprès de l'auteur correspondant.

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Cette recherche a été menée dans le cadre du projet SUBTECH financé par le Norwegian Agricultural Agreement Research Fund/Foundation for Research Levy on Agricultural Products, numéro de subvention 302129 et Grofondet, numéro de subvention 190024. Financement en libre accès fourni par l'Institut norvégien de recherche en bioéconomie. Les auteurs remercient Else Karin Linnerud, Robert Nybraaten, Kristian Saether et Mirjana Sadojevic - personnel technique de la station de recherche NIBIO Apelsvoll pour leur aide à la recherche.

Département de technologie agricole, Centre d'agriculture de précision, Institut norvégien de recherche en bioéconomie, Kapp, Norvège

Krzysztof Kusnierek

Département d'horticulture, Institut norvégien de recherche en bioéconomie, Kapp, Norvège

Pia Heltoft, Per Jarle Møllerhagen & Tomasz Woznicki

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KK et TW ont conceptualisé l'étude, obtenu un financement, effectué une analyse statistique et rédigé le brouillon du manuscrit. KK a préparé des visualisations. KK, PH, PJM et TW ont fourni le matériel, la méthodologie et contribué à la collecte des données. KK, PH, PJM et TW ont interprété les résultats et révisé le manuscrit. Tous les auteurs ont lu et accepté la version publiée du manuscrit.

La correspondance est Krzysztof Kusnierek ou Tomasz Woznicki.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Kusnierek, K., Heltoft, P., Møllerhagen, PJ et al. Production hydroponique de pommes de terre en fibre de bois pour la sécurité alimentaire. npj Sci Food 7, 24 (2023). https://doi.org/10.1038/s41538-023-00200-7

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Reçu : 30 septembre 2022

Accepté : 23 mai 2023

Publié: 03 juin 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41538-023-00200-7

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