Les différents systèmes de culture hors-sol mis en service actuellement peuvent être groupés en fonction de leur type de support, de la taille du support (plus ou moins de 3 mm) et du type d’installation. (Gerick, 1937 et Davtyan, 1980).
1. Systèmes sans substrat (liquide de culture)
La plante est soutenu au-dessus des racines, carton, plastique, bois ou du fil de fer, les racines sont en permanence ou par intermittence immergées dans une solution nutritive. Ce système comprend la culture dans les tubes, technique du film nutritif (nutrient film technique : NFT) et les inondations hydroponiques. Dans la plupart de ces systèmes, la solution nutritive est réutilisée (Ellis et Swaney, 1947).
1.1. Aquiculture
Dans l’aquiculture, la solution nutritive est contenue dans un bac. Elle demande une oxygénation complémentaire de la solution nutritive pour éviter l’asphyxie des racines, via l’utilisation d’un procédé technique complexe. L’aquiculture reste de ce fait un système destiné à la recherche et peu développé dans la pratique.
1.2. Technique du film nutritif (N.F.T.)
La NFT utilise une vaporisation ou un ruissellement constant d’eau pour fournir l’arrosage des nutriments nécessaires aux racines. En théorie, le fait d’offrir aux racines des conditions optimales permet d’obtenir une croissance plus rapide, au maximum de ce que la plante peut se permettre.
La technique du film nutritif a été développée au cours de la fin des années 1960 par le Dr. Allan Cooper à l’Institut de recherche des cultures sous serre à Littlehampton en Angleterre (Winsor et al., 1979); un certain nombre de perfectionnements ultérieurs ont été développés à la même institution (Graves 1983).
Un avantage principal du système NFT par rapport aux autres est qu’il nécessite moins de solution nutritive. Il est donc plus facile de chauffer la solution pendant l’hiver pour obtenir les températures optimales pour la croissance des racines et de la refroidir pendant les étés chauds dans les zones arides ou tropicales (Graves 1983).
1.3. Aéroponie
Dans une application inhabituelle de la culture hydroponique de système fermé, les plantes sont cultivées dans des trous des panneaux de polystyrène expansé ou d’un autre matériau. Les racines des plantes sont mises en suspension dans l’air sous le panneau et enfermées dans une boîte de pulvérisation. La boîte est scellée afin que les racines soient dans l’obscurité (pour inhiber la croissance des algues) et de la saturation d’humidité. Un système de brumisation pulvérise la solution nutritive sur les racines périodiquement. Le système est normalement activé pour seulement quelques secondes toutes les 2-3 minutes. Cela est suffisant pour maintenir les racines humides et la solution nutritive aéré. Ces systèmes ont été développés par Jensen en Arizona pour la laitue, les épinards, même les tomates, bien que ces derniers ont été jugés de n’être pas économiquement viables (Jensen et Collins, 1985).
L’aéroponie a été utilisée avec succès dans la production de plusieurs cultures horticoles et ornementales (Biddinger et al, 1998). Le système aéroponique a été appliqué avec succès en Corée pour la production des tubercules de pommes de terre Kang et al., (1996); Kim et al., (1999) ; Ritter et al., (2001) ont démontré que le rendement de la production des mini-tubercules s’est sensiblement amélioré en utilisant l’aéroponie dans des conditions tempérées.
1.4. Ultraponie
L’ultraponie est une amélioration de l’aéroponie. Le brouillard nutritif est créé grâce à des brumisateurs à ultrasons puis dirigé vers les racines. Il est fait de très fines gouttelettes formant un milieu composé d’eau et d’oxygène directement assimilable par les pores des racines. La circulation de la brume accélère énormément le processus d’absorption des racines. Le « chevelu » est plus dense, augmentant exponentiellement les échanges entre la plante et le milieu nutritif. L’ultraponie permet des rendements jusqu’à 8 fois supérieurs, et consomme très peu d’eau, d’engrais et d’électricité. Il peut être totalement contrôlé par informatique. C’est pourquoi, c’est le système qui a été choisi par la NASA dans ses recherches pour nourrir les astronautes durant les voyages lointains dans l’espace.
2. Systèmes avec substrat
Cette technique se rapproche le plus de ce qui se passe dans le sol pour une culture traditionnelle par l’alternance irrigation/drainage. En outre, le substrat assure aussi une réserve d’eau et d’éléments nutritifs contrairement aux techniques sans substrat. Elle fait appel à un support solide qui contribue à l’oxygénation. Par ailleurs, elle présente de nombreux inconvénients concernant le renouvellement et le recyclage des substrats utilisés.
L’origine minérale:
– Naturels (extraits) : graviers, sables, pouzzolane.
– Manufacturés: laine de roche, laine de verre, argile expansée, vermiculite, perlite. (Alain, 2003)
Le gravier est constitué de petits cailloux. Il facilite le drainage tout en conservant l’eau superficiellement et en assurant la circulation de l’air. Tous les graviers ne se valent pas. Faites bien attention d’utiliser un gravier non calcaire, inerte, et un pH neutre. Contrairement aux billes d’argile qui absorbent l’eau et la font remonter dans le substrat, le gravier retient l’eau entre ses composants mais sans générer de capillarité. Le gravier fin (3 à 6 mm) est utilisable dans les mélanges de substrats, le gravier est le plus important, il peut être utilisé seul dans les systèmes de goûte-à-goûte, ou en immersion totale dans les systèmes de table à marée.
Le sable favorise le drainage et empêche les mélanges de s’agglomérer. On peut utiliser aussi bien du sable d’horticulture que du sable de construction, mais il faut éviter le sable de pierre à chaux. Le sable est très lourd et il est le plus souvent remplacé par la perlite et la vermiculite. On peut toutefois en lester le fond des récipients s’il y a menace de basculement. Le sable peut servir d’ingrédient minoritaire dans les systèmes à réservoir, à goûte-à-goûte, à mèche et à table à marée. La finesse de son grain, jointe à son poids élevé, fait qu’il a tendance à migrer vers le fond du récipient au fil du temps.
La laine de roche est le substrat de culture inerte le plus employé en horticulture. Ce matériel est obtenu par la fusion d’un mélange de basalte, de calcaire et de coke, dégradé en fibres stables qui résistent à la biodégradation pendant une longue période (Morard, 1995).
L’argile expansée (Les billes d’argile) est très utilisé parce qu’il est facile à travailler et qu’il est inerte. Sa forme ronde le rend facile à pénétrer et les racines de la plante s’y installent donc aisément. Il a une durée de vie quasi infinie. On peut le nettoyer et même le stériliser. Les billes d’argile cuites absorbent l’eau par capillarité tout en laissant beaucoup d’air circuler entre les billes. On peut les utiliser dans n’importe quel système.
La vermiculite est une argile phylliteuse (en feuillet ou mica) qui contient de l’eau. Lorsqu’elle est traitée à une chaleur d’environ 1100°C, l’eau comprise entre les feuillets provoque un gonflement de 10 à 12 fois l’épaisseur initiale produisant des fragments de 1 à 6 mm (Morard, 1995).
La perlite est un sable siliceux d’origine volcanique chauffé à plus de 1000°C qui fond et gonfle d’environ vingt fois son volume. Il en résulte des perles blanches vitreuses, légères, très poreuses, contenant 75% de silice initial (Blanc, 1987; Morard, 1995).
L’origine organique :
– Naturels: tourbe, terreau, cèdre rouge, écorces de pin, fibres de coco.
– Synthétiques: matériaux plastiques expansés, billes de polystyrène, mousse de polyuréthane, grains d’eaux (polycrylamides) (Alain, 2003).
La tourbe est de la mousse décomposée. Elle peut retenir une énorme quantité d’eau et elle est utilisée par de nombreuses marques de terreau pour ses qualités nutritives(Bunt, 1988).. Il ne faut utiliser que de la tourbe « pH ajusté » ou « pH équilibré ». La tourbe est fine et granuleuse; sèche, elle résiste à l’imprégnation par l’eau; c’est pourquoi il faut la pré-humidifier dans son emballage.
Le terreau est un support de culture naturel formé de terre végétale enrichie de produits de décomposition (fumier et débris de végétaux décomposés). Le terreau doit avoir une porosité en air et en eau permettant à la fois l’ancrage des organes absorbants des plantes et leur contact avec les solutions nécessaires à leur croissance. Il est souvent associé à la pouzzolane afin d’augmenter la capacité de rétention d’eau. Le terreau est utilisé en culture hors-sol notamment pour les semis (Zebar, 2012).
Le polystyrène expansé sert à alléger les substrats. Ce matériau neutre présente une capacité de rétention nulle, sa surface hydrophobe ne retient pas le liquide. Le polystyrène s’emploie donc le plus souvent en combinaison avec d’autres matériaux. Utilisé seul sous forme de billes expansées, il est également très efficace pour le paillage dans les serres froides. Lavable, réutilisable et neutre ; donc adapté aux espèces non acidophiles, il constitue un matériau de paillage appréciable dans la culture hydroponique étant exempt de tout parasite.
Il y a plusieurs systèmes de culture avec substrat qui sont utilisés tels que :
2.3.2.1. Système de table à marées (Flux-reflux)
Parfois appelés « inondation-drainage », ils se composent d’une table étanche à rebords. La table est périodiquement inondée grâce à l’eau d’un réservoir. Dès que la table est pleine, le substrat est irrigué, la pompe s’arrête automatiquement, ce qui permet à l’eau de s’écouler. Les petits systèmes de ce genre sont disponibles auprès des marques spécialisées dans l’hydroponie. L’acquisition d’un système entier s’avérera peut-être plus aisée que la recherche des pièces une à une. De tous les systèmes hydroponiques d’eau vive, les tables à marées sont les moins chers à installer et ceux qui réclament le moins de maintenance. Ils génèrent peu de problèmes de plomberie. En effet, comme ils utilisent uniquement des conduites d’un diamètre relativement important, il est rare qu’ils se retrouvent bouchés.
2.3.2.2. Système de goutte à goutte
Ces systèmes utilisent une pompe qui amène l’eau au-dessus du substrat via un goûte-à-goûte. L’eau s’infiltre à travers le substrat, redescend dans le réservoir et est prête à être réinjectée. Les systèmes goûte-à-goûte sont faciles à installer. L’eau est pompée dans un réservoir, généralement situé sous l’espace planté, jusqu’aux goûte-à-goûte, un pour chaque plant. Les plants eux-mêmes peuvent être installés dans les pots individuels ou sur un plateau commun. L’eau circule à travers les pots et revient dans le réservoir. La capacité du réservoir doit être d’environ 40 litres au mètre carré de plantation. Les marques spécialisées dans l’hydroponie commercialisent un certain nombre de systèmes de goûte-à-goûte ingénieux. Certains d’entre eux réutilisent l’eau de chaque pot, avec un plant par pot. D’autres réutilisent l’eau d’un réservoir central. Les deux systèmes marchent bien.
2.3.2.3. Système à flux continu
Ce système est généralement de petite taille et constitué de plusieurs petites unités. Ce système a des applications multiples. Il est surtout utilisé pour la culture de plantes culinaires ou aromatiques. Les plantes poussent dans des bacs opaques remplis le plus souvent de billes d’argile, car ce substrat n’engendre pas de déchets et donc n’encrasse pas le réservoir qui est placé en-dessous. Pour éviter que les racines ne soient abîmées, une pompe à air envoie la solution dans une colonne de pompage, puis la répartit par un anneau de distribution.
