Techniques de gestion des opérations sur le terrain
Dans une ferme verticale, la gestion de la température se décide par la « feuille », pas par l'« air »
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Le CVC tourne exactement comme prévu. Les consignes, les chiffres du journal de bord — rien n’est faux. Et pourtant la croissance varie, la consommation électrique estivale pèse lourd, et la bonne valeur pour la température nocturne reste une énigme à chaque fois. « Je fais tout comme il faut, alors pourquoi ? » — cette question reste souvent sans réponse.
La clé se trouve là où l’on mesure la température. Ce que nous gérons, c’est la température de l’air ; mais ce à quoi la plante répond, c’est la température foliaire et le rythme de la photosynthèse, de la respiration et de la croissance qui s’y déroulent. Nous allons ici réexaminer la température depuis le côté de cette physiologie.
Lire l’écart entre température de l’air et température foliaire
On croit souvent que la gestion de la température en ferme verticale se résume à fixer des consignes et à les tenir. Tant de degrés le jour, tant la nuit. Du moment qu’on ne dépasse pas ces valeurs, tout va bien — c’est l’idée. Mais sur le terrain, même en tenant parfaitement les réglages, la croissance n’est pas uniforme d’une étagère à l’autre, la consommation électrique estivale s’alourdit, et la façon d’abaisser la température nocturne reste floue — voilà le genre d’accroc qu’on rencontre. Tenir les consignes et obtenir la réponse de la culture s’avèrent, au bout du compte, deux choses distinctes.
Prenons une culture fixée à 25 °C le jour et 18 °C la nuit, qui se comporte globalement bien. Pourtant, sur le même rack, la croissance ne s’aligne pas tout à fait entre l’étagère du haut et celle du bas. Au premier abord, on soupçonne la façon dont l’air frappe les plantes, ou la distance par rapport aux LED. Et de fait, même si les LED sont réputées économes, environ quarante pour cent de leur puissance consommée repart sous forme de chaleur. Des observations montrent que sous forte intensité lumineuse, la température monte de 2 à 5 °C juste sous les luminaires, et l’étagère du haut a tendance à accumuler cette chaleur. La consigne est à 25 °C, mais la température réelle de la feuille dépasse celle de l’étagère du bas. Une question se pose alors : faut-il surveiller la température dans l’air, ou dans la feuille elle-même ? La raison pour laquelle les choses ne s’alignent pas malgré des consignes respectées se trouve généralement là.
Pour aller droit au but : ce que la consigne indique, c’est la température de l’air ; ce qui agit réellement à l’intérieur de la culture, c’est la température foliaire. Les deux coïncident en général à peu près, et on s’en sort sans les distinguer. Mais avec une source lumineuse comme une LED qui dégage de la chaleur à courte distance, la feuille du haut dépasse l’air ambiant, et cet « écart » devient visible. Une étude qui a fait varier l’intensité lumineuse et la vitesse de l’air sur de la laitue feuille et mesuré la température foliaire confirme également que cette dernière ne reflète pas la température de l’air telle quelle, mais s’en écarte selon l’intensité de la lumière reçue et la vitesse de la circulation d’air (voir 1).
Pourquoi la température foliaire compte-t-elle davantage ? Parce que la photosynthèse comme la respiration sont des réactions enzymatiques, et ce qui en fixe la vitesse n’est pas l’air, mais la température de la feuille elle-même. Les réactions enzymatiques ont une dépendance à la température — grossièrement, une hausse de 10 °C peut environ les doubler. Donc, même à « 25 °C de consigne », si la feuille du haut est réellement à 27 °C, pour cette feuille la température n’est plus 25 °C. La vitesse des réactions et les pertes par respiration se situent à un point différent de ceux de la feuille du bas. Les consignes s’alignent, mais pas la croissance — cela se traduit souvent ainsi : les feuilles ne sont pas alignées même quand l’air l’est.
Surveiller l’air est-il donc inutile ? Non. L’air est ce que le CVC peut directement actionner. On surveille les deux en deux étapes : l’air comme « entrée », la feuille comme « résultat ». Il y a une chose que l’on peut faire tout de suite : pointer un thermomètre infrarouge sur les feuilles des étagères du haut et du bas et mesurer de combien elles s’écartent de la consigne d’air. Sur une étagère où les LED sont proches des plants, la température foliaire de l’étage supérieur devrait être plus élevée que la consigne d’air. D’après mon expérience, j’ai constaté quelques degrés d’écart sur l’étagère du haut sous des LED proches, mais cette amplitude varie beaucoup selon l’installation et la façon dont la lumière est appliquée — la première étape est donc de mesurer ses propres étagères et d’avoir les chiffres. Une fois cet écart connu, l’endroit où concentrer la réponse — ajouter de la circulation d’air sur l’étagère du haut uniquement, ou abaisser légèrement la consigne — devient concret.
À noter que cet écart est grand le jour quand la lumière est forte, et faible la nuit en l’absence de lumière.
La température nocturne se règle d’après les sucres fabriqués le jour
Le jour, la chaleur de l’éclairage élève la température foliaire au-dessus de l’air. Et la nuit ? La nuit, l’éclairage est éteint, et l’on peut considérer que température foliaire et température de l’air sont à peu près égales. Car le phénomène qui se produit le jour — la feuille seule soulevée par la chaleur d’une source lumineuse — ne se produit pas. La nuit est donc une période assez franche, où la consigne et la température réelle de la culture ne divergent guère.
Le problème, c’est qu’on abaisse cette température nocturne sur le vague sentiment que « la nuit, c’est pour refroidir », sans que la raison de cet abaissement soit vraiment assimilée. L’objectif prend sens quand on réfléchit à « à quoi sert la nuit ? ». Le jour, la plante capte la lumière et fabrique des sucres par photosynthèse. La nuit, sans lumière, elle ne peut plus en fabriquer de nouveaux, et la culture respire en utilisant les sucres stockés dans la journée. Cette respiration est une réaction qui s’accélère avec la température : plus la nuit est chaude, plus les sucres sont consommés vite. Jusqu’ici, c’est un processus physiologique de base établi, et abaisser la température nocturne réduit effectivement la consommation de sucres pendant la nuit.
Mais il y a un point à surveiller. Si l’on relie spontanément « réduire la consommation » à « autant qui reste pour croître », on se trompe de lecture. En regardant les études qui ont réellement fait varier la température sur de la laitue feuille, c’est l’inverse qui ressort. En maintenant l’écart jour/nuit fixé à 6 °C tout en relevant la température moyenne — en termes de température nocturne, en passant de 15 °C à 18 °C puis 21 °C — le poids frais a au contraire augmenté. Selon le cultivar, l’un continuait à progresser de 20 °C jusqu’à 26 °C pour un gain de 18 %, un autre gagnait 32 % de 20 °C à 23 °C puis plafonnait, et la croissance était optimale à une moyenne de 23 °C, soit environ 25/18 °C jour/nuit (voir 2). Autrement dit, l’histoire simple — plus la nuit est froide, plus les sucres sont préservés et plus la croissance suit une ligne droite — est fausse. Plus chaud (au moins jusqu’à environ 25/18 °C jour/nuit) donne en réalité une meilleure croissance.
Alors, quel est l’intérêt d’abaisser la température nocturne ? Ce n’est pas « économiser des sucres pour augmenter le rendement », mais un ajustement qualitatif qui freine l’étiolement et resserre la plante. Si l’on ne descend pas assez la température nocturne, les tiges ont tendance à s’allonger et la forme se dégrade. Il correspond mieux au ressenti du terrain de considérer la température nocturne comme un levier pour ajuster la « compacité de la croissance » plutôt que pour gagner la « quantité de croissance ». Et, heureusement, l’optimum de croissance que les études indiquent (25/18 °C jour/nuit) et le 18 °C nocturne utilisé sur le terrain comme repère de compacité se trouvent pratiquement au même endroit. Fixer la nuit à 18 °C comme point de départ est donc une base cohérente tant du côté du rendement que de la qualité.
Il s’ensuit aussi que plus bas n’est pas toujours mieux. Trop baisser freine l’étiolement, mais le rythme de croissance ralentit aussi. La température nocturne se décide par l’équilibre entre « resserrer » et « faire croître correctement », et 18 °C en est un exemple de compromis.
Lorsqu’on réfléchit à la température nocturne, il vaut donc mieux la voir conjointement avec la quantité de sucres fabriqués le jour. Abaisser seulement la nuit alors que la photosynthèse diurne est faible, c’est simplement protéger quelque chose qui n’a pas été stocké. À l’inverse, si on fabrique bien le jour, le bilan quotidien tourne sainement. Jour et nuit ne sont pas des consignes séparées ; ils sont liés par un bilan quotidien — fabriquer le jour, dépenser la nuit.
Vu ainsi, une question surgit : la température nocturne doit-elle toujours rester à 18 °C ? Un jour où la lumière a été abondante et un jour nuageux à lumière faible n’ont pas les mêmes besoins de protection nocturne. Logiquement, la direction « plus la lumière a été faible ce jour-là, plus on abaisse la nuit » se tient. Mais pousser cela aussi loin au quotidien sur le terrain, c’est trop : mieux vaut d’abord fixer à 18 °C pour pouvoir lire le bilan quotidien. Même si on le modifie, une règle approximative comme « baisser un peu quand les jours nuageux se prolongent » suffit à faire l’effet souhaité.
Un degré en été ne pèse pas pareil le jour et la nuit
En été, l’électricité est une préoccupation urgente. La consommation du CVC en particulier pèse lourd, et on voudrait relever la consigne d’un degré au moins pour alléger un peu cette charge. Mais on ne peut pas affirmer avec certitude ce que cela ferait à la croissance, et finalement on n’ose pas y toucher — une impasse courante sur le terrain estival. Vu dans le bilan quotidien, quelle partie touche-t-on réellement quand on déplace la consigne estivale d’un degré ?
Relever d’un degré en été agit dans des directions complètement opposées selon qu’il s’agit du jour ou de la nuit. Séparer les deux permet de sortir de l’état « trop risqué pour y toucher ».
D’abord, le jour. Pour la laitue feuille, dans la plage de température optimale, l’effet de la température de l’air sur la photosynthèse elle-même est plus limité qu’on ne le pense. Il est admis que ce que la température de l’air affecte principalement, c’est le tempo de développement foliaire et la taille des feuilles, tandis que son effet sur le poids sec est faible (voir 3). Ce qui fait peur en relevant d’un degré en journée estivale, ce n’est donc pas que la photosynthèse s’effondre d’un coup. Ce qui fait peur, c’est que quand une température d’air élevée se combine à une lumière intense, les risques qualitatifs — tip burn et déformation de la plante — augmentent. Si la consigne est à 25 °C et que la feuille de l’étagère supérieure est déjà à 27 °C, relever la consigne d’un degré pour pousser la température foliaire à 28 °C, c’est pousser encore davantage l’étagère déjà la plus sollicitée, et cela agit du côté de la dégradation de la qualité. La consigne diurne est donc un mauvais candidat à relever pour économiser de l’énergie.
La nuit, en revanche. Un degré nocturne agit du côté de l’« augmentation » des pertes par respiration. Passer de 18 °C à 19 °C accentue légèrement la surconsommation de sucres pendant la nuit. Mais comme on l’a vu, l’optimum de croissance est autour de 25/18 °C jour/nuit, et assouplir légèrement la nuit ne fait pas chuter la croissance immédiatement. Il y a même une marge où « même plus chaud, jusqu’à 23 °C, pousse bien », ce qui laisse de la souplesse pour la nuit. Et du point de vue de la consommation électrique, la nuit l’écart de température avec l’air extérieur est plus faible et la feuille seule n’est pas soulevée — c’est donc une période où le même degré permet plus facilement d’alléger la charge du CVC.
La logique se construit ainsi. Pour maîtriser la consommation électrique en été, avant de relever le jour au risque de compromettre la qualité, attaquer deux points : maintenir la température foliaire de l’étagère supérieure par la circulation d’air pour éviter un surcroît de CVC, et assouplir légèrement la température nocturne plutôt que de la descendre au maximum. Plutôt que de craindre un degré comme « un degré identique partout », le voir séparé : le degré diurne, proche de la qualité, pèse lourd ; le degré nocturne, avec une marge sur la croissance, est relativement léger. En faisant cela, le degré que l’on peut toucher et celui qu’on ne veut pas toucher se séparent en chiffres concrets sur le terrain.
« Une température d’air élevée le jour combinée à une forte intensité lumineuse fait mal » ressort clairement dans les études aussi. En laitue de type ferme verticale totalement close, plus la lumière est forte, plus la croissance est rapide, mais cette croissance accélérée est connue pour être liée à une plus grande tendance au tip burn (voir 4). Dans l’étude mentionnée plus tôt, accélérer la croissance en augmentant le CO2 a aussi accru l’occurrence du tip burn (voir 2). Et le compromis — les conditions qui maximisent la croissance et celles qui protègent la qualité divergent — est aussi connu (voir 4, 5). Une étagère comme celle du haut, où la température foliaire est élevée et la lumière est proche, est en quelque sorte « sous pression », et y ajouter encore de la chaleur est ce qui fait le plus mal. La conception du niveau de lumière à utiliser peut être abordée séparément du côté de la conception du DLI et du PPFD.
La pertinence des réglages se juge par la température foliaire, l’écart jour/nuit et la température en zone racinaire
Comme on l’a vu, l’écart entre température foliaire et température de l’air s’agrandit le jour quand la lumière est forte. Prenons un peu de recul ici. En gérant la température sur le terrain, ce qu’on veut surtout savoir, c’est finalement « mes consignes actuelles sont-elles justes ou non ? ». Mais dire en valeur absolue que « pour les laitues, 22 °C le jour est la bonne réponse » efface les différences entre installations. Ce qu’il faut, c’est un cadre pour juger, depuis le côté de la physiologie, si les réglages de sa propre installation sont raisonnables — par exemple, comment traiter la température en zone racinaire et l’écart jour/nuit.
La règle de mesure pour ce jugement n’est pas une valeur absolue. C’est le bilan jusqu’ici — fabriquer le jour, ne pas surconsommer pendant la nuit, et la croissance qui tourne sur le bilan quotidien. Concrètement, on l’examine selon trois cadres.
Le premier est l’écart entre température foliaire et température de l’air. Mesurer de combien la feuille de l’étagère supérieure dépasse la consigne, et si cet écart reste faible, c’est un indicateur acceptable que l’air et la feuille sont grossièrement alignés. Le deuxième est l’écart jour/nuit, le DIF (différence jour/nuit). Obtient-on correctement l’écart entre une journée chaude et une nuit fraîche ? Un étiolement peut être interprété comme la possibilité que la nuit ne soit pas assez abaissée (l’étiolement implique aussi d’autres facteurs comme l’intensité lumineuse et la densité de plantation, donc la température n’en est qu’un). Le troisième est la température en zone racinaire. Celle-ci est plus facilement négligée que la température foliaire. Si la température en zone racinaire est trop élevée, les racines s’épuisent par respiration, et les sucres fabriqués avec effort sont consommés inutilement au niveau des racines. Les installations qui mesurent même la température en zone racinaire sont peut-être moins nombreuses que celles qui mesurent la température foliaire.
La procédure de jugement prend donc la forme non pas d’une table de réponses absolues, mais de la mesure des trois points — écart de température foliaire, DIF et température en zone racinaire — dans sa propre installation, et de la lecture de la cohérence en vérifiant si le bilan quotidien tient.
Sur la température en zone racinaire, un exemple de la vue « lire par l’écart » ressort clairement. Il existe une étude où, chez la laitue, maintenir la température en zone racinaire environ 3 °C au-dessus de la température de l’air a augmenté le poids sec des parties aériennes et racinaires dans les quatre plages de température de l’air testées (17, 22, 27 et 30 °C). Ce qui est intéressant, c’est que cette étude comparait deux niveaux — « identique à la température de l’air » et « température de l’air + 3 °C » — et que le +3 °C était avantageux dans toutes les plages. L’article lui-même précise qu’il a choisi +3 °C par commodité, donc on ne peut pas étendre cela à une règle universelle de « les racines doivent toujours être à la température de l’air +3 °C ». Même ainsi, le constat que la bonne relation était maintenue par l’écart à la température de l’air plutôt que par une valeur absolue est un point d’appui quand on examine si les réglages sont bons ou mauvais depuis le côté de la physiologie (voir 6). Pour être prudent, notons que cela concerne le fait de régler délibérément la température en zone racinaire légèrement au-dessus de la température de l’air, et que la direction de l’écart est inverse au premier cadre (maintenir faible l’écart feuille/air). Quant à la plage de température optimale pour les racines elle-même, une autre étude rapporte que chez la laitue, le poids sec est maximal autour d’une température en zone racinaire de 25 °C et que la croissance diminue quand elle monte à 35 °C (voir 7). Il est bon de surveiller la température en zone racinaire dans les deux plages — celle où suivre légèrement la température de l’air vers le haut est avantageux, et celle où, avec environ 25 °C comme plafond, la croissance diminue si elle monte trop.
Le tip burn et l’étiolement ne correspondent pas à la température dans une relation biunivoque
Avant même de pointer un thermomètre, on a forcément perçu quelque chose à l’aspect des feuilles. Le tip burn aux extrémités foliaires, l’étiolement, les changements de couleur des feuilles. Ces signes visuels peuvent-ils être lus comme des indices avant même de mesurer la température ? Si on savait quel signe correspond à quel aspect de la température, on devrait pouvoir le détecter dans la feuille avant de mesurer.
Mais pour énoncer la conclusion d’abord : le tip burn, l’étiolement et la couleur des feuilles servent tous de points d’entrée pour lire la température, mais les signes ne correspondent pas à la température dans une relation biunivoque. C’est le premier point important.
L’étiolement est relativement facile à lire. Il peut souvent être lu comme relevant du côté où l’écart jour/nuit n’est pas atteint — c’est-à-dire que la nuit n’est pas assez abaissée — et on peut le considérer comme l’un des signes du DIF (mais comme l’intensité lumineuse et la densité de plantation affectent aussi l’étiolement, ce n’est pas un indicateur exclusivement lié à la température). Le fil qui consiste à lire l’étiolement lui-même depuis le symptôme jusqu’à la conception de la température peut être suivi séparément dans la relation entre température nocturne et étiolement.
Le tip burn est un peu plus délicat. Plutôt que la haute température elle-même, il apparaît quand, dans une période où haute température et forte lumière se combinent, l’acheminement du calcium et d’autres éléments jusqu’aux extrémités foliaires ne suit pas. C’est le résultat de la combinaison de la lumière, de la circulation d’air et de l’humidité, pas de la seule température. On ne doit donc pas relier « tip burn apparu = abaisser la température » en une ligne unique. On surveille la température comme l’une des entrées.
En fait, cela est assez clairement étayé par l’expérience aussi. Dans la laitue de ferme verticale totalement close, abaisser la température diurne n’a pratiquement pas supprimé le tip burn. Mais appliquer de façon stable une circulation d’air horizontale à 0,28 mètre par seconde ou plus a grandement réduit son occurrence. Comme mécanisme, il a été montré que la circulation d’air uniformise la distribution du calcium dans la feuille — c’est-à-dire qu’elle aide l’acheminement jusqu’aux extrémités foliaires — et il est même dit qu’il existe des situations où la circulation d’air est plus efficace que la modification de la température. La même étude souligne que la propension au tip burn varie aussi beaucoup selon le cultivar, donc au-delà de la température, de la lumière et de la circulation d’air, le choix du cultivar est également un axe (voir 8). Une autre étude rapporte qu’en augmentant la circulation d’air de 0,25 à 0,75 mètre par seconde, l’occurrence du tip burn a diminué de 87,3 % (voir 1).
Il vaut donc mieux utiliser les signes visuels comme point d’entrée pour se repérer « où aller mesurer ». Pour l’étiolement, soupçonner le DIF ; pour le tip burn, soupçonner la combinaison de température foliaire, lumière et humidité. À partir de là, on revient dans le même ordre — mesurer la température foliaire, le DIF et la température en zone racinaire, et vérifier par rapport au bilan.
Voici une synthèse des repères de vitesse de la circulation d’air utilisés sur le terrain. La plage cible pour la vitesse de circulation d’air diffère légèrement selon l’objectif. Pour briser et homogénéiser les inégalités de température dans une étagère, environ 0,3 à 0,7 mètre par seconde ; pour chercher à supprimer le tip burn, une circulation d’air horizontale de 0,28 mètre par seconde ou plus ; pour un fonctionnement continu destiné à prévenir la condensation, un flux plus léger de 0,3 à 0,5 mètre par seconde — ainsi, le même « faire circuler l’air » varie de plage selon l’objectif. L’exemple qui a réduit le tip burn de 87,3 % est la valeur obtenue en passant de 0,25 à 0,75 mètre par seconde. La circulation d’air n’est pas quelque chose à rendre uniformément forte ; l’ordre est de décider pour quoi on la fait circuler, puis de choisir la plage.
La température n’a de sens que dans la combinaison lumière, circulation d’air et solution nutritive
Enfin, traçons ici une ligne claire. Nous avons déroulé cela autour de l’endroit où la température agit dans la physiologie, mais comme avec le tip burn que l’on vient de voir, des situations qui ne se résolvent pas avec la seule température surgiront toujours. Dès que la température foliaire, la lumière et l’humidité se combinent, cela devient une question à part sur la façon de concevoir l’humidité (VPD), la circulation d’air, le CO2 et la solution nutritive, et chercher la réponse uniquement dans la consigne de température mène à une impasse. C’est là qu’il faut tracer une limite : garder la température comme point d’entrée mais basculer vers la conception d’un autre paramètre environnemental — consulter un spécialiste si nécessaire, et aller dans la conception de l’humidité et de la lumière chacun séparément.
Il y a un fondement à cela. Dans la laitue de ferme verticale, il a été montré que parmi les facteurs environnementaux — concentration de la solution nutritive (CE), recette lumineuse, CO2, température et humidité — il existe des interactions qui modifient la façon dont chacun agit, et qu’optimiser un seul ne suffit pas (voir 5, 9). La température est la même : ce n’est qu’une fois placée dans la combinaison lumière, circulation d’air, solution nutritive et humidité qu’il devient visible si la consigne fonctionne ou rate. La conclusion « garder la température comme point d’entrée mais basculer vers la conception d’un autre paramètre environnemental » est donc cohérente avec l’observation selon laquelle on peine à trouver une réponse en continuant d’ajuster un seul chiffre.
En plus de cela, le cadre de la température foliaire apporte deux avantages pratiques ici. Le premier concerne l’utilisation de la circulation d’air. Quand la température foliaire de l’étagère supérieure est élevée, envoyer encore de l’air froid pour refroidir l’ensemble de l’air va dans le sens d’une augmentation de la consommation électrique, mais appliquer de la circulation d’air pour évacuer uniquement la chaleur à la surface de la feuille devient un levier d’économie d’énergie qui abaisse la seule température foliaire sans abaisser la température de consigne de l’air. Refroidir l’air et refroidir la feuille ne sont pas la même chose. C’est précisément parce qu’on lit par la feuille que la possibilité de s’en sortir sans refroidir l’air devient visible. Le second est le critère d’investissement. Du côté de la gestion, l’investissement dans le renouvellement du CVC ou l’isolation se transforme aussi — non pas « pour lui faire suivre la consigne avec précision », mais « pour supprimer la variabilité de la température foliaire, du DIF et de la température en zone racinaire là où cela compte pour la croissance ». Ce qu’il faut protéger n’est pas le chiffre de l’air, mais l’homogénéité là où la croissance se décide.
Pour résumer en une phrase tout ce qui précède : la gestion de la température ne s’arrête pas au tableau de commande du CVC ; la signification d’une consigne se décide par l’endroit où ce même 25 °C agit — photosynthèse diurne, respiration nocturne ou tempo de croissance.
Pour ceux qui souhaitent mieux systématiser les axes de décision sur le terrain, y compris la température, consultez également les 172 conseils pour améliorer la rentabilité des fermes verticales.