Sachin G. Chavan (1,2,*) , Zhong-Hua Chen (1,3), Oula Ghannoum (1) , Christopher I. Cazzonelli (1) et David T. Tissue 1,2)
1. National Vegetable Protected Cropping Centre, Hawkesbury Institute for the Environment, Western Sydney
Université, sac verrouillé 1797, Penrith, NSW 2751, Australie ; z.chen@westernsydney.edu.au (Z.-HC); o.ghannoum@westernsydney.edu.au (OG); c.cazzonelli@westernsydney.edu.au (CIC); d.tissue@westernsydney.edu.au (TNT)
2. Global Centre for Land Based Innovation, Hawkesbury Campus, Western Sydney University,
Richmond, NSW 2753, Australie
3. École des sciences, Université Western Sydney, Penrith, NSW 2751, Australie
* Correspondance : s.chavan@westernsydney.edu.au ; Tél. : +61-2-4570-1913
Abstract: Les cultures protégées offrent un moyen de renforcer la production alimentaire face au changement climatique
et fournir des aliments sains de manière durable avec moins de ressources. Cependant, pour faire de cette façon de cultiver
économiquement viable, nous devons considérer le statut des cultures protégées dans le contexte des
technologies et cultures horticoles cibles correspondantes. Cet examen décrit les opportunités existantes
et les défis qui doivent être relevés par la recherche et l'innovation continues dans ce domaine passionnant mais
domaine complexe en Australie. Les installations agricoles intérieures sont généralement classées dans les trois catégories suivantes
niveaux d'avancement technologique : basse, moyenne et haute technologie avec les défis correspondants
qui nécessitent des solutions innovantes. De plus, les limitations sur la croissance des plantes d'intérieur et les
les systèmes de culture (par exemple, les coûts énergétiques élevés) ont limité l'utilisation de l'agriculture
peu de cultures de grande valeur. Par conséquent, nous devons développer de nouveaux cultivars adaptés à l'agriculture en intérieur
qui peuvent différer de ceux requis pour la production en plein champ. De plus, la culture protégée
nécessite des coûts de démarrage élevés, une main-d'œuvre qualifiée coûteuse, une consommation d'énergie élevée et un nombre important de parasites
et la gestion des maladies et le contrôle de la qualité. Globalement, les cultures protégées offrent des solutions prometteuses
pour la sécurité alimentaire, tout en réduisant l'empreinte carbone de la production alimentaire. Cependant, pour l'intérieur
la production agricole ait un impact positif substantiel sur la sécurité alimentaire mondiale et la
sécurité, la production économique de diverses cultures sera essentielle.
Mots clés: culture protégée ; ferme verticale; culture hors-sol; rendement des cultures ; agriculture d'intérieur;
la sécurité alimentaire; durabilité des ressources
1. Introduction
La population mondiale devrait atteindre près de 10 milliards en 2050, la majorité de la croissance prévue se produisant dans les grands centres urbains du monde [1,2]. À mesure que la population augmente, la production alimentaire doit augmenter et répondre aux besoins nutritionnels et sanitaires tout en atteignant simultanément les objectifs de développement durable des Nations Unies (ODD) [3,4]. La diminution des terres arables et les effets néfastes du changement climatique sur l'agriculture posent des défis supplémentaires qui obligent les innovations dans les futurs systèmes de production alimentaire à répondre à la demande croissante au cours des prochaines décennies. Par exemple, les exploitations agricoles australiennes sont fréquemment exposées à la variabilité climatique et sont sensibles aux impacts à long terme du changement climatique. Les sécheresses récentes dans l'est de l'Australie en 2018-19 et 2019-20 ont nui aux entreprises agricoles, ajoutant ainsi aux effets émergents du changement climatique sur l'agriculture australienne [5].
Les cultures protégées, également connues sous le nom d'agriculture d'intérieur [6] - allant des tunnels low-tech aux serres de technologie moyenne partiellement contrôlées, en passant par les serres « intelligentes » de haute technologie et les fermes d'intérieur - pourraient contribuer à améliorer la sécurité alimentaire mondiale au 21e siècle. siècle. Cependant, alors que la vision d'une métropole autosuffisante est attrayante comme moyen de relever les défis contemporains, l'adoption de l'agriculture en intérieur n'a pas été à la hauteur de la
l'enthousiasme et l'optimisme de ses partisans. Les cultures protégées et l'agriculture en intérieur impliquent une plus grande utilisation de la technologie et de l'automatisation pour optimiser l'utilisation des terres, offrant ainsi des solutions intéressantes pour améliorer la production alimentaire future [7]. Partout dans le monde, le développement de l'agriculture urbaine [8,9] s'est souvent produit après des crises chroniques et/ou aiguës, comme les limitations de lumière et d'espace aux Pays-Bas ; l'effondrement de l'industrie automobile à Detroit ; le krach immobilier sur la côte est des États-Unis ; et le blocus de la crise des missiles cubains. Autre
les impulsions sont venues sous la forme de marchés disponibles, c'est-à-dire que les cultures protégées ont proliféré en Espagne [10] en raison de l'accès facile du pays aux marchés d'Europe du Nord. Conjuguée aux défis existants, la pandémie de COVID-19 en cours pourrait donner l'impulsion nécessaire pour transformer l'agriculture urbaine [11].
Si l'agriculture urbaine doit jouer un rôle important dans l'amélioration de la sécurité alimentaire et de la nutrition humaine, elle doit être étendue à l'échelle mondiale afin qu'elle ait la capacité de cultiver une large gamme de produits d'une manière plus économe en énergie, en ressources et en coût que est actuellement possible. D'énormes opportunités existent pour améliorer la productivité et la qualité des cultures en associant les progrès des contrôles environnementaux, de la lutte antiparasitaire, de la phénomique et de l'automatisation
avec des efforts de sélection ciblant les caractères qui améliorent l'architecture des plantes, la qualité des cultures (goût et nutrition) et le rendement. Une plus grande diversité de cultures actuelles et émergentes par rapport aux types de cultures traditionnelles, ainsi que des plantes médicinales, peut être cultivée dans des fermes à environnement contrôlé [12,13].
Le besoin imminent d'améliorer la sécurité alimentaire urbaine et de réduire l'empreinte carbone des aliments peut être résolu par des innovations dans les secteurs agroalimentaires, telles que les cultures protégées et l'agriculture verticale en intérieur. Celles-ci vont des poly-tunnels à faible technologie avec un contrôle environnemental minimal, des serres de technologie moyenne et partiellement contrôlées à l'environnement, aux serres de haute technologie et aux installations agricoles verticales dotées de technologies de pointe. La culture protégée est le secteur de production alimentaire qui connaît la croissance la plus rapide en Australie, en termes d'échelle de production et d'impact économique [12]. L'industrie australienne des cultures protégées se compose d'installations de haute technologie (17%), de serres (20%) et de systèmes de production de cultures hydroponiques/à base de substrats (52%), indiquant la nécessité et l'opportunité de développer le secteur agroalimentaire. Dans cette revue, nous discutons de l'état des cultures protégées dans le contexte des technologies disponibles et des cultures horticoles cibles correspondantes, décrivant les opportunités et les défis qui doivent être abordés par la recherche en cours en Australie.
2. Techniques et technologies actuelles des cultures protégées
En 2019, la superficie totale des terres consacrées aux cultures protégées, ce qui, en gros,
cultiver sous tous les types de couverture - a été estimée à 5,630,000 14 500,000 hectares (ha) dans le monde [10]. La superficie totale de légumes et d'herbes cultivés dans des serres (structures permanentes) a été estimée à environ 90 15,16 ha dans le monde, avec 1300 % de ces cultures cultivées dans des serres et 14 % dans des serres en plastique [5]. La superficie des serres en Australie est estimée à environ 17 ha, les serres de haute technologie (environ 83 entreprises individuelles, chacune occupant moins de 17 ha) représentant 80 % de cette superficie, et les serres de basse technologie/moyenne technologie représentant 20 % [16 ]. À l'échelle mondiale, les serres et serres en plastique représentent respectivement environ XNUMX % et XNUMX % du total des serres produites [XNUMX].
La culture protégée est le secteur de production alimentaire qui connaît la croissance la plus rapide en Australie, évaluée à environ 1.5 milliard de dollars par an à la ferme en 2017. On estime qu'environ 30 % de tous les agriculteurs australiens cultivent des cultures dans une forme de système de culture protégée, et que les cultures sous abri représentent environ 20 % de la valeur totale de la production de légumes et de fleurs [18]. En Australie, la superficie estimée de production de légumes de serre est la plus élevée pour l'Australie-Méridionale (580 ha), suivie de la Nouvelle-Galles du Sud (500 ha) et de Victoria (200 ha), tandis que le Queensland, l'Australie-Occidentale et la Tasmanie représentent moins de 50 ha chacun [17 ].
Sur la base de l'Australian Horticulture Statistics Handbook (2014-2015) et de discussions avec l'industrie, la valeur brute de la production (GVP) de fruits, légumes et fleurs a été estimée pour 2017. Parmi les systèmes de culture déployés, les cultures cultivées en culture hydroponique/substrat- les systèmes de production à base de sol (52 %) ont été les plus appréciés, suivis de ceux cultivés sous des systèmes de fertigation du sol (35 %), avec une combinaison de systèmes de fertirrigation du sol et de systèmes hydroponiques/à base de substrat (11 %), et utilisant un système hydroponique/de nutriments. technique du film (NFT) (2%) (figure 1A). De même, parmi les types de protection, les cultures sous couvertures poly/verre (63 %) avaient le GVP le plus élevé, suivies de celles cultivées sous couvertures poly (23 %), des couvertures grêle/ombre (8 %) et des cultures combinées poly/grêle/ombre. couvre (6 %) (Figure 1B) [17]. En Australie, les statistiques sur les GVP de produits spécifiques de l'horticulture en serre ne sont pas facilement disponibles [15].
Figure 1. Production en valeur brute (GVP) totale des cultures sous abri (2017) par système de culture (A) et protection (B). La production hydroponique/à base de substrat implique la croissance de plantes hors-sol en utilisant un milieu inerte tel que la laine de roche. La production basée sur le sol/fertirrigation implique la croissance des plantes en utilisant le sol avec fertirrigation (application combinée d'engrais et d'eau). La technique de culture hydroponique/film nutritif (NFT) consiste à faire circuler un courant peu profond d'eau contenant des nutriments dissous qui passe à travers les racines des plantes dans des canaux étanches. « Poly » fait référence au polycarbonate.
Les revêtements anti-grêle/ombrage, généralement en filet ou en tissu, protègent les cultures de la grêle et bloquent une partie de la lumière excessive. $ fait référence à AUD.
Parmi les installations à environnement contrôlé aux États-Unis, les serres en verre ou en polycarbonate (poly) (47 %) sont plus courantes que les fermes verticales intérieures (30 %), les cerceaux en plastique à faible technologie (12 %), les fermes en conteneurs (7 % ) et les systèmes de culture intérieure en eau profonde (4%). Parmi les systèmes de culture, la culture hydroponique (49 %) est plus courante que les systèmes basés sur le sol (24 %), aquaponiques (15 %), aéroponiques (6 %) et hybrides (aéroponique, hydroponique, sol) (6 %) [19,20].
L'Australie compte très peu de fermes verticales avancées établies, en grande partie parce qu'elle compte peu de villes densément peuplées. Cependant, l'Australie a une superficie de serres d'environ 1000 ha [16,17] et l'exportation de légumes et de fruits frais a considérablement augmenté de 2006 à 2016 pour l'Australie [16] avec l'augmentation des cultures sous couverture. Bien que l'Australie ait pris un excellent départ dans l'agriculture en intérieur et que le secteur ait un énorme potentiel de croissance, il lui faut du temps pour mûrir et se développer davantage pour devenir un acteur clé à l'échelle mondiale. À l'heure actuelle, les installations agricoles intérieures à vocation commerciale peuvent être classées selon les trois niveaux d'avancement technologique suivants : faible, moyenne et haute technologie. Chacun est discuté plus en détail dans les sections suivantes.
2.1. Nouvelles technologies pour les poly-tunnels low-tech
Les installations de serre à faible technologie qui contribuent le plus à la culture protégée ont plusieurs limites qui nécessitent des solutions technologiques pour faciliter leur transition vers des installations rentables de moyenne ou haute technologie produisant des cultures de haute qualité avec un minimum de ressources. Les poly-tunnels à faible technologie représentent 80 à 90 % de la production de cultures sous serre dans le monde [20] et en Australie [17]. Compte tenu de la grande proportion de tunnels low-tech dans les cultures protégées et de leurs faibles niveaux de climat, de fertigation et de lutte antiparasitaire, il est important de relever les défis associés afin d'augmenter la production et les rendements économiques pour les producteurs.
Le niveau de basse technologie englobe divers types de poly-tunnels qui peuvent aller des structures métalliques de fortune avec des revêtements en plastique aux structures permanentes construites à cet effet. Généralement, ils ne sont pas contrôlés au-delà de la capacité de soulever le revêtement en plastique lorsqu'il devient trop chaud ou nuageux à l'extérieur. Ces couvertures en plastique protègent la culture de la grêle, de la pluie et du froid et prolongent dans une certaine mesure la saison de croissance. Ces structures bon marché offrent un
un retour sur investissement viable dans les cultures maraîchères telles que la laitue, les haricots, les tomates, le concombre, le chou et la courgette. La culture dans ces poly-tunnels est réalisée dans le sol, tandis que les opérations plus avancées peuvent utiliser de grands pots et une irrigation goutte à goutte pour les tomates, les myrtilles, les aubergines ou les poivrons. Cependant, alors que les cultures protégées à faible technologie ont du sens pour les petits producteurs, ces techniques souffrent de plusieurs lacunes. Leur manque de contrôle environnemental affecte la cohérence de la taille et de la qualité du produit et réduit donc
l'accès au marché de ces produits pour les clients exigeants tels que les supermarchés et les restaurants. Étant donné que la culture est généralement plantée dans le sol, ces agriculteurs sont également confrontés à de nombreux ravageurs et maladies transmises par le sol (par exemple, une infestation persistante de nématodes). Les partenaires de l'industrie et de la recherche ont besoin d'innovations pour fournir des solutions dans la conception des installations et des systèmes de gestion des cultures, ainsi que des systèmes commerciaux intelligents pour exporter les produits
et maintenir une chaîne d'approvisionnement constante. Les incitations et le soutien des organismes de financement et les innovations technologiques (par exemple, la lutte biologique, l'automatisation partielle de l'irrigation et le contrôle de la température) des universités et des entreprises pourraient aider les producteurs à passer à des systèmes de culture technologiques plus avancés.
2.2. Mise à niveau des serres de moyenne technologie avec des innovations et de nouvelles technologies
Les cultures protégées de technologie moyenne sont une vaste catégorie englobant les serres et les serres à environnement contrôlé. Cette partie du secteur des cultures protégées nécessite des mises à niveau technologiques importantes si elle veut concurrencer la production alimentaire à grande échelle dans des exploitations déployant des poly-tunnels à faible technologie et des produits de haute qualité provenant de serres de haute technologie. Le contrôle environnemental dans les serres de moyenne technologie est généralement partiel ou intensif et la température de certaines serres peut être contrôlée en ouvrant manuellement le toit, tandis que
les installations plus avancées ont des unités de refroidissement et de chauffage. L'utilisation de panneaux solaires et de films intelligents est à l'étude pour réduire les coûts énergétiques et l'empreinte carbone dans les serres de technologie moyenne [21-23].
Alors que de nombreuses serres sont encore constituées de revêtement en PVC ou en verre, des films intelligents peuvent être appliqués sur ces structures ou peuvent être incorporés dans la conception des serres pour augmenter l'efficacité énergétique. Généralement, les serres haut de gamme utilisent des supports de culture tels que des blocs de laine de roche avec des réceptions d'engrais liquides soigneusement calibrées à différents stades de croissance pour maximiser les rendements des cultures. La fertilisation au CO2 est parfois utilisée dans les serres de technologie moyenne pour augmenter le rendement et la qualité. Le secteur des cultures protégées de moyenne technologie bénéficiera de partenariats industrie-université pour générer des solutions scientifiques et technologiques avancées, y compris de nouveaux génotypes de cultures à haut rendement et de qualité, la lutte intégrée contre les ravageurs, la fertigation entièrement automatisée et le contrôle du climat des serres, et l'assistance robotique à la gestion des cultures. et récolte.
2.3. Innovations de la science et de la technologie pour les serres de haute technologie
Les serres de haute technologie peuvent intégrer les dernières avancées technologiques en matière de physiologie des cultures, de fertirrigation, de recyclage et d'éclairage. Dans les serres commerciales à grande échelle, par exemple, la technologie du "verre intelligent", les systèmes solaires photovoltaïques (PV) et l'éclairage supplémentaire, tels que les panneaux LED, peuvent être utilisés pour améliorer la qualité et les rendements des cultures. Les producteurs automatisent également de plus en plus les domaines critiques et/ou à forte intensité de main-d'œuvre tels que la surveillance des cultures, la pollinisation et la récolte.
Le développement de l'intelligence artificielle (IA) et de l'apprentissage automatique (MI) a ouvert de nouvelles dimensions pour les serres de haute technologie [24-28]. L'IA est un ensemble de règles codées par ordinateur et de modèles statistiques formés pour discerner des modèles dans les mégadonnées et effectuer des tâches généralement associées à l'intelligence humaine. L'IA utilisée dans la reconnaissance d'images est utilisée pour surveiller la santé des cultures et reconnaître les signes de maladie, permettant une prise de décision plus rapide et mieux informée pour la gestion et la récolte des cultures, ce qui, de nos jours, peut être accompli
par des bras de robot plutôt que par le travail humain. L'Internet des objets (IoT) propose des solutions d'automatisation qui peuvent être personnalisées spécifiquement pour les applications de serre [29]. Ainsi, l'IA et l'IoT peuvent apporter une contribution significative dans le domaine de l'agriculture moderne en contrôlant et en automatisant les activités agricoles [30].
La recherche et le développement dans le domaine des robots agricoles ont considérablement augmenté au cours de la dernière décennie [31–33]. Un système autonome de récolte de capsicum qui se rapproche de la viabilité commerciale a été démontré avec un taux de réussite de récolte de 76.5 % [31] en Australie. Des prototypes de robots pour l'effeuillage des plants de tomates, la récolte des poivrons (poivrons) et la pollinisation des cultures de tomates [34,35] ont été développés en Europe et en Israël, et pourraient être commercialisés dans un avenir proche.
De plus, les systèmes logiciels de gestion de la main-d'œuvre pour les serres de haute technologie à grande échelle optimiseront considérablement l'efficacité des travailleurs, améliorant ainsi les perspectives économiques de ces entreprises. La révolution informatique et technique continuera de renforcer les cultures protégées et l'agriculture en intérieur, permettant aux producteurs de surveiller et de gérer leurs cultures à partir d'ordinateurs et d'appareils mobiles, qui peuvent même être utilisés pour rendre l'agriculture et
décisions de marché. Les serres de haute technologie ont le plus grand potentiel de bénéficier au secteur australien des cultures protégées, par conséquent, la recherche et l'innovation en cours dans ces installations se traduiront probablement par du temps et de l'argent bien investis.
2.4. Développer des fermes verticales pour les besoins futurs
Ces dernières années, un développement rapide de « l'agriculture verticale » intérieure à travers le monde a été observé, en particulier dans les pays à forte population et aux terres insuffisantes [36,37]. L'agriculture verticale représente 6 milliards de dollars en valeur mais reste une petite fraction du marché agricole mondial de plusieurs billions de dollars [38]. Il existe différentes itérations de l'agriculture verticale, mais toutes utilisent des étagères de culture hors-sol ou hydroponiques empilées verticalement dans un environnement entièrement clos et contrôlé, ce qui permet un degré élevé d'automatisation, de contrôle et de cohérence [39]. Cependant, l'agriculture verticale reste limitée aux cultures de grande valeur et à cycle de vie court en raison des coûts énergétiques élevés malgré une productivité inégalée par mètre carré et des niveaux élevés d'efficacité de l'eau et des nutriments.
La dimension technologique de l'agriculture verticale, et en particulier l'avènement des serres « intelligentes », est susceptible d'attirer les producteurs désireux de travailler avec les technologies informatiques et de mégadonnées émergentes telles que l'IA et l'Internet des objets (IoT) [40]. Actuellement, toutes les formes d'agriculture en intérieur sont à forte intensité d'énergie et de main-d'œuvre, bien qu'il y ait de la place pour de grands progrès dans les technologies d'automatisation et d'efficacité énergétique. Déjà, les formes les plus avancées d'agriculture d'intérieur fournissent leur propre énergie sur place et sont indépendantes du réseau électrique général. Les jardins sur les toits peuvent aller de conceptions simples au sommet des bâtiments de la ville aux entreprises sur les toits des entreprises sur les bâtiments municipaux à New York et à Paris. L'agriculture verticale intérieure a un bel avenir, en particulier dans le sillage de la pandémie de COVID-19 et est bien placée pour augmenter sa part du marché alimentaire mondial, en raison de sa
système de production hautement efficace, réduction des coûts de la chaîne d'approvisionnement et de la logistique, potentiel d'automatisation (minimisation de la manutention) et accès facile à la main-d'œuvre et aux consommateurs.
3. Cultures cibles dans les cultures protégées
Actuellement, les cultures adaptées à l'agriculture en intérieur sont limitées en nombre en raison des limitations des cultures pour la croissance en intérieur ainsi que des limitations des cultures protégées telles que le coût énergétique élevé (pour l'éclairage, le chauffage, le refroidissement et le fonctionnement de divers systèmes automatisés) qui permettent des cultures spécifiques à haute valeur [ 41–43]. Cependant, la production économique d'une gamme variée de cultures comestibles est essentielle si l'on veut que les cultures protégées aient un impact significatif sur
sécurité alimentaire mondiale [12,13,44]. Les cultivars de cultures pour la culture de légumes protégés diffèrent considérablement de ceux de la production en plein champ qui sont sélectionnés pour la tolérance d'un large éventail de conditions environnementales, ce qui n'est pas nécessairement requis dans les cultures protégées. Le développement de cultivars appropriés nécessitera l'optimisation de plusieurs caractères (tels que l'autopollinisation, la croissance indéterminée, les racines robustes) qui diffèrent des caractères considérés comme
souhaitable dans les cultures de plein air (Figure 2) (Adopté de [13]).
Figure 2. Caractéristiques souhaitables pour les cultures fruitières cultivées à l'intérieur dans des conditions d'environnement contrôlé par rapport aux cultures cultivées à l'extérieur dans des conditions de terrain.
Actuellement, les fruits et légumes les mieux adaptés à la culture en intérieur comprennent :
• Ceux qui poussent sur vigne ou buisson (tomate, fraise, framboise, myrtille, concombre, poivron, raisin, kiwi) ;
• Cultures spécialisées à forte valeur ajoutée (houblon, vanille, safran, café) ;
• Cultures médicinales et cosmétiques (algues, échinacées) ;
• Les petits arbres (cerisiers, chocolatiers, manguiers, amandiers) sont d'autres options viables [13].
Dans les sections suivantes, nous discutons plus en détail des cultures existantes actuelles et du développement de nouveaux cultivars pour l'agriculture en intérieur.
3.1. Cultures existantes cultivées dans des installations de faible, moyenne et haute technologie
Les systèmes de cultures protégées à technologie faible et moyenne produisent principalement des tomates, des concombres, des courgettes, des poivrons, des aubergines, des laitues, des légumes verts asiatiques et des herbes. En termes de superficie, de quantité de fruits produits et de nombre d'entreprises, la tomate est la culture légumière horticole la plus importante produite sous serre, suivie du poivron et de la laitue [15,45].
En Australie, le développement d'installations à environnement contrôlé à grande échelle s'est limité principalement à celles construites pour la culture de tomates [15]. Le GVP estimé des fruits, légumes et fleurs pour 2017, au champ et dans les installations de culture sous abri, démontre la prédominance de la tomate dans le secteur australien de la culture sous abri.
Le GVP global estimé pour 2017 en ce qui concerne la production au champ et sous couvert de cultures horticoles était le plus élevé pour la tomate (24 %), suivi par la fraise (17 %), les fruits d'été (13 %), les fleurs (9 %), la myrtille (7 %), le concombre (7 %) et le poivron (6 %), les légumes asiatiques, les fines herbes, l'aubergine, la cerise et les baies représentant chacun moins de 6 % (Figure 3A).
Figure 3. Estimation de la valeur brute de la production (GVP) pour la production globale combinée de légumes de plein champ et de cultures protégées (A) et GVP imputée des cultures cultivées sous cultures protégées en 2017 (B) pour l'Australie.
Parmi celles-ci, le GVP des cultures cultivées dans des systèmes de culture sous abri était le plus élevé pour la tomate (40 %), qui était en tête par une marge significative par rapport aux autres cultures, notamment les fleurs (11 %), la fraise (10 %), les fruits d'été (8 % ) et les baies (8 %), chacune des cultures restantes représentant moins de 5 % (Figure 3B). Cependant, le marché intérieur australien a été saturé par les tomates de serre, ce qui laisse l'industrie des cultures protégées
avec les deux options suivantes : augmenter les ventes de ces cultures sur les marchés internationaux ; et/ou pour encourager certains des serriculteurs existants du pays à passer à la production d'autres cultures de grande valeur. La proportion de cultures individuelles cultivées sous protection était la plus élevée pour les baies (85 %) et la tomate (80 %), suivies des fleurs (60 %), du concombre (50 %), de la cerise et des légumes asiatiques (chacun 40 %), de la fraise et de l'été.
fruits (chacun 30%), myrtille et herbes (chacun 25%), et enfin, poivron et aubergine, à 20% chacun [17]. Actuellement, l'agriculture en intérieur à forte intensité d'énergie et de main-d'œuvre est limitée aux cultures de grande valeur qui peuvent être produites à court terme avec un faible apport énergétique [46,47]
Dans les «usines» de plantes, les cultures prédominantes cultivées actuellement sont les légumes-feuilles et les herbes, en raison de la courte période de croissance de ces cultures (car les fruits et les graines ne sont pas nécessaires) et leur valeur élevée [7], le fait que ces cultures nécessitent relativement moins de lumière pour la photosynthèse [48] et parce que la majeure partie de la biomasse végétale produite peut être récoltée [46,49]. Il existe un grand potentiel pour améliorer les rendements et la qualité des cultures cultivées dans les fermes urbaines [12].
3.2. Sondage auprès de l'industrie : où se situent les intérêts des participants ?
L'identification de thèmes de recherche clés est essentielle pour améliorer l'efficacité de la recherche financée par des fonds publics et privés pour l'avenir des cultures protégées. Par exemple, le Future Food Systems Co-operative Research Centre (FFSCRC), initié par la New South Wales Farmers Association (NSW Farmers), l'Université de New South Wales (UNSW) et Food Innovation Australia Ltd. (FIAL), consiste en un consortium de plus de 60 fondateurs
l'industrie, le gouvernement et les participants à la recherche. Ses programmes de recherche et de capacité visent à aider les participants à optimiser la productivité des systèmes alimentaires régionaux et périurbains, à faire passer de nouveaux produits du prototype au marché et à mettre en place des chaînes d'approvisionnement rapides et protégées de provenance de la ferme au consommateur. À cette fin, la FFSRC fournit un environnement de recherche collaborative visant à améliorer les cultures protégées afin de renforcer notre capacité à exporter des produits horticoles de qualité supérieure et d'aider l'Australie à devenir un chef de file en science et technologie pour le secteur des cultures protégées.
Les participants ont été interrogés pour identifier les cultures cibles pour l'agriculture en intérieur. Parmi les participants qui ont identifié des cultures cibles, l'intérêt pour les légumes frais (29 %) était le plus élevé, suivi de l'intérêt pour les cultures fruitières (22 %) ; cannabis médicinal, autres herbes médicinales et cultures spécialisées (13 %) ; espèces indigènes/indigènes (10%); champignons/champignons (10%); et les légumes-feuilles (3 %) (Figure 4).
Figure 4. Classification des cultures produites actuellement par les participants de la FFSCRC dans des installations de culture protégées et, par conséquent, de l'intérêt probable des participants à trouver des solutions pour cultiver ces cultures de manière plus productive sous abri.
L'enquête était basée sur des informations sur les participants disponibles en ligne ; l'acquisition d'informations plus détaillées sera cruciale pour comprendre et répondre aux besoins spécifiques des participants.
3.3. Sélection de nouveaux cultivars pour les installations à environnement contrôlé
Les technologies de sélection disponibles pour l'amélioration des plantes potagères et autres plantes cultivées progressent rapidement [50]. Dans les cultures protégées, un secteur économique dynamique avec des changements rapides dans les tendances du marché et les préférences des consommateurs, le choix du bon cultivar est essentiel [44,51]. De nombreuses études évaluent l'adaptation de cultures à forte valeur telles que la tomate et l'aubergine pour la production en serre [52,53]. De nouvelles technologies de sélection [50] ont facilité le développement de nouveaux cultivars avec les traits souhaités, et certaines entreprises ont commencé à concevoir des plantes pour la croissance dans des environnements contrôlés sous des lumières LED [20]. Cependant, les cultivars ont été sélectionnés principalement pour maximiser le rendement dans des conditions de terrain très variables [46]. Les caractéristiques des cultures telles que la tolérance à la sécheresse, à la chaleur et au gel - qui sont souhaitables dans les cultures de plein champ mais entraînent généralement des pénalités de rendement - ne sont généralement pas nécessaires dans
agriculture d'intérieur.
Les traits clés qui peuvent être ciblés pour adapter les cultures de plus grande valeur à l'agriculture d'intérieur comprennent des cycles de vie courts, une floraison continue, un faible rapport racine-pousse, des performances améliorées avec un faible apport d'énergie photosynthétique et des traits de consommation souhaitables, notamment le goût, la couleur, texture et teneur en nutriments spécifiques [12,13]. De plus, la sélection spécifique pour une qualité supérieure produira des produits hautement désirables avec une valeur marchande élevée. Le spectre lumineux, la température, l'humidité et l'apport de nutriments peuvent être gérés de manière à modifier l'accumulation de composés cibles dans les feuilles et les fruits [54,55] et à augmenter la valeur nutritionnelle des cultures, y compris les protéines (quantité et qualité), les vitamines A, C et E, caroténoïdes, flavonoïdes, minéraux, glycosides et anthocyanes [12]. Par exemple, des mutations naturelles (dans la vigne) et l'édition de gènes (dans le kiwi) ont été utilisées pour modifier l'architecture des plantes, ce qui sera utile pour la culture en intérieur dans des espaces restreints. Dans une étude récente, des plants de tomates et de cerises ont été conçus à l'aide de CRISPR-Cas9 pour combiner les trois caractéristiques souhaitables suivantes : un phénotype nain, une croissance compacte et une floraison précoce. La pertinence des variétés de tomates «modifiées» résultantes pour une utilisation dans les systèmes de culture en intérieur a été validée à l'aide d'essais sur le terrain et de fermes verticales commerciales [56].
Un examen de la sélection moléculaire pour créer des cultures optimisées a discuté de la valeur ajoutée des produits agricoles en développant des cultures agricoles bénéfiques pour la santé et en tant que médicaments comestibles [46]. Les principales approches pour développer des cultures agricoles bénéfiques pour la santé ont été identifiées comme l'accumulation de grandes quantités d'un nutriment intrinsèque souhaitable ou la réduction de composés indésirables, et l'accumulation de composés précieux qui
ne sont normalement pas produits dans la culture.
4. Défis et opportunités de la culture protégée et de l'agriculture en intérieur
Les installations avancées de culture protégée et d'agriculture en intérieur ont un impact environnemental relativement faible. Bien que la culture de cultures sous abri consomme plus d'énergie que de nombreuses autres méthodes agricoles, la capacité d'atténuer les impacts des conditions météorologiques, d'assurer la traçabilité et de produire des aliments de meilleure qualité favorise la livraison constante de produits de qualité, attirant des rendements qui dépassent de loin les coûts de production supplémentaires. [18]. Les principaux défis des cultures protégées comprennent :
• Coûts d'investissement élevés, dus aux prix élevés des terrains dans les zones intra-urbaines et périurbaines ;
• Consommation d'énergie élevée ;
• Demande de main-d'œuvre qualifiée ;
• Gestion des maladies sans contrôles chimiques ; et
• Développement d'indices de qualité nutritionnelle—pour définir et certifier les aspects qualitatifs des produits—pour les cultures cultivées à l'intérieur.
Dans la section suivante, nous discutons de certains des défis et des opportunités associés aux cultures protégées.
4.1. Conditions optimales pour une productivité élevée et une utilisation efficace des ressources
Une meilleure compréhension des besoins des cultures à différents stades de croissance et sous diverses conditions d'éclairage est essentielle si les producteurs veulent maintenir une production agricole rentable dans des environnements contrôlés. Une gestion efficace de l'environnement de la serre, y compris ses éléments climatiques et nutritionnels, ainsi que les conditions structurelles et mécaniques, peut augmenter considérablement la qualité des fruits et les rendements [57]. Les facteurs d'environnement de croissance peuvent influencer la croissance des plantes, les taux d'évapotranspiration et les cycles physiologiques. Parmi les facteurs climatiques, le rayonnement solaire est le plus important car la photosynthèse nécessite de la lumière et le rendement des cultures est directement proportionnel aux niveaux d'ensoleillement jusqu'aux points de saturation de la lumière pour la photosynthèse. Souvent, un contrôle environnemental précis nécessite des dépenses énergétiques élevées, réduisant la rentabilité de l'agriculture en environnement contrôlé. L'énergie nécessaire au chauffage et au refroidissement des serres reste une préoccupation majeure et une cible pour ceux qui cherchent à réduire leurs coûts énergétiques [6]. Les matériaux de vitrage et les technologies de verre innovantes telles que Smart Glass [58] offrent des opportunités prometteuses pour réduire les coûts associés au maintien de la température de la serre et au contrôle des variables environnementales. De nos jours, des technologies de verre innovantes et des systèmes de refroidissement efficaces sont intégrés aux cultures protégées dans les serres. Les matériaux de vitrage ont le potentiel de réduire
consommation d'électricité, en absorbant l'excès de rayonnement solaire et en redirigeant l'énergie lumineuse pour produire de l'électricité à l'aide de cellules photovoltaïques [59,60].
Cependant, les matériaux de revêtement affectent les microclimats de la serre [61,62], y compris la lumière [63] et il est donc important d'évaluer l'impact des nouveaux matériaux de vitrage sur la croissance et la physiologie des plantes, l'utilisation des ressources, le rendement et la qualité des cultures dans des environnements dans lesquels les facteurs tels que le CO2, la température, les nutriments et l'irrigation sont rigoureusement contrôlés. Par exemple, des photovoltaïques organiques semi-transparents (OPV) basés sur le mélange de poly (3-hexylthiophène) régiorégulier (P3HT) et d'ester méthylique d'acide phényl-C61-butyrique (PCBM) ont été testés pour cultiver des plantes de poivron (Capsicum annuum). Sous l'ombre des VPO, les plants de poivron produisaient 20.2 % de masse de fruits en plus et les plants ombragés étaient 21.8 % plus grands à la fin de la saison de croissance [64]. Dans une autre étude, la réduction de PAR causée par des panneaux photovoltaïques flexibles sur le toit n'a pas affecté le rendement, la morphologie des plantes, le nombre de fleurs par branche, la couleur des fruits, la fermeté et le pH [65].
Un film de « verre intelligent » ultra-faiblement réfléchissant, Solar Gard™ ULR-80 [58], est actuellement testé en production sous serre. L'objectif est de réaliser le potentiel des matériaux de vitrage à transmission lumineuse réglable et de réduire le coût énergétique élevé associé aux opérations dans les installations horticoles de haute technologie en serre. Le film de verre intelligent (SG) est appliqué sur le verre standard des baies de serre individuelles dans les installations cultivant des cultures maraîchères en utilisant des pratiques commerciales de culture verticale et de gestion [66,67]. Les essais d'aubergines sous SG ont démontré une efficacité énergétique et de fertigation plus élevée [42], mais également un rendement réduit des aubergines, en raison des taux élevés d'avortement des fleurs et / ou des fruits en raison de la photosynthèse limitée par la lumière [58]. Le film SG utilisé peut nécessiter une modification pour générer des conditions d'éclairage optimales et minimiser les limitations de lumière pour les fruits à haut puits de carbone tels que l'aubergine.
L'utilisation de nouveaux matériaux de vitrage à économie d'énergie tels que le verre intelligent offre une excellente opportunité de réduire le coût énergétique des opérations en serre et d'optimiser les conditions d'éclairage pour la culture des cultures cibles. Les films de couverture intelligents tels que les films agricoles émettant de la lumière luminescente (LLEAF) ont le potentiel d'améliorer et de contrôler la croissance végétative et le développement reproducteur dans les cultures protégées de technologie moyenne. FEUILLE
des panneaux pourraient être testés sur une variété de cultures florifères et non florifères pour déterminer s'ils contribuent à augmenter la croissance végétative et reproductive (en modifiant les processus physiologiques qui sous-tendent la croissance des plantes ainsi que la productivité et la qualité des cultures).
4.2. Gestion des ravageurs et des maladies
Bien que les installations de cultures protégées contrôlées puissent minimiser les ravageurs et les maladies, une fois introduits, ils sont extrêmement difficiles et coûteux à contrôler sans utiliser de produits chimiques synthétiques toxiques. L'agriculture verticale en intérieur permet de surveiller de près les cultures à la recherche de signes de ravageurs ou de maladies, manuellement et/ou automatiquement (à l'aide de technologies de détection) et l'adoption de technologies robotiques émergentes et/ou de procédures de télédétection facilitera
la détection précoce des foyers et l'élimination des plantes malades et/ou infestées [7].
De nouvelles méthodes de lutte intégrée contre les ravageurs (IPM) [68] seront nécessaires pour une gestion efficace des ravageurs dans les serres. Des stratégies de gestion appropriées (culturelles, physiques, mécaniques, biologiques et chimiques), ainsi que de bonnes pratiques culturales, des techniques de surveillance avancées et une identification précise peuvent améliorer la production de légumes tout en minimisant la dépendance aux applications de pesticides. Une approche intégrée de la gestion des maladies implique l'utilisation de cultivars résistants, l'assainissement, de bonnes pratiques culturales et l'utilisation appropriée de pesticides [44]. Le développement de nouvelles stratégies IPM peut minimiser les coûts de main-d'œuvre et la nécessité d'appliquer des pesticides chimiques. Prenons, par exemple, l'utilisation de nouveaux insectes naturellement bénéfiques élevés commercialement (par exemple, la cécidomyie des pucerons, la chrysope verte, etc.) pour lutter contre les ravageurs des cultures et réduire le recours à la lutte chimique. Test de divers nouveaux IPM
Les stratégies, isolées et combinées, aideront à élaborer des recommandations spécifiques aux cultures et aux installations pour les producteurs.
4.3. Qualité des cultures et valeurs nutritionnelles
Les cultures protégées offrent aux producteurs et aux partenaires de l'industrie des rendements élevés et des produits de haute qualité tout au long de l'année [69]. Cependant, la culture de fruits et légumes de qualité supérieure nécessite des tests à haut débit des paramètres nutritionnels et de qualité [70]. Les paramètres de base de la qualité des fruits comprennent la teneur en humidité, le pH, les solides solubles totaux, les cendres, la couleur des fruits, l'acide ascorbique et l'acidité titrable, ainsi que des paramètres nutritionnels avancés, notamment les sucres, les graisses, les protéines, les vitamines et les antioxydants ; les mesures de fermeté et de perte d'eau sont également cruciales pour définir des indices de qualité [66]. De plus, les tests de qualité à haut débit des produits agricoles pourraient être intégrés dans un système automatisé d'exploitation des serres. Le criblage des génotypes de cultures disponibles pour les paramètres de qualité fournira de nouvelles variétés de fruits et légumes de grande valeur et riches en nutriments pour les producteurs et les consommateurs. Les stratégies agronomiques, y compris l'environnement de croissance et les pratiques de gestion des cultures, devront être optimisées pour améliorer la production et la densité en nutriments des plantes de ces cultures à haute valeur.
4.4. Disponibilité de l'emploi et de la main-d'œuvre qualifiée
Les besoins en main-d'œuvre pour l'industrie des cultures protégées augmentent (> 5% par an) et on estime que plus de 10,000 XNUMX personnes dans toute l'Australie sont actuellement employées directement par l'industrie. Malgré son haut niveau d'automatisation, la culture protégée à grande échelle nécessite une main-d'œuvre importante, en particulier pour l'établissement des cultures, l'entretien des cultures, la pollinisation mécanique et la récolte des produits. Avec la demande croissante
pour les producteurs hautement qualifiés, l'offre de travailleurs qualifiés reste faible [18,71]. Une main-d'œuvre qualifiée sera également nécessaire pour le développement de l'agriculture verticale urbaine, qui générera de nouvelles carrières pour les technologues, les chefs de projet, les agents de maintenance et le personnel de marketing et de vente au détail [7]. La création d'installations avancées polyvalentes à l'échelle commerciale offrirait l'occasion d'aborder des questions de recherche, favorisant ainsi l'objectif de maximisation de la productivité dans une diversité de cultures tout en offrant une éducation et une formation aux compétences susceptibles d'être très demandées dans le futur secteur des cultures protégées.
5. Conclusions
Dans les serres de haute technologie dotées d'une technologie intelligente, il existe un grand potentiel d'amélioration de la rentabilité en automatisant les domaines critiques et/ou à forte intensité de main-d'œuvre tels que la surveillance des cultures, la pollinisation et la récolte. Le développement de l'IA, de la robotique et du ML ouvrent de nouvelles dimensions pour les cultures protégées. Les fermes verticales constituent une petite fraction du marché agricole mondial et, bien qu'elles soient très énergivores, l'agriculture verticale offre une productivité inégalée avec des niveaux élevés d'efficacité de l'eau et des nutriments. La production économique de diverses cultures est essentielle si la production de cultures protégées doit avoir un impact positif significatif sur la sécurité alimentaire mondiale. Les systèmes de culture protégés à technologie faible et moyenne produisent principalement des cultures de tomates, de concombres, de courgettes, de poivrons, d'aubergines et de laitues, ainsi que des légumes verts et des herbes asiatiques.
Le développement d'installations à environnement contrôlé à grande échelle en Australie s'est limité principalement à la culture de tomates. Le développement de cultivars appropriés nécessitera l'optimisation de plusieurs traits clés qui diffèrent de ceux considérés comme souhaitables dans les cultures de plein air. Les caractéristiques clés qui peuvent être ciblées pour l'agriculture en intérieur comprennent un cycle de vie de culture réduit, une floraison continue, un faible rapport racines-pousses, des performances accrues sous une faible photosynthèse.
l'apport énergétique et les caractéristiques souhaitables pour le consommateur, telles que le goût, la couleur, la texture et la teneur en éléments nutritifs spécifiques.
De plus, la sélection spécifique pour des cultures de meilleure qualité et plus denses sur le plan nutritionnel produira des produits horticoles (et potentiellement médicinaux) souhaitables avec une excellente valeur marchande. La rentabilité et la durabilité des cultures protégées dépendent du développement de solutions aux principaux défis, notamment les coûts de démarrage, la consommation d'énergie, la main-d'œuvre qualifiée, la lutte antiparasitaire et le développement d'indices de qualité.
Les nouveaux matériaux de vitrage et les progrès technologiques actuellement recherchés ou testés offrent des solutions pour relever l'un des défis les plus urgents en matière de cultures protégées. Ces progrès pourraient potentiellement donner l'impulsion nécessaire pour aider le secteur des cultures protégées à passer à un niveau d'efficacité énergétique durable et rentable et répondre aux demandes croissantes de sécurité alimentaire, tout en maintenant la qualité et la valeur nutritionnelle des cultures.
contenu, et en minimisant les impacts environnementaux nocifs.
Contributions de l'auteur : SGC a rédigé la revue avec la contribution et la révision fournies par DTT, Z.-HC, OG et CIC Tous les auteurs ont lu et accepté la version publiée du manuscrit.
Financement: L'examen était basé sur un rapport commandé et financé par le Future Food Systems Cooperative Research Centre, qui soutient les collaborations dirigées par l'industrie entre l'industrie, les chercheurs et la communauté. Nous avons également reçu le soutien financier des projets Horticulture Innovation Australia (Grant number VG16070 to DTT, Z.-HC, OG, CIC; Grant number VG17003 to DTT, Z.-HC; Grant number LP18000 to Z.-HC) et le projet CRC P2 -013 (TNT, Z.-HC, OG, CIC).
Déclaration du comité d'examen institutionnel : Ne s'applique pas.
Déclaration de consentement éclairé : Ne s'applique pas.
Déclaration de disponibilité des données : Ne s'applique pas.
Conflits d'intérêts: Les auteurs ne déclarent aucun conflit d'intérêt.
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