Interactions des plantes avec leur environnement

Afin de bien comprendre l’interaction des plantes avec leur environnement, une brève description de l’activité végétale ainsi que du comportement thermique des plantes est présenté.

Activité végétale

La plante interagit avec l’environnement selon différents phénomènes biologiques : la photosynthèse, la respiration et la photorespiration. Il en résulte de façon sommaire des échanges de masse (CO2, O2, H2O et nutriments) entre la plante et son environnement.

Photosynthèse et photorespiration 

La croissance des plantes et la productivité agricole dépendent principalement de la photosynthèse qui s’opère dans les feuilles. Ce processus, qui a lieu de façon journalière selon la durée de la photopériode, permet aux plantes de fabriquer leur propre matière organique à partir d’énergie lumineuse, d’eau et de CO2. L

De façon simplifiée, la plante absorbe le CO2 contenu dans l’air par les stomates de ses feuilles. Les stomates sont de petits orifices situés à la surface des feuilles permettant les échanges gazeux entre la plante et l’air dont l’ouverture induit une résistance aux échanges gazeux qui est également appelée résistance stomatique. Cette absorption du CO2 diminue lorsque l’ouverture des stomates est réduite par une ou plusieurs conditions (Kozai et al., 2015) :
• faible luminosité;
• apport en eau par les racines insuffisant;
• perte élevée en eau par transpiration;
• concentration en CO2 élevée.

Grâce au CO2 et à l’eau captée par les racines, il y a fixation du carbone, un procédé biochimique selon lequel l’énergie lumineuse, convertit en énergie chimique, produit les glucides nécessaires au développement de la plante. Principalement distribuée au sein de la plante, une partie de ces glucides est stockée dans les feuilles pour répondre aux besoins de la plante lorsque la photosynthèse n’a pas lieu. Lors de la production de glucides, deux sousproduits qui améliorent la qualité d’air sont transmis à l’environnement par les stomates : l’oxygène et la vapeur d’eau.

Il existe également un procédé inverse à la photosynthèse qui s’effectue simultanément et qui en diminue l’efficacité, il s’agit de la photorespiration. Tout comme la respiration, ce procédé consomme du O2 et produit du CO2.

Le taux d’opération du phénomène de photorespiration sera plus important sous certaines conditions (Kozai et al., 2015) :
• luminosité élevée;
• température élevée;
• faible humidité;
• faible concentration en CO2.

Lors de ces conditions extrêmes, il a été démontré que la photorespiration permet à la plante de prévenir une perte d’eau par transpiration trop importante (Takahashi et al., 2011). Toutefois, la photorespiration peut être minimisée en augmentant la teneur en CO2 (Ainsworth & Rogers, 2007).

Respiration

La respiration est un procédé inverse à la photosynthèse et moins dominant tout en étant essentielle au développement d’une plante (Noguchi & Yoshida, 2008). Ce processus a lieu de façon journalière lorsqu’il n’y a pas d’éclairage (naturel ou artificiel) selon la durée de la période obscure. Lors de la respiration, la plante absorbe l’oxygène, transforme les glucides provenant de la photosynthèse en énergie utilisable et rejette du CO2 et de la vapeur d’eau.

Transpiration 

La transpiration s’effectue principalement par les stomates lorsqu’elles s’ouvrent pendant la photosynthèse, mais également pendant la respiration. La diffusion de la vapeur d’eau depuis la plante vers l’air ambiant est alors induite par la différence de pression de vapeur qui existe entre les deux. La pression de vapeur dans la feuille estimée égale à la saturation de vapeur à la température de la feuille et la pression de vapeur de l’air dépend du taux d’humidité.

La transpiration est centrale dans le comportement de la plante, car elle permet à la plante de non seulement effectuer la photosynthèse et de respirer, mais également de transporter les nutriments et l’eau des racines jusqu’au bout des feuilles (Brechner, Both, & Staff, 1996) ainsi que de réguler sa température interne.

Conditions environnementales intérieures 

Les systèmes CVCA et autres systèmes d’un eAIB maintiennent des conditions environnementales intérieures favorisant la croissance des plantes et doivent assurer (ASHRAE, 2011; Kozai et al., 2015):
• Un apport en lumière suffisant et adéquat ;
• Une température de l’air adéquate et uniforme ;
• Une humidité de l’air adéquate ;
• Un apport en CO2 suffisant.

Lors de leur croissance, les plantes interagissent à leur tour avec l’environnement  . Pour chacune de ces conditions différentes caractéristiques doivent être respectées.

Lumière

Les plantes n’utilisent qu’une partie du spectre lumineux pour la photosynthèse, soit les radiations entre 400 et 700 nm, appelées le rayonnement photosynthétique actif (RPA). Le RPA compose le rayonnement solaire à 43% et correspond environ à la lumière visible. Dans un espace d’agriculture, ces radiations sont émises par le soleil et/ou des lampes pour la durée de la photopériode selon l’intensité de l’éclairage (c.-à-d. l’énergie lumineuse photonique émise par unité de de temps), ce qui est spécifique au type de plante cultivée (Dorais, 2003).

Humidité 

L’humidité relative à l’intérieur de l’espace d’agriculture a une influence directe sur le taux de transpiration de plante, il donc est important qu’elle ne soit ni trop élevée ni trop basse . D’autre part, une humidité relative élevée peut apporter aux plantes des problèmes de champignons et moisissures (Brechner et al., 1996) et/ou mettre en péril l’intégrité de l’enveloppe dépendamment des matériaux qui la composent. Une humidité relative entre 70% et 80% est souvent considérée comme optimale (Hézard, Swathy, Poughon, Fontaine, & Dussap, 2012). Sous une humidité relative plus basse que 70%, les plantes tireront plus d’eau par leurs racines afin de minimiser le flétrissement dû à l’augmentation de la différence de pression de vapeur entre la plante et l’air ambiant (Kozai et al., 2015).

Concentration en CO2

Dans un espace d’agriculture, il est préférable de maintenir la concentration de CO2 égale ou supérieure à celle des conditions extérieures (environ 400 ppm) afin de favoriser le processus de photosynthèse lors de la photopériode. Pour améliorer de productivité, la concentration en CO2 est généralement maintenue par un système d’enrichissement au CO2 à 1000 ppm (Kozai et al., 2015) dans un espace d’agriculture contrôlée afin de favoriser la photosynthèse. Cela peut par exemple se traduire en un gain de production de 35% de têtes de laitues (Kozai et al., 2015). Une concentration trop élevée en CO2 aura comme effet d’augmenter la résistance stomatique de la plante, ce qui diminue les pertes d’eau par transpiration (Ainsworth & Rogers, 2007).