Le développement du biochar substrat est en plein croissance. Cependant, afin que le biochar soit utilisé efficacement, nous devons comprendre quelles sont ses propriétés et comment elles affectent le milieu de croissance des plantes.
Cet article résume les principles de la conception des substrats et la façon dont le biochar peut être employé pour faire un substrat biochar.
Le potentiel du substrat biochar
Le biochar a un potentiel réel pour contribuer à un substrat plus durable et innovant. La production de biochar Carbon Centric est non seulement durable et économe en énergie, mais elle produit aussi des coproduits comme de l’électricité. Grâce à cette technologie, la production globale est négative en carbone. Ses propriétés uniques lui permettent de retenir l’eau ainsi que les nutriments. De nombreuses études ont montré que le substrat de biochar améliore la croissance des plantes.
Le développement scientifique relatif à la conception et à la fabrication des substrats horticoles est en constante évolution. Cela s’explique non seulement par l’amélioration continue des conceptions et des pratiques existantes, mais aussi par la nécessité d’identifier des ingrédients de substrat plus durables. Par exemple, il est nécessaire de trouver des ingrédients alternatifs pour remplacer la tourbe. C’est dans ce contexte que des matières premières et des procédés de fabrication alternatifs sont développés et identifiés. En outre, la prolifération de pratiques horticoles alternatives telles que les toits verts1, l’hydroponie et l’agriculture urbaine a généré de nouvelles demandes concernant les propriétés des substrats.
Les premiers substrats spécifiquement conçus comme tels ont été mis au point au Centre John Innes, au Royaume-Uni. Quatre substrats connus sous le nom de « John Innes compost sowing, No. 1, No. 2 and No. 3 » ont été mis au point pour fournir un milieu stérile et équilibré pour la croissance des plantes. Les quatre substrats ont été conçus pour être utilisés à différents stades du cycle de vie des plantes, de la germination à la récolte. La composition du substrat contenait des quantités variables de terreau, de tourbe, de sable et d’engrais. La quantité de chaque ingrédient a été optimisée en fonction du stade de croissance des plantes auquel il devait être utilisé.
Chaque recette des substrats John Innes et de leurs dérivés modernes est optimisée pour l’usage auquel elle est destinée. Les principales fonctions des milieux de culture sont de fournir de l’eau, des nutriments, de l’oxygène aux racines et un ancrage. Chaque aspect doit être équilibré pour que les autres fonctions ne soient pas altérées2. Par conséquent, les propriétés du biochar doivent être prises en compte pour produire un substrat optimisé.
Figure 1. Le biochar peut être mélangé au substrat horticole pour améliorer les capacités de rétention d’eau et l’aération. Cette photo montre de la fibre de coco avec biochar (à gauche) et sans biochar (à droite).
Les effets des différents matériaux dans les substrats
Les ingrédients des substrats peuvent être d’origine organique ou non organique. Chaque composant sert un objectif différent et présente des caractéristiques de durabilité très différentes. Les ingrédients organiques comprennent la tourbe, l’écorce et le cocotier. Les exemples de substrats de croissance inorganiques comprennent la perlite, la vermiculite, le sable et les grains de rétention d’eau.
Organique
Les composants organiques constituent généralement la majeure partie d’un substrat de croissance avec le loam. Les constituants non organiques sont souvent employés pour modifier les caractéristiques du matériau en vrac. Toutefois, l’exception est l’agriculture hydroponique, où le substrat est toujours un milieu inerte. Parmi les composants organiques, on peut citer la tourbe, l’écorce de bois, la fibre de coco et les déchets verts compostés. La tourbe est principalement composée de mousse de sphaigne en décomposition. La tourbe est un excellent substrat car elle retient l’humidité sans réduire l’aération. Et bien qu’elle contienne peu de nutriments, elle retient les nutriments qui lui sont ajoutés3. Pour ces raisons, la tourbe a été largement utilisée comme substrat de croissance des plantes, mais la tourbe est un matériau non renouvelable. Elle doit être extraite des tourbières, qui constituent non seulement une importante réserve de carbone, mais qui mettent aussi beaucoup de temps à se reconstituer.
Par conséquent, les fabricants de substrats et les particuliers s’intéressent beaucoup au remplacement ou à la réduction de la tourbe dans les substrats. La tourbe peut être remplacée par de l’écorce d’arbre, en particulier de l’écorce de pin, car elle retient également l’eau et les nutriments. Mais comme pour la tourbe, il faut veiller à obtenir de l’écorce de pin durable provenant de zones non déboisées. Les déchets verts compostés peuvent être considérés aussi bien comme un substrat de croissance que comme un engrais, car ils contiennent des concentrations de nutriments bien plus élevées que la tourbe ou l’écorce de bois. En fait, les déchets verts compostés sont régulièrement ajoutés à la tourbe ou aux substituts de tourbe pour fournir des nutriments à un milieu de croissance.
Inorganique
Le loam est un exemple de composant inorganique du substrat. Ce dernier est composé de sable dont la taille des particules est bien définie. Il est essentiel que la distribution granulométrique du terreau soit correcte, car elle permet à l’eau et aux nutriments de pénétrer dans le sol sans être lessivés trop rapidement ou sans empêcher le développement des racines des plantes. De plus, il peut créer un milieu qui retient l’eau quand il est utilisé en complément d’un ingrédient organique comme la tourbe… La vermiculite et la perlite sont deux ingrédients du compost souvent confondus. Tous deux sont extraits et traités thermiquement avant d’être utilisés, et bien que cela en fasse une ressource à forte intensité énergétique non durable, ils peuvent avoir des effets importants sur le développement des plantes.
Le traitement thermique du verre volcanique pour fabriquer la perlite produit un matériau très poreux. Elle est donc idéale pour réduire la densité apparente du sol et favoriser la croissance des racines. En revanche, la vermiculite, bien qu’elle subisse un traitement thermique pour créer un matériau très poreux, retient l’eau beaucoup plus que la perlite. La perlite convient donc mieux aux plantes qui préfèrent un sol sec et poreux, tandis que la vermiculite convient aux plantes qui préfèrent des conditions humides. La vermiculite est souvent utilisée dans les composts pour semis. En effet, cette dernière maintient l’humidité du sol requise sans grandes quantités de nutriments.
L’exception est l’agriculture hydroponique. Au sein de celle-ci, il n’y a pas besoin d’inertie dans le système. Cela signifie que les nutriments et l’oxygène sont constamment fournis par l’irrigation. Il n’y a donc plus besoin de stocker des nutriments ou de l’eau. Par conséquent, la seule exigence du substrat est de fournir un support physique à la plante sachant que les substrats inorganiques sont adaptés à cette tâche car ils ne se dégradent pas.
Fertilisants
Enfin, des engrais sont souvent ajoutés aux substrats, que ce soit sous forme organique ou inorganique. Certains engrais inorganiques sont encapsulés dans des résines afin de réduire la vitesse à laquelle les nutriments (azote, phosphate et potassium) sont libérés dans le sol. L’enrobage résineux évite le lessivage rapide des nutriments hors du sol. L’azote atmosphérique est fixé au cours du processus Haber mais ce processus est énergivore. De plus, le phosphate et le potassium sont des ressources minérales extraites. Il en résulte qu’aucune des méthodes de production de ces trois engrais inorganiques ne peut être considérée comme durable ou respectueuse de l’environnement. Cependant, ils sont essentiels à la croissance des plantes et des cultures. Leur efficacité d’utilisation dans les substrats doit donc être optimisée. Dans le cas des engrais à libération lente, l’efficacité est accrue car les plantes disposent d’une période beaucoup plus longue pour absorber les nutriments. Les engrais organiques tels que la farine d’os, le sang de poisson et le guano sont également fréquemment inclus dans les milieux de culture des plantes et sont plus durables que les engrais inorganiques. Mais les pertes de nutriments doivent également être réduites lors de l’utilisation d’engrais organiques.
Figure 2 Un jeune plant de fruit de la passion poussant dans un mélange de coir de coco et de biochar, les nutriments sont fournis par irrigation.
Le substrat biochar
Le biochar de Carbon Centric est fabriqué à partir de bois qui a été pyrolysé à haute température pour produire un matériau stable aux caractéristiques utiles. Pour en savoir plus sur les autres utilisations de la production de biochar, nous vous invitons à lire notre article sur le sujet. Comme la vermiculite et la perlite, le biochar a été transformé par des processus thermiques pour produire un matériau à la structure très poreuse. De manière équivalente à la perlite, cette structure très poreuse augmente la capacité de rétention d’eau ainsi que la réserve d’eau disponible pour les plantes. Par conséquent, le biochar a été étudié comme un substitut de la perlite ou de la tourbe dans les substrats4. Cela permettrait de remplacer un produit dont la production est à forte intensité de carbone, mais aussi de remplacer un produit qui a des effets négatifs sur l’environnement naturel.
Il a été démontré que le remplacement de la perlite par du biochar peut augmenter la biomasse végétale et le rendement des fruits dans les cultures de tomates naines et de poivrons. Le biochar a amélioré l’efficacité de l’absorption des nutriments car il a augmenté la richesse des micro-organismes bénéfiques dans le substrat biochar5.
Propriétés du biochar et impact sur la qualité du substrat
Pendant la pyrolyse, les polymères de la paroi cellulaire du bois (lignine et cellulose) sont décomposés en monomères avant de se recombiner pour former un nouveau polymère à la structure complètement différente. La majorité des polymères et des monomères qui ne font pas partie de la paroi cellulaire, comme le saccharose et les protéines, sont complètement dégradés et sont éliminés de la structure du matériau sous forme de gaz. Les parois cellulaires sont donc transformées et intactes alors que tout le contenu des cellules a été éliminé (voir figure 1). Et comme les cellules sont reliées par des pores, la porosité du bois a été massivement augmentée par le processus de pyrolyse.6.
Figure 3 Cette photo du Biochar sous un microscope SEM à un grossissement de *1000. Les parois cellulaires de forme régulière du bois de pin sont toujours présentes, mais leur contenu a été complètement éliminé. Il est également possible de voir les pores entre les parois cellulaires. Cette image donne un aperçu de la porosité importante du matériau biochar.
Cette porosité très élevée est parfois aussi appelée surface spécifique. Si le biochar n’a pas été traité à une température excessivement élevée, son pH restera relativement neutre. De plus, des groupes chimiques restent à la surface du biochar, ce qui augmente la capacité d’échange cationique du biochar et permet de retenir les nutriments et l’eau.
En ce qui concerne les aspects physique du biochar, il devient plutôt léger. La densité d’un biochar broyé à la granulométrie optimale pour l’incorporation de substrat de croissance sera d’environ 350g/l. De ce fait, le biochar peut être utilisé pour réduire la densité apparente et la perméabilité des sols. Mais aussi pour augmenter leur capacité de rétention d’eau. Il est très important d’avoir la bonne granulométrie du biochar, comme c’est le cas pour le terreau, un biochar trop fin bouchera les pores du sol et un Biochar trop grossier ne sera pas distribué uniformément dans le milieu.
Effets du biochar sur la croissance des plantes sous la forme d’un substrat biochar
Il a été démontré qu’un biochar léger et poreux peut augmenter la biomasse des plantes. Cependant, comme mentionné précédemment, si le biochar utilisé a été produit à haute température, il peut avoir un pH excessivement élevé ayant un impact négatif sur la croissance des plantes7. L’objectif est de fabriquer un substrat biochar avec un ph étant inférieur à 8. Il est prouvé que ce type de biochar augmente la biomasse végétale en stimulant l’activité des enzymes du sol8. Ces études utilisent le biochar substrat avec du sable où les effets du biochar seraient plus facilement observables. Mais le biochar donne des résultats équivalents avec le mélange standard quand il est utilisé pour remplacer une proportion de tourbe dans un substrat9. Les avantages du biochar dans les substrats sur la croissance des plantes ont donc bien été établis. Cependant le mécanisme par lequel le biochar agit sur la croissance des plantes est moins clair.
Au départ, deux hypothèses ont été proposées : soit la présence de biochar augmente l’abondance relative des bactéries et des champignons favorisant la croissance des plantes dont la présence augmente la résistance des plantes aux maladies. Soit le biochar lui-même stimule les voies biochimiques des plantes qui stimulent la croissance et induisent une résistance systémique aux maladies1011. Les mécanismes exacts par lesquels le biochar améliore les conditions du substrat et la croissance des plantes sont encore en cours d’investigation mais les effets sont clairs.
Législation relative à l’incorporation du biochar
Le biochar est désormais autorisé en agriculture biologique. Dans cette perspective, il sera possible de commercialiser un substrat à base de biochar en juillet 2022. Ces textes de loi rigoureux définissent de nombreuses caractéristiques de qualité qu’un biochar doit respecter. Cependant, Carbon Centric biochar va encore plus loin avec sa certification EBC (European Biochar Certificate). Cette certification majeure de cet industrie naissant garantit notre qualité supérieur et notre avance technologique.
Une offre avant-gardiste
Carbon Centric peut vous offrir une solution biochar avant-gardiste qui est déjà conforme à la législation européenne à venir. Grâce à notre production certifiée EBC, nous sommes en mesure de fournir un produit de haute qualité répondant à vos besoins les plus exigeants. Une réponse adaptée ayant un réel impact bénéfique sur la croissance des végétaux dans les substrats horticoles. Nous vous invitons à nous contacter pour de plus amples informations et conseils dans le développement de votre substrat de biochar.
Article par Thomas Harcourt
Thomas est un biochimiste qui a cinq ans d’expérience dans l’industrie. Il a terminé son doctorat en biochimie végétale à l’Université de Sheffield en 2015.
Sources
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