Nourrir les populations avec des fermes verticales : quels sont les champs du possible ?

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L’agriculture conventionnelle à grande échelle : un système avec ses limites

L’agriculture conventionnelle nécessite des conditions météorologiques favorables, un ensoleillement suffisant pour la photosynthèse, de l’irrigation, et souvent des produits phytosanitaires (pesticides, fongicides et insecticides principalement) pour protéger les cultures. Cette agriculture conventionnelle n’est pas prête de disparaitre, mais nous pouvons analyser les raisons pour lesquelles elle ne fonctionne plus aussi bien qu’avant.

Des changements démographiques et sociétaux
La population mondiale actuelle est de 7,5 milliards et devrait atteindre 9,7 milliards en 2050 [1]. Afin de répondre aux besoins alimentaires de cette population croissante, la production agricole doit augmenter de 70% d’ici 2050 [2]. Les populations tendent à se rapprocher des villes, 66% de la population mondiale devrait être urbaine en 2050, contre 54% en 2014 [3]. Ces changements sociétaux se traduisent en une complexification de l’acheminement des matières premières des producteurs aux consommateurs. Près de 90% des légumes verts feuillus d’Amérique du Nord sont cultivés en Californie et en Arizona, mais 75% de la population nord-américaine vit à l’est des Rocheuses. Aux États-Unis et au Canada, un légume vert feuillu moyen parcourt plus de 2 000 miles (3 200 km) avant d’être consommé. [4]

Une raréfaction de ressources
Selon le type d’agriculture pratiqué, l’activité agricole peut conduire à des dégradations des sols via les phénomènes de pollution, de compaction ou d’érosion. L’agriculture est un secteur fortement consommateur d’énergie fossile et contribue à sa raréfaction. L’eau d’irrigation est une ressource largement mobilisée en agriculture, certaines réserves des eaux de surface ou profondes deviennent impropres à l’irrigation à cause de la contamination provoquée par les produits phytosanitaires. Cette diminution de la disponibilité physique de ces ressources naturelles entrainera durablement leur hausse de prix.
L’agriculture conventionnelle à elle seule n’est pas viable en tant qu’unique système alimentaire durable. Le développement de nouveaux types d’agriculture pour répondre et anticiper ces changements a été initié dans les villes afin de se rapprocher des bassins de consommateurs.

Les fermes urbaines

Depuis une quinzaine d’années, on observe un engouement nouveau aux Etats-Unis pour une forme de production agricole, à travers le développement des fermes verticales, des fermes intérieures ou plus largement des fermes urbaines. Le Ministère de l’Agriculture américain recensait en 2012 plus de 40 000 exploitations « indoor » aux Etats-Unis. Une ferme intérieure (« indoor farm ») est une exploitation, ou une partie d’exploitation, possédant un élément de contrôle de l’environnement, protégeant les cultures de l’extérieur. Les cultures sous serres, les fermes verticales, les cultures en containers ou dans tout autre espace intérieur clos sont considérées comme des fermes intérieures [5].
Si les cultures sous serres ou hors-sol n’ont rien de nouveau et existent déjà depuis de nombreuses années voire des décennies, le déploiement de technologies tant pour contrôler les cultures que pour automatiser les différentes tâches s’intensifie. Les Etats-Unis, et plus particulièrement ses centres urbains, constituent en ce sens un important terrain d’expérimentation.

Les fermes verticales : plusieurs modèles de production
On s’intéressera ici essentiellement aux modèles des fermes verticales, pour lesquels le développement de nouvelles technologies est le plus dynamique. L’agriculture verticale (« vertical farming ») consiste à cultiver des plantes sur des surfaces empilées ou inclinées verticalement et/ou intégrées dans d’autres structures comme des gratte-ciels, des containers, des entrepôts réhabilités, etc., faisant intervenir des cultures hors-sol. On peut distinguer trois principales méthodes de production mises en œuvre dans les fermes verticales :
-  L’hydroponie, technologie développée dans les années 1930 par des chercheurs de l’Université de Californie, par laquelle les plantes, au lieu de se développer dans le sol, voient leurs racines immergées dans une solution aqueuse contenant déjà tous les nutriments essentiels ;
-  L’aquaponie qui correspond à des systèmes combinant aquaculture et hydroponie, où les éléments nutritifs proviennent des déchets organiques produits par les poissons ;
-  L’aéroponie, dans lequel les racines des plantes sont en suspension et régulièrement alimentées par un brouillard nutritif.

Cultures hydroponiques, ferme de Greensgrow à Philadelphie (USA)
Blaine O’Neill

Expansion et intensification de ces systèmes de production
Ces modes de production se sont multipliées ces dernières années dans les principales villes américaines, telles que New York, Chicago ou San Francisco. Les fermes verticales permettent de produire plus et à proximité des bassins de consommation. En contrôlant l’environnement de production (température, lumière, humidité, etc.), il est possible de s’affranchir des saisons et d’augmenter le nombre de cycles de production, voire de les accélérer. Ces systèmes sont vantés pour être également moins consommateurs d’intrants que des systèmes de production conventionnels en plein champs. En effet, les besoins des plantes, voire même de chaque plante, sont analysés et sont résolus en apportant l’exact volume d’eau ou d’intrant nécessaire à la plante, limitant ainsi la consommation, d’eau, d’engrais ou de produits phytosanitaires.
La recherche aujourd’hui se concentre sur plusieurs objectifs : l’automatisation des différentes tâches et notamment de la récolte, le contrôle de l’environnement et de la croissance des plantes, via des capteurs de plus en plus en précis, et le développement de variétés nouvelles adaptées à ses conditions spécifiques. Ce sont surtout quelques startups américaines particulièrement médiatiques qui se distinguent par les technologies qu’elles implémentent. Les plus grandes fermes verticales aux Etats-Unis commencent toutes à développer des outils d’intelligence artificielle et de machine learning pour contrôler leur production et augmenter leurs rendements. En raison de l’utilisation optimale de l’espace vertical, 1 acre dans une ferme intérieure équivaut à 4-6 acres dans une ferme extérieure ou plus, selon la culture (pour la culture de fraises, 1 acre de production dans une ferme intérieure équivaut à 30 acres en ferme conventionnel environ), ce qui est inconcevable dans le cas d’agriculture conventionnelle ou en serre. Les rendements dans une ferme verticale sont en moyenne 2,5 fois supérieurs aux rendements des productions en plein champs [6]. Certaines productions telles que les patates et le poivre sont même 4 fois plus importantes. D’un point de vue environnemental, les producteurs qui choisissent de l’aéroponie pour produire des légumes feuillus peuvent prétendre réduire leur consommation d’eau jusqu’à 90% et l’utilisation des fertilisants jusqu’à 60%, tout en augmentant de 45 à 75% leur rendement. [7]

Qui peut développer des fermes verticales à grande échelle

Le marché des fermes verticales devrait attendre 5,8 milliards de dollars d’ici 2022 [8]. Le marché de l’agriculture verticale en Asie-Pacifique va s’accélérer à un rythme soutenu et devrait être le plus grand marché d’agriculture verticale d’ici 2024. La majorité des fermes verticales se trouvent au Japon, le pays en recensait plus de 200 en 2016 [9]. Les terres arables ne représentent que 12 % de la superficie du pays, de plus le Japon importe la quasi-totalité de ses céréales et la moitié de sa consommation de viande. Le développement de systèmes de production agricole alternatifs est donc essentiel s’ils veulent atteindre un certain seuil d’autosuffisance alimentaire. L’optimisation de leur espace de production agricole, et donc le développement de l’agriculture verticale est soutenu par les politiques gouvernementales en Asie-Pacifique via des subventions. D’autres pays tels que la Chine, l’Inde, Taïwan, la Corée du Sud ont également un potentiel de marché pour l’agriculture verticale dans les années à venir.
L’Amérique du Nord détient également une part importante du marché mondial de l’agriculture verticale. Son expertise technique, ses instituts de recherches et sa forte concentration des capital-risqueurs sont les premiers facteurs de la croissance de l’agriculture verticale dans la région. Le pionnier aux Etats-Unis, The Plant, se situe à Chicago depuis 2011 dans une ancienne usine de 24 000 mètres carrés. AeroFarms a conçu la plus grande ferme verticale aux Etats-Unis à New Yark (New Jersey) et cultive une surface d’environ 6500 mètres carré. L’entreprise a recueilli plus de 130 millions de dollars depuis 2014 via des investisseurs internationaux tels qu’Ikea (Suède), Wheatsheaf Investments (Royaume-Uni), GSR Ventures (Chine), Goldman Sachs et Prudential (USA) [10]. Ils ont développé un système complexe de contrôle de l’environnement constitué de plus de 30 000 capteurs de données, mesurant à la fois des paramètres environnementaux (lumière, température, taux d’humidité, etc.) et des paramètres liés aux plantes cultivées ou au milieu de croissance (niveaux de nutriments, croissance, couleur, etc.) [11] La plupart des fermes verticales vendent leurs produits frais en les vendant directement aux consommateurs, aux supermarchés, aux magasins de détail, aux restaurants haut de gamme ou en s’intégrant verticalement à des entreprises alimentaires établies.

Conclusion

L’agriculture verticale a un réel potentiel de développement. Elle répond parfaitement à la demande croissante en produits riches en protéines, vitamines et minéraux en permettant la production de cultures à haute valeur nutritionnelle. Ces fermes permettent également de s’affranchir des imprévus climatiques (gel, sécheresse,…), et donc d’anticiper les impacts liés au réchauffement climatique.

Néanmoins, ce type d’agriculture a des limites qui rendent son application à grande échelle peu probable. En effet, certaines cultures sont trop énergivores pour être rentables « À $0,10 le kilowatt-heure, la quantité d’énergie nécessaire pour produire du blé serait de $11 pour une miche de pain » [12] L’agriculture verticale est donc énergétiquement intéressante pour les produits frais principalement. On peut également noter que le marché des fermes urbaines est limité actuellement. Les subventions directes reçues par les agriculteurs permettent à l’agriculture conventionnelle de fournir des aliments à des prix très inférieurs au prix réel et présentent donc une concurrence féroce pour le développement des produits issus de l’agriculture urbaine, où le coût de l’énergie est une grande préoccupation. En 2010, l’UE (Union Européenne) a dépensé 68,7 milliards de dollars pour le développement agricole, dont 47 milliards ont été consacrés aux subventions directes. Les États-Unis ont dépensé environ 20 milliards de dollars par an pour les agriculteurs en subventions directes en tant que « stabilisation du revenu agricole » par le biais de l’Agricultural Act (USDA, 2011). Ces subventions permettent aux agriculteurs d’agir de manière compétitive dans un monde globalisé. [13]


Rédacteur
- Mégane Chesné, Attachée adjointe pour la Science et la Technologie, Consulat de France à Chicago, deputy-agro@ambascience-usa.org