La photosynthèse est la réaction fondatrice de presque toute la vie sur Terre. Elle convertit l’énergie lumineuse en énergie chimique stockée dans les liaisons du glucose. Comprendre son bilan énergétique et ses facteurs limitants permet d’optimiser la production végétale.
6 CO₂ + 6 H₂O + énergie lumineuse → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂
En termes énergétiques : la synthèse d’une mole de glucose requiert 2 870 kJ d’énergie libre de Gibbs (ΔG° = +2 870 kJ/mol).
L’énergie d’un photon est donnée par la relation de Planck :
E = h × ν = h × c / λ
où h = 6,626 × 10⁻³⁴ J·s (constante de Planck), c = 3 × 10⁸ m/s, λ la longueur d’onde.
| Couleur | λ (nm) | E_photon (eV) |
|---|---|---|
| Violet | 400 | 3,10 |
| Bleu | 450 | 2,76 |
| Vert | 550 | 2,25 |
| Rouge | 680 | 1,82 |
| Rouge lointain | 730 | 1,70 |
La chlorophylle a absorbe principalement dans le bleu (430 nm) et le rouge (680 nm), et réfléchit le vert — d’où la couleur des feuilles.
Le PAR désigne la fraction du rayonnement solaire utilisable par la photosynthèse : 400–700 nm.
Unités PAR :
Valeurs typiques :
| Conditions | PAR (µmol/m²/s) |
|---|---|
| Nuit | 0 |
| Ciel couvert | 50 – 200 |
| Ombre sous arbre | 10 – 50 |
| Ciel dégagé, midi été | 1 500 – 2 000 |
| Serre bien éclairée | 800 – 1 200 |
La photosynthèse nette (Pn) en fonction du PAR suit une courbe de saturation :
Pn (µmol CO₂/m²/s)
10 | ••••••••••• (point de saturation lumineuse)
8 | •••
6 | ••
4 | ••
2 | ••
0 +--•-----------------→ PAR (µmol/m²/s)
-2 | (compensation) 200 800 1600
•
Paramètres clés :
La voie de fixation du CO₂ différencie les stratégies photosynthétiques :
La majorité des espèces de jardin (tomate, laitue, blé). Le CO₂ est fixé directement par la RuBisCO pour former un composé à 3 carbones (3-phosphoglycérate).
Problème : la photorespiration. La RuBisCO peut fixer O₂ au lieu de CO₂ — phénomène accru par la chaleur et les fortes concentrations en O₂. Jusqu’à 30 % de la photosynthèse peut être “gaspillée” en photorespiration à 30°C.
Maïs, sorgho, amarante. Un mécanisme de concentration du CO₂ au niveau des cellules de la gaine fasciculaire réduit la photorespiration.
Efficience accrue : les C4 produisent 30 % plus de biomasse par unité d’eau transpirée — avantage majeur en conditions chaudes et ensoleillées.
Cactus, agaves, sédums. Ouverture des stomates la nuit (accumulation de malate), fermeture le jour (décarboxylation et fixation du CO₂).
Avantage : économie d’eau extrême. Inconvénient : croissance lente.
L’énergie solaire absorbée par un couvert végétal est répartie entre :
Rn = LE + H + G
| Terme | Signification | Part typique (été) |
|---|---|---|
| Rn | Rayonnement net | 100 % |
| LE | Flux de chaleur latente (évapotranspiration) | 60–70 % |
| H | Flux de chaleur sensible | 20–30 % |
| G | Flux de chaleur dans le sol | 5–10 % |
La photosynthèse ne représente que 1–3 % de Rn — la grande majorité de l’énergie solaire est dissipée en chaleur ou vapeur d’eau.
Le rendement quantique (φ) mesure l’efficacité de la photosynthèse :
φ = moles de CO₂ fixées / moles de photons absorbés
Rendement quantique théorique maximal : 1/8 ≈ 0,125 (8 photons par CO₂ fixé dans le cycle de Calvin).
En pratique, φ ≈ 0,06–0,08 pour les C3 dans des conditions optimales.
L’Harvest Index mesure la fraction de la biomasse totale qui correspond à la partie récoltée :
HI = masse de la récolte / biomasse totale aérienne
| Culture | HI |
|---|---|
| Blé moderne | 0,45 – 0,55 |
| Maïs | 0,40 – 0,50 |
| Tomate | 0,65 – 0,75 |
| Laitue | 0,85 – 0,95 |
| Pomme de terre | 0,70 – 0,80 |
La photosynthèse est soumise à la loi du minimum de Liebig : le taux de production est limité par le facteur le plus déficient.
Les facteurs limitants principaux sont :
En serre, enrichir l’atmosphère à 800–1 200 ppm de CO₂ augmente la photosynthèse de 20–30 % chez les C3. Cet effet sature au-delà de 1 200 ppm.
La respiration est l’inverse partiel de la photosynthèse :
C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + 2 870 kJ
Mais l’énergie n’est pas libérée en une seule étape — elle est stockée dans 38 molécules d’ATP par mole de glucose, avec un rendement de :
η = 38 × 30,5 / 2870 ≈ 40 %
Les 60 % restants sont dissipés en chaleur — c’est ce qui chauffe un tas de compost (chapitre 6).
Équilibre photosynthèse/respiration : pendant la nuit, la plante ne produit que de la respiration. Sur 24 h, la photosynthèse nette = photosynthèse brute - respiration totale. C’est cette valeur nette qui détermine la croissance.
Un capteur PAR (photodiode + filtre spectral 400–700 nm) convertit le flux de photons en signal électrique. Les capteurs professionnels (type Li-Cor LI-190R) ont une réponse cosinus (correction de l’angle d’incidence). Des alternatives moins coûteuses existent pour le jardin connecté (voir chapitre 8).
Intégrale lumineuse journalière (DLI) :
DLI (mol/m²/jour) = ∫ PAR(t) dt / 10⁶
Le DLI est la variable pertinente pour la croissance végétale :
| Culture | DLI minimum | DLI optimal |
|---|---|---|
| Laitue | 14 mol/m²/j | 17 mol/m²/j |
| Tomate | 20 mol/m²/j | 30 mol/m²/j |
| Basilic | 12 mol/m²/j | 20 mol/m²/j |
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