Introduction
L'irrigation est une pratique courante en Montérégie, puisque cette région possède près de la moitié des superficies en cultures maraîchères irriguées du Québec, soit 6968 ha (Ferland, 2006). Cette pratique est bénéfique pour la croissance de la laitue, une culture importante dans la MRC des Jardins de Napierville. En effet, un stress hydrique peut occasionner des pertes de rendement ainsi que l'apparition de troubles physiologiques comme la brûlure de la pointe (Consortium Prisme, 2010; Martin et coll., 2009). Par contre, si l'irrigation est excessive, cela peut engendrer des pertes économiques pour les entreprises. En effet, l'irrigation représente une sortie d'argent importante pour les producteurs maraîchers en achat de matériels et en fonctionnement de pompes. De plus, les nitrates et les phosphates peuvent être lessivés en profondeur lors d'application excessive d'eau. L'irrigation peut donc être une source de pertes économiques, de pertes d'éléments fertilisants et de contamination pour l'environnement (Bruckler et coll., 1997). Une gestion parfaitement adaptée aux besoins des cultures et aux caractéristiques du sol pourrait augmenter les rendements tout en protégeant l'environnement.
Par contre, il peut être difficile pour les producteurs d'estimer les besoins en eau (Ferland, 2006). Ces derniers possèdent peu d'outils de prise de décision, et ils doivent le plus souvent se fier à leur expérience. Certains outils de gestion, comme les tensiomètres, permettraient d'améliorer la gestion de l'irrigation tout en augmentant les rendements (Lemay, 2006). Leenhardt et coll. (1998) ont démontré que l'utilisation d'une stratégie d'irrigation pour une culture intensive de laitues basée sur des seuils de potentiels matriciels causait moins de drainage qu'une irrigation basée sur un modèle de bilan hydrique. Par contre, peu d'études ont été réalisées sur le potentiel matriciel idéal à maintenir au cours d'une production de laitue en sols organiques pour obtenir des rendements optimaux et diminuer les risques environnementaux associés à l'irrigation.
L'objectif de cette étude est donc d'évaluer l'impact de régies d'irrigation déclenchées selon le potentiel matriciel sur le rendement des laitues et le lessivage des nitrates et des phosphates vers la nappe phréatique dans des sols organiques.
Matériel et méthode
Dispositif expérimentalLes expériences se sont déroulées en sols organiques, chez Production Horticole van Winden (PHVW), Les Fermes Hotte et van Winden (HVW) et Les Maraîchers JPL Guérin et Fils Inc. (JPG), trois fermes situées au sud-ouest de Montréal, dans la MRC des Jardins de Napierville. Les expériences se sont déroulées du 31 juillet au 1er septembre 2008 chez
PHVW, du 20 mai au 1er juillet 2009 chez HVW et du 5 août au 2 septembre 2009 chez
JPG, dans des champs de laitues romaines plantées en mottes cubiques. La durée approximative des essais était de 35 jours, soit un peu moins que la durée normale d'un cycle de laitue. Le dispositif expérimental était en blocs complets aléatoires répétés quatre fois et comprenant chacun quatre traitements d'irrigation. Chaque parcelle expérimentale avait une superficie d'environ 100 m (excluant les zones tampons) et les laitues étaient irriguées par aspersion. Il y avait 2 gicleurs par parcelle expérimentale, pour s'assurer d'une certaine uniformité de l'application de l'eau. Les zones tampons entre les parcelles étaient suffisamment grandes pour éviter la dérive d'un traitement à l'autre. Les parcelles expérimentales d'un des blocs étaient instrumentées avec une case lysimétrique, dont l'installation et le fonctionnement sont décrits dans le Chapitre 2. Dans les parcelles expérimentales de trois des quatre blocs, un lysimètre à succion avait été inséré à une profondeur de 60 cm.
Gestion de l'irrigation
Cinq régies d'irrigation ont été testées au cours des étés 2008 et 2009. Elles ont été développées à la suite d'expériences en laboratoire destinées à déterminer le potentiel matriciel optimal à maintenir pour la culture de la laitue. Au cours de ces expériences, les courbes de conductivité hydraulique non saturée en fonction du potentiel matriciel des sols organiques des trois sites étudiés ont été réalisées sur des colonnes de sol. Ces colonnes avaient une hauteur de 15 cm et un diamètre de 13,5 cm. En se basant sur des données de la littérature, nous avions établi la conductivité hydraulique minimale pour un bon approvisionnement en eau des plantes, et nous avons vérifié à quel potentiel matriciel cela correspondait sur nos courbes. Ainsi, nous avons établi une tension limite pour une
croissance optimale des laitues. Au cours de l'été 2007, les premiers essais de gestion de l'irrigation en champ à partir des potentiels matriciels seuils déterminés en laboratoire ont été réalisés. Cependant, nous avons réalisé que ces seuils maintenaient les sols beaucoup trop humides, nous avons donc dû réviser à la baisse les seuils de départ de l'irrigation. C'est ainsi qu'à l'été 2008, deux nouveaux potentiels matriciels seuils pour le déclenchement de l'irrigation ont été déterminés, soit -30 kPa (E30) et -50 kPa (E50). Par contre, l'été 2008 fut très pluvieux et le seuil de -50 kPa ne fut presque jamais atteint. De plus, au cours de l'été 2008, des essais en cabinet de croissance ont été réalisés avec des laitues cultivées dans des bacs contenant 80 litres de sol organique provenant de chez PHVW, afin de préciser la régie d'irrigation à adopter pour obtenir des rendements optimaux. Au cours de ces essais, les meilleurs résultats ont été obtenus en maintenant un potentiel matriciel de -20 à -30 kPa dans les bacs. La décision fut donc prise de modifier les seuils d'irrigation pour l'été 2009, afin de s'adapter aux résultats obtenus en cabinet de croissance. Les deux seuils pour le déclenchement de l'irrigation utilisés au cours de l'été 2009 étaient donc de -15 kPa (E15) et -30 kPa (E30). Afin de mesurer le potentiel matriciel à la profondeur des racines, des tensiomètres étaient installés dans chaque parcelle expérimentale de trois des quatre blocs complets, à une profondeur initiale de 10 cm. Ils étaient ensuite enfoncés de 5 cm chaque semaine, jusqu'à une profondeur maximale de 30 cm.
Un troisième traitement d'irrigation a été évalué au cours des étés 2008 et 2009. Ce traitement consistait, chaque semaine, à combler par une irrigation les pertes d'eau nettes engendrées par l'évapotranspiration. Le besoin en irrigation (Ih) (mm) était estimé en soustrayant les précipitations hebdomadaires (Ph) (mm) de l'évapotranspiration hebdomadaire (ETrh) (mm) (Éq. 27).
lh = ETrh - Ph [27]
L'évapotranspiration hebdomadaire était estimée à partir de l'équation de Penman- Montheith, tirée du Feuillet 56 publié par la FAO (Allen et coll., 1998) (Éq. 28) :
où R„ correspond à la radiation nette (MJ m"2 j"'), G au flux de chaleur dans le sol (MJ m"2
j"1), pa à la densité de l'air à pression constante (kg m"3), Cp à la capacité thermique
massique de l'air (MJ kg"1 "C"1), (es - ea) au déficit de pression de vapeur dans l'air (kPa), ra
à la résistance aérodynamique (s m"1), rs à la résistance de la surface (s m"1), A à la pente de
la pression de vapeur saturante en fonction de la température (kPa "C"1) et y à la constante
psychométrique (kPa "C"1). Cette équation permet d'estimer une évapotranspiration horaire.
Les données étaient donc additionnées pour obtenir une évapotranspiration hebdomadaire.
Le quatrième traitement d'irrigation était un témoin non irrigué. Par contre, ce dernier pouvait être irrigué au cours des 10 jours suivant la plantation, afin de s'assurer que les plantules de laitues survivent et que les mottes cubiques ne s'assèchent pas. Donc en résumé :
Eté 2008 :
E30 : Départ de l'irrigation lorsque le potentiel matriciel à la profondeur racinaire atteint -30kPa
E50 : Départ de l'irrigation lorsque le potentiel matriciel à la profondeur racinaire atteint -50kPa
ETr : Irrigation hebdomadaire afin de combler les déficits hydriques estimés à partir de données d'évapotranspiration
TEM : Parcelle témoin non irriguée Été 2009 :
El5 : Départ de l'irrigation lorsque le potentiel matriciel à la profondeur racinaire atteint -15kPa
E30 : Départ de l'irrigation lorsque le potentiel matriciel à la profondeur racinaire atteint -30kPa
ETr : Irrigation hebdomadaire afin de combler les déficits hydriques estimés à partir de données d'évapotranspiration
Évaluation des rendements
Les paramètres du rendement étaient la masse aérienne fraîche totale, la masse commercialisable, la longueur de la laitue, le nombre de feuilles, la longueur du cœur et la présence de désordre physiologique comme la brûlure de la pointe. Les analyses ont été réalisées sur 20 laitues romaines par parcelle expérimentale, soit 320 laitues par site.
Évaluation des flux d'eau et de soluté
Afin d'évaluer l'impact des différentes régies d'irrigation sur le lessivage des solutés, quatre cases lysimétriques ont été installées dans les parcelles expérimentales d'un des quatre blocs sur chaque site. Cette méthode d'estimation des flux d'eau est la plus précise, car elle se fait directement au champ, permet de recueillir des valeurs en temps réel et ne nécessite aucune donnée théorique (Zotarelli et coll., 2007). Le protocole d'installation et le fonctionnement des cases sont décrits au Chapitre 2. Les flux d'eau journaliers mesurés dans les cases lysimétriques ont ensuite été combinés à des mesures de concentration en soluté de l'eau de sol (c) (g mm"3), permettant ainsi de déterminer le flux
de soluté (Jc) (kg ha"1 j"1) comme suit :
Je = qc [29]
La concentration de soluté dans la solution du sol a été déterminée dans des échantillons d'eau recueillis à l'aide de lysimètres à succion insérés à une profondeur de 60 cm dans trois des quatre blocs expérimentaux. La succion appliquée pour faire le vide dans les lysimètres était de 60 kPa, durant 30 minutes (Ben Jemia, 1997). Le volume minimal d'échantillon conservé était de 15 ml. Les échantillons étaient congelés en dedans d'une heure et conservés ainsi jusqu'à leur analyse.
Afin de mieux évaluer l'influence des traitements d'irrigation sur les mouvements de soluté, un traceur a été utilisé. Nous avons choisi le bromure, car il a un comportement dans le sol similaire à celui des nitrates. En effet, ce sont deux anions, ils ne sont donc pas (ou très peu) retenus par la matière organique du sol et sont facilement lessivés (Brady et Weil, 2009). Des échantillons de sol ont été récoltés au début de l'expérience afin de
s'assurer que la teneur en bromure était nulle ou presque. Une solution contenant 10 g de bromure de potassium (soit environ 6,7 g de Br") a été appliquée sur le sol des cases lysimétriques au cours de la première semaine des expériences chez HVW et JPG.
Analyses chimiques
Des échantillons de sol ont été recueillis au début et à la fin des expériences dans les différents horizons de sol à l'intérieur des cases lysimétriques, afin d'évaluer la proportion d'éléments fertilisants initialement présente dans le sol et perdue par lessivage. Les échantillons ont été congelés jusqu'à leur analyse. Le Fe, Al et P ont été extraits par la solution Mehlich-III (Ziadi et Sen Tran, 2008), et dosés par spectroscopie d'émission dans le plasma (ICP). Les nitrates ont été extraits au KCI 2M (Maynard, 2008), et dosés par colorimétrie (YSI Incorporated, Yellow Springs, OH). La teneur en bromure a été obtenue par extraction à l'eau (2:1) (Miller et Curtin, 2008), et dosée par chromatographie en phase liquide de haute performance (HPLC) (Waters, Milford, MA). La conductivité électrique des échantillons de sol a également été mesurée sur les extraits à l'eau. Des échantillons de laitues ont subi une digestion l'acide sélénieux afin de déterminer par colorimétrie la teneur en azote total et en phosphore total des tissus végétaux et ainsi évaluer le prélèvement d'azote et de phosphore par les laitues dans les différents traitements.
Analyses statistiques
Les analyses statistiques pour les rendements ont été réalisées à l'aide de la procédure GLM de SAS (SAS Institute Inc., NC, USA), tandis que les analyses des flux de soluté ont été réalisées par mesures répétées avec la procédure MIXED de SAS (SAS Institute Inc., NC, USA). La matrice de covariance a été choisie afin de minimiser le critère Akaike. Le niveau de signification retenue est de P < 0,05 et les comparaisons multiples ont été réalisées en utilisant le test LSD protégé. Le dispositif expérimental était un bloc complet aléatoire, avec les blocs en effet aléatoire.
Résultats et discussion
Rendements
Le tableau suivant (Tableau 3) présente les rendements moyens des laitues par traitement d'irrigation et la quantité d'eau totale reçue sur chaque parcelle expérimentale, incluant les pluies et les irrigations. On y retrouve également le potentiel matriciel moyen maintenue à la profondeur racinaire dans les parcelles expérimentales. Cette moyenne n'inclut pas le potentiel matriciel à l'intérieur des cases lysimétriques
Tableau 4. Rendements, tensions moyennes et quantités d'eau utilisées pour l'irrigation de chaque traitement, sur les trois sites.
Masse Nombre Quantité
Site Traitement fraîche Masse de feuilles Longueur Longueur Tension d'eau totale comm. total de la laitue du cœur moyenne reçue
g g cm cm kPa ™m 3 PHVW E30 789,56 591,23 46,01 29,72 7,95 -13,29 36,4 (2008) E50 817,98 587,24 46,03 29,88 7,91 -18,80 36,6 Etr 760,78 557,02 45,16 28,77 7,45 -12,41 38,8 TEM 790,79 581,25 46,53 30,54 8,21 -14,79 30,4 Effet de traitement: Valeur P 0,25 0,42 0,34 0,17 0,11 Contraste significatif : Etr/TEM 0,02 HVW El 5 832,15 681,92 44,43 33,43 7,96 -12,28 38,9 (2009) E30 825,58 659,62 44,99 33,47 7,89 -17,57 39,1 Etr 818,59 655,57 45,15 33,48 8,18 -12,49 41,2 TEM 825,97 663,09 45,38 33,58 8,15 -18,69 32,9 Effet de traitement : Valeur P 0,92 0,58 0,56 0,99 0,16 JPG E15 885,43 675,46 46,19 32,27 8,79 -12,13 26,4 (2009) E30 858,91 704,96 46,2 31,07 8,67 -19,50 17,5 Etr 879,08 691,1 46,01 32,3 8,6 -13,00 22,7 TEM 885,4 738,48 46,78 31,76 8,82 -22,85 9,9 Effet de traitement : Valeur P 0,65 0,02 0,4 0,15 0,47 Contraste significatif : E15/TEM 0,005 ETP/TEM 0,021
Au niveau des rendements commercialisâmes, la seule différence significative à P<0,01 fut observée entre les traitements E15 et TEM chez JPG. Une différence significative à P<0,05 fut également observée entre les traitements ETr et TEM au même site, ainsi qu'une différence au niveau de la longueur du cœur entre les traitements ETr et TEM chez PHVW. L'incidence de la brûlure de la pointe avait également été évaluée, mais aucun résultat significatif n'était ressorti de l'analyse. Les traitements d'irrigation n'ont donc eu qu'un effet limité sur les rendements. Toutefois, au cours des expériences chez PHVW et HVW, les pluies ont été fréquentes et abondantes, et les potentiels matriciels seuils pour le départ de l'irrigation ont rarement été atteints. C'est pourquoi il n'y avait pas une très grande différence entre les tensions moyennes des différents traitements sur ces sites. Par contre, chez JPG, les conditions ont été plus sèches et les seuils d'irrigation ont été régulièrement atteints. Les tensions moyennes ont varié davantage entre les traitements. C'est ce qui a permis d'obtenir une masse moyenne commercialisable par laitues plus élevée avec le traitement TEM. Étant donné qu'il s'agit de la seule différence significative à P < 0,01 observée au niveau des rendements, seuls les résultats obtenus chez JPG sont présentés.
La relation entre les quantités d'eau reçues et la masse commercialisable moyenne d'une laitue était linéaire (Figure 14) tandis que la relation entre la tension moyenne maintenue dans les parcelles et la masse commercialisable était quadratique. Dans les deux cas, la relation était significative.
800
3
S 750 CO v: 73 S 700 H o 3 650 u to 600 800 n 750 - 700 - 650 600 10 15 20 25 30 Quantité d'eau reçue (m3)-10 -15 -20 Potentiel matriciel (kPa)
-25
Figure 14. Masse commercialisable moyenne d'une laitue en fonction de la quantité d'eau reçue sur la parcelle (pluie et irrigation) et du potentiel matriciel moyen maintenue au niveau des racines chez JPG.
Sur la figure 14 et dans le tableau 4, on note que les rendements optimaux ont été atteints avec une tension moyenne de -22,9 kPa. Ce résultat est cohérent ceux d'une autre expérience réalisée avec des laitues romaines cultivées en sol organique (Laurie Plamondon, B. Se, Communication personnelle, 2009). Dans le cadre de cette étude en serre, des laitues plantées dans de grosses colonnes de sol avaient été soumises à différents traitements d'irrigation. Les tensions à l'intérieur des colonnes de sol étaient enregistrées en continue et les rendements mesurés à la fin de l'expérience. Les résultats suggèrent un rendement en biomasse maximal à une tension moyenne à la profondeur racinaire variant entre -18 et -25 kPa (Figure 15).
1000 800 600 -3 o S i S i r3 | 400
S
200 ■10 -20 -30 -40Potentiel matriciel (kPa)
-50 -60
Figure 15. Biomasse obtenue en fonction du potentiel matriciel dans des colonnes de sol, lors d'une expérience menée en serre (Plamondon, 2009, Données non publiées)
À partir de -25 kPa, les rendements baissaient en diminuant la tension. Au champ, ce phénomène n'a pu être observé puisque les pluies étaient fréquentes, ce qui maintenait les sols à des tensions moyennes au-dessus de -25 kPa. Si le potentiel matriciel au champ avait continué de chuter, les rendements auraient possiblement diminué, comme lors des essais en serres.
Ces résultats démontrent que l'irrigation joue un rôle important dans l'obtention d'une haute productivité au champ. Lorsque les tensions moyennes ne sont pas entre -20 et -25 kPa, les rendements diminuent. Les producteurs ont donc tout intérêt à viser une tension au champ variant entre -18 et -25 kPa. Par contre, cet intervalle optimal correspond à un potentiel matriciel moyen au champ. Dans le cas des parcelles du traitement TEM chez JPG, les tensions ont parfois atteint des valeurs de -50 kPa, ce qui largement au-dessous de l'intervalle visé. Par contre, en début d'expérience, les pluies étaient assez fréquentes et le sol maintenait une tension supérieure à -20 kPa. Il est donc important pour les producteurs de tenter de gérer la tension pour obtenir une moyenne de -20 à -25 kPa, et non de maintenir le potentiel matriciel du sol sous ce seuil. De plus, il est évident qu'ils ne doivent pas laisser le sol sécher au point de faire flétrir les plants, même si le début de la saison a été pluvieux. D'autres expériences seront nécessaires pour établir des seuils d'irrigation
adéquats. De plus, il pourrait être intéressant de faire varier ces seuils en fonction du stade de croissance.
Efficacité de l'eau
En plus d'augmenter les rendements, une bonne gestion de l'irrigation peut optimiser l'efficacité de l'utilisation de l'eau, c'est-à-dire la quantité de matière sèche produite par gramme d'eau appliqué. Les résultats du tableau 5 présentent l'efficacité de l'eau dans les cases lysimétriques. Ils sont donc basés sur la masse sèche totale récoltée sur les cases (5 laitues) et sur la quantité d'eau reçue (pluie et irrigation). Plus le rapport g de matière sèche/g d'eau est élevé et plus l'application de l'eau est efficace.
Tableau 5. Efficacité de l'eau dans chaque case lysimétrique chez JPG
Traitement Masse sèche / case Quantité d'eau g de matière sèche d'irrigation lysimétrique appliquée / g d'eau
g g g
E15 179,8 35550 0,005
E30 186,0 23625 0,008
ETr 166,0 30600 0,005
TEM 170,5 13275 0,013
C'est le traitement TEM qui a offert la meilleure efficacité d'utilisation de l'eau, puisqu'il n'a nécessité aucune irrigation. Les précipitations ont été suffisantes pour répondre aux besoins de la culture et donner les rendements les plus élevés. Dans les traitements El5, E30 et ETr, les applications d'eau par irrigation ont été superflues et ont augmenté les coûts de production sans hausser les rendements.