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Gestion optimisée de l'irrigation du fraisier à jours neutres

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Academic year: 2021

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Gestion optimisée de l’irrigation du fraisier à jours

neutres

Mémoire

Julien Cormier

Maîtrise en génie agroalimentaire

Maître ès sciences (M.Sc.)

Québec, Canada

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Résumé

L’utilisation rationnelle de l’eau est une préoccupation croissante. Il importe d’optimiser la gestion des irrigations du fraisier à jours neutres afin de répondre adéquatement au besoin de la plante tout en diminuant la pression du secteur agricole sur l’eau. Dans les sols de l’île d’Orléans, la fraction des particules de sol supérieure à 2 mm peut varier de 15 à 30%. L’eau s’écoule principalement verticalement sous le tube de goutte-à-goutte et le mouvement vertical rapide de l’eau entraine un assèchement du sol en bordure de l’andain et une perte de nutriments. Diverses techniques combinées à l’utilisation de tensiomètres peuvent être envisagées afin d’améliorer l’efficacité d’utilisation de l’eau d’irrigation (EUEI) dans ce type de sol. L’irrigation fractionnée, l’ajustement du seuil de déclenchement de l’irrigation selon l’ETc prévisionnelle, l’installation de matelas capillaires sous la zone racinaire et un système de production hors-sol sur butte profilée ont été testés. Le projet avait pour objectif de déterminer l’effet des techniques présentées sur le développement des fraisiers à jours neutres, le rendement, la qualité des fruits, l’EUEI et les propriétés physico-chimiques du sol. Un dispositif en bloc aléatoire comportant cinq traitements a été mis en place à Saint-Jean-de-l'Île-d'Orléans durant deux saisons de production. Le fractionnement de l’irrigation et le système de production hors-sol ont engendré une augmentation non significative du rendement vendable de 10% et 12%, respectivement, par rapport au traitement témoin. Le système hors-sol a toutefois permis d’augmenter significativement de 86% le rendement vendable durant le premier mois de production. L’EUEI a été améliorée par tous les traitements. En raison de sa simplicité et de sa tendance à augmenter le rendement, l’irrigation fractionnée est recommandée pour le type de sol à l’étude.

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Abstract

Rational use of water is a growing concern. It is important to optimize the irrigation management of day-neutral strawberry plants in order to adequately meet the plant needs while reducing the pressure of agriculture on water. Some soils in the area of Île d’Orléans (Québec, Canada) present an important proportion of schist fragments (15-30%). Because of the high hydraulic conductivity, water flows mainly vertically under the drip tape with little horizontal movement, causing losses of water and nutrients. Different techniques, combined with the use of tensiometer, may be considered to improve the irrigation water use efficiency (IWUE) in this type of soil. Pulse irrigation, irrigation threshold (IT) adjusted according to ETc, installation of capillary mat under the root zone and a raised bed trough system with peat substrate were tested. The project aimed to determine the effect of irrigation management techniques on day-neutral strawberry plants development, yield, fruit quality, IWUE and soil properties. A randomized block design with five treatment was established in Saint-Jean-de-l’Ile-d’Orléans for two productions seasons. Pulse irrigation and soilless system have induced a non-significant increase of marketable yield by 10 % and 12 %, respectively, compared to the control treatment. Soilless system has, however, significantly increased the marketable yield by 86% in the first months of production. All treatments tested allowed to increase IWUE compared to the control. Because of its simplicity and its yield increase, pulse irrigation is recommended for this type of soil in order to reduce the amount of irrigation water.

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Table des matières

Résumé ... iii

Abstract ... v

Table des matières ... vii

Liste des tableaux ... ix

Liste des figures ... xi

Remerciements ... xiii

Avant-Propos ... xv

Introduction générale ... 1

Chapitre 1: Revue de littérature ... 3

1.1 Aperçu de la culture ... 3

1.1.1 État de la production ... 3

1.1.2 Généralités du fraisier ... 3

1.1.3 Pratiques culturales ... 4

1.2 Besoin en eau de la culture ... 4

1.2.1 Calcul de l’évapotranspiration ... 4

1.2.2 Calcul de l’évapotranspiration de la culture ... 5

1.3 Mouvement de l’eau dans le sol ... 6

1.4 L’irrigation ... 7

1.4.1 Utilisation de l’eau par le secteur agricole ... 7

1.4.2 Principes de l’irrigation ... 8

1.5 Techniques pour optimiser la gestion de l’irrigation ... 10

1.5.1 Tensiomètre ... 10

1.5.2 Nouvelles techniques envisagées ... 11

1.6 Objectifs et hypothèses ... 15

1.6.1 Hypothèses ... 15

1.6.2 Objectifs de recherche... 15

Chapitre 2: Optimizing irrigation water use efficiency of day-neutral strawberry in highly permeable soil ... 17

Résumé ... 17

Abstract ... 18

Introduction ... 19

Materials and methods ... 21

Experimental setup ... 21

Site and crop... 21

Measurements ... 22

Statistical analyses ... 23

Results and discussion ... 23

Climatic parameters ... 23

Soil water potential ... 23

Soil EC and pH evolution in the season... 24

Treatment effect on plants ... 24

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Fruits quality ... 28

Water use ... 30

Practical implications ... 31

Conclusion ... 31

Acknowledgements ... 32

Chapitre 3: Conclusion générale ... 47

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Liste des tableaux

Table 1 : Soil texture in the 0-15 and 15-30 horizons of experimental fields ... 33

Table 2 : Basic physical and chemical properties in the 0-15 and 15-30 horizons of experimental fields ... 34

Table 3 : Observed climatic parameter and climate normal (1981-2010) at Saint-Michel from Canada Environment and Natural Resources (46°87’N; 70°88’O) ... 35

Table 4 : Average seasonal soil water potential (SSWP) and average observed irrigation threshold (OIT) at 15 and 30 cm depth for 2013 and 2014 trials ... 36

Table 5 : Two year mean of leaf area and crown diameter growth rate, end of season above ground dry biomass and quantity of diseased roots ... 37

Table 6 : Plant mortality rate during the 2013 and the 2014 season ... 38

Table 7 : Season total marketable yield for 2013, 2014 and two year average ... 39

Table 8 : Monthly marketable yield for trial seasons ... 40

Table 9 : Individual year average size and two year average sugar content and firmness of marketable fruit .. 41 Table 10 : Amount of irrigation water (AIW), number of irrigations and irrigation water use efficiency (IWUE) . 42

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Liste des figures

Figure 1 : Coefficient de culture moyen du fraisier pour la vallée de Santa Maria, Californie (adapté de Hanson

et Bendixen 2004). ... 6

Figure 2 : Coupe transversale d’un andain avec positionnement des 2 rangées de plant et du tube de goutte-à-goutte (adapté de Boivin et Deschênes 2011). ... 11

Figure 3. Evolution of soil EC measured with succion lysimeter during 2013 (A) and 2014 (B) seasons. ... 43

Figure 4. Evolution of soil pH measured with succion lysimeter during 2013 (A) and 2014 (B) seasons. ... 44

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Remerciements

J’aimerais remercier mon directeur de recherche Jacques Gallichand et mon co-directeur Jean Caron pour leur soutien, disponibilité et motivation. Un très grand merci à Carole Boily pour son soutien et son aide tout au long de ce travail. Merci aux collègues Guillaume Létourneau et Lélia Anderson pour leur partage des connaissances. Je tiens à remercier tous les membres de l’équipe de recherche: professeurs, professionnels de recherche, étudiants gradués et auxiliaires de recherche.

Un énorme merci à toute l’équipe de la ferme Onésime Pouliot qui a permis la réalisation des expériences. Je veux remercier les organismes subventionnaires : le Conseil de Recherche en Sciences Naturelles et en Génie du Canada (CRSNG), le Fonds de Recherche du Québec - Nature et Technologies (FRQNT), Hortau et les fermes partenaires du projet.

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Avant-Propos

Ce mémoire de maîtrise est composé de trois chapitres. Le chapitre 1 présente la problématique et une revue de littérature portant sur les thèmes abordés dans ce mémoire. Le deuxième chapitre contient un article scientifique rédigé en anglais dont je suis l’auteur principal. L’article sera soumis au journal Agricultural Water

Management et porte le titre « Optimizing irrigation water use efficiency of day-neutral strawberry in highly

permeable soil ». J’ai rédigé l’intégralité de l’article suite aux expériences que j’ai planifiées, exécutées et analysées. Il a été rédigé sous la supervision de Jacques Gallichand et Jean Caron qui m’ont guidé tout au long du cheminement de la maîtrise. Finalement, le troisième chapitre est une conclusion générale qui fait un rappel des conclusions de l’article en lien avec la problématique soulevée.

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Introduction générale

Le Québec compte 538 entreprises agricoles qui cultivent la fraise sur une superficie totale de 1329 ha (ISQ et MAPAQ 2014). En 2013, le Québec a commercialisé 10599 t de fraises, soit plus de 50 % de la production canadienne (ISQ et MAPAQ 2014).

Le fraisier possède un réseau racinaire superficiel ce qui le rend sensible à la sécheresse (Galletta et Himelrick, 1990). Le fraisier n’est capable d’extraire que 20 % de la réserve en eau du sol (Allen et al., 1998). Un apport insuffisant en eau se traduit par une diminution du rendement du fraisier (Kumar et Dey, 2012; Liu et al., 2006; Yuan et al., 2004) tandis qu’un apport excessif en eau peut entraîner une asphyxie racinaire. Il importe d’optimiser la gestion des irrigations du fraisier afin de répondre adéquatement au besoin de la plante et tout en diminuant la pression du secteur agricole sur l’eau.

En effet, l’agriculture est une importante consommatrice d’eau. Aux États-Unis, le volume d’eau utilisé pour l’irrigation représente 40 % des prélèvements en eau douce (Hutson et al., 2000). Au Canada, 1634.7 millions de mètres cubes d’eau ont été utilisés à des fins d’irrigation, soit 3.9 % des prélèvements totaux (Statistique Canada, 2010a).

Pour gérer de manière optimale l’irrigation, il est essentiel de connaître l’état hydrique du sol et le tensiomètre est un outil efficace (Hartz, 1999). L’utilisation de tensiomètres est recommandée comme moyen pour planifier les irrigations afin d’augmenter le rendement dans la culture du fraisier (Serrano et al., 1992).

Toutefois, dans les sols où la fraction des particules de sol supérieur à 2 mm est importante, l’eau s’écoule principalement verticalement et il y a assèchement du sol en bordure de l’andain (Boivin et Deschênes, 2011). Le mouvement vertical rapide de l’eau entraine une quantité d’eau hors de la zone racinaire, une perte de nutriment et un risque de contamination des aquifères (Skaggs et al., 2010). L’efficacité d’utilisation de l’eau d’irrigation (EUEI) ou « irrigation water use efficiency » dans ces types de sol peut être améliorée au Québec. Diverses techniques combinées à l’utilisation de tensiomètres peuvent être envisagées.

L’irrigation fractionnée consiste à diviser le volume d’eau à appliquer en plusieurs séquences d’irrigation entrecoupées d’intervalles d’une certaine durée. Les sols de l’île d’Orléans sont fortement drainants et l’irrigation fractionnée peut être bénéfique comme les résultats de Létourneau (2015) le montrent. L’irrigation fractionnée peut réduire le drainage sous la zone racinaire (Cote et al., 2003) et peut légèrement améliorer le déplacement horizontal de l’eau (Cote et al., 2003; Skaggs et al., 2010).

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L’irrigation de déficit peut réduire la quantité d’eau utilisée et réduire le lessivage (Mpelasoka et al., 2001). Des études ont démontré que l’irrigation de déficit pouvait améliorer la qualité des fruits (Giné Bordonaba et Terry, 2010; Terry et al., 2008). Par contre, l’irrigation de déficit entraine généralement une baisse du rendement et une diminution du calibre des fruits du fraisier (Blatt, 1984; Krüger et al., 1999; Liu et al., 2007; Serrano et al., 1992). Toutefois, certaines études ont rapporté que déficit hydrique modéré n’avait pas d’effet mesurable sur le rendement (El-Farhan et Pritts, 1997) ou sur la fleuraison et le nombre de fleurs (Johnson et Simpson, 2014). Un stress hydrique, jusqu’à un certain point, peut améliorer l’EUEI.

Des techniques de rétention souterraine de l’eau ont été envisagées pour augmenter la capacité de rétention en eau des sols légers. Smucker et Basso (2014) ont obtenu une augmentation du rendement avec le concombre, le poivron vert et le maïs dans un sol sableux en installant une membrane dans la zone racinaire. La technique n’a toutefois pas été encore adaptée à la culture de fraisier.

Plusieurs recherches ont démontré que la production sur substrat peut convenir à la production de fraises en Amérique du Nord (Kempler, 2002; Paranjpe et al., 2008; Takeda, 1999). Des chercheurs californiens ont étudié un système hors-sol hybride entre la culture conventionnelle en champ et la culture hors-sol sur table, la culture hors-sol sur butte (raised beb trough system) (Evans et Gonzalez-Fuentes, 2013; Thomas et al., 2013; Wang et al., 2012). Les résultats indiquent un fort potentiel commercial. L’ajout d’un matelas capillaire dans ce système pourrait permettre des économies d’eau comme il a été observé en pépinière et en culture de tomate en serre (Caron et al., 2002; Lemay et al., 2012). Ce système de production n’a pas été testé au Québec.

Il apparaît intéressant d’adapter les techniques mentionnées aux conditions québécoises et d’en évaluer le potentiel de production. De manière générale, l’objectif de ce projet était d’évaluer différentes techniques au champ qui peuvent améliorer l’EUEI.

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Chapitre 1: Revue de littérature

1.1 Aperçu de la culture

1.1.1 État de la production

La fraise est le troisième petit fruit en importance sur le plan monétaire au Québec. Le Québec comptait 538 entreprises qui produisaient 12213 t de fraises sur 1329 ha en 2013 ha (ISQ et MAPAQ 2014). Les recettes du secteur étaient de 36,6 millions de dollars, soit plus de la moitié des recettes canadiennes en 2013 ha (ISQ et MAPAQ 2014). La consommation annuelle de fraises fraîche était de 3,70 kg par personne pour cette même année ha (ISQ et MAPAQ 2014).

1.1.2 Généralités du fraisier

Le fraisier est une plante herbacée vivace qui peut être cultivée sous différents environnements. Le fraisier appartient au règne Plantae, division Magnoliophyta, classe Magnoliopsida, sous-classe Rosidae, ordre Rosales, famille Rosaceae, genre Fragaria. Le fraisier cultivé commercialement est le Fragaria x ananassa Duchesne et est issu du croisement de Fragaria chiloensis et Fragaria virginiana (Darrow, 1966).

Il existe principalement trois classes de cultivar de fraisier cultivé : à jours courts, à jours neutres et remontant. Le cultivar à jours neutres n’est pas influencé par la photopériode et fleurit continuellement durant la saison de croissance. La période de récolte s’étend de la mi-juillet jusqu’au premier gel mortel à l’automne au Québec. Dans le cas du fraisier à jours cours (fraisier d’été), la période de récolte s’étend du début juin jusqu’à la mi-juillet. Le fraisier remontant quant à lui a une première période de production au printemps et une autre à l’automne.

Le fraisier possède un réseau racinaire superficiel ce qui le rend sensible à la sécheresse (Galletta et Himelrick, 1990). Les racines sont réparties dans le sol de la façon suivante : 15 % dans la zone 0-10 cm, 50 % dans la zone 10-20 cm et 35 % dans la zone 20-30 cm (Boivin et Deschênes, 2011). La physiologie des racines du fraisier limite l’accessibilité à l’eau disponible dans le sol. Le fraisier n’est capable d’extraire que 20 % de la réserve en eau du sol (Allen et al., 1998). L’irrigation du fraisier exige une excellente gestion pour maintenir les conditions hydriques optimales. Un apport insuffisant entraîne un stress hydrique tandis qu’un apport excessif peut entraîner une asphyxie racinaire.

Un stress hydrique chez le fraisier se traduit par une diminution du rendement (Kumar et Dey 2012; Liu et al. 2006; Yuan et al. 2004). Tout comme le rendement, la qualité des fruits est affectée en conditions de stress hydrique. Le calibre des fruits est significativement réduit lors de stress hydrique durant la floraison et le

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développement des fruits (Blatt, 1984). Afin d’obtenir des rendements et une qualité des fruits acceptables, l’irrigation est généralement nécessaire dans la production de fraises (Liu et al., 2007).

1.1.3 Pratiques culturales

Au Québec, le fraisier à jours neutres est généralement cultivé sur andain recouvert de paillis de polyéthylène noir. Les andains sont de 15 à 25 cm de haut et suffisamment larges pour accueillir de 2 à 4 rangées de plants. La densité de plantation varie de 55 000 à 75 000 plants par hectare. Le paillis de plastique qui couvre l’andain est imperméable afin de diminuer les pertes par évaporation du sol. Une faible proportion des précipitations s’infiltre dans l’andain. Les films de plastique augmentent la température du sol, aident au contrôle des mauvaises herbes, réduisent l’érosion et limitent les pertes par évaporation (Freeman et Gnayem, 2005). L’irrigation est donc nécessaire pour combler les besoins en eau de la plante. L’apport en eau est assuré par un ou deux tubes de goutte-à-goutte installés à environ 5 cm sous la surface du sol.

1.2 Besoin en eau de la culture

L’eau a un rôle essentiel dans plusieurs processus physiologiques de la plante : un rôle de médium pour la diffusion du CO2, un rôle de transport des éléments minéraux, un rôle dans la croissance des cellules, un rôle

structural et un rôle biochimique. L’eau est donc un intrant clé dans la production agricole. Les besoins en eau de la plante sont principalement dus à la transpiration. La transpiration est un effet secondaire des échanges gazeux des stomates. Il existe des équations qui permettent d’estimer les besoins en eau des cultures.

1.2.1 Calcul de l’évapotranspiration

Les besoins en eau peuvent être estimés par le calcul de l’évapotranspiration. L’évapotranspiration de référence (ETR) est la quantité d’eau évapotranspirée par une culture de référence (luzerne ou gazon)

d’environ 15 cm de haut dans un champ ne manquant jamais d’eau (Gallichand, 2011). C’est une donnée essentielle pour le calcul du bilan hydrique d’une culture et pour le calcul des besoins en eau à la ferme. La FAO présente l’équation simplifiée de Penman-Monteith comme étant la méthode standard reconnue pour une estimation précise de l’ET0 dans une vaste gamme de climats (Allen et al., 1998).

Au Québec, de façon générale, les données de radiations et de flux de chaleur du sol ne sont pas comptabilisées par les différentes stations météorologiques. Pour pallier à ce problème, (Rochette et Dubé, 1989) ont développé une formule calibrée pour le Québec nécessitant seulement la température de l’air.

𝐸𝑇0= −1,75 + 0,0646 ∙ 𝑇𝑚𝑎𝑥+ 0,0975 ∙ (𝐴𝑇 − 𝐴𝑇𝑛𝑜𝑟) + 0,00448 ∙ 𝑅𝑒

[ 1 ] Tmax : Température maximale de la journée (°C);

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AT : amplitude thermique journalière;

ATnor : amplitude thermique normale pour le mois auquel AT appartient;

Re : Rayonnement solaire extraterrestre (cal cm-1 j-1).

Le rayonnement solaire extraterrestre (Re) peut être estimé par l’équation [ 2

]

pour les latitudes du Québec (Lagacé, 2012). 𝑅𝑒 = 𝑅̅̅̅ + ∆𝑅 𝑐𝑜𝑠𝐹 + 7(1 − 𝑐𝑜𝑠2𝐹) 𝑒 [ 2

]

où : 𝑅𝑒 ̅̅̅ =𝑅𝑚𝑎𝑥+ 𝑅𝑚𝑖𝑛 2 ∆𝑅 =𝑅𝑚𝑎𝑥− 𝑅𝑚𝑖𝑛 2 𝑅𝑚𝑎𝑥= 1021,6 − 0,2(𝐿𝑎𝑡 − 45) 𝑅𝑚𝑖𝑛 = 252,8 − 14,8(𝐿𝑎𝑡 − 45) 𝐹 = 2𝜋𝐽 − 173 365 J : Jour Julien; Lat : Latitude (°);

Rmax : Radiation extra-terrestre maximale (cal cm-2 j-1);

Rmin : Radiation extra-terrestre minimale (cal cm-2 j-1).

1.2.2 Calcul de l’évapotranspiration de la culture

L’évapotranspiration des cultures (ETc) est la quantité d’eau réellement transpirée par une culture à un stade donné de sa croissance. L’ETc est influencée par divers facteurs : le coefficient de culture (Kc), le stade de croissance, la teneur en eau du sol dans la zone des racines, la teneur en eau à la surface du sol et l’ET0.

L’ETc peut être calculé par l’équation suivante :

𝐸𝑇𝑐= 𝐾𝐶𝐸𝑇0

[ 3

]

Le coefficient de culture varie en fonction de la culture et du stade de croissance. L’évolution du coefficient cultural du fraisier à jours neutres pour une région de la Californie est présentée à la figure 1. Au Québec, peu d’études abordent le sujet du Kc pour le fraisier. Bergeron (2010) a trouvé un coefficient cultural moyen de 0.58 et une ETc maximale de 2.77 mm jour-1.

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Figure 1 : Coefficient de culture moyen du fraisier pour la vallée de Santa Maria, Californie (adapté de Hanson et Bendixen 2004).

1.3 Mouvement de l’eau dans le sol

Afin de comprendre ce qui se passe dans le sol lors d’une irrigation, il est nécessaire de comprendre comment l’eau se déplace dans le sol. L’eau peut contenir deux formes d’énergie : l’énergie cinétique et l’énergie potentielle. Dans le sol, la vitesse de déplacement de l’eau est faible et l’énergie cinétique est considérée négligeable. L’état du mouvement de l’eau est influencé par l’énergie potentielle. En accord avec la thermodynamique, l’eau se déplace d’un endroit d’énergie potentielle élevée à un endroit d’énergie potentielle faible. Le potentiel total (φt) de l’eau du sol est la somme de plusieurs facteurs.

𝜑𝑡 = 𝜑𝑔+ 𝜑𝑝+ 𝜑𝑚+ 𝜑𝑜 [ 4

]

φg : potentiel gravitationnel; φp : potentiel de pression; φm : potentiel matriciel; φo : potentiel osmotique.

Le potentiel gravitationnel est causé par la force de gravité. Lorsque φg est supérieur aux autres potentiels, il y

a écoulement d’eau vers le bas du sol. Le φp fait référence à la pression hydrostatique. Le φp est positif

lorsque le point de référence est sous une nappe d’eau et négatif au-dessus. Le φm résulte des forces de

capillarité et d’adsorption dues aux particules solides du sol. C’est l’attraction de l’eau par la matrice du sol. Le φm est négatif puisqu’il faut appliquer une force pour extraire l’eau. C’est la force que les racines exercent pour

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extraire l’eau du sol. La tension du sol est un synonyme du φm. Le φo est causé par la présence de sels, de

métaux et d’autres composés dans l’eau du sol.

En condition saturée dans le sol, le potentiel de l’eau du sol est considéré positif. Dans un sol non saturé, le potentiel est négatif puisque l’eau est retenue par les forces de capillarité et d’adsorption. L’eau se déplace verticalement ou horizontalement dans le sol. Le déplacement vertical est généré par le potentiel gravitationnel. Le potentiel matriciel influence l’écoulement dans les deux directions. L’eau circule au travers des micropores et des macropores du sol.

Le mouvement de l’eau dans le sol est complexe et des modèles décrivant le phénomène en condition saturée, transitoire et non saturée peuvent être trouvés dans Allaire (2011). L’infiltration de l’eau dans le sol lors d’une irrigation dépend, entre autres, du débit d’eau apporté, de la teneur en eau initiale du sol et de la conductivité hydraulique du sol. Il est donc important de déterminer les propriétés physiques du sol à irriguer pour estimer et comprendre le déplacement de l’eau dans le sol.

Lors d’une irrigation, la vitesse d’infiltration tend vers la conductivité hydraulique saturée. La conductivité hydraulique représente la capacité d’un milieu à laisser circuler l’eau. Elle est fonction de la granulométrie et de la structure du sol, de la distribution porale et de la tortuosité des pores du sol.

1.4 L’irrigation

1.4.1 Utilisation de l’eau par le secteur agricole

L’eau utilisée en irrigation agricole compte pour 45 % de la consommation en eau potable dans les pays de l’Organisation de coopération et de développement économiques (OCDE, 2010). Au Canada, 1634.7 millions de mètres cubes d’eau ont été utilisés à des fins d’irrigation, soit 3.9 % des prélèvements totaux (Statistique Canada, 2010a). Les secteurs urbains, industriels et agricoles compétitionnent pour avoir accès à la ressource. Les ressources en eau ne sont pas infinies et des efforts doivent être entrepris pour réduire la consommation en eau de chaque secteur.

En irrigation, les efforts de conservation de l’eau doivent être orientés afin d’améliorer les infrastructures des systèmes d’irrigation et d’améliorer la gestion des irrigations (Clemmens et al., 2008). L’efficacité d’utilisation de l’eau d’irrigation (EUEI) ou « irrigation water use efficiency » peut être améliorée en diminuant la quantité d’eau qui s’infiltre sous la zone des racines.

Une grande partie de la vallée du Saint-Laurent ne souffre pas de déficit hydrique. La demande en eau des cultures peut théoriquement être comblée par les précipitations. La distribution des précipitations est toutefois

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inégale et des conditions de stress hydrique peuvent être engendrées. L’irrigation est donc utilisée au Québec pour combler les besoins en eau entre les périodes de précipitation afin d’augmenter les rendements agricoles. De plus, en culture de la fraise à jours neutres, le paillis de plastique rend nécessaire l’irrigation.

1.4.2 Principes de l’irrigation

1.4.2.1 Réserve en eau du sol

L’objectif de l’irrigation est de maintenir la teneur en eau du sol dans une gamme idéale pour la croissance d’une culture. Lorsque la teneur en eau se maintient entre la capacité au champ (ϴCC) et le point critique (ϴC),

l’eau est facilement disponible pour la plante. À l’opposé, lorsqu’elle se situe entre ϴC et le point de

flétrissement permanent (ϴPFP), il peut y avoir baisse de rendement. La réserve d’eau facilement utilisable

(RFU) pour la plante est définie par l’équation [ 5 ].

𝑅𝐹𝑈 = 𝑃𝑅 (𝛳𝐶𝐶− 𝛳𝐶)

[ 5 ] RFU : réserve facilement utilisable (mm);

PR : profondeur d’enracinement (mm).

En ce qui concerne ϴCC, les valeurs dépendent principalement de la texture et du pourcentage de matière

organique du sol (Côté, 1982). La ϴCC est atteinte lorsque les forces matricielles égalent la force

gravitationnelle. La profondeur d’enracinement varie selon le stade de croissance de la plante. La RFU augmentera avec le développement des racines. Selon Allen et al. (1988), la profondeur maximale d’enracinement du fraisier est de 30 cm.

Le déficit maximal admissible (DMA) représente la fraction d’eau facilement utilisable sur l’eau utilisable par la plante.

𝐷𝑀𝐴 =𝑅𝐹𝑈

𝑅𝑈

[ 6 ] La réserve utile (RU) représente l’épaisseur d’eau disponible à la plante où ϴC est remplacé par ϴPFP dans

l’équation [ 5 ]. Selon Allen et al. (1988), le DMA recommandé du fraisier est de 0.20.

1.4.2.2 L’oxygène dans le sol

Le sol a besoin d’environ 10 L m-2 j-1 d’oxygène pour répondre au besoin de l’activité biologique et à la

respiration racinaire (Allaire, 2011). Les racines des plantes ont besoin d’oxygène dans le sol pour le processus physiologique du cycle de Krebs de la plante. Si la concentration en oxygène est insuffisante, il y a

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diminution de l’activité respiratoire des racines ce qui modifie le cycle de Krebs. Le manque d’aération prolongé peut engendrer un ralentissement de la croissance, un jaunissement des feuilles et le flétrissement de la plante. Les racines du fraisier ont besoin d’un volume d’air minimal dans le sol pour éviter les conséquences négatives sur leur développement. Un volume d’air minimal de 0.15 par rapport au volume total de sol est recommandé (Evenhuis et Alblas, 2002). L’irrigation doit donc apporter suffisamment d’eau afin de répondre aux besoins de la plante sans toutefois inonder la zone racinaire durant une période prolongée.

1.4.2.3 Type d’irrigation

Il existe plusieurs méthodes pour acheminer l’eau aux racines. Elles peuvent être divisées en 4 catégories : l’irrigation par système d’aspersion, la micro-irrigation (l’irrigation localisée), l’irrigation de surface et l’irrigation souterraine. L’irrigation localisée est prédominante dans la culture de fruit et légume à haute valeur commerciale comme la fraise. L’irrigation goutte-à-goutte est utilisée sur 950 000 ha aux États-Unis (National Agricultural Statistics Service, 2009). Au Québec, 265 des 670 fermes qui pratiquent l’irrigation utilisent l’irrigation localisée (Statistique Canada, 2010b). L’irrigation goutte-à-goutte permet une meilleure EUEI que l’irrigation par aspersion (Rolbiecki et al., 2004; Rolbiecki et Rzekanowski, 1997).

1.4.2.4 Efficacité d’utilisation de l’eau

L’utilisation de l’eau peut être rapportée de différente façon. Généralement, l’efficacité d’utilisation de l’eau (EUE) se calcule en rendement par quantité d’eau transpiré par la culture (Grant et al., 2010). L’efficacité d’utilisation de l’eau d’irrigation (EUEI) peut être exprimée par le rendement sur la quantité d’eau appliquée (Wang et al., 2007). L’EUE n’est pas recommandé pour évaluer l’efficacité d’un système d’irrigation, Bos (1985) privilégie l’utilisation de l’EUEI.

À l’Île d’Orléans, la fraction de schistes (particules > 2 mm) joue un rôle déterminant dans l’écoulement de l’eau en culture de la fraise à jours neutres. L’eau s’écoule principalement verticalement et il y a assèchement du sol en bordure de l’andain (Boivin et Deschênes, 2011). Lors d’une irrigation avec un tube de goutte-à-goutte au milieu de l’andain, en moyenne 50% de l’andain est hors de portée des apports en eau (Boivin et Deschênes, 2011). Les sols de l’île sont fortement drainants et l’eau migre rapidement vers le bas, hors de la zone racinaire. Le drainage est considéré rapide lorsque la conductivité hydraulique varie entre 10 à 100 µm s-1 (Webb et al., 1991).

Ce problème amène les producteurs à augmenter le temps d’irrigation ce qui favorise la formation de canaux d’écoulement préférentiel (Boivin et Deschênes, 2011). Le volume de sol humidifié n’est pas plus grand et le problème s’accentue. L’expérience réalisée par Boivin et Deschênes (2011) a conclu qu’augmenter le débit des goutteurs, réduire l’espacement des goutteurs et augmenter ou réduire le volume d’eau appliqué par

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irrigation ne favorisent pas le mouvement latéral de l’eau. La teneur en eau avant l’irrigation et les propriétés physiques du sol déterminent en grande partie la diffusion et la distribution de l’eau (Skaggs et al., 2010). Le mouvement vertical rapide de l’eau dans l’andain entraine un gaspillage de l’eau hors de la zone racinaire, une perte de nutriment par lessivage et un risque de contamination des aquifères (Skaggs et al., 2010). L’EUEI est peu élevée dans certains types de sol à l’Île d’Orléans et des techniques pour l’améliorer doivent être trouvées. La prochaine section aborde des solutions qui pourraient être apportées pour améliorer le rendement et réduire la consommation d’eau.

1.5 Techniques pour optimiser la gestion de l’irrigation

Optimiser la gestion de l’irrigation peut se caractériser par l’application de la quantité d’eau qui correspond au besoin de la plante dans la zone racinaire et en évitant le déplacement de l’eau et des éléments nutritifs sous la zone racinaire. Des techniques doivent être envisagées afin de réduire les pertes par percolation. Il est premièrement essentiel de connaître l’état hydrique du sol pour gérer efficacement la planification de l’irrigation.

1.5.1 Tensiomètre

Une méthode reconnue pour déterminer quand irriguer et estimer la quantité d’eau à appliquer est l’utilisation du tensiomètre. Le tensiomètre est un outil efficace et est recommandé comme moyen pour planifier les irrigations afin d’augmenter le rendement (Hartz, 1999; Serrano et al., 1992). Le tensiomètre indique le potentiel de l’eau dans le sol c’est-à-dire la force avec laquelle l’eau est retenue dans la matrice du sol. Elle correspond à la force que les racines doivent exercer pour prélever l’eau du sol. La tension du sol peut se traduire en teneur en eau du sol par la courbe de rétention.

Le tensiomètre est constitué d’un tube rempli d’eau, d’une bougie poreuse en céramique à l’extrémité du bas, d’un bouchon étanche à l’extrémité du haut et généralement d’un capteur de pression. L’eau du tensiomètre circule vers le sol par la bougie poreuse pour atteindre l’équilibre avec le potentiel du sol. Le déplacement de l’eau du tensiomètre vers le sol crée un vide à l’intérieur qui est mesuré par le capteur de pression. Le tensiomètre peut être relié à un acquisiteur de donnée ou transmettre ses données par un réseau sans fil pour faciliter le suivi des lectures. La capacité de suivre en temps réel un réseau de capteur est un véritable atout (Burgess et al., 2010). Avant de suivre à distance l’état hydrique du sol, il est nécessaire de bien positionner les tensiomètres dans le sol.

Le tensiomètre doit être installé dans la zone de sol de prélèvement des racines et d’humectation du système d’irrigation goutte-à-goutte. Il est donc nécessaire de déterminer le patron d’humectation. Evenhuis et Alblas

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(2002) recommandent un positionnement du tensiomètre à 15-20 cm de profond entre la rangée de plants et le tube de goutte-à-goutte. Ils recommandent de s’approcher du gouteur en sol léger où l’infiltration est rapide. L’étude de Boivin et Deschênes (2011) qui se déroulait en sol léger recommande le positionnement du tensiomètre dans la zone 12 (0-10 cm) en début de saison de croissance et dans la zone 8 (10-20 cm) par la suite (figure 2). La zone 3 (20-30) cm peut être utilisé pour détecter le lessivage.

Figure 2 : Coupe transversale d’un andain avec positionnement des 2 rangées de plant et du tube de goutte-à-goutte (adapté de Boivin et Deschênes 2011).

Le seuil optimal pour déclencher les irrigations varie selon chaque type de culture. Au Québec, des études ont permis de déterminer la plage de confort hydrique pour la fraise à jours neutres (Bergeron, 2010; Létourneau, n.d.; Watters, n.d.). Les meilleurs rendements ont été obtenus lorsque les irrigations étaient déclenchées entre -15 et -20 kPa pour la culture en champ et à -5 kPa en culture hors-sol.

L’utilisation du tensiomètre est connue et documentée pour gérer l’irrigation du fraisier. Un problème persiste en sol léger pour améliorer la disponibilité de l’eau aux plantes, il s’agit de réduire la percolation hors de la zone racinaire. Le tensiomètre combiné à d’autres techniques semble pouvoir améliorer l’EUEI davantage. La section suivante aborde des techniques pouvant potentiellement répondre à ce problème.

1.5.2 Nouvelles techniques envisagées

1.5.2.1 Irrigation fractionnée

Les sols de l’île d’Orléans sont fortement drainants et la méthode d’irrigation goutte-à-goutte actuelle ne permet pas de bien humidifier la zone racinaire. L’eau appliquée descend rapidement sous la zone racinaire. Une technique envisageable pour irriguer un plus grand volume de sol et améliorer la disponibilité de l’eau aux racines est l’irrigation fractionnée. L’irrigation fractionnée (IF) ou « pulsed irrigation » consiste à diviser le volume d’eau à appliquer en plusieurs séquences d’irrigation entrecoupées d’intervalles d’une certaine durée.

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Des recherches ont démontré que la fréquence d’irrigation influence positivement le rendement de plusieurs cultures (Phene et Sanders, 1976; Wang et al., 2006). Selon Assouline (2002), réduire le débit d’application près du taux de prélèvement de la plante peut améliorer l’EUEI. Selon Evenhuis et Alblas (2002), pour réduire les pertes d’eau par percolation, des irrigations fréquentes de petites quantités d’eau sont nécessaires. Il s’agit de réduire l’écart entre les moments d’application de l’eau et les besoins de la plante.

Li et al. (2004) affirment que l’IF peut améliorer le déplacement latéral de l’eau dans l’andain. L’étude de Skaggs et al. (2010) démontre toutefois un effet non significatif. L’étude de Boivin et Deschênes (2011) portait sur le déplacement de l’eau dans la culture de fraise à l’île d’Orléans, mais l’IF n’a pas été étudié. La mise en place d’un traitement expérimental avec IF permettrait de vérifier si le déplacement latéral de l’eau est favorisé dans un sol de l’île d’Orléans.

L’irrigation fractionnée semble être bénéfique pour la culture de la fraise comme les résultats de Létourneau (n.d.) le montrent. L’expérience consistait à séparer l’application d’eau en 2 séquences. Cette expérience ne s’est déroulée que sur une saison de production et doit être répétée pour valider les résultats.

1.5.2.2 Irrigation de déficit

L’irrigation de déficit consiste à ne combler qu’une partie des besoins en eau de la plante et le faible stress hydrique appliqué aux plantes est censé avoir un effet minimal sur le rendement (English et Raja, 1996). L’irrigation de déficit peut réduire la consommation en eau, réduire le lessivage et aussi améliorer EUEI de plusieurs cultures horticoles (Mpelasoka et al., 2001; Topcu et al., 2007). Des études ont démontré qu’elle pouvait améliorer la qualité des fruits (Giné Bordonaba et Terry, 2010; Terry et al., 2008). Par contre, cette méthode entraine généralement une baisse du rendement et une diminution du calibre des fruits du fraisier (Blatt, 1984; Krüger et al., 1999; Liu et al., 2007; Serrano et al., 1992). Certaines études ont, toutefois, rapporté qu’un déficit hydrique modéré n’avait pas d’effet mesurable sur le rendement (El-Farhan et Pritts, 1997) ou sur la fleuraison et le nombre de fleurs (Johnson et Simpson, 2014). La réponse au stress hydrique varie selon le cultivar (Giné Bordonaba et Terry, 2010). Un stress hydrique, jusqu’à un certain point, peut améliorer l’EUEI.

Ajuster le SD en fonction de l’ETc a été suggéré par Létourneau (n.d.) dans le but d’améliorer EUEI du fraisier. Appliquer un stress hydrique modéré lorsque de l’ETc est faible pourrait améliorer EUEI sans affecter négativement le rendement.

(29)

1.5.2.3 Technique de rétention souterraine de l’eau

Les techniques de rétention souterraine de l’eau (TRSE) ou « subsurface water retention technology » ont pour but d’augmenter la capacité de rétention en eau du sol. En augmentant la capacité de rétention du sol, la percolation sous la zone racinaire risque de diminuer. Plusieurs moyens peuvent être utilisés pour augmenter la capacité de rétention en eau du sol par exemple : ajout de matière organique, de biochar (Abel et al., 2013), de polymère hydrophile (Andry et al., 2009; Yang et al., 2014) ou l’installation de membrane dans le sol (Kavdir et al., 2014).

Guber et Smucker (2013) ont réussi à doubler la capacité de rétention en eau de la zone racinaire et à augmenter significativement les rendements d’un champ de maïs en sol sableux. Ils ont installé des membranes de polymère à 35 et 50 cm de profond. Leurs résultats de simulation d’écoulement sur HYDRUS-2D montrent que les TRSE permettent d’améliorer l’EUEI dans les sols très perméables. Les membranes permettent d’intercepter le flux d’eau et de réduire le risque de contamination des aquifères.

L’utilisation du système de matelas capillaire AQUAMATTM (Soleno Textiles, Laval, QC, Canada) a été

évaluée pour la culture en pot dans les pépinières (Caron et al., 2005). L’AQUAMATTM utilise le principe de la

remontée capillaire pour redistribuer l’eau au sol. Le matelas capillaire est composé d’un polyéthylène étanche à la base, d’une couche de polyester hautement absorbant au milieu et d’un textile antiracinaire sur le dessus. Il a permis de réduire la quantité de solutions nutritives en culture de tomate en serre (Lemay et al., 2012). En production de fraise hors-sol sur table, le matelas capillaire permet de diminuer les quantités d’engrais utilisées et la fréquence des irrigations (Caron et al., 2012).

L’installation d’un matelas capillaire sous la zone racinaire a l’avantage d’avoir des résultats directement après l’installation. Des recherches ont été conduites sur l’utilisation de matelas capillaire en culture hors-sol sur pot ou en sac du fraisier, mais aucune recherche ne semble avoir été faite sur l’utilisation de matelas capillaire dans la culture de la fraise en champ.

1.5.2.4 Culture hors-sol

Une autre option envisagée pour améliorer l’EUEI est de passer à un système de culture hors-sol. La culture de fraise commerciale sur substrat a été développée au début des années 1970 dans des serres des Pays-Bas et de la Belgique (Lieten, 2013). La culture hors-sol ou la culture sur substrat se définit comme étant la culture d’espèces végétales dans un milieu isolé du sol (Zuang et al., 1984).

La culture hors-sol de la fraise permet d’obtenir des rendements de 3.5 à 5.5 kg m-2 (Lieten, 2013) ce qui est

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d’herbicides et de rotation de culture. Le fraisier est affecté par plusieurs maladies racinaires telles que la verticilliose qui persiste dans le sol d’année en année. La culture sur substrat permet un milieu de croissance exempt de maladies racinaires et d’insectes (Lieten, 2013).

La culture hors-sol comporte toutefois des inconvénients. Le coût d’investissement et le coût annuel d’opération sont plus élevés qu’en champ (Lieten, 2013). La culture hors-sol de la fraise demande un haut niveau de compétence et d’expertise en gestion de la culture et de l’irrigation (Lieten, 2013). En raison de la diminution du volume de la rhizosphère en hors-sol, les plantes vident la réserve en eau plus rapidement en hors-sol par rapport au champ (Klamkowski et Treder, 2006). La gestion de l’eau et des fertilisants demande une régie adaptée afin de maintenir les conditions optimales de culture (Wang et al., 2012). Elle est aussi plus sensible aux variations de température et aux gels (Lieten, 1992).

Le fraisier en hors-sol nécessite de 1.5 à 2.5 L de substrat par plant (Guérineau et al., 2003). Le substrat est sélectionné selon les critères suivants : aération, capacité de rétention en eau et propriétés chimiques. La densité de plantation varie de 10 à 12 plants par mètre (Taylor et al., 2006). Le pH de l’eau d’irrigation doit être entre 5.8 ± 0.8 pour que les éléments minéraux soient mieux absorbés (Guérineau et al., 2003). La conductivité électrique de la solution nutritive doit être de 0.6 à 1.8 mS durant la floraison et de 0.8 à 1.5 mS cm-1 durant la fructification (Guérineau et al., 2003).

Plusieurs recherches ont démontré que la production de culture sur substrat peut convenir à la production de fraise en Amérique du Nord (Kempler, 2004; Paranjpe et al., 2008; Takeda, 1999). Des chercheurs californiens ont étudié un système hors-sol hybride entre la culture conventionnelle en champ et la culture hors-sol sur table, la culture hors-sol sur butte (HSB) ou « raised beb trough system » (Fennimore et al., 2011; Thomas et al., 2011; Wang et al., 2012). Le système HSB est originaire de l’Europe (Lieten, 2013). L’avantage d’un système hybride est qu’il présente un coût d’investissement plus faible que les autres méthodes hors-sol (Guérineau et al., 2003). Il s’agit de former un creux dans le milieu de l’andain lors de son façonnement. Un géotextile est déposé sur le sol pour isoler le substrat et le creux est rempli de substrat. Wang (2010) indique un fort potentiel commercial pour le système HSB en fraise.

En ajoutant un matelas capillaire au système HSB, il est possible de croire que l’EUEI sera améliorée. Le matelas capillaire augmente la réserve en eau et capte l’excédent d’eau du substrat. Il retient aussi les éléments nutritifs. Une attention doit toutefois être portée à l’évolution de la CE du substrat pour éviter l’accumulation de sels. Caron et al. (2012) ont démontré que le matelas capillaire en hors-sol engendrait des économies d’eau significative en culture hors-sol de la fraise sur table en tunnel et en serre. Il apparaît

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intéressant d’adapter la technique de production du système hors-sol sur butte aux conditions québécoises et d’en évaluer le potentiel de production.

1.6 Objectifs et hypothèses

1.6.1 Hypothèses

 L’irrigation fractionnée régie par tensiométrie à seuil unique permet une économie d’eau et une augmentation de rendement par rapport à l’irrigation conventionnelle régie par tensiométrie à seuil unique;

 L’irrigation fractionnée régie par tensiométrie à seuil modulé par l’évapotranspiration prévisionnelle permet une économie d’eau et une augmentation de rendement par rapport à l’irrigation conventionnelle régie par tensiométrie à seuil unique;

 L’installation de matelas capillaire dans la zone racinaire permet une économie d’eau et une augmentation de rendement par rapport à l’irrigation conventionnelle régie par tensiométrie à seuil unique;

 Le système de production hors-sol sur butte régie par tensiométrie à seuil unique permet une économie d’eau et une augmentation de rendement par rapport à l’irrigation conventionnelle régie par tensiométrie à seuil unique;

1.6.2 Objectifs de recherche

Déterminer si les techniques présentées peuvent améliorer l’EUEI et déterminer leur potentiel de production de la fraise à jours neutres dans un contexte de production commerciale. Il s’agit notamment de déterminer l’effet des techniques sur le développement des plants, le rendement, la qualité des fruits, l’efficacité d’utilisation de l’eau d’irrigation et les propriétés physico-chimiques du sol et du substrat.

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Chapitre 2: Optimizing irrigation water use

efficiency of day-neutral strawberry in highly

permeable soil

Résumé

Il importe d’optimiser la gestion des irrigations du fraisier à jours neutres afin de répondre adéquatement au besoin de la plante tout en diminuant la pression du secteur agricole sur l’eau. Dans les sols de l’île d’Orléans (Québec, Canada), la fraction des particules de sol supérieure à 2 mm peut varier de 15 à 30%. L’eau s’écoule principalement verticalement sous le tube de goutte-à-goutte et le mouvement vertical rapide de l’eau entraine un assèchement du sol en bordure de l’andain et une perte de nutriments. Diverses techniques combinées à l’utilisation de tensiomètres peuvent être envisagées afin d’améliorer l’efficacité d’utilisation de l’eau d’irrigation (EUEI) dans ce type de sol. L’irrigation fractionnée, l’ajustement du seuil de déclenchement (SD) de l’irrigation selon l’ETc prévisionnel, l’installation de matelas capillaires sous la zone racinaire et un système de production hors-sol sur butte profilée ont été testés durant les saisons de production 2013 et 2014 dans un contexte de production commerciale. L’effet des traitements durant la saison 2014 a été limité des maladies et les précipitations. Les traitements ont permis d’améliorer EUEI par rapport au témoin mais n’ont pas permis une augmentation significative du rendement total de la saison. Le système hors-sol a toutefois permis d’augmenter significativement de 86% le rendement vendable durant le premier mois de production. En raison de sa simplicité et de sa tendance à augmenter le rendement, l’irrigation fractionnée est recommandée pour le type de sol à l’étude.

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Abstract

It is important to optimize the irrigation management of day-neutral strawberry plants in order to adequately meet the plant needs while reducing the pressure of agriculture on water. Some soils in the area of Île d’Orléans (Québec, Canada) present an important proportion of schist fragments (15-30%). Because of the high hydraulic conductivity, water flows mainly vertically under the drip tape with little horizontal movement, causing losses of water and nutrients. Different techniques, combined with the use of tensiometer, may be considered to improve the irrigation water use efficiency (IWUE) in this type of soil. Pulse irrigation, irrigation threshold (IT) adjusted according to ETc, installation of capillary mat under the root zone and a raised bed trough system with peat substrate were tested during the 2013 and 2014 cropping seasons in commercial fields. Treatment effects during the 2014 season were limited by diseases and rainfall. Treatments tested allowed to increase IWUE compared to the control but the total marketable yield increases were not significant. The soilless system has, however, significantly increased the marketable yield by 86% in the first months of production for both years. Because of its simplicity and its yield increase, pulse irrigation is recommended for this type of soil in order to reduce the amount of irrigation water.

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Introduction

The province of Québec produces more than 50% of all strawberries in Canada with 1758 ha (ISQ and MAPAQ, 2014). Strawberry plants have a shallow root system which make them susceptible to drought (Galletta and Himelrick, 1990) and are generally considered as a high water requirement crop. Whereas insufficient water supply results in yield reduction (Krüger et al., 1999; Kumar and Dey, 2012; Liu et al., 2007; Yuan et al., 2004), excessive irrigation can contribute to disease development and nutrient leaching.

Québec has an appearance of abundant fresh water resources. However, some regions have significant problems of water supply in terms of quantity or quality especially where there is a high concentration of irrigated crops (e.g. Montérégie, Lanaudière and Île d’Orléans near Québec City) (AAC, 2003). It is therefore important to optimize the management of irrigation for strawberry to meet crop needs while reducing the pressure of agriculture on the water resource.

It has been shown that marketable yield and irrigation water use efficiency (IWUE) could benefit from soil water potential (SWP) based irrigation management for strawberry (Bergeron, 2010; Evenhuis and Alblas, 2002; Hoppula and Salo, 2006; Létourneau, n.d.). Yet, as pointed out by Morillo et al. (2015), optimizing irrigation management do not imply solely high technology irrigation systems with sensors in the field.

Hydraulic properties influence the shape and dimension of the wetting pattern (Cote et al., 2003). Letourneau et al. (n.d.) reported a limited influence of SWP based irrigation management in highly permeable soils with important schist fragments (particles over 2 mm) due to inadequate wetting pattern. In highly permeable soils, water drains easily and quickly from the root zone because of gravity (Cote et al., 2003). In these soils, wetting patterns present a downward oriented elliptical shape which makes it difficult to wet the side of the bed; making most of the applied water rapidly unavailable to plants. Improved irrigation techniques or production systems combined with SWP management could be considered to increase IWUE of strawberry in this type of soil.

Pulse irrigation could reduce drainage under the root zone (Cote et al., 2003) and could increase horizontal water movements (Cote et al., 2003; Skaggs et al., 2010). High frequency irrigation resulted in equivalent or improved yield and increased IWUE for potato (Wang et al., 2006) and bell pepper (Dukes et al., 2003). Pulse irrigation consists in dividing the volume of water to be applied in more than one event, separated by non-irrigation periods, and can be considered as a high frequency non-irrigation method. Létourneau (n.d.) obtained increased yield and IWUE for strawberry with pulse irrigation. However, the study was conducted for only one season.

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Deficit irrigation can minimize water use and leaching of biocides into groundwater (Mpelasoka et al., 2001). Deficit irrigation studies on strawberry showed to improve fruit quality (Giné Bordonaba and Terry, 2010; Terry et al., 2008) but also generally resulted in a reduction of yield and fruit size (Blatt, 1984; Krüger et al., 1999; Liu et al., 2007; Serrano et al., 1992). However, some studies reported that a mild water deficit had no measurable effect on yield (El-Farhan and Pritts, 1997) or on flowering pattern and the number of flowers (Johnson et al., 2014). Drought stress, up to a certain point, may increase plant water use efficiency. As suggested by Letourneau et al. (n.d.), adjusting the irrigation threshold (IT) throughout the season as a function of crop evapotranspiration (ETc) could lead to an increased IWUE. Therefore, varying IT to induce a mild drought when ETc is low could improve IWUE without compromising yield.

Soil water retention barriers (SWRB) have shown to help save water in turf grass production (Demirel and Kavdir, 2012) and increase yield of cucumber, green pepper and maize grown on a sandy soil (Smucker and Basso, 2014). SWRB can provide water and nutrients to the plant root zone for a longer time period (Kavdir et al., 2014). The depth of the barrier is important to avoid the negative impact of excess water. Trials with capillary mats have generated water saving and improved plant growth in nursery (Caron et al., 2002) and reduced the amount of nutrient solution applied in greenhouse tomato (Lemay et al., 2012).

An alternative production system was developed in Europe as a cheap option for growers to convert their traditional soil grown strawberries to a soilless culture. It consists of machine made troughs in the top of a raised bed of soil. The trough is lined with a fabric barrier and is filled with substrate. It is known as the Belgian/Dutch bed system in Europe (Lieten, 2013) or raised bed troughs system (RaBeT) in California (Wang et al., 2012). It has led to increased, or equivalent, yield compared to standard field systems in Europe (Lieten, 2013) and California (Wang et al., 2012). In soilless culture, the growing medium is more homogeneous than the soil of a field, which can facilitate irrigation management. Also, crop rotation is no longer necessary which is an economic advantage.

The primary objective of this study was to determine the potential of 1) pulse irrigation, 2) IT adjustment throughout the season, 3) SWRB and 4) RaBeT, in the context of a commercial production. The hypothesis tested was that these techniques combine with SWP irrigation management could lead to an increase of yield and IWUE compared to a control treatment. The secondary objective was to determining the effect of these methods on day-neutral strawberry plant development, yield, fruit quality and water use, under Québec climate and on a highly permeable soil with an important schist fraction.

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Materials and methods

Experimental setup

Five treatments were applied in a randomized complete block design with four replicates in 2013 and in a randomized incomplete block design with six replicates in 2014. The first treatment was conventional irrigation (control) with an irrigation threshold (IT) of -15 kPa. The second treatment was pulse irrigation with an IT of -15 kPa. The irrigation was divided into two events separated by more than one hour, each event lasting half the time of the control irrigation treatment. The third treatment was pulse irrigation with IT adjusted according to predicted crop evapotranspiration (ETc) and will be referred as pulse ETc. When daily predicted ETc was equal or more than 2 mm day-1, the IT of -15 kPa was applied but when it was less than 2 mm day-1, an IT of

-30 kPa was used. The idea was that inducing a moderate water stress could save water when ETc was below 2 mm day-1 without decreasing yield. Daily ET values were calculated with the Rochette and Dubé (1989)

equation, and crop coefficients derived from Bergeron (2010) and Hanson and Bendixen (2004). The fourth treatment consisted of a capillary mat buried at the lower limit of the root zone (30 cm) with an IT of -15 kPa. The capillary mat was installed directly under the drip tape and was 40 cm wide. It was designed to capture water flow and create a water reserve. It will be referred as the SWRB treatment. The fifth treatment was a raised bed trough system (RaBeT) using a peat substrate (Agro Mix™ AF G10, Fafard et Frère) with an IT of -5 kPa. The trough was lined with a capillary mat. The IT of soil and substrate were selected based on the results of previous studies (Bergeron, 2010; Létourneau, n.d.; Watters, n.d.) and applied after an establishment period.

The treatments were drip irrigated independently. One drip line per bed was buried 5 cm under soil surface with a 1 gpm/100pi flow and 4-inch emitter spacing for the RaBeT treatment and a 0.34 gpm/100pi flow and 8- inch emitter spacing for open field treatments. The soil water potential was measured by tensiometers (Hxm 80, Hortau) and recorded online by the IRROLIS 3 system (Hortau, Lévis, Canada) thus allowing real time monitoring. For both years, three replicates were monitored with a station installed at mid-length of the bed with tension sensors at the depths of 15 and 30 cm. Irrigation was triggered simultaneously in all replicates of a treatment when the average value of soil water potential at 15 cm depth reached the IT.

Site and crop

The experiments were conducted for two years in commercial strawberry fields at Saint-Jean-de-l’Île-d’Orléans, Québec, Canada (46°54’N, 70°56’W). The growing season is short and rainy, and has a humid continental climate. Table 1 and Table 2 present soil textures and basic physical and chemical properties of the experimental sites. Conventional (250 cm³) and undisturbed (5.5 cm height and 9 cm diameter cylinder)

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soil samples were collected at 15 and 30 cm depths in the growing bed in the beginning of the season at six locations each year. Conventional samples were used to measured initial EC (Rhoades, 1982), pH (CPVQ 1988), organic matter content (CEAEQ 2003) and soil texture (Gee and Or, 2002). Proportions of rock fragments in the 0-15 and 15-30 cm horizons were measured with the Grossman and Reinsch (2002) procedure. Undisturbed samples were used to measure soil bulk density (ρbulk) by weighting after oven drying.

Saturated hydraulic conductivity (Ksat) was measured on site (Banton et al., 1991).

According to the Canadian Soil Classification System, soil texture of the experimental sites varies from silty clay loam to clay loam. The fraction of schist fragments (particle > 2 mm) observed in the 0-30 cm surface layer varies between 18 to 24 % (Table 1). This important fraction greatly influences the hydraulic behavior of the soil and explains its high saturated hydraulic conductivity (Table 2).

All cultural operations (planting, harvest, pest, disease and weed management, flower and runner cutting and general maintenance) were done similarly on all plots by the grower crew. Bare root day-neutral strawberry (cv. monterey) plants were transplanted in double-row per bed with a spacing of 7.8 and 10 plants m-1 for open

field and RaBeT treatment, respectively. The 90 cm wide and 30 cm high beds were spaced 1.4 m apart and covered with black polyethylene mulch. The length of bed varied between 100 to 228 m depending on the field. Plantation was done on May 15th and 20th, harvest started on July 13th and 10th and ended on October 18th and

10th for 2013 and 2014, respectively. Fertigation was applied according to Guérineau et al. (2003) for the

RaBeT treatment and according to grower instructions for open field treatments.

Measurements

Crown diameter was measured with a slide gauge and leaf area was determined as the longest leaf-covered distance in two perpendicular directions. Measurements were done weekly from planting until the first harvest on the same six randomly selected plants per plot. Mortality plant rate was evaluated four times during the season on a full bed length per plot.

For each plot, marketable yield of the full length beds was measured by the grower harvesting crew according to his schedule (2-3 times a week). Fruit quality parameters were measured weekly or bi-weekly throughout the harvesting season on one randomly chosen package of about 1.5 L per plot. Average fruit size was measured as the net weight of package divided by the number of fruits. Two randomly fruits were then selected for further measurements. Firmness was measured by a hand penetrometer (FT-02, QA Supplies LLC) with a 2.5 mm tip. Sugar content (expressed in °Brix) was evaluated with a refractometer (PAL-1, Atago Co) by hand squeezing the fruit until juice covered the prism of the refractometer. The amount of irrigation water was measured for each treatment by water meters (Les compteurs Lecompte, Saint-Hyacinthe,

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Canada). Irrigation water use efficiency (IWUE) was calculated as the marketable yield (kg) divided by the total amount of irrigation water (m3).

At the end of the harvest season, strawberry plants were collected with their roots. The plants were then cut at the collar and the leaf dry mass was determined after drying at 65 °C. The proportion of root affected by disease was evaluated visually by three persons after washing the roots. The pH and the EC were measured weekly on the soil/substrate solution extracted at 20 cm depth by suction lysimeters (Soil water sampler, Soilmoisture Equipment Corp.).

Statistical analyses

Data were analyzed by an analysis of variance (ANOVA) using the MIXED procedure of the SAS 9.4 version (SAS Institute Inc, Cary, USA). When the effect of treatment was significantly different according to the year, results were presented by year. Otherwise, means of the two years were presented. When treatments were significantly different at the P < 0.05 level, main effect contrasts were performed with LSD tests. When necessary, values were log (mortality rate and root disease) or square root (montly yield) transformed to stabilize the variances.

Results and discussion

Climatic parameters

Table 3 presents climatic parameters observed during the two experimental seasons. Rainfall contributes minimally to the water requirement of the crop because of the plastic mulch covering the bed. Rainfall distribution and frequency differed according to the year. The establishment and plant development period in 2013 were less favorable due to rain and cold temperature. Therefore, the delay between planting and harvesting was shorter in 2014. The end of the 2014 season was characterized by more rain than in 2013 and the normal. There were more days with precipitation over 25 mm in 2014 than in 2013 and the normal during the harvesting period. These flooding days can create conditions favorable to the onset of diseases. A frost occurred on September 19th 2014 witch affected plant strength and fruits development and explains partially

the earlier ending of that harvesting season. ET was 584.1 and 592.8 mm for May to October in 2013 and 2014, respectively. ETc was 257.2 mm for the 2013 cropping season and 240.1 mm for 2014. There were 52 and 49 days where ETc was equal or above 2 mm in 2013 and 2014, respectively.

Soil water potential

Table 4 presents the average seasonal soil water potential (SSWP) and the average observed irrigation threshold (OIT) for both seasons. Seasonal soil water potentials were generally higher in 2014 than in 2013.

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OIT values were generally lower than the intended IT due to practical delays such as time to go to experimental site, valve adjustments and pump maintenance and availability. The irrigation pump used in 2014 was able to irrigate only one treatment at the time. The pulse and RaBeT treatments have been more frequently delayed than the other treatments since their OIT was lower in 2014. Temporary wilting symptoms were observed a few times for RaBeT treatments. It is also difficult to re-humidify a substrate that has dried. Inadequate wetting patterns, particularly in this soil, resulted in management difficulties. Irrigation was frequently triggered as one sensor shown greatly higher or lower soil matric potential than the two others. Capillary mats of SWRB treatment allowed maintaining a relatively constant SWP only in the lower limits of the root zone. Mean season SWP at 30 cm was kept close to field capacity.

Soil EC and pH evolution in the season

The EC of all soil treatments tended to decrease during both production seasons as plants withdrawed nutriments from the soil (Figure 3). Therefore, there was no salt accumulation induced by any treatment. The RaBeT treatment EC presented more variation than the other treatments. The EC is an important parameter because it can be linked to the amount of fertilizer in the soil or in the substrate. It is even more important in soilless culture because all the fertilizers are supplied by fertigation. It has been difficult to maintain EC in the substrate within the recommended values of Guérineau et al. (2003) due to frequent leaching caused by rainfall. In the beginning of the seasons, because of frequent rainfall and low water requirement of the plants, the IT value was rarely reached. The low frequency of irrigation resulted in a decrease in EC.

The general evolution of soil pH was similar between treatments (Figure 4). The lower values at the beginning of the 2013 season were not caused by irrigation since the first irrigation started at end of June. The pH tended to increase during the 2014 season and reached values above the recommendations (6.5-6.6) (Guérineau et al., 2003; OMAFRA, 2015). The pH of irrigation water increased from 7.40 to 8.88 during the 2014 season whereas it varied between 4.84 and 6.95 during the 2013 season. Despite the addition of acid in the fertilisation solution of the RaBeT treatment, its pH could not be maintained near the recommended value of 5.8 ± 0.8 (Guérineau et al., 2003). This could have restricted nutrients availability.

Treatment effect on plants

Growth rate

Treatment effect on leaf area and crown diameter growth rates were not significant (Table 5), which is consistent with other studies (Hoppula and Salo, 2006; Létourneau, n.d.; Pires et al., 2006). Crop water needs were mainly fulfilled by rainfall until the end of June which explains the absence of treatment effect during the plant development stage. However, pulse and RaBeT treatments tended to have a higher leaf area growth

Figure

Figure 1 : Coefficient de culture moyen du fraisier pour la vallée de Santa Maria, Californie (adapté de Hanson  et Bendixen 2004)
Figure 2 : Coupe transversale d’un andain avec positionnement des 2 rangées de plant et du tube de goutte-à- goutte-à-goutte (adapté de Boivin et Deschênes 2011)
Table 1 : Soil texture in the 0-15 and 15-30 horizons of experimental fields  Depth  (cm)  Property  Year  2013  2014  0-15  Sand (%)  22.7  ± 8.1†  27.6  ± 3.7 Silt (%) 48.0  ± 6.5 45.7  ± 3.0  Clay (%)  29.4  ± 1.9  26.8  ± 1.2  &gt;2 mm*  22.7  ± 5.7  2
Table 2 : Basic physical and chemical properties in the 0-15 and 15-30 horizons of experimental fields
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