Irrigation de la canneberge basée sur des seuils de
tension de l’eau dans le sol
Mémoire
Vincent Pelletier
Maîtrise en génie agroalimentaire
Maître ès sciences (M.Sc)
Québec, Canada
iii
Résumé
Le démarrage de l’irrigation basé sur un seuil de tension de l’eau dans le sol (SWTI) permet à la canneberge de se maintenir dans une zone de confort hydrique idéale à sa croissance. Ce seuil pourrait atteindre 6.5 voire 8.0 kPa selon différents auteurs. Afin de valider ces recommandations, une étude au champ était nécessaire. L’objectif principal de ce projet était de déterminer la valeur de SWTI permettant de maximiser la productivité de l’eau (WP) sans affecter le rendement. En 2011-2012, un dispositif expérimental aléatoire en blocs complets a été mis en place dans trois sites au Québec et dans un site au Wisconsin. Le sol des quatre sites était un sable fin. Ce dispositif a permis de tester des valeurs de SWTI variant de 5.5 à 10.0 kPa. Des traitements humides et des traitements secs ont été comparés à des traitements témoins. Les précipitations ont maintenu la tension de l’eau dans le sol inférieure à 8,5 kPa dans le site où ce traitement était prévu, l’empêchant ainsi d’être testé. La WP a été significativement supérieure de 15 à 79 % dans les traitements secs et significativement inférieure de 21 à 50 % dans les traitements humides. Le traitement sec ayant une valeur SWTI de 10.0 kPa a connu une baisse de rendement significative de 11 %. Aucun autre traitement n’a présenté de différence significative au niveau du rendement. Le sol peut fournir l’eau nécessaire aux besoins de la canneberge jusqu’à une tension de 8.0 kPa. Lorsque ce seuil est dépassé, le flux capillaire ne semble pas suffisant pour combler les besoins de la plante, ce qui entraîne une baisse de rendement. Basée sur les présents résultats, la valeur SWTI recommandée pour démarrer l’irrigation dans les sables fins est de 8.0 kPa afin de maximiser la productivité de l’eau sans affecter le rendement. En utilisant ce seuil, les producteurs de canneberge pourraient augmenter leur productivité en économisant de l’énergie et en réduisant les coûts de main d’œuvre associés à l’irrigation.
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Abstract
The onset of irrigation based on a soil water tension threshold (SWTI) allows cranberry plants to grow in a comfort zone. According to different authors, this threshold could be 6.5 kPa, or 8.0 kPa. A field study was required to confirm these recommendations. This study was conducted to determine the optimum SWTI value that would optimize water productivity (WP) without decreasing yield. A randomize complete block design has been set up during the 2011 and 2012 growing seasons in three sites in Québec and one site in Wisconsin. In all cases the soil was fine sand. Values of SWTI ranged from 5.5 to 10.0 kPa and dry and wet treatments were compared to control treatments. The treatment with a SWTI value of 8.5 kPa has never been irrigated because the rain kept soil water tension under this threshold. The WP was significantly greater from 15 to 79 % in dry treatments and significantly lower from 21 to 50 % in wet treatments. The dry treatment with a SWTI value of 10.0 kPa had a significant yield depletion of 11 %. It was the only treatment with a significant yield difference. Fine sands seem to have sufficient capillary flux to the cranberry uptake for a soil water tension up to 8.0 kPa. After this threshold, capillary flux seems to be too low to feed cranberry plants and results in yield depletion. Based on the current results, a SWTI value of 8.0 is recommended to maximise water productivity without affecting yield. With this threshold, cranberry growers could improve their productivity with energy and labor savings.
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Remerciements
J’aimerais en premier lieu remercier mon directeur de recherche, Dr. Jacques Gallichand ainsi que mon co-directeur, Dr. Jean Caron. Ils ont su m’encadrer et me transmettre leur rigueur scientifique. Leur passion pour la recherche et leur compréhension des phénomènes reliés aux mouvements de l’eau dans le sol m’ont permis d’avancer et de cheminer dans ce monde, celui de la science.
Un merci spécial aux professeurs Silvio Gumiere, Sylvain Jutras et Steeve Pépin pour leur disponibilité, leur aide et leur support tout au long de ma maîtrise. J’aimerais également remercier les professionnels de recherche Viviane Juneau, Benjamin Parys, Emmanuelle Caron et Martin-Pierre Lavigne pour la coordination des travaux terrains. Le projet n’aurait également pu avoir lieu sans la collaboration de plusieurs étudiants au premier, deuxième et troisième cycle.
Je veux remercier les partenaires du projet (le CRSNG, Jocelyn Boudreau et Sébastien Rochette de Hortau, Jean-François Pelletier, Michel Paquet, Guy Picard et Marc Bieler de Canneberges Bieler, Gaétan Carrier et Simon Bonin de Nature Canneberge, Carl Salzwedel de Salzwedel Cranberry et Evens Nadeau et Danielle Landreville de Transport Gaston Nadeau). Leur contribution, leur participation et leur collaboration sur le terrain ont grandement contribué à la réussite de ce projet.
Un merci particulier à mes parents, à ma famille ainsi qu’à ma belle-famille pour m’avoir encouragé et supporté dans mes choix et dans mes projets.
En terminant, j’aimerais remercier ma complice Marie-Pier pour avoir cru en moi, pour sa patience et pour m’appuyer et m’accompagner tout au long de mon cheminement.
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Avant-Propos
Ce mémoire de maîtrise est divisé en quatre chapitres. Suite à l’introduction générale, le premier chapitre expose la problématique associée au projet ainsi qu’une revue de littérature sur la production de canneberge, sur le continuum sol-plante-atmosphère et plus spécifiquement sur la gestion de l’irrigation à l’aide de tensiomètres.
Le deuxième chapitre est présenté sous forme d’un article scientifique rédigé en anglais dont je suis l’auteur principal. L’article s’intitule « Effect of soil water tension threshold for irrigation on cranberry yield and water productivity » et a été soumis à la revue Irrigation Science. Dr Jacques Gallichand et Dr Jean Caron, directeur et co-directeur de cette maîtrise et professeurs au département des sols et de génie agroalimentaire de l'Université Laval, sont les co-auteurs de cet article. Leur contribution fut tant au niveau de la planification de l’expérience que pour des conseils et suggestions durant le processus d’écriture de l’article ainsi que lors de sa révision.
Le troisième chapitre présente des recommandations pour les travaux de recherche à venir en fonction des résultats obtenus suite à ce projet de maîtrise. Le dernier chapitre est une conclusion générale reliant les conclusions du chapitre 2 à la problématique du chapitre 1. L’impact des résultats à l’échelle du Québec et du Wisconsin y est également discuté.
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Table des matières
Résumé ... iii
Abstract ... v
Remerciements ... vii
Avant-Propos ... ix
Table des matières ... xi
Liste des figures ... xiii
Liste des tableaux ... xv
Introduction générale... 1
Chapitre 1 : Revue de littérature ... 3
1.1. Gestion de la culture ... 3
1.2. Irrigation ... 5
1.2.1. Irrigation souterraine ... 5
1.2.2. Irrigation par aspersion ... 6
1.3. Continuum sol-plante-atmosphère ... 7
1.3.1. Échanges gazeux ... 7
1.3.2. Évapotranspiration ... 7
1.3.3. Quantités d’eau requises ... 7
1.3.4. Productivité de l’eau ... 8
1.3.5. Potentiels de l’eau dans le sol ... 8
1.4. Tensiomètre ... 9
1.4.1. Fonctionnement ... 9
1.4.2. Évolution de la technologie ... 9
1.4.3. Application pour la canneberge ... 10
1.5. Hypothèse et objectifs ... 11
1.6. Références ... 12
Chapitre 2 : Effect of soil water tension threshold for irrigation on cranberry yield and water productivity ... 15
2.1. Introduction ... 17
2.2. Material and methods ... 18
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2.4. Conclusion ... 30
2.5. Acknowledgements ... 31
2.6. References ... 32
Chapitre 3 : Travaux futurs ... 35
Chapitre 4 : Conclusion générale ... 37
Annexe 1 : Plans des quatre sites expérimentaux ... 38
Annexe 2 : Courbes de rétention en eau des sites A, B et C ... 39
Annexe 3 : Courbes de conductivité hydraulique en fonction de la tension pour les sites A, B et C ... 40
xiii
Liste des figures
Figure 1 Location of experimental sites in North America ... 18
Figure 2 Typical hydraulic conductivity – soil water tension curve for the top 15 cm ... 20
Figure 3 Experimental design of site A ... 20
Figure 4 Growing Degree Days (GDD) and Evapotranspiration (ETo) in 2011 and 2012 ... 21
xv
Liste des tableaux
Table 1 Characteristics of the experimental sites ... 19 Table 2 Cumulative irrigation water in dry and wet treatments in comparison to their respective control
treatment ... 23 Table 3 Mean seasonal SWT (kPa) for each year, site, and treatment ... 23 Table 4 Cranberry yield for each year, site and irrigation treatment ... 27 Table 5 Difference (Δ) in per cent of SWT data between Dry treatment of site A and mean of other dry
treatments (µ) for SWT above levels of 7.5 kPa with an increment of 0.5 kPa. ... 28 Table 6 Effect of irrigation treatment on water productivity ... 29
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Introduction générale
Les débuts de la culture de la canneberge remontent à 1816, lorsque Henry Hall, agriculteur du Massachusetts, transplanta des vignes de canneberge derrière chez lui. La production commerciale débuta dans ce même État une trentaine d’années plus tard sur la ferme de la famille Cahoon (Kelly 2006). Depuis deux siècles, l’intérêt toujours grandissant des consommateurs envers les produits à base de canneberge est expliqué par la présence d’antioxydants et de composés phénoliques associés à des vertus thérapeutiques (Lavigne et al. 2007). En 2010, le Massachusetts détenait le deuxième rang au monde des régions productrices de canneberges avec 86 millions de kg récoltés sur 5621 ha, devancé par le Wisconsin avec 108 millions de kg récoltés sur 7284 ha (NASS 2011). La même année, le Québec se classait troisième; les 74 producteurs ayant récolté 42 millions de kg sur 1974 ha (APCQ 2012). Au Québec, bien que la première ferme de canneberge soit apparue dans les années 1930, l’industrie n’a pris son essor qu’à la fin des années 1990. En 1992, trois fermes cumulaient 107 ha en production. En 2010, l’industrie fournissait environ 600 emplois et les recettes de 25 M$ accaparaient 32 % des recettes totales du secteur des petits fruits (ISQ-MAPAQ 2011). Le Québec est le chef de file de la culture de canneberges biologiques. Ses 350 ha représentent 18 % de la superficie totale cultivée en canneberges dans la province. Pour l’industrie agricole, ce mode de production représente généralement 1 à 2 % des superficies totales (Poirier 2010).
La canneberge nécessite une grande quantité d’eau dans plusieurs étapes de sa production. Au printemps, l’eau est utilisée pour protéger les plantes contre le gel et à l’automne, elle sert à l’inondation des champs en vue de la récolte (Marchand et Asselin 2006). Une irrigation de 15 minutes pour le refroidissement des plantes peut être bénéfique lorsque la température au niveau du feuillage atteint 33°C (Bonin 2009). Afin de maintenir les plantes dans un statut hydrique optimal, l’irrigation pendant la saison de croissance est nécessaire. Cette étape requiert environ 15 % des 2000 mm d’eau utilisée annuellement par surface unitaire (Asselin et al. 1997). Pour l’ensemble de la production québécoise, ce volume correspond à près de six millions de mètres cubes d’eau par année.
Afin de réduire les quantités d’eau utilisée tout en maintenant ou en augmentant le rendement, l’optimisation de la gestion de l’eau pendant la saison de croissance est primordiale. Certaines recommandations sont basées sur la profondeur de la nappe phréatique à maintenir pendant la saison de croissance. Cette profondeur se situerait entre 23 et 38 cm sous la surface du sol selon les travaux cités
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par Eck (1990). Pour combler les besoins de la plante, certains auteurs recommandent d’utiliser les systèmes d’irrigation afin d’ajouter au champ 6 mm d’eau par jour (Dickey et Baumer 1985) ou encore de 4 à 13 mm d’eau par jour (Elmi et al. 2010).
Une des méthodes utilisées pour gérer l’irrigation est l’utilisation de tensiomètres mesurant la tension de l’eau dans le sol (SWT). Les nouvelles technologies associées à ces instruments contribuent à améliorer les régies d’irrigation. En 2000, pour un sol minéral, l’University of Massachusetts - Amherst recommandait d’irriguer le matin lorsque la SWT atteint 5 kPa et le matin suivant un après-midi où la SWT atteint 8 kPa ou 6 kPa dans les journées de forte évapotranspiration (Sandler et al. 2004). La première étude scientifique ciblant les seuils d’irrigation basés sur la SWT (SWTI) a été réalisée entre 2006 et 2009 à l’Université Laval. Elle comportait trois volets. Pour un sol minéral, une valeur SWTI de 7.8 kPa devrait être utilisée selon les caractéristiques physiques du sol. Pour assurer l’optimisation de la photosynthèse, de la conductance stomatique et du potentiel du xylème, l’irrigation ne devrait pas être démarrée avant 6.5 kPa. Les essais au champ ont démontré que l’utilisation de tensiomètres dans la gestion de l’irrigation peut augmenter le rendement dans les sections ayant un drainage déficient (Bonin 2009). Cependant, puisque ces résultats ne constituent que des tendances, une gestion de l’irrigation avec une valeur de SWTI plus élevée est envisagée.
L’objectif de ce travail était d’identifier le seuil de démarrage de l’irrigation basé sur la tension de l’eau dans le sol qui engendrera le meilleur rendement, tout en réduisant les quantités d’eau utilisée, dans le but d’établir des recommandations aux producteurs de canneberge sur la gestion de l’irrigation.
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Chapitre 1 : Revue de littérature
1.1.
Gestion de la culture
Construction des champsLa construction des champs de canneberge (Vaccinium macrocarpon Ait.) fait de cette culture une production particulière. Le sol est d’abord défriché et la couche de sol de surface contenant les débris de végétation est enlevée. Des bassins de cultures de deux à trois hectares sont construits en forme rectangulaire afin d’optimiser les opérations culturales nécessitant le passage de la machinerie. Cette dernière circule sur des digues d’un mètre de hauteur construites entre les bassins de culture. Lorsque les drains et les tuyaux d’irrigation sont installés dans le sol, les vignes sont plantées. La première récolte est effectuée trois ou quatre ans après la plantation. Les plantes peuvent produire pendant plus d’une centaine d’années (Asselin et al. 1997).
Pollinisation
La canneberge étant une plante bisannuelle, elle produit des fleurs une année sur deux. Un équilibre entre le nombre de tiges reproductives et le nombre de tiges végétatives permet de stabiliser le rendement. Les boutons floraux se développent sur les tiges végétatives à l’automne précédent l’année de fructification. Les tiges reproductives produisent entre 1 à 3 fruits malgré qu’elles contiennent en moyenne 2 à 7 fleurs au printemps (Baumann et Eaton 1986). Les producteurs ont tendance à attribuer la limitation du nombre de fruits développés à un manque de pollinisation. Afin d’assurer des niveaux de pollinisation maximaux, des ruches sont louées et installées à proximité des champs (Brown et McNeil 2006). L’ajout de ces abeilles améliore le transfert de pollen de l’anthère vers le stigmate de la fleur, étape essentielle à la fécondation de l’ovule et à la formation des pépins (Eck 1990). Une corrélation positive existe entre la croissance des plantes, le nombre de fleurs et de fruits par tige et une corrélation négative existe entre la croissance des plantes, la masse des fruits et le nombre de pépins par fruit (Elle 1996). Le faible taux de nouaison pourrait être dû à des contraintes architecturales à l’intérieur de la plante causées par l’évolution du système reproductif, à une diminution du flux vasculaire et du nombre d’ovules dans les fleurs distales ou encore, à une limitation des ressources (Brown et McNeil 2006). Ces ressources pourraient être, entre autres, l’ensoleillement, les éléments nutritifs et la disponibilité de l’eau dans la zone racinaire.
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Fertilisants et pesticides
Certains produits chimiques peuvent être employés afin de maximiser les rendements. La canneberge nécessite l’application de fertilisants afin de remplacer les éléments nutritifs absorbés par la plante ou fixés par le sol. Le contrôle des maladies inclut une bonne hygiène culturale, une bonne régie hydrique (irrigation/drainage) et l’application de fongicides. Un drainage efficace permet d’inhiber la croissance de plusieurs espèces de mauvaises herbes nuisibles. Lorsque le sarclage manuel n’est pas praticable, des pesticides peuvent être utilisés. L’utilisation d’insecticides permet de limiter l’effet ravageur de certains insectes (Asselin et al. 1997). Une surdose d’application de ces produits chimiques peut se retrouver lessivée avec les eaux de drainage et contaminer la nappe phréatique et les cours d’eau avoisinants.
Taille des plantes
Lorsque la densité du feuillage est trop élevée et que les tiges végétatives sont jugées trop longues, les plantes peuvent être taillées mécaniquement. L’éclaircissement de la canopée permet d’augmenter le taux de photosynthèse des tiges fructifères et de briser la dominance apicale afin de favoriser la croissance de nouveaux bourgeons latéraux (Suhayda et al. 2009). Une taille de faible densité peut avoir un effet bénéfique sur le rendement de la saison suivante, mais une taille de densité élevée s’accompagne d’une baisse de rendement significative (Strik et Poole 1991).
Récoltes
L’inondation des champs peut être utilisée afin de faciliter les récoltes. Avec cette méthode, les fruits sont détachés des plantes mécaniquement et flottent à la surface de l’eau. Ils sont alors ramenés dans un coin du champ à l’aide de barrages flottants pour être aspirés dans un convoyeur vers la benne d’un camion (Sandler et al. 2004). Un système de circulation de l’eau sur la ferme permet d’acheminer l’eau utilisée d’un champ inondé vers un champ à inonder. Ce système comprend habituellement un cours d’eau, des canaux d’inondation, des réservoirs d’alimentation et de récupération, un système de drainage et un système d’irrigation.
Drainage
Le système de drainage regroupe l’ensemble des tuyaux installés sous la surface du sol et les fossés creusés en périphérie des champs. L’exutoire du système de drainage est relié à une structure permettant de contrôler l’élévation de la nappe (Asselin et al. 1997) afin d’assurer aux plantes des niveaux de croissance optimale (Juneau et al. 2009).
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Eck (1990) a passé en revue les principaux travaux réalisés sur la profondeur optimale de la nappe à maintenir durant la saison de croissance. Ces travaux, réalisés entre 1924 et 1976 sur des sols organiques et sur des sols avec une couche de sable déposée sur un sol organique, ont révélé que le rendement était optimal lorsque la nappe était maintenue entre 23 et 38 cm. Selon l’University of
Massachussetts – Amherst, la nappe devrait plutôt être maintenue entre 15 et 45 cm sous la surface du
sol (Sandler et al. 2004).
L’efficacité du système de drainage peut influencer plusieurs paramètres de croissance de la canneberge. Un sol gorgé d’eau et mal aéré diminue la capacité des plantes à prélever l’eau et les éléments nutritifs et augmente les maladies racinaires tandis qu’un drainage efficace favorise la profondeur d’enracinement, la productivité et l’efficacité des fertilisants (Sandler et DeMoranville 2008). La gestion du drainage et de la profondeur de la nappe est fortement liée à la gestion de l’irrigation.
Irrigation
L’irrigation est utilisée à différentes fins en production de canneberge. Au printemps et à l’automne, les systèmes d’irrigation sont utilisés pour la protection contre le gel. Pendant la saison de croissance, les champs sont irrigués pour contrer le déficit hydrique causé par l’évapotranspiration et le manque de précipitations, pour refroidir le feuillage et pour intégrer les pesticides et les fertilisants dans le sol. L’irrigation, constituant le sujet principal de ce mémoire, sera présentée plus en détail dans la section suivante.
1.2.
Irrigation
1.2.1. Irrigation souterraine
L’irrigation souterraine permet de réduire les quantités d’eau et d’énergie utilisées pendant la saison de croissance. En maintenant le niveau d’eau dans les canaux supérieur à la profondeur des drains, l’eau s’écoule vers les drains et remonte dans le sol par capillarité. La remontée capillaire doit être suffisante pour combler les besoins en eau de la plante et le niveau de la nappe doit permettre des conditions d’aération suffisantes dans la zone racinaire (Gallichand 1983). Dans un sol sableux, un écartement entre les drains jusqu’à 17 m permettrait de maintenir la nappe à une profondeur de 35 à 50 cm sous la surface du sol pendant la saison de croissance sans utiliser le système d’irrigation par aspersion (Elmi et al. 2010). Cependant, le maintien de la nappe près de la surface du sol peut engendrer des problèmes d’aération dans la zone racinaire après d’intenses précipitations.
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1.2.2. Irrigation par aspersion
Fonctionnement
La méthode la plus commune d’ajouter l’eau au champ est l’irrigation par aspersion. Une pompe alimentée par un moteur électrique ou par carburant diesel achemine l’eau vers les conduits d’irrigation enfouis dans le sol. Des gicleurs à impact sont installés sur ces tuyaux et expulsent l’eau dans le champ à travers leur buse (Asselin et al. 1997).
Protection contre le gel
Les débuts de l’irrigation par aspersion en production de canneberge remontent aux années 1950 dans les États de l’Oregon et de Washington et aux années 1960 dans l’État du Wisconsin. Leur principale fonction était alors de protéger les plantes contre le gel printanier et automnal (Eck 1990). L’ajout d’eau par aspersion entraîne la formation de glace sur la surface des plantes, ce qui dégage une chaleur permettant aux plantes d’être protégées jusqu’à des températures atteignant -10°C. Cette pratique peut demander entre 335 mm (Sandler et DeMoranville 2008) et 500 mm (Asselin et al. 1997) d’eau par année selon les régions.
Refroidissement des plants
L’irrigation peut être utilisée afin de refroidir les plantes. Lors de chaleurs excessives durant la saison de croissance, un déséquilibre physiologique survient lorsque les plantes transpirent à un taux plus élevé que le taux de prélèvement des racines (Degaetano et Shulman 1987). Une température de l’air supérieure à 32°C durant la période de floraison et de nouaison peut entraîner une brûlure des fleurs et des fruits résultant en une baisse de rendement (Degaetano et Shulman 1987). Au Québec, une irrigation de 15 minutes devrait être effectuée lorsque la température foliaire atteint 33°C afin d’éviter un stress thermique aux plantes (Bonin 2009).
Contrôle de l’humidité du sol
Lorsque les précipitations sont insuffisantes pour combler les besoins en eau de la culture pendant la saison de croissance, l’irrigation par aspersion est utilisée (Sandler et al. 2004). Différentes techniques peuvent être utilisées afin de déterminer à quel moment démarrer l’irrigation. Ces techniques sont le bilan hydrique, l’apparence du sol, la réflectométrie métallique (TDR), l’échantillonnage de sol, les sondes à capacitance RF, les blocs poreux et les tensiomètres. Cette dernière sera développée dans les sections suivantes.
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1.3.
Continuum sol-plante-atmosphère
1.3.1. Échanges gazeux
Les flux d’eau transitant par la plante résultent de la différence entre le potentiel de l’eau dans le sol à l’extrémité des racines et le potentiel de vapeur d’eau dans l’air avoisinant le feuillage. Un changement de la pression exercée par l’eau sur les parois des cellules de la plante entraîne l’ouverture ou la fermeture des stomates. L’ouverture des stomates permet les échanges gazeux de l’atmosphère vers la plante (photosynthèse et respiration) et de la plante vers l’atmosphère (transpiration) (Hillel 2004). La disponibilité de l’eau dans le sol est donc un facteur important de ces échanges gazeux (Musy et Soutter 1991). Le taux de transpiration des plantes est également affecté par le rayonnement solaire, la température, l’humidité relative de l’air, le vent et les flux de chaleur provenant du sol (Hillel 2004).
1.3.2. Évapotranspiration
Les échanges d’eau vers l’atmosphère peuvent se faire par la transpiration des plantes et par l’évaporation de l’eau à travers la surface du sol. Lorsque ces deux phénomènes se manifestent simultanément, le terme évapotranspiration est utilisé (Musy et Soutter 1991). Au Québec, l’évapotranspiration réelle (ETC) moyenne mesurée par bilan hydrique à l’été 2006 a été de 2,2 mm/j avec un maximum à 3,3 mm/j (Bonin 2009). Lorsque les précipitations sont inférieures à l’évapotranspiration, les systèmes d’irrigation doivent être utilisés (Sandler et DeMoranville 2008).
1.3.3. Quantités d’eau requises
Les quantités d’eau ajoutée par l’irrigation durant une saison de production diffèrent d’une région à l’autre et d’une année à l’autre selon les conditions météorologiques et la régie de production. Au Québec, en maintenant la nappe à 20-30 cm sous la surface du sol, trois irrigations par semaine de 7,6 mm durant les mois de juin, juillet et août et deux irrigations par semaine de 7,6 mm pendant le mois de septembre sont recommandées afin de favoriser la remontée capillaire et d’optimiser les rendements. Ces irrigations représentent un total de 304 mm d’eau par année (Asselin et al. 1997). Au Massachusetts, pour combler les besoins en eau ainsi que pour la fertigation, environ 305 mm d’eau par saison de culture sont nécessaires lorsque la nappe est maintenue entre 15 cm et 45 cm sous la surface du sol (Sandler et DeMoranville 2008).
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1.3.4. Productivité de l’eau
La productivité de l’eau est utilisée pour mesurer l’efficacité avec laquelle les plantes transforment l’eau ajoutée par irrigation en rendement commercialisable. Cette variable permet de comparer l’efficacité de différentes régies d’irrigation (Cai et Rosegrant 2003). Plus grande est la productivité de l’eau, meilleure est la régie d’irrigation. La productivité de l’eau peut être augmentée de trois façons : soit en diminuant les quantités d’eau utilisée tout en conservant le même rendement, soit en augmentant le rendement tout en conservant les mêmes quantités d’eau utilisée ou soit en augmentant le rendement tout en diminuant les quantités d’eau utilisée.
1.3.5. Potentiels de l’eau dans le sol
Le sol pouvant être considéré comme un système thermodynamique, l’état énergétique de l’eau du sol est caractérisé par la sommation de son énergie interne, de son énergie potentielle et de son énergie cinétique. Cependant, l’eau se déplaçant dans le sol à une vitesse relativement faible, l’énergie cinétique s’y rattachant est négligeable. À l’échelle macroscopique, l’énergie interne de l’eau du sol peut être également négligée. L’état énergétique de l’eau du sol est alors caractérisé uniquement par son énergie potentielle (Lal et Shukla 2004).
L’énergie potentielle de l’eau du sol est définie par sa position et varie en fonction des différents champs de forces auxquelles elle est soumise. Ces forces peuvent être la gravité, la capillarité et l’adsorption. L’énergie potentielle totale (φT) est la sommation du potentiel matriciel (φm), du potentiel osmotique (φs) et du potentiel gravitationnel (φz) (Musy et Soutter 1991):
φT = φm + φs + φz (1) La présence d’une importante concentration de sels dans la phase liquide du sol peut induire une baisse du potentiel total. Ce phénomène est appelé potentiel osmotique. Lorsque la concentration de sels dans la solution du sol est relativement faible, le potentiel osmotique est négligeable et le potentiel total, peut alors être exprimé comme suit :
φT = ρgh + ρgz [Pa] (2) où ρ, g, h et z représentent respectivement la masse volumique de l’eau, la constante gravitationnelle, la
charge de pression et la charge de gravité. Le potentiel gravitationnel représente la distance verticale séparant un point donné d’un point de référence (Lal et Shukla 2004). Les forces d’adsorption exercées par la matrice du sol retiennent l’eau dans le sol. Lorsque ces forces induisent une pression sur l’eau, la
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phase liquide a un potentiel matriciel positif et lorsqu’elles exercent une tension, le potentiel matriciel est négatif (Musy et Soutter 1991). Lorsque le sol s’assèche, la tension augmente et elle diminue lorsque le sol s’humidifie. La tension de l’eau dans le sol (SWT) exprime donc la force devant être déployée par les racines pour accéder à l’eau du sol et rompre les forces d’adhésion. La tension peut être mesurée avec un tensiomètre.
1.4.
Tensiomètre
1.4.1. Fonctionnement
Un tensiomètre est un outil permettant de mesurer la SWT à la profondeur où il est installé. Dans sa forme la plus simple, l’instrument consiste en un réservoir fait d’un matériau poreux, généralement de la céramique, connecté à un tube. Avant d’être installé dans le sol, le tensiomètre est rempli d’eau. L’eau est alors à pression atmosphérique. Lorsque le tensiomètre est installé dans le sol, l’eau dans la céramique devient en contact avec l’eau du sol et un équilibre est atteint à travers les pores de la céramique. Puisque l’eau dans le sol a généralement une pression plus faible que la pression atmosphérique, elle exerce une succion sur l’eau dans la céramique. La pression de l’eau dans le tensiomètre devient alors inférieure à la pression atmosphérique et cette différence de pression correspond à la SWT (Hillel 2004). Richards et Marsh (1960) ont démontré que les méthodes traditionnelles de gestion de l’irrigation (bilan hydrique, apparence du sol, etc.) n’utilisaient pas une représentation réelle des conditions d’humidité pour toutes les classes texturales, mais que l’utilisation de tensiomètres permettait de représenter correctement ces conditions d’humidité. Les tensiomètres permettent d’enregistrer les augmentations de SWT dues au drainage et au prélèvement des plantes ainsi que les baisses de SWT dues à une précipitation ou à une irrigation. Les tensiomètres permettent la lecture de SWT variant entre 0 et 80 kPa.
1.4.2. Évolution de la technologie
Le développement des nouvelles technologies de l’information et de la communication (NTIC) au début des années 2000 aura permis une évolution dans l’utilisation des tensiomètres. Auparavant, les utilisateurs devaient se déplacer au champ et lire la SWT directement sur l’appareil. Avec les NTIC, les données sont transmises par les ondes et peuvent être consultées en tout temps sur un appareil (ordinateur, téléphone intelligent, tablette) muni d’une connexion Internet. L’avantage de ce système est de procurer une plus grande flexibilité aux producteurs au niveau de la gestion de l’irrigation. Les
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nouveaux modèles de tensiomètres permettent l’enfouissement des sondes dans le sol, évitant ainsi les erreurs de lecture dues aux fluctuations thermiques associées aux anciens modèles de tensiomètres. Les NTIC ont également permis de faciliter les études visant à déterminer des valeurs SWTI afin d’optimiser les conditions de croissance et de réduire les pertes d’eau associées à l’irrigation superflue. Dans une production de citrons, l’utilisation de tensiomètres à 15 et à 30 cm de profondeur a permis d’ajuster la durée des irrigations afin de minimiser les pertes d’eau par drainage et de faire un suivi du front mouillant afin de maximiser l’application des fertilisants et d’en réduire le lessivage (Paramasivam et al. 2000). Une étude réalisée dans une production de laitue de serre à l’Université Laval a déterminé qu’une valeur SWTI de 30 kPa n’occasionnait pas de baisse de rendement, mais permettait de réduire de 18 à 30 % les quantités d’eau utilisées en comparaison avec une valeur SWTI de 10 kPa (Plamondon-Duchesneau 2011). En production de fraise à jour neutre, le démarrage de l’irrigation à 18 kPa a permis d’optimiser le rendement et l’efficacité de l’utilisation de l’eau en comparaison avec un traitement plus humide (5 kPa) et un traitement plus sec (33 kPa) (Bergeron 2010).
1.4.3. Application pour la canneberge
Pour la canneberge, la faible quantité de données disponibles sur le sujet provient d’observations, de recommandations et d’une étude réalisée à l’Université Laval entre 2006 et 2009. Pour sa part, l’University of Massachusetts - Amherst a publié des recommandations sur la gestion de l’irrigation basée sur les tensiomètres. Tout d’abord, une lecture inférieure à 2 kPa indiquerait un problème de drainage. En sols organiques, l’irrigation devrait être déclenchée le lendemain d’une journée où le tensiomètre indique une lecture supérieure à 10 kPa en mi-journée. En sols minéraux, ce serait 8 kPa pour une journée avec des conditions climatiques normales et 6 kPa lors d’une journée avec une demande d’évapotranspiration élevée. Le niveau d’eau dans les fossés ne devrait pas descendre plus bas que 45 cm à partir de la surface du sol pour maintenir la nappe à une profondeur optimale de 15 à 45 cm. La combinaison de ces techniques permettrait d’irriguer seulement une fois à tous les cinq à six jours (Sandler et al. 2004). Une étude réalisée à l’Université Laval par Bonin (2009) comprenant trois volets avait comme but de cibler les conditions d’humidité idéales du sol. Le premier volet a permis de déterminer, à partir de la conductivité hydraulique non saturée en fonction du potentiel matriciel (K(φ)), que pour combler une ETC de 4 mm/j, l’irrigation devrait être démarrée à 7,8 kPa autant dans un sol organique que minéral. L’irrigation devrait être arrêtée à 3,4 kPa afin d’assurer une bonne aération dans la zone racinaire. Le deuxième volet mettait en application différents traitements d’irrigation au champ. Ces essais ont résulté en une tendance à la réduction des quantités d’eau utilisée et à une augmentation de rendement
11
en utilisant des tensiomètres dans les parcelles mal drainées. Malgré que la canneberge soit une plante bisannuelle, les essais au champ n’ont pas été répétés une deuxième année.
Le troisième volet a été mené en chambre de croissance et visait à évaluer l’effet de la SWT sur différents indicateurs du confort hydrique de la canneberge. La photosynthèse, la conductance stomatique et le potentiel du xylème étaient maximisés lorsque l’irrigation était déclenchée à 6.5 kPa. L’étude recommande donc de démarrer l’irrigation à 6.5 kPa et de l’arrêter à 4.0 kPa. Puisque les essais au champ n’ont pu déterminer si ces seuils étaient optimaux, qu’une ouverture vers une gestion plus sèche de l’irrigation est mentionnée à la fin de l’étude et qu’aucune autre étude scientifique ne traite de ce sujet, le besoin de déterminer la tension de l’eau dans le sol optimale pour le déclenchement de l’irrigation est encore présent.
1.5.
Hypothèse et objectifs
L’hypothèse de travail est qu’une régie plus sèche de l’irrigation basée sur le déclenchement de l’irrigation par l’atteinte d’un seuil de tension de l’eau dans le sol entraîne une augmentation de la productivité de l’eau sans diminuer le rendement en comparaison avec une régie plus humide.
L’objectif principal est de déterminer le seuil optimal de déclenchement de l’irrigation par aspersion basé sur la tension de l’eau dans le sol permettant de maximiser le rendement et de minimiser les pertes d’eau. Les objectifs secondaires sont :
d’évaluer les propriétés physiques du sol,
d’évaluer les quantités d’eau utilisée par traitement d’irrigation, d’évaluer le rendement en fonction des traitements d’irrigation,
12
1.6.
Références
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15
Chapitre 2 : Effect of soil water tension threshold
for irrigation on cranberry yield and water
productivity
Résumé
En production de canneberge, l’utilisation de stratégies d’irrigation basées sur le suivi en temps réel de l’humidité du sol par des tensiomètres peut entraîner des économies d’eau tout en maximisant le rendement. L’objectif de cette étude était de déterminer la tension optimale de l’eau dans le sol pour le déclenchement de l’irrigation (SWTI) permettant d’optimiser la productivité de l’eau (WP) sans affecter le rendement. En 2011 et en 2012, trois sites expérimentaux au Québec et un site au Wisconsin ont été instrumentés avec des tensiomètres, des compteurs d’eau et des stations météos afin de tester des traitements humides, secs et témoins. Les valeurs de SWTI variaient de 5.5 à 10.0 kPa. L’expérimentation a permis d’évaluer l’impact de l’irrigation sur le rendement et sur la WP. Les traitements secs ont nécessité de 21 à 93 % moins d’eau d’irrigation que les traitements témoins; les traitements humides ont requis entre 54 et 186 % plus d’eau d’irrigation que les traitements témoins. Le rendement n’a pas été affecté par les traitements d’irrigation pour les valeurs de SWTI variant de 5.5 à 8.0 kPa. Une baisse de rendement significative de 11 % a cependant été observée pour le traitement ayant une valeur SWTI de 10.0 kPa. Dans tous les cas, les valeurs de WP ont été supérieures dans les traitements secs en comparaison avec les traitements témoins et humides. Les traitements secs, avec des SWTI variant de 7.0 à 8.0 kPa, ont augmenté significativement la productivité de l’eau sans diminuer le rendement.
16
Abstract
Irrigation strategies based on real-time monitoring of soil moisture by tensiometers can save water and maximize yield in cranberry production. This study was conducted to determine the optimum soil water tension for starting irrigation (SWTI) that would optimize water productivity (WP) without decreasing yield. During the 2011 and 2012 growing seasons, three sites in Québec and one site in Wisconsin were equipped with tensiometers, flow meters and weather stations for testing wet, dry, and control treatments. Values of SWTI ranged from 5.5 to 10.0 kPa. The experimental designs were developed to evaluate the impact of irrigation treatments on yield and WP. Dry treatments required from 21 to 93 % less irrigation water than the control treatments; wet treatments needed between 54 and 186 % more irrigation water than the control treatments. Irrigation treatments had no significant effect on yield when SWTI values ranged from 5.5 to 8.0 kPa; however, a significant yield reduction of 11 % was observed for a SWTI value of 10.0 kPa. The WP values in dry treatments were always superior to those in control and wet treatments. Dry treatments, with SWTI ranging from 7.0 to 8.0 kPa, improve significantly the water productivity without decreasing yield.
17
2.1.
Introduction
The state of Wisconsin, USA, is the world leader in production of cranberries (Vaccinium Macrocarpon
Ait) with 200450 tons for a cultivated area of7300 ha (Kashian 2012). In the province of Québec, Canada, the area cropped to cranberry has grown from 105 ha in 1992 to 2400 ha in 2011. Québec is the third largest cranberry producer with 54240 tons, and the largest producer of organic cranberries with 7240 tons (APCQ 2012).
Traditionally grown on peat moss, cranberries nowadays thrive on sandy soils over a low permeability beds to allow flooding during harvest. Being a biennial plant, cranberry produces yearly one fruiting upright with 1-3 berries per 2-7 flowers (Baumann and Eaton 1986). Flower buds are formed in the fall of the previous year. Mature cranberry beds may need to be pruned to remove the excessive vegetative growth and to increase fruit set (Strik and Poole 1991). A low fruit set also results from a selective abortion of inferior quality fruits when resources are limited (Brown and McNeil 2006).
One of the most important resources in cranberry production is water. Too much water results in a deficit of soil oxygen and in root rot (Roper 2006). Whereas adequate soil aeration is achieved by surface and subsurface drainage (Sandler and DeMoranville 2008), sprinkler irrigation is used for controlling soil moisture during the growing season, flooding at harvest, frost protection in spring and autumn, and heat protection in summer. Due to the expansion of the crop and to the large amounts of water needed at critical growth stages, irrigation strategies are required both for saving water and optimize yield.
Water productivity (WP) is defined as the dry crop yield per unit area of cultivated land per unit depth of rainfall and irrigation. Values of WP range from 122-169 kg ha-1 mm-1 for onions (Zheng et al. 2012) to 380-1010 kg ha-1 mm-1 for citrus (Quiñones et al. 2012) depending on climatic conditions, irrigation technology and field water management. Water productivity can be improved by either increasing crop yield or reducing water consumption (Cai and Rosegrant 2003). Cranberry production is highly dependent on large amounts of water and its industry is controlled by environmental laws protecting water resources (CCCGA 2001).
Tensiometers measure the soil water tension (SWT) and are ideal tools for managing irrigation (Richards and Marsh. 1960). Coupling soil water tension probes with a wireless communication system having Internet access allows online monitoring and, potentially, real-time irrigation management. In cranberry production, literature is scarce on the SWT threshold required for irrigation onset (SWTI) and on the relationship between cranberry yield and SWTI. In a growth chamber study on organic and sandy soils,
18
Bonin (2009) found photosynthesis and stomata conductance of fruiting uprights to be maximum at SWTI values ranging from 4.0 to 6.5 kPa. General recommendations for mineral soils (Sandler et al. 2004) state that irrigation should be started either the same morning of a SWT morning reading or the morning following a midday SWT reading. In the former case, an optimal SWTI value of 5 kPa is suggested, whereas in the latter, SWTI values of 8 and 6 kPa are used under normal and high evaporative demand, respectively.
The main objective of this study was to determine the optimal value of SWTI for improving water productivity without affecting yield during a 2-year cycle of cranberry production. Experimental sites were located in Québec and Wisconsin. Each site consisted of three treatments with different SWTI values: control (6.0-6.5 kPa), wet (5.5 kPa) and dry (7.0-10.0 kPa). According to Fereres and Evans (2006), the dry treatment could maintain or even increase net profits in vines production while reducing water use and maintaining yield.
2.2.
Material and methods
Experimental sites
The experiments were conducted on three sites in the Province of Québec (Canada) and one site in the State of Wisconsin (USA). Locations are shown in Figure 1 and detailed characteristics of each site in Table 1. Soil texture of the four sites is fine sand with 0.4% of organic matter and a pH of 4.2. For the cranberry rooting depth (top 15 cm), a representative hydraulic conductivity – soil water tension curve is shown in Figure 2.
19
Table 1 Characteristics of the experimental sites
Site A B C D
General information
Location Québec Québec Québec Wisconsin
Latitude 46°17’08.26” N 46°16’49.87” N 46°09’15.26” N 44°05’16.41” N
Longitude 71°59’41.45” W 71°57’45.15” W 73°30’44.07” W 90°28’37.06” W
Production Organic Conventional Conventional Conventional
Cultivar Stevens Stevens Stevens Grygleski 1
Normal temperatures (°C) June 16.7 16.7 17.2 18.3 July 19.3 19.3 19.6 20.7 August 18.1 18.1 18.5 19.4 September 13.6 13.6 13.7 14.4 Normal precipitation (mm) Total 1191 1191 1090 991 Liquid 942 942 868 864 Bed properties Dimensions (m * m) 479 * 52 457 * 46 472 * 46 200 * 55 Subsurface drains Spacing (m) 15.2 11.4 6.5 3.7 Depth (m) 0.8 0.8 0.3 0.5 Slope (%) 0.14 0.07 0.00 0.10 Sprinkler spacing (m) 15 18 15 18
Irrigation line spacing (m) 18 15 13 18
Ksat10cm (m/d) 3.6 3.8 3.0 7.0 ϴsat (% by volume) 38 39 38 32 Sand (%) 96 94 94 96 Silt (%) 2 3 4 2 Clay (%) 2 3 2 2 Experimental design Number of blocks 9 8 4 8 Number of treatments 3 3 3 2 SWTI of treatments (kPa) Control 6.5 2 h / 2 days 6.5 6.0 Wet 5.5 - 5.5 Dry 10.0 7.0 / 8.5 8.0 7.5
Number of sprinklers by experimental unit 2 2 6 1
20
Figure 2 Typical hydraulic conductivity – soil water tension curve for the top 15 cm
Experimental design
All experimental setups were randomized complete block designs with details given in Table 1. A typical layout, showing blocks and treatments, is shown in Figure 3. Irrigation lines, in addition to existing ones, were installed to allow independent control of irrigation treatments. Sprinklers wetted a radius of approximately 14 m at 350-400 kPa. Each irrigation event applied between 10 and 15 mm of water.
Figure 3 Experimental design of site A
Wet and dry treatments were based on SWTI. A 20-minute cooling irrigation was applied on these treatments when canopy temperature reached 33° C at midday. Control treatments in sites A and C were based on Bonin (2009) with a SWTI of 6.5 kPa whereas in site D, a 6.0 kPa SWTI value was used. In site B, irrigation of the control treatment was independent of SWTI; in this case the grower systematically irrigated two hours every two days. There was no cooling irrigation in control treatments, except in the control treatment of site C in 2012.
Soil and climatic data
All SWT readings were made with model HXM80 tensiometers (Hortau, Lévis, Canada) installed at a depth of 10 cm below the soil surface. Readings were taken at 15-minute intervals and sent, via a
21
wireless communication system, to the Irrolis Website (www.hortau.com, Lévis, Canada) for processing. There were nine tensiometers per site (six for site D). For each treatment, a tensiometer was installed in the center of three blocks selected for maximum coverage of the bed. Irrigation began when the average of these three measured SWT values reached SWTI; except if the rainfall probability for the next six hours exceeded 80% on Weather Channel (www.weather.com), in which case irrigation was postponed until the rainfall probability dropped below 80%. Considering weather forecasts in real-time irrigation management is known to improve water productivity (Gregory 2004).
For sites A, B and C, climatic data werecollected by Irrolis automated weather stations (Hortau, Lévis, Canada), and were available online on the Irrolis Website. For site D, data were downloaded monthly from a WatchDog 2700 weather station (Spectrum, Plainfield, U.S.A.). Missing data were estimated from the nearest meteorological weather station. Growing degree-days (GDD) were calculated on a 5° C basis and reference evapotranspiration (ETo) calculated with the Penman-Monteith equation (Allen et al. 1998). Results are shown in Figure 4. The differences in GDD and ETo between 2011 and 2012 were mainly due to the 2012 warm spring.
Figure 4 Growing Degree Days (GDD) and Evapotranspiration (ETo) in 2011 and 2012 Yield measurements
For each experimental unit, yield was measured on subsamplesof929 cm2 surface area. For each site, a preliminary analysis of variance (ANOVA) was performed to determine the number of subsamples required per experimental unit (SEU) to detect a significant yield difference of 3400 kg ha-1, which represents economic benefits for growers. The number of SEU was 15, 17 and 30 for site A, B and C,
22
respectively. For site D, there were five SEU in 2011, and three in 2012. For each site, all experimental units were divided into SEU rectangular subunits of equal surface area, which were then subdivided into as many subsample areas that could fit into a subunit. One of these subsample areas was selected randomly for yield measurement. Berries were counted and weighted in the laboratory.
Water productivity
The seasonal depth of irrigation water applied to the blocks of a given treatment was calculated from the volume of water measured by totalizing rotary flowmeters installed on the irrigation line dedicated to that treatment. The flowmeters used measured flow rate with an accuracy of ±2 %. The total amount of irrigation water applied during one season (IW) for any given treatment was obtained by dividing the total volume of water applied by the total surface area of all blocks of a treatment. WP was calculated as dry yield divided by the total IW and rainfall during the growing season.
Statistical analysis
Yield and WP were analysed by analyses of variance using the MIXED procedure of SAS (SAS Institute Inc., Cary, USA). The Bonferroni-Holm test was used for comparing treatment means. The ANOVA were done separately for each site, and each year were analyzed both together and separately. The results of these statistical tests are reported for a significance level of 0.05. At the experimental unit level, multiple regressions evaluated the relationships between yield and several crop parameters with a significance level of 0.0001.
2.3.
Results and discussion
Rainfall, irrigation and soil water tension
Cumulative seasonal rainfall, IW and SWT are shown in Figure 5 for the growing seasons of 2011 and 2012.The hurricane Irene in 2011 contributed for about 150 mm of rainfall at sites A and B, and for 50 mm at site C. Cumulative seasonal rainfall for 2011 was around500 mm at sites A and B and 400 mm at site C. In 2012, about 245 mm of rain fell on sites A, B and C. At site D, around 225 mm of rain fell during each of the growing seasons.
Dry treatments required between 21 to 93 % less IW than the control treatments (Table 2). In 2011, SWTI was never reached for all dry treatments of sites A and B; neither in the Dry2 treatment of site B in 2012. In those four cases, IW ranged between 14 and 54 mm, but these irrigations were done for crop cooling,
23
not irrigation. Wet treatments needed from 54 to 186 % more IW than the control treatments; this represents more than one meter of water, which is much more than the 300 mm recommended (Asselin et al. 1997; Sandler and DeMoranville. 2008).
Table 2 Cumulative irrigation water in dry and wet treatments in comparison to their respective control treatment
The mean seasonal SWT values are shown in Table 3 for each treatment. The difference in mean seasonal SWT of any two treatments in a given site ranged from 0.01 to 1.46 kPa which is small considering that differences in SWTI varied between 1.0 to 4.5 kPa. For all sites and treatments, the mean seasonal SWT was greater in 2012 than in 2011 due to more rainfall in 2011.
For site A in 2011 (Figure 5a), variations of SWT are similar in all treatments, except in Dry treatment between July 11-17 and August 19-20, where the soil was drier than in the other two treatments. This situation was still observed for that site in 2012 (Figure 5b) with drier periods between July 12-August 5 and between August 21-September 1. For sites C (Figure 5e and Figure 5f) and D (Figure 5g and Figure 5h), SWT differences between treatments were important both in 2011 and 2012, with larger values corresponding to drier treatments.
Table 3 Mean seasonal SWT (kPa) for each year, site, and treatment
Site Treatment 2011 2012 Wet + 99% + 186% Dry - 90% - 78% Dry1 - 81% - 70% Dry2 - 82% - 93% Wet + 72% + 54% Dry - 49% - 21% D Dry - 72% - 54% Z : SWT
I is 7.0 kPa for Dry 1 and 8.5 kPa for Dry 2
A BZ C Site Treatment 2011 2012 Control 3.93 4.80 Wet 4.28 5.02 Dry 4.29 5.63 Control 3.47 5.13 Dry1 3.18 5.23 Dry2 3.51 5.28 Control 5.21 5.61 Wet 4.42 4.74 Dry 5.59 6.20 Wet 5.03 5.10 Dry 5.31 5.91 A B C D
24
25
At site B (Figure 5c and Figure 5d), differences in SWT were small for all treatments, except for the Dry2 treatment in 2012 for which SWT values were about 1.5 to 2.0 kPa greater than those of the other two treatments. This difference occurred between July 28 - 31 and August 24- September 5. In 2012, the Dry2 treatment at site B never reached the 8.5 kPa SWTI value and was never irrigated.
At site B in 2011 (Figure 5c), the root zone remained mostly saturated (SWT < 3 kPa) for several hours after a rainfall of 24 mm or more. This situation was the result of a drainage problem. Indeed, the drain outlet allowed water from the ditch into the subsurface drainage system. After a rain, blocks closer to the drain outlet (5-8) remained under saturated conditions longer than those farther from the outlet (1-4); i.e. 20 h, 21 h, and 8 h for the rainfall of June 12 (24 mm), June 23 (49 mm), and July 25 (76 mm), respectively. On August 28, with the rainfall of 150 mm, the whole bed never dried to 3 kPa. In 2012 (Figure 5d), the only rainfall event higher than 24 mm was on June 2 (24 mm) where Blocks 5-8 remained under saturated conditions during 24 h longer than Blocks 1-4. Following these observations, the subsurface drain outlet level was lowered to allow free drainage.
Results from this section showed the response of soil tension to rainfall and irrigation. Indeed, increased seasonal rainfall resulted in lower soil water tension and less irrigation water applied. Dryer treatments, with SWTI values greater than 8.0 kPa, resulted in the need of irrigation almost only for cooling, which represents saving of water, energy and labor compared to wetter treatments.
Since a functional drainage system is a pre-requisite to manage saturated conditions in a cranberry field, tensiometers were found useful not only to manage irrigation, but also to investigate and help correct drainage problems. Online monitoring allowed estimating in real time the soil water status and, therefore, the potential effects on cranberry production.
Yield
Mean values of yield are given in Table 4. Yield was significantly more in 2012 than in 2011 in the Québec sites (A, B and C), but significantly less in the Wisconsin site (D). The mean yield of site A under organic production (28170 kg ha-1) was greater than the 2006-2010 average yield of organic cranberries in Québec (15232 kg ha-1) (APCQ 2012). Mean yields of sites B (42108 kg ha-1) and D (35275 kg ha -1) were greater than the 2006-2010 average yield in Québec (24134 kg ha-1) (APCQ 2012) and in Wisconsin (25415 kg ha-1) (Kashian 2012).
In site A, the large difference in mean yield between 2011 (13781 kg ha-1) and 2012 (42559 kg ha-1) might be due to the severe pruning that occurred in 2010. Yield can be reduced by 23 to 40 % the year following
26
a severe pruning (Suhayda et al. 2009; Strick and Poole 1991), but increased by 45 % in the two subsequent years (Chambers 1918). A light pruning may have no depressing effect on following year yield (Strick and Poole 1991) or even increase yield by as much as 50 % (Suhayda et al. 2009). Since site C was only lightly pruned in 2011, this might explain the high yield of 2012 (31460 kg ha-1). Sites B and D had not been pruned since 2010. These observations emphasize the importance of taking into account the severity of previous-year pruning in evaluating the effect of irrigation on yield. Variations in pruning timing and intensity may mask differences in yield from site to site.
In site B in 2011, yield was affected by the drainage problem mentioned earlier. The mean yield of the four blocks closest to the drainage outlet (32972 kg ha-1) was significantly less than that of the four blocks farthest to the drainage outlet (43741 kg ha-1). In 2012, no significant difference was observed between both parts of the bed but there were no rain events above 24 mm. Adequate surface and subsurface drainage is a prerequisite to efficient irrigation management.
For all sites, the irrigation treatments within a given site had no significant effect on yield, except for site A in 2012 for which yield was significantly less for the Dry treatment than for the Wet treatment. Although there was no significant yield difference in 2011 for site A, yield was less for the Dry treatment compared to the other treatments. When pooling both years of site A, the Dry treatment resulted in a significantly lower yield than for both the Wet and the Control treatments. Considering that the dry treatments of sites B, C and D had SWTI values between 7.0 and 8.5 kPa, the Dry treatment of site A was drier with a SWTI of 10.0 kPa. For each dry treatment of the four sites, Table 5 shows the percentage of the time when SWT was above 7.5 kPa, by increment of 0.5 kPa. In order to relate the significantly lower yield of the Dry treatment for site A to SWT, values of Table 5 were averaged for all dry treatments except the Dry treatment of site A (column “μ”). The difference between μ and values of Table 5 for the Dry treatment in site A (column “A-Dry”) were computed, as shown in the last column of Table 5 (column “(μ – A-Dry)”). For example, in 2012, 5.7% of the SWT readings were superior to 8.5 kPa compared to only 0.5% for the average of all other dry treatments. Therefore, SWT readings in the Dry treatment of site A greater than 8.5 kPa occurred 5.2% more often than for the average of all other treatments. The last column of Table 5 shows that in 2011, values of (μ – A-Dry) were small (0.3 to 1.2%) compared to those of 2012 (1.3 to 6.5%). Therefore, the soil was drier for the Dry treatment of site A in 2012 than it was for all other treatments of both years for all sites, which could explain why this is the only dry treatment with significantly lower yield relate to other treatments.
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Despite large differences in the amount of irrigation water applied, the non-significant effect of the irrigation treatments on yield for sites B, C and D, might be caused by the high rate of capillary flux of soil water in those fine sands below 8.0 kPa. Above 8.0 kPa, the rate of capillary flux is likely too low to meet plant water requirements (Figure 2) and could even result in plants water stress which would induce stomatal closure, a decline in the rate of photosynthesis (Tuteja 2010) and a decrease in carbon fixation (Kramer 1983). Water table measurements at each site, but outside of the experimental units, indicated a depth ranging from 60 to 80 cm. Water supplied to the root zone may come either from sprinkler irrigation or from capillary flux. These observations emphasize the importance of water table depth measurements in evaluating irrigation strategies, and suggest that proper water table management may reduce the need for sprinkler irrigation in cranberry production.
Yield for the dry treatments on sites B, C and D in 2011 and on site D in 2012 tended to be greater than the Control and Wet treatments. Conversely, on sites B and C in 2012, the Control treatments produced higher yields. Rainfall was more abundant in 2011 than in 2012 at sites B and C (Figure 5) but was similar for both years in site D. Contrarily to rainfall, evapotranspiration was greater in 2012 in sites B and C and less in site D (Figure 4). These climatic conditions are reflected in Table 3 where seasonal mean SWT Table 4 Cranberry yield for each year, site and irrigation treatment
Number of blocks z Control 14612 ± 1238 ay 43006 ± 1357 ab 28809 ± 945 a Wet 14202 ± 1238 a 46066 ± 1357 a 30134 ± 945 a Dry 12527 ± 1237 a 38603 ± 1357 b 25565 ± 944 b Mean 13781 ± 714 b 42559 ± 783 a 28170 Control 37652 ± 2319 a 47680 ± 2319 a 42666 ± 1671 a Dry1 38327 ± 2319 a 45434 ± 2319 a 41881 ± 1671 a Dry2 39299 ± 2319 a 44258 ± 2319 a 41778 ± 1671 a Mean 38426 ± 1389 b 45791 ± 1389 a 42108 Control 19810 ± 1339 a 33913 ± 1403 a 26862 ± 999 a Wet 18995 ± 1339 a 29339 ± 1403 a 24167 ± 999 a Dry 22482 ± 1339 a 31128 ± 1403 a 26805 ± 999 a Mean 20429 ± 808 b 31460 ± 843 a 25944 Wet 37959 ± 1792 a 29156 ± 1330 a 33558 ± 1135 a Dry 38808 ± 1839 a 31177 ± 1330 a 34992 ± 1116 a Mean 38383 ± 1284 a 30167 ± 941 b 34275
z : v alues in table are y ield ± standard-error
y : for each site, mean v alues w ith a same letter are not significantly different from one another Site 9 8 4 8 Yield (kg ha-1) Yield (kg ha-1) Treatment A B C D 2011 2012 Mean 2011-2012 Yield (kg ha-1)
