Développement d’une approche intégrée pour la
gestion de l’eau en production de canneberges
Thèse
Vincent Pelletier
Doctorat en sols et environnement
Philosophiae doctor (Ph. D.)
Québec, Canada
Développement d’une approche intégrée pour la
gestion de l’eau en production de canneberges
Thèse
Vincent Pelletier
Sous la direction de :
Jacques Gallichand, directeur de recherche
Steeve Pepin, codirecteur de recherche
iii
Résumé
Dans un contexte évolutif où les changements climatiques entraîneront une augmentation du nombre d’événements climatiques extrêmes, la gestion de l’eau devra être optimisée afin d’éviter l’impact des stress environnementaux sur le rendement agronomique des cultures. Bien que les seuils où surviennent ces stress soient connus pour la majorité des espèces agricoles, ils demeurent pour la plupart inconnus pour la canneberge. Leur détermination est donc un prérequis à l’établissement d’une gestion de l’eau efficace et durable. Conséquemment, des expérimentations au champ et en cabinet de croissance ont été réalisées afin d’étudier l’impact des principaux stress abiotiques sur la canneberge et de proposer des stratégies innovatrices menant à une approche intégrée de la gestion de l’eau dans cette culture. En maintenant la nappe phréatique à une profondeur de 60 cm sous la surface du sol, les rendements ont été maximisés et l’application d’eau par aspersion a été minimisée. Cependant, les canneberges sont très sensibles aux problèmes de drainage. En effet, lors de deux études de cas, une diminution de rendement de 25 à 39% a été mesurée lorsque le système de drainage n’était pas entièrement fonctionnel. Puisque contrôler la nappe peut ralentir le drainage et entraîner une diminution de l’aération dans la rhizosphère suite à une précipitation, une expérience en cabinet de croissance a été réalisée afin de déterminer la tolérance de la canneberge aux conditions hypoxiques. Les résultats ont démontré une diminution de 28% de la photosynthèse après 24 heures en conditions saturées. Le système de drainage doit donc permettre d’évacuer rapidement les surplus d’eau afin d’éviter de telles conditions. Avec le contrôle de nappe, l’air entourant le feuillage est plus chaud et plus sec en comparaison avec l’irrigation par aspersion, ce qui peut entraîner davantage d’épisodes de stress thermique. Une expérimentation en cabinet de croissance a permis d’identifier qu’en comparaison à une température optimale de 29 °C, la photosynthèse diminue de 11% à 33 °C et de 22% à 37 °C. Refroidir le feuillage pendant 20 minutes lorsque la température y atteint 33 °C s’est alors avéré bénéfique pour éviter le stress thermique. En intégrant ces nouveaux paramètres de gestion de l’eau, les producteurs de canneberges pourront maximiser le rendement agronomique de leur culture et en réduire son impact environnemental.
iv
Abstract
In an evolving context where climate change will cause an increase in extreme weather events, agricultural water management will have to be optimized in order to limit the impact of environmental stresses on crop yields. Although critical thresholds where these stresses occur have been established for several plant species, little is known about these relationships in cranberry production. Hence, the determination of these thresholds is then a prerequisite for developing of a sustainable water management. Consequently, field and growth cabinet experiments were carried out to study the impact of the main abiotic stresses on cranberries and to propose innovating strategies leading to a holistic approach for water management. By controlling the water table at 60 cm depth below soil surface, yields were maximized and overhead irrigation was minimized. However, cranberries are very sensitive to poor drainage conditions. In two case studies, yield losses of 25 and 39% were associated to drainage problems. Because controlling water table depth may slow down drainage rate and lead to oxygen deficiency in the rhizosphere following rainfall, a growth cabinet experiment was needed for determining cranberry tolerance to hypoxic conditions. Because the results showed that photosynthesis declined by 28% after the 1st day of waterlogging, drainage systems should be fully efficient in avoiding such conditions. Managing water table depth leads to drier canopy conditions than sprinkler irrigation, and thus may increase the vapor pressure deficit near the foliage and the risk of heat stress. Under controlled conditions, the optimal temperature range for carbon assimilation was between 25 and 29 °C, with photosynthesis declining by 11% at 33 °C and by 22% at 37 °C. Under controlled environmental conditions, cooling the vines for 20 minutes when temperature reaches 33 °C was beneficial to limit heat stress and was able to reduce photosynthetic midday depression. By integrating these new parameters and strategies to water management, cranberry growers will maximize crop yields while reducing the crop environmental impact.
v
Table des matières
Résumé ... iii
Abstract ... iv
Table des matières ... v
Liste des tableaux ... vii
Liste des figures ... viii
Liste des abréviations ... x
Remerciements ... xii Avant-Propos ... xiii CHAPITRE 1 Introduction générale ... 1 1.1. Mise en contexte ... 2 1.2. La canneberge et sa production ... 3
1.3. Stress abiotiques environnementaux ... 5
1.4. Gestion de l’eau ... 6
1.4.1. Irrigation par aspersion ... 6
1.4.2. Irrigation souterraine ... 7 1.4.3. Drainage ... 8 1.4.4. Irrigation de refroidissement ... 8 1.5. Problématique ... 9 1.6. Objectifs ... 10 CHAPITRE 2 Water Table Control for Increasing Yields and Water Savings in Cranberry Production ... 12
2.1. Introduction ... 15
2.2. Experimental section ... 17
2.3. Results and discussion ... 21
2.3.1. First criteria: Increasing yield without decreasing fruit quality ... 21
2.3.2. Second criteria: Minimal use of sprinkler irrigation ... 28
2.3.3. Third criteria: Fast drainage ... 30
2.4. Conclusion ... 30
2.5. Acknowledgements ... 32
2.6. References ... 33
CHAPITRE 3 Cranberry Gas Exchange under Short-term Hypoxic Soil Conditions ... 36
3.1. Introduction ... 39
3.2. Materials and Methods ... 40
3.3. Results ... 42 3.4. Discussion ... 45 3.5. Conclusion ... 47 3.6. Acknowledgements ... 47 3.7. References ... 48 CHAPITRE 4 Impact of Drainage Problems on Cranberry Yield: Two Case Studies ... 50
vi 4.1. Introduction ... 53 4.2. Case study #1 ... 53 4.3. Case study #2 ... 55 4.4. Practical implications ... 56 4.5. Conclusion ... 57 4.6. Acknowledgements ... 57 4.7. References ... 58 CHAPITRE 5 Reducing Cranberries Heat Stress and Midday Depression with Evaporative Cooling ... 59
5.1. Introduction ... 62
5.2. Materials and Methods ... 63
5.2.1. Determination of the critical temperature threshold ... 63
5.2.2. Effect of environmental variables and sprinkler irrigation on cooling efficiency in field conditions ... 65
5.2.3. Gas exchange responses to cooling treatments ... 66
5.3. Results ... 68
5.3.1. Determination of the critical temperature threshold ... 68
5.3.2. Effect of environmental variables and sprinkler irrigation on cooling efficiency in field conditions ... 68
5.3.3. Gas exchange responses to cooling treatments ... 71
5.4. Discussion ... 73
5.4.1. Determination of the critical temperature threshold ... 73
5.4.2. Effect of environmental variables and sprinkler irrigation on cooling efficiency in field conditions ... 75
5.4.3. Gas exchange responses to cooling treatments ... 75
5.5. Conclusion ... 76
5.6. Acknowledgements ... 77
5.7. References ... 78
CHAPITRE 6 Proposing Field Guidelines for Cranberry Water Management: Integrating latest discoveries ………...81
6.1. Introduction ... 84
6.2. Water management strategies ... 86
6.2.1. Avoiding water stress ... 86
6.2.2. Avoiding heat stress ... 89
6.2.3. Avoiding frost damage ... 90
6.2.4. Avoiding hypoxic conditions ... 90
6.3. Conclusions and recommendations ... 91
6.4. Acknowledgements ... 93
6.5. References ... 94
CHAPITRE 7 Conclusion générale et perspectives futures ... 97
7.1. Conclusion générale ... 98
7.2. Perspectives futures ... 100
vii
Liste des tableaux
CHAPITRE 2
Table 2.1. Characteristics of the experimental sites. ... 17 Table 2.2. Monthly climatic data at the experimental site in St-Louis-de-Blandford, Québec,
Canada and long term averages from a public weather station located 8 km away from Site A and 5 km away from sites B and C. ... 18
Table 2.3. Irrigation water applied at each site for 2013-2014 and weekly averaged water table
depth (WTD). ... 29
CHAPITRE 5
Table 5.1. Photosynthesis of cranberry fruiting uprights (n=6 to 9 per treatment) averaged over a 5
h period (11:30-16:30) on Day 0 (An-D0), Day 1 (An-D1), and the difference between Day 1 and Day 0 (ΔAn) for each cooling treatment (C0: control, C1: one event, and C3: three events) and soil water tension (SWT) treatment (T4: 4.0 kPa, T7: 7.5 kPa, and T15: 15.0 kPa) ... 71
Table 5.2. Effect of cooling treatments (C0: control, C1: one event, and C3: three events) on
photosynthetic midday depression (An-loss) of cranberry fruiting uprights, calculated as the difference between the maximum rate of photosynthesis in the morning and that measured at 15:00 h (averaged over 15 minutes) ... 73
Table 5.3. Number of days on a yearly basis (1990-2014) where the daily maximum air temperature
(TA-max) reached values from 25 to 37°C for the seven most productive cranberry-growing regions in North America ... 74
viii
Liste des figures
CHAPITRE 1
Figure 1.1. Statistiques de production des sept plus importantes régions productrices de
canneberges pour la période 1990-2014 ... 3
CHAPITRE 2
Figure 2.1. The experimental sites. ... 17 Figure 2.2. (a) Volumetric soil water content and (b) hydraulic conductivity in relation with soil
water tension.. ... 19
Figure 2.3. Boundary line approach of (a) yield and (b) number of berries in relation with the
averaged water table depth (WTD) during the growing season of 2014 ... 21
Figure 2.4. Filled contour of weekly average water table depth for the three sites between June and
September in 2013 and 2014 ... 23
Figure 2.5. Crop yield at the three sites in 2014.. ... 26 Figure 2.6. Yield components in relation with the averaged water table depth (WTD) during the
growing season. (a) Percentage of fruit set per flower; (b) Number of berries per fruiting upright; (c) Berry weight (d) Number of fruiting uprights per ring of 182 cm2.. ... 27
Figure 2.7. Yield quality parameters in relation with the averaged water table depth (WTD) during
the growing season. (a): Total soluble solids (TSS); (b) Titratable Acidity (TA); (c) Ratio of TSS on TA; (d) Total Anthocyanin (TAcy).. ... 28
Figure 2.8. Soil Water Tension and manual readings of Water Table Depth at each site for 2013
and 2014. ... 31
Figure 2.9. Time required for the soil water tension (SWT) to return to a value of 3.0 kPa (WTD =
40 cm) after a major rainfall event as a function of the SWT just before the rainfall event. ... 32
Figure 2.10. Soil water tension (SWT) for a rainfall of 33 mm for different values of SWT just
before the rainfall ... 32
CHAPITRE 3
Figure 3.1. Changes in (a) photosynthesis (Pn) and (b) stomatal conductance (gs) as a function of the number of days with saturated soil conditions at the stage of bud elongation, flowering, and fruit development. ... 43
Figure 3.2. Photosynthesis as a function of the number of days after drainage at the stage of bud
elongation, flowering, and fruit development for treatment with (a) 1, (b) 2, (c) 3, and (d) 5 consecutive day of soil saturation. ... 44
CHAPITRE 4
Figure 4.1. The swollen masses found at the drain outlet after pumping water at low operating
ix
Figure 4.2. Monitoring the development of cranberries growing over drain pipes clogged with
swollen masses from June 7 to August 17 2012 ... 54
Figure 4.3. Temporal variations of soil water potential values after the end of rainfall (time=0) until
it return to the target of -3 kPa in both section (West vs East) of a cranberry bed. In a) rainfall was 29 mm; the depth of the drainage outlet was problematic at the West extremity of the bed and in b) rainfall was 26 mm; the drainage outlet problem was corrected. ... 56
CHAPITRE 5
Figure 5.1. Layout of the six cranberry beds used in the experiment to identify the effects of
environmental variables and sprinkler irrigation on cooling efficiency in field conditions. ... 66
Figure 5.2. Time course of cranberry leaf temperature (TL) during two days of gas exchange
measurements (D0 and D1) for three cooling treatments ... 67
Figure 5.3. Standardized (a) photosynthesis (An), (b) stomatal conductance (gs), and (c)
transpiration (Tr) in relation to leaf temperature (TL) and soil water tension.. Values corresponding to the maximum for each combination of leaves and soil water tension are presented in (d). ... 69
Figure 5.4. Efficiency of evaporative cooling in relation to the difference in temperature of
cranberry foliage (ΔTF) immediately before and after the sprinkler irrigation. Data are from field experiments where irrigation was initiated when TF reached 33 °C. ... 70
Figure 5.5. Difference in temperature of cranberry foliage (ΔTF) due to evaporative cooling as a function of environmental conditions just before irrigation. (a) Vapor pressure deficit in the canopy foliage (VPDF), (b) relative humidity in the canopy foliage (RHF), (c) air temperature at the weather station (TA,2-m), (d) wind speed, (e) solar radiation (Rad), and (f) relative humidity at the weather station (RHA,2-m). ... 70
Figure 5.6. (a) Temperature and (b) relative humidity in the canopy foliage of non-irrigated and
irrigation treatments and at the weather station between 08:00-20:00 h on June 27th 2014. ... 71
Figure 5.7. (a) Midday depression of photosynthesis (An) observed at ~11:00 h on Day 1 when
cranberry leaf temperature (TL) in the LI-6400 chamber was increased from 21 °C to 33 °C whereas on Day 0, TL was kept constant at 27°C from 11:00 to 17:00 h. (b) Absence of a midday depression. Here, there was no cooling episode and soil water tension was 4.0 kPa. ... 72
CHAPITRE 6
Figure 6.1. Statistics of the cranberry production for the seven major producing area (BC: British
Columbia, MA: Massachusetts, NJ: New Jersey, OR: Oregon, QC: Québec, WA: Washington, WI: Wisconsin). a) Yield, b) Harvested area, and c) Volume. ... 84
Figure 6.2. Empirical relationship between soil water conditions and cranberry yields /
photosynthesis. From the general relationship, many questions remained unanswered on the optimum maintain of aeration and water flux. ... 86
Figure 6.3. Guidelines for complete irrigation management approach using new technologies in
x
Liste des abréviations
Symbole Anglais Français Unité
An et Pn Photosynthesis Photosynthèse µmol m-2 s-1
Ci Intermolecular CO2 concentration Concentration intercellulaire du CO2 µmol mol-1
E et Tr Leaf transpiration Transpiration foliaire mmol m-2 s-1
gs Stomatal conductance Conductance stomatique mol m-2 s-1
GDD Growing degree days (5 °C base) Degré-jour de croissance (Base 5 °C) -
PPFD Photosynthesis photon flux density Densité de flux de photons pour la photosynthèse µmol m-2 s-1
RHF Relative humidity in the canopy Humidité relative dans la canopée %
RHA,2-m Relative humidity at 2-m height Humidité relative à 2-m d’élévation %
SWT Soil water tension Tension de l’eau dans le sol kPa
SWP Soil water potential Potentiel matriciel de l’eau dans le sol kPa
TL Leaf temperature Température de la surface de la feuille °C
TF Temperature in the canopy Température dans la canopée °C
TA,2-m Temperature at 2-m height Température à 2-m d’élévation °C
VPDl Leaf-to-air vapor pressure deficit Gradient de pression de vapeur d’eau entre la feuille et l’air kPa
VPDF Vapor pressure deficit near the foliage Gradient de pression de vapeur près du feuillage kPa
xi
À mon père, qui n’aura
pu voir l’aboutissement
de tous ces travaux.
xii
Remerciements
Cette thèse n’aurait pu voir le jour sans l’encadrement, l’aide et le soutien de plusieurs personnes. Tout d’abord, j’aimerais remercier mon directeur de recherche, Jacques Gallichand, pour sa grande disponibilité, sa rigueur, ses valeureux conseils et pour m’avoir aidé à garder une ligne directrice dans tous mes travaux. Merci à mon co-directeur, Steeve Pepin, pour avoir pris le temps de répondre à mes 1001 questions (bien souvent à l'improviste et dans un cadre de porte!) sur la physiologie végétale afin de palier à mes lacunes dans ce domaine. Sa généreuse aide apportée lors du montage des expériences en cabinet de croissance, bien souvent en urgence et/ou tard en fin de journée, a largement contribué aux succès de ces travaux.
Merci à Jean Caron de m’avoir soutenu depuis le début de mes études graduées et pour les nombreuses conversations sur la physique du sol, l’irrigation, l’agriculture, la recherche, la science, la société et j’en passe! Merci à Silvio Gumiere, non seulement pour les pauses caféinées, mais aussi pour son aide apportée lors de chaque étape de mon doctorat.
J’aimerais remercier spécialement Jonathan Lafond pour ses divertissants jeux de mots! Tout comme Benjamin Parys, j’aimerais également le remercier pour l’aide apportée à l’organisation des journées de champ et des analyses en laboratoire. Merci à Jean-Philippe Gagné, Guillaume Gagnon, Jade Blais, Alexandra Déry et Christian Gagnon ainsi qu’aux nombreux autres étudiants de premier cycle pour leur aide lors de la mise en place des expériences et pour l’échantillonnage des rendements. Sans leur précieuse collaboration, je n’aurais pu mener à terme mes expérimentations. Merci également à mes collègues et amis aux études graduées pour la camaraderie universitaire entretenue pendant toutes ces années. Merci à Claude-Émilie Canuel pour ses commentaires bénéfiques lors du processus de révision.
Ce projet n’aurait pu avoir lieu sans la participation, l’aide et le soutien de plusieurs entreprises et organismes partenaires au projet. Un merci spécial aux gens de Hortau, Canneberges Bieler, Nature Canneberge, Mont Atoca, du CRSNG et du FQRNT.
La famille, la belle-famille et les amis jouent également un rôle de premier plan de par leurs encouragements et leur support. Merci à tout mon entourage de m’avoir épaulé.
Finalement, mes remerciements les plus amoureux vont à ma fiancée, Marie-Pier, pour son incroyable patience. Je lui avais promis qu’il me restait une seule année d’études lorsque nous nous sommes rencontrés… il y a de cela six ans!
xiii
Avant-Propos
Le chapitre 1 de cette thèse est une introduction générale évoquant la mise en contexte ainsi que la problématique soulevée ayant menée au développement d’une hypothèse principale et des objectifs permettant de la soutenir. Nous avons répondu à ces objectifs et ils ont été développés sous la forme d’articles scientifiques publiés ou acceptés par un comité de révision et composent les chapitres 2 à 5 de la thèse. Le chapitre 6 est une synthèse de la contribution des précédents chapitres à l’avancement de la connaissance ainsi que les implications pratiques engendrées par ces derniers. Ce chapitre constitue une partie de l’article cité ci-dessous. J’ai écrit la première version des chapitres 2 à 6, laquelle a été révisée et améliorée par chacun des co-auteurs. Chacun des co-auteurs a également participé à la planification des expériences et à l’interprétation des résultats. Le chapitre 7 intègre dans une conclusion générale les principaux résultats obtenus et se termine sur les perspectives futures rattachés à ces travaux. Les références pour les chapitres 2 à 6 sont les suivantes:
CHAPITRE 2: Publié le 7 août 2015
Pelletier, V., Gallichand, J., Gumiere, S. Pepin, S., Caron, J. 2015. Water table control for
increasing yield and saving water in cranberry production. Sustainability. 7:10602-10619. CHAPITRE 3: Accepté le 2 mai 2016
Pelletier, V., Pepin, S., Laurent, T., Gallichand, J., Caron, J. Cranberry gas exchange under
short-term hypoxic soil conditions. HortScience. (accepted) CHAPITRE 4: Publié le 7 avril 2016
Pelletier, V., Gallichand, J., Gumiere, S., Caron, J. Impact of drainage problems on cranberry
yield: Two case studies. Can. J. Soil Sci. 10.1139/CJSS-2015-0132. CHAPITRE 5: Publié le 13 décembre 2015
Pelletier, V., Pepin, S., Gallichand, J., Caron, J. Reducing cranberry heat stress and midday
depression with evaporative cooling. Sci. Hortic. 198:445-453. CHAPITRE 6: Sera prochainement soumis à Can. J. Soil Sci.
Pelletier, V., Gallichand, J., Gumiere, S., Pepin, S., Bland, W.L., Kennedy, C., Caron, J.
xiv Les résultats obtenus dans les précédents chapitres ont également été présentés lors des congrès scientifiques nationaux et internationaux suivants :
PRÉSENTATIONS ORALES :
Pelletier, V., Gallichand, J., Pepin, S., Gumiere, S., Caron, J. Increasing Cranberry Yield by
Improving Irrigation and Drainage. Présentée lors de l’Atlantic Cranberry Management Course le 1er avril 2016 à Charlottetown (Île-du-Prince-Édouard, Canada).
Pelletier, V., Gallichand, J., Pepin, S., Gumiere, S., Caron, J. L’importance de la conception des
systèmes de drainage pour éviter les conséquences négatives reliées à l’excès d’eau dans le sol. Présentée lors d’INPACQ Canneberges le 28 janvier 2016 à Victoriaville (Québec, Canada).
Pelletier, V., Gallichand, J., Gumiere, S., Pepin, S., Caron, J. Water table control for increasing
yield and saving water in cranberry production. Présentée lors du North American Cranberry
Researcher and Extension Workers (NACREW) Conference le 25 août 2015 à Bandon (Oregon,
USA).
Pelletier, V., Gallichand, J., Gumiere, S., Pepin, S., Caron, J. Controlling water table depth for a
sustainable cranberry production. Présentée lors du congrès conjoint de Commission 2.5 of the
International Union of Soil Science, de la Société Canadienne de Science du Sol (SCSS) et de
l’Association québécoise des spécialistes en sciences du sol (AQSSS) le 6 juillet 2015 à Montréal (Québec, Canada).
AFFICHES:
Pelletier, V., Pepin, S., Bonin, S., Gallichand, J., Caron, J. Environmental stresses in cranberry
production: Critical thresholds and physiological effects. Présentée lors du North American
Cranberry Researcher and Extension Workers (NACREW) Conference du 24 au 26 août 2015 à
Bandon (Oregon, USA).
Pelletier, V., Pepin, S., Bonin, S., Gallichand, J., Caron, J. Environmental stresses in cranberry
production: Critical thresholds and physiological effects. Présentée lors de l’American Society of Horticultural Science (ASHS) Annual Conference du 4 au 7 août 2015 à la Nouvelle-Orléans (Louisiane, USA).
Pelletier, V., Pepin, S., Laurent, T.J., Gallichand, J., Caron, J. Short-term flooding effects on
gas exchange and plant productivity of cranberries. Présentée lors de l’Annual meeting of the Soil
Science Society of America (SSSA) du 2 au 5 novembre 2014 à Longbeach (Californie, USA). Pelletier, V., Pepin, S., Gallichand, J., Caron, J. Plan décisionnel de gestion de l’eau axé sur le
contrôle de nappe et basé sur la quantification des besoins en eau en production de canneberges. Présentée lors du 28e colloque de l’Association Québécoise de Spécialistes en Sciences du Sol (AQSSS) du 26 au 29 mai 2014 à Victoriaville (Qc).
Pelletier, V., Gallichand, J., Pepin, S., Caron, J. Optimal water table depth in cranberry
subirrigation. Présentée lors de l’American Society of Agricultural and Biological Engineers
1
CHAPITRE 1
2
1.1. Mise en contexte
Les origines de l’industrie de la canneberge remontent aux premières années du 19e siècle au Massachusetts (Eck, 1990). Les états américains du nord-est de l’Amérique du Nord, où la canneberge y pousse naturellement dans les milieux humides, ont dominé le marché jusqu’au milieu des années 1990 lorsque le Wisconsin est devenu la principale région productrice (Figure 1.1a). À cette époque, le Québec ne comptait que trois producteurs, mais en 2014, au moment où il est devenu le deuxième plus important producteur mondial (Figure 1.1c), 84 producteurs y cultivaient une superficie cumulative de 3450 hectares (Figure 1.1b). Lors des 10 dernières années, le volume de canneberges récoltées au Québec a augmenté de 338% alors que le rendement y a augmenté en moyenne de 7% par année. Globalement, l’industrie a produit en moyenne 21 milliers de tonnes de fruits de plus à chaque année pendant la période 2005-2014, approximativement le double de la période 1995-2004 avec une augmentation moyenne de 12 milliers de tonnes de fruits par année (APCQ, 2015).
L’industrie de la canneberge est donc en pleine expansion et afin de demeurer compétitifs, les producteurs devront miser sur une augmentation des rendements et sur la production de fruits de qualité. En effet, afin de stimuler la vente de produits à base de canneberges, l’industrie cherche à offrir des produits possédant une concentration élevée en anthocyanines et en sucres naturels, sans toutefois en sacrifier le goût acidulé (Nolte, 2015).
Dans un contexte évolutif où les changements climatiques entraineront l’accroissement de certains stress environnementaux (e.g., hydrique, thermique, hypoxique) causée par l’augmentation de la température et du nombre d’événements climatiques extrêmes (IPCC, 2013), les pratiques culturales telles que l’irrigation et le drainage devront être optimisées afin d’améliorer l’efficacité de l’utilisation de l’eau. Par ailleurs, le resserrement de la réglementation sur la qualité des eaux rejetées dans l’environnement (Kennedy et al., 2015; DeMoranville et al., 2015) et sur les résidus de pesticides contenus dans les fruits (Wilson, 2015) obligent les producteurs à modifier leurs pratiques culturales afin de réduire l’impact environnemental de la production de canneberges. La présente étude s’inscrit donc dans un contexte où les producteurs font face à une nouvelle contrainte majeure: augmenter le rendement et la qualité des fruits tout en diminuant l’impact sur l’environnement.
3 Figure 1.1. Statistiques de production des sept plus importantes régions productrices de canneberges pour
la période 1990-2014: Colombie-Britannique (BC), Massachusetts (MA), New Jersey (NJ), Oregon (OR), Québec (QC), Washington (WA) et Wisconsin (WI). (a) Rendement, (b) Superficie et (c) Volume de fruits récoltés. Source : NASS (2015), APCQ (2015) et BCCMC (2015).
1.2. La canneberge et sa production
D’un point de vue botanique, la canneberge fait partie du genre Vaccinium de la famille Ericaceae. Ce genre regroupe plus de 450 espèces dont font partie les airelles, les bleuets et les myrtilles et se retrouve à l’état sauvage dans les sols acides tels que les marais et les tourbières. L’espèce cultivée de la canneberge, macrocarpon, provient du nord-est de l’Amérique du Nord (Eck, 1990). En production, Vaccinium macrocarpon Ait. recouvre le sol grâce aux stolons sur lesquels poussent des tiges verticales de 5 à 20 cm avec un bourgeon à leur extrémité (Sandler et DeMoranville, 2008).
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 Rendement (kg ha ‐1) BC MA NJ OR QC WA WI A 0 1500 3000 4500 6000 7500 9000 Superficie (ha) B 0 50 100 150 200 250 300 19 89 19 90 19 91 19 92 19 93 19 94 19 95 19 96 19 97 19 98 19 99 20 00 20 01 20 02 20 03 20 04 20 05 20 06 20 07 20 08 20 09 20 10 20 11 20 12 20 13 20 14 20 15 Volumes (milliers de tonnes) Année C
4 L’année suivante, un bourgeon sur deux se développera en tige fructifère (Strik et coll., 1991) sur laquelle se formeront en moyenne quatre fleurs, dont environ la moitié se transformera en fruits (Pelletier et coll., 2015). Les racines, très fines, fibreuses et ne possédant aucun poil absorbant, peuvent atteindre entre 7 et 15 cm de profondeur (Sandler et DeMoranville, 2008) tandis que les feuilles, vert foncé pendant la saison de croissance et rougeâtre lors de la dormance, mesurent entre 8 et 13 mm (Binet et coll., 1997). Afin d’assurer une croissance normale, une période de dormance minimale de 2500 heures est requise (Eady et Eaton, 1972).
Lors de l’aménagement d’une ferme de canneberges, la surface des champs est nivelée afin de faciliter l’inondation lors de la récolte. Lorsque la pente naturelle du terrain devient trop importante, un deuxième niveau de champs est créé. Un terrain avec une pente inférieure à 1% est donc recommandé pour éviter les coûts reliés au transport de nouveau matériel pour le nivellement (Binet et coll., 1997). Des digues d’environ un mètre de haut sont aménagées entre chaque champ à partir des débris de végétation et de la couche organique de surface retirés lors du défrichement et du dessouchage du site. Ces digues permettent la circulation de la machinerie et la création de bassins pour l’inondation des champs lors de la récolte. Les systèmes de drainage et d’irrigation sont alors installés et les canneberges peuvent être plantées. Après la deuxième ou la troisième année, les champs produisent leur première récolte et avec un entretien adéquat, ils produiront pendant plus d’un siècle (Eck, 1990).
La protection contre le gel à l’aide des systèmes d’irrigation par aspersion est essentielle à la survie des organes reproducteurs. L’ajout d’eau entraîne la formation de glace sur la surface des plantes, ce qui dégage une chaleur permettant aux plantes d’être protégées jusqu’à une température atteignant -10 °C (Binet et coll., 1997). 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 coll. 2009). L’ajout de ruches d’abeilles et de bourdons, généralement dans les derniers jours de juin et dans les premiers jours de juillet, est essentiel pour assurer la pollinisation des fleurs (Cane et Schiffhauer, 2003; Gaines-Day et Gratton, 2015). S’ensuit alors l’application de fertilisants et de pesticides à l’aide de la machinerie équipée de rampes d’aspersion circulant entre les champs. L’inondation des champs est utilisée dans le but de faciliter la récolte des fruits vers la fin septembre et le début octobre. Avec cette méthode, les fruits sont détachés des plantes mécaniquement, flottent à la surface de l’eau et sont rassemblés vers une extrémité du champ à l’aide de barrages flottants pour être aspirés dans un convoyeur et dirigés vers la benne d’un camion
5 (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. Le même système est utilisé pendant la saison de croissance pour évacuer les excès d’eau par drainage souterrain et pour acheminer l’eau vers les systèmes d’irrigation. Une gestion efficace de l’eau est primordiale pour éviter que la plante ne subisse des conditions de stress abiotiques pouvant entraîner une diminution des rendements.
1.3. Stress abiotiques environnementaux
La pression exercée sur les végétaux par des conditions environnementales défavorables impose des contraintes, tel que les stress hydriques, hypoxiques et thermiques pouvant affecter le développement normal des plantes. Les plantes doivent être en mesure de prélever l’eau dans le sol par leur système racinaire et le CO2 de l’atmosphère par leurs stomates pour limiter l’effet de ces contraintes.
L’eau est essentielle à la survie des plantes et leur habileté à tolérer le stress hydrique est cruciale. Lorsque le flux d’eau dans le sol devient limitant pour le prélèvement racinaire, la fermeture des stomates est l’une des premières réactions menant à une réduction du taux de photosynthèse (Anjum et coll., 2011). Afin d’éviter une perte substantielle de la turgescence des feuilles et des dommages irréversibles aux systèmes membranaires internes, certaines plantes ont la capacité de réguler les pertes en eau par la fermeture partielle de leurs stomates (Zhang et coll., 2006). Lorsque l’expansion cellulaire est altérée, la croissance de la plante entière est affectée et le rendement agronomique peut diminuer (Arve et coll., 2011).
Suite à une forte précipitation ou à un excès d’irrigation, le surplus d’eau dans le sol produit des conditions hypoxiques (Lia et Lin, 2001) qui entraînent une diminution de l’absorption de l’eau par les racines (Huang et Nesmith, 1990). La tolérance à un excès d’eau dans le sol varie entre les espèces et peut durer de quelques heures à plusieurs jours (Bhattarai et coll., 2005). De plus, les échanges gazeux peuvent être affectés pendant plusieurs jours après le retour à des conditions hydriques optimales.
Chaque espèce de plantes a une plage de température pour laquelle sa croissance est optimale. Généralement, la température à laquelle la photosynthèse est maximale se situe entre 20 et 30 °C pour les espèces d’angiospermes et gymnospermes boréales, tempérées et tropicales. À des températures de 40 à 45 °C, la photosynthèse devient nulle chez la majorité des plantes (Teskey et coll., 2014). Lorsque la température avoisinant les feuilles est supérieure au seuil maximal, le stress
6 thermique qui en résulte peut affecter la croissance et le rendement de la plupart des espèces végétales. Le stress thermique diminue généralement la durée des phases de développement, la lumière captée, les processus d’assimilation du carbone et mène à la formation d’organes plus petits (Stone, 2001).
Lorsque combinés, différents stress peuvent amener des réactions antagonistes. Par exemple, pendant un stress thermique, les plantes ouvrent leurs stomates pour refroidir leurs feuilles par transpiration. Cependant, si un stress thermique est combiné avec un stress hydrique, certaines plantes ne pourront ouvrir leurs stomates et la température de leurs feuilles augmentera (Mittler, 2006). Une gestion efficace de l’eau permet d’éviter les stress hydriques, hypoxiques et thermiques.
1.4. Gestion de l’eau
La gestion de l’eau dans une ferme de canneberges pendant la saison de croissance repose sur quatre principales techniques permettant d’éviter les stress abiotiques environnementaux. En effet, l’irrigation par aspersion et l’irrigation souterraine permettent d’éviter le stress hydrique alors que le drainage permet d’éviter le stress hypoxique. Lors des journées chaudes, l’irrigation par aspersion peut également être utilisée afin de refroidir le feuillage et éviter le stress thermique.
1.4.1. Irrigation par aspersion
Bien que les premiers systèmes d’irrigation aient été installés par les producteurs pour protéger leur culture contre le gel dans les années 1960, leur utilisation pour combler les besoins en eau de la culture pendant les périodes de faibles précipitations s’est par la suite développée (Eck, 1990). Traditionnellement, l’irrigation était gérée intuitivement par les producteurs ou selon un horaire fixe. Les travaux de Bonin (2009) ont permis de cibler les seuils de tension de l’eau dans le sol à respecter afin d’optimiser l’activité physiologique de la plante tout en assurant un flux d’eau suffisant aux racines. D’importantes économies d’eau et d’énergie sont associées au démarrage de l’irrigation lorsque la tension de l’eau dans le sol atteint 7.5 kPa dans la rhizosphère, et cela, sans que le rendement n’en soit affecté (Pelletier et coll., 2013). Lorsque l’irrigation est démarrée à une tension supérieure à 7.5 kPa, le nombre de fruits par tige, le nombre de fruits total, la grosseur des fruits et le taux de nouaison sont affectés (Pelletier et coll., 2015). Une conclusion est commune à tous ces travaux: la zone de confort hydrique pourrait être maintenue par le contrôle de la nappe phréatique à une profondeur permettant une remontée capillaire suffisante, ce qui entraînerait une utilisation encore plus restreinte de l’irrigation par aspersion.
7
1.4.2. Irrigation souterraine
L’irrigation souterraine permet d’acheminer l’eau à la rhizosphère par remontée capillaire à partir de la nappe phréatique afin de réduire les risques de stress hydrique. Lorsque l’eau est prélevée par les racines ou évaporée à la surface du sol, le maintien d’une nappe constante est possible par l’ajout d’eau dans l’exutoire du système de drainage. L’eau entre par les drains et remonte dans le sol jusqu’à l’atteinte de l’équilibre avec le niveau d’eau maintenu dans l’exutoire. Ce niveau d’eau peut être contrôlé à l’aide d’un barrage dont la hauteur est ajustable selon les besoins de la plante ou selon la capacité du système de drainage. Lorsqu’un réservoir est situé en amont, l’eau peut être acheminée à l’exutoire du système de drainage par gravité. Lorsque le réservoir est situé en aval et que l’eau doit être pompée, l’énergie requise est de 75 à 95% inférieure à celle qu’utiliserait un système d’irrigation par aspersion (Massey et coll., 1983). En plus de cet avantage, l’irrigation souterraine permet de diminuer les coûts, de réduire les pertes de nutriments et de pesticides par lessivage en plus d’augmenter les rendements (Skaggs, 1999).
L’irrigation souterraine a été testée avec succès dans plusieurs cultures, dans plusieurs régions et sous différents climats. En Argentine, des essais visant à maintenir la nappe à la profondeur optimale pour différentes cultures ont amené une augmentation de rendement de 270%, de 200%, et de 80% pour le blé, le maïs et le soya, respectivement (Nosetto et coll., 2009). Dans la période 1996-2008 en Ohio, le rendement du maïs et du soya a été de 29 et 25% supérieur dans les champs sous irrigation souterraine en comparaison avec des champs en drainage libre (Allred et coll., 2014). Au Pakistan, 100% des besoins d’irrigation ont été comblés par l’irrigation souterraine pour le blé et 80% pour le tournesol (Kahlown et coll., 2005). Les systèmes de drainage et de circulation de l’eau installés dans les champs de canneberges du Québec permettraient l’utilisation de l’irrigation souterraine (Elmi et coll., 2010).
La détermination de la profondeur de nappe à maintenir afin d’assurer une disponibilité en eau et en oxygène suffisante dans la zone racinaire est donc un prérequis à l’application de l’irrigation souterraine. Une étude réalisée dans les années 1970 a conclu que la nappe devrait être maintenue à 30-38 cm de la surface du sol afin de maximiser le rendement de la canneberge (Eck, 1976). Cependant, cette étude a été réalisée antérieurement à l’acquisition des connaissances sur la gestion de l’irrigation mentionnée ci-haut. Sous conditions contrôlées en cabinet de croissance, Laurent (2015) a mesuré des taux de photosynthèse et une production de bourgeons supérieurs lorsque la nappe était maintenue à 60 cm de la surface du sol en comparaison avec des profondeurs de nappe variant entre 8 et 35 cm. Par simulation numérique, Caron et coll. (2016) ont également conclu
8 qu’une nappe maintenue à 60 cm de profondeur permettrait d’éviter des conditions de stress hydriques. Cependant, aucune étude n’a été réalisée au champ afin de valider la profondeur de nappe optimale à maintenir en combinaison avec les nouvelles connaissances sur l’irrigation. L’irrigation souterraine peut tout de même résulter en une baisse de productivité si l’aération dans la rhizosphère est insuffisante. Une diminution de la photosynthèse et du rendement ont été mesurés lorsque la nappe était maintenue trop près du sol (Kalita et Kanwar, 1992; Madramootoo et coll., 2001; Elmi et coll., 2002).
1.4.3. Drainage
L’utilisation d’un système de drainage efficace permet d’éviter le stress hypoxique dans la rhizosphère en évacuant les surplus d’eau suite à des précipitations ou des irrigations pour la protection contre le gel. Bien que non quantifiées, Baumann et coll. (2005) mentionnent que d’importantes pertes de rendements sont associées à des problèmes de drainage dans les champs de canneberges. Afin d’évaluer l’efficacité d’un système de drainage, la tolérance de la culture aux conditions hypoxiques doit être déterminée. Avec des mesures hebdomadaires sur des plantes de canneberges, Laurent (2015) a mesuré une baisse de photosynthèse dès la première semaine d’hypoxie et suggère que cette diminution pourrait survenir encore plus tôt. Lors d’une expérimentation avec de jeunes plants de bleuets, l’assimilation du carbone a diminué de 36% dès le premier jour de saturation du sol pour atteindre 66% après le cinquième jour (Davies et Flore, 1986). Le même type d’expérimentation avec des cerisiers a mené à une diminution de la photosynthèse dans les 24 premières heures de saturation du sol et à une diminution de 75% après cinq jours (Beckman et coll., 1992). Le temps maximal que peut supporter la canneberge en excès d’eau sans qu’il n’y ait de diminution de productivité est un élément primordial pour évaluer l’efficacité des systèmes de drainage.
1.4.4. Irrigation de refroidissement
Certains producteurs de canneberges utilisent leur système d’irrigation par aspersion pour refroidir le feuillage lorsque la température y atteint un seuil cible. Pour une culture de blé, une courte irrigation de 1.5 mm a permis une réduction de température de la canopée variant de 6.8 à 10.8 °C (Liu et Kang, 2006). Dans cette étude, le refroidissement était efficace pendant 50-60 minutes et a permis un gain de rendement de 4.3%. Dans une production de pommes, cette technique s’est avérée efficace pour réduire la quantité de blessures aux fruits associées aux températures élevées (Parchomchuk et Meheriuk, 1996) ainsi que pour augmenter le rendement (Iglesias et coll., 2005). Dans une production de poires, la température a été réduite entre 3.8 à 5.5 °C suite aux événements
9 d’irrigation de refroidissement lorsque la température de l’air atteignait 29 °C (Dussi et coll., 1997). La couleur des fruits était de qualité supérieure et la maturation des fruits était plus rapide dans les parcelles refroidies. Pour que l’utilisation de l’irrigation de refroidissement soit efficace, la température où le stress thermique survient doit être identifiée. Cependant, cet élément est inconnu pour la canneberge.
1.5. Problématique
La plus récente littérature expose le potentiel du contrôle de nappe en production de canneberges afin de répondre à la nouvelle contrainte de l’industrie : augmenter le rendement et sa qualité tout en diminuant l’impact sur l’environnement. Cependant, l’étude du rendement en fonction de la profondeur de nappe remonte à plusieurs décennies et doit être actualisée en fonction des nouvelles connaissances sur le seuil de démarrage de l’irrigation par aspersion et sur la zone de confort hydrique de la canneberge. En utilisant l’irrigation par aspersion lorsque la tension de l’eau dans le sol atteint le seuil critique en supplément au contrôle de nappe permettrait en tout temps de combler les besoins en eau de la plante et de maximiser son rendement agronomique.
Le maintien d’une profondeur de nappe constante augmente le risque d’engendrer des conditions hypoxiques dans la rhizosphère suite à une précipitation ou une irrigation de protection contre le gel. En plus de maintenir la nappe à une profondeur permettant de combler les besoins en eau de la plante par remontée capillaire, le système de drainage devra permettre d’évacuer les surplus d’eau en respectant la durée que la canneberge peut tolérer des conditions hypoxiques sans subir de baisse de productivité. Cependant, la tolérance de la canneberge aux conditions hypoxiques est à ce jour inconnue.
Le contrôle de nappe menant à une réduction de la fréquence d’irrigation, le microclimat entourant les vignes s’en retrouve modifié en comparaison avec de fréquentes irrigations. En effet, une irrigation traditionnelle de quelques heures en matinée a pour effet de maintenir l’humidité plus élevée et la température plus basse dans le feuillage en comparaison avec le contrôle de nappe. Le déficit de pression de vapeur dans l’air entourant le feuillage sera plus élevé avec le contrôle de nappe, augmentant ainsi les risques de stress thermique lorsque le prélèvement racinaire est inédaquat. Une courte irrigation de mi-journée lorsque la température de l’air dans le feuillage atteint un seuil critique peut être bénéfique pour la plante en favorisant la photosynthèse par la réduction du déficit de pression de vapeur dans l’air entourant le feuillage. Cependant, bien que le
10 seuil de température où survient le stress thermique soit connu dans le cas de plusieurs cultures, il demeure pour l’instant inconnu pour la canneberge.
La détermination de la profondeur de nappe adéquate, de la durée de tolérance de la plante à des conditions hypoxiques, des pertes de rendements associées aux problèmes de drainage et de la température critique compose une problématique qui doit être résolue pour le développement d’une approche intégrée de la gestion de l’eau en production de canneberges. Bien que les impacts de la profondeur de nappe et des problèmes de drainage puissent être déterminés in situ par l’évaluation du rendement de la culture à la fin de la saison, les stress thermiques et hypoxiques doivent être étudiés lors d’événements spécifiques. Dans ces conditions, la caractérisation des échanges gazeux est la mesure la plus adaptée, car la revue de littérature a démontré qu’une diminution de la photosynthèse est l’une des premières réponses observées suite à ces stress. Puisque le carbone assimilé par la photosynthèse sera éventuellement stocké dans les fruits, le taux de photosynthèse est généralement corrélé au rendement agronomique de la culture. Afin de valider l’hypothèse permettant de répondre à la problématique soulevée, certains objectifs ont été formulés et sont présentés à la section suivante.
1.6. Objectifs
L’objectif principal de cette thèse est de développer une approche intégrée de la gestion de l’eau en production de canneberges afin de limiter l’impact des principaux stress environnementaux. Afin de résoudre la problématique soulevée à la section précédente et de répondre à cet objectif principal, les quatre objectifs secondaires suivants ont été formulés:
Déterminer la profondeur de nappe optimale permettant une remontée capillaire suffisante pour combler les besoins en eau de la plante, maximiser le rendement et favoriser un drainage adéquat. (Expérience au champ)
Déterminer l’effet de la durée de saturation du sol (conditions hypoxiques) sur la photosynthèse et sur son taux de récupération. (Expérience en chambre de croissance) Vérifier l’impact potentiel du stress hypoxique en quantifiant les pertes de rendements
11 Déterminer la température maximale que peut tolérer la plante sans baisse de photosynthèse
et évaluer l’efficacité de l’irrigation de refroidissement pour éviter le stress thermique. (Expérience au champ et en chambre de croissance)
12
CHAPITRE 2
Water Table Control for Increasing Yields
and Water Savings in Cranberry
Production
Vincent Pelletier1, Jacques Gallichand1, Silvio Gumiere1, Steeve Pepin1 and Jean Caron1
1Département des sols et de génie agroalimentaire, Université Laval, 2425 rue de l’Agriculture, Université Laval, Québec, Québec, Canada, G1V 0A6;
13
Résumé. L’utilisation du contrôle de nappe en production de canneberges a permis d’améliorer la
durabilité des pratiques culturales reliées à la gestion de l’eau. Dans la province de Québec (Canada), trois sites ont été investigués afin de déterminer la profondeur de nappe (PN) optimale répondant aux trois critères suivant: (1) augmenter les rendements sans toutefois diminuer la qualité des fruits; (2) minimiser l’utilisation du système d’irrigation par aspersion et; (3) éviter les conditions hypoxiques dans la rhizosphère. Les résultats ont démontré que le rendement final, la concentration en sucre des fruits, le nombre de fruits total, le nombre de fruits par tige, et le taux de nouaison étaient maximisés lorsque PN était à 60 cm. L’utilisation de l’irrigation par aspersion a été réduite de 77% lorsque PN était inférieure à 66 cm. Dans le but d’éviter les conditions hypoxiques associées à un drainage lent, le niveau d’eau dans les canaux entourant les champs devrait être abaissé à 80 cm sous la surface du sol lorsqu’une précipitation ou une nuit de protection contre le gel est anticipée. Les champs situés sur un même niveau devraient être entourés par des canaux afin d’assurer une PN uniforme tout en évitant les pertes d’eau par écoulement périphérique causées par des gradients hydrauliques latéraux.
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Abstract. Water table control has been successfully tested to improve the sustainability of water
management in cranberry production. In the province of Québec (Canada), three sites were investigated to determine the optimum water table depth below soil surface (WTD) using three criteria: (1) increasing yield without decreasing fruit quality; (2) minimizing the amount of water needed by the sprinkler system; and (3) avoiding hypoxic stresses in the rhizosphere. Our results show that the final yield, the berry sugar content, the total number of berries, the number of berries per upright, and the fruit set were maximized when the WTD was 60 cm. Sprinkler water savings of 77% were obtained where the WTD was shallower than 66 cm. In order to avoid hypoxic conditions due to poor drainage, the water level in the canals surrounding the beds should be lowered to 80 cm when a rainfall or a frost protection irrigation is anticipated. All sides of a block of beds must be surrounded by canals to ensure a uniform WTD and to avoid lateral hydraulic gradients that could cause peripheral seepage losses.
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2.1. Introduction
More than 98% of cranberries (Vaccinium macrocarpon Aiton) are produced in North America (FAOSTAT, 2015). The beginnings of cranberry cultivation go back to the early years of the 19th century in the state of Massachusetts, USA (Eck, 1990). Massachusetts was the world leader in cranberry production until the 1990s, when the state of Wisconsin, USA, became the largest cranberry producing area. In 2014, the province of Québec, Canada, was the second most important cranberry producer with 110 000 tons for a cultivated area of 3450 ha. The Québec average yield (2005–2014) has increased by 66% from the previous decade (1995–2004) (APCQ, 2015). Part of this increase could be due to a better understanding of hydrological processes and application of related recommendations to water management in cranberry beds. Health benefits related to antioxidant components, such as anthocyanin, have led to an increase in the demand for cranberry over the last few years. Despite its high sugar content, the high concentration in titratable acidity causes the bitter taste of cranberry. The most important yield components related to final yield are the number of marketable berries per area, the number of fruiting uprights per area, the number of marketable berries per upright, and the fruit set (Pelletier et al., 2015). Flower buds are formed during the summer of the previous year while berries formed in early July grow until harvest in October.
Recent developments in wireless communication technology have allowed online soil moisture and air temperature monitoring and real-time irrigation management. For maximizing yield, yield components, and water productivity, there is evidence that the pump should be turned on when soil water tension (SWT) at 10 cm depth in the root zone reaches 7.5 kPa (Pelletier et al., 2013; Pelletier et al., 2015; Caron et al., 2016). Cranberry evapotranspiration ranges between 0.5-4.0 mm day−1 in Washington (Hattendorf and Davenport, 1996) whereas the maximum value was found to be 5.0 mm day−1 in Wisconsin (Bland et al., 1996).
Recent work demonstrates that cranberry is a species sensitive to hypoxic conditions in the rhizosphere. When the SWT is lower than 3.0 kPa, gas exchange and plant productivity are reduced (Caron et al., 2016; Laurent, 2014). For evacuating the excess of water in the soil profile after rainfall, subsurface drainage systems are used. Plastic pipes, 10 cm in diameter, are buried with outlets in canals surrounding the beds. This drainage system allows the WTD to be controlled by adjusting the water level between the reservoir and the drain tubes. Actual drainage systems in cranberry farms have the potential to be used as water table control system, meeting the crop water requirements during the season (Elmi et al., 2010). It is in fact a combination of drainage and
16 subirrigation. Controlling the WTD could considerably reduce the energy and water needed by sprinkler irrigation in cranberry production (Gumiere et al., 2014). When upward water fluxes from the water table are sufficient to support plant transpiration and soil evaporation, the use of sprinkler irrigation is reduced. However, attention should be given in order to avoid waterlogging caused by a too shallow water table and to ensuring fast drainage, even more so with global warming and the potential for increased rainfall intensities (Mailhot et al., 2010). Another risk of maintaining shallow water tables is to increase soil salinity; however, experiments have shown that even applying three times the recommended potassium fertilizer amount does not cause plant stress due to salinity (Samson et al., 2013).
Water table control has been tested for different crops and regions around the world and identified as the best water management practice for reducing the environmental impact and maintaining or enhancing crop yield (Madramootoo et al., 2001; Evans et al., 2015). Determining the optimal WTD for cranberries is then of first importance for using water table control. For early rooting and vegetative growth, growth rate was greatest and rooting depth shallowest with rooted cuttings grown in a greenhouse under WTD at 13 cm compared to 39 and 57 cm (Baumann et al., 2005), and similar results were obtained with WTD at 6 cm in comparison with 35 cm (Hall, 1971). For established beds, based on the soil moisture-WTD relationships, crop water requirements could be supplied through capillary rise with a WTD at 30-50 cm (Handyside, 2003), or 40-60 cm (Caron et al., 2016), and a very high risk of water stress for the crop could result from a WTD at 80 cm (Caron et al., 2016). Maintaining a WTD at an average of 60 cm led the photosynthesis rate and the number of buds produced to be maximized compared to treatments with WTD ranging from 8-35 cm, explained by a lack of oxygen in the root zone in the shallowest WTD treatments (Laurent, 2014). With no sprinkler irrigation in addition to capillary rise, higher fruit yields resulted from a 30-38 cm WTD in three out of five years when compared to 38-46 cm and in four out of five years when compared to 46-54 cm (Eck, 1976). Consequently, it appears that maintaining an optimal WTD combined with sprinklers would maximize established bed cranberry yields, minimize the use of sprinkler irrigation, and meet the drainage requirements.
The objective of this work was to determine the optimal WTD using three criteria: (1) maximizing yield without affecting the fruit quality; (2) minimizing the use of sprinkler irrigation by avoiding SWT above 7.5 kPa; and (3) ensuring fast drawdown of the water table to 40 cm deep (SWT = 3.0 kPa in the root zone) after rainfall and frost irrigation events. Soil water characteristics were initially used to approximate the optimal WTD which was then verified during a two-year field experiment.
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2.2. Experimental section
Experiments were conducted in 2013-2014 on both conventional and organic cranberry production farms in Québec. One section of beds was used at the conventional farm as Site A and two separated sections of beds were used as Site B and C at the organic farm. Detailed characteristics of each site are given in Figure 2.1 and in Table 2.1. All beds were isolated from one another by a 5-m wide dike. The four sides of Site A were surrounded by canals. Bed 4 was not used because it was not the same cultivar. For site B, only three sides were surrounded by canals, and the fourth side consisted in a cranberry bed one meter lower than the experimental beds. One side of Site C consisted in a cranberry bed on the same level than the experimental beds whereas the three other sides are surrounded by canals, but the one canal on the southeast side is only 60-m long. The experimental beds were all on the same level at each site.
Figure 2.1. The experimental sites. Table 2.1. Characteristics of the experimental sites.
Characteristic Site A Site B Site C
General information
Location 46°16’ N – 71°57’W 46°17’N – 71°59’W 46°16’ N – 72°01’W Production Conventional Organic Organic Bed properties
Number of beds 6 3 3
Dimensions of one bed (m x m) 457 x 46 479 x 52 404 x 52 Subsurface Drainage Spacing (m) 11.4 15.2 15.2 Depth (m) 0.8 0.8 0.8 Slope (%) 0.07 0.13 0.15 Sprinklers system Sprinkler spacing (m) 18 15 15
18 Monthly climatic data, from a public weather station located 8 km away from Site A and 5 km away from sites B and C, are given in Table 2.2. Air temperature and growing degree days (GDD) for both years of the experiment were similar to long term averages. The April to September average air temperature was 14.2 °C in 2013, 14.4 °C in 2014, and 13.9 °C for the 1981-2010 period while GDD was 1757 in 2013, 1768 in 2014 and the average was 1715 for the 1981-2010 period. The total rainfall during the growing season of 2013 (666 mm) was similar to that of the long term (660 mm), but was 15% less in 2014 (563 mm). July was drier than the average for both years with approximately 34% less rainfall than the normal for that month.
Soil texture at the three sites is representative of the cranberry soils with 100% of sand. Weight fractions were 5%: very fine sand, 54%: fine sand, 36%: medium sand and 5%: coarse sand. The soil water retention and the hydraulic conductivity curves of the soil in the rhizosphere are shown in Figure 2.2. Saturated hydraulic conductivity is about 150 mm h-1 and saturated and residual volumetric water content are 0.34 and 0.05, respectively (mean values of all three sites). When SWT is below 2.0 kPa (WTD < 30 cm), soil is mostly saturated and this situation could result in hypoxic conditions in the rhizosphere. The hysteresis effect is an important consideration in these soils. When SWT is above 8 kPa (WTD > 90 cm), upward fluxes are negligible which would increase the need for sprinkler irrigation. Hence, from these soil water characteristics, it appears that the optimal WTD should be in the range of 30-90 cm for both sufficient upward flux and adequate drainage, and consequently WTD treatments were chosen to cover that range.
Table 2.2. Monthly climatic data at the experimental site in St-Louis-de-Blandford, Québec, Canada and
long term averages from a public weather station located 8 km away from Site A and 5 km away from sites B and C.
April May June July August September
Air Temperature (°C) 2013 4.5 13.5 15.4 20.5 18.0 13.4 2014 3.9 12.3 18.2 19.8 18.4 13.7 Ave 1981-2010 4.3 11.4 16.7 19.3 18.1 13.6 GDDz 2013 52 255 312 472 408 258 2014 30 229 376 460 409 264 Ave 1981-2010 48 203 353 443 407 261 Rainfall (mm) 2013 38 153 126 87 144 118 2014 123 59 106 86 133 56 Ave 1981-2010 66 106 127 130 119 112 z: Growing Degree Days (5 °C based)
19 Figure 2.2. (a) Volumetric soil water content and (b) hydraulic conductivity in relation with soil water
tension. The curves represent the average of all three sites.
At Site A, the weir at the outlet of the surrounding canals was adjusted 70 cm deeper than the beds’ soil surface during the growing season. Since this block of beds is located at the bottom part of the farm, drainage water continuously flowed from the upstream beds, ensuring the water level to be constant with the weir setting. In order to maintain shallower WTDs, 5 cm inside diameter plastic pipes were installed between the reservoir and the drainage inlet to maintain the WTD at 50 cm in Bed 2, 3, and 6. A float valve was installed on each drain tube inlet to stop water flowing when the equilibrium was reached. Therefore, at Site A, the targeted WTD was 70 cm in beds 1, 5, and 7, and 50 cm for beds 2, 3, and 6. The only form of energy used for adding water to drain tubes was gravity. At Site B, the weir at the outlet of the surrounding canals was adjusted to a depth of 60 cm from the soil surface of the beds. Since these beds are located at the upper position in the farm, water was pumped into the canals when the water level in the canals was 70 cm deeper than the beds soil surface. At Site C, the weir at the outlet of the surrounding canals was adjusted to a depth of 50 cm from the soil surface of the beds and only gravity was used to move water from the reservoirs to the drain tubes.
For investigating the uniformity of the WTD, a total of 133 observation wells have been installed in 2013 and 242 in 2014. Readings were taken once a week with a dipper-T water level indicator from Heron Instruments Inc. (Dundas, Ontario, Canada) and recorded manually. The wells were made from PVC pipes (10 cm outside diameter) cut in 150 cm sections. Holes and diagonal saw cuts were made in each pipe to let the water enter. The bottom of the pipe was sealed with a PVC cap and adhesive. Boreholes were mechanically augured and wells closely fitted inside each borehole. The upper pipe opening was protected with a PVC cap with no adhesive. Wells were distributed to uniformly cover the beds. The WTD data were mapped with the Thin Plates Splines (TPS) method
20 which had been found to be the best spatial interpolator for soil and yield parameters in cranberry fields (Gumiere et al., 2014).
At the three sites, sprinkler irrigation was used to complement water table control when the upward fluxes from the water table were not sufficient to meet evapotranspiration. At Site A, Beds 2, 3, and 6 were managed separately from Beds 1, 5, and 7. Only one irrigation zone was set in 2013 at Site B, but due to drier conditions in Bed 3, it was managed separately from Beds 1 and 2 in 2014. Each bed was equipped with two wireless HXM-80 tensiometers from Hortau (Lévis, QC, Canada), installed at a depth of 10 cm below the soil surface. Readings were taken at 15 min intervals and sent, via a wireless communication system, to the Irrolis website (www.hortau.com, Lévis, Canada) for processing. Irrigation was initiated when the average SWT value in a given irrigation zone reached the threshold value of 7.5 kPa, unless at that time the rainfall probability exceeded 80%. In that case, irrigation was postponed until the rainfall probability dropped below 80%. Standard farming practices (fertilization, pesticide application, pollination, etc.) have been done according to the growers calendars.
Crop yield was evaluated by manually harvesting berries from four 1075 cm2 rings around each observation well. The distance between any two rings was at least 3 m. Yield values were also interpolated and mapped with the TPS method (Gumiere et al., 2014). Mean berry weight was calculated as the weight of 100 marketable berries taken randomly within each ring. The number of berries per ring was calculated as the total weight of the berries divided by the mean berry weight. Berries were counted and weighed on-site. In three 182 cm2 rings per bed, the number of fruiting uprights, the number of marketable and non-marketable berries, and aborted flowers per upright were counted. Fruit set was then computed as the number of berries divided by the sum of berries and aborted flowers. Parameters of fruit quality were evaluated on two samples per bed. In order to use the same berries, each berry was cut in three equal parts for testing total soluble solids (TSS), total anthocyanin (TAcy), and titratable acidity (TA). Berries were crushed to obtain a juice sample for measuring TSS (as Brix) with a HI-96811 temperature-compensating refractometer from Hanna Instruments (Woonsocket, Rhode Island, USA). The TAcy (mg/100 g FW of berries) was determined by the accelerated solvent extraction method (Fuleki and Francis, 1968) using a Genesys 6 spectrophotometer from Thermo Fisher Scientific Inc (Rochester, NY, USA) while TA was measured from titration of NaOH 0.1 N to a pH 8.20 end point and expressed as g/L of tartaric acid. As an evaluation of the taste perception, the ratio of TSS on TA was computed. In addition to linear regressions, the boundary line approach was used to establish the optimum WTD as this
21 method has been suggested for data where the field environmental conditions cannot be controlled, but may have a strong influence on variability (Webb, 1972).
2.3. Results and discussion
2.3.1. First criteria: Increasing yield without decreasing fruit quality
Relationship between yield and WTDThe maximum yield and the highest number of berries were observed when WTD was approximately 60 cm (Figure 2.3). Hypoxic stress could be more damaging than water stress since for each WTD step of 10 cm, the yield increased by 15% between 25 and 60 cm and decreased by 8% between 60 and 120 cm. Those results are consistent with recent studies under controlled conditions where plant activity was maximized when WTD was approximately 60 cm, but reduced in the range of 30-50 cm due to soil aeration limitation (Caron et al., 2016; Laurent, 2014). However, our findings differ from older studies where the authors concluded that WTD should be maintained between 30-50 cm based on soil water characteristics only (Handyside, 2003) or between 30–38 cm when yield were considered, but without the use of sprinkler irrigation (Eck, 1976). Improving water management by using sprinkler irrigation, with a threshold of 7.5 kPa, in addition to WTD control could explain the deeper optimal water table found in our study compared to previous studies. Moreover, deeper WTD promotes faster drainage and will be discussed in Section 3.3.
Figure 2.3. Boundary line approach of (a) yield and (b) number of berries in relation with the averaged
water table depth (WTD) during the growing season of 2014 at Site A ( ), Site B ( ), and Site C ( ). Each value represents the average yield of four 1075 cm2 rings harvested around each observation well
relatively to the maximum yield at each site. 0% 20% 40% 60% 80% 100% 0 20 40 60 80 100 120 Re lative Yield WTD (cm) a 0% 20% 40% 60% 80% 100% 0 20 40 60 80 100 120 Re lative number of b e rrie s WTD (cm) b
22
Mapping the WTD
The averaged observed WTD at Site A was 60 ± 12 cm in 2013 (Figure 2.4a) and 64 ± 13 cm in 2014 (Figure 2.4b). The root square mean error (RSME) of the map was 4 cm for the 2013 values and 2 cm for the 2014 values. The WTD was close to 50 cm where water was added at the northeast end of Bed 2 and Bed 3. Although there is a 2 m deep canal at the southwest end of the block and that the water level in that canal was 70 cm below the soil surface, the WTD dropped from 70 to 100 cm deep within 70 m of the canal. There is another block of beds located 1 m lower downstream (on the right side in Figure 2.4a) and this suggests that the soil below the ditch is not impermeable, which would result in a hydraulic gradient and seepage losses between the two blocks of beds. The average WTD measured in the observation wells at Site B are shown in Figure 2.4c for 2013 and in Figure 2.4d for 2014. The RSME is less than 1 cm for both maps. For both years, the WTD in Bed 1 and Bed 2 were in the desired range of the 50–70 cm, but the WTD in Bed 3 was deeper. There was a gradient in the WTD transverse to the width of the bed caused by Bed 4 (not shown) which soil surface was 1 m lower than that of Bed 3. Water added in the drain tubes of Bed 3 was probably lost to Bed 4 by lateral seepage. The average WTD for Site C was 69 ± 21 cm in 2013 (Figure 2.4e) and 60 ± 8 cm in 2014 (Figure 2.4f). The RSME of the maps is less than 1 cm for both the 2013 and 2014 values. For both years, the WTD was deeper in the southwest part of the beds due to an adjacent block of beds 1 meter lower downstream, as found in Site A. In 2013 (Figure 2.4e), the white zone means that the WTD was deeper than the depth of the observation wells (120 cm).
23 b. Site A - 2014 c. Site B - 2013 d. Site B - 2014 e. Site C - 2013 f. Site C - 2014
Figure 2.4. Filled contour of weekly average water table depth for the three sites between June and
