IRRIGATION, SUBSTRATS ET FERTILISATION DANS
LA CULTURE HORS-SOL DU FRAISIER, DES ENJEUX
POUR UNE PRODUCTION OPTIMISÉE
Mémoire
Valérie Prémont
Maîtrise en sols et environnement
Maître ès sciences (M.Sc.)
Québec, Canada
Résumé
Provenant d’Europe, la culture hors-sol du fraisier débute au Canada et ses paramètres doivent être adaptés aux conditions régionales. Les objectifs étaient d’identifier les substrats locaux adaptés à cette culture, d’en déterminer la régie d’irrigation adéquate et de définir l’impact de la concentration de la solution nutritive sur la culture. Au terme de trois expériences, il s’est avéré que la fibre de coco et les écorces vieillies obtiennent des rendements similaires et que les mélanges sciures-tourbe présentent une problématique d’implantation, particulièrement ceux à forte proportion de sciures. Toutefois, le substrat sciures-tourbe contenant moins de sciures égale les rendements des substrats coco et écorces lorsque l’implantation est réussie. Cette dernière est facilitée par une gestion humide de l’irrigation, et ce, pour tous les substrats. Finalement, la fertilisation européenne recommandée est appropriée pour les conditions régionales. En augmenter la dose n’améliore pas les rendements, mais ne fait qu’accroître les coûts de production.
Abstract
Introduced from Europe, the soilless culture of strawberry only begins in Canada and its parameters must be adapted to regional conditions. The objectives of this study were to find the best suited local substrates for this culture, to determine the appropriate irrigation management and to define the fertilizer concentration effects on the crop. After three experiments, it turned out that the coconut fiber and aged bark substrates obtain similar yields and peat-sawdust mixtures have plant establishment issues, especially when the proportion of sawdust is important. However, the peat-sawdust substrate with a low proportion of sawdust (volume/volume) reaches yields equivalent to coconut and bark substrates when implantation is successful. The latter is facilitated for all the substrates by a wetter irrigation management. Finally, the Europe recommended fertilization is appropriate to regional conditions, as a higher dose does not increase the yields and generates only higher costs related to fertilizers.
Table des matières
Résumé ... iii
Abstract ... v
Table des matières ... vii
Liste des tableaux ... ix
Liste des figures ... xi
Avant-Propos ... xiii
Introduction ... 1
Chapitre 1: Revue de littérature ... 3
1.1 La culture hors-sol du fraisier ... 3
1.2 Les substrats de culture pour le fraisier ... 5
1.2.1 Les matériaux et les mélanges ... 5
1.2.2 Les propriétés physiques des substrats ... 6
1.2.3 Les propriétés chimiques des substrats ... 9
1.2.4 Les propriétés biologiques des substrats ... 10
1.3 La salinité et le fraisier ... 11
1.4 L’irrigation de précision ... 13
1.5 Objectifs et hypothèses ... 15
Chapitre 2: Effects of substrate, matric potential, and fertilization on fruit production and salt accumulation in a soilless strawberry crop ... 17
Résumé ... 17
Abstract ... 18
Introduction ... 19
Materials and methods ... 21
Experiment 1: Spring of 2011 ... 21
Experiment 2: Summer of 2011 ... 24
Experiment 3: Spring of 2012 ... 26
Statistical analysis ... 28
Results and discussion ... 29
Experiment 1 ... 29 Experiment 2 ... 31 Experiment 3 ... 33 Practical implications ... 34 Conclusion ... 35 Acknowledgements ... 36
Chapitre 3: Conclusion générale ... 61
Liste des tableaux
Chapitre 1 : Revue de littérature
Tableau 1: Distribution des particules selon leur diamètre pour divers substrats, adapté de
Londra, 2010 ... 6
Tableau 2: Masses volumiques des substrats de culture, adapté de Verdonck, Penninck, & De Boot, 1983; Verdonck, 1983 ... 8
Tableau 3: Conductivité hydraulique saturée de divers substrats, adapté de Londra, 2010 ... 9
Tableau 4: CEC et pH de divers matériaux de substrats, adapté de Lemaire, 1999 ... 10
Chapitre 2: Effects of substrate, matric potential, and fertilization on fruit production and salt accumulation in a soilless strawberry crop Table 1: Initial fertilizer charge (mg L-1) in the substrates (using the SSE method) ... 37
Table 2: Composition of the nutrient solution (mg L-1) in Experiment 1 (Spring 2011) ... 38
Table 3: Composition of the nutrient solution (mg L-1) in Experiment 2 (Summer 2011) ... 39
Table 4: Composition of the nutrient solution (mg L-1) in Experiment 3 (Spring 2012) ... 40
Table 5: Initial particle size distribution of the four substrates studied and the three experiments ... 41
Table 6: Matric potential and substrate effects on the cumulative total yield (marketable + unmarketable) at the end of the experiment ... 45
Table 7: Average soil solution EC (obtained with a suction lysimeter) of the four substrates (wet treatments only). ... 50
Table 8: Average season marketable and unmarketable yields for one harvest. ... 53
Table 9: Substrate solution EC and pH measured at 3 depths in the culture container at the end of the experiment (substrate solution obtained using the SSE protocol). ... 55
Table 10: Season average marketable yield per harvest ... 56
Table 11: Final dry mass of strawberry plant organs ... 57
Liste des figures
Figure 1: Répartition de la production mondiale de fraises (moyenne 1992-2010) ... 3 Figure 2: Répartition de la production canadienne de fraises (2011) ... 4 Figure 3: Courbes de rétention en eau de trois substrats commerciaux à base d'écorces
(Fafard et Frères ltée.) ... 7 Figure 4: Time course of the total yield per harvest of strawberry plants grown in four
different soilless media. ... 42 Figure 5: Influence in time of matric potential on the total yield per harvest of strawberry
plants grown in soilless media. ... 43 Figure 6: Cumulative total yield at the end of the experiment of strawberry plants grown in
four substrates with two irrigation matric potential thresholds. ... 44 Figure 7: Average leaf dry mass at the end of the first experiment. ... 46 Figure 8: Water retention curves of the initial coconut fiber substrate of the three
experiments ... 47 Figure 9: Water retention curves for the initial peat-sawdust substrates of all the
experiments ... 48 Figure 10: Water retention curves for the initial Ecorce DE substrate of the three
experiments ... 49 Figure 11: Substrate solution electrical conductivity measured at 3 substrate depths in the
culture container (substrate solution obtained using the SSE protocol). ... 51 Figure 12: Marketable yield of each harvest for the 3 production months of summer 2011 in high tunnel ... 52 Figure 13: Time course of the electrical conductivity of the substrate solution extracted
with a suction lysimeter. ... 54 Figure 14: a) Time course of soil solution EC (solution obtained with suction lysimeter) b)
Avant-Propos
Ce mémoire de maîtrise est constitué de trois chapitres. Le chapitre 1 constitue une introduction aux thèmes abordés dans le mémoire. Un article scientifique rédigé en anglais, dont je suis l’auteure principale, est présenté au deuxième chapitre. Finalement, le troisième chapitre fait état des conclusions du mémoire. L’article du chapitre 2 sera soumis à HortScience.
Je tiens à remercier mon directeur de recherche, le docteur Jean Caron, pour ses précieux conseils, sa grande disponibilité et sa motivation contagieuse. Un très grand merci également à Carole Boily, pour sa générosité et sa gentillesse sans limites, ainsi que son soutien constant tout au long de mes études graduées. Je souligne également l’aide de tous les membres de l’équipe du projet de recherche, qui veillent au bon déroulement des expériences, particulièrement Benjamin Parys.
Je remercie aussi toute l’équipe de la ferme Onésime Pouliot, des gens formidables qui ont été d’une aide précieuse pour la réalisation des expériences sur leur site de production. Au même titre, je veux remercier le personnel des serres de l’Université Laval, plus spécifiquement Carole Martinez, Nicolas Pelletier, Rachel Daigle et Nicole Deblois, pour leur contribution dans les projets en serre. Aux étudiants de premier cycle qui ont travaillé fort dans ce projet, un grand merci, votre participation était essentielle et vos efforts ont été grandement appréciés.
Je veux également remercier le Conseil de Recherche en Sciences Naturelles et en Génie du Canada (CRSNG), Hortau et les fermes partenaires pour le soutien financier du projet. Finalement, merci à ma famille, mon conjoint et mes amis, qui m’ont soutenue dans toute cette aventure. Un merci spécial à Amélie, Lise et Annie pour leurs sages conseils de rédaction.
Introduction
Cultivée majoritairement en Europe et aux Amériques, la fraise est un fruit très apprécié mondialement. Cette production populaire fait néanmoins face à des problèmes croissants. La production intensive de cette culture dans plusieurs régions du monde a entraîné l’accroissement d’agents pathogènes dans le sol, comme Phytophtora spp. et Verticillium spp.. De plus, le bromure de méthyle utilisé pour traiter ces agents pathogènes est graduellement interdit à l’échelle mondiale. Enfin, cette production fait face à des coûts de main-d’œuvre élevés et la difficulté de recruter des employés pour récolter et entretenir les cultures s’accroît, obligeant les producteurs à embaucher de la main-d’œuvre étrangère. Pour pallier à ces obstacles, les européens ont développé la culture hors-sol du fraisier. L’utilisation de substrats de culture résout le problème des maladies du sol et la culture surélevée à hauteur d’homme rend les opérations culturales plus agréables pour les employés, tout en réduisant de façon importante les frais de récolte.
Maintenant répandue en Europe, la culture hors-sol commence à se développer au Québec. Cependant, les enjeux sont grands pour les producteurs, qui doivent adapter ce type de culture aux conditions québécoises. Ils doivent notamment faire face à une saison de production plus courte qu’en Europe et à une disponibilité inférieure des produits spécialisés pour la production hors-sol du fraisier (ex : substrats, contenants de culture, types de plants, structures de production, etc.). De plus, pour demeurer compétitifs face aux cultures en champ, les producteurs de fraises hors-sol doivent obtenir des rendements supérieurs et une disponibilité en fruits aux moments où la culture en champ peine à répondre à la demande, par exemple en début de saison ou dans le creux de production entre la fraise à jour court et à jour neutre. Pour atteindre ces objectifs, la culture hors-sol doit être optimisée pour le Québec, et cela passe notamment par l’utilisation de substrats de culture productifs et peu onéreux, d’une irrigation précise et d’une fertilisation adaptée. C’est dans cette optique que ce projet de recherche s’inscrit. Trois expériences ont été menées pour identifier les substrats les plus propices à la culture du fraisier, déterminer leur tension adéquate pour la gestion de l’irrigation et définir la conductivité électrique idéale de la solution fertilisante d’irrigation.
Chapitre 1: Revue de littérature
1.1 La culture hors-sol du fraisier
La culture de la fraise est répandue partout à travers le monde et détient le 19e rang des
fruits les plus produits sur la planète, pour un total en 2010 d’environ 4 millions de tonnes. Ce fruit, très apprécié par les consommateurs, est majoritairement produit aux Amériques et en Europe (Figure 1).
Figure 1: Répartition de la production mondiale de fraises (moyenne 1992-2010)
Les États-Unis d’Amérique dominent le marché de la fraise, suivis de la Turquie, l’Espagne et l’Égypte. La France est le 17e pays producteur et le Canada occupe la 27e place (Food
and Agriculture Organization of the United Nations 2010). Au Canada, la production annuelle en 2011 s’élevait à environ 23 000 tonnes, dont 11 900 provenaient du Québec et 5 200 de l’Ontario, les deux principales provinces productrices de fraises au pays (Figure 2) (Statistique Canada 2011).
Figure 2: Répartition de la production canadienne de fraises (2011)
Depuis les années 80, un nouveau type de culture de la fraise est apparu en Europe et depuis il ne cesse de s’étendre. C’est la culture hors-sol ou dite culture sur substrat. Cette méthode a été développée suite aux problèmes de maladies des sols et de recrutement du personnel. En effet, les problèmes de fatigue du sol causés par des pathogènes tels que Phytophtora spp. et Verticillium spp., combinés à l’interdiction d’utiliser le bromure de méthyle pour les traiter et un manque croissant de personnel fidèle ont engendré une migration de la culture plein sol vers la culture en substrat (Ancay et al. 2010). En 2004, on recensait 1140 hectares de fraises cultivées hors-sol dans l’ouest de l’Europe. Maintenant, la popularité de ce mode de culture gagne toute l’Europe, majoritairement la France, l’Italie, l’Espagne et le Royaume-Uni (Lieten et al. 2004).
Au Québec, la production hors-sol de fraises n’en est qu’à ses débuts et commence peu à peu à se développer. La disponibilité sur le marché des produits spécialisés pour cette production est encore faible, pensons aux types de plants (ex : trayplants), aux substrats adaptés et aux structures hors-sol pour les grands tunnels. De plus, contrairement aux européens, les producteurs québécois doivent faire face au froid, qui réduit la période de production. Conséquemment, les enjeux de la rentabilité sont la durée de production, les rendements et les coûts de gestion et d’infrastructures. La ligne entre le profit et le déficit
est mince, c’est pourquoi des études sont nécessaires pour évaluer le potentiel économique réel de cette production au Québec.
La culture hors-sol du fraisier est majoritairement réalisée sous grands tunnels. Ces structures ressemblent à des serres, à la différence qu’elles sont non-permanentes et que leur climat est peu ou pas contrôlé. Les grands tunnels sont beaucoup moins coûteux que des serres, ils protègent la culture de la pluie et des vents et fournissent un certain réchauffement grâce à l’effet de serre obtenu. De plus, ils permettent d’effectuer une culture plus intensive qu’en champ, car il est possible d’y intégrer une densité de plantation supérieure (Giacomelli 2009). La protection contre la pluie offerte par les grands tunnels permet l’application d’une irrigation précise et d’une fertilisation adaptée à l’intérieur de ceux-ci. Les objectifs liés à l’utilisation des grands tunnels sont l’augmentation des rendements, l’atteinte d’une qualité de fruit optimale et la prolongation de la période de production (Kadir et al. 2006).
1.2 Les substrats de culture pour le fraisier
1.2.1 Les matériaux et les mélanges
En culture hors-sol, une multitude de matériaux sont disponibles afin d’élaborer un substrat de culture. Ils peuvent être de nature inorganique ou organique. Le substrat de culture est généralement un mélange de plusieurs de ces composés, en proportions précises, afin de lui conférer des propriétés optimales de culture. Le choix des composés intégrés dans le mélange dépend de plusieurs facteurs, comme la rétention d’eau, l’aération, la masse, le coût, la disponibilité, etc.
Comme composés de nature inorganique, on trouve le sable, le tuf (roche volcanique), la pierre ponce, la perlite, la vermiculite, les granules d’argile expansée, la zéolite et la laine de roche (Papadopoulos et al. 2008). Les fibres, les écorces et les sciures de bois, la tourbe, la fibre de coco et le compost sont des composés organiques courants (Maher et al. 2008). Évidemment, d’autres matériaux peuvent également être utilisés, telles les écailles de riz, mais ils sont plus inhabituels. Finalement, il existe des composés organiques synthétiques, comme le polyuréthane, le polystyrène et le polyester (Papadopoulos et al. 2008).
En Europe, les principaux substrats utilisés en culture hors-sol du fraisier sont la laine de roche, la fibre de coco, la tourbe, les écorces de pin et les mélanges de tourbe blonde et d’écorces de pin (Guérineau et al. 2003).
1.2.2 Les propriétés physiques des substrats
En culture hors-sol, le choix du substrat est une étape très importante, car la gestion de la culture et la réussite de l’ensemble dépendent fortement de ses propriétés physiques. Celles-ci sont notamment modulées par le diamètre des particules de substrat et leur arrangement. En effectuant le tamisage des substrats, on obtient les pourcentages de répartition des particules selon leur diamètre. Le Tableau 1 présente la répartition des particules pour quelques substrats, composés de tourbe de sphaigne Lituanienne, de fibre de coco (sous-produit de la production de noix de coco) et de perlite.
La connaissance des proportions de particules fines et grossières contenues dans chaque mélange de substrat permet de mieux comprendre plusieurs de ses propriétés, comme sa rétention en eau, sa porosité et son aération (Wallach 2008). De plus, la mesure de la répartition des particules en début de culture et à la fin de celle-ci donne un indice de la stabilité du substrat dans le temps.
Tableau 1: Distribution des particules selon leur diamètre pour divers substrats, adapté de Londra, 2010
Distribution des particules selon leur diamètre (% du poids) Diamètre des particules (mm) Tourbe 75/25 tourbe/perlite 50/50 tourbe/perlite 50/50 coco/perlite Perlite > 8,00 7,65 5,97 4,51 0,00 0,00 8,00 – 4,00 17,44 17,77 13,75 4,87 5,83 4,00 – 2,00 16,56 34,40 31,93 27,50 42,69 2,00 – 1,00 17,64 15,07 21,85 25,89 30,45 1,00 – 0,50 19,08 12,57 11,22 19,29 8,67 0,50 – 0,25 11,49 6,51 7,18 12.79 2,22 0,25 – 0,125 5,74 3,43 3,94 5,26 1,41 0,125 – 0,068 2,86 2,23 2,72 2,20 3,37 < 0,068 1,54 2,06 2,90 2,20 5,37
La courbe de rétention en eau permet de connaître les capacités de stockage en eau d’un substrat. Elle indique la variation de la teneur en eau du substrat selon le potentiel matriciel
(ou tension). La Figure 3 montre trois courbes de rétention pour des substrats commerciaux à base d’écorces. La tension représente la force de succion que les racines doivent exercer afin de prélever l’eau dans le sol. Ce paramètre est donc un bon indicateur du niveau de sécheresse du sol. En effet, lorsque le sol s’assèche, la tension du sol augmente et la plante doit exercer une force de plus en plus grande pour soutirer l’eau dont elle a besoin.
Figure 3: Courbes de rétention en eau de trois substrats commerciaux à base d'écorces (Fafard et Frères ltée.)
La disponibilité de l’eau est fonction des espaces vides entre les particules de sol, appelés les pores, qui peuvent être remplis d’air ou d’eau. La grosseur de ces espaces et leurs connexions modulent la disponibilité de l’eau aux plantes. En effet, les pores de grande dimension (macropores) vont retenir l’eau beaucoup moins fortement que ceux de faible dimension (micropores). Après une irrigation, les macropores se vident rapidement et un certain volume d’air s’y infiltre, alors que les micropores conservent l’eau grâce à la tension capillaire, cela correspond à la capacité en pot. Pour prélever l’eau dans ces petits interstices, les racines doivent exercer une force égale ou supérieure à cette tension capillaire. Finalement, la plante entre en état de stress hydrique lorsqu’elle n’est plus capable d’exercer la tension nécessaire pour prélever l’eau des micropores, c’est le point de flétrissement.
La densité apparente est la masse sèche d’un sol par rapport à son volume. Elle est aussi appelée la masse volumique apparente sèche. Cette valeur est préférée à la masse volumique réelle, puisqu’elle intègre les caractéristiques intrinsèques de la phase solide (Musy & Soutter 1991). Quelques masses volumiques de divers substrats sont présentées au
Tableau 2. Dans certaines productions hors-sol, la densité apparente peut devenir un critère de sélection de substrat. Par exemple, un substrat de forte densité est préféré dans une production extérieure d’arbres en pot afin d’éviter qu’ils ne basculent sous l’effet du vent, alors qu’un substrat de faible densité est plus adapté pour les productions en serre qui nécessitent beaucoup de manutention (Wallach 2008). La densité apparente peut également fournir un indice de la compaction d’un substrat de culture.
Tableau 2: Masses volumiques des substrats de culture, adapté de Verdonck, Penninck, & De Boot, 1983; Verdonck, 1983
Substrat Masse volumique (g·cm-3)
Tourbe blonde 0,077
Tourbe brune 0,107
Écorce 0,272 Poussière de fibre de coco 0,066
La conductivité hydraulique saturée (Ksat) est un coefficient caractérisant la vitesse à laquelle l’eau circule dans un sol lorsqu’il est saturé. C’est la grosseur des pores et leur arrangement dans le sol qui détermine la vitesse de passage de l’eau (Jury et al. 1991). Ainsi, chaque sol ou substrat possède une conductivité hydraulique saturée propre, qui peut varier selon le niveau de compaction. En culture hors-sol, ce coefficient, issu de la loi de Darcy, permet entre autres d’estimer la vitesse de ressuyage de l’eau dans le substrat après une irrigation. Le Tableau 3 présente des valeurs de conductivités hydrauliques saturées pour quelques substrats de culture.
Équation de Darcy
Q Ksat A ∆H L
Ksat = conductivité hydraulique saturée Q = débit
A = surface
ΔH = Gradient hydraulique L = hauteur de l’échantillon
Tableau 3: Conductivité hydraulique saturée de divers substrats, adapté de Londra, 2010 Substrat Masse volumique apparente
(g·cm-3)
Conductivité hydraulique saturée (cm·min-1) Tourbe 0,0815 1,32 75/25 tourbe/perlite 0,1003 3,54 50/50 tourbe/perlite 0,1159 7,13 50/50 coco/perlite 0,0939 11,07 Perlite 0,1039 8,76
1.2.3 Les propriétés chimiques des substrats
Les caractéristiques chimiques d’un substrat influencent la culture et peuvent modifier l’absorption des fertilisants par la plante.
La conductivité électrique (CE) mesure les ions conducteurs d’une solution et peut être mesurée sur une solution extraite du substrat (par SSE ou par lysimètre à succion) ou évaluée directement dans le substrat (par exemple, avec une sonde de type TDR). Cette conductivité électrique (communément appelée salinité) est fortement influencée par l’ajout de fertilisants et peut se révéler dommageable pour les plantes si elle devient trop élevée. En effet, une concentration d’ions trop élevée entraîne une modification du potentiel osmotique du milieu de culture, limitant ainsi les racines dans l’absorption d’eau et d’éléments minéraux. En culture hors-sol, la fertilisation est généralement intégrée à l’eau d’irrigation et la régie de la culture est alors fortement dépendante de la gestion de la salinité. Le guide français de culture du fraisier sur substrat recommande d’irriguer avec une solution de 0,6-0,8 à 1,5-1,6 dS m-1 en période végétative, de 1,0 à 1,8 dS m-1 en
période de floraison et de 0,8 à 1,5 dS m-1 lors de la fructification. De plus, il est suggéré de
maintenir un lessivage journalier de 20% et un écart maximal du pH et de la CE de 20% entre la solution d’irrigation et de lessivage (Guérineau et al. 2003).
La capacité d’échange cationique (CEC) est un indice de la capacité que possède un substrat d’échanger des cations en solution avec des cations adsorbés. En culture hors-sol, l’analyse de la CEC permet donc d’évaluer l’aptitude du substrat à retenir les éléments minéraux essentiels à la croissance végétale (Lemaire 1999). La plupart des matériaux
organiques possèdent une CEC moyenne ou élevée, alors que les matériaux minéraux ont une CEC très faible (Tableau 4).
Tableau 4: CEC et pH de divers matériaux de substrats, adapté de Lemaire, 1999 Type de matériaux CEC (eq/m3) pH à l’eau
Matériaux organiques
Tourbe brune française 200 à 400 5,0 Compost d’écorce de bois dur 184 7,5
Compost de déchets 158 6,5
Tourbe blanche 115 4,5
Écorce de pin fraîchement moulue 95 5,1
Fibres de bois 10 4,5 Matériaux minéraux Vermiculite grossière 27 7,5 Perlite grossière 6 6,9 Vermiculite fine < 2 8,7 Laine de roche 0 7,5 Sable 0 6 à 8 Zéolite* 1-1,2 -
*Valeur de la zéolite issue des spécifications de la compagnie Bear River Zeolite Co., Inc.
Le pH influence la disponibilité d’absorption de certains éléments par la plante. Pour la culture de la fraise hors-sol, le pH idéal est de 5,8 (Guérineau et al. 2003). Les matériaux utilisés dans la composition des substrats de culture ont tous des pH différents (Tableau 4), qui ne correspondent pas toujours aux valeurs ciblées pour les cultures hors-sol. C’est pourquoi il est important d’ajuster le pH d’un substrat avant son utilisation (ex : avec de la chaux).
1.2.4 Les propriétés biologiques des substrats
Les substrats de culture de nature organique sont souvent propices au développement de microorganismes et leur population varie selon le type de substrat et le mode de culture (ex : circuit ouvert ou fermé) (Martínez et al. 2013). De plus, ces microorganismes ont généralement la capacité de dégrader les substrats organiques, par les processus de minéralisation et d’humification. Pour évaluer la biostabilité d’un substrat, plusieurs techniques peuvent être employées, comme la détermination du rapport carbone/azote
(C/N), la mesure du taux de respiration, le calcul de l’index de biostabilité et le dosage de la cellulose, l’hémicellulose et la lignine (Lemaire 1999).
1.3 La salinité et le fraisier
La salinité correspond au contenu en sels solubles dans une solution. Elle peut être exprimée sous la forme d’une concentration (C) de solutés par volume (mol m-3, g m-3 ou
mg L-1) ou une concentration d’ion (meq L-1). Elle peut également être estimée par la
conductivité électrique (CE), dont l’unité internationale est le dS m-1, en raison de la forte
relation linéaire existante entre ces deux paramètres (C = 640 EC) (Hoffman & Shannon 2007). La conductivité électrique est le paramètre le plus utilisé pour évaluer la salinité des sols et des substrats de culture. Généralement, les ions contribuant à la salinité des sols sont le sodium, le calcium, le magnésium, le potassium, les bicarbonates, les sulphates, les chlorures et les nitrates (Tanji & Kielen 2002). La sodicité correspond à une salinité causée par une augmentation trop importante du niveau de sodium par rapport au niveau de calcium et de magnésium.
La FAO a dressé un tableau de valeurs seuils critiques de CE pour plusieurs cultures, au-delà de lesquelles des baisses de rendement peuvent être observées. Pour le fraisier, considéré sensible à la salinité, la valeur seuil est fixée à 1,0 dS m-1 et les pertes de
rendements sont estimées à 33% pour chaque unité de dS m-1 supplémentaire suite au
dépassement du seuil (Tanji & Kielen 2002).
Les réactions de la plante face à une hausse de salinité s’effectuent en deux phases distinctes : la phase osmotique et la phase ionique (Munns et Tester 2008).
Lors de l’accumulation des sels dans le sol, la tension osmotique de la solution du sol augmente. Ainsi, la plante doit ajuster son niveau de solutés dans les racines pour maintenir le gradient osmotique nécessaire à l’entrée d’eau dans ses cellules. L’ajout de sels dans la solution du sol cause une diminution de l’utilisation de l’eau par la plante (Khayyat et al. 2011; Kaya et al. 2002), ce qui limite la plante dans sa croissance et sa production de fruits. À plus long terme survient la phase ionique, lorsque l’accumulation des ions par la plante atteint un niveau critique. Cette accumulation survient généralement dans les feuilles
matures qui ont terminé leur croissance et ne peuvent donc pas diluer les sels dans de nouvelles cellules (Munns & Tester 2008). Chez le fraisier, l’augmentation de la salinité de l’eau d’irrigation cause donc, à long terme, des dommages foliaires, ainsi qu’une diminution du nombre de feuilles par plant (Bisko et al. 2010). Les rendements en fruits sont aussi affectés, car l’augmentation des sels cause une baisse du nombre de fruits par plant et une réduction du calibre des fruits (Ondrašek et al. 2006). Non seulement la salinité fait diminuer la masse végétale, les rendements, la taille du plant et la surface foliaire, mais elle cause également une baisse des acides titrables et des solides solubles des fruits (Kepenek & Koyuncu 2002). Finalement, une salinité de 30 mmol NaCl L-1 diminuerait les
rendements de plus de 50% dans une production hydroponique de fraises (Rahimi et al. 2011).
Dans une culture de tomates de serre, l’augmentation de la conductivité électrique d’irrigation peut augmenter la qualité des fruits (Adams 1991), c’est pourquoi certains ont tenté d’obtenir des résultats similaires dans la culture de la fraise. Toutefois, les résultats sont moins probants et les études souvent contradictoires. En effet, en présence d’une salinité modérée au NaCl et d’un cultivar tolérant, une augmentation des composés antioxydants est observée (Keutgen & Pawelzik 2007), alors qu’une diminution de l’indice Brix est notée (Saied et al. 2005). Finalement, la variation de la CE d’une solution d’irrigation pendant les divers stades de culture tend à modifier certains paramètres de qualité des fruits, comme le calibre, la douceur et l’arôme, mais la réponse de la culture est si complexe qu’elle devient difficile à interpréter (Sarooshi & Cresswell 1994).
Les impacts de la salinité sur le fraisier sont réels et se situent autant au niveau de la croissance végétative que de la production de fruits. Comme peu d’études détectent un lien entre l’augmentation de la salinité et l’amélioration de la qualité des fruits et qu’un bon nombre d’articles démontrent des impacts négatifs sur la culture, beaucoup d’efforts en recherche sont investis partout dans le monde afin de trouver des solutions qui limiteraient les effets néfastes de la salinité sur le fraisier. Plusieurs études suggèrent que l’ajout de calcium dans le milieu de culture diminuerait les impacts négatifs de la salinité (Kaya et al. 2002; Khayyat et al. 2011). Comme les sels dans le sol sont difficiles à contrôler, les recherches se concentrent aussi beaucoup au niveau de la plante. Il est connu que certains
cultivars présentent une meilleure résistance à la salinité que d’autres (Barroso & Alvarez 1997; Saied et al. 2005; Bisko et al. 2010). Ainsi, le développement de cultivars tolérants et de fraisiers transgéniques résistants à la salinité est en cours (Husaini & Abdin 2008). De plus, l’association du fraisier avec des mycorhizes permettrait d’atténuer la diminution de croissance liée à la salinité (Fan et al. 2011).
Tous ces efforts de recherche se concentrent beaucoup sur la salinité causée par le NaCl dans le sol (la sodicité), un phénomène très présent dans les régions côtières ou arides, comme la Californie, l’Iran et la Turquie. Cependant, très peu d’études portent sur une hausse de salinité causée par les fertilisants, comme c’est le cas en culture sur substrat. Ainsi, il est plausible de croire que les impacts de la salinité sur le fraisier en substrat ne sont peut-être pas les mêmes. Des études supplémentaires sur ce sujet devront être effectuées pour quantifier les conséquences d’une salinité engendrée par les fertilisants sur le fraisier.
1.4 L’irrigation de précision
À l’échelle mondiale, la gestion de l’eau est devenue un enjeu très important. Tous s’accordent pour dire que l’avenir de l’agriculture passe par une meilleure efficacité de l’utilisation de l’eau. La FAO croit que dans le futur, la fertigation, l’irrigation de déficit, la réutilisation des eaux usées et l’irrigation de précision seront des éléments-clés pour les systèmes d’irrigation (Collette et al. 2011).
Le principe de l’irrigation de précision repose sur l’ajustement de l’irrigation en fonction des besoins en temps réel des végétaux. C’est donc l’application au bon moment de la bonne quantité d’eau. Dans cette optique, il est nécessaire d’évaluer les besoins de la plante, ce qui est possible par plusieurs méthodes.
La première est d’estimer les besoins de la plante en fonction des facteurs climatiques, via le calcul de l’évapotranspiration (ETP). Par exemple, une ferme munie d’une station météorologique complète peut calculer l’ETP et faire correspondre ses irrigations sur les valeurs obtenues.
Une autre méthode repose sur la détection de la réserve en eau du sol. Il existe des sondes de teneur en eau qui mesurent directement ce paramètre. En sachant la teneur en eau à laquelle le flétrissement végétal survient pour une espèce donnée, il est facilement possible de déclencher une irrigation lorsque ce seuil est atteint par la sonde. Une mesure indirecte de la teneur en eau peut également être obtenue, c’est la tension du sol (aussi appelée le potentiel matriciel).
Pour chaque sol, il existe une relation précise entre la teneur en eau et la tension, qui prend forme dans une courbe de rétention en eau. À l’aide de cette courbe, il est possible de connaître la tension critique de flétrissement. Un des avantages à utiliser la sonde de tension (tensiomètre) par rapport à la sonde de teneur en eau est l’augmentation de précision de mesure lorsque la teneur en eau diminue. En effet, lorsque le sol s’assèche, un petit changement de teneur en eau peut entraîner une grande variation de la tension. Ce faisant, le changement de tension sera détecté avant celui de la teneur en eau, permettant d’effectuer une irrigation avant que le stress ne survienne. L’utilisation de cette technologie peut donc mener à l’obtention de rendements supérieurs, puisqu’elle permet d’éviter les stress hydriques chez la plante (Shock & Wang 2011).
En culture hors-sol, la gestion précise de l’irrigation revêt une importance capitale, compte tenu du faible volume de substrat disponible pour la rétention d’eau et du fait que la culture est à l’abri de la pluie. De plus, l’irrigation est essentielle pour lessiver les sels qui s’accumulent dans le substrat suite à son assèchement graduel. En culture hors-sol la gestion de l’irrigation par tensiométrie est possible et peut augmenter les rendements, mais les seuils de déclenchement doivent être déterminés en fonction de la culture, du substrat de culture et de la hauteur de sol (Lemay et al. 2012; Shock & Wang 2011).
1.5 Objectifs et hypothèses
L’objectif principal de cette étude est l’optimisation de la productivité du fraisier en culture hors-sol via le choix du substrat et des paramètres de culture qui y sont liés, comme le potentiel matriciel et la fertilisation. Ainsi, les objectifs spécifiques sont 1) d’identifier le ou les substrats les plus adaptés pour le fraisier; 2) de déterminer le seuil de potentiel matriciel de déclenchement des irrigations adéquat pour chaque substrat; 3) de définir la conductivité électrique idéale de la solution fertilisante d’irrigation et les effets de sa hausse sur le fraisier.
Les hypothèses sont 1) les substrats sciure-tourbe (30% de sciures d’épinette/ 70% tourbe; 70% de sciures d’épinette/ 30% de tourbe V/V) permettent l’obtention de rendements équivalents à ceux des autres substrats; 2) le fraisier bénéficie d’une gestion humide (potentiel matriciel entre -1,0 et -1,5 kPa); 3) l’utilisation d’une solution fertilisante avec une conductivité électrique recommandée par le CTIFL (de 0,8 mS à 1,8 mS cm-1 selon le
stade de la culture) permet l’obtention d’une qualité de fruits et de rendements supérieurs par rapport à une fertilisation augmentée dont la valeur de CE dépasse celle recommandée.
Chapitre 2: Effects of substrate, matric potential, and
fertilization on fruit production and salt accumulation in
a soilless strawberry crop
Résumé
La culture hors-sol du fraisier est de plus en plus populaire en Europe, principalement suite aux problèmes de pathogènes dans les sols et de recrutement du personnel. Au Canada, ce type de production en est à ses débuts et les paramètres de culture doivent être adaptés pour le climat et les conditions régionales. Trois expériences ont été menées dans la région de la ville de Québec pour identifier parmi les substrats disponibles localement ceux qui seraient les plus adaptés pour le fraisier, pour cibler la régie d’irrigation adéquate de chaque substrat et pour déterminer la conductivité électrique (CE) idéale de la solution nutritive appliquée. En plus de la fibre de coco (Coco) et d’un substrat à base d’écorces vieillies (Ecorce DE), deux substrats de sciure-tourbe ont été testés, un possédant une forte proportion de sciures (PA40) et l’autre en contenant moins (PA25). Les résultats montrent que les substrats Ecorce DE, Coco et PA25 ont le même potentiel de production, mais que l’implantation des plants dans le substrat PA25 est plus critique. Le substrat PA40 s’est révélé peu adapté pour le fraisier, probablement dû à l’immobilisation des éléments nutritifs par la sciure de bois. Pour tous les substrats, une régie humide (irrigation démarrée de -1,0 à -1,5 kPa) favorise la croissance et la production de fruits des plants, par rapport à une régie sèche (irrigation démarrée de -1,5 à -2,5 kPa). Finalement, la CE recommandée d’irrigation de 1,0 à 1,5 dS m-1 est adéquate pour le fraisier hors-sol et son augmentation n’a aucun effet sur la
Abstract
Soilless strawberry crops are getting popular in Europe, mainly because of soil pathogens and staff recruiting problems. This type of production is beginning in Canada, but the crop management parameters must be adjusted for the climate and the conditions of this region. Three trials were conducted in the Quebec City area to identify the most promising locally found substrates for strawberry, to find the appropriate irrigation management for each substrate and to determine the proper EC for the applied nutrient solution. In addition to a coconut fiber substrate (Coco) and an aged bark substrate (Ecorce DE), two peat-sawdust substrates were tested, one with a high proportion of sawdust (PA40) and the other with less sawdust (PA25). The results show that Ecorce DE, Coco and PA25 have the same productivity potential, but that strawberry plant establishment is critical in the PA25 substrate. The PA40 substrate is not appropriate for this crop, probably due to the nutrient immobilization by the sawdust. For all the substrates, wetter conditions (irrigation started at -1.0 to -1.5 kPa) enhance plant growth and fruit production compared with drier ones (irrigation started at -1.5 to -2.5 kPa). Finally, the recommended irrigation EC of 1.0-1.5 dS m-1 is appropriate for soilless strawberries; increasing it does not affect the crop and brings
Introduction
Strawberry is one of the most popular fruit in the world and is produced almost on every continent. In some regions, this crop is affected by soil pathogens, like Phytophtora spp. and Verticillium spp., and the use of methylbromide is gradually banned worldwide (Lieten et al. 2004). In addition, hard working conditions associated with the conventional cultivation of strawberries make it difficult to recruit staff (Ancay et al. 2010). For these reasons, many producers have found advantageous to move on to soilless culture, especially in Europe.
Many substrates are available for soilless culture, and the choice is made based on physical/chemical characteristics, costs and ecological concerns. Widespread in many soilless crops, coir is an organic substrate made with waste products of the coconut industry. Coir is mainly exported from Sri Lanka, Vietnam, India, Philippines, Mexico and Ivory Coast (Maher et al. 2008). The quality of the product and its properties may considerably vary from one supplier to another, depending on the process used (Evans et al. 1996; Abad et al. 2002). Coir sometimes contains high levels of sodium, chloride and potassium that need to be leached with a calcium nitrate solution before planting the crop. Sawdust is a wood industry by-product easily available in Canada at a low cost. Mixed with peat, it constitutes a substrate with interesting physical properties. Tested in a greenhouse tomato crop, this peat-sawdust substrate showed a high productivity potential with suitable irrigation management (Lemay et al. 2012). However, sawdust nutrient immobilization properties (Vano et al. 2011; Tilston et al. 2009; Szili-Kovács et al. 2007) and its limited water availability (Allaire et al. 2005) can limit growth and fruit production. Jarosz & Konopinska (2010) have obtained lower strawberry yields with a peat and pine sawdust (ratio 1:1) substrate compared to a peat and a peat-bark substrates. Naasz et al. (2009) found that apparent phytotoxicity of some barks may be related to insufficient aeration caused by microbial activity. Also, peat-sawdust substrates present risks of salt accumulation (Létourneau 2010). Therefore, peat-sawdust substrates may possess a great productivity potential, but only with appropriate particle size distribution and irrigation management.
Tensiometer based irrigation is widely used for many crops, both in the fields and in soilless cultures. This irrigation management type must be adjusted for each crop and substrate, to optimize its benefits (Shock & Wang 2011). In a greenhouse tomato crop, this irrigation system has resulted in higher yields (Lemay et al. 2012). As tensiometers are particularly suited for soils with a high water content (Durner & Or 2005), they are compatible with soilless culture, where the soil water tension is generally maintained in a range of 1 to 6 kPa (Shock & Wang 2011).
Fertigation is crucial in the management of a soilless culture, and the EC of the irrigation solution is the parameter used to control it. Applied EC recommended by the soilless strawberry CTIFL production guide (Guérineau et al. 2003) is 0.6-0.8 dS m-1 at planting,
increasing progressively at 1.5-1.6 dS m-1 until first flowers. CTIFL recommended EC is
1.0-1.8 for the flowering period and 0.8-1.5 dS m-1 at the fruit production, depending on
climatic conditions. However, Sarooshi & Cresswell (1994) reported that Australian growers use solutions of 2 dS m-1. Worldwide, a lot of studies are made on NaCl salinity,
and the results are sometimes contradictory. Keutgen & Pawelzik (2007) found an increase of fruit quality parameters in presence of a moderate NaCl salinity (40 mmol L-1), but most
of studies report damages to strawberry plants at EC solutions from 2.6 to 8 dS m-1 (Saied
et al. 2005; Ondrašek et al. 2006). It is therefore possible to think that strawberry plants are sensitive to a NaCl salinity and tolerant to other forms of salinity induced by high ionic concentrations (sulphate, potassium, carbonate).
The goals of this study were to identify the best organic substrates and their appropriate matric potential for the strawberry soilless culture, to try these parameters in a commercial context, and to find out the suitable irrigation solution EC for this crop. There is also interest in evaluating the productivity of locally produced low cost peat-sawdust substrates for strawberry crops in Quebec.
Materials and methods
This study includes three experiments: Spring of 2011, Summer of 2011, and Spring of 2012.
Experiment 1: Spring of 2011
This run was carried out in the high performance EVS greenhouses at Université Laval, Quebec City, Canada (lat. 46°77’56” N, long. 71°28’29” W) from April 11 to June 21, 2011. The purpose was to study four types of substrates (coconut fiber, PA25, PA40 and Ecorce DE) and two matric potential irrigation triggers (wet or dry), to perform 8 treatments as follows:
1. Coconut fiber and irrigation threshold of -1.0 kPa 2. Coconut fiber and irrigation threshold of -1.5 kPa 3. PA25 and irrigation threshold of -1.5 kPa
4. PA25 and irrigation threshold of -2.5 kPa 5. PA40 and irrigation threshold of -1.5 kPa 6. PA40 and irrigation threshold of -2.5 kPa 7. Ecorce DE and irrigation threshold of -1.5 kPa 8. Ecorce DE and irrigation threshold of -2.5 kPa
The experimental design was a randomized complete block design, composed of six blocks, for a total of 48 experimental units (EU).
The matric potential triggers were not the same for the coconut substrate, because of its low height and its high saturated hydraulic conductivity. These irrigation thresholds must be adapted for each crop and substrate, as shown in other studies (Shock & Wang 2011; Lemay et al. 2012). The coconut fiber was a 18 L grow bag, 72 cm long (Performa Globalys, Groupe Horticole Ledoux). Except for the coconut, all other substrates were in 10 L plastic containers (ITML model NCS03000, Myers Industries Lawn & Garden Group, Middlefield), in which three bare root strawberry plants (Fragaria × ananassa Duch. Seascape) were inserted. There were 9 plants in each coconut growing bag. Each EU was made up of 9 plants (1 coconut growing bag or 3 plastic containers), thus setting the density at 9 plants m-1 or 24.5 plants m-2. The PA25 and PA40 substrates were made of peat and
spruce sawdust in different proportions (70% and 30% V/V) of sawdust for PA25; 30% peat and 70% of sawdust for PA40). Non-treated spruce sawdust was sieved to remove all particles having a diameter higher than 6 mm. The medium quality peat, classified as class H4-H5 in the von Post scale of decomposition, was sieved to remove all particles with a diameter under 0.5 mm. The peat had its pH adjusted and received a fertilizer charge (Table 1) at the manufacturing facility. The commercial substrate Ecorce DE (Fafard et Frères ltée., Saint-Bonaventure) was made of aged bark, sphagnum moss, compost and sand. It also received a fertilizer charge (Table 1) at the manufacturing facility.
One treatment was drip irrigated when the mean of its three tensiometers (T or TX model, Hortau inc., Saint-Romuald) reached the matric potential set point. The irrigation system was automated and programmed to work only during the day, in the active period of the plant. Each strawberry plant was equipped with an angle barber stake connected to a dripper (2 L h-1 WPJC, Netafim USA Ltd., Fresno). In the greenhouse, a PRIVA system
(Priva B.V., Vineland Station) controlled the climate. The temperature was maintained between 21°C and 23°C during the day and 17°C at night. The humidity was kept at 50%. Since the experiment was conducted in the spring when natural light was insufficient for plant growth, artificial lighting was provided. Lights were turned on at 10:30 a.m. and turned off at 4 p.m.; however, at times, when the temperature rose too much, they were shut off during the day.
Flowers were hand-pollinated with a hair dryer set at the cool setting. In order to extend the establishment period, the first flowers were cut. Fertilization was conducted as described in CTIFL’s soilless strawberry production guide (Guérineau et al. 2003). A detailed description of nutrient concentration (ppm) in the fertilizer solution is provided in Table 2. For the establishment, the electrical conductivity (EC) of the irrigation solution was set to 0.6 mS and progressively increased to 1.6 mS. The EC was maintained at 1.2 mS during the flowering and fruit production period.
Measurements
Physical characterization was conducted on the substrates before and after the growing period, in order to obtain the particle distribution, the saturated hydraulic conductivity, the
water retention curve, and the bulk density. Particle distribution was obtained by manually sieving the dried substrates during 3 minutes using a set of 8 sieves with different sieve openings (16, 8, 4, 2, 1, 0.5, 0.25 and 0.1 mm) and weighing content retained by each sieve. The initial particle size distribution of the four substrates for the three experiments is shown in Table 5. The water retention curves were determined by relating the substrate sample weight and volume to its matric potential, measured using a tensiometer inserted vertically at middle-height of the sample. The matric potential was adjusted using tension tables, on which the samples were placed. The samples consisted in PVC cylinders individually filled with the substrates, using the same density than that of the containers of the experiment. As the coconut samples were expanded slab parts, they were not placed into cylinders, but into square-shape boxes (without top and bottom). The bottoms of the cylinders / boxes were covered with a 1.5-mm nylon mesh. After a slow saturation and a measurement of water content using a TDR probe, the samples were allowed to drain and weighed. Then, they were placed on a tension table and the matric potential was gradually reduced until the complete water desorption was achieved (around -10 kPa). Sample weight, volume and matric potential were measured after equilibrium at each step of the desorption curve. When maximal desorption was achieved, the samples were oven-dried at 105°C to measure dry bulk density and volumetric water content at each step of the curve. The bulk density was measured by weighing the dry mass of a known volume of substrate, generally a PVC cylinder filled with substrate (same density than experiment). The saturated hydraulic conductivity (Ks) was determined before the growing period using cylinders filled with
substrate (same density than that of the containers), and after the growing period using cylinders filled with undisturbed substrate taken directly from the growing containers. The bottom of the cylinders were covered with a 1.5 mm nylon to maintain the growing media particles. A constant water head was applied to the samples using a graduated Mariotte bottle. At steady state conditions, the water flux (Q) was measured and incorporated with the other parameters (substrate height and surface, hydraulic gradient) into Darcy’s law to calculate the Ks.
Every week, total yields were weighed and divided into two groups: marketable and unmarketable yields. Volume measurement, electrical conductivity (EC) and pH were recorded daily on the leaching solutions of blocks 1, 4 and 5. The irrigation length of time
was adjusted every day based on the leaching values (EC and leaching percentage) of the previous day (20 to 30% leaching fraction required). Weekly, a little amount of substrate solution was extracted at mid-height of the container using a suction lysimeter (Soil water sampler 1905, Soilmoisture Equipment Corp., Santa Barbara) pumped at a tension of 5 to 6 kPa. The pH and EC were then measured directly on the collected solution. At the end of the experiment, strawberry plants were cut at the collar and their leaf dry mass measured after drying at 65°C. As for the substrates in the containers and grow bags, they were divided into three parts in order to measure the pH and the EC at the top, middle and bottom of the substrate. Fresh substrate samples were saturated with water and after 2 hours of waiting time, the pH was measured. Then, solution was extracted from the samples and the EC measured on the solution. Protocol followed of this method, called SSE (saturated soil extraction) was taken from the Conseil des productions végétales du Québec (1988). Experiment 2: Summer of 2011
This experiment was carried out in a commercial strawberry production at Saint-Jean-de-l’Île-d’Orléans, Canada (lat. 46°90’13” N, long. 70°93’70”W), from May 30 to October 12, 2011. The goal was to evaluate the four substrates used in Experiment 1 in a long term production. Therefore, there were four treatments, corresponding to the substrates:
1. Coconut fiber 2. PA25
3. PA40 4. Ecorce DE
The substrates were the same as in Experiment 1, but smaller containers were used for PA25, PA40 and Ecorce DE substrates, having an 8 liter capacity (model HB1200C, Concept Plastics Limited, Mississauga). The experimental design was a randomized complete block design of 12 experimental units (3 blocks x 4 treatments). One experimental unit (EU) was composed of 41 coconut grow bags or 123 containers. There were three bare root strawberry plants (Fragaria × ananassa Duch. Seascape) in each container and nine in the grow bags, for a total of 369 plants per EU.
The experimental design took place in a 112 m long and 8 m large high tunnel where six rows of wooden structure supported the containers and grow bags at a height of approximately one meter. The two lateral rows were used as buffers to ensure EU climate uniformity and the first flowers were cut off. Pollination was natural, the tunnel being opened to outside at both ends.
Irrigation was activated manually when the average of the three treatment tensiometers reached the target value. During the establishment period, the irrigation thresholds were: -1.5 kPa for PA25 and Ecorce DE, -1.2 kPa for PA40, -1.0 kPa for Coco. During the fruit production period, they were: -1.8 kPa for PA25 and Ecorce DE, -1.2 kPa for PA40 and -1.0 kPa for Coco. In Experiment 2, the thresholds were initially determined following the results of Experiment 1. As the duration of Experiment 1 was not long enough to determine the adequate irrigation threshold for the production period, the thresholds were reassessed in Experiment 2 to -1.8 kPa for Ecorce DE and PA25 at the beginning of the fruit production period. A visual examination of the substrates has demonstrated that they were excessively watered. The initial thresholds for the Coco and PA40 were appropriate for the fruit production period and were kept as is.
As for the containers (PA25, PA40 and Ecorce DE treatments), plant irrigation was provided using pressure compensated dribble rings (Item #PCR85-24, Dramm Corporation) connected to drippers (4 L h-1 WPJC, Netafim USA Ltd.). These dribble rings were used to
ensure irrigation uniformity at the top of the substrate. To reduce surface evaporation, white plastic films were attached to the top of the containers (three holes were cut out to let the strawberry plants grow). Coconut fiber grow bags were irrigated with angle barber stakes connected to drippers (4 L h-1 WPJC, Netafim USA Ltd.). There was one dribble ring per
container and three angle barber stakes per coconut grow bag.
The Ecorce DE was fertilized initially at the manufacturing plant. However, the substrates PA40 and PA25 were fertilized manually at the production site, and had a lower initial fertilizer charge, as shown in Table 1.
The applied fertilization followed CTIFL recommendations until August 20, 2011 when irrigation EC began to be increased because of low EC measurements in the PA40 soil
solution. Irrigation EC was increased gradually from 1.2 dS m-1 to 2.2 dS m-1 over a four
weeks period. A detailed description of nutrient concentration (ppm) in the fertilizer solution is provided in Table 3.
Measurements
Harvesting was done by the producer when necessary (about every 3 to 4 days) and the fruits were classified into two categories: marketable and unmarketable. Every week, the fruit quality parameters were measured: average fruit size, total sugar level (°Brix) (refractometer PAL-1, Atago), and firmness (penetrometer FT02, QA Supplies LLC). Weekly, substrate solutions were collected with a suction lysimeter (Model 1905, Soilmoisture Equipment Corp.) to measure EC and pH. Irrigation and leaching solutions were collected and measured (volume, EC, pH) everyday in order to determine how long the irrigation should last the next day (20 to 30% leaching required).
At the end of the experiment, strawberry plants were cut off at the collar. Leaves and flower clusters were dried and weighed; roots were washed to remove the substrate particles, then dried and weighed (drying temperature: 65°C).
Growing media physical characteristics (particle distribution, saturated hydraulic conductivity, water retention curve, and bulk density) were assessed using the same techniques as in Experiment 1 before and after the production period in order to characterize the influence of the crop and the growing time period on the physical substrate parameters.
Experiment 3: Spring of 2012
This trial was conducted in the high performance EVS greenhouses at Université Laval, Quebec City, Canada (lat. 46°77’56” N, long. 71°28’29” W), from January 27 to April 30, 2012. The goal was to characterize the effects of the irrigation solution EC on the crop depending on the substrate. Two fertilization strategies were studied, one as recommended in the CTIFL production guide (F1) (Guérineau et al. 2003) and one doubling the concentration of the CTIFL’s recommended solution (F2). The substrates used were coconut fiber, PA25 and Ecorce DE. The PA40 substrate was not used in this experiment
because the previous trials had shown that it is not suitable for growing strawberries. The substrates Ecorce DE and PA25 received an initial fertilizer charge at the manufacturing facility, as described in Table 1.
A detailed description of nutrient concentration (ppm) in the fertilizer solution is provided in Table 4 and the variation of the irrigation solution EC during the course of the experiment is shown below.
Date January February March April
27 31 6 13 20 27 6 12 19 26 2
F1 (mS cm-1) Water 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
F2 (mS cm-1) Water 0.8 1.1 1.4 1.7 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0
There were 6 treatments described as follows: 1. Coconut fiber, F1 (CTIFL fertilization)
2. Coconut fiber, F2 (doubled CTIFL fertilization) 3. PA25, F1
4. PA25, F2 5. Ecorce DE, F1 6. Ecorce DE, F2
All the substrates were in grow bags (instead of containers). The coconut bags (Milleniumsoils Coir, Vgrove Inc., St. Catharines) were 50 cm long, 18 cm wide and 13 cm high, for a total volume of 11.7 litres. The PA25 and Ecorce DE bags were 41 cm long, 20 cm wide and 18 cm high, for a total volume of 15 litres. The PA25 grow bags were filled mechanically and the Ecorce DE manually. Each bag contained six bare root strawberry plants (Fragaria × ananassa Duch. Seascape) in a staggered arrangement. One grow bag corresponded to one experimental unit (EU). There were six blocks, for a total of 36 EU. In Experiment 1, the coconut grow bags and the containers were all placed on growing tables, but in Experiment 3, all the grow bags were aligned on slabs in a north-south orientation, 75 cm above ground. This change from tables to slabs had a direct effect on the density per square meter, decreasing from 24.5 plants to 9.4 plants. The linear density was also influenced, from 9 plants per meter in Experiment 1 to 12 plants per meter in Experiment 3,
mainly due to the differences in the shape of the containers/bags that was mostly circular in Experiment 1 and linear in Experiment 3.
The irrigation solution was distributed to the substrate with a drip-tape system (Chapin Twin-Wall Deluxe 5/8”, Jain Irrigation Systems Ltd.). Emitters were 10 cm apart and the discharge rate was 0.74 L h-1 per emitter. In each grow bag, there were two lines of
drip-tape, each with three emitters, for a total of six emitters per bag. Irrigation was separate for each treatment and it was automatically turned on when the average matric potential of its three tensiometers reached the threshold. One tensiometer (model T or TX, Hortau Inc.) was placed in each EU of blocks 1, 4, and 5. The matric potential thresholds were: -1.5 kPa for PA25 and Ecorce DE, and -1.2 kPa for Coco. The threshold for the Coco is different from Experiments 1 and 2 due to the reduced height of the coconut bag, which was 10 cm instead of 13 cm.
The greenhouse climate was controlled by a PRIVA system. From January 27 to March 23, the climate parameters were: humidity at 60%, temperature at 16°C in the daytime and 12°C at night, but from March 24 to April 30, they were 50% humidity, 19 to 20°C in the daytime and 12 to 14°C at night. The lamps lit at 9 a.m. and were turned off at 9 p.m.. Due to its good capillary rise, in all three experiments, the PA25 substrate was laid on a capillary mat to reduce the amount of nutrient solution applied (Lemay et al. 2012).
Measurements
In Experiment 3, growth measurements were taken (leaf number, flower number, flower cluster number, collar diameter) in addition to all the same measurements as in Experiment 2.
Statistical analysis
All the statistical analyses were performed with the MIXED procedure of SAS 9.3 (SAS Institute, Inc., Cary, NC). Yields, CE/pH of lysimeter extracts, brix, firmness, fruit size and growth measurements were analysed with the repeated statement, as they consisted in repeated measures in time. For the three experiments, data analysis was performed according to a randomized complete block design. To meet the assumption of normality
and homogeneity of variance for the marketable yield in the second experiment, the data set was divided into three months, and a square-root transformation was used for the “marketable yield” variable on the second month. A log transformation was used on the “electrical conductivity” variable of the lysimeter soil solution in the third experiment for the same purpose. For all experiments, normality was accepted when P>0.01 using the Shapiro-Wilk test and with the confirmation of the visual analysis of normal distribution plot. Homogeneity was analyzed by visual inspection of residual plot. The least square means were compared when the ANOVA model was significant at P=0.05.
Results and discussion
Experiment 1
Yields results indicated substrate and matric potential effects, but the relations seemed complex. Indeed, the total yield exhibits two interactions: one between time and substrate (P<0.0001) (Figure 4), and the other between time and matric potential (P=0.0308) (Figure 5). From the first harvest, strawberry plants in peat/sawdust substrates showed lower yields than in the other substrates. However, at the fourth harvest, the total yield of PA25 was not significantly different than the Coco total yield. Except at the first harvest, the PA40 total yields were always significantly lower than those of Coco and Ecorce DE, but remained similar to the PA25 yield during all the course of the experiment. The Ecorce DE substrate significantly obtained the highest yields at the third and fourth harvest and the Coco substrate had yields intermediate between the Ecorce DE and the PA40. Due to the experiment limited time period, it is difficult to conclude that these trends will have stayed in a full season production, but they may indicate the substrate’s influence on the implantation of strawberry plants. Therefore, these results suggest that strawberry plant establishment may be more difficult when using peat/sawdust substrates.
The interaction between time and matric potential is presented in Figure 5. The influence of the matric potential on the yields began only at the end of the experiment, at the fourth harvest, and indicated that maintaining wetter conditions (-1.0 kPa to -1.5 kPa) was beneficial for the establishment of soilless strawberry plants. However, due to the short experiment period, this matric potential threshold may not be appropriate for a whole
production cycle. Some crops benefit from changing matric potential, depending on the crop developmental stage (Hanson et al. 2000). A study would be necessary though to confirm the right matric potentials needed for each developmental stage of the strawberry plants for a longer production period. Other studies showed that strawberry yields are higher for wetter treatments than drier ones (Hoppula & Salo 2007; Yuan et al. 2004). The cumulative total yields (marketable + unmarketable) at the end of the experiment are showed in Figure 6 and
Table 6, and indicate that wetter treatments allowed higher yields over the entire experimental period. Also, strawberry plants in the Ecorce DE substrate produced the highest yields and those in the peat/sawdust substrate the lowest ones. These results are also shown in the individual harvests (Figure 4 and Figure 5).
The influence of matric potential on the strawberry plants was also observable with the leaf dry mass. As seen in Figure 7, dry-wet treatments had an effect only on the peat/sawdust substrates (PA25 and PA25), resulting in a higher leaf dry mass for the wet treatments. This suggests that, at the same matric potential, water availability may be more critical for peat/sawdust substrates than for Ecorce DE and coco. On the water retention curves, Ecorce DE and PA25 have nearly the same water content at -1.5 kPa (about 0.60 cm3 cm-3) and the
PA40 and coco have about 0.50 cm3 cm-3 (Figure 8, Figure 9 and Figure 10). However,
peat/sawdust substrates contain a high proportion of immobile substrate solution that is not available to the roots (Létourneau 2010). This property of peat/sawdust substrates may have influenced the leaf dry mass results. The leaf dry mass depends not only on the matric potential, but also on the substrate. Effectively, Ecorce DE substrate presented the highest leaf dry mass, followed by coco, PA25, and PA40.
The substrate’s electrical conductivity (EC) is an important parameter for the maintenance of a soilless culture because it corresponds to the amount of fertilizers retained in the substrate. A minimum EC must be maintained in order to provide enough nutrients to the plant, but it should be controlled to prevent an excessive accumulation, as explained in the CTIFL production guide (Guérineau et al. 2003). The statistical analysis of the wet treatments soil solutions showed that EC was definitely lower in the peat/sawdust
substrates (PA25 and PA40) than in Ecorce DE and Coco (Table 7). No time effect was found by the statistical test. Analyzing the results of the dry treatments was not possible because a large amount of data was missing; the dry conditions rendered the extraction of soil solution impossible in many EU.
At the end of the experiment, the substrate in the containers was separated into three horizontal layers of equal thickness in order to measure EC at the top, middle and bottom of the container. The results are presented in Figure 11. The EC analysed on saturated substrate solution revealed an accumulation of fertilizers at the top of the container for all the substrates except coconut fiber. The increase in ions at the top is generally caused by surface evaporation, the irrigation pattern and the presence of an immobile water phase (Létourneau 2010). The immobile water phase represents the amount of water in the growing media that is stagnant and not directly influenced by the irrigation pattern. This immobile water phase exchanges solutes with the mobile water phase by diffusion only. Because the coconut fiber was in a bag culture, there was little surface evaporation and it is probably why there was no evidence of salt accumulation at the top. The comparison between the substrates revealed that, again, the peat/sawdust substrates presented a lower EC than Ecorce DE and Coco. The reason for this phenomenon may be the immobilization of nutrients by the sawdust (Tilston et al. 2009; Kostov et al. 1991).
Experiment 2
Yields were influenced in time by the substrates. Since it was impossible to obtain normality on all the marketable yield data set, it was divided into three production months (Figure 12). The differences between the substrates began in the first month on 03-08-2011 and the lower yields were obtained by the PA40 substrate on the significant dates. Each of the three other substrates obtained the highest yield at one date or another. The second month results pointed out that the square root of yields of the PA40 substrate were often significantly lower than those of the other substrates. The differences observed between the substrates on the first two months were maintained in the third month. The results of the analysis of the average yield were substantially the same as those obtained by the time analysis. The average yields, as presented in Table 8, showed that PA40 was less performing than the other three. Ecorce DE substrate was better than coconut fiber, and
