détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

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Détermination de la stratégie d’irrigation optimale de la fraise basée sur le potentiel matriciel du sol et un modèle climatique Mémoire Lélia Anderson Maîtrise en génie agroalimentaire Maître ès sciences (M.Sc.) Québec, Canada © Lélia Anderson, 2016

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Page 1: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

Détermination de la stratégie d’irrigation optimale de la fraise basée sur le potentiel matriciel du sol et un

modèle climatique

Mémoire

Lélia Anderson

Maîtrise en génie agroalimentaire

Maître ès sciences (M.Sc.)

Québec, Canada

© Lélia Anderson, 2016

Page 2: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

Détermination de la stratégie d’irrigation optimale de la fraise basée sur le potentiel matriciel du sol et un

modèle climatique

Mémoire

Lélia Anderson

Sous la direction de :

Jean Caron, directeur de recherche

Page 3: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

iii

Résumé

Les fraises sont souvent produites dans des régions où l’eau est limitante et les producteurs

doivent choisir la stratégie d’irrigation optimisant le rendement et l’efficacité d’utilisation

de l’eau (EUE). En Californie, une gestion tensiométrique des irrigations a été comparée à

un modèle climatique, et un potentiel matriciel du sol (ψ) variable a été investigué. Sur un

sol faiblement perméable, -10kPa, -35kPa, un témoin, un ψ à deux paliers (-35/-10 kPa) et

une gestion par ψ ajustée quotidiennement à l’évapotranspiration prévisionnelle de la

culture (ETc), n’ont pas affecté les rendements. Sur un sol hautement perméable, des

traitements appliquant 100% ETc, 75% ETc, 50% ETc, un témoin, -10kPa et -35/-10 kPa ont

mené à de meilleurs rendements pour les régies pleinement irriguées, -10 kPa et 100%ETc,

mais l’EUE a été meilleure avec -10 kPa. En irrigation de déficit, la gestion par ψ a

maximisé le rendement et l’EUE contrairement au modèle climatique démontrant l’intérêt

de cette approche relativement au contexte de restriction en eau affectant les régions

sensibles à la sécheresse.

Page 4: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

iv

Table des matières

Résumé ............................................................................................................................... iii

Table des matières .............................................................................................................. iv

Liste des tableaux ............................................................................................................... vi

Liste des figures ................................................................................................................. vii

Liste des abréviations et sigles ......................................................................................... viii

Remerciements ................................................................................................................... ix

Avant-propos ....................................................................................................................... x

Introduction ......................................................................................................................... 1

Chapitre 1 : Revue de littérature .......................................................................................... 3

Revue de littérature générale .............................................................................................. 3

Relation sol plante .......................................................................................................... 3

L’irrigation ..................................................................................................................... 4

Régies de l’irrigation ...................................................................................................... 5

Tensiométrie ................................................................................................................... 7

Revue de littérature sur la culture de la fraise .................................................................. 10

Le fraisier ..................................................................................................................... 10

Irrigation ....................................................................................................................... 13

Hypothèses et Objectifs .................................................................................................... 19

Chapitre 2 : Determination of the optimal strawberry irrigation strategy based on water

matric potential and a climatic model ............................................................................... 21

Résumé ............................................................................................................................. 21

Abstract ............................................................................................................................ 22

Introduction ...................................................................................................................... 23

Materials and methods ...................................................................................................... 25

Experimental sites and crop details .............................................................................. 25

Irrigation treatments and experimental design ............................................................. 26

Yield and plant measurements ..................................................................................... 28

Soil properties ............................................................................................................... 28

Water desorption curve, unsaturated hydraulic conductivity, and variable threshold

estimation ..................................................................................................................... 29

Statistical analysis ........................................................................................................ 30

Results and discussion ...................................................................................................... 30

Page 5: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

v

Soil properties ............................................................................................................... 30

Matric potential evolution ............................................................................................. 31

Yield .............................................................................................................................. 33

hc calculation considerations ......................................................................................... 36

Fruit quality ................................................................................................................... 38

Plant Growth ................................................................................................................. 38

Water use ....................................................................................................................... 39

Conclusion ........................................................................................................................ 43

Acknowledgments ............................................................................................................. 44

Figures and tables .............................................................................................................. 45

Chapitre 3 : Conclusion ..................................................................................................... 60

Bibliographie ..................................................................................................................... 62

Page 6: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

vi

Liste des tableaux

Table 1. Soil properties from both experimental sites. ......................................................... 46

Table 2. Maximum average ψ reached (-kPa) at 15 cm deep before irrigations and at 30 cm

depth and after irrigations at site 1. ...................................................................................... 58

Table 3. Maximum average ψ reached (-kPa) at 15 cm deep before irrigations and at 30 cm

depth and after irrigations at site 2. ...................................................................................... 59

Page 7: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

vii

Liste des figures

Figure 1. Treatment structure at sites 1 and 2. ...................................................................... 45

Figure 2. WRC from both sites and Kunsat from site 1 on undisturbed soil cores analyzed

with Tempe cells (top) with both and KsG parameters estimated in the soil ψ range -3.5 to

-35 kPa. WRC from both sites on undisturbed soil cores sampled early and end season

analyzed with tension table (bottom). ................................................................................... 47

Figure 3. Rainfall, ψ evolution in -kPa and targeted threshold represented with a dotted line

at site 1. ................................................................................................................................. 48

Figure 4. Rainfall, ψ evolution in -kPa and targeted threshold represented with a dotted line

at site 2. ................................................................................................................................. 49

Figure 5. Time spent as percentage per ψ ranges (-kPa), on both sites at 15 and 30 cm deep

during treatment application period. ..................................................................................... 50

Figure 6. Relative yield, i.e. treatment yield divided by the highest yield achieved per site,

as a function of the seasonal average soil water matric potential achieved between the end

of implantation phase and end of the season. ........................................................................ 51

Figure 7. Total cumulative yields at site 1 (left) and site 2 (right). Date with one asterisk (*)

is characterized by treatment differences at a 0.05 significance level and date with three

asterisks (***) by treatment differences at a 0.001significance level. For clarity purposes

standards errors are presented over the data points. .............................................................. 52

Figure 8. Fruit quality represented with the seasonal average berry size and brix index.

Treatments with the same letter do not differ at a 0.05 significance level for the berry size

and at a 0.01 significance level for the Brix. ........................................................................ 53

Figure 9. Dry root mass sampled at the end of the -35 kPa ψ step in the -35/-10 kPa

treatment and at the end of the season. Treatments with the same letter do not differ at a

0.05 significance level. .......................................................................................................... 54

Figure 10. At site 1 (left) and 2 (right), water use efficiency in g L-1 with the water applied

from the beginning of the treatment application until the end of the season. ....................... 55

Figure 11. Site 1 water application and evapotranspiration from the end of the implantation

phase to the end of the season represented as monthly water (top), and cumulative water

application (bottom). ............................................................................................................. 56

Figure 12. Site 2 water application and evapotranspiration from the end of the implantation

phase to the end of the season represented as monthly water (top), and cumulative water

application (bottom). ............................................................................................................. 57

Page 8: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

viii

Liste des abréviations et sigles

ψ : Potentiel matriciel du sol

θ : Teneur en eau volumique

θsat : Teneur volumique à saturation

CWB : Climatic water balance model

EC : Electrical conductivity

ETc : Évapotranspiration potentielle de la culture

ET0 : Évapotranspiration potentielle de référence

EUE : Efficacité d’utilisation de l’eau

hc : Seuil de potentiel matriciel critique selon Rekika et al. (2014)

IDD : Irrigation déficitaire de début de saison

IDF : Irrigation déficitaire de fin de saison

Knon-sat : Conductivité hydraulique non-saturée

Ksat : Conductivité hydraulique saturée ou saturated hydraulic conductivity

Kunsat : Unsaturated hydraulic conductivity

WRC : Water retention curve

WUE : Water use efficiency

Page 9: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

ix

Remerciements

Je tiens tout d’abord à remercier mon directeur de recherche, le docteur Jean Caron, pour

ses précieux conseils, sa grande disponibilité et la confiance qu’il m’a accordée en me

confiant ce projet. Je remercie Carole Boily pour m’avoir si bien transmis son savoir

relativement aux analyses de sol en laboratoire. Je remercie grandement Guillaume

Sauvageau et Laurence Gendron pour leur travail de qualité entrepris avec la suite de la

prise des données en Californie. Un autre grand merci à mes prédécesseurs de la Californie

Valérie Bernier, Guillaume Letourneau et Julien Cormier pour m’avoir transmis une

précieuse expertise tout au long de l’étude.

Merci aux professionnels de recherche pour avoir veillé au bon déroulement de l’expérience

et particulièrement à Benjamin Parys pour toutes les demandes administratives et de

matériels rapidement gérées. Merci à Amélie Picard pour son travail minutieux en

laboratoire ainsi qu’à tous les autres auxiliaires et professeurs qui ont travaillé dans ce

projet de recherche que ce soit au niveau du travail de laboratoire ou pour les nombreux

échanges sur la démarche scientifique qui m’ont permis de cheminer. Merci à toute l’équipe

d’Hortau, du Québec et de la Californie, pour le soutien technique grandement apprécié.

Je remercie les deux producteurs anonymes de la Californie pour avoir fourni un site

expérimental, du matériel et de la main-d’œuvre. J’exprime ma reconnaissance envers

Emily Paddock, Allison Vandenhout et Oleg Daugovish qui m’ont fourni des

recommandations et un soutien technique et scientifique soutenu tout au long du projet. Je

remercie sincèrement Pascual, Lalo, Lina, Agustin, Ruben, Paul et les équipes de terrain des

producteurs pour avoir partagé avec moi leur expérience et pour avoir fourni une main-

d’œuvre essentielle au déroulement de ce projet.

Je souhaite également remercier le Conseil de Recherche en Sciences Naturelles et en Génie

du Canada (CRSNG), Hortau, Ferme Onésime Pouliot Inc., Canneberges Bieler Inc.,

Nature Canneberge Inc. et Transport Gaston Nadeau Inc. pour le soutien financier du projet

dans le cadre duquel s’inscrit cette expérience en irrigation de précision de la fraise.

Page 10: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

x

Avant-propos

Ce mémoire de maîtrise est constitué de trois chapitres. Le premier chapitre est une

introduction générale sur l’irrigation de précision suivi d’une introduction plus spécifique

au sujet de l’irrigation de la culture de la fraise. De ce premier chapitre découle la

problématique, les hypothèses et les objectifs de maîtrise. Le chapitre 2 présente la

démarche et les résultats de la recherche sous forme d’article scientifique rédigé en anglais.

Le chapitre 3 finalise le mémoire en concluant sur les connaissances acquises au terme de

ce travail. L’article du chapitre 2 sera soumis au journal scientifique Scientia Horticulturae

et portera le titre « Determination of the optimal strawberry irrigation strategy based on

water matric potential and a climatic model ». J’ai rédigé l’intégralité de l’article suite aux

expériences que j’ai planifiées, exécutés et analysées. L’article a été rédigé sous la

supervision de mon directeur de recherche le docteur Jean Caron qui m’a guidé tout au long

du cheminement de la maîtrise.

Page 11: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

1

Introduction

La Californie est une zone fortement sujette à la sécheresse. La température et

l’ensoleillement sont rarement un facteur limitant pour les cultures, le rendement étant

surtout limité par l’apport en eau. Les périodes de sécheresses poussent le secteur agricole à

augmenter le pompage de la nappe phréatique ce qui peut provoquer son abaissement, une

diminution de la qualité de l’eau, l’intrusion saline dans les terres arables et l’assèchement

des puits (Croyle et al., 2014). Ces conséquences sont néfastes autant

environnementalement qu’économiquement pour les agriculteurs et la population puisque la

qualité de l’eau se détériore avec les excès de pompage. Face à ce problème, les agriculteurs

doivent augmenter l’efficacité d’utilisation de l’eau sans affecter le rendement. La fraise est

une culture importante de la Californie. En 2012, le marché frais de la fraise représentait

plus de 2,3 milliard de dollars et le marché des fruits transformés plus de 198 millions

(National Agricultural Statistics Services, 2014). Déterminer la quantité exacte d’eau et le

moment nécessaire pour chaque irrigation est difficile et c’est une difficulté qui s’accentue

lors de la gestion d’une culture sensible au stress hydrique comme celle-ci.

Plusieurs technologies sont disponibles pour assister le processus décisionnel de

l’irrigateur. Le tensiomètre joint à un système de suivi continu de culture est l’un d’eux. La

détermination du seuil de potentiel matriciel du sol (ψ) optimal pour le déclenchement de

l’irrigation dans la fraise a fait l’objet de plusieurs études dans les dernières années et a

souvent permis d’augmenter les rendements (Létourneau et al., 2015; Caron et al., 2014;

Caron et al., 2013; Caron et al., 2011; Bergeron, 2010; Serrano et al., 1992). Cependant,

plusieurs études tensiométriques n’ont fait qu’un suivi par lecture visuelle du ψ (Krüger et

al., 1999; Serrano et al., 1992) rendant le processus laborieux pour l’opérateur et

fragmentant l’information. D’autre part, dans la presque totalité de ces études, on a appliqué

un seuil fixe de ψ (Caron et al., 2014; Caron et al., 2013; Caron et al., 2011; Bergeron,

2010; Serrano et al., 1992), ne tenant pas compte de la variation journalière et saisonnière

des flux d’eau instantanés dans la matrice du sol.

Lors de l’utilisation d’un seuil de ψ fixe, le ψ optimal de déclenchement des irrigations était

souvent situé près de -10 kPa (Létourneau et al., 2015; Caron et al., 2014; Caron et al.,

Page 12: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

2

2013; Caron et al., 2011; Bergeron, 2010; Serrano et al., 1992). Or, dans le cas de

l’application d’un seuil fixe, il peut arriver que le taux de transfert de l’eau dans le sol ne

soit pas assez rapide pour suffire aux demandes instantanées d’évapotranspiration de la

culture (ETc) (Rekika et al., 2014; Périard et al., 2012; Bergeron, 2010) étroitement reliées

au stade de croissance du plant. Une résolution de la solution analytique de l’équation de

Richards (Rekika et al., 2014) permet de mettre en évidence qu’un potentiel matriciel du sol

plus bas pourrait être appliqué en début de saison, sans compromettre la disponibilité de

l’eau aux plants. D’ailleurs, en début de saison plusieurs essais utilisant des seuils de ψ

fixes dans la fraise n’ont obtenu que très peu de différences de rendement entre différents

modes de gestion, qu’il s’agisse d’une gestion sèche ou humide (Caron et al., 2014; Caron

et al., 2013; Caron et al., 2011).

Un autre mode de gestion de l’irrigation répandu est le bilan hydrique calculé à partir de

l’évapotranspiration potentiel de la culture. L’omission fréquente des facteurs culturaux lors

de l’estimation du coefficient de culture, les différences environnementales entre le site de

la station météorologique (à partir de laquelle est calculée l’évapotranspiration de référence)

et le site de la culture, ainsi que le non-suivi du statut hydrique du sol contribuent souvent à

biaiser le calcul des apports en eau réellement nécessaires à la culture. La gestion de

l’irrigation par le potentiel matriciel, par rapport au bilan hydrique, serait donc plus

favorable à la maximisation du rendement (Evenhuis and Wilms, 2008; Kirschbaum et al.,

2003).

L’objectif poursuivi dans ce travail était donc de déterminer le ψ optimal en fonction de la

demande évapotranspirative pour démarrer les irrigations en comparant des seuils de ψ

fixes et variables et en comparant une gestion de l’irrigation par bilan hydrique à une

gestion par tensiomètre. Le succès d’un traitement d’irrigation a été évalué en fonction du

rendement ainsi qu’en fonction de son efficacité d’utilisation de l’eau.

Page 13: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

3

Chapitre 1 : Revue de littérature

Revue de littérature générale

Relation sol plante

La disponibilité en eau du sol est étroitement reliée à ses propriétés physiques, e.g. sa teneur

en matière organique, sa structure et sa texture. L’eau est adsorbée sur les surfaces des

particules de sol ou retenue dans les micropores par des liaisons hydrogènes (Fortin, 2011).

Dans un sol à texture fine, l’eau est donc fortement retenue par les particules solides. Les

sols argileux ont généralement une infiltration plus lente qui ralentit davantage lorsqu’il y a

gonflement du sol suite à l’apport en eau.

La dimension des pores influence la force avec laquelle l’eau est retenue par le sol. Les

macropores retiennent l’eau plus faiblement, se drainent plus facilement et favorisent les

échanges gazeux alors que les micropores sont peu aérés car ils retiennent l’eau plus

fortement, ils contiennent ainsi la plus grande partie de la réserve hydrique disponible pour

la plante. Les irrigations peuvent avoir comme conséquence de compacter le sol et ainsi

réduire ses capacités d’infiltration (Fortin, 2011). En début de saison, après le travail du sol,

ce dernier est meuble, à structure encore instable et sujet à l’affaissement ou au

foisonnement (Hillel et De Backer, 1988) particulièrement près de la zone d’application de

l’eau. De façon analogue à ce qui est observé avec la pluie par plusieurs auteurs (e.g. Hillel

et De Backer, 1988), les cycles d’humectation-dessiccation, l’action destructive et

ramollissante de l’apport d’eau d’irrigation ou de la turbulence de l’eau si un débit trop

élevé est appliqué peuvent causer la rupture des agrégats et une dispersion colloïdale qui

résultent en la formation d’une croûte limitante affectant le profil d’humidité sous-jacent.

La destruction des agrégats a pour conséquence d’augmenter la masse volumique apparente

donc de compacter le sol. La stabilité des agrégats d’un sol, donc sa stabilité structurale,

dépend de plusieurs facteurs incluant notamment les cycles d’apports en eau subis, les

pratiques culturales, la texture et la matière organique qui le compose (Fortin, 2011).

Page 14: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

4

Pour des sols à textures et structures différentes, l’eau peut être différemment disponible à

une même teneur en eau. La courbe de rétention représente le potentiel matriciel du sol (ψ)

en relation avec sa teneur en eau (θ) correspondante et cette relation varie en fonction des

propriétés physiques. À cause de la non-linéarité entre ψ et θ, une petite variation de θ peut

être associée à une variation importante de ψ. Les processus physiologiques de la plante,

s’apparentant plus aux différences de potentiel qu’aux différences de teneur en eau, rendent

nécessaire la caractérisation de la courbe de rétention pour cibler et respecter la zone de

confort hydrique du plant dans un contexte où la régie de l’irrigation se fait par un suivi des

propriétés hydriques du sol. L’effet d’hystérèse est le principe selon lequel une courbe de

rétention est différente en phase de désorption et en phase de réhumectation du sol. Ce

processus est plus prononcé dans les sols fins (Gallichand, 2012).

En plus d’être affecté par les propriétés physiques du sol, la disponibilité de l’eau à la

plante est affectée par la plante elle-même. Un enracinement plus profond augmente la

dimension du réservoir en eau du sol (Gallichand, 2012) et la capacité du plant à extraire

l’eau diffère d’une culture à l’autre et en fonction du stade de croissance de la culture.

Plusieurs études ont tenté de déterminer la zone de confort hydrique spécifique à chaque

culture, que ce soit par des lectures directes de la teneur en eau volumique ou du potentiel

matriciel (e.g. Marouelli et Silva, 2007; Krüger et al., 1999; McCarthy, 1997; Serrano et al.,

1992; Miller et al., 1998).

La croissance, le développement et le rendement d’une culture sont hautement sensibles à la

réduction de l’eau disponible dans le sol, seuls quelques jours de sécheresse peuvent avoir

un effet néfaste sur le rendement. Cette propriété des plantes relève néanmoins de leur

capacité à répondre au changement de leur environnement et à réguler leurs croissance et

fonctions pour survivre (Davies et Hartung, 2004).

L’irrigation

Micro-irrigation

Les systèmes de micro-irrigation qui sont conçus pour humidifier seulement la zone

racinaire du plant et la maintenir à un niveau d’humidité optimal, ont un important potentiel

d’irrigation de précision. L’efficacité de ces systèmes est souvent évaluée à plus de 90%

(Smith et al., 2010) et l’uniformité d’irrigation de la micro-irrigation est évaluée à 80%

Page 15: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

5

lorsque le système est correctement conçu et entretenu (Hanson et al., 1994). Les pertes

sont majoritairement causées par l’évaporation, le ruissellement et le lessivage. Il est connu

que l’irrigation excessive, peu importe le type de système, cause la perte de nutriments

(Krüger et al., 1999). La possibilité d’accomplir un haut niveau d’efficacité relève

principalement de la gestion (Smith et al., 2010) et peut varier beaucoup en fonction de

l’expérience du personnel irrigateur.

Régies de l’irrigation

Le développement des technologies de l’irrigation a mené au principe « d’irrigation de

précision » et son développement dans les dernières années. Une irrigation de précision vise

à évaluer précisément les quantités d’eau requises d’une culture et le moment précis de son

application en combinaison avec un système hydraulique efficace et une distribution

uniforme de l’eau (Smith et al., 2010).

Avec la régie continue de culture, qui est en plein développement et dont la fiabilité des

appareils augmente continuellement, l’apport à la plante de ses besoins précis en eau est de

plus en plus possible. Deux méthodes sont principalement utilisées en agriculture pour

gérer les flux d’eau : la méthode par bilan hydrique et la méthode par mesure des propriétés

du sol. En régie continue de culture, les sondes sont reliées à un système d’acquisition puis

transmises sur interfaces où les données sont disponibles en temps réel. Les méthodes

bénéficiant de sondes mais ne bénéficiant pas de système de suivi continu ont souvent le

désavantage d’être moins précises car elles fournissent de l’information fragmentée.

Bilan hydrique

La méthode d’irrigation par bilan hydrique vise à rééquilibrer les apports et les pertes en

eau d’une culture. Ce bilan peut être calculé en additionnant les pertes évapotranspiratives

de la culture (ETc) et les pertes d’inefficacité du système d’irrigation (Hanson et Bendixen,

2004). L’ETc est estimée à partir de l’évapotranspiration de référence (ET0) selon

l’Équation 1 où Kc est le coefficient de culture qui dépend du niveau de croissance du plant.

L’ET0 est calculée avec l’équation de Penman-Monteith FAO56 qui est généralement la

méthode utilisée par les services météorologiques. L’évapotranspiration est régie par des

facteurs du milieu de croissance tels que l’énergie du soleil, la nature des surfaces, le vent,

Page 16: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

6

et des facteurs végétaux tels que le type de végétal, l’âge, la dimension du plant, la

physiologie, le système racinaire (Fortin, 2011) et le statut hydrique du sol.

Le California Irrigation Management Information System (CIMIS) fournit des données

d’ET0 quotidiennement a posteriori en Californie. Le National Oceanic and Atmospheric

Administration (NOAA) fournit aussi des valeurs d’ET0 prévisionnelles sur 6 jours aux

États-Unis, cependant cette technologie était toujours au stade expérimental en 2014. Le Kc

peut être déterminé en fonction du temps après la date de plantation à l’aide de chartes

préétablies (e.g. Hanson et Bendixen, 2004) ou en fonction du pourcentage de couverture de

la canopée (e.g. Grattan et al., 1998).

𝐸𝑇𝐶 = 𝐾𝐶 × 𝐸𝑇0

Équation 1

La première technique est plus souvent utilisée par les agriculteurs à cause de sa commodité

mais elle ne tient pas compte des facteurs culturaux et environnementaux pouvant

influencer le développement de la culture. Hanson et Bendixen (2004) ont mesuré une

variation considérable du pourcentage de couverture lors d’une expérience répétée sur 13

plantations de fraises différentes en Californie. De plus, la majorité du temps les données

d’ET0 ne sont pas mesurées in situ mais proviennent de stations météorologiques

avoisinantes au champ. Même si la station est géographiquement proche de la culture, des

conditions environnementales différentes d’un site à l’autre peuvent biaiser l’estimation de

l’ET0. De plus, les informations ne sont souvent disponibles qu’a posteriori plutôt qu’en

temps réel. Présentement, peu de systèmes de prédiction météorologique de l’ET0 sont

disponibles aux agriculteurs et d’autres sont encore à un stade expérimental de

développement (e.g. FRET de NOAA). Généralement, les données d’ET0 ne sont

disponibles que le jour subséquent à l’évapotranspiration.

Mesure des propriétés du sol

Un suivi de la culture peut aussi être accompli à l’aide de sondes mesurant le statut

hydrique du sol. Les deux principales méthodes de mesures sont de nature volumétrique et

tensiométrique. Dépendamment des propriétés physiques du sol au retrait et au gonflement,

et de la nécessité de certaines sondes de conserver un bon contact avec la matrice du sol, les

Page 17: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

7

sondes nécessitent un entretien variable d’un site à l’autre (Muñoz-Carpena et al., 2004;

Smajstrla et Koo, 1986).

La mesure volumétrique de l’eau peut se faire à partir de sondes à neutron, de sondes

utilisant le principe de la constante diélectrique ou de radar pénétrant qui est aussi basé sur

le principe de la constante diélectrique (Muñoz-Carpena et al., 2004). Les sondes utilisant la

constante diélectrique ont généralement besoin d’une calibration spécifique au type de sol

où elles seront utilisées et sont généralement affectées par la salinité. Les sondes

tensiométriques sont généralement limitées à des pressions de 1 bar et sont sensibles aux

fluctuations de température lorsque le capteur est exposé aux fluctuations de l’air ambiant.

Tensiométrie

Le tensiomètre permet d’effectuer un suivi de culture mesurant directement les propriétés

de tension matricielle du sol. Le potentiel matriciel de l’eau du sol mesuré (ψ) est l’effet

combiné de l’adsorption et de la capillarité du sol. Le tensiomètre est constitué d’un

matériel poreux rempli d’eau qui est inséré dans le sol et au travers duquel l’eau subit les

forces d’attraction proportionnelles au niveau d’assèchement du milieu. Cette pression ainsi

créée à l’intérieur du tube est mesurée par un manomètre ou un capteur de pression

numérique situé au sommet de l’appareil. La bougie est imperméable au passage de l’eau

sur un intervalle de pression variant entre une pression nulle une pression maximale de

design. Au-delà de cette pression, qui est d’environ -80 kPa à température ambiante, il y a

cavitation puis écoulement de l’eau au travers de la bougie menant à la rééquilibration du

tensiomètre à la pression atmosphérique. Un ψ suffisamment bas pour mener à la cavitation

de l’eau dans la bougie n’est pas souhaitable pour la majorité des cultures. En effet, le ψ

officiellement associée à capacité au champ est -33 kPa (Dane et Hopmans, 2002) bien que

certaines études la situent bien en deçà de cette valeur lorsque mesurée in situ (e.g.

Létourneau et al., 2015).

Estimation analytique du potentiel matriciel critique

L’évapotranspiration fait diminuer la réserve en eau du sol et fait diminuer le ψ qui fluctue

d’une journée à l’autre. En parallèle, la conductivité hydraulique non-saturée, concept lié au

taux de transfert de l’eau dans le sol, varie selon le potentiel matriciel du sol. Lorsque qu’un

seuil fixe de déclenchement des irrigations est maintenu, il peut arriver que le taux de

Page 18: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

8

transfert de l’eau dans le sol ne soit pas assez rapide pour suffire aux demandes d’ETc

instantanées (Rekika et al., 2014; Périard et al., 2012; Bergeron, 2010; Bonin, 2009). En

d’autres mots, pour éviter de stresser la culture, il faut s’assurer que la vitesse des flux

d’eau dans la zone des racines soit suffisante pour pallier à la demande ETc en ajustant le ψ

à une valeur suffisamment haute.

Une équation permettant de mettre en relation le ψ et le mouvement de l’eau en sol non

saturé est celle de Richards. Cette relation est cependant hautement non-linéaire ce qui rend

difficile sa résolution. Or, une solution analytique à l’équation de Richard a été dérivée par

Yuan et Lu (2005) et met en relation la distribution du potentiel matriciel du sol, la teneur

en eau, et le flux d’eau pour des sols enracinés, homogènes avec un flux de surface

variable. Plusieurs conditions limites ont dû être premièrement posées et elle a été résolue

pour plusieurs modes de prélèvement racinaires.

À partir de la solution utilisant un prélèvement racinaire uniforme, le seuil de potentiel

matriciel critique (dénommé « hc » lorsqu’exprimé en centimètre de hauteur d’eau) a

ensuite été isolé et dérivé par Rekika et al. (2014) et est représenté par l’Équation 2 où 𝑆0

(𝑐𝑚3𝑐𝑚−3𝑗−1) est l’absorption posée constante de l’eau par les racines, 𝑞0 (𝑐𝑚 𝑗−1) est

l’évaporation de surface en régime permanent, 𝐾𝑠𝐺 (𝑐𝑚 𝑗−1) est la conductivité hydraulique

ajustée de la fonction de Gardner, 𝐿 (cm) est la distance entre la surface du sol et le bas de

la zone racinaire, 𝑧𝑜𝑏𝑠 (cm) est la profondeur d’observation du ψ ayant le bas de la zone

racinaire pour ordonnée à l’origine (𝑧𝑜𝑏𝑠 correspond donc à 𝐿 à moins la profondeur du

tensiomètre par rapport à la surface du sol), ℎ1 (cm) est la colonne d’eau obtenue après la

conversion de la valeur de potentiel matriciel observée (-kPa), 𝛼∗ est l’exposant ajusté du

𝐾(ℎ) de la fonction de Gardner (𝐾(ℎ) = 𝐾𝑠𝐺𝑒𝛼∗ℎ). Les paramètres 𝛼∗ et 𝐾𝑠𝐺 peuvent être

déterminés suites à des analyses en laboratoire du sol traçant la 𝐾𝑠𝐺 en fonction du ψ. Dans

plusieurs cas, cette relation est exponentielle par partie et permet donc, après détermination

d’un intervalle de ψ ciblé, d’estimer les paramètres 𝛼∗ et 𝐾𝑠𝐺 selon la méthode expliquée

dans Rekika et al. (2014).

Page 19: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

9

hc =1

𝛼∗(𝑙𝑛 {

1

𝛼∗𝐾𝑠𝐺[𝐾𝑠𝐺𝑒−𝛼∗(−ℎ1+𝑧𝑜𝑏𝑠)𝛼∗ + 𝑞0𝛼∗𝑒−𝛼∗𝑧𝑜𝑏𝑠 − 𝑞0𝛼∗ + 𝑆0𝑒−𝛼∗𝑧𝑜𝑏𝑠𝛼∗𝐿

+ 𝑆0𝑒−𝛼∗𝑧𝑜𝑏𝑠 − 𝑆0𝛼∗𝐿 + 𝑆0𝛼∗𝑧𝑜𝑏𝑠 − 𝑆0]})

Équation 2

ℎ1 = 1

𝛼∗ 𝑙𝑛 (−

1

𝛼∗𝐾𝑠𝐺(𝑞0𝛼∗𝑒−𝛼∗𝐿 − 𝑞0𝛼∗ + 𝑆0𝑒−𝛼∗𝐿𝛼∗𝐿 + 𝑆0𝑒−𝛼∗𝐿 − 𝑆0)) + 𝐿

Équation 3

Consigne à seuil fixe

Un seuil de ψ fixe est généralement utilisé comme consigne au déclenchement de

l’irrigation et les études tentant de déterminer le seuil optimal sont nombreuses dans le cas

de plusieurs cultures. Malgré que plusieurs d’entre elles aient été accomplies sans utiliser de

système de suivi continu de culture, elles ont souvent augmenté l’efficacité de l’utilisation

en eau et/ou le rendement comparativement aux gestions basées sur l’expérience

personnelle de l’irrigateur (Rekika et al., 2014; Bergeron, 2010; Serrano et al., 1992).

Consigne à seuil variable

Lorsque le potentiel matriciel atteint une valeur critique où la conductivité hydraulique non-

saturée du sol est considérablement diminuée, le flux d’eau dans la zone des racines n’est

pas suffisant pour compenser la demande ETc. En raison d’un seuil de ψ critique plus bas en

début de saison, causé par une ETc plus basse et tel que calculable avec l’Équation 2. Il

serait en apparence justifié d’utiliser une régie plus sèche en début de saison suivie d’une

régie plus humide alors que le flux matriciels augmentent. Cependant, une régie

exclusivement basée sur cette technique n’a pas encore été appliquée bien qu’un calcul de

hc a posteriori ait révélé la potentielle fiabilité de cette méthode d’estimation du seuil

critique dans le cas de la culture de l’oignon, du céleri et de l’épinard (Rekika et al., 2014).

Certaines études ont cependant tenté de déterminer l’effet de l’irrigation de déficit

appliquée à une partie seulement de la saison.

Page 20: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

10

Les informations concernant des gestions d’irrigation de déficit sont étudiées sous les

concepts « d’irrigation de déficit » (ID), d’irrigation déficitaire de début de saison (IDD) ou

d’irrigation déficitaire de fin de saison (IDF). Dans la pomme, le kiwi et la fraise, l’IDF a

devancé la maturation du fruit (Mpelasoka et al., 2001; Miller et al., 1998; Kinnanen et

Säkö, 1979) mais l’IDD a respectivement réduit les rendements du kiwi et de la pomme de

25% et 14%, et l’IDF a réduit les rendements de 12% et 26%, respectivement (Miller et al.,

1998). Dans la vigne, des essais ont démontré que l’irrigation de déficit pouvait être sans

effet sur le rendement lorsqu’appliquée en fin de saison (McCarthy, 1997). Dans la tomate,

les plants grandissant sous de fortes conditions de déficit hydrique en début de saison ont

vu leurs systèmes racinaires s’allonger jusqu’à 10 cm comparativement à ceux irrigués plus

fréquemment mais cette gestion aurait réduit le rendement en raison d’un support amoindri

des plants (Marouelli et Silva, 2007) tandis que l’effet détrimentaire du déficit en eau sur

les racines n’a pas été observé dans le kiwi (Miller et al., 1998). Les différentes profondeurs

d’enracinement entre les cultures étudiées pourraient être à l’origine d’une part de la

variabilité des réponses aux différents types d’irrigations de déficit utilisés. Aussi, les

lacunes en termes de suivi tensiométrique pour certaines de ces études et la restriction du

nombre de cultures testées empêchent de vérifier l’incidence d’une gestion de l’eau plus

sèche en début de saison sur la disponibilité en eau aux plants et ultimement sur le

rendement pour les cultures ayant des enracinements peu profonds comme celle de la fraise.

Revue de littérature sur la culture de la fraise

Le fraisier

Physionomie

La fraise cultivée, Fragaria × ananassa, est une herbacée vivace possédant une couronne

centrale de laquelle émerge les feuilles, les racines, les stolons et les fleurs (Hancock,

1999). Les racines émergent plus spécifiquement de la périphérie de la base de la couronne

là où elle est en contact avec le sol. Plus de 50-90% des racines sont concentrées dans les

premiers 10-15 cm de sol (Hancock, 1999). Les racines sont produites en plus grande

quantité au printemps et à l’automne alors que les températures sont froides. Le système

racinaire est le seul à montrer une réduction de la biomasse durant la fructification (May et

al., 1994). Une température élevée au niveau des racines peut affecter la croissance du plant

Page 21: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

11

de façon importante (Hancock, 1999). Un plant vigoureux produit 10-15 stolons par an qui

sont alimentés en eau et en nutriments par la plante mère (Hancock, 1999). Dans le cas de

cultures sur paillis de plastique, les stolons sont retirés pour éviter à la plante de perdre des

nutriments inutilement. L’ETc diminue légèrement en fin de saison dû au vieillissement du

plant (Hanson et Bendixen, 2004).

Régulation du développement

Il existe deux principaux types de fraisiers cultivés commercialement, les fraises à jours

neutres et les fraises à jours courts. Les fraises à jours courts sont plutôt des fraises à jours

courts facultatifs et initient leurs bourgeons floraux soit lorsque le jour est plus court que

14h ou lorsque les températures sont de moins de 15°C. Au-dessus de 15°C, la

photopériode critique pour l’initiation florale est de 8-12h, dépendamment du cultivar. Les

fraises à jours longs initient généralement leurs bourgeons floraux quand les journées sont

de plus 12h et la température modérée.

Dépendamment du climat et de la variété, les plantations sont faites à différents moments

de l’année. Les fraises à jours neutres produisent généralement des fraises trois mois après

la plantation et ont une diminution de rendement pour des températures supérieures à 26°C.

La première série de fleurs est souvent retirée pour renforcer la vigueur du plant et de ses

rendements ultérieurs (Hancock, 1999). Les fraises à jours courts plantés sur billons sont

généralement plantées durant l’été ou à l’automne dépendamment du climat et de la saison

de production désirée (Hancock, 1999). La côte centrale de la Californie commence sa

production vers le mois d’avril avec des fraises à jours neutres et la termine vers les mois

d’octobre-novembre. La production de la côte du sud de la Californie est dominée par des

fraises à jours courts qui mûrissent de début janvier à mai-juin (Hancock, 1999).

Établissement de la culture

Les fraises sont généralement cultivées sur rangs nattés recouverts de paillis faits de paille

ou de plastique, ou sur billons (rangs surélevés) recouverts de paillis de plastique (Hancock,

1999). La culture de fraise sur lit surélevé favorise la croissance des racines

comparativement aux lits plats en plus de diminuer le taux d’implantation des stolons et de

devancer le rendement comparativement aux lits plats (Goulart et Funt, 1986). Le

pourcentage de couverture maximal de la culture de fraise est de 70 à 75% en raison de

Page 22: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

12

l’espacement entre les rangs et se produit autour du 160e jour après la date de plantation

(Hanson et Bendixen, 2004). En culture sur billon, les stolons sont tous retirés. Ce système

cultural est majoritairement utilisé pour les variétés à jours neutres ou pour les variétés à

jours courts dans les régions où l’hiver est doux et où les étés sont chauds ou modérés

(Hancock, 1999) tel que la Californie.

En Californie, c’est la culture de la fraise sur billon recouverte de paillis de plastique et

irriguée par un système de goutte-à-goutte qui est prédominante. Cette méthode permet des

économies d’eau, un bon contrôle des mauvaises herbes, une réduction de l’utilisation

d’herbicides, un maintien de la propreté des fruits, une augmentation du calibre des fruits,

une amélioration de leur qualité (Yuan et al., 2004) et une régulation de la température du

sol (Hancock, 1999).

Les couleurs de paillis utilisés varient en fonction de la régulation de température qui doit

être faite (Hancock, 1999). La quantité d’énergie pénétrant le paillis régule la température,

cette énergie est plus élevée pour les paillis transparents et plus basse pour les paillis plus

foncés. Le paillis de polyéthylène noir est utilisé dans des régions où les températures

chaudes restreignent le rendement et où les hivers sont suffisamment chauds pour permettre

la croissance racinaire (Hancock, 1999). Les paillis réfléchissants (argent) sont associés à

une diminution des dommages causés par les insectes nuisibles (Rhainds et al., 2001) en

plus des autres avantages attribués aux paillis de plastique.

Les systèmes de micro-irrigation de type goutte-à-goutte sont les plus couramment utilisés

pour la culture en champ de la fraise. Pour assurer une bonne implantation, l’irrigation

goutte-à-goutte est souvent combinée à de l’irrigation par gicleurs suite à la plantation. Ce

type d’irrigation améliore le contact entre les racines et le sol, hydrate rapidement le plant

pour aider l’implantation des racines adventives, lessive les sels de la zone racinaire et offre

une protection contre le gel si nécessaire (Daugovish et al., 2009). Cette pratique est

cependant critiquée étant donnée les pertes importantes d’eau, de sédiments et de

nutriments qui y sont rattachées.

Page 23: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

13

Irrigation

La fraise est une plante qui demande de grandes quantités d’eau. Cela est dû à un système

racinaire peu profond en combinaison avec une surface foliaire importante et des fruits à

haute teneur en eau. Plusieurs pratiques d’irrigation du fraisier ont été étudiées qu’il

s’agisse de la méthode du bilan hydrique, de l’irrigation de déficit, du séchage partiel des

racines ou de la tensiométrie.

Tensiométrie

Plusieurs études ont été accomplies dans la fraise pour tenter de déterminer le seuil optimal

de ψ pouvant servir de consigne au déclenchement de l’irrigation mais beaucoup d’entre

elles ne bénéficiaient pas de système de suivi continu de culture. La conclusion était

souvent que le suivi tensiométrique requiert beaucoup de temps et de travail (Krüger et al.,

1999). Les ψ étaient généralement mesurés à raison d’une fois par jour (Yuan et al., 2004;

Guimerà et al., 1995; Serrano et al., 1992), voir même trois fois par semaine (Hoppula et

Salo, 2007; Clark et al., 1996) et même moins (Krüger et al., 1999). Malgré une possible

fragmentation dans les données de ψ, des profondeurs d’installation de sondes variant entre

10 et 15 cm, des textures de sol différentes, et des milieux de croissances différents en

tunnel (Hoppula et Salo, 2007; Savé et al., 1993; Guimerà et al., 1995; Serrano et al., 1992)

ou en champ (Evenhuis et Wilms, 2008), ces études ont obtenu un seuil de ψ optimisant le

rendement entre -10 et -15 kPa.

Un important résumé des expériences en champ ayant obtenu des différences significatives

de rendement et ayant été accomplies en suivi continu de culture dans le cadre du présent

projet de recherche est présenté par Létourneau et al. (2015). Les rendements de la fraise

ont été maximisés avec des seuils fixes de ψ entre -8 kPa et -11 kPa sur la côte centrale de

la Californie en loam argileux et avec une régie de -8 kPa sur la côte sud de la Californie en

loam sableux fin. Des essais se déroulant au Québec ont ciblé la zone de -13 kPa à -14 kPa

pour l’optimisation des rendements dans un loam limono-argileux. Cependant, il est aussi

arrivé que la tensiométrie n’ait pas eu d’impact significatif sur les rendements dans le cas

d’un loam sableux fin au sud de la Californie (Caron et al., 2014).

La régie de l’irrigation par tensiomètre jointe à un système d’automatisation ont permis des

économies d’eau de 40% comparativement à un suivi manuel de l’irrigation dans le cas de

Page 24: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

14

Ançay et al., (2012). En plus de permettre d’irriguer de façon plus précise durant les

périodes de forte consommation en eau de la culture, ce système a permis une réduction du

temps de main d’œuvre qui couvrirait les frais d’achat du système après un an d’utilisation

dans le cas de cette étude.

Entre une culture pleinement irriguée et une culture irriguée par déficit, les rendements ont

été observés comme n’ayant que peu de différences entre eux en début de saison (Caron et

al., 2013; Liu et al., 2007; Savé et al., 1993) et que les effets des différentes régies

apparaissaient seulement plus tard. Cette observation va dans la même direction que

l’Équation 3, et que le raisonnement portant sur le fait qu’un ψ plus faible pourrait être

appliqué en début de saison sans affecter le rendement, car à ce moment, la Knon-sat

nécessaire pour combler les besoins de la plante pourrait être plus faible en raison des

demandes ETc plus basses.

Tensiométrie et bilan hydrique

Les résultats des études comparant la gestion par bilan hydrique à la gestion par tensiomètre

varient. Certaines études ont démontré qu’une gestion basée sur un modèle climatique était

préférable (e.g. Yuan et al., 2004; Krüger et al., 1999) même si certaines études ont obtenu

peu (Krüger et al., 1999) ou pas (Trout et Gartung, 2003) d’effets sur le rendement lors de

l’application de différents pourcentages de la réserve en eau. D’autres études concluent plus

en faveur d’une gestion basée sur la mesure des propriétés hydriques du sol (Evenhuis et

Wilms, 2008; Kirschbaum et al., 2003).

En comparant une gestion de l’irrigation par tensiométrie (-20 kPa) à une gestion utilisant

50% de la réserve en eau pour différents taux d’applications, Kirschbaum et al. (2003) a

obtenu un meilleur rendement avec la gestion tensiométrique mais a observé que cette

dernière diminuait l’EUE. En comparant une gestion par bilan hydrique à une gestion par

tensiométrie, (Krüger et al., 1999) n’a pas obtenu de préférence générale sur le mode de

gestion au terme de trois saisons d’expérience.

L’estimation du Kc, lors d’une gestion par bilan hydrique, est basée sur des paramètres

climatiques et phénologiques pour des conditions culturales spécifiques à partir desquelles

il a été établi. Or les besoins en eau peuvent varier selon les cultivars tel que démontré par

Page 25: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

15

Grant et al. (2010) qui ont obtenu des réponses différentes entre cultivars pour des régies

utilisant respectivement 65% et 130% de la réserve en eau bien que 65% était généralement

associé à une baisse de rendement.

Effets physiologiques du statut hydrique

Une bonne irrigation du fraisier accroît généralement le poids moyen des fruits (Yuan et al.,

2004; Savé et al., 1993; Kinnanen et Säkö, 1979; Giné Bordonaba et Terry, 2010), le

nombre de fruits (Yuan et al., 2004; Kirschbaum et al., 2003; Serrano et al., 1992), la

quantité de stolons (Yuan et al., 2004; Kinnanen et Säkö, 1979), le nombre de stomates

(Klamkowski et Treder, 2007), et la biomasse des feuilles (Yuan et al., 2004; Klamkowski

et Treder, 2007; Savé et al., 1993). Il est connu que les stomates répondent à un déficit en

eau en se fermant. Une diminution des échanges gazeux au niveau des stomates a été

observé lors de l’application de ψ plus bas dans le sol (Klamkowski et Treder, 2007). Pour

des cultures plus irriguées, une plus grande transpiration a aussi été observée (Serrano et al.,

1992) et elle pourrait découler d’un indice de surface foliaire plus grand, ce qui expliquerait

partiellement la faible efficacité d’utilisation de l’eau associée aux régies plus irriguées.

L’irrigation de déficit est définie par l’application d’un pourcentage préalablement calculé

de l’utilisation de l’eau potentielle de la plante (Davies, 2004). Le degré avec lequel les

différentes parties du fraisier sont affectées par l’irrigation de déficit est fortement influencé

par le stade de développement global du plant (Hancock, 1999; Kinnanen et Säkö, 1979).

Renquist et al. (1982) ont d’ailleurs observé que la conductance des feuilles dépend de

l’environnement de croissance du plant et de son historique d’irrigation. Une irrigation

importante en début de saison, particulièrement dans la phase de maturation du fruit, aurait

un effet positif sur le rendement et peut aussi devancer la maturation des fruits (Kinnanen et

Säkö, 1979). Dans le cas d’une culture récoltée plus d’une année consécutive, une irrigation

de déficit à la fin de la maturation des fruits aurait comme conséquence d’augmenter le

rendement et le nombre de fruits de l’année subséquente (Kinnanen et Säkö, 1979). Une

régie d’irrigation de déficit appliquée sur toute la saison de production a cependant eu

comme conséquence de diminuer significativement le rendement dans de nombreuses

études (Hoppula et Salo, 2007; Liu et al., 2007; Serrano et al., 1992b; Savé et al., 1993;

Guimerà et al., 1995; Kirschbaum et al., 2003; Caron et al., 2013; Caron et al., 2014).

Page 26: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

16

L’irrigation de déficit améliore souvent le goût du fruit en augmentant sa concentration en

sucre (Giné Bordonaba et Terry, 2010). Il existe cependant encore peu d’informations

permettant de déterminer l’effet précis de l’irrigation de déficit associé à chacun des stades

de croissance du fraisier.

La réponse du système racinaire au statut hydrique du sol n’est pas encore bien documentée

chez le fraisier. En comparant une gestion sèche à une gestion pleinement irriguée,

Klamkowski et Treder (2007) et Savé et al. (1993) n’ont pas observé de baisse de biomasse

sur le système racinaire. De leur côté, May et al. (1994), ont observé que le système

racinaire pouvait exprimer une baisse de biomasse suite à la fructification.

La réponse du fraisier à la disponibilité de l’eau varie au sein des cultivars (Grant et al.,

2010; Giné Bordonaba et Terry, 2010; Krüger et al., 1999). Grant et al. (2010) qui a testé

pour une première fois à plus grande échelle l’effet du déficit hydrique relativement aux

différents cultivars de fraisiers a obtenu des différences significatives d’EUE entre cultivars

et des interactions significatives entre le cultivar et le traitement d’irrigation pour les

rendements totaux.

Efficacité d’utilisation de l’eau

Une meilleure efficacité d’utilisation de l’eau, c’est-à-dire le ratio du rendement sur la

quantité d’eau appliquée, permet d’accroître le rendement économique et diminuer l’impact

environnemental de la culture. L’eau ne représente souvent pas une préoccupation

économique importante pour les agriculteurs mais cette situation est sujette au changement

dans les régions sensibles aux sécheresses où les secteurs résidentiel et agricole exercent

une importante pression sur la ressource.

L’efficacité d’utilisation de l’eau est généralement augmentée lors de l’utilisation de seuils

de potentiel matriciel plus bas même si ces seuils ne sont pas ceux qui maximisent

nécessairement le rendement total. L’efficacité d’utilisation en eau a généralement été

observée comme étant inversement proportionnelle à la quantité d’eau appliquée qu’il

s’agisse d’études utilisant le tensiomètre (Létourneau et al., 2015; Hoppula et Salo, 2007;

Yuan et al., 2004) ou la sonde de teneur en eau (Liu et al., 2007; Klamkowski et Treder,

2007). Il semble cependant y avoir une limite passé le seuil de -70 kPa où une diminution

Page 27: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

17

simultanée du rendement et de l’efficacité d’utilisation de l’eau a été observée (Serrano et

al., 1992). Bergeron (2010) a obtenu une efficacité d’utilisation de l’eau au moins deux fois

plus grande en utilisant des seuils de ψ de -18 kPa et -33 kPa qu’avec un seuil de -5 kPa

sans différence significative sur le rendement. Un essai sur la côte centrale de la Californie,

a obtenu une efficacité d’utilisation de l’eau supérieure avec une régie de -10 kPa

comparativement à une régie de contrôle utilisant 40% plus d’eau dans un sol hautement

perméable (Létourneau et al., 2015). Une efficacité d’utilisation de l’eau supérieure a été

obtenue avec des traitements à seuil ψ plus sec de -20 kPa par rapport à -10 kPa sur la côte

centrale de la Californie (Létourneau et al., 2015) et de -18 kPa par rapport à -13 kPa sur la

côte sud de la Californie (Caron et al., 2014) en n’affectant pas non plus les rendements de

façon significative.

L’efficacité d’utilisation de l’eau est d’une part influencée par les effets de la régie de

l’irrigation sur les processus physiologiques des plants et d’autre part par la gestion de l’eau

elle-même. Le lessivage, l’évaporation et le ruissellement des eaux d’irrigation diminuent

l’efficacité d’utilisation de l’eau. Bien que les paillis de plastique combinés à des systèmes

d’irrigation goutte-à-goutte, aient comme fonction de diminuer les pertes au niveau du

ruissellement et de l’évaporation, ils ne sont pas à l’épreuve de la surirrigation. Les pertes

en eau pourraient être diminuées en optimisant les temps d’irrigation par rapport à la

capacité d’entreposage d’eau et à la conductivité hydraulique du sol (Skaggs et al., 2010; Li

et al., 2004; Cote et al., 2003). Certaines études ont d’ailleurs obtenu une meilleure

efficacité d’utilisation de l’eau avec des irrigations plus petites et plus fréquentes (e.g.

Létourneau et al., 2015). En phase d’implantation, l’irrigation par aspersion de billons

recouverts de paillis de plastique, est associée à des pertes d’eau par lessivage qui sont

importantes et qui peuvent résulter en une efficacité d’application de l’eau inférieure à 50%

(Clark et al., 1996).

Salinité

Une salinité trop élevée peut réduire le rendement dans la fraise qui y est sensible (Barroso

et Alvarez, 1997). Les sels n’ont cependant pas tous les mêmes effets sur le fraisier; les

composés chlorées sont plus dommageables (Barroso et Alvarez, 1997). Il est important

d’intégrer cette considération lors de la gestion de l’irrigation, d’autant plus lorsque la fraise

Page 28: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

18

est cultivée dans un climat chaud et sec tel que la Californie et où les concentrations

naturelles en sels peuvent être élevées.

Page 29: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

19

Hypothèses et Objectifs

En gardant en considération la nécessité du maintien d’un haut niveau de rendement pour la

rentabilité des productions et la nécessité de préserver la ressource en eau, l’état des

connaissances répertoriées, tant au niveau des stratégies de l’irrigation qu’au niveau de la

réponse spécifique du fraisier à ces stratégies, mène aux hypothèses de recherche suivantes

1) : L’application d’un seuil de potentiel matriciel du sol (ψ) variable au lieu d’un seuil fixe

permet d’augmenter l’efficacité d’utilisation de l’eau sans affecter négativement le

rendement; 2) : La gestion de l’irrigation par tensiomètre avec l’utilisation d’un seuil fixe

permet d’augmenter le rendement par rapport à une gestion par bilan hydrique.

Les objectifs qui en découlent sont : 1) Déterminer l’effet d’un ψ plus bas en début de

saison sur le rendement et sur l’efficacité d’utilisation de l’eau; 2) Investiguer un seuil ψ de

déclenchement des irrigations variant en fonction de l’ETc prévisionnelle; 3) Comparer les

performances d’une gestion de l’irrigation par suivi tensiométrique et d’une gestion par

bilan hydrique utilisant l’ETc; 4) Déterminer le seuil de ψ optimal pour déclencher les

irrigations.

Page 30: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

20

Page 31: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

21

Chapitre 2 : Determination of the optimal

strawberry irrigation strategy based on water

matric potential and a climatic model

Résumé

Les fraises sont produites dans beaucoup de régions où l’eau est limitante et les producteurs

doivent choisir parmi plusieurs stratégies d’irrigation celle qui maximise le rendement et

l’efficacité d’utilisation de l’eau (EUE). En Californie, sur des fraises cultivées en champ

(Fragaria × annanasa), des irrigations basées sur le potentiel matriciel du sol (ψ) avec des

données disponibles en temps réel ont été comparées à une gestion par bilan hydrique

climatique, et un seuil de ψ variable ajusté à l’ETc prévisionnelle a été investigué. L’ETc

instantanée, étant reliée de près au flux matriciel de l’eau du sol, a été utilisée pour estimer

le ψ critique journalier. Sur un sol à faible perméabilité des traitements initiant l’irrigation à

-10 kPa, -35 kPa, un témoin, -35/-10 kPa (une gestion de l’irrigation à seuil variable

utilisant un ψ plus sec de début de saison à -35 kPa suivie d’une gestion à -10 kPa) et un

traitement à seuil variable ajusté à l’ETc prévisionnelle quotidien n’ont pas montré de

différences de rendement, tandis que sur un sol hautement perméable, des traitements

correspondant à 100% ETc, 75% ETc, 50% ETc, un témoin, -10 kPa et -35/-10 kPa ont mené

à d’importantes différences d’EUE et de rendement. Les régies pleinement irriguées, -10

kPa et 100% ET, ont maximisé les rendements mais la régie à -10 kPa a atteint la meilleure

EUE. En gérant l’irrigation par déficit, la gestion basée sur le ψ a permis d’augmenter le

rendement et l’EUE contrairement au modèle climatique, montrant l’intérêt d’une telle

approche relativement au contexte de restriction en eau affectant les régions sensibles à la

sécheresse tel que la Californie.

Mots-clés. Irrigation, fraise, tensiomètre, humidité du sol, potentiel matriciel du sol,

évapotranspiration, modèle climatique, irrigation de déficit, efficacité d’utilisation de l’eau.

Page 32: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

22

Abstract

Strawberries are produced in a many areas where water is limited and growers have to

choose among irrigation strategies which one offers the best yield and water use efficiency

(WUE). In California, on field grown strawberry plants (Fragaria × annanasa) soil matric

potential (ψ) based irrigation with real-time data was compared to the climatic water

balance model (CWB) and a variable ψ threshold adjusted to the forecasted crop (ETc) was

investigated. Instantaneous ETc, closely related to soil water flux, was used for estimating

daily critical ψ threshold. On a low permeability soil, -10 kPa, -35 kPa, a control, -35/-10

kPa (a variable management using early dry ψ management of

-35 kPa followed by -10 kPa) and a variable ψ threshold adjusted to daily forecast of ETc

did not result in any yield differences, whereas on a high permeability soil, 100% ETc, 75%

ETc, 50% ETc, a control, -10 kPa and -35/-10 kPa resulted in important WUE and yield

differences. Fully irrigated treatments, -10 kPa and 100% ETc, maximized seasonal yield

but -10 kPa obtained the best WUE. When applying deficit irrigation managements, ψ

based irrigation allowed yield and WUE increase unlike the climatic model, showing the

interest of such an approach in water shortage context affecting drought sensitive areas as

California.

Keywords. Irrigation, strawberry, tensiometer, soil moisture, water matric potential,

evapotranspiration, climatic model, deficit irrigation, water use efficiency.

Page 33: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

23

Introduction

In many areas, water has been a relatively inexpensive input and strawberry is a high value

production. Growers that have to deal with a shallow rooted crop sensitive to water deficit

often opt to manage on the wet side applying more water than necessary. In California, that

context is subject to change in light of the growing uncertainty of water supply that has

been facing the state for the past few years. In light of that concern, irrigators must use

water as efficiently as possible. Many irrigation tools are available to help determining

precise crop needs. There are two main operating modes in the field: (1) refilling water

losses that occurred through potential evapotranspiration and (2) adjusting irrigations

directly onto soil moisture measurements whether it is done by the use of tensiometer or

electrical conductance tools. The latest is more susceptible to mitigate crop water needs

because of the nonlinear relation between water content and soil water matric potential in

conjunction with a plant water assimilation process closer to water potential differences

than water content differences. In the past few years, soil water monitoring technologies

have evolved rapidly and irrigators now have the opportunity to work with real-time data.

It is thus of interest to verify which approach, tensiometer or climatic water balance model

(CWB), provides the best yield and water use efficiency (WUE). A number of studies were

conducted in order to clarify the proper way of using one or the other of these two

technologies, but in strawberries the results varied. Some studies observed that tensiometer

measurement is preferable over the use of climatic model for scheduling irrigations

(Evenhuis and Wilms, 2008; Kirschbaum and al., 2003) while other studies seem more in

favor of a climatic model (e.g. Krüger and al., 1999; Yuan and al., 2004).

A simple and very common way to estimate crop water needs among growers is by

calculating the water balance model a posteriori by adding potential evapotranspiration of

the crop to water losses and irrigations are usually applied on predetermined schedule. In

many regions meteorological services, such as CIMIS in California (California Irrigation

Management Information System), provide ET0 at the end of each day. ET0 is then

multiplied by a crop coefficient (Kc) whether this value is estimated as a function of the

plantation date or as a function of the crop coverage (e.g. Grattan and al., 1998; Hanson and

Bendixen, 2004). Kc estimation using crop coverage is more reliable since transpiration is

Page 34: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

24

closely related to canopy size but is unfortunately less likely to be used by growers because

of the complexity of the estimation (Hanson and Bendixen, 2004). When using water

balance model, it is important to consider that there might be environmental differences

between the site where ET0 is measured and the actual crop site; that sufficient water must

be available in the soil so that plant transpiration is not reduced by water stress; that a Kc

estimation takes into account specific phenological characteristics of the cultivars from

which it has been established and that avoiding any of these considerations might contribute

to miscalculate crop water needs. Moreover, CWB often has the inconvenient of not taking

into account real-time soil water flux within the root zone, which is necessary for

quantifying plant water uptake use and avoid hydric stress of the crop, especially during dry

spells (Rekika and al., 2014).

Determination of optimal water matric potential (ψ) with tensiometers to trigger the

irrigation in strawberries was studied several times and has been proven to increase yield

(Cormier and al., 2015; Létourneau and al., 2015; Serrano and al., 1992). However, in

several strawberry studies, ψ follow-up was often unpaired with a monitoring system but

was instead performed by visual readings (Krüger and al., 1999; Serrano and al., 1992). The

lack of real-time data could therefore have led to fragment the ψ information and possibly

misidentify the moment at which the actual critical ψ was reached and thus the appropriate

irrigation set time. While studies using tensiometer unpaired with a monitoring system and

performed under different conditions - i.e. soil texture, climate, depth of tensiometer probes

ranging from 10 to 15 cm and strawberry grown in tunnel or in field - point out the range

maximizing the yield as between -10 and -15 kPa (Hoppula and Salo, 2007; Savé and al.,

1993; Guimerà and al., 1995; Serrano and al., 1992; Evenhuis and Wilms, 2008), recent

studies using real-time data, were able to pin point the critical ψ threshold of strawberry as

between -8 et -10 kPa for field grown strawberries with plastic mulch under varied climatic

conditions (Létourneau and al., 2015).

On the other hand, even when monitoring systems were used, ψ experiments that aimed at

finding the optimal irrigation ψ threshold for triggering irrigations only used fixed

thresholds. Recently, Rekika and al. (2014) noted that the use of a fixed ψ threshold does

not necessarily take into account instantaneous ETc requirements within the root zone, a

Page 35: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

25

condition linked to the unsaturated hydraulic conductivity of the soil and the rooting depth

among many factors. Using an analytical solution to Richard’s equation, first derived by

Yuan and Lu (2005) and considering a uniform root water uptake, Rekika and al. (2014)

isolated a threshold estimate from the Yuan and Lu (2005) analytical solution and Gardner

function. This threshold estimate corresponds to an approximation of the critical irrigation

threshold necessary in order to maintain the soil ψ in plant comfort zone. Lower ψ could be

targeted early season, because at this time, lower ETc requirements result in a lower flux

into the root zone. Indeed, early season, Liu and al. (2007) observed that there were no

important yield differences and Savé and al., (1993) observed no significant differences in

physiological response when comparing different tensiometer managements and noted that

this might be due to low evaporation demands and few accumulated stress cycles. Applying

early season lower matric potential might thus allow maintaining yield and then result in an

increased WUE. In order to achieve such a management, root depth, forecast of ETc, and

soil properties are needed.

The aim of this study was (1) to identify which of ψ triggered irrigation or water balance

model based on ETc managements offers the best yield and WUE, and (2) to compare yield

and water performances between an irrigation management using a variable ψ threshold

adjusted to forecast of ETc with managements where fixed ψ thresholds are applied.

Materials and methods

Experimental sites and crop details

This study covers two experiments that were performed during one crop season on two

different California sites planted with two different cultivars. At site 1 short-day strawberry

plants (Fragaria × annanasa) were planted mid-October and grown on raised beds covered

with black plastic mulch according to the conventional farming practice in the area on an

Entisol of Hueneme series (O'Geen, 2014) in South Coast California (34 8'N °, 119 ° 9'W).

Each bed consisted of 4 rows with plants set 30 cm apart, giving an equivalent plant density

of 10 298 plants per hectare. Water was supplied by trickle irrigation consisting of three

Page 36: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

26

laterals of 16mm per bed diameter and located 5 cm below soil surface. Emitters were

spaced every 20 cm with a 2.98 lph / m flow rate of a 0.44 kg / cm2 operating pressure.

At site 2, day neutral strawberry plants (Fragaria × annanasa) were planted mid-October

and grown on raised beds covered with silver plastic mulch according to the conventional

farming practice in the area on a Mollisol of Salinas series (O'Geen, 2014) in Central Coast

California (36°53'N, 121°40'W). Each bed was constituted of 2 rows planted bed with

plants set 30 cm apart, giving an equivalent plant density of 8814 plants per hectare. Water

was supplied by trickle irrigation consisting of two laterals of 16mm diameter per bed and

located on top of soil surface. Emitters were spaced every 20 cm with a 3.72 lph / flow rate

at a 0.70 kg / cm2 operating pressure.

Irrigation treatments and experimental design

Treatments

Figure 1 shows the treatment structure of the two sites for more clarity. (The experimental

design is not shown on this figure). Both experimental designs consisted in complete

randomized blocks. Site 1 was designed with five repetitions of four ψ treatment plus a

control. Site 2 was designed with four repetitions of two ψ treatments, three water balance

model treatments based on ETc and a control. A control, a -10 kPa ψ threshold applied all

season and a -35 kPa early season dry management (from January 1st to March 20th at site 1

and from March 21st to May 23rd at site 2) followed by a -10 kPa wet management until the

end of the season were applied on both sites (this treatment will further be mentioned as -

35/-10 kPa). At site 1, a dry management of -35 kPa and a “variable” ψ threshold were also

applied.

The variable treatment used the critical matric potential threshold (hc) adjusted to forecast

of ETc as described in the appendix of Rekika and al. (2014). Saturated hydraulic

conductivity (KsG) and the exponent of the Gardner function were fitted on the exponential

part of the shape of the unsaturated hydraulic conductivity curve into the -3.5 to -35 kPa

range. Soil surface evaporation (q0) was estimated as 0 cm d-1 because of plastic mulch

covering crop rows and root depth was estimated relatively to root measurements

performed every two weeks. ETc was calculated using daily value from the experimental

Forecast Reference EvapoTranspiration from the National Weather Service (U.S.A) and Kc

Page 37: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

27

factor was estimated with the crop canopy coverage regression developed by Grattan and al.

(1998).

At site 2, three treatments using water balance model were applied. Water reserve was

refilled at 50%, 75% and 100% of potential ETc, regardless of soil matric potential. ET0 was

determined from the nearby CIMIS weather station 129. The Kc was derived from the

calculation method explained in Gallardo and al. (1996) and the cover percentage for using

this method was measured monthly using a photographic technique.

Irrigation management

A combination of sprinkler and drip-irrigation systems is the conventional method that was

used to ensure a good plant establishment after planting and this phase was managed by the

grower. At site 1, this period covered from planting date to January 1st 2014, and at site 2,

from planting date to March 21st 2014. Afterward, the application of the treatments started

and water from trickle irrigation was monitored weekly.

Irrigations from ψ based treatments were triggered via automated valves (Irrolis-WEB;

Hortau Inc., QC, Canada) at site 2, and via manual valves at site 1. Throughout the season,

fertilization, insect control and disease control benefited from the usual care of the grower.

Wireless tensiometers (TX3; Hortau Inc., QC, Canada) with continuously recorded data at a

15 minutes interval and transmitted to a web base (Irrolis-WEB; Hortau Inc., QC, Canada)

were used as a tool for determining irrigation set times and durations. Each treatment was

equipped with 3 pairs of tensiometers at site 1, and 2 pairs of tensiometers at site 2. They

were installed at 15 and 30 cm (6 and 12 inches) below the surface which respectively

correspond to the center and the bottom of the root zone. Tensiometers were randomly

distributed in three blocks at site 1 and in two blocks at site 2.

Irrigations were triggered when the average ψ measured by the sensors placed 15 cm (6

inches) below the surface reached the targeted threshold. Irrigation durations were then

adjusted so the higher ψ reached by the 30 cm (12 in) sensors corresponded to field

capacity. Field capacity was estimated in situ with the ψ remaining in the soil two to three

days after irrigation was made, at this moment free drainage was negligible. This value was

about -5 kPa at site 1 and -3 kPa at site 2. The application of a matric potential higher than

Page 38: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

28

this value (i.e. closer 0 kPa at soil saturation) at the bottom of the root zone would result an

increased risk of leaching.

Yield and plant measurements

On both sites, plant yield started shortly after the end of the implantation phase also

corresponding to the beginning of treatment application, at site 1 first harvest was on

January 2nd, and at site 2, it was on April 10th 2014. Sugar content, total marketable berry

weight and number of marketable fruits were measured on 50 subplots at site 1 and on 48

subplots at site 2 that contained respectively 16 plants and 10 plants each. Fruit selection

was adjusted to grower’s criteria as the season when on to match market requirements.

At site 1, fruits were picked for fresh market until April 25th, after that date, fruits were

picked for cannery market resulting in a less severe fruit criteria selection. At site 2, fruits

were picked for fresh market all season long. Sugar content (expressed in °Brix) was

evaluated with a refractometer. On both sites, strawberries yield is partial because it was

collected once a week the day before producer’s harvest and subsequent harvests of the

same week were made by the producer team relatively to the regular schedule.

Plant biomass including roots and leaves dry masses, were sampled at mid-season (at the

end of the -35 kPa ψ step in the -35/-10 kPa treatment) and at the end of the season. It thus

allowed verifying the impact of an early dry season management on plant growth. Root

biomass was measured by digging 4 replicates per treatment of soil cores having 20 cm

deep by 30 cm in diameter and having their axes centered on the collar of the plants. Roots

in soil cores were then washed from soil, dried and weighed. Percentage of ground cover

and plant collar circumferences were also measured bi-monthly. Individual plants and plant

density measurement (number of plants/area) thus allowed calculating average area covered

by the crop.

Soil properties

Salinity

Strawberries is sensitive to salinity (Barroso and Alvarez, 1997), thus soil solution and soil

solute salts were followed to determine whether or not irrigation treatments could have

resulted in salinity build-up. Soil soluble salts were measured using a 1: 1 (volume:volume)

Page 39: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

29

Soil:Water extract method (Dahnke and Whitney, 1988) for characterizing initial,

midseason and final soil electrical conductivity. Soil solution was also measured weekly

from three blocks in both sites using suction lysimeters (Soil Moisture Equipment Corp.,

Santa Barbara, California) installed at a depth of 15 cm (6 in).

Soil texture

Soil texture characterisation was performed on soil samples randomly distributed within

both trials themselves analyzed in laboratory with the Bouyoucos hydrometer method to

measure the smaller than 53 microns fraction. The same samples were subsequently sieved

to measure the larger than 53 microns fraction (Centre d’expertise en analyse

environnementale du Québec, 2010). At site 1 the soil series was a Hueneme Sandy Loam

characterized with poor drainage as classified in the USDA classification system and at site

2 was found a well drained Salinas clay loam, as identified by the National Cooperative

Soil Survey U.S.A. (O’Geen, 2014).

Water desorption curve, unsaturated hydraulic conductivity, and variable threshold

estimation

In order to characterize matric potential at which water is limiting for the crop and for

deriving threshold estimates of the variable treatment (Rekika and al., 2014), the water

retention curves (WRC), the saturated and the unsaturated hydraulic conductivity (Ksat and

Kunsat) were characterized prior to the application of treatments. Because those analyses are

time consuming, Kunsat for the estimation of site 1 variable threshold was estimated by

inverse modeling performed on the WRC of an adjacent site that had already been analysed

in a previous study and that had much similarities in soil properties. At sites 1 and 2, soil

cores sampling was performed at the beginning and at the end of the season on undisturbed

soil columns of 5.5 cm height and 8.0 cm diameter. Validation of the variable ψ treatment

calculation was thus verified a posteriori.

Ksat was measured on soil samples previously saturated from the bottom at a very slow rate

(12h), then saturated hydraulic conductivity was measured using a vertical constant head

soil core method (Caron and al., 1997). On the same samples, retention curves were

characterized in desorption phase in the range -2 kPa to -20 kPa (using the steps of -2, -5,-

10 and -20 kPa) with the multistep outflow method (Dane and Hopmans ,2002) in Tempe

Page 40: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

30

cells (Soil Moisture Equipment Corp., USA) equipped with pressure monitors. Higher steps

(-30, -50 and -100 kPa) were determined with a pressure plate extractor (Soil Moisture

Equipment Corp., É.-U.). Multistep outflow method allowed the calculation of unsaturated

hydraulic conductivity by inverse modeling in HYDRUS-1D (PC-Progress). WRC were

also analyzed on tension tables in the -2 kPa to -20 kPa range (using the steps of -1.5, -3, -5,

-7.5, -10, -15 and -20 kPa.) as described in Carter (1993).

Statistical analysis

Data were analyzed using the MIXED procedure of the SAS software package (SAS

Institute, 2012). The least significant difference test was used for mean separation, and

letter indicating significant differences were assigned using the macro DANDA procedure

(O’Brien, 1998). Statistical comparisons were considered significant at P < 0.05.

Results and discussion

Soil properties

Soil texture

Textural analysis (Table 1) showed site 1 to be a fine sandy loam and site 2 to be a silty

clay according to the USDA soil classification. The results were consistent with the

National Cooperative Soil Survey U.S.A. (O’Geen, 2014).

Water desorption curve

Figure 2 shows the WRC from both tension table and Tempe cells analyzed for samples

taken at the beginning and at the end of the season on both sites. There was no remarkable

difference in WRC between the two analytical methods neither between early nor end

season samples within a same site. At site 2, readily available water decreases rapidly at ψ

greater than -3.5 to-10 kPa. At site 1, ψ decrease was more gradual down to about -25 kPa

after which it decreased rapidly for only a slight water content modification.

Saturated and unsaturated hydraulic conductivities

The infiltration process was several orders of magnitude slower on the fine sandy loam of

site 1 than on the silty clay of site 2 (Table 1), with early season Ksat of 1.35 cm h-1 at site 1

and 134.9 cm h-1 at site 2. High hydraulic conductivity of site 2 was due to a highly

structured soil with important porosity (Table 1). On both sites, saturated hydraulic

Page 41: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

31

conductivities (Ksat) were performed on samples taken both at the beginning and at the end

of the season (Figure 2). At site 1 no significant differences in Ksat between the two dates

were observed, while Ksat at the end of the season were significantly higher at site 2 (Table

1). Ksat exacerbations might be attributable to the smectitic clay component of this soil

contributing to its cracking and swelling behavior.

Figure 2 presents the Kunsat curve related to site 1 and 2. Site 1 is the site at which the

variable threshold was tested. The Gardner hydraulic conductivity KsG and coefficient

were derived for the –3.5 to -35 kPa range and used to calculate hc (Rekika and al., 2014).

They are also presented in that figure. For site 1 hc calculation, the KsG and were derived

from inverse modelling of a previous site WRC, and respectively corresponded to 2.29 cm

d-1 and 0.021 cm-1.

Salinity

Analyses of the irrigation water revealed an electrical conductivity (EC) lower than 1.43

mS cm-1 at site 1 and lower than 0.95 at site 2 (data not shown). On both sites, weekly

follow-up of EC in soil solution at 15 cm deep showed no significant differences between

treatments but varied significantly throughout the season (results not shown). Site 1 EC

varied between 1.72 and 5.6 mS cm-1 while site 2 EC varied between 0.3 and 3.5 mS cm-1.

Site 1 EC might seem high but the strawberry crop did not suffer from these levels since the

main salt component was CaSO4 with a low Cl- concentration levels.

Matric potential evolution

For both sites, Figure 3 and Figure 4 show ψ evolutions, Table 2 and Table 3 show the

monthly average ψ thresholds actually applied and Figure 5 shows the time spent in

different ψ ranges. During the implantation phase, water was managed by the grower and

soil ψ stayed lower than -10 kPa on both sites. Specific irrigation treatments started to be

applied on January 1st at site 1 and on March 21st at site 2. The early dry management (-35/-

10 kPa) had its irrigation triggered at -35 kPa from the beginning of treatments application

until March 20th at site 1 and until May 23rd at site 2. Afterward, this treatment used -10 kPa

as irrigation set-point until the end of the season. At site 1, early season ψ following

implantation phase were often lower than those who tried to be achieved because of

fertigation, sprinkler irrigation for frost and rainfall (Figure 3 and Figure 4).

Page 42: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

32

On both sites, as plant requirements increased throughout the season, irrigation duration

increased as well. A delay between the beginning of the irrigation and the response on ψ

was observed when ETc demands were high. During that period, irrigations were triggered

somewhat earlier, but ψ often exceeded thresholds for a short time lap (Figure 3 and Figure

4) leading to lower achieved ψ thresholds than the targeted ones. Moreover, at site 2, two

irrigations were sometimes needed to allow the ψ to reach field capacity even if in the

previous irrigation, a single irrigation settled with similar irrigation duration had been

enough. The speed of the soil water reserve decrease is directly related to the ETc and is

susceptible to important daily fluctuation relatively to the weather. Past a soil specific ψ

threshold, the slope of the WRC (where θ is represented as a function of ψ) becomes nearly

linear causing a slight decrease of θ to greatly increase ψ. Hence, to better predict the

necessary amount of irrigation water necessary to properly refill water losses and to stay

below the targeted ψ at all time, adjusting irrigation duration to forecasted daily value of

ETc should be considered in further experiments.

At site 1, after most irrigation, the 30 cm ψ reached field capacity easier in treatments using

higher potentials, whereas when lower potentials were targeted, ψ rarely reached field

capacity even if longer irrigation duration were applied. Indeed, Figure 5 shows that the 30

cm sensor of the tree treatments with the higher seasonal average ψ (-10 kPa, -35/-10 kPa

and variable) spent over 80% of their time at higher ψ than the -10 kPa treatment. However

the 30 cm sensors of the dryer treatments (-35 kPa and control) spent less than 40% of their

time at higher ψ than -10 kPa. In all treatments, ψ rarely reached 0 kPa – soil ψ

corresponding to saturated water content – thus suggesting that leaching beneath the root

zone was minimized on this site.

Site 1 also allowed investigating a variable threshold. As mentioned in Materials and

Methods, the Kunsat characterization from the actual experimental site was only available

after the experiment was finished because of the duration related to those analyses. Figure 2

shows that KsG and calculated a posteriori resulted in different values from what was

expected at this site and this incorrect parameter estimation resulted in an overestimation of

the hc. Figure 3 shows the resulting hc targeted during the experiment and the one that

should have been targeted relatively to soil properties analyses performed a posteriori from

Page 43: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

33

the actual site. Variable threshold calculation a posteriori thus identified a seasonal average

of hc close to -35 kPa.

At site 2, the variable threshold was not used as a treatment but its calculation was possible

and was also performed a posteriori. The seasonal average of the hc thus identified

thresholds of -16.8 and -19.0 kPa (hc are presented in Figure 6 that will be discussed

further).

At site 2, tensiometers tended to partially emptied after soil had reached matric potential

lower than -30 kPa. This was noticed early in the season only after the probes had

malfunctioned for a few days. They were still responding to irrigations but the time to attain

equilibrium with the soil seemed longer than usual. It is thus possible that irrigation

thresholds from mid-April to early May are underestimated in Figure 4 and Table 3. After

that, tensiometers were serviced on a weekly basis. At site 2, the frequent loss of water

column through the porous cup could be explainable by a poor hydraulic contact between

the porous cup and the soil. In this case, this could have been caused either by the highly

structured clayed soil or by its swelling and cracking behavior. At site 1, tensiometers only

emptied after ψ approached cavitation point of -80 kPa and this site was characterized by a

smaller effective porosity than site 2 (Table 1) and a much smaller clay fraction (Table 1).

Tensiometers should allow to keep track of the internal water level to make sure readings

are reliable (Richards, 1949). This becomes especially important when soil contact with cup

is susceptible to be diminished.

Yield

Figure 7 shows site 1 cumulative yield represented at a two weeks interval. None of the

interaction date*treatment nor treatment effects were statistically different. However, from

early to mid-March, the -10 kPa cumulative yield exceeded other treatments but this yield

gap did not remain and end season total higher yield were obtained by -10 kPa as well as

the two variable ψ treatments with less than 1% difference. With regard to total season

performances, ψ treatments allowed slightly higher yield than the control, with the variable,

-35/-10 kPa, -10 kPa, and -35 kPa giving respectively 6.8%, 6.2%, 6.2% and 4.6% higher

yield than the control. The -10 kPa, the variable and the -35/-10 kPa treatment spent nearly

Page 44: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

34

100% of their time at a higher soil ψ than hc (Figure 5). On the other hand, both treatments

associated with more yield decrease, the control and dry, were the two treatments that spent

the most time in ψ ranges lower than hc.

While some studies have identified higher ψ as a mean of improving yield (Serrano and al.,

1992; Guimerà and al., 1995; Hoppula and Salo, 2007; Savé and al., 1993), other have also

experienced ψ not affecting yield significantly in sandy soils (Krüger and al., 1999; Clark

and al., 1996). On a sandy loam site where irrigated to non-irrigated plant yield were

compared over three cropping seasons on two varieties, significant yield differences were

only observed on one variety during the last cropping season while the other did not show

any significant yield response (Krüger and al., 2000). Field plot studies designed to evaluate

soil ψ management levels of -5, -10, and -15 kPa on a Florida fine sand did not result in

statistically different yields in any of three seasons of experiment (Clark and al., 1996).

Site 1 experiment took place on a fine sandy loam site (Table 1) characterized with a

gradual ψ decrease down to about -25 kPa (Figure 2) that could have imposed moderate

plant stress above that ψ. On this site, the control was the treatment that exceeded -25 kPa

for the longest time (Figure 5).

Létourneau and al. (2015) however identified significant yield gain between achieved ψ of -

8.1 kPa and -12.5 kPa on a similar site in 2012. In the present trial, no significant

differences were observed between the -10 kPa treatment and any of the dryer treatments.

The achieved ψ threshold from the present experiment might have been too high to clearly

identify the effect of a higher ψ than -12.5 kPa on the yield (Table 2).

Finally, the absence of yield response in this trial, as opposed to what was achieved by

Létourneau and al. (2015) on a similar site, might not only be attributable to soil differences

between sites but also to varietal differences between the two experiments. Strawberry

drought tolerances as a function of variety differences was explored at a large scale by

Grant and al. (2010) and showed that response mechanisms to water deficits was not

uniform across cultivars in similar soil conditions.

Page 45: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

35

At site 2, the different irrigation managements at the early stage of the season (until mid-

May) did not impact yield significantly whether plants received a fully irrigated or a deficit

irrigation treatment. Detrimental effect from dry managements only appeared by late June,

afterward, differences between treatments increased as the season went on. Caron and al.,

(2013) also observed the absence of yield reaction to drought in the early season on a

California clayed soil and Savé and al. (1993) noticed that dry ψ management did not

promote significant changes in plant physiological processes in the early season. However

differences appeared after several stress cycles.

Still at site 2, from late June to the end of the season, strawberry yield was strongly

influenced by the different soil ψ managements. In late June, the control had a significant

higher yield than 50%ETc and kept the highest cumulative yield among treatments until late

July. This yield reaction could be attributed to a minimum ψ reached prior to irrigation

(Table 3) that stayed higher in this treatment for all its corresponding higher yield

performance period. Afterward, the two ψ treatments along with 100%ETc kept higher ψ

thresholds and consequently achieved a higher cumulative yield until the end of the season.

The -10 kPa management maintained a significant cumulative yield 10% higher than the -

35/-10 kPa treatment from mid-August to the end of the season, suggesting that an early

season dry management might result in a delayed negative impact on yield. That would be

possible given the fact that fruits take four to 5 weeks to fully develop from flowering.

The two fully irrigated management, -10 kPa and 100%ETc maximized the cumulative total

yield. The -10 kPa represents the treatments that spent the most time at higher matric

potential than hc (Figure 5). (The hc was calculated a posteriori in this experiment but not

used for treatment application.) The highest yields at a -10 kPa fixed threshold are

consistent with the literature and with an experiment that took place on the same ranch in

2013 (Letourneau and al., 2015). With regard to soil ψ measurements, it is not well

determined why 100%ETc treatment gave a yield similar to the -10 kPa treatment since the

CWB spent less time than the ψ treatment at lower water potentials (Figure 5) and applied

ψ thresholds lower than -10 kPa throughout the season (Table 3). This will be discussed

further relatively to water application.

Page 46: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

36

Deficit irrigation managements from this experiment showed that the CWB managements

and the 75%ETc and 50%ETc treatments, resulted in respectively 11% and 21% significant

yield reduction (P<0.01) compared to -35/-10 kPa. Kirschbaum and al. (2003) also

observed that deficit irrigation using water balance model can significantly reduce the yield

compared to ψ management when comparing 50%ETc to -20 kPa. Indeed, dryer ψ

managements are generally observed to reduce yield (Létourneau and al., 2015; Liu and al.,

2007; Hoppula and Salo, 2007; Kirschbaum and al., 2003; Guimerà and al., 1995; Savé and

al., 1993; Serrano and al., 1992) which is consistent with the overall yield results of this

study.

A linear regression between relative yield (treatment yield divided by the highest yield

achieved per site) and the seasonal average water potential achieved between the end of

implantation phase and end of the season is shown in Figure 6. Site 2 regression shows a

significance level of P=0.0160 while the site 1 regression is nearly significant at P=0.0691.

Site average hc during fruit picking period, are presented in Figure 6.

At site 1, an hc situated toward the dryer part of the regression, in combination with a small

slope factor, seems to indicate that the estimated hc was too low however the yield response

in the ψ range -10 to 45 kPa was weak at this site. At site 2, hc could also have been

underestimated. Unlike site 1, site 2 was characterized with an important yield decrease

with decreasing ψ. This sensitivity to ψ at site 2 seems to indicate that considerable yield

gain could be achieved when using higher ψ managements. The differences in response

intensity are in accordance with what was expected from WRC of respective site.

The behavior of both regressions indicates that even higher ψ than -10kPa might still

increase yield which is in accordance with the results of a similar approach in Letourneau

al. (2015). It is important to note that a second critical ψ threshold might however occur as

the management become increasingly wet. A highly saturated soil can lead to hypoxic

conditions and reduce yield.

hc calculation considerations

The calculation of hc with the equation presented in the appendix of Rekika and al. (2014)

showed to be a reasonable estimation of the cropping ψ at which irrigation should be

Page 47: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

37

triggered when using tensiometer management. Indeed at site 1, the treatments that

remained below hc for the longer time obtained the best yield (despite no significant effects

were observed), and at site 2, the tension treatment that stayed below hc for the longer time

also obtained the best yield. However, Figure 6 shows that more yield might be achieved

with higher ψ which is consistent with the Létourneau and al., (2015) study.

Some consideration regarding the calculation of the hc could explain the apparent

underestimation of the optimal hc in the calculation. In this study, the hc was calculated with

the use of a daily value of ETc. However, the evapotranspiration is not constant and

fluctuates during the day to reach higher value than what is represented by a daily value

(which was used for hc calculation). It might then be of interest to consider the use of a

maximum daily value of ETc rather than a daily ETc and to further determine in which

proportion it increases the critical ψ thresholds predicted with a daily value since forecasted

value of ETc are usually available as daily values.

An error in the fit of Gardner’s parameter, that tended to slightly overestimated the Kunsat

between -8 and -29 kPa at site 1, and between -7 and -29 kPa at site 2 (results not shown),

could also have contributed to overestimate the critical matric potential calculated with the

Rekika and al. (2014) equation. In further studies, a better fit might be achieved by

precising the ψ range used for estimating Gardner’s parameters, however, this range cannot

be reduced at a smaller interval than the expected ψ in the root zone. The use of a more

precise function than Gardner equation to approximate the unsaturated hydraulic

conductivities could also allow a better estimation of the optimal ψ threshold in some soils.

The equation derived by Rekika and al. (2014) for estimating the critical threshold

considers a constant root water uptake throughout the domain. This configuration is

however not totally representative of what is encountered in the field where root density is

usually higher near soil surface. For this reason, root distribution that considers a

decreasing root uptake with increasing soil depth should be implemented in the hc

estimation equation instead of the constant root water uptake used in Rekika and al. (2014).

Page 48: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

38

Fruit quality

On both sites, fruit caliber (g fruit-1) varied significantly between harvest dates (results not

shown). At site 1, the wettest irrigation management (-10 kPa) was marked by significant

higher caliber than the control on the whole season average (Figure 8). Wetter irrigation

management was generally observed to produce larger fruits (Létourneau and al., 2015;

Yuan and al., 2004; Giné Bordonaba and Terry, 2010; Savé and al., 1993; Kinnanen and

Säkö, 1979).

At site 1, no significant differences in Brix index were observed between treatments (Figure

8). With a different cultivar at site 2, the 50%ETc and the control treatment obtained

significant higher sugar content than other managements. These treatments also have the

highest observed thresholds from July to the end of the season (Table 3) and 50%ETc was

the treatment that spent the most time at lower ψ (Figure 5). Literature often reported that

deficit irrigation enhanced fruit sugar content although biochemistry response to drought

stress can be different relatively to cultivar (e.g. Giné Bordonaba and Terry, 2010).

Plant Growth

On both sites, no significant effects were observed either on canopy coverage, crown

circumference and plant leaves biomass (result not shown). Root biomass for dry weight

was sampled at the end of the early dry management of -35/-10kPa treatment and at the end

of the season (Figure 9). On both sites, interactions date*treatment were not significant thus

allowing to check for date and treatment effect on yield. At site 1, mid-season root mass

was significantly higher than end-season sampling at P=0.0158 but no significant

differences were obtained among treatments. May and al. (1994) also noted that the root

system can exhibit a biomass reduction during fruiting. For root biomass sampled at the end

of a season, Savé and al. (1993) had no significant differences between a wet and a dry

regime despite a root mass higher in wet management.

At site 2, end-season root mass was higher than the mid-season one at P<0.001. With the

use of the Tukey-Kramer test, the treatment effects were verified at each sampling date. At

the end of the season, the control obtained a significant higher root mass than the 50%ETc

treatment. The very wet early season management of the control could have favoured deep

Page 49: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

39

rooting while the very dry management of the 50%ETc treatment applied all season long in

the root zone might have mitigate root growth (Figure 5). On both sites, an early season dry

management of -35 kPa did not affect root growth but the relation between drought and root

growth is not clear in strawberries and still needs to be investigated.

Water use

In this experiment, harvested fruit weight was divided by total water use measured

upstream from the trial. WUE calculation is consequently affected by both effectiveness of

plant water use through its physiological process and water application efficiency which is

directly related to the irrigation system itself. Finally, WUE efficiency calculation from this

experiment is partial because plant yield was partial.

Site 1 WUE (Figure 10) was inversely proportional to the total amount of water applied on

the whole season and to the average ψ used to trigger the irrigations (Table 2). Despite less

than 1% total yield differences between -10 kPa, -35/-10 kPa and variable, variable allowed

respectively 16% and 9% water economy (Figure 11) compared to the two previous one.

The -10 kPa received 41 % more water than the control despite an only 6% non-significant

yield decrease was observed with the control.

Site 1, was characterized with low hydraulic conductivity and water run-off was often

observed during irrigations. It is known that during the early stages of infiltration, the

matric potential gradients predominate over gravitational forces thus causing that the

infiltration rate is higher when water first enters the soil and decreases with time as the

wetting front moves away from the surface (Jury and Horton, 2004). Managing irrigation at

lower matric potential of the soil could thus have help to increase soil infiltrability and

consequently WUE in dryer treatments.

On both sites, adjusting irrigations to a higher frequency of soil water status data allowed

adjusting to water plant needs in a finer way and to react quicker to high instantaneous ETc

requirements with the use of real-time soil ψ data but the effect was more prevalent at site

2. During high fruiting production period, soil matric potential decreased rapidly and

irrigations were needed up to twice a day in both ψ treatments of this site (Figure 4).

Treatments using the CWB as well as the control were irrigated two to three times a week;

Page 50: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

40

those irrigations were consequently less frequent but longer. Irrigation scheduling based on

ψ allowed matric potential to stay higher than -10 kPa for longer times (Figure 5)

consequently reducing plant stress. There is an important potential for maximizing both

yield and WUE when irrigation scheduling is closely related to instantaneous crop water

needs. In the Ançay and al. (2012) study, an automatic irrigation technology based on ψ

follow-up allowing several daily irrigation cycles also allowed considerable water economy

when reacting to a higher frequency of data availability.

At site 2, WUE was higher using tensiometer than water balance model (Figure 10) when

comparing the two fully irrigated treatments. Indeed, the -10 kPa and 100%ETc treatments

both maximized yield at the end of the season, but the -10 kPa treatment increased WUE by

26% (Figure 10). With regard to soil ψ, it was not clear why the 100%ETc treatment had a

yield similar to the -10 kPa treatment. Relatively to the climatic water balance model, the -

10 kPa treatment applied a total cumulative water very close to 100% ETc calculated a

posteriori with the Grattan and al. (1998) technique (Figure 12). During the experiment, the

water applied with the 100% ETc calculated with the Gallardo and al. (1996) technique was

higher than what was calculated with Grattan and al., (1998). However, when comparing

the monthly water crop needs relatively to both ETc calculation techniques (Figure 12),

water application in the -10 kPa treatment was not enough to match correctly the total crop

water demands at all time. Indeed, the -10 kPa treatment received less water than ETc

estimations in May and July. Therefore, a treatment combining both CWB and ψ

managements into a single one could possibly increase yield even more and this would be

of interested to be tested in future studies.

Climatic water balance model might also have the potential of maximising both yield and

WUE (Figure 10), but in order to achieve such a goal, real-time evapotranspiration would

have to be followed-up carefully especially when plant water requirement is peaking which

is more likely to happen in high fruiting period. Soil ψ must be sufficiently high, at all time,

for the water transfer within the root zone to be fast enough to avoid evapotranspiration

reduction and plant water stress, consequently leading to yield reduction, and this could be

difficult to estimate with a potential evapotranspiration management not beneficiating from

real-time soil moisture data.

Page 51: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

41

With regard to deficit irrigation strategies, the -35/-10 kPa treatment maximized both total

yield and WUE compared to 50%ETc and 75%ETc. Its WUE was about twice as high as

what was achieved with 100%ETc. A WUE greatly increased in an early season under dry

management shows the great interest of this management in a water shortage context

affecting drought sensitive regions as California. Further investigations would be required

to identify if an early season dry management applying a matric potential higher than -35

kPa or a variable management adjusted to daily forecast of ETc could result in substantial

water economy without affecting yield in high permeability soils.

On both sites, a close follow-up of crop water needs using soil ψ or CWB was more

profitable for yield than conventional irrigation. On both sites, the controls imposed the

same type of management: an early season wet management was applied followed by a dry

management occurring in high fruiting period. This resulted in different WUE when

comparing the control to the ψ treatments from both sites. This difference in WUE response

may be attributable to different hydraulic conductivities between sites. At site 2, the low

WUE performance of the control could firstly be attributable to the increased risk of

leaching that occurred in the early season when imposing a very wet management in a soil

characterized with high permeability. The dry management period of this control

subsequently happening in the high fruiting period reduced water availability, caused a crop

water stress and consequently impacted both yield and WUE negatively. At site 1

characterized with poor soil infiltrability, less irrigations might have diminished the risk of

run-off consequently leading to a better WUE. A smaller seasonal yield decrease associated

to site 1 might be attributable to the fact that the dry period happened later in the fruiting

season (Table 2 and Table 3) than site 2. Fruiting period is a critical stage for profitability

but also corresponds to a critical stage for plant water stress since it often happens in high

ETc period, a close follow-up of crop water needs is thus increasingly important at that

moment.

An increased WUE when lower soil ψ is applied is consistent with the literature

(Létourneau and al., 2015; Yuan and al., 2004; Hoppula and Salo, 2007) and could be

related to plant physiology adaptation to drought (Grant and al., 2010, Klamkowski and

Treder, 2007; Serrano and al., 1992; Savé and al., 1993; A.Richard Renquist and al., 1982)

Page 52: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

42

despite that water deficit usually results in fruit yield reduction. It is however important to

note that on both sites WUE was also affected by irrigation application efficiency directly

related to specific site soil properties (site 1 run-off and site 2 leaching) that prevents from

estimating the actual amount of water that reached and stayed available for the crop in the

root zone.

Those observations, bring back the importance to adapt irrigations to the infiltration time

scale of the soil properties of the growing media (Cote and al., 2003). To reduce risk of run-

off, a close follow-up of the operating irrigation pressure is advisable to ensure that water is

provided at the appropriate rate and adjusting irrigation duration to soil ψ below the root

zone can help avoiding undesirable water losses and leaching of nutrients, an increasing

difficulty in high permeability soils.

Site 2 allowed comparing different ETc calculation approaches : Gallardo and al. (1996) and

Grattan and al. (1998). Both ways provided different water requirements showing that there

can be differences relatively to the method used for estimating Kc. Grattan and al. (1998)

calculation has the advantage of being ease of use and costless. It however provided overall

monthly cumulative water lower than what was used by the two treatments with maximal

yield performances: -10 kPa and 100%ETc (Figure 11 and Figure 12).

Page 53: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

43

Conclusion

Soil ψ and climatic water balance model (CWB) were compared on one experimental site to

identify which management is offering the best yield and water use efficiency (WUE) for

field grown strawberries. Fully irrigated managements, -10 kPa and 100%ETc, maximized

seasonal yield while 100%ETc resulted in the lowest WUE. Early season was marked with

the absence of significant yield differences. Deficit irrigation managements however

demonstrated that early dry ψ management can induce a delayed yield impact on the crop

but that this strategy can also represent an important potential of water savings. It resulted

in the best WUE and it represented the deficit irrigation management that affected the yield

the least which could become of great interest in a water shortage context affecting many

growers. Yield maximization using one or the other of CWB or ψ based irrigation showed

that it would be of interest to combine these two technologies into one management in

future studies.

Variable ψ thresholds, either achieved using two fixed thresholds (-35/-10 kPa), or using a

variable threshold daily adjusted to forecast of ETc, allowed water economy on two sites

characterized with different soil properties. However, on a high permeability soil -35/-10

kPa resulted in 10% seasonal yield decrease while yield was significantly unaffected by any

treatment on a low permeability soil.

The estimated critical ψ threshold calculated on both experimental sites revealed to

underestimate the ψ at which the crop produces the maximum yield. Nonetheless, this

method allowed a reasonable estimation of the adequate cropping ψ of respective

experimental sites. However, some work still has to be done in order to precise the

calculation of hc. The maximum daily value of ETc should be used instead of the average

daily one, the range at which the Gardner parameters are fitted has to be refined and a root

water uptake that considers a diminution as the depth in the soil profile increases has to be

developed and implemented in a new critical threshold estimation equation.

Differences of water loss processes between the two sites recalled the importance of taking

soil hydraulic properties into consideration when designing irrigation system and when

scheduling irrigations for an optimized WUE.

Page 54: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

44

Acknowledgments

This work was funded by the Natural Sciences and Engineering Research Council of

Canada (NSERC) project partners: Hortau Inc., Ferme Onésime Pouliot Inc., Canneberges

Bieler Inc., Nature Canneberge Inc. and Transport Gaston Nadeau Inc. Grateful thanks are

expressed to two California anonymous growers for each providing an experimental site,

material and workforce that were greatly appreciated. We would also like to show our

gratitude to Emily Paddock and Allison Vandenhout who provided insight and technical

support that greatly assisted the research. We thank Michael Cahn and Oleg Daugovish

University of California Cooperative Extension for sharing their expertise with us.

Page 55: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

45

Figures and tables

Figure 1. Treatment structure at sites 1 and 2.

Page 56: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

46

Table 1. Soil properties from both experimental sites.

Site

Soil texture Saturated hydraulic

conductivity Water content

Depth (cm)

n1 % O.M. ± S.D.

% Sand ± S.D.

% Silt ± S.D.

% Clay ± S.D.

Date2 Depth (cm)

n1 Ksat

3 (cm h-1)

± S.E. n

sat (cm3 cm-3)

± S.D.

1 15 12

2.0 ±0.2

58.0 ±1.7

29.5 ±1.3

12.5 ±0.7

Early 15

10 1.35 a ± 0.9

22 0.412 ± 0.05

30 5 1.9

±0.1 59.1 ±0.9

28.9 ±0.8

12.0 ±0.3

End 15 3.22 a ± 0.6

2

15 18 3.8

±0.1 3.9

±1.1 46.5 ±1.0

49.6 ±0.5

Early

15

15 134.9 b ± 681.9

25 0.576 ± 0.04

30 2 3.8

±0.3 4.6

±0.2 45.8 ±0.3

49.6 ±0.5

End 15 923.5 a ± 650.2

1 Number of observations. 2 Saturated hydraulic conductivity performed on soil cylinder sampled early and end season which correspond to 12/9/2013 and 6/15/2014 at site 1, and to 4/4/2014 and 10/7/2014 at site 2. 3 For a similar site, Ksat with the same letter do not differ at a 0.05 significance level.

Page 57: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

47

The fitted saturated hydraulic conductivity and fitted exponent of Gardner function in the ψ interval

-3.5 to -35 kPa from respective sites as presented in the figure are: 1 KsG = 9.60 cm d-1 and 𝛼 = 0.0173 cm-1 (Site 1) 2 KsG = 0.431 cm d-1 and 𝛼 = 0.0155 cm-1 (Site 2) 3 KsG = 0.186 cm d-1 and 𝛼 = 0.0148 cm-1 (Site 2)

*For both sites, only the two WRC that were situated at the two extremities of the group of curves are

shown. The numbers of replicates in each case were: S1-Early = 14, S1-End= 4, S2-Early=10 and S2-End=15.

Figure 2. WRC from both sites and Kunsat from site 1 on undisturbed soil cores analyzed with Tempe

cells (top) with both and KsG parameters estimated in the soil ψ range -3.5 to -35 kPa. WRC from

both sites on undisturbed soil cores sampled early and end season analyzed with tension table (bottom).

Page 58: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

48

Legend:

* For variable threshold: “ ” represents the critical threshold targeted during the experiment and using soil characterization from an adjacent site; “ ” represents the critical threshold that should have been targeted relatively to soil properties analyses performed a posteriori from the actual site.

Figure 3. Rainfall, ψ evolution in -kPa and targeted threshold represented with a dotted line at site 1.

Page 59: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

49

Legend :

Figure 4. Rainfall, ψ evolution in -kPa and targeted threshold represented with a dotted line at site 2.

Page 60: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

50

Site 1*_

Site 2*_

* The hc presented in this figure is an average of the two seasonal average obtained from respective Gardner parameter sets presented earlier.

Figure 5. Time spent as percentage per ψ ranges (-kPa), on both sites at 15 and 30 cm deep during

treatment application period.

Page 61: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

51

Figure 6. Relative yield, i.e. treatment yield divided by the highest yield achieved per site, as a function

of the seasonal average soil water matric potential achieved between the end of implantation phase and

end of the season.

Page 62: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

52

Figure 7. Total cumulative yields at site 1 (left) and site 2 (right). Date with one asterisk (*) is

characterized by treatment differences at a 0.05 significance level and date with three asterisks (***) by

treatment differences at a 0.001significance level. For clarity purposes standards errors are presented

over the data points.

Page 63: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

53

Average berry sizes

Average Brix

Figure 8. Fruit quality represented with the seasonal average berry size and brix index. Treatments

with the same letter do not differ at a 0.05 significance level for the berry size and at a 0.01 significance

level for the Brix.

Page 64: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

54

Legend : “ ”reprensents the sampling moment when -35/-10 kPa was switched from -35 kPa to -10 kPa,

and “ ” represents the sampling at the end of the season.

Figure 9. Dry root mass sampled at the end of the -35 kPa ψ step in the -35/-10 kPa treatment and at the

end of the season. Treatments with the same letter do not differ at a 0.05 significance level.

Page 65: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

55

Figure 10. At site 1 (left) and 2 (right), water use efficiency in g L-1 with the water applied from the

beginning of the treatment application until the end of the season.

Page 66: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

56

*ETc calculated a posteriori according to the Grattan and al. (1998) method and using CIMIS station 156

(from January 1st 2013 to Mai 27th 2014).

Figure 11. Site 1 water application and evapotranspiration from the end of the implantation phase to

the end of the season represented as monthly water (top), and cumulative water application (bottom).

Page 67: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

57

*ETc calculated a posteriori according to the Grattan and al. (1998) method and using CIMIS station 129

(from March 21st 2013 to September 29th 2014).

Figure 12. Site 2 water application and evapotranspiration from the end of the implantation phase to

the end of the season represented as monthly water (top), and cumulative water application (bottom).

Page 68: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

58

Table 2. Maximum average ψ reached (-kPa) at 15 cm deep before irrigations and at 30 cm depth and

after irrigations at site 1.

Treatment Depth Time Jan. Feb. Mar. Apr. May Jun. Avg

-10 kPa 15 cm bef.1 9.7 7.9 10.1 13.2 13.3 11.0 11.5

30 cm aft.2 3.6 2.1 2.1 3.7 2.9 2.1 3.0

-35/-10 kPa 15 cm bef. 20.8 20.1 19.4 15.4 18.1 10.7 17.6

30 cm aft. 10.2 7.8 5.3 4.3 4.1 1.7 5.2

Variable 15 cm bef. 14.5 14.3 14.6 20.2 18.1 15.4 17.1

30 cm aft. 7.1 4.0 4.7 6.5 6.1 3.5 5.7

-35 kPa 15 cm bef. 25.9 20.3 31.5 41.1 43.3 42.9 37

30 cm aft. 11.2 8.4 11.6 16.0 14.5 10.6 13

Control 15 cm bef. 14.6 14.3 46.7 70.3 44.4 65.4 42

30 cm aft. 7.7 6.2 14.6 36.3 14.3 23.8 17

1 Maximum ψ reached at 15 cm in the middle of the root zone before irrigations. 2 Minimum ψ reached at 30 cm below the root zone after irrigations.

Page 69: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

59

Table 3. Maximum average ψ reached (-kPa) at 15 cm deep before irrigations and at 30 cm depth and

after irrigations at site 2.

Treatment Depth Time Mar. Apr. May Jun. Jul. Aug. Sept. Oct. Avg

-10 kPa 15 cm bef.1 12.7 17.8 18.1 15.1 19.2 16.4 16.4 14.4 16.9

30 cm aft.2 0.2 1.5 2.0 1.6 5.7 3.1 2.2 7.7 3.0

-35/-10 kPa 15 cm bef. NA 34.8 30.4 22.4 16.1 13.5 14.2 14.6 18.3

30 cm aft. 3.4 0.9 6.1 2.0 7.5 4.6 2.1 1.7 4.1

50%ET 15 cm bef. 24.6 23.9 38.9 39.2 42.2 46.9 56.2 44.9 42.8

30 cm aft. 0.2 0.0 9.2 6.4 1.8 20.3 1.0 1.8 4.8

75%ET 15 cm bef. 31.8 53.4 39.7 34.5 28.9 25.3 39.4 66.4 3.48

30 cm aft. 0.4 2.1 17.7 6.8 1.7 4.2 4.5 NA 6.1

100%ET 15 cm bef. 23.6 34.0 29.2 26.7 26.5 25.2 24.6 24.4 26.8

30 cm aft. 1.2 2.5 27.5 1.1 1.4 1.4 5.1 5.2 5.2

Control 15 cm bef. 10.0 8.8 10.0 26.3 43.5 44.7 55.7 43.9 31.0

30 cm aft. 1.2 1.0 0.9 3.1 2.2 0.5 0.8 0.8 1.3

1 Maximum ψ reached at 15 cm in the middle of the root zone before irrigations. 2 Minimum ψ reached at 30 cm below the root zone after irrigations.

Page 70: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

60

Chapitre 3 : Conclusion

Des traitements d’irrigation basés sur le potentiel matriciel du sol et sur un modèle par bilan

hydrique climatique ont été comparés sur un site expérimental pour identifier quelle régie

offrait les meilleurs maximisations de rendement et d’efficacité d’utilisation de l’eau (EUE)

pour des fraises cultivées en champ. Les régies pleinement irriguées, -10 kPa et 100%ETc,

ont toutes deux maximisé le rendement saisonnier tandis que le traitement à 100%ETc a

résulté en la plus basse EUE. Aucune différence significative n’a été décelée en début de

saison. L’irrigation de déficit appliquée en début de saison a cependant démontré qu’elle

pouvait avoir un impact négatif à rebours sur le rendement mais que cette stratégie peut

aussi représenter un important potentiel d’économie en eau. Elle a obtenu la meilleur EUE

et a aussi représenté la stratégie d’irrigation de déficit affectant le moins le rendement

saisonnier, ce qui peut représenter un intérêt important dans un contexte où des coupures

d’eau sont imposées aux agriculteurs. Des rendements optimaux obtenus tant avec le bilan

hydrique climatique que le ψ démontrent qu’il serait d’intérêt de combiner ces deux

stratégies en une seule lors d’études ultérieures.

Un seuil de ψ variable, qu’il soit appliqué en utilisant deux paliers de ψ (-35/-10 kPa) ou en

utilisant un seuil variable ajusté quotidiennement à l’ETc prévisionnelle, a permis des

économies d’eau sur deux sites caractérisés avec des propriétés de sol différentes. Sur un

sol hautement perméable, -35/-10 kPa a résulté en une diminution de rendement de 10%

tandis que le rendement est demeuré inaffecté sur un sol à faible perméabilité.

Sur les deux sites expérimentaux, l’estimation du seuil de potentiel matriciel critique auquel

la culture produit le rendement maximum a été sous-estimée. Cette méthode a néanmoins

permis de fournir une estimation raisonnable du seuil de potentiel matriciel de chacun des

sites à l’étude. Cependant, du travail doit encore être fait dans le but de préciser le calcul de

la valeur hc. La valeur maximale journalière d’ETc devrait être utilisée plutôt que la valeur

journalière moyenne, l’intervalle de ψ à partir duquel les paramètres Gardner sont ajustés

devrait être précisé et le calcul du hc devrait prendre en compte la variation du prélèvement

racinaire en fonction de la profondeur dans le profil de sol.

Page 71: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

61

Des différences dans les processus de perte en eau entre les sites rappellent l’importance de

prendre en considération les propriétés hydrauliques du sol lors de la conception d’un

système d’irrigation et lors de la planification des irrigations pour optimiser l’EUE.

Page 72: Détermination de la stratégie d'irrigation optimale de la

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