Stratégies d'irrigation dans la graise hors-sol et en sol minéral : … · Augmentation de...
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Stratégies d’irrigation dans
la fraise hors-sol et en sol
minéral: bilan ou flux d’eau
Jean Caron, Julien Cormier et Laurence Gendron
Professeur, département des sols et de génie
agroalimentaire de l’Université Laval. 18 février 2015
Hortau
• Manufacturier de tensiomètres sans fil enfouis (mesure de tension)
• Compagnie nord américaine, 50 employés, 73% de croissance (2013), leader en Californie (46% du marché, 16% pour le prochain plus près)
• Actionnaires majoritaires: Capital de risque du crédit agricole du Canada, Financière agricole, Desjardins, 2 privés
• Bureau au Québec, Lévis et en Californie, San Luis Obispo
Jean Caron
• agr. Ph. D. Physique du sol, Professeur à l’Université Laval
• Conflit d’intérêt: co-fondateur, conseilller scientifique (moins de 10% des actions)
• Recherche financée avec un budget de 6.6 M$ sur 5 ans, par Hortau et par des producteurs de fraises et de canneberges
• 91 personnes formées dans ce domaine (B.Sc.,M.Sc,. et Ph.D.)
• Irrigation peut être basée sur:
– Teneur en eau : quantité d’eau dans le sol
– Tension : force nécessaire pour extraire l’eau à partir du sol (par la plante), contrôle les flux d’eau dans le sol
– Évapotranspiration: (station météo)
– Température de la plante: (capteur infrarouge, satellite)
Théorie
Estimés quotidiens ou hebdomadaires du prélèvement passé pour estimer les besoins en irrigation (ETP)
Flux d’eau sol-plante (lien flux –tension)
Deux approches couramment utilisées pour régir l’irrigation: flux d’eau du sol vers la plante ou prélèvement estimé d’après la météo ou les changements de poids du sol
Évapotranspiration (ETP):
• ETP est la perte d’eau par évaporation (du sol à la surface) et de la transpiration (par la surface foliaire)
• Estimés de l’ETP d’une culture dans une région donnée pour estimer les besoins d’irrigation:
ETPréelle = ETP x Kc
Deux approches en irrigation • ETP : Pour un athlète, ajuster sa diète en se basant sur la perte de poids
hebdomadaire ou la consommation de calorie passées. Risque de réduire l’effort si on est mal nourri.
• Tension-flux en temps réel: compteur de calories prises et consommés en cours d’effort: la prise alimentaire est alors ajustée en fonction de l’effort optimal. L’irrigation est initiée avant qu’un seuil critique qui garantit l’apport adéquat d’eau du sol vers la plante ne soit atteint. L’approche d’estimation de ce seuil considère la demande actuelle ou prévisionnelle d’évapotranspiration pour commander l’apport d’eau.
L=profondeur racinaire Ks et a = hydraulique du sol
s0: transpiration
h1 = tension seuil d’ irrigation
La tension et la décision d’irriguer
Arrêt de l’irrigation Démarrage de
l’irrigation: message émis lorsque le seuil critique est atteint
(courriel, texte, téléphone, alarme)
Tensions observées à deux profondeurs avec des tensiomètres enfouis
Voie lente Voie rapide
Tensions observées à deux profondeurs en régie visuelle
Seuil d’irrigation Voie lente Voie rapide
Relation tension rendement en culture d’amande
Voie rapide
Sol sableux -8kPa
~110% ETc
Sol argileux -10 à -12 kPa
80 à 110% ETc
Loam limono-argileux Faible réponse
Effet du seuil de déclenchement de l’irigation (SDI) sur les rendements vendables
Ce qu’on va voir Sauver de l’eau en utilisant des tensiomètres sans fils
relativement à la gestion moyenne visant à compenser
pour la perte de la réserve du sol
Système est optimisé à un seuil de -10 kPa (ou cbars)
Seule exception est en sol grossier (30 à 70% gravier fin,
culture hors sols -5 kPa)
Retour sur investissement en 2 mois avec 5% de gain de
rendement, en 1 mois avec 10%.
4 ans sur la fraise Rendement et utilisation de l’eau
Expériences conduites
• 1. Ajuster le système en comparant différents seuils pour
intier l’irrigation à de multiples sites de 2010 à 2014, avec 4
types de sols et 4 sites.
• 2. Essais parallèles avec un traitement témoin gestionnaire
et 100% ET vs irrigation de precision par tension
• 3. Études de retour sur investissement
Analyses de sols
Paramètres mesurés
Propriétés initiales
Texture
Conductivité saturée-non saturée (Ksat), k(h), a
Courbe de rétention
Salinité : Conductivité électrique (CE)
Déterminations hebdomadaires
Quantité d’eau/ac avec des compteurs d’eau
Aalinité (CE) avec lysimetre à succion
Lessivage
Salinité du sol en SSE (méthode 1: 1 suspension (début, mi et fin
de saison)
Rendement en sous parcelles
Taille des fruits (calibre)
Qualité mesurée avec indice Brix
Taille de plants (surface de la canopée, diametre du
collet, poids des raciness et observation du système
racinaire)
Dispositifs répliqués
Paramètres mesurés
Mesure de performance des cultures
(hebdomadaires sur toute la saison)
Augmentation
de rendementp/R au producteur
Année Type de sol Région Producteur -10 kPa (%)
2011 Argile CA 100 93 0
Wastonville 2013 Argile CA 144 84 0
2014 Argile CA 83 83 26
2012 Loam limono-argileux CA 163 68 17
2012 Loam limno-argileux CA 100 114 14
2013 Loam sableux CA 93 128 6
2014 Loam sableux CA 100 154 7
2012 Loam argileux (schistes) QC 35 42 20
2013 Loam argileux (schistes) QC 49 42 18
2014 Loam argileux (schistes) QC 52 63 0
112 103 10CA: Cal i fornia ; QC: Québec
Eau utilisée% de l'ETP réelle
Moyenne de l'eau utilisée (Californie)
Salinas
Oxnard
Île d'Orléans
Sommaire des essais en fraises
Field Number1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
Appl
ied
Wat
er (%
of c
rop
ET )
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Average = 94% Crop ET
Field Number1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Appl
ied
Wat
er (%
Cro
p ET
)
0
50
100
150
200
250January - October
Avg = 146%
Pourcentage de l’ETP réelle appliquée par les producteurs
californiens en 2010 et en 2011 dans la region de
Watsonville (Cahn, 2012)
2010 2011
Moyenne: 120%
Sol sableux -8kPa
~110% ETc
Sol argileux -10 à -12 kPa
80 à 110% ETc
Loam limono-argileux Faible réponse
Effet du seuil de déclenchement de l’irigation (SDI) sur les rendements vendables
Sol sableux -8kPa
~110% ETc
Sol argileux -10 à -12 kPa
80 à 110% ETc
Loam limono-argileux Faible réponse
Effet du seuil de déclenchement de l’irigation (SDI) sur les rendements vendables
Problématique Sol de l’île d’Orléans (fraction particules > 2 mm importante) :
– conductivité hydraulique élevée
– écoulement principalement vertical
Ce qui entraîne :
– eau hors de la zone racinaire
– assèchement en bordure de l’andain
– perte de nutriments
Faible efficacité d’utilisation de l’eau d’irrigation (EUEI)
Objectif Différentes techniques pourraient améliorer l’efficacité d’utilisation de l’eau d’irrigation (EUEI) :
– Fractionnement de l’irrigation
– Ajustement du SDI en fonction de la demande prévisionnelle d’évapotranspiration de la culture (ETc)
– Système culture hors-sol en champ sans abri
Déterminer l’effet sur la productivité, la qualité des fruits et l’EUEI
Traitement Seuil de déclenchement
(kPa)
1. Conventionnel -15
2. Fractionné -15
3. Fractionné avec seuil de déclenchement modulé par la demande anticipée d’évapotranspiration de la culture (ETc),
ETc < 2.0 mm ETc > 2.0 mm
-30
-15
4. Potentiel matriciel constant (PMC) -15
5. Hors-sol sur butte profilée -5
Matériel et méthodes
Matériel et méthodes Dispositifs expérimentaux
• Cultivar à jour neutre Monterey
• Densité plantation - sol : 7,8 plants/m (1 plant au 10 po)
- hors-sol : 10 plants/m (1 plant au 8 po)
Année Champ Répétition Plantation Début
récolte
Fin
récolte
Durée
(semaine)
2013 6 & 7 4 15 mai 13 juil 18 oct 13,9
2014 10 6* 20 mai 10 juil 10 oct 13,1
*bloc aléatoire incomplet
Traitements fractionnés (“pulse”)
Wang et al. (2006) : pomme de terre
préférable d’irriguer fréquemment de petites quantités d’eau que de faire une seule application du volume d’eau
Létourneau (2012) : fraisiers à jours neutres
irrigation fractionnée = une hausse significative du rendement à l’été 2012
• Exemple d’une irrigation :
0 60 120 Temps (min)
Fractionnée
Conventionnelle
Traitement à potentiel matriciel constant (PMC)
± 30 cm
Traitement hors-sol (Raised bed trough system)
Substrat Fafard G10 et sciure-tourbe avec matelas capillaire (-5 kPa)
Irrigation • 3 blocs instrumentés
• Sonde à : 15 cm : déclenchement
30 cm : indique si lessivage
• Déclenchement lorsque la moyenne des 3 tensiomètres à 15 cm atteint le seuil fixé
• 2013 : ouverture manuelle valves
• 2014 : système automatisé (CTR)
15 cm
30 cm
Variables mesurées
• Diamètre collet, canopée, biomasse
• Rendement vendable
• Calibre, fermeté, teneur en sucre
• Volume d’eau appliqué
• Propriétés physico-chimiques du sol
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Mai Juin Juillet Août Septembre Octobre
Pré
cip
itat
ion
(m
m)
0
20
40
60
80
100
Mai Juin Juillet Août Septembre Octobre
ETc
(mm
)
ETc
2013 = 266 mm
2014 = 255 mm
Précipitation 2013 = 588 mm
2014 = 581 mm
*à partir données station Saint-Laurent
Résultats 2013 et 2014 Mesures de croissance
2013 : Pas d’effet significatif
2014 : Avantage fractionné et hors-sol
Traitement Canopée (cm²) Diamètre collet (mm)
2013 2014 2013 2014
1. Conventionnel 716 a 680 b 22 a 19 b
2. Fractionné 697 a 806 a 22 a 23 a
3. Fractionné ETc 705 a 691 b 20 a 20 b
4. PMC 631 a 690 b 20 a 20 b
5. Hors-sol 614 a 805 a 20 a 25 a
Note : Les traitements avec une lettre commune ne sont pas significativement différents au niveau 0.05
Rendement vendable total
Traitement Moyenne 2 ans
(relatif)
1. Conventionnel 1,00
2. Fractionné 1,11
3. Fractionné ETc 1,09
4. PMC 1,09
5. Hors-sol 1,12
Pas d’augmentation significative globale à 16 d.l.
Qualité des fruits
Traitement Calibre (g/fruit) Teneur en
sucre (°BRIX) 2013 2014
1. Conventionnel 16,4 ab 19,4 a 9,2 a
2. Fractionné 15,7 b 19,7 a 9,0 a
3. Fractionné ETc 16,8 a 19,7 a 9,0 a
4. PMC 16,5 ab 19,8 a 9,2 a
5. Hors-sol 16,4 ab 18,1 b 8,1 b
Note : Les traitements avec une lettre commune ne sont pas significativement différents au niveau 0.05
Hors-sol : doit améliorer la qualité des fruits
Eau
Année Traitement Eau appliquée
m³/ha Efficacité utilisation de l’eau
d’irrigation (relative)
2013
1. Conventionnel 1 328 1,00
2. Fractionné 1 131 1,35
3. Fractionné ETc 1 033 1,40
4. PMC 1 143 1,27
5. Hors-sol 1 428 1,09
2014
1. Conventionnel 1 331 1,00
2. Fractionné 1 627 0,84
3. Fractionné ETc 1 275 1,12
4. PMC 1 259 1,19
5. Hors-sol 1 299 1,08
Maladie racinaire
Traitement
% de racine présentant symptômes maladies
2013 2014 2ans
1. Conventionnel 9 30 19 a
2. Fractionné 9 28 18 a
3. Fractionné ETc 8 31 19 a
4. PMC 11 30 21 a
5. Hors-sol 8 16 12 b Note : Les traitements avec une lettre commune ne sont pas significativement différents au niveau 0.05
Hors-sol n’élimine pas problème maladie racinaire mais significativement moins affecté
Champignons 2014 : • Fusarium • Verticilium • Sclerotina • Alternaria
2013 CE
14 mai 0,50
26 juin 0,43
8 août 0,34
Eau d’irrigation
Suivi CE au lysimètre
2013
2014 2014 CE
19 mai 0,21
22 juillet 0,25
Conclusions • Tous les traitement ont permis d’augmenter le
rendement vendable par rapport à la régie conventionnelle.
• La culture hors-sol a permis d’améliorer les rendements de 12% par rapport à la régie conventionnelle.
• La régie d’irrigation fractionnée engendre des gains de rendement de 10% par rapport à la régie conventionnelle.
Conclusions
• La culture hors-sol permet une amélioration de l’EUEI de 8,5% par rapport à la régie conventionnelle.
• Le fractionnement de l’irrigation permet une amélioration de l’EUEI jusqu’à 40%.
• L’ajustement du seuil d’irrigation permet des économies d’eau en début et en fin de saison.
Augmentation
de rendementp/R au producteur
Année Type de sol Région Producteur -10 kPa (%)
2011 Argile CA 100 93 0
Wastonville 2013 Argile CA 144 84 0
2014 Argile CA 83 83 26
2012 Loam limono-argileux CA 163 68 17
2012 Loam limno-argileux CA 100 114 14
2013 Loam sableux CA 93 128 6
2014 Loam sableux CA 100 154 7
2012 Loam argileux (schistes) QC 35 42 20
2013 Loam argileux (schistes) QC 49 42 18
2014 Loam argileux (schistes) QC 52 63 0
112 103 10CA: Cal i fornia ; QC: Québec
Eau utilisée% de l'ETP réelle
Moyenne de l'eau utilisée (Californie)
Salinas
Oxnard
Île d'Orléans
Sommaire des essais en fraises
3 Situations 1. Watsonville 2014 (augmentation de rendement et
économies d’eau)
-10 kPa et 100% ETr
2. Watsonville 2013 (économie d’eau)
Gestionnaire et -10 kPa
3. Oxnard 2014 (augmentation de rendement et irrigation supplémentaire)
Gestionnaire et -10 kPa
Coûts Bénéfices
Investissement Gains de rendement
(marché frais)
Coûts d’installation Économies d’eau
Frais d’entretien
Pour chaque méthode d’irrigation
Analyse coûts-bénéfices (tensiomètres sans fil Hortau)
Postulé Autres
possibilités
Prix de l’eau
($/acre-pied) 300(1) De 30 à 1400(3)
Prix de la fraise sur le
marché frais ($/lb) 1.0631(2) de 0.80 à 2.22(4)
(1) Average Water Prices for Agricultural Purposes in Watsonville Area (Delivered Recycled Water and Pumped Groundwater), Pajaro Valley Water Management Agency, Personal Communication, 2015
(2) According to USDA, National Agricultural Statistics Service, Agricultural Prices, Average Price Calculated from April to November 2014 Data
(3) Santa Clara Valley Water District 2015, Pajaro Valley Water Management Agency 2015, Public Work Agency County of Ventura 2013, Montecito Water District 2014, Samuel Sandoval Solis (Personal Communication, 2015)
(4) According to USDA, National Agricultural Statistics Service, Agricultural Prices, April to November 2014 and January to December 2012.
Postulats
Analyses coûts-bénéfcies
Tailles d’entreprises 25
acres 50
acres 100
acres 250
acres
Stations TX4 inclut: Tension (2), Temperature (1) et pression (1) , Base Web
2 5 10 25
Frais mensuels oui
En tensiomètres sans fils (-10 kPa)
Coûts
Taille d’entreprise
25 acres
50 acres
100 acres
250 acres
Réseau CIMIS Négligeables
Irrigation basée sur 100% ETréelle
Coûts
Precision Irrigation vs 100% ETr
79% ETr Accroissement
de rendement de 5% comparé à 100% ETr
21% moins d’eau que 100% Etr
Watsonville 2014
25
acres
50
acres
100
acres
250
acres1 958 $ 4 896 $ 9 792 $ 24 480 $
1 800 $ 4 500 $ 9 000 $ 22 500 $
Mileage Fee (annual) 336 $ 540 $ 1 380 $ 2 400 $
4 094 $ 9 936 $ 20 172 $ 49 380 $
ANNUAL GAINS62 298 $ 124 595 $ 249 191 $ 622 977 $
3 000 $ 6 000 $ 12 000 $ 30 000 $
65 298 $ 130 595 $ 261 191 $ 652 977 $
NET ADDITIONNAL MARGIN 61 203 $ 120 659 $ 241 019 $ 603 597 $
ROI 0.16 0.20 0.20 0.20
ANNUAL COSTS
Capital Cost Allowance* (5 years)
Service Fees (annual)
FARM SIZES
*The Capital Cost Allowance includes installation costs since these were not distinguishable from the cost of the technology.
Total Annual Costs
Yield Increase (5%, 2350 lbs/ac)
Total Annual Gains
Water Use Decrease (21%, 0,4 ac-ft/ac)
Irrigation de précision vs gestionnaire de l’irrigation 84% ETr
Pas de gain
de rendement comparé au traitement du gestionnaire
Économie d’eau de 58% comparé au producteur
Watsonville 2013
25
acres
50
acres
100
acres
250
acresCapita l Cost Al lowance* (5 years ) 1 958 $ 4 896 $ 9 792 $ 24 480 $
Service Fees (annual) 1 800 $ 4 500 $ 9 000 $ 22 500 $
Mileage Fee (annual) 336 $ 540 $ 1 380 $ 2 400 $
Total Annual Costs 4 094 $ 9 936 $ 20 172 $ 49 380 $
6 742 $ 13 485 $ 26 970 $ 67 425 $
Total Annual Gains 6 742 $ 13 485 $ 26 970 $ 67 425 $
2 648 $ 3 549 $ 6 798 $ 18 045 $
ROI 3.70 6.90 7.20 6.78
Water Savings (58%)
ANNUAL GAINS
ANNUAL COSTS
FARM SIZES
NET ADDITIONAL MARGIN
*The Capital Cost Allowance includes installation costs since these were not distinguishable from the cost of the technology.
Irrigation de précision vs gestionnaire (100 ETr)
154% ETr
Gain de rendement de 6% comparé au gestionnaire
Augmentation de
consommation en eau de 54% comparé au gestionnaire
Oxnard 2014
25
acres
50
acres
100
acres
250
acresCapita l Cost Al lowance* (5 years ) 1 958 $ 4 896 $ 9 792 $ 24 480 $
Service Fees (annual) 1 800 $ 4 500 $ 9 000 $ 22 500 $
Mileage Fee (annual) 336 $ 540 $ 1 380 $ 2 400 $
5 625 $ 11 250 $ 22 500 $ 56 250 $
Total Annual Costs 9 719 $ 21 186 $ 42 672 $ 105 630 $
92 649 $ 185 298 $ 370 597 $ 926 492 $
Total Annual Gains 92 649 $ 185 298 $ 370 597 $ 926 492 $
82 930 $ 164 112 $ 327 925 $ 820 862 $
ROI 0.12 0.15 0.15 0.15
NET ADDITIONAL MARGIN
FARM SIZES
ANNUAL COSTS
ANNUAL GAINSYield Increase (6%, 3490 lbs/ac)
Water Use Increase (54%)
*The Capital Cost Allowance includes installation costs since these were not distinguishable from the cost of the technology.
• Le gain de rendement est la principale variable affectant le retour sur
investissement en irrigation de precision
• L’irrigation de précision dégage des marges nettes additionnelles par
rapport au traitement donnant 100% de l’ETr
Retour sur investissement
Essai Résultats par rapport
au traitement ETr
Retour sur
investissement
(RSI)
Watsonville 2014 Gains de rendement: 5%
Économie d’eau: 21% 1.9 à 2.4 mois
Oxnard 2014 Gain de rendement: 6%
Économie d’eau: 54% 1.4 à 1.8 mois
Watsonville 2013 Économie d’eau: 58% 3.7 à 6.8 ans
Ce qu’on va voir Sauver de l’eau en utilisant des tensiomètres sans fils
relativement à la gestion moyenne visant à compenser
pour la perte de la réserve du sol
Système est optimisé à un seuil de -10 kPa (ou cbars)
Seule exception est en sol grossier (30 à 70% gravier fin,
culture hors sols -5 kPa)
Retour sur investissement en 2 mois avec 5% de gain de
rendement, en 1 mois avec 10%.
4 ans sur la fraise Rendement et utilisation de l’eau
Remerciements