Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10348/9102
Title: Irrigation on chestnut orchards: understanding the soil and plant water relations to optimize the water management
Authors: Mota, Maria Margarida de Oliveira
Advisor: Laranjo, José Carlos Esteves Gomes
Raimundo, Fernando Pedro Falcão
Issue Date: 5-Nov-2018
Abstract: The largest chestnut tree (Castanea sativa Mill) areas in Portugal are situated in the Trás-os-Montes, Alto-Douro, Beira Alta and Minho regions. The Chestnut tree is typically cultivated in mountainous places with different types of soil and climatic conditions that, however, usually have dry and warm summers and cold and wet winters. Due to a series of economic (for example; competition of foreign markets and the increased demand for quality chestnuts) and climatic factors (longer, drier and hotter summers) the introduction of irrigation on the chestnut orchards has become a standard practice in order to achieve production increase and regularity. There are however a few questions that arise around this unexplored theme; what is the cost/benefit of the irrigation for Chestnut trees? What is the most adequate system? How to manage irrigation in order to save precious hydrological resources? Answering these questions was the driver behind the objectives of this work: characterizing the productive response of the chestnut tree after the introduction of irrigation and finding the best way to manage the available water. The study was conducted during four consecutive years (2013 to 2016), with the soil and climatic conditions of Trás-os-Montes, on a 20-year-old orchard with ‘Longal’ and ‘Judia’ varieties, and the trees were 5 meters apart on the row and 10 meter on the inter row. The study evolved from an experimental trial in 2013 and 2014 on which a microsprinkler system was installed. Evaluating the photosynthetic productivity of the chestnut tree under different hydrological regimes was the main objective of this study in order to define a water potential value that better reflects the best productive conditions of the chestnut tree. And so, three treatments were done: NI – non-irrigated (no irrigation was applied during the cycle), DI – deficiently irrigated (irrigation was activated every time the water potential was below -0.8 MPa) and FI – fully irrigated (irrigation was activated every time the dawn water potential was below -0.6 MPa). Later, in 2015 and 2016 a trial was set up on the same orchard with two types of irrigation systems. The applied treatments were NI (no irrigation was applied during the cycle), TI – drip irrigation (it was activated every time the midday stem water potential was below -1.2 MPa) and SI – micro-sprinkler irrigation (it was activated each time the midday stem water potential was below -1.2 MPa). This trial’s main objective was to evaluate the chestnut tree’s physiological response, production and nut quality; to make an economical assessment about the cost/benefit of the irrigation and on the absence of it and, at last, to establish guidelines for the management of irrigation of the chestnut trees based on soil and plant parameters. Several data points from the plants were gathered (water potential, foliar temperature, foliar photosynthetic pigments, chlorophyll fluorescence, mineral analysis and gaseous exchanges), from the soil (water content, water potential and mineral analysis), from the chestnuts (production per tree, fruit growth, calibre and a sensorial and chemical analysis) and from the climate (precipitation, temperature sums, air temperature, relative humidity and reference evapo-transpiration). 2014 was an exceptionally humid summer and since every plant’s water potential was above the limits set to initiate irrigation no treatment was applied. Regardless, this fact reflects the optimization of water use for irrigation whenever this is triggered/ managed by the water potential. For 2013 the applied irrigation (a total of 1490 m3 ha-1 for FI and 600 m3 ha-1 for DI) wetted the soil’s superficial layers and it was enough to make a difference on the midday measurements. The irrigated trees produced more chestnuts, presented a higher water potential, higher photosynthetic rates and higher transpiration levels that, in turn, had a thermoregulatory effect on the foliar temperature. Every tree recovered their hydric comfort during the night, independently of the irrigation, most likely because of the water absorption by the deeper roots. Therefore, for irrigation management look more interesting to use the readings of the water potential at midday. Since the highest photosynthetic rates were found when the midday water potential was between -1.0 and -1.2 MPa this last one was the chosen value to trigger irrigation on the 2015 and 2016 trials. 2016’s summer was warmer and drier than 2015 and, consequently, the midday stem water potential values was several times below -1.2 MPa. As consequence, it was necessary to use more water in this year (870 m3 ha-1 in TI and 979 m3 ha-1 for SI) than in 2015 (460 m3 ha-1 in TI and 480 m3 ha-1 for SI). The chestnut production was always higher on the watered trees although it decreased from one year to the next (52 to 44 kg tree-1 in SI; 54 to 43 kg tree-1 in TI and 44 to 33 kg tree-1 in 2015 and 2016, respectively) and this happened to the nut size as well although it was always bigger in the watered treatments (65 to 122 fruits kg-1 for NI; 62 to 89 fruits kg-1 for TI and 63 to 79 fruits kg-1 for SI in 2015 and 2016, respectively). No significant differences between the chestnut’s sensorial and chemical compositions were found. Thus, it can be said that the irrigation added commercial value to the chestnut because it not only increased the production as it increased fruit size and did not interfere with the chemical and sensorial compositions of the fruit. At a physiological level, the stem water potential, the photosynthetic and transpiration rates were higher for irrigated trees and the chlorophyll fluorescence has proved to be a relevant method when evaluating the chestnut tree’s photosynthetic performance. The economic study revealed that the annual costs were higher for SI (4.654 € ha-1) and TI (4.549 € ha-1) than for NI (1.530 € ha-1) but a higher revenue (21.984 € ha-1for SI, 22.126 € ha-1 for TI and 16.174 € ha-1 for NI) made up for the investment. The drip system required a smaller investment than that of the suspended micro-sprinkler system and, for similar results, it consumes less water. The micro-sprinkler system has the advantage to be easier to clean the line weeds and also the larger wet area may promote larger mushroom growth’s area; however, it can also promote disease spread. In the end, the positive correlations between the plant’s water potential, photosynthetic rate, soil water content and soil water potential allow the formation of a water management model based on soil parameters that, in turn, can be monitored remotely and help to the decision to irrigate. This study has contributed to build knowledge on hydric relations between soil and plant, to define reference values for chestnut tree water management and to evaluate the benefits of the introduction of irrigation in this culture. As expected however, there are too many questions to answer and information is still scarce on this new sector of the chestnut production. Future studies should test and perfect other types of irrigation water management, introduce and evaluate other types of irrigation systems, to determine the water needs of the chestnut tree based on evapo-transpiration values of trees with different ages and of other varieties and in different types of soil and different training systems.
Em Portugal as maiores manchas de castanheiro (Castanea sativa Mill) situam-se nas regiões de Trás-os-Montes e Alto-Douro, Beira Alta e Minho. O castanheiro é tradicionalmente cultivado em condições de sequeiro, tipicamente em zonas montanhosas, em diferentes condições edáficas e climáticas, mas que transversalmente possuem verões quentes e secos e invernos húmidos e frios. Nos últimos anos, devido a uma série de fatores de natureza económica (competitividade dos mercados internacionais e forte incremento na procura de castanha em quantidade e qualidade) e climática (verões cada vez mais quentes, secos e prolongados) têm obrigado a uma adequação do modelo de cultura, nomeadamente a introdução da rega no castanheiro, de forma a promover uma maior regularidade da produção e o aumento da produtividade do souto. No entanto, há uma série de questões que se levantam à volta deste tema, tão inexplorado no sector: qual o custo/benefício da rega no castanheiro? Qual o efeito na produção? Qual o sistema de rega mais adequado? Como fazer a gestão da rega por forma a usar conscientemente os recursos hídricos? Foi no sentido de dar resposta a estas questões que traçaram-se os objetivos gerais deste trabalho: caracterizar o potencial produtivo do castanheiro regado e encontrar a melhor forma de gerir a água de rega. O estudo realizou-se durante quatro anos (2013 a 2016) num souto plantado em 1993, no concelho de Bragança, com as variedades ‘Longal’ e ‘Judia’ enxertadas em portaenxerto seminal de C. sativa., nas condições edafo-climáticas da região da Terra Fria em Trás-os-Montes. Inicialmente, 2013 e 2014, instalou-se no campo experimental um sistema de rega por micro-aspersão com o objetivo primário de avaliar a produtividade fotossintética do castanheiro sob diferentes regimes hídricos por forma a definir um valor de potencial hídrico que refletisse as melhores condições produtivas do castanheiro. Para isso, foram delineados três tratamentos: NI- sequeiro (não foi aplicada qualquer rega ao longo do ciclo), DI - rega deficitária (a rega foi ativada sempre que o potencial hídrico às 9 h da manhã fosse inferior a -0.8 MPa) e FI - rega máxima (a rega foi ativada sempre que o potencial hídrico às 9 h da manhã fosse inferior a -0.6 MPa). Mais tarde, em 2015 e 2016 instalou-se uma parcela experimental no mesmo souto com dois tipos diferentes de sistemas de rega. Os tratamentos aplicados foram NI-sequeiro (não foi aplicada qualquer rega ao longo do ciclo), TI - rega gota-a-gota (a rega foi ativada cada vez que o potencial hídrico de ramo do meio-dia fosse inferior a -1.2 MPa) e SI – rega micro-aspersão suspenso (a rega foi ativada sempre que o potencial hídrico de ramo do meio-dia fosse inferior a -1.2 MPa). Nesta fase, pretendeu-se avaliar a resposta fisiológica do castanheiro, a sua produção e a qualidade da castanha; fazer um balanço económico sobre custo/benefício da rega nos soutos; e por fim, estabelecer guias orientadoras para a gestão da rega no castanheiro com base em parâmetros da planta e do solo. Foram avaliados diversos parâmetros às plantas (potencial hídrico, temperatura foliar, pigmentos foliares fotossintéticos, fluorescência da clorofila, análises minerais e trocas gasosas), ao solo (conteúdo da água no perfil do solo, potencial mátrico do solo e análises minerais), à castanha (produção, curva de crescimento do fruto, calibre, análise química e sensorial) e clima (precipitação, soma das temperaturas, temperatura do ar, humidade relativa e evapotranspiração de referência). O ano de 2014 foi um verão excecionalmente húmido e as regas não foram ativadas. Não obstante, este facto reflete a otimização do uso da água quando a rega é baseada no potencial hídrico da planta. Em 2013, as regas realizadas (num total de 1490 m3 ha-1 em FI e 600 m3 ha-1 em DI) foram suficientes para se observarem diferenças nomeadamente nas medições feitas ao meio-dia. As árvores regadas apresentaram potenciais hídricos mais altos, maiores taxas fotossintéticas e maiores níveis de transpiração que, por sua vez, tiveram um efeito termorregulador na temperatura foliar e, no final, produziram mais 72% de castanha. Nas condições deste ensaio, verificou-se que as árvores de todos os tratamentos, incluindo as não regadas, apresentavam ao início da manhã valores elevados de potencial hídrico, provavelmente devido à absorção de água, existente nas camadas mais profundas do solo e cuja presença não é tão facilmente influenciada por condições de rega. No entanto a presença ou não de níveis hídricos adequados nas camadas mais superficiais, que permitam processos de absorção mais rápidos, induziram diferenças significativas no potencial hídrico ao meio-dia sugerindo o interesse deste parâmetro na gestão da rega. Uma vez que as maiores taxas fotossintéticas foram observadas quando os potenciais hídricos ao meio-dia se situavam entre -1.0 e -1.2 MPa, este último foi o valor definido para se ativar a rega no ensaio de 2015 e 2016. O ano de 2016 revelou-se mais quente e mais seco do que o de 2015 e registaram-se frequentemente potenciais hídricos abaixo de -1.2 MPa, implicando maior aporte de água em 2016 (870 m3 ha-1 em TI e 979 m3 ha-1 em SI) do que em 2015 (460 m3 ha-1 TI e 480 m3 ha-1 em SI). No que diz respeito à produção, esta foi sempre superior nas árvores regadas embora a produção decrescesse dum ano para o outro (de 52 para 44 kg árvore-1 em SI; de 54 para 43 kg árvore-1 em TI e de 44 para 33 kg árvore-1 em NI de 2015 para 2016, respetivamente). O tamanho da castanha também decresceu de um ano para o outro, embora tenha sido sempre maior nos tratamentos regados (de 65 para 122 frutos kg-1 em NI; de 62 para 89 frutos kg-1 em TI e de 63 para 79 frutos kg-1 em SI de 2015 para 2016, respetivamente). Não foram encontradas diferenças significativas entre os tratamentos quanto à composição química e sensorial da castanha. Estes resultados são importantes pois revelaram que a rega acrescentou valor comercial à castanha, não só porque aumentou a produção e melhorou o seu tamanho, mas sobretudo porque estas vantagens não interferiram negativamente na qualidade nutricional e sensorial da castanha. A nível fisiológico, os potenciais hídricos, as taxas fotossintética e de transpiração foram mais altos nas árvores regadas. A fluorescência da clorofila revelouse um método pertinente na avaliação da performance fotossintética do castanheiro. O estudo económico revelou que os custos anuais foram maiores em SI (4.654 € ha-1) e TI (4.549 € ha-1) do que em NI (1.530 € ha-1), tendo a maior receita (22.126 € ha-1 em TI, 21.984 € ha-1 em SI e 16.174 € ha-1em NI) compensado o investimento. O sistema de gota-a-gota tem um investimento menor do que o de micro-aspersão suspenso e, para resultados semelhantes, consome menos água. No entanto, o sistema de micro-aspersão apresenta vantagem pela facilidade de limpeza de infestantes na linha e, tendo maior área regada, pode aumentar o potencial de produção de cogumelos não obstante poder ser limitativo se potenciar a dispersão de doenças, como o cancro. No final, as correlações positivas obtidas entre o potencial hídrico do castanheiro, a taxa fotossintética, conteúdo de água no solo e do potencial mátrico do solo permitiram indicar um modelo de gestão da água no castanheiro baseado em parâmetros do solo que, por sua vez, podem ser monitorizados à distância num lógica de “rega inteligente”. Este estudo contribuiu para aprofundar o conhecimento sobre as relações hídricas entre solo e planta, definir valores de referência para a gestão da água no castanheiro e avaliar os benefícios da rega no castanheiro. No entanto, e como seria de esperar de um tema tão recente no sector da “castanhicultura”, ainda é muito escassa a informação que existe e demasiadas as interrogações que se colocam. Futuramente, devem ser conduzidos estudos com vista a testar e aperfeiçoar outras formas de gestão da água de rega, introduzir e avaliar outros tipos de sistema de rega que não só sejam mais eficientes como também se coadunem com as práticas culturais do souto, e estudar o efeito da rega em soutos com diferentes sistemas de condução, com outras variedades e noutros tipos de solo.
URI: http://hdl.handle.net/10348/9102
Document Type: Doctoral Thesis
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