Optimization of water use in two Mediterranean crops: Olive tree and Grapevine

Abstract

[eng] Grapevine and olive tree are two crops well adapted to the semi-arid and arid environment. These crops can grow and provide reasonable harvest under naturally annual water supply, but, irrigation is essential to achieve more competitive yields. Climate change requires the development of improved irrigation strategies and water use efficiency (WUE) which could be identified with a deeper knowledge of these two crops responses to water stress. This general hypothesis is split into the following main objectives: (1) To study WUE evaluated at different irrigation doses for scales ranging from leaf to canopy to field to region. (2) To optimize Water use for the two Mediterranean crops (olive tree and grapevine) by means of an integrated and multidisciplinary approach. (3) To use new technologies and remote sensing to control WUE indicators that contribute to better irrigation management. To achieve these objectives different experiments were performed on both Mediterranean species: grapevine in the experimental field of the University of Balearic Islands (Mallorca, Spain) and Olive tree plants under controlled and field conditions in different experimental orchards in Tunisia. First, we evaluated the accuracy of carbon isotope discrimination (δ13C) measured in both leaf and fruit samples, as an indicator of grapevine plant water status and WUE. The reported results allowed to conclude that the best WUE indicator is the δ13C of berries sampled from veraison to harvest. Also, the effect of the irrigation dose on plant physiology and water use in olive trees was determined in two experiments under controlled and field conditions. The analysis of results showed that during the stress period a significant difference was found on leaf gas exchange parameters between the severe, moderate water stress and no stressed plants mainly for young leaves. Recovery process was also assessed. Few days after re-watering, the stressed plants start to establish their photosynthetic parameters and they reach the same level of the well irrigated ones. Ten days after recovery, the WUEi values of both severe stressed and recovered plants were higher than other treatments. The δ13C values changed depending on leaf type, water treatment and stress duration. After one month of recovery, significant differences were observed especially between severe stress treatments and recovered plants with more than 2‰ of difference. On this study the validation of transpiration models as Penman-Monteith (PM) and Priestley-Taylor (PT) equations by using sap flow techniques was done, in order to predict olive trees transpiration. The data obtained confirms the possibility to determine water consumption in Tunisian olive orchards using transpiration modelling. As the last part of the thesis, data of three years of experiment were used performance in order to estimate evapotranspiration (ET) based on climatic data measured in-situ, calculated using five empirical formulas (Penman-Monteith, PM; Blaney-Criddle, BC; Hargreaves Temperature; Hargreaves Radiation and Priestley-Taylor, PT) and compared with Landsat-8 satellite images and the METRIC model. The results obtained by remote sensing showed good ability to characterize seasonal variation in reference (ETo) and actual crop (ETc) evapotranspiration. ET could also be estimated using empirical equations such as the PM, PT or BC approaches. The use of the PT equation and/or the BC equation for estimating water requirements is easier than the other equations evaluated in this study when certain climatic parameters are lacking. Along this Thesis, several approaches for the estimation of plant water status, plant water use efficiency and plant and orchard water requirements has been tested. The results of this Thesis can be useful to apply for irrigation programs under semiarid and arid conditions.

[spa] La vid y el olivo son dos cultivos adaptados al ambiente semiárido y árido. A pesar de que estos cultivos pueden crecer y producir adecuadamente bajo un riego restrictivo. El cambio climático requiere el desarrollo de mejores estrategias de riego y de eficiencia en el uso del agua (EUA). Esta hipótesis general se divide en los siguientes objetivos principales: (1) Estudiar la EUA a diferentes escalas que van desde la hoja hasta el dosel, desde el campo hasta la región. (2) Optimizar el uso del agua para dos cultivos mediterráneos (olivo y vid) mediante un enfoque integrado y multidisciplinar. (3) Usar nuevas tecnologías y sensores remotos para controlar los indicadores de EUA que contribuyen al proceso de gestión del riego. Para lograr estos objetivos se realizaron experimentos sobre ambas especies mediterráneas: la vid en el campo experimental de la Universidad de las Islas Baleares (Mallorca, España) y el olivo en condiciones controladas y de campo en diferentes parcelas experimentales en Túnez. En primer lugar, se estableció un protocolo de muestreo y análisis de la discriminación de isótopos de carbono (δ13C) como indicador del estado hídrico y de la EUA de la planta de vid,. Los resultados permitieron concluir que el mejor indicador de la EUA es el δ13C medido en las bayas muestreadas desde el envero hasta la cosecha. Asimismo, se determinó el efecto de la dosis de riego sobre la fisiología y el uso del agua en olivos en dos experimentos en condiciones controladas y de campo. El análisis de los resultados mostró que durante el período de estrés se encontró una diferencia significativa en los parámetros de intercambio de gases de la hoja entre el estrés hídrico severo, moderado y las plantas sin estrés, especialmente para las hojas jóvenes. Las plantas estresadas comienzan a recuperar sus parámetros fotosintéticos y alcanzan el mismo nivel de las plantas bien regadas tan solo 2-3 días de recuperación de su estatus hídrico. Por otra parte, δ13C varía según el tipo de hoja, el tratamiento del riego y la duración del estrés. En otros experimentos se realizó la validación de modelos de transpiración como las ecuaciones de Penman-Monteith (PM) y Priestley-Taylor (PT) utilizando técnicas de flujo de savia, con el fin de predecir la transpiración del olivar. Los datos obtenidos confirman la posibilidad de determinar el consumo de agua en olivares tunecinos utilizando modelos de transpiración. La última parte de la tesis fue la realización de estimaciones de evapotranspiración (ET) a partir de datos climáticos medidos in situ, calculados mediante cinco fórmulas empíricas (Penman-Monteith, PM; Blaney-Criddle, BC; Hargreaves Temperature; Hargreaves Radiation y Priestley-Taylor, PT) y se compararon con imágenes de satélite Landsat-8 y el modelo METRIC. Los resultados obtenidos por teledetección mostraron una buena capacidad para caracterizar la variación estacional en la evapotranspiración de referencia (ETo) y real del cultivo (ETc). ET también podría estimarse usando ecuaciones empíricas como los enfoques PM, PT o BC. El uso de la ecuación PT y/o la ecuación BC para estimar los requerimientos de agua es más fácil que las otras ecuaciones evaluadas en este estudio cuando se carece de ciertos parámetros climáticos. A lo largo de esta Tesis, se han probado varios enfoques para la estimación del estado hídrico de la planta, la eficiencia del uso del agua de la planta y los requisitos de agua a nivel de planta y de parcela. Los resultados de esta Tesis pueden ser útiles para ser aplicados en programas de riego en condiciones semiáridas y áridas.

[cat] La vinya i l'olivera són dos cultius ben adaptats a l'ambient semiàrid i àrid. Tot i que aquests cultius poden créixer i produir adequadament sota un subministrament anual d’aigua restrictiu, el reg és essencial per aconseguir alts rendiments. El canvi climàtic requereix el desenvolupament de millors estratègies de reg i d'eficiència en l'ús de l'aigua (EUA). Aquesta hipòtesi general es divideix en els objectius principals següents: (1) Estudiar l'EUA avaluada a diferents escales que van des de la fulla fins al dosser, des de parcel·la fins a la regió. (2) Optimitzar l'ús de l'aigua per a dos cultius mediterranis (olivera i vinya) mitjançant un enfocament integrat i multidisciplinari. (3) Usar noves tecnologies i sensors remots per controlar els indicadors dels EUA que contribueixen al procés de gestió del reg. Per assolir aquests objectius es van realitzar experiments sobre les dues espècies mediterrànies: la vinya al camp experimental de la Universitat de les Illes Balears (Mallorca, Espanya) i l'olivera en condicions controlades i de camp en diferents horts experimentals a Tunísia. En primer lloc, es va establir un protocol de mostreig i anàlisi de la discriminació d'isòtops de carboni (δ13C) com a indicador de l'estat hídric i de l'EUA de la planta de vinya, mesurada tant a la fulla com al fruit. Els resultats reportats van permetre concloure que el millor indicador de l'EUA és el δ13C mesurat a les baies mostrades des del verol fins a la collita. Així mateix, es va determinar l’efecte de la dosi de reg sobre la fisiologia i lús de laigua en oliveres en dos experiments en condicions controlades i de camp. L'anàlisi dels resultats va mostrar que durant el període d'estrès es va trobar una diferència significativa als paràmetres d'intercanvi de gasos de la fulla entre l'estrès hídric sever, moderat i les plantes sense estrès, especialment per a les fulles joves. Les plantes estressades comencen a recuperar els seus paràmetres fotosintètics i arriben al mateix nivell de les plantes ben regades tan sols 2-3 dies de recuperació del seu estatus hídric. D'altra banda, δ13C varia segons el tipus de fulla, el tractament del reg i la durada de l'estrès.. En aquest estudi es va realitzar a més la validació de models de transpiració com les equacions de Penman-Monteith (PM) i Priestley-Taylor (PT) utilitzant tècniques de flux de saba, per tal de predir la transpiració de l'oliverar. Les dades obtingudes confirmen la possibilitat de determinar el consum d'aigua en oliverars tunisians utilitzant models de transpiració. L'última part de la tesi aborda l'estimacion de l’evapotranspiració (ET) a partir de dades climàtiques mesurades in situ, calculades mitjançant cinc fórmules empíriques (Penman-Monteith, PM; Blaney-Criddle, BC; Hargreaves Temperature; Hargreaves Radiation i Priestley - Taylor, PT), comparades amb imatges de satèl·lit Landsat-8 i el model METRIC. Els resultats obtinguts per teledetecció van mostrar una bona capacitat per caracteritzar la variació estacional a l'evapotranspiració de referència (ETo) i real del cultiu (ETc). ET també podria estimar-se usant equacions empíriques com els enfocaments PM, PT o BC. L'ús de l'equació PT i/o l'equació BC per estimar els requeriments d'aigua és més fàcil que les altres equacions avaluades en aquest estudi quan no tenen certs paràmetres climàtics. Al llarg d'aquesta Tesi, s'han provat diversos enfocaments per a l'estimació de l'estat hídric de la planta, l'eficiència de l'ús de l'aigua de la planta i els requisits d'aigua a nivell de planta i parcel·la. Els resultats d'aquesta Tesi poden ser útils per ser aplicats en programes de reg en condicions semiàrides i àrides.