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IRRIGATION, SUBSTRATS ET FERTILISATION DANS LA CULTURE HORS-SOL DU FRAISIER, DES ENJEUX
POUR UNE PRODUCTION OPTIMISÉE
Mémoire
Valérie Prémont
Maîtrise en sols et environnement Maître ès sciences (M.Sc.)
Québec, Canada
© Valérie Prémont, 2015
iii
Résumé
Provenant d’Europe, la culture hors-sol du fraisier débute au Canada et ses paramètres
doivent être adaptés aux conditions régionales. Les objectifs étaient d’identifier les
substrats locaux adaptés à cette culture, d’en déterminer la régie d’irrigation adéquate et de
définir l’impact de la concentration de la solution nutritive sur la culture. Au terme de trois
expériences, il s’est avéré que la fibre de coco et les écorces vieillies obtiennent des
rendements similaires et que les mélanges sciures-tourbe présentent une problématique
d’implantation, particulièrement ceux à forte proportion de sciures. Toutefois, le substrat
sciures-tourbe contenant moins de sciures égale les rendements des substrats coco et
écorces lorsque l’implantation est réussie. Cette dernière est facilitée par une gestion
humide de l’irrigation, et ce, pour tous les substrats. Finalement, la fertilisation européenne
recommandée est appropriée pour les conditions régionales. En augmenter la dose
n’améliore pas les rendements, mais ne fait qu’accroître les coûts de production.
v
Abstract
Introduced from Europe, the soilless culture of strawberry only begins in Canada and its
parameters must be adapted to regional conditions. The objectives of this study were to find
the best suited local substrates for this culture, to determine the appropriate irrigation
management and to define the fertilizer concentration effects on the crop. After three
experiments, it turned out that the coconut fiber and aged bark substrates obtain similar
yields and peat-sawdust mixtures have plant establishment issues, especially when the
proportion of sawdust is important. However, the peat-sawdust substrate with a low
proportion of sawdust (volume/volume) reaches yields equivalent to coconut and bark
substrates when implantation is successful. The latter is facilitated for all the substrates by a
wetter irrigation management. Finally, the Europe recommended fertilization is appropriate
to regional conditions, as a higher dose does not increase the yields and generates only
higher costs related to fertilizers.
vii
Table des matières Résumé .................................................................................................................................. iii Abstract ................................................................................................................................... v Table des matières ............................................................................................................... vii Liste des tableaux ................................................................................................................... ix Liste des figures ..................................................................................................................... xi Avant-Propos ...................................................................................................................... xiii Introduction ............................................................................................................................. 1 Chapitre 1: Revue de littérature .............................................................................................. 3
1.1 La culture hors-sol du fraisier ....................................................................................... 3 1.2 Les substrats de culture pour le fraisier ........................................................................ 5
1.2.1 Les matériaux et les mélanges ............................................................................... 5 1.2.2 Les propriétés physiques des substrats .................................................................. 6 1.2.3 Les propriétés chimiques des substrats ................................................................. 9 1.2.4 Les propriétés biologiques des substrats ............................................................. 10
1.3 La salinité et le fraisier ................................................................................................ 11 1.4 L’irrigation de précision ............................................................................................. 13 1.5 Objectifs et hypothèses ............................................................................................... 15
Chapitre 2: Effects of substrate, matric potential, and fertilization on fruit production and salt accumulation in a soilless strawberry crop .................................................................... 17
Résumé .............................................................................................................................. 17 Abstract ............................................................................................................................. 18 Introduction ....................................................................................................................... 19 Materials and methods ...................................................................................................... 21
Experiment 1: Spring of 2011 ....................................................................................... 21 Experiment 2: Summer of 2011 .................................................................................... 24 Experiment 3: Spring of 2012 ....................................................................................... 26 Statistical analysis ........................................................................................................ 28
Results and discussion ...................................................................................................... 29 Experiment 1 ................................................................................................................. 29 Experiment 2 ................................................................................................................. 31 Experiment 3 ................................................................................................................. 33 Practical implications ................................................................................................... 34
Conclusion ........................................................................................................................ 35 Acknowledgements ........................................................................................................... 36
Chapitre 3: Conclusion générale ........................................................................................... 61 Bibliographie ........................................................................................................................ 63
ix
Liste des tableaux Chapitre 1 : Revue de littérature
Tableau 1: Distribution des particules selon leur diamètre pour divers substrats, adapté de Londra, 2010 ................................................................................................................... 6
Tableau 2: Masses volumiques des substrats de culture, adapté de Verdonck, Penninck, & De Boot, 1983; Verdonck, 1983 ..................................................................................... 8
Tableau 3: Conductivité hydraulique saturée de divers substrats, adapté de Londra, 2010 ... 9 Tableau 4: CEC et pH de divers matériaux de substrats, adapté de Lemaire, 1999 ............. 10 Chapitre 2: Effects of substrate, matric potential, and fertilization on fruit production and salt accumulation in a soilless strawberry crop
Table 1: Initial fertilizer charge (mg L-1) in the substrates (using the SSE method) ............ 37 Table 2: Composition of the nutrient solution (mg L-1) in Experiment 1 (Spring 2011) ..... 38 Table 3: Composition of the nutrient solution (mg L-1) in Experiment 2 (Summer 2011) ... 39 Table 4: Composition of the nutrient solution (mg L-1) in Experiment 3 (Spring 2012) ..... 40 Table 5: Initial particle size distribution of the four substrates studied and the three
experiments ................................................................................................................... 41 Table 6: Matric potential and substrate effects on the cumulative total yield (marketable +
unmarketable) at the end of the experiment .................................................................. 45 Table 7: Average soil solution EC (obtained with a suction lysimeter) of the four substrates
(wet treatments only). ................................................................................................... 50 Table 8: Average season marketable and unmarketable yields for one harvest. .................. 53 Table 9: Substrate solution EC and pH measured at 3 depths in the culture container at the
end of the experiment (substrate solution obtained using the SSE protocol). .............. 55 Table 10: Season average marketable yield per harvest ....................................................... 56 Table 11: Final dry mass of strawberry plant organs ............................................................ 57 Table 12: Final soil solution EC measured at 2 depths in the substrate bag ......................... 59
xi
Liste des figures
Figure 1: Répartition de la production mondiale de fraises (moyenne 1992-2010) ............... 3 Figure 2: Répartition de la production canadienne de fraises (2011) ..................................... 4 Figure 3: Courbes de rétention en eau de trois substrats commerciaux à base d'écorces
(Fafard et Frères ltée.) ..................................................................................................... 7 Figure 4: Time course of the total yield per harvest of strawberry plants grown in four
different soilless media. ................................................................................................ 42 Figure 5: Influence in time of matric potential on the total yield per harvest of strawberry
plants grown in soilless media. ..................................................................................... 43 Figure 6: Cumulative total yield at the end of the experiment of strawberry plants grown in
four substrates with two irrigation matric potential thresholds. ................................... 44 Figure 7: Average leaf dry mass at the end of the first experiment. ..................................... 46 Figure 8: Water retention curves of the initial coconut fiber substrate of the three
experiments ................................................................................................................... 47 Figure 9: Water retention curves for the initial peat-sawdust substrates of all the
experiments ................................................................................................................... 48 Figure 10: Water retention curves for the initial Ecorce DE substrate of the three
experiments ................................................................................................................... 49 Figure 11: Substrate solution electrical conductivity measured at 3 substrate depths in the
culture container (substrate solution obtained using the SSE protocol). ...................... 51 Figure 12: Marketable yield of each harvest for the 3 production months of summer 2011 in
high tunnel .................................................................................................................... 52 Figure 13: Time course of the electrical conductivity of the substrate solution extracted
with a suction lysimeter. ............................................................................................... 54 Figure 14: a) Time course of soil solution EC (solution obtained with suction lysimeter) b)
Time course of the log of soil solution EC. .................................................................. 58
xiii
Avant-Propos
Ce mémoire de maîtrise est constitué de trois chapitres. Le chapitre 1 constitue une
introduction aux thèmes abordés dans le mémoire. Un article scientifique rédigé en anglais,
dont je suis l’auteure principale, est présenté au deuxième chapitre. Finalement, le troisième
chapitre fait état des conclusions du mémoire. L’article du chapitre 2 sera soumis à
HortScience.
Je tiens à remercier mon directeur de recherche, le docteur Jean Caron, pour ses précieux
conseils, sa grande disponibilité et sa motivation contagieuse. Un très grand merci
également à Carole Boily, pour sa générosité et sa gentillesse sans limites, ainsi que son
soutien constant tout au long de mes études graduées. Je souligne également l’aide de tous
les membres de l’équipe du projet de recherche, qui veillent au bon déroulement des
expériences, particulièrement Benjamin Parys.
Je remercie aussi toute l’équipe de la ferme Onésime Pouliot, des gens formidables qui ont
été d’une aide précieuse pour la réalisation des expériences sur leur site de production. Au
même titre, je veux remercier le personnel des serres de l’Université Laval, plus
spécifiquement Carole Martinez, Nicolas Pelletier, Rachel Daigle et Nicole Deblois, pour
leur contribution dans les projets en serre. Aux étudiants de premier cycle qui ont travaillé
fort dans ce projet, un grand merci, votre participation était essentielle et vos efforts ont été
grandement appréciés.
Je veux également remercier le Conseil de Recherche en Sciences Naturelles et en Génie du
Canada (CRSNG), Hortau et les fermes partenaires pour le soutien financier du projet.
Finalement, merci à ma famille, mon conjoint et mes amis, qui m’ont soutenue dans toute
cette aventure. Un merci spécial à Amélie, Lise et Annie pour leurs sages conseils de
rédaction.
1
Introduction
Cultivée majoritairement en Europe et aux Amériques, la fraise est un fruit très apprécié
mondialement. Cette production populaire fait néanmoins face à des problèmes croissants.
La production intensive de cette culture dans plusieurs régions du monde a entraîné
l’accroissement d’agents pathogènes dans le sol, comme Phytophtora spp. et Verticillium
spp.. De plus, le bromure de méthyle utilisé pour traiter ces agents pathogènes est
graduellement interdit à l’échelle mondiale. Enfin, cette production fait face à des coûts de
main-d’œuvre élevés et la difficulté de recruter des employés pour récolter et entretenir les
cultures s’accroît, obligeant les producteurs à embaucher de la main-d’œuvre étrangère.
Pour pallier à ces obstacles, les européens ont développé la culture hors-sol du fraisier.
L’utilisation de substrats de culture résout le problème des maladies du sol et la culture
surélevée à hauteur d’homme rend les opérations culturales plus agréables pour les
employés, tout en réduisant de façon importante les frais de récolte.
Maintenant répandue en Europe, la culture hors-sol commence à se développer au Québec.
Cependant, les enjeux sont grands pour les producteurs, qui doivent adapter ce type de
culture aux conditions québécoises. Ils doivent notamment faire face à une saison de
production plus courte qu’en Europe et à une disponibilité inférieure des produits
spécialisés pour la production hors-sol du fraisier (ex : substrats, contenants de culture,
types de plants, structures de production, etc.). De plus, pour demeurer compétitifs face aux
cultures en champ, les producteurs de fraises hors-sol doivent obtenir des rendements
supérieurs et une disponibilité en fruits aux moments où la culture en champ peine à
répondre à la demande, par exemple en début de saison ou dans le creux de production
entre la fraise à jour court et à jour neutre. Pour atteindre ces objectifs, la culture hors-sol
doit être optimisée pour le Québec, et cela passe notamment par l’utilisation de substrats de
culture productifs et peu onéreux, d’une irrigation précise et d’une fertilisation adaptée.
C’est dans cette optique que ce projet de recherche s’inscrit. Trois expériences ont été
menées pour identifier les substrats les plus propices à la culture du fraisier, déterminer leur
tension adéquate pour la gestion de l’irrigation et définir la conductivité électrique idéale de
la solution fertilisante d’irrigation.
3
Chapitre 1: Revue de littérature
1.1 La culture hors-sol du fraisier
La culture de la fraise est répandue partout à travers le monde et détient le 19e rang des
fruits les plus produits sur la planète, pour un total en 2010 d’environ 4 millions de tonnes.
Ce fruit, très apprécié par les consommateurs, est majoritairement produit aux Amériques et
en Europe (Figure 1).
Figure 1: Répartition de la production mondiale de fraises (moyenne 1992-2010)
Les États-Unis d’Amérique dominent le marché de la fraise, suivis de la Turquie, l’Espagne
et l’Égypte. La France est le 17e pays producteur et le Canada occupe la 27e place (Food
and Agriculture Organization of the United Nations 2010). Au Canada, la production
annuelle en 2011 s’élevait à environ 23 000 tonnes, dont 11 900 provenaient du Québec et
5 200 de l’Ontario, les deux principales provinces productrices de fraises au pays (Figure 2)
(Statistique Canada 2011).
4
Figure 2: Répartition de la production canadienne de fraises (2011)
Depuis les années 80, un nouveau type de culture de la fraise est apparu en Europe et
depuis il ne cesse de s’étendre. C’est la culture hors-sol ou dite culture sur substrat. Cette
méthode a été développée suite aux problèmes de maladies des sols et de recrutement du
personnel. En effet, les problèmes de fatigue du sol causés par des pathogènes tels que
Phytophtora spp. et Verticillium spp., combinés à l’interdiction d’utiliser le bromure de
méthyle pour les traiter et un manque croissant de personnel fidèle ont engendré une
migration de la culture plein sol vers la culture en substrat (Ancay et al. 2010). En 2004, on
recensait 1140 hectares de fraises cultivées hors-sol dans l’ouest de l’Europe. Maintenant,
la popularité de ce mode de culture gagne toute l’Europe, majoritairement la France,
l’Italie, l’Espagne et le Royaume-Uni (Lieten et al. 2004).
Au Québec, la production hors-sol de fraises n’en est qu’à ses débuts et commence peu à
peu à se développer. La disponibilité sur le marché des produits spécialisés pour cette
production est encore faible, pensons aux types de plants (ex : trayplants), aux substrats
adaptés et aux structures hors-sol pour les grands tunnels. De plus, contrairement aux
européens, les producteurs québécois doivent faire face au froid, qui réduit la période de
production. Conséquemment, les enjeux de la rentabilité sont la durée de production, les
rendements et les coûts de gestion et d’infrastructures. La ligne entre le profit et le déficit
5
est mince, c’est pourquoi des études sont nécessaires pour évaluer le potentiel économique
réel de cette production au Québec.
La culture hors-sol du fraisier est majoritairement réalisée sous grands tunnels. Ces
structures ressemblent à des serres, à la différence qu’elles sont non-permanentes et que
leur climat est peu ou pas contrôlé. Les grands tunnels sont beaucoup moins coûteux que
des serres, ils protègent la culture de la pluie et des vents et fournissent un certain
réchauffement grâce à l’effet de serre obtenu. De plus, ils permettent d’effectuer une
culture plus intensive qu’en champ, car il est possible d’y intégrer une densité de plantation
supérieure (Giacomelli 2009). La protection contre la pluie offerte par les grands tunnels
permet l’application d’une irrigation précise et d’une fertilisation adaptée à l’intérieur de
ceux-ci. Les objectifs liés à l’utilisation des grands tunnels sont l’augmentation des
rendements, l’atteinte d’une qualité de fruit optimale et la prolongation de la période de
production (Kadir et al. 2006).
1.2 Les substrats de culture pour le fraisier
1.2.1 Les matériaux et les mélanges
En culture hors-sol, une multitude de matériaux sont disponibles afin d’élaborer un substrat
de culture. Ils peuvent être de nature inorganique ou organique. Le substrat de culture est
généralement un mélange de plusieurs de ces composés, en proportions précises, afin de lui
conférer des propriétés optimales de culture. Le choix des composés intégrés dans le
mélange dépend de plusieurs facteurs, comme la rétention d’eau, l’aération, la masse, le
coût, la disponibilité, etc.
Comme composés de nature inorganique, on trouve le sable, le tuf (roche volcanique), la
pierre ponce, la perlite, la vermiculite, les granules d’argile expansée, la zéolite et la laine
de roche (Papadopoulos et al. 2008). Les fibres, les écorces et les sciures de bois, la tourbe,
la fibre de coco et le compost sont des composés organiques courants (Maher et al. 2008).
Évidemment, d’autres matériaux peuvent également être utilisés, telles les écailles de riz,
mais ils sont plus inhabituels. Finalement, il existe des composés organiques synthétiques,
comme le polyuréthane, le polystyrène et le polyester (Papadopoulos et al. 2008).
6
En Europe, les principaux substrats utilisés en culture hors-sol du fraisier sont la laine de
roche, la fibre de coco, la tourbe, les écorces de pin et les mélanges de tourbe blonde et
d’écorces de pin (Guérineau et al. 2003).
1.2.2 Les propriétés physiques des substrats
En culture hors-sol, le choix du substrat est une étape très importante, car la gestion de la
culture et la réussite de l’ensemble dépendent fortement de ses propriétés physiques.
Celles-ci sont notamment modulées par le diamètre des particules de substrat et leur
arrangement. En effectuant le tamisage des substrats, on obtient les pourcentages de
répartition des particules selon leur diamètre. Le Tableau 1 présente la répartition des
particules pour quelques substrats, composés de tourbe de sphaigne Lituanienne, de fibre de
coco (sous-produit de la production de noix de coco) et de perlite.
La connaissance des proportions de particules fines et grossières contenues dans chaque
mélange de substrat permet de mieux comprendre plusieurs de ses propriétés, comme sa
rétention en eau, sa porosité et son aération (Wallach 2008). De plus, la mesure de la
répartition des particules en début de culture et à la fin de celle-ci donne un indice de la
stabilité du substrat dans le temps.
Tableau 1: Distribution des particules selon leur diamètre pour divers substrats, adapté de Londra, 2010
Distribution des particules selon leur diamètre (% du poids) Diamètre des particules (mm)
Tourbe 75/25
tourbe/perlite 50/50
tourbe/perlite 50/50
coco/perlite Perlite
> 8,00 7,65 5,97 4,51 0,00 0,00 8,00 – 4,00 17,44 17,77 13,75 4,87 5,83 4,00 – 2,00 16,56 34,40 31,93 27,50 42,69 2,00 – 1,00 17,64 15,07 21,85 25,89 30,45 1,00 – 0,50 19,08 12,57 11,22 19,29 8,67 0,50 – 0,25 11,49 6,51 7,18 12.79 2,22 0,25 – 0,125 5,74 3,43 3,94 5,26 1,41 0,125 – 0,068 2,86 2,23 2,72 2,20 3,37 < 0,068 1,54 2,06 2,90 2,20 5,37
La courbe de rétention en eau permet de connaître les capacités de stockage en eau d’un
substrat. Elle indique la variation de la teneur en eau du substrat selon le potentiel matriciel
7
(ou tension). La Figure 3 montre trois courbes de rétention pour des substrats commerciaux
à base d’écorces. La tension représente la force de succion que les racines doivent exercer
afin de prélever l’eau dans le sol. Ce paramètre est donc un bon indicateur du niveau de
sécheresse du sol. En effet, lorsque le sol s’assèche, la tension du sol augmente et la plante
doit exercer une force de plus en plus grande pour soutirer l’eau dont elle a besoin.
Figure 3: Courbes de rétention en eau de trois substrats commerciaux à base d'écorces (Fafard et Frères ltée.)
La disponibilité de l’eau est fonction des espaces vides entre les particules de sol, appelés
les pores, qui peuvent être remplis d’air ou d’eau. La grosseur de ces espaces et leurs
connexions modulent la disponibilité de l’eau aux plantes. En effet, les pores de grande
dimension (macropores) vont retenir l’eau beaucoup moins fortement que ceux de faible
dimension (micropores). Après une irrigation, les macropores se vident rapidement et un
certain volume d’air s’y infiltre, alors que les micropores conservent l’eau grâce à la
tension capillaire, cela correspond à la capacité en pot. Pour prélever l’eau dans ces petits
interstices, les racines doivent exercer une force égale ou supérieure à cette tension
capillaire. Finalement, la plante entre en état de stress hydrique lorsqu’elle n’est plus
capable d’exercer la tension nécessaire pour prélever l’eau des micropores, c’est le point de
flétrissement.
La densité apparente est la masse sèche d’un sol par rapport à son volume. Elle est aussi
appelée la masse volumique apparente sèche. Cette valeur est préférée à la masse
volumique réelle, puisqu’elle intègre les caractéristiques intrinsèques de la phase solide
(Musy & Soutter 1991). Quelques masses volumiques de divers substrats sont présentées au
8
Tableau 2. Dans certaines productions hors-sol, la densité apparente peut devenir un critère
de sélection de substrat. Par exemple, un substrat de forte densité est préféré dans une
production extérieure d’arbres en pot afin d’éviter qu’ils ne basculent sous l’effet du vent,
alors qu’un substrat de faible densité est plus adapté pour les productions en serre qui
nécessitent beaucoup de manutention (Wallach 2008). La densité apparente peut également
fournir un indice de la compaction d’un substrat de culture.
Tableau 2: Masses volumiques des substrats de culture, adapté de Verdonck, Penninck, & De Boot, 1983; Verdonck, 1983
Substrat Masse volumique (g·cm-3) Tourbe blonde 0,077 Tourbe brune 0,107 Écorce 0,272 Poussière de fibre de coco 0,066
La conductivité hydraulique saturée (Ksat) est un coefficient caractérisant la vitesse à
laquelle l’eau circule dans un sol lorsqu’il est saturé. C’est la grosseur des pores et leur
arrangement dans le sol qui détermine la vitesse de passage de l’eau (Jury et al. 1991).
Ainsi, chaque sol ou substrat possède une conductivité hydraulique saturée propre, qui peut
varier selon le niveau de compaction. En culture hors-sol, ce coefficient, issu de la loi de
Darcy, permet entre autres d’estimer la vitesse de ressuyage de l’eau dans le substrat après
une irrigation. Le Tableau 3 présente des valeurs de conductivités hydrauliques saturées
pour quelques substrats de culture.
Équation de Darcy
Q Ksat A∆HL
Ksat = conductivité hydraulique saturée Q = débit A = surface ΔH = Gradient hydraulique L = hauteur de l’échantillon
9
Tableau 3: Conductivité hydraulique saturée de divers substrats, adapté de Londra, 2010
Substrat Masse volumique apparente (g·cm-3)
Conductivité hydraulique saturée (cm·min-1)
Tourbe 0,0815 1,32 75/25 tourbe/perlite 0,1003 3,54 50/50 tourbe/perlite 0,1159 7,13 50/50 coco/perlite 0,0939 11,07 Perlite 0,1039 8,76
1.2.3 Les propriétés chimiques des substrats
Les caractéristiques chimiques d’un substrat influencent la culture et peuvent modifier
l’absorption des fertilisants par la plante.
La conductivité électrique (CE) mesure les ions conducteurs d’une solution et peut être
mesurée sur une solution extraite du substrat (par SSE ou par lysimètre à succion) ou
évaluée directement dans le substrat (par exemple, avec une sonde de type TDR). Cette
conductivité électrique (communément appelée salinité) est fortement influencée par l’ajout
de fertilisants et peut se révéler dommageable pour les plantes si elle devient trop élevée.
En effet, une concentration d’ions trop élevée entraîne une modification du potentiel
osmotique du milieu de culture, limitant ainsi les racines dans l’absorption d’eau et
d’éléments minéraux. En culture hors-sol, la fertilisation est généralement intégrée à l’eau
d’irrigation et la régie de la culture est alors fortement dépendante de la gestion de la
salinité. Le guide français de culture du fraisier sur substrat recommande d’irriguer avec
une solution de 0,6-0,8 à 1,5-1,6 dS m-1 en période végétative, de 1,0 à 1,8 dS m-1 en
période de floraison et de 0,8 à 1,5 dS m-1 lors de la fructification. De plus, il est suggéré de
maintenir un lessivage journalier de 20% et un écart maximal du pH et de la CE de 20%
entre la solution d’irrigation et de lessivage (Guérineau et al. 2003).
La capacité d’échange cationique (CEC) est un indice de la capacité que possède un
substrat d’échanger des cations en solution avec des cations adsorbés. En culture hors-sol,
l’analyse de la CEC permet donc d’évaluer l’aptitude du substrat à retenir les éléments
minéraux essentiels à la croissance végétale (Lemaire 1999). La plupart des matériaux
10
organiques possèdent une CEC moyenne ou élevée, alors que les matériaux minéraux ont
une CEC très faible (Tableau 4).
Tableau 4: CEC et pH de divers matériaux de substrats, adapté de Lemaire, 1999
Type de matériaux CEC (eq/m3) pH à l’eau Matériaux organiques Tourbe brune française 200 à 400 5,0 Compost d’écorce de bois dur 184 7,5 Compost de déchets 158 6,5 Tourbe blanche 115 4,5 Écorce de pin fraîchement moulue 95 5,1 Fibres de bois 10 4,5
Matériaux minéraux Vermiculite grossière 27 7,5 Perlite grossière 6 6,9 Vermiculite fine < 2 8,7 Laine de roche 0 7,5 Sable 0 6 à 8 Zéolite* 1-1,2 -
*Valeur de la zéolite issue des spécifications de la compagnie Bear River Zeolite Co., Inc.
Le pH influence la disponibilité d’absorption de certains éléments par la plante. Pour la
culture de la fraise hors-sol, le pH idéal est de 5,8 (Guérineau et al. 2003). Les matériaux
utilisés dans la composition des substrats de culture ont tous des pH différents (Tableau 4),
qui ne correspondent pas toujours aux valeurs ciblées pour les cultures hors-sol. C’est
pourquoi il est important d’ajuster le pH d’un substrat avant son utilisation (ex : avec de la
chaux).
1.2.4 Les propriétés biologiques des substrats
Les substrats de culture de nature organique sont souvent propices au développement de
microorganismes et leur population varie selon le type de substrat et le mode de culture
(ex : circuit ouvert ou fermé) (Martínez et al. 2013). De plus, ces microorganismes ont
généralement la capacité de dégrader les substrats organiques, par les processus de
minéralisation et d’humification. Pour évaluer la biostabilité d’un substrat, plusieurs
techniques peuvent être employées, comme la détermination du rapport carbone/azote
11
(C/N), la mesure du taux de respiration, le calcul de l’index de biostabilité et le dosage de la
cellulose, l’hémicellulose et la lignine (Lemaire 1999).
1.3 La salinité et le fraisier
La salinité correspond au contenu en sels solubles dans une solution. Elle peut être
exprimée sous la forme d’une concentration (C) de solutés par volume (mol m-3, g m-3 ou
mg L-1) ou une concentration d’ion (meq L-1). Elle peut également être estimée par la
conductivité électrique (CE), dont l’unité internationale est le dS m-1, en raison de la forte
relation linéaire existante entre ces deux paramètres (C = 640 EC) (Hoffman & Shannon
2007). La conductivité électrique est le paramètre le plus utilisé pour évaluer la salinité des
sols et des substrats de culture. Généralement, les ions contribuant à la salinité des sols sont
le sodium, le calcium, le magnésium, le potassium, les bicarbonates, les sulphates, les
chlorures et les nitrates (Tanji & Kielen 2002). La sodicité correspond à une salinité causée
par une augmentation trop importante du niveau de sodium par rapport au niveau de
calcium et de magnésium.
La FAO a dressé un tableau de valeurs seuils critiques de CE pour plusieurs cultures, au-
delà de lesquelles des baisses de rendement peuvent être observées. Pour le fraisier,
considéré sensible à la salinité, la valeur seuil est fixée à 1,0 dS m-1 et les pertes de
rendements sont estimées à 33% pour chaque unité de dS m-1 supplémentaire suite au
dépassement du seuil (Tanji & Kielen 2002).
Les réactions de la plante face à une hausse de salinité s’effectuent en deux phases
distinctes : la phase osmotique et la phase ionique (Munns et Tester 2008).
Lors de l’accumulation des sels dans le sol, la tension osmotique de la solution du sol
augmente. Ainsi, la plante doit ajuster son niveau de solutés dans les racines pour maintenir
le gradient osmotique nécessaire à l’entrée d’eau dans ses cellules. L’ajout de sels dans la
solution du sol cause une diminution de l’utilisation de l’eau par la plante (Khayyat et al.
2011; Kaya et al. 2002), ce qui limite la plante dans sa croissance et sa production de fruits.
À plus long terme survient la phase ionique, lorsque l’accumulation des ions par la plante
atteint un niveau critique. Cette accumulation survient généralement dans les feuilles
12
matures qui ont terminé leur croissance et ne peuvent donc pas diluer les sels dans de
nouvelles cellules (Munns & Tester 2008). Chez le fraisier, l’augmentation de la salinité de
l’eau d’irrigation cause donc, à long terme, des dommages foliaires, ainsi qu’une
diminution du nombre de feuilles par plant (Bisko et al. 2010). Les rendements en fruits
sont aussi affectés, car l’augmentation des sels cause une baisse du nombre de fruits par
plant et une réduction du calibre des fruits (Ondrašek et al. 2006). Non seulement la salinité
fait diminuer la masse végétale, les rendements, la taille du plant et la surface foliaire, mais
elle cause également une baisse des acides titrables et des solides solubles des fruits
(Kepenek & Koyuncu 2002). Finalement, une salinité de 30 mmol NaCl L-1 diminuerait les
rendements de plus de 50% dans une production hydroponique de fraises (Rahimi et al.
2011).
Dans une culture de tomates de serre, l’augmentation de la conductivité électrique
d’irrigation peut augmenter la qualité des fruits (Adams 1991), c’est pourquoi certains ont
tenté d’obtenir des résultats similaires dans la culture de la fraise. Toutefois, les résultats
sont moins probants et les études souvent contradictoires. En effet, en présence d’une
salinité modérée au NaCl et d’un cultivar tolérant, une augmentation des composés
antioxydants est observée (Keutgen & Pawelzik 2007), alors qu’une diminution de l’indice
Brix est notée (Saied et al. 2005). Finalement, la variation de la CE d’une solution
d’irrigation pendant les divers stades de culture tend à modifier certains paramètres de
qualité des fruits, comme le calibre, la douceur et l’arôme, mais la réponse de la culture est
si complexe qu’elle devient difficile à interpréter (Sarooshi & Cresswell 1994).
Les impacts de la salinité sur le fraisier sont réels et se situent autant au niveau de la
croissance végétative que de la production de fruits. Comme peu d’études détectent un lien
entre l’augmentation de la salinité et l’amélioration de la qualité des fruits et qu’un bon
nombre d’articles démontrent des impacts négatifs sur la culture, beaucoup d’efforts en
recherche sont investis partout dans le monde afin de trouver des solutions qui limiteraient
les effets néfastes de la salinité sur le fraisier. Plusieurs études suggèrent que l’ajout de
calcium dans le milieu de culture diminuerait les impacts négatifs de la salinité (Kaya et al.
2002; Khayyat et al. 2011). Comme les sels dans le sol sont difficiles à contrôler, les
recherches se concentrent aussi beaucoup au niveau de la plante. Il est connu que certains
13
cultivars présentent une meilleure résistance à la salinité que d’autres (Barroso & Alvarez
1997; Saied et al. 2005; Bisko et al. 2010). Ainsi, le développement de cultivars tolérants et
de fraisiers transgéniques résistants à la salinité est en cours (Husaini & Abdin 2008). De
plus, l’association du fraisier avec des mycorhizes permettrait d’atténuer la diminution de
croissance liée à la salinité (Fan et al. 2011).
Tous ces efforts de recherche se concentrent beaucoup sur la salinité causée par le NaCl
dans le sol (la sodicité), un phénomène très présent dans les régions côtières ou arides,
comme la Californie, l’Iran et la Turquie. Cependant, très peu d’études portent sur une
hausse de salinité causée par les fertilisants, comme c’est le cas en culture sur substrat.
Ainsi, il est plausible de croire que les impacts de la salinité sur le fraisier en substrat ne
sont peut-être pas les mêmes. Des études supplémentaires sur ce sujet devront être
effectuées pour quantifier les conséquences d’une salinité engendrée par les fertilisants sur
le fraisier.
1.4 L’irrigation de précision
À l’échelle mondiale, la gestion de l’eau est devenue un enjeu très important. Tous
s’accordent pour dire que l’avenir de l’agriculture passe par une meilleure efficacité de
l’utilisation de l’eau. La FAO croit que dans le futur, la fertigation, l’irrigation de déficit, la
réutilisation des eaux usées et l’irrigation de précision seront des éléments-clés pour les
systèmes d’irrigation (Collette et al. 2011).
Le principe de l’irrigation de précision repose sur l’ajustement de l’irrigation en fonction
des besoins en temps réel des végétaux. C’est donc l’application au bon moment de la
bonne quantité d’eau. Dans cette optique, il est nécessaire d’évaluer les besoins de la
plante, ce qui est possible par plusieurs méthodes.
La première est d’estimer les besoins de la plante en fonction des facteurs climatiques, via
le calcul de l’évapotranspiration (ETP). Par exemple, une ferme munie d’une station
météorologique complète peut calculer l’ETP et faire correspondre ses irrigations sur les
valeurs obtenues.
14
Une autre méthode repose sur la détection de la réserve en eau du sol. Il existe des sondes
de teneur en eau qui mesurent directement ce paramètre. En sachant la teneur en eau à
laquelle le flétrissement végétal survient pour une espèce donnée, il est facilement possible
de déclencher une irrigation lorsque ce seuil est atteint par la sonde. Une mesure indirecte
de la teneur en eau peut également être obtenue, c’est la tension du sol (aussi appelée le
potentiel matriciel).
Pour chaque sol, il existe une relation précise entre la teneur en eau et la tension, qui prend
forme dans une courbe de rétention en eau. À l’aide de cette courbe, il est possible de
connaître la tension critique de flétrissement. Un des avantages à utiliser la sonde de
tension (tensiomètre) par rapport à la sonde de teneur en eau est l’augmentation de
précision de mesure lorsque la teneur en eau diminue. En effet, lorsque le sol s’assèche, un
petit changement de teneur en eau peut entraîner une grande variation de la tension. Ce
faisant, le changement de tension sera détecté avant celui de la teneur en eau, permettant
d’effectuer une irrigation avant que le stress ne survienne. L’utilisation de cette technologie
peut donc mener à l’obtention de rendements supérieurs, puisqu’elle permet d’éviter les
stress hydriques chez la plante (Shock & Wang 2011).
En culture hors-sol, la gestion précise de l’irrigation revêt une importance capitale, compte
tenu du faible volume de substrat disponible pour la rétention d’eau et du fait que la culture
est à l’abri de la pluie. De plus, l’irrigation est essentielle pour lessiver les sels qui
s’accumulent dans le substrat suite à son assèchement graduel. En culture hors-sol la
gestion de l’irrigation par tensiométrie est possible et peut augmenter les rendements, mais
les seuils de déclenchement doivent être déterminés en fonction de la culture, du substrat de
culture et de la hauteur de sol (Lemay et al. 2012; Shock & Wang 2011).
15
1.5 Objectifs et hypothèses
L’objectif principal de cette étude est l’optimisation de la productivité du fraisier en culture
hors-sol via le choix du substrat et des paramètres de culture qui y sont liés, comme le
potentiel matriciel et la fertilisation. Ainsi, les objectifs spécifiques sont 1) d’identifier le ou
les substrats les plus adaptés pour le fraisier; 2) de déterminer le seuil de potentiel matriciel
de déclenchement des irrigations adéquat pour chaque substrat; 3) de définir la conductivité
électrique idéale de la solution fertilisante d’irrigation et les effets de sa hausse sur le
fraisier.
Les hypothèses sont 1) les substrats sciure-tourbe (30% de sciures d’épinette/ 70% tourbe;
70% de sciures d’épinette/ 30% de tourbe V/V) permettent l’obtention de rendements
équivalents à ceux des autres substrats; 2) le fraisier bénéficie d’une gestion humide
(potentiel matriciel entre -1,0 et -1,5 kPa); 3) l’utilisation d’une solution fertilisante avec
une conductivité électrique recommandée par le CTIFL (de 0,8 mS à 1,8 mS cm-1 selon le
stade de la culture) permet l’obtention d’une qualité de fruits et de rendements supérieurs
par rapport à une fertilisation augmentée dont la valeur de CE dépasse celle recommandée.
17
Chapitre 2: Effects of substrate, matric potential, and
fertilization on fruit production and salt accumulation in
a soilless strawberry crop
Résumé
La culture hors-sol du fraisier est de plus en plus populaire en Europe, principalement suite
aux problèmes de pathogènes dans les sols et de recrutement du personnel. Au Canada, ce
type de production en est à ses débuts et les paramètres de culture doivent être adaptés pour
le climat et les conditions régionales. Trois expériences ont été menées dans la région de la
ville de Québec pour identifier parmi les substrats disponibles localement ceux qui seraient
les plus adaptés pour le fraisier, pour cibler la régie d’irrigation adéquate de chaque substrat
et pour déterminer la conductivité électrique (CE) idéale de la solution nutritive appliquée.
En plus de la fibre de coco (Coco) et d’un substrat à base d’écorces vieillies (Ecorce DE),
deux substrats de sciure-tourbe ont été testés, un possédant une forte proportion de sciures
(PA40) et l’autre en contenant moins (PA25). Les résultats montrent que les substrats
Ecorce DE, Coco et PA25 ont le même potentiel de production, mais que l’implantation des
plants dans le substrat PA25 est plus critique. Le substrat PA40 s’est révélé peu adapté pour
le fraisier, probablement dû à l’immobilisation des éléments nutritifs par la sciure de bois.
Pour tous les substrats, une régie humide (irrigation démarrée de -1,0 à -1,5 kPa) favorise
la croissance et la production de fruits des plants, par rapport à une régie sèche (irrigation
démarrée de -1,5 à -2,5 kPa). Finalement, la CE recommandée d’irrigation de 1,0 à 1,5
dS m-1 est adéquate pour le fraisier hors-sol et son augmentation n’a aucun effet sur la
culture, ne faisant qu’augmenter les coûts de production liés aux fertilisants.
18
Abstract
Soilless strawberry crops are getting popular in Europe, mainly because of soil pathogens
and staff recruiting problems. This type of production is beginning in Canada, but the crop
management parameters must be adjusted for the climate and the conditions of this region.
Three trials were conducted in the Quebec City area to identify the most promising locally
found substrates for strawberry, to find the appropriate irrigation management for each
substrate and to determine the proper EC for the applied nutrient solution. In addition to a
coconut fiber substrate (Coco) and an aged bark substrate (Ecorce DE), two peat-sawdust
substrates were tested, one with a high proportion of sawdust (PA40) and the other with
less sawdust (PA25). The results show that Ecorce DE, Coco and PA25 have the same
productivity potential, but that strawberry plant establishment is critical in the PA25
substrate. The PA40 substrate is not appropriate for this crop, probably due to the nutrient
immobilization by the sawdust. For all the substrates, wetter conditions (irrigation started at
-1.0 to -1.5 kPa) enhance plant growth and fruit production compared with drier ones
(irrigation started at -1.5 to -2.5 kPa). Finally, the recommended irrigation EC of 1.0-1.5 dS
m-1 is appropriate for soilless strawberries; increasing it does not affect the crop and brings
only higher fertilizers costs.
19
Introduction
Strawberry is one of the most popular fruit in the world and is produced almost on every
continent. In some regions, this crop is affected by soil pathogens, like Phytophtora spp.
and Verticillium spp., and the use of methylbromide is gradually banned worldwide (Lieten
et al. 2004). In addition, hard working conditions associated with the conventional
cultivation of strawberries make it difficult to recruit staff (Ancay et al. 2010). For these
reasons, many producers have found advantageous to move on to soilless culture,
especially in Europe.
Many substrates are available for soilless culture, and the choice is made based on
physical/chemical characteristics, costs and ecological concerns. Widespread in many
soilless crops, coir is an organic substrate made with waste products of the coconut
industry. Coir is mainly exported from Sri Lanka, Vietnam, India, Philippines, Mexico and
Ivory Coast (Maher et al. 2008). The quality of the product and its properties may
considerably vary from one supplier to another, depending on the process used (Evans et al.
1996; Abad et al. 2002). Coir sometimes contains high levels of sodium, chloride and
potassium that need to be leached with a calcium nitrate solution before planting the crop.
Sawdust is a wood industry by-product easily available in Canada at a low cost. Mixed with
peat, it constitutes a substrate with interesting physical properties. Tested in a greenhouse
tomato crop, this peat-sawdust substrate showed a high productivity potential with suitable
irrigation management (Lemay et al. 2012). However, sawdust nutrient immobilization
properties (Vano et al. 2011; Tilston et al. 2009; Szili-Kovács et al. 2007) and its limited
water availability (Allaire et al. 2005) can limit growth and fruit production. Jarosz &
Konopinska (2010) have obtained lower strawberry yields with a peat and pine sawdust
(ratio 1:1) substrate compared to a peat and a peat-bark substrates. Naasz et al. (2009)
found that apparent phytotoxicity of some barks may be related to insufficient aeration
caused by microbial activity. Also, peat-sawdust substrates present risks of salt
accumulation (Létourneau 2010). Therefore, peat-sawdust substrates may possess a great
productivity potential, but only with appropriate particle size distribution and irrigation
management.
20
Tensiometer based irrigation is widely used for many crops, both in the fields and in
soilless cultures. This irrigation management type must be adjusted for each crop and
substrate, to optimize its benefits (Shock & Wang 2011). In a greenhouse tomato crop, this
irrigation system has resulted in higher yields (Lemay et al. 2012). As tensiometers are
particularly suited for soils with a high water content (Durner & Or 2005), they are
compatible with soilless culture, where the soil water tension is generally maintained in a
range of 1 to 6 kPa (Shock & Wang 2011).
Fertigation is crucial in the management of a soilless culture, and the EC of the irrigation
solution is the parameter used to control it. Applied EC recommended by the soilless
strawberry CTIFL production guide (Guérineau et al. 2003) is 0.6-0.8 dS m-1 at planting,
increasing progressively at 1.5-1.6 dS m-1 until first flowers. CTIFL recommended EC is
1.0-1.8 for the flowering period and 0.8-1.5 dS m-1 at the fruit production, depending on
climatic conditions. However, Sarooshi & Cresswell (1994) reported that Australian
growers use solutions of 2 dS m-1. Worldwide, a lot of studies are made on NaCl salinity,
and the results are sometimes contradictory. Keutgen & Pawelzik (2007) found an increase
of fruit quality parameters in presence of a moderate NaCl salinity (40 mmol L-1), but most
of studies report damages to strawberry plants at EC solutions from 2.6 to 8 dS m-1 (Saied
et al. 2005; Ondrašek et al. 2006). It is therefore possible to think that strawberry plants are
sensitive to a NaCl salinity and tolerant to other forms of salinity induced by high ionic
concentrations (sulphate, potassium, carbonate).
The goals of this study were to identify the best organic substrates and their appropriate
matric potential for the strawberry soilless culture, to try these parameters in a commercial
context, and to find out the suitable irrigation solution EC for this crop. There is also
interest in evaluating the productivity of locally produced low cost peat-sawdust substrates
for strawberry crops in Quebec.
21
Materials and methods
This study includes three experiments: Spring of 2011, Summer of 2011, and Spring of
2012.
Experiment 1: Spring of 2011
This run was carried out in the high performance EVS greenhouses at Université Laval,
Quebec City, Canada (lat. 46°77’56” N, long. 71°28’29” W) from April 11 to June 21,
2011. The purpose was to study four types of substrates (coconut fiber, PA25, PA40 and
Ecorce DE) and two matric potential irrigation triggers (wet or dry), to perform 8
treatments as follows:
1. Coconut fiber and irrigation threshold of -1.0 kPa
2. Coconut fiber and irrigation threshold of -1.5 kPa
3. PA25 and irrigation threshold of -1.5 kPa
4. PA25 and irrigation threshold of -2.5 kPa
5. PA40 and irrigation threshold of -1.5 kPa
6. PA40 and irrigation threshold of -2.5 kPa
7. Ecorce DE and irrigation threshold of -1.5 kPa
8. Ecorce DE and irrigation threshold of -2.5 kPa
The experimental design was a randomized complete block design, composed of six blocks,
for a total of 48 experimental units (EU).
The matric potential triggers were not the same for the coconut substrate, because of its low
height and its high saturated hydraulic conductivity. These irrigation thresholds must be
adapted for each crop and substrate, as shown in other studies (Shock & Wang 2011;
Lemay et al. 2012). The coconut fiber was a 18 L grow bag, 72 cm long (Performa
Globalys, Groupe Horticole Ledoux). Except for the coconut, all other substrates were in
10 L plastic containers (ITML model NCS03000, Myers Industries Lawn & Garden Group,
Middlefield), in which three bare root strawberry plants (Fragaria × ananassa Duch.
Seascape) were inserted. There were 9 plants in each coconut growing bag. Each EU was
made up of 9 plants (1 coconut growing bag or 3 plastic containers), thus setting the density
at 9 plants m-1 or 24.5 plants m-2. The PA25 and PA40 substrates were made of peat and
22
spruce sawdust in different proportions (70% and 30% V/V) of sawdust for PA25; 30%
peat and 70% of sawdust for PA40). Non-treated spruce sawdust was sieved to remove all
particles having a diameter higher than 6 mm. The medium quality peat, classified as class
H4-H5 in the von Post scale of decomposition, was sieved to remove all particles with a
diameter under 0.5 mm. The peat had its pH adjusted and received a fertilizer charge (Table
1) at the manufacturing facility. The commercial substrate Ecorce DE (Fafard et Frères
ltée., Saint-Bonaventure) was made of aged bark, sphagnum moss, compost and sand. It
also received a fertilizer charge (Table 1) at the manufacturing facility.
One treatment was drip irrigated when the mean of its three tensiometers (T or TX model,
Hortau inc., Saint-Romuald) reached the matric potential set point. The irrigation system
was automated and programmed to work only during the day, in the active period of the
plant. Each strawberry plant was equipped with an angle barber stake connected to a
dripper (2 L h-1 WPJC, Netafim USA Ltd., Fresno). In the greenhouse, a PRIVA system
(Priva B.V., Vineland Station) controlled the climate. The temperature was maintained
between 21°C and 23°C during the day and 17°C at night. The humidity was kept at 50%.
Since the experiment was conducted in the spring when natural light was insufficient for
plant growth, artificial lighting was provided. Lights were turned on at 10:30 a.m. and
turned off at 4 p.m.; however, at times, when the temperature rose too much, they were shut
off during the day.
Flowers were hand-pollinated with a hair dryer set at the cool setting. In order to extend the
establishment period, the first flowers were cut. Fertilization was conducted as described in
CTIFL’s soilless strawberry production guide (Guérineau et al. 2003). A detailed
description of nutrient concentration (ppm) in the fertilizer solution is provided in Table 2.
For the establishment, the electrical conductivity (EC) of the irrigation solution was set to
0.6 mS and progressively increased to 1.6 mS. The EC was maintained at 1.2 mS during the
flowering and fruit production period.
Measurements
Physical characterization was conducted on the substrates before and after the growing
period, in order to obtain the particle distribution, the saturated hydraulic conductivity, the
23
water retention curve, and the bulk density. Particle distribution was obtained by manually
sieving the dried substrates during 3 minutes using a set of 8 sieves with different sieve
openings (16, 8, 4, 2, 1, 0.5, 0.25 and 0.1 mm) and weighing content retained by each sieve.
The initial particle size distribution of the four substrates for the three experiments is shown
in Table 5. The water retention curves were determined by relating the substrate sample
weight and volume to its matric potential, measured using a tensiometer inserted vertically
at middle-height of the sample. The matric potential was adjusted using tension tables, on
which the samples were placed. The samples consisted in PVC cylinders individually filled
with the substrates, using the same density than that of the containers of the experiment. As
the coconut samples were expanded slab parts, they were not placed into cylinders, but into
square-shape boxes (without top and bottom). The bottoms of the cylinders / boxes were
covered with a 1.5-mm nylon mesh. After a slow saturation and a measurement of water
content using a TDR probe, the samples were allowed to drain and weighed. Then, they
were placed on a tension table and the matric potential was gradually reduced until the
complete water desorption was achieved (around -10 kPa). Sample weight, volume and
matric potential were measured after equilibrium at each step of the desorption curve.
When maximal desorption was achieved, the samples were oven-dried at 105°C to measure
dry bulk density and volumetric water content at each step of the curve. The bulk density
was measured by weighing the dry mass of a known volume of substrate, generally a PVC
cylinder filled with substrate (same density than experiment). The saturated hydraulic
conductivity (Ks) was determined before the growing period using cylinders filled with
substrate (same density than that of the containers), and after the growing period using
cylinders filled with undisturbed substrate taken directly from the growing containers. The
bottom of the cylinders were covered with a 1.5 mm nylon to maintain the growing media
particles. A constant water head was applied to the samples using a graduated Mariotte
bottle. At steady state conditions, the water flux (Q) was measured and incorporated with
the other parameters (substrate height and surface, hydraulic gradient) into Darcy’s law to
calculate the Ks.
Every week, total yields were weighed and divided into two groups: marketable and
unmarketable yields. Volume measurement, electrical conductivity (EC) and pH were
recorded daily on the leaching solutions of blocks 1, 4 and 5. The irrigation length of time
24
was adjusted every day based on the leaching values (EC and leaching percentage) of the
previous day (20 to 30% leaching fraction required). Weekly, a little amount of substrate
solution was extracted at mid-height of the container using a suction lysimeter (Soil water
sampler 1905, Soilmoisture Equipment Corp., Santa Barbara) pumped at a tension of 5 to 6
kPa. The pH and EC were then measured directly on the collected solution. At the end of
the experiment, strawberry plants were cut at the collar and their leaf dry mass measured
after drying at 65°C. As for the substrates in the containers and grow bags, they were
divided into three parts in order to measure the pH and the EC at the top, middle and
bottom of the substrate. Fresh substrate samples were saturated with water and after 2 hours
of waiting time, the pH was measured. Then, solution was extracted from the samples and
the EC measured on the solution. Protocol followed of this method, called SSE (saturated
soil extraction) was taken from the Conseil des productions végétales du Québec (1988).
Experiment 2: Summer of 2011
This experiment was carried out in a commercial strawberry production at Saint-Jean-de-
l’Île-d’Orléans, Canada (lat. 46°90’13” N, long. 70°93’70”W), from May 30 to October 12,
2011. The goal was to evaluate the four substrates used in Experiment 1 in a long term
production. Therefore, there were four treatments, corresponding to the substrates:
1. Coconut fiber
2. PA25
3. PA40
4. Ecorce DE
The substrates were the same as in Experiment 1, but smaller containers were used for
PA25, PA40 and Ecorce DE substrates, having an 8 liter capacity (model HB1200C,
Concept Plastics Limited, Mississauga). The experimental design was a randomized
complete block design of 12 experimental units (3 blocks x 4 treatments). One
experimental unit (EU) was composed of 41 coconut grow bags or 123 containers. There
were three bare root strawberry plants (Fragaria × ananassa Duch. Seascape) in each
container and nine in the grow bags, for a total of 369 plants per EU.
25
The experimental design took place in a 112 m long and 8 m large high tunnel where six
rows of wooden structure supported the containers and grow bags at a height of
approximately one meter. The two lateral rows were used as buffers to ensure EU climate
uniformity and the first flowers were cut off. Pollination was natural, the tunnel being
opened to outside at both ends.
Irrigation was activated manually when the average of the three treatment tensiometers
reached the target value. During the establishment period, the irrigation thresholds were:
-1.5 kPa for PA25 and Ecorce DE, -1.2 kPa for PA40, -1.0 kPa for Coco. During the fruit
production period, they were: -1.8 kPa for PA25 and Ecorce DE, -1.2 kPa for PA40 and
-1.0 kPa for Coco. In Experiment 2, the thresholds were initially determined following the
results of Experiment 1. As the duration of Experiment 1 was not long enough to determine
the adequate irrigation threshold for the production period, the thresholds were reassessed
in Experiment 2 to -1.8 kPa for Ecorce DE and PA25 at the beginning of the fruit
production period. A visual examination of the substrates has demonstrated that they were
excessively watered. The initial thresholds for the Coco and PA40 were appropriate for the
fruit production period and were kept as is.
As for the containers (PA25, PA40 and Ecorce DE treatments), plant irrigation was
provided using pressure compensated dribble rings (Item #PCR85-24, Dramm Corporation)
connected to drippers (4 L h-1 WPJC, Netafim USA Ltd.). These dribble rings were used to
ensure irrigation uniformity at the top of the substrate. To reduce surface evaporation, white
plastic films were attached to the top of the containers (three holes were cut out to let the
strawberry plants grow). Coconut fiber grow bags were irrigated with angle barber stakes
connected to drippers (4 L h-1 WPJC, Netafim USA Ltd.). There was one dribble ring per
container and three angle barber stakes per coconut grow bag.
The Ecorce DE was fertilized initially at the manufacturing plant. However, the substrates
PA40 and PA25 were fertilized manually at the production site, and had a lower initial
fertilizer charge, as shown in Table 1.
The applied fertilization followed CTIFL recommendations until August 20, 2011 when
irrigation EC began to be increased because of low EC measurements in the PA40 soil
26
solution. Irrigation EC was increased gradually from 1.2 dS m-1 to 2.2 dS m-1 over a four
weeks period. A detailed description of nutrient concentration (ppm) in the fertilizer
solution is provided in Table 3.
Measurements
Harvesting was done by the producer when necessary (about every 3 to 4 days) and the
fruits were classified into two categories: marketable and unmarketable. Every week, the
fruit quality parameters were measured: average fruit size, total sugar level (°Brix)
(refractometer PAL-1, Atago), and firmness (penetrometer FT02, QA Supplies LLC).
Weekly, substrate solutions were collected with a suction lysimeter (Model 1905,
Soilmoisture Equipment Corp.) to measure EC and pH. Irrigation and leaching solutions
were collected and measured (volume, EC, pH) everyday in order to determine how long
the irrigation should last the next day (20 to 30% leaching required).
At the end of the experiment, strawberry plants were cut off at the collar. Leaves and flower
clusters were dried and weighed; roots were washed to remove the substrate particles, then
dried and weighed (drying temperature: 65°C).
Growing media physical characteristics (particle distribution, saturated hydraulic
conductivity, water retention curve, and bulk density) were assessed using the same
techniques as in Experiment 1 before and after the production period in order to
characterize the influence of the crop and the growing time period on the physical substrate
parameters.
Experiment 3: Spring of 2012
This trial was conducted in the high performance EVS greenhouses at Université Laval,
Quebec City, Canada (lat. 46°77’56” N, long. 71°28’29” W), from January 27 to April 30,
2012. The goal was to characterize the effects of the irrigation solution EC on the crop
depending on the substrate. Two fertilization strategies were studied, one as recommended
in the CTIFL production guide (F1) (Guérineau et al. 2003) and one doubling the
concentration of the CTIFL’s recommended solution (F2). The substrates used were
coconut fiber, PA25 and Ecorce DE. The PA40 substrate was not used in this experiment
27
because the previous trials had shown that it is not suitable for growing strawberries. The
substrates Ecorce DE and PA25 received an initial fertilizer charge at the manufacturing
facility, as described in Table 1.
A detailed description of nutrient concentration (ppm) in the fertilizer solution is provided
in Table 4 and the variation of the irrigation solution EC during the course of the
experiment is shown below.
Date January February March April
27 31 6 13 20 27 6 12 19 26 2 F1 (mS cm-1) Water 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 F2 (mS cm-1) Water 0.8 1.1 1.4 1.7 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0
There were 6 treatments described as follows:
1. Coconut fiber, F1 (CTIFL fertilization)
2. Coconut fiber, F2 (doubled CTIFL fertilization)
3. PA25, F1
4. PA25, F2
5. Ecorce DE, F1
6. Ecorce DE, F2
All the substrates were in grow bags (instead of containers). The coconut bags
(Milleniumsoils Coir, Vgrove Inc., St. Catharines) were 50 cm long, 18 cm wide and 13 cm
high, for a total volume of 11.7 litres. The PA25 and Ecorce DE bags were 41 cm long, 20
cm wide and 18 cm high, for a total volume of 15 litres. The PA25 grow bags were filled
mechanically and the Ecorce DE manually. Each bag contained six bare root strawberry
plants (Fragaria × ananassa Duch. Seascape) in a staggered arrangement. One grow bag
corresponded to one experimental unit (EU). There were six blocks, for a total of 36 EU. In
Experiment 1, the coconut grow bags and the containers were all placed on growing tables,
but in Experiment 3, all the grow bags were aligned on slabs in a north-south orientation,
75 cm above ground. This change from tables to slabs had a direct effect on the density per
square meter, decreasing from 24.5 plants to 9.4 plants. The linear density was also
influenced, from 9 plants per meter in Experiment 1 to 12 plants per meter in Experiment 3,
28
mainly due to the differences in the shape of the containers/bags that was mostly circular in
Experiment 1 and linear in Experiment 3.
The irrigation solution was distributed to the substrate with a drip-tape system (Chapin
Twin-Wall Deluxe 5/8”, Jain Irrigation Systems Ltd.). Emitters were 10 cm apart and the
discharge rate was 0.74 L h-1 per emitter. In each grow bag, there were two lines of drip-
tape, each with three emitters, for a total of six emitters per bag. Irrigation was separate for
each treatment and it was automatically turned on when the average matric potential of its
three tensiometers reached the threshold. One tensiometer (model T or TX, Hortau Inc.)
was placed in each EU of blocks 1, 4, and 5. The matric potential thresholds were: -1.5 kPa
for PA25 and Ecorce DE, and -1.2 kPa for Coco. The threshold for the Coco is different
from Experiments 1 and 2 due to the reduced height of the coconut bag, which was 10 cm
instead of 13 cm.
The greenhouse climate was controlled by a PRIVA system. From January 27 to March 23,
the climate parameters were: humidity at 60%, temperature at 16°C in the daytime and
12°C at night, but from March 24 to April 30, they were 50% humidity, 19 to 20°C in the
daytime and 12 to 14°C at night. The lamps lit at 9 a.m. and were turned off at 9 p.m.. Due
to its good capillary rise, in all three experiments, the PA25 substrate was laid on a
capillary mat to reduce the amount of nutrient solution applied (Lemay et al. 2012).
Measurements
In Experiment 3, growth measurements were taken (leaf number, flower number, flower
cluster number, collar diameter) in addition to all the same measurements as in
Experiment 2.
Statistical analysis
All the statistical analyses were performed with the MIXED procedure of SAS 9.3 (SAS
Institute, Inc., Cary, NC). Yields, CE/pH of lysimeter extracts, brix, firmness, fruit size and
growth measurements were analysed with the repeated statement, as they consisted in
repeated measures in time. For the three experiments, data analysis was performed
according to a randomized complete block design. To meet the assumption of normality
29
and homogeneity of variance for the marketable yield in the second experiment, the data set
was divided into three months, and a square-root transformation was used for the
“marketable yield” variable on the second month. A log transformation was used on the
“electrical conductivity” variable of the lysimeter soil solution in the third experiment for
the same purpose. For all experiments, normality was accepted when P>0.01 using the
Shapiro-Wilk test and with the confirmation of the visual analysis of normal distribution
plot. Homogeneity was analyzed by visual inspection of residual plot. The least square
means were compared when the ANOVA model was significant at P=0.05.
Results and discussion
Experiment 1
Yields results indicated substrate and matric potential effects, but the relations seemed
complex. Indeed, the total yield exhibits two interactions: one between time and substrate
(P<0.0001) (Figure 4), and the other between time and matric potential (P=0.0308) (Figure
5). From the first harvest, strawberry plants in peat/sawdust substrates showed lower yields
than in the other substrates. However, at the fourth harvest, the total yield of PA25 was not
significantly different than the Coco total yield. Except at the first harvest, the PA40 total
yields were always significantly lower than those of Coco and Ecorce DE, but remained
similar to the PA25 yield during all the course of the experiment. The Ecorce DE substrate
significantly obtained the highest yields at the third and fourth harvest and the Coco
substrate had yields intermediate between the Ecorce DE and the PA40. Due to the
experiment limited time period, it is difficult to conclude that these trends will have stayed
in a full season production, but they may indicate the substrate’s influence on the
implantation of strawberry plants. Therefore, these results suggest that strawberry plant
establishment may be more difficult when using peat/sawdust substrates.
The interaction between time and matric potential is presented in Figure 5. The influence of
the matric potential on the yields began only at the end of the experiment, at the fourth
harvest, and indicated that maintaining wetter conditions (-1.0 kPa to -1.5 kPa) was
beneficial for the establishment of soilless strawberry plants. However, due to the short
experiment period, this matric potential threshold may not be appropriate for a whole
30
production cycle. Some crops benefit from changing matric potential, depending on the
crop developmental stage (Hanson et al. 2000). A study would be necessary though to
confirm the right matric potentials needed for each developmental stage of the strawberry
plants for a longer production period. Other studies showed that strawberry yields are
higher for wetter treatments than drier ones (Hoppula & Salo 2007; Yuan et al. 2004).
The cumulative total yields (marketable + unmarketable) at the end of the experiment are
showed in Figure 6 and
Table 6, and indicate that wetter treatments allowed higher yields over the entire
experimental period. Also, strawberry plants in the Ecorce DE substrate produced the
highest yields and those in the peat/sawdust substrate the lowest ones. These results are also
shown in the individual harvests (Figure 4 and Figure 5).
The influence of matric potential on the strawberry plants was also observable with the leaf
dry mass. As seen in Figure 7, dry-wet treatments had an effect only on the peat/sawdust
substrates (PA25 and PA25), resulting in a higher leaf dry mass for the wet treatments. This
suggests that, at the same matric potential, water availability may be more critical for
peat/sawdust substrates than for Ecorce DE and coco. On the water retention curves, Ecorce
DE and PA25 have nearly the same water content at -1.5 kPa (about 0.60 cm3 cm-3) and the
PA40 and coco have about 0.50 cm3 cm-3 (Figure 8, Figure 9 and Figure 10). However,
peat/sawdust substrates contain a high proportion of immobile substrate solution that is not
available to the roots (Létourneau 2010). This property of peat/sawdust substrates may have
influenced the leaf dry mass results. The leaf dry mass depends not only on the matric
potential, but also on the substrate. Effectively, Ecorce DE substrate presented the highest
leaf dry mass, followed by coco, PA25, and PA40.
The substrate’s electrical conductivity (EC) is an important parameter for the maintenance
of a soilless culture because it corresponds to the amount of fertilizers retained in the
substrate. A minimum EC must be maintained in order to provide enough nutrients to the
plant, but it should be controlled to prevent an excessive accumulation, as explained in the
CTIFL production guide (Guérineau et al. 2003). The statistical analysis of the wet
treatments soil solutions showed that EC was definitely lower in the peat/sawdust
31
substrates (PA25 and PA40) than in Ecorce DE and Coco (Table 7). No time effect was
found by the statistical test. Analyzing the results of the dry treatments was not possible
because a large amount of data was missing; the dry conditions rendered the extraction of
soil solution impossible in many EU.
At the end of the experiment, the substrate in the containers was separated into three
horizontal layers of equal thickness in order to measure EC at the top, middle and bottom of
the container. The results are presented in Figure 11. The EC analysed on saturated
substrate solution revealed an accumulation of fertilizers at the top of the container for all
the substrates except coconut fiber. The increase in ions at the top is generally caused by
surface evaporation, the irrigation pattern and the presence of an immobile water phase
(Létourneau 2010). The immobile water phase represents the amount of water in the
growing media that is stagnant and not directly influenced by the irrigation pattern. This
immobile water phase exchanges solutes with the mobile water phase by diffusion only.
Because the coconut fiber was in a bag culture, there was little surface evaporation and it is
probably why there was no evidence of salt accumulation at the top. The comparison
between the substrates revealed that, again, the peat/sawdust substrates presented a lower
EC than Ecorce DE and Coco. The reason for this phenomenon may be the immobilization
of nutrients by the sawdust (Tilston et al. 2009; Kostov et al. 1991).
Experiment 2
Yields were influenced in time by the substrates. Since it was impossible to obtain
normality on all the marketable yield data set, it was divided into three production months
(Figure 12). The differences between the substrates began in the first month on 03-08-2011
and the lower yields were obtained by the PA40 substrate on the significant dates. Each of
the three other substrates obtained the highest yield at one date or another. The second
month results pointed out that the square root of yields of the PA40 substrate were often
significantly lower than those of the other substrates. The differences observed between the
substrates on the first two months were maintained in the third month. The results of the
analysis of the average yield were substantially the same as those obtained by the time
analysis. The average yields, as presented in Table 8, showed that PA40 was less
performing than the other three. Ecorce DE substrate was better than coconut fiber, and
32
PA25 was not different from the substrates Ecorce DE and Coco. The PA40 average
unmarketable yield was significantly lower in comparison with the other substrates, which
was consistent with the fact that this substrate initially produced fewer fruits than the
others.
The explanation for the low yields of the PA40 treatment may reside in the electrical
conductivity of the substrate. As shown in Figure 13, the electrical conductivity, which is a
good indicator of the amount of fertilizers in the substrate, never rose considerably during
the season unlike the other substrates; it always stayed under 2 dS m-1. Furthermore, the EC
often remained lower than that of the irrigation solution EC (average= 1.76 dS m-1),
suggesting an immobilization of fertilizers to the substrate particles. The PA25 substrate
was made of the same materials as the PA40 but contains less sawdust, the element
suspected of immobilizing the nutrients. Many studies showed the great nitrogen
immobilization potential of sawdust, a property helpful in fields to reduce N leaching
(Vano et al. 2011), but less appropriate in soilless culture. Also, when using sawdust, there
can be an oxygen competition and a toxin production by microorganisms (Naasz et al.
2009). For strawberries, nitrogen immobilization is unwanted because it reduces growth
and fruit production. At the end of the season, the EC analysis at the three substrate depths
indicated that there was no significant variation inside the container (Table 9), suggesting
that covering the containers has reduced surface evaporation. However, the pH was lower
at the top of the container and decreased with depth, but remained within the desired range.
EC at the end of the season was significantly higher in the coconut fiber and lower in
PA40. The high frequency of the irrigation in the coconut substrate may have induced this
EC build-up. No correlation was found between the yields and the EC of the soil solution
obtained with the suction lysimeter.
These results, combined with the conclusions of Experiment 1, showed that, with a good
establishment, PA25 substrate can be as productive as Ecorce DE or coco. However, PA40
substrate is likely to have a fertilizer immobilization problem that affects negatively the
crop, even over a long period of time. The strawberry plants in the coconut substrate had
good yields, but the EC progression must be watched and controlled because this substrate
tends to salinize in time. Several researchers are studying the consequences of NaCl salinity
33
on the strawberry plants (Bisko et al. 2010, Kepenek & Koyuncu, 2002, Rahimi et al.
2011). However, the effects on this crop of a high EC induced by fertilizers are little
known. The Experiment 3 was conducted to observe the strawberry response to a high EC
induced by fertilizers instead of NaCl.
Experiment 3
There were differences in marketable yields between substrates, but they were not
influenced by fertilization, even if some treatments received a doubled dose. The
strawberry plants grown in Ecorce DE obtained higher yields than those grown in PA25
and coconut coir (Table 10). The influence of the substrate was also noticeable in the other
parts of the plant, like the leaves, where Ecorce DE obtained the highest dry mass and
PA25 the lowest. In addition, the total mass of the plant (excluding fruits) shows that
Ecorce DE has produced more biomass than the other substrates (Table 11).
The EC analysis in time made on soil solution (obtained using a suction lysimeter) showed
that differences between the regular fertilization (F1) and the doubled one (F2) appeared 8
to 9 weeks after the beginning of the experiment (on March 22 and 29, 2012), but only for
Ecorce DE and coco substrates (Figure 14). It was interesting to notice that the PA25
substrate EC never presented a significant difference between the two fertilization types in
this time analysis. However, well-defined differences were observable in the SSE results
(Table 12), where all the substrates displayed higher EC in F2. The pH was measured on
the SSE samples and the values obtained were within the acceptable range for soilless
strawberries, with a 6.1 average. The Ecorce DE EC was also always higher than the EC of
PA25, for F1 and F2. Finally, the SSE analysis showed that EC at the top of the substrate
was significantly higher than EC at the bottom of the bag. This result indicated that surface
evaporation may not be the only factor involved in surface salinization. The uniformity of
the irrigation distribution may as well influence the salt accumulation at the top of the
substrate (Létourneau 2010).
Fertilization did not had an influence on the fruit quality parameters, like brix, firmness and
fruit size (data not shown). However, the fruit size was slightly affected by the substrate;
Ecorce DE produced larger fruits than coco. Even though fruit size presented a statistically
34
significant difference, the variation was of only 0.5 g, which is barely perceptible to
consumers. The influence of the substrate was also visible in some growth measurements:
leaf number, flower cluster number and collar diameter (data not shown). The leaf number,
measured each week, was regularly significantly lower for PA25 in comparison with
Ecorce DE and coco. The number of flower clusters is lower for PA25 than for Ecorce DE
(coco was not significantly different from PA25 and Ecorce DE) and the results were the
same for collar diameter, higher for Ecorce DE and lower for PA25.
These results showed that strawberry plants can grow and produce fruits normally in high
EC conditions induced by fertilizers. Many studies on strawberry tolerance to salinity use
NaCl to increase EC, but there are few papers on fertilizer raised EC. Also, studies done on
the relation between fruit quality and EC rarely indicate obvious improvements of quality
when increasing EC (Sarooshi & Cresswell 1994). Here, in this study, it was found that
irrigating with a fertilizer solution between 2.0 and 3.0 dS m-1 (F2) did not change the fruit
quality parameters.
Practical implications
In Experiment 2, the peat-sawdust substrate PA25 has obtained similar yields to the
conventional substrates (Coconut and Ecorce DE). Considering the smaller purchase cost of
this substrate, at least half that of the coconut fiber, commercially using this substrate could
generate substantial savings, and improve the profitability of this soilless production
system. However, Experiments 1 and 3 showed that a successful establishment is critical
for obtaining adequate yields in a peat-sawdust substrate. After planting, maintaining wetter
conditions (matric potential irrigation trigger of -1.5 kPa) is beneficial for a good
establishment. As the PA25 substrate is locally produced and reuses industry by-products,
it is more environmental-friendly than coconut fiber that comes from Sri Lanka. Also, the
proximity guarantees the supplies, which are sometimes difficult with the coconut products.
Since yields, growth and fruit quality do not seem to respond to the irrigation EC, it is
preferable to irrigate with the CTIFL recommended EC (0.8-1.5 dS m-1), increasing it
brings only higher production costs. On the other hand, if the substrate EC is increasing
35
naturally during the production period, reducing it with excessive leaching is not essential
since a high EC (3 dS m-1) does not have tangible consequences on the crop.
When starting a soilless culture, investments in the structures and the irrigation system are
necessary. To ensure the profitability, the yields have to be higher than those in
conventional fields. The cumulative marketable yield in summer 2011 (Experiment 2) for
the PA25 treatment was 341 g per plant, for 13 weeks of harvest (estimation of 34 000 kg
ha-1 for 17 weeks of harvest). In the fields, a mean of 500 g per plant is considered good
yield, for a harvest period of approximately 17 weeks. Considering the higher plant density
in high tunnels, soilless culture could be more productive on a surface basis than the fields.
Also, when using substrates, the need of crop rotations is eliminated. As the other crops
used in the rotations are often less profitable than strawberries, the monetary benefits of
soilless culture are increased. Therefore, with an appropriate management, soilless
strawberries could be an interesting complement to traditional fields.
Conclusion
Four substrates were tested for the strawberry production: coconut fiber, Ecorce DE (made
of composted bark), PA25 and PA40 (two mixes of wood sawdust and peat). Our results
suggest that the PA40 substrate is inappropriate for strawberries, because of its high
proportion of sawdust in the mixture (70% sawdust / 30% peat), which may cause nutrient
immobilization or a lack of oxygen. However, the PA25 substrate (30% sawdust / 70%
peat) may possess a great productivity potential when the establishment is successful. The
Ecorce DE substrate and coconut fiber present a good productivity, but the coconut fiber is
subject to salinization.
Two matric potentials were applied for each substrate, obtaining wet or dry conditions. The
results show that maintaining wetter conditions is beneficial for the establishment and the
maintenance of a soilless strawberry crop. Also, two fertilization levels were applied on the
crop: one recommended by the CTIFL production guide and one corresponding to twice of
the CTIFL recommendation. Yields and fruit quality were nearly not affected by the
fertilization level, suggesting that increasing the irrigation solution EC brings only higher
costs related to fertilizers.
36
Acknowledgements
The authors wish to thank the Natural Sciences and Engineering Research Council of
Canada and the project partners: Hortau Inc., Ferme Onésime Pouliot Inc., Canneberges
Bieler Inc., Nature Canneberge Inc. and Transport Gaston Nadeau Inc.
37
Table 1: Initial fertilizer charge (mg L-1) in the substrates (using the SSE method)
Nutrient Experiment 1 Experiment 2 Experiment 3
PA25/PA40 Ecorce DE Coco PA25/PA40* Ecorce DE Coco PA25 Ecorce DE Coco
N-NO3 50 7.5 None 3.4 7.5 None 50 7.5 None
P 11.25 15 1.2 15 11.25 15 K 45 150 4.1 150 45 150 Ca 70 100 1.5 100 70 100 Mg 16 35 0.4 35 16 35 Cu <0.15 0.03 0.002 0.03 <0.15 0.03 Fe 0.75 0.25 0.06 0.25 0.75 0.25 Mn 0.32 2.5 0.01 2.5 0.32 2.5 Zn 0.32 0.1 0.01 0.1 0.32 0.1
S-SO4 32 N/A 1.2 N/A 32 N/A B < 0.3 N/A 0.01 N/A < 0.3 N/A
* Fertilization applied manually before filling the containers
38
Table 2: Composition of the nutrient solution (mg L-1) in Experiment 1 (Spring 2011)
Nutrient Apr. 11 - Apr. 14 Apr. 15 - May 10 May 11- May 19 May 20 - Jun. 21
N (total) Water only
112 70 70 NH4 19.4 2.8 2.8
P 35 22 22 K 121 109 109 Ca 72 59.9 59.9 Mg 14.8 8.6 8.6 SO4 42 25 25 Cl 0 0 0 Na 3 3 3 Fe 0 1 2 Mn 0 0.49 0.49 Zn 0 0.28 0.28 Cu 0 0.06 0.06 B 0 0.26 0.26
Mo 0 0.03 0.03
39
Table 3: Composition of the nutrient solution (mg L-1) in Experiment 2 (Summer 2011)
Nutrient May 30 - Jun. 13 Jun. 14 - Jul. 5 Jul.6 - Jul.18 Jul. 19 - Aug. 24 Aug. 25 - Oct. 12
N (total) Water only
112 70 66 143 NH4 20.9 7 1.4 4.9
P 34.5 22 22 44 K 128 109 110 220 Ca 72.1 50 54,1 120.4 Mg 14.7 8.6 8.6 17 SO4 37 15 15 42 Cl 0 0 0 0 Na 2.8 2.8 2.8 2.8 Fe 2 2 2 4 Mn 0.49 0.49 0.49 0.9 Zn 0.23 0.23 0.23 0.39 Cu 0.06 0.06 0.06 0.12 B 0.26 0.26 0.26 0.51
Mo 0.03 0.03 0.03 0.06
40
Table 4: Composition of the nutrient solution (mg L-1) in Experiment 3 (Spring 2012)
Nutrient Jan. 27 - Mar. 6 Mar. 7 - Mar. 20 Mar 21 - Apr. 30
N (total) 112 70 70 NH4 0.27 0.1 0.1
P 34.7 17 21.8 K 121.4 109 109.5 Ca 73.6 61.6 68.8 Mg 15.4 9.2 9.2 SO4 42 32 32 Cl 0 0 0 Na 5 5 5 Fe 1.05 2.05 2.05 Mn 0.49 0.49 0.49 Zn 0.28 0.34 0.34 Cu 0.06 0.06 0.06 B 0.26 0.26 0.26
Mo 0.03 0.03 0.03
41
Table 5: Initial particle size distribution of the four substrates studied and the three experiments
Particle size distribution (g/100g by wt)
Particle size (mm)
Coco PA25 PA40 Ecorce DE
Exp. 1 Exp. 2 Exp. 3 Exp. 1-2 Exp. 3 Exp. 1-2 Exp. 1 Exp. 2 Exp. 3
>16 9.1 23.5 14.7 0.5 0.0 0.2 0.6 0.0 0.3
[16; 8[ 2.7 20.9 23.6 2.8 2.0 1.2 4.9 5.2 2.1
[8; 4[ 6.2 10.8 13.5 11.9 9.8 12.5 13.8 17.3 8.2
[4; 2[ 16.9 10.3 7.6 18.8 20.0 24.5 12.5 15.2 13.9
[2; 1[ 26.9 15.0 15.0 23.6 21.7 29.7 14.6 18.5 17.4
[1; 0,5[ 22.5 11.8 13.4 19.7 21.8 17.4 19.3 20.6 22.4
[0,5; 0,25[ 11.4 5.5 7.7 14.0 14.4 9.9 22.1 18.2 25.2
[0,25; 0,1[ 3.9 1.9 3.6 7.0 11.3 4.0 10.0 4.6 9.2
<0,1 0.5 0.2 0.9 1.7 5.5 0.6 2.1 0.3 1.4
42
EXPERIMENT 1
Figure 4: Time course of the total yield per harvest of strawberry plants grown in four different soilless media.
Different letters for each date indicate significances at P=0.05 using a LSD test.
43
Figure 5: Influence in time of matric potential on the total yield per harvest of strawberry plants grown in soilless media.
Different letters for each date indicate significances at P=0.05 using a LSD test.
44
Interaction substrate x matric potential not significant (P = 0.089). The error bars represent the standard deviation.
Figure 6: Cumulative total yield at the end of the experiment of strawberry plants grown in four substrates with two irrigation matric potential thresholds.
0
10
20
30
40
50
60
70
-1.0 kPa -1.5 kPa -1.5 kPa -2.5 kPa -1.5 kPa -2.5 kPa -1.5 kPa -2.5 kPa
Coco PA25 PA40 Ecorce DE
Cum
ulat
ive
tota
l yie
ld (
g pl
ant-1
)
45
Table 6: Matric potential and substrate effects on the cumulative total yield (marketable + unmarketable) at the end of the experiment
Substrate Matric Potential Total
cumulative yield (g plant-1)
Unmarketable cumulative yield
(g plant-1)
Marketable cumulative yield
(g plant-1)
- Wet 34.58 a (7.74) 6.26 (1.75) 28.32 a (6.01)
- Dry 26.52 b (5.34) 5.28 (1.41) 21.25 b (3.94)
P value 0.0023 0.1536 0.0039
Coco - 34.87 b (6.28) 6.25 a (1.53) 28.62 b (4.75)
PA25 - 22.00 c (5.85) 5.43 ab (1.71) 16.57 c (4.17)
PA40 - 18.18 c (4.41) 4.43 b (1.23) 13.75 c (3.19)
Ecorce DE - 47.16 a (9.68) 6.97 a (1.87) 40.19 a (7.84)
P value <0.0001 0.0366 <0.0001
Different letters indicate significances at P=0.05 using a LSD test. Standard deviation is shown in brackets.
46
Figure 7: Average leaf dry mass at the end of the first experiment.
Different letters indicate significances at P=0.05 using a LSD test. The error bars represent the standard deviation.
47
Figure 8: Water retention curves of the initial coconut fiber substrate of the three experiments
(the error bars represent the standard deviation)
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
-7.0-6.0-5.0-4.0-3.0-2.0-1.00.0
Vol
umet
ric
wat
er c
onte
nt (
cm3
cm-3
)
Matric potential (kPa)
Coco spring 2011
Coco summer 2011
Coco spring 2012
48
Figure 9: Water retention curves for the initial peat-sawdust substrates of all the experiments
(the error bars represent the standard deviation)
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
-12.0-10.0-8.0-6.0-4.0-2.00.0
Vol
umet
ric
wat
er c
onte
nt (
cm3
cm-3
)
Matric potential (kPa)
PA40 2011
PA25 2011
PA25 spring 2012
49
Figure 10: Water retention curves for the initial Ecorce DE substrate of the three experiments
(the error bars represent the standard deviation)
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
-12.0-10.0-8.0-6.0-4.0-2.00.0
Vol
umet
ric
wat
er c
onte
nt (
cm3
cm-3
)
Matric potential (kPa)
Ecorce DE spring 2011
Ecorce DE summer 2011
Ecorce DE spring 2012
50
Table 7: Average soil solution EC (obtained with a suction lysimeter) of the four substrates (wet treatments only).
Substrate EC (dS m-1) Standard error
Coco 1.192 a 0.0947
PA25 0.581 b 0.0996
PA40 0.406 b 0.123
Ecorce DE 1.008 a 0.0954
P value 0.0014 -
Different letters indicate significances at P=0.05 using a LSD test.
51
Figure 11: Substrate solution electrical conductivity measured at 3 substrate depths in the culture container (substrate solution obtained using the SSE protocol).
Different letters indicate significances at P=0.05 using a LSD test. The error bars represent the standard deviation.
52
EXPERIMENT 2
Figure 12: Marketable yield of each harvest for the 3 production months of summer 2011 in high tunnel
53
Table 8: Average season marketable and unmarketable yields for one harvest.
Yield (g plant-1)
Substrate Marketable Unmarketable
Coco 8.94 b 1.02 a
PA25 10.03 ab 1.12 a
PA40 5.78 c 0.61 b
Ecorce DE 10.36 a 0.94 a
P value 0.0007 0.0025
Standard error 0.403 0.054
Different letters indicate significances at P=0.05 using a LSD test.
54
Figure 13: Time course of the electrical conductivity of the substrate solution extracted with a suction lysimeter.
Independently for each date, the different letters indicate significances at P=0.05 using a LSD test.
55
Table 9: Substrate solution EC and pH measured at 3 depths in the culture container at the end of the experiment (substrate solution obtained using the SSE protocol).
Substrate Height EC pH
Coco - 3.662 a (0.686) 6.23 c (0.19)
PA25 - 2.826 b (0.768) 6.25 c (0.22)
PA40 - 0.915 c (0.191) 7.15 a (0.30)
Ecorce DE - 2.789 b (0.289) 6.48 b (0.19)
P value <0.0001 <0.0001
- Top 2.426 (0.990) 6.37 c (0.37)
- Middle 2.489 (1.253) 6.53 b (0.48)
- Bottom 2.729 (1.249) 6.69 a (0.44)
P value 0.3636 0.0011
Different letters in a column indicate significances at P=0.05 using a LSD test. Standard deviation is shown in brackets.
56
EXPERIMENT 3
Table 10: Season average marketable yield per harvest
Substrate Square root of marketable yield
(√g plant-1)† Marketable yield
(g plant-1)
Coco 1.74 b (0.0761) 4.31
PA25 1.62 b (0.1151) 3.89
Ecorce DE 2.08 a (0.1500) 5.90
P value 0.0420 -
Different letters indicate significances at P=0.05 using a LSD test. The numbers in brackets represent the standard errors. † Square-root transformation to meet the assumption of normality and homogeneity of variance.
57
Table 11: Final dry mass of strawberry plant organs
(means of Roots and Total are calculated with blocs 1-2-4 only. Other means are calculated using results of the six blocks).
Dry mass (g plant-1)
Substrate Leaves Flowers/runners Roots Total
Coco 20.04 b (4.27) 1.42 (0.53) 4.21 (1.65) 24.51 b (4.45)
PA25 16.07 c (3.94) 1.47 (0.51) 3.53 (1.39) 20.67 b (3.97
Ecorce DE 27.49 a (3.51) 1.76 (0.58) 8.12 (6.02) 38.24 a (6.41)
P value <0.0001 0.2879 0.3264 0.0005
Different letters for each column indicate significances at P=0.05 using a LSD test. Standard deviation is shown in brackets.
58
Figure 14: a) Time course of soil solution EC (solution obtained with suction lysimeter) b) Time course of the log of soil solution EC.
Different letters for each date indicate significances at P=0.05 using a LSD test.
a) b)
59
Table 12: Final soil solution EC measured at 2 depths in the substrate bag
(mid-depth removed for the statistical analysis) (substrate solution obtained using the SSE protocol).
Substrate Fertilization EC (dS m-1)
Coco CTIFL 1.398 c (0.304)
Coco CTIFLx2 2.217 b (0.235)
PA25 CTIFL 0.726 d (0.329)
PA25 CTIFLx2 2.513 b (0.342)
Ecorce DE CTIFL 1.600 c (0.282)
Ecorce DE CTIFLx2 3.882 a (0.357)
P value <0.0001
Depth (all substrates and fertilization confounded)
Top 2.169 a (1.001)
Bottom 1.943 b (1.119)
P value 0.0216
Different letters for each column indicate significances at P=0.05 using a LSD test. Standard deviation is shown in brackets.
61
Chapitre 3: Conclusion générale
Deux substrats à base de sciure de bois et de tourbe générés à partir de sous-produits locaux
ont été évalués pour leur potentiel de production. Leur faible coût, leur biodégrabilité et
leur provenance en font des produits très intéressants pour les agriculteurs québécois.
Les résultats de cette étude ont montré qu’il est possible, pour un substrat de sciures-tourbe
à faible proportion de sciures (PA25), d’obtenir des rendements équivalents aux substrats
traditionnels (fibre de coco) sans augmenter la fertilisation, à condition de bien réussir
l’implantation des plants en début de production. Le substrat de sciures-tourbe à forte
proportion de sciures (PA40) est peu adapté à la culture du fraisier, une faible croissance
des plants y étant observée, en plus d’une production réduite en fruits. L’immobilisation
des éléments nutritifs par la sciure en est peut-être la cause. Le substrat local fabriqué à
base d’écorces vieilles (Ecorce DE) s’est montré productif et simple à gérer. Cependant, le
coût d’acquisition de ce substrat s’avère plus élevé que celui des substrats à base de sciures
et de tourbe. Provenant de pays comme l’Inde et le Sri Lanka, le substrat de fibre de coco
est devenu dans les dernières années une référence en culture hors-sol. Toutefois, c’est un
produit dont la qualité peut varier énormément selon les compagnies et les lots de
production, et son approvisionnement est parfois difficile. Son essai au Québec pour le
fraisier a montré qu’il pouvait obtenir des rendements similaires au substrat Ecorce DE,
mais qu’il avait tendance à présenter des hausses de conductivité électrique dans la solution
du sol. De plus, sa faible rétention d’eau par rapport aux autres substrats étudiés rend la
gestion de son irrigation plus complexe, car il nécessite des apports fréquents en solution
nutritive. Comme le choix d’un substrat dépend du rendement obtenu, des coûts de
production et de l’approvisionnement, il est possible de penser que l’utilisation du substrat
sciure-tourbe PA25 est avantageuse.
Dans cette étude, deux régies d’irrigation ont été testées, une plus humide (seuil d’irrigation
de -1,0 à -1,5 kPa) et une plus sèche (-1,5 à -2,5 kPa). La croissance végétale et les
rendements ont été supérieurs pour la régie humide. Ce seuil humide est d’autant plus
62
important en début de production, lorsque l’implantation racinaire des plants s’effectue.
L’implantation doit notamment être suivie de près lors de l’utilisation du substrat sciures-
tourbe PA25, car c’est une étape déterminante pour la future production de fruits.
L’évaluation des effets de deux régies de fertilisation, soit une fertilisation recommandée en
France et une autre correspondant au double de la première, a permis d’observer que
l’augmentation de la conductivité électrique d’irrigation au-delà des valeurs recommandée
n’a pas eu d’effets sur la croissance des plants, la production des fruits et leur qualité.
Ainsi, la salinité induite par des fertilisants n’a pas d’impacts probants sur le fraisier,
contrairement à l’effet attendu de la salinité induite par le NaCl, qui cause des dommages
aux plants, tel qu’observé dans de nombreuses études. Comme il ne résulte aucune
amélioration dans la production suite à l’augmentation de la dose de fertilisants, il n’est pas
souhaitable d’effectuer cette pratique, puisque cela engendre uniquement des coûts de
production plus élevés.
Finalement, il serait possible d’avoir au Québec des productions hors-sol de fraises utilisant
des substrats locaux, économiques et productifs, comme le mélange PA25. C’est en
évaluant et en ajustant les paramètres de culture, telle la régie d’irrigation et de fertilisation,
que cette production sera optimisée pour atteindre la rentabilité économique. Ce nouveau
marché pourrait permettre d’obtenir des fraises plus tôt et plus tard en saison avec les
grands tunnels, mais également de combler le creux de production entre la fraise d’été et la
fraise d’automne. De plus, ce mode de culture peut être utilisé en serre et permettre la
consommation en hiver de fruits produits localement. Les possibilités sont nombreuses, il
ne reste qu’à perfectionner et adapter ce nouveau mode de culture.
63
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