Riego deficitario controlado del olivar de alta densidad: programación automática basada en la fisiología de la planta.

Abstract

The geographical distribution of olive (Olea europaea L.) is mainly in areas of Mediterranean climate, where arid and semi-areas are common. Although olive trees are well adapted to dry conditions, their response to water supply is remarkable. This explains that ca. 20% of the olive cropped area is irrigated. Also, and as for many other fruit tree species, management systems with high plant densities are becoming common. Those changes are justified by the economic value of olive products. Both agronomical approaches have the advantage of contributing to facing the challenge of producing olive fruits and olive oil for the increasing global population. This is particularly important in olive growing areas, for which rising temperatures and lower precipitations are forecasted. Increasing crop water productivity per unit of cropped land is, in fact, a main challenge to olive growers. In this context, one of the most effective responses of the scientific community is the development of new irrigation strategies and reliable tools for monitoring plant water stress and scheduling irrigation. Hedgerow olive orchards with high plant densities (from 1.500 trees ha-1), or super high density (SHD) olive orchards, are considered to be among the most productive management systems for olive. On the other hand, irrigation supplies are required for an acceptable profitability in those orchards, precisely because of the high plant densities. One of the most promising irrigation strategies for SHD olive orchards is regulated deficit irrigation (RDI), which leads to significant water savings at the same time that episodes of excessive water stress are avoided when the crop is most sensitive to drought. In 2014 and 2015, the first two years of this Ph.D. work, we focused on the feasibility of scheduling a RDI strategy supplying 45% of the crop irrigation needs (45RDI), designed for SHD olive orchards, from the shape of the daily curves recorded with ZIM sensors. These curves are related to leaf turgor pressure. We worked in a commercial, fully productive ‘Arbequina’ olive orchard with 1667 trees ha−1. In addition to a treatment consisting on applying the mentioned 45RDI strategy, we had a 45RDI treatment scheduled by the crop coefficient approach and a full irrigation treatment (FI), consisting on daily irrigation to replace the crop water needs. Our results show that we were able to schedule irrigation just from the visual analysis of the curves derived from ZIM outputs (i.e. Pp values), without any further data processing. A comparison with the crop coefficient approach showed that, on the tree water status, maximum daily values of gas exchange, number of internodes in current-year shoots, leaf area, oil accumulation in the fruits, growth, fruit and oil yield were similar between treatments. With our approach also, we achieved over 50 % water savings with a negligible impact on yields, as compared to the FI treatment. However, caution must be taken when extrapolating our findings, since there is evidence from the literature on the relations between the tree water status and the shape of the daily curves recorded with the ZIM probes, depending on cultivar and main orchard conditions. The second two years, 2016 and 2017, we carried out two experiments to increase our understanding of the interaction between the environmental conditions and plant mechanisms influencing turgor related measurements from the ZIM probes. Our purpose was to unravel the plant-based responses of the ZIM probes readings, with the aim of deriving new indicators for scheduling irrigation from the ZIM records. We explored the suitability of using the maximum daily turgor (Ppmin) for irrigation scheduling, as a reliable indicator that could be independent from both the cultivar and orchard conditions. The experiment was made in the same orchard. mentioned above, but with FI trees only. Basically, we explored the influence of the proximity of fruits to leaves instrumented with ZIM probes, as well as the effect of leaf ageing, soil water availability and vapour pressure deficit. Our data showed no influence of the proximity of fruits on Ppmin records, suggesting that Ppmin readings can be made in any leaf regardless of being close or far from a cluster of fruits. Moreover, the increase on the elastic modulus with leaf ageing did not have an influence on Ppmin either. However, there was a clear effect of two main drivers of transpiration. Thus, daily patterns of Ppmin were mainly influenced by the atmospheric demand followed, to a lesser extent, by the available soil water. The pattern of Ppmin changed depending on the fruit developmental stage. Two stages were found to have a clearer influence: maximum rate of pit hardening and rapid fruit growth after the midsummer period. Out data supports Ppmin being a sensitive and reliable water stress indicator on those periods when the plant water status may have a marked effect on fruit production. Plant-based sensors have the advantage of using the tree as a biosensor. i.e. their records inform on the plant response to the soil and atmospheric water status. Thus, those sensors are particularly useful for irrigation scheduling. However, their records are not always easy to interpret, due to both the complexity of the soil-water-plant-atmosphere relationships and the adaptive responses of the species to water stress. Therefore, a greater understanding of the actual meaning of plant-based measurements for assessing water stress is needed, to increase the acceptance of plant-based measurements in commercial orchards. The fourth experiment of this doctoral thesis was made with that aim. We used 2-year old, potted olive plants growing in a greenhouse in which climate conditions mimicked those typical of Mediterranean areas. We installed ZIM probes and leaf thickness sensors in representative plants with the aim of determining the threshold levels of main water-environmental drivers of leaf turgor and leaf thickness. In our experiments we considered plants under water-stress and recovery cycles, and fully irrigated plants for control. We also studied changes in cell wall properties, from pressurevolume curves. The hydraulic processes that evolve the combination of leaf turgor, thickness and plant water status along the continuum soil-plant-atmosphere were dependent on field capacity, as a threshold of soil water availability and, to a lesser extent, on the vapour pressure deficit of the air. Under severe drought stress the properties of the cell walls changes and the inversion of the daily Pp curve occurred. The latter, attributed to the accumulation of air in the leaf tissues, had similar dynamics as the leaf thickness measurements. This suggests that the ZIM probe measures a variable related to leaf thickness during the inversion of the daily Pp curve. This finding opens new possibilities for improving irrigation scheduling in periods when the olive tree is less sensitive to drought stress. This fills a gap previously identified by our own results, on the reliability of using ZIM records to schedule irrigation in periods of the growing cycle when the 45RDI strategy advices for reducing water supplies below the crop water requirements.

La distribución geográfica del olivo (Olea europaea L.) se encuentra principalmente en áreas con clima Mediterráneo donde áreas áridas y semiáridas son bastante frecuentes. A pesar de que el olivo es una especie que está bien adaptada a condiciones de escasez hídrica, su respuesta ante aportaciones de riego es destacable. Esto explica por qué ca. 20% de los olivares cultivados son de regadío. Del mismo modo que ocurre para muchas otras especies frutales, son cada vez más frecuentes los marcos de plantación con una densidad de árboles elevada. Estos cambios se justifican por el valor económico de los productos derivados del olivo. Ambas estrategias agronómicas contribuyen a hacer frente al reto de obtener una mayor producción de aceitunas y aceite de oliva de cara al aumento de la población mundial. Esto es particularmente importante en las áreas de cultivo del olivo, en las cuales se prevé un incremento de las temperaturas junto a una disminución en las precipitaciones. De hecho, el incremento de la productividad del agua por unidad de área cultivada es uno de los mayores retos a los que se enfrentan los olivicultores. En este contexto, una de las respuestas más efectivas de la comunidad científica ha sido el desarrollo de nuevas estrategias de riego y de herramientas fiables tanto para la programación del riego como para la monitorización del estrés hídrico en plantas. Los olivares en seto con alta densidad de plantas (a partir de 1.500 árboles ha-1), también llamados olivares en seto de alta densidad, son considerados como los más productivos entre los distintos tipos de manejo que existen en el cultivo del olivar. Por otro lado, precisamente porque son de elevada densidad, se requieren aportes de riego para que estas plantaciones tengan una rentabilidad aceptable. Una de las estrategias de riego más prometedoras para este tipo de plantaciones es la aplicación del riego deficitario controlado (RDC), que permite ahorros de agua considerables al mismo tiempo que se evitan episodios de estrés hídrico excesivo en los momentos en los que el cultivo es más sensible a la sequía. En 2014 y 2015, los dos primeros años de esta tesis doctoral, nos centramos en el estudio de la idoneidad de la estrategia de RDC aplicando un 45% de las necesidades de riego del cultivo (45RDC; 45RDI a lo largo de esta tesis en inglés), estrategia especialmente diseñada para olivares en seto de alta densidad, basada en la forma de las curvas diarias registradas con las sondas ZIM. Estas curvas están relacionadas con la presión de turgencia de la hoja. Trabajamos en una finca comercial y totalmente productiva de la variedad Arbequina con 1667 árboles ha-1. Además de este tratamiento consistente en la aplicación de la mencionada estrategia 45RDC, tuvimos un tratamiento 45RDC programado mediante el coeficiente del cultivo junto a otro tratamiento donde las plantas se encontraban bien regadas (FI, del inglés full irrigated), el cual consistió en un riego diario que reemplazaba las necesidades de hídricas del cultivo. Nuestros resultados muestran que fuimos capaces de programar el riego tan solo con el análisis visual de las curvas derivadas de las lecturas de las sondas ZIM (i.e. valores de Pp) sin ningún tipo de tratamiento de datos posterior. Una comparativa de nuestra aproximación con la aproximación del método del coeficiente del cultivo mostró que, tanto el estado hídrico de la planta, como valores máximos diarios de intercambio gaseoso, número de entrenudos en los ramos de años, área foliar, acumulación de aceite en los frutos, crecimiento y producción tanto de aceitunas como de aceite fueron similares entre tratamientos. Con nuestra estrategia 45RDC obtuvimos ahorros de agua de más del 50%, con un descartable impacto en la producción comparado con el tratamiento FI. Sin embargo, se debe tener precaución al extrapolar nuestros resultados, ya que hay evidencias en la literatura de que las relaciones entre el estado hídrico de la planta y la forma de las curvas diarias registradas por las sondas ZIM dependen de la variedad del cultivo y de las condiciones de la plantación. En los dos segundos años, 2016 y 2017, llevamos a cabo dos experimentos para profundizar en el conocimiento sobre las interacciones que se dan entre las condiciones ambientales y los mecanismos de las plantas que influyen en la turgencia y que están relacionados con las medidas de las sondas ZIM. Nuestro propósito fue desentrañar las respuestas basadas en la planta de las lecturas de las sondas ZIM, con el propósito de derivar nuevos indicadores para la programación del riego desde dichas lecturas. Exploramos la idoneidad del uso de la máxima turgencia (Ppmin) para la programación del riego, como un indicador fiable que pudiera ser interpretado independientemente de la variedad de cultivo y de las condiciones de cada finca. El experimento se llevó a cabo en la finca mencionada anteriormente, pero únicamente bajo el tratamiento FI. Básicamente, exploramos la influencia de la proximidad de frutos a hojas instrumentadas con las sondas ZIM, así como también el efecto del envejecimiento de la hoja, la disponibilidad de agua en el suelo y el déficit de presión de vapor. Nuestros datos mostraron que no hubo una influencia en la proximidad de frutos sobre las lecturas de Ppmin sugiriendo que éstas podrían ser usadas para cualquier hoja independientemente de si está cerca o lejos de un racimo de frutos. Además, el incremento del módulo de elasticidad con la edad de la hoja tampoco tuvo ninguna influencia en la lectura de Ppmin. Sin embargo, sí hubo un claro efecto de las dos principales variables motoras de la transpiración. De este modo, los patrones diarios de Ppmin estuvieron principalmente influenciados por la demanda atmosférica seguidos, en menor medida, de la disponibilidad hídrica en el suelo. El patrón de Ppmin cambió dependiendo del estadío de desarrollo del fruto. Se encontraron dos fases del desarrollo que tuvieron una influencia más evidente: la tasa máxima de endurecimiento del hueso y el de rápido crecimiento del fruto que se produce a fínales de la segunda mitad del verano. Nuestros datos apoyan al Ppmin como un indicador sensible y fiable del estrés hídrico en aquellos periodos en los que el estado hídrico de la planta puede tener una marcada influencia en la producción del fruto. Los sensores basados en medidas directas sobre la planta (plant-based methods, en inglés) tienen la ventaja de usar la propia planta como un biosensor, es decir, con sus registros informan de la respuesta de la planta al estado hídrico atmosférico y del suelo al mismo tiempo. Por tanto, estos sensores son particularmente útiles en la programación del riego. No obstante, los registros no son siempre fáciles de interpretar debido a la complejidad de las relaciones suelo-agua-planta-atmósfera y a la respuesta adaptativa de las especies al estrés hídrico. Así mismo, se necesita una mejor comprensión del significado real de las medidas en planta para evaluar el estrés hídrico y así aumentar la aceptación del uso de este tipo de medidas para la gestión del riego en fincas comerciales El cuarto experimento de esta tesis doctoral se llevó a cabo con este propósito. Para ello usamos plantones de dos años de edad cultivados en invernadero, imitando las condiciones típicas de áreas mediterráneas. Se instalaron sensores ZIM y sensores de grosor de hoja en plantas representativas con el objeto de determinar los valores umbrales de las principales variables ambientales hídricas como motores de la turgencia y del grosor de la hoja. En nuestros experimentos, consideramos plantas sometidas a estrés hídrico con ciclos de recuperación y plantas bien regadas como control. También, estudiamos los cambios en las propiedades hídricas de la pared celular de la hoja a partir de curvas de presión-volumen. Los procesos hidráulicos que envuelven la combinación de la turgencia de la hoja, el grosor de la misma y el estado hídrico de la planta a lo largo del continuo suelo-plantaatmósfera dependieron de la capacidad de campo, siendo esta última un umbral de la disponibilidad hídrica del suelo y, en menor medida, el déficit de presión de vapor del aire. Bajo estrés hídrico severo, las propiedades de las paredes celulares de la hoja cambiaron y tuvo lugar la inversión de la curva Pp diaria. Esta última, atribuida a la acumulación de aire en los tejidos de la hoja, presentó una dinámica similar a las medidas del grosor de la hoja. Esto sugiere que la sonda ZIM mide una variable relacionada con el grosor de la hoja durante la inversión de la curva diaria de Pp. Estos resultados, por tanto, abren nuevas posibilidades para la mejora en la programación del riego en los periodos en los que el olivo es menos sensible al estrés hídrico. Esto, resuelve las carencias en el conocimiento previamente identificadas en nuestros resultados, con la fiabilidad de usar los registros por las sondas ZIM para la programación del riego a lo largo de todo el periodo de crecimiento del olivo siguiendo las recomendaciones de la estrategia 45RDC, reduciendo las cantidades de riego aplicadas por debajo de las necesidades hídricas del cultivo.