Abstract
Under climate change scenario, water demand by apple trees and notably the highyielding cultivars are expected to increase; therefore, water supply should be properly managed. In this context, this research study was carried out with the main aim of characterizing the effect of soil water availability and climatic drivers on apple tree transpiration to improve the efficiency of water use in apple orchard. To do so, five experiments both in open field and in semi-controlled conditions have been implemented. The interactions among the different system compartments e.g., soil, plant, and climate have been assessed to provide a complete picture and broader overview to promote an efficient irrigation management. The first experiment (chapter 2) was performed throughout three consecutive seasons, in an apple orchard in South Tyrol (Italy), which was equipped with meteorological station. Besides, black anti-hail nets were installed above the trees. Seeking to identify an efficient irrigation strategy that reconciles water savings and optimal fruit production, we have tested four irrigation treatments differing in terms of soil water potential (SWP) threshold used to trigger the irrigation (-30 kPa or -60 kPa=regulated deficit irrigation, RDI) and of irrigation volumes (1=partial root drying, PRD, 2, and 4 drippers per tree). Additionally, a short experiment (chapter 6) was conducted using the stable isotope technique (with water enriched with deuterium), simulating the irrigation treatments applied to the field (two controls using two and four drippers, and the PRD with 1 dripper, while the RDI was excluded) in the attempt to better understand the water dynamic in the soil-plant system and to follow the fate of irrigation water. Based on the first outcomes of the first field trial, we realized that the setting of water stress in open field conditions was not easy especially with the frequent rain events during summer. Therefore, a third trial (chapter 3) was conducted using potted trees placed under a shelter. The idea was to induce a progressive soil water depletion and assess its effect on trees transpiration and water status. We aimed also to define physiological threshold indicating the onset of water stress. Another goal in this experiment was to test the performance of the sap flow sensors in evaluating trees transpiration when contrasted to actual values measured by a weighing system (Load cells). Results showed that the 5 sap flow sensors were remarkably underestimating the actual transpiration rate. Accordingly, we have set up different configurations regarding the sensor’s insertion depth during installation into the trunk in the field grown trees (chapter 4). Moreover, we contrasted sap flow data to those extracted from the installed meteorological station in the open field, trying to define the main climatic drivers of the seasonal water demand of the apple trees. The last experiment (chapter 5) was devoted to investigating the effect of the presence of the anti-hail nets on the microclimate alteration around the canopy and consequently on the total evapotranspiration of the orchard. Our findings proved that SWP can be effectively applied for irrigation scheduling purpose in apple orchard. Moreover, allowing the SWP to swing between -30 to -60 kPa coupled with either RDI or PRD led to a substantial irrigation water saving without affecting tree performances. The use of the stable isotope technique supported these results and provided another perspective, promoting the implementation of deficit irrigation approaches, and the PRD in particular. The outcomes of the potted trees experiment revealed that a midday stem water potential Ψstem of -1.8 MPa corresponded to the onset of drought stress conditions. Additionally, the SF sensors proved to be reliable for a qualitative evaluation of the transpiration pattern, however their quantitative performance remains limited without a specific calibration. Besides, the identification of the appropriate sensor´s insertion position revealed to be critical for the instrument´s performance. Moreover, sap flow rate was highly responsive to the climatic parameters fluctuation, and mainly to both PAR and VPD. To mitigate this effect, especially during high evaporative demand periods, the use of the anti-hail nets is suggested as an effective technique as it reduced the orchard´s water demand and consequently its irrigation requirements.
Unter den Bedingungen des Klimawandels wird der Wasserbedarf der Apfelbäume und insbesondere der Hochertragssorten voraussichtlich ansteigen; daher sollte die Wasserversorgung entsprechend gesteuert werden. In diesem Zusammenhang wurde diese Forschungsstudie mit dem Hauptziel durchgeführt, die Auswirkungen der Bodenwasserverfügbarkeit und klimatischer Faktoren auf die Transpiration von Apfelbäumen zu charakterisieren, um die Effizienz der Wassernutzung in Apfelplantagen zu verbessern. Zu diesem Zweck wurden fünf Versuche sowohl im Freiland als auch unter halbkontrollierten Bedingungen durchgeführt. Die Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Systemkompartimenten, z. B. Boden, Pflanze und Klima, wurden bewertet, um ein vollständiges Bild und einen breiteren Überblick zur Förderung eines effizienten Bewässerungsmanagements zu erhalten. Das erste Experiment (Kapitel 2) wurde in drei aufeinanderfolgenden Saisons in einer Apfelplantage in Südtirol (Italien) durchgeführt, die mit einer meteorologischen Station ausgestattet war. Außerdem wurden über den Bäumen schwarze Hagelschutznetze angebracht. Auf der Suche nach einer effizienten Bewässerungsstrategie, die Wassereinsparungen und eine optimale Fruchterzeugung miteinander in Einklang bringt, haben wir vier Bewässerungsbehandlungen getestet, die sich in Bezug auf den Schwellenwert des Bodenwasserpotenzials (SWP) zur Auslösung der Bewässerung (-30 kPa oder -60 kPa = regulierte Defizitbewässerung) und die Bewässerungsmengen (1 = partielle Wurzeltrocknung, PRD, 2 und 4 Tropfer pro Baum) unterscheiden. Zusätzlich wurde ein Kurzversuch (Kapitel 6) mit Hilfe der Stabilisotopentechnik (mit Deuterium angereichertes Wasser) durchgeführt, bei dem die Bewässerungsbehandlungen auf dem Feld simuliert wurden (zwei Kontrollbehandlungen mit zwei und vier Tropfern und die PRD mit einem Tropfer, während die RDI ausgeschlossen wurde), um die Wasserdynamik im System Boden-Pflanze besser zu verstehen und das Schicksal des Bewässerungswassers zu verfolgen. Ausgehend von den ersten Ergebnissen des ersten Feldversuchs erkannten wir, dass die Einstellung von Wasserstress unter Freilandbedingungen nicht einfach war, insbesondere wegen der häufigen Regenfälle im Sommer. Daher wurde ein dritter 7 Versuch (Kapitel 3) mit Topfbäumen durchgeführt, die unter einem Schutzdach standen. Die Idee war, eine fortschreitende Verarmung des Bodenwassers herbeizuführen und die Auswirkungen auf die Transpiration und den Wasserstatus der Bäume zu bewerten. Außerdem sollten physiologische Schwellenwerte definiert werden, die den Beginn von Wasserstress anzeigen. Ein weiteres Ziel dieses Versuchs war es, die Leistung der Saftflusssensoren bei der Bewertung der Transpiration der Bäume im Vergleich zu den tatsächlichen Werten zu testen, die mit einem Wiegesystem (Wägezellen) gemessen wurden. Die Ergebnisse zeigten, dass die Saftflusssensoren die tatsächliche Transpirationsrate deutlich unterschätzten. Dementsprechend haben wir verschiedene Konfigurationen hinsichtlich der Einstecktiefe des Sensors bei der Installation in den Stamm der im Feld gewachsenen Bäume vorgenommen (Kapitel 4). Darüber hinaus haben wir die Saftflussdaten mit den Daten der im Freiland installierten Wetterstation verglichen und versucht, die wichtigsten klimatischen Faktoren für den saisonalen Wasserbedarf der Apfelbäume zu bestimmen. Das letzte Experiment (Kapitel 5) war der Untersuchung der Auswirkungen des Vorhandenseins von Hagelschutznetzen auf die Veränderung des Mikroklimas im Bereich der Baumkronen und folglich auf die Gesamtverdunstung der Obstanlage gewidmet. Unsere Ergebnisse haben gezeigt, dass die SWP effektiv für die Bewässerungsplanung in Apfelplantagen eingesetzt werden kann. Darüber hinaus führte die Möglichkeit, den SWP zwischen -30 und -60 kPa schwanken zu lassen, in Verbindung mit RDI oder PRD zu einer erheblichen Einsparung von Bewässerungswasser, ohne die Leistung der Bäume zu beeinträchtigen. Der Einsatz der Stabilisotopentechnik unterstützte diese Ergebnisse und bot eine weitere Perspektive, die die Umsetzung von Defizitbewässerungskonzepten und insbesondere der PRD förderte. Die Ergebnisse des Versuchs mit getopften Bäumen zeigten, dass ein mittägliches Stammwasserpotenzial Ψstem von -1,8 MPa dem Beginn von Trockenstressbedingungen entspricht. Außerdem erwiesen sich die SF-Sensoren als zuverlässig für eine qualitative Bewertung des Transpirationsmusters, ihre quantitative Leistung bleibt jedoch ohne eine spezifische Kalibrierung begrenzt. Außerdem erwies sich die Bestimmung der geeigneten Einführungsposition des Sensors als entscheidend für die Leistung des Instruments. 8 Darüber hinaus reagierte die Saftflussrate stark auf die Schwankungen der klimatischen Parameter, insbesondere auf PAR und VPD. Zur Abschwächung dieses Effekts, insbesondere in Zeiten hohen Verdunstungsbedarfs, wird die Verwendung von Hagelschutznetzen als wirksame Technik vorgeschlagen, da sie den Wasserbedarf des Obstgartens und folglich den Bewässerungsbedarf reduziert.
In uno scenario di cambiamento climatico, si prevede un aumento della domanda di acqua da parte dei meli e in particolare delle cultivar ad alto rendimento; pertanto, l'approvvigionamento idrico dovrebbe essere gestito correttamente. In questo contesto, questo studio di ricerca è stato condotto con l'obiettivo principale di caratterizzare l'effetto della disponibilità di acqua nel suolo e dei fattori climatici sulla traspirazione del melo per migliorare l'efficienza dell'uso dell'acqua nel frutteto di mele. Per fare ciò, sono stati implementati cinque esperimenti sia in campo aperto che in condizioni semi-controllate. Le interazioni tra i diversi compartimenti del sistema, ad esempio suolo, pianta e clima, sono state valutate per fornire un quadro completo e una panoramica più ampia per promuovere una gestione efficiente dell'irrigazione. Il primo esperimento (capitolo 2) è stato condotto per tre stagioni consecutive in un meleto dell'Alto Adige (Italia) dotato di stazione meteorologica. Inoltre, sopra gli alberi sono state installate reti nere antigrandine. Per cercare di identificare una strategia di irrigazione efficiente che concili il risparmio idrico e la produzione ottimale dei frutti, abbiamo testato quattro trattamenti di irrigazione che differivano in termini di soglia del potenziale idrico del suolo (SWP) utilizzata per attivare l'irrigazione (-30 kPa o -60 kPa = irrigazione a deficit regolato, RDI) e dei volumi irrigui (1=essiccamento parziale delle radici, PRD, 2 e 4 gocciolatori per albero). Inoltre, è stato condotto un breve esperimento (capitolo 6) utilizzando la tecnica dell'isotopo stabile (con acqua arricchita con deuterio), simulando i trattamenti irrigui applicati al campo (due controlli con due e quattro gocciolatori, PRD con un gocciolatore, mentre RDI è stato escluso) nel tentativo di comprendere meglio la dinamica dell'acqua nel sistema suolo-pianta e di seguire il destino dell'acqua di irrigazione. Sulla base dei primi risultati della prima prova sul campo, ci siamo resi conto che l'impostazione dello stress idrico in condizioni di campo aperto non era facile soprattutto con i frequenti eventi piovosi durante l'estate. Pertanto, una terza prova (capitolo 3) è stata condotta utilizzando alberi in vaso posti sotto un riparo. L'idea era di indurre un progressivo impoverimento idrico del suolo e valutarne l'effetto sulla traspirazione degli alberi e sullo stato idrico. Abbiamo puntato anche a definire la soglia fisiologica che indica 10 l'insorgenza di stress idrico. Un altro obiettivo di questo esperimento era testare le prestazioni dei sensori di flusso di linfa nella valutazione della traspirazione degli alberi rispetto ai valori effettivi misurati da un sistema di pesatura (celle di carico). I risultati hanno mostrato che i sensori del flusso di linfa stavano notevolmente sottostimando il tasso di traspirazione effettivo. Di conseguenza, abbiamo impostato diverse configurazioni per quanto riguarda la profondità di inserimento del sensore durante l'installazione nel tronco negli alberi coltivati in campo (capitolo 4). Inoltre, abbiamo confrontato i dati di flusso di linfa con quelli estratti dalla stazione meteorologica installata in campo aperto, cercando di definire i principali driver climatici della domanda stagionale di acqua dei meli. L'ultimo esperimento (capitolo 5) è stato dedicato allo studio dell'effetto della presenza delle reti antigrandine sull'alterazione del microclima attorno alla chioma e di conseguenza sulla totale evapotraspirazione del frutteto. I nostri risultati hanno dimostrato che SWP può essere applicato efficacemente per la programmazione dell'irrigazione nel frutteto di mele. Inoltre, permettendo a SWP di oscillare tra -30 e -60 kPa, accoppiato con RDI o PRD, ha portato a un sostanziale risparmio di acqua di irrigazione senza influire sulle prestazioni degli alberi. L'uso della tecnica dell'isotopo stabile ha supportato questi risultati e ha fornito un'altra prospettiva, promuovendo l'implementazione di approcci di irrigazione deficitaria, e PRD in particolare. I risultati dell'esperimento sugli alberi in vaso hanno rivelato che un potenziale idrico di mezzogiorno del fusto (Ψstem di -1,8 Mpa) corrispondeva all'insorgenza di condizioni di stress da siccità. Inoltre, i sensori SF si sono dimostrati affidabili per una valutazione qualitativa del pattern di traspirazione, tuttavia le loro prestazioni quantitative rimangono limitate senza una calibrazione specifica. Inoltre, l'identificazione dell’appropriata posizione di inserimento del sensore si è rivelata fondamentale per le prestazioni dello strumento Inoltre, il flusso di linfa è stato altamente reattivo alla fluttuazione dei parametri climatici e principalmente sia al PAR che al VPD. Per mitigare questo effetto, soprattutto durante i periodi di elevata richiesta evaporativa, si suggerisce l'utilizzo delle reti 11 antigrandine come tecnica efficace in quanto riducono il fabbisogno idrico del frutteto e di conseguenza il suo fabbisogno irriguo.