Assessment of fruit growth response to water stress in a super-high-density olive orchard: monitoring, physiological mechanisms and potential use to schedule irrigation.

Olive fruit growth has an important effect on the final yield, and thus, it is important to study its response to water stress, and to know how olive fruits grow under no water restriction. The present PhD. Thesis centered on the fruit growth, and the factors that influence it, such as the root system distribution, the leaf gas exchange and the water relations between fruits and leaves as well as on the utility of continuous measurements of fruit diameter variations. Therefore, in Chapter 2 we assessed the influence of the increment of drip lines (from one to two drip lines per tree row) on the belowground and aboveground vegetative and on the fruit growth, during two irrigation seasons. We also estimated leaf stomatal conductance from sap flux measurements, and simulated photosynthesis (Chapter 3). From the simulated photosynthesis, we compared its accumulated values with growth, both vegetative growth (leaf area and number of internodes in current-year stems) and fruit growth (fruit dry weight and oil content). As fruit growth is not only influenced by photosynthesis, but also by the water relations, we assessed the influence of water stress on the water relations between fruits and leaves, and its influence on fruit growth (Chapter 4). Additionally, we performed pressure-volume curves with olive fruits from well irrigated and deficit irrigated treatments. Finally, we evaluated the usefulness of fruit dendrometers, and the indexes derived from its measurements, to assess tree water status and to schedule irrigation (Chapter 5). The results presented in this PhD. Thesis improve the knowledge on the factors involved in fruit growth and present a first step towards the use of fruit dendrometers in olive trees. Additionally, these results are important for the development of future studies on the olive fruit growth physiology

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

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

Riego de precisión para la eficiencia hídrica en la agricultura Mediterránea

Tesis por compendio[EN] The present Doctoral Thesis is framed around the three axes of the efficient irrigation: water distribution system selection, determination of irrigation water needs and plant water status assessment. The experiment detailed in Chapter II is focused on the selection of the drip irrigation system better adapted to the peculiarities of citrus crops. The possible advantages of subsurface drip irrigation and the installation of irrigation laterals with higher density of emitters per plant were evaluated. Specifically, in the study was assessed the performance of the mandarin (Citrus clementina, Hort. Ex Tan. 'Arrufatina') under a surface (SI) and subsurface drip irrigation (SSI) with 7 (SI7, SSI7) or 14 emitters (SI14, SSI14) per plant, as well as a third SS treatment (SSIA), identical to SSI7 but equipped with an additional drip line buried between the tree rows. Treatments were assessed in terms of yield, fruit composition, water productivity (WP) and water savings. Results showed that, on average, water savings were 23.0% in the SSI treatment compared to the SI treatment without significant differences in either yield or fruit composition. SSIA was the treatment with the lowest irrigation volumes and the highest yield. Chapter III proposes a methodology for estimating irrigation water needs for mandarins based on the use of capacitance water content probes (e.f. FDR). The calculation procedure is defined in three sequential parts: i) soil water content thresholds determination adapted to plants requirements for different phenological stages; ii) standardizing measurements from capacitance probes by using a hydrological simulation software to minimize equipment uncertainty; and finally iii) an extrapolation procedure for adapting critical soil water content thresholds to different soil conditions. Validating this strategy in a citrus orchard (Citrus clementina, Hort. Ex Tan. 'Arrufatina') a water saving of 26% was reached without significant differences in yield and increasing the WP by 33%. In the experiments described in the Chapter IV a leaf turgor pressure sensor (Yara ZIM-probe) was evaluated as plant water status indicator in order to further asses the possibility to implement water status determinations in a more holistic irrigation scheduling approach. This technology, through a patch of an intact leaf and a pressure transductor, provides a signal (Pp) which is inversely correlated with the turgor pressure. The first experiment was made in Persimmon trees (Diospyros kaki L.f.). The turgor pressure sensor was assessed in an experimental plot with different irrigation doses and rootstocks with different drought tolerance [Diospyros lotus (L) and Diospyros virginiana (V)]. The information provided by the sensor was compared with concomitant measurements of midday stem water potential (¿stem) and trunk diameter variations. Three states of leaf turgor associated with specific plant water status were established from the study of the Pp signal evolution together with the ¿stem. Persimmon trees exhibited the inversed Pp curve phenomena under water stress (maximum values at night). Using the information from the sensors, it was possible to differentiate plant water status between rootstocks, pointing L as the most sensitive to the water deficit. The second experiment was made in mandarin (Citrus clementina, Hort. Ex Tan. 'Arrufatina'). Similarly, Pp values were compared with ¿stem measurements. In this case, the curves practically did not suffer inversions when the plant water status was inadequate, but an increase in the minimum and maximum Pp values was recorded at night and at noon, respectively. There was a good correlation between the concomitant hourly spot measurements of ¿stem and Pp that were taken at midday during two drought periods (coefficient of determination, r2 = 0.40 - 0.74). The analysed strategies and technologies have demonstrated that water use efficiency can be optimized at the plot level. Consumptive water use can be reduced using subsurface irrigation systems, achieving net savings in water consumption. By estimating the irrigation dose by means of capacitance soil water content probes, the efficiency in the application of the irrigation is improved and the water losses due to deep percolation are reduced, minimizing the leaching of nutrients and with it, the risk of aquifer contamination. In any case, it would be advisable to study the viability of these proposals in the global and integral context of water resources management at watershed and irrigation district level.[ES] La presente Tesis Doctoral se enmarca en torno a los tres ejes que requiere cualquier riego para considerarse eficiente: 1) selección del sistema de distribución de agua, 2) determinación de las necesidades de riego y 3) control del estado hídrico de la planta. El ensayo detallado en el Capítulo II se centró en la selección del sistema de riego por goteo que mejor se adaptara a las particularidades del cultivo de los cítricos. Se estudió la respuesta productiva de mandarino (Citrus clementina, Hort. Ex Tan. 'Arrufatina') en función de diversos sistemas de riego superficial (SI) y subterráneo (SSI) con 7 (SI7, SSI7) y 14 emisores (SI14, SSI14) por planta dispuestos en doble línea, así como un tercer tratamiento subterráneo (SSIA), idéntico a SSI7, pero equipado con una línea adicional subterránea situada entre filas de árboles. Los resultados mostraron que el ahorro de agua empleando el sistema SSI, en comparación con SI, puede llegar a ser del 23% sin mermas en la producción ni en la calidad de la fruta, incrementando por lo tanto la WP. El sistema SSIA fue el tratamiento que empleó menor volumen de agua de riego y obtuvo mayor rendimiento productivo. En el Capítulo III se propone una metodología de cálculo de las necesidades de riego para mandarinos basada en el uso de sondas de humedad de tipo capacitivo (e.f. FDR). El procedimiento de cálculo se define en tres fases secuenciales: i) determinación de umbrales de humedad de suelo adaptados a los requerimientos de las plantas en distintas fases fenológicas; ii) estandarización de las lecturas de las sondas capacitivas mediante un programa de simulación hidrológica que permita reducir los efectos de la variabilidad intrínseca de los equipos; y, por último, iii) un procedimiento para extrapolar los umbrales de humedad definidos en el trabajo a cualquier parcela con distintas características edáficas. La validación de esta estrategia en una parcela de cítricos (Citrus clementina, Hort. Ex Tan. 'Arrufatina') supuso un ahorro de agua del 26% sin reducciones significativas en la producción, mejorando la WP un 33%. En los ensayos descritos en el Capítulo IV se realiza la evaluación de los sensores de turgencia de hojas (Yara ZIM-probe) como indicadores del estado hídrico de la planta. Un primer experimento se realizó en caqui (Diospyros kaki L.f.), evaluando los sensores de turgencia en un ensayo de campo con distintas dosis de riego y portainjertos con diferente tolerancia a la sequía [Diospyros lotus (L) y Diospyros virginiana (V)]. La información que proporcionaba el sensor se comparó con medidas de potencial hídrico de tallo al mediodía solar (¿stem) y variaciones del diámetro del tronco. La evolución del Pp junto con los valores de ¿stem, permitió establecer tres estados de turgencia asociados a estados hídricos concretos. Los árboles insuficientemente regados con ¿stem por debajo de los -0.8 MPa, mostraron curvas Pp con signos de inversión (valores máximos durante la noche). Así mismo, con la información procedente de los sensores, fue posible diferenciar el estado hídrico entre patrones, señalando a L como el portainjerto más sensible al déficit hídrico. El segundo experimento se realizó en mandarino (Citrus clementina, Hort. Ex Tan. 'Arrufatina'). Del mismo modo, los valores de Pp se compararon con las medidas de ¿stem. En este caso, las curvas prácticamente no sufrieron inversiones cuando el estado hídrico de la planta era inadecuado, pero sí se determinó un aumento de los valores de Pp mínimos y máximos registrados por la noche y al mediodía, respectivamente. Así mismo, se realizaron dos ciclos de medidas horarias que mostraron que existe una buena correlación entre Pp y ¿stem (coeficiente de determinación, r2 = 0.40 - 0.74). Las estrategias y tecnologías investigadas han demostrado que es posible optimizar la eficiencia del uso del agua en parcela. Con la implementación de sistemas de riego subterráneo se puede reducir el uso consuntivo de agua, obteniendo ahorros netos en el consumo hídrico. Mediante la estimación de la dosis de riego a través de sensores de humedad, se mejora la eficiencia en la aplicación del riego y se reducen así las pérdidas por percolación profunda, minimizando el lavado de nutrientes y, con ello, el riesgo de contaminación de los acuíferos. En todo caso, sería recomendable estudiar la viabilidad de estas propuestas en el contexto global e integral de la gestión de los recursos hídricos a nivel de un distrito de riego y cuenca hidrográfica.[CA] La present Tesi Doctoral s'emmarca al voltant de tres eixos que requerix qualsevol reg per a considerar-se eficient: 1) selecció del sistema de distribució d'aigua, 2) determinació de les necessitats de reg i, 3) control de l'estat hídric de la planta. L'assaig detallat al Capítol II es centrà en la selecció del sistema de reg per degoteig que millor s'adaptara a les particularitats del cultiu dels cítrics. S'estudià la resposta productiva del mandarí (Citrus clementina, Hort. Ex Tan. 'Arrufatina') en funció dels diversos sistemes de reg superficial (SI) i subterrani (SSI) amb 7 (SI7, SSI7) i 14 emissors (SI14, SSI14) per planta disposats en doble línia, així com un tercer tractament subterrani (SSIA), idèntic a SSI7, però equipat amb una línia addicional subterrània col·locada entre fileres d'arbres. L'efecte dels tractaments s'avaluà en xifres de producció, qualitat de la fruita, productivitat de l'aigua (WP) i estalvi d'aigua. Els resultats mostraren que l'estalvi d'aigua amb el sistema SSI poden arribar a ser del 23% en comparació amb SI, sense minves en la producció ni en la qualitat de la fruita, incrementant per tant la WP. El sistema SSIA fou el tractament que emprà menys volum d'aigua de reg i obtingué un major rendiment productiu. Al Capítol III es proposa una metodologia de càlcul de les necessitats de reg per a mandarins basada en l'ús de sondes d'humitat de tipus capacitiu (e.f. FDR). El procediment de càlcul es definix en tres fases seqüencials: i) determinació de límits d'humitat de sòl adaptats als requeriments de les plantes en diverses fases fenològiques; ii) estandardització de les lectures de les sondes capacitives mitjançant un programa de simulació hidrològica que permet reduir els efectes de la variabilitat intrínseca dels equips; i, per últim, iii) un procediment per a extrapolar els límits d'humitat definits al treball a qualsevol parcel·la amb diferents característiques edàfiques. La validació d'aquesta estratègia en una parcel·la de cítrics (Citrus clementina, Hort. Ex Tan. 'Arrufatina') suposà un estalvi d'aigua del 26% sense reduccions significatives en la producció, millorant la WP un 33%. Als assajos descrits al Capítol IV es realitza l'avaluació dels sensors de turgència de fulles (Yara ZIM-probe) com a indicadors de l'estat hídric de la planta. Un primer experiment es realitzà en caqui (Diospyros kaki L.f.), avaluant els sensors de turgència en un assaig de camp amb diverses dosis de reg i portaempelts amb diferent tolerància a la sequera [Diospyros lotus (L) i Diospyros virginiana (V)]. La informació que proporcionava el sensor es comparà amb mesures de potencial hídric de tija al migdia solar (¿stem) i variacions del diàmetre de tronc. L'estudi determinà que l'anàlisi visual de les corbes dels valors diaris de Pp és un bon indicador de l'estat hídric de la planta. L'evolució de Pp juntament amb els valors de ¿stem, permeté establir tres estats de turgència associats a estats hídrics concrets. Els arbres insuficientment regats amb ¿stem per baix dels -0.8 MPa, mostraren corbes Pp amb signes d'inversió (valors màxims durant la nit). Així mateix, amb la informació procedent dels sensors fou possible diferenciar l'estat hídric entre patrons, assenyalant a L com el portaempelt més sensible al dèficit hídric. El segon experiment es realitzà en mandarí (Citrus clementina, Hort. Ex Tan. 'Arrufatina'). Els valors de Pp es compararen amb les mesures de ¿stem. En aquest cas, les corbes pràcticament no sofriren inversions quan l'estat hídric era inadequat, però sí es determinà un augment dels valors de Pp mínims i màxims registrats a la nit i al migdia, respectivament. Així mateix, es realitzaren dos cicles de mesures horàries que mostraren que existix una bona correlació entre Pp i ¿stem (coeficient de determinació, r2 = 0.40 -0.74 ). Les estratègies i tecnologies investigades han demostrat que és possible optimitzar l’eficiència de l’ús de l’aigua en parcel·la. Amb la implementació de sistemes de reg subterrani es pot reduir l’ús consumptiu d’aigua, obtenint estalvis nets en el consum hídric. Amb l’estimació de la dosi de reg mitjançant sensors d’humitat, es millora l’eficiència en l’aplicació del reg i es reduix així les pèrdues per percolació profunda, minimitzant el llavat de nutrients, i amb això, el risc de contaminació dels aqüífers. En tot cas, seria recomanable estudiar la viabilitat d’aquestes propostes al context global i integral de la gestió dels recursos hídrics a nivell de districte de reg i conca hidrogràfica.Martínez Gimeno, MA. (2020). Riego de precisión para la eficiencia hídrica en la agricultura Mediterránea [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/149394TESISCompendi

Development of a plant-based strategy for water status monitoring and stress detection in grapevine

Water shortage has become a major problem, leading to a growing interest for efficient and precise irrigation scheduling even in areas that were completely rain-fed so far. Appropriate irrigation for grapevines (Vitis vinifera L.) is not exclusively a story of fulfilling water demand, but rather of defining the optimum level and timing and having a good knowledge of the grapevine water status. Specific levels of soil water deficit at specific times in the growing season are known to play a key role in the production of high quality grapes and resulting wines, but both severe and no drought stress are not desired as they negatively influence the grape’s and wine’s potential. Innovative techniques for monitoring the plant water status and for applying an adequate irrigation scheduling are required to achieve this crucial water balance for a grapevine. It is internationally recognised that such tools should rely on plant measurements, as they provide information on the actual plant water status, rather than be based on soil or microclimatic measurements. The aim of this thesis was to develop and evaluate a strategy for water status monitoring and stress detection in grapevine based on automated plant measurements. To this end, both experimental and modelling work was carried out on potted grapevines that were subjected to conditions ranging from fully irrigated to severe drought. Two different plant-based monitoring approaches were tested and compared. In a first approach, an accurate monitoring of the grapevine water status and a fast detection of drought stress (i.e. several days before the first clear visible symptoms appeared) were accomplished using two data-driven models: Unfold Principle Component Analysis (UPCA) and Functional Unfold Principle Component Analysis (FUPCA). These models were originally developed for statistical process monitoring of multivariate data sets where accurate mechanistic knowledge is lacking or difficult to achieve. In this study, the multivariate data set consisted of measured microclimatic variables and a plant measurement that served as indicator for plant water status, either sap flow rate or stem diameter variations. Using a large amount of data from well-watered conditions, the models extracted the information and patterns underlying these measured variables and made a profile of normal, expected data behaviour under sufficient water availability. Monitoring new data then implied checking these data against this pattern. When a discrepancy between new data and this normal pattern was observed, the models indicated abnormality, which was in this study related to a deviating water status or drought stress. Unlike the data-driven approach in which a priori information on underlying plant mechanisms was not crucial, the second approach focused on developing a comprehensive mechanistic water transport and storage model for grapevine. This mechanistic model mathematically describes the axial and radial water transport and stem diameter dynamics of grapevine. The basic principles originated from an existing tree water transport and storage model, which enabled among others accurate simulations of the stem water potential (Ψstem) under well-watered conditions, which is one of the best indicators for plant water status. To obtain better drought response simulations with the model, the constant hydraulic plant resistances were replaced by equations in this PhD study. Both the integrated hydraulic resistance experienced during upward water transport through the soil-to-stem segment (RX) and the hydraulic resistance encountered during radial water transport between xylem and elastic living tissues (RS) were dependent on soil water potential. Modelled and measured data were compared to verify the implemented mechanisms. The mechanistic model was applied twofold. First, the model contributed to our understanding of grapevine functioning during drought conditions, as it revealed new insights. Despite the generally assumed constant RX and RS behaviour in several other plant models, the improved model demonstrated that both RX and RS showed daily fluctuations and, superimposed on these fluctuations, exponentially increased when drought progressed. Furthermore, it was shown that mean turgor in the elastic storage tissues rapidly decreased with drought. Finally, an in situ soil-to-stem vulnerability curve that integrated the hydraulic conductance in soil and plant (KX = 1/RX) was generated using the model. Such a curve depicts the loss in KX as a function of declining Ψstem and is often applied in the literature to assess vulnerability of species to drought. Second, the mechanistic model was elaborated as a tool to monitor grapevine water status in real-time. Except under most severe drought stress conditions, which are not favourable for grape and wine quality and should be avoided in practice, the model simulated Ψstem well and kept a tight supervision over the grapevine water status, as Ψstem could be continuously compared against expected plant behaviour defined under well-watered conditions. Simulated Ψstem, representing the actual water status of the grapevine, were then compared with a dynamic threshold beyond which the grapevine is considered to experience drought stress. In this study, the uncertainty band on the dynamic threshold estimation was used to represent the range within which Ψstem was expected to occur under well-watered conditions. Two different dynamic Ψstem thresholds were tested: an approach using vapour pressure deficit (VPD) as input, and a more elaborate approach using potential evapotranspiration (λEp). The latter includes VPD and radiation, both known as key driving variables for plant transpiration. The use of both the VPD- or the λEp-based dynamic threshold and uncertainty band allowed a fast detection of drought stress and tight supervision over the plant water status during a drought experiment on grapevines. To conclude, both the data-driven and the mechanistic modelling approach were judged promising as plant-based strategy for monitoring the grapevine water status. To apply these strategies for optimising grape and wine quality in practice, some challenges remain. As all experiments in this study were conducted on potted grapevines, future experiments should test the performance of the models under field conditions. In addition, the exact impact on the grape berries of different drought levels at specific times during the growing season should be investigated, in order to be able to steer grape and wine quality in the future

New strategies for row-crop management based on cost-effective remote sensors

Agricultural technology can be an excellent antidote to resource scarcity. Its growth has led to the extensive study of spatial and temporal in-field variability. The challenge of accurate management has been addressed in recent years through the use of accurate high-cost measurement instruments by researchers. However, low rates of technological adoption by farmers motivate the development of alternative technologies based on affordable sensors, in order to improve the sustainability of agricultural biosystems. This doctoral thesis has as main objective the development and evaluation of systems based on affordable sensors, in order to address two of the main aspects affecting the producers: the need of an accurate plant water status characterization to perform a proper irrigation management and the precise weed control. To address the first objective, two data acquisition methodologies based on aerial platforms have been developed, seeking to compare the use of infrared thermometry and thermal imaging to determine the water status of two most relevant row-crops in the region, sugar beet and super high-density olive orchards. From the data obtained, the use of an airborne low-cost infrared sensor to determine the canopy temperature has been validated. Also the reliability of sugar beet canopy temperature as an indicator its of water status has been confirmed. The empirical development of the Crop Water Stress Index (CWSI) has also been carried out from aerial thermal imaging combined with infrared temperature sensors and ground measurements of factors such as water potential or stomatal conductance, validating its usefulness as an indicator of water status in super high-density olive orchards. To contribute to the development of precise weed control systems, a system for detecting tomato plants and measuring the space between them has been developed, aiming to perform intra-row treatments in a localized and precise way. To this end, low cost optical sensors have been used and compared with a commercial LiDAR laser scanner. Correct detection results close to 95% show that the implementation of these sensors can lead to promising advances in the automation of weed control. The micro-level field data collected from the evaluated affordable sensors can help farmers to target operations precisely before plant stress sets in or weeds infestation occurs, paving the path to increase the adoption of Precision Agriculture techniques

Hydraulic modelling and control of the soil-plant-atmosphere continuum in woody crops

El agua dulce es un recurso fundamental en agricultura, especialmente en regiones secas como el sur de España. El uso de cultivos de regadío puede incrementar enormemente la producción agrícola, lo que la convierte en una herramienta crucial en la lucha contra el hambre en el mundo. Esta necesidad empieza a ser urgente, si tenemos en cuenta las perspectivas de crecimiento poblacional mundial y la escasez de alimentos en los países menos desarrollados. A esto se le une la creciente demanda por parte de otros sectores económicos que compiten también por los recursos hídricos. Todo lo anterior justifica la necesidad de un uso sostenible y racional del agua. En este marco se encuadra el objetivo principal de esta tesis: desarrollar nuevas estrategias y técnicas que permitan ahorros significativos de agua para el riego de frutales, a la par que mejoren la producción y calidad de la cosecha. Numerosos estudios han revelado las ventajas e inconvenientes del riego deficitario como una de estas estrategias. La estrategia de riego deficitario consiste en reducir el agua aplicada a las plantas respecto a la teóricamente máxima sin perjudicar significativamente el rendimiento del cultivo. Los resultados publicados en la literatura son dispares y varían dependiendo principalmente de la distribución en el tiempo de las restricciones de riego, del tipo de cultivo y de las condiciones locales. En la primera parte de esta tesis se muestran los efectos de distintas estrategias de riego deficitario sobre la producción y calidad del fruto en plantaciones de naranjos del Valle del Guadalquivir. Otra de las vías para la racionalización del riego es la implantación de tecnologías de riego de precisión con el uso de controladores de riego automático basados en realimentación. En este caso, la dosis de riego a aplicar se calcula a partir de medidas de variables del suelo, planta o atmósfera relacionadas con el estado hídrico de las plantas. En este trabajo de tesis se han desarrollado y evaluado en campo dos de estos controladores. Con uno de ellos se aplicó un riego diario en un olivar adulto, con dosis de agua estimadas a partir de medidas de flujo de savia en el tronco de árboles representativos. El segundo controlador de riego, basado en medidas meteorológicas y de humedad en el suelo, se evaluó en una plantación de almendros, demostrándose su utilidad para reducir las pérdidas de agua por drenaje, evaporación y escorrentía. Uno de los enfoques más innovadores y prometedores para la automatización del riego es el basado en la medida del flujo de savia en órganos conductores de la planta. Su correcta aplicación requiere de sensores capaces de medir de forma fiable rangos amplios del flujo de savia. La mayor parte de los sensores disponibles en el mercado funcionan bien en rangos más restrictivos, es decir, no son fiables para el caso de flujos de savia muy bajos o muy altos. Una de las principales contribuciones de esta tesis ha sido el desarrollo y evaluación de dos nuevos métodos de medida de flujo de savia capaces de ampliar el rango de medida respecto de los métodos actuales, permitiendo, además, medir flujos inversos, lo cual es de sumo interés para el estudio de fenómenos relacionados con la elevación hidráulica en raíces de árboles frutales. Más adelante se muestran nuestros trabajos de modelización del sistema suelo-planta-atmósfera y de diseño de estrategias de riego basadas en el uso de reguladores de la humedad en suelo, en particular del tipo proporcional-integral-derivativo y predictivo basado en modelo. El modelo matemático que presentamos se ha implementado en un entorno gráfico e intuitivo, apto para realizar simulaciones y para el desarrollo de controladores avanzados basados en modelo. Se evaluaron y compararon los resultados en simulación de diferentes estrategias de control. Uno de estos controladores fue también ensayado con éxito en una parcela de almendros, en dos periodos diferentes de una campaña de riego. En el último capítulo de esta tesis mostramos que el uso de técnicas y resultados de teoría de control puede tener un gran impacto en la mejora de los sistemas de riego y el uso eficiente de los recursos hídricos

Desarrollo del prototipo AndaLAND para evaluar suelos agrícolas y agua en el marco del cambio climático

16 páginas.-- 7 figuras.-- 26 referencias.-- Annex 1. Equivalents of USDA and FAO soil classifications (IUSS Working Group WRB 2006)[ES]: There is a critical need to incorporate concerns on soil and water use and protection into land use planning policies and practices, not exclusively in protected areas, especially taking into account the widespread power transfer to local authorities regarding land-use decision making. Accordingly, it is extremely useful what Decision Support Systems (DSS) do on land use. AndaLAND is a prototype DSS which has been developed as a web-based application. It helps to define the vulnerability and the efficiency of the use and protection of soils in the selected target region: Andalusia (Southern Spain). AndaLAND integrates a complete catalogue of information on climate, soil and soil management, to make land vulnerability evaluation. By using Web Map Services (WMS), AndaLAND is fed with available databases from public mapping services (the Geographic Information System for the Common Agricultural Policy-SIGPAC) and other external sources (Microcomputed-based Land Evaluation Information System, MicroLEIS). Climate change scenarios are considered jointly with other relevant global change elements, such as land use change. Soil evaluation is based on decision rules that follow a decision tree. This method was established from Drools (a powerful hybrid reasoning system), using agrological rules for determining soil capacity in plots. The tool is capable of evaluating individually more than 6 million plots currently existing in the Andalusian region. AndaLAND’s final output is a report on the particular vulnerability of a user-specified plot. The report includes information on the plot’s geographical location, its environmental status regarding to (current and potential) impacts, degradation and/or pollution in the water-soil-crop system and eventual affections due to climate change-induced events. The report also provides practical recommendations for sustainable use and management of plots (in particular, for irrigated crops, these recommendations are linked to available irrigation technologies and water consumption).[PO]: Cada vez é mais evidente a necessidade de implementar políticas e práticas que integrem critérios de ordenamento do território para a proteção do uso do solo e da água, não só nas áreas protegidas, tendo em consideração o papel das autoridades locais e dos pequenos agricultores na tomada de decisão sobre os diversos usos do solo. Por isso, e uma vez que existe uma prática cada vez mais difundida no uso de Sistemas de Apoio à Decisão (SAD) para a gestão do uso do solo, o AndaLAND é apresentado como um protótipo dos SAD desenvolvido como uma aplicação web. Esta ferramenta permite determinar a vulnerabilidade e eficiência no uso e proteção do solo na área de estudo: Andaluzia (Sul de Espanha). O AndaLAND integra um catálogo abrangente de informações sobre o clima, solo e gestão da mesma, para permitir a avaliação da vulnerabilidade dos solos alvo. Usando serviços Web Map (WMS), o AndaLAND permite descarregar as informações dos bancos de dados de mapeamento de serviços públicos (Sistema de Informação Geográfica para a Política Agrícola Comum-SIGPAC) assim como de outras fontes diversas (sistemas de informação para a avaliação de serviços web do solo existentes MicroLEIS). Os cenários de alterações climáticas são construídos como informação relevante para prever os potenciais impactos associados com as mudanças no uso do solo. A avaliação global do solo é estabelecida a partir de regras definidas usando árvores de decisão. Este método foi implementado através do sistema Drools (sistema de regras de gestão), utilizando critérios agronómicos para determinar a capacidade agrológica das parcelas. Assim, esta ferramenta é capaz de avaliar individualmente mais de 6 milhões de explorações atualmente existentes na Andaluzia. O resultado final do uso AndaLAND é um relatório individual sobre a vulnerabilidade da parcela definida pelo utilizador como parcela-alvo. Esta documentação inclui informações sobre a localização geográfica da parcela, o seu estado ambiental em relação a atuais e potenciais impactos, possível fase de degradação e / ou contaminação no sistema solo-água-cultura e a robabilidade de ser afetada pelos efeitos associados às alterações climáticas. O relatório final inclui recomendações práticas para a utilização e gestão sustentável na parcela-alvo (especialmente no caso das culturas de regadio estas orientações referem-se às tecnologias de rega existentes e ao consumo de água).[ES]: Cada vez se hace más patente la necesidad de implementar políticas y prácticas de planificación territorial que integren criterios para la protección del uso del suelo y el agua, no sólo en las zonas naturales protegidas, y considerando a su vez el papel desempeñado por las administraciones locales y pequeños agricultores en la toma de decisiones sobre los distintos usos del suelo. Por ello, y dado que existe una práctica cada vez más generalizada en el uso de Sistemas de Ayuda a la Decisión (SAD) para la gestión de los usos del suelo, AndaLAND se presenta como un prototipo de SAD desarrollado como una aplicación web. Esta herramienta permite determinar la vulnerabilidad y la eficiencia en el uso y protección de los suelos en la región objetivo de estudio: Andalucía (S España). AndaLAND integra un catálogo muy completo sobre información climática, de suelos y de manejo de los mismos, para poder realizar la evaluación de la vulnerabilidad de suelos objetivo. Mediante el uso de Web Map Services (WMS), AndaLAND es capaz de volcar la información procedente de las bases de datos de servicios de cartografía públicos (el Sistema de Información Geográfica de la Política Agraria Común-SIGPAC), así como otras fuentes muy diversas (sistemas de información de evaluación de suelos ya existentes en servicios web, MicroLEIS). Los escenarios de cambio climático están incorporados como información relevante para poder predecir los posibles impactos asociados a los cambios de uso del suelo. La evaluación global del suelo se establece a partir de reglas definidas mediante árboles de decisión. Dicho método fue implementado a través del sistema Drools (sistema de gestión de reglas), utilizando criterios agronómicos para determinar la capacidad agrológica en las parcelas. De esta forma, la herramienta es capaz de evaluar individualmente más de 6 millones de explotaciones declaradas actualmente en Andalucía. El resultado final del uso de AndaLAND es un informe individual sobre la vulnerabilidad de la parcela objetivo definida por el usuario. Dicha documentación incluye información sobre la localización geográfica de la parcela, su estado medioambiental con respecto a actuales y potenciales impactos, la posible fase de degradación y/o contaminación en el sistema suelo-agua-cultivo, y la probabilidad de verse afectada por los efectos asociados al cambio climático. El informe final incorpora recomendaciones prácticas para el uso y gestión sostenible en la parcela objetivo (en particular, en el caso de cultivos de regadío estas pautas están referidas a tecnologías de riego existentes y hacia el consumo de agua).This research was funded by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness (MINECO) and the European Regional Development Fund (ERDF) within the framework of the new Precommercial Public Procurement (CPP). The AndaLAND DSS has been jointly developed by the Spanish National Research Council (CSIC), the Institute of Natural Resources and Agrobiology of Seville (IRNAS-CSIC) and two Spanish companies: INCLAM, specialized in water and environmental engineering; and EVENOR-TECH, specialized in Information and Comunication Technologies (ICT) applied to land use planning.Peer reviewe

Modelado de las propiedades dieléctricas del suelo. Aplicación en el diseño de sensores para sistemas de control en agricultura de precisión

[SPA] Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. El agua es una sustancia clave para el desarrollo de la vida en La Tierra. Es por ello que la búsqueda de oportunidad de vida en otros planetas y satélites se basa en la presencia de agua en los mismos. La gestión ecológica del agua es necesaria para la sostenibilidad de los ecosistemas. Uno de los ecosistemas más amplios y donde el agua juega un papel más importante es el suelo, que alberga multitud de variedades de microorganismos cuya actividad, en parte resultante en la generación de nutrientes para el desarrollo de las especies vegetales, es totalmente dependiente del contenido de agua en el suelo. En zonas áridas y semiáridas, como es el caso de la cuenca Mediterránea, la escasez de agua supone un grave problema a la hora de gestionar los pocos recursos hídricos disponibles. En este caso, donde las condiciones geográficas son idóneas para el desarrollo de la agricultura, las soluciones pasan por una optimización de las técnicas de riego y un mayor control sobre los recursos hídricos. En este sentido, las técnicas de riego deficitario controlado se han mostrado exitosas en la reducción de la dotación hídrica a los cultivos en fases no críticas. Sin embargo, para realizar una aplicación prudente y eficiente de las mismas, resulta necesario monitorizar el estado hídrico de los cultivos, con el objetivo de que éstos no alcancen situaciones de estrés irreversible en términos de producción o estado vegetativo. Los indicadores que mayor información aportan sobre el estado hídrico de la planta suelen estar relacionados con variables medibles a partir de la propia planta, pero que son difícilmente automatizables debido a las operaciones de manejo asociadas. Este es el caso del potencial hídrico de tallo a mediodía medido con cámara de presión, considerado hasta la fecha como el indicador más fiable del estado hídrico de los cultivos en general. Es por ello que, para lograr una monitorización continua de esta variable, se busquen otras variables del continuo suelo-planta-atmósfera que puedan estar relacionadas y a partir de las cuales obtener una estimación indirecta. El suelo es la matriz de donde la planta adquiere la mayor parte del agua y los nutrientes que necesita para realizar la fotosíntesis. La relación entre el estado hídrico del suelo y el estado hídrico de los cultivos está más que demostrada. Sin embargo, la precisión alcanzada en los modelos de correlación entre ambos estados requiere de una mejora considerable para hacer un uso realmente fiable de los mismos, y esta mejora no solo pasa por encontrar mejores métodos de correlación, sino también por mejorar la precisión de las medidas obtenidas del suelo. Para monitorizar el estado hídrico del suelo, existen diversas metodologías que ofrecen parámetros medibles como el contenido de agua. El método de medida más extendido para monitorizar el contenido de agua en el suelo es a través del uso de sensores dieléctricos. Sin embargo, la precisión de los mismos está sujeta a diversos factores, entre ellos las características propias del suelo donde se instalan y su coste, relativamente alto para el pequeño y mediano agricultor, condicionando una implantación extensiva de la Agricultura de Precisión y limitando a veces la aplicación de algunos desarrollos únicamente a trabajos de investigación. Esta tesis, elaborada bajo la modalidad de compendio de publicaciones, aborda a través de cuatro artículos científicos la propuesta de soluciones accesibles para la medida del estado hídrico del suelo, con especial enfoque en el contenido de agua; explora las limitaciones y retos asociados con la calibración de los sensores dieléctricos de suelo; participa en la generación de nuevos conocimientos y propuestas para un mejor entendimiento del comportamiento del agua en el suelo y de su interacción con las ondas electromagnéticas; y establece nuevos enfoques y modelos que mejoran la predicción del estado hídrico de los cultivos a partir de medidas indirectas y automatizables en suelo y atmósfera. [ENG] This doctoral dissertation has been presented in the form of thesis by publication. Water is a fundamental substance for the development of life on Earth. That is why the search for life on other planets and satellites is based on the presence of water on them. Ecological water management is necessary for the sustainability of ecosystems. One of the most extensive ecosystems where water plays a major role is soil, which hosts a large variety of micro-organisms whose activity, partly resulting in the generation of nutrients for the development of plant species, is totally dependent on the water content of the soil. In arid and semi-arid regions, as it is the case in the Mediterranean basin, water scarcity is a serious problem when it comes to managing the few water resources available. In this case, where the geographical conditions are ideal for the development of agriculture, the solutions involve optimization of irrigation techniques and greater control over water resources. In this sense, regulated deficit irrigation strategies have proven to be successful in reducing the water supply to crops in non-critical periods. However, in order to apply them prudently and efficiently, it is necessary to monitor the water status of the crops, so that they do not reach irreversible stress situations in terms of yield or vegetative state. The indicators that provide the highest amount of information on the water status of the plant are usually related to variables that can be measured from the plant itself, but which are difficult to automate due to the labor and time-consuming associated operations. This is the case of the midday stem water potential measured with a pressure chamber, considered to date to be the most reliable indicator of the crop's water status in general. In order to achieve a continuous monitoring of this variable, it is necessary to look for other variables of the soil-plant-atmosphere continuum that may be related and from which to obtain an indirect estimate. Soil is the matrix from which the plant acquires most of the water and nutrients it needs for photosynthesis. The relationship between soil water status and crop water status is well established. However, the accuracy achieved in the correlation models between the two requires considerable improvement to make a truly reliable use of them, and this improvement is not only to find better correlation methods, but also to improve the accuracy of the measurements obtained from the soil. To monitor soil water status, there are several methodologies that provide measurable parameters such as water content. The most widespread measurement method for monitoring soil water content is through the use of dielectric sensors. However, the accuracy of these sensors is subject to various factors, including the characteristics of the soil where they are installed, and their relatively high cost for small and medium-sized farmers, conditioning the extensive implementation of precision agriculture and sometimes limiting the application of some developments only to research work. This thesis, elaborated under the modality of a compendium of publications, addresses through four scientific articles the proposal of affordable solutions for the measurement of soil water status, with special focus on water content; it explores the limitations and challenges associated with the calibration of soil dielectric sensors; participates in the generation of new insights and proposals for a better understanding of the behavior of water in soil and its interaction with electromagnetic waves; and establishes new approaches and models that improve the prediction of crop water status from indirect and automatable measurements in soil and atmosphere.Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. Está formada por un total de cuatro artículos: Article I. González-Teruel, J.D., Torres-Sánchez, R., Blaya-Ros, P.J., Toledo-Moreo, A.B., Jiménez-Buendía, M., Soto-Valles, F., 2019. Design and Calibration of a Low-Cost SDI-12 Soil Moisture Sensor. Sensors, 19, 491. DOI: 10.3390/s19030491 - Article II. González-Teruel, J.D., Jones, S.B., Soto-Valles, F., Torres-Sánchez, R., Lebron, I., Friedman, S.P., Robinson, D.A., 2020. Dielectric Spectroscopy and Application of Mixing Models Describing Dielectric Dispersion in Clay Minerals and Clayey Soils. Sensors, 20, 6678. DOI: 10.3390/s20226678 Article III. González-Teruel, J.D., Jones, S.B., Robinson, D.A., Giménez-Gallego, J., Zornoza, R., Torres-Sánchez, R., 2022. Measurement of the broadband complex permittivity of soils in the frequency domain with a low-cost Vector Network Analyzer and an Open-Ended coaxial probe. Computers and Electronics in Agriculture, 195, 106847. DOI: 10.1016/J.COMPAG.2022.106847 Article IV. González-Teruel, J.D., Ruiz-Abellon, M.C., Blanco, V., Blaya-Ros, P.J., Domingo, R., Torres-Sánchez, R., 2022. Prediction of Water Stress Episodes in Fruit Trees Based on Soil and Weather Time Series Data. Agronomy, 12, 1422. DOI: 10.3390/agronomy12061422Escuela Internacional de Doctorado de la Universidad Politécnica de CartagenaUniversidad Politécnica de CartagenaPrograma de Doctorado en Tecnologías Industriale

Optimizing Plant Water Use Efficiency for a Sustainable Environment

The rising shortage of water resources in crop-producing regions worldwide and the need for irrigation optimisation call for sustainable water savings. The allocation of irrigation water will be an ever-increasing source of pressure because of vast agricultural demands under changing climatic conditions. Consequently, irrigation has to be closely linked with water-use efficiency with the aim of boosting productivity and improving food quality, singularly in those regions where problems of water shortages or collection and delivery are widespread. The present Special Issue (SI) showcases 19 original contributions, addressing water-use efficiency in the context of sustainable irrigation management to meet water scarcity conditions. These papers cover a wide range of subjects including (i) interaction mineral nutrition and irrigation in horticultural crops, (ii) sustainable irrigation in woody fruit crops, (iii) medicinal plants, (iv) industrial crops, and (v) other topics devoted to remote sensing techniques and crop water requirements, genotypes for drought tolerance, and agricultural management. The studies were carried out in both field and laboratory surveys, with modelling studies also being conducted, and a wide range of geographic regions are also covered. The collection of these manuscripts presented in this SI updates on and provides a relevant contribution for efficient saving water resources

Mejora de la productividad del agua y calidad de la cosecha en uva de mesa cv. ‘Crimson Seedless’

Mención Europeo / Mención Internacional: Concedido[SPA] La investigación de la tesis doctoral en curso se ocupa de la evaluación de la respuestas agronómicas y fisiológicas de madura la uva de mesa madura cv. 'Carmesí Seedless 'a secado parcial de la zona raíz (PRD) y el riego deficitario controlado (RDC) con respecto a otros tratamientos de riego que recibieron diferentes cantidades de agua aplicada. Con este fin, se establecieron cuatro tratamientos de riego: (i) Control, que recibe el 110% de la evapotranspiración del cultivo estándar, ETC, a lo largo toda la estación de crecimiento, siguiendo los criterios de la granja comercial; (ii) RDI tratamiento, regadío similar a los niveles de control durante la pre-envero y en el 50% de la misma durante post pinta (considerado el período no crítico); (iii) PRD tratamiento, regado de una manera similar a la IDI pero alternando (cada 10-14 días) las partes secas y húmedas de la zona radicular, dependiendo de déficit de agua con respecto a capacidad de campo; y (iv) un tratamiento de riego null (NI), que sólo recibió la precipitación natural y riego suplementario ocasional cuando el mediodía el potencial hídrico del tallo (ψs) superó -1.2 MPa. Para establecer ecuaciones de referencia Se utilizó otro tratamiento de riego completo (110-115% ETc). Además, el resultados se extrapolaron a un experimento en macetas con el fin de determinar la el comportamiento fisiológico de este cultivar, bajo condiciones controladas en una invernadero.[ENG] The research of the current PhD Thesis deals with the evaluation of the agronomic and physiological responses of mature table grapes cv. ‘Crimson Seedless’ to partial root-zone drying (PRD) and regulated deficit irrigation (RDI) with respect to other irrigation treatments that received different amounts of water applied. To this end, four irrigation treatments were established: (i) Control, receiving 110 % of crop standard evapotranspiration, ETC, throughout the whole growing season following the criteria by the commercial farm; (ii) RDI treatment, irrigated similar to Control levels during pre-veraison and at 50% of the same during post-veraison (considered the non-critical period); (iii) PRD treatment, irrigated in a similar way to RDI but alternating (every 10-14 days) the dry and wet sides of the root-zone, depending on water deficit with respect to field capacity; and (iv) a null irrigation treatment (NI) which only received natural precipitation and occasional supplementary irrigation when the midday stem water potential (ψs) exceeded -1.2 MPa. To establish reference equations another full irrigation treatment (110-115% ETc) was used. Furthermore, the results were extrapolated to a pot experiment in order to determine the physiological behavior of this cultivar, under controlled conditions in a greenhouse. Chapter I analysed the yield response and chemical quality to long-term deficit irrigation (DI) strategies. No significant differences were found between PRD and RDI with respect to well-watered vines irrigated according to ETc, thus the application of a greater amount of water was not essential for plant behavior and berry development in ‘Crimson Seedless’ table grapes. Both PRD and RDI treatments supposed a water saving of 35% without compromising total yield and its components. Only NI (which received 72% less water than Control) led to a reduction in yield and the weight of clusters/berries compared with the other irrigated counterparts. Water use efficiency was also increased in all DI treatments as many water restrictions were assessed. Regarding chemical berry quality, all deficit irrigation treatments increased berry coloration (evaluated subjectively and objectively) which is considered the main issue of this variety for its marketability. Despite the fact that RDI and PRD received the same amount of annual water applied, PRD induced a greater accumulation of skin anthocyanins, resveratrol and antioxidant capacity. Although PRD did not show significant changes in yield response with respect to RDI, the fact that PRD increased the main bioactive compounds analysed that are beneficial to health, underlined the feasibility of the implementation of this strategy by growers. Chapter II focused on the long-term impact of DI strategies on physical berry quality, with particular attention to the berry firmness, since it is one of the most important characteristics in order to be marketed and for consumer acceptance. Moreover, the storage performance to ascertain the potential shelf-life of this cultivar was reported. RDI and PRD did not noticeably affect physical berry quality after cold storage while the subsequent shelf-life period tended to minimise the difference found at harvest or at the end of cold storage. Furthermore, NI treatment showed the worst sensory scores post-harvest and the most dehydrated clusters and lower berry size. In fact, sensory results were similar in RDI and PRD, which provided grapes that were more acceptable to consumers than well-irrigated vines, mainly due to lower stem browning and higher berry coloration. Remarkably, PRD registered the highest berry shattering, which was correlated with the lower concentration of ABAxylem induced by the grower’s strategy. Thus, the results obtained in Chapters I and II indicate that it is possible to decrease irrigation by applying RDI and PRD to ‘Crimson Seedless’ table grapes without adversely affecting yield and the physicochemical berry quality. The physiological response and vegetative growth to DI strategies were described in Chapter III. The analysis of the physiological fluxes (net CO2 assimilation, ACO2 and transpiration rate, E) and their characteristic attributes (stomatal conductance, gs) determined at leaf scale, under saturating-light conditions, showed a water stress response in accordance to the water stress severity imposed, regardless of irrigation strategy. Comparing post-veraison strategies, PRD induced higher plant and soil water deficit levels than RDI. Nevertheless, PRD neither significantly reduced gs nor increased ABAxylem against expectations. These results suggest a greater root development and root density from PRD with respect to RDI for water uptake. As expected, vegetative parameters were adversely affected by the severe deficit reached in NI, while the leaf area index was also modified by PRD. Principal components analysis (PCA) results showed that inter-annual differences detected between irrigation treatments were higher than those observed between phenological periods, especially when RDI and PRD were compared. Furthermore, maximum daily shrinkage (MDS) was the best plant-water status indicator to ascertain irrigation differences before veraison, whereas other conventional plant water status indicators (such as water potential and transpiration rate, E) might be considered for irrigation scheduling during post-veraison. Different reference lines appeared in Chapter IV from plant water status indicators such as MDS and ψs indicators were obtained during pre and post-veraison periods, respectively, for irrigation scheduling in well-irrigated table grapes cv. ‘Crimson Seedless’. In this sense, MDS and ψs showed better adjustment with mean temperature (Tm) during pre-veraison, while after veraison reference crop evapotranspiration (ET0) and vapour pressure deficit can also be used. The correlation coefficients in MDS decrease during post-veraison due to changes of stem transpiration, the presence of sugar-demanding sinks and the accumulated ABAxylem. Besides this, under commercial conditions, water savings with respect to conventional scheduling based on ETc were achieved when the irrigation scheduling was done using SIMDS around unity (in pre-veraison) and maintaining ψs as a threshold value in well-watered vines (in post-veraison). Moreover, in this Chapter we also observed that some standard cultural practices such as girdling and the collocation of hail mesh to prevent torrential rainfalls might also modify vine water status. From a physiological point of view, the results obtained were extrapolated to a pot experiment in Chapter V. Table grapes showed a substantial loss of photosynthetic capacity as the season progressed both growing in the field (as shown in Chapter III) and in a pot experiment (Chapter V). Crimson Seedless displayed different responses to DI strategies, depending on the diurnal course. At predawn (t1) and early morning (t2), the cultivar showed near-anisohydric behavior, through a less effective stomatal control of drought, whereas at midday (t3), the behavior was near-isohydric. In addition to this, water stress conditions induce avoidance mechanisms to drought, such as stomatal closure, partial defoliation and a reduction in leaf insertion angle. Analysis of the vegetative response does not indicate that PRD vines respond differently, or present a clear distinct adaptive mechanism to water stress with respect to RDI vines. In fact, pruning dry weight was only affected by severe water deficit (NI).Universidad Politécnica de CartagenaPrograma Oficial de Doctorado en Técnicas Avanzadas en Investigación y Desarrollo Agrario y Alimentari