Characterization and modeling of the spatial variability of grapevine phenology at the within-field scale

The knowledge and monitoring of grapevine phenology over several seasons are important requirements for the characterization of vine regions, climate change studies and planning of various production activities such as irrigation, fertilization, phytosanitary applications and harvesting at the vine field scale. However, the main studies developed on grapevine phenology consider the vine field as a homogeneous unit of management and do not take into account the spatial variability observed at this spatial scale. Based on previous studies highlighting a significant variability at the within field level in viticulture, this doctoral research aims to characterize the spatial variability of grapevine phenology at the vine field scale, relating the main factors that determine this variability and proposing a spatial prediction model that considers the variability of phenology. In order to answer the above objectives, experiments were carried out in four vine fields located in the Maule Valley (Talca, Chile), considering the main red (Cabernet Sauvignon and Carménère) and white (Chardonnay and Sauvignon Blanc) cultivars planted in Chile. This experiment was carried out over 6 years between years 2009 and 2015. Within each vine field, a regular grid with 12 sampling sites per hectare was defined. Measurements of grapevine phenology, berry maturity (sugar accumulation), plant water status, vegetative expression, yield, climatic variables (temperature and relative humidity), soil physical properties, among others, were performed on each site. The main results showed the existence of a significant spatial variability of the phenological development at the within-field scale, observed for both key phenological stages (budburst, flowering and veraison) and sugar accumulation in berries. This spatial variability was spatially organized and stable over seasons, being comparable even with the observed variability at important spatial scales such as regional or vine valley. At the within-field scale, topography (elevation difference) was identified as the main integrative factor affecting the spatial variability of both grapevine phenology and maturity. If there is no variability in the topography, the soil characteristics become the second factor of the spatial variability of grapevine phenology, while plant variables (vegetative expression and yield) explained the observed variability in sugar accumulation at this scale. The temporal stability observed for the spatial variability of the phenological stages and sugar accumulation of berries allowed an empirical spatial model to be proposed. The model characterizes the spatial variability of these variables at the vine field scale. The originality of the approach is to use a single measurement of the grapevine phenology or sugar accumulation in the berries performed in the field (reference site) and a combination of site-specific coefficients estimated through historical data. The spatial model presented the best results when compared with classical sampling methods, allowing maps of key phenological stages and sugar accumulation to be obtained. This methodology could be used as a practical tool for the planning site-specific management operation at the vine field scale where phenology is essential for decision-making.; Le suivi et la connaissance de la phénologie de la vigne sur plusieurs saisons sont des informations essentielles qui permettent de caractériser les régions viticoles, d’étudier le changement climatique et de planifier des pratiques agricoles telles que l'irrigation, la fertilisation, l'application de pesticides et la vendange à l'échelle parcellaire. La plupart des études menées sur de la phénologie de la vigne, considèrent la parcelle comme une unité de gestion homogène, sans tenir compte de la variabilité spatiale qui existe à cette échelle. Sur la base de travaux précédents qui mettent en évidence une forte variabilité intra-parcellaire en viticulture, ce travail de thèse vise à caractériser la variabilité spatiale de la phénologie de la vigne et les principaux facteurs qui la déterminent à l’échelle d’une parcelle viticole. Il vise aussi à en proposer un modèle de prédiction spatiale qui considère la variabilité de la phénologie de la vigne à cette échelle. Pour répondre à ces objectifs, quatre parcelles expérimentales situées dans la Vallée du Maule (Talca, Chili) ont été utilisées. Celles-ci correspondent aux principaux cépages rouges (Cabernet Sauvignon et Carménère) et blancs (Chardonnay et Sauvignon Blanc) cultivés au Chili. Ce travail a été réalisé tout au long 6 années de 2009 et 2015, au cours desquelles entre de deux et quatre séries des mesures ont été effectuées selon la parcelle viticole. Pour chaque parcelle, une grille régulière de 12 sites d'échantillonnage par hectare a été définie, sur chaque site, des mesures de la phénologie de la vigne, de la maturité des baies (accumulation des sucres), de l’état hydrique de la plante, de l’expression végétative, du rendement, des variables climatiques (température et hygrométrie), des propriétés physique du sol, entre autres, ont été réalisées. Les principaux résultats ont montré l'existence d’une variabilité spatiale de la phénologie de la vigne importante à l’échelle intra-parcellaire. Cette variabilité a été observée autant pour tous les stades phénologiques clés (débourrement, floraison et véraison) et pour l’accumulation des sucres dans les baies. Elle est structurée spatialement et stable au cours du temps. Son importance est similaire à la variabilité observée à des échelles spatiales régionale. Au niveau intra parcellaire, la topographie (différence d'altitude) a été identifiée comme le principal facteur d’influence sur la variabilité spatiale de la phénologie et de l’accumulation des sucres dans les baies. Dans le cas où la variabilité de la topographie de la parcelle viticole est faible, les caractéristiques du sol sont le second facteur expliquant la variabilité spatiale de la phénologie, tandis que les variables de la plante (expression végétative et rendement) expliquent la variabilité observée dans l'accumulation de sucre. La stabilité temporelle de la variabilité spatiale des stades phénologiques et de l'accumulation des sucres dans les baies, a permis de proposer un modèle spatial empirique qui permet d’estimer la valeur ces variables à l’échelle d’une parcelle viticole. L’originalité de l’approche proposée est d’utiliser une mesure ponctuelle de la phénologie ou de la teneur en sucres des baies, effectuée dans la parcelle viticole (site de référence) et une combinaison de coefficients site-spécifiques estimés à partir des données historiques. Ce modèle spatial permet d’obtenir des estimations de meilleure qualité en comparaison avec des méthodes classiques d’échantillonnage. Il permet d’obtenir des cartes pour les stades phénologiques clés et pour l’accumulation des sucres. Cette méthode pourrait être utilisée comme un outil pratique pour la planification de la gestion modulée des opérations au niveau intra-parcellaire, où la connaissance de la phénologie est essentielle pour la prise de décisions.