Modelli gestionali
Guida informativa dei modelli gestionali per il controllo fertirriguo del substrato colturale, supportati da WiforAgri/WiforWine

Modello gestionale: Irrigazione

Modello Irrigazione WiForAgri

Introduzione

Il modello di irrigazione WiForAgri costituisce un sistema di monitoraggio, previsione ed allertamento del contenuto idrico del terreno colturale.
Sulla base delle caratteristiche agronomico-colturale del lotto agricolo, selezionabili attraverso l'interfaccia di setting iniziale del modello, il DSS svolgerà giornalmente il bilancio idrico del terreno, secondo la metodologia standard FAO (Irrigation and Drainage Paper No.56), analizzando i termini idrici in entrata e in uscita dal suolo e fornirà giornalmente una serie di informazioni a descrizione dello status idrico attuale, tra cui:
    Evapotraspirazione giornaliera e di lungo periodo (di precisione).
    Deficit idrico del terreno rispetto alla capacità di campo (volume idrico massimo trattenuto dal terreno).
    Il contenuto residuo di acqua facilmente estraibile dalle colture (senza andare incontro a condizioni di stress).
    I termini di pioggia efficace e di risalita capillare.
Figura 1 - Scambi di acqua tra l'atmosfera, il suolo e l'acquifero valutati dal DSS giornalmente attraverso l'equazione di bilancio idrico, al fine della determinazione del deficit idrico del terreno rispetto ad una condizione ideale (capacità di campo)
Figura 2 - Schema concettuale compensazione delle perdite irrigue del sistema di suolo delle piante attraverso interventi di irrigazione.
Oltre a queste informazioni, fornite in formato grafico a lettura immediata, il modello integra un sistema di allertamento automatico (SMS e/o Email) in grado di comunicare all'utente l’avvicinarsi del momento critico per cui è richiesta un'irrigazione. Sarà quindo possibile evitare uno deficit idrico eccessivo e dannoso per le piante e per la produzione conoscendo in anticipo uno stato di criticità idrica che necessità di un intervento di irrigazione.
Il volume di irrigazione ottimale (irrigazione consigliata per il singolo intervento di irrigazione - in metri cubi o litri ad ettaro) sarà fornito dal modello al fine di prevenire episodi di sovrairrigazione, saturazione del terreno e quindi anossia radicale e sprechi della risorsa idrica. Qualora l'utente fornisca un volume eccessivo di acqua il sistema provvederà ad indicare i litri di acqua persi/sprecati per ogni singolo intervento irriguo ritenuto eccessivo.
Il DSS di gestione irrigua sarà inoltre interfacciabile con il modello di concimazione che valuterà una serie di aspetti legati congiuntamente all'irrigazione ed alla concimazione:
    le perdite per lisciviazione dei nitrati nell’acquifero sottosuperficiale
    le quantità di azoto (N) somministrabili in concomitanza agli interventi irrigui (nei sistemi di fertirrigazione).

Dati input: utente

Per il corretto funzionamento del modello l'utente dovrà:
    fornire una-tantum (dati di setup) informazioni agronomiche-colturali sul lotto agricolo irrigato e sul suo terreno;
    fornire giornalmente le eventuali irrigazioni svolte;
    aggiornare periodicamente le fasi fenologiche delle colture irrigate.
Nella seguente tabella si riportano i dati inseriti dall'user.
Dati di setting
Dati di setting (opzionali)
Dati giornalieri
    1.
    Data di semina (per le colture se seminatave)
    2.
    Tipo di coltura: Vite, Mais, Soia, Colza, Sorgo, Fruttiferi (Melo, Pero, e altri)
    3.
    Tipo di terreno: Sabbioso, Sabbia Franca, Limoso, Argilloso Limoso, e altri.
    4.
    Tipo di impianto irriguo: Ad aspersione (sprinkler), a goccia (microirrigazione), a perno centrale (pivot), e altri.
    5.
    Altezza delle piante a pieno sviluppo
    6.
    Profondità della falda conosciuta
    1.
    Tipo pacciamante (alla semina): Artificiale, naturale.
    2.
    Copertura pacciamante (%) rispetto alla superficie del terreno.
    3.
    Resa agricola massima a fine ciclo della coltura (in t/ha)
    1.
    Irrigazioni svolte in data odierna con quantità in metri cubi/ha, o l/ha;
    2.
    Fasi fenologiche BBCH osservate della coltura irrigua (facoltativo)*
Il modello stima l'evoluzione delle principali fasi fenologiche BBCH in base del tipo di coltura. L'utente può scegliere di inserire manualmente le feno-fasi durante la stagione vegetativa per rendere il modello più accurato nella stima del bilancio idrico.

Dati di input: sensori

Il DSS necessità dei seguenti dati meteo giornalieri per funzionare (raccolte dalle stazione WiForAgri)
    1.
    Temperatura media giornaliera [°C]
    2.
    Temperatura minima giornaliera [°C]
    3.
    Temperatura massima giornaliera [°C]
    4.
    Velocità del vento media giornaliera [m/s] - opzionale
    5.
    Umidità relativa minima giornaliera [%]
    6.
    Pioggia totale giornaliera [mm]

Dati di output giornalieri

    1.
    Deficit idrico ad inizio della giornata attuale [mm]
    2.
    Evapotraspirazione giornaliera effettiva e massima possibile [mm]
    3.
    Riserva totale e riserva facilmente utilizzabile [mm]
    4.
    Perdite di acqua di irrigazione per drenaggio profondo [litri/ha] - perdiata giornaliera e cumulata dall'inizioe della stagione
    5.
    Status idrico attuale: indica se si verifica la condizione di stress idrico per le piante (perdita di produttività) all'inizio della giornata attuale.

Dati di output: fine ciclo

    1.
    Evapotraspirazione effettiva totale riferita all'intero ciclo colturale [mm]
    2.
    Evapotraspirazione massima totale riferita all'intero ciclo colturale [mm]
    3.
    Differenza tra evapotraspirazione massima ed effettiva per l'intero ciclo [mm]
    4.
    Resa agricola massima a maturità colturale [t/ha]
    5.
    Resa agricola effettiva a maturità colturale (stimata) [t/ha]
    6.
    Perdita di resa agricola [t/ha]
    7.
    Totale acqua irrigata [mm]
    8.
    Totale acqua irrigata persa per drenaggio profondo [mm]
    9.
    Totale acqua piovuta [mm]

Funzionalità modellistica

Nella routine giornaliera del modello vengono soppesati tutti i parziali di acqua in entrata e in uscita dal sistema (in mm figurati su una sezione verticale di terreno rappresentante la rizosfera) e, facendone il bilancio, viene controllato a che punto è il deficit idrico giornaliero rispetto ad una situazione ottimale (capacità di campo). L'obiettivo del modello è, attraverso l'invio di allarmi all'utente, permettere all'utente di programmare in anticipo le irrigazioni di soccorso e di mantenere il deficit idrico del terreno entro limiti ottimali per le coltivazioni.
L’equazione di bilancio idrico giornaliera del modello è la seguente:
RZWDi = RZWDi-1 – Rei – Ii + ETEi + (ROi + Di) - CRi
Dove:
    Tutti i termini sono riportati in mm/giorno.
    RZWDi è il deficit idrico rispetto alla situazione idrica ideale (terreno alla capacità di campo) che si ha alla fine della giornata attuale.
    RZWDi-1 è il deficit idrico pregresso della giornata precedente a quella attuale.
    Rei è il valore di pioggia effettiva caduta nella giornata attuale
    Ii è il valore dell’irrigazione netta effettuata nella giornata attuale.
    ETEi è il valore della evapotraspirazione effettiva.
    ROi è la quantità di acqua in uscita dal sistema per ruscellamento superficiale.
    Di è la quantità di acqua in uscita dal sistema per drenaggio profondo.
    CRi è la risalita di acqua nel sistema per capillarità. (*situazione particolare: falda superficiale).
Come si vede, i termini negativi sono apportativi per il sistema ossia riducono il deficit idrico (irrigazione, pioggia, risalita di acqua per capillarità). I termini positivi sono invece asportativi per il sistema ossia aumentano il deficit idrico (evapotraspirazione effettiva, acqua persa per ruscellamento/drenaggio).
Considerando il sistema terreno-radici figurativamente come un serbatoio ed il suo contenuto di acqua (in % - umidità) come il livello di acqua del serbatoio possiamo vedere che il contenuto di acqua (umidità) può ricadere all’interno di tre zone di vivibilità per le piante (Figura 3).
Figura 3 - Contenuto di umidità della zolla radicale e zone di vivibilità per le piante
    Nella zona di saturazione (zona blu), il terreno è saturo di acqua in seguito ad un forte evento di pioggia. Le radici sono soggette a stress e si potrebbe andare incontro ad una situazione di ristagno idrico. Tuttavia, in un sistema colturale con sistema di drenaggio ben progettato, il contenuto di acqua di saturazione cala velocemente e si stabilizza rapidamente alla condizione ideale della capacità di campo (il giorno stesso).
    Nel punto di capacità di campo (C.C.) il terreno è nello stato di rifornimento idrico migliore, ossia il rapporto aria/acqua è salutare e il terreno è al suo stato di rifornimento idrico massimo senza che avvenga il fenomeno della saturazione (i macropori sono liberi).
    Con il calare del contenuto di acqua che avviene ad opera delle variabili in uscita dal sistema nel tempo (essenzialmente evapotraspirazione, ossia assorbimento dell’acqua per la vivibilità vegetazionale), il contenuto di acqua giornaliera diminuisce progressivamente rispetto alla capacità di campo, e si crea quindi una condizione di deficit idrico giornaliero (RZWDi), rispetto alla condizione ideale, che viene soppesato nell’equazione di bilancio idrico giornaliero (Eq.1).
    All’interno della zona di rifornimento idrico ottimale (RFU), comunque, non si ha riduzione della evapotraspirazione effettiva (ETE=ETM) e quindi la produttività non scende. Di conseguenza, la finalità del modello è quello di mantenere il contenuto idrico del terreno all’interno di questa zona di non stress per le piante.
Il modello quindi, computa giornalmente il deficit idrico RZWDi e, quando questo raggiunge il punto di stress (limite inferiore) o meglio quando si verifica la condizione RZWDi=RFU invia un segnale in output/allarme per far partire l’irrigazione che farà tornare il contenuto idrico del terreno dal punto di stress alla capacità di campo. In questo modo, il contenuto di acqua oscillerà all’interno della zona di riserva facilmente utilizzabile (RFU) e le piante non andranno mai incontro a stress ed a riduzione della produttività.

Bilancio idrico

Alla seguente tabella vengono forniti alcuni dettagli circa i metodi di calcolo dei singoli componenti considerati nel modello irriguo.
RFU
Irrigazione effettiva
Evapotraspirazione
Resa agricola
Pioggia efficace + Risalita capillare
Il modello calcola giornalmente l’entità di tale riserva (FRU), che dipende dal tipo di terreno (granulometria) e dalla capacità estrattiva della singola specie/coltura coltivata. Tale riserva indica la porzione di acqua facilmente utilizzabile dalle piante stesse senza andare incontro a meccanismi di stress (chiusura degli stomi e riduzione della evapotraspirazione).
Il modello calcolerà il termine di irrigazione efficace sulla base dell’efficienza che varia per tipo di impianto utilizzato. Gli impianti di microirrigazione hanno un’efficienza molto elevata (circa 90%) mentre gli impianti di irrigatori dinamici (Sprinkler) hanno un’efficienza più bassa.
Il modello calcola l’evapotraspirazione potenziale (ET0) che esprime le potenzialità evapotraspirative dell'atmosfera attraverso l’equazione di Hargraves-Semani per il territorio di riferimento. Quindi la corregge attraverso il coefficiente colturale (Kc) per determinare giornalmente l’evapotraspirazione totale della coltura di riferimento.
Il coefficiente Kc viene viene stimato attraverso la metodologia ufficiale FAO (Irrigation and Drainage Paper No.56), ossia viene calibrato giornalmente soppesando tramite varie equazioni i fattori agro-climatici determinanti (vento, umidità, altezza delle piante, intensità e frequenza delle piogge ed infine tipo di terreno). Attraverso questa calibrazione il modello è in grado infatti di integrare neldi calcolo della evapotraspirazione tutti i fattori climatici che l'aumento o la riducono rispetto ad una giornata a condizioni climatiche medie.
Il modello per il calcolo della perdita di resa agricola a fine ciclo si rifà all’equazione sviluppata dalla FAO e utilizzata già nel modello AcquaCrop FAO che pone in relazione la riduzione della evapotraspirazione con la perdita di produttività rispetto ad un massimale (resa agricola massima) attraverso un fattore di risposta specifico per coltura coltura coltivata.
La pioggia lorda rilevata attraverso le stazioni di monitoraggio WiForAgri viene rielaborata escludendo la porzione di pioggia intercettata dalla vegetazione (perdite iniziali) e non immediatamente disponibili per le colture. Quindi, viene quantificata sulla reale porzione che contribuisce alla riduzione del deficit idrico del terreno. Il termine di risalita capillare viene determinato in maniera specifica sul tipo di terreno e sulla profondità della falda rispetto alla base dell’apparato radicale
Figura 5 - Andamento del coefficiente Kc durante i periodi del ciclo vegetativo.

Bibliografia di riferimento

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Allen R., & Pereira L., Raes D., Smith M. (1998). FAO Irrigation and drainage paper No. 56. Rome: Food and Agriculture Organization of the United Nations. 56, 26-40.
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Garcia D., Ramos A., Marín S. (2013). Modeling kinetics of aflatoxin production by Aspergillus flavus in maize-based medium and maize grain. International journal of food microbiology. 162. 182-9. 10.1016/j.ijfoodmicro.2013.01.004.
Kuo Sheng-Feng & Lin Bor-Jang & Shieh Horng-Je. (2019). CROPWAT MODEL TO EVALUATE CROP WATER REQUIREMENTS IN TAIWAN.
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Savana A. P., & Frenken K. (2002). Crop water requirements and irrigation scheduling. FAO irrigation manual, module 4, Harare, 132.
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Modello gestionale: Concimazione

Modello Concimazione WiForAgri

Introduzione

Il modello di concimazione WiForAgri è caratterizzato da una forte livello di personalizzazione e da un'estrema semplicità di utilizzo. In estrema sintesi il modello fornirà stime giornaliere sulla necessità di somministrare i nutrienti NPK (azoto, forsforo e potassio) evitando carenze e/o somministrazioni eccessive (fonte di spreco ed inquinamento). Il modello di concimazione inoltre collabora con il modello di irrigazione ed è utilizzabile anche per le somministrazioni combinate di acqua e nutrienti (impianto di fertirrigazione).
Attraverso l'utilizzo del DSS di concimazione l’utilizzatore potrà conseguire i seguenti obiettivi:
    Ottimizzare le tempistiche e l’intensità degli interventi di concimazione in maniera adeguata alle esigenze nutritive delle specifiche piante coltivate, del terreno di simulazione e dell'anno climatico in corso;
    Ridurre il tasso di lisciviazione dei nitrati verso le fonti d’acqua sensibili a tale forma di inquinamento;
    Somministrare la quantità di fertilizzante NPK nei modi e nei tempi corretti a seconda dei fattori agronomici coinvolti.

Dati di input

I dati di input richiesti all'utente utilizzatore sono suddivisi in:
    dati di setup richiesti una tantum all’inizio del ciclo colturale (es esempio dimensioni e localizzazione appezzamento, tipo di terreno);
    dati giornalieri inseriti dall’utente durante il ciclo stesso (fertilizzazioni ed eventuali irrigazioni effettuate).

Dati di setup

    Concentrazione di Nitrati (NO3) e di Ammonio (NH4+) iniziale nel suolo (analisi terreno).
    Concentrazione di Sostanza Organica nel suolo, di azoto totale e carbonato di calcio totale (analisi terreno).
    Concentrazione di Nitrato nell’acqua di irrigazione al fine del calcolo dei nitrati aggiuntivi (analisi dell’acqua di irrigazione) - dato facoltativo.
Elevata personalizzazione e calibrazione accurata: per ogni coltura selezionabile dall’utente, il modello seleziona automaticamente ben 71 parametri di calibrazione specifici (oltre a quelli inseriti dall’utente) che servono per ottimizzare e personalizzare accuratamente il calcolo del modello per ogni coltura ed ogni specifico ecosistema terreno-piante-clima.

Dati giornalieri

    Quantità di fertilizzante (azoto) somministrato in data odierna (kg/ha);
    Tipo di fertilizzante utilizzato (pronta o lenta cessione).

Dati di output giornalieri

    Quantità di azoto residuo nel terreno (kg/ha) - bilancio dell'azoto:
      Necessità di somministrare azoto (N);
      Necessità di somministrare fosforo (P) e potassio (K);
      Dosaggio suggerito per P e K in base al dosaggio di N della concimazione di effettuata;
    Quantità di azoto rilasciato e disponibile per le piante (kg/ha) relativo alle fertilizzazioni svolte durante il ciclo colturale;
    Quantità di azoto rilasciato per mineralizzazione della sostanza organica del suolo (kg/ha);
    Quantità di azoto minerale intercettato per crescita dell’apparato radicale (kg/ha);
    Quantità di azoto assorbito dalle piante (kg/ha);
    Quantità di azoto residuo nel terreno (kg/ha), parametro necessario per l’attivazione degli allarmi e per la quantificazione delle somministrazioni azotate);
    Volume di acqua irrigua somministrata (in litri/ha) - se configurato assieme al modello di irrigazione.

Funzionalità modellistica

Il modello svolgerà la stima giornaliera delle varie componenti legate alla dinamica dell’azoto rizosferico e le riporterà come variabili di output in forma tabellare e grafica per dare indicazioni dettagliate circa i componenti in entrata e in uscita dal sistema radicale. Svolgerà una stima giornaliera del livello di azoto residuo nel terreno che, a seconda della fase vegetativa considerata (iniziale, media, finale), sarà abbinato ad una soglia minima di allarme.
Il livello di soglia (quantità minima di azoto residuo nel terreno) sarà utilizzato dal modello per l’impostazione degli allarmi mail/SMS.
Il modello al suo interno è suddiviso in tre sotto-modelli:
    Sottomodello di Crescita colturale che stima la crescita delle piante sia in termini di biomassa sia in termini volumetrici dell'apparato radicale.
    Sottomodello del Bilancio dell’Azoto che stima i termini additivi e sottrattivi di azoto nella rizosfera e, svolgendo un bilancio, ne monitora il livello all’interno degli apparati radicale. Il fabbisogno di P e K viene stimato a partire dal fabisogno di N secondo tabelle proporzionali NPK specifiche per coltura.
    Sottomodello del Bilancio Idrico che valuta i volumi di acqua in ingresso e in uscita dal sistema.

Bilancio dell’azoto

    Assorbimento dell’azoto colturale tramite un approccio dinamico, in grado di valutare l’accrescimento della massa colturale (Termine SDW - Shoot Dry Weight) al netto degli eventuali fattori di stress (effetto termico e idrico, negativi sulla crescita).
    Mineralizzazione della sostanza organica.
    Presenza di nitrati nell’acqua di irrigazione.
    Aumento dell’intercettazione dello stock di azoto minerale per crescita progressiva dell’apparato radicale.
Figura 3 - Schema concettuale delle relazioni tra le varie componenti del bilancio dell'azoto all'interno del sottomodello
Il modello, considerando la brevità della stagione vegetativa, presuppone che la deposizione di azoto atmosferico e le emissioni gassose (volatilizzazione, denitrificazione) si equivalgono e quindi si annullino tra loro.
Figura 4 - Rappresentazione tridimensionale simulativa di interazione tra l’apparato radicale effettivo e il suolo bagnato negli impianti di fertirrigazione a doppia fila.

Funzionalità aggiuntiva: zone ZVN

Attivabile su scelta dell’utilizzatore la modalità sviluppata per le zone ZVN (vulnerabili ai nitrati) fa in modo di consigliare una dose volumetrica di acqua di irrigazione per cui la profondità di terreno bagnato dall’impianto non superi la profondità radicale effettiva. Questa modalità permette, tramite l’effettuazione di irrigazioni più frequenti e meno intense, di prevenire la percolazione dell’acqua di falda al di sotto della zona radicale limitando quindi la lisciviazione dei nitrati verso la falda sotto-superficiale.

Bibliografia di riferimento

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Mary B., Guérif J. (1994). Intérêts et limites des modèles de prévision de l’évolution des matières organiques et de l’azote dans le sol. Cahiers Agric. 3, 247–25
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