– CropSyst –crescita e sviluppo delle colture

Sistemi Colturali

Aspetti che affronteremo

• Sviluppo

• Crescita della coltura in relazione a:

disponibilità di luce

temperatura

disponibilità idrica

disponibilità di nutrienti

• Ripartizione degli assimilati

Sistemi Colturali

CropSyst:generico simulatore di colture

CropSyst simula la crescita e lo sviluppo di colture erbacee usando un simulatore generico

Le diverse specie e cultivar sono descritte da un set di parametri che descrivono le caratteristiche morfologiche e fisiologiche della coltura, e quindi la sua risposta all’ambiente (file .crp “crop”)

Sistemi Colturali

Crescita e sviluppo

Sviluppo: procedere della coltura attraverso stadi fenologici (es. dall’emergenza alla prima foglia vera)

Crescita:

• accumulo di biomassa

• sua ripartizione negli organi

Sistemi Colturali

Sviluppo della coltura

E’ molto importante: determina il momento in cui la coltura avrà bisogno di luce, acqua, nutrienti

Alcuni processi vengono simulati o meno in diverse fasi fenologiche…

…mentre la simulazione di altri viene "modulata" in vari modi a seconda dello stadio di sviluppo

Influenza anche il momento di raccolta e quindi la resa

Sistemi Colturali

Sviluppo in CropSyst

Accumulo di gradi giorno, in funzione di:

• temperatura media dell’aria

• temperatura massima e minima per la coltura

• fotoperiodo e vernalizzazione

• stress idrico

L’accumulo di gradi giorno influenza:

• stadi fenologici

• durata dell’area fogliare

Sistemi Colturali

Calcolo gradi giorno

GDDoggi = (Tmedia* – Tbase) · min(fver, ffoto)

Tbase (°C): temperatura minima per la coltura

Tcutoff (°C): temperatura massima per la coltura

Fver, Ffoto: fattori di correzione per vernalizzazione e fotoperiodo

Sistemi Colturali

elsewhereTT

TTT

TTT

T cutoffmediacutoff

basemediabase

media

2

*

minmax

Vernalizzazione

Sistemi Colturali

Vernalization contribution of each day (Vi)

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

-4 3 5 12

Temperature (°C)

Vi

Fotoperiodo

Sistemi Colturali

Influence of photoperiod (long-day crop)

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

6 9 11

Daylenght (h)

f photo

Fasi fenologiche considerateda CropSyst

• Planting event = semina

• Preemergence = pre-emergenza

• Emergence = emergenza (50)

• Active growth = post-emergenza

• Flowering = fioritura (690)

• Grain filling = riempimento granella (720)

• Physiological maturity = mat. fis. (1611)

• Harvest event = raccolta

Sistemi Colturali

Crescita e disponibilità diradiazione luminosa

• Intercettazione della luce

• Fotosintesi

lorda

netta (sottraggo respirazione per mantenimento e crescita)

• Ripartizione assimilati

Sistemi Colturali

Intercettazionedella radiazione

• La stima della radiazione intercettata dalla coltura è importantissima

• Dipende dal LAI (Leaf Area Index)

• Essa influenza direttamente

la fotosintesi giornaliera(radiazione globale PAR biomassa)

il rapporto tra evaporazione potenziale e traspirazione potenziale

Sistemi Colturali

Legge di Lambert-Beer

• Frazione di radiazione intercettata = 1 – e-k·LAI

• Graminacee: k = 0.5 (foglie verticali)

• Leguminose: k = 0.7 (foglie orizzontali)

• k dipende da:

genotipo

ora del giorno

distanza di semina

età della pianta (!!!)

Sistemi Colturali

Radiazione intercettata e LAI

Sistemi Colturali

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

0 1 2 3 4 5

LAI (m2/m

2)

Fra

zio

ne

in

terc

ett

ata

0,7

0,6

0,5

k

Fotosintesi nettain funzione della radiazione

GR = RUE (fint PAR) Tlim

• GR = crescita in funzione della radiazione (kg m-2 d-1)

• RUE = Radiation Use Efficiency =Ligth to above ground biomass conversion (kg MJ-1) =tasso di fotosintesi netta

• fint = frazione di radiazione intercettata

• PAR = Photosynthetically Active Radiation (MJ m-2 d-1)

• Tlim = limitazione da temperatura

Sistemi Colturali

Limitazione da temperatura

Sistemi Colturali

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0 10 20 30 40

Temperatura media (Tavg, °C)

Tlim

Fotosintesi netta in funzionedella radiazione: assunzioni

• RUE deve essere determinata per una coltura in condizioni di crescita ottimali (non limitata da acqua, nutrienti, malattie, parassiti…)

• RUE determinata in condizioni dibasso deficit di pressione di vapore (solo per CropSyst !!!)

Sistemi Colturali

Crescita edomanda traspirativa

GTR = kBT (T / VPD)

• GTR = crescita in funzione della traspirazione potenziale(kg m-2 d-1)

• kBT = biomass-transpiration coefficient(kg m-2) kPa m-1 = tasso di fotosintesi netta

• T = traspirazione (m-3 m-2 d-1) ovvero (m d-1)

• VPD = vapor pressure deficit (kPa)

Sistemi Colturali

Crescita e domandatraspirativa: limiti

• Relazione non valida a bassi valori di VPD

• Va sempre confrontata con la stima in funzione della radiazione

Sistemi Colturali

Crescita potenziale

• GP = min (GR, GTR) (kg m-2 d-1)

• GP = crescita potenziale

• In questo modo considero il fattore più limitante (radiazione o domanda traspirativa)

Sistemi Colturali

Crescita in funzione delladisponibilità di acqua (e azoto)

NF = 1 - (NCcrit-NCa) / (NCcrit-NCmin)

• NF = nitrogen factor

• NCcrit = concentrazione critica (%)

• NCa = concentrazione effettiva nella pianta (%)

• NCmin = concentrazione minima (%)

Sistemi Colturali

Diluizione dell’azoto

Sistemi Colturali

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 2 4 6 8 10

Biomassa aerea totale (t SS / ha)

Conte

nuto

in

N t

ota

le (

kg N

/ t

)

massima

critica

minima

Nessuna crescita

Crescita limitata da N

Crescita non limitata da N

Crescita in funzione delladisponibilità di acqua (e azoto)

• La resistenza stomatica (RSc; day mm-1) aumenta in condizioni di crescita limitata da N

• RScNF = RSc / NF

RScNF = resistenza stomatica della canopy in condizioni limitate da azoto (day mm-1)

NF = fattore di stress da azoto

Da Tp (traspirazione potenziale) si deriva TN (traspirazione limitata da azoto)

Sistemi Colturali

Crescita in funzione delladisponibilità di acqua (e azoto)

• La traspirazione reale (Ta) si calcola a partire da TN sulla base della disponibilità reale di acqua nel suolo e della capacità della pianta di estrarla

• GW = GP (Ta / Tp)

GW = crescita limitata da disponibilità idrica (kg m-2 d-1)

Sistemi Colturali

Crescita in funzione delladisponibilità di azoto

GN = GW · NF

• GN = crescita limitata da disponibilità di azoto (kg m-2 d-1)

• NF = fattore di stress da azoto

Sistemi Colturali

Ma il LAI da dove viene?

Sistemi Colturali

Biomassa

LAI

Profondità

radicale(massima al

raggiungimento

del massimo

LAI)

0

2

4

6

8

10

0 1 2 3 4 5

Biomassa aerea (t SS/ha)

LA

I (m

2/m

2)

LAI = SLA [B / (1 + p B)]

SLA = Specific Leaf Area (m2/kg)

B = biomassa aerea totale (t SS/ha)

p = coefficiente empirico

(Stem/Leaf partition coefficient)

Specific Leaf Area (SLA)

• E’ la quantità di area fogliare prodotta per unità di biomassa che viene ripartita verso le foglie

• Nella pratica non è costante, ma in CropSyst sì

• Al modello si fornisce una media di valori ottenuti in condizioni ottimali all’inizio del periodo di crescita

Sistemi Colturali

Leaf Area Duration (LAD)

• E’ la durata, espressa in gradi giorno, dell’area fogliare

• Ogni giorno viene emessa una certa quantità di area fogliare. La sua vita inizia quel giorno e termina quando sono stati accumulati i gradi giorno pari a LAD

• Lo stressi idrico accelera l’accumulo di gradi giorno (non influenzato da vernalizzazione e fotoperiodo)

Sistemi Colturali

Suddivisione dell’ETP

• L’evapotraspirazione potenziale (ETP) include:

evaporazione dal suolo (EP)

traspirazione dalla pianta (TP)

• Viene ripartita in EP e TP in funzione della copertura del terreno da parte della coltura (come per intercettazione della luce)

Sistemi Colturali

Suddivisione dell’ETP

Sistemi Colturali

Evapotraspirazione potenziale (ETP)

Frazione di luce

intercettata

Frazione di luce non

intercettata

Traspirazione

della coltura

Residui 1-residui

Evapor. dai

residui

Evapor. dal

terreno

Resa della coltura

• CropSyst non prevede, per semplicità, una ripartizione giornaliera degli assimilati

• Solo la biomassa aerea viene simulata giornalmente

• Alla raccolta, viene stimata la quantità di biomassa contenuta nel prodotto utile (resa), in base all’harvest index(influenzato da disponibilità idrica)

Sistemi Colturali