IL SUOLO e la modellazione delle pressioni, degli impatti e tecniche innovatrici di monitoraggio della

contaminazione da nitrati delle acque

Fabio Terribile Presidente Società Italiana di Pedologia Dip. Agraria, Univ. Di Napoli Federico II

La Comunità scientifica a confronto:

Angelo Basile CNR ISAFoM

1. Decreto Legislativo n. 152/99 (integr. D.L. 258/2000)

Tali fattori dipendono: • Dalla Vulnerabilità intrinseca degli acquiferi ai fluidi inquinanti (caratteristiche litostrutturali, idrogeologiche e idrodinamiche del sottosuolo e degli acquiferi);

• Dalla Capacità di attenuazione del suolo nei confronti dell'inquinante (caratteristiche di tessitura, struttura, contenuto di sostanza organica ed altri fattori relativi alla sua composizione e reattività fisica, chimico-biologica);

• Dalle condizioni climatiche e idrologiche;

•Dal tipo di ordinamento colturale e dalle relative pratiche agronomiche.

“L'individuazione delle zone vulnerabili deve essere effettuata tenendo conto dei carichi (specie animali allevate, intensità degli allevamenti e loro tipologia, tipologia

dei reflui che ne derivano e modalità di applicazione al terreno, coltivazioni e fertilizzazioni in uso) e dei fattori ambientali che possono concorrere a

determinare uno stato di contaminazione.”

Struttura del suolo

Struttura del suolo

Struttura del suolo

S1 S 12

Andisuolo Inceptisuolo

1.E-10

1.E-08

1.E-06

1.E-04

1.E-02

1.E+00

110100100010000 - h (cm)

k (cm/min)

S1 S12

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

110100100010000 - h (cm)

θ

(cm3/cm3)

S1

S12

curve di fuoriuscita del soluto (breacktrough curve)

0.0

0.5

1.0

1.5

0 1 2 3 4 5poro - volumi

Cr

S1 S12

S1 - modello CD S12 - modello CD

S1

S 12

Modello di simulazione

(SWAP)

OUTPUT proprietà funzionali W-80 e SOL-80

PARAMETRI SPAZIALMENTE DIPENDENTI

Proprietà idrauliche

Parametri di trasporto dei soluti

PARAMETRI SPAZIALMENTE INDIPENDENTI

Parametri della coltura (Kc, funzione di attingimento radicale, etc)

Condizioni Iniziali e al contorno inferiore (falda) e superiore (ETp, pioggie, irrigazioni, sversamenti, etc)

Flussi di soluto e di acqua con drenaggio libero

-40

-30

-20

-10

0

10

20

31/05/91 01/07/91 01/08/91 01/09/91 02/10/91 02/11/91

data

W -8

0 (cm

)

-340

-290

-240

-190

-140

-90

-40

10

SOL -80 (mg cm-2)

S1 -acqua S12 -acqua S1 -soluto S12 -soluto

Condizioni disimulazione

Condizione iniziale ContornoInferiore

Contorno Superiore

- Periodo dal 1/6 al 1/12- Ingresso del solutocontinuo fino al 15/9 eaggiunta singola il 15/9.

- Concentrazione del soluto al15/9 della precedentesimulazione.- Potenziale del suolo suolo da –150 cm in superficie a –50 cm a80 cm di profondità.

-Drenaggio libero(Falda profonda).

- Evapotraspirazione uguale ai datimedi del periodo.- Irrigazione settimanale di 300 m3

ha-1.- Conc. del soluto di 5 mg cm-3 finoal 15/9 + 400 mg cm-3 il 16/9.- Piogge medie del periodo.

Flussi di soluto e di acqua con drenaggio libero

-40

-30

-20

-10

0

10

20

31/05/91 01/07/91 01/08/91 01/09/91 02/10/91 02/11/91

data

W -8

0 (cm

)

-340

-290

-240

-190

-140

-90

-40

10

SOL -80 (mg cm-2)

S1 -acqua S12 -acqua S1 -soluto S12 -soluto

Condizioni disimulazione

Condizione iniziale ContornoInferiore

Contorno Superiore

- Periodo dal 1/6 al 1/12- Ingresso del solutocontinuo fino al 15/9 eaggiunta singola il 15/9.

- Concentrazione del soluto al15/9 della precedentesimulazione.- Potenziale del suolo suolo da –150 cm in superficie a –50 cm a80 cm di profondità.

-Drenaggio libero(Falda profonda).

- Evapotraspirazione uguale ai datimedi del periodo.- Irrigazione settimanale di 300 m3

ha-1.- Conc. del soluto di 5 mg cm-3 finoal 15/9 + 400 mg cm-3 il 16/9.- Piogge medie del periodo.

Vi sono input diretti ed indiretti di nitrati (processi a carico di queste

sostanze)

2. Destino Ambientale del nitrato

INPUT

Ap

Bw1

Bw2

C

Risorse idriche

NO3-

SUOLO

NO3-

Trasporto attraverso Fenomeni

Convettivi,Dispersivi e Diffusivi

Lisciviazione

Volatilizzazione

Denitrificazione

Assorbimento

Fertilizzazioni chimiche

Tasso volatilizzazione f(t, pH, H2O,vento, radiazione) Tasso volatilizzazione f(t, pH, H2O,vento, radiazione)

Pool humus Pool residui

Tasso mineral. f(t, wc)

Pool letame

lisciviazione

Pool NO3-

volatilizzazione

Incorporazione residui e morte radici

Pool NH4+

Fertilizzazioni. organiche

Tasso mineral. f(t, wc) Tasso mineral. f(t, wc)

Perdita CO2

Tasso nitrificaz. f(t, wc, no3-/nh4

+)

denitrificazione

Assorbimento pianta - simulazione dinamica assorbimento Tasso nitrificaz. f(t, wc, no3

-/nh4+) Dinamica H2O,

diffusione

C/N

C/N Pool humus Pool residui

Tasso mineral. f(t, wc)

Pool letame

lisciviazione

Pool NO3-

volatilizzazione / Adsorbimento min.

Pool NH4+

Fertilizzazioni. organiche

Tasso mineral. f(t, wc) Tasso mineral. f(t, wc)

Perdita CO2

Tasso nitrificaz. f(t, wc, no3-/nh4

+)

denitrificazione

Assorbimento pianta - simulazione dinamica assorbimento Tasso denitrificaz. f(t, wc, NO3

-/NH4+) Dinamica H2O,

diffusione

C/N

C/N

3.La complessità del bilancio dell’Azoto

4. Il bilancio idrico

Suolo Meteo

Coltura Gestione

Stime (es. biomassa prodotta, drenaggio,

nitrati lisciviati…)

Modello: simulatore della realtà

MODELLO FUNZIONANTE

Mappe di vulnerabilità

Analisi di scenario

Ottimizzazione dei consumi

Etc..

Qualche esperienza da Lombardia, Campania e Calabria

• Altissimo livello di informazioni (siti di monitoraggio) – Circa 15 siti

• Alto livello di informazioni

– Circa 40 siti

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Wc

(m3 /m

3 )

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

13/5

/06

12/6

/06

12/7

/06

11/8

/06

10/9

/06

10/1

0/06

-50 cm

-80 cm

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

13/5

/06

12/6

/06

12/7

/06

11/8

/06

10/9

/06

10/1

0/06

0

20

40

60

80

100

120

140

mm

CropSyst SWAP Misurati Pioggia ed Irr.

-(0-10) cm

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

Wc

(m3 /m

3 )

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

17/2

/05

18/4

/05

17/6

/05

16/8

/05

15/1

0/05

14/1

2/05

12/2

/06

13/4

/06

12/6

/06

-50 cm

-95 cm

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

17/2

/05

18/4

/05

17/6

/05

16/8

/05

15/1

0/05

14/1

2/05

12/2

/06

13/4

/06

12/6

/06

0

2

4

6

8

1

12

14CropSyst SWAP Misurati Pioggia ed Irr.

-20 cm

Andosol (Pianura Sarno) Vertisol (Pianura Sele)

Messa a punto dei modelli: Contenuto d’acqua

0

20

40

60

80 CropSyst Misurati

0-20 cm

0

20

40

60

80

KgNO

3-N/h

a

0

20

40

60

80

1/3/

05

30/4

/05

29/6

/05

28/8

/05

27/1

0/05

26/1

2/05

24/2

/06

25/4

/06

24/6

/06

20-40 cm

40-60 cm

0

20

40

60

80CropSyst Misurati

-(20-30) cm

0

20

40

60

80

KgNO

3-N/h

a

0

20

40

60

80

14/1

/04

14/3

/04

13/5

/04

12/7

/04

10/9

/04

9/11

/04

8/1/

05

9/3/

05

8/5/

05

7/7/

05

5/9/

05

4/11

/05

3/1/

06

4/3/

06

3/5/

06

2/7/

06

-(40-50) cm

-(110-120) cm

Messa a punto del modello: contenuto di nitrati

Andosol (Pianura Sarno) Vertisol (Pianura Sele)

Un esempio a scala puntuale Analisi su coltura di MAIS

(suolo vulcanico nell’Acerrano-Nolano)

acqua (mm) N (kg ha-1) Percolazione H20 (mm) Lisciviazione N (kg ha-1) Biomassa (t ha-1)

920 220 257 127 18,95

1030 (+ 10 %) 440 (+100 %) 366 (+40 %) 328 (+150 %) 19,09 (+ 1 %)

Carta dei suoli Az. Improsta (138 ha)

Un esempio di vulnerabilità a scala aziendale (suoli della piana del Sele)

Probabilità

0-35 %

35-50 %

50-65 % 65-100 %

Irriga

zion

e in 6

-9 t

urni

Irriga

zion

e in 3

-4 t

urni Classe di

probabilità (%)

Superficie aziendale

Irr. 6-9 turni

Irr. 3-4 turni

1 (0-35) 27% 0% 2 (35-50) 51% 75% 3 (50-65) 4% 2% 4 (65-100) 18% 22%

Impossibile visualizzare l'immagine. La memoria del computer potrebbe essere insufficiente per aprire l'immagine oppure l'immagine potrebbe essere danneggiata. Riavviare il computer e aprire di nuovo il file. Se viene visualizzata di nuovo la x rossa, potrebbe essere necessario

Vitrandic Haplustept Udic Calciustert

Impossibile visualizzare l'immagine. La memoria del computer potrebbe essere insufficiente per aprire l'immagine oppure l'immagine potrebbe essere danneggiata. Riavviare il computer e aprire di nuovo il file. Se viene visualizzata di nuovo la x rossa, potrebbe essere necessario eliminare l'immagine e inserirla di nuovo.

Typic Calciustoll

Vertic Haplustalf

Aquic Haplustand

Un esempio di vulnerabilità a scala di paesaggio

Valutazione salvaguardia degli acquiferi

Sito Pedologica (L.E.) Idrologica Modellistica

Scafati Mediamente protettivo Mediamente protettivo Protettivo

Eboli Poco protettivo Poco protettivo Poco protettivo

Bellizzi Protettivo Protettivo Protettivo

Quarto Poco protettivo Poco protettivo Protettivo

Afragola Protettivo Mediamente protettivo Mediamente protettivo

Acerra Mediamente protettivo Poco protettivo Mediamente protettivo

Nola Protettivo Mediamente protettivo Mediamente protettivo

Sant'Anastasia Poco protettivo Poco protettivo Poco protettivo

Villa Literno Mediamente protettivo Protettivo Poco protettivo

Angri Poco protettivo Protettivo Poco protettivo

Sarno Poco protettivo Poco protettivo Poco protettivo

Valutazione rischio potenziale di inquinamento (capacità protettiva dei suoli)

IndfEfInd −=1.

Ind.Ef.= indice di efficienza protettiva dei suoli all’inquinamento da soluti Df = deflusso idrico alla base del profilo

In = flussi in ingresso nel profilo

Ind.

Ef.

Suoli Molto Protettivi

Suoli Protettivi

Suoli Poco protettivi

0

100

200

300

400

500

600

Qua

rto

Sant

'Ana

stasia

Afra

gola

Ace

rra

Nol

a

Bel

lizzi

Vill

a Li

tern

o

Ang

ri

Sarn

o

Scaf

ati

KgN

/ha

0

50

100

150

200

250

mm

Lisciviazione Asporto colturale

Mineralizzazione Drenaggio medio

Gestione Mais-Finocchio

(30 anni di simulazione)

0

5

10

15

20

25

Qua

rto

San

t'Ana

stas

ia

Afra

gola

Ace

rra

Nol

a

Bel

lizzi

Vill

a Li

tern

o

Ang

ri

Sar

no

Sca

fati

Bio

mas

sa t/

ha

MaisFinocchio

(30 anni di simulazione)

% N Lisciv. su Orzo

50 60 70 80 90 100

Villa Literno

Scafati

Sarno

Bellizzi

Nola

Angri

Acerra

Afragola

Quarto

Sant'anastasia

% N Lisciv. Su Finocchio

50 60 70 80 90 100

Quarto

Scafati

Nola

Afragola

Villa Literno

Bellizzi

Sant'Anastasia

Angri

Sarno

Acerra

% N Lisciv. Su Cavolfiore

50 60 70 80 90 100

Acerra

Afragola

Angri

Nola

Sarno

Villa Literno

Bellizzi

Scafati

Sant' Anastasia

Quarto

Gestione Mais-Finocchio

Gestione Pomodoro-Cavolfiore

Gestione Mais-Orzo

0

50

100

150

200

250

Scaf

ati

Sarn

o

Ang

ri

Qua

rto

Sant

'Ana

stasia

Ace

rra

Afra

gola

Vill

a Li

tern

o

Nol

a

Bel

lizzi

Val

.med

io g

iorn

alie

ro m

gNO3

- /l Gest.(mais-orzo)

Gest.(mais-finocchio)Gest.(pomodoro-cavolfiore)Limite EU. (50 mgNO 3

- /l )

020406080

100120140160180200

Scaf

ati

Sarn

o

Ang

ri

Qua

rto

Sant

'Ana

stasia

Ace

rra

Afra

gola

Vill

a Li

tern

o

Nol

a

Bel

lizzi

KgN

/ha

anno

-1

Gest.(mais-orzo)Gest.(mais-finocchio)Gest.(pomodoro-cavolfiore)

ind_eff_fs (%)0 - 5

5 - 10

10 - 15

15 - 20

20 - 25

25 - 30

30 - 35

35 - 40

40 - 45

45 - 50

50 - 55

55 - 60

60 - 65

65 - 70

70 +

1001 ×

−=

InDfIe

Ie = indice di efficienza protettiva dei suoli all’inquinamento Df = deflusso alla base del profilo In = flussi in ingresso nel profilo

PIE1

PIA1

PAL6

PIE2VAP1

PAL8

VAC1PAL5

VAS1

VAC2

PAL3

PAL2

PAL1

PAL7

PAL4

PIE3

PAL9

PAL10

PIE1

PIA1

PAL6

PIE2VAP1

PAL8

VAC1PAL5

VAS1

VAC2

PAL3

PAL2

PAL1

PAL7

PAL4

PIE3

PAL9

PAL10

In presenza di falda superficiale

In assenza di falda superficiale

EFFICIENZA PROTETTIVA DEI SUOLI

DELL’AGRO NOCERINO-SARNESE

SWAP

CROPSYST

Output

Bilanci idrici dei Suoli

Quantità di nitrati lisciviati

Input

Clima •Piogge •Umidità •Vento •Temperature

Suolo •Proprietà fisiche •Proprietà chimiche •Falda

Pianta •Coefficienti colturali •Indici di accrescimento •Asportazioni

Indici di Capacità protettiva dei Suoli

I sistemi geospaziali di Supporto alle Decisioni - SOILCONSWEB

SID: Banca dati spazializzati

Utente

Elaborazioni DSS

Output

Server

L’utente inoltra la richiesta e riceve dati già presenti nel server e derivanti da elaborazioni precedenti.

Il funzionamento del sistema: scenario attuale (statico)

LIFE presentation 29

L’utente inoltra la richiesta, interagisce con il sistema inserendo dati di input (ad es. cambiando i turni irrigui) e riceve dati frutto di elaborazioni/simulazioni in “tempo reale”

Utente •Selezione dell’area

•Avvicendamenti colturali

•Operazioni colturali (es. aratura e

data di esecuzione)

•Irrigazioni (es. quando, come e

quanto)

•Date di semina e raccolta

•Concimazioni azotate (es. tipologia,

data di applicazione, quantità)

Potenziale rischio di inquinamento da Nitrati

Il funzionamento del sistema: scenario potenziale (dinamico)

SID: Banca dati spazializzati Elaborazioni

DSS

Output

Server

Il funzionamento del sistema: scenario dinamico

DISAA UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI MILANO

Sistema esperto aziendale analizza realtà a scala locale di singola unità produttiva e a scala consortile;

è rivolto a imprenditori agricoli, tecnici delle amministrazioni pubbliche, agronomi e studi professionali, tecnici delle Organizzazioni Professionali.

Sistema territoriale fornisce valutazioni a scala regionale, provinciale, comunale e comprensoriale;

particolarmente finalizzato alla pianificazione di misure di intervento sul territorio e allo studio delle relative ricadute;

è rivolto soprattutto alle autorità regionali e amministrative.

ValorE - Sistemi esperti per la valorizzazione degli effluenti di allevamento, la salvaguardia ambientale e la tutela del territorio lombardo

Marco Acutis

DISAA UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI MILANO

Sistema Esperto – flusso dei dati

DISAA UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI MILANO

Sistema Esperto Territoriale

Autenticazione

Selezione di una query predefinita e/o libera

Configurazione di uno scenario

Analisi dei risultati mediante indicatori

Visulizzazione dei risultati in forma cartografica

Importanza dell’interazione tra pedologia, idrologia, agronomia e modellistica per la valutazione della vulnerabilità ai nitrati.

Lo strumento modellistico è capace di fare interagire

dinamicamente il sistema ambientale con la gestione agronomica consentendo: Previsioni produttive e di lisciviazione a scala locale; Confronti fra soluzioni tecniche alternative; Simulazioni di scenari di gestione agronomica a scala

aziendale/territoriale; … etc …

• Si aprono enormi potenzialità utilizzando questi

strumenti per migliorare la delimitazione delle aree vulnerabili.

Qualche conclusione

Di cosa abbiamo bisogno in futuro …

Ambiente fisico

Migliorare la rete di informazioni meteo (numero, qualità del dato, integrare informazioni da enti diversi, radar…).

Creare un database delle proprietà fisiche (idrologiche) dei suoli da associare alla carta dei suoli esistente.

Migliorare la spazializzazione delle informazioni pedologiche (DSM, geofisica, RS, etc…)

- LAST BUT NOT LEAST… DI ESSERE ASCOLTATI !

Mappa della Capacità protettiva dei Suoli

Dati climatici

Dati Pedologici

Dati Idrologici

Dati Falda

Modelli di simulazione

Input

Output

Dati spazializzati

X =

Gestione colturale Livelli produttivi

h (cm)

θ (-) laboratoryfieldfield (lab-scaled)

h (cm)

Se

hc

h (cm)

θ (-)

θ0L

θ0F

SeL(θ0

F)

Profile Site 2 Site 3

Horizon Type Ap A Bw Ap Bw Ap

θ0

(m3 m-3

)

Lab

Field

Scaled

Unit grad.

0.482

0.414

0.414

0.412

0.642

0.502

0.502

0.522

0.559

0.527

0.527

0.537

0.545

0.458

0.458

0.444

0.523

0.484

0.484

0.474

0.474

0.374

0.374

0.373

θr

(m3 m-3)

Lab

Field

Scaled

Unit grad.

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.145

0.145

0.145

0.000

α

(cm-1)

Lab

Field

Scaled

Unit grad.

0.011

0.012

0.007

0.013

0.040

0.021

0.017

0.019

0.018

0.019

0.015

0.019

0.026

0.020

0.010

0.021

0.039

0.021

0.026

0.009

0.009

0.010

0.012

0.008

n

(-)

Lab

Field

Scaled

Unit grad.

1.276

1.228

1.276

1.223

1.269

1.218

1.269

1.344

1.263

1.212

1.263

1.258

1.176

1.198

1.176

1.125

1.176

1.184

1.176

1.341

2.300

2.060

2.300

1.574

k0

(cm h-1)

Lab

Field

Scaled(1)

Scaled(2)

Unit grad.

0.54

-

0.09

0.06

1.41

15.58

-

0.91

0.65

2.81

3.08

-

1.50

1.07

6.11

4.10

-

0.12

0.15

3.52

9.20

-

1.52

1.60

0.99

4.49

-

0.59

0.49

0.34

( ) ( )( ) ( )

21

00

11

== ∫∫ e

e

S

ee

es

eer dS

SdS

SS

kSk

Sk e

ϕϕτ

Fornire uno STRUMENTO (modello funzionante) di supporto nelle scelte

strategiche programmatiche

Comprenderne e definirne le caratteristiche funzionali

Individuare e riconoscere i sistemi ambientali

(atmosfera-suolo-sottosuolo)

Risorse idriche NO3

-

NO3-

NO3-

Un esempio di vulnerabilità a scala di paesaggio