L’ACQUA

• Il ciclo dell’acqua, importanza e funzioni nella

pianta, nel terreno e nella biosfera;

• L’acqua nel terreno e sue dinamiche nel

sistema suolo-pianta-atmosfera;

• La qualità dell’acqua (direttiva nitrati).

Prof. Giancarlo Barbieri - Università di Napoli Federico II

Progetto cofinanziato dal

programma LIFE+

L’ACQUA

Il ciclo dell’acqua

Importanza e funzioni

-nella biosfera

-nella pianta

-nel terreno

L’acqua nel terreno

- dinamiche nel sistema S-P-A

La qualità dell’acqua

Quanta acqua portiamo a casa

quando compriamo 1000 g

880

880

950

860

940

920

890

840

750 800 850 900 950 1000

carota

asparago

lattuga

cavolo

pomodoro

anguria

fragola

mela

Quanta acqua portiamo a casa

quando compriamo 1000 g di ortaggi bio o conv?P=pomodoro, L=lattuga, S=indivia, C=cavolfiore, Z=zucchina

750

800

850

900

950

1000

Conv. 940 935 944 938 913 941 936 929 935 893 952

Biologico 938 933 956 932 924 934 934 929 928 900 951

P1 P2 P3 L1 L2 L3 S1 C1 C2 C3 Z1

– costituente protoplasmatico;

– solvente: mezzo nel quale si svolgono sia le reazioni chimiche sia i processi fisici di diffusione di elementi e metaboliti;

– reattivo: interviene direttamente nelle reazioni enzimatiche catalizzate da idrolasi e idratasi; reagente principale con la anidride carbonica nella fotosintesi;

– funzione meccanica e di sostegno: assicurando la turgidità e la elasticità delle foglie e delle parti non lignificate;

– funzione termoregolatrice: traspirazione.

L’ACQUA NELLE PIANTE E LE SUE FUNZIONI

E’ il principale costituente dei tessuti vegetali non quiescenti

(nei tessuti giovani, in condizioni ottimali raggiunge il 90- 95%)

Il citoplasma è tipicamente il 5-10% di una cellula vivente,

il resto è vacuolo!

L’ACQUA NELLE PIANTE

L'acqua costituisce di solito 80-95%

della massa vegetale in

accrescimento, nel legno (che è per

lo più costituito da cellule morte) è

inferiore, alburno 35-75%, semi di

5-15%

partecipa a tutte le principali reazioni biochimiche

Fotosintesi(6CO2 +12H2O + light energy --> C6H12O6 + 6 O2 + 6H20)

Respirazione

Idrolisi e mobilizzazione delle sostanze di riserva

Germinazione dei semi

La prima fase della germinazione dei semi è l'assorbimento di acqua o

imbibizione.

Alcuni semi sono in grado di assorbire il doppio della loro stessa massa in acqua.

L'assorbimento di acqua fa sì che il seme si ingrossi e rompa i tegumenti.

L'acqua stimola l'embrione a rilasciare gibberelline che a loro volta stimolano

enzimi come l’amilasi ad attaccare l’amido di riserva per produrre energia.

Altri enzimi sono stimolati a formare amminoacidi e costruire le proteine, altri

formano cellulosa, lipidi e acidi nucleici.

Fotosintesi

Compromesso tra H2O e CO2

6CO2 +12H2O + energia luminosa ------> C6H12O6 + 6O2 + 6H20

Una foglia è più probabile che perda H2O che guadagni CO2

Tricomi, stomi infossati prevengono la perdita d'acqua

CO2

bassa

CO2

alta

fogliaH20

molto alta

H20 molto bassa

è responsabile del turgore cellulare indispensabile per

• conferire resistenza meccanica agli organi• l’accrescimento per distensione delle cellule• l’apertura degli stomi, che consente scambi gassosi fra

pianta ed atmosfera (H2O e CO2)

costituisce veicolo di trasporto

• dei nutritivi assunti dal terreno (linfa greggia

ascendente) TRASPIRAZIONE

• degli assimilati ed elaborati (linfa elaborata

discendente)

• delle sostanze di riserva dai siti d'elaborazione

(foglie, ecc) a quelli d'accumulo (radici, semi, ecc.)

Fattori ambientali e accrescimento vegetale

Radiation, CO2, H2O O2 , H2O

H2O H2O

H2OH2O Root zone

Temperature,

Wind speed

Vapor pressure

Root water uptake

Crop transpiration

Affects

crop

growth Root water uptake

Crop transpiration

Root water uptake

Crop transpiration

Affects

crop

growth

Continuum Terreno-Acque sotterranee

Acqua nel terreno

Zona insatura

Acqua capillare

Acque sotterranee

(acqua freatica)

Superficie del terreno

Falda

Zo

na

In

satu

ra

(Zo

na

di

aer

azi

on

e)Z

on

asa

tura

Zona radicale

Soil

Groundwater

Temporary

Saturation

River

Capillary

Vadose

Continuum Terreno-Acque

sotterranee:

variabilità spaziale

Il suolo come serbatoio d'acqua dolce

oceans 97.2%

other0.1%

ground water (750 m underground)

0.7% ice2.0%

136,000,000 miles3

3.5 sextillion gallons

Atmosfera

6%

Laghi

60%

Acqua

nel terreno

33%

Fiumi

1%

Importanza del suolo nel ciclo idrologico globale

• Il suolo trasforma le precipitazioni non continue o la neve in un

approvvigionamento continuo di acqua per la crescita delle

piante

• Il suolo trasforma precipitazioni discontinue in scarichi in

continuo, cioè torrenti e fiumi

• senza suolo: ALLUVIONI!

Accumulo di

acqua nel suolo

RelazioniRelazioni acquaacqua--terrenoterreno

La quantità di acqua immagazzinata nel terreno

è funzione di…

• input di acqua (tipo di precipitazioni, frequenza)

poco frequenti, intensi temporali causano runoff

• Tessitura del terreno

• Struttura del terreno

• Contenuto di sostanza organica (nello strato

superficiale)

• Profondità del terreno

• Presenza di strati di inibizione impermeabili

I terreni più profondi contengono

più acqua

Se presenti

���� runoff

Tessitura e ritenzione idricaI terreni argillosi contengono più acqua

Terreno argilloso

Terreno sabbioso

Contenuto idrico

Suzi

one

Struttura e ritenzione idricaI terreni con buona struttura contengono più acqua

Terreno compatto

Terreno strutturato

Su

zion

e

Contenuto idrico

Sostanza organica del terreno e contenuto idrico

Più S.O. significa più acqua disponibile

s

sreale

V

M=ρ

Porosità (φ)

φ =volume of pores

volume of soil

%1001reale

app

ρ

ρ−=φ

b

sapp

V

M=ρ

b

sb

V

M=ρ

Sostanza organica (% in peso)

Co

nte

nu

to i

dri

co d

el t

erre

no

(in

vo

lum

e)

Capacità di

campo

Punto di

appassimento

b

sb

V

M=ρ

Sostanza organica (% in peso)

Co

nte

nu

to i

dri

co d

el t

erre

no

(in

vo

lum

e)

Capacità di

campo

Punto di

appassimento

PotenzialePotenziale idricoidrico del del terrenoterreno

–– MisuraMisura lo lo statostato energeticoenergetico delldell’’acquaacqua nelnel terrenoterreno

–– Importante perchImportante perchéé mostra quanto le piante devono mostra quanto le piante devono

lavorare per estrarre l'acqualavorare per estrarre l'acqua

–– Le Le unitunitàà didi misuramisura sonosono normalmentenormalmente MPaMPa, , kPakPa, bar (o , bar (o

atmatm))

–– I I potenzialipotenziali idriciidrici sonosono normalmentenormalmente negativinegativi ((tensionetensione

o o suzionesuzione))

–– L'acqua si muove da potenziale maggiore (meno L'acqua si muove da potenziale maggiore (meno

negativo) a un potenziale pinegativo) a un potenziale piùù basso (pibasso (piùù negativo)negativo)

•• ComponentiComponenti

–– ψψtt = potenziale idrico totale= potenziale idrico totale

–– ψψgg = potenziale gravitazionale (la forza di gravit= potenziale gravitazionale (la forza di gravitàà““trascinatrascina”” l'acqua verso il basso)l'acqua verso il basso)

–– ψψmm = potenziale matriciale (dovuto alla forza applicata = potenziale matriciale (dovuto alla forza applicata dalla matrice del terreno dalla matrice del terreno �� ““tensionetensione””))

–– ψψoo = potenziale osmotico (dovuto alla differenza di = potenziale osmotico (dovuto alla differenza di concentrazione attraverso una membrana concentrazione attraverso una membrana semipermeabile, come le radici)semipermeabile, come le radici)

–– Il potenziale matriciale Il potenziale matriciale ψψmm normalmente ha il normalmente ha il maggiore effetto sul rilascio dell'acqua dal suolo alle maggiore effetto sul rilascio dell'acqua dal suolo alle piantepiante

ψ ψ ψ ψt g m o= + +

PotenzialePotenziale idricoidrico del del terrenoterreno

Quali acque nel terreno?

Acqua

gravitazionale

Acqua

capillare

Acqua

igroscopica

Saturazione Capacità di campo Punto di appassimento

CURVE DI RITENZIONE IDRICAIl ΨΨΨΨsuolo, ed in particolare la sua componente matriciale (cioè

quella dipendente dai legami che si instaurano fra acqua e

particelle di terreno), varia al variare dell'umidità del terreno

stesso.

Quindi potremo mettere in grafico, per i vari terreni, la

relazione tra U% e ΨΨΨΨsuolo

Curve di ritenzione idrica

Argilloso

Medio impasto

Sabbioso

Potenziale (bar)

0-15 -10 -5-20

Con

ten

uto

di

acq

ua

(g/1

00 g

p.s

.)

0

10

20

30

40

Argilloso

Medio impasto

Sabbioso

Potenziale (bar)

0-15 -10 -5-20

Con

ten

uto

di

acq

ua

(g/1

00 g

p.s

.)

0

10

20

30

40

Costruzione delle curve di ritenzioneI campioni di terreno saturati vengono posti in una camera a tenuta stagna

(Camera di Richards) nella quale viene immessa aria a pressione nota. La

pressione che si è creata all’interno spinge l’acqua fuori dal campione finché non

viene raggiunto l’equilibrio. Col metodo della doppia pesata si determina

l’umidità del campione a quella data pressione. Eseguendo la stessa operazione

alle pressioni di 0.1, 0.2, 0.3, 0.8, 1.0, 3.0, 8.0 e 15.0 bar si ottiene una serie di

punti (Ψ e U%) che possono essere disposti in un diagramma cartesiano per

l’interpolazione della curva.

Camere di Richards

Per basse e medie pressioni Per alte pressioni

Relazioni tra le diverse “forme” dell’acqua nel

terreno ed i potenziali

0-0.10-15-31bar

Potenziale Coefficiente

igroscopico

Punto di

appassimento

PA

Capacità

di campo

CIC

Capacità idrica

Massima

(saturazione) CIM

Forma Acqua

igroscopicaAcqua

capillare

Acqua gravitazionale

(libera)

Non

disponibile

Disponibile In eccessoSolido

La maggior parte dell’acqua

nei terreni sabbiosi è persa per

gravità (drenaggio)

Relazione tra contenuto idrico e potenziali del terreno

Al punto di appassimento, i terreni argillosi

trattengono anche il 20% di acqua che le piante

non riescono ad estrarre

PA. CICAI.

Acqua

disponibile

Potenziale del terreno (ψψψψ), kPa

(100000 Pa = 100 kPa = 1 bar

L'acqua realmente a disposizione delle piante (Acqua disponibile o

A. Utilizzabile) è quella compresa tra la C. di campo ed il Punto di

appassimento:

Ad (o Au) = C.C. - P.a.

Le costanti idrologiche (C.C, P.a. e Ad), essendo dipendenti dalla

dimensione dei pori e dalla loro incidenza percentuale sulla

porosità totale, differiscono notevolmente da un terreno all'altro

ACQUA DISPONIBILE

Punto di

Appassimento

PA

Capacità di

campo CIC

Acqua

disponibile

Punto di

Appassimento

PA

Capacità di

campo CIC

Acqua

disponibile

Substrati

Substrati

Densità

apparente

Porosità

totale

Porosità

libera

Capacità idrica

ritenuta

pH

EC

(g l-1) (% vol.) (% vol.) (% peso) (% vol.) (mS cm-1)

Torba bionda 90 95 17.5 845.0 76.5 3.6 0.100

Perlite (2 – 5 mm) 96 88 48.3 151.0 14.5 7.4 0.050

Polistirolo (4 –5 mm) 6 55 52.0 57.8 3.2 6.1 0.010

Pomice (2 – 10 mm) 666 74 33.3 277.8 23.9 6.8 0.120

Argilla espansa (5 – 8 mm) 316 85 40.2 19.8 6.9 7.2 0.020

Scorza di pino (3 – 5 mm) 175 89 47.2 34.6 6.1 5.5 0.110

Sabbia fluviale (0.02 – 2 mm)

1614 44 2.0 20.0 35.2 6.4 0.100

Vermiculite 110 80.5 27.5 492.0 53.0 8.3 -

Lana di roccia 80 96.0 - - - - -

L’acqua e i substrati

Curve di ritenzione idrica in due substrati per

idroponica

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.1110100100010000

cm3 c

m-3

Perlite Lapillo

cm

AFP

EAW

WBC

AFP (Air Filled Porosity): contenuto di aria a Ψ = -10 cm

EAW (Easily Available Water): nei contenuti di H2O a Ψ di -10 e -50 cm

WBC (Water Buffering Capacity): nei contenuti di H2O a Ψ di -50 e -100 cm

LRAW (Less Readly Available Water): nei contenuti di H2O a Ψ di -100 e -120 cm

An

dam

ento

cum

ula

to d

ei

con

sum

i e delle p

erdite d

i

acq

ua

An

dam

ento

gio

rna

liero d

ei

con

sum

i e delle p

erdite d

i

acq

ua

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Apr.97 I

Apr.97 III

Mag.97 II

Giu.97 I

Giu.97 III

Lug.97 II

Ago.97 I

Ago.97 III

Set.97 II

Ott.97 I

Ott.97 III

Nov.97 II

Dic.97 I

Dic.97 III

Gen.98 II

Feb.98 I

Feb.98 III

Mar.98 II

Apr.98 I

Apr.98 III

mm

d-1

Ap

po

rti

Perlite

dre

naggio

Perlite

co

nsu

mi

Lap

illo d

ren

aggio

Lap

illo c

on

sum

i

0

20

0

40

0

60

0

80

0

10

00

12

00

14

00

16

00

18

00

20

00

Apr.97 I

Apr.97 III

Mag.97 II

Giu.97 I

Giu.97 III

Lug.97 II

Ago.97 I

Ago.97 III

Set.97 II

Ott.97 I

Ott.97 III

Nov.97 II

Dic.97 I

Dic.97 III

Gen.98 II

Feb.98 I

Feb.98 III

Mar.98 II

Apr.98 I

Apr.98 III

mm

Ap

po

rti

Perlite d

ren

agg

io

Perlite c

on

sumi

Lap

illo dren

agg

io

Lap

illo co

nsu

mi

Caratteristiche idrologiche di miscugli di torba e pomice

in funzione della percentuale di pomice

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Percentuale di pomice

% in Volume

Acqua facilmente disponibile

Capacità tampone per l'acqua

Volume d'aria (per t = - 10 cm)

L’acqua si muove nel terreno per gradienti di energia

e per capillarità

L’acqua si muove in parte perché è una molecola polare

Le conseguenze della polarità

Adesione: attrazione acqua-superfici

solide

Coesione: attrazione acqua-acqua

Forze adesione

Tensione superficiale

Forze di coesione

gravità

menisco

Forze adesione

Tensione superficiale

Forze di coesione

gravità

menisco

Capillarità e Movimento dell’acqua• L’acqua si trova nei piccoli spazi del terreno come pellicola

attorno alle particelle del terreno

• I pori si comportano come piccoli tubi capillari

• L’azione della capillarità trattiene l’acqua nei pori contro la forza

di gravità

• Più piccoli sono i pori, maggiore è la forza dovuta alla capillarità

rispetto ad altre forze (es. gravità)

1000.0015 (argilla)

100.015 (sabbia)

Risalita capillare

(cm)

Raggio del poro

(cm)

• Saturo: moto dell’acqua nel terreno temporaneamente saturo, in cui tutti i pori sono pieni di acqua ed in queste condizioni il potenziale = 0. L’acqua si muove prevalentemente verso il basso

• Insaturo: moto dell’acqua nel terreno in cui i pori sono parzialmente vuoti (aria) e l’acqua si muove per differenza di potenziale da strati di maggiore spessore a strati più sottili

I “movimenti” dell’acqua

Metodo irriguo e movimento

dell’acqua

Root zone

Root zoneRoot zone

Tessitura del terreno e

movimento dell’acqua

• Quando il terreno è saturo, la conducibilità idraulica (Ksat) è

costante

• Quando il terreno non è saturo, la conducibilità idraulica (K)

varia in funzione del potenziale [contenuto idrico] (più acqua =

maggiore velocità)

Conducibilità idraulica (K) = velocità del

moto dell’acqua nel terreno

sabbioso

argilloso

medio impastoC

ondu

cibil

ità

idra

ulc

a(K

) cm

/d

saturo

In sintesi• L’acqua si muove da punti ad alta energia a punti a bassa energia

• Terreni saturi drenano per gravità, il flusso insaturo è per lo piùmediato dalle forze di adesione

• I pori più grandi drenano prima e sono pieni d'aria alla capacità di campo

• Più fine è la tessitura, più K è basso

• Più contorto è il percorso dell’acqua nel terreno, più lento è il suo flusso (tortuosità)

La tortuositLa tortuositàà dipende:dipende:

1)1) dal contenuto idrico dal contenuto idrico

(potenziale idrico)(potenziale idrico)

2)2) dalla struttura del dalla struttura del

terrenoterreno

3)3) dal compattamentodal compattamento

Alt

a t

ort

uo

sità

Bass

ato

rtu

osi

tà

IdoneitIdoneitàà allall’’irrigazioneirrigazione

Dipende principalmente dalla permeabilità del terreno

•>180 mm h-1 troppo permeabili, irrigabili con difficoltà

•180 - 18 mm h-1 adatti all’irrigazione

•18 - 3,6 mm h-1 irrigare con precauzione

•<3,6 mm h-1 impermeabili, quasi impossibile irrigare

35Argilloso

1325Limoso

2550Sabbioso

Nudo

(mm/hr)

Coltivato

(mm/hr)

Tipo di

terreno

Tempo

Vel

oci

tàd

iin

filt

razi

on

e–

i (c

m/s

ec) Permeabilità del terreno

Terreno insaturo (secco)

Velocità Irrigazione/pioggia (es. 1 cm/h)Velocità Irrigazione/pioggia (es. 1 cm/h)

Runoff

KKsatsat

• La traspirazione impone che le piante assumano e

traspirino all'atmosfera quantità rilevanti di acqua.

Esempio: per una coltura tipo che produca 20 t/ha di sostanza fresca il terreno in condizioni climatiche medie fornisce 2000 t/ha di acqua e di queste solo 3 (1,5‰) rimangono nelle proteine, carboidrati ecc. del prodotto finale, 15 (7,5‰) sono rappresentate da acqua di costituzione e di trasporto (utilizzata come solvente e per mantenere la turgidità); la differenza (1982 t = 99,1%) torna nell'atmosfera.

Acqua

2000 t/ha

Traspirazione

1982 t/ha

20 t/ha Sostanza Fresca 5 t/ha Sostanza Secca

(Acqua fissata 3 t/ha)

15 t/ha Acqua di trasportoEnergia Solare

CONSUMI IDRICI

consumo idrico totale = risultante di due componenti che interagiscono:

COLTURALE

Sviluppo vegetativo determinato

da:

clima, fertilità del terreno,

disponibilità idriche, caratteristiche

della pianta (LAI), fase fenologica

AMBIENTALE

Domanda evaporativa determinata

da:

temperatura, radiazione, UR, vento,

disponibilità idrica, caratteristiche

del terreno

++++EVAPORAZIONE

DAL TERRENO

TRASPIRAZIONE DELLA

PIANTA

EVAPOTRASPIRAZIONE

EP

Acqua libera o superficie bagnata

EP

Acqua libera o superficie bagnata

ETP

Coltura

Il peso relativo delle due componenti cambia

con la fase fenologica della coltura

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0 20 40 60 80 100

% di copertura

Trasp. Evap.

Nelle fasi iniziali l’evapotraspirazione è quasi del tutto costituita

da evaporazione dal terreno.

Con lo svilupparsi della coltura prevale la componente

traspirativa.

Percentuale di copertura del terreno

EVAPOTRASPIRAZIONEEVAPOTRASPIRAZIONE

==

CONSUMI IDRICI DI UNA COLTURA CONSUMI IDRICI DI UNA COLTURA

EVAPORAZIONE DAL SUOLOEVAPORAZIONE DAL SUOLO

((maxmax in assenza di coltura e nelle prime fasi)in assenza di coltura e nelle prime fasi)

++TRASPIRAZIONETRASPIRAZIONE

((maxmax quando LAI quando LAI èè massimomassimo))

semina raccolta

100%

0%

EE

TT

LAI max

L’ET è la voce negativa principale del BILANCIO

IDRICO

+ PIOGGIA + RISERVA UTILE + RISALITA CAPILLARE

- EVAPOTRASPIRAZIONE

- RUSCELLAMENTO SUPERFICIALE

(max in terreni argillosi e in pendio)

- INFILTRAZIONE NEGLI STRATI PROFONDI

(max in terreni sabbiosi in piano)

Indispensabile conoscerla per

•adattabilità delle colture a diversi ambienti

•programmazione irrigua

•stime di produttività a scala territoriale

Si esprime in quantità di acqua per unità di

superficie per unità di tempo

Generalmente in mm giorno-1, mm mese-1, mm anno-1

Sapendo che:

1 mm 1 mm

==

1 L m1 L m--22

==

10 m10 m33 haha--11

(1 L = 1 dm3)

1 mm per m2 = 0.01 dm x 10 dm x 10 dm = 1 dm3 m-2

1 L x 10.000 m-2 = 10.000 L ha-1

L’EVAPOTRASPIRAZIONE E’ UNA COMPONENTE DEL

FLUSSO IDRICO NEL SISTEMA

SUOLO-PIANTA-ATMOSFERA

COME TUTTI I FLUSSI (MOVIMENTO DI MATERIALE

ATTRAVERSO UN SISTEMA)

ANCHE L’ET E’ REGOLATA DALLA LEGGE GENERALE

DEL TRASPORTO (analogo alla legge di OHM):

F1→→→→2 = (Ψ2-Ψ1)/Resistenza

Assorbimento

radicaleTraspirazione

Evaporazione

Le differenze di potenziale sono il motore

del flusso evapotraspirativoΨΨΨΨ

aria= -400 ~ -500 bar

ΨΨΨΨsuolo

= - 0.3 ~ -15 bar

ΨΨΨΨfoglia

= -10 ~ -20 bar

Leaf

Stem

Root

UR % ψatm bar

100 0

99 -14

95 -70

50 -930

Ricordando che

IL FLUSSO E’ REGOLATO DALLA LEGGE

GENERALE DEL TRASPORTO

F1→→→→2 = (Ψ2-Ψ1)/Resistenza

STRATEGIE DELLA PIANTA PER RIDURRE IL STRATEGIE DELLA PIANTA PER RIDURRE IL

FLUSSO IDRICO FLUSSO IDRICO

Per ridurre il flusso:

1. Diminuire la differenza di potenziale

2. Aumentare le resistenze

Con differenti strategie

ADATTAMENTO DELLE PIANTE ALLA ADATTAMENTO DELLE PIANTE ALLA

DOMANDA EVAPOTRAPIRATIVADOMANDA EVAPOTRAPIRATIVA

AUMENTO DEL FLUSSO IN INGRESSOAUMENTO DEL FLUSSO IN INGRESSO

(assorbimento radicale)

-aumento potere assorbente delle radici (abbassamento potenziale

radicale) VELOCE

- aumento della superficie assorbente

(sviluppo apparati radicali) LENTO

RIDUZIONE DEL FLUSSO IN USCITARIDUZIONE DEL FLUSSO IN USCITA

(traspirazione)

-aumento della resistenza

con var. morfologiche (peli, ispessimenti cuticola, cere…) LENTO

con chiusura stomatica VELOCE

- riducendo la differenza Ψaria –Ψfoglia, abbassando il Ψfoglia con una

aumento della concentrazione osmotica VELOCE

MECCANISMO OSMOTICOMECCANISMO OSMOTICO

POTENZIALE OSMOTICO = componente negativa (tanto più

negativa quanto più concentrata) del Ψ totale.

Soluzione

meno

concentrata

Soluzione

più

concentrata

Es. Ψ = -10 Es. Ψ = -20

Ψtotale = Ψmatriciale + Ψosmotico + τpressione turgore

Interno della

cellulacostante La priorità della pianta è

mantenerlo costante

TENSIONE OSMOTICA = pressione negativa (suzione) cui è sottoposta l’acqua

separata da una soluzione più concentrata da una membrana semipermeabile.

La pianta riduce il potenziale osmotico (aumenta la negatività del

potenziale es. da –15 a –20 bar) aumentando l’ingresso nelle

cellule di K+ (pompe protoniche).

Oltre un certo limite (specifico: -15 ~ -20 bar) si abbassa anche τ

⇒ perdita di turgore e appassimento

Stress idrico

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

30 40 50 60 70 80 90

Giorni dal trapianto

Ag

giu

sta

men

to o

smo

tic

o

diu

rn

o (

MP

a)

0%

0.25%

0.50%

1%Aggiustamento osmotico fogliare

diurno in funzione del tempo.

I simboli indicano il livello di

salinità del trattamento irriguo (%

NaCl).

DEFINIZIONIDEFINIZIONI

ETo (zero) o ETP (Potenziale) o ETr (reference) = ET di

riferimento (di un prato di festuca alto 10-12 cm, cresciuto senza

fattori limitanti)

ETmax o ETc (crop) = ET massima della coltura (in assenza di

fattori limitanti)

ETr (reale) o ETa (actual) o ETe (effettiva) = ET della coltura in

esame nelle condizioni reali ( è sempre ≤ ET max)

ETmax = ETo x Kc

Kc = coefficiente colturale (rapporto tra l'ET della nostra coltura e

quella del prato di riferimento)

Si preferisce partire da una domanda climatica

dell’atmosfera a un sistema terreno-pianta, a cui il sistema

risponde con un’effettiva evapotraspirazione di acqua. La

domanda climatica si chiama

EVAPOTRASPIRAZIONE POTENZIALE

per definirla si fa riferimento a una situazione specifica,

standard:

•prato uniforme di Festuca arundinacea (copre il terreno

per gran parte dell’anno in diversi climi, vegeta bene sia

alte sia a basse T)

•in condizioni di rifornimento idrico ottimale

•tenuto a un’altezza tra 7 e 14 cm

•sufficientemente esteso da evitare effetto oasi

•esente da fitopatie

LL’’evapotraspirazione potenzialeevapotraspirazione potenzialeMetodi diretti

Bilancio idrico:

T + E (=ET) = (An + I) ± ∆∆∆∆Rt - P

dove:

•T = Traspirazione

•E = Evaporazione dal terreno

•An = Apporti naturali (Piogge, Falda)

•I = Apporti artificiali (Irrigazione)

•∆∆∆∆Rt = Variazioni della Riserva del terreno

•P = Perdite (Ruscellamento, Percolazione)

Si può effettuare in pieno campo se non è presente falda (è difficile valutarne gli apporti!) ed evitando, per quanto possibile, le perdite per ruscellamento e/o percolazione. Le variazioni della riserva si valutano attraverso profili di umidità (prof. ≥≥≥≥ 1 m). Con la pacciamatura si può evitare l'evaporazione dal terreno, per la stima della sola traspirazione.

LL’’evapotraspirazione potenzialeevapotraspirazione potenzialePuò essere misurata direttamente

in lisimetri a pesata, dove in un cassone cresce la coltura di

riferimento e viene pesato con frequenza giornaliera; è difficile e

oneroso, limitato a centri di ricerca

oppure con bilancio idrico (tecniche recenti: eddy covariance)

LL’’evapotraspirazione potenzialeevapotraspirazione potenziale

Può essere stimata a partire dai dati climatici: dipende infatti

principalmente dalla radiazione netta (apporto di energia per

l’evaporazione dell’acqua) e dal gradiente di pressione di vapore tra

foglia e ambiente (umidità relativa e vento)

Formule per stimarla

Ci sono almeno un centinaio di formule, tutte con validità più o meno locale

Penman – Monteith: tiene conto di tutti i fattori di cui sopra su base fisica, è tra le

più precise. Richiede: Radiazione netta (ricavabile da quella globale), Tmax e

Tmin, URmax e URmin, velocità del vento, flusso di calore nel suolo (stimabile da

altre grandezze o trascurabile su scala di 3-5 giorni). Occorrono quindi stazioni

meteo complete

Altre formule:

Hargreaves: richiede Tmax e Tmin; Priestley-Taylor: richiede radiazione globale

e T; Blaney-Criddle, che usa la T, UR e Vento, o Thornthwaite, che usa la T

media mensile; è molto apprezzata dai climatologi, ma quasi inutile per gli

agronomi.

Penman – MonteithRappresenta lo standard internazionale di riferimento per questi

studi. Serve per la validazione di altre formule.

E' un modello basato sul bilancio energetico della superficie

evaporante. Richiede la conoscenza di molti parametri climatici.

∆ (Rn - G) + ρa cp (es - ea/ra)

ET = ___________________________________________

∆ + γ (1+ rs/ra)

∆ = pendenza della relazione VPD vs. Temp.

Rn = radiazione netta

G = flusso di calore nel suolo

ρa

= densità media dell'aria

cp

= calore specifico dell'aria

es -

ea = VPD dell'aria

γ = costante psicrometrica

ra = resistenza aerodinamica

rs

= resistenza superficiale (r stomatica + r cuticolare + r del suolo)

Come misurare le resistenze

rc = rs/LAI

LAI = f [GDD]

GDD = (Tmax+Tmin)/2 – Tbase

rs= f [ 1/Ia]

PenmanPenman--MonteithMonteith vs vs HargreavesHargreavesdati dati decadalidecadali CampaniaCampania

La differenza media è di 1,3 mm/decade, solo 8 decadi superano 10 mm di differenza

HARGREAVES

ETo = 0.0023*(Tmed +17.8)*(Tmax – Tmin)0.5 *Rad

Rad = Radiazione astronomica, desumibile da tabelle in

funzione della data e della latitudine, in mm/giorno

Hargreaves mm/giorno

8765432

Penm

an-M

onte

ith m

m/g

iorn

o

8

7

6

5

4

3

2

mese 40°NGEN 6.4FEB 8.6MAR 11.4APR 14.3MAG 16.4GIU 17.3LUG 16.7AGO 15.2SET 12.5 OTT 9.6 NOV 7.0 DIC 5.7

Altre tecniche per stimarlaEvaporimetri: dispositivi con acqua che evapora e che viene

misurata

•di tipo diverso, funzionano tutti abbastanza bene perché

l’evaporazione è condizionata dagli stessi fattori che

condizionano la coltura.

I più usati sono:

•Classe A, cilindro di 1,2 m di diametro e 25 di altezza

poggiato su una pedana

•Colorado: quadrato, di 1 m di lato, interrato con l’acqua a

livello suolo

•Piche: una provetta rovesciata, chiusa con carta da filtro e

posto al riparo dalla radiazione. Costa poco e in rapporto ai

costi va bene (utile a livello aziendale)

Tutti gli evaporimetri hanno bisogno di coefficienti correttivi

(UR, vento) per dare un valore di ETP

ET0 = kvasca x Evasca

Kvasca = Coefficiente di vasca (rapporto

ET festuca/Evaporato)

può dare indicazioni sui fattori di

resistenza della pianta rispetto

all’evaporazione dal pelo libero

dell’acqua.

Più è basso, più predominano i fattori

di resistenza della pianta al flusso

Atmometro di Bellami modificato

La capsula porosa è coperta da una cuffia di tessuto verde per simulare il colore

e la rugosità di una coltura.

In tal modo esso costituisce un modello fisico che simula il processo

evapotraspirativo di una coltura.

Se correttamente posizionato (circa 1 m al di sopra della coltura e senza ostacoli

intorno), il consumo di acqua dovrebbe corrispondere direttamente all'ETP e

quindi, in teoria, non occorrerebbe correggerlo con coefficienti.

- Atmometro

Apparecchio a lettura autom .

LL’’evapotraspirazione massimaevapotraspirazione massima

A una certa evapotraspirazione potenziale corrisponde

un’evapotraspirazione reale da parte della coltura. Se la coltura è nelle

stesse ottimali condizioni viste per l’ETP, e l’unica limitazione alle

perdite di acqua è lo sviluppo della coltura stessa (che ad es. non

ricopre completamente il terreno), si parla di

EVAPOTRASPIRAZIONE MASSIMA.

All’evapotraspirazione massima la coltura è in condizioni fisiologiche

ottimali, max produzione di s.s. Non sempre però in questa condizione

si ottiene il massimo del prodotto desiderato e allora si parla di

EVAPOTRASPIRAZIONE MASSIMA AGRONOMICA,

per la quale si ottiene il massimo del prodotto voluto (es bietola a

ETM produce troppe foglie e i fittoni non hanno il max contenuto di

saccarosio)

Efficienza dell’irrigazione

oneLisciviaziFrazione erditePTE

Resa

V

ResaWUE

tot +++==

Costo dell’irrigazione

Volumi stagionali m3/ha

ETmax=Xmax

LL’’evapotraspirazione massimaevapotraspirazione massima

Per calcolare l’evapotraspirazione massima sono disponibili i

coefficienti colturali Kc, che moltiplicati per l’ETP danno una stima

dell’ETM. Essi variano in funzione della coltura e dello stadio di

sviluppo della stessa. In linea di massima dipendono dal LAI della

coltura

Si riconoscono 4 stadi:

1) iniziale: germinazione, emergenza, sviluppo fino a LAI di circa 1

Kc=0,3

2) di copertura: da LAI 1 a LAI 3 (copertura completa del suolo) il

Kc cresce linearmente da 0,3 a 1

3) di pieno sviluppo Kc= 1 - 1,2 (fioritura)

4) di maturazione, formazione di semi e frutti; la senescenza della

pianta riduce la traspirazione da 1 si scende fino a 0,5 - 0,3

(dipende dalle condizioni della pianta al momento della raccolta)

CALCOLO DELL’ETM (o ETc)

L’Evapotraspirazione massima è il consumo di una coltura in

condizioni idriche ottimali e senza alcun altro fattore limitante.

ETM = ETP * kc

Durante il ciclo colturale l’andamento del kc segue quello del LAI.

Valori per il

MAIS

I

0.3

0.5

0.7

0.85

1.05

1.20

0.80

0.95

0.55

0.60

4-5a foglia

(10% cop.) Iniz.Inf.♂♂♂♂(>80% cop.)

M.L

M.C

UR

<7

0%

Ven

to<

5 m

/s

UR

>7

0%

Ven

to>

5 m

/s

Kc per terreno nudo (fase iniziale = Kcini)

CALCOLO DELL’ETE ( o Eta)Una coltura sarà in condizioni di ETM solo subito dopo una

irrigazione (~ terreno alla Capacità di campo) e fino ad un

valore critico (p) di umidità del terreno oltre il quale le piante

ridurranno i propri consumi.

Tale valore critico varia da specie a specie

ETE = ETM*kd = (ETP*kc)*kd

L’acqua disponibile

facilmente utilizzabile

La frazione di Acqua Disponibile, corrispondente al valore di p, viene definita Acqua Facilmente Disponibile (Afd).Se:Adpeso = CIC – Pa e Advolume = Adpeso * densitàallora:Afdvolume = Advolume * p = [(CIC – Pa)*densità] * p

e così anche dalla Riserva Utilizzabile (Ru) si potràricavare la Riserva Facilmente Utilizzabile (Rfu).

cioè:Rfu = Ru * p

= (Advolume* s)) * p

con s=spessore dello strato interessato dalle radici in mm

La Riserva

Utilizzabile

e le radici

Assorbimento di acqua dalle

radici in funzione della

profondità (P) dell’apparato

radicale

Profondità radici

P/4

P/4

P/4

P/4

40%

30%

20%

10%

L' Umidità Critica (Uc) , cioè l'umiditàdel terreno alla quale la pianta comincia a ridurre la traspirazione e, quindi, anche le altre funzioni vitali, potrà essere calcolata così:

Ucps = Pa + [Adps * (1 -p)]

Ucvol = Ucps * d

Esempio per il mais (strato 60 cm):

CICps = 35% Paps = 18% d = 1.1 p=0.55

Adps = 35–18 = 17% Advol = 17*1.1 = 18.7%

Afdvol = 18.7 * 0.55 = 10.3%

Ru(60 cm) = 18.7 / 100 * 600 = 112 mm

Rfu (60 cm) = 112 * 0.55 = 61.6 mm

Ucps = 18 + (17 * 0.45) = 25.65%

Ucvol = 25.65 * 1.1 = 28.2%

Kd = COEFFICIENTE DI DEFICIT

Determinazione della riduzione di traspirazione e, quindi, di

assorbimento di acqua dovuto a carenza idrica nel suolo

Al di sotto di un limite critico la pianta riduce la traspirazione

linearmente, fino a 0 al punto di appassimento:

θsuolo < Lim.Crit. �P.A.LimCrit

P.A.Kd

suoloθ−

−=

Lim.Crit. < θsuolo < C.I.C. �Kd =1

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

umidità suolo (m3 m

-3)

Kd

= E

ta/E

Tc

P.A.P.A.

Lim.Crit.Lim.Crit. C.I.C.C.I.C.

ET e le serreAndamento orario della radiazione globale e della traspirazione in

Gerbera coltivata su pomice

0

5

10

15

20

25

30

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23Ore

g/pianta h-1

0

5

10

15

20

25

30Cal/cm2 h-1

RG ETE

0

5

10

15

20

25

30

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23Ore

g/pianta h-1

0

5

10

15

20

25

30Cal/cm2 h-1

RG ETE

ET e le serreConsumo idrico cumulato e radiazione globale cumulata

in Gerbera coltivata su pomice

0

50

100

150

200

250

1 4 7 10 13 16 19 22Ore

ET

E (

g/p

ian

ta)

RG

(C

al/

cm

2)

RG ETE

RG ETE

Giornata nuvolosa

Giornata limpida

t

Andamento orario della radiazione globale e della

traspirazione in Melone in serra – Spagna)

Andamento di ET0 e Radiazione solare in serra

Almeria - Spagna

Metodo della radiazione solare con Kc

Si basa sulla evapotraspirazione di riferimento per la serra,

ET0:

– ET0 = A [τ Gest]

• L’evapotraspirazione attuale ETM è stimata come:

– ETM = Kc ET0 = Kc [A τ Gest]

• In serra: ETM = Kc ET0serra = Kc [0.67 Gserra - 0.2]

Kc

Evoluzione dei kc in una serra

di plastica (PE)

A=Pomodoro (trapianto 16/10)

B=Peperone (trapianto 1/11)

C=Cetriolo (semina. 16/9)

D=Melone (semina 16/1)

E=Anguria (semina 1/2)

F=Fagiolino (semina 16/9)

G=Melanzana (trapianto 1/10)

PER = periodo dopo

Semina o Trapianto

( )[ ] 188.0R

LAI69.0exp1946.0 ET +λ

⋅⋅−−⋅=

ET e le serre

Effetto del substrato sul coefficiente colturale di

rosa coltivata fuori suolo

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1/4 1/5 31/5 30/6 30/7 29/8 28/9 28/10 27/11 27/12 26/1 25/2 27/3 26/4

Data

Kc

PerliteLapillo PerliteLapillo

In serra:

ETM = Kc ET0serra

3

33

)(

max

minmaxmin

≥=

<−+=

tt

tt

t

LAIsekckc

LAIseLAI

xkckckckc

terrenodimfogliareareadiminLAI

DPxALAI t

t

22 /

10000=

AccumulatoTermicoTempoTTA

cminpiantapermassimafogliareAreaA

cminttempoalpiantaperfogliareAreaA

eA

eAA

t

cbTTAaTTA

t

be

t

kTTA

=

=

=

=

=

++−

− −

2

max

2

max

2

)2

)1

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 500 1000 1500 2000 2500

cm2/pianta

TTA °C

1

2

Calcolo del TTA o GDD

METODO NOAATmax = temperatura max giornaliera

Tmin = temperatura minima giornaliera

• Colture Tb Top Tus

• Solanacee 10 30 40

• Cucurbitacee 12 32 42

2

)(

minmax

1

TTT

agiornalieratemperaturdiutiligradiTT

TTGDD

med

bmed

b

d

d med

n

+=

=−

−=∑

Se Tmax >Tus����Tmax=Tus

Se Tmin < Tb���� Tmin=Tb

Modelli di previsione• I coefficienti nella formula per le serre sono dipendenti

da:

– tipo di serra;

– sistema di climatizzazione (CO2, fog-system,

riscaldamento.....);

– clima esterno prevalente….

• Proposti modelli di previsione più elaborati basati sulla

formula di Penman-Monteith

• Formula radiativa che include l’umidità:

– Modello empirico della formula:

• TR = a (RG) + b (VPD)

• TR = a f1 (LAI) RG + b f2 VPD

[Monteith, J.L., 1965]

( ) ( )

++

−+−

=

a

c

a

aspaN

r

r

r

eecGR

ET

1γ∆

ρ∆

( )[ ] VPDLAIBR

LAIkexp1 AET ⋅⋅+λ

⋅⋅−−⋅=

( )

+⋅

+

−⋅⋅+

++

⋅

=

sb

a

*

a

b

s rrs

LAI

r

rs

Rs

ET

γ

χχ

γ

λλ

1

2

1

P-M equation

( ) ( )

( )2

2

034.01

273

900408.0

u

eeuT

GR

ETasN

++

−+

+−=

γ∆

γ∆

FAO P-M equation

0ET kET CC ⋅= ET Crop(Stanghellini, 1987)

(Baille, 1994)

Modelli di ET

Resistenza della canopy

rc = 100/LAI