Software per l’ottimizzazione della fertirrigazione nelle colture fuori

suolo

Dr. Luca Incrocci Dipartimento di Biologia delle Piante Agrarie,

Università di Pisa

E-mail: incrocci@agr.unipi.it

Workshop Risultati del progetto EU “Euphoros- Efficient Use of Inputs in Protected Horticulture”

Donnalucata, (Italy) 6 October 2011

1

Sommario

Introduzione

Nutrient solution calculator v1.0 (foglio elettronico di ExcelTM);

Simulhydro 2.0: simulatore per le differenti strategie di fertirrigazione nella coltivazione fuori suolo (foglio elettronico ExcelTM );

Hydrotools: software multi-languaggio per il calcolo della soluzione nutritiva e della simulazione degli effetti di differenti startegie di fertirrigazione sulla efficienza idrica e dei nutrienti;

2

Introduzione

Il principale obiettivo del progetto è stato quello di ridurre l’impatto ambientale della coltura fuori suolo, massimizzando la produzione;

La composizione della soluzione nutritiva deve essere simile alla concentrazione di assorbimento della pianta (rapporto fra inutrienti e l’acqua assorbita in un dato periodo);

l’uso di una determinata strategia di fertirrigazione può massimizzare l’efficienza idrica e nutritiva

WUE (kg/m3)= produzione totale/quantità di acqua usata

NUE (kg/g)= produzione totale/quantità di acqua usata

3

Introduzione/2

Nel progetto EUPHOROS, UNIPI ha studiato come ridurre l’impatto ambientale della coltura fuori suolo usando diversi approcci:

Ridurre e/o prolungare il più possibile l’uso dei substrati;

Promuovere l’uso di sistemi a ciclo chiuso al posto di quelli a ciclo aperto;

Prolungare il più possibile l’uso della soluzione nutritiva nei sistemi semi-chiusi, usando test rapidi per il monitoraggio giornaliero della soluzione nutritiva ricircolante;

I risultati dell’attività sono riassunti nel deliverable 15:

Advice system fertigation and substrate management with good and poor water quality

4

Visitate il sito WEB di EUPHOROS/1

Potete scaricarlo

gratuitamente! 5

www.euphoros.wur.nl

Visit the EUPHOROS WEB SITE/2

Disponibile in Italiano, inglese

e anche in ungherese! 6

Nutrient Solution calculator v1.0

• Foglio di Excel sviluppato da UNIPI per il calcolo delle soluzioni nutritive, del loro costo. Disponibile nella versione italiana, inglese and ungherese (grazie a Dr. Ombódi Attila dell’Università di Szent István, Ungheria).

•Input necessari:

Composizione chimica dell’acqua;

Ricetta nutritiva della coltura (con anche pH e EC); (contiene un database con 15 ricette nutritive standard);

Contenuto in nutrienti di acidi e concimi (contiene database con i prodotti più utilizzati)

Specifiche tecniche del fertirrigatore;

7

Nutrient Solution calculator V1.0

OUTPUT:

Calcolo della soluzione nutritiva e del suo costo;

calcolo dei quantitativi di sali da sciogliere per preparare lo stock (soluzione “madre”);

Test di precipitazione degli elementio nelle soluzioni stocks.

8

START

Valutazione

acqua irrigua

Test Dati fertirrigatore

Formula nutritiva

database

Formula nutritiva

database

Sali e

acidi

database

Sali e

acidi

database

Seleziona

Formula

nutritiva

Si

Inserisci nuova

formula nutritivaNo

pH and EC

Aggiustamento

formula nutritiva

Seleziona

sali e acidi

ReportReport((stampastampa))

Nuova

concentrazione

soluzioni stocks

No

Si

CalcoloCalcoloCalcoloCalcoloCalcoloCalcolo

Test

precipitazione

sali

Conversione unità misura

Nutrient Solution calculator v1.0: flow-chart

Calcolatore soluzione nutritiva v1.0: report/1

10

11

Calcolatore soluzione nutritiva v1.0: report/2

Simulhydro gestione fertirrigazione: v2.0

• Serve valutazione della quantità di acqua e nutrienti necessaria in una coltivazione fuori suolo e per la simulazione delle concentrazione di N,P,K,Na,Ca, Mg e Cl nella soluzione drenata o ricircolante .

•Input:

Acqua, ricetta nutritiva e concentrazione di assorbimento;

Dati clima (RG e temp aria) o evapotraspirazione giornaliera;

Descrizione sistema di coltivazione (volume tank soluzione nutritiva drenaggio, contenuto idrico del substrato)

Strategie di fertirrigazione: ciclo aperto, semi-chiuso e set-point per la fertirrigazione (ECMAX)

12

Acqua irrigua

Soluzioni stocks

Contenitore

NS

Substrato

Coltura

SISTEMA APERTO Drenato scarico

SISTEMA SEMI-CHIUSO

Traspirazione

Irrigazione

Assorbimento acqua

Iniezione (EC)

Drenaggio reciclato

Acid pH controllo

Controllo pH

Contenitore drenato

Refill

Simulhydro 2.0: sistema modellizzato

13

Strategie di fertilizzazione nella coltura del pomodoro(1):

Sistemi semi-chiusi

Tank

Stocks

Acqua

Strategia A: ECNS variabile

Strategia B: ECNS costante

Tank

Stocks

Acqua

Scarico Scarico

14

0.5

1.5

2.5

3.5

4.5

0 24 6

8 1012 14Nutrients

NaCl

Nut. Sol.

EC

NS (

ds

m-1

)

Days

0.5

1.5

2.5

3.5

4.5

0 24 6

8 1012 14Nutrients

NaClNut. Sol.

EC

NS (

ds

m-1

)

Days

0.5

1.5

2.5

3.5

4.5

0 24 6

8 1012 14Nutrients

NaClNut. Sol.

EC

NS (

ds

m-1

)

Days

Strategy A Strategy B

Strategy C

0.5

1.5

2.5

3.5

4.5

Nutrients

NaCl

Nut. Sol.

EC

D (

ds

m-1

)

Time

Strategy D

Planting

End

Strategia

sistema

aperto

Strategie di fertirrigazione (2):

Sistemi semi-chiusi vs sistemi aperti

15

Area fogliare

Scarico (runoff)

Concentratione ioni

Water uptake

WUE & NUE

Clima

Sistema di coltivazione

Coltura

Coltura

Qualità dell’acqua

Strategia di fertirrigazione

Coltura (produzione)

Input

Strategia di fertirrigazione

Output

Simulhydro 2.0 Fertigation management: sub-routine presenti

16

0

1

2

3

4

5

6Strategy A

EC

(dS

m-1

)

0

1

2

3

4

5

6Strategy B

EC

(dS

m-1)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 900

1

2

3

4

5

Strategy C

Days after planting

EC

(dS

m-1

)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 900

1

2

3

4

5

Strategy D

Days after planting

EC

(dS

m-1)

Simulhydro 2.0: validazione (EC)

17 Massa et al. 2011. Simulation of crop water and mineral relations in greenhouse soilless culture. Environmental Modelling & Software 26 (2011) 711-722.

Strategy A

0

4

8

12

16

Na+

NO3-

Ion c

oncentr

ation (

mol m

-3)

0

7

14

21

28

35

Strategy B

Na+

NO3-

Ion c

oncentra

tion (m

ol m

-3)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Strategy C

0

4

8

12

16

Na+

NO3-

Days after planting

Ion c

oncentr

ation (

mol m

-3)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 900

7

14

21

28

35

Strategy D

Na+

NO3-

Days after planting

Ion c

oncentra

tion (m

ol m

-3)Simulhydro 2.0: validazione (N and Na)

18

Simulhydro (2.0): report

19

HYDROTOOLS: un DSS per la gestione della fertirrigazione della coltura fuori suolo

• DSS freeware sviluppato in collaborazione con CNR-IBIMET Firenze (M. Romani, P. Battista, B. Rapi, M. Bevilacqua, L. Bacci).

• Caratteristiche principali

-Sistema modulare sviluppato in C# Microsoft .Net Frameworks 4.0 -Sistema operativo: da Windows XP sp3 a Windows 7. -Il linguaggio di default del programma è inglese e italiano. -L’architettura del sistema è basata su un database centrale che immagazzina sia gli input che gli output. -Il database implementato si basa su sistema SQLite.

20

Hydrotools: main components

Gestione

Lingua Pannello di

CONTROLLO Manuale

utente

DATABASE

Piattaforma

SQLite

Data

management

NS calculator

(SOL-NUTRI)

Fertigation

management

OFF-LINE (SIMULHYDRO)

Report

Statistica

Grafici

Esportazione

dati

21

22

Hydrotools: nuove funzionalità

• Facile selezione e calcolo delle soluzioni nutritive da utilizzarsi nelle simulazioni;

• Strumento di conversione automatica delle concentrazioni (mg/L o ppm a mol m-3)

• test di valutazione dell’acqua irrigua specie/specifico;

•Nuove funzioni per Simulhydro:

- Possibilità di simulare varie colture da serra; - Il ciclo colturale può essere diviso fino a 12 fasi differenti; - La soluzione nutritiva prima di essere scaricata può soddisfare speciali vincoli ambientali (es. Legge sulle acque reflue); - Simulazione di tutti gli elementi in tre comparti (tank soluzione irrigua, substrato e drenato).

Impianto commerciale semi chiuso

Acqua piovana Acqua pozzo

Daily drenage storage tank Tank of stoccaggio drenato

Drain water

Nutrient solution tank

Mixer

Sector 1

Sector 3

Sector 2

Disinfection

unit

Fertigation strategy

Day-storage tank

23

Disinfezione unità

irrigazione

Tank di stoccaggio soluzione nutritiva

Unita Fertirrigatore

Sector 1

Sector 2

Sector 3

substrato

Drenaggio giorn.

Drenaggio disinf.

Hydrotools partenza

24

Hydrotools: pannello di controllo

25

Scelta della lingua

Esci e salva Esci

26

Gestione del database

27

Gestione del database : inserimento di una nuova acqua

28

Acque già presenti nel database

Gestione del database : inserimento nuovo concime

29

Composizione dei fertilizzanti già presenti nel

database

Inserire qui la composizione del fertilizzante per

ogni ione

Gestione Database: inserimento nuova coltura/stadio

30

Gestione database : inserimento nuova ricetta nutritiva

per coltura/stadio

31

Gestione Database: inserimento nuove soglie

32

Valutazione dell’acqua irrigua, valori minimi e massimi tollerati dalla coltura

Valori guida per la qualità dell’acqua specie-specifici

Concentrazione ionica minima tollerata dalla

specie

Concentrazione ionica massima tollerata dalla

specie

Gestione Database: inserimento nuova concentrazione

di assorbimento

33

Gestione database : inserimento nuovo vincolo

ambientale

34

Solnutri: caricamento

35

Solnutri: calcolo di una NS

36

Solnutri: valutazione acqua irrigua

37

Solnutri: settaggio EC e pH

38

Solnutri: scelta degli acidi e dei fertilizzanti

39

Solnutri: dopo il calcolo

40

Solnutri: calcolo acido secondario

41

42

Solnutri: test di precipitazione soluzioni madri

Solnutri: report

43

Composizione acqua irrigua

Ricetta nutritiva

Composizione soluzione nutritiva

Quantità di Sali e acidi da sciogliere negli stocks

Simulhydro: partenza

44

45

46

Hydrotools: Scelta scenario

47

48

49

Hydrotools: input sistema coltivazione

50

Hydrotools: scelta vincolo ambientale

51

Hydrotools: scelta vincolo fisiologico

52

Hydrotools: opzioni di scarico

Hydrotools: simulhydro

OUTPUT:

Simulhydro salva in un file excel le concentrazione per ogni ione nei tre comparti (soluzione irrigua, substrato e drenato);

Calcola il bilancio idrico e dei nutienti e incluso la WUE e NUE;

Stiamo adesso implementando la parte grafica, per poter creare grafici direttamente dopo l’elaborazione.

53

Hydrotools: grafici

54

0

2

4

6

8

10

12

1

5

9

13

17

21

25

29

33

37

41

45

49

53

57

61

65

69

73

77

81

Co

nce

ntr

azio

ne

N-N

O3 (m

ol

m-3

)

Giorno di simulazione

Ciclo Chiuso ciclo-EC variabile

Cs N-NO3

Cd N-NO3

Cirr N-NO3

Hydrotools: tabelle di output

55

Tabella 4. Bilancio idrico

Parametro

Media

Evapotraspirazione della coltura WU ( L m-2)

252.00

Volume scaricato per ogni rinnovo della soluzione nutritiva (WFL, L m-2)

3.00

Numero di rinnovi della soluzione nutritiva 9.00

Acqua lisciviata a causa dei rinnovi della NS (Wrunoff Lm-2) 27.00

Acqua lisciviata dagli scarichi giornalieri del drenato WCB (L m-2)

0.00

Acqua lisciviata durante il lavaggio del substrato in occasione dei rinnovi della NS (WDw, L m

-2) 108.00

Acqua rimasta nel sistema alla fine del ciclo (WEND, L m-2)

3.00

Totale dell'acqua lisciviata dal sistema WL (L m-2) 138.00

Quantità di acqua necessaria per la coltivazione (WUSE, L m-2)

390.00

Frazione di lisciviazione (LF) 0.35

Primo rinnovo della NS (giorni dalla partenza) 11.00

Frequenza dei rinnovi, con esclusione del primo rinnovo (giorni) 9.20

Efficienza nell'uso dell'acqua (produzione Kg m-3) 28.21

Hydrotools: tabelle output

56

Tabella 8. Bilancio dell'azoto.

Parametro

Media

Quantità totale di N fornito, incluso quello presente nel substrato alla partenza (Nsupply) (g m

-2) 47.1

N lisciviato con i rinnovi della soluzione nutritiva (NFL) (g/m2) 3.55

N leachate by continuos bleeding 0.0

N presente nel drenaggio giornaliero, nel substrato e nel Tank del drenato alla fine del ciclo (g m-2)

1.7

N lisciviato durante il lavaggio del substrato (NDw, L m-2) 13.88

N lisciviato per lo scarico giornaliero del drenato (continuos bleeding) NCB (g m-2)

0.00

Totale N lisciviato (NL) (g m-2) 19.1

N assorbito apparentemente (NU) (g m-2) 28.0

Concentrazione media dell 'N-NO3 nella soluzione nutritiva scaricata per i rinnovi (NL, mol m

-3) 9.4

Concentrazione media dell 'N-NH4 nella soluzione nutritiva scaricata per i rinnovi (NL, mol m-3)

0.0

Efficienza nell'uso dell'azoto (produzione kg/N g) 0.23

Conclusione

Il software sviluppato da UNIPI, con la collaborazione di CNR-IBIMET è un importante strumento di simulazione che può aiutare gli addetti nella gestione della fertirrigazione;

Sarà disponibile sul sito di Euphoros a partire da febbraio 2012.

57

GRAZIE per l’attenzione!!