SATURNO: Satelliti e altre tecnologie innovative a supporto di tecniche di fertilizzazione a rateo variabile in risicoltura
Tecnologie innovative per il supporto alle concimazioni di copertura in risaia:
Modellistica di simulazione e strumenti diagnostici basati su smart app per la valutazione dello stato
nutrizionale
Prof. Roberto ConfalonieriUniversità degli Studi di Milano, Cassandra lab
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Il contesto
Pressione crescente sugli agricoltori per la gestione
dell’azoto:
• Direttive comunitarie per diminuire perdite dal sistema e
inquinamento (lisciviazione, volatilizzazione,
denitrificazione)
• Standard qualitativi legati al contenuto in azoto per
alcune colture (e.g., contenuto in proteina per il frumento)
• Massimizzare i profitti anche attraverso la riduzione dei
costi
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Il contesto
Voci di costo per un’azienda risicola di medie dimensioni
(150 ha)Voce di costo €/ha
Affitto terreni 650
Fattori di produzione Irrigazione 217
Semente 154
Fertilizzanti 370
Fitofarmaci 260
Macchinari Manutenzione 201
Deprezzamento 327
Energia Gasolio 200
Elettricità 35
Assicurazione 120
Personale 240
Altro 340
Totale 3114
Fertilizzanti =
quasi il 40% del
totale delle
voci di costo su
cui c’è un
margine per ottimizzare il sistema!
Dati Camera di
Commercio di Vercelli
(2013)
Valutazione stato nutrizionale
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Valutare lo stato nutrizionale della pianta e stimare in modo
affidabile i fabbisogni permette di:
• aumentare l’efficienza d’uso dell’azoto, e quindi la
• sostenibilità ambientale ed economica dell’attività agricola
I fabbisogni di azoto sono di difficile definizione poiché dipendono
da numerosi fattori (e.g., stadio fenologico, pratiche gestionali,
scelta varietale, proprietà fisico-chimiche dei suoli)
Il contesto
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Il contesto
Probabilmente è da diversi anni che sentite parlare di strategie
e strumenti per il supporto alla concimazione…
...complimenti per non esservi scoraggiati!
Motivi dell’insuccesso:
• Il problema è effettivamente complesso (…)
• In parte le tecnologie non erano mature
• In parte gli scienziati hanno la tendenza (a volte) a
complicare
Obiettivo: sviluppare tecnologie che entrino realmente in azienda
Soluzione: rendere semplici gli strumenti e fluidi i flussi di
informazione
1st CONC.DI COPERTURA 2st CONC.DI COPERTURA
ACCESTIMENTO INIZIAZIONE PANNOCCHIA
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Il progetto: flusso di lavoro
Informazione sulla fase fenologica
Acquisizione «mirata» di
dati di campo
Acquisizione Immagini satellitari
Piano di concimazione
Mappa di prescrizione
Quando: identificazione del miglior momentoper concimare i campi test
Quanto: stima dello stato nutrizionaleper le differenti zone identificate
Dove: differenziare i campi in zone a diverso vigore
Gestione dati: creazione delle informazionispazialmente distribuite
ConcimazioneApplicazione: attuazione di una concimazione sito-specifica grazie ad appositi macchinari
Cosa: scelta agronomicasupportata dai dati di campo e spazializzata grazie al satellite
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Il progetto: gli strumenti
Dove
Immagine satellitare pre-concimazione
Il progetto: gli strumenti
Acquisizione "mirata" di dati di campo
Immagine satellitare: guida
pochi rilievi sulle zone con massima variabilità.
Rilievi: valutare lo stato
nutrizionale per dare un
supporto oggettivo al piano
di concimazione.
Campionamenti
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Il progetto: gli strumenti
Quanto
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Strumenti diagnostici
Nel corso degli anni sono state proposte diverse tecnologie
(teoricamente) per diagnosticare lo stato nutrizionale e
supportare quindi la concimazione di copertura.
Perché non hanno penetrato il mercato?
• Radiometria multispettrale (satelliti, Envisat-MERIS)
(In passato) Missioni discontinue e non sempre
operative
(In passato) Risoluzione spaziale e temporale non
sempre adeguata
• Radiometria iperspettrale (da campo)
Troppo costosa per contesti operativi, ingombrante,
delicata
• SPAD, Dualex e simili
Comunque costosi
Caratterizzati comunque da incertezza
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Strumenti diagnostici
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Strumenti diagnostici
• Ma, soprattutto:
Non stimano direttamente il contenuto di azoto nelle
piante
Necessitano di curve di taratura
Il contenuto di azoto non è sufficiente per determinare
lo stato nutrizionale
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Strumenti diagnostici
Per valutare lo stato nutrizionale non basta stimare il
contenuto d’azoto:
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Strumenti diagnostici
“Interpretazione” teorica: l’azoto nella pianta è di due tipi:
• Azoto metabolico
• Azoto strutturale (Greenwood et al., 1991)
Cause della diluizione:
• Aumento relativo di componenti poveri in azoto
(e.g., steli invece di foglie)
• Auto-ombreggiamento – senescenza (Lemaire et al.,
1991)
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Strumenti diagnostici
• Per valutare lo stato nutrizionale ci servono quindi due informazioni:
Concentrazione di azoto critica
Domanda di azoto da parte della pianta
Concentrazione di azoto nei tessuti
Azoto presente nella pianta
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Concentrazione critica di azoto
• Può essere determinata in diversi modi:
Misurando la biomassa aerea (Salette e Lemaire, 1981)
Parametrizzazione molto complessa (e incerta)
Non utile come sistema diagnostico
o Raccogliere un numero rappresentativo di
piante
o Eliminare le radici
o Essiccarle (stufa fino a peso costante)
o Determinare la biomassa (sostanza secca)
…il tutto per ogni punto dell’azienda per il quale
vogliamo effettuare la valutazione!!!
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Concentrazione critica di azoto
• Può essere determinata in diversi modi:
Misurando la biomassa aerea (Salette e Lemaire, 1981)
Determinando indici numerici di sviluppo fenologico
(Williams et al., 1989; Hansen et al., 1991)
Poco pratico come strumento diagnostico
o Calcolare i gradi giorno
o Normalizzarli per i gradi giorno necessari per la
maturazione (molto diversi tra varietà)
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Concentrazione critica di azoto
• Può essere determinata in diversi modi:
Misurando la biomassa aerea (Salette e Lemaire, 1981)
Determinando indici numerici di sviluppo fenologico
(Williams et al., 1989; Hansen et al., 1991)
Stimando l’indice di area fogliare (LAI) (Confalonieri et
al., 2011)
o Molto utile come strumento diagnostico
o …ma occorre stimare il LAI
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Concentrazione critica di azoto
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Concentrazione critica di azoto
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Stimare il LAI
LAI = 1LAI = 2
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Stimare il LAI
Strumenti disponibili per la stima (…) del LAI:
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Stimare il LAI
Strumenti disponibili per la stima (…) del LAI:
• Piuttosto onerosi (costano molto o richiedono molto tempo)
• Spesso caratterizzati da ridotta portabilità
• Non integrabili
con altri strumenti
con sistemi di registrazione dei dati
• In caso di guasto, gli interventi di manutenzione possono
essere lunghi e costosi
…le campagne di misura possono essere interrotte!
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Smartphone
• Sensori di qualità
• Potenza di calcolo
• Sistema di gestione
già disponibile+
Marketing basato su
performance
Giochi
Possibilità di sviluppare strumenti di misura integrabili
• Volumi di produzione
• Pressione competitiva
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PocketLAI
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PocketLAI
• So che l’idea di effettuare misure in campo con un
telefono può generare diffidenza
• Ma l’applicazione è stata valutata insieme agli altri
strumenti in commercio ed ha mostrato un’accuratezza
comparabile
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PocketLAI
IRRI
Beijing
Normal
Univ.
CSIRO
University of
Queensland
University of
Twente
Macquarie
University
IRRI
DEMETER
University of
Salamanca
CNR
farmers
University of
Maryland
CIMMYT
Bamako
AgriGeorgia
AgriChile
AssoFruttiUniversity
of Pecs
District University of Bogotá
Natural
Solutions
University of
Idaho
Cattolica
Assicurazioni
North
Carolina
State
University
Université
catholique
de Louvain
Allianz
University of
Hohenheim
Chinese
Academy of
Science
CIMMYT
INRA
Supagro
University of
Reading
Instituto
Superior
Técnico
Royal
Botanic
Garden
University of
Valencia
Politecnico
di Milano
EcoEdge
Università
di Napoli
Univ.
Milano
Bicocca
TerraSphere
Imaging & GIS
Brandenburg
University of
TechnologyCREA
University of
Auckland
AgSpace
Grupo
Enlasa
Department
of Agriculture
and Food
University of
Sydney
IPF
Ferrero
Università
di Firenze
Università
di Torino
INTA
Univers. Nacional
Autónom. Nicaragua
farmer
Nelson Mandela African Institution
of Science and Technology
CIAT
ICRISAT
Kano
technicians
Mahidol
University
Bidhan
Chandra Krishi
Viswavidyalaya
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PocketLAI
• Posizionare il telefono sotto la copertura vegetale
• Ruotarlo
accelerometro, magnetometro acquisizione a 57.5°
• Processamento automatico
per identificare
i pixel "di cielo"
• Applicazione di un modello
di trasferimento radiativo
• Calcolo del LAI
E’ tutto completamente automatico
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Strumenti diagnostici
• Per valutare lo stato nutrizionale ci servono quindi due informazioni:
Concentrazione di azoto critica
Domanda di azoto da parte della pianta
Concentrazione di azoto nei tessuti
Azoto presente nella pianta
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Concentrazione di azoto
• Ci sono diversi strumenti disponibili:
Alcuni molto semplici
Altri più complessi e costosi
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Concentrazione di azoto
• Ci sono diversi strumenti disponibili:
Stimano indici correlati alla concentrazione di azoto
L’assunzione è che:
o più una foglia è verde, più contiene clorofilla
o più una foglia contiene clorofilla, più contiene azoto
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Concentrazione di azoto
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Concentrazione di azoto
2013 – Volano, Gaggiano
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Concentrazione di azoto
2014 – Selenio, Rosasco
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Concentrazione di azoto
• Abbiamo detto che, comunque, nessuno di questi
strumenti misura direttamente la concentrazione di azoto
La relazione tra colore e contenuto di azoto varia in
base a diversi fattori
Il più importante è il fattore varietà
Servono curve di taratura specifiche per varietà (o
gruppi di varietà) per convertire gli indici rilevati dagli
strumenti in concentrazioni di azoto
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Concentrazione di azoto
Sperimentazione
dedicata per le più
importanti varietà italiane
Supportata
da:
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Concentrazione di azoto
Sono state ottenute curve di taratura specifiche per varietà
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Strumenti diagnostici
• Per valutare lo stato nutrizionale ci servono quindi due informazioni:
Concentrazione di azoto critica
Domanda di azoto da parte della pianta
Concentrazione di azoto nei tessuti
Azoto presente nella pianta
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• PocketLAI
• PocketN
LAI Richiesta di azoto (in vivo, in campo)
Contenuto effettivo di azoto nella pianta+
Supporto alla concimazione azotata (NNI: PNC/Ncrit)=
Valutare lo stato nutrizionale
Test del sistema
• E’ stata allestita una prova sperimentale, replicata nel 2014
e 2015 in due aziende diverse a Rosasco e Gaggiano
Diversa gestione (inclusa scelta varietale)
Diverso suolo (tessitura, sostanza organica)
Meteo diverso nei due anni
• L’obiettivo era testare il sistema in condizioni "operative":
Scenari gestionali plausibili
Niente trattamenti "da sperimentatore"
(e.g., 0 o 180 kg N ha-1)
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Il progetto: gli strumenti
Quando
Quando? Simulatore colturale
Stadio di sviluppo
DVS
Il progetto: gli strumenti
In alcuni stati fenologici le colture riescono ad utilizzare l’azoto con
maggiore efficienza
Importante soprattutto disporre di strumenti efficaci per identificare con
precisione il momento dell’iniziazione della pannocchia
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,
1a CONC.DI COPERTURA 2a CONC.DI COPERTURA
Semina
Accestimento Fioritura
MaturitàFormazione pannocchia
Fase
di Svi
lup
po
Il progetto: gli strumenti
Quando? Simulatore colturale
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Grazie per la pazienza e per l’attenzione
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