Modelli di simulazione e Cropsyst. Mattia Fumagalli

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1 Modelli di simulazione e Cropsyst Mattia Fumagalli

2 Perché si fanno simulazioni La simulazione è un imitazione delle operazioni eseguite nel tempo da un sistema o un processo reale La simulazione permette di: generare una storia artificiale studio e valutazione delle caratteristiche del sistema (analisi delle prestazioni) ottenere risposte su come cambia il sistema se cambia lo scenario

3 Modelli di simulazione Strumenti in grado di riprodurre il comportamento di un sistema complesso in modo semplificato Basati su equazioni matematiche e algoritmi logici, codificati in un linguaggio di programmazione, che descrivono i fenomeni naturali (fisici, chimici e biologici) Possono essere applicati a diverse scale: campo, azienda e territorio.

4 Modelli di simulazione Modelli empirici e meccanicistici Modelli statici e dinamici Modelli deterministici e stocastici

5 Processo di creazione e uso del modello Definizione Calibrazione (parametrizzazione utilizzando dati osservati) Validazione (verificare l attendibilità del modello utilizzando altri dati osservati)

6 Scale di applicazione Singolo processo (volatilizzazione dell ammoniaca; mineralizzazione della sostanza organica nei reflui zootecnici) Sistema colturale (simulazione della resa, dinamica di azoto, carbonio e acqua) Sistema aziendale (simulazione comparto colturale: processo di crescita e sviluppo delle colture e loro interazione con il suolo, simulazione comparto zootecnico: processo di crescita, mantenimento, produzione di latte e reflui degli animali)

7 Strumenti di analisi - modelli Vantaggi: - Utili per spiegare il fenomeno con maggiore dettaglio; - Precisi se ben utilizzati; - Applicabili a diverse scale nello spazio e nel tempo; - Utili per fare una valutazione dettagliata delle criticità. Svantaggi: - Necessità di maggiori e dettagliati input - Maggiore conoscenza del sistema in analisi.

8 Modello che studieremo e utilizzeremo CROPSYST Modello di simulazione deterministico dei sistemi multi-colturali con un time step giornaliero. Simula: bilancio acqua, bilancio azoto, crescita e sviluppo della coltura

9 CropSyst (Cropping System simulation model) Fumagalli Mattia

10 CropSyst (Stockle et al., 2003) E un programma che riproduce il comportamento della realtà in modo semplificato Modello di simulazione dei sistemi colturali, deterministico, multiannuale, multi-colturale Intervallo di integrazione giornaliero ( time step ) Permette di simulare ROTAZIONI pluriennali

11 CropSyst E documentato Perché è stato scelto E in continua evoluzione E un generico simulatore di colture Simula sistemi colturali Accumulo di biomassa Stress ai quali la coltura è sottoposta Alcuni output Movimenti di acqua nel sistema suolo - coltura Movimenti e trasformazioni dell azoto nel suolo

12 Processi simulati Crescita e sviluppo di colture erbacee Bilancio idrico Bilancio dell azoto Stress

13 Crescita e sviluppo Crescita: accumulo di biomassa sua ripartizione negli organi Lo sviluppo è il procedere della coltura attraverso stadi fenologici (es. dall emergenza alla prima foglia vera)

14 CropSyst - Crescita della coltura Crescita della biomassa aerea in funzione della disponibilità di: radiazione luminosa acqua azoto energia radiante concimazioni precipitazioni acqua nel terreno Crescita radicale azoto nel terreno

15 Crescita in funzione della radiazione GR = RUE (fint PAR) Tlim GR = crescita limitata da 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

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17 Crescita in funzione della disponibilità idrica GTR = kbt (T / VPD) GTR = crescita limitata da disponibilità idrica (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)

18 Evapotraspirazione Penman-Monteith Richiede: Temperatura max e min Radiazione Umidità relativa max e min Velocità del vento Prestley-Taylor Richiede: Temperatura max e min Radiazione

19 Crescita in funzione di luce e acqua G = min (GR, GTR) (kg m-2 d-1) In questo modo considero il fattore più limitante (acqua o luce?)

20 Sviluppo in CropSyst Accumulo di gradi giorno, in funzione di: temperatura media dell aria temperature minima e massima per la coltura stress idrico L accumulo di gradi giorno influenza: stadi fenologici durata area fogliare

21 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

22 CropSyst - Ciclo dell acqua precipitazioni e irrigazioni traspirazione run-off evaporazione infiltrazione e percolazione profonda

23 CropSyst - Ciclo dell azoto assorbimento colturale concimazioni vol. NH 3 denitrif. spostamento verso il basso e lisciviazione N-organico N-NH 4 + N-NO3 MIN pot MIN 1 MF e MRATE t

24 Bilancio dell azoto minerale: giornaliero, mensile, annuale INPUT OUTPUT Fertilizzazioni Mineralizzazione SOM residui, reflui N fissazione Acqua irrigua Azoto atmosferico N minerale all inizio Volatilizzazione Denitrificazione Lisciviazione Asportazione colturale Immobilizzazione N minerale alla fine

25 I n p ut meteorologici pedologici morfo-fisiologici agrotecnici CropSyst o ut p ut crescita e sviluppo della coltura segnalazione di eventuali stress bilanci di massa (acqua e azoto) nel sistema suolo-coltura

26 Struttura di CropSyst Crop Management Location Rotation File.SIM [Control] Report format Soil Water table

27 Descrizione del suolo Stratificazione,tessitura sono indispensabili; Densità apparente, cap. di campo, punto di appassimento e conducibilità idraulica satura se non sono misurati possono essere stimati con PTF SOM, N iniziale per il bilancio dell azoto ph & CSC per la volatilizzazione dell N

28 Dati meteo Devono essere giornalieri Precipitazioni,T max, Tmin, Radiazione ((MJ m-2) day-1) sono indispensabili; Se non sono disponibili dati misurati si possono usare generatori (ClimGen, Radest ecc.)

29 Parametri colturali Possono essere misurati, stimati, trovati in letteratura o sul manuale di CropSyst (default) Nella peggiore delle ipotesi alcuni parametri si possono calibrare sulla base dei dati misurati L importante è usare il cervello!

30 Agrotecniche Vengono considerate: semina, irrigazioni, concimazioni organiche e minerali, lavorazioni e gestione dei residui, raccolta Si possono descrivere operazioni reali oppure utilizzare l automatic management

31 e in più: Si può considerare la profondità della falda Si possono imporre eventi fissi che avvengono in date precise Reinizializzare in date precise il contenuto idrico e di azoto del suolo ( in cui sono state fatte misure)