SATURNO: Satelliti e altre tecnologie innovative a supporto di tecniche di fertilizzazione a rateo variabile in risicoltura

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1 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 Confalonieri Università degli Studi di Milano, Cassandra lab

2 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 2

3 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) 3

4 Il contesto Valutazione stato nutrizionale 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) 4

5 Il contesto Probabilmente è da diversi anni che sentite parlare di strategie e strumenti per il supporto alla concimazione Motivi dell insuccesso:...complimenti per non esservi scoraggiati! 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 5

6 Il progetto: flusso di lavoro Informazione sulla fase fenologica Acquisizione Immagini satellitari Acquisizione «mirata» di dati di campo Quando: identificazione del miglior momento per concimare i campi test Dove: differenziare i campi in zone a diverso vigore Quanto: stima dello stato nutrizionale per le differenti zone identificate Piano di concimazione Mappa di prescrizione Cosa: scelta agronomica supportata dai dati di campo e spazializzata grazie al satellite Gestione dati: creazione delle informazioni spazialmente distribuite 1 st CONC.DI COPERTURA 2 st CONC.DI COPERTURA ACCESTIMENTO INIZIAZIONE PANNOCCHIA Concimazione Applicazione: attuazione di una concimazione sitospecifica grazie ad appositi macchinari 6

7 Il progetto: gli strumenti Dove 7

8 Il progetto: gli strumenti Acquisizione "mirata" di dati di campo Immagine satellitare pre-concimazione 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 8

9 Il progetto: gli strumenti Quanto 9

10 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? 10

11 Strumenti diagnostici 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 11

12 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 12

13 Strumenti diagnostici Per valutare lo stato nutrizionale non basta stimare il contenuto d azoto: 13

14 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) 14

15 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 15

16 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!!! 16

17 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) 17

18 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 18

19 Concentrazione critica di azoto 19

20 Concentrazione critica di azoto 20

21 Stimare il LAI LAI = 1 LAI = 2 21

22 Stimare il LAI Strumenti disponibili per la stima ( ) del LAI: 22

23 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! 23

24 Smartphone Volumi di produzione Pressione competitiva Marketing basato su performance Giochi Sensori di qualità Potenza di calcolo + Sistema di gestione già disponibile Possibilità di sviluppare strumenti di misura integrabili 24

25 PocketLAI 25

26 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 26

27 PocketLAI University of Maryland University of Idaho North Carolina State University District University of Bogotá University of Salamanca Grupo Enlasa farmer Univers. Nacional Autónom. Nicaragua INRA AgriChile Supagro Natural Solutions University of Reading Instituto Superior Técnico AssoFrutti INTA University of Valencia Nelson Mandela African Institution of Science and Technology Royal Botanic Garden Politecnico di Milano farmers CNR CIAT AgSpace Università di Torino CIMMYT Bamako ICRISAT Kano Department of Agriculture and Food Université catholique de Louvain Allianz Ferrero University of Hohenheim University of Twente IPF Università di Firenze Università di Napoli DEMETER IRRI EcoEdge TerraSphere Imaging & GIS CREA University of Pecs University of Sydney Bidhan Chandra Krishi Viswavidyalaya Macquarie University Cattolica Assicurazioni Brandenburg University of Technology Mahidol University Beijing Normal Univ. AgriGeorgia CIMMYT CSIRO IRRI Chinese Academy of Science University of Queensland Univ. Milano Bicocca technicians University of Auckland 27

28 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 28

29 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 29

30 Concentrazione di azoto Ci sono diversi strumenti disponibili: Alcuni molto semplici Altri più complessi e costosi 30

31 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 31

32 Concentrazione di azoto 32

33 Concentrazione di azoto 2013 Volano, Gaggiano 33

34 Concentrazione di azoto 2014 Selenio, Rosasco 34

35 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 35

36 Concentrazione di azoto Sperimentazione dedicata per le più importanti varietà italiane Supportata da: 36

37 Concentrazione di azoto Sono state ottenute curve di taratura specifiche per varietà 37

38 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 38

39 Valutare lo stato nutrizionale PocketLAI PocketN LAI Richiesta di azoto (in vivo, in campo) + Contenuto effettivo di azoto nella pianta = Supporto alla concimazione azotata (NNI: PNC/Ncrit) 39

40 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 )

41 Il progetto: gli strumenti Quando 41

42 Il progetto: gli strumenti Quando? Simulatore colturale DVS Stadio di sviluppo 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

43 Fase di Sviluppo Il progetto: gli strumenti Quando? Simulatore colturale 1 a CONC.DI COPERTURA 2 a CONC.DI COPERTURA, Semina Accestimento Formazione pannocchia Fioritura Maturità 43

44 Grazie per la pazienza e per l attenzione 44