4. STRUMENTAZIONE OTTICA PER LA MISURA DELLO STATO NUTRIZIONALE DELLE COLTURE

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1 Laboratorio 4 4. STRUMENTAZIONE OTTICA PER LA MISURA DELLO STATO NUTRIZIONALE DELLE COLTURE INDICE 4.2. MISURAZIONI CON SPAD Funzionamento Determinazione dei valori SPAD Campi di applicazione ed intervalli di validità MISURAZIONI CON CROP-SCAN Funzionamento Struttura dello strumento Esecuzione delle misure Efficacia delle misure Indici spettrali della vegetazione 11

2 4.2. MISURAZIONI CON SPAD Funzionamento Il Minolta Chlorophyll Meter SPAD-502 prodotto dalla Minolta Camera Co. Ltd, Osaka (Japan), è un misuratore, in vivo, del tenore di clorofilla totale nei tessuti vegetali e misura quindi indirettamente lo stato nutrizionale della pianta. Lo strumento è stato concepito per rilevare la trasmittanza fogliare a due bande spettrali (lunghezza d onda) diverse: 1. nel rosso ( nm con picco di emissione a 650 nm); 2. nell infrarosso vicino ( nm con picco a 940 nm) su una superficie fogliare di 6 mm 2 (2 x 3 mm) (Fig. 1). La scelta delle lunghezze d onda rilevate risulta motivata dal fatto che nel blu (450 nm) e nel rosso (650 nm) la foglia assorbe la maggior quota di energia radiante grazie ai propri pigmenti. Tra le due lunghezze d onda viene scelta quella nel rosso, dato che presenta il picco più consistente di assorbimento (Vos e Bom, 1993). Fig. 1. Schematizzazione di una foglia sulla quale viene misurata la trasmittanza con strumento SPAD.

3 Mentre la radiazione a 650 nm (Red), risulta massicciamente assorbita della clorofilla ma non dai carotenoidi, quella a 940 nm (Near Infra Red o NIR) non essendo assorbita in grandi quantità dalla clorofilla, viene utilizzata per la normalizzazione, ovvero per depurare il valore totale di trasmittanza, da quello imputabile agli altri pigmenti. Bisogna, infatti, considerare che i pigmenti fotosintetici della foglia sono costituiti oltre che da clorofilla A (verde-bluastra) e clorofilla B (verde-giallastra), anche da altri pigmenti accessori quali il β-carotene (rosso-arancio) e le xantofille (gialle). Mentre le clorofille A e B assorbono molto nelle regioni del violetto, del blu, dell'arancio e del rosso, i carotenoidi (β-carotene e xantofille) solo nel blu e nel violetto (Salisbury e Ross, 1994). La luce incidente viene parzialmente assorbita dai pigmenti presenti nella foglia e la quota che oltrepassa inalterata la pagina fogliare (luce trasmessa) verrà rilevata da un fotodiodo al silicio e servirà per determinare il tenore in clorofilla totale. Il raggio luminoso giunto al fotodiodo è convertito in segnale elettrico, amplificato e, mediante un microprocessore, tradotto in digitale in un valore adimensionale a tre cifre, su un display a cristalli liquidi (Fig. 2). I valori rilevati dallo SPAD, che possono essere utilizzati come tali, oppure mediati con altri dati raccolti (fino ad un massimo di 20), variano in un range compreso tra 0 e 70. Fig. 2. Strumentazione Minolta Chlorophyll Meter SPAD-502, per la misura del contenuto di clorofilla fogliare applicata ad una piantina in vaso (sinistra) o in pieno campo (destra).

4 Determinazione dei valori SPAD I valori di SPAD derivano dal seguente procedimento di calcolo algoritmico applicato direttamente dallo strumento (Ahmad et al., 1999): Valore SPAD = K log 10 [(IR t /IR v )/(IR r /IR v )] dove K = costante IR t = trasmittanza della radiazione NIR (940 nm) IR r = trasmittanza della radiazione Red (650 nm) IR v = energia luminosa del NIR (940 nm) L algoritmo di calcolo si basa fondamentalmente sulle caratteristiche della vegetazione, combinando in un rapporto, una radiazione luminosa visibile (650 nm) debolmente trasmessa dalla foglia ed una (940 nm), non-visibile, altamente trasmessa (Fig. 3). La combinazione tra queste due bande permette di minimizzare le variazioni indotte da fattori estranei e la massimizzazione della sensibilità verso i fattori di interesse (Daughtry et al., 2000) Trasmittanza (%) Lunghezza d'onda (nm) Fig 3. Andamento tipico della trasmittanza fogliare (%) in funzione della lunghezza d onda della radiazione.

5 Campi di applicazione ed intervalli di validità La presenza della clorofilla è un indice dell'attività fotosintetica, e quindi anche un rilevatore del contenuto azotato della pianta (Wood et al., 1992a; Takabe e Yoneyama, 1989) nonché un indice di attività enzimatica vegetale (Seeman et al., 1987). Infatti, la gran parte dell azoto fogliare risulta contenuto nelle molecole di clorofilla (Yoder e Pettigew-Crosby, 1995), anche se ad alte disponibilità di azoto la relazione tra il contenuto in clorofilla fogliare e azoto fogliare risulta non-lineare, indicando la presenza di metaboliti diversi, quali l azoto nitrico (N-NO - 3 ) (Wood et al., 1993). Quindi lo strumento perde parte della propria affidabilità sia nel caso di terreni eccessivamente dotati in azoto minerale che nel caso di piante iperaccumulatrici di nitrati. Considerando la stretta correlazione tra il contenuto in clorofilla totale di una coltura ed il suo tenore in azoto organico nelle ordinarie condizioni di coltivazione (Ahmad et al, 1999), lo SPAD (Soil Plant Analysis Development) permettendo di stimare indirettamente il contenuto in azoto tissutale consente di eseguire una diagnosi dello stato nutrizionale della coltura (Peterson et al., 1993). Bisogna obbligatoriamente considerare che, eseguendo un rilievo puntiforme su una foglia, per una corretta stima delle condizioni nutrizionali della coltura, si dovrà individuare la foglia rappresentativa della pianta ed il punto della pagina fogliare da monitorare (Markwell et al., 1995). Inoltre, per assicurare un buon grado di affidabilità dello strumento, Peterson et al. (1993), consigliano di eseguire 30 letture su piante rappresentative della realtà parcellare per riuscire a comprendere nell interezza la variabilità dei dati registrati, riducendo l interferenza determinata da

6 errori di lettura. In questi ultimi anni lo SPAD ha trovato applicazione in diverse colture: nel riso (Biloni, 2000), nel mais (Bullock e Anderson, 1998; Giordani, 2002), nel sorgo (Giordani et al., 1998), nella bietola (Giordani e Bernati, 1998; Tugnoli, 1999), nel frumento (Giordani, 2003; Giordani e Guermandi, 1995; Blackmer et al., 1994; Blackmer e Schepers, 1995), nella soia (Castelli et al. 1996; Monje e Bugbee 1992), nella festuca (Kantety et al. 1996), nel cotone (Wood et al. 1992b), nel caffè (Lima Filho et al. 1997), nella patata (Colauzzi et al. 2003; Vecchio et al. 2002), nel pomodoro (Sandoval-Villa, 1999; Sandoval-Villa 2002), nel melone (Fahrurrozi e Katrine 2001), nel fagiolo (Madeira et al. 2000), nel pisello e nello spinacio (Marquard e Tipton 1987), nel melo (Campbell et al. 1990), negli agrumi (Duce, 1997), nella vite (Porro et al., 2001). Le principali difficoltà riscontrabili dall uso di questo strumento sono dovute ai diversi comportamenti determinati dalle specie utilizzate, dalle varietà, dalle condizioni di coltivazione ma anche dalla distribuzione del pigmento clorofilliano nel mesofillo fogliare (Leonardi, 1997).

7 4.3. MISURAZIONI CON CROP-SCAN Funzionamento Il Multispectral Radiometers Cropscan MSR-87, prodotto dalla Cropscan Inc., Rochester (USA), è un misuratore della riflettanza della copertura vegetale, in vivo (Fig. 4). Considerata la diretta proporzionalità tra lo stato nutrizionale e le condizioni di sviluppo vegetale, misurazioni di questo tipo risultano estremamente utili per diagnosticare, indirettamente, il tenore in azoto di una coltura (Cropscan Inc., 2001). Fig. 4. Principio di funzionamento del Cropscan (misura della riflettanza fogliare). Lo strumento è stato concepito per rilevare sia la quota di luce incidente sulla coltura, sia la percentuale della stessa riflessa, a diverse (8) lunghezze d onda.

8 Struttura dello strumento Il sistema (Fig. 5) è costituito da: - un radiometro con 16 fotodiodi al silicio-germanio, otto dei quali sono orientati verso l alto (per rilevare l irradianza solare) ed i rimanenti otto verso il basso (per determinare la riflettanza); - un buffer di memoria (data-logger controller); - un terminale di impostazione parametrica; - un supporto telescopico; - due cavi di connessione; - un software operativo. Fig. 5. Visione d insieme del Cropscan (sinistra) e dettaglio del radiometro e la console.

9 Esecuzione delle misure Impiegando opportuni filtri, per depurare da interferenze, a ciascuna delle 8 bande di diversa lunghezza d onda (460 nm, 510 nm, 560 nm, 610 nm, 660 nm, 710 nm, 760 nm, 810 nm) lo strumento rileva le quote di radiazione riflessa dalla canopy (copertura) vegetale rispetto alla quantità totale di radiazione visibile e infrarossa incidente sulla coltura (Fig. 6) Rilfettanza (%) Lunghezza d'onda (nm) Fig. 6. Andamento della riflettanza fogliare (%) in funzione della lunghezza d onda della radiazione. Durante le misure in campo, utilizzando un sostegno dato da una semplice asta (fig. 7), l elemento sensibile viene posizionato orizzontalmente sopra le piante e, partendo dal presupposto fondato che la densità del flusso irradiante incidente sulla faccia superiore del radiometro, sia pari alla densità del flusso irradiante incidente che giunge sulla copertura vegetale, lo strumento è in grado di rilevare, per ognuna delle 8 bande di lettura, l entità di radiazione incidente e la percentuale di radiazione riflessa dalla coltura.

10 Fig. 7. Posizionamento del Cropscan per la misura di riflettanza su coltura di frumento. La lettura avviene molto velocemente (2-4 secondi) e le varie fasi, inizio e fine lettura e memorizzazione del dato, sono accompagnate da segnali acustici. Oltre alle percentuale di riflettanza alle varie lunghezze d onda, il sistema registra e digitalizza il numero del campione, la data, l ora, l irradianza globale (W m -2 ) e l angolo d incidenza solare (Fig. 8). Fig. 8. Schematizzazione delle misure con Cropscan.

11 Efficacia delle misure Le caratteristiche del radiometro permettono una misura molto accurata della riflettanza della copertura vegetale, quando l angolo solare incidente e le condizioni di luce sono ideali, cioè quando il sole è alto sull orizzonte, poiché lo strumento legge simultaneamente il voltaggio della radiazione incidente e di quella riflessa. Ad ogni modo per ottenere buoni risultati bisogna rispettare alcune condizioni, per la corretta rilevazione dei dati: l angolo incidente della radiazione solare deve essere maggiore di 30 ; non devono esserci zone d ombra nell area della rilevazione; la calotta dello strumento deve essere asciutta; alla presenza di vento il numero delle misurazioni deve essere aumentato Indici spettrali della vegetazione Come gli altri sensori remoti, anche il Multispectral Radiometer Cropscan MSR 87, fonda il proprio principio di funzionamento, non sui valori puri ottenuti dallo strumento, ma su combinazioni algoritmiche tra gli stessi. Questi indici, detti indici spettrali della vegetazione (Spectral vegetation index) sono generalmente determinati ponendo in relazione la bassa riflettanza della porzione visibile dello spettro con quella non-visibile delle radiazioni infrarosse-vicine (Near InfraRed o NIR).

12 Nel complesso gli indici spettrali di vegetazione sono divisibili in tre categorie: indici intrinseci; indici correlati con la linea-suolo (soil-line); indici di aggiustamento atmosferico. 1. Gli indici intrinseci rappresentativi possono derivare da un semplice rapporto tra la riflettanza (%) a lunghezze d onda diverse: NIR/460 = R 810 /R 460 NIR/510 = R 810 /R 510 NIR/560 = R 810 /R 560 (NIR/Green) NIR/610 = R 810 /R 610 NIR/660 = R 810 /R 660 (NIR/Red) NIR/710 = R 810 /R 710 NIR/760 = R 810 /R 760 L indice solitamente più usato perché correlato con lo stato nutrizionale della pianta e con le misure di SPAD è il NIR/Green (rosso-vicino/verde). Gli indici essere anche concepiti sulla base di calcoli più complessi: NDVI = (R 810 R 660 ) / (R R 660 ) G-NDVI =(R 810 R 560 ) / (R R 560 ) MCARI = [(R R 660 ) - 0,2 (R 710 R 560 ) x (R 710 / R 660 )] In alternativa a questi semplici indici sono stati ideati gli indici correlati con la linea-suolo per i quali viene rimossa l interferenza determinata dal suolo (soil-background). Tali indici sono il SAVI e l OSAVI. La relazione tra la riflettanza nell infrarosso vicino e la riflettanza nel visibile generato dal suolo è infatti generalmente lineare (soil-line). Alcuni indici di vegetazione, quali il PVI sono stati sviluppati sulla base di questa relazione.