Produrre di più con meno: la sfida della sostenibilità

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1 Produrre di più con meno: la sfida della sostenibilità Prof. Claudio Ciavatta Ordinario di Chimica Agraria Dipartimento di Scienze Agrarie - Scuola di Agraria e Medicina Veterinaria Alma Mater Studiorum Università di Bologna Viale Fanin 44, I Bologna claudio.ciavatta@unibo.it

2 Popolazione mondiale

3 Popolazione mondiale, superfici delle terre coltivate e delle terre arabili

4 Perdita a livello mondiale delle terre arabili

5 «Rivoluzione verde» anni 60

6 Neolitico 500 semi/m 2 1-1,5 q/ha Periodo Romano semi/m q/ha Rinascimento Pre-Mendel semi/m q/ha Post- Mendel semi/m 2 25 q/ha semi/m 2 50 q/ha Oggi semi/m q/ha Tratto da: M. Stanca Relazione tenuta al XXXIII Convegno Nazionale SICA, Bologna, , mod.

7 Chemical N Fixation Atmosphere: N 2 = 78% N 2 can be converted to available nitrogen Chemical Fixation Fertilizer Manufacture Industrial N Fixation: Haber-Bosch Process catalys 3H 2 + N 2 2NH C, up to atm

8 < 1950 Take, Make, Use, Reuse

9 Take, Make, Use, Dispose Linear economy

10 Dal 2015 Take, Make, Use, Reuse!!!! Circular economy

11 Circular Economy vs. Linear Mercoledì 2 luglio 2014 la Commissione dell Unione europea ha approvato una serie di misure per aumentare il tasso di riciclo negli Stati membri e facilitare la transizione verso un economia circolare : un modello che pone al centro la sostenibilità del sistema, in cui non ci sono prodotti di scarto e in cui le materie vengono costantemente riutilizzate. Si tratta di un sistema opposto a quello definito lineare, che parte dalla materia e arriva al rifiuto.

12 - Aumento della popolazione - Costanza/diminuzione terre coltivabili - Diminuzione materie prime (vedi P)

13 Obiettivo categorico nella nutrizione minerale: aumentare la frazione biodisponibile / assimilabile degli elementi nutritivi, cioè l efficienza

14 Scaletta NUE Nutrient Use Efficiency Slow release (lenta cessione) Inibitori (nitrificazione, ureasi) Biostimolanti (relazione ad hoc) Concimazione localizzata

15 Ricerca & Sperimentazione

16 NUE Nutrient Use Efficiency Slow release (lenta cessione) Inibitori (nitrificazione, ureasi) Biostimolanti (relazione ad hoc) Concimazione localizzata

17 NUE Nutrient Use Efficiency Nutrient use efficiency (NUE) can be defined in many ways, but initially we will use the simplest calculation: NUE = Nutrient (e.g. N) exported from field in crop products/n applied

18 Efficienza delle unità fertilizzanti somministrate: - Azoto 50-80% - Fosforo 15-25% - Potassio 70-90% - Microelementi 15-50%

19 NUE Nutrient Use Efficiency Pertanto, l obiettivo è quello di migliorare l efficienza delle unità fertilizzanti (UF), non di aggiungerne altre. Risultato: riduzione UF/ha

20 NUE Nutrient Use Efficiency Quali strategie adottare?

22 NUE Nutrient Use Efficiency Slow release (lenta cessione) -Concimi organici N e NP (circular economy) -Concimi azotati di sintesi: - Urea formaldeide (UF) - Metilenurea (MU) - Isobutilidendiurea (IBDU)

23 N 0 (%N aggiunto) Produrre di più con meno: la sfida della sostenibilità Modello Mineralizzazione Slow release (lenta cessione) Concimi organici azotati Cavani et al. (2008). Inf. Agrario 13: CUOIO OAT 50+50% 75+25% 25+75% Gradi Giorno dopo l'applicazione ( D)

24 Azoto organico di sintesi. UF, MU, IBDU N-C-N N-C-N-C-N-C-N N-C-N-C-N-C-N-C-N-C-N N-C-N-C-N-C-N-C-N-C-N-C-N-C-N N-C-N-C-N-C-N-C-N-C-N-C-N-C-N-C-N-C-N NUE Nutrient Use Efficiency A parità di condizioni ambientali (temperatura, umidità, attività della biomassa microbica, ph) il rilascio dell N dipende dalla lunghezza e complessità della catena.

25 NUE Nutrient Use Efficiency Slow release (lenta cessione) -Ragioni fisiche, chimiche e fisico-chimiche

26 NUE Nutrient Use Efficiency Slow release (lenta cessione) Water-soluble fertilizers may be coated or encapsulated in membranes to slow the release of nutrients. A controlled-release fertilizer is composed of a semipermeable membrane surrounding water-soluble nitrogen and other nutrients.

27 Slow release (lenta cessione) NUE Nutrient Use Efficiency Water passes through the membrane, eventually causing enough internal pressure to disrupt the membrane and release the enclosed nutrients. Because the thickness of the coating varies from one pellet, or from prill to another, nutrients are released at different times from different prills. Release rate of these fertilizers depends from temperature, moisture and thickness of the coating.

28 NUE Nutrient Use Efficiency

29 Slow release (lenta cessione) NUE Nutrient Use Efficiency Another type of coated fertilizer is sulfur-coated urea (SCU), which is manufactured by coating hot urea with molten sulfur and sealing with a polyethylene oil or a microcrystalline wax. Nitrogen is released when the sealant is broken or by diffusion through pores in the coating. Thus, the rate of release is dependent on the thickness of the coating or the sealant weight.

31 Slow release (lenta cessione) NUE Nutrient Use Efficiency SCU is broken down by microorganisms, and by chemical and mechanical action. The nitrogen in SCU is released more readily at warm temperatures and in dry soils. SCU appears to be more effective when applied to the soil surface, rather than mixed into the soil. Any method of application that crushes the granules will increase the release rate to some extent.

33 Diffusion is temperature dependent NUE Nutrient Use Efficiency

34 Diffusion is temperature dependent NUE Nutrient Use Efficiency

36 Inibitori nitrificazione (per es., DCD 3,4DMPP)

37 Nitrosomonas Nitrobacter NH + 4 NO - NO PROCESSO di NITRIFICAZIONE

38 Inibitori nitrificazione (per es., DCD 3,4DMPP) Gioacchini P., Ramieri N.A., Montecchio D., Marzadori C., Ciavatta C. (2006). Dynamics of mineral nitrogen in soils treated with slow-release fertilizers. Commun Soil Sci Plant Anal. 37: 1-12.

39 Inibitori ureasi (per es., NBPT, nbutiltiofosforicotriamide ) L'ureasi è un enzima, appartenente alla classe delle idrolasi, che catalizza l'idrolisi dell'urea in biossido di carbonio (CO 2 ) e ammoniaca (NH 3 ): (NH 2 ) 2 CO + H 2 O CO NH 3

40 FOSFATI Riserve fosfatiche in forte contrazione E possibile aumentare l efficienza della concimazione fosfatica?

41 World phosphate rock resources

42 FOSFATI Contrastare l insolubilizzazione dei FOSFATI per aumentarne l efficienza Ruolo della sostanza organica SOSTANZE UMICHE: il caso del Perfosfato minerale Triplo

43 Olsen-P variations with time in untreated and OM-enriched soil columns exposed to high (HR), medium (MR), and low raininess (LR) conditions (Braschi et al., 2003) Olsen-P % of initially applied amount untreated 4.1% OM 6.2% OM rainfall HR-Soil Days Accumulated rainfall (mm)

44 Olsen-P variations with time in untreated and OM-enriched soil columns exposed to high (HR), medium (MR), and low raininess (LR) conditions (Braschi et al., 2003) Olsen-P % of initially applied amount MR-Soil Days Accumulated rainfall (mm)

45 Olsen-P variations with time in untreated and OM-enriched soil columns exposed to high (HR), medium (MR), and low raininess (LR) conditions (Braschi et al., 2003) Olsen-P % of initially applied amount LR-Soil Accumulated rainfall (mm) days

46 mg di P in soluzione Perfosfato minerale triplo con e senza trattamento con sostanze umiche (HA) (Ciavatta et al., 2003) Solubilità del Perfosfato Triplo (T) Tempo (ore) T T-umato

47 % disponibilità P-Olsen in suoli concimati con Triplo-HA (Ciavatta et al., 2003) Disponibilità P-Olsen (Typic Ustifluvent) Giorni d'incubazione Triplo T-HA1 T-HA2

48 % disponibilità P-Olsen in suoli concimati con Triplo-HA (Ciavatta et al., 2003) Disponibilità P-Olsen (Aquic Xeropsamment) Giorni d'incubazione Triplo T-HA1 T-HA2

51 Concimazione localizzata Localizzare il concime nel terreno per favorire da subito «l incontro dell apparato radicale con l elemento o gli elementi nutritivi» L elemento che ne trae maggiore beneficio è il fosforo Il momento migliore è alla semina

52 Concimazione localizzata

53 Concimazione localizzata

54 Concimazione localizzata Prova effetto starter (2008) Bizzuno di Ravenna (Resp. Dr. Contarelli) Concime NP 3-11 (N organico)

55 Prova effetto starter (2008) Bizzuno di Ravenna (Resp. Dr. Contarelli) Concime NP 3-11 (N organico) Tesi Concime % piante emerse 1 NP ±2,0 2 Testimone 85 ±4,4 3 Perfosfato triplo ±2,0 4 Triplo umato ±2,2 Tesi Concime P.S. Ton/ha (di granella (peso specifico) alla raccolta) 1 NP ,3 9,58 2 Testimone 74,2 8,58 3 Perfosfato triplo ,8 9,75 4 Triplo umato ,1 10,00

56 Materiali biodegradabili Seminiere e contenitori in carta preparati a partire da una pasta di cellulosa addizionata di urea-formaldeide (concime azotato)

57 Mater-Bi è il nome commerciale di un tipo di bioplastica brevettato e commercializzato dalla Novamont. Viene venduto in granuli ed è lavorabile in modo simile alle altre materie plastiche, anche per quanto riguarda la colorazione e la sterilizzazione. Il Mater-Bi, a differenza di altre materie plastiche, è biodegradabile; il processo di biodegradazione del Mater-Bi, svolto da microrganismi produce acqua, anidride carbonica e metano.

58 Riflessioni conclusive

59 Liebig ( ): la Legge del minimo Si può migliorare ancora molto nel settore della nutrizione delle piante: -Conoscenze a livello fisiologico; -Conoscenze a livello biochimico; -Produrre fertilizzanti + legati al sistema suolo-pianta-clima -Recuperare al meglio i sottoprodotti organici -Maggiore attenzione alle risorse rinnovabili -Imprescindibile impegnarsi in R&D

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61 Area di Chimica Agraria Grazie per la cortese attenzione Staff in permanent position: 1 Full Prof.; 2 Associate Prof.; 3 Assistant Prof.; 3 Technicians Other staff: 4 Assistant Prof. in formation; 4 PhD students; 7 Students; 2 Internships