12 Modellazione del bilancio dell'azoto

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1 12 Modellazione del bilancio dell'azoto I riferimenti letteratura che riguardano il ciclo dell'azoto nei itemi colturali ono numeroiimi. In queto capitolo non tenteremo però di fare una raegna eautiva di queta letteratura, ma cercheremo piuttoto di defire poibili vie per modellare il ciclo dell'azoto nel itema pianta-uolo. L'azoto è un elemento eenziale per la pianta affché ea poa raggiungere il uo livello potenziale di produttività. Per trattare l'aorbimento di azoto della pianta è neceario coniderare divere componenti del ciclo di queto elemento; per l'analii del itema, conideriamo lo chema di figura 12.1: concimazioni merali aorbimento della pianta azoto organico immobilizzazione meralizzazione azoto organico denitrificazione X.NH nitrificazione - NH 4 NO 3 liciviazione Figura 12.1 omponenti del bilancio dell'azoto nel itema pianta-uolo. La concentrazione di nitrati e ammonio (le due pecie d'teree rapporto all'aorbimento della pianta) nella oluzione del uolo dipende dagli apporti attravero la fertilizzazione, da quanto riultante dai procei di meralizzazione che i verificano nel uolo, dall'terazione fra l'ammonio oluzione e la fae olida del uolo, e fe dal traporto nel uolo prcipalmente di nitrati, dovuto a diffuione e convezione. Traformazioni dell'azoto 108

2 La modellazione delle traformazioni nel uolo clude normalmente la meralizzazione netta (riultante da meralizzazione e immobilizzazione), la nitrificazione, la denitrificazione e talvolta la volatilizzazione. on l'eccezione della volatilizzazione, queti procei, a carico di micro organimi nel uolo, ono modellati aumendo che ei obbedicano ad una cetica irreveribile di primo orde (Mehran e Tanji, 1974): dn dt l'eq può eere tegrata diventando N t = K N [12.1] ( K t ) [ e ] = N 0 1 [12.2] dove N t è la quantità di azoto traformato al tempo t, N 0 è la quantità di azoto potenzialmente traformabile al tempo t = 0, e K è un tao cotante con unità di tempo -1. Ulteriori decrizioni di queto approccio alla modellazione ono decritti Watt e Hank (1978) e ampbell e Stockle (1989). Per una raegna delle traformazioni dell'azoto il lettore può far riferimento a Stevenon (1982) e a Lamber et al. (1986). La meralizzazione netta è la traformazione dell'azoto organico ammonio, ed è la riultante di dei procei veri di meralizzazione e immobilizzazione. La nitrificazione è il proceo che traforma l'ammonio nitrati. La denitrificazione converte vece l'azoto nitrico azoto gaoo che è ucceivamente pero nell'atmofera. Dal momento che tutte quete traformazioni ono funzioni della temperatura, il modello che imuli queti procei dovrà cludere la temperatura del uolo; ciò potrà eere realizzato uando equazioni che rappreentano il fluo e l'immagazzamento del calore nel uolo (ad eempio, ampbell, 1985), o metodi più emplici imili a quello propoto da Sharpley e William (1990). La quantità di azoto organico meralizzato è calcolato come: ( MRAT t ) [ e ]MF MIN = MIN 1 [12.3] pot dove MIN è la quantità di otanza organica meralizzata ammonio (kg ha -1 ) nel tempo t (un giorno), MIN pot è la quantità potenziale di azoto organico diponibile per la meralizzazione (kg ha -1 ), MRAT è il tao di meralizzazione (giorno -1 ), e MF è una funzione dell'umidità del uolo. Il tao di meralizzazione è calcolato come: T MRAT = e [12.4] 7 dove T è la temperatura del uolo ( ). La funzione dell'umidità del uolo è dipendente dalla frazione di pori contenenti acqua: MF = DS ; DS <= 0.9 [12.5] MF = 10 10DS ; DS > 0.9 [12.6] 109

3 dove DS è il grado di aturazione (adimenionale), che varia tra 0 e 1. La quantità giornaliera di ammonio traformato nitrati è calcolato con l'equazione: NIT ( NRAT t ) [ e ]MF = NH 4 1 [12.7] dove NIT è la quantità di ammonio traformata nitrati (kg NH 4 ha -1 ) un tempo t (un giorno), NH4 è la quantità di ammonio diponibile per la nitrificazione (kg ha -1 ), NRAT è il tao di nitrificazione (giorno -1 ), e MF è una la funzione dell'umidità del uolo già vita come eq.ni 12.5 e Il tao di nitrificazione è calcolato moltiplicando il tao a 35 per una funzione della temperatura del uolo: NRAT NRAT 2 ( T T ) NRAT35 = ; 10 >= T >= 0 [12.8] + ( 0.032T 0.12) 35 = e NRAT ; 35 >= T > 10 [12.9] ( 0.1T 4.5) NRAT35 NRAT = + ; T > 35 [12.10] dove NRAT 35 è il tao di nitrificazione a 35. La denitrificazione che può verificari nel coro della giornata è calcolata come: ( DRAT t ) [ e ] DEN = NO3 1 [12.11] dove DEN è la quantità di nitrati che denitrifica ad azoto gaoo (kg N ha -1 ) un tempo t (un giorno), NO3 è la quantità di nitrati nel uolo (kg ha -1 ), e DRAT è il tao cotante di denitrificazione (giorno -1 ). Il tao cotante di denitrificazione è calcolato moltiplicando il tao a 15 per una funzione della temperatura del uolo e per una funzione del contenuto idrico del uolo: DRAT DRAT [ 0.43( T 10) ] = 0.67e DRAT WF ; T < 10 [12.12] [ 0.08( T 15) ] 15 = e DRAT WF ; T >= 10 [12.13] 15 dove DRAT 15 è il tao di denitrificazione a 15, e WF è una funzione di correzione per il contenuto idrico, defita da: WF [ ( W W ) 47( W W ) ] 2 at at = e [12.14] dove W at è il contenuto idrico alla aturazione e W è il contenuto idrico nel giorno corrente. Traporto dell'azoto nel uolo Il traporto dell'azoto nel profilo del uolo è tato modellato molti modi. Fra queti ci ono metodi complei che uano oluzioni numeriche come quelle decritte da Murali e Aylmore (1981), oppure implementate nei modelli SHAW (Flerchger, 1987) o LEAHM (Wagenet e Huton, 1989). Il traporto dell'azoto nel uolo può eere modellato moltiplicando i flui di acqua fra trati per le concentrazioni di nitrati o ammonio nello tarto da cui i origa il fluo, 110

4 controllando ad ogni pao d'tegrazione che il fluo di azoto da uno tarto non ecceda le capacità di l'immagazzamento. Il movimento dell'azoto per diffuione può eere oltre aggiunto. Per dettagli ul traporto di acqua e oluti nel uolo il lettore faccia riferimento a ampbell (1985). Modelli complei per il traporto di azoto nel uolo poono non eere utilizzabili per ragioni di praticità modelli di crecita di coltura; queto cao ono preferibili approcci più emplici. Eempi di validi modelli di quet'ultimo tipo ono diponibili nella letteratura (Roe et al., 1982a; Roe et al., 1982b; orw et al., 1991). In particolare, orw et al. (1991) hanno propoto un emplice approccio di bilancio delle mae per il traporto di oluti. Queto modello prevede un coefficiente di bypa (B) per decrivere la frazione di acqua che tranita per lo trato enza teragire con eo, mentre (1 - B) rappreenta la quota di acqua che è oggetta ad un'azione di tipo "a pitone", che decriveremo più avanti. Il coefficiente di bypa tiene conto modo emplice del fluo attravero le crepacciature e i macropori del uolo, differenzia il fluo di una fae idrica mobile ripetto ad un'altra otanzialmente immobile, e tiene conto dei fenomeni di diperione e diffuione (orw et al., 1991). La concentrazione di azoto dell'acqua che rimane e dell'acqua che lacia uno trato può eere calcolata tre modi diveri, a econda della quantità d'acqua contenuta nello trato e della quantità che arriva nello trato. Nel momento cui l'acqua entra uno trato, prima riporta il contenuto dello trato a capacità di campo e è quantità ufficiente. Quando lo trato è a capacità di campo, l'acqua che entra nello trato comcia a pgere fuori da eo l'acqua mobile che eo era contenuta, otituendola (azione a "pitone"). La otituzione contua o a che tutta l'acqua che era origariamente preente nello trato è otituita; da quel momento, l'acqua che entra nello trato comcia a ucirne entrando nello trato ottotante. Nel cao che l'acqua entrata nello trato ia ufficiente a portare lo trato teo a capacità di campo, otituendo l'acqua che era nello trato prima dell'evento, la concentrazione di azoto nell'acqua ucita dallo trato può eere calcolata come: out W = LHT BW bi W out + LHT ( 1 ) B W bi bi [12.15] e la concentrazione di azoto nello trato dopo l'evento è: ai ( F BW ) bi + BWbibi = [12.16] F dove out è la concetrazione di azoto nell'acqua ucita dallo trato (kg N m -3 acqua), ai è la concetrazione di azoto nell'acqua dello trato dopo l'evento (kg N m -3 acqua), bi è la concetrazione di azoto nell'acqua dello trato prima dell'evento (kg N m -3 acqua), è la concetrazione di azoto nell'acqua entrata nello trato (kg N m -3 acqua), B è il coefficiente di bypa (adimenionale, varia tra 0 e 1), LTH è lo peore dello trato (m), W bi è il contenuto d'acqua volumetrico prima dell'evento (m 3 m -3 ), F è il contenuto d'acqua volumetrico a capacità di campo (m 3 m -3 ), W è l'altezza di acqua che entra nello trato (m) oppure (m 3 acqua m -2 uolo), e fe W out è l'altezza di acqua che ece dallo trato (m) oppure (m 3 acqua m -2 uolo). Nel cao vece cui la quantità d'acqua che raggiunge lo trato non è ufficiente a otituire tutta quella preente, ma è comunque maggiore di quella necearia per portare il contenuto idrico del uolo a capacità di campo, allora i avrà 111

5 out = bi [12.17] ai ( LTH F W ) bi + W = [12.18] LTH F Nel cao fe cui la quantità d'acqua entrata ia feriore a quella necearia per portare il contenuto d'acqua dello trato a capacità di campo, le due equazioni per calcolare la concetrazione di azoto ucita dallo trato e quella nello trato dopo l'evento, aranno out = 0 [12.19] ai LTHW bi bi = [12.20] LTHW bi + W + W Adorbimento dell'ammonio I movimenti dell'ammonio nel uolo ono limitati dal fatto che l'ammonio è adorbito dalla fae olida. La quantità di ammonio nei iti di cambio della fae olida, XNH 4, può eere timata aumendo che ea ia legata con la concentrazione dell'ammonio oluzione atrravero la relazione: KQ[ NH 4] XNH 4 = [12.21] 1+ K NH [ ] dove K e Q ono cotanti per un dato uolo. La maa totale di ammonio per unità di volume di uolo, oilnh4, è data da: [ XNH4 w( NH )] D b 4 oilnh 4 = + 4 [12.22] dove w è il contenuto di acqua peo e D b è la denità apparente del uolo. La concentrazione di ammonio nella oluzione del uolo, equilibrio con la fae olida per una maa totale data di ammonio, può eere calcolata combando le eq.ni e e riolvendo ripetto a [NH 4 ]. Aorbimento dell'azoto da parte della coltura onideriamo la chematizzazione della figura 12.2 per illutrare un poibile modello: 112

6 fluo di maa aorbimento radici rizofera uolo diffuione movimenti e traformazioni movimenti e traformazioni Figura 12.2 Schema di modello per l'aorbimento di azoto. Quando le concentrazioni di nitrati e ammonio ono tate tabilite per i vari trati, i può calcolare l'aorbimento della coltura. La diponibilità di azoto per l'aorbimento da parte delle piante non è determata dalla ua concentrazione nella oluzione circolante del uolo, ma è piuttoto funzione della concetrazione di azoto proimità della uperficie delle radici. Il tao di traporto dell'azoto alla uperficie delle radici è legato alla concentrazione di azoto nella oluzione del uolo, dalla penetrazione e diffuione delle radici nel uolo. Il tao di traporto dell'azoto alla uperficie delle radici ogni trato del uolo può eere modellato moltiplicando il contributo dello trato al fluo di trapirazione della coltura per la omma della concentrazione dell'azoto oluzione (traporto convettivo) con un coefficiente di diffuione cildrica (ampbell e Stockle, 1989). Queto componente viene calcolato moltiplicando il gradiente di concentrazione tra la maa del uolo e il uolo torno alle radici per una conduttanza che clude il coefficiente di diffuione del uolo e la ditanza media tra le radici. L'aorbimento di azoto ogni trato per unità di radici, N U, può eere imulato utilizzando un'equazione del tipo di quella di Michaeli-Menten, baata ulla teoria elaborata da Nye e Thker (1977) e Barber (1984): NU Nr = Numax [12.23] K+ Nr dove N umax è il tao maimo di aorbimento di azoto per unità di lunghezza delle radici, [N r ] è la concentrazione di azoto alla uperficie delle radici e K è una cotante. In condizioni di campo, il tao di aorbimento di azoto da parte della coltura può eere molto vico al uo maimo anche con concentrazioni molto bae di azoto nella rizofera. L'eq decrive l'aorbimento dell'azoto dipendentemente dalle condizioni della pianta. Peraltro, le piante non aorbono azoto oltre una data concentrazione anche e l'elemento è diponibile; è qudi neceario prevedere un meccanimo di feedback ul tao di aorbimento di nutrienti. Queto meccanimo può eere modellato riducendo gradualmente o a zero il tao maimo di aorbimento allorché i approima nella pianta un dato valore maimo di cocentrazione dell'azoto. Sono poibili anche modelli emplificati dell'aorbimento dell'azoto. Una emplificazione piuttoto comune è quella di non coniderare il calcolo della concentrazione dell'azoto proimità delle radici e la componente diffuiva del traporto dell'azoto, utilizzando olamente la concentrazione dell'azoto nel uolo. Un'altra emplificazione è quella di calcolare 113

7 l'aorbimento di azoto come prodotto del fluo trapirativo per la concentrazione di azoto nitrico nel uolo. Tutti queti approcci preumono che tutti nitrati preenti nel uolo iano prontamente diponibili per l'aorbimento della pianta e che non ci ia qudi limitazione al movimento dei nitrati vero la uperficie delle radici. Quete aunzioni embrano ripettate e l'acqua non è limitante, ma non riultano valide nel cao il uolo abbia un contenuto idrico ub ottimale e qudi ia al di otto di una oglia che peraltro non è emplice identificare. Un metodo emplice ma efficace per imulare l'aorbimento di azoto da parte di una coltura può eere ottenuto adattando un approccio uggerito da Godw e Jone (1991). L' aorbimento effettivo di azoto è determato come il mimo tra la "richieta" della coltura e la diponibilità nel uolo. La richieta di azoto da parte della coltura è data dalla quantità di azoto che la coltura richiede per eprimere una crecita potenziale, quet'ultima defita dalle limitazioni di fattori come acqua, temperatura e luce. Ai livelli dei fattori elencati corriponde una "richieta per deficienza" di azoto; queta è la differenza tra la concentrazione critica e quella attuale prima di nuova crecita, dove la concentrazione critica è quella a cui la coltura crece al tao potenziale. Queto modello può eere eplicitato con l'equazione eguente: ( N NON )( TM + RM ) + N ( PRG PTG) ND = [12.24] crit b crit + dove ND è la richieta di azoto della coltura (kg ha -1 ), N crit è la concentrazione di azoto critica della coltura (kg N kg -1 biomaa), NON b è la concentrazione di azoto prima della crecita (kg N kg -1 biomaa), TM è la biomaa epigeica cumulata (kg ha -1 ), RM è la biomaa ipogeica cumulata (kg ha -1 ), PTG e PRG ono, ripettivamente, la crecita potenziale di otanza ecca epigeica e ipogeica (kg ha -1 ). Il primo terme a detra nell'eq è la richieta per deficienza azoto; il econdo terme rappreenta la domanda per nuova crecita. E' poibile che la richieta della pianta azoto ia negativa quando la diponibilità di azoto è ufficiente (Godw e Jone, 1991); queto accade quando la pianta ta maturando e la ua concentrazione critica, che è funzione dello tadio di viluppo, decrece ad un ritmo più rapido di quanto non aumenti la otanza ecca accumulata. In queto cao la pianta ha una rierva di azoto. L'aorbimento potenziale dal uolo è calcolato per ogni trato del uolo e ucceivamente cumulato per tutto il profilo eplorato dalle radici. Per ogni trato è calcolato come egue: N 2 upt = U max RLN avail SWF [12.25] dove N upt è l'aorbimento potenziale di azoto (kg N ha -1 giorno -1 ), U max è l'aorbimento maimo per unità di lunghezza di radice (kg N giorno -1 m -1 ), RL è la lunghezza delle radici (m), N avail è un fattore di diponibilità dell'azoto (adimeionale, varia tra 0 e 1), e SWF è un fattore di diponibilità idrica nel uolo (adimeionale, varia tra 0 e 1). Il fattore di diponibilità dell'azoto è calcolato econdo Godw e Jone (1991): N avail = 0 e ( ) a N 1. [12.26] dove N avail è il fattore di diponibilità dell'azoto, a è una cotante ( per i nitrati e per l'ammonio), e N è la concentrazione di azoto nel uolo (kg ha -1 ). Il fattore di diponibilità idrica nel uolo è calcolato come rapporto tra acqua diponibile nel giorno e acqua diponibile maima: W PWP SWF = [12.27] F PWP 114

8 dove W è il contenuto idrico volumetrico del uolo nello trato (m 3 m -3 ); PWP e F ono il contenuto idrico volumetrico dello trato, ripettivamente al punto di appaimento e a capacità di campo (m 3 m -3 ). Allocazione dell'azoto e terazione con il carbonio L'azoto aorbito dalla pianta deve eere allocato nei diveri organi della tea. L'azoto richieto dalla pianta per la produzione di biomaa è coneguente il rapporto carbonio/azoto di ogni organo. Uno chema di partizione imile a quello preentato nel capitolo 10 è tato propoto da Stockle e ampbell (1989). In queto approccio, è tata propota una equazione di Michaeli-Menten per ogni elemento: N G = Gmax [12.28] K + K N + N dove G è tao di crecita, G max è il tao di crecita potenziale del genotipo, e N ono le rierve di carbonio e azoto nella pianta, K e K N ono le cotanti di tao per carbonio e azoto. Quete cotanti poono eere calibrate (dipendentemente) per ripettare priorità nell'allocazione tra i diveri organi della pianta.. Un altro elemento da coniderare nell'aociazione carbonio-azoto è che quando la concetrazione di azoto nelle foglie è ridotta ad un livello mimo a caua di penuria di queto elemento nel uolo, i riduce molto anche la fototei, riducendo qudi la fiazione del carbonio. 115