Progetto cofinanziato dal programma LIFE+

Progetto cofinanziato dal programma LIFE+ L ACQUA Il ciclo dell acqua, importanza e funzioni nella pianta, nel terreno e nella biosfera; L acqua nel terreno e sue dinamiche nel sistema suolo-pianta-atmosfera; La qualità dell acqua (direttiva nitrati). Prof. Giancarlo Barbieri - Università di Napoli Federico II

L ACQUA Il ciclo dell acqua Importanza e funzioni -nella biosfera -nella pianta -nel terreno L acqua nel terreno - dinamiche nel sistema S-P-A La qualità dell acqua

Quanta acqua portiamo a casa quando compriamo 1000 g mela 840 fragola 890 anguria 920 pomodoro 940 cavolo 860 lattuga 950 asparago carota 880 880 750 800 850 900 950 1000

Quanta acqua portiamo a casa quando compriamo 1000 g di ortaggi bio o conv? P=pomodoro, L=lattuga, S=indivia, C=cavolfiore, Z=zucchina 1000 950 900 850 800 750 P1 P2 P3 L1 L2 L3 S1 C1 C2 C3 Z1 Conv. 940 935 944 938 913 941 936 929 935 893 952 Biologico 938 933 956 932 924 934 934 929 928 900 951

L ACQUA NELLE PIANTE E LE SUE FUNZIONI costituente protoplasmatico; solvente: mezzo nel quale si svolgono sia le reazioni chimiche sia i processi fisici di diffusione di elementi e metaboliti; reattivo: interviene direttamente nelle reazioni enzimatiche catalizzate da idrolasi e idratasi; reagente principale con la anidride carbonica nella fotosintesi; funzione meccanica e di sostegno: assicurando la turgidità e la elasticità delle foglie e delle parti non lignificate; funzione termoregolatrice: traspirazione.

L ACQUA NELLE PIANTE E il principale costituente dei tessuti vegetali non quiescenti (nei tessuti giovani, in condizioni ottimali raggiunge il 90-95%) Il citoplasma è tipicamente il 5-10% di una cellula vivente, il resto è vacuolo! L'acqua costituisce di solito 80-95% della massa vegetale in accrescimento, nel legno (che è per lo più costituito da cellule morte) è inferiore, alburno 35-75%, semi di 5-15%

partecipa a tutte le principali reazioni biochimiche Fotosintesi (6CO2 +12H2O + light energy --> C6H12O6 + 6 O2 + 6H20) Respirazione Idrolisi e mobilizzazione delle sostanze di riserva Germinazione dei semi La prima fase della germinazione dei semi è l'assorbimento di acqua o imbibizione. Alcuni semi sono in grado di assorbire il doppio della loro stessa massa in acqua. L'assorbimento di acqua fa sì che il seme si ingrossi e rompa i tegumenti. L'acqua stimola l'embrione a rilasciare gibberelline che a loro volta stimolano enzimi come l amilasi ad attaccare l amido di riserva per produrre energia. Altri enzimi sono stimolati a formare amminoacidi e costruire le proteine, altri formano cellulosa, lipidi e acidi nucleici.

Fotosintesi Compromesso tra H2O e CO2 6CO 2 +12H 2 O + energia luminosa ------> C6H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 0 CO 2 alta H 2 0 molto bassa CO 2 bassa H 2 0 molto alta foglia Una foglia è più probabile che perda H2O che guadagni CO2 Tricomi, stomi infossati prevengono la perdita d'acqua

è responsabile del turgore cellulare indispensabile per conferire resistenza meccanica agli organi l accrescimento per distensione delle cellule l apertura degli stomi, che consente scambi gassosi fra pianta ed atmosfera (H2O e CO2)

costituisce veicolo di trasporto dei nutritivi assunti dal terreno (linfa greggia ascendente) TRASPIRAZIONE degli assimilati ed elaborati (linfa elaborata discendente) delle sostanze di riserva dai siti d'elaborazione (foglie, ecc) a quelli d'accumulo (radici, semi, ecc.)

Fattori ambientali e accrescimento vegetale Radiation, CO 2, H 2 O O 2, H 2 O Temperature, Wind speed Vapor pressure Crop transpiration Affects crop growth Root water uptake H 2 O Root zone H 2 O H 2 O H 2 O

Continuum Terreno-Acque sotterranee Superficie del terreno Zona Insatura (Zona di aerazione) Zona satura Zona radicale Falda Acqua nel terreno Zona insatura Acqua capillare Acque sotterranee (acqua freatica) Continuum Terreno-Acque sotterranee: variabilità spaziale Vadose Soil Capillary Temporary Saturation Groundwater River

Il suolo come serbatoio d'acqua dolce ground water (750 m underground) 0.7% ice 2.0% other 0.1% Fiumi 1% Atmosfera 6% Acqua nel terreno 33% 136,000,000 miles 3 3.5 sextillion gallons Laghi 60% oceans 97.2%

Importanza del suolo nel ciclo idrologico globale Il suolo trasforma le precipitazioni non continue o la neve in un approvvigionamento continuo di acqua per la crescita delle piante Il suolo trasforma precipitazioni discontinue in scarichi in continuo, cioè torrenti e fiumi senza suolo: ALLUVIONI! Accumulo di acqua nel suolo

Relazioni acqua-terreno

La quantità di acqua immagazzinata nel terreno è funzione di input di acqua (tipo di precipitazioni, frequenza) poco frequenti, intensi temporali causano runoff Tessitura del terreno Struttura del terreno Contenuto di sostanza organica (nello strato superficiale) Profondità del terreno I terreni più profondi contengono più acqua Presenza di strati di inibizione impermeabili Se presenti runoff

Tessitura e ritenzione idrica I terreni argillosi contengono più acqua Suzione Terreno argilloso Terreno sabbioso Contenuto idrico

Struttura e ritenzione idrica I terreni con buona struttura contengono più acqua Suzione Terreno compatto Terreno strutturato Contenuto idrico

Sostanza organica del terreno e contenuto idrico Più S.O. significa più acqua disponibile Porosità (φ) volume of pores φ = volume of soil φ = 1 ρapp 100% ρreale ρ ρ app reale = = M V s b M V s s Contenuto idrico del terreno (in volume) M ρ b = V s b Capacità di campo Punto di appassimento Sostanza organica (% in peso)

Potenziale idrico del terreno Misura lo stato energetico dell acqua nel terreno Importante perché mostra quanto le piante devono lavorare per estrarre l'acqua Le unità di misura sono normalmente MPa, kpa,, bar (o atm) I potenziali idrici sono normalmente negativi (tensione o suzione) L'acqua si muove da potenziale maggiore (meno negativo) a un potenziale più basso (più negativo)

Componenti Potenziale idrico del terreno ψt = ψg + ψm + ψo ψ t = potenziale idrico totale ψ g = potenziale gravitazionale (la forza di gravità trascina l'acqua verso il basso) ψ m = potenziale matriciale (dovuto alla forza applicata dalla matrice del terreno tensione ) ψ o = potenziale osmotico (dovuto alla differenza di concentrazione attraverso una membrana semipermeabile, come le radici) Il potenziale matriciale ψ m normalmente ha il maggiore effetto sul rilascio dell'acqua dal suolo alle piante

Quali acque nel terreno? Acqua gravitazionale Acqua capillare Acqua igroscopica Saturazione Capacità di campo Punto di appassimento

CURVE DI RITENZIONE IDRICA Il Ψsuolo, ed in particolare la sua componente matriciale (cioè quella dipendente dai legami che si instaurano fra acqua e particelle di terreno), varia al variare dell'umidità del terreno stesso. Quindi potremo mettere in grafico, per i vari terreni, la relazione tra U% e Ψsuolo

Curve di ritenzione idrica 40 Contenuto di acqua (g/100 g p.s.) 30 20 10 0-20 Argilloso Medio impasto Sabbioso -15-10 -5 0 Potenziale (bar)

Costruzione delle curve di ritenzione I campioni di terreno saturati vengono posti in una camera a tenuta stagna (Camera di Richards) nella quale viene immessa aria a pressione nota. La pressione che si è creata all interno spinge l acqua fuori dal campione finché non viene raggiunto l equilibrio. Col metodo della doppia pesata si determina l umidità del campione a quella data pressione. Eseguendo la stessa operazione alle pressioni di 0.1, 0.2, 0.3, 0.8, 1.0, 3.0, 8.0 e 15.0 bar si ottiene una serie di punti (Ψ e U%) che possono essere disposti in un diagramma cartesiano per l interpolazione della curva. Per basse e medie pressioni Camere di Richards Per alte pressioni

Relazioni tra le diverse forme dell acqua nel terreno ed i potenziali Potenziale bar Coefficiente igroscopico -31 Punto di appassimento PA -15 Capacità di campo CIC -0.10 Capacità idrica Massima (saturazione) CIM 0 Solido Non disponibile Disponibile In eccesso Forma Acqua igroscopica Acqua capillare Acqua gravitazionale (libera)

Relazione tra contenuto idrico e potenziali del terreno AI. PA. CIC Acqua disponibile Potenziale del terreno (ψ), kpa (100000 Pa = 100 kpa = 1 bar Al punto di appassimento, i terreni argillosi trattengono anche il 20% di acqua che le piante non riescono ad estrarre La maggior parte dell acqua nei terreni sabbiosi è persa per gravità (drenaggio)

L'acqua realmente a disposizione delle piante (Acqua disponibile o A. Utilizzabile) è quella compresa tra la C. di campo ed il Punto di appassimento: Ad (o Au) = C.C. - P.a. Le costanti idrologiche (C.C, P.a. e Ad), essendo dipendenti dalla dimensione dei pori e dalla loro incidenza percentuale sulla porosità totale, differiscono notevolmente da un terreno all'altro Capacità di campo CIC Acqua disponibile ACQUA DISPONIBILE Punto di Appassimento PA

Substrati Substrati Densità Porosità Porosità Capacità idrica ph EC apparente totale libera ritenuta (g l -1 ) (% vol.) (% vol.) (% peso) (% vol.) (ms cm -1 ) Torba bionda 90 95 17.5 845.0 76.5 3.6 0.100 Perlite (2 5 mm) 96 88 48.3 151.0 14.5 7.4 0.050 Polistirolo (4 5 mm) 6 55 52.0 57.8 3.2 6.1 0.010 Pomice (2 10 mm) 666 74 33.3 277.8 23.9 6.8 0.120 Argilla espansa (5 8 mm) 316 85 40.2 19.8 6.9 7.2 0.020 Scorza di pino (3 5 mm) 175 89 47.2 34.6 6.1 5.5 0.110 Sabbia fluviale (0.02 2 1614 44 2.0 20.0 35.2 6.4 0.100 mm) Vermiculite 110 80.5 27.5 492.0 53.0 8.3 - Lana di roccia 80 96.0 - - - - -

L acqua e i substrati

Curve di ritenzione idrica in due substrati per idroponica Perlite Lapillo AFP EAW 0.5 0.4 WBC 0.3 0.2 cm3 cm-3 0.1 10000 1000 100 cm AFP (Air Filled Porosity): contenuto di aria a Ψ = -10 cm EAW (Easily Available Water): nei contenuti di H 2 O a Ψ di -10 e -50 cm WBC (Water Buffering Capacity): nei contenuti di H 2 O a Ψ di -50 e -100 cm LRAW (Less Readly Available Water): nei contenuti di H 2 O a Ψ di -100 e -120 cm 10 1 0.1 0

Andamento giornaliero dei consumi e delle perdite di acqua 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Andamento cumulato dei consumi e delle perdite di acqua Apr.97 I Apr.97 III Mag.97 II Giu.97 I Giu.97 III Lug.97 II Ago.97 I Ago.97 III Set.97 II Ott.97 I Ott.97 III Nov.97 II Dic.97 I Dic.97 III Gen.98 II Feb.98 I Feb.98 III Mar.98 II Apr.98 I Apr.98 III 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 mm d-1 Apporti Perlite drenaggio Perlite consumi Lapillo drenaggio Lapillo consumi Apr.97 I Apr.97 III Mag.97 II Giu.97 I Giu.97 III Lug.97 II Ago.97 I Ago.97 III Set.97 II Ott.97 I Ott.97 III Nov.97 II Dic.97 I Dic.97 III Gen.98 II Feb.98 I Feb.98 III Mar.98 II Apr.98 I Apr.98 III mm Apporti Perlite drenaggio Perlite consumi Lapillo drenaggio Lapillo consumi

Caratteristiche idrologiche di miscugli di torba e pomice in funzione della percentuale di pomice 40 % in Volume 35 30 25 20 15 10 Acqua facilmente disponibile Capacità tampone per l'acqua Volume d'aria (per t = - 10 cm) 5 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Percentuale di pomice

L acqua si muove nel terreno per gradienti di energia e per capillarità L acqua si muove in parte perché è una molecola polare Forze adesione Tensione superficiale Le conseguenze della polarità Adesione: attrazione acqua-superfici solide Coesione: attrazione acqua-acqua menisco Forze di coesione gravità

Capillarità e Movimento dell acqua L acqua si trova nei piccoli spazi del terreno come pellicola attorno alle particelle del terreno I pori si comportano come piccoli tubi capillari L azione della capillarità trattiene l acqua nei pori contro la forza di gravità Più piccoli sono i pori, maggiore è la forza dovuta alla capillarità rispetto ad altre forze (es. gravità) Raggio del poro (cm) 0.015 (sabbia) 0.0015 (argilla) Risalita capillare (cm) 10 100

I movimenti dell acqua Saturo: moto dell acqua nel terreno temporaneamente saturo, in cui tutti i pori sono pieni di acqua ed in queste condizioni il potenziale = 0. L acqua si muove prevalentemente verso il basso Insaturo: moto dell acqua nel terreno in cui i pori sono parzialmente vuoti (aria) e l acqua si muove per differenza di potenziale da strati di maggiore spessore a strati più sottili

Metodo irriguo e movimento dell acqua Root zone Tessitura del terreno e movimento dell acqua Root zone

Conducibilità idraulica (K) = velocità del moto dell acqua nel terreno Quando il terreno è saturo, la conducibilità idraulica (K sat ) è costante Quando il terreno non è saturo, la conducibilità idraulica (K) varia in funzione del potenziale [contenuto idrico] (più acqua = maggiore velocità) saturo sabbioso Conducibilità idraulca (K) cm/d argilloso medio impasto

In sintesi L acqua si muove da punti ad alta energia a punti a bassa energia Terreni saturi drenano per gravità, il flusso insaturo è per lo più mediato dalle forze di adesione I pori più grandi drenano prima e sono pieni d'aria alla capacità di campo Più fine è la tessitura, più K è basso Più contorto è il percorso dell acqua nel terreno, più lento è il suo flusso (tortuosità) Alta tortuosità Bassa tortuosità La tortuosità dipende: 1) dal contenuto idrico (potenziale idrico) 2) dalla struttura del terreno 3) dal compattamento

Idoneità all irrigazione Dipende principalmente dalla permeabilità del terreno >180 mm h -1 troppo permeabili, irrigabili con difficoltà 180-18 mm h -1 adatti all irrigazione 18-3,6 mm h -1 irrigare con precauzione <3,6 mm h -1 impermeabili, quasi impossibile irrigare Tipo di terreno Sabbioso Limoso Argilloso Coltivato (mm/hr) 50 25 5 Nudo (mm/hr) 25 13 3 Velocità di infiltrazione i (cm/sec) K sat Permeabilità del terreno Terreno insaturo (secco) Velocità Irrigazione/pioggia (es. 1 cm/h) Runoff Tempo

La traspirazione impone che le piante assumano e traspirino all'atmosfera quantità rilevanti di acqua. Traspirazione 1982 t/ha Energia Solare 15 t/ha Acqua di trasporto Acqua 2000 t/ha 20 t/ha Sostanza Fresca 5 t/ha Sostanza Secca (Acqua fissata 3 t/ha) Esempio: per una coltura tipo che produca 20 t/ha di sostanza fresca il terreno in condizioni climatiche medie fornisce 2000 t/ha di acqua e di queste solo 3 (1,5 ) rimangono nelle proteine, carboidrati ecc. del prodotto finale, 15 (7,5 ) sono rappresentate da acqua di costituzione e di trasporto (utilizzata come solvente e per mantenere la turgidità); la differenza (1982 t = 99,1%) torna nell'atmosfera.

CONSUMI IDRICI consumo idrico totale = risultante di due componenti che interagiscono: AMBIENTALE Domanda evaporativa determinata da: temperatura, radiazione, UR, vento, disponibilità idrica, caratteristiche del terreno COLTURALE Sviluppo vegetativo determinato da: clima, fertilità del terreno, disponibilità idriche, caratteristiche della pianta (LAI), fase fenologica EVAPORAZIONE DAL TERRENO + TRASPIRAZIONE DELLA PIANTA EP Acqua libera o superficie bagnata EVAPOTRASPIRAZIONE ETP Coltura

Il peso relativo delle due componenti cambia con la fase fenologica della coltura Percentuale di copertura del terreno 1.0 0.8 0.6 0.4 Trasp. Evap. 0.2 0.0 0 20 40 60 80 100 % di copertura Nelle fasi iniziali l evapotraspirazione è quasi del tutto costituita da evaporazione dal terreno. Con lo svilupparsi della coltura prevale la componente traspirativa.

EVAPOTRASPIRAZIONE = CONSUMI IDRICI DI UNA COLTURA 100% EVAPORAZIONE DAL SUOLO (max in assenza di coltura e nelle prime fasi) + TRASPIRAZIONE (max quando LAI è massimo) LAI max E T 0% semina raccolta

L ET è la voce negativa principale del BILANCIO IDRICO + PIOGGIA + RISERVA UTILE + RISALITA CAPILLARE - EVAPOTRASPIRAZIONE - RUSCELLAMENTO SUPERFICIALE (max in terreni argillosi e in pendio) - INFILTRAZIONE NEGLI STRATI PROFONDI (max in terreni sabbiosi in piano) Indispensabile conoscerla per adattabilità delle colture a diversi ambienti programmazione irrigua stime di produttività a scala territoriale

Si esprime in quantità di acqua per unità di superficie per unità di tempo Generalmente in mm giorno -1, mm mese-1, mm anno -1 Sapendo che: 1 mm = 1 L m -2 = 10 m 3 ha -1 (1 L = 1 dm 3 ) 1 mm per m 2 = 0.01 dm x 10 dm x 10 dm = 1 dm 3 m -2 1 L x 10.000 m -2 = 10.000 L ha -1

L EVAPOTRASPIRAZIONE E UNA COMPONENTE DEL FLUSSO IDRICO NEL SISTEMA Evaporazione SUOLO-PIANTA-ATMOSFERA Assorbimento Traspirazione radicale COME TUTTI I FLUSSI (MOVIMENTO DI MATERIALE ATTRAVERSO UN SISTEMA) ANCHE L ET E REGOLATA DALLA LEGGE GENERALE DEL TRASPORTO (analogo alla legge di OHM): F 1 2 = (Ψ 2 -Ψ 1 )/Resistenza

Le differenze di potenziale sono il motore del flusso evapotraspirativo Ψ aria = -400 ~ -500 bar Ψ foglia = -10 ~ -20 bar UR % ψ atm bar 100 0 99-14 95-70 50-930 Ψ suolo = - 0.3 ~ -15 bar Leaf Stem Root

STRATEGIE DELLA PIANTA PER RIDURRE IL FLUSSO IDRICO Ricordando che IL FLUSSO E REGOLATO DALLA LEGGE GENERALE DEL TRASPORTO F 1 2 = (Ψ 2 -Ψ 1 )/Resistenza Per ridurre il flusso: 1. Diminuire la differenza di potenziale 2. Aumentare le resistenze Con differenti strategie

ADATTAMENTO DELLE PIANTE ALLA DOMANDA EVAPOTRAPIRATIVA AUMENTO DEL FLUSSO IN INGRESSO (assorbimento radicale) -aumento potere assorbente delle radici (abbassamento potenziale radicale) VELOCE - aumento della superficie assorbente (sviluppo apparati radicali) LENTO RIDUZIONE DEL FLUSSO IN USCITA RIDUZIONE DEL FLUSSO IN USCITA (traspirazione) -aumento della resistenza con var. morfologiche (peli, ispessimenti cuticola, cere ) LENTO con chiusura stomatica VELOCE - riducendo la differenza Ψ aria Ψ foglia, abbassando il Ψ foglia con una aumento della concentrazione osmotica VELOCE

MECCANISMO OSMOTICO TENSIONE OSMOTICA = pressione negativa (suzione) cui è sottoposta l acqua separata da una soluzione più concentrata da una membrana semipermeabile. Soluzione meno concentrata Soluzione più concentrata Es. Ψ = -10 Es. Ψ = -20 POTENZIALE OSMOTICO = componente negativa (tanto più negativa quanto più concentrata) del Ψ totale. Ψ totale = Ψ matriciale + Ψ osmotico + τ pressione turgore Interno della cellula costante La priorità della pianta è mantenerlo costante

La pianta riduce il potenziale osmotico (aumenta la negatività del potenziale es. da 15 a 20 bar) aumentando l ingresso nelle cellule di K + (pompe protoniche). Stress idrico Oltre un certo limite (specifico: -15 ~ -20 bar) si abbassa anche τ perdita di turgore e appassimento Aggiustamento osmotico fogliare diurno in funzione del tempo. I simboli indicano il livello di salinità del trattamento irriguo (% NaCl). Aggiustamento osmotico diurno (M Pa) 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0% 0.25% 0.50% 1% 30 40 50 60 70 80 90 Giorni dal trapianto

DEFINIZIONI ETo (zero) o ETP (Potenziale) o ETr (reference) = ET di riferimento (di un prato di festuca alto 10-12 cm, cresciuto senza fattori limitanti) ETmax o ETc (crop) = ET massima della coltura (in assenza di fattori limitanti) ETr (reale) o ETa (actual) o ETe (effettiva) = ET della coltura in esame nelle condizioni reali ( è sempre ET max) ETmax = ETo x Kc Kc = coefficiente colturale (rapporto tra l'et della nostra coltura e quella del prato di riferimento)

Si preferisce partire da una domanda climatica dell atmosfera a un sistema terreno-pianta, a cui il sistema risponde con un effettiva evapotraspirazione di acqua. La domanda climatica si chiama EVAPOTRASPIRAZIONE POTENZIALE per definirla si fa riferimento a una situazione specifica, standard: prato uniforme di Festuca arundinacea (copre il terreno per gran parte dell anno in diversi climi, vegeta bene sia alte sia a basse T) in condizioni di rifornimento idrico ottimale tenuto a un altezza tra 7 e 14 cm sufficientemente esteso da evitare effetto oasi esente da fitopatie

L evapotraspirazione potenziale Metodi diretti Bilancio idrico: T + E (=ET) = (An + I) ± Rt - P dove: T E An I Rt P = Traspirazione = Evaporazione dal terreno = Apporti naturali (Piogge, Falda) = Apporti artificiali (Irrigazione) = Variazioni della Riserva del terreno = Perdite (Ruscellamento, Percolazione) Si può effettuare in pieno campo se non è presente falda (è difficile valutarne gli apporti!) ed evitando, per quanto possibile, le perdite per ruscellamento e/o percolazione. Le variazioni della riserva si valutano attraverso profili di umidità (prof. 1 m). Con la pacciamatura si può evitare l'evaporazione dal terreno, per la stima della sola traspirazione.

L evapotraspirazione potenziale Può essere misurata direttamente in lisimetri a pesata, dove in un cassone cresce la coltura di riferimento e viene pesato con frequenza giornaliera; è difficile e oneroso, limitato a centri di ricerca oppure con bilancio idrico (tecniche recenti: eddy covariance)

L evapotraspirazione potenziale Può essere stimata a partire dai dati climatici: dipende infatti principalmente dalla radiazione netta (apporto di energia per l evaporazione dell acqua) e dal gradiente di pressione di vapore tra foglia e ambiente (umidità relativa e vento) Formule per stimarla Ci sono almeno un centinaio di formule, tutte con validità più o meno locale Penman Monteith: tiene conto di tutti i fattori di cui sopra su base fisica, è tra le più precise. Richiede: Radiazione netta (ricavabile da quella globale), Tmax e Tmin, URmax e URmin, velocità del vento, flusso di calore nel suolo (stimabile da altre grandezze o trascurabile su scala di 3-5 giorni). Occorrono quindi stazioni meteo complete Altre formule: Hargreaves: richiede Tmax e Tmin; Priestley-Taylor: richiede radiazione globale e T; Blaney-Criddle, che usa la T, UR e Vento, o Thornthwaite, che usa la T media mensile; è molto apprezzata dai climatologi, ma quasi inutile per gli agronomi.

Penman Monteith Rappresenta lo standard internazionale di riferimento per questi studi. Serve per la validazione di altre formule. E' un modello basato sul bilancio energetico della superficie evaporante. Richiede la conoscenza di molti parametri climatici. (Rn - G) + ρ a c p (e s - e a /r a ) ET = + γ (1+ r s /r a ) = pendenza della relazione VPD vs. Temp. Rn = radiazione netta G = flusso di calore nel suolo ρ a = densità media dell'aria c p = calore specifico dell'aria e s - e a = VPD dell'aria γ = costante psicrometrica r a = resistenza aerodinamica r s = resistenza superficiale (r stomatica + r cuticolare + r del suolo)

Come misurare le resistenze r s = f [ 1/I a ] r c = r s /LAI LAI = f [GDD] GDD = (T max +T min )/2 T base

Penman-Monteith vs Hargreaves dati decadali Campania HARGREAVES ETo = 0.0023*(Tmed +17.8)*(Tmax Tmin) 0.5 *Rad Rad = Radiazione astronomica, desumibile da tabelle in funzione della data e della latitudine, in mm/giorno Penman-Monteith mm/giorno 8 7 6 5 4 3 mese 40 N GEN 6.4 FEB 8.6 MAR 11.4 APR 14.3 MAG 16.4 GIU 17.3 LUG 16.7 AGO 15.2 SET 12.5 OTT 9.6 NOV 7.0 DIC 5.7 2 2 3 4 5 6 7 8 Hargreaves mm/giorno La differenza media è di 1,3 mm/decade, solo 8 decadi superano 10 mm di differenza

Altre tecniche per stimarla Evaporimetri: dispositivi con acqua che evapora e che viene misurata di tipo diverso, funzionano tutti abbastanza bene perché l evaporazione è condizionata dagli stessi fattori che condizionano la coltura. I più usati sono: Classe A, cilindro di 1,2 m di diametro e 25 di altezza poggiato su una pedana Colorado: quadrato, di 1 m di lato, interrato con l acqua a livello suolo Piche: una provetta rovesciata, chiusa con carta da filtro e posto al riparo dalla radiazione. Costa poco e in rapporto ai costi va bene (utile a livello aziendale) Tutti gli evaporimetri hanno bisogno di coefficienti correttivi (UR, vento) per dare un valore di ETP

ET 0 = k vasca x E vasca K vasca = Coefficiente di vasca (rapporto ET festuca /Evaporato) può dare indicazioni sui fattori di resistenza della pianta rispetto all evaporazione dal pelo libero dell acqua. Più è basso, più predominano i fattori di resistenza della pianta al flusso

- Atmometro Apparecchio a lettura autom. Atmometro di Bellami modificato La capsula porosa è coperta da una cuffia di tessuto verde per simulare il colore e la rugosità di una coltura. In tal modo esso costituisce un modello fisico che simula il processo evapotraspirativo di una coltura. Se correttamente posizionato (circa 1 m al di sopra della coltura e senza ostacoli intorno), il consumo di acqua dovrebbe corrispondere direttamente all'etp e quindi, in teoria, non occorrerebbe correggerlo con coefficienti.

L evapotraspirazione massima A una certa evapotraspirazione potenziale corrisponde un evapotraspirazione reale da parte della coltura. Se la coltura è nelle stesse ottimali condizioni viste per l ETP, e l unica limitazione alle perdite di acqua è lo sviluppo della coltura stessa (che ad es. non ricopre completamente il terreno), si parla di EVAPOTRASPIRAZIONE MASSIMA. All evapotraspirazione massima la coltura è in condizioni fisiologiche ottimali, max produzione di s.s. Non sempre però in questa condizione si ottiene il massimo del prodotto desiderato e allora si parla di EVAPOTRASPIRAZIONE MASSIMA AGRONOMICA, per la quale si ottiene il massimo del prodotto voluto (es bietola a ETM produce troppe foglie e i fittoni non hanno il max contenuto di saccarosio)

WUE= Efficienza dell irrigazione Resa V = tot E + T + Perdite+ Resa FrazioneLisciviazi one Costo dell irrigazione Volumi stagionali m 3 /ha ET max =X max

L evapotraspirazione massima Per calcolare l evapotraspirazione massima sono disponibili i coefficienti colturali K c, che moltiplicati per l ETP danno una stima dell ETM. Essi variano in funzione della coltura e dello stadio di sviluppo della stessa. In linea di massima dipendono dal LAI della coltura Si riconoscono 4 stadi: 1) iniziale: germinazione, emergenza, sviluppo fino a LAI di circa 1 Kc=0,3 2) di copertura: da LAI 1 a LAI 3 (copertura completa del suolo) il Kc cresce linearmente da 0,3 a 1 3) di pieno sviluppo Kc= 1-1,2 (fioritura) 4) di maturazione, formazione di semi e frutti; la senescenza della pianta riduce la traspirazione da 1 si scende fino a 0,5-0,3 (dipende dalle condizioni della pianta al momento della raccolta)

CALCOLO DELL ETM (o ETc) L Evapotraspirazione massima è il consumo di una coltura in condizioni idriche ottimali e senza alcun altro fattore limitante. ETM = ETP * kc Durante il ciclo colturale l andamento del kc segue quello del LAI. I Valori per il MAIS 0.3 0.5 0.7 0.85 4-5 a foglia (10% cop.) Iniz.Inf. (>80% cop.) 1.05 1.20 0.80 0.95 M.L M.C 0.55 0.60 UR<70% Vento<5 m/s UR>70% Vento>5 m/s

Kc per terreno nudo (fase iniziale = Kc ini )

CALCOLO DELL ETE ( o Eta) Una coltura sarà in condizioni di ETM solo subito dopo una irrigazione (~ terreno alla Capacità di campo) e fino ad un valore critico (p) di umidità del terreno oltre il quale le piante ridurranno i propri consumi. Tale valore critico varia da specie a specie ETE = ETM*kd = (ETP*kc)*kd L acqua disponibile facilmente utilizzabile

La frazione di Acqua Disponibile, corrispondente al valore di p, viene definita Acqua Facilmente Disponibile (Af d ). Se: Ad peso = CIC Pa e Ad volume = Ad peso * densità allora: Af dvolume = Ad volume * p = [(CIC Pa)*densità] * p e così anche dalla Riserva Utilizzabile (Ru) si potrà ricavare la Riserva Facilmente Utilizzabile (Rfu). cioè: Rfu = Ru * p = (Ad volume * s)) * p con s=spessore dello strato interessato dalle radici in mm

La Riserva Utilizzabile e le radici Assorbimento di acqua dalle radici in funzione della profondità (P) dell apparato radicale P/4 P/4 P/4 P/4 40% 30% 20% 10% Profondità radici

L' Umidità Critica (Uc), cioè l'umidità del terreno alla quale la pianta comincia a ridurre la traspirazione e, quindi, anche le altre funzioni vitali, potrà essere calcolata così: Uc ps = Pa + [Adps * (1 -p)] Ucvol = Ucps * d Esempio per il mais (strato 60 cm): CIC ps = 35% Pa ps = 18% d = 1.1 p=0.55 Ad ps = 35 18 = 17% Ad vol = 17*1.1 = 18.7% Ru (60 cm) Afd vol = 18.7 * 0.55 = 10.3% = 18.7 / 100 * 600 = 112 mm Uc ps = 18 + (17 * 0.45) = 25.65% Uc vol = 25.65 * 1.1 = 28.2% Rfu (60 cm) = 112 * 0.55 = 61.6 mm

Kd = COEFFICIENTE DI DEFICIT Determinazione della riduzione di traspirazione e, quindi, di assorbimento di acqua dovuto a carenza idrica nel suolo 1 Lim.Crit. C.I.C. 0.8 Kd = Eta/ETc 0.6 0.4 0.2 0 P.A. 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 umidità suolo (m 3 m -3 ) Al di sotto di un limite critico la pianta riduce la traspirazione linearmente, fino a 0 al punto di appassimento: Lim.Crit. < θ suolo < C.I.C. Kd =1 θ suolo < Lim.Crit. Kd = θ suolo LimCrit P.A. P.A.

ET e le serre Andamento orario della radiazione globale e della traspirazione in Gerbera coltivata su pomice 30 g/pianta h-1 RG Cal/cm2 h-1 ETE 30 25 25 20 20 15 15 10 10 5 5 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Ore 0 30 25 g/pianta h-1 RG Cal/cm2 h-1 ETE 30 25 20 20 15 15 10 10 5 5 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Ore 0

ET e le serre Consumo idrico cumulato e radiazione globale cumulata in Gerbera coltivata su pomice 250 RG ETE Giornata limpida 200 RG ETE ETE (g/pianta) RG (Cal/cm2) 150 100 t Giornata nuvolosa 50 0 1 4 7 10 13 16 19 22 Ore

Andamento orario della radiazione globale e della traspirazione in Melone in serra Spagna)

Andamento di ET 0 e Radiazione solare in serra Almeria - Spagna

Metodo della radiazione solare con Kc Si basa sulla evapotraspirazione di riferimento per la serra, ET 0 : ET 0 = A [τ G est ] L evapotraspirazione attuale ET M è stimata come: ET M = K c ET 0 = K c [A τ G est ] In serra: ET M = K c ET 0serra = K c [0.67 G serra - 0.2]

Kc

Evoluzione dei kc in una serra di plastica (PE) A=Pomodoro (trapianto 16/10) B=Peperone (trapianto 1/11) C=Cetriolo (semina. 16/9) D=Melone (semina 16/1) E=Anguria (semina 1/2) F=Fagiolino (semina 16/9) G=Melanzana (trapianto 1/10) PER = periodo dopo Semina o Trapianto

ET e le serre R ET = 0.946 + λ [ 1 exp( 0.69 LAI) ] 0. 188

Effetto del substrato sul coefficiente colturale di rosa coltivata fuori suolo 1.4 1.2 Lapillo Perlite 1.0 0.8 Kc 0.6 0.4 0.2 0.0 1/4 1/5 31/5 30/6 30/7 29/8 28/9 28/10 27/11 27/12 26/1 25/2 27/3 26/4 Data

kc kc t t 1) A 2) A A A t = kc = kc t t = = min max A e + ( kc e atta be max ktta + btta+ c kc min ) x LAI 3 = Area fogliare massima per TTA = TempoTermico Accumulato t se LAI se LAI t t < 3 3 2 = Area fogliare per pianta al tempo t in cm max max 2 pianta in cm 2 In serra: ET M = K c ET 0serra 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 cm2/pianta 1 2 At x DP LAIt = 10000 2 LAI in m di area fogliare / m 2 di terreno 0 500 1000 1500 2000 2500 TTA C

Calcolo del TTA o GDD METODO NOAA Tmax = temperatura max giornaliera Tmin = temperatura minima giornaliera Colture Tb Top Tus Solanacee 10 30 40 Cucurbitacee 12 32 42 GDD T T med med T = = b T max d d n 1 ( T = gradi + T 2 med min Tb ) utili di temperatura giornaliera Se Tmax >Tus Tmax=Tus Se Tmin < Tb Tmin=Tb

Modelli di previsione I coefficienti nella formula per le serre sono dipendenti da: tipo di serra; sistema di climatizzazione (CO 2, fog-system, riscaldamento...); clima esterno prevalente. Proposti modelli di previsione più elaborati basati sulla formula di Penman-Monteith Formula radiativa che include l umidità: Modello empirico della formula: TR = a (RG) + b (VPD) TR = a f 1 (LAI) RG + b f 2 VPD

[Monteith, J.L., 1965] ( ) ( ) + + + = a c a a s p a N r r r e e c G R ET 1 γ ρ ( ) [ ] VPD LAI B R LAI k exp 1 A ET + λ = ( ) + + + + + = s b a * a b s r r s LAI r r s R s ET γ χ χ γ λ λ 1 2 1 P-M equation ( ) ( ) ( ) 2 2 0 0.34 1 273 900 0.408 u e e u T G R ET a s N + + + + = γ γ FAO P-M equation ET 0 k ET C C = ET Crop (Stanghellini, 1987) (Baille, 1994) Modelli di ET Resistenza della canopy r c = 100/LAI