Applicazione per la stima dell`evapotraspirazione effettiva delle colture

ALLEGATO 4
APPLICAZIONE PER LA STIMA DELL’EVAPOTRASPIRAZIONE EFFETTIVA
DELLE COLTURE
L’applicazione realizzata si propone la stima dei consumi idrici delle colture attraverso
l’integrazioni di più moduli finalizzati alla quantificazione dei diversi termini del bilancio:
contenuto idrico del suolo nello strato esplorato dalle radici, evapotraspirazione potenziale e
massima della coltura (ETP ed ETM), calcolo delle somme termiche della coltura considerata,
accrescimento radicale, acqua disponibile per la coltura, evapotraspirazione effettiva (ETE),
ricorso all’irrigazione, contributo della falda.
Il modello non simula la crescita reale della coltura, né considera eventuali fattori di
stress che possano deprimere i processi fisiologici della pianta. L’evapotraspirazione effettiva
così stimata rappresenta i consumi di una coltura coltivata secondo le buone pratiche agricole, in
buone condizioni fitosanitarie e che risentita degli eventuali stress idrici solo intermini di
rifornimento di acqua e non in termini di perdita di funzionalità.
Gli input necessari al funzionamento dell’applicazione sono i dati giornalieri di tipo
meteorologico e i parametri relativi alla coltura, alle caratteristiche del suolo e al management
aziendale.
A questo riguardo si è quindi provveduto ad un’analisi delle serie dei dati climatici
disponibili, provenienti dalla rete di monitoraggio agrometeorologico dell’ARSIA e del Servizio
Idrologico Regionale.
In particolare, per quanto riguarda temperatura, radiazione globale, umidità relativa,
velocità del vento (variabili necessarie al calcolo dell’ETP), sono stati analizzati i dati delle
stazioni di Metato e Lido di Camaiore (dell’ARSIA), le uniche stazioni che rilevano tali
parametri, e che posseggono serie storiche a partire dal 1990 sino ad oggi. Le stazioni citate si
trovano rispettivamente a sud-est e a nord-ovest del bacino idrografico del lago.
Per tutti i parametri è stata verificata l’omogeneità tra le serie delle due stazioni,
calcolando il coefficiente di correlazione R2 e la retta di regressione lineare. Sono state
considerate omogenee le serie con un R2 > 0.7 e un coefficiente angolare della retta di
regressione compreso tra 0.7 e 1.3, secondo il criterio adottato dalla FAO (Allen et al. 1998). I
parametri che hanno soddisfatto tale criterio sono la temperatura minima (Tmin), la temperatura
massima (Tmax) e la radiazione solare globale (Rs), con R2 rispettivamente pari a 0.97, 0.97 e
0.94. Si è quindi potuto concludere che, per quanto riguarda temperatura e radiazione, è
sufficiente considerare solo una delle due stazioni presenti. La scelta è ricaduta sulla stazione di
Metato che risulta la più vicina all’area meridionale, oggetto dello studio di dettaglio.
Utilizzando le rette di regressione tra le due stazioni, è stato inoltre possibile ricostruire anche i
dati mancanti, consentendo di ricostituire serie complete per il periodo 1990-2008.
Per il calcolo dell’ETP è stata utilizzata la formula empirica di di Hargreaves,
modificata secondo Wu (1997), la cui principale differenza rispetto alla formula originale
consiste nell’utilizzo della radiazione solare globale misurata, in sostituzione della radiazione
extratmosferica stimata, come risulta evidente dalla seguente equazione:
ETP = 0.0135 (Tmed + 17.78) Rs [238,8 / (595.5 – 0.55 Tmedia)]
dove:
Rs = radiazione solare globale in mm/d
Tmed = temperatura media in °C calcolata come (Tmax-Tmin)/2
La radiazione globale Rs rappresenta la frazione della radiazione extratmosferica Ra che
raggiunge un piano orizzontale posto sulla superficie terrestre dopo aver subito i fenomeni di
diffusione, assorbimento e riflessione dovuti al suo passaggio attraverso l’atmosfera (Allen et al.,
1998).
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Questo metodo presenta, rispetto al più consolidato metodo FAO-Penman-Monteith,
l’indubbio vantaggio di necessitare soltanto tre parametri meteorologici (Tmax, Tmin e Rs),
accorciando conseguentemente i tempi di calcolo.
La bontà della stima fornita dall’equazione di Hargraves modificata è stata verificata per
la stazione di Metato calcolando l’ETP con entrambe le formule per gli anni 2008 e 2009, ed
ottenendo un coefficiente di correlazione r2 paria a 0.99 (Figura 1).
6.00
ETP Penman-M
5.00
ETP Heargr mod
mm/giorno
4.00
3.00
2.00
1.00
0.00
04/01/2007
05/01/2006
06/01/2006
07/01/2006
08/01/2006
09/01/2006
10/01/2006
11/01/2006
Fig. 1 - Confronto tra i due metodi di stima dell’ETP per la stazione di Metato relativamente all’anno
2008
Per il calcolo dell’ETM è stato utilizzato l’approccio dei coefficienti colturali (kc), così
come codificato dalla FAO (Allen et al., 1998), che definisce l’ ETM come il prodotto fra ETP e
kc.
Per la coltura di interesse il modello necessita come input di 3 kc: quello iniziale (kcini),
quello corrispondente alla fase fenologica della piena maturazione (kcmid) e quello
corrispondente alla fase di senescenza (kcend).
Il modello crea poi una funzione giornaliera denominata kc che dipende delle somme
termiche della coltura: la funzione kc assume il valore di kcini fino alla prima somma termica,
dopo cresce linearmente fino a assumere, al raggiungimento della seconda somma termica, il
valore massimo del kcmid, quindi rimane costante fino alla terza somma termica ed infine
diminuisce linearmente fino al valore di kcend, che è raggiunto alla quarta somma termica
(Figura 2).
Le somme termiche (GDD) sono calcolate, per definizione, come sommatoria, durante
l’intero ciclo colturale (o su una determinata fenofase), delle unità termiche giornaliere (UTG)
che, a loro volta, sono ricavate come segue:
UTG = 0 se Tmed ≤ Tbase
UTG = Tmed-Tbase se Tmed > Tbase e ≤ Tcutoff
UTG = Tcutoff-Tbase se Tmed > Tcutoff
dove:
Tmed= temperatura massima giornaliera in °C
Tbase = temperatura base della coltura o cardinale termico inferiore in °C
Tcutoff = cardinale termico superiore in °C
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Il modello richiede, quindi, che siano noti i cardinali termici inferiore e superiore della
coltura e le somme termiche che segnano la fine di ogni fase fenologica, quattro in tutto (UTG1,
UTG2, UTG3, UTG4). Il calcolo dei GDD viene effettuato a partire dalla data di semina che è
quindi un ulteriore parametro in ingrsso richiesto dal modello.
1.2
1.1
1
kc
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
98
10
6
11
4
12
2
13
0
90
82
74
66
58
50
42
34
26
18
2
10
0.4
gg dalla sem ina
Fig. 2 – Andamento della funzione kc nel modello per il mais
Per quanto riguarda la crescita radicale si assumono due diversi livelli di profondità:
quello raggiunto della maggior parte dell’apparato radicale cioè quello in cui si concentra la
maggioranza delle radici (rootdepth1) e quello massimo raggiunto anche soltanto da un esiguo
numero di radici (rootdepth2).
Entrambe le variabili assumono valori crescenti in proporzione lineare rispetto ai GDD
fino al raggiungimento del 40% della somma termica dell’intero ciclo colturale (UTG4), secondo
la seguente equazione (Neitsch et al., 2005):
rootdepth1/2 (t) = 2.5 * frGDD(t) * rootd1/2
dove:
rootdepth1/2 (t)= profondità della radice al tempo t in mm
frGDD(t)= GDD/UTG4, frazione di UTG4 raggiunta al tempo (t)
rootd1/2 = profondità massima delle radici1/2 in mm
Superata tale soglia, la profondità della radice rimane costantemente uguale al valore di
rootd. Dal valore assunto giornalmente dalla variabile rootdepth1 dipende il calcolo dell’acqua
disponibile per la pianta (plantAWC), mentre dal valore di rootdepth2 dipende l’eventuale
approvvigionamento dalla falda superficiale.
Il calcolo della riserva idrica nel suolo è stato implementato considerando il suolo come
un serbatoio i cui livelli minimo e massimo sono rappresentati dai valori delle costanti
idrologiche del terreno, rispettivamente dal punto di appassimento permanente e dalla capacità di
campo. Queste sono state stimate ricorrendo ad una delle numerose funzioni empiriche di
pedotransfer che utilizzano le caratteristiche tessiturali. Le equazioni di Huston si sono
dimostrate, tra quelle valutate (Brakensiek-Rawls, Saxton), le migliori, cioè quelle in grado di
fornire valori più prossimi alle poche misure disponibili.
Le equazioni utilizzate per la stima dei parametri idrologici sono le seguenti:
WP = exp[-4.384+0.404*(clay+silt)^0.5-9.85*0.0000001*(clay+silt)^3]
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FC = exp[-3.43+0.419*(clay+silt)^0.5-1.83*0.001*(clay+silt)^1.5]
Porosità = (2.65-BD)/2.65
dove:
WP = punto di appassimento in m3/m3
FC = capacità di campo in m3/m3
Porosity = capacità idrica massima m3/m3
clay = contenuto in argilla in %
silt = contenuto in limo in %
BD= densità apparente
Il calcolo delle costanti idrologiche è stato effettuato utilizzando un database
georeferenziato contenente la caratterizzazione agronomica di un numero elevato (oltre 800) di
campioni di suolo prelevati nel comprensorio di studio nell’ambito di un precedente progetto di
ricerca finanziato dalla provincia di Pisa. L’assunzione che sta alla base dell’utilizzo di questi
dati è che il profilo di suolo considerato dal modello sia sostanzialmente omogeneo alle
caratteristiche rilevate sperimentalmente nei primi 30 cm di terreno.
Anche la densità apparente, che compare nel calcolo della capacità idrica massima, è
stata derivata dalla tessitura, raggruppando i suoli secondo la classificazione USDA ed
assegnando ai suoli di ciascuna classe una densità apparente media. Lo stesso procedimento è
stato adottato anche per la conducibilità idraulica alla saturazione (ks), che risulta necessaria per
il calcolo della percolazione (Tab.1).
Classi di tessitura
A
AL
FA
FLA
FL
F
SF
S
argilloso
argillo-limoso
franco-argilloso
franco-limo-argilloso
franco-limoso
franco
sabbioso-franco
sabbioso
BD
(t/m3)
1.25
1.30
1.35
1.37
1.39
1.40
1.50
1.65
Ks
(mm/h)
0.5
2.5
8.0
10.0
12.5
15.0
25.0
50.0
Tab.1 - Densità apparente (BD) e conducibilità idraulica alla saturazione (ks) assegnati alle
varie classi di tessitura
Per i suoli con elevato contenuto in sostanza organica (SO > 5%), che sono ben
rappresentati nel campione, tutti i parametri derivati vengono corretti dal modello come descritto
in tabella 2.
SO
BD
CIM
Ks
FC
WP
(%)
t/m3
m3/m3
mm/h
m3/m3
m3/m3
5-10 BD - |SO| CIM + |SO| Ks - {Ks-[Ks/(|SO|/5)]} FC + |SO| WP + |SO|
10-20
1.10
65
3.6
40
30
> 20
0.80
75
1.8
50
38
Tab. 2 - Correzioni adottate per i suoli con elevato contenuto in sostanza organica
Tra i parametri del suolo richiesti come input dal modello compare anche la
soggiacenza, che è stata calcolata per ogni punto a partire dal raster della soggiacenza media
simulata dal modello idrogeologico descritto in allegato 2 per il mese di luglio. Tale parametro
definisce l’entità del contributo della falda.
Il bilancio idrico del terreno è calcolato dal modello considerando i seguenti termini:
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SWt+1 - SWt= actualPt + Irrt-ETEt-Perct
dove:
SWt+1 = contenuto di acqua nel suolo al tempo t+1 in mm
SWt = contenuto di acqua nel suolo al tempo t in mm
actualPt = precipitazione efficace al tempo t in mm
Irrt = irrigazione al tempo t in mm
ETEt = evapotraspirazione effettiva al tempo t in mm
Perct = percolazione al tempo t in mm
La differenza SWt+1 - SWt rappresenta la variazione giornaliera di immagazzinamento
di acqua nel suolo; come condizione iniziale la SW al tempo 0 è posta uguale alla capacità di
campo.
Il termine actualP rappresenta le precipitazioni utili, calcolate sottraendo alle
precipitazioni il runoff. Quest’ultimo è stimato attraverso il metodo empirico del Curve Number
(CN) del Soil Conservation Service - USDA, che considera il deflusso superficiale come la
differenza fra precipitazione e perdite, dove in queste ultime si inglobano oltre alle perdite per
infiltrazione, anche quelle per intercettazione da parte delle piante, per accumulo sulle
depressioni superficiali e per l’imbibimento iniziale del terreno.
Nel metodo del CN la precipitazione efficace è stimata come segue:
actualP=(P-Ia)2/(P-Ia+S)
dove:
P = precipitazione cumulata in mm
actualP = precipitazione efficace in mm
Ia = perdite iniziali in mm
S = volume specifico di saturazione del terreno in mm
Il volume specifico di saturazione S dipende a sua volta dalla natura del terreno e
dall’uso del suolo e può essere stimato a partire dall’indice CN con la seguente relazione:
S = S0*(100/CN-1)
dove:
S0 = 254 se in mm
Il CN è adimensionale ed è decrescente con la permeabilità, variando tra 0 nel caso di
superficie totalmente permeabile e 100, per una superficie completamente impermeabile. Il CN
risulta quindi dipendente dal tipo di suolo (gruppo idrologico), uso del suolo, umidità del suolo
prima dell’evento meteorico considerato e copertura del suolo.
Il termine relativo all’irrigazione (Irr) è stato aggiunto per tener conto del possibile
contributo derivante dall’acqua irrigua anche in considerazione dell’incidenza che tale pratica
riveste all’interno del comprensorio.
Data l’impossibilità di ricostruire, azienda per azienda, la gestione dei sistemi irrigui
(numero di interventi, turno, volumi di adacquamento), che spesso sono riportati con estrema
approssimazione dall’agricoltore, si è ritenuto opportuno fare riferimento alle buone pratiche
agricole (riportare l’umidità del terreno alla capacità di campo, intervenire all’esaurimento della
riserva idrica facilmente utilizzabile, ecc.).
Il termine dell’evapotraspirazione effettiva (ETE) dipende dall’ETM, calcolata come
descritto in precedenza, e da una variabile denominata plantAWC (acqua disponibile per la
coltura). Quest’ultima, a sua volta, è dipendente dall’acqua disponibile (AWC) e dalla profondità
della radice al tempo t. Le due variabili sono calcolate come segue:
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AWC(t)= SW(t)-WPmm se SW(t) ≥ WPmm
AWC(t)= 0 se SW(t) < WPmm
plantAWC(t)= 0.4·AWClayer1(t)+0.3·AWClayer2(t)+0.2·AWClayer3(t)+0.1·AWClayer4(t) +
contr_falda(t)
dove:
AWC(t) = acqua totale disponibile al tempo t in mm
SW(t)= contenuto totale di acqua nel suolo in mm
WPmm = contenuto di acqua nel suolo al punto di appassimento in mm
plantAWC(t) =acqua disponibile per la coltura al tempo t in mm
AWClayeri(t) = acqua disponibile nello strato di terreno i al tempo t in mm
contr_falda(t) = contributo della falda in mm
Alla base del calcolo di plantAWC sta l’assunzione che le radici assorbano l’acqua in
maniera differenziata a seconda della profondità. Ciò in ragione del fatto che le radici si
distribuiscono in maniera non omogenea lungo il profilo, esplorando dunque un diverso volume
di suolo. Gli strati di terreno simulati dal modello sono 4, come illustrato in seguito.
L’equazione riportata sopra si riferisce alla variabile plantAWC calcolata dal momento
del raggiungimento del valore massimo di rootdepth1 (profondità della maggior parte delle
radici), prima di questo momento, gli strati di terreno su cui viene calcolata plantAWC sono
soltanto quelli interessati dalla profondità della maggior parte delle radici al tempo considerato.
ETE quindi è calcolata dal modello come segue:
ETE(t)=ETM(t) se ETM(t) ≤ plantAWC(t)
ETE(t) = plantAWC(t) se ETM(t) > plantAWC(t)
dove :
ETE(t) = evaportraspirazione effettiva al tempo t in mm
ETM (t) = evapotraspirazione massima al tempo t in mm
plantAWC(t) =acqua disponibile per la coltura al tempo t in mm
Come plantAWC, ETE interessa soltanto gli strati esplorati dalla variabile rootdepth1.
Infine il termine relativo alla percolazione (Perc) rappresenta la quantità di acqua
eccedente al tempo t rispetto alla capacità di campo che riesce a percolare attraverso il profilo del
suolo; la percolazione è implementata dal modello attraverso una funzione di storage, che, a sua
volta è modulato dal water travel time (il tempo di transito dell’acqua lungo un profilo omogeneo
di suolo), dipendente dalla ks e quindi dalle caratteristiche intrinseche del suolo. Dunque le
equazioni utilizzate nel calcolo della percolazione sono le seguenti:
Water_travel_time = (SATmm-FCmm)/ks
Perc(t) = acquagrav(t)*(1-exp(-24/water_travel_time)
dove:
Water_travel_time = tempo di transito dell’acqua lung oil profile in ore
SATmm-FCmm = acqua in eccesso rispetto alla capacità di campo in mm
Ks = conducibilità idraulica alla saturazione in mm/ora
Acquagrav(t)= acqua in eccesso al tempo t pari a SWt-FC (se minore di satmm) in mm
Il calcolo del bilancio idrico è effettuato dal modello ad ogni passo temporale su quattro
strati diversi, profondi rispettivamente 1/7, 2/7, 2/7 e 2/7 del parametro rootd. Soltanto il primo
strato è interessato dai termini di bilancio della pioggia efficace e dell’irrigazione, mentre il
termine della percolazione compare soltanto come uscita. Gli altri tre strati sono invece
interessati dalla percolazione sia come entrata (dallo strato immediatamente superiore), sia come
uscita (verso lo strato immediatamente inferiore). Il termine dell’evapotraspirazione effettiva si
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distribuisce invece su tutti e quattro gli strati in maniera differenziata (40% nel primo strato, 20%
nel secondo, 20% nel terzo e 10% nel quarto), assumendo, anche in questo caso, una non
omogenea distribuzione delle radici lungo il profilo da esse esplorato.
Il contributo relativo alla falda superficiale non interviene nel calcolo del bilancio idrico
del suolo, ma compare come termine additivo nel parametro che stima l’acqua disponibile per la
pianta (plantAWC). In questo caso si è assunto che il contributo diminuisca proporzionalmente
alla profondità della falda (determinata dal parametro soggiacenza) fino ad essere trascurabile
oltre i 140 cm. Inoltre esso dipende dalla profondità massima delle radici, simulata dal parametro
rootdepth2, ovvero a condizione che rootdepth2 ≥ soggiacenza.
Il contributo della falda è stato distribuito uniformemente nel corso del ciclo colturale
simulato, poiché si assume che questo intervenga a mitigare con regolarità lo stress idrico della
pianta durante tutto il ciclo vegetativo, una volta che le radici abbiano raggiunto una profondità
sufficiente.
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