OTTIMIZZAZIONE DELLE RISORSE IDRICHE

G. Zipoli1, P. Marzialetti2, L. Bacci1, P. Battista3, B. Rapi3, F. Sabatini1

1Istituto di Agrometeorologia e Analisi Ambientale Applicati all'Agricoltura
Consiglio Nazionale delle Ricerche. P.le delle Cascine, 18 Firenze

2Centro Sperimentale per il Vivaismo di Pistoia
Via dei Ciliegiole, 99, Pistoia.

3Centro di Studio per l'Applicazione dell'Informatica in Agricoltura
Accademia dei Georgofili, Logge Uffizi Corti, Firenze

Ricerca finanziata dell'Ente Cassa di Risparmio di Pistoia e Pescia.

 

Il problema

Il problema della scarsa disponibilità idrica diviene più pressante ogni anno e a tutti gli utenti è richiesto uno sforzo, sempre maggiore, di razionalizzazione nell'uso di questa preziosa risorsa. Le attività che necessitano di grandi quantità d'acqua e in particolare il settore agrario, soffrono questa situazione e devono direttamente impegnarsi a trovare soluzioni praticabili.
Il primo passo può essere quello di ridurre i consumi e di razionalizzare l'uso dell'acqua, specialmente nel periodo estivo. Quest'esigenza è particolarmente sentita in ambito vivaistico, nel quale la richiesta idrica continua ad aumentare, anche per il progressivo abbandono delle colture in terra a favore di quelle in vaso. Senza sottovalutare l'importanza degli sforzi condotti da molti operatori del settore per aggiornare i propri sistemi irrigui, molta strada deve ancora essere percorsa.
Non si tratta soltanto di sensibilizzare ed eventualmente sostenere la diffusione delle tecniche attualmente disponibili, ma anche di approfondire le conoscenze, introducendo elementi innovativi che consentano un reale risparmio idrico e un significativo ritorno economico, garantendo al contempo una condizione soddisfacente dal punto di vista fitosanitario per le stesse piante.
Questa ricerca si propone di verificare le attuali possibilità d'impiego di sistemi di controllo dell'irrigazione delle colture in vaso e nel presente lavoro sono riportate alcune indicazioni ottenute da una campagna sperimentale condotta per la razionalizzazione della gestione dell'intervento irriguo, su due specie di piante ornamentali con esigenze idriche molto differenti: il cipresso (Cupressus macrocarpa var. Golden Crest) e il cornus (Cornus alba var. Sibirica).  

I sistemi in commercio

Dopo una ricerca di mercato, volta ad individuare le diverse tipologie dei sistemi di controllo esistenti, si è provveduto alla classificazione, in base al principio di funzionamento, di quelli adatti o adattabili alla gestione irrigua di piante in vaso: 

·     Sistemi basati su sensori per la misura del potenziale idrico del substrato;

·     Sistemi basati su sensori per la misura dell'umidità del substrato;

·     Sistemi di controllo con integratore solare (start irrigazione in funzione della radiazione solare);

·     Sistemi di controllo con pluviometro (stop irrigazione in caso di pioggia);

·     Sistema di controllo con sensore termico (stop irrigazione per temperature < 3-4°C).

Ciascuno di questi sistemi può essere adattato per il controllo dell'irrigazione in ambito vivaistico, ma nella sperimentazione sono stati presi in esame soltanto i sistemi basati sulla misura diretta dell'umidità del terreno, che presentano una maggiore versatilità e rispondenza alle esigenze di ottimizzazione dei consumi idrici. Per la misura dell'umidità del terreno esistono in commercio sensori che presentano costi e difficoltà d'uso notevolmente differenti, che ne limitano l'impiego in settori specifici (Tab.1).
In base alle principali caratteristiche dei sensori e al loro costo, solo alcuni di questi metodi di misura sono utilizzati per la realizzazione di sistemi commerciali di controllo dell'irrigazione: elettromagnetici e tensiometrici.
La ricerca si è concentrata, quindi, sui prodotti che hanno mostrato un rapporto costo/prestazione migliore tra quelli basati su questo tipo di sensori. Inoltre, sul mercato è stata riscontrata una grande disponibilità di sistemi di controllo dell'irrigazione in pieno campo, mentre sono risultati in numero molto limitato i sistemi adatti alle colture in vaso.

Tabella 1 - Metodi di misurazione del contenuto idrico del terreno: caratteristiche a confronto

Parametro del sistema

 

Metodo di misurazione

 

Grandezza fisica misurata

Tipo di misurazione

Possibilità di automatizzare il processo di misurazione

 

Difficoltà di impiego

 

Costo>

N

O

T

E

In situ Remota Intrusiva Distruttiva
Umidità Gravimetrico Peso - P no si No bassa medio -
Neutronico Numero di neutroni termalizzati P - si no Si alta alto -
Elettromagnetico Resistività P, E - si no Si medio-bassa medio-alto 1
Permettività P, E - si no Si medio-bassa medio-alto 1
Permeabilità P, E - si no Si medio-bassa medio-alto 1
Geoelettrico Resistività E - si no Si bassa medio 1
Telerilevamento Temperatura di brillanza - E no no Si alta molto-alta alto molto-alto 2
Potenziale idrico Piastre di Richards Pressione - P no si No bassa medio-alto -

Tensiometrico

Pressione P - si no Si molto bassa basso 2
Igrometrico Pressione P - si no Si molto bassa molto basso 1
1. Il metodo impiegato per la misurazione dell'umidità possiede caratteristiche migliori in condizioni di terreno molto asciutto;
2. Il metodo impiegato per la misurazione dell'umidità possiede caratteristiche migliori in condizioni di terreno bagnato;
E. Misurazione estesa: si ottengono informazioni relative ad un’ampia zona di terreno; 
P. Misurazione puntuale: si ottengono informazioni relative ad un'area puntuale.

Questi ultimi sono basati principalmente sui tensiometri, che presentano una buona risoluzione di misura nell'ambito operativo richiesto (20 hPa - 100 hPa). La possibilità però di adattare sistemi diversi, ci ha portato ad introdurre nella sperimentazione anche un sistema sviluppato per il controllo irriguo in condizioni di pieno campo basato su un sensore elettromagnetico.
In tabella 2 sono riportate le caratteristiche principali dei sistemi sottoposti alle prove in laboratorio, con vantaggi e svantaggi riscontrati. 

Tab. 2 -  Principali caratteristiche tecniche e valutazioni preliminari dei sistemi testati in laboratorio.

Controllo  Caratteristiche tecniche Vantaggi Svantaggi
Tensiometro con controllo della elettrovalvola

· Dimensioni: lunghezza corpo 30 cm, lunghezza puntale ceramico 10 cm.

· Alimentazione elettrovalvola: < 30 V AC

· Range di misura:  0 - 1000 hPa

· Intervallo di controllo: continuo

· Soglia d'irrigazione: da impostare in base al sistema pianta/terreno.

· Buona risoluzione

· Affidabilità

· Tempo di risposta medio

· Difficoltà d'uso

· Dimensioni non compatibili con vasi di Ř<30 cm.

Minitensiometri

· Dimensioni: lunghezza corpo 10 cm, lunghezza puntale ceramico 2.5 cm.

· Alimentazione sensore: 5 V

· Range termico operativo : 0 - 70 °C

· Range di misura: 0 - 850 hPa

· Intervallo di controllo: da impostare tramite un sistema di controllo esterno.

· Soglia d'irrigazione: da impostare in base al sistema pianta/terreno

· Intercambiabilità

· Tempo di risposta basso

· Elevata risoluzione

· Affidabilità

· Adattabilità

· Problemi di rappresentatività in caso di distribuzione non omogenea dell'acqua nel vaso

· Costo elevato

· Necessita di un sistema di controllo

Sistema con sensore elettromagnetico, elettrovalvola e relativo controllo.

· Range termico operativo: 0 - 50 °C

· Alimentazione elettrovalvola: 24 V AC

· Soglia d'irrigazione: da impostare tramite un selettore di controllo della umidità a 10 posizioni (pos.1 basso livello d'umidità del terreno, pos.10 alto livello di umidità del terreno), da calibrare in funzione del tipo di terreno;

· Possibilità d'impostare periodi di non irrigazione

· Facilità d'uso

· Economicità

· Affidabilità

· Bassa risoluzione

· Tempo di risposta maggiore rispetto agli altri due sistemi.

Oltre alle considerazioni riportate in tabella, alcuni problemi comuni possono essere evidenziati per questi sistemi, quali la necessità di essere supportati da elementi diversi (software di gestione, sistemi di controllo, ecc.), di essere "calibrati" in base alle condizioni operative (tipo di terreno e di pianta), di disporre di sistemi di verifica dell'effettiva apertura/chiusura dell'elettrovalvola e il reale consumo d'acqua e la necessità di essere sottoposti a controlli periodici da parte dell'operatore.
Non dobbiamo dimenticare, tuttavia, che questi sistemi presentano anche aspetti tecnici positivi, che li rendono una buona base per la realizzazione di sistemi di controllo più evoluti.

Il prototipo

L'ipotesi alla base di questa sperimentazione è che i gravi limiti di rappresentatività degli strumenti possano essere superati attraverso l'impiego di modelli micrometeorologici, basati sul calcolo dell'evapotraspirazione reale (ETr), che tengano conto delle condizioni generali nelle quali si trovano le piante. La conoscenza dei parametri coinvolti nei processi d'uso dell'acqua, infatti, può aiutare grandemente la programmazione dell'irrigazione, attraverso la comprensione dei parametri associati con i consumi e i fabbisogni idrici. Per ciascuna zona del vivaio, il modello dovrebbe estendere le indicazioni fornite dal sensore d'umidità del terreno (misura puntuale) alle caratteristiche micrometeorologiche di quella data area. 
Un esempio può essere fornito dalle differenti esigenze evapotraspirative indotte dal vento su piante esposte e piante protette. Schematicamente il sistema può essere suddiviso in tre elementi: minitensiometro (unità di riferimento per la misura dell'umidità del terreno), modello per il calcolo dell'ETr e software di controllo, con soglie e riferimenti. 

Quello che ci preme sottolineare è il contributo fornito dal modello, che considera i seguenti aspetti: input - acqua fornita per irrigazione e pioggia; output - perdita d'acqua (ETr) stimata in funzione di: caratteristiche del terreno, parametri meteorologici, esigenze della pianta; soglie di controllo - rappresentate da soglie "logiche", per la definizione dei limiti di funzionamento (On/Off), per l'esclusione dei  periodi non adatti all'irrigazione  e per la regolazione dell'approvvigionamento idrico in caso di mal funzionamento.

La sperimentazione in campo

Nella sperimentazione in campo, condotta su piante in vaso, come sistema di riferimento (tesi A) è stato scelto quello attualmente più diffuso in ambito vivaistico, il timer, che permette una gestione irrigua basata su considerazioni operative di tipo diverso da quelle degli altri sistemi. Dopo l'analisi preliminare in laboratorio, si è provveduto alla realizzazione del protocollo sperimentale, sottoponendo alla sperimentazione tre sistemi (B - Elettromagnetico, C - Minitensiometro e D - Prototipo).
Sono state selezionate dodici piante per tesi, da utilizzare per i necessari controlli e rilevamenti settimanali, mentre altre ventotto piante (per un totale di 40 piante per tesi) sono state utilizzate per la riduzione dell'effetto bordo e come barriere frangivento.
Al centro del sito sperimentale è stata posta una stazione meteorologica, per la misura dei principali parametri: temperatura e umidità dell'aria, radiazione solare, vento e precipitazione.
Nella tabella 3 sono mostrati i principi di funzionamento dei sistemi sottoposti alle prove in pieno campo. L'impostazione del timer (ora e durata dell'irrigazione) è stata fatta in base alle scelte tipiche dei vivaisti per le piante usate nella sperimentazione.

Tab. 3 - Criteri di controllo e di funzionamento dei sistemi sottoposti alle prove di pieno campo

Tesi

Sistema di controllo

Funzionamento

A

Timer - Programmatore a 4 stazioni indipendenti. 

Impostazione di un ciclo giornaliero su due turni irrigui, con tempi prefissati degli intervalli d'irrigazione giornaliera.

B

Elettromagnetico - Sistema di gestione dell’irrigazione, fornito di un sensore per la misura dell’umidità del terreno. 

Impostazione di una soglia d'umidità al di sotto della quale scatta l'irrigazione (S=3). Il sistema verifica l'umidità del terreno ogni 5 min durante l'irrigazione e ogni 20 min negli altri periodi.

C

Minitensiometro - Sensore + software di acquisizione e gestione.

Il range di funzionamento è compreso tra 0 e 850 hPa. La gestione dell'irrigazione è stata effettuata mediante un sistema di controllo da noi realizzato che, interrogando il sensore a intervalli predefiniti (ogni 5 min), attiva l'irrigazione in caso di superamento della soglia massima impostata. Il ciclo d'irrigazione prevede 5 min d'adacquamento e una pausa di 10 min, durante la quale il valore di potenziale idrico viene verificato ogni minuto. Se non viene raggiunto il valore della soglia minima (20 hPa) il ciclo d’irrigazione viene ripetuto

D

Prototipo - Minitensiometro + modello di stima dell'ETR + controlli logici

Il sistema, oltre alle specifiche riportate per il minitensiometro, apporta una serie di controlli in base alle soglie logiche imposte (max e min approvvigionamento idrico e momento del giorno più propizio per l'irrigazione) ed effettua un calcolo dell'ETR, per la stima della condizione idrica dei vegetali.

I sensori in esame sono stati inseriti nei vasi di riferimento, posti al centro delle tesi sperimentali, e collegati all'impianto d'irrigazione a goccia, scelto per limitare le perdite per evaporazione e aspersione.

All'inizio delle prove, le piante sono state accuratamente controllate dal punto di vista fitosanitario ed è stata ripristinata la capacità di campo del substrato. Nel corso della sperimentazione sono state effettuate, oltre ai rilevamenti strumentali e diretti, una lettura giornaliera degli apporti idrici forniti a ciascuna tesi e una serie di misure con frequenze variabili, per il monitoraggio della condizione generale delle piante. Sulle piante campione di ciascuna tesi sono state condotte misure morfometriche (altezza e diametro al colletto), di resistenza stomatica, contenuto in clorofilla e temperatura superficiale.
I principali parametri considerati per la valutazione dell'efficienza dei diversi sistemi d'irrigazione sono stati: la quantità d'acqua fornita, il numero d'interventi irrigui, la condizione fitosanitaria, l'accrescimento ponderale e la salvaguardia da condizioni di stress idrico. 

Prima di procedere all'analisi dei risultati, riteniamo utile fornire un'indicazione, seppure sommaria, sull'andamento meteorologico registrato nel corso dell'anno. 

Fig. 1 -Andamento pluviometrico ed evapotraspirativo (ETP) per il periodo maggio - agosto 1999 [dati stazione agrometeorologica Ce.Spe.Vi  (PT)].

L'andamento termico dell'anno 1999, confrontato con i dati della stazione agrometeorologica del Ce.Spe.Vi. (1989-1999), ha mostrato valori sensibilmente superiori alla media (oltre 3°C nel periodo maggio-settembre). Questi valori influenzano grandemente i livelli evapotraspirativi, anche se il loro effetto varia a seconda della specie e di numerosi altri parametri.
L'andamento pluviometrico, nel suo complesso, è confrontabile con quello degli ultimi dieci anni e, anzi, la quantità di pioggia cumulata nel corso dell'anno risulta addirittura superiore alla media (1216 mm vs. 1055 mm). Le maggiori differenze si sono avute nella distribuzione delle piogge, con un periodo di deficit pluviometrico tra maggio e agosto, per il quale i dati registrati sono nettamente inferiori a quelli medi stagionali (93 mm vs. 203).
L'analisi dei dati giornalieri di pioggia e di evapotraspirazione potenziale (ETP), mostra che l'apporto pluviometrico è stato insufficiente a coprire i fabbisogni idrici dei vegetali (Fig.1) e che vi è stata la necessità di continui interventi irrigui. Nel grafico sono riportati anche il numero degli eventi pluviometrici verificatesi nel periodo in esame, suddivisi per classi. Si può notare che il 45% di questi risulta inferiore ad 1 mm e ben il 71% è stato inferiore a 2 mm, con effetti limitati sul risparmio idrico; solo 6 eventi (19% del totale) risultano superiori a 5 mm.
L'analisi meteorologica ci porta a considerare che le condizioni in cui si è svolta la sperimentazione sono risultate tali da non evidenziare in maniera marcata le differenze tra i vari sistemi. 

I risultati conseguiti

Le osservazioni condotte nel corso della sperimentazione hanno evidenziato la presenza di una diversa condizione tra le piante delle tesi, con periodi più o meno accentuati di stress, legati ad un'insufficiente rispondenza alle esigenze idriche dei vegetali da parte dei sistemi di controllo. Dobbiamo comunque dire che tali differenze, seppure interessanti, non hanno determinato particolari problemi fitosanitari o riduzioni nell'accrescimento dei vegetali.
Come mostra la tabella successiva (Tab.4), nel cipresso non si osservano differenze significative in nessuno dei parametri dimensionali, mentre nel Cornus le differenze maggiori si sono avute nella tesi C2.

Tab.4 - Valori dimensionali registrati alla fine della sperimentazione nelle diverse tesi (media ± d.s.). Lettere diverse sulla colonna indicano differenze significative per P<0.5.

Tesi-Cipresso

Diametro culmo (cm)

Altezza pianta (cm)

Area fogliare (cm2)

Peso secco totale (g)

A1

1.91±0.07 a

116.7±2.2 a

-

382.5±14.7 a

B1

1.93±0.04 a

117.1±9.3 a

-

383.6±12.3 a

C1

1.91±0.04 a

123.4±1.4 a

-

356.8±11.9 a

D1

2.01±0.05 a

119.7±1.5 a

-

355.7±11.4 a

Tesi-Cornus

Diametro culmo (cm)

Altezza pianta (cm)

Area fogliare (cm2)

Peso secco totale (g)

A2

2.75±0.08 b

208.6±1.97 a

16745.0±797.5  ab

322.2±14.8 ab

B2

2.45±0.07 a

204.9±2.90 a

13703.3±429.6   a

280.5±8.2 a

C2

2.54±0.08 ab

220.1±2.04 b

17321.1±1444.8 b

336.2±24.5 b

D2

2.48±0.06 a

209.9±2.06 a

17302.8±1381.8 b

276.0±18.9 a

Le misure ecofisiologiche (resistenza stomatica, contenuto in clorofilla e temperatura fogliare), hanno evidenziato una minore sensibilità dei sistemi Timer e Elettromagnetico nei confronti dei fabbisogni idrici giornalieri, non tanto in termini di quantità, quanto in termini di tempestività d'intervento. 

Fig. 2 - Immagine termica del 16/07/99 ripresa con termocamera Agema Thermovision

Nella figura a lato (Fig.2) è mostrato un confronto tra i valori di temperatura superficiale delle piante di cipresso. Il colore scuro e uniforme delle piante centrali nelle diverse tesi indica una condizione generale di buona o ottimale disponibilità idrica, senza differenze particolari tra i diversi gruppi di piante. Queste indicazioni devono essere integrate con l'esame del funzionamento dei sistemi di controllo e dei relativi apporti idrici.
Tralasciando le situazioni particolari, dovute principalmente al mal funzionamento delle elettrovalvole o alla mancanza di rappresentatività nella posizione dei sensori rispetto al vaso, vediamo nel dettaglio i consumi idrici giornalieri cumulati delle diverse tesi (Fig.3). 

Fig. 3 - Consumi idrici cumulati per le quattro tesi (A - Timer ;   B - Elettromagnetico;   C -Minitensiometro; D - Prototipo) delle due specie ornamentali (Cipresso- 1 e Cornus - 2).

Dal confronto tra le curve appare evidente la grande differenza esistente tra i consumi delle parcelle D1 e B1, nel Cipresso, e l'andamento dei consumi della parcella B2 nel Cornus, rispetto a quello delle altre tesi, che si sono comportate in maniera apparentemente molto simile. Particolare attenzione deve essere posta nell'analisi di quei punti che mostrano brusche variazioni rispetto al trend del periodo precedente.
Le parcelle gestite dal sistema Elettromagnetico presentano i comportamenti più anomali, essendo riscontrabili sulla curva almeno due momenti con variazioni significative dell'apporto idrico giornaliero: un incremento all'inizio di luglio (+930 litri nel cipresso e +3950 litri nel cornus, rispetto al timer) e un decremento all'inizio di agosto (- 4400 litri nel cipresso e -3350 litri nel cornus).
Il comportamento del sistema prototipale è stato invece pressoché lineare, tendendo a fornire una quantità d'acqua superiore al timer nel cipresso e inferiore nel cornus.
Infine il sistema controllato da minitensiometro ha fornito un quantitativo d'acqua sostanzialmente vicino a quello deciso in base all'esperienza e regolato dal timer (-2069 litri nel cipresso e +672 litri nel cornus, rispetto al timer).
Quest'analisi però non esaurisce la discussione dei comportamenti osservati per i tre sistemi e, anzi, in qualche forma essa può essere fuorviante, perché non tiene conto delle diverse situazioni esistenti tra le tesi.
Il grafico successivo (Fig.4) mostra l'andamento del potenziale idrico all'interno dei vasi campione, per ciascuna delle quattro tesi del Cornus nei giorni 27-30 agosto. 

Fig. 4 - Andamento del potenziale idrico nei vasi campione del cornus.

I tre eventi piovosi registrati, seppure di entità limitata, hanno portato a sensibili abbassamenti dei valori tensiometrici, ma l'osservazione delle curve mostra anche il diverso comportamento dei sistemi di controllo:

Timer - Non tenendo conto della situazione reale, può avviare l'irrigazione in presenza di potenziale idrico molto alto (*1 - condizione di stress per i vegetali) o molto basso (*2 - senza una reale necessità d'irrigare);

Elettromagnetico - La scarsa sensibilità del sistema porta a valori anche molto alti di potenziale idrico (x1 - stress), ma è in grado di tener conto dell'apporto idrico dato dalle piogge (x2).

Minitensiometro - Rilevando in modo accurato il potenziale idrico del terreno, riesce a seguire bene le variazioni legate all'ETr (°1) e alle piogge (°2);

Prototipo - Basandosi principalmente sui valori minitensiometrici anch'esso segue correttamente le richieste evapotraspirative (°1), tenendo conto degli apporti idrici (°2).

Conclusioni

La ricerca condotta ha dato interessanti indicazioni per l'applicazione dei sistemi commerciali attualmente disponibili sul mercato nell'ambito produttivo della coltivazione in vaso del settore vivaistico.
I limiti riscontrati nei sistemi, principalmente dovuti ad una insufficiente attenzione alle reali esigenze delle piante e alle condizioni ambientali, possono essere superati adottando alcune misure di controllo.
L'adozione di sistemi basati su minitensiometri, consente una razionalizzazione dell'irrigazione, fornendo acqua alle piante quando queste ne hanno effettivo bisogno e regolando l'apporto idrico in base ad indicazioni strumentali obiettive.
L'esigenza di estendere le indicazioni fornite dal sensore (misura puntuale) rende tuttavia necessaria la realizzazione di un sistema di controllo basato su fattori diversi, come quelli introdotti nel prototipo.
I risultati conseguiti nel corso della ricerca, possono costituire la base per la messa a punto di un sistema di controllo dell'irrigazione di piante in vaso, di sicuro interesse per il settore vivaistico.
Il proseguimento della sperimentazione in campo consentirà non soltanto di estendere le verifiche ad altre specie, ma anche di applicare queste conoscenze a realtà diverse, quali quelle del verde pubblico e privato.


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