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martedì, 6 Dicembre 2022

Contrasto alla siccità/1: step uno misurare

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La presenza di acqua nel suolo è uno dei principali indicatori dello stato di salute degli agroecosistemi. Oggi, grazie alle moderne tecnologie e mediante i dati telerilevati è possibile individuare aree in cui la carenza o l’eccesso di acqua possono compromettere la fertilità del terreno. In particolare, utilizzando i dati di umidità e temperatura raccolti negli anni è possibile osservare e prevedere il rischio di siccità e di desertificazione di una determinata area. Negli ultimi decenni, con l’avvento dell’elettronica, sono stati sviluppati nuovi sensori (tensiometrici, resistivi, capacitivi) in grado di ottenere misure più o meno precise dell’umidità del terreno. Inoltre, sono stati sviluppati sensori che, posti a bordo di satelliti, permettono un monitoraggio su scala globale della Terra. Diversi sono i progetti svolti e in corso presso il CREA- Cerealicoltura e Colture Industriali di Foggia che prevedono l’utilizzo dei dati satellitari. Tra essi, il Progetto SENSAGRI e il Progetto SARAGRI. 

La scarsità di precipitazioni e le temperature più alte della norma in Italia e in Europa nel corso del 2022, hanno provocato l’instaurarsi di una condizione di siccità che ha avuto tra i suoi effetti negativi più immediati e rilevanti quelli sull’agricoltura. L’acqua, infatti, è fondamentale per la vita di tutti gli organismi viventi e per la produzione di alimenti. 

Guardando le immagini satellitari a colori, si può notare come la maggior parte dell’acqua sulla Terra (circa il 97 %) sia immagazzinata negli oceani, mentre la restante parte è contenuta nell’atmosfera (nell’aria, in particolare nelle nubi) e sulle terre emerse (laghi, fiumi, ghiacciai e terreno). L’acqua contenuta nel suolo non è immediatamente visibile, questa non appare brillante, blu o bianca, come nell’oceano o nel ghiaccio ed è difficile da individuare dalle immagini satellitari a colore naturale. 

Figura 1. Mappa di umidità superficiale del suolo, derivante dall’uso congiunto di immagini Sentinel-1 e ALOS-2, con una risoluzione di circa 500 m. Acquisizione del 2 agosto 2019 sul Tavoliere Pugliese. (F. Mattia e G. Satalino, IREA-CNR).

La quantità di acqua immagazzinata nel terreno è ridotta rispetto all’acqua contenuta altrove sulla Terra ma, nonostante ciò, questo piccolo volume d’acqua ha un grande significato. L’umidità del suolo può influenzare il clima globale. Per questo i ricercatori hanno sviluppato diversi protocolli e strumentazioni per misurare l’acqua nascosta tra le particelle di terreno. Il metodo più “semplice” per la valutazione del contenuto idrico del suolo prevede il prelievo di un campione di terreno che successivamente viene essiccato: l’umidità viene calcolata attraverso una relazione che lega la differenza tra il peso del terreno umido e quello secco.  

Negli ultimi decenni, con l’avvento dell’elettronica, sono stati sviluppati nuovi sensori in grado di ottenere misure più o meno precise dell’umidità del suolo.  

Tra questi, possiamo distinguere tre tipologie principali: 

Figura 2. Mappa di umidità superficiale del suolo con una risoluzione di circa 100 m, nel distretto irriguo di Riaza (Spagna), alla data del 9 Aprile 2017. Sono stati identificati campi irrigati (ad es., f22, f36) e campi non irrigati (ad es., f25). I pixel bianchi sono pixel mascherati. (F. Mattia e G. Satalino, IREA-CNR).
  • Sensori tensiometrici: sono in grado di misurare la forza con cui l’acqua è trattenuta dalle particelle di suolo. 
  • Sensori resistivi: sono costituiti da un resistore variabile la cui resistenza varia in base al contenuto di acqua nel terreno. 
  • Sensori capacitivi: sono costituiti da un condensatore tra le cui armature viene inserito un opportuno materiale dielettrico la cui costante dielettrica varia al variare dell’umidità del suolo. 

Questi sensori “terrestri” risultano essere strumenti efficaci, ma da soli non sono utilizzabili su larga scala, in quanto essi restituiscono una misura dell’umidità presente nella porzione di suolo molto vicino al punto in cui vengono adoperati. Per questo negli anni sono stati sviluppati sensori, che posti a bordo di satelliti, permettono un monitoraggio su scala globale della Terra. Questo è uno degli obiettivi della missione Copernicus, un insieme complesso di sistemi che raccoglie informazioni da molteplici fonti, quali satelliti come Sentinel-1 (radar) e Sentinel-2 (ottico) e sensori terrestri. Le informazioni raccolte vengono elaborate, fornendo ad utenti e istituzioni informazioni affidabili, accessibili e gratuite. Attraverso il Land Monitoring Core Service (LMCS), è in grado di fornire diversi parametri bio-geofisici, tra cui l’umidità del suolo nello strato superficiale (0-5 cm), in tempo quasi reale e su scala globale, grazie a ridotti tempi tra un passaggio e il successivo e la elevata risoluzione spaziale. I parametri raccolti dal satellite possono essere tradotti, sfruttando vari modelli, in indici che sono in grado di fotografare e raccontare aspetti come l’evoluzione della superficie terrestre, la vegetazione, il ciclo dell’acqua e il bilancio energetico.   

Perché misurare il contenuto di umidità del suolo? 

Figura 3. Mappa di umidità superficiale del suolo derivante dall’uso di immagini Sentinel-1 con una risoluzione di circa 500 m, nel Tavoliere Pugliese alle date del 13 Gennaio (in alto) e 19 Gennaio (in basso) 2017. (D. Palmisano, IREA-CNR).

La presenza di acqua nel suolo è uno dei principali indicatori dello stato di salute degli agroecosistemi. Oggi, grazie alle moderne tecnologie e mediante i dati telerilevati è possibile individuare aree a rischio desertificazione, erosione, siccità e acidificazione. In particolare, utilizzando i dati di umidità e temperatura raccolti negli anni è possibile osservare e prevedere il rischio siccità e desertificazione di una determinata area.  

Tali rischi sono al centro dei dibattiti dell’opinione pubblica e soprattutto del mondo agricolo. Mediamente, Il 70% dell’acqua dolce è impiegata in agricoltura. Si stima come tale impiego sia destinato ad aumentare negli anni, proprio per l’aumento delle temperature e per la scarsità di piogge. È fondamentale, pertanto, una corretta gestione nell’utilizzo di questa risorsa sempre più scarsa e preziosa.  

I dati relativi allo stato idrico dei suoli che provengono dai satelliti, possono offrire un aiuto per la corretta gestione dell’acqua. Grazie all’implementazione di questi dati con sistemi software di supporto alle decisioni (DSS) oggi l’agricoltore può essere guidato nella scelta degli interventi irrigui, riducendone così gli spechi.  

Il ruolo del CREA Cerealicoltura e Colture Industriali di Foggia 

Diversi sono i progetti svolti e in svolgimento presso il CREA Cerealicoltura e Colture Industriali (CREA CI) di Foggia che prevedono l’utilizzo dei dati satellitari. Tra questi il progetto Europeo SENSAGRI (2019-2021) ha utilizzato congiuntamente i dati satellitari Sentinel-1 e Sentinel-2 per lo sviluppo di un prototipo in grado di fornire diversi indici, tra cui il Surface Soil Moisture (SSM) e il Leaf Area Index (LAI).   

Figura 4. Situazioni di grave carenza idrica nel suolo (Michele Rinaldi, CREA-CI).

Attualmente, tra i progetti in corso, il progetto SARAGRI (2021-2023), ha lo scopo di consolidare e validare un insieme di algoritmi, con l’obiettivo di concorrere alla sicurezza idrica ed alimentare attraverso il monitoraggio delle condizioni di umidità dei suoli e del contenuto di acqua della vegetazione, quest’ultimo come possibile indicatore di condizioni di stress idrico delle colture e di individuazione delle aree irrigate: il tutto finalizzato al miglioramento della gestione delle risorse irrigue. 

Figura 5. Sistemi di irrigazione a goccia (su pomodoro) e per aspersione (su frumento) per fronteggiare situazioni di siccità (Michele Rinaldi, CREA-CI).

Progetto Europeo HORIZON 2020 “SENSAGRI – Sentinels Synergy for Agriculture” 

Il progetto Europeo HORIZON 2020 “SENSAGRI – Sentinels Synergy for Agriculture”, coordinato dall’Università di Valencia, ha utilizzato la sinergia tra i dati satellitari Sentinel-1 ​​e Sentinel-2 per sviluppare prototipi di servizi innovativi per il monitoraggio agricolo in particolare: prototipi di SSM, LAI verde e marrone e mappatura dei tipi di colture stagionali per la creazione di servizi di monitoraggio agricolo avanzato quali: modelli per la stima di resa/biomassa, individuazione di campi irrigati e di campi lavorati e mappe delle colture. Gli algoritmi sono stati sviluppati e validati in quattro aree test agricole in Spagna, Francia, Italia (presso il CREA Cerealicoltura e Colture Industriali di Foggia) e Polonia e il WEBGIS realizzato ad hoc, ne ha reso fruibili i risultati. Il progetto ha, infine, previsto la realizzazione di Living Labs in Francia, Polonia e Italia, rivolto a tecnici, decisori politici e al personale dei consorzi di bonifica, per una loro informazione e formazione sull’uso di questi nuovi strumenti per la gestione della risorsa idrica. http://sensagri.eu/  

Progetto SARAGRI – Uso dei dati SAR multi-frequenza a sostegno dell’AGRIcoltura” 

Il progetto SARAGRI – Uso dei dati SAR multi-frequenza a sostegno dell’AGRIcoltura” – finanziato dall’Agenzia Spaziale Italiana, ha lo scopo di consolidare e validare un insieme di algoritmi a servizio dell’agricoltura. Gli algoritmi proposti dal CNR-IREA si collocano a diversi livelli di maturità ed hanno l’obiettivo comune di concorrere alla sicurezza idrica ed alimentare attraverso il monitoraggio dell’umidità del suolo, la biomassa delle colture e il loro contenuto idrico. 

Il progetto è coordinato dal CNR-IREA di Bari e vede la partecipazione di due istituzioni impegnate nella gestione di misure di verità a terra e nel favorire il trasferimento di metodologie di Osservazione della Terra al settore dell’agricoltura: il CREA (con i centri Cerealicoltura e colture Industriali, sede di Foggia e Agricoltura e Ambiente, sede di Bari) e l’Instituto Tecnologico Agrario de Castilla y León (ITACyL), partner spagnolo. 

Michele Rinaldi
CREA Centro di ricerca Cerealicoltura e colture industriali

Dirigente di ricerca del CREA. Si occupa di sistemi colturali sostenibili, di agricoltura conservativa e di remote sensing per la stima di parametri di vegetazione e dell’umidità del suolo.

#lafrase L’acqua è la forza motrice della natura (Leonardo da Vinci)

Francesco Ciavarella
CREA Centro di ricerca Cerealicoltura e colture industriali

Assegnista di ricerca. Si occupa principalmente della raccolta, elaborazione e standardizzazione di misure su suolo e piante finalizzate alla realizzazione di modelli matematici per la stima di parametri biofisici e di umidità del suolo.

#lafrase Il mondo è pieno di cose ovvie che nessuno si prende mai la cura di osservare (Arthur Conan Doyle)

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