Il futuro è già qui: tutte le innovazioni per una gestione sostenibile del suolo

Gestione aziendale e sistemi informativi 

L’agricoltura sostenibile è diventata pratica necessaria al giorno d’oggi.  

Principali fonti di gas a effetto serra (GHG) del suolo, associate alla produzione vegetale 

L’agricoltura del domani, già da oggi, con macchinari di ultima generazione e tecnologie digitali  può  contribuire alla salvaguardia del suolo.  Lavorabilità e trafficabilità del suolo agrario vengono studiati con gli strumenti più sofisticati per mettere a punto soluzioni innovative ed efficaci nel contesto dei cambiamenti climatici e del loro impatto sui diversi tipi di suolo. 

Studi recenti hanno mostrato che le attività antropiche, fra cui l’agricoltura, hanno dato un contributo significativo alla degradazione del suolo ed alle emissioni di biossido di carbonio. Pertanto, il riscaldamento globale in atto probabilmente potrà essere accompagnato da cambiamenti nei modelli di precipitazione mondiale.  

Le principali fonti di gas a effetto serra (GHG) del suolo, associate alla produzione vegetale sono le emissioni di N₂O (ossido di azoto)_, i flussi di CO₂   (anidride carbonica) e CH₄ (metano), nonché le emissioni di CO₂ associate all’apporto di energia necessario in tutte le fasi di produzione agricola, sia come uso diretto: macchine agricole, gestione delle acque, irrigazione, coltivazione e raccolta, post-raccolta (intesa come energia per la trasformazione alimentare, lo stoccaggio, il trasporto ai mercati); che come input indiretti o sequestrati: concimi minerali e pesticidi chimici, insetticidi ed erbicidi. 

Impatto della meccanizzazione agricola sulle qualità del suolo durante le lavorazioni e cambiamenti climatici 

 I processi di conversione del terreno e di intensificazione agricola sono una causa significativa della perdita di qualità del suolo. Si tratta di prendere in considerazione l’impatto della meccanizzazione agricola sulle qualità del suolo, in riferimento al compattamento da traffico e da organi lavoranti durante le lavorazioni, al fine di studiare e predisporre tecniche che permettano di orientare l’attività agricola e l’uso delle macchine verso forme di adattamento ai cambiamenti climatici. Tale finalità è perseguita anche per mezzo dell’elaborazione d’indicatori di lavorabilità e trafficabilità, utili a determinare una serie di valori numerici che individuano con sufficiente precisione le caratteristiche di mobilità ed interazione di ciascun veicolo che transiterà su di un certo tipo di suolo, in relazione ai parametri prescelti per una serie d’operazioni agricole e tipologie di macchine e componenti.  

I cambiamenti climatici globali (CC) sono una causa significativa delle condizioni meteorologiche instabili, in alcune regioni il suolo si può trovare in condizioni di umidità estreme da molto secco a molto umido, quindi gli agricoltori possono incontrare difficoltà nel realizzare la preparazione del letto di semina al momento più opportuno, di conseguenza, la semina ad esempio di cereali come grano e orzo è inevitabilmente ritardata, causando una diminuzione della resa ottenibile.   

Quando il suolo viene lavorato in condizioni non ottimali, i danni sia alla sua struttura che alla produzione agricola possono persistere per molti anni. Inoltre, la lavorazione del terreno, a causa della sua applicazione ripetitiva nel tempo, può avere un’influenza su molte proprietà e processi fondamentali del suolo, sul suo profilo, sulla resa e sul tipo di gestione dei residui delle colture, sulla sostenibilità dei sistemi colturali.  

Minima e nessuna lavorazione 

Per la protezione del suolo, le tecnologie di minima e non lavorazione (minimum tillage e no tillage) sono state sperimentate e sono attualmente suggerite come metodi specifici e importanti per il risparmio di risorse ed energia in agricoltura.  

La perdita di carbonio organico nel suolo (SOC) durante la lavorazione convenzionale è stata ampiamente documentata nella letteratura scientifica, mentre le pratiche di lavorazione conservativa (minima e non lavorazione) possono svolgere un ruolo di primo piano nel sequestrare CO_2, con il potenziale di ridurre anche le emissioni di gas a effetto serra, ottenendo così un effetto di mitigazione del CC.  

In realtà, l’agricoltura senza lavorazione è raccomandata per conservare il suolo e l’acqua, ma il suo potenziale di sequestro del SOC varia ampiamente a causa delle complesse interazioni tra clima, tipo di suolo, rotazione delle colture, durata e fattori di gestione. I fattori importanti della conservazione della fertilità del suolo e la valutazione della sostenibilità del sistema agricolo hanno mostrato l’influenza dei sistemi di lavorazione del suolo sulle sue proprietà e sull’efficienza energetica.  

Compattamento del suolo  

In seguito al traffico del macchinario agricolo in campo ed all’uso di attrezzature per la lavorazione del terreno, il compattamento del suolo è stato valutato come uno dei problemi più seri nell’agricoltura meccanizzata ed ha un’influenza su molte proprietà e processi del suolo. Inoltre, le lavorazioni convenzionali rappresentano la variazione più rilevante delle qualità del suolo a causa della loro ripetuta applicazione e della profondità alla quale vengono eseguite. 

Il fattore più influente nel determinare l’idoneità del terreno per le operazioni in campo (trafficabilità e lavorabilità) è il contenuto idrico del suolo. Un’indicazione dello stato meccanico e del probabile comportamento sotto carico può essere ottenuta da una serie di proprietà del suolo tra cui resistenza alla penetrazione, resistenza al taglio, densità apparente e limite di plastica, la maggior parte delle quali dipende fortemente dallo stato di umidità in relazione con la capacità idrica di campo (CIC). Il compattamento e le caratteristiche chimico-fisiche del suolo possono variare in termini di intensità e distribuzione geografica all’interno di un campo, di conseguenza, la gestione del campo si traduce spesso in un’applicazione eccessiva di input in aree con alti livelli di nutrienti e in una sotto applicazione di input in aree con bassi livelli di nutrienti.  

Creazione di sotto zone (zone omogenee) in un campo: loro identificazione e mappatura  

Sotto – zone all’interno di un campo possono essere identificate raccogliendo informazioni con soluzioni tecniche di misura ad alta precisione oggi disponibili: in-situ, telerilevamento, satellitari (GPS) e modellazione, per anche collegare campo e regione (Fig. 1, Fig. 2).

I sistemi di lavorazione del terreno sono specifici per il sito, quindi il grado del loro successo dipende dal suolo, dal clima e dalle pratiche di gestione. In questo scenario, è necessario comprendere gli effetti della lavorazione del terreno sulle proprietà del suolo, sulla resa delle colture e sulle prestazioni di trazione sul campo.

Mappatura del suolo per stabilire trafficabilità e lavorabilità 

Per mezzo dei campionamenti e dell’analisi geostatistica, è possibile studiare la variabilità spaziale e temporale delle proprietà del suolo nonché individuare alcuni indicatori di compattamento e tenacità in termini di resistenza alla penetrazione o Cone Index (CI), Resistenza al taglio (SS) e Massa volumica apparente (M.V.A.) correlati con il contenuto idrico (WC) e la sostanza organica (O.M.) e della resa. Alcuni esempi di mappatura di parametri in-situ, dove l’analisi geostatistica è stata condotta utilizzando Geostatistical Analyst extensions del  software ArcGIS 10.0, sono riportati nelle figure n. 3-9.

La mappatura dei parametri fisico-meccanici del suolo e della produzione, l’elaborazione dei dati per la definizione delle zone omogenee (MZ) ha reso possibile gestire la lavorabilità e l’applicazione dei prodotti (chimici, sementi, acqua) a volume variabile nello spazio.  

Es. La zona omogenea nella parte rivolta ad est del campo, riportata nella fig. 9, caratterizzata da un basso livello di tenacità del suolo in termini di SS e da un elevato contenuto di SO, è stata gestita con la semina diretta del frumento.  Nella Fig. 10 è riportato un esempio di mappa satellitare sul rilievo del vigore vegetativo –Normalized difference vegetation index – (NDVI) per il controllo della distribuzione variabile (VRA). 

Tecniche di adattamento 

Con l’obiettivo di determinare la capacità dei diversi sistemi di lavorazione nella conservazione del suolo, nella produttività e nell’efficienza energetica come buona azione per l’adattamento ai cambiamenti climatici, sarà interessante continuare a valutare quali tecniche di lavorazione del terreno potrebbero essere considerate come adattamento alla gestione sul campo negli scenari di cambiamento climatico globale (CCS). Per questo, gli effetti di diverse lavorazioni preparatorie (quali per esempio aratura ed erpicatura a diversa profondità, pratiche di lavorazione conservativa , ossia con minima e nessuna lavorazione del terreno) dovranno essere valutati in funzione del contenuto idrico e del contenuto di argilla del suolo.  

L’effetto dell’adozione del tipo di sistema di lavorazione del terreno dovrebbe essere quantificato attraverso la resa colturale insieme ad alcune proprietà chimico-fisiche e meccaniche del suolo (consistenza, SOC, porosità, infiltrazione dell’acqua del suolo, stabilità strutturale, indice del cono, resistenza al taglio ecc .)  nonché prestazioni delle macchine agricole. 

Elaborazione dei dati di campo 

L’elaborazione dei dati di campo permette di valutare l’efficienza energetica globale della lavorazione, che dipende dalla superficie in ettari coperta in funzione del tempo e dall’abilità della trattrice di convertire l’energia di combustione in potenza utile.  

Come risultato, le prestazioni ottenute possono unire indicatori che esprimono il tempo di esecuzione come un’efficienza di campo (h/ha), uno slittamento (%), ed un consumo unitario di combustibile (kg/ha).  

L’applicazione di indici per la predizione delle prestazioni in campo di veicoli gommati e cingolati e la relazione macchinario-suolo si sono già rivelati utili per valutare le prestazioni, il grado di compattamento, per gestire e prevedere la trafficabilità, per minimizzare il rischio di compattamento del suolo e per progettare veicoli agricoli in grado di evitare effetti negativi sul suolo. L’uso combinato delle tecnologie informative (IT), dei modelli, della trasmissione della potenza innovativa come l’idro-meccanica, dei sistemi di propulsione con elevata superficie di contatto, della minima lavorazione e della semina diretta possono permettere una gestione più sostenibile dell’azienda agraria, con notevole riduzione di energia impiegata e di CO₂ emessa in condizioni di cambiamenti climatici. 

Risultati ottenuti e Risposta gestionale 

Da una sintesi dei risultati ottenuti da prove condotte, nell’arco di tempo di un decennio, nelle diverse situazioni di campo, effettuate durante le reali operazioni colturali, sia per la trafficabilità che per la lavorabilità (vedi bibliografia) si evince che spesso si è dovuto operare in condizioni estreme non normali a livello di condizioni di campo, spesso con contenuto idrico uguale o maggiore della capacità idrica di campo (CIC).  

Trafficabilità del suolo 

In tali condizioni, l’utilizzo di macchine e di sistemi di propulsione “speciali, che già si possono considerare di adattamento alle situazioni di CC in atto”, hanno permesso di effettuare comunque alcune operazioni colturali come la raccolta e la distribuzione dei prodotti, le lavorazioni su suoli molto compattati e la distribuzione e l’interramento del sottoprodotto della produzione di biogas (digestato liquido), che può essere a sua volta utilizzato come ammendante, laddove per evitare sgradevoli odori si renda necessario effettuare un’operazione di erpicatura che interri il liquame stesso. Tale necessità rappresenta per l’azienda un costo aggiuntivo ed è oggetto di studio e di ricerca di nuove soluzioni (Fig. 11-14).

Lavorabilità del suolo 

Gli esiti delle prove effettuate in cui, per quanto sopra, particolare attenzione è stata posta alle condizioni di campo, mostrano come i risultati ottenuti e le considerazioni a seguire possano utilmente tradursi in azioni di meccanizzazione agraria necessarie a facilitare l’adattamento al cambiamento climatico in agricoltura.  

• Molto utile si è rivelata la mappatura su scala di campo dei parametri fisico-meccanici del suolo e del contenuto idrico. Tale indagine effettuata in molti siti delle prove ha messo in evidenza terreni resi molto tenaci dal compattamento, particolarmente negli strati più profondi (0.40 m), dovuto ai molteplici passaggi del macchinario ed alle lavorazioni effettuate sempre alla stessa profondità che hanno provocato la suola di aratura. Dalla mappatura è emersa anche una significativa variabilità spaziale dei parametri rilevati: granulometria (g100g^-1), contenuto idrico e capacità idrica di campo (g100g^-1),  Cone Index (MPa) (0-0.40 m di profondità) Resistenza al Taglio (kPa) (0-0.20 m di profondità); massa volumica apparente (Mg m^-3), velocità d’infiltrazione dell’acqua nel terreno (mm h^-1).  

Per quanto riguarda la lavorabilità è stato evidenziato:  

• come i veicoli equipaggiati con 4 cingoli in gomma, le trattrici a bassa potenza equipaggiate con cingoli in gomma larghi o standard, le trattrici a media potenza con cingoli in metallo, le trattrici a ruote a bassa e media potenza, la trattrice a ruote equipaggiata con pneumatici a basso rapporto d’aspetto hanno ottenuto i più elevati valori di prestazioni di trazione in termini di coefficiente di trazione (TC) ed efficienza di trazione (TE) ed i più bassi valori di pressione al suolo.  
• Da prove di aratura estiva dove si è operato in presenza di contenuto idrico molto basso, non vi sono state differenze durante la lavorazione fra le prestazioni della trattrice a media potenza con cingoli in ferro e quella ad elevata potenza con 4 ruote motrici confermando ancora la trattrice con cingoli in ferro adatta per l’utilizzo nelle condizioni più difficili. La differenza sostanziale è stata a favore del cantiere per la semina diretta del grano. (Fig. 15, 16 e 17). 
•  L’uso combinato delle tecnologie informative (IT), della trasmissione della potenza idro-meccanica e della semina diretta hanno permesso una gestione più sostenibile dell’azienda agraria con notevole riduzione di energia consumata e di CO₂ emessa e si possono considerate come tecniche di adattamento ai c.c. (Fig. 17).

• In altra prova i risultati interessanti sono stati:  

a) che nelle specifiche condizioni di campo, il terreno molto tenace è stato convenientemente arato a 0.20 m di profondità quando il contenuto idrico era uguale allo 0.80 della CIC. Alcuni Autori hanno precedentemente stimato che il suolo deve essere lavorato quando il contenuto idrico è inferiore allo 0.60 della capacità di campo.  

b) che il cantiere di lavoro composto dalla trattrice di media potenza con cingoli in ferro ha mostrato grande adattabilità, perché le sue prestazioni non sono state influenzate dal contenuto idrico del suolo durante la lavorazione (Fig. n. 18 e 19).

• Dalle correlazioni fra resistenza alla penetrazione misurata (MPa) e contenuto idrico espresso come % della CIC per terreni a diversa tessitura: argillosa limosa, franco argillosa, argillosa,  sabbiosa argillosa, risultate statisticamente significative, è emerso che alla capacità di campo, la resistenza alla penetrazione (CI) misurata negli strati superficiali del suolo (0-0.10 m) era 1 MPa per suolo franco limo argilloso e vicino ad 1 MPa per suolo limo argilloso. Questo risultato indica che per ridurre gli effetti del traffico dei veicoli nei campi, le operazioni agricole devono essere effettuate con elevata tenacità del suolo in termini di CI, cioè al minimo accettabile del contenuto idrico del suolo necessario (in questi casi inferiore allo 0.8 della capacità di campo). Tutte le altre operazioni che non richiedono umidità dovrebbero essere effettuate quando il suolo è da asciutto a molto asciutto (contenuto idrico è inferiore al 0.6 della capacità di campo).  
• Siccome alcuni siti di prova sono soggetti a rischi idraulici ed inondazioni, perché il sottosuolo molto compattato non è in grado di assorbire l’acqua degli eventi meteorici eccezionali, azioni preventive come la scarificatura profonda e la riduzione degli elevati carichi sugli assali del macchinario durante il traffico sono necessari. 

6) Il modo migliore per prevenire il compattamento sarebbe quello di diminuire lo stress sul suolo dovuto al carico trasmesso dai sistemi di propulsione (pneumatici o cingoli) sulla sua superficie e fare in modo che questo carico non superi la resistenza del suolo stesso. Per ridurre il rischio di compattamento del suolo, lo stress di contatto deve essere il più basso possibile. Sarebbe arduo suggerire una singola pratica agronomica come prevenzione e soluzione ai problemi del compattamento del suolo. Piuttosto si suggerisce una combinazione di pratiche per l’adattamento ai cambiamenti climatici quali:  

• trafficare solo quando l’umidità del suolo è inferiore a 0.60 (0.80 per suolo molto compattato) della capacità di campo.  

• Traffico controllato, usare la stessa macchina per minimizzare il numero dei passaggi ed il traffico,  

• usare le macchine con un basso carico sugli assali. Una elevata superficie di contatto minimizza la pressione al suolo, per questo sono indicate: trattrici a ruote a bassa e media potenza, trattrice a ruote equipaggiata con pneumatici a basso rapporto d’aspetto, trattrici a bassa potenza equipaggiate con cingoli in ferro e/o in gomma larghi o standard, veicoli equipaggiati con 4 cingoli in gomma.  

• In alcuni casi, per ridurre il compattamento, un grande diametro può essere più benefico che uno pneumatico largo, questo enfatizza l’importanza della pressione di contatto e delle sua distribuzione riguardo alle variazioni delle qualità del suolo.  

• La pressione di gonfiaggio ha un’influenza significativa sulle qualità del suolo. Particolare attenzione va posta alla forma ed alla dimensione delle costole di aderenza ed allo slittamento (durante le lavorazioni deve rimanere sempre < al 15%), causa l’azione di taglio aggiungono ulteriore compattamento al suolo.  

• L’impiego dei sistemi informatici di monitoraggio e controllo equipaggianti il macchinario agricolo permette di avere informazioni sul reale uso del campo, rendendo possibile la valutazione della prestazione corrente ed eventualmente intervenire sul suo miglioramento. 

Si precisa che le ipotesi operative elencate hanno un rapporto costi/benefici per gli agricoltori e per la società molto basso ed in alcuni casi vantaggioso. Spesso si tratta di gestire al meglio risorse e materiali già disponibili. 

Conclusioni 

In conclusione, adeguati livelli di meccanizzazione agricola e sistemi di propulsione, insieme all’utilizzo di tecnologie informative e della comunicazione (ICT) possono ridurre i tempi di lavoro così da permettere l’esecuzione delle operazioni agricole in un intervallo di tempo più breve, quando le condizioni di campo sono tali da permettere sia la trafficabilità che la lavorabilità del terreno agrario con il minor danno possibile, la maggiore precisione di esecuzione ed il minor costo energetico. La tempestività e la precisione delle operazioni migliora la qualità in quanto le operazioni possono essere effettuate nel momento ottimale.  

Per mezzo dei campionamenti del suolo e dell’utilizzo di tecnologie di precisione come GPS e GIS è stato possibile studiare e predire la variabilità spaziale e temporale delle proprietà del suolo e individuare ed utilizzare alcuni indicatori di compattamento e tenacità del suolo in termini di Cone Index, Resistenza al Taglio, Massa Volumica Apparente, Sostanza Organica e di definire aree del campo caratterizzate da omogenea combinazione di fattori limitanti la resa colturale. 

L’elaborazione dei dati di campo ha permesso di valutare l’efficienza energetica globale della lavorazione che dipende dalla superficie in ettari coperta in funzione del tempo e dall’abilità della trattrice di convertire l’energia di combustione in potenza utile. Come risultato, le prestazioni ottenute uniscono tre indicatori che esprimono il tempo di esecuzione come un’efficienza di campo (h/ha), uno slittamento (%), ed un consumo unitario di combustibile (kg/ha).  

Gli indici per la predizione delle prestazioni in campo di veicoli gommati e cingolati e le relazioni suolo-macchinario si sono rivelati utili per valutare il grado di compattamento, per gestire e prevedere la trafficabilità, per minimizzare il rischio di compattamento del suolo e per progettare veicoli agricoli in grado di evitare effetti negativi sul suolo.  

L’uso combinato delle tecnologie informative, dei modelli, della trasmissione della potenza innovative come la idro-meccanica, della minima lavorazione e della semina diretta può permettere una gestione più sostenibile dell’azienda agraria, con notevole riduzione di energia impiegata e di CO₂ emesse e senz’altro si può considerare come un insieme di tecniche di adattamento ai cambiamenti climatici.  

Anche se non esiste la migliore operazione colturale in assoluto, esiste un compromesso tra gli obiettivi: condizioni metereologiche, resa colturale, stato del suolo, costi, ecc.  

I risultati ottenuti nel primo e secondo sito di prova permettono di considerare la semina diretta, la minima lavorazione, l’aratura a 0.20 m di profondità ed anche la scarificatura profonda per il decompattamento, come le più adatte per le condizioni di campo considerate, in regime di cambiamenti climatici. 

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