Evoluzione dei sistemi colturali a seguito di cambiamenti climatici

Bari novembre 2007
Evoluzione dei sistemi colturali a seguito
di cambiamenti climatici (CLIMESCO)
Dipartimento di Scienze dei Sistemi Colturali, Forestali e dell’Ambiente,
Università della Basilicata. (Perniola Michele, Lovelli Stella, Caponio Tommaso,
Di Tommaso Teo)
Collaborazione con CRA-istituto Sperimentale per la Cerealicoltura, Sop di
Foggia, commessa esterna di UNIFG. (Troccoli Antonio)
Linea 3 - OTTIMIZZAZIONE DELLE RISORSE IDRICHE
Attivita’ 3.3 - Evoluzione dei coefficienti colturali e delle
resistenze colturali in relazione ai cambiamenti climatici
Linea 4 – SIMULAZIONE DI SCENARI COLTURALI
Attività 4.1/3 – Simulazione di scenari irrigui
Attivita’ 3.3 - Evoluzione dei coefficienti colturali e delle resistenze colturali in
relazione ai cambiamenti climatici
CONDUTTANZA STOMATICA
La conduttanza stomatica
diminuisce del 22% circa;
Non
si
osserva
alcuna
differenza significativa della
densità stomatica.
(Ainsworth and Rogers, 2007)
Effetto dei cambiamenti climatici sulla
TRASPIRAZIONE a livello fogliare
Si ha una riduzione della
conduttanza stomatica
La
minore
traspirazione
determina un aumento della
temperatura fogliare
Vpd all’interno delle foglie,
aumenta e conseguentemente
aumentando il gradiente del
Vpd la traspirazione aumenta
Gli effetti contrapposti si
compensano tra di loro
Nel processo di scaling a livello di canopy intervengono
numerose altre variabili.
Al fine di valutare i consumi idrici complessivi di una coltura,
dobbiamo considerare anche l’effetto del mutato regime termico
sulla fenologia e sulla durata complessiva del ciclo colturale.
L’effetto dei cambiamenti climatici sui consumi idrici delle
colture vengono complessivamente considerati dalla equazione
di Penman-Monteith
ET =


RN  G    a c p eA  e A / ra
  1  rc / ra 
Dati colturali:
Resistenza del manto vegetale
(s m-1)
Resistenza aerodinamica
(s m-1)
Dati climatici:
Umidità dell’aria (KPa)
Radiazione (MJ m-2 d-1)
Temperatura dell’aria (°C)
Velocità del vento (m s-1)
Attivita’ 3.3 - Evoluzione dei coefficienti colturali e delle
resistenze colturali in relazione ai cambiamenti climatici
Calcolo dell’ETc secondo l’approccio “two steps” FAO Irrigation and
Drainage Paper n.56 (Allen et al., 1998)
ET =


RN  G    a c p eA  e A / ra
  1  rc / ra 
x Kc
Modifica dei parametri resistivi della Penman-Monteith per il calcolo
dell’evapotraspirazione di riferimento (Allen et al., FAO paper #56)
ln zm  d  / zomln zh  d  / zoh
ra 
K ^ 2uz
rc 
rs
LAIattivo
(Con d=2/3 h e h=0,12m, ra=208/U2)
(Con rs =100 s m-1 e LAIattivo =1,44, rc=70 s m-1)
Considerando un aumento della rs del 22% e del LAI attivo del 4%
rs=128 s m-1 e LAIattivo =1,50, rc=85 s m-1)
20
Variazioni di ETo (%)
15
versione "Standard" della P-M applicata
su base media giornaliera con i dati del 1985
di Metaponto
10
rc = 70 s m
-1
5
rc = 85 s m
0
-1
-5
0
1
2
3
4
Variazioni di temperatura (°C)
5
6
Correzione dei coefficienti colturali per il calcolo dell’Evapotrasirazione
massima della coltura (Allen et al., FAO paper #56)
Kc=Kctab+[0,04(U2-2)-0,004(RHmin-45)](h/3)0,3
Effetto della velocità del vento, dell’altezza della
coltura e dell’umidità dell’aria sul valore del Kc
Correzione dei coefficienti colturali per il calcolo dell’Evapotrasirazione
massima della coltura (Allen et al., FAO paper #56)
Allen et al., 1998
La correzione della durata delle 4 fasi è stata effettuata considerando la somma termica delle
singole fasi calcolata secondo il metodo NOAA
GDD  n (Tmed  T0veg)
0
Correzione dei coefficienti colturali per il calcolo dell’Evapotrasirazione
massima della coltura (Allen et al., FAO paper #56)
Somma termica (GDD)
1,4
Frumento
coefficiente colturale (Kc)
1,2
Frumento (T0=5 °C)
1,0
I fase = 252
II fase = 345
III fase = 401
IV fase = 492
Totale =1490
0,8
0,6
0,4
0,2
Rielaborato da Rubino et al., 1985
0,0
0
30
60
90
120
150
180
210
giorni dalla semina
1,4
coefficiente colturale (Kc)
1,2
Pomodoro (T0=10 °C I fase, 15°C succ.)
Pomodoro
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
Rielaborato da Rubino e Tarantino, 1984
0,0
0
30
60
90
120
giorni dal trapianto
Andamento dei coefficienti colturali
misurati da lisimetro a Policoro su frumento
e pomodoro
I fase = 60
II fase = 99
III fase = 198
IV fase = 285
Totale = 642
Attività 4.1/3 – Simulazione di scenari irrigui
SCENARI
Località: Metaponto
Scenari climatici: dati misurati del 1985 del 2006 e scenario A2 (900 ppm CO2) del 2071
Colture: Frumento e Pomodoro
Indicazioni attese
Trend climatico dell’area metapontina
Bilancio idrico semplificato dei tre scenari
Consumi idrici ed irrigui e deficit idrici delle due colture nei tre scenari
Effetto del deficit idrico sulla produzione potenziale
Attività 4.1/3 – Simulazione di scenari irrigui
Trend Climatico
Bilancio idrico semplificato
25
+ 7.4 °C
20
+ 4.8 °C
+ 1.3 °C
15
1960 1980 2000 2020 2040 2060 2080 2100
anni
1000
ETo-pioggia totale mensile (mm)
10
pioggia totale annua (mm)
1985
ETo P-M
pioggia
pioggia utile
300
200
-807
-840
100
0
400
2006
300
200
-648
-750
100
0
800
600
400
+ 83 mm
- 77 mm
400
200
0
ETo-pioggia totale mensile (mm)
temperatura media annuale (°C)
misurato 1961-2006
A2 (900 ppm CO2) 2071-2100
ETo-pioggia totale mensile (mm)
400
30
A2-2071
300
200
100
-1134
-1167
0
anni
Temperature medie e precipitazioni totali annue del periodo
1960 2100 misurate a Metaponto e previste per lo scenario A2
ge
nn
a
fe io
bb
ra
i
m o
ar
zo
ap
r
m ile
ag
g
gi io
ug
no
lu
gl
ag io
se ost
tte o
m
b
ot re
t
o
no b
ve re
m
di bre
ce
m
br
e
1960 1980 2000 2020 2040 2060 2080 2100
Evapotraspirazione di riferimento e piogge totali e utili mensili
secondo il trend osservato nel 1985 e 2006 e quello previsto nello
scenario A2 del 2071
Attività 4.1/3 – Simulazione di scenari irrigui
Trend Climatico mensile
Temperatura media mensile
Pioggia totale mensile
Radiazione globale
35
80
maggio
20
aprile
15
marzo
febbraio
gennaio
10
60
gennaio
marzo
40
febbraio
aprile
20
giugno
80
maggio
aprile febbraio
gennaio
marzo
70
60
50
0
luglio
agosto
Anni
Anni
100
80
25
ottobre
20
15
ottobre
dicembre
60
novembre
40
novembre
dicembre
10
settembre
20
agosto
luglio
2000
2020
2040
Anni
2060
2080
2100
0
1980
2000
2020
2040
Anni
2060
2080
rad.globale max media mensile (%)
Anni
30
5
1980
90
maggio
giugno
5
35
Temperatura media mensile (°C)
Pioggia (mm)
25
rad.globale max media mensile
giugno
Pioggia (mm)
Temperatura media mensile (°C)
100
30
2100
90
luglio
agosto
settembre
80
dicembre
70
60
50
1980
2000
2020
2040
Anni
2060
2080
2100
Attività 4.1/3 – Simulazione di scenari irrigui
Trend delle precipitazioni
Trend delle precipitazioni in funzione della latitudine elaborato da vari modelli per i prossimi 70 anni
connessi ad un raddoppio della concentrazione di CO2. La linea viola tratteggiata indica l’andamento delle
precipitazioni osservato nell’ultimo secolo (fonte CIMIP-2, coupled model intercomparison Project 2).
Attività 4.1/3 – Simulazione di scenari irrigui
Consumi idrici ed irrigui e deficit idrici di frumento e pomodoro nei tre scenari
Modello CropWat (Clarke e Smith, 1998)
Parametri relativi al suolo:
Parametri relativi alla coltura:
Sabbia: 2,2%
Limo: 46,7
Argilla: 51,1
C.I.C.=38,5% (-0,03 MPa)
P.A. = 18,7% (-1,50 MPa)
T.A.W.=180 mm/m
M.I.R.=40 mm/d
Frumento
Data di semina: 20 Novembre
Profondità radicale: 30-120 cm
Riserva facilmente utilizzabile: 50-80% T.A.W
Ky: 0,4; 0,6; 0,8; 0,4; (1,0).
Irrigazione per aspersione (E.M.=70%)
Pomodoro
Data di trapianto: 20 Aprile
Profondità radicale: 25-100 cm
Riserva facilmente utilizzabile: 30; 40; 50%% T.A.W
Ky: 0,5; 0,6; 1,1; 0,1; (1,05).
Irrigazione a microportata di erogazione (E.M.=90%)
Attività 4.1/3 – Simulazione di scenari irrigui
Consumi idrici ed irrigui e deficit idrici di frumento e pomodoro nei tre scenari
Parametri relativi alla coltura: Coefficienti colturali
1,4
Frumento
coefficiente colturale (Kc)
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
Kc 1985
Kc 2006
Kc A2 2071
0,2
0,0
0
30
60
90
120
150
180
210
giorni dalla semina
1,4
coefficiente colturale (Kc)
1,2
Pomodoro
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
0
30
60
giorni dal trapianto
90
120
1985 (Y.R. in assenza di irrigazione 10,4%)
Consumi idrici ed irrigui e deficit idrici del frumento
nei tre scenari
700
Frumento
1985
2006
A2 2071
600
2006 (Y.R. in assenza di irrigazione 14,4%)
mm
500
400
300
200
100
Fabbisogni irr.
Pioggia ut.
Poggia tot.
ETc
0
ETo
A2 2071 (Y.R. in assenza di irrig. 12,1%)
Bilancio idrico e risposta produttiva del frumento secondo il trend osservato nel
1985 e 2006 e quello previsto nello scenario A2 del 2071
1985 (Y.R. in assenza di irrigazione 56,1%)
Consumi idrici ed irrigui e deficit idrici del
Pomodoro nei tre scenari
700
Pomodoro
2006 (Y.R. in assenza di irrigazione 59,5%)
600
mm
500
400
300
200
100
Fabbisogni irr.
Pioggia ut.
Poggia tot.
ETc
0
ETo
A2 2071 (Y.R. in assenza di irrig.65,3%)
Bilancio idrico e risposta produttiva del Pomodoro secondo il trend osservato
nel 1985 e 2006 e quello previsto nello scenario A2 del 2071
Attività 4.1/3 – Simulazione di scenari irrigui (area del metapontino)
Prime “parziali” conclusioni
• Il modello di simulazione climatica conferma la tendenza misurata nell’ultimo
decennio ad un significativo aumento delle temperature (dell’ordine 0,06 °C/anno) e ad
una riduzione delle precipitazioni totali annue di circa il 15% (rispetto al 1985) di cui si
modifica la distribuzione durante l’anno a favore dei periodi autunnali e primaverili.
•L’aumento delle temperatura e la concomitante prevista riduzione delle precipitazione
porta ad un aumento del deficit idrico potenziale annuo.
•Per le colture a ciclo autunno-primaverile, come il frumento, non si prevede un
ulteriore aumento del deficit idrico rispetto all’attualità. La riduzione dei consumi idrici
(per la riduzione della durata del ciclo colturale e, in parte, per la parziale chiusura
stomatica) in concomitanza con la più favorevole distribuzione delle piogge, andranno
probabilmente a compensare la maggiore domanda evapotraspirativa dell’ambiente
determinata dall’aumento della temperatura.
•Per le colture a ciclo primaverile-estivo, come il pomodoro, si prevede invece un consistente
aumento del deficit idrico e, quindi, dei fabbisogni irrigui. Per le colture che svolgono il loro
ciclo in questo periodo dell’anno, infatti, il consistente aumento della domanda evapotraspirativa
dell’aria non riesce ad essere compensato dalla riduzione del ciclo colturale e dalla parziale
chiusura stomatica.
Evoluzione dei sistemi colturali a seguito di cambiamenti climatici
2006 (Y.R. in assenza di irrigazione 14,4%)
Consumi idrici ed irrigui e deficit idrici del
frumento in funzione dell’epoca di semina
Semina 20-11
Ciclo: 205 gg
ETc: 537 mm
Pu 299 mm
1,4
2006 (Y.R. in assenza di irrigazione 3,9%)
Semina 1-11
Ciclo: 212 gg
ETc: 459 mm
Pu 345 mm
coefficiente colturale (Kc)
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
Kc semina 1-11
Kc semina 20-11
0,0
Nov Dic Gen Feb Mar Apr Mag Giu
Bilancio idrico e risposta produttiva del frumento
secondo il trend osservato nel 2006 in funzione
dell’epoca di semina
Evoluzione dei sistemi colturali a seguito dei cambiamenti climatici
2006 (Y.R. in assenza di irrigazione 59,5%)
Consumi idrici ed irrigui e deficit idrici
del pomodoro in funzione dell’epoca di
trapianto
trapianto 20-4
Ciclo: 93 gg
ETc: 557 mm
Pu: 77 mm
V.I.: 480
1,4
2006 (Y.R. in assenza di irrigazione 57,7%)
trapianto 1-4
Ciclo: 111 gg
ETc: 558 mm
Pu: 83 mm
V.I.: 475
coefficiente colturale (Kc)
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
Kc trapianto 1-4
Kc trapianto 20-4
Apr
Mag
Giu
Lug
Bilancio idrico e risposta produttiva del pomodoro
secondo il trend osservato nel 2006 in funzione
dell’epoca di trapianto
Evoluzione dei sistemi colturali a seguito dei cambiamenti
climatici
Scelta delle colture e avvicendamenti:
Colture erbacee e orticole: più indicate le microterme, colture da energia, areali di colt.
per le macroterme, scelta varietale etc.
Colture arboree: per i nuovi impianti scelta del sito di coltivazione per il fabbisogno
in freddo, scelta varietale.
Sistemazioni idrauliche agrarie:
Sistemazioni in piano: per il modificato regime delle precipitazioni maggiore ristagno
Sistemazioni in pendio: maggiore erosione e minore imagazzinamento idrico
Lavorazioni:
Aratura: valutare bene i pro (regimazione idraulica, immagazzinamento idrico,
controllo infestanti etc.) e i contro (s. organica, bilancio energetico, economico)
Impianto delle colture:
Epoca di impianto:
Concimazione:
C. azotata: rivedere i piani di concimazione in funzione delle reali asportazioni,
della mineralizzazione, del regime delle precipitazioni (lisciviazione) etc-
Evoluzione dei sistemi colturali a seguito dei cambiamenti
climatici
Sostanza organica:
Maggiore temperatura più elevato tasso di mineralizzazione, rivedere i bilanci della S.O
In funzione del sistema colturale.
Irrigazione:
Per le colture estive: consumi più elevati, minori apporti naturali (piogge e falda),
attingimento più elevato da falda, subsidenza e salinizzazione.
• Azioni per incentivare il risparmio della risorsa idrica.
• Azioni di razionalizzazione delle attività irrigue, al fine di ridurre il rischio di
salinizzazione delle falde e di conseguenza dei suoli;
• Azioni per un corretto uso delle acque saline;
• Azioni finalizzate ad incentivare il riuso in agricoltura delle acque reflue
depurate;
• Azioni tese alla ricarica della falda;
• Azioni per il ripristino degli equilibri e della funzionalità del sistema
idrogeologico;
• Azioni per limitare l’emungimento delle acque sotterranee;