Modelli di simulazione
•Programmi computerizzati che simulano sistemi
mediante la loro descrizione in termini di
equazioni
•un sistema è un insieme di flussi di materiale e
energia del quale sono noti i confini e definiti gli
scambi con l’esterno
•i modelli possono essere:
•Empirici, se il risultato che interessa è direttamente
calcolato, tramite equazioni, da altri parametri
•es: regressione multipla: produzione = a *mm
H20 + b* kg/ha di N + c * t media + d
•questi modelli funzionano esclusivamente dove
sono stati calibrati, ma hanno ridotto valore in
altre situazioni
•Meccanicistici, se tutte le equazioni sono basate su
leggi fisiche. (secondo alcuni, basta che l’empirismo
non sia a livello del dato finale per definire un modello
meccanicistico)
•Misti, quasi tutti i modelli hanno una base fisica
prevalente sulla quale si innestano componenti
empiriche
•Dal punto di vista della presa in considerazione della
variabilità dei parametri di input, i modelli si dividono
in
•Deterministici, a un insieme di input corrisponde 1
risultato
•Stocastici, viene considerata la variabilità dei dati in
input e il risultato finale è una distribuzione di
probabilità dei valori di output
Modelli di simulazione: tipologie
•Modelli di ricerca: traducono in simulazione le
acquisizioni della ricerca. In genere sistemi di
estensione limitata, richiedono grande accuratezza e
rilevante numero di input, forniscono risultati molto
precisi. Oltre che per simulazioni specifiche,
verificano la validità dei risultati di una ricerca e
identificano i punti per i quali è necessario
approfondire.
•Di management: a vario grado di semplificazione,
per poter funzionare anche con un set minimo di dati
di input, precisione non altissima ma idonei a
confrontare alternative di tecnica colturale: non
mirano alla predizione in assoluto del risultato
derivante da una certa tecnica quanto alla
valutazione a priori di alternative colturali. Con le
migliori conoscenze dei processi, e con calibrazione
su base locale di componenti empiriche, hanno
notevolmente migliorato le prestazioni assolute.
•Scala di applicazione: dalla scala puntuale - di
campo alla scala aziendale, alla scala territoriale (dal
piccolo bacino di qualche centinaia di ettari alla
regione). Recente sviluppo del collegamento
Geographic Information System - modelli di sistema
•Scala temporale: dalla singola coltura all’anno, alla
rotazione, a lunghi periodi (50-100 anni). Il lungo
periodo utile per valutazioni probabilistiche in
relazioni al clima, per il mantenimento della fertilità,
per la previsione degli effetti del mutamento di clima,
per l’innalzamento della CO2 .
Componenti di un modello di
simulazione di sistemi colturali
Parametri meteorologici: temperatura, precipitazioni, radiazione
solare, umidità relativa, vento
Calcolo ETP
Calcolo ETR
fenologia
Calcolo LAI
Calcolo
fotosintesi
Crescita e sviluppo
Perdite
gassose
Dinamica
acqua nel
suolo
Uptake di
acqua e
nutrienti
Dinamica nutrienti
nel suolo
Management:: lavorazioni irrigazioni
diserbo patologia
ruscellamento
percolazione
lisciviazione
Caratteristiche fisico-chimiche del suolo. Granulometria, costanti
idrologiche (CC, PA, Ks)
Caratteristiche quanti-qualitative della produzione
Componente idrologica
E’ fondamentale simulare correttamente la dinamica
dell’acqua. Oltre al suo ruolo nella pianta, l’acqua è il
veicolo dei nutrienti, condiziona direttamente tutti i
processi microbiologici.
-simulare al meglio ETP e ETR. Si potrebbe dovrebbe usare la formula di Penman Monteith, ma
non sempre si hanno dati giornalieri di vento e
umidità relativa, la stima della resistenza stomatica è
difficile, occorre che il modello offra la possibilità di
calcolare l’ETP con P-M, e anche con metodi più
semplificati.
-Simulare al meglio il ruscellamento. Tipicamente
viene applicato il metodo del Curve Number del Soil
Conservation Service Americano, pensato per predire
il ruscellamento su base annua, adattato al singolo
evento. L’unico metodo abbastanza valido avendo
pioggie su base giornaliera. (oppure si sottrae alle
piogge il runoff, calcolato a parte, e si disabilita il
calcolo)
Simulare al meglio l’acqua nel suolo: tipicamente
viene usato l’approccio a serbatoi, molto meglio
sarebbe usare l’equazione di Richards. Il metodo a
serbatoi fallisce in presenza di falde relativamente
superficiali e con terreno caratterizzato da stratigrafia
poco omogenea. Difficile considerare anche la
macroporosità, ma molto importante per la dinamica
dei nutrienti. Ancora qualche problema numerico per
la risoluzione di equazioni differenziali paraboliche,
caratterizzate da alta non-linearità. Il terreno viene
suddiviso in strati (su base pedologica, con ulteriori
suddivisioni,es strato di 1-5 cm superficiale) e tutti i
bilanci idrici sono fatti per strato
Temperatura del suolo
E’ fondamentale simulare correttamente la
temperatura del suolo, condiziona direttamente tutti i
processi microbiologici.
IL tipico approccio è un’equazione differenziale, che
descrive la variazione di T in funzione del tempo, per i
vari strati di suolo
T
CtT
t
non ci sono problemi a risolvere questa equazione. Il
problema è stimare la temperatura alla superficie del
suolo, che si riscalda per effetto della radiazione
solare, e con copertura dello stesso variabile in
funzione del tempo.
Crescita della coltura
produzione di fotosintetati. Limitazione delle
fotosintesi in seguito a carenze idriche e di Azoto.
Produzione di ss. limitata dalla radiazione intercettata
dalla coltura (coefficiente di estinzione della luce) o
dalle disponibilità idriche.
competizione delle infestanti per la luce
Successione delle fenofasi, basata sulla somma
termica, tenendo conto del fotoperiodismo e del
termoperiodismo, eventuale effetto dello stress idrico
nell’accelerare i cicli colturali (la pianta con poca
evaporazione ha °T fogliari maggiori)
Valutazione delle perdite di assimilati per
respirazione
ripartizione degli assimilati nei diversi organi della
pianta in funzione delle fenofasi. Nelle fasi vegetative
ripartizione tra foglie, fusti e radici, nelle fasi
riproduttive finisce la crescita radicale, accumulo
assimilati in semi e organi di riserva
sviluppo di nuove superfici fogliari (SLA),
fillocrone, senescenza delle foglie, eventuale
senescenza accelerata dallo stress idrico, riduzione
delle superfici fogliari verdi per cause fitopatologiche
sviluppo e approfondimento degli apparati
radicali
Dinamica dell’Azoto
•Incorporazione
residui
•morte radici
Perdita CO2
Fertilizzazioni.
organiche
C/N
Pool humus
Pool residui
Pool letame
C/N
Tasso mineral. f(t, wc)
Tasso mineral. f(t, wc)
Pool NH4+
Fertilizzazioni
chimiche
Tasso mineral. f(t, wc)
volatilizzazione
Tasso nitrificaz. f(t, wc, no3-/nh4+)
Pool NO3-
Tasso nitrificaz. f(t, wc, no3-/nh4+)
Dinamica H2O,
diffusione
denitrificazione
lisciviazione
Tasso volatilizzazione f(t, pH,
H2O,vento, radiazione)
Assorbimento
pianta simulazione
dinamica
assorbimento
