Workshop Risultati del progetto EU
“Euphoros- Efficient Use of Inputs in Protected Horticulture”
Donnalucata, (Italy) 6 October 2011
Software per l’ottimizzazione della
fertirrigazione nelle colture fuori
suolo
Dr. Luca Incrocci
Dipartimento di Biologia delle Piante Agrarie,
Università di Pisa
E-mail: [email protected]
1
Sommario
Introduzione
Nutrient solution calculator v1.0 (foglio elettronico di
ExcelTM);
Simulhydro 2.0: simulatore per le differenti strategie di
fertirrigazione nella coltivazione fuori suolo (foglio
elettronico ExcelTM );
Hydrotools: software multi-languaggio per il calcolo della
soluzione nutritiva e della simulazione degli effetti di
differenti startegie di fertirrigazione sulla efficienza idrica e
dei nutrienti;
2
Introduzione
Il principale obiettivo del progetto è stato quello di ridurre
l’impatto ambientale della coltura fuori suolo,
massimizzando la produzione;
La composizione della soluzione nutritiva deve essere
simile alla concentrazione di assorbimento della pianta
(rapporto fra inutrienti e l’acqua assorbita in un dato
periodo);
l’uso di una determinata strategia di fertirrigazione può
massimizzare l’efficienza idrica e nutritiva
WUE (kg/m3)= produzione totale/quantità di acqua usata
NUE (kg/g)= produzione totale/quantità di acqua usata
3
Introduzione/2
Nel progetto EUPHOROS, UNIPI ha studiato come ridurre
l’impatto ambientale della coltura fuori suolo usando diversi
approcci:
Ridurre e/o prolungare il più possibile l’uso dei substrati;
Promuovere l’uso di sistemi a ciclo chiuso al posto di
quelli a ciclo aperto;
Prolungare il più possibile l’uso della soluzione nutritiva
nei sistemi semi-chiusi, usando test rapidi per il
monitoraggio giornaliero della soluzione nutritiva
ricircolante;
I risultati dell’attività sono riassunti nel deliverable 15:
Advice system fertigation and substrate
management with good and poor water quality
4
Visitate il sito WEB di EUPHOROS/1
www.euphoros.wur.nl
Potete
scaricarlo
gratuitamente!
5
Visit the EUPHOROS WEB SITE/2
Disponibile in
Italiano, inglese
e anche in
ungherese!
6
Nutrient Solution
calculator v1.0
• Foglio di Excel sviluppato da UNIPI per il calcolo delle
soluzioni nutritive, del loro costo. Disponibile nella versione
italiana, inglese and ungherese (grazie a Dr. Ombódi Attila
dell’Università di Szent István, Ungheria).
•Input necessari:
Composizione chimica dell’acqua;
Ricetta nutritiva della coltura (con anche pH e EC);
(contiene un database con 15 ricette nutritive standard);
Contenuto in nutrienti di acidi e concimi (contiene
database con i prodotti più utilizzati)
Specifiche tecniche del fertirrigatore;
7
Nutrient Solution
calculator V1.0
OUTPUT:
Calcolo della soluzione nutritiva e del suo costo;
calcolo dei quantitativi di sali da sciogliere per preparare lo
stock (soluzione “madre”);
Test di precipitazione degli elementio nelle soluzioni stocks.
8
Nutrient Solution calculator v1.0: flow-chart
START
Conversione
unità misura
Test
Valutazione
acqua irrigua
Formula nutritiva
Sali e
acidi
Dati fertirrigatore
database
database
Test
precipitazione
sali
No
Seleziona
Formula
nutritiva
No
Si
Inserisci nuova
formula nutritiva
Nuova
concentrazione
soluzioni stocks
Si
pH and EC
Report
Aggiustamento
formula nutritiva
Seleziona
sali e acidi
(stampa)
Calcolo
Calcolatore soluzione nutritiva v1.0: report/1
10
Calcolatore soluzione nutritiva v1.0: report/2
11
Simulhydro gestione
fertirrigazione: v2.0
• Serve valutazione della quantità di acqua e nutrienti
necessaria in una coltivazione fuori suolo e per la simulazione
delle concentrazione di N,P,K,Na,Ca, Mg e Cl nella soluzione
drenata o ricircolante .
•Input:
Acqua, ricetta nutritiva e concentrazione di assorbimento;
Dati clima (RG e temp aria) o evapotraspirazione
giornaliera;
Descrizione sistema di coltivazione (volume tank
soluzione nutritiva drenaggio, contenuto idrico del
substrato)
Strategie di fertirrigazione: ciclo aperto, semi-chiuso e
12
set-point per la fertirrigazione (ECMAX)
Simulhydro 2.0: sistema modellizzato
Traspirazione
Acqua irrigua
Refill
Coltura
Soluzioni stocks
Irrigazione
Substrato
Controllo
pH
Iniezione (EC)
Assorbimento acqua
pH controllo
Acid
Drenaggio reciclato
Contenitore
NS
Contenitore
drenato
SISTEMA
APERTO
Drenato
scarico
SISTEMA SEMICHIUSO
13
Strategie di fertilizzazione nella coltura del pomodoro(1):
Sistemi semi-chiusi
Acqua
Acqua
Stocks
Tank
Stocks
Scarico
Strategia A:
ECNS variabile
Tank
Scarico
Strategia B:
ECNS costante
14
Strategie di fertirrigazione (2):
Sistemi semi-chiusi vs sistemi aperti
Strategy B
4.5
4.5
3.5
3.5
ECNS (ds m-1)
ECNS (ds m-1)
Strategy A
2.5
1.5
0.5
2.5
1.5
0.5
Nut. Sol.
NaCl
Nutrients
0
2
4
6
8
14
10 12
Nut. Sol.
NaCl
Nutrients
0
Days
4
8
14
10 12
Days
Strategy C
Strategy D
4.5
4.5
3.5
3.5
ECD (ds m-1)
ECNS (ds m-1)
2
6
2.5
1.5
0.5
Strategia
sistema
aperto
2.5
1.5
0.5
Nut. Sol.
NaCl
Nutrients
0
2
4
6
8
Days
14
10 12
Nut. Sol.
NaCl
Nutrients
En d
Planting
Time
15
Simulhydro 2.0 Fertigation management:
sub-routine presenti
Input
Area fogliare
Clima
Water
uptake
Sistema di
coltivazione
Strategia di
fertirrigazione
Concentratione
ioni
Strategia di
fertirrigazione
Scarico
(runoff)
WUE & NUE
Output
Coltura
Coltura
Qualità
dell’acqua
Coltura
(produzione)
16
Simulhydro 2.0: validazione (EC)
6
Strategy B
5
5
4
4
3
3
2
2
1
1
0
Strategy C
0
Strategy D
5
5
4
4
3
3
2
2
1
1
0
EC (dS m -1)
EC (dS m -1)
Strategy A
EC (dS m -1)
EC (dS m-1)
6
0
0
10
20
30 40 50 60
Days after planting
70
80
90 0
10
20
30 40 50 60
Days after planting
70
80
90
Massa et al. 2011. Simulation of crop water and mineral relations in greenhouse soilless culture.
17
Environmental Modelling & Software 26 (2011) 711-722.
Simulhydro 2.0: validazione (N and Na)
Strategy B
NO3-
NO3-
8
4
0
35
28
Na+
Na+
21
14
7
16
Strategy C
Strategy D
NO 3-
NO 3-
0
12
8
4
0
35
28
Na+
Na+
21
14
7
Ion concentration (mol m -3)
Ion concentration (mol m -3)
Strategy A
12
Ion concentration (mol m -3)
Ion concentration (mol m -3)
16
0
0
10
20
30 40 50 60
Days after planting
70
80
90 0
10
20
30 40 50 60
Days after planting
70
80
90
18
Simulhydro (2.0): report
19
HYDROTOOLS: un DSS per la gestione della
fertirrigazione della coltura fuori suolo
• DSS freeware sviluppato in collaborazione con CNR-IBIMET
Firenze (M. Romani, P. Battista, B. Rapi, M. Bevilacqua, L.
Bacci).
• Caratteristiche principali
-Sistema modulare sviluppato in C# Microsoft .Net
Frameworks 4.0
-Sistema operativo: da Windows XP sp3 a Windows 7.
-Il linguaggio di default del programma è inglese e italiano.
-L’architettura del sistema è basata su un database centrale
che immagazzina sia gli input che gli output.
-Il database implementato si basa su sistema SQLite.
20
Hydrotools: main components
Gestione
Lingua
Manuale
utente
Data
management
NS calculator
(SOL-NUTRI)
Pannello di
CONTROLLO
DATABASE
Piattaforma
SQLite
Report
Statistica
Grafici
Esportazione
dati
Fertigation
management
OFF-LINE
(SIMULHYDRO)
21
Hydrotools: nuove funzionalità
• Facile selezione e calcolo delle soluzioni nutritive da utilizzarsi
nelle simulazioni;
• Strumento di conversione automatica delle concentrazioni
(mg/L o ppm a mol m-3)
• test di valutazione dell’acqua irrigua specie/specifico;
•Nuove funzioni per Simulhydro:
- Possibilità di simulare varie colture da serra;
- Il ciclo colturale può essere diviso fino a 12 fasi differenti;
- La soluzione nutritiva prima di essere scaricata può
soddisfare speciali vincoli ambientali (es. Legge sulle acque
reflue);
- Simulazione di tutti gli elementi in tre comparti (tank
soluzione irrigua, substrato e drenato).
22
Impianto commerciale semi chiuso
Acqua pozzo
Acqua piovana
Mixer
irrigazio
ne
Sector
3 3
Sector
Sector
Sector 22
solution
tank nutritiva
Tank di Nutrient
stoccaggio
soluzione
Fertigation
strategy
Sector 11
Sector
Unita
Fertirrigatore
Day-storage
tank
Disinfection
Disinfezione
unit
unità
Drenaggio
disinf.
Tank of stoccaggio drenato
substrato
Drain water
Drenaggio
giorn.
Daily drenage storage tank
23
Hydrotools partenza
24
Hydrotools: pannello di controllo
25
Scelta della lingua
Esci e salva
Esci
26
Gestione del database
27
Gestione del database :
inserimento di una nuova acqua
Acque già presenti
nel database
28
Gestione del database :
inserimento nuovo concime
Composizione dei
fertilizzanti già
presenti nel
database
Inserire qui la
composizione del
fertilizzante per
ogni ione
29
Gestione Database:
inserimento nuova coltura/stadio
30
Gestione database :
inserimento nuova ricetta nutritiva
per coltura/stadio
31
Gestione Database:
inserimento nuove soglie
Valutazione dell’acqua irrigua, valori minimi e massimi tollerati dalla coltura
Valori guida per la
qualità dell’acqua
specie-specifici
Concentrazione
ionica minima
tollerata dalla
specie
Concentrazione
ionica massima
tollerata dalla
specie
32
Gestione Database:
inserimento nuova concentrazione
di assorbimento
33
Gestione database :
inserimento nuovo vincolo
ambientale
34
Solnutri: caricamento
35
Solnutri: calcolo di una NS
36
Solnutri: valutazione acqua irrigua
37
Solnutri: settaggio EC e pH
38
Solnutri: scelta degli acidi e dei
fertilizzanti
39
Solnutri: dopo il calcolo
40
Solnutri: calcolo acido secondario
41
Solnutri: test di precipitazione
soluzioni madri
42
Solnutri:
report
Composizione acqua irrigua
Ricetta nutritiva
Composizione soluzione
nutritiva
Quantità di Sali e acidi da
sciogliere negli stocks
43
Simulhydro: partenza
44
45
Hydrotools: Scelta scenario
46
47
48
Hydrotools: input sistema coltivazione
49
Hydrotools: scelta vincolo
ambientale
50
Hydrotools: scelta vincolo
fisiologico
51
Hydrotools: opzioni di scarico
52
Hydrotools: simulhydro
OUTPUT:
Simulhydro salva in un file excel le concentrazione per
ogni ione nei tre comparti (soluzione irrigua, substrato
e drenato);
Calcola il bilancio idrico e dei nutienti e incluso la WUE
e NUE;
Stiamo adesso implementando la parte grafica, per
poter creare grafici direttamente dopo l’elaborazione.
53
Hydrotools: grafici
12
10
8
Cs N-NO3
6
Cd N-NO3
4
Cirr N-NO3
2
81
77
73
69
65
61
57
53
49
45
41
37
33
29
25
21
17
13
9
5
0
1
Concentrazione N-NO3 (mol m-3)
Ciclo Chiuso ciclo-EC variabile
Giorno di simulazione
54
Hydrotools: tabelle di output
Tabella 4. Bilancio idrico
Parametro
Evapotraspirazione della coltura WU ( L m-2)
Volume scaricato per ogni rinnovo della soluzione nutritiva (WFL, L m-2)
Numero di rinnovi della soluzione nutritiva
Acqua lisciviata a causa dei rinnovi della NS (Wrunoff Lm-2)
Acqua lisciviata dagli scarichi giornalieri del drenato WCB (L m-2)
Acqua lisciviata durante il lavaggio del substrato in occasione dei rinnovi
della NS (WDw, L m-2)
Acqua rimasta nel sistema alla fine del ciclo (WEND, L m-2)
Totale dell'acqua lisciviata dal sistema WL (L m-2)
Quantità di acqua necessaria per la coltivazione (WUSE, L m-2)
Frazione di lisciviazione (LF)
Primo rinnovo della NS (giorni dalla partenza)
Frequenza dei rinnovi, con esclusione del primo rinnovo (giorni)
Efficienza nell'uso dell'acqua (produzione Kg
m-3)
Media
252.00
3.00
9.00
27.00
0.00
108.00
3.00
138.00
390.00
0.35
11.00
9.20
28.21
55
Hydrotools: tabelle output
Tabella 8. Bilancio dell'azoto.
Parametro
Media
Quantità totale di N fornito, incluso quello presente nel substrato alla partenza
(Nsupply) (g m-2)
47.1
N lisciviato con i rinnovi della soluzione nutritiva (NFL) (g/m2)
3.55
N leachate by continuos bleeding
0.0
N presente nel drenaggio giornaliero, nel substrato e nel Tank del drenato alla
fine del ciclo (g m-2)
1.7
N lisciviato durante il lavaggio del substrato (NDw, L m-2)
N lisciviato per lo scarico giornaliero del drenato (continuos bleeding) NCB (g
m-2)
Totale N lisciviato (NL) (g m-2)
N assorbito apparentemente (NU) (g m-2)
Concentrazione media dell 'N-NO3 nella soluzione nutritiva scaricata per i
rinnovi (NL, mol m-3)
Concentrazione media dell 'N-NH4 nella soluzione nutritiva scaricata per i
rinnovi (NL, mol m-3)
Efficienza nell'uso dell'azoto (produzione kg/N g)
13.88
0.00
19.1
28.0
9.4
0.0
0.23
56
Conclusione
Il software sviluppato da UNIPI, con la collaborazione
di CNR-IBIMET è un importante strumento di
simulazione che può aiutare gli addetti nella gestione
della fertirrigazione;
Sarà disponibile sul sito di Euphoros a partire da
febbraio 2012.
GRAZIE per l’attenzione!!
57
