Efficienza d'uso dell'acqua nelle produzioni vegetali a diverse scale spazio-temporali
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Efficienza d’uso dell’acqua nelle produzioni vegetali
a diverse scale spazio-temporali
Bruno Basso*
Dipartimento di Scienze dei Sistemi Colturali, Forestali e dell’Ambiente,
Università della Basilicata
Via Ateno Lucano 10, 85100 Potenza
Società Italiana di Agronomia
Riassunto
Il concetto di efficienza d’uso dell’acqua, water use efficiency (WUE), vale a dire la quantità di granella prodotta
per mm di acqua utilizzata, ha origine da misurazioni di campo e gran parte del suo sviluppo teorico è dipeso dal-
la scala di applicazione. Per aumentare la produzione agricola in condizioni idriche limitate, è necessario abbinare
alle cultivar migliori una gestione agronomica appropriata. Infatti, studi condotti in diverse parti del mondo hanno
dimostrato che pratiche agronomiche in grado di ridurre perdite di acqua per evaporazione, ruscellamento e dre-
naggio ed incrementare la produzione, indirettamente incrementano anche la WUE. Lo scopo della presente review
è quello di presentare lo stato dell’arte nel settore della WUE, i traguardi raggiunti e le prospettive future per una
migliore gestione delle risorse idriche nelle produzioni vegetali. I risultati conseguiti saranno presentati conside-
rando il ruolo fondamentale che la scala spazio-temporale ricopre nell’applicazione di tali innovazioni.
Parole chiave: efficienza d’uso dell’acqua, ET, coefficienti colturali, modelli, irrigazione.
Summary
WATER USE EFFICIENCY IN CROP PRODUCTION AT DIFFERENT SPATIAL AND TEMPORAL SCALES
Water is essential for plant life but it is also the most limiting factor for their growth. The temporal variation in the
supply of soil water from precipitation, the spatial variability of soil factors and landscape irregularities influencing
soil water supply for crop plants affect food production and create a risky environment for growing crops. Increa-
ses in crop production per unit of water used is imperative for supplying adequate food, feed and fiber in an en-
vironment where future water supplies are not expected to increase substantially. Field studies indicate that when
yield from crops with common development patterns are increased by better crop management, water use efficiency
(WUE) is also increased. Increased yields from genetic improvement usually result in an increased WUE with the
possible exception where season length is different. The objective of this review is to present the state of the art of
research in the field of WUE and future perspective to optimize water resources in agriculture. Significant results
will be presented considering the important issue of spatial and temporal scale.
Key-words: Water use efficiency, ET, crop coefficients, models, irrigation.
1. Inquadramento del problema nel nostro pianeta. In totale l’acqua esistente
sulla terra è pari a circa 1.400.000.000 km3; es-
L’acqua è un bene prezioso, rinnovabile ma li- sa è in prevalenza salata ed è raccolta per il
mitato. È stata definita “l’oro blu del XXI se- 97,2% negli oceani. Il rimanente, meno del 3%,
colo”, vista la sua importanza ed il ruolo cru- è dolce; di questa, la parte più consistente
ciale che riveste in tutti i settori primari. Vo- (28.000.000 km3, pari al 2,15%) è bloccata nel-
lendo fornire alcuni dati si resta sbalorditi dal- le calotte polari e nei ghiacciai. I laghi di acqua
la limitata disponibilità d’acqua dolce presente dolce hanno un volume di 120.000 km3 (0,009%
*
Autore corrispondente: tel: +39 0971 205387; fax: +39 0971 205378. Indirizzo e-mail: bruno.basso@unibas.it
475Basso B.
del globo terrestre), quelli salati o i mari inter- teranno di circa il 14%. Anche se si tratta di un
ni sono all’incirca equivalenti. I canali fluviali, tasso di crescita più basso di quello registrato
in media, raccolgono 1.200 km3 (0,0001%); le ac- negli anni ’90, a livello locale e, in alcuni casi, a
que sotterranee ammontano indicativamente a livello regionale, si prevede che la crisi idrica su-
8.064.000 km3 (0,62%). Questo significa che le birà un ulteriore inasprimento, riducendo la
acque dolci disponibili sono una parte piccola produzione alimentare locale (Tilman et al.,
di tutta la massa idrica; esse sono all’interno del 2002).
ciclo che, alimentato dall’energia solare, in un Il miglioramento della gestione dell’acqua
flusso continuo, combinato con la circolazione nell’agricoltura irrigua e in quella non irrigua
dell’aria, si muove dalle superfici degli oceani avrà un ruolo chiave nella lotta contro la crisi
alla terra ferma e ancora agli oceani in uno idrica prevista in futuro. Le organizzazioni del-
straordinario movimento senza fine (FAO, le Nazioni Unite per l’Agricoltura e l’Alimen-
2006). tazione (FAO) e CGIAR (Consultative Group
In effetti, se si considera che la disponibilità for International Agriculture Research) hanno
idrica minima per abitante è calcolata in 1.700 istituito reti di eccellenza e programmi di ricer-
m3 l’anno, attualmente un miliardo e quattro- ca per combattere il problema della riduzione
cento milioni di persone non hanno accesso al- della disponibilità idrica per l’agricoltura ed al-
l’acqua nella misura minima pro-capite e se- tri usi, accompagnata dalla riduzione delle su-
condo l’UNDP (Programma delle Nazioni Uni- perfici di terreni coltivabili ed all’aumento di ri-
te per lo Sviluppo) circa diecimila esseri umani chiesta di alimenti dovuto all’incremento della
muoiono ogni giorno per mancanza d’acqua. Si popolazione mondiale. A tal proposito tali reti
prevede che nel 2020 il numero delle persone e programmi hanno come obiettivo principale il
che non avranno accesso all’acqua arriverà a miglioramento della gestione delle risorse idri-
quattro miliardi, cioè la metà della popolazione che nel mondo. Per produttività dell’uso delle
mondiale. acque, si intende il perseguimento del maggior
Su scala mondiale, l’applicazione dell’acqua raccolto utile possibile per volume d’acqua –
in agricoltura e il consumo controllato delle ri- more crop per drop (“più raccolto per acqua im-
sorse idriche sono stati fattori essenziali per l’in- piegata”). Gli agricoltori più attenti al profitto
cremento della produttività agricola e per assi- potrebbero mirare ad ottenere la massima red-
curare la costanza dei risultati produttivi. L’ac- ditività per unità d’acqua impiegate – more dol-
qua è una risorsa essenziale per esprimere il po- lars per drop (“più dollari per acqua impiega-
tenziale di resa del suolo e per permettere a spe- ta”), mentre gli amministratori e i politici delle
cie di piante e di animali, con potenzialità pro- comunità locali potrebbero essere più propensi
duttive superiori, di sfruttare i fattori che ne ac- al raggiungimento del massimo livello occupa-
crescono il rendimento. Grazie all’incremento zionale e di profitto attraverso l’agricoltura –
della produttività, la gestione idrica sostenibile more jobs per drop (“più posti di lavoro per ac-
(soprattutto se combinata con un’attenta ge- qua impiegata”). Pertanto, in senso lato, sono
stione del suolo) contribuisce a garantire una molteplici i benefici economici che l’incremen-
produzione agricola di qualità superiore sia per to della produttività in agricoltura può genera-
il consumo diretto che per la vendita commer- re per ogni unità d’acqua prelevata dalle fonti
ciale, generando surplus economici necessari al- naturali.
le economie rurali. A partire dagli anni ’60, la I cambiamenti climatici a cui stiamo assi-
produzione alimentare globale è riuscita per lo stendo di certo non aiutano a migliorare la
meno a stare al passo con la crescita della po- drammatica situazione dell’acqua. Il Comitato
polazione mondiale, fornendo maggiori quantità Intergovernativo sui Cambiamenti Climatici
di cibo pro- capite a prezzi generalmente sem- (Intergovernmental Panel on Climate Change,
pre più bassi, ma a un costo eccessivo per le ri- IPCC) ritiene che la temperatura media del pia-
sorse idriche del pianeta. Alla fine del XX se- neta sia aumentata di circa 0,6 °C dal 1861. Inol-
colo, a livello mondiale l’agricoltura consumava tre, sulla base delle tendenze attuali di emissio-
mediamente il 70% di tutti i prelevamenti idri- ne dei gas serra, si stima un ulteriore aumento
ci e la FAO calcola che entro il 2030 le estra- della temperatura terrestre compreso tra 1,4 e
zioni idriche mondiali per l’irrigazione aumen- 5,8 °C nel periodo 1990-2100 (Hasselman, 1997;
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Melillo, 1999). Le variazioni climatiche previste biettivo principale della gestione agronomica di
potrebbero far aumentare il rischio di erosione qualsiasi agricoltore.
del suolo e accelerare i processi di desertifica- Quali sono i metodi e le conoscenze a di-
zione per aumento di aridità e degradazione dei sposizione delle scienze agronomiche che con-
suoli. I processi degenerativi del suolo sono di- sentano di ottimizzare l’uso delle risorse idriche
rettamente legati alle caratteristiche delle pre- al fine di produrre con il minor consumo di ac-
cipitazioni, ossia la frequenza di eventi piovosi qua possibile? L’obiettivo di questa review è
ed alla forza erosiva della pioggia stessa. La di- quello di rispondere a questa domanda discu-
minuzione prevista nel rapporto precipitazione- tendo i progressi ottenuti nelle scienze agrono-
evapotraspirazione potenziale (P/ETo) avrà un miche ed affini negli ultimi anni che consento-
effetto particolarmente negativo su vegetazione no di aumentare l’efficienza d’uso delle preci-
e terreni in aree che si trovano già in un regi- pitazioni e dell’irrigazione, ovvero la quantità di
me di disponibilità idrica marginale. granella per mm di acqua utilizzata, sia in am-
Gli impatti negativi dei cambiamenti clima- bienti aridi che umidi. Tali risultati saranno pre-
tici previsti dai Global Circulation Models sentati considerando il ruolo fondamentale che
(GCM) potrebbero essere in parte controbilan- la scala spazio-temporale ricopre nell’applica-
ciati dall’incremento della concentrazione at- zione di tali innovazioni. Nella review non mi
mosferica di anidride carbonica (CO2) (Robert- sono preoccupato di riportare la miriade di ri-
son et al., 2002). È ormai dimostrato, infatti, che sultati ottenuti da vari scienziati nel settore del-
la risposta delle colture a concentrazioni di ani- la WUE, ma bensì di selezionare i principali stu-
dride carbonica superiori a quelle attuali è in di pubblicati su riviste scientifiche del settore
generale positiva (Policy et. al 1993; Smith et al., sulla WUE, dalla foglia alla singola pianta fino
2000), specialmente per le specie C3, con un au- alla scala di campo (figura 1). Inoltre sono di-
mento dei raccolti da circa il 10-15% nel fru- scusse singolarmente le componenti dell’equa-
mento (Kimball, 1995; Miglietta et al., 1996; Ro- zione proposta da Passioura (1977) per incre-
senzweig e Hillel, 1999; Tubiello et al., 2002), al mentare la produzione in ambienti aridi. Rela-
15-20% nella vite (Bindi et al., 1995), al 20-30% zioni tra evapotraspirazione, irrigazione supple-
nella patata (Miglietta, 1997). A sua volta però mentare, WUE sono descritte nei paragrafi suc-
l’effetto positivo dell’incremento della CO2 sui cessivi. Le ultime innovazioni sui progressi ot-
raccolti è controbilanciato dall’incremento di tenuti nel settore della tecnologia legata all’a-
temperatura dell’aria che influisce negativa- gricoltura, come la gestione dell’irrigazione a
mente sulla produzione, a causa dell’accelera- dose variabile, sono descritte nell’ultimo para-
zione dello sviluppo fenologico, riducendo così grafo della review.
i tempi di accumulo di carboidrati nella granel-
la. Teramura et al. (2000) hanno inoltre dimo-
strato che se gli aumenti di CO2 avvengono con- 2. Scale temporali di risposte fisiologiche allo
temporaneamente ad aumenti di radiazioni ul- stress idrico
traviolette-B, gli effetti positivi della CO2 ven-
gono cancellati. Le risposte fisiologiche da parte di piante sog-
Mentre la rivoluzione verde ha portato allo gette a diverse condizioni ambientali avvengo-
sviluppo di nuove cultivar di frumento e di riso no su scale spazio-temporali differenti. Per
adatte ad elevati input di fertilizzante e d’acqua, esempio, gli stomi variano in numero e densità
in molte regioni del mondo la sopravvivenza di- in risposta a condizioni climatiche, quali la con-
pende dall’agricoltura in regime asciutto, cosid- centrazione di CO2, la luce ecc (Hetherington
detta dryland e rainfed. La mancata disponibi- and Woodward, 2003). Lake et al., 2002 hanno
lità di acqua prevista per il futuro (Seckler et dimostrato che foglie mature sono in grado di
al., 1999; Turner, 2001) accompagnata da un au- trasmettere a foglie giovani informazioni relati-
mento della competizione per usi civili ed in- ve alle condizioni ambientali che modificano lo
dustriali, farà sì che l’agricoltura dipenda sem- sviluppo degli stomi. Gli stomi si adattano a mo-
pre di più dai soli apporti idrici naturali. La pro- difiche climatiche locali e globali e a diverse sca-
duzione agricola ottenuta mediante un’efficien- le temporali, da minuti a millenni (Hethering-
za d’uso dell’acqua elevata sarà in futuro l’o- ton e Woodward, 2003). Passioura (2004) pre-
477Basso B.
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Figura 1. Scale spaziali: stomi, piante, campo (a). Traspirazione (mm y-1) della vegetazione terrestre simulata utilizzando il
modello SDGVM e mediata per gli anni 90 (b). Da Hetherington and Woodward, 2003.
Figure 1. Spatial scales: stomata, plant and field (a). Traspiration (mm y-1) of terrestrial vegetation simulated with SDGVM
model and averaged for the 90s (b). From Hetherington and Woodward, 2003.
senta una serie di esempi di processi e loro ri- forma di gestione del suolo (Rasmussen et al.,
percussioni su scala spazio-temporali (tabella 1). 1998; Borin e Basso, 2004), influenzano l’effi-
Mentre è chiaro che l’efficienza d’uso del- cienza d’uso dell’acqua, ma non coinvolgono di-
l’acqua è bassa in colture affette da attacchi pa- rettamente le relazioni idriche delle piante.
rassitari o infestate da malerbe, ci sono altri Il ruolo delle relazioni idriche nel controllo
aspetti della gestione agronomica che influen- della crescita fogliare in condizioni di stress idri-
zano in maniera sostanziale tale efficienza d’u- co è stato argomento di studio di diversi fisio-
so. Hatfield et al. (2001) nella loro dettagliata logi vegetali negli ultimi anni. Alcuni autori so-
revisione sui vari aspetti di gestione conservati- stengono che il turgore cellulare ed il contenu-
va del suolo e mantenimento dei residui coltu- to idrico della foglia influenzano significativa-
rali suggeriscono che tali pratiche influenzano, mente la crescita fogliare (Frensch, 1997; Hsiao
in maniera positiva il bilancio idrico del suolo, et al., 1998; Kramer, 1998), mentre altri hanno
incrementando l’infiltrazione e riducendo l’eva- sottolineato il ruolo dei segnali inviati dalle ra-
porazione. Kirkeegard et al. (2004) sottolineano dici (Passioura, 1988a,b; Termaat et al., 1988;
l’importanza della coltura precedente per mi- Saab e Sharp, 1989; Gowing et al., 1990). Più in
gliorare il vigore vegetativo nei primi stadi di particolare, i segnali inviati dalle radici in pre-
sviluppo e conseguentemente di ridurre la su- senza di stress potrebbero essere ormoni del ti-
perficie di suolo soggetta ad evaporazione. Tut- po dell’acido abscissico (Davies e Zhang, 1991)
te queste tecniche, come qualsiasi altra corretta o segnali di natura chimica come il pH (Bacon,
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Tabella 1. Effetti di processi su varie scale sull’uso efficiente dell’acqua da parte delle colture per la produzione di gra-
nella. Da Passioura, 2006.
Table 1. The effects of processes at various scales on the effective use of water by crop plants in producing grains. From
Passioura, 2006.
Scale spaziale Scala temporale Effetto su WUE Processo
Cloroplasto secondi moderato conduttanza stomatica e tasso di scambio istantaneo
tra CO2 e acqua
Stomi minuti-ore moderato tasso di scambio istantaneo tra carbonio e acqua
Foglia secondi-ore moderato effetto su strato superficiale, esposizione
Fiori Ore-giorni-settimane alto harvest index, corrispondenza tra fasi fenologiche e
apporto idrico, fertilità fiorale, trasferimento di assi-
milati
Parte epigea e settimane-mesi moderato LAI, bilancio idrico, profondità radicale
sistema radicale
Campo stagioni moderato movimento laterale (runon-runoff), variabilità spa-
ziale, effetto residuo colture precedenti
1998). I pareri sul ruolo del contenuto idrico nei sistenza stomatica (Kanemasu et al., 1969). Uno
tessuti vegetali sono molto discordi. Uno dei degli svantaggi di questo approccio stava nella
motivi per i quali c’è confusione è determinato difficoltà di ottenere un valore singolo per l’in-
dal ruolo fondamentale della scala temporale al- tera chioma da utilizzare nelle equazioni di eva-
la quale è stata fatta la sperimentazione. porazione. Inoltre uno dei motivi per il quale
Cambiamenti drastici e repentini delle con- misure di resistenza stomatica hanno fornito ri-
dizioni ambientali sul contenuto idrico dei tes- sultati limitati deriva dal fatto che la pianta su-
suti vegetali riducono il tasso di allungamento bisce danni irreversibili, prima che misure di re-
delle foglie, ma solo in maniera temporanea, sistenza stomatica possano fornire indicazioni
cioè per poche ore. Se lo stress persiste, la ri- apprezzabili. Un’altra misura fisica molto utiliz-
duzione si protrae anche più a lungo. Passioura zata per il monitoraggio dello stato idrico delle
e Munns (2000) hanno dimostrato che piante di piante è il potenziale idrico fogliare (Scholan-
orzo e frumento sottoposte a stress idrici e sa- der et al., 1965). Esistono ormai seri dubbi sul-
lini, ma con radici in pressione in modo tale da l’utilità fisiologica di misurare il potenziale idri-
mantenere il turgore cellulare, non riducono il co fogliare (Ritchie, 1980; Sinclair e Ludlow,
tasso di allungamento fogliare per diverse ore. 1985; Passioura, 1994). Quando le condizioni at-
Alla scala temporale di giorni, però, la pressu- mosferiche sono costanti, non ci sono variazio-
rizzazione delle radici non è sufficiente a man- ni nelle misure del potenziale idrico fogliare
tenere alti tassi di allungamento fogliare, indi- (anche se il contenuto idrico del suolo sta di-
cando che i messaggi inviati dalle radici preval- minuendo), fino al raggiungimento di una soglia
gono sugli effetti del turgore cellulare e le re- oltre la quale si osservano rapidi cambiamenti
lazioni idriche fogliari. Le modifiche rapide che nei valori (van Bavel, 1967; Ritchie, 1973). Begg
avvengono nelle piante sottoposte a shock am- e Turner (1976) hanno visto che la soglia di po-
bientali repentini non hanno ripercussioni su tenziale idrico varia in funzione della posizione
scala giornaliera o sulla produzione finale. della foglia nella chioma, l’età della pianta e le
Esiste un’estesa letteratura sulle risposte fi- condizioni di crescita, come per esempio il nu-
siologiche agli stress, ma come osservato già da mero di cicli di stress subiti o se la pianta è col-
Slatyer (1969) è difficile associare le risposte tivata in campo o in ambiente controllato. Jor-
delle piante alla produzione finale. Diversi stu- dan e Ritchie (1971) hanno osservato la chiu-
di sulla determinazione dello stato idrico delle sura di stomi di piante di cotone coltivate in ca-
foglie sono stati basati sull’idea che la diffusio- mera di crescita a potenziale di -1,6 Mpa, men-
ne stomatica fogliare dovesse essere il fattore tre stomi di piante coltivate in campo restano
primario da monitorare, visto che la chiusura ancora aperti al potenziale fogliare di -2,7 Mpa.
degli stomi è strettamente legata alla fotosinte- Per questo motivo, misure di potenziali idrico
si ed alla traspirazione. Successivamente com- hanno avuto poco successo nel quantificare
parvero sul mercato sistemi di misura per la re- stress idrici o nel fornire indicazioni su quando
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irrigare. Le piante reagiscono agli stressi idrici 1
Tasso relativo del processo
Aborto dei semi
prima che sia possibile osservare un cambia- 0.8
mento nelle misure di potenziale idrico fogliare
0.6
(Davies e Zhang, 1991). Quando il tasso di cre- Allungamento fogliare
scita delle foglie diminuisce, gli stomi si chiu- 0.4
dono, apparentemente in risposta ai segnali ri- 0.2 Fotosintesi e traspirazione
cevuti dalle radici che esplorano il suolo asciut-
0
to. Evidenza della mancata relazione tra poten- 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
ziale idrico ed il tasso di estensione fogliare in Frazione dell'acqua disponibile massima nella zona radicale
una pianta di mais è fornita nella figura 2. Watt Figura 3. Influenza dell’acqua disponibile massima dal suo-
(1974) confrontò misure prese in campo con mi- lo sul tasso relativo di vari processi fisiologici. Da Ritchie,
sure in ambiente controllato. Un ulteriore esem- 1980.
pio per sottolineare le differenze riscontrabili Figure 3. Suggested possibilities for expressing the influen-
tra studi su piante in vaso o in pieno campo pro- ce of extractable soil water on the relative rate of various
vengono da Denmead e Shaw (1962) che colti- physiological processes. From Ritchie, 1980.
varono piante di mais in vasi mentre Ritchie
(1973) coltivò piante in grandi lisimetri a pesa- ra, sono necessarie valutazioni empiriche di va-
ta. Nello studio dei vasi, la traspirazione fu ri- ri processi in relazione allo stress idrico. Questo
dotta in condizioni di alta richiesta evapotra- tipo di valutazione è stata suggerita da Ritchie
spirativa da parte dell’atmosfera ed in seguito (1980). Riconoscendo che lo stress idrico causa
ad una lieve riduzione del contenuto idrico del risposte variabili per diversi processi fisiologici,
suolo. Nello studio di pieno campo di Ritchie la serie di relazioni fornite da Ritchie è ripor-
(1973) le piante non ridussero la traspirazione tata in figura 3. Il concetto generale è che non
anche se il 70% dell’acqua estraibile era già sta- vi è riduzione nel processo considerato finché
to utilizzato. Studi di stress idrico in ambiente la quantità di acqua estraibile non va oltre una
controllato possono considerarsi corretti ed soglia, oltre la quale il processo è ridotto in pro-
estrapolabili in pieno campo purché la quantità porzione all’acqua estraibile. Per esempio, il
di suolo a disposizione delle piante non sia li- processo di allungamento fogliare è più sensibi-
mitata, condizione tipica del pieno campo. le al deficit del contenuto idrico del suolo ri-
Vista la difficoltà nell’usare informazioni su spetto ad altri processi e l’allungamento foglia-
resistenza stomatica o potenziale idrico fogliare re termina anche se dell’acqua nel suolo è an-
per fini operativi, per determinare gli effetti del- cora disponibile. Allo stesso modo, variazioni di
lo stress idrico sul comportamento della coltu- processi possono essere causate da eccessivi
contenuti idrici e problemi di aerazione.
5 Un problema pratico con le relazioni mo-
4.5
strate è rappresentato dalla definizione di acqua
Tasso allugamento fogliare
4
3.5
disponibile massima. Il metodo tradizionale usa-
3 to dagli agronomi è quello di utilizzare il con-
2.5
tenuto idrico della zona di esplorazione delle ra-
2
1.5 dici tra capacità di campo (CIC) e punto di ap-
1 passimento (PA). I problemi legati a tale defi-
0.5
nizione sono dovuti alla difficoltà di stabilire la
0
-10 -8 -6 -4 -2 0 profondità della zona esplorabile dalle radici, i
Potenziale idrico fogliare (bars) valori dei limiti idraulici CC e PA e la densità
Figura 2. Relazione tra allugamento fogliare e potenziale apparente del suolo della zona radicale dove le
idrico fogliare per una coltura di mais in campo , o in am- proprietà fisiche cambiano. Quando CC e PA
biente controllato buio a 28 °C ▲, o in ambiente controlla- sono determinati in laboratorio, c’è incertezza
to alla luce a 30 °C ●. Da Watts (1974).
su quale potenziale utilizzare. Un potenziale di
Figure 2. Relationship between leaf extension and leaf wa- meno un terzo di bar è spesso più basso delle
ter potential for corn growth in the field , or grown in
misure ottenute in pieno campo (Ritchie, 1980,
controlled environment in the dark at 28 °C▲, or in the li-
ght at 30 °C ●. From Watts (1974). Ritchie, 1998). La quantificazione dei limiti
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idraulici in campo risulta essere più precisa ri- dove la contrazione è maggiore all’esterno del-
spetto ai metodi di laboratorio sia per i valori la foglia.
dei limiti che per la definizione di acqua estrai- Wt può essere anche riscritta:
bile in quanto tiene in considerazione il ruolo
ci
fondamentale delle radici nei vari strati del suo- (1 − )
lo. Inoltre misure in campo di limiti idraulici ri- ca
Wt = 0.6ca
sultano essere meno variabili spazialmente, ri- wi
spetto alle misure di potenziale effettuate in la-
wa
boratorio. Ritchie et al. (1987) hanno indivi-
duato in diversi suoli una riduzione della capa- Il fattore 0.6 indica la diffusività relativa di
cità dell’apparato radicale ad estrarre acqua da CO2 e vapore acqueo nell’aria. Farquhar et al.
regioni profonde del profilo. In tali zone, pur es- (1989) hanno riportato che un valore tipico per
sendo presenti strutture radicali, è controverso specie C3 del rapporto ci/ca è di 0.7. Tale valo-
se l’acqua possa essere classificata come dispo- re è determinato dal bilancio tra conduttanza
nibile perché le piante non riescono ad estrarla stomatica e capacità di fissazione fotosintetica.
anche se essa si trova a valori di potenziale ma- La conduttanza stomatica influenza l’apporto di
triciale vicini a quelli della capacità di campo. CO2 all’interno della foglia, mentre la capacità
Ritchie ed Amato (1990) individuano fra le pos- fotosintetica determina la richiesta di CO2. Un
sibili ragioni del ridotto accesso all’acqua in ta- valore basso di ci/ca e quindi di una migliore
li casi, la distribuzione spaziale delle radici Wt può essere ottenuto mediante bassa con-
profonde, che sono spesso confinate in biopori, duttanza stomatica o elevata capacità fotosinte-
crepe o comunque zone limitate e non hanno tica o la combinazione di entrambe.
accesso all’intera riserva idrica. Uno dei metodi più promettenti per miglio-
rare l’efficienza traspirativa è la discriminazio-
ne isotopica del carbonio (13C). Tale metodo è
3. Efficienza d’uso dell’acqua a livello stomatico stato identificato come un’ottima tecnica alter-
nativa alla Wt. Circa l’1% del carbonio della
Le piante differiscono nella capacità di regola- biosfera si trova nella forma di isotopo stabile
re quanta acqua viene persa per unità di car- 13
C. Le piante, durante la fotosintesi discrimina-
bonio assorbita. Tali differenze dipendono dalle no contro l’isotopo pesante 13C e, pertanto, i
diverse capacità d’uso dell’acqua. Il termine uti- prodotti fotosintetici risultanti sono alleggeriti
lizzato per spiegare tale comportamento è In- isotopicamente rispetto alla CO2 atmosferica.
trinsic Water Use Efficiency Wt (Condon et al., La composizione isotopica (13C) esprime il rap-
2002) definito come: porto tra 13C/12C nelle piante rispetto al valore
Wt = A/T dello stesso rapporto in un materiale standard
internazionale come la calce Pee Dee Belemni-
dove A indica il tasso istantaneo dell’assimila- te. La discriminazione isotopica del C, invece, è
zione di CO2 a livello stomatico e T la traspi- una misura del rapporto 13C/12C nelle piante ri-
razione. Sia A che T possono essere espresse se- spetto al valore del rapporto nell’aria dove le
paratamente con le seguenti equazioni: piante vivono (Farquhar e Richards, 1984). La
A = gc (ca-ci) riduzione di 13CO2 a favore di 12CO2 durante
T = gw(wi-wa) l’ingresso della 13CO2 negli stomi nella fotosin-
tesi di piante C3 è altamente correlata con l’ef-
Il fattore g indica la conduttanza stomatica ficienza traspirativa della pianta. La 13C può es-
per la CO2 (gc) o per il vapore acqueo (gw), il sere utilizzata per esaminare stress idrici in
termine ca indica la concentrazione di CO2 o va- piante C3 perchè il ribulosio difosfato carbossi-
pore acqueo wa all’esterno della foglia, ci e wi lasi (RuBisCO), che catalizza la reazione tra
indicano rispettivamente le concentrazioni di CO2 e ribulosio bifosfato per formare 3 mole-
CO2 e vapore acqueo all’interno della foglia. cole di 3-acido fosfoglicerico, discrimina la
La concentrazione di vapore acqueo all’inter- 13
CO2. Se non vi è deficienza idrica, gli stomi so-
no della foglia è maggiore rispetto all’esterno, no aperti e la discriminazione è alta.
mentre discorso inverso avviene per la CO2, La teoria è stata studiata da Farquhar et al.
481Basso B.
(1982) e altri scienziati (Hubick e Farquhar, mere il rapporto tra la produzione di biomassa
1989; Condon et al., 1992; Ismail e Hall, 1992) i e la quantità di acqua evapotraspirata. La WUE
quali hanno concluso che 13C è correlata positi- viene generalmente espressa con la seguente
vamente con il rapporto ci/ca e visto che Wt è equazione:
correlata negativamente con il rapport ci/ca, TE
_13C risulta anche essa correlata negativamente WUE =
Es
con Wt. Tale tecnica risulta semplice da utiliz- 1+
zare e più rapida rispetto alle stime dirette di T
efficienza traspirativi (TE), ma fornisce i risul- Dove TE è l’efficienza traspirativa (sostanza
tati migliori quando la coltura dipende princi- secca epigea/traspirazione), Es è la quantità di
palmente dall’umidità accumulata nel suolo nei acqua persa per evaporazione del suolo e T è
periodi precedenti alla coltivazione. In questi l’acqua persa per traspirazione da parte della
ambienti, la traspirazione costituisce la maggior pianta (Steduto, 1996; Richards, 2002). Tale
parte dell’uso dell’acqua, per cui una maggiore espressione mostra che un uso efficiente del-
TE consente di conservare l’acqua fino e dopo l’acqua può essere raggiunto o aumentando TE
l’antesi, fase cruciale per la determinazione del- o riducendo le perdite Es. Se la crescita di una
la produzione finale in ambienti di estrema sic- coltura dipende dall’acqua presente nel suolo
cità. A tal proposito, la 13C viene utilizzata per con basse probabilità di avere apporti aggiunti-
costituire nuove varietà di frumento con eleva- vi mediante precipitazioni, l’aumento di TE è
ta efficienza traspirativa. Un esempio pratico è più favorevole per incrementare la WUE della
quello della varietà Hartog (Rebetzke et al., coltura. Se invece la crescita della coltura di-
2002) che ha fatto registrare aumenti di produ- pende dall’ammontare delle precipitazioni du-
zione del 10% in ambienti aridi con circa 250 rante la stagione, allora la riduzione di perdite
mm di precipitazione stagionale. La tecnica di per evaporazione risulterà essere più conve-
13
C è stata anche utilizzata per determinare cau- niente ai fini dell’incremento della WUE della
se di variabilità della produzione dovute a stress coltura. In ambiente mediterraneo, un valore ti-
idrico su scala di campo in una coltura di soia, pico di Es di una coltura di frumento gestita con
come riportato da Clay et al. (2003). le pratiche agronomiche appropriate è di circa
Un limite all’uso della 13C risiede nel costo. il 40% della evapotraspirazione (ET) e tende ad
Tecniche alternative che consentano di identifi- aumentare se la coltura viene gestita in manie-
care in maniera rapida le popolazioni da poter ra errata.
utilizzare nella 13C sono: contenuto delle ceneri L’incremento della produzione delle colture
della sostanza secca (Masle et al. 1992); stime di attuate in condizioni di apporti idrici limitati è
riflettanza nel vicino infrarosso delle foglie ottenibile mediante una corretta gestione agro-
(Clark et al., 1995; Aparico et al., 2002); con- nomica e la costituzione di varietà migliori. Una
duttanza stomatica (Araus et al., 1997). più elevata WUE è ottenibile con colture che
Gli studi condotti con l’obiettivo di costitui- utilizzano più efficientemente l’acqua apporta-
re nuovi genotipi con tasso fotosintetico più ele- ta, che a parità di apertura stomatica scambia-
vato (Moss e Musgrave, 1971) hanno dimostra- no l’acqua con anidride carbonica più efficace-
to che l’aumento di fotosintesi su scala fogliare mente e che convertono più assimilati (biomas-
non corrispondeva ad un aumento di produzio- sa) in cariossidi. Tutto ciò può essere trascritto
ne a livelli superiori (scala di pianta) (Sinclair sottoforma di equazione come stabilito da Pas-
et al., 2003). Ulteriori studi su diverse colture sioura (1977):
per la quantificazione della WUE a livello sto- Y = T *WUE* HI
matico sono stati riportati da Rivelli et al.
dove Y è la produzione in ambienti aridi, T è la
(1999), Moriana et al. (2002).
traspirazione ovvero il consumo idrico della col-
tura, WUE è l’efficienza d’uso dell’acqua e HI
è l’indice di raccolta, comunemente detto har-
4. Efficienza d’uso dell’acqua su scala di campo
vest index. I componenti di questa equazione so-
Il termine efficienza d’uso dell’acqua o water no indipendenti tra di loro per cui un aumento
use efficiency (WUE) viene utilizzato per espri- di uno dei termini comporta un aumento nella
482Ital. J. Agron. / Riv. Agron., 2006, 3:475-495
PRECIPITAZIONI
PERDITE ACQUA IMMAGAZZINATA NEL SUOLO
Ruscellamento Evaporazione
Acqua utilizzata Acqua non
dalle colture estratta dalle
Percolazione colture
Water-Use -Efficiency
Produzione di sostanza secca
Figura 4. Bilancio idrico e
Harvest Index
WUE
Figure 4. Water balance and
PRODUZIONE
WUE.
produzione (Y) (Fisher, 1979; Ludlow e Mu- colza e rape con radici capaci di penetrare ne-
chow, 1990). gli strati più profondi creano biopori utili per la
coltura successiva (Angus et al., 1991; Kirke-
4.1 Ottimizzazione del bilancio idrico del suolo
gaard et al., 2000). Ulteriori esempi provengo-
Il bilancio idrico del suolo, inteso come la quan- no da lavorazioni ridotte (Asseng e Turner,
tità di acqua presente all’interno di uno strato 2003) e mantenimento sul campo dei residui col-
di suolo (∆S) è definito dalla differenza tra le turali (Hatfield et al., 2001). L’introduzione del-
variabili di apporto idrico (precipitazioni e irri- la semina su sodo e l’uso di erbicidi come il
gazione) e quelle di perdita (evaporazione del glifosate, hanno consentito una riduzione dei co-
suolo, traspirazione, percolamento e ruscella- sti, tempi e numero di lavorazioni. Lavorazioni
mento) (figura 4). Uno dei modi principali per eccessive con rimozione o bruciatura dei resi-
incrementare l’uso dell’acqua da parte delle col- dui, distruggono la sostanza organica e quindi
ture è quello di incrementare la profondità ra- la struttura e la sua stabilità ed aumentano l’e-
dicale. Un sistema radicale profondo è sinoni- vaporazione nonché riducono l’infiltrazione.
mo di assorbimento idrico maggiore. Il metodo Basso e Ritchie (2006) hanno condotto uno stu-
più semplice per incrementare la profondità del- dio con l’obiettivo di determinare il tasso d’in-
le radici e la loro distribuzione è quello di au- filtrazione nel suolo in diversi sistemi di lavo-
mentare la durata del ciclo biologico anticipan- razione (convenzionale, minima e non lavora-
do le semine e utilizzando cultivar con vigore zione) e gestione dei residui (interrati o in su-
vegetativo precoce in modo da assicurare uno perficie). Lo studio ha previsto l’apporto di ac-
sviluppo di LAI più rapido. Inoltre la crescita qua al tasso della conducibilità idrica del suolo,
veloce consente lo sviluppo di radici avventizie ma i tempi necessari per generare ruscellamen-
maggiore negli strati superficiali in modo da uti- to nei vari sistemi di lavorazione sono risultati
lizzare l’acqua prima che venga persa per eva- molto diversi: da pochi minuti per la lavorazio-
porazione. L’assorbimento idrico da parte delle ne convenzionale a ore per la non lavorazione
radici può essere limitato da fattori fisici legati con residui in superficie (figura 5). Le lavora-
a struttura e densità apparente (Amato e Rit- zioni minime o la non lavorazione hanno mo-
chie, 2004), tossicità (sale, pH, boro etc.), pato- strato di incrementare la WUE diminuendo l’e-
geni, disponibilità limitata di elementi minerali. vaporazione dal suolo ed aumentando le pro-
Pratiche agronomiche che limitano questi osta- duzioni (Stewardt e Robinson, 1997). Correzio-
coli hanno dimostrato d’incrementare l’efficien- ni per acidità ed alcanità (Atwell, 1991, Tang et
za d’uso dell’acqua. Rotazioni con specie come al., 1993) e riduzione dei patogeni (Roget et al.,
483Basso B.
100 ticipate hanno mantenuto invariata la produ-
zione rispetto a quelle tardive, per un basso har-
80
Infiltrazione (mm/hr)
vest index (Turner, 2004). Oggi varietà a ridot-
60 to accestimento, consentono di ridurre l’uso di
carboidrati strutturali a favore di carboidrati so-
40
lubili facilmente convertibili in granella. Le se-
20 mine anticipate possono essere effettuate solo
con cultivar adatte, cioè quelle con fioritura in
0 periodi caldi altrimenti le gelate primaverili pos-
Foresta Semina su sodo Prati Lavorazione
Convenzionale
sono essere letali (Riffkin, 2003). Gregory e Ea-
stham hanno dimostrato che le semine antici-
pate possono anche essere deleterie a causa del-
! !
la maggiore incidenza di malattie.
Varietà insensibili all’acido giberellico, co-
Infiltrazione cumulata (cm)
siddette semidwarf o a taglia bassa, presentano
oltre all’altezza limitata anche dimensioni ri-
! ! " dotte di altri organi, come il coleoptile (Miral-
les et al., 1998). L’adozione di queste varietà con
stentato vigore vegetativo iniziale determina
un’emergenza lenta e spazialmente variabile.
Nuove varietà di frumento, come quella costi-
tuita da Richards et al. (2002), presentano un
lungo coleoptile, ma allo stesso tempo taglia
bassa ed elevato vigore vegetativo iniziale tale
Tempo (ore) da assicurare una crescita immediata di super-
Figura. 5. Influenza dell’uso del suolo a) e delle lavorazio- ficie fogliare. Piante con vigore vegetativo ini-
ni del terreno e residui colturali (b) sull’infiltrazione del- ziale tendono ad assorbire più acqua perché
l’acqua nel suolo. l’apparato radicale è più profondo (Angus et al.,
Figure 5. Influence of land use (a), tillage e crop residues 2001). In altri casi la senescenza prematura non
management (b) on soil water infiltration. consente un uso ottimale dell’acqua presente
nel profilo del suolo. Il carattere Stay Green, stu-
1996) sono altri esempi di gestione volta ad au- diato inizialmente nel sorgo e successivamente
mentare l’assorbimento idrico radicale e quindi anche in altre colture, con la presenza di azoto
la WUE. nelle foglie verdi anche durante la fase di riem-
In zone dove lo strato di suolo a disposizio- pimento della granella, fissa più carbonio e
ne delle radici è limitato, la possibilità di avere quindi consente alle radici di continuare ad
estrarre azoto ed acqua rafforzando l’intero si-
apparati radicali profondi non apporta alcun
stema come dimostrato da Borrel et al. (2001).
vantaggio (Turner, 2004).
Basso (2000) e Batchelor et al. (2002) han-
Semine anticipate del frumento prima del-
no dimostrato che le perdite per ruscellamento
l’inverno consentono d’incrementare l’efficien-
ortoniano (intensità della pioggia maggiore del-
za d’uso dell’acqua e la produzione (Richards la capacità d’infiltrazione dell’acqua nel suolo)
et al., 2002) grazie al rapido sviluppo di LAI, ad e scorrimento superficiale laterale possono es-
un ridotta perdita di acqua per evaporazione dal sere elevate, ma parte di tali perdite diventa sor-
suolo (figura 4) (van Herwaarden e Passioura, gente addizionale di acqua in aree con penden-
2001) e ad una ridotta presenza di erbe infe- za inferiore (figura 6). Silburn e Glanville (2002)
stanti (Lemerle et al., 2001). Eastham e Gregory hanno dimostrato che con copertura vegetale di
(2000) hanno mostrato che semine anticipate di residui maggiore del 50% dell’area, il ruscella-
frumento e lupino in ambienti mediterranei ri- mento viene notevolmente ridotto.
ducono l’evaporazione del suolo, rispetto a se- La quantità d’acqua normalmente persa per
mine posticipate, grazie al LAI superiore nelle fenomeni di percolazione è inferiore a l’acqua
prime fasi del ciclo. In alcuni casi, le semine an- persa per evaporazione del suolo, tranne in suo-
484Ital. J. Agron. / Riv. Agron., 2006, 3:475-495
-0.50
-1.00
-1.50
-2.00
-2.50
-3.00
-3.50
-4.00
-4.50
-5.00
Figura 6. Mappa simulata del flusso netto superficiale ottenuto dalla differenza tra ruscellamento da un sito e apporto ad
un altro (runoff-runon) utilizzando SALUS-Terrae (Basso, 2000).
Figure 6. Simulated map of net surface flux obtained from the difference between runoff-runon using Salus-Terrae (Bas-
so, 2000).
li molto sabbiosi. Perdite per percolazione sono traspirativa delle foglie viene inteso l’ammon-
difficili da stimare, ma normalmente variano da tare di carbonio fissato per unità di acqua tra-
0 a 100 mm per anno a seconda del tipo di suo- spirata, e dipende sia dalla richiesta evapotra-
lo, gestione e stagione (Dunin et al., 2001). L’u- spirativa da parte dell’ambiente che dalla con-
tilizzo da parte delle radici dell’acqua percola- centrazione della CO2 all’interno delle foglie
ta può incrementare di molto le produzioni in (Condon et al., 2002). In ambienti mediterranei
quanto nella maggior parte dei casi ciò avviene l’efficienza traspirativa è alta durante l’inverno,
dopo la fioritura quando i prodotti della foto- quando tassi di evaporazione giornaliera da eva-
sintesi vanno interamente traslocati verso la porimetri di classe A variano da 2 a 3 mm, che
granella e sono minime le perdite di respirazio- in primavera o estate. Un metodo per incre-
ne. La cattura di 30 mm di acqua percolata si mentare TE sarebbe quello di assicurare che il
traduce in un incremento di produzione di 1 t massimo accumulo di biomassa avvenga duran-
ha-1 (Angus e van Herwaarden, 2001). In più, te i periodi più freddi del ciclo biologico dato
l’acqua drenata negli strati più profondi è ricca lo stretto legame tra il deficit di pressione del
di nitrati lisciviati ed inutilizzati prima per il li- vapore saturo (richiesta evaporativa) e la TE. Il
mitato apparato radicale nelle fasi iniziali del ci- consumo idrico risulta più basso in periodi fred-
clo biologico (Angus, 2001). di a causa della bassa richiesta evaporativa. Ot-
I modelli previsionali del tipo CERES (Rit- tenere una crescita veloce nei primi periodi del
chie et al., 1985), SALUS (Basso, 2000; http://sa- ciclo, mediante un anticipo delle semine di va-
lus.gis.fcu.edu.tw) ecc. sono in grado di stimare rierà con vigore vegetativo precoce, consente di
il bilancio idrico con margine di errore molto li- ridurre la superficie di suolo esposta all’evapo-
mitato (Basso e Ritchie, 2005). razione e la presenza di erbe infestanti con con-
seguente minore competizione.
4.2 Efficienza traspirativa Ad una determinata richiesta evapotraspira-
L’altro componente dell’equazione della WUE tiva e conduttanza stomatica, più bassa è la con-
è l’efficienza traspirativa (TE). Per efficienza centrazione di CO2 all’interno della foglia e
485Basso B.
maggiore è l’efficienza traspirativa. La bassa
concentrazione spinge ad una rapida diffusione
della CO2 nella foglia senza modificare di mol-
to il tasso di scambio e diffusione del vapore ac-
queo all’esterno.
L’incremento d’infiltrazione e la riduzione di
ruscellamento, percolazione ed evaporazione e
quindi maggiore disponibilità d’acqua per la tra-
spirazione, sono efficaci ai fini del raggiungi-
mento di una WUE elevata (Asseng et al.,
2001).
Studi recenti condotti con l’obiettivo di iden-
tificare i geni responsabili della efficienza tra-
spirativa e quindi capire il loro funzionamento, Figura 8. Evaporazione dalle piante (Ep) relativa alla stima
di evaporazione di riferimento (Eo) influenzata da LAI
hanno portato all’isolamento del gene ERECTA quando il contenuto idrico del suolo nella zona radicale non
(Masle et al., 2005), il quale partecipa a mecca- è limitante, per superfici di suolo asciutte e bagnate. Da Rit-
nismi legati alla densità stomatica, estensione di chie, 1971.
cellule epidermiche, proliferazione di cellule del Figure 8. Plant evaporation (Ep) relative to estimated Eo
mesofillo e contatto tra cellule. L’incremento as influenced by LAI when soil water in the root zone is
dell’efficienza fotosintentica consente una mag- non-limiting for dry and wet soil surface. From Ritchie, 1971.
giore WUE modificando la pendenza della cur-
va proposta in figura 7. maverili in questo caso è anche elevato. Per le
4.3 Harvest Index (conversione di biomassa in colture che fioriscono in ritardo, anche se han-
granella) no avuto la possibilità di formare un numero
elevato di cariossidi, la limitata disponibilità di
Il rapporto tra produzione commerciabile e la
acqua nel suolo in quel periodo accompagnata
biomassa totale prodotta viene definito harvest
da alte temperature, non consente il completo
index o indice di raccolta. Tale rapporto varia in
riempimento dei cariossidi (figura 8) (Fisher,
funzione del consumo idrico prima e dopo la
1979; Passioura, 1996, 2006). L’HI può essere
fioritura (Fisher, 1981). Per esempio, colture in-
considerato indipendente o dipendente dalla
vernali che raggiungono la fase di fioritura an-
siccità. Un HI elevato, indipendente dalla sic-
ticipatamente non accumulano biomassa suffi-
cità, si raggiunge grazie ad una maggiore tra-
ciente per poter formare e riempire un elevato
slocazione di sostanza secca delle cariossidi. Ge-
numero di semi. Il rischio di danni da gelate pri-
ni che contribuiscono alla riduzione della taglia
o al momento migliore per la fioritura in un de-
! " terminato ambiente sono esempi che consento-
#$$ $ $
" no il raggiungimento di un alto HI.
L’uso dell’acqua dopo l’antesi, invece sem-
bra essere il fattore determinante per un HI che
dipende dalla siccità. Ad un elevato consumo
idrico dopo l’antesi corrisponde un HI elevato
(Passioura, 1972). Quindi in condizioni di ap-
porti idrici limitati, conservare acqua fino alla
fioritura per la riempitura dei cariossidi do-
Figura 7. Esempi di WUE: la migliore attualmente; miglio- vrebbe portare a un HI alto. Cultivar di fru-
rata mediante scambi efficienti di CO2 con acqua; miglio- mento con vasi xilematici delle radici più sotti-
rata mediante riduzione di evaporazione con varietà con vi- li avrebbero un assorbimento idrico più lento, a
gore vegetativo e tasso di sviluppo di area fogliare rapido
nei primi stadi fenologici.
causa della resistenza idraulica maggiore dei va-
si più stretti, che in condizioni di disponibilità
Figure 7. Examples of WUE: best current; improved throu-
gh better exchange of CO2 and water; improved with varie-
idrica limitata consentirebbe di lasciare dell’ac-
ties with early vigour and faster leaf area development rate. qua disponibile anche dopo l’antesi.
486Ital. J. Agron. / Riv. Agron., 2006, 3:475-495
5. Relazioni tra evapotraspirazione e WUE to fotosintesi e traspirazione raggiungono il lo-
ro massimo a soglie di LAI differenti (LAI ~ 3
La proporzione tra evaporazione del suolo e
per la traspirazione e LAI ~ 7 per la fotosinte-
traspirazione della pianta varia in poco tempo.
si). La causa principale di queste differenze ri-
Quando una coltura presenta un LAI basso, l’e-
siede nella presenza di calore sensibile attorno
vaporazione del suolo è la parte sostanziale del-
alle piante a valori di LAI basso che causa un
l’evaporazione totale, specialmente se la super-
aumento della traspirazione rispetto alla foto-
ficie del suolo è inumidita frequentemente.
sintesi. Quando la coltura in campo raggiunge
Quando la superficie del suolo è bagnata, anche valori di LAI ~ 3 in assenza di stress idrico ETo
con piena copertura vegetale, la traspirazione è dipende essenzialmente dall’energia disponibile
ridotta in quanto una parte significante dell’e- (richiesta evaporativa) ed è quindi non modifi-
vapotraspirazione (ET) è ad opera dell’evapo- cabile. Con LAI > 3 la ripartizione di ET tra
razione del suolo. Quando la superficie del suo- suolo e pianta è influenzata dallo stato di umi-
lo è asciutta, la traspirazione può essere quasi dità della superficie del suolo. Con LAI < 3 la
al 100%. In uno studio dove traspirazione ed ripartizione di ET tra suolo e pianta è ancora
evaporazione del suolo furono misurati separa- più influenzata dallo stato di umidità della su-
tamente, Ritchie e Burnett (1971) quantificaro- perficie del suolo anche a condizione di ET po-
no l’influenza della copertura parziale sull’ET e tenziale. La ET potenziale si raggiunge solo con
trovarono che il LAI di sorgo e cotone era più suolo bagnato e nello stadio dominato dall’e-
correlato con la traspirazione come frazione nergia (energy dependent stage of drying, se-
dell’evapotraspirazione potenziale (ETo) che la condo stadio, Ritchie, 1972). Con LAI = 3 l’in-
copertura del suolo e sostanza secca della pian- tercettazione luminosa di molte colture erbacee
ta. Normalmente la traspirazione è uguale al- è dell’80-85%; se si assume che la fotosintesi
l’evaporazione potenziale quando il LAI rag- giornaliera è proporzionale alla luce intercetta-
giunge il valore di 2.5 e quando la superficie del ta, la WUE sarebbe inferiore del 15% a LAI =
suolo è asciutta. L’aumento di LAI oltre 2.5, de- 3 rispetto LAI = 7.
termina aumenti di ET minimi per la maggior Gran parte degli studi di pieno campo che
parte delle colture con distanza tra le file di hanno messo in relazione la traspirazione in
< 1 m (figura 8). funzione della biomassa prodotta sono basati
Ritchie e Johnson (1990) nella loro esem- solo su stime di biomassa epigea. Il rapporto tra
plare revisione sui fattori che influenzano tra- parte epigea e ipogea può essere influenzato da
spirazione ed evaporazione del suolo illustrano diversi fattori e la proporzione di trasferimento
questi concetti con diversi esempi ed inoltre del carbonio tra le due parti dipende dalla com-
presentano un semplice approccio per la previ- petizione delle piante per luce o da fattori li-
sione del LAI specifico per colture, ma indi- mitanti nel suolo. Questo argomento risulta po-
pendente da sito, suolo, ecc. co documentato in letteratura, ma diversi studi
Esiste una stretta correlazione tra ET e con misure di parte epigea e ipogea (shoot/root
WUE quando il fattore limitante la produzione ratio) hanno dimostrato il rapporto dinamico
è l’acqua. Tanner e Sinclair (1983) trovarono che delle differenze esistenti nella partizione degli
quando la WUE veniva corretta inserendo un assimilati tra shoot e root. La stima della bio-
fattore di correzione che considerava le condi- massa epigea o della produttività delle colture
zioni climatiche locali, essa poteva essere consi- basata solo su calcoli di ET e traspirazione de-
derata costante per quella particolare specie. Il ve necessariamente assumere un rapporto tra
fattore di correzione climatica era la media sta- shoot e root costante, cosa non corretta nè rea-
gionale del deficit di pressione di vapore. La listica.
giustificazione teorica della loro affermazione Diversi autori hanno dimostrato che all’au-
scaturisce dal fatto che la traspirazione è diret- mentare della produzione aumenta anche la
tamente proporzionale alla produzione visto che WUE (figura 7). Payne et al. (1997) hanno stu-
gli stomi fungono da ingresso per la CO2 (foto- diato gli effetti della gestione agronomica ed in
sintesi) e da uscita di acqua (traspirazione). Rit- modo particolare concimazione azotata e den-
chie (1983) ha dimostrato che un valore co- sità di semina e dimostrato che esiste una rela-
stante di traspirazione non è corretto in quan- zione quasi lineare tra WUE e produzione. Esi-
487Basso B.
stono però delle eccezioni. Ad esempio, se ibri- lazione e drenaggio, riducendo la WUE di quel
di di mais sono messi a confronto in condizioni determinato apporto. Per minimizzare drenag-
pedo-climatiche identiche e la loro produzione gio e ristagno bisogna mantenere un deficit idri-
è differente, tali differenze possono essere do- co senza compromettere le produzioni. È quin-
vute alla lunghezza del ciclo o semplicemente di necessario conoscere la risposta delle piante
alla superiorità di un ibrido rispetto all’altro. Le al deficit idrico nelle varie fasi.
differenze di produzione causate da lunghezza Zhang et al. (2006) hanno dimostrato che l’u-
differente del ciclo possono portare alla stessa so dell’irrigazione di soccorso nel frumento in-
WUE, mentre l’idrido superiore con la stessa crementa la WUE. Riducendo il numero delle
lunghezza di ciclo se gestito alla stessa maniera irrigazioni da 4 ad 1, hanno osservato un au-
presenterà una WUE maggiore (Ritchie e Bas- mento significativo del numero di cariossidi. Di-
so, 2006). versi sono gli studi con risultati simili e con di-
La produzione di mais è altamente correla- verse colture (Steduto et al., 1997).
ta con il numero di cariossidi per unità di su- Ritchie et al. (1987) hanno dimostrato in uno
perficie alla raccolta. Studi hanno dimostrato studio di simulazione sul mais che con irriga-
che il numero di cariossidi varia in funzione del- zioni di 6 mm invece di 32 mm, si otteneva una
la radiazione solare intercettata nel periodo del- riduzione del 40% degli apporti idrici senza
la fioritura (Andrade et al., 1983, Otegui e compromettere il reddito dell’agricoltore. Con-
Bonhomme, 1988) e al tasso di crescita della col- frontando le misure con simulazioni con irriga-
tura (Kiniry et al., 1997; Andrade et al., 1999). zione a tasso variabile e uniforme in un terre-
Quando il tasso di crescita è basso durante il no del Michigan coltivato a Mais, il risparmio di
periodo della fioritura la produzione viene al- acqua raggiungeva il 30%. (Ritchie, 1998; Bra-
tamente compromessa. Nuovi ibridi hanno la ca- ga e Basso, 2003).
pacità di formare più di 700 cariossidi per spi- I metodi di stima utilizzati per determinare
ga con alta densità di popolazione visto che so- e prevedere la richiesta di acqua da parte delle
no necessari solo 25 MJ per pianta di radiazio- piante sono svariati. Gran parte di questi si ba-
ne fotosinteticamente attiva intercettata (IPAR) sano sull’uso di coefficienti colturali basati sul-
cumulata contro i 50 degli ibridi di vecchia ge- la stima di Eo (Wright, 1981, 1985). L’equazio-
nerazione i quali formano solo 500 cariossidi. ne generale dei coefficienti colturali per la sti-
L’adozione dei nuovi ibridi accompagnati da ma della ET è la seguente:
una densità di semina elevata consente il rag-
Kc=Et/Eo
giungimento di produzioni record (21 t ha-1 sen-
za irrigazione ottenuta in Iowa negli ultimi 5 an- quindi,
ni) e quindi una WUE elevata (Ritchie e Bas- Et= (Kc)(Eo)
so, 2006).
Kc è un coefficiente senza dimensione per
una determinata coltura in determinato stadio
fenologico. Il coefficiente colturale rappresenta
6. Irrigazione di soccorso, metodi di stima e WUE
quindi la variazione stagionale dei valori di Kc
L’irrigazione di soccorso viene utilizzata per sta- determinati empiricamente. Purtroppo la varia-
bilizzare la produzione, principalmente in re- zione stagionale dei coefficienti colturali non è
gioni umide. La chiave dell’uso corretto risiede estrapolabile in altri luoghi, in quanto è dipen-
nello sfruttamento efficiente ed efficace delle dente dal tipo di gestione, dal sito, e dal clima
precipitazioni. La gestione dell’irrigazione in re- specifico del luogo. Valori di Kc sono influen-
gioni umide e regioni aride è molto diversa, in zati dal tipo di gestione agronomica risultante
quanto dipende dalla probabilità delle precipi- in variazioni di data di semina, numero di pian-
tazioni. In ambienti aridi è pratica comune irri- te per m2, distanza tra le file, cultivar, profon-
gare fino alla capacità di campo del suolo in mo- dità delle lavorazioni e quindi volume di terre-
do tale da ridurre il numero di interventi. Se la no esplorato dalle radici. Inoltre i valori di Kc
stessa strategia venisse adottata nelle regioni sono sito-specifici a causa dell’elevata variabi-
umide, precipitazioni a pochi giorni dall’ irriga- lità spaziale presente e non sono riproducibili
zione causerebbero ristagno o eccessiva perco- nella stessa forma da un anno all’altro e da un
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