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Combattere lo stress idrico in vigneto: ci pensano app e droni

L’area mediterranea – compreso il nostro Belpaese – si trova a fronteggiare estati sempre più torride. Questo fenomeno causato dalle temperature elevate e dalle condizioni climatiche avverse, può compromettere la produttività dei vigneti, nonché la qualità del vino prodotto.

 

La siccità, ma anche le precipitazioni intense, rendono sempre più necessario un approccio di precisione nell’utilizzo della risorsa idrica.

 

DATI project: nuove tecnologie per il risparmio idrico

Dell’uso efficiente dell’acqua in vigneto se ne è occupato il progetto DATI (Digital Agriculture Technologies for Irrigation efficiency), un’iniziativa coordinata dal Consiglio Nazionale delle Ricerche – Istituto per la BioEconomia, finanziata da Prima (Partnership for Research and Innovation in the Mediterranean Area) e sostenuta dal programma di ricerca e innovazione Horizon 2020 dell’Unione Europea.

 

Questo progetto si è posto l’obiettivo di sviluppare soluzioni di agricoltura digitale, sfruttando droni, immagini satellitari e altre tecnologie, per ottimizzare l’irrigazione e ridurre i consumi idrici del 15-20% rispetto ai sistemi tradizionali.

 

Partner italiani di rilievo, come il Consorzio di Bonifica 6 Toscana Sud (Cb6) e l’Ente Terre regionali toscane, ma anche internazionali quali l’Università di Trás-os-Montes e Alto Douro in Portogallo, l’Istituto Nazionale di Scienze Agrarie in Spagna e l’Istituto agrario di Montpellier in Francia, hanno collaborato attivamente per portare avanti il Progetto.

 

Il Consorzio di Bonifica 6 Toscana Sud si occupa della manutenzione idraulica, della difesa dal rischio idraulico e della salvaguardia di territorio e paesaggio. Il suo contributo al progetto DATI sarà meglio dettagliato nel prossimo approfondimento dedicato alle colture orticole.

Le attività di ricerca, sperimentazione e dimostrazione sono state condotte con l’Ente Terre Regionali Toscana che gestisce diverse aziende agricole e altre superfici, contribuendo a tutelare e valorizzare le produzioni agricole locali.

 

Il progetto DATI ha visto realizzare in diverse aziende pilota – situate in 5 paesi del Mediterraneo: Italia, Portogallo, Spagna, Francia e Marocco – prove e sperimentazioni per definire strategie di gestione intelligente dell’irrigazione.

 

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I team di ricercatori italiano, francese, spagnolo e portoghese alla presentazione dei risultati finali del progetto DATI

(Fonte foto: progetto DATI)

 

Monitorare le viti: il primo passo contro lo stress idrico

La programmazione degli interventi irrigui è la chiave una gestione efficiente dell’acqua, spesso scarsamente disponibile. Distribuire la corretta quantità di acqua laddove utile e solo se necessaria, riduce gli sprechi e mantiene efficiente e produttivo il vigneto.

 

Tuttavia, vista l’eterogeneità degli appezzamenti, sia per questioni orografiche (pendenza, esposizione), sia pedologiche (caratteristiche del suolo), sia colturali (stato vegetativo della pianta) e climatiche (distribuzione delle precipitazioni), le necessità irrigue variano sensibilmente nello spazio e nel tempo.

 

Ecco che il monitoraggio puntuale dello stato idrico delle viti, può essere una strategia vincente per decidere se e quanto irrigare. Ma quale metodo utilizzare e quale parametro adottare per monitorare le viti? I ricercatori del Progetto DATI hanno identificato diverse soluzioni per valutare lo stress idrico e fornire ai sistemi d’irrigazione input chiari e precisi.

 

Droni: un occhio attento tra i filari

Per i vigneti più ampi o dove l’accessibilità è ridotta, il monitoraggio aereo offre un buon compromesso tra precisione e rapidità d’esecuzione.

 

Ecco perché il progetto DATI e in particolare i gruppi di ricerca italiano, portoghese e spagnolo hanno scelto di effettuare 2 diverse sperimentazioni con veicoli aerei senza pilota (Uav, comunemente conosciuti come droni) equipaggiati, nel primo caso, con un sensore multispettrale e, nel secondo, con un sensore termico.

 

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Uno dei droni utilizzati per la raccolta delle immagini multispettrali e termiche in una delle aziende pilota del Progetto

(Fonte foto: progetto DATI)

 

Immagini multispettrali: come sta la vite?

Le 4 bande spettrali registrate dal sensore multispettrale mostrano le differenze nelle viti in termini di crescita, vigore, fenologia e stato fisiologico. A partire da ciò sono stati calcolati alcuni indici vegetativi e indagata la loro correlazione con lo stato idrico della pianta, così da ottenere informazioni di input per i sistemi di supporto alle decisioni (Dss) d’irrigazione.

 

"Abbiamo progettato un nuovo algoritmo, che possa avere un’implementazione semplice (open source e con licenza gratuita) e un intervento minimo da parte dell’utente finale" spiegano i ricercatori del Progetto.

 

I DATI multispettrali relativi alla sola vegetazione estratti e affinati sono stati utilizzati utilizzati per il calcolo dei diversi indici:

  • Ndvi (Normalized Difference Vegetation Index), correlato con la densità della vegetazione;
  • Osavi (Optimized Soil Adjusted Vegetation Index), corregge l’effetto della riflettanza del suolo con bassa copertura vegetale;
  • ReNdvi (Red edge Ndvi), considera solo le lunghezze d’onda del vicino infrarosso meno influenzate dalla struttura della chioma;
  • GNdvi (Green Ndvi), rapporto tra la differenza e la somma della riflettanza nel vicino infrarosso e nel verde;
  • Evi (Enhanced Vegetation Index), drivato dal Ndvi, riduce le influenze atmosferiche e migliora la sensibilità in zone ad alta biomassa.

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Esempio di indici vegetativi ottenuti tramite immagini multispettrali telerilevate tramite drone

(Fonte foto: progetto DATI)

 

Per definire l’efficienza predittiva di ciascun indice è stata valutata la correlazione con 3 parametri misurati in campo: il potenziale idrico della foglia, potenziale idrico dello stelo e l’indice di area fogliare (o Lai). 

I risultati ottenuti dai ricercatori mostrano una limitata correlazione tra gli indici vegetativi e il potenziale idrico, ma uno stretto legame con il Lai, che tuttavia non è sempre un buon indicatore per lo stress idrico.

 

"Questi risultati sono coerenti dato che gli indici vegetativi sono comunemente utilizzati per monitorare struttura o densità delle chiome delle colture" spiegano i responsabili del progetto. "Tuttavia, il valore del Lai è importante per valutare i processi di evapotraspirazione, fondamentali per definire i volumi d’irrigazione".

 

Immagini termiche: quando il vigneto ha caldo?

Sebbene l’uso di sensori multispettrali offra vantaggi interessanti, l’utilizzo combinato con le altre soluzioni studiate dal progetto DATI permette un miglior risulto. È il caso del telerilevamento tramite sensori termici che permettono la misura diretta dello stress idrico tramite il Crop Water Stress Index (Cwsi), indice utile a valutare se la pianta è soggetta a un adacquamento eccessivo o se si trova in condizioni di deficit idrico.

 

Tradizionalmente, la valutazione dello stato idrico di una pianta richiede l’uso di una camera a pressione, uno strumento semplice ma costoso che necessita di estrema precisione e lunghi tempi di misurazione. Il calcolo del Cswi tramite immagini termiche telerilevate consente di velocizzare il processo e renderlo più efficiente.

 

A livello operativo, sempre tramite droni è stata mappata – in questo caso – la temperatura del vigneto, da cui poi si è estratta la temperatura delle sole viti, più precisamente della sola copertura fogliare.

 

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Schema per il calcolo dell’indice di stress idrico del vigneto tramite immagini termiche raccolte da drone

(Fonte foto: progetto DATI)

 

Oltre all’uso del drone, i ricercatori con una serie di misurazioni a campione in campo, hanno definito i valori limite: la temperatura minima quando la chioma traspira al massimo tasso potenziale e quella massima quando la traspirazione è nulla. Alternativamente è stata messa a punto una metodologia per calcolare questi valori a partire dai DATI telerilevati.

 

"Con i valori ottenuti tramite telerilevamento, opportunamente calibrati con misurazioni in campo, è stato possibile calcolare il Cwsi, che variando tra 0 e 1 esprime il livello di stress idrico a cui la pianta è sottoposta e fornire ai Dss informazioni puntuali per suggerire le migliori scelte irrigue" spiegano i ricercatori.

 

Tuttavia, il Cwsi calcolato tramite DATI telerilevati presenta alcune limitazioni tecniche. Prima tra tutte l’interferenza della copertura vegetale che spesso sovrapposta rende difficile ottenere una lettura accurata della temperatura delle singole viti. Seguono le problematiche intrinseche dei sensori termici: sensibilità alle fluttuazioni di temperatura diurna e alla copertura nuvolosa e necessita di calibrazioni molto precise. 

 

Come sta il vigneto? Te lo dice un’app

Il ramo francese del progetto DATI, si è invece concentrato sullo sviluppo di un’alternativa che potesse fornire indicazioni sullo stato idrico del vigneto in modo semplice e immediato. Il tutto senza sistemi di telerilevamento o complesse misurazioni in campo.

 

Nasce così l’applicazione mobile ApeX-Vigne che attraverso l’osservazione e la classificazione visiva degli apici dei tralci delle viti calcola l’indice di crescita dell’apice (iC-Apex). Il metodo dell’apice (apex in inglese) è infatti comunemente utilizzato in vigneto dai tecnici, in particolare nella regione mediterranea, per correlare l’arresto della crescita apicale a elevati livelli di stress idrico.

 

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Le tre categorie in cui vengono suddivisi gli apici per il calcolo dell’indice di crescita dell’apice (iC-Apex)

(Fonte foto: progetto DATI)

 

"La raccolta dei DATI avviene utilizzando un protocollo standardizzato e georeferenziato. Su ApeX-Vigne il pulsante per calcolare l’iC-Apex diventa attivo solo dopo aver effettuato almeno 50 osservazioni. La schermata di output dell’App fornisce un riepilogo per ciascun gruppo di osservazioni e il livello di stress idrico stimato" mostrano i ricercatori.

 

Per validare il funzionamento dell’App è stata dimostrata la forte correlazione positiva tra iC-Apex e il Plwp (Predawn Leaf Water Potential). Un parametro utile per valutare lo stato idrico della vite nei climi secchi, che di norma è ottenibile solo tramite complesse misurazioni.  

 

La relazione tra i due indici diventa sempre più incerta con l’intensificarsi del deficit idrico. In particolare verso la fine dell’estate, quando i valori di iC-Apex tipicamente si riducono a 0 a causa dell’arresto della crescita dei tralci di vite, il Plwp mostra ancora variazioni nel tempo.

 

"La capacità predittiva dell’indice iC-Apex viene meno anche nei vigneti regolarmente irrigati o soggetti a frequenti precipitazioni perché la crescita degli apici nel tempo è relativamente lenta rispetto ai cambiamenti improvvisi nella disponibilità di acqua nel suolo. Pertanto è da preferire nei vigneti non irrigati" commentano i ricercatori.

 

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ApeX-Vigne può essere utilizzata sia da un viticoltore nei propri appezzamenti sia da un tecnico per gestire più terreni

(Fonte foto: progetto DATI)

 

L’uso di ApeX-Vigne richiede competenze minime, sia per le osservazioni sia per interpretare gli output, e – in campo – il risultato delle osservazioni non varia nel corso della giornata, il che rappresenta un vantaggio rispetto agli approcci di telerilevamento. Allo stesso tempo l’operatore può introdurre un errore nella classificazione, ma ciò non è un problema purché le misurazioni siano condotte in modo coerente per tutto il vigneto.

 

Ma quanto costa?

Il progetto DATI pone grande attenzione anche all’aspetto economico, perché se una soluzione, seppur performante ed efficace nel ridurre i consumi idrici, comporta una spesa non sostenibile per il viticoltore questa sarà difficilmente adottata.

 

Per questo i ricercatori hanno valutato la sostenibilità economica di ciascun approccio proposto valutandone costi e ricavi. Entrambe le voci presentano diverse componenti tecnologiche, agronomiche e aziendali che possono variare a seconda della coltura e, soprattutto, da paese a paese.

 

In estrema sintesi, negli approcci con droni e sistemi di telerilevamento i viticoltori trarranno un vantaggio se il risparmio di acqua per l’irrigazione ottenuto supera i costi di investimento (acquisto di attrezzature e software) e i costi operativi.

 

Ma questo punto si sposta a seconda dei valori considerati per ciascuna voce. A parità di costi operativi, prezzo dell’acqua irrigua, consumo di acqua da parte della coltura e percentuale di risparmio idrico raggiunta, la sostenibilità economica è direttamente influenzata solo dalla superficie gestita con sistemi di telerilevamento e generalmente, maggiore superficie implica maggiore convenienza.

 

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Esempio di calcolo economico per valutare la sostenibilità nell’utilizzo di droni per programmare gli interventi irrigui

(Fonte foto: progetto DATI)

(clicca sull’immagine per ingrandirla)

 

Per quanto riguarda l’applicazione ApeX-Vigne, seppur richiedendo un costo di sviluppo e calibrazione iniziale non trascurabile, presenta un basso costo di implementazione per l’operatore finale. Viene meno la necessità di acquistare attrezzature o licenze, qualsiasi agricoltore o consulente può utilizzare l’App fin da subito, con costi operativi molto ridotti.

 


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Iniziativa realizzata nell’ambito del progetto DATI, finanziato dal programma europeo PRIMA (Partnership for Research and Innovation in the Mediterranean Area) sostenuto dal programma quadro europeo Horizon 2020.

Responsabile del progetto è il Consiglio Nazionale delle Ricerche – Istituto per la BioEconomia, realizzato con la collaborazione di Consorzio di Bonifica 6 Toscana Sud (Cb6) ed Ente Terre regionali toscane.