Field-calibrated ammonia volatilization models for rice and wheat, validated in APSIM

La perdita invisibile nel portafoglio dell'azienda agricola

Immaginate un'azienda agricola come una cucina gigante e affamata dove gli agricoltori cucinano colture come riso e grano. Per nutrire queste piante, gli agricoltori aggiungono un ingrediente speciale chiamato fertilizzante azotato, che è come il sale e il pepe che rendono i raccolti grandi e forti. Ma ecco la parte complicata: a volte, invece di rimanere nel suolo per nutrire le piante, una parte subdola di questo azoto si trasforma in un gas chiamato ammoniaca e fluttua direttamente nell'aria. Questo si chiama "volatilizzazione". Pensatelo come versare un secchio d'acqua su una spugna, ma parte di essa evapora prima che la spugna possa berla. Quando accade questo, l'agricoltore perde denaro perché ha pagato per un fertilizzante che le piante non hanno mai ricevuto, e l'aria diventa un po' più sporca.

Gli scienziati hanno cercato di costruire delle "previsioni meteorologiche" per questa perdita invisibile. Alcune di queste previsioni sono come videogiochi super complessi che devono conoscere l'esatta velocità del vento, la temperatura del suolo e l'umidità ogni singolo secondo per funzionare. Sebbene accurate, questi modelli complessi sono difficili da usare perché la maggior parte degli agricoltori non dispone di così tanti dati. Questo articolo, scritto da ricercatori dell'Istituto Indiano di Ricerca Agricola, pone una domanda più semplice: possiamo prevedere questa perdita usando solo poche cose facili da misurare, come quanto fertilizzante abbiamo usato e quanto fa caldo all'esterno? Volevano trovare una "scorciatoia" che fosse altrettanto accurata dei modelli super complessi, ma molto più facile da usare per agricoltori e scienziati nel mondo reale.

La grande caccia all'azoto: trovare le perdite

I ricercatori sono partiti per una missione da detective attraverso cinque diversi esperimenti sul campo nella pianura indo-gangetica, una vasta regione agricola dell'India. Hanno osservato campi di riso e di grano per vedere quanto gas azotato sfuggiva in diverse condizioni. Invece di costruire una gigantesca e complicata simulazione al computer da zero, hanno deciso di costruire due semplici "regole empiriche" basate su ciò che hanno effettivamente osservato nei campi.

La Regola del Riso: Calore e Cumuli
Per il riso, il team ha scoperto che la quantità di azoto persa nell'aria dipende principalmente da due cose: quanto fertilizzante versi sul campo e quanto fa caldo. Hanno creato una semplice equazione matematica che funge da calcolatrice. Se le indichi la quantità di azoto utilizzata e il livello di temperatura, può prevedere la perdita con un'accuratezza sorprendente. Infatti, questa semplice formula ha spiegato il 94,3% delle variazioni che hanno osservato nei campi di riso. Il fattore principale era la quantità di fertilizzante: per ogni chilogrammo extra di azoto aggiunto, la perdita aumentava di circa 0,048 kg N ha⁻¹. Il calore giocava un ruolo minore, ma comunque importante; per ogni grado di aumento della temperatura, la perdita aumentava di 0,60 kg N ha⁻¹. È come un rubinetto che gocciola: più acqua apri (fertilizzante), più gocce ottieni, e se la stanza è più calda, l'acqua evapora un po' più velocemente.

La Regola del Grano: Il tempismo è tutto
Per il grano, la storia era un po' diversa. I ricercatori hanno testato molti fattori, tra cui come il terreno veniva lavorato, quando veniva applicato il fertilizzante e che tipo di fertilizzante veniva utilizzato. Hanno scoperto che il fattore più importante non era come il terreno veniva arato, ma quando l'azoto veniva somministrato. Se gli agricoltori applicavano tutto l'azoto all'inizio (tempistica basale), una grande quantità sfuggiva. Ma se aspettavano e lo applicavano più tardi usando dei sensori per guidarli, la perdita diminuiva significativamente. La loro formula per il grano ha spiegato il 94,2% della variazione. Interessante è che hanno scoperto che il tipo di aratura (conservativa vs convenzionale) non contava molto di per sé una volta tenuto conto di quando e come il fertilizzante veniva applicato. Si è scoperto che l'effetto "aratura" che la gente pensava di vedere era in realtà solo un effetto collaterale della diversa tempistica e dei tipi di fertilizzante utilizzati in quei campi.

La magia dello "Script del Manager"
Ecco dove la storia diventa davvero interessante. I ricercatori non si sono limitati a scrivere queste semplici formule. Volevano vedere se queste formule potessero vivere all'interno di un programma di simulazione al computer molto famoso chiamato APSIM Next Generation, che viene utilizzato per modellare intere stagioni agricole giorno per giorno. Hanno scritto uno speciale "Manager-script" (pensate a un piccolo assistente robotico) che poteva leggere le loro semplici formule e applicarle all'interno della complessa simulazione.

Quando hanno eseguito la simulazione, l'assistente robotico ha fatto qualcosa di magico. Ha previsto che l'azoto nel suolo raggiungerebbe il picco 3 o 4 giorni dopo l'applicazione del fertilizzante, proprio come nella realtà. Alla fine della stagione, la perdita totale della simulazione corrispondeva alla previsione della loro semplice formula fino al terzo decimale. Per il riso, sia la semplice formula che la complessa simulazione dicevano che la perdita era di 14,024 kg N ha⁻¹. Per il grano, entrambi concordavano su 21,640 kg N ha⁻¹. Questo ha dimostato che non è sempre necessario un modello super complesso per ottenere una risposta precisa; una semplice regola testata sul campo può svolgere il lavoro pesante anche all'interno di una grande simulazione.

Fermare la perdita
Infine, il team ha testato modi per tappare la perdita. Hanno scoperto che l'aggiunta di speciali "inibitori" (come l'NBPT) al fertilizzante poteva impedire al 40% dell'azoto di sfuggire. Altre aggiunte naturali, come l'estratto di aglio o gli oli vegetali, potevano bloccare circa il 17% - 27%. Ciò suggerisce che se gli agricoltori usano la giusta tempistica (dalla regola del grano) e aggiungono un po' di questi inibitori, possono risparmiare una grande quantità di fertilizzante e mantenere l'aria più pulita.

In sintesi

Questo articolo dimostra che non dobbiamo sempre misurare ogni singola goccia di vento e calore per capire come l'azoto sfugge dalle nostre colture. Usando regole semplici calibrate sul campo che si concentrano sui fattori principali — come quanto fertilizzante viene usato, quando viene applicato e quanto fa caldo — possiamo prevedere la perdita di ammoniaca quasi quanto i modelli più complessi del mondo. I ricercatori hanno dimostrato che queste semplici regole possono essere inserite con successo in avanzate simulazioni agricole, fornendo uno strumento potente e facile da usare per aiutare gli agricoltori a risparmiare denaro e proteggere l'ambiente. Sebbene i modelli siano stati testati su dati specifici dell'India, l'approccio suggerisce un nuovo modo per affrontare la perdita di azoto: mantenere la semplicità, rimanere ancorati ai dati reali del campo e lasciare che i computer facciano il resto.