CARATTERIZZAZIONE MULTISCALA DEL SISTEMA SPA PER LA MODELLAZIONE IDROLOGICA DEI CONSUMI EVAPOTRASPIRATIVI EFFETTIVI

L’incremento demografico mondiale degli ultimi decenni ha determinato una crescente richiesta di risorse idriche sia per usi civili ed industriali, che per l’agricoltura. Si stima, infatti, che nel 2030 il progressivo aumento della domanda di risorse idriche determinerà la difficoltà di accesso per circa metà della popolazione del pianeta (WWAP, 2012), soprattutto nelle regioni caratterizzate da climi aridi o semiaridi. I problemi connessi alla carenza di risorse idriche sono particolarmente rilevanti in agricoltura che, a scala globale, utilizza attualmente il 70% dell’intero utilizzo delle acqua proveniente dai corpi idrici superficiali e sotterranei (WWAP, 2014). L’uso finale di tali risorse (corpi idrici superficiali e sotterranei) riguarda in buona parte, per circa il 50%, il consumo diretto da parte delle colture ed è parzialmente restituito all’atmosfera attraverso i fenomeni di evaporazione dal suolo e traspirazione dalle piante (FAO, 2011). Quando si parla di consumi idrici delle colture si fa riferimento alla combinazione dei due processi citati, che in genere vengono sintetizzati in un unico termine, rappresentato dall’evapotraspirazione, ET, relativa al sistema suolo-pianta. La conoscenza dell’entità della perdita di acqua per evapotraspirazione, oltre che della sua distribuzione spaziale, interessa svariati campi applicativi, quali ad esempio quelli connessi allo studio del clima a scala globale, alla gestione delle risorse idriche ed al monitoraggio della siccità in agricoltura (Anderson et al., 2012). L’importanza di questa tematica ha, già da diversi decenni, stimolato la comunità scientifica verso lo sviluppo di una serie di diverse metodologie che consentono sia la misura diretta che la modellizzazione dell’evapotraspirazione (Guzinski et al., 2015). Per quanto riguarda le applicazioni negli ecosistemi agrari, l’approccio scientificamente più comune per analizzare il processo evapotraspirativo si basa sulla schematizzazione del sistema Suolo Pianta Atmosfera (SPA), inteso come un sistema continuo costituito da elementi elementari che in esso interagiscono (suolo, pianta e atmosfera), considerati parte di un unico sistema idraulico che mette in connessione l’acqua presente nel suolo con il vapore acqueo contenuto nell’atmosfera. Lo studio di tale sistema è abbastanza complesso, non soltanto per il notevole numero di variabili che entrano in gioco, ma anche e soprattutto per i fenomeni di autoregolazione interna che si verificano tra le diverse componenti del sistema stesso. I metodi più comuni per la stima dei consumi evapotraspirativi nel sistema SPA si basano su approcci di bilancio idrico o energetico o sulla combinazione di entrambi, applicati a domini spaziali ben definiti e che possono riguardare singole piante, parcelle più o meno omogenee o mosaici territoriali più complessi. I modelli di stima dei consumi evapotraspirativi delle colture che si basano sulla risoluzione del bilancio idrico (o di massa) schematizzano, in generale, tutti i flussi sia “entranti” (precipitazione, apporti irrigui, deflussi, etc.) che “uscenti” (traspirazione, evaporazione, deflusso profondo, etc.) dal sistema. Questi possono includere sub-modelli finalizzati alla simulare la dinamica dell’acqua nel suolo in condizioni insature, il trasporto dei soluti e la crescita delle colture (Droogers, 2000, Ragab, 2002, van Dam et al., 1997, Vanclooster et al., 1994). Solitamente, nei modelli basati sulla risoluzione del bilancio idrico, la determinazione dell’evapotraspirazione fa riferimento alla cosiddetta ipotesi “big-leaf” dell’approccio di Penman-Monteith (Monteith, 1965), sulla base della quale si considera che il processo evapotraspirativo avvenga da una superficie fogliare “equivalente”, che ricopre uniformemente il suolo. Sulla base di tale ipotesi, l’evapotraspirazione massima di una generica coltura, ETm, può determinarsi dal prodotto dell’evapotraspirazione della coltura di riferimento per dei coefficienti colturali che, tuttavia, risultano noti soltanto per un numero limitato di specie di interesse agrario. Per quanto concerne l'evapotraspirazione di riferimento, ET0, questa rappresenta quel valore di evapotraspirazione che, in un determinato ambiente climatico e geografico, contraddistingue una coltura standard o di “riferimento” mantenuta in assenza di stress idrico (Allen et al., 1998). Al contrario, i modelli basati sulla risoluzione del bilancio energetico superficiale stimano generalmente il termine evapotraspirativo come valore residuo del bilancio che considera i flussi di energia entranti ed uscenti dalla superficie evapotraspirante (Schmugge et al., 2002), schematizzata mediante l’approccio “big leaf” o attraverso un sistema “dual source”, costituito dal suolo e dalla pianta. Oltre agli approcci di tipo modellistico, negli ultimi decenni sono stati anche sviluppate alcune tecniche di monitoraggio diretto per la misura dei flussi evapotraspirativi a diverse scale di osservazione. Ad esempio, se alla scala di singola pianta la traspirazione può essere quantificata misurando i flussi linfatici, a scala di parcella l’evapotraspirazione può essere misurata mediante lisimetri o attraverso le più innovative tecniche micro-meteorologiche. Tali metodi permettono in generale di ottenere misure localizzate e pertanto non sono idonee a rilevare la variabilità spaziale dei flussi evapotraspirativi, se non attraverso fitte reti di monitoraggio, che tuttavia risultano onerose sia per i costi di installazione che per l’analisi dei dati rilevati. A scala territoriale, un approccio che permette di stimare i flussi evapotraspirativi con una accuratezza adeguata alle pratiche applicazioni, è quello che utilizza misure remote ottenibili da dati telerilevati. Infatti, a differenza delle osservazioni in situ, le acquisizioni da piattaforma satellitare sono intrinsecamente caratterizzate da una certa variabilità e permettono di effettuare stime caratterizzate da elevate frequenze temporali. In questo contesto, appare chiaro come in funzione della scala spaziale di interesse è necessario fare ricorso ad una caratterizzazione del sistema Suolo Pianta Atmosfera più o meno dettagliata, al fine di poter determinare correttamente i consumi idrici delle colture utilizzando l’approccio modellistico più opportuno. Nella presente tesi, il sistema Suolo Pianta Atmosfera è stato esaminato considerando differenti scale spaziali e temporali, al fine di esaminare diverse metodologie per la stima dei principali termini del bilancio idrico ed energetico che caratterizzano il sistema stesso. In particolare, a scala di singola pianta, sono state approfondite le potenzialità applicative di un modello di bilancio idrico di massa (HYDRUS-2D) per valutare la variabilità spazio-temporale del contenuto idrico del suolo e la dinamica temporale dei flussi traspirativi effettivi di piante di olivo, soggette a differenti sistemi di distribuzione irrigua. A scala parcellare lo studio è stato finalizzato a migliorare la stima dei coefficienti colturali, Kc, facendo uso sia di dati climatici che di misure remote. Tale approccio è stato poi integrato con un modello di bilancio agro-idrologico monodimensionale al fine di stimare la variabilità spaziale e temporale dell’evapotraspirazione effettiva all’interno di un comprensorio irriguo oltre che di programmare gli interventi irrigui all’interno dello stesso. E’ stata infine messa a punto una metodologia per la stima diretta dell’evapotraspirazione effettiva, utilizzabile anche su ampie superfici, basata sull’applicazione dell’equazione di Penman-Monteith nella quale il termine di resistenza della coltura è calcolato in funzione di un indice termico di vegetazione, ottenuto da dati remoti acquisti dal sensore MODIS. Tale procedura può essere considerata una valida alternativa per la stima della variabilità spaziale dell’evapotraspirazione effettiva e conseguentemente dei fabbisogni irrigui a scala regionale, laddove siano presenti reti di monitoraggio a terra dei parametri climatici di base. La validazione dei diversi approcci modellistici applicati o messi a punto è stata effettuata sia a livello di singola pianta che alle scale di indagine più ampie, con riferimento ad un esteso database di misure sperimentali di contenuti idrici del suolo, di flussi traspirativi monitorati attraverso misuratori di flusso linfatico (Sap-flow), nonché dei flussi evapotraspirativi acquisiti mediante la tecnica della correlazione turbolenta.