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Loddo, Stefano (2012) Miglioramento dell'efficienza d'uso dell'azoto in colture erbacee invernali. [Ph.D. thesis]

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PDF Document (Tesi di dottorato) - Submitted Version

Abstract (english)

Breeding and technical innovations have enhanced the potential yields, and thus the N requirements, of modern crops. Unfortunately, extensive use of synthetic fertilisers has increased the impact of agriculture on the environment. Chemical fertilisers have high energy costs and can increase losses from the N cycle, with consequent water pollution (NO3-) and emission of GHG (N2O). Nitrogen use efficiency (NUE) is a primary target for development, food safety and environmental sustainability.
Ways of improving NUE are studied here in winter crops, which are crucial for agriculture. Cultivating these species requires high N inputs in spring; when nutrients are more exposed to leaching by rain. In a climate change scenario, with lower summer precipitation, these crops may be more successful than spring-sown ones. This Ph.D dissertation discusses some approaches in improving NUE.

3.1 “Proximal sensing” and wheat nutritional status
Tools for real-time and non-destructive analyses of nutritional status in durum and bread wheat were studied. The first (Greenseeker) is a spectroradiometer to measure NDVI, an index closely linked to the photosynthetic activity of the canopy. The second (SPAD-502), analysing transmittance, produces an estimate of leaf chlorophyll content. Indexes were read on transects or plots: corresponding biomass was sampled to determine dry matter and N uptake. In order to work on an extensive, heterogeneous data set, information from many trials was aggregated (6 locations in the Veneto region, 4 cvs of bread wheat, 6 of durum wheat).
The NDVI index showed good correlation with N uptake in both bread and durum wheat. Correlations were often more stable when they involved single locations or varieties. An asymptotic tendency was found in the NDVI value for N uptake over ~200 kg ha-1.
SPAD showed good correlation with N status only in bread wheat. Of all observed indexes, the NNI (Nitrogen Nutrition Index) was the most highly correlated. SPAD close to flowering was closely related to final grain protein content.

3.2 Managing spatial variability in crops
In this section, new systems were studied to capture spatial variability in a durum wheat crop. NDVI was mapped on a full-field scale (13.6 ha), from the onset of stem elongation to seed filling. At harvest, information on yield and grain protein was collected with real-time sensors on harvester.
All data were processed with GIS software, extended by kriging to the entire surface and crossed to obtain apparent N balance and efficiency indexes. Over the 13.6-ha surface area, differing N rates were applied according to soil properties: doses were defined as a result of previous experience and bibliography at the beginning of the growing season.
With data collected during the same season, an algorithm based on NDVI measures at the onset of stem elongation was developed to estimate N requirements. The results were compared with effectively distributed N rates, evidencing the truth of the NDVI-based recommendation: if it had actually been applied, it would have maximised yield and N uptake.

3.3 Nitrification inhibitors: perspectives and potentials
As part of the MI.QU.CE. project, a study on the effectiveness of nitrification inhibitors (NI) was performed; controlled environment (pots) and open field experiments were carried out.
The dynamics of N-NO3- release in pot soil solutions were observed: the effects of the inhibitor lasted 80 days, peaking on day 50. In open fields, 2 opposite plans were compared in 5 farms: a single dose of NI-enriched fertiliser vs. 2 distributions of traditional N. However, from stem elongation to late ripening, no differences emerged in either biomass production or N uptake. Yield levels were comparable and, as both treatments received foliar N supply at heading, no quality differences were detectable.
Fertilisers with NI can be inserted in actual nutrition plans: no yield or quality disadvantages were observed, and farm management could be simplified.

3.4 Late fertilisation in durum wheat: impact on production and quality
The first effects of climate change and breeding of new genotypes are attracting enthusiasm as regards durum wheat crops in Northern Italy. Three new high-quality varieties and 3 high-yielding ones were tested. Fertilisation treatment focused on managing late nutrition, which plays a key role in producing high-quality wheat.
Opposing the traditional practice of spreading urea on soil at heading, foliar fertilisation was tested for its efficacy. This form of N may be mixed with fungicides, simplifying crop management. Compared with heading-untreated controls, late fertilisation did not improve yield, although there was a slight gain in protein content (+0.5% to 0.8%). Foliar N was recovered in higher percentages than soil urea; the rate applied with this technique was lower (15 vs. 35 kg ha-1), so that N surplus was greatly reduced when urea was sprayed. Foliar fertilisation may be a key factor for sustainable and high-quality production.

3.5 Effect of genetics on NUE index
This section reports the text of an article written during experimentation at the University of Reading (UK). Attention focused on NUE variations at fixed or economic optimal N rates. Nine genotypes were compared, deriving from factorial combination of 3 genetic backgrounds (cv Mercia, M. Huntsman, M. Widgeon) for 3 alleles of the Rht gene, coding for plant height (tall, semi-dwarf, severe dwarf).
In each genotype, response curves to N rates were fitted for yield, net profit, NUE and its components. At the standard N rate in the UK (200 kg ha-1), the most efficient allele was Rht-B1b (semi-dwarf). In any case, comparisons among the 9 genotypes at optimal N for maximum profit, NUE values gave similar results among alleles. This was true in 4 economic scenarios, in which different ratios between fertiliser cost and the price paid for the wheat were simulated.

4.1 Oilseed rape drilling time and N use
Oilseed rape is a crop of renewed interest, thanks to recent regulation promoting biofuels. To be environmentally sustainable, cropping too must reduce its impact: as in other crops, N nutrition is a critical factor.
The influence of a factor not directly related to fertilisation, drilling time, was assessed. Higher N uptake of an early-drilled crop is likely to reduce the amount of soil mineral nitrogen at the end of the autumn growing season; exposure to nitrate leaching may be decreased.
The amount of this reduction was estimated in a 2-year field trial (2009-2011). Three timings were compared: traditional (September 20-30), 3 weeks earlier and 3 weeks later. In both years, early drilling reduced residual N in soil and optimized yield. Late drilling time is doubly deleterious, for both production and the environment

Abstract (italian)

La genetica da un lato e i mezzi tecnici dall'€™altro hanno incrementato il potenziale di resa, quindi il fabbisogno in azoto, delle moderne grandi colture. L'ampio ricorso a concimi di sintesi, accentua l'™impatto dell'™agricoltura sull'ambiente. I concimi presentano elevati costi energetici e incrementano le perdite del ciclo dell'€™azoto: inquinando i corpi idrici e contribuendo all'emissione di gas serra (N2O). L'efficienza dell'uso dell'™azoto (NUE) è un obiettivo primario per coniugare sviluppo economico, sicurezza alimentare e sostenibilità  ambientale. E'ˆ stato studiato il miglioramento della NUE nelle colture invernali, una vera criticità  per il sistema agricolo. Il ciclo colturale di queste specie richiede, infatti, forti apporti di N nel periodo primaverile, quando i nutrienti sono più esposti al dilavamento da parte degli eventi piovosi. In uno scenario di mutamenti climatici caratterizzati da alterazioni delle precipitazioni estive, è probabile che queste colture possano veder ampliare la loro superficie dedicata rispetto a quelle a ciclo primaverile-estivo. Questa tesi di dottorato affronta alcuni approcci agronomici per migliorare la NUE.

3.1 €œProximal sensing e nutrizione del grano
Sono stati studiati, in grano tenero e duro, strumenti per ottenere letture immediate e non distruttive dello stato nutrizionale. Il primo (Greenseeker) è uno spettroradiometro: fornisce un indice (NDVI) legato all’attività  fotosintetica della vegetazione. L'altro (SPAD-502), interpreta la transmittanza, stimando il contenuto in clorofilla dei tessuti fogliari.
I valori di detti indici sono stati misurati in parcelle e unità  sperimentali di maggiori dimensioni mentre le corrispondenti biomasse sono state saggiate per determinare produzione di s.s. e N uptake. Per avere un set di dati sufficientemente ampio ed eterogeneo, sono stati aggregati i dati di più sperimentazioni (6 località  venete, 4 varietà  di grano tenero e 6 di duro). L'NDVI ha presentato una buona correlazione con l'™assorbimento azotato sia in grano tenero che in grano duro. Le correlazioni erano, spesso, più affidabili se riferite a singole cv. o singole località . Si è messo in evidenza un andamento di tipo asintotico della curva dell'€™NDVI per valori di assorbimento azotato oltre i ~200 kg ha-1.
Lo SPAD ha evidenziato una buona correlazione con lo stato nutrizionale solo in grano tenero. Tra gli altri indici osservati il NNI (Nitrogen Nutrition Index) è apparso il più correlato allo SPAD. L'indice SPAD, in prossimità  della fioritura, è risultato fortemente correlato al contenuto finale di proteina della cariosside.

3.2 Gestione della variabilità  spaziale delle colture
In questa sezione sono stati definiti sistemi per catturare la variabilità  spaziale di una coltura di grano duro. E'ˆ stata misurata la variazione dell'€™NDVI su un intero appezzamento di 13,6 ha tra la fase di inizio levata e il riempimento dei semi. Alla raccolta, con sensori in real-time, sono state acquisite informazioni su livello di resa e contenuto proteico. Tutti dati raccolti sono stati elaborati con software GIS, estesi a pieno campo con la tecnica del Kriging e incrociati per ottenere informazioni sul bilancio dell'€™azoto, la sua efficienza di assorbimento e conversione.
Sui 13,6 ha sono stati applicati livelli differenziati di concimazione a seconda delle proprietà  del terreno: le dosi di N sono state decise sulla base di precedenti esperienze e della letteratura di settore all’inizio della stagione. A posteriori, con i risultati raccolti durante la stessa stagione di crescita, è stato sviluppato un algoritmo per stimare il fabbisogno di concimazione basato su misurazioni NDVI relative allo stadio di inizio levata. Confrontare queste indicazioni con la concimazione effettivamente distribuita ha evidenziato il realismo della dose di N suggerita dall’indice NDVI, che, se fosse stata applicata, avrebbe massimizzato resa e assorbimento in N.

3.3 Inibitori della nitrificazione: potenzialità  e prospettive
Nell'€™ambito del progetto MI.QU.CE. E' stato allestito uno studio sull'€™efficacia degli inibitori della nitrificazione. La ricerca ha previsto un esperimento realizzato in ambiente confinato ed uno a pieno campo. Nel primo caso (vaso) sono state studiate le dinamiche di rilascio di N-NO3- nella soluzione circolante a seguito dell’applicazione di un concime azotato con inibitore. L'effetto dell'€™inibitore si è protratto per 80 giorni circa, raggiungendo il massimo rilascio a 50 giorni dall'€™apporto. In pieno campo invece sono stati confrontati, in 5 aziende, due piani alternativi: un solo apporto di concime additivato vs. 2 frazionamenti di N tradizionale. Tra levata e tarda maturazione, non vi sono state differenze in produzione di s.s. o N uptake. I livelli di resa erano comparabili, ed avendo entrambe le tesi ricevuto concimazioni fogliari in spigatura, non sono emerse evidenti differenze qualitative.
Dal progetto è emerso che i concimi con inibitore della nitrificazione ben si adatterebbero all’inserimento negli attuali piani di coltivazione: non apportando drammatici cali di resa e qualità, e semplificando la pratica aziendale.

3.4 Concimazioni tardive in grano duro: impatto su produzione e qualità.
I primi mutamenti climatici e lo sviluppo di nuovi genotipi hanno reso interessante la coltivazione del grano duro in Italia settentrionale. Sono stati saggiati 3 genotipi a elevato standard qualitativo, e altrettanti ad alto potenziale di resa. I protocolli di concimazione erano focalizzati sulla gestione della nutrizione tardiva, cruciale per un prodotto di qualità.
In contrapposizione alla pratica tradizionale di distribuire urea a spaglio in spigatura, è stata testata l'€™efficacia della concimazione fogliare: tale intervento può essere associato ai trattamenti fungicidi, semplificando la tecnica di coltivazione e riducendo i passaggi in campo. Rispetto a un controllo non concimato in spigatura, le concimazioni tardive non hanno migliorato le rese; tuttavia sussiste un leggero incremento del tenore proteico (da +0,5% a +0,8%) per entrambe (fogliare e a spaglio). La concimazione fogliare è stata assorbita in percentuale maggiore rispetto a quella al suolo: questo, in associazione alla minor dose di N applicata (15 vs. 35 kg ha-1) ha notevolmente ridotto il surplus azotato nel bilancio apparente. La pratica della concimazione fogliare potrebbe quindi candidarsi ad assumere un ruolo chiave per produzioni di grano duro sostenibili e di qualità.

3.5 Effetto dei fattori genetici sull'€™indice NUE.
E'ˆ stato riportato il testo della pubblicazione redatta durante l'€™esperienza di ricerca svolta presso l'€™Università  di Reading (UK). Lo studio era incentrato sul variare della NUE a un livello fisso di N, o all’optimum economico. Sono stati confrontati 9 genotipi, derivanti dalla combinazione fattoriale di 3 background genetici (cv. Mercia, M. Huntsman, M. Widgeon) per 3 varianti alleliche del gene Rht, codificanti per la taglia in grano tenero (alto, semi-nano, nano).
Per ogni genotipo è stata definita la curva di risposta alla concimazione per resa, profitto economico, NUE e sue componenti. Al livello di N standard per il Regno Unito (200 kg ha-1), l'€™allele più efficiente era Rht-B1b, ossia il semi-nano. Confrontando però i 9 genotipi alla dose di N ottimale, al fine di massimizzare il profitto (più elevato nel semi-nano), i valori di NUE risultavano comparabili tra gli alleli. Questo assunto si è verificato in ben 4 scenari economici, ove erano simulati diversi rapporti tra costo dell'€™unità  fertilizzante e prezzo pagato per la granella.

4.1 Epoca di semina del colza e uso dell'€™azoto
Il colza è una coltura di rinnovato interesse per le recenti normative incentivanti l'€™uso dei biocarburanti. Nella logica della sostenibilità  ambientale, anche la fase di coltivazione deve avere un ridotto impatto: la nutrizione azotata, come in altre colture, rappresenta un fattore critico. E'ˆ stato saggiato l'€™effetto di un fattore non direttamente collegato alle concimazioni: l'€™epoca di semina. Il maggior N uptake di una coltura seminata precocemente riduce, potenzialmente, la quantità  di N minerale nel terreno alla fine della stagione autunnale, contenendo il rischio di lisciviazione di nitrati.
L'€™entità  di questa riduzione è stata stimata in una prova biennale (2009-11) di campo. Le epoche rappresentavano la data canonica (3° decade di settembre) e due date anticipate o ritardate di 20 giorni. In entrambi gli anni l'€™epoca anticipata ha ridotto l'€™N residuale nel terreno e massimizzato la resa. Semine eccessivamente tardive sono risultate doppiamente deleterie sia per l'€™aspetto produttivo che per quello ambientale

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EPrint type:Ph.D. thesis
Tutor:Mosca, Giuliano
Data di deposito della tesi:20 January 2012
Anno di Pubblicazione:31 January 2012
Key Words:azoto, NUE, grano, colza, NDVI, remote sensing, variabilità, qualità
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 07 - Scienze agrarie e veterinarie > AGR/02 Agronomia e coltivazioni erbacee
Struttura di riferimento:Dipartimenti > pre 2012 - Dipartimento di Agronomia Ambientale e Produzioni Vegetali
Codice ID:4400
Depositato il:29 Oct 2012 09:09
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