SECONDA UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI NAPOLI
SCUOLA POLITECNICA E DELLE SCIENZE DI BASE DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE DESIGN EDILIZIA E AMBIENTE
CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA CIVILEAMBIENTALE
TECNICHE DI COLTIVAZIONE IDROPONICHE - ASPETTI PROGETTUALI E CONSUMI IDRICI -
RELATORE: Prof. Michele Di Natale
CANDIDATO: Michele Antonio Luigi Corvino Matr. A12/806
ANNO ACCADEMICO 2014-2015
I
SOMMARIO Introduzione .................................................................................................................................... 2 Capitolo I ......................................................................................................................................... 4 La coltivazione fuori suolo ............................................................................................................. 4 I.1 Storia ed origine delle colture fuori suolo ............................................................................. 4 I.2 Le tecniche idroponiche ....................................................................................................... 10 I.2.1 Coltura su substrato ..................................................................................................... 10 Coltura in sacco o vaso ................................................................................................... 10 Flusso-riflusso ................................................................................................................ 11 I.2.2 Coltura in mezzo liquido senza substrato .................................................................... 12 Floating system .............................................................................................................. 12 Nutrient film technique (NFT) ....................................................................................... 14 I.2.3 Le tecniche alternative ................................................................................................. 15 Aeroponica ..................................................................................................................... 15 Acquaponica ................................................................................................................... 17 I.2.4 Sistema a ciclo aperto ed a ciclo chiuso ...................................................................... 19 I.3 Vantaggi e svantaggi delle tecniche idroponiche ................................................................. 22 I.3.1 I principali vantaggi ..................................................................................................... 23 rendimenti sensibilmente maggiori ................................................................................ 23 risparmio di acqua .......................................................................................................... 28 migliore qualità dell’acqua ............................................................................................. 31 minore bisogno di terra “coltivabile” ............................................................................. 32 Erbicidi e pesticidi .......................................................................................................... 35 flessibilità intrinseca ....................................................................................................... 36 tendenze biologiche e non OGM .................................................................................... 38 I.3.2 I principali svantaggi ................................................................................................... 38 i costi .............................................................................................................................. 38 il lavoro specializzato ..................................................................................................... 39 il fabbisogno energetico ................................................................................................. 40 malattie del suolo ........................................................................................................... 42 I.4 Impiego delle tecniche idroponiche su scala mondiale ........................................................ 43 I.4.1 Previsioni di mercato ................................................................................................... 44 Capitolo II ...................................................................................................................................... 49 Aspetti tecnici di un sistema di coltivazione fuori suolo ............................................................ 49 II.1 Componenti principali di un impianto fuori suolo .............................................................. 52 II.1.1 La serra obiettivi e considerazioni .............................................................................. 52 II.1.2 Il controllo ambientale................................................................................................ 54 Raffreddamento .............................................................................................................. 56 Riscaldamento ................................................................................................................ 58 Arricchimento con la CO2 .............................................................................................. 59 Umidità ........................................................................................................................... 59 I materiali per la copertura della serra ............................................................................ 60 Il sito............................................................................................................................... 61 II.1.3 Approvvigionamento idrico ....................................................................................... 62 II.1.4 Condotte principali di adduzione................................................................................ 63
II
II.1.5 Dispositivi di filtraggio .............................................................................................. 64 II.1.6 Dispositivi di dosaggio del fertilizzante ..................................................................... 67 II.1.7 Dispositivi di erogazione della soluzione nutritiva .................................................... 71 II.1.8 Dispositivi di controllo dei turni irrigui...................................................................... 71 II.2 Gestione del sistema ........................................................................................................... 74 II.2.1 Substrati...................................................................................................................... 74 Sabbia ............................................................................................................................. 77 Pomice ............................................................................................................................ 78 Tufi vulcanici ................................................................................................................. 78 Vermiculite ..................................................................................................................... 79 Perlite ............................................................................................................................. 80 Argilla espansa ............................................................................................................... 81 Lana di roccia ................................................................................................................. 81 II.2.2 I nutrienti .................................................................................................................... 83 Macroelementi ................................................................................................................ 84 Azoto ........................................................................................................................ 84 Potassio ..................................................................................................................... 84 Fosforo ...................................................................................................................... 85 Calcio ........................................................................................................................ 85 Magnesio................................................................................................................... 87 Zolfo ......................................................................................................................... 87 Microelementi ................................................................................................................ 87 Ferro.......................................................................................................................... 87 Cloro ......................................................................................................................... 88 Sodio ......................................................................................................................... 88 Manganese ................................................................................................................ 88 Boro .......................................................................................................................... 88 Zinco ......................................................................................................................... 89 Rame ......................................................................................................................... 89 Molibdeno ................................................................................................................. 89 II.2.3 Disinfezione della soluzione ...................................................................................... 93 II.2.4 Salinità........................................................................................................................ 95 II.2.5 pH ............................................................................................................................... 96 II.2.6 La disinfezione delle componenti del sistema ............................................................ 99 Capitolo III .................................................................................................................................. 101 Alcuni esempi di impianti ........................................................................................................... 101 III.1 Impianti per la coltivazione fuori suolo a “ciclo aperto" ................................................ 101 III.1.1 Versione base di un sistema di produzione “fuori suolo a ciclo aperto” ................. 102 III.1.2 Versione base con ricircolo ..................................................................................... 104 III.1.3 Versione con soluzioni “madre” e centralina a controllo volumetrico .................... 106 III.1.4 Versione con soluzioni “madre” e ricircolo ............................................................ 109 III.1.5 Versione con soluzioni “madre” e sistema venturi per iniezione in linea soluzione nutritiva (s.n.) ..................................................................................................................... 112 III.2 Impianti per la coltivazione fuori suolo a “ciclo chiuso" ................................................ 114 III.2.1 Versione impianto a ciclo chiuso con soluzioni “madre” e centralina a controllo volumetrico ........................................................................................................................ 115 III.2.2 Versione impianto a ciclo chiuso con soluzioni “madre” e ricircolo ...................... 118 III.2.3 Versione impianto a ciclo chiuso ed aperto gestito da banco operativo .................. 121
III
Capitolo IV .................................................................................................................................. 125 Adattamento di una serra tradizionale in coltivazione idroponica: esempio progettuale. ... 125 IV.1 Schema dell’impianto e sue componenti .......................................................................... 126 IV.2 Progettazione dell’impianto ............................................................................................ 127 IV.2.1 La serra ed il manufatto per servizi......................................................................... 127 IV.2 Richiesta idrica del sistema ............................................................................................. 131 IV.2.1 Irrigazione netta e lorda .......................................................................................... 131 IV.2.2 Il modello di evapotraspirazione............................................................................. 136 IV.2.3 Frequenza dell’irrigazione ...................................................................................... 142 Capitolo V .................................................................................................................................... 145 Confronto a livello nazionale tra coltivazioni idroponiche e tradizionali .............................. 145 V.1 Quantità di acqua per l’irrigazione .................................................................................. 145 V.2 Quantità di fertilizzanti ..................................................................................................... 146 V.3 Quantità di diserbanti ....................................................................................................... 148 V.4 I rendimenti ....................................................................................................................... 150 Conclusioni .................................................................................................................................. 153 Bibliografia .................................................................................................................................. 155
IV
"lo sviluppo per essere sostenibile, deve venire incontro ai bisogni delle generazioni presenti senza compromettere la capacità delle generazioni future di soddisfare i propri bisogni." (Rapporto Brundtland, Nazioni Unite, 1987).
1
INTRODUZIONE Una delle principali forme di approvvigionamento, da sempre utilizzate dall'uomo, per soddisfare il proprio fabbisogno alimentare è l'agricoltura. Questa, con lo sviluppo della tecnologia, si è evoluta per far fronte a sempre nuove necessità, consentendo di aumentare la quantità e la qualità del raccolto, anche sfruttando ambienti poco propensi a tale tipo di produzione. La popolazione mondiale ha recentemente toccato i 7 miliardi di abitanti, inoltre le previsioni raggiungono i 9,6 miliardi entro il 2050; di questa enorme massa di persone, la maggior parte vive in città e non produce il cibo che consuma. Allo stesso tempo. le crisi ambientali, sul nostro pianeta, rendono difficoltosa la produzione di cibo a causa di:
cambiamento climatico; aumento di frequenza e gravità dei periodi di siccità; impoverimento e l’ammalarsi del suolo; uso eccessivo di fertilizzanti; carenza di fosforo; inquinamento delle falde; perdita di biodiversità;
Tutto ciò, minaccia il nostro rapporto con l’agricoltura ed il cibo. Di contro, vi è un crescente senso di responsabilità, che spinge le persone a ricercare cibo di qualità, prodotto secondo logiche, tese al rispetto ambientale ed alla salute pubblica. Vi è, quindi, la necessità di trovare una soluzione, che metta a confronto tutte queste realtà, che possono essere riassunte in questa frase: “ottenere più cibo salvaguardando l’ambiente”. Negli ultimi decenni sono aumentate le ricerche in questo campo, il risultato è una serie di tecnologie, che permettono di incrementare il raccolto agricolo, ma in un modo del tutto sostenibile. Una tecnica che va lentamente affermandosi è quella che va sotto il nome di idroponica. Essa consiste nel rimuovere le piante dal suolo, permettendone la crescita attraverso soluzioni nutritive, che bagnano direttamente le radici. Molti vantaggi ambientali possono ottenersi attraverso questa tecnica e tra essi anche un sostanziale risparmio delle risorse idriche necessarie all’irrigazione. 2
Nel presente elaborato di tesi, dopo una descrizione dettagliata delle tecniche idroponiche si presenta un esempio progettuale di impianto idroponico, evidenziandone i vantaggi in termini di produttività e risparmio idrico rispetto alle coltivazioni tradizionali.
3
CAPITOLO I
LA COLTIVAZIONE FUORI SUOLO I.1 Storia ed origine delle colture fuori suolo Il termine “colture fuori suolo” o “soilless” indica quelle tecniche di coltivazione che non utilizzano il terreno, come supporto per le radici e dove il rifornimento idrico e nutritivo della coltura, avviene attraverso l’erogazione di una soluzione nutritiva. Spesso per indicare queste colture, si utilizza anche il termine “idroponica”. Per la verità, la coltivazione fuori suolo non è una tecnica assolutamente nuova. Era già utilizzata, infatti, dagli antichi Egizi e dai Babilonesi: esempi di colture idroponiche furono rappresentati dai giardini pensili di Babilonia, oltre che dai giardini galleggianti degli Atzechi (figura I.1) e degli antichi Cinesi. Naturalmente, questi primi “sforzi” di coltura fuori suolo, sono molto lontani dalla moderna idroponica che si affianca a moderni sistemi di calibrazione dei minerali nella soluzione nutritiva. Si riporta di seguito un excursus storico sull’evoluzione delle coltivazioni fuori suolo: 2000 a. C. circa: La prima pianta in vaso, in Egitto, di cui si abbia traccia. Non ha nulla a che vedere con l’idroponica ma questo fu l’inizio della storia di ciò che ci interessa: per la prima volta l’uomo estrasse una pianta dal suolo, la mise in un vaso riempito di terra e la portò nella propria casa. 600 a. C.: I famosi giardini pensili di Babilonia, spesso citati come primo uso dell’idroponica nella storia. Purtroppo, però, questa antica e leggendaria vegetazione non si basava esattamente sulla coltivazione idroponica, così come oggi è definita perché, sebbene le radici fossero irrorate da un flusso d’acqua continuo, le piante crescevano dentro canalette riempite di terra. Tra l’altro, questi giardini non erano neanche “pensili”: questa convinzione nacque dalla traduzione errata, di una parola greca che significava “sporgente”. Ciò nonostante rimangono il più antico e vasto sistema di irrigazione integrato in un palazzo. 4
1100: Le tribù indigene, dell’America del Sud e del Messico (come gli Aztechi), ampliavano le aree coltivabili, costruendo sull’acqua del lago delle specie di zattere, isole “galleggianti”, chiamate “chinampas”, fatte di canne e giunchi intrecciati. Questa struttura veniva ricoperta di fango vulcanico, molto fertile, e veniva usata per coltivare. Le piante ricavavano nutrimento dal fango e dal lago sottostante, che accoglieva le radici, in un’acqua ricca di sali minerali, fresca e bene ossigenata. Questa tecnica veniva usata anche in altre parti del mondo, come per esempio in Cina, dove nel 1275 Marco Polo vide dei giardini galleggianti. Non sappiamo con certezza dove e quando i giardini galleggianti siano stati costruiti per la prima volta, ma rappresentano, sicuramente, la prima vera applicazione della tecnologia idroponica.
Fig. I.1, Giardini galleggianti Atzechi. Wikipedia.it.
1699: Il naturalista inglese John Woodward, che si occupava anche di botanica ed era membro della Royal Society, dimostrò, per la prima volta, che le piante traggono nutrimento dal suolo per mezzo dell’acqua. Non sappiamo bene quali fossero allora le conoscenze sull’argomento nel resto del mondo, ma è certo che in Occidente, prima del 1699, le nozioni sulla crescita delle piante fossero molto limitate. Con quello che divenne il primo esperimento di coltivazione idroponica, Woodward dimostrò, che le piante crescevano meglio se immerse nell’acqua del fiume, invece che in acqua distillata. Ciò significava che le piante estraevano dall’acqua il nutrimento necessario. Inoltre, aggiungendo all’acqua diverse quantità di terra, egli dimostrò che le piante crescevano meglio, quando si aggiungeva una quantità 5
maggiore di terra, con la conseguenza che, quest’ultima doveva contenere qualcosa di essenziale. Dopo questo esperimento, le conoscenze nel campo della fisiologia vegetale aumentarono, lentamente. Passò un altro centinaio di anni, prima che un altro scienziato britannico, Joseph Priestley, dimostrasse che le piante modificavano la composizione dell’aria circostante. Successivamente, egli “scoprì” anche l’ossigeno e mise in evidenza che le piante lo assorbivano, emettendo biossido di carbonio. Nel 1779, Ian Ingenhousz, scoprì che la luce era fondamentale per lo svolgimento della fotosintesi. Dunque, all’inizio del XIX secolo, si sapeva, ormai, molto sui meccanismi coinvolti nella crescita delle piante, anche se ancora, non si conoscevano esattamente tutti gli elementi necessari a questa crescita. 1860: Lo scienziato tedesco Julius Von Sachs pubblicò la formula di una soluzione nutritiva, che poteva essere disciolta in acqua e usata per coltivare le piante. Von Sachs ed il chimico agrario Knop gettarono, così, le basi della coltivazione in acqua. La formula di Von Sachs era piuttosto primitiva, considerando che a quel tempo la disponibilità di sali minerali era limitata, e non avrebbe permesso di coltivare le piante per periodi molto lunghi. A partire da queste prime coltivazioni in acqua però, sperimentando e modificando la formula originaria, gli scienziati riuscirono a stabilire, quali elementi erano necessari alla crescita delle piante e quali no. 1920-1930: Il dr. William F. Gericke (figura I.2) viene considerato il fondatore dell’idroponica moderna, soprattutto nel mondo anglosassone. A lui si devono due innovazioni importanti: con lui la coltivazione in acqua cessò di essere solo un esperimento da laboratorio e divenne, per la prima volta, un’operazione commerciale; inoltre, fu proprio Gericke a coniare la parola “idroponica”. La sua attività ebbe grande risonanza in una società che, grazie all’intenso progresso scientifico, era in rapida evoluzione. Alcuni autori arrivarono al punto di dichiarare che, quello delle terre coltivabili era ormai un problema del passato. Tutto questo clamore, però, si rivelò prematuro e dannoso, poiché questa tecnica era solo agli inizi e ancora serviva l’intervento di uno scienziato come Gericke per riuscire ad ottenere delle colture di qualità. Si susseguirono quindi numerosi insuccessi e molte iniziative commerciali, intraprese con grande ottimismo, ebbero esiti disastrosi. Ci fu, tuttavia anche un risvolto positivo: tutta questa pubblicità portò a un incremento della ricerca scientifica, sia pubblica che privata. Il libro di Gericke “Complete Guide to Soilless Gardening” (“Guida completa alla coltivazione fuori suolo”) è stato ristampato nel 2008 ed è disponibile, ancora oggi.
6
Fig. I.2, W.F. Gericke. Wikipedia.it.
Mentre Gericke perfezionava, quello che potremmo definire l’“hardware” dell’idroponica, ovvero i sistemi fisici, Dennis R. Hoagland si occupava invece del “software”, cioè dei nutrienti. Nel 1933 fu pubblicata la formula della celebre soluzione di Hoagland, che negli anni seguenti subì delle lievi modifiche (soprattutto con l’introduzione del chelato di ferro), ma che sostanzialmente, viene usata ancora oggi per gli esperimenti di routine in molti laboratori di ricerca sulle piante. 1940-1944: La prima applicazione dell’idroponica su larga scala, purtroppo durante una guerra. Sulle isole del Pacifico, l’esercito statunitense si trovò alle prese con il grave problema dell’alimentazione dei soldati, poiché i cibi freschi non potevano essere spediti e non era facile coltivare un terreno così roccioso e salino, dove non c’erano neanche riserve d’acqua sufficienti. Fu così che, gli americani fecero ricorso all’idroponica ed ebbero modo di apprezzarla. La tecnica fu portata avanti anche dopo la guerra e negli anni ‘50 si utilizzò un sistema idroponico con substrato di ghiaia, elaborato da Robert e Alice Withrow della Purdue University, chiamato “Nutriculture System”. Questo impianto fu la base di quello che poi, sarebbe diventato, il sistema noto come “Flood and Drain” o “Ebb and Flow” (niente a che vedere con il marchio Nutriculture che conosciamo oggi). Era un grande sistema di vasi, riempiti di ghiaia che, a cicli ripetuti più volte al giorno, venivano inondati con la soluzione nutritiva e poi, sottoposti a un lento drenaggio. Per un po’, non ci furono grossi sviluppi, un po’ perché intraprendere una nuova operazione era costoso e un po’ perché, la tecnologia andava ancora perfezionata. Uno dei problemi era che, i substrati a base di ghiaia e di sabbia, usati all’epoca, risultavano troppo pesanti e compatti. Inoltre, non si riusciva ancora a stabilizzare il ferro, in soluzione. In quegli anni, furono avviati diversi progetti in aree desertiche del pianeta, ma nella maggior parte dei casi fallirono o comunque, evidenziarono la crisi di questa tecnologia, crisi che si protrasse per alcuni anni. 7
1960-1970: Alcuni progressi contribuirono in questi anni alla rinascita dell’idroponica. Si cominciò, infatti, a fare uso della lana di roccia, un materiale usato, principalmente, come isolante nell’edilizia. Apportando qualche modifica, la lana di roccia fu impiegata come substrato per la coltivazione. Vennero, inoltre, prodotti i chelati sintetici, per migliorare la resa dei micronutrienti in soluzione. Comparvero, sul mercato, alcuni sali complessi, come il fosfato monoammonico (MAP), che ampliarono la scelta delle fonti di fosforo solubile. Allo stesso tempo, con l’espansione dell’industria della plastica, furono realizzati nuovi prodotti per l’agricoltura in serra. Le coperture di vetro delle serre furono sostituite, gradualmente, da quelle di plastica, così come i vasi in cemento furono sostituiti da canalette, vassoi e teli in plastica. Ci si avvicinava, sempre di più, alla tecnica moderna. 1970: Il dr. Allen Cooper introdusse un sistema noto come NFT o “Nutrient Film Technique”, tecnica del film nutritivo. Nel 1979 fu pubblicato il suo libro “ABC of NFT”, un testo che si legge spesso, ancora oggi. L’NFT fu adottato presto, in varie parti del mondo per colture a ciclo breve, destinate alla distribuzione commerciale, come per esempio le verdure da insalata. 1970-1990: In questo periodo furono adottate, in varie parti del mondo, diverse forme di tecnologia idroponica: sebbene le colture di questo tipo andassero aumentando, ciò non garantiva, sempre, un risultato positivo. Contemporaneamente, prendeva piede il fenomeno delle coltivazioni in ambiente domestico. Nel 1978 Lawrence Brooke fondò la General Hydroponics. Il suo obiettivo era modificare e, migliorare gli impianti idroponici industriali, in modo che le loro dimensioni non superassero quelli di una camera di coltivazione (grow room) urbana. Il sistema funzionava con una delle migliori soluzioni nutritive del tempo, una formula elaborata insieme al dr. Cal Herrmann, del NASA Ames Research Center. Per la prima volta, la tecnologia idroponica veniva messa a disposizione dei piccoli coltivatori urbani. All’inizio, il mercato stentò a svilupparsi, ma poi, esplose all’improvviso, intorno alla metà degli anni ‘80, quando in molti cominciarono a dedicarsi alle coltivazioni domestiche. Nel 1986 il dr. Hillel Soffer dell’Università della California di Davis mise a punto il “Vortex”, che ancora oggi, rimane il più efficiente sistema idroponico presente sul mercato. La ricerca, da lui condotta, evidenziò una correlazione tra la crescita della pianta e il livello di ossigeno disciolto nella soluzione nutritiva: regolando il livello di ossigeno riuscì a modificare la velocità di crescita del Ficus benjamina. L’operato di Soffer gettò le basi dell’aero-idroponica, un ramo importante dell’idroponica moderna. Più o meno nello stesso periodo, fecero la loro comparsa sul mercato molte delle aziende statunitensi e canadesi tuttora attive, in questo settore. A partire dalla metà degli anni ’80, l’idroponica si è divisa in due rami ben distinti: il ramo commerciale 8
delle coltivazioni su larga scala e quello dei piccoli coltivatori domestici. Molti di questi ultimi sono appassionati di piante tropicali e medicinali, oppure collezionisti di specifiche varietà di piante. Nel frattempo, in Europa, l’unico paese in cui si facevano passi avanti era l’Olanda, dove si praticava un tipo speciale di coltivazione indoor che, riguardava, soprattutto, fiori coltivati in serre molto estese. Agli olandesi possiamo riconoscere il merito di avere introdotto il metodo “Sea of Green” (Mare verde), che consiste nel coltivare molte piante piccole, invece di poche piante grandi. 1995-oggi: Per quanto riguarda il ramo commerciale, l’industria idroponica è in rapido sviluppo e sta cambiando, per adattarsi ai nuovi tempi. Alcuni sistemi, più sofisticati ed ecologici, si sono rivelati particolarmente, convenienti per le colture a ciclo breve, come lattuga ed erbe aromatiche. Quanto al ramo delle piccole coltivazioni indoor, nel 1995 la General Hydroponics ha aperto una consociata europea. Nello stesso periodo, la britannica Nutriculture ha iniziato a distribuire i propri prodotti in Europa. Presto si sono aggiunte molte altre aziende che hanno sede in Europa o che esportano i materiali dal Nord America. La tecnologia idroponica ha, gradualmente, preso piede ed i nuovi grow shop, sono stati aperti in tutti i paesi. I primi ad adottare l’idroponica indoor sono stati i paesi del Nord Europa, seguiti da Francia, Spagna, Italia e Portogallo, tutti spinti dalla gratificazione e dal compiacimento che, procura consumare ciò che si è prodotto da soli.
9
I.2 Le tecniche idroponiche Le tecniche idroponiche si possono suddividere in due gruppi principali (figura I.3): quelle che utilizzano substrato; quelle che invece utilizzano al posto del substrato un mezzo liquido.
Fig. I.3, Suddivisione sistemi fuori suolo. [10]
I.2.1 Coltura su substrato Coltura in sacco o vaso Le piante sono allevate in sacchi o vasi, in grado di contenere da 10 a 30 litri di substrato, secondo, la specie coltivata e la lunghezza del ciclo colturale. Questa tecnica è molto utilizzata nelle colture a ciclo lungo come pomodoro, (figura I.4), cetriolo, peperone, fragola, gerbera e rosa. I substrati utilizzati possono essere, artificiali (lana di roccia, perlite, pomice, ecc.) o di origine naturale (torba, vinacce, fibre di cocco, ecc.) e normalmente si utilizzano sistemi di microirrigazione (a goccia) per l’erogazione della soluzione nutritiva.
10
Fig. I.4, Coltivazione di pomodoro in sacco. www.commercial-hydroponicfarming.com.
Flusso-riflusso Nella coltivazione di piante ornamentali in vaso, la subirrigazione (detta anche tecnica del flusso-riflusso ed in inglese ebb-and-flow) è, ampiamente, usata al posto dell’irrigazione a goccia. I vasi sono alloggiati in canali o bancali, con un flusso intermittente di soluzione nutritiva (figura I.5). I bancali o le vasche di coltivazione sono riempiti periodicamente (da due-tre volte per settimana, fino ad una-due volte al giorno) per una durata di 15-20 minuti, con un’altezza dell’acqua di 2-4 cm, a seconda della dimensione del vaso, della ritenzione idrica del substrato e della traspirazione delle piante (dipendente ovviamente dalle condizioni climatiche).
Fig. I.5, Schema di coltivazione ebb and flow. www.randongrow.com.
11
I.2.2 Coltura in mezzo liquido senza substrato Floating system Tra le varie tecniche in mezzo liquido, quella che oggi trova crescente interesse, nel nostro paese è il floating system: questa è caratterizzata da vasche, fisse o smontabili, profonde 20-30 cm e posizionate sul terreno oppure direttamente scavate all’interno della serra, impermeabilizzate con film di polietilene (figura I.6). Nelle vasche si collocano, poi, i pannelli di polistirolo ad alta densità che, galleggiano sulla soluzione nutritiva e servono da supporto per le piante in coltura. Il sistema risulta, particolarmente, interessante per i costi contenuti di realizzo e gestione, legati alla limitata presenza di dispositivi automatici, di controllo e correzione della soluzione. La brevità dei cicli produttivi e il volume elevato di soluzione consentono, infatti, di rimandare alla fine di ciascun ciclo, le operazioni di reintegrazione della soluzione nutritiva. L’unico controllo importante da fare, durante la coltivazione, è il contenuto di ossigeno disciolto nella soluzione che, deve essere mantenuto su valori prossimi a 5-6 mg /l.
Fig. I.6, Esempio di coltivazione in floating system. http://pandeglang.work/.
12
Fig. I.7, Schema di coltivazione in floating system. [6]
Fig. I.8, Dettaglio schema di coltivazione in floating system. hydroponicsgrower.org
13
Nutrient film technique (NFT) Questa tecnica prevede un film di soluzione nutritiva, ricircolante attraverso un sistema di pompe e canalette, rifornisce direttamente l’apparato radicale, con i sali minerali e l’acqua. Le canalette sono dotate di una lieve pendenza. La soluzione nutritiva scorre per gravità, fornendo alle radici acqua, nutrienti ed ossigeno. Con questo sistema sono coltivate specie ortive, il cui ciclo non supera 4-5 mesi (pomodoro, melone) oppure specie da foglia (come la lattuga), impiantate ad alta densità (figura I.9). Nel caso di colture con ciclo più lungo, infatti, si determina un’eccessiva crescita dell’apparato radicale che, provocando problemi nello scorrimento della soluzione nutritiva, gli comporta un non adeguato rifornimento di ossigeno, con conseguente sviluppo di marciumi radicali. Gli elevati costi di installazione e la bassa capacità tampone hanno limitato, notevolmente, il ricorso a questa tecnica di coltivazione.
Fig. I.9, Schema di coltivazione in NFT. [6]
14
Fig. I.10, Abbondante accrescimento dell’apparato radicale in piante di pomodoro allevate in NFT. [6]
I.2.3 Le tecniche alternative Vi sono alcune tecniche di coltivazione, fuori suolo, che pur seguendo la strada maestra della coltura idroponica se ne distaccano, creando delle interessanti alternative.
Aeroponica L’Aeroponica è un sottoinsieme dei diversi approcci, senza substrato. Le radici delle piante sono sospese in una camera chiusa, dove sono irrorate con una nebbia di soluzione nutritiva, a brevi intervalli (solitamente ogni pochi minuti). Il primo vantaggio dell’aeroponica è il massimizzare l'esposizione di ossigeno delle radici, inoltre elimina il grosso problema dello smaltimento dei substrati (figura I.11). Comunque, in questo caso vi è un maggiore rischio di essiccamento delle radici a causa di un calo di potenza, oppure di una interruzione, anche breve, della nebulizzazione di nutrienti. Alcune applicazioni includono alte produzioni in sito per ristoranti o possiamo avere delle vere e proprie “fabbriche di piante” totalmente chiuse, in un contesto di fattoria urbana.
15
Fig. I.11, Schema di coltivazione in Aeroponica. [6]
Fig. I.12, Impianto aeroponico a sezione rettangolare: schema e funzionamento. hydroponicsgrower.org
La portata degli sprayer oscilla dai 35 ai 70 l/h con una portata di esercizio di 3-4 bar, mentre la loro spaziatura, sulle linee di distribuzione, varia in funzione della conformazione e dimensione dei moduli di coltivazione. A livello indicativo, si possono considerare distanze di 50 cm tra loro, avendo cura di verificare che la erogazione della soluzione risulti omogenea in tutti i punti del modulo di coltivazione. La durata degli interventi nebulizzanti oscilla dai 30 ai 60 secondi, mentre la loro frequenza varia, in funzione delle epoche di coltivazione, dello stadio di crescita delle piante, della specie e del momento della giornata (per una 16
coltivazione estiva, in piena vegetazione, si possono superare gli 80 interventi al giorno, dall’alba al tramonto). Ad ogni nebulizzazione, il percolato si raccoglie sul fondo dei moduli e, data la pendenza degli stessi, viene convogliato al serbatoio di stoccaggio. Interessante fare un primo confronto reso disponibile dalla pubblicazione Fertigation and Substrate management in Closed Soilless Culture (tabella I.1).
Tabella I.1, Caratteristiche dei diversi sistemi di coltivazione senza suolo. [10]
Acquaponica La parola acquaponica è data dall’unione di acquacoltura e di idroponica, tale nome è molto appropriato nel descrivere questa tecnica di coltivazione (figura I.13). Le piante vengono alimentate attraverso i rifiuti della crescita del pesce (letame), l’acquaponica fa un uso efficiente dell'acqua e dei rifiuti, in una simbiotica operazione di agricoltura. Come qualsiasi metodo di coltivazione, non è senza limitazioni. Primo fra tutti, è il fatto che solo poche piante, pesci ed una combinazione di questi due possono essere coltivati con successo, in un ambiente acquaponico. La combinazione più comune è lattuga e tilapia, che ha mostrato essere vantaggiosa, rispetto alle altre 17
combinazioni pianta-pesce. La composizione dei rifiuti del tilapia incontra, nel modo migliore, i requisiti nutrizionali e delle altre piante a foglie verdi, anche se, spesso molti minerali devono essere aggiunti, per coprire completamente i requisiti di salute e crescita rapida. L’includere l'acquacoltura, in aggiunta all'agricoltura, in un sistema aggiunge naturalmente complessità e sensibilità intrinseca al sistema, che non richiede solo esperienza nel campo idroponico. La Tilapia e le altre specie di pesci coltivate in acquaponica, tra cui la trota arcobaleno, sono altamente sensibili all’uso di comuni diserbanti, pesticidi od anche minerali nutrienti salini. Di conseguenza, i prodotti dell’acquaponica sono in genere biologici per natura, poiché le pratiche non biologiche non forniscono la crescita e la salute ottimale dei pesci.
Fig. I.13, Schema di coltivazione in Acquaponica. http://kanat.jsc.vsc.edu/
18
Fig. I.14, Coltivazione acquaponica domestica. http://www.ecofilms.com.au/
I.2.4 Sistema a ciclo aperto ed a ciclo chiuso Un altro possibile criterio di classificazione delle tecniche idroponiche consiste nel modo di gestire la soluzione nutritiva: si distinguono, così i sistemi a ciclo aperto da quelli a ciclo chiuso. Nel primo caso, l’alimentazione delle colture è effettuata sempre con soluzione fresca, cioè appena preparata, erogata in quantità eccedente rispetto al fabbisogno effettivo delle piante. L’eccesso di soluzione drena dai substrati di coltura ed è scaricato nell’ambiente o utilizzato su un'altra coltura in suolo. La gestione nutrizionale è più semplice rispetto ai sistemi chiusi, ma l’efficacia del sistema non si associa ad una buona efficienza: si fa un grande uso di fertilizzanti e di acqua e si determina, proprio per questo, ed in considerazione dei notevoli volumi di soluzione di drenaggio, un rilevante inquinamento dei corpi idrici. Nei sistemi chiusi, invece, la soluzione drenata è recuperata: dopo aver effettuato i periodici controlli e le opportune reintegrazioni, al fine di ripristinare i consumi idrici e le concentrazioni dei nutrienti, viene nuovamente somministrata alla coltura. Nella tabella I.2 sono riportati i vantaggi e gli svantaggi dei sistemi aperti e dei sistemi chiusi. 19
Nel caso dei cicli chiusi, lo scarico di reflui nutritivi nell’ambiente circostante e l’impiego di concimi e di acqua sono sicuramente contenuti. Per contro, il riutilizzo della soluzione comporta due principali problemi: il primo è rappresentato dal notevole rischio di trasmissione di patogeni radicali, mentre il secondo è costituito dalla difficoltà nel controllo della nutrizione minerale e, quindi della reintegrazione della soluzione ricircolante.
Ciclo aperto Vantaggi Svantaggi Gestione più Spreco di acqua semplice Spreco di Minori costi nutrienti Minori rischi Notevole impatto fitopatologici ambientale Maggiore Vincoli legislativi affidabilità
Ciclo chiuso Vantaggi Svantaggi Risparmio di Gestione più acqua difficile Risparmio di Maggiori costi nutrienti Minor impatto Maggiori rischi ambientale fitopatologici Minore affidabilità
Tabella I.2, Confronto tra sistemi aperti e sistemi chiusi. [7]
Per quanto detto sopra, la gestione di un sistema idroponico a ciclo chiuso non può prescindere da adeguati interventi di disinfezione, che devono essere praticati alla soluzione drenata dai moduli di coltivazione prima della successiva immissione in circolo.
Fig. I.15, Open-loop soilless culture system. [20]
20
Fig. I.16, Closed-loop soilless culture system. [20]
Fig. I.17, Schema di un sistema di coltivazione a ciclo aperto e ciclo chiuso. [10]
21
I.3 Vantaggi e svantaggi delle tecniche idroponiche Per quanto può sembrare improduttivo togliere le piante dal suolo, le recenti ricerche dimostrano che il suolo non è necessario al corretto sviluppo della pianta, sebbene questa tipologia di coltivazione sia la più utilizzata in assoluto. Il suolo è “solo” il principale trasmettitore di sostanze nutritive alla pianta, qualora fosse ricco di materia organica. Tuttavia, questo non è sempre vero, poiché l’eccessivo utilizzo di un suolo lo rende infertile. Negli ultimi anni, sta emergendo un nuovo modo di fare agricoltura, attraverso le più avanzate te tecnologie, con un elevato grado di automazione. La principale differenza tra l’agricoltura tradizionale e l’idroponica è relativa al raccolto. Paragonate alle tradizionali coltivazioni, le serre protette ed automatizzate possono raggiungere raccolti per unità di area fino a 10 volte (e più in alcuni casi) superiori. Con strutture a basso livello tecnologico possiamo ancora, tuttavia, raggiungere risultati interessanti, con una produzione per unità di area, superiore dalle 2 alle 5 volte. Il tipo di impianto viene scelto a seconda delle esigenze dello specifico contesto. Inoltre, l’idroponica richiede spazi minori ed ha una minore impronta ambientale, basti pensare che l'ottanta per cento dell'inquinamento per nitrati è dovuto all'agricoltura, senza poi andare a considerare i pesticidi e le gravi ripercussioni sulla biodiversità e gli effetti sulla salute umana. Secondo alcune stime, a livello mondiale, siamo passati da circa 30 mila ettari coltivati con sistemi idroponici nel 2006 ai 405 mila ettari censiti dalla FAO nel 2013: tuttavia la diffusione di queste tecniche di coltivazione è ancora ridotta, se si considera che, l’attuale superficie mondiale di colture protette, è di oltre un 1.5 milioni di ettari. A favore dell’aumento dell’utilizzo della tecnica di coltivazione idroponica giocano un importante ruolo i seguenti aspetti: una legislazione di stampo ambientalista sempre più restrittiva per i coltivatori (basti ricordare la Direttiva Comunitaria 91/676, meglio conosciuta come “Direttiva Nitrati”); la proibizione del bromuro di metile (ampiamente utilizzato in passato per la sterilizzazione del terreno); la crescente richiesta di produzioni di qualità; la minore disponibilità di manodopera; 22
la progressiva salinizzazione dei terreni di serra, dovuta sia alle abbondanti concimazioni minerali che, al peggioramento della qualità delle acque impiegate per l’irrigazione. Tra i fattori sfavorevoli alla diffusione della cultura senza suolo possiamo citare: gli elevati costi di impianto; la produzione di substrati e/o soluzioni nutritive esauste da dover smaltire; la scarsa preparazione professionale degli operatori; la carenza di infrastrutture (ad esempio di laboratori in grado di garantire le analisi delle soluzioni nutritive e dei substrati in tempi rapidi ed a basso costo); la necessità di utilizzare acque irrigue di buona qualità, nel caso dell’idroponica a ciclo chiuso. È bene analizzare, alcuni aspetti chiave, che permettono di introdurci all’interno di un più ampio discorso sulle coltivazioni fuori suolo.
I.3.1 I principali vantaggi L'idroponica in generale, quindi, si presenta come soluzione ad una molteplicità di problemi con i seguenti vantaggi:
rendimenti sensibilmente maggiori Quando i sistemi fuori suolo sono combinati con le serre che proteggono le piante da situazioni ambientali estreme, questi sistemi combinati minimizzano molti fattori limitanti, per la crescita delle piante e producono un più alto rendimento, per unità di area. Gli ingegneri agronomici ed i botanici hanno accettato la sfida di miglioramento dei rendimenti, e le ultime serre idroponiche ad alta tecnologia possono produrre anche più di 10 volte, rispetto ad una produzione a terra. Come sono possibili questi rendimenti? Rimuovere le piante dal suolo permette l’applicazione di nutrienti ed acqua direttamente sulle radici, ovvero, dove sono più utili. Il sistema CEA, (controlled enviromental agricolture) inoltre, protegge le piante da una varietà di malattie e dalle infestazioni del suolo. Quindi, in breve, rendimenti così alti sono possibili grazie alla sensibile diminuzione dei fattori di rischio quali: la variabilità della temperatura, dell’umidità, dei predatori delle piante, degli infestanti e di altri fattori, che sfavoriscono la salute e la produttività delle piante. Come illustrato nella figura I.18 vi sono delle differenze sostanziali tra il rendimento della tradizionale agricoltura ed una industriale CEA. 23
Nel caso dei pomodori, le diffuse serre idroponiche negli USA, possono produrre una media di 550 tonnellate di pomodori per ettaro, che è 10 volte in più rispetto alla media della tradizionale coltivazione e circa 5 volte in più, rispetto un’ottima coltivazione a campo aperto. Anche tra i sistemi CEA, c’è una grossa differenza nella capacità di produzione, in relazione da diversi fattori come: le applicazioni mirate e fatte nei giusti tempi, di nutrienti ed acqua, il tipo di protezione della serra, la ventilazione, ed i controlli climatici per i sistemi chiusi. Il più alto rendimento, registrato per i pomodori è di 760 tonnellate per ettaro, (figura I.18) questo risultato è stato ottenuto dalle serre idroponiche europee che hanno risultati decisamente migliori, rispetto ai sistemi americani, con un incremento di circa 200 tonnellate (ovvero del 36%). Questi paesi utilizzano serre altamente automatizzate, con un controllo di clima accompagnato da avanzati sistemi idroponici, per massimizzare il rendimento e produrre, tutto l’anno, nelle latitudini nord del globo. È importante ricordare che, l’intensificazione e l’efficienza dell’agricoltura possono prendere diversi percorsi, e che nei paesi in via di sviluppo, delle semplici serre basate sulla coltura a terra e con una giusta formazione tecnica nell’irrigazione e nelle pratiche nutrizionali, sono spesso metodi più appropriati per snellire gli input del sistema e favorire gli output. Infatti, è possibile incrementare il rendimento delle tradizionali serre, dalle 2 alle 5 volte senza metodi fuori suolo. Anche delle semplici reti da ombra possono essere efficaci, per ottenere uno spazio caldo ed economico, adatto ad una miglior crescita delle piante. Un esempio di applicazione di queste reti l’abbiamo in India, dove si è ottenuto un incremento del 533% per la produzione del peperone, dalle 15 tonnellate fino alle 95 tonnellate per ettaro. Per cui, in questo caso è preferibile l’utilizzo di una semplice rete, piuttosto, che implementare un complesso impianto di produzione fuori suolo. Di seguito sono riportati una serie di dati riguardo i rendimenti della coltivazione idroponica nel mondo, in grado di fornire un’ampia visione sui possibili ritorni in produzione di questa tecnica.
24
Fig. I.18, Messa a confronto tra cea ed ofa (open field agricolture), tonnellata per ettaro. [4]
Fig. I.19, Variazione del rendimento del peperone in serre basate su suolo o fuori suolo, tonnellata per ettaro. [4]
25
Comparative Yelds Avena Riso Grano Soya 0
1000
2000
3000
Idroponica [libbra/acro]
4000
5000
6000
Suolo [libbra/acro]
Fig. I.20, Rendimenti a confronto. [4]
Comparative Yelds Patate Pomodori 0
100000
200000
300000
Idroponica [libbra/acro]
400000
500000
600000
Suolo [libbra/acro]
Fig. I.21, Rendimenti a confronto. [4]
26
Comparative Yelds Fagioli Cavolo Barbabietole Lattuga Zucchine Piselli 0
10000
20000
Idroponica [libbra/acro]
30000
40000
50000
60000
Suolo [libbra/acro]
Fig. I.22, Rendimenti a confronto. [4]
Incremento % 3000% 2500% 2000% 1500% 1000% 500% 0%
Incremento %
Fig. I.23, Rendimenti in %. [4]
27
risparmio di acqua Nel consumo idrico totale degli esseri umani spicca una voce: il consumo d'acqua legato all'agricoltura, l’importanza di tale voce, all’interno del bilancio del vivere sostenibile, assume sempre più un’importanza cruciale. Molti scienziati sostengono che il problema dell’approvvigionamento dell’acqua sarà alla base dei prossimi conflitti mondiali. L'agricoltura utilizza circa il 70% dell'acqua, spesso in modo inefficiente. La OECD (Organisation for Economic Co-operation and Development) prevede che circa la metà della popolazione mondiale entro il 2030 avrà difficoltà con l'acqua, inoltre, un incremento di un miliardo di persone avrà un ristretto accesso all'acqua. Combinando queste pressioni crescenti, con il cambiamento climatico, l'incremento delle temperature, i periodi di siccità più persistenti e lunghi, la ridotta disponibilità di acqua, in un sempre crescente numero di paesi, le previsioni per la coltivazione di alimenti sufficienti per sostenere le nostre società che si espandono, donano un quadro terribile. Quando si tratta di utilizzo d'acqua, idroponica e acquaponica sono metodi di coltivazione altamente efficienti. Come discusso in precedenza, con queste metodologie, le piante sono rimosse dal suolo e crescono in contenitori di plastica, letti di cemento, secchi, scavi, o canali, dove le loro radici possono direttamente avere accesso ad acqua ricca di nutrienti, in questo modo abbiamo solo un piccolo scarto di acqua, al di là della zona radicale. A differenza dell’irrigazione nelle coltivazioni tradizionali, dove la maggior parte dell'acqua viene perduta, al di là delle dell’apparato radicale o attraverso l'evapotraspirazione nell'aria, possiamo dire che la coltivazione fuori suolo utilizza piccole quantità di acqua, nei punti dove esse sono più utili alle piante.
Tabella I.3, Confronto prestazioni migliorate dell'acqua tra cea e coltivazione di campo [4].
28
Ad esempio, la tabella I.3 compara i raccolti e l’utilizzo di acqua, per una coltivazione tradizionale di pomodoro e per una serra idroponica, entrambe situate in Australia, ovvero un continente fortemente arido. La prima cosa da notare, è che il rendimento della coltivazione idroponica di pomodoro ovvero è circa 8 volte più grande, rispetto alla coltivazione a campo aperto. Inoltre, le differenze per l'uso di acqua sono davvero importanti: inizialmente può sembrare che la coltivazione fuori suolo utilizzi più acqua, ma dobbiamo ricordare che la coltivazione in serra produce per 11 mesi e mezzo su 12 mesi, contro i 7 mesi di produzione rispetto della coltivazione a campo aperto; dobbiamo considerare che l'acqua utilizzata, nel sistema idroponico, include l'acqua usata dal personale, dalla struttura e dal sistema di controllo. Inoltre, se studiamo il frutto prodotto per unità di acqua, possiamo osservare che l’idroponica supera di gran lunga la produzione di campo con una percentuale superiore di circa il 400%, con 38,2 grammi di pomodoro prodotti per ogni litro di acqua contro i 7,4 grammi prodotti per le coltivazioni a campo aperto. A puro titolo informativo, ho riportato qualche dato riguardo l'impronta idrica dei prodotti agricoli Sono necessari:
1.600 litri d’acqua per 1 kg di grano 1.800 litri di acqua per ottenere 1 kg di zucchero di canna 2.500 litri di acqua per produrre 1 kg di riso 10.000 litri d’acqua per 1 kg di cotone
Fig. I.24, Usi idrici nei principali gruppi di reddito dei paesi. [11]
29
Consumo idrico nazionale 4%
7%
89%
Agricolo
Industriale
Domestico
Fig. I.25, Consumo idrico nazionale per settore. [11]
Fig. I.26, Utilizzo di acqua in Italia. [11]
30
migliore qualità dell’acqua L'agricoltura convenzionale è molto prodiga nelle applicazioni di fertilizzanti chimici, pesticidi, ed erbicidi, necessari per ottenere picchi di produzione. L'inquinamento dell'acqua ed il relativo danno all'ecosistema, può considerarsi dovuto a queste pratiche. Le applicazioni chimiche tossiche dei comuni pesticidi ed erbicidi, si spostano per lisciviazione nelle falde acquifere e di conseguenza nell'ecosistema acquatico; esse possono eliminare pesci, anfibi o le piante dalle quali questi ultimi dipendono. I fertilizzanti, che non sono utilizzati dalle piante, raggiungono così fiumi, laghi ed anche oceani, destabilizzando gli equilibri di nutrienti e quindi interrompendo o distruggendo l’acqua fresca e la vita oceanica. L’acqua diventata troppo ricca di elementi come il fosforo e l'azoto crea delle vere e proprie zone morte. Questi elementi derivano dai fertilizzanti, dalle acque reflue e dai detergenti portati nei sistemi di acqua fresca e negli oceani. Nel caso dei fertilizzanti, questo è dovuto all'applicazione inefficiente oppure eccessiva di nutrienti, che filtrano oltre la zona delle radici, inquinando le falde. Il risultato è un processo chiamato eutrofizzazione, che consiste nella formazione di alghe nell'acqua fresca e nell'oceano, a causa di questi enormi depositi di “cibo per piante”. Quando le diverse generazioni di alghe muoiono, iniziano a decomporsi e generano delle zone morte per l’ipossia, assorbendo l’ossigeno necessario alla vita acquatica. Tali aree morte provocano milioni di euro, in danni per i pescatori e turisti, considerando anche, che queste zone stanno crescendo in modo esponenziale. Nella figura I.27, le zone rosse mostrano la posizione e la dimensione delle aree morte della terra, tracciate dalla NASA, mentre i punti neri, mostrano dove le zone morte sono state osservate ma hanno dimensioni ancora sconosciute. Con il fine di affrontare le preoccupazioni globali per la qualità dell'acqua, è importante considerare anche lo spostamento e la manifestazione della contaminazione dell'acqua da una zona ad un'altra. Ad esempio, mentre il passaggio all’agricoltura fuori suolo può aiutare a ridurre alla contaminazione dell'acqua e la dissipazione dei fertilizzanti in una parte del mondo, la produzione di accessori elettronici e di altro tipo, necessarie per utilizzare questo tipo di produzione, potrebbe portare la contaminazione dell'acqua in un'altra parte del mondo. Naturalmente non abbiamo una semplice soluzione a questo dilemma, ma sembra ovvio che il pensiero olistico ed un'azione regolatoria sono necessarie, con il fine di affrontare in modo adeguato molte delle sfide globali con la quale ci scontriamo oggi.
31
Fig. I.27, Zone morte nel mondo, di dimensioni sconosciute e non. [4]
La presenza di nitrati nell’acqua può essere anche un problema diretto, per la salute dell’uomo. La metaemoglobinemia è l’effetto più grave e diretto dei nitriti, e consiste nell’accumulo, nel globulo rosso, di metaemoglobina, cioè della forma non funzionale di emoglobina contenente ferro ferrico.
“Negli ultimi anni, la frequenza dei casi di intossicazione cronica da nitrati e nitriti negli allevamenti da latte ha assunto un andamento crescente a seguito delle pratiche di coltivazione delle piante foraggiere e di inquinamento per percolazione delle falde acquifere.” [A. Ubaldi Università di Parma]
Un sistema idroponico, a ciclo chiuso, permette di risparmiare fino all’80% dei nutrienti. Questa possibilità viene data dal fatto, che mentre nella tradizionale agricoltura i nutrienti in eccesso arrivano per percolazione nelle falde acquifere, nei sistemi idroponici possono essere veicolati in una cisterna, reintegrati delle sostanze mancanti e riutilizzati nuovamente all’interno del ciclo.
minore bisogno di terra “coltivabile” La necessità di incrementare il raccolto è di primaria importanza, e farlo in condizioni avverse è la condizione preferita della moderna agricoltura dei sistemi CEA. Quando il terreno coltivabile è limitato, di bassa qualità o addirittura non 32
esiste, come nel caso delle isole del pacifico, i deserti, le zone polari o lo spazio celeste – i sistemi CEA danno la possibilità, al genere umano, di coltivare. I ricercatori della stazione di ricerca del polo sud “Amundsen–Scott South Pole Station” mangiano lattuga ed altri vegetali grazie alla coltivazione fuori suolo, inoltre diversi progetti idroponici hanno avuto successo in alcune regioni desertiche del Medio Oriente, come nelle nazioni caraibiche con terre limitate e scarsità di acqua fresca. Attraverso l’idroponica i paesaggi urbani, caratterizzati da piccoli spazi e poco suolo, diventano il luogo di nascita di nuove “fattorie di città”. I tetti sono utilizzati come siti per serre idroponiche nel Nord America, producendo lattughe per ristoranti ed anche utilizzate per la produzione di più piante per la classe media locale, disposta a pagare prezzi più consistenti per cibo a km zero. Le fabbriche inutilizzate e le strutture abbandonate in Giappone, Germania e in America sono state convertite, in parte o del tutto, in fattorie idroponiche. Questi tipi di investimenti, naturalmente, non sono suggeriti come soluzione per la produzione di cibo, ma dimostrano la flessibilità della produzione idroponica. La quantità di terreno che può essere coltivata è limitata. Anche considerando montagne e deserti, molti terreni che potrebbero essere coltivati sono attualmente coperti da foreste od anche da ecosistemi, che forniscono diversi servizi all'umanità: le foreste sono dei serbatoi naturali di carbonio e favoriscono le precipitazioni piovose; paludi ed acquitrini filtrano l'acqua e fungono da cuscinetto nelle aree circostanti, contro le inondazioni. I terreni indisturbati sono la casa della rimanente biodiversità della terra, la quale si trova in una sfida sempre maggiore per la sopravvivenza, così come gli habitat diventano più frammentati, il cambiamento climatico e l’inquinamento impattano sulla salute del globo. L’indice Living Planet mostra una perdita di biodiversità del 30% dal 1970. Entro il 2030 le previsioni dell’organizzazione per la cooperazione economica e lo sviluppo (OECD) sono che l'area coltivata crescerà di un 10% a spese delle attuali foreste indisturbate e degli altri ecosistemi; in questo modo la continua perdita, di biodiversità e dei diversi servizi forniti dagli ecosistemi, verrà accelerata. Preservare i naturali sistemi biologici è anche un'importante difesa contro il rischio climatico. Le foreste, seguite dalle praterie, sono uno dei più importanti serbatoi di carbonio della terra, ed anche un terreno agricolo coltivato ritorna alla natura sotto forma di riserva di carbonio. Guardando come esempio l’ex Unione Sovietica, quando la comunità agricola nel 1991 si trasferì alle città, i terreni agricoli abbandonati furono rapidamente colonizzati da piante, creando, probabilmente, la più grande riserva di carbonio del mondo. Questo indica che investire in pratiche agricole sostenibili, come le serre e l'idroponica, dovrebbe essere di priorità maggiore rispetto alla conversione di terreno per l'agricoltura. 33
Le tecniche di coltivazione idroponica permettono di coltivare su più livelli contemporaneamente; se ad esempio possedessi 2 500 mq di terreno avrei la possibilità di produrre su 4 livelli differenti, arrivando ad ottenere una produzione di 10 000 mq su 2 500 mq.
Fig. I.28, Coltivazione su più livelli di lattuga, http://epics.ecn.purdue.edu/.
Fig. I.29 Photo from space of plastic greenhouses covering 20,000 hectares Almería, southern Spain. [4]
34
Le serre in foto I.21, sono basate con un’agricoltura tradizionale. Sebbene un sistema idroponico richieda un consistente investimento iniziale, esso ha anche una minore impronta rispetto una serra tradizionale, per la maggiore produzione per metro quadro e per la vantaggiosissima possibilità di coltivare su più livelli che, permetterebbe di utilizzare un terzo od ancor meno spazio, per ottenere lo stesso rendimento.
Erbicidi e pesticidi La maggior parte dell'agricoltura è ancora “tradizionale”, per cui dipende fortemente dai pesticidi, per affrontare malattie ed infestazioni. L'impatto di funghi, batteri ed insetti del suolo è un grosso problema per i coltivatori che vedono ridotte, a causa dei pesticidi, qualità ed omogeneità del prodotto. Queste applicazioni chimiche possono avere ripercussioni devastanti sulle altre forme di vita. L'esempio storico più conosciuto è l’impatto della nebulizzazione del pesticida DDT sugli uccelli e gli altri animali, come documentato in Silent Spring di Rachel Carson. Vi sono molti più pesticidi in uso oggi, ed anche la loro efficacia è discutibile. Rispetto ad un incremento di 7 volte, dei pesticidi utilizzati negli ultimi quarant'anni, le perdite di raccolto a causa delle infestazioni, non sono diminuite, significativamente, durante lo stesso periodo. L'impatto dei pesticidi sulle specie che impollinano, (che per definizione vengono in stretto contatto con le piante che sono trattate), è attualmente uno dei peggiori problemi che affronta l'agricoltura in tutto il globo. Gli insetti, gli uccelli, i pipistrelli e altri animali che impollinano, forniscono un servizio agricolo che, vale miliardi di euro, 80% di queste piante impollinate dalle api. L'Europa ha recentemente proibito una classe di pesticidi che, è stata collegata al collasso di colonie d'api, anche se l'agenzia americana per la protezione dell'ambiente (EPA) non l'ha ancora fatto. Le agenzie non profit, stanno cercando di risvegliare la coscienza pubblica, riguardo i pesticidi convenzionali e le applicazioni di erbicidi. Ad esempio Greenpeace Germania ha pubblicato una relazione annuale sui residui di pesticidi su frutta e vegetali. Questa campagna provocatoria, ed educativa, ha avuto un impatto importante sui produttori in Europa che, sono interessati a vendere in Germania in quanto mercato europeo più grande. L'agricoltura fuori suolo riduce, in modo drastico e può anche eliminare, la necessità di applicare i pesticidi. Questo è possibile grazie ai diversi vantaggi dovuti a: l'ambiente controllato, il rimuovere le piante da suolo e l’incrementata efficacia della lotta biologica per i parassiti (IPM- integrated pest management) in ambiente chiuso. La lotta biologica è una tecnica che, sfrutta i rapporti di antagonismo fra gli organismi viventi per contenere, le popolazioni di quelli dannosi. Un esempio di questa applicazione è l'uso di coccinelle, per il controllo degli afidi e degli altri infestanti a corpo morbido. 35
Il rischio dell’esposizione umana ai pesticidi è temibilissimo. Sono stati dimostrati numerosi effetti dannosi, in particolare nel caso di esposizione in gravidanza, sono in grado di danneggiare non solo la madre, ma anche il feto e persino le cellule geminali del nascituro (figura I.30).
Fig. I.30, Prenatal exposures, epigenetics, and disease Reprod Toxicol 2011. [14]
flessibilità intrinseca Tali sistemi hanno la possibilità adattarsi alle condizioni più disparate, dove, per ogni problema nasce una soluzione simbiotica con la più alta tecnologia, le soluzioni possibili sono infinite, dalle più semplici a quelle altamente complesse. Inoltre, la scelta delle soluzioni è sempre su misura al contesto locale, nella quale va ad inserirsi, basti pensare che il Giappone (figura I.31) ha creato il più grande edificio adibito alla coltivazione indoor, in simbiosi con le più alte tecnologie in uso, mentre in alcune zone del Brasile (figura I.32) si è pensato di creare soluzioni a basso impatto tecnologico ed ambientale, rispondendo alle esigenze delle popolazioni locali.
36
Fig. I.31, A worker tends vegetables at the world's largest "plant factory" on July 2, 2014. The Japanese factory produces 10,000 heads of lettuce a day. [4]
Fig. I.32, Impianto idroponico low-tech nelle aree rurali dei municipi di Cairù e Stato di Bahia (Brasile). [22]
37
tendenze biologiche e non OGM I sistemi di coltivazione fuori suolo, l’acquaponica in particolare, sono completamente compatibili con la produzione di cibo biologico. La possibilità di certificazione di cibo biologico è in stretta correlazione al tipo di substrato che si vuole utilizzare, mentre alcuni, di origine sintetica, non permettono tale certificazione, altri di origine biologica come la fibra di cocco, forniscono questa potenzialità. Coltivare il cibo in una serra rende più semplice anche il lavoro del produttore biologico, facilitando la lotta integrata, piuttosto, che l'utilizzo dei pesticidi. Inoltre, il biologico è, estremamente, preferibile ed in crescita in certi mercati. Potenziali investitori nell’agricoltura più sostenibile dovrebbero per cui considerare, l'opzione del biologico fuori suolo. Da non dimenticare, le numerose restrizioni poste dai governi per quanto riguarda i cibi geneticamente modificati. In più di 60 paesi nel mondo includendo: Australia, Giappone e tutti i paesi dell'Europa vi sono importanti restrizioni o totali divieti, sulla produzione e la vendita di cibi geneticamente modificati. In controtendenza è l'America, ma alcuni segmenti di consumatori stanno votando, attraverso i loro acquisti, nel selezionare cibi non OGM. Con l'agricoltura in campo aperto vi è la possibilità (in alcuni paesi) che polline e semi delle piante OGM possano spargersi al di là dei loro limiti di coltivazione, ed infiltrarsi in campi, non geneticamente modificati. Di conseguenza, possiamo affermare che, nel caso di agricoltura protetta CEA, le nostre coltivazioni sarebbero al sicuro, anche da infiltrazioni di piante geneticamente modificate.
I.3.2 I principali svantaggi Naturalmente se il mondo dell'idroponica fosse costituito solo da pregi, la sua diffusione sarebbe già avvenuta, infatti vi sono diverse difficoltà in tale tipologia di sviluppo agricolo, che verranno, in parte, evidenziate in questa trattazione. Il sistema OFA (open field agricolture) ha diversi vantaggi, che gli permettono di mantenere un approccio competitivo nei confronti dei sistemi ultra moderni. Ad esempio, le politiche agricole di molti paesi non conoscono e non menzionano le realtà idroponiche, alle quali vanno aggiunte le preferenze culturali di alcune regioni. Sicuramente gli ostacoli sono molteplici tra cui i costi, la complessità dei sistemi, il lavoro qualificato e l’energia da utilizzare:
i costi L’ostacolo più ovvio è il costo: naturalmente è più costoso avviare e mantenere un impianto fuori suolo, piuttosto che piantare semi in un campo. L’acquaponica può 38
avere costi ancora maggiori dell’idroponica, dati dall'addizionale bisogno di ospitare e valutare la crescita dei pesci e la loro salute. Appena ci muoviamo nello spettro dei controlli e delle automazioni crescenti, aumenteranno sia i costi iniziali che quelli di esercizio. Tale costo può essere dalle 2 alle 20 volte maggiore rispetto ad una coltivazione basata sul suolo. Il limite più basso di questo intervallo, considera delle semplici serre con delle pompe e con sistemi di controllo limitati o inesistenti; il limite più alto considera i principali sistemi di controllo e protezione dell'ambiente, come quelli già utilizzati in impianti avanzati, presenti in paesi come Canada e Australia. Di conseguenza, prezzo può variare dai 50 ai 500 euro per metro quadro, quindi dai 500.000 fino ai 2.5 milioni per ettaro, dell'area di crescita, in relazione al livello di sofisticazione della serra considerata.
600 500 400 300 200 100 0 Costo produzione € per metro quadro Idroponica
Tradizionale
Fig. I.33, Confronto in istogrammi dei costi OFA tradizionale e CEA avanzata. [4]
il lavoro specializzato Un ostacolo meno ovvio, ma comunque cruciale, è il trovare persone qualificate in grado di saper gestire correttamente gli impianti. La decrescente popolazione agraria del mondo può essere un fattore positivo per la coltivazione fuori suolo, che ha bisogno di meno lavoro, tuttavia, il lavoro necessario richiede una formazione adeguata. La carenza orticoltori qualificati e di persone esperte nel business dell'agricoltura, è un dilemma critico per tutti i tipi di sistemi migliorati, non solo per il fuori suolo di tipo CEA. 39
Produttori, rivenditori e consulenti lamentano la mancanza di futuri coltivatori qualificati, per queste imprese spesso ad alta tecnologia. Vi sono enormi possibilità, date dalla coltivazione fuori suolo, supportate dai continui traguardi tecnici nell’alto rendimento e nell’alta qualità del cibo; comunque, gestire correttamente la tecnologia dell’impianto, non garantisce automaticamente la buona amministrazione delle piante; infatti i sistemi di coltivazione fuori suolo sono formati da più parti che devono essere amministrate con cura. Le attrezzature e le consulenze dei fornitori selezionati sono molto importanti, in quanto questi partner saranno parte della nostra squadra e aiuteranno questi complessi investimenti a portare frutto. Attraverso operazioni ad alta tecnologia, vi è la possibilità di esternalizzare alcuni aspetti, delle strutture e di gestione, attraverso il controllo remoto. In questo modo, i fornitori possono anche assisterci testando e verificando i sistemi, così come possono aggiustare i parametri per raggiungere i risultati di produzione che ogni sistema è capace di raggiungere, in quel clima, in quel luogo e per quella pianta.
il fabbisogno energetico L’agricoltura tradizionale si fa carico, spesso, di costi energetici sconosciuti. È semplice pensare ad una cultura tradizionale come un semplice piantare semi, ma vi è energia immagazzinata nei fertilizzanti e nelle applicazioni chimiche, così come vi è energia richiesta per pompare l'acqua e per l'irrigazione, per non parlare poi, delle lunghe catene di trasporto e dei magazzini necessari; questi sono tutti elementi richiesti per produrre piante in modo “tradizionale”. Possiamo dunque, osservare che anche il cibo economico ha significativi requisiti di energia. I requisiti energetici sono una sfida importante, anche per i sistemi di tipo CEA, da combattere sia sul fronte dei costi, che su quello delle emissioni. Tali sistemi avanzati sono a differenza della coltura da campo, strettamente dipendenti da una fornitura elettrica affidabile. Tale situazione è anche una sfida, per le coltivazioni fuori suolo CEA sia in termini di costi, che in termini di emissioni. Riscaldare ed illuminare sono elementi chiave, soprattutto, quando ci allontaniamo dall'equatore. Naturalmente, questi sono costi che si sommano alla richiesta energetica delle colture a terra; basti pensare che in generale nel settore delle serre in Europa, (sia per i sistemi basati sul suolo sia per i sistemi idroponici), le spese energetiche sono vicine al 40% del costo totale. Sicuramente, la richiesta energetica dipende dallo specifico contesto. Nel Nord Europa ed in Scandinavia, dove per gran parte dell'anno è necessario riscaldare ed illuminare per tenere in vita le piante, l'energia è la più ampia aliquota dei costi di una serra (che sia basata sul suolo o sul fuori suolo). Infatti, il consumo generale di energia per il settore delle serre in Europa è valutato grande, quanto tutto il consumo energetico svizzero. In particolar modo, in Olanda le cui serre sono per la maggior 40
parte fuori suolo ed il loro fabbisogno energetico corrisponde a circa un 10% dell'uso del gas naturale del paese. Di conseguenza, si può facilmente comprendere la necessità di trovare alternative per migliorare la sostenibilità ambientale ed economica degli impianti di tipo CEA. L’energia geotermica e la cogenerazione sono i principali campi studiati per mitigare i rischi dovuti all’energia. In modo particolare, la cogenerazione, che consiste nella produzione di elettricità, grazie al calore eccessivo ottenuto da altri processi industriali. I risultati ottenuti dalla cogenerazione, attraverso la combustione di gas naturale, sono promettenti, essa consente un risparmio energetico che può arrivare fino al 30%. Inoltre, l’anidride carbonica prodotta, come sottoprodotto della combustione, viene reinserita nelle serre per incrementare il benessere e quindi la produzione delle piante. Un'altra caratteristica importante degli impianti di cogenerazione è la possibilità di vendita dell’elettricità in eccesso, situazione che elimina il problema di un eventuale sovradimensionamento del sistema cogenerativo. Un’altra strategia, per la gestione energetica è la co-locazione con le industrie che producono calore ed anidride carbonica come sottoprodotti. In altre regioni come il Canada, dove vi sono abbondanti scarti della lavorazione del legno, bruciare biomassa è un’ottima soluzione. Ancor più sostenibile può essere l'uso dell'immondizia urbana, per fornire energia termica ed elettrica; la compagnia canadese di Remasco è nata dal produttore di serre Mucci Farms in Ontario, per perseguire queste alternative energetiche per l’orticultura. L’energia solare è un'opzione emergente: i prezzi dei pannelli solari sono crollati negli ultimi anni. L’aumentata accessibilità al solare sarà una manna, per operazioni maggiori e per nuove complessità agricole. Houweling, uno dei 5 produttori di pomodoro più grandi in America, ha installato 5 acri di pannelli fotovoltaici alla sua fattoria in California. Comunque, queste energie rinnovabili comportano ancora un certo costo di capitale (anche se con bassi costi operativi) inoltre, richiedono condizioni che spesso i piccoli coltivatori, possono essere incapaci di assecondare. Vi sono molti studi interessanti, per quanto riguarda il solare, in particolare si ricerca avidamente la possibilità di incorporare i pannelli fotovoltaici in delle semplici lastre di vetro. Il progetto Elkas, sponsorizzato dall'Università di Wageningen, sta studiando la cattura delle radiazioni infrarosse, che le piante non utilizzano per crescere (NIR), ma che possono essere utilizzate per creare energia. Quindi, riusciremmo ad avere delle serre riempite con delle speciali lamine, che catturano le radiazioni NIR, non necessarie, mentre le radiazioni necessarie alla fotosintesi (PAR) passano attraverso le piante. Dopo il primo progetto pilota nel 2008, i ricercatori e funzionari del governo hanno trovato i risultati positivi 41
abbastanza validi da investire in progetti avanzati, possiamo quindi prevedere delle serre che producono da sole, l’energia di cui hanno bisogno. Infine, è bene ricordare che la tecnologia LED sta dando ottimi risultati, in termini di risparmio energetico, inoltre il suo prezzo sta calando rapidamente, tanto da rendere presto possibile un utilizzo agricolo di questa tecnologia. Il loro prezzo sta scendendo del 20% annuo, mentre qualità, vita ed intensità della luce stanno crescendo. Alcuni adottatori precoci hanno tagliato i costi della luce fino al 40%. Per cui, è facile prevedere un utilizzo sempre maggiore di questa tecnologia.
malattie del suolo Come in qualsiasi cosa, “Dio ha ultima risata” così anche nella produzione idroponica. Anche il sistema di produzione più avanzato, con i controlli più precisi è ancora vulnerabile alle forze della natura, includendo le malattie. Anche se le malattie del suolo possono essere praticamente eliminate esportando le piante dal suolo, esse possono comunque riuscire a propagarsi. La più alta densità di piante e la soluzione nutritiva condivisa, nei sistemi CEA, crea il grande rischio che gli enti patogeni si spargano attraverso il sistema di irrigazione. Diventa per cui essenziale sterilizzare la soluzione nutritiva, prima che essa torni a circolare nel sistema di irrigazione. Inoltre, gli enti patogeni possono accumularsi in ogni tipo di substrato, che esso sia organico o sintetico, di conseguenza la necessità di sterilizzare i substrati con flussi di vapore oppure con applicazioni chimiche, dopo ogni ciclo di cultura.
42
I.4 Impiego delle tecniche idroponiche su scala mondiale L’agricoltura è un settore molto conservativo, per sua natura e i sistemi OFA hanno un certo vantaggio inerziale, su qualsiasi tipo di innovazione agricola. Tuttavia, la crescita e l'utilizzo dei sistemi CEA è diventata straordinaria in questi ultimi anni e si prevedono utilizzi ancor più importanti negli anni a seguire.
Fig. I.34 - Value of Soilless Products by Region, World Markets, 2015–2023. [4]
È possibile notare una crescita generale del valore di mercato, che va dai 21.4 miliardi di euro del 2015 ai circa 36.9 miliardi del 2023, ovvero, in 10 anni una crescita del mercato pari a circa 15 miliardi di euro! Dallo sviluppo del grafico in figura I.34 è possibile comprendere chi sono i principali protagonisti di questa rivoluzione agricola. Troviamo in primo luogo l’Asia, quasi costretta dai grandi numeri della sua popolazione, con un incremento dai 7.9 ai 13.9 miliardi di euro, con un incremento del 7.41%. Per quanto riguarda l’Europa abbiamo un incremento percentuale minore solo 5.8% che consiste in un valore che sale dai 10.3 fino ai 16.2 miliardi di euro. Il mercato europeo è quello più maturo e quello con più esperienza nel campo dell’idroponica, con i principali leader in Olanda e Belgio, che esportano le loro pietanze idroponiche in Europa ed al di là di essa. Tuttavia, i principali produttori del sud Europa rimangono affezionati alle tradizionali colture in suolo, nonostante le nuove politiche Europee volte ad un’agricoltura più sostenibile. 43
Anche il mercato americano è molto interessante, è possibile notare quanto questo mercato sia immaturo per cui ad un “basso valore assoluto” del valore delle produzioni fuori suolo, si affianca la più alta crescita percentuale, infatti una produzione che cresce dai 2.6 fino ai 5.5 miliardi vuol dire un incremento del 100%. Infine, possiamo comprendere come le proiezioni sul mercato africano e medioorientale non abbiano significanti crescite, questo accade perché in questi mercati è più conveniente investire nelle agricolture tradizionali, piuttosto che affrontare i costi di impianti particolarmente avanzati; inoltre l’instabilità politica di questi territori rende difficoltoso ogni tipo di investimento.
I.4.1 Previsioni di mercato Queste previsioni sono state fatte dalla Manifest Mind, considerando tutti i fattori precedentemente esposti, questo lavoro dà un ordine di dimensione, per quanto riguarda la crescita, che in particolare sta già avvenendo. Per quanto riguarda questo elaborato di tesi conterrà solamente alcuni “andamenti” del mercato, rimandando poi alla bibliografia, nel caso si cercassero approfondimenti. È possibile affermare che tra i fattori chiave che guidano questa crescita, abbiamo che le coltivazioni fuori suolo in genere producono alimenti di altissima qualità in modo sostenibile, che fanno sentire i consumatori sicuri, soddisfatti ed amici dell’ambiente.
Fig. I.35, Area con coltivazione fuori suolo previsioni dal 2015 al 2023. [4]
44
Fig. I.36, Quote di mercato della produzione fuori suolo. [4]
Fig. I.37, Produzione fuori suolo in funzione delle tipologie di piante. [4]
45
Fig. I.38, Valore della coltivazione idroponica del pomodoro. [4]
Fig. I.39, Valore della coltivazione idroponica di lattuga. [4]
46
Fig. I.40, Valore della coltivazione idroponica del peperone. [4]
Fig. I.41, Valore della coltivazione idroponica del cetriolo. [4]
47
Fig. I.42, Valore della coltivazione idroponica di “altre piante”. [4]
48
CAPITOLO II
ASPETTI TECNICI DI UN SISTEMA DI COLTIVAZIONE FUORI SUOLO Vi sono diverse tecnologie e metodologie per ottenere un rendimento agricolo più alto, affiancato ad un’impronta ambientale e sociale minore. Bisogna tener conto che ciò che è appropriato in un contesto potrebbe non esserlo in un altro; così possiamo definire un continuo di opzioni, e ricordare ai coltivatori che non tutte le strade finiscono in una serra multimilionaria ed ultra avanzata. Il principio guida generale è che il controllo, dell'ambiente di crescita, fornisce più stabilità. In particolar modo, una più mirata applicazione degli input genera un più alto raccolto. Tuttavia, questo avviene con un dispendio di capitale e costi di esercizio più alti. Il compromesso deve essere pesato, in relazione agli obiettivi ed alle risorse disponibili per avviare l'opera. Questa sezione dell’opera prova a dare al lettore una panoramica, su cosa vuol dire progettare e gestire un sistema di coltivazione fuori suolo. Il primo crocevia che si presenta, per coloro i quali vogliono intraprendere questo affascinante percorso, è il livello di tecnologia sulla quale si vuole basare la propria coltivazione. La migliore scelta del sistema cerca un equilibrio ragionevole tra le condizioni di mercato e ritorni attesi. È utile guardare una panoramica delle tecnologie basse, medio ed alte disponibili per le serre: Low tech. Le serre a bassa tecnologia possono portare risultati eccellenti, in mancanza di forza lavoro o infrastrutture di base. Spesso, queste hanno la forma di tunnel, ma possono essere trovate anche in altre forme. Le pareti laterali possono essere arrotolate; non vi sono ventilatori, motori o controlli. Le serre a tetto alto, ventilate passivamente, con una coltura fuori suolo, rappresentano una soluzione funzionale ed a basso costo, per i climi caldi ed umidi delle regioni tropicali e subtropicali, e possono essere adattate per altri ambienti ed economie. Le aperture ampiamente schermate e ombreggiate, nelle serre alte, facilitano la ventilazione abbassando la temperatura dell'aria, durante il clima caldo. Per evitare le malattie del suolo 49
ed i nematodi, le piante possono essere coltivate in contenitori con substrati ed irrigate, attraverso la semplice irrigazione a goccia, che controlla la quantità di nutrienti dell'acqua ricevuta. Le serre, ventilate passivamente, senza sistemi di controllo od automazione, possono costare dai 25 ai 30 euro per metro quadro. Mid tech. Queste soluzioni combinano alcuni elementi delle serre ad alta tecnologia come i controlli di irrigazione e di fertirrigazione, con elementi a bassa tecnologia, come semplici ventilatori oppure riscaldatori per condizionare l'ambiente della serra. Vengono utilizzate anche strutture più avanzate; la plastica è sensibilmente migliorata, quindi avremo un miglior isolamento ed una migliore qualità di trasmissione della luce. Vi sono anche progetti a doppio strato di polietilene, che incorporano uno strato isolante che può aiutare ad incrementare, ulteriormente, le prestazioni ambientali di queste soluzioni. Anche le serre in vetro, con automazioni semplici possono essere un’opzione ragionevole. Un approccio di questo tipo, con un uso limitato di automazione, ha un prezzo che varia dai 30 a 100 euro per metro quadrato. In relazione al clima ed alla latitudine, queste soluzioni dovranno, probabilmente, incorporare sistemi di riscaldamento. Vi sono due maggiori categorie per il riscaldamento delle serre: il riscaldamento centralizzato con acqua calda o vapore e il riscaldamento ad aria. Il riscaldamento centralizzato è un grande investimento che necessita d’essere fatto per la massima efficienza, ed un’interruzione dell’impianto può essere davvero dannosa. Il riscaldamento ad aria ha dei minori costi iniziali ed è più versatile, poiché può essere espanso o contratto, ma la diffusione omogenea del calore è complessa da ottenere. Naturalmente il consiglio dei venditori è essenziale in queste situazioni. High tech. Questi sistemi includono altissimi livelli di automazione. Molte serre avanzate sono costruite in uno stile molto popolare e facilmente riconosciuto come "Velno” (figura II.1) – una serra di vetro con un distintivo picco triangolare, che può essere connesso con strutture identiche attraverso dei sottili canali, permettendo così la massima copertura di luce. Queste serre abbracciano un controllo totale per il clima e per l’applicazione di acqua e nutrienti, così come vengono inclusi sistemi di controllo della CO2 per favorire la crescita.
50
Fig. II.1, Serra ad alta tecnologia in costruzione a Roccarainola (NA) impianto dei Fratelli Perrotta progettazione Aeroponica International.
All’interno di questa opzione vi sono le più alte tecnologie, che permettono rendimenti sorprendenti, una tale progettazione con le avanzate soluzioni adottate, permettono la realizzazione di quelle che sembrano più delle “fabbriche di piante”, piuttosto che delle semplici coltivazioni. Naturalmente “tutto ha un prezzo” e le caratteristiche di questi sistemi lo spingono ad una base di 250 euro per metro quadro.
51
II.1 Componenti principali di un impianto fuori suolo Molto sinteticamente i componenti principali di un impianto, sono rappresentati da:
la serra, dispositivi di pompaggio, condotte principali di adduzione, dispositivi di filtraggio, dispositivi di dosaggio del fertilizzante, dispositivi di controllo dei turni irrigui.
II.1.1 La serra obiettivi e considerazioni La serra è un ambiente costruito, appositamente, per coltivare fiori e piante con le stesse caratteristiche del loro habitat naturale o per l'essiccazione di prodotti dell'agricoltura e della selvicoltura. In una serra riscaldata del Nord Europa si potranno quindi coltivare piante, che solitamente si sviluppano in paesi dal clima tropicale; ugualmente, in serre refrigerate si potrà ottenere lo scopo opposto. Le serre quindi hanno la prerogativa di poter creare l'ambiente ideale, per il tipo di piante che si intende coltivare.
Fig. II.2, Esposizione solare di una serra. [1]
La struttura delle serre può essere in ferro, in legno strutturale, in muratura o in alluminio; di solito poggiano su una base in muratura o su supporti mobili avvitati 52
nel terreno ed hanno pareti e tetto in materiale trasparente; al loro interno si può far entrare luce, regolare il calore e variare il livello di umidità. Le pareti sono di vetro trasparente e il tetto è spiovente, da uno o da entrambi i versanti e dotato di finestre ad apertura verso l'esterno, per permettere l'aerazione. L'orientamento più favorevole è a est-ovest, con i raggi del sole che attraversano il rivestimento, formando all'interno il ben noto "effetto serra"; i raggi vengono assorbiti dalle piante e dalla copertura della serra che, imprigionandoli al suo interno, provoca un innalzamento della temperatura. La migliore esposizione (figura II.2) per una serra è in ordine di preferenza: 1. 2. 3. 4. 5.
Sud o Sud-Est Est Sud-Ovest Ovest Nord
Le forme che può avere una serra sono molte, la principale distinzione della quale, si tiene considerando la forma delle serre, è se queste sono libere nello spazio (figura II.3) oppure sono, per loro progettazione, collegate ad altre strutture (figura II.4).
Fig. II.3, Serre libere. [1]
53
Fig. II.4, Serre collegate. [1]
II.1.2 Il controllo ambientale Il principale obiettivo della serra è per cui quello di ottenere condizioni che, permettono l’estensione delle coltivazioni al di fuori del periodo stagionale, ed incrementare quindi i rendimenti possibili. La maggior parte delle specie che crescono nei periodi caldi necessitano di una temperatura che varia tra i 17 ed i 28 gradi celsius, con delle punte (minime) di 12° e (massime) di 32°, dove le temperature al di fuori di questi range, danneggiano la coltivazione; nel grafico in figura II.5 è possibile osservare la relazione tra temperatura, radiazione incidente e le condizioni ottimali per la crescita della pianta indicando in particolare, anche quando vi è necessità di riscaldare la serra. Un altro elemento, molto importante, è la quantità di luce necessaria che si afferma con circa 6 ore al giorno, con un minimo di 500-550 ore di luce, nell’arco di 3 mesi (tabella II.1). Naturalmente, questi elementi dipendono dalle latitudini del sito. 54
Tabella II.1, Ore di radiazione media solare in funzione della latitudine. [2]
Fig. II.5, Temperature e radiazioni medie in diversi paesi sottolineando la necessità di un riscaldamento in serra. [2]
55
Raffreddamento Rimuovere il calore in eccesso è un elemento fondamentale nelle coltivazioni protette, esso può essere raggiunto attraverso diverse accortezze: ridurre le radiazioni solari incidenti; rimuovere l’eccesso di calore attraverso il cambio d’aria; aumentando il calore latente. Ventilazione passiva Le alte temperature estive implicano che, il calore in eccesso sia continuamente rimosso dall’ambiente, un semplice accorgimento per diminuire la differenza di temperatura tra esterno ed interno è perfezionare la ventilazione della serra. La ventilazione passiva si basa sulla differenza di pressione tra esterno ed interno, dovuta alla temperatura. Quindi, delle semplici aperture permettono un circolo d’aria per differenza di pressione che abbassa e regola la temperatura (figura II.6).
Fig. II.6, Esempi di sistemi a ventilazione passiva. [1]
La ventilazione necessaria per raffreddare una serra, può essere ottenuta anche con l’utilizzo di ventilatori, (figura II.7), l’area di influenza della ventilazione, come raccomandato da White and Aldrich (1975) deve trovarsi in un intervallo tra il 15 56
ed il 30%, un’area superiore porterebbe ad una variazione della temperatura solo marginale.
Fig. II.7, Fans for greenhouse forced ventilation. [1]
L’ombra La ventilazione, naturale o forzata, può non essere sufficiente, quindi nasce la necessità di combinare diverse tecniche per il raffreddamento dell’ambiente. In maniera piuttosto ovvia, la principale fonte di calore per una serra è la radiazione solare, possiamo per cui controllare questa fonte di calore attraverso strumenti che, permettono di fare ombra o di riflettere la radiazione incidente. Possiamo controllare questo fattore attraverso: vernici, teli, pannelli schermanti anche fil liquidi sulle pareti e sul tetto della serra. Una tecnica, ampiamente, praticata è colorare di bianco le serre, ciò permette di ottenere buoni risultati, con bassi costi. Un ulteriore vantaggio è che, l’utilizzo della vernice non ha effetti sulla ventilazione, al contrario dei teli per l’ombra che, possono danneggiare significativamente la qualità della ventilazione. Vapore Una delle soluzioni più efficienti per controllare il raffreddamento, è utilizzare sistemi ad evaporazione, basati sulla conversione di calore sensibile in calore latente, attraverso l’evaporazione di acqua fornita direttamente nell’atmosfera della serra, attraverso nebulizzatori, sistemi a nebbia oppure ventilatori con nebulizzatori (figura II.8). Tali sistemi permettono l’abbassamento della temperatura e l’aumento dell’umidità relativa, per cui sono molto efficienti soprattutto in ambienti secchi. Inoltre, tali sistemi consentono di eliminare la necessità di sistemi ermetici e la ventilazione forzata.
57
Fig. II.8, Fog system (left) Fan (right) greenhouse cooling system. [1]
Riscaldamento Il riscaldamento di una serra è essenziale, anche in paesi con climi miti, come nelle regioni del mediterraneo così da incrementare qualità, quantità ed efficienza del sistema. Vi sono sistemi che integrano, il calore perso dalla serra, quello più utilizzato e meno costoso è il “unit heater system”. Unit heater system In questo sistema, l’aria calda è resa disponibile da unità indipendenti che, sono posizionate in tutta la serra, esse riescono a riscaldare un’area dai 180 fino ai 500 mq. Il costo, normalmente, varia tra i 4 e gli 8€ per metro quadro. Central heating Sono sistemi che utilizzano il vapore oppure l’acqua calda, per riscaldare l’ambiente, attraverso meccanismi di dissipazione, (figura II.9). Il costo per un’apparecchiatura di questo tipo, progettata per un ettaro, includendo i sistemi di diffusione e l’installazione, va dai 30 fino agli 80€ per metro quadro.
58
Fig. II.9, Central boiler (left) and heating pipes for dissipating the produced heat (right). [1]
A differenza dei sistemi unitari, il calore viene distribuito attorno alla pianta per implementare i risultati. Il sistema di distribuzione ha un’importanza cruciale, soprattutto, per quanto riguarda la perdita di calore.
Arricchimento con la CO2 L’atmosfera, arricchita di anidride carbonica, incrementa sensibilmente la qualità dei prodotti coltivati. La quantità di anidride carbonica in una serra è inferiore a quella esterna, soprattutto quando le piante sono in fotosintesi, le possibili soluzioni possono essere: incrementare la ventilazione forzata; aumentare l’attenzione per la progettazione e la gestione dei sistemi di ventilazione; provvedere a fornire CO2 nell’ambiente di serra.
Umidità Il livello ideale di umidità, nella nostra serra, dipende dalla pianta che stiamo coltivando. Naturalmente, le piante native delle zone tropicali avranno bisogno di una maggiore umidità rispetto a quelle abituate a vivere in zone aride. In generale, la perfetta umidità in una serra è tra il 60 e l’80% (tabella II.2). Le piante richiedono una maggiore umidità, quando abbiamo temperature più alte, viceversa per le temperature basse. Quando fa caldo le piante tendono a traspirare molto, in modo da aumentare l’umidità relativa, una volta aumentata la RH (relative humidity) diminuiscono la traspirazione, per non appassire. Mentre, quando la 59
temperatura è più bassa la RH dev’essere ridotta, infatti in questo caso, le piante tendono a diminuire la traspirazione (e quindi tendono a ridurre la crescita) pertanto diminuire la RH tende a far traspirare maggiormente le piante e ad incrementare la crescita.
Tabella II.2, Ideal level of RH for a typical greenhouse crop. [1]
I materiali per la copertura della serra La copertura di una serra ha un’elevata importanza poiché, al variare dei materiali cambia anche la quantità e la qualità delle radiazioni che incidono sulle piante. In generale, possiamo definire tre principali categorie: vetro, pellicole in plastica e pannelli plastici rigidi. Un’altra importante scelta riguarda gli strati che si vogliono utilizzare, infatti vi sono serre a singolo, doppio strato ed a triplo strato. È interessante osservare i coefficienti di trasmissione del calore (tabellaII.3) per i più comuni materiali. Dove minore sarà questo coefficiente, migliore sarà l’efficienza energetica della serra.
Tabella II.3, Trasmissione del calore per i diversi materiali. [1]
60
Vetro Questo materiale permette la massima trasmissione della luce. Vi sono diversi svantaggi da considerare, infatti il vetro è un materiale costoso e fragile e può essere sostituito senza problemi da diversi materiali disponibili oggi. Pellicola in polietilene (PE) Essa è un’ottima scelta nel caso di serre più semplici “fai da te” è un materiale leggero, che non ha bisogno di particolari supporti, inoltre costa molto meno di altri materiali. Il principale svantaggio è che tale pellicola va sostituita circa ogni 2 anni circa. Pannelli in vetroresina Sono pannelli rigidi, piani od ondulati, costruiti partendo da altri materiali come il policarbonato e l’acrilico. Si tratta di un materiale che, è rapidamente diventato più popolare del vetro, più resistente e disponibile in diversi livelli di trasmissione della luce. Il problema principale di questo materiale è che le radiazioni UV causano il suo deterioramento in alcuni anni. Policarbonato È uno dei materiali più nuovi, in questo settore e sta acquisendo sempre maggiore popolarità. Resistente e flessibile, allo stesso tempo, ha tuttavia degli alti costi iniziali, che possono essere mitigati dalla sua lunga vita di 10-15 anni. Acrilico È un materiale piuttosto costoso, ma ha una vita minima di 10 anni. Anche se ha ulteriori pregi, come l’alta trasmissione della luce e le alte qualità di forza e resistenza, il suo costo lo rende proibitivo nella maggior parte delle situazioni.
Il sito La scelta della locazione di una serra dipende da diversi fattori: la topografia, la serra deve avere l’asse più lungo, con una pendenza non superiore al 0.5%, altrimenti vi è la necessità di un terrazzamento; il microclima, è un elemento molto importante che, può condizionare l’ambiente di serra, venti forti possono impedire la corretta climatizzazione dell’ambiente, le nebbie possono influire sulla igrometria ed è preferibile un luogo non ombreggiato; l’irrigazione dev’essere sempre disponibile in qualità e quantità; l’inquinamento non dev’essere presente in suolo, acqua ed aria, mentre l’inquinamento di acqua e suolo sono più ovvi, quello dell’aria può diminuire la quantità di radiazioni incidenti sulla pianta o comunque, in alcuni casi danneggiare il processo foto sintetico; l’infrastruttura dev’essere sufficientemente sviluppata al tipo di coltivazione che si vuole avviare; 61
la forza lavoro considerazione.
dev’essere disponibile o comunque tenuta nella giusta
II.1.3 Approvvigionamento idrico In relazione all’approvvigionamento idrico che, può provenire da pozzi scavati nel sottosuolo o da invasi superficiali naturali o artificiali, vengono impiegate, rispettivamente, elettropompe sommerse ad asse verticale o elettropompe centrifughe ad asse orizzontale o verticale.
Fig. II.10, Schema di installazione di elettropompa sommersa (da Rovatti Pompe). Legenda: 1) Elettropompa sommersa; 2) Quadro elettrico di comando; 3) Saracinesca di regolazione portata; 4) Manometro; 5) Valvola di non ritorno; 6) Sonde di livello contro la marcia a secco; 7) Filtro del pozzo; 8) Fondo del pozzo; 9) Cavo di alimentazione; 10) Fascette di fissaggio cavo; 11) Coperchio del pozzo. [6]
62
Fig. II.11, Elettropompa centrifuga a sinistra, Elettrovalvole di controllo dei diversi settori a destra. [6]
Gli elementi tecnici da considerare nella scelta di una pompa sono: la portata (l-1 min-1 o m3 h-1); la prevalenza (dislivello fra punto di presa e punto di erogazione dell’acqua); la potenza assorbita. L’impianto di fertirrigazione può essere suddiviso in settori indipendenti, controllati da elettrovalvole. Ciò consente di limitare le dimensioni dei dispositivi di pompaggio e delle condotte principali di adduzione.
II.1.4 Condotte principali di adduzione Sono rappresentate prevalentemente da tubazioni in materiale plastico (PVC o polietilene) che, oltre ad una totale resistenza alla corrosione derivata dai fertilizzanti addizionati all’acqua irrigua, presentano una elevata semplicità di installazione ed un costo contenuto. Ovviamente, il dimensionamento delle condotte andrà effettuato tenendo conto di alcuni fattori quali la portata, la lunghezza e la conformazione delle tubazioni e conseguenti perdite di carico. A tal riguardo, non va dimenticato che la progettazione delle diverse componenti rappresenta la fase fondamentale per la costruzione anche dell’impianto più semplice. Ciò al fine di non incorrere in inutili e costosi sovradimensionamenti o ancor peggio sottodimensionamenti, che compromettono un adeguato approvvigionamento idrico e nutrizionale delle piante.
63
II.1.5 Dispositivi di filtraggio Posizionati subito dopo il sistema di pompaggio, garantiscono la eliminazione delle impurità presenti nell’acqua, che possono compromettere la funzionalità degli erogatori. Risulta, infatti fondamentale un corretto trattamento dell’acqua impiegata per la preparazione della soluzione nutritiva che può essere attuato con metodi fisici o chimici. I primi, sono generalmente impiegati per l’eliminazione delle sostanze sospese, i secondi per l’eliminazione delle sostanze disciolte. In merito alla filtrazione risulta, inoltre, necessario distinguere fra acque profonde, spesso contenenti sabbia o particelle terrose in sospensione, e acque superficiali, caratterizzate principalmente da contenuti di materiali organici (alghe e microalghe). Nel caso delle acque profonde, vengono impiegati filtri separatori in grado di rimuovere le particelle in sospensione, per quelle superficiali, invece, sono da preferire filtri a graniglia (figura II.13) in cui viene utilizzata la scabrosità di minerali quarziferi per trattenere le impurità presenti.
Fig. II.12, Batteria di filtri separatori in plastica a sinistra, schema di funzionamento a destra. [6]
64
Fig. II.13, Filtro a graniglia -schema di funzionamento-. (bonattiirrigazioni.it)
Al fine di ottimizzare i risultati di filtraggio, al dispositivo principale descritto, si consiglia di abbinare un filtro secondario a schermo (rete o dischi lamellari, figura II.14,15) in modo da garantire il trattenimento di particelle fino a 130 micron.
Fig. II.14, Filtro a dischi schema di funzionamento. [6]
65
Fig. II.15, Filtro a dischi. [6]
Il corretto dimensionamento del sistema di filtraggio deve essere basato sulla portata dell’intero impianto oppure, se suddiviso a settori, di quello più ampio. Il livello di filtrazione, che si intende raggiungere, dovrà essere definito in relazione al tipo di erogatore impiegato. Da tener presente che il diametro minimo di passaggio dell’acqua non corrisponde al foro di uscita del gocciolatore, ma al suo labirinto interno che varia mediamente da 0.7- 0.8 mm per gli erogatori da 2 l/h fino a 1.5-1.7 mm per quelli da 8 l/h. Tecnicamente la capacità filtrante viene espressa in mesh che indica il numero di fili per pollice (25.4 mm) come riportato nella tabella II.4.
Mesh 18 40 80 120 140 200 600
μm 800 400 200 130 115 75 25
mm 0.80 0.40 0.20 0.13 0.12 0.08 0.02
Tabella II.4, capacità filtrante espressa in mesh. [6]
66
II.1.6 Dispositivi di dosaggio del fertilizzante Possono essere suddivisi in “dispositivi a funzionamento idraulico” e “dispositivi a funzionamento elettrico o elettronico”. Al primo gruppo appartengono sistemi, relativamente, semplici e di costo contenuto, che non necessitano di fonti di alimentazione, in quanto basano il dosaggio del fertilizzante sui differenziali di pressione o sui volumi di acqua che li attraversano. Tra i principali si ricordano: il miscelatore ad iniezione e il dosatore proporzionale. Il miscelatore ad iniezione (tubo Venturi figura II.16) è considerato il più semplice, e consiste in un tubo con una strozzatura centrale a forma di clessidra orizzontale, in grado di provocare una depressione, in linea tra il tratto precedente e quello successivo, al punto di installazione del dispositivo. Ciò consente di aspirare la soluzione concentrata, da un recipiente aperto realizzandone la diluizione, in relazione al differenziale di pressione. La concentrazione della soluzione, che si andrà a realizzare, sarà pertanto soggetta ad oscillazioni che saranno tanto più elevate quanto maggiore sarà la variabilità di pressione dell’impianto.
Fig. II.16, Iniettore di venturi con schema di funzionamento, [6]
Il dosatore proporzionale (figura II.17) è una pompa idraulica a stantuffo, che viene azionata dall’acqua che lo attraversa, realizzando pertanto un dosaggio del fertilizzante proporzionale, sia al flusso di acqua che alla pressione di esercizio. 67
Fig. II.17, Dosatore proporzionale: particolare ed esempi di installazione. [6]
Al secondo gruppo appartengono dispositivi di costo più elevato, ma in grado di garantire un migliore controllo dei parametri EC e pH, della soluzione nutritiva. Questi possono essere suddivisi in sistemi a “Vaso chiuso” (figura II.18) e “Vaso aperto” (figura II.19) a seconda che la soluzione concentrata venga diluita nell’acqua di irrigazione in linea o in apposito serbatoio.
68
Fig. II.18, Controllo proporzionale volumetrico con iniezione diretta in linea “Vaso chiuso”. [6]
Fig. II.19, Controllo proporzionale volumetrico con sistema di iniezione a premiscelazione in vasca “Vaso aperto”. [6]
I sistemi a “Vaso chiuso” prevedono l’impiego di pompe dosatrici in grado di effettuare la diluizione del fertilizzante direttamente in linea. Il controllo del dosaggio può essere comandato o dal flusso di acqua, misurato da un conta litri 69
inserito sulla condotta principale (sistema a controllo volumetrico figura II.20) o dai valori di EC e pH, rilevati a mezzo di sonde inserite sulla condotta, a valle del punto di iniezione del fertilizzante (sistema a controllo conduttimetrico figura II.20).
Fig. II.20, Schema di funzionamento di un dispositivo a controllo volumetrico a sinistra, Dispositivo di dosaggio costituito da 3 pompe (A + B + pH) azionate in funzione dei valori di EC e pH (controllo conduttimetrico) a destra. [6]
In entrambi i casi, l’iniezione in linea, comporta un andamento non costante dei valori di pH ed EC della soluzione nutritiva, che presentano differenze spesso consistenti, fra il punto di verifica e quello di erogazione a livello pianta. I sistemi a “Vaso aperto” prevedono, invece, la premiscelazione dei componenti fertilizzanti, in un apposito serbatoio aperto, per cui si ottiene una maggiore uniformità della soluzione erogata, che non presenta scostamenti di pH ed EC tra il punto di rilevamento e l’erogazione a livello pianta. Sono rappresentati, prevalentemente, da sistemi computerizzati, (figura II.21), in grado di gestire diverse soluzioni concentrate e un numero, più o meno elevato, di settori. Per tutti i sistemi di dosaggio citati, a valle degli stessi, è opportuno prevedere l’installazione di un filtro a schermo, allo scopo di trattenere eventuali precipitati che si possono formare in fase di diluizione del fertilizzante.
70
Fig. II.21, Computer di fertirrigazione. [6]
II.1.7 Dispositivi di erogazione della soluzione nutritiva Per la distribuzione di soluzioni fertilizzanti in colture su terreno, sono, generalmente, impiegate manichette forate, tubi essudanti e ali gocciolanti. Le ali gocciolanti, costituite da tubazioni semirigide in PE, di diametro variabile da 16 a 20 mm, possono presentare erogatori non autocompensanti o autocompensanti. Nel primo caso, si riscontrano problemi di intasamento, nel secondo, invece, è possibile garantire per oltre 300 m di lunghezza, una elevata uniformità di distribuzione, anche in terreni non perfettamente livellati.
II.1.8 Dispositivi di controllo dei turni irrigui I turni di erogazione possono essere controllati da semplici temporizzatori o, nei sistemi più attuali, da programmatori in grado di gestire l’irrigazione in funzione di parametri ambientali, quali la luminosità, o colturali quali il livello di umidità del substrato e la percentuale di drenaggio. In linea del tutto generale, per le coltivazioni fuori suolo attuate con sistemi senza substrato, quali l’NFT e l’aeroponia, sono sufficienti semplici programmatori a tempo, in grado di garantire alternanza fra periodi di erogazione della soluzione e periodi di asciutta. La durata e frequenza degli interventi fertirrigui viene definita sulla base delle condizioni climatiche e della fase fenologica delle piante. Operando in coltivazioni su substrato o su suolo, invece, la gestione degli interventi fertirrigui, data la loro minor durata, richiede maggior attenzione al fine di garantire alle piante, i giusti approvvigionamenti idrici e nutrizionali, evitando sia fenomeni di lisciviazione che di concentrazione di elementi nutritivi nel substrato e/o terreno. Come sarà, successivamente, descritto a proposito dei differenti sistemi di coltivazione e della gestione della nutrizione, la frequenza e durata dei turni irrigui, deve tener conto non solo delle esigenze specifiche della pianta, ma anche delle 71
caratteristiche del substrato o terreno in cui si opera e della qualità dell’acqua di irrigazione. Spesso, infatti, per opera dell’assimilizazione delle piante, delle caratteristiche del substrato (granulometria, CSC, ecc.) e della qualità delle acque (EC, contenuto di Na, ecc.) si vengono a creare, a livello radicale, valori di EC e pH sensibilmente diversi dalla soluzione erogata. Brusche variazioni dei valori di EC, pH e umidità a livello radicale, potrebbero tradursi in danno, anche grave, per la coltura. Gli interventi fertirrigui dovranno avere durata e frequenza tali, da consentire un corretto approvvigionamento idrico e nutrizionale alle piante, attraverso un adeguato rinnovo della soluzione nutritiva nel substrato. Andranno evitati, pertanto, sia carenze che si tradurrebbero in accumulo di sali a livello radicale (aumento della EC) e riduzione dei valori di umidità del substrato, sia eccessi che porterebbero, oltre che a perdita di elementi nutritivi per lisciviazione, anche ad una brusca riduzione dei valori di EC nel mezzo e ad eccessi di umidità a livello radicale. Una corretta programmazione degli interventi fertirrigui può essere ottenuta anche con semplici timer, tuttavia il continuo variare delle esigenze idriche delle piante e delle condizioni climatiche, impone un costante aggiornamento della programmazione dei turni irrigui. Per tale ragione si tende, sempre più, a far ricorso a sistemi di controllo dell’irrigazione, in grado di variare durata e frequenza degli interventi fertirrigui, in funzione di diversi parametri sia climatici che colturali. Fra questi si ricordano: programmatori a somma di luce (figura II.22), in grado di variare il numero degli interventi irrigui, in funzione dell’intensità della radiazione rilevata a mezzo di apposite sonde;
Fig. II.22, Programmatore a somma di luce a sinistra, sonda di rilevazione a destra. [6]
72
misuratori di drenaggio, in grado di rilevare la quota di soluzione che fuoriesce dai moduli di coltivazione ad ogni intervento di fertirrigazione, provvedendo a correggere durata e frequenza dei successivi, a seconda del valore rilevato; il peso del modulo di coltivazione può essere impiegato per valutare il grado di umidità del substrato e agire sui turni irrigui, al fine di mantenere tale valore entro livelli ottimali. Normalmente, parte o tutti, i sensori descritti sono applicati a sistemi computerizzati, che consentono una gestione completa della fertirrigazione.
73
II.2 Gestione del sistema II.2.1 Substrati I requisiti più importanti che un substrato deve possedere, al fine di consentire alla pianta di accrescersi nelle migliori condizioni, sono i seguenti:
costituzione, struttura, capacità di ritenzione idrica, potere assorbente, pH, contenuto in elementi nutritivi ed EC, potere isolante, sanità, facilità di reperimento e costo.
Costituzione atta a garantire l’ancoraggio dell’apparato radicale e a sostenere le piante. Alcuni substrati, a causa del loro basso peso specifico apparente (PA, peso specifico apparente o densità apparente, espresso dal peso secco del substrato per unità di volume apparente) e della loro incoerenza, come è il caso dei terricci grossolani, della perlite (ca. 100 kg/m3), del polistirolo in granuli (ca. 35 kg/m3) e della stessa torba di sfagno non compressa (ca. 60 kg/m3), non si prestano ad essere impiegati da soli nelle colture in vaso. Il PA ottimale per le colture in contenitore oscilla fra 150 e 500 kg/m3. Struttura caratterizzata da una più accentuata porosità, rispetto al normale terreno agricolo. Il substrato ideale per colture in vaso, dovrebbe avere un volume lacunare di almeno il 75%, con percentuali variabili di macro e micropori, in relazione alla specie coltivata e alle condizioni ambientali e colturali: orientativamente, il 40-60% dovrebbe essere interessato dalla fase liquida e il restante 15-35% da quella gassosa, per garantire il giusto apporto di ossigeno alle radici. Altro requisito molto importante, è che la struttura si mantenga stabile nel tempo e resista, quindi, al compattamento ed alla riduzione di volume, in fase di disidratazione (restringimento); un eccessivo restringimento del substrato (figura II.23), infatti, può causare la rottura delle radici. Un buon materiale dovrebbe presentare un grado di restringimento non superiore al 30% del volume.
74
Fig. II.23, Riduzione di volume da restringimento. [6]
Capacità di ritenzione idrica tale da assicurare livelli di umidità del substrato, costanti e ottimali per le colture, senza dover ricorrere a irrigazioni troppo frequenti. La capacità di ritenzione idrica non deve essere, comunque, eccessiva per non determinare problemi di asfissia radicale e di raffreddamento del mezzo di coltura. Nel caso delle colture in vaso, bisogna tener presente che questo parametro varia con l’altezza del contenitore (figura II.24) e tende ad aumentare man mano che si riduce lo spessore del substrato (in quanto si riduce l’acqua di percolazione). Per tale motivo, nei contenitori poco profondi, è necessario aumentare i componenti drenanti del substrato. La capacità di ritenzione idrica in contenitore, infatti, corrisponde alla quantità d’acqua che, in un substrato in precedenza saturato, permane dopo lo sgocciolamento.
Fig. II.24, Effetto della gravità (altezza del vaso) sulla capacità di ritenzione idrica di un substrato a parità di volume (da Styer e Koranski, 1997 modificato). [6]
75
Infine, bisogna considerare che, con il procedere dell’accrescimento dell’apparato radicale viene via via ridotta la porosità libera e vengono modificate le caratteristiche idrologiche del substrato. Per questo motivo, nelle colture a ciclo lungo, è necessario, dopo un certo periodo variabile, in relazione alla velocità di crescita delle piante (2-6 mesi), effettuare il rinvaso. Potere adsorbente elevato, evidenziato da una elevata Capacità di Scambio Cationico (CSC). Questa caratteristica è importante, soprattutto, quando si usano concimi solidi, meno quando si applicano fertirrigazioni molto frequenti. In generale, i materiali di origine organica, al contrario di quelli minerali, presentano una elevata CSC e un alto potere tampone. pH adatto alle esigenze della specie coltivata. I substrati con pH basso risultano più adatti alle colture in contenitore, in quanto più facilmente modificabili verso i livelli desiderati (correzione mediante carbonato di calcio) ed anche perché rispondono alle esigenze di un più largo numero di specie. Inoltre, durante la coltivazione, il pH tende ad innalzarsi a causa delle irrigazioni con acque dure. Il pH può variare, anche in relazione al tipo di fertilizzante impiegato. Più difficile risulta la correzione di un substrato alcalino, che può essere realizzata con l’aggiunta di zolfo o concimi fisiologicamente acidi (solfato di ammonio, solfato di potassio) o costituzionalmente acidi (perfosfato minerale). Contenuto in elementi nutritivi equilibrato in dotazione nota e con valori di EC modesti. In molti casi, viene preferito l’impiego di un substrato povero o chimicamente inerte, al fine di poter aggiungere allo stesso o alla soluzione nutritiva, gli elementi fertilizzanti, in relazione alle esigenze specifiche e alla fase fenologica della pianta. Oltre al contenuto di nutrienti, particolare attenzione andrà rivolta alla verifica della EC. Tale intervento permette di rilevare la presenza di ioni che, pur non importanti sotto il profilo nutrizionale (es. Na), possono rivestire un ruolo determinante nel valutare l’idoneità di impiego del substrato. Potere isolante elevato al fine di ridurre le escursioni termiche del substrato. Questa proprietà è correlata con la capacità di ritenzione idrica, ma può essere influenzata anche dal colore e dalla conducibilità termica del materiale. È noto, infatti, che l’aumento di temperatura e le escursioni termiche di un substrato sono tanto minori quanto maggiore è il suo contenuto d’acqua. I substrati organici, inoltre, si scaldano meno di quelli sabbiosi, poiché possiedono un più elevato calore specifico; altri prodotti di origine industriale (polistirolo e vermiculite) presentano una modesta dispersione termica, per la bassa conducibilità. Sanità assicurata da assenza di agenti patogeni (nematodi, funghi, insetti) e di sostanze potenzialmente fitotossiche (fitofarmaci) e semi di erbe infestanti. Alcuni materiali, derivati da processi industriali (argilla espansa, perlite, lana di roccia, vermiculite e polistirolo), presentano garanzie di sanità, in virtù dei trattamenti termici subiti durante il ciclo di lavorazione. Per molti substrati di origine naturale (es. cortecce, terricci di foglie), invece, la possibile presenza di patogeni e/o 76
sostanze fitotossiche rappresenta un problema reale. A questo proposito, gli interventi più opportuni sono rappresentati dalla sterilizzazione e dal compostaggio. Attualmente, prima del loro impiego, si ricorre con maggiore frequenza alla sterilizzazione fisica a mezzo calore piuttosto, che ad interventi chimici (fumigazioni, disinfestazioni ecc.), in quanto minori sono i pericoli di fitotossicità residua e i rischi per l’operatore. Il substrato, inoltre, deve essere di costo contenuto, di facile reperibilità e standardizzabile, dal punto di vista chimico-fisico, nel tempo e nello spazio. Come si può vedere, alcuni di questi requisiti rappresentano dei veri e propri vincoli, nella scelta dei substrati, altri possono diventare vincolanti, a seconda delle situazioni contingenti (specie, fase di accrescimento e sua durata, stagione, volume e geometria del contenitore, tecniche colturali). Si cerca, per questo, un compromesso ben ponderato, fra queste esigenze contrapposte, tecniche da una parte ed economiche dall’altra. Data l’ampiezza del campo, verranno trattati solo i substrati più utilizzati nelle colture fuori suolo, per loro natura principalmente inorganici.
Sabbia Materiale inorganico di origine naturale, con particelle di diametro compreso tra 0.05 e 2.0 mm, originatosi dal disfacimento di diversi minerali. La composizione chimica della sabbia può variare, a seconda della sua origine, ma in generale risulta costituita per il 98.0-99.5% da silice (SiO2). Il pH può subire oscillazioni in rapporto ai singoli componenti, ma soprattutto in relazione al contenuto in calcare. Le sabbie con pH 6.4-7.0 risultano migliori, poiché quelle ricche di carbonato di calcio determinano l’insolubilizzazione del fosforo e di alcuni microelementi (es. ferro, manganese). Sono da preferite le sabbie di fiume, rispetto a quelle di duna.
Fig. II.25, Esempio di substrato in sabbia. [6]
77
Come tutti i substrati di origine minerale, presenta ridotta CSC e basso potere tampone. La porosità totale varia dal 40% al 50% del volume, ma la capacità di ritenzione idrica va dal 20% al 40% rispettivamente per le sabbie grossolane (> 0.5 mm) e quelle più fini (0.05-0.5 mm). Queste ultime sono quelle più adatte ad essere utilizzate in ortofloricoltura: possono essere impiegate da sole nelle semine e per la radicazione di talee, oppure in miscuglio (10-30% in volume) con materiali organici durante la fase di coltivazione. Le sabbie grossolane possono venire impiegate qualora sia necessario aumentare la capacità drenante del substrato. L’elevato peso della sabbia fornisce una maggiore stabilità ai vasi, soprattutto per quelle piante che si sviluppano molto in altezza, quando vengono impiegati componenti con basso PA (torba e terricci di foglia) e contenitori molto leggeri (plastica rigida). Può essere impiegata da sola per colture in fuori suolo.
Pomice Silicato di alluminio di origine vulcanica, molto leggero e poroso, che contiene piccole quantità di sodio e potassio, e tracce di calcio, magnesio e ferro. È in grado di trattenere calcio, magnesio, potassio e fosforo dalle soluzioni nutritive e di cederli gradualmente alla pianta. Presenta reazione intorno alla neutralità, ma alcuni materiali possono avere pH eccessivamente elevato, buona porosità libera, ma bassa capacità di ritenzione idrica. La struttura, tuttavia, tende a degradarsi abbastanza rapidamente, a causa della facile rottura delle particelle. La pomice, aggiunta alla torba, aumenta il drenaggio e l’aerazione del substrato. Commercialmente si ritrovano prodotti di diversa granulometria e, per l’impiego in orto-floricoltura, vanno preferiti quelli con particelle da 2 a 10 mm di diametro.
Fig. II.26, Esempio di substrato in pomice. [6]
Tufi vulcanici I tufi vulcanici sono caratterizzati da CSC molto bassa e da pH compreso tra 7 e 8. Presentano, inoltre, elevati PA e porosità libera, ma capacità di ritenzione idrica molto ridotta. Le loro proprietà fisiche, tuttavia, dipendono dalle dimensioni delle 78
particelle. In commercio esistono prodotti a differente granulometria e la frazione predominante è rappresentata da particelle con diametro compreso tra 2 e 6 mm. I tufi vulcanici vengono aggiunti alla torba o ad altri materiali organici, per aumentare la capacità per l’aria e il drenaggio del substrato.
Vermiculite Silicato idrato di magnesio alluminio e ferro, che allo stato naturale presenta struttura a lamelle sottili, che trattengono minutissime gocce d’acqua. Questo materiale viene estratto, soprattutto, in Sudafrica e negli USA. La preparazione della vermiculite avviene tramite riscaldamento (750-1000°C), durante il quale l’acqua trattenuta tra le lamelle viene rapidamente trasformata in vapore. Il conseguente aumento di pressione provoca la dilatazione delle particelle (fino a 1520 volte il loro volume) che assumono una struttura porosa a nido d’ape. Il prodotto finale risulta sterile e viene suddiviso in quattro classi granulometriche (da 0.75-1.0 a 5-8 mm). La vermiculite è caratterizzata da elevato potere tampone e da valori di CSC simili a quelli delle migliori torbe ma, rispetto a queste ultime, presenta una più elevata disponibilità di nutrienti (5-8% di potassio e 9-12% di magnesio). Tali caratteristiche devono essere attentamente valutate, quando si prepara un programma di fertilizzazione di un substrato contenente questo materiale. La reazione è debolmente acida o neutra, ma alcuni tipi possono presentare un pH debolmente alcalino, probabilmente per la presenza di ossidi di Mg; in questo caso, il materiale risulta poco adatto per la coltivazione. Per quanto riguarda le caratteristiche fisiche, possiede basso PA, elevata porosità totale ed elevata capacità idroassorbente (trattiene quantità di acqua fino a 5 volte il suo peso). La struttura, tuttavia, è poco stabile, in quanto presenta una scarsa resistenza alla compressione e tende a degradarsi con il tempo, favorendo il ristagno dell’acqua. Per tale ragione, è preferibile miscelarla con la perlite o con la torba. Tal quale, può essere usata nelle semine e per la radicazione di talee oppure per coltivazioni in fuori suolo.
Fig. II.27, Esempio di substrato in vermiculite. [6]
79
Perlite Silicato di alluminio di origine vulcanica, che contiene il 75% di SiO2 ed il 13% di Al2O3. Il materiale grezzo viene frantumato, setacciato, compresso e riscaldato a 700-1000°C. A queste temperature, la poca acqua contenuta nel minerale si trasforma in vapore, espandendo le particelle in piccoli aggregati grigio-biancastri che, a differenza della vermiculite, presentano una struttura a celle chiuse. Non contiene alcun nutriente per le piante, ha CSC trascurabile ed è praticamente neutra. Il pH, tuttavia, può variare facilmente, in rapporto alla qualità dell’acqua irrigua, poiché il potere tampone del materiale è nullo. Quando viene utilizzata in alta percentuale nel substrato, è buona norma tenere sotto controllo il pH, che non deve scendere a valori inferiori a 5, per evitare effetti fitotossici dovuti a eccesso di alluminio.
Fig. II.28, Esempio di substrato in perlite. [6]
È un materiale sterile, molto leggero e che possiede elevata porosità libera, anche dopo l’imbibizione. La struttura, a celle chiuse, permette di trattenere l’acqua, solo sulla superficie e negli spazi tra gli agglomerati, per cui la capacità di ritenzione idrica è variabile, in relazione alle dimensioni di questi ultimi. Viene commercializzata in diverse granulometrie, ma quella più idonea all’attività ortofloro vivaistica è quella con granuli da 2-5 mm di diametro. Tal quale, può essere usata come substrato nei letti di radicazione, perché assicura una buona aerazione all’apparato radicale. A causa dell’inerzia chimica, scarsa consistenza e coesione, risulta inadatta come sub-strato di coltivazione. Nei miscugli con materiali organici, conferisce al substrato maggiore sofficità, permeabilità ed aerazione, migliorandone le caratteristiche fisiche. La perlite può essere riutilizzata anche per parecchi anni, purché sterilizzata. Quando la struttura comincia ad alterarsi, si osserva un viraggio di colore, dal grigio-biancastro al giallo.
80
Argilla espansa Si ottiene trattando la polvere di argilla a circa 700°C. In relazione al materiale argilloso utilizzato, si formano così degli aggregati stabili, che presentano valori variabili per quanto riguarda: CSC, pH e PA. Può essere usata in miscugli con materiali organici, nella quantità di circa 10-35 % del volume, ai quali conferisce maggiore aerazione e drenaggio. Quella che presenta pH>7 non è adatta all’impiego in orto-floricoltura.
Fig. II.29, Esempio di substrato in argilla espansa. [6]
Lana di roccia Rappresenta il substrato maggiormente impiegato nelle coltivazioni fuori suolo. Deriva dalla fusione a 1500-2000°C di silicati di alluminio, calcio e magnesio e del carbon coke (tabella II.5). La miscela liquefatta viene estrusa in fili di 0.05 mm di diametro e, successivamente alla compressione e all’aggiunta di particolari resine, il materiale assume una struttura fibriforme molto leggera (80 kg/m3) con una elevata porosità. La lana di roccia è sterile e chimicamente inerte e, quando aggiunta ad un substrato, ne migliora le caratteristiche di aerazione e drenaggio e permette anche un ottimo ancoraggio per le radici. Viene impiegata da sola, come substrato di semina e per coltivazioni fuori suolo. È confezionata con formati diversi in relazione alle esigenze di impiego: per il vivaismo si utilizzano tappi seme (plug), tappi talea e cubi di vario formato; per la coltivazione è prodotta in lastre, che presentano lunghezza variabile da 1 a 2 metri, spessore da 7.5 a 10 cm e larghezza da 10 a 20 cm.
81
Fig. II.30, Esempio di substrato in lana di roccia. [6]
Le fibre possono essere disposte con orientamento orizzontale o verticale, per garantire una maggiore durata nel tempo e una diversa capacità di ritenzione idrica. In generale vengono utilizzate lastre di minor spessore, con fibre verticali, negli ambienti con clima freddo e lastre di maggior spessore, con fibre disposte orizzontalmente, per garantire maggiore ritenzione idrica, in condizioni di clima caldo. Le lastre usate per la coltivazione possono essere impiegate per più cicli produttivi, avendo l’avvertenza di verificare che lo spessore del substrato sia rimasto sufficiente, per garantire un corretto accrescimento dell’apparato radicale oltre ad un’adeguata reidratazione con livelli omogenei di umidità, EC e pH.
Elementi Silicio Calcio Alluminio
% 47 16 14
Elementi Magnesio Ferro Sodio
% 10 8 2
Elementi Titanio Potassio Manganese
% 1 1 1
Tabella II.5, Maggiori costituenti della lana di roccia Grodan (ossidi % sul peso totale - da Cultureslegumiéères sur substrats - C.T.I.F.L. 1996)
82
Per meglio osservare le caratteristiche dei substrati nelle loro diversità è interessante osservare la tabella riassuntiva II.6.
Substrato
PA [Kg/m3]
Sabbia Pomice
14001600 450-670
Tufi vulc.
Por. totale [%vol] 40-50
Por. libera [%vol] 1-20
Riten. idrica [vol] 20-40
CSC [meq%]
55-80
30-50
24-32
-
570-630
80-90
75-85
2-5
3-5
0.080.012 -
Vermiculite
80-120
70-80
25-50
30-55
80-150
0.05
Perlite
90-130
50-75
30-60
15-35
1.5-3.5
Argilla esp.
300-700
40-50
30-40
5-10
3-12
0.020.04 0.02
Polistirolo
6-25 85-90
55 95-97
52 10-15
3 75-80
-
0.01 0.01
Lana roccia
20-25
EC [mS/ cm] 0.10
pH 6.47.9 6.79.3 7.08.0 6.07.2 6.57.5 4.59.0 6.1 7.07.5
Tabella II.6, Caratteristiche chimico-fisiche di alcuni substrati inorganici e sintetici impiegati in colture in contenitore e in fuori-suolo. [6]
II.2.2 I nutrienti La corretta gestione, della nutrizione delle piante, non può escludere la conoscenza di alcuni principi di base, relativi ai processi che regolano l’assorbimento e l’utilizzazione dei principali macro e microelementi. Sebbene per lo sviluppo equilibrato delle piante tutti i nutrienti che verranno di seguito illustrati sono indispensabili, questi sono stati suddivisi in macro e micro elementi, sulla base del fatto, che i primi vengono assorbiti in quantitativi relativamente più elevati dei secondi. Di seguito verranno, sinteticamente, considerate le caratteristiche dei più importanti macro e micronutrienti e di alcuni meccanismi coinvolti nella nutrizione delle piante.
83
Macroelementi Azoto L’azoto (N) viene assorbito per sintetizzare amminoacidi proteine, enzimi e clorofilla; le forme più impiegate per fertirrigazione sono: nitrica, ammoniacale e talvolta ureica. La forma nitrica è prontamente assorbita dalle radici, molto mobile all'interno della pianta e può essere immagazzinata dalla stessa, ad elevate concentrazioni senza indurre tossicità. Quella ammoniacale può essere assorbita dalla pianta solo in piccole quantità, mentre le dosi più consistenti vengono utilizzate, previa ossidazione a nitrato, da parte dei batteri del suolo. Le piante, senza incorrere in problemi di tossicità, possono accumulare solo bassi livelli di NH4. Quantitativi più elevati provocano fenomeni di tossicità, che si rivelano sulle foglie più vecchie con clorosi lungo i margini, i quali tendono ad incurvarsi verso l’alto. Eccesso di azoto provoca: abbondante rigoglio vegetativo, allungamento del ciclo colturale, colorazione verde intenso delle foglie, scarsa allegagione dei fiori, tessuti molto ricchi di acqua, scarsa lignificazione e consistente accumulo di nitrati. Come appare dalla figura II.31, la carenza di azoto si manifesta con: colorazione verde pallido delle foglie più vecchie (ingiallimento), stentato accrescimento e anticipo della senescenza.
Fig. II.31, Esempio di carenza di Azoto su sedano (A) e stella di Natale (B), (materiale fornito dalla diateca CIFO S.p.A.). [6]
Potassio Il potassio (K) riveste fondamentale importanza per la distensione cellulare, la sintesi proteica, l’attivazione degli enzimi, la fotosintesi e agisce anche da trasportatore di altri elementi e carboidrati, attraverso la membrana cellulare. Assume, poi, un ruolo importante nel mantenere in equilibrio il potenziale osmotico della cellula e di regolare l’apertura stomatica. Parimenti al nitrato, è molto mobile 84
all’interno della pianta, infatti, i primi segni di carenza si manifestano sotto forma di macchie giallastre che, molto rapidamente, necrotizzano sui margini delle foglie più vecchie. Piante K-carenti risultano essere maggiormente suscettibili a repentini abbassamenti di temperatura, stress idrici e attacchi fungini. Un eccesso, impedisce l’assorbimento di calcio e magnesio.
Fig. II.32, Esempio di carenza di K su cetriolo (materiale fornito dalla diateca CIFO S.p.A.). [6]
Fosforo La disponibilità di fosforo (P) nel mezzo di coltura favorisce lo sviluppo delle radici, il rapido accrescimento del germoglio e la quantità dei fiori. Questo elemento, quando disponibile, viene assorbito con molta facilità e può essere accumulato senza danni per la pianta. Il suo ruolo fondamentale è legato alla formazione di composti ad elevata energia (ATP), necessari per il metabolismo dei vegetali. Le quantità, mediamente, richieste sono piuttosto modeste (10-15% dei fabbisogni di N e K). Da tenere, però, in considerazione che, contrariamente a quanto si verifica in terreno, il P è facilmente lisciviabile nelle colture fuori suolo. L’assorbimento del P, risulta essere molto depresso dalle basse temperature del substrato (< 13 °C) o da elevati valori di pH (>6.5) che possono portare a sintomi di carenza. In queste condizioni è più efficace l’innalzamento del livello termico e/o la riduzione del pH che la somministrazione di concimi fosfatici. Gli eccessi di P possono ridurre o bloccare l’assorbimento di alcuni micronutrienti (Cu, Ca, Zn). La carenza di fosforo si manifesta con colorazione verde-viola delle foglie più vecchie, cui può seguire clorosi e necrosi, oltre a stentato accrescimento dell’apice vegetativo. Tuttavia, tali sintomi sono aspecifici e fanno sì che le carenze da P siano difficilmente identificabili. Calcio Il calcio (Ca) è coinvolto nella formazione della parete cellulare, nella permeabilità della membrana e nella divisione e distensione delle cellule. Una buona disponibilità conferisce alla pianta maggiore resistenza agli attacchi fungini e alle 85
infezioni batteriche. L’assorbimento, è legato, molto strettamente, al flusso idrico tra radici e parte aerea. Il suo movimento avviene attraverso lo xilema e, quindi, risulta particolarmente influenzato dalla bassa temperatura a livello radicale, dal ridotto rifornimento idrico (siccità o salinità della soluzione) o all’eccessiva umidità relativa dell’aria. L’assorbimento del Ca è molto condizionato dalla presenza di altri cationi (K, Na, Mg e NH4) come appare dalla tabella e dal pH. Il Ca non è mobile all’interno della pianta e quindi le carenze si manifestano a partire dalle parti di più recente formazione. I principali sintomi sono: blocco dell’accrescimento della pianta, deformazione dei margini delle foglie più giovani, colorazione verde chiaro o talvolta clorotica dei tessuti nuovi, apparato radicale stentato, poco accresciuto e privo di peli. Le carenze si manifestano con modalità diverse, es. marciumi apicali nel pomodoro, imbrunimento marginale delle foglie in lattuga. La carenza di Ca è spesso legata ad una indisponibilità dell’elemento, pertanto si può provvedere con la somministrazione di composti a base di Ca o con il ripristino delle condizioni ottimali di assorbimento (temperatura, pH, umidità relativa), o dell’equilibrio tra i principali nutrienti (N:K:Ca:Mg = 1:1:1:1/2).
Fig. II.33, Sintomi da carenza di calcio. [6]
Elementi in eccesso N NH4 K P Ca Mg Na Mn Fe Zn Cu
Elementi inibiti K Ca, Cu N, Ca, Mg Cu, Fe, B Mg, B Ca Ca, K, Mg Fe, Mo Mn Mn, Fe Mn, Fe, Mo
Tabella II.7, Contrasti tra elementi in eccesso ed in deficienza. [6]
86
Magnesio Il magnesio (Mg) riveste particolare importanza, poiché entra nella costituzione delle molecole di clorofilla. Viene immobilizzato, a valori di pH del mezzo di coltura, inferiori a 5.5 ed entra in competizione con l’assorbimento di K, Ca, Mn, Na e NH4. I sintomi di carenza sono evidenziati da ingiallimento e clorosi internervale delle foglie basali, come appare dalla figura II.34.
Fig. II.34, Carenza da magnesio, [6]
Zolfo Lo zolfo (S) è richiesto dalla pianta in quantitativi paragonabili a quelli del P e, al fine di un suo ottimale assorbimento, è necessario che sia presente in rapporto 1:10 con l’azoto. Viene assorbito sotto forma di solfato. Le carenze non sono facilmente diagnosticabili, in quanto i sintomi possono essere confusi con quelli di N-carenza, ad eccezione del fatto che la deficienza di azoto inizia a manifestarsi dalle foglie più vecchie, mentre quella dello zolfo dalle più giovani.
Microelementi Ferro Il ferro (Fe) è indubbiamente, il più importante poiché entra in molti processi biologici, come ad esempio la fotosintesi. Per il suo migliore assorbimento, è necessario che il pH del mezzo di coltura sia compreso tra 5.5-6.0 e che non si operi in presenza di eccessivi livelli di Mn, con il quale entra in competizione. A bassa temperatura si riduce l’efficienza di assimilazione. La carenza si manifesta con clorosi internervale che, dalle foglie giovani, si sposta verso quelle basali più vecchie, e da un ridotto accrescimento dell’apparato radicale. I sintomi di carenza non sono sempre dovuti alla presenza di quantitativi ridotti nel mezzo di coltura, ma spesso a condizioni che lo rendono non disponibile per la pianta es. pH anomalo o eccessi di Mn. L’impiego di chelanti idonei, per una data soluzione nutritiva, garantisce costante disponibilità di Fe per la pianta. Il rapporto ottimale Fe:Mn si aggira intorno a 2:1 per la maggior parte delle colture. 87
Cloro Il cloro (Cl), solo di recente ha iniziato ad essere considerato un micronutriente, anche se il suo contenuto nelle piante (0.2-2.0%) è piuttosto elevato. Viene facilmente assorbito dalla pianta ed è molto mobile all’interno della stessa. Interviene nel processo fotosintetico e nella regolazione dell’apertura degli stomi. Le carenze, poco frequenti, si manifestano con tipici sintomi di appassimento delle foglie, specialmente ai margini. Molto più diffusi i danni da eccesso che portano a vistose contrazioni dell’accrescimento, in relazione alla diversa sensibilità delle specie (orzo, spinacio, lattuga, barbabietola poco sensibili; fagiolo, cotone e alberi da frutto molto sensibili). Per evitare danni alle colture è opportuno controllare sempre la dotazione delle acque irrigue e scegliere i concimi opportuni (es. K2SO4 piuttosto che KCl). Sodio Il sodio (Na), se in eccesso, risulta dannoso per le piante, poiché tossico, interferisce con l’assorbimento di altri ioni e deteriora la struttura del terreno. L’antagonismo con il K, ad esempio, non è sempre dannoso in quanto, nel pomodoro, stimola la sapidità delle bacche, mentre nel fagiolo deprime l’accrescimento della pianta. Come per il Cl, è importante la conoscenza della dotazione delle acque irrigue. Manganese Il manganese (Mn) entra a far parte di molti coenzimi ed è coinvolto nell’allungamento delle cellule radicali e nella loro resistenza ai patogeni. La sua disponibilità è controllata dal pH del mezzo di coltura e dalla competizione con altri elementi. I sintomi di carenza sono assimilabili a quelli del Fe, ad eccezione della comparsa di aree leggermente incavate nelle zone internervali. La correzione può essere praticata con l’aggiunta di MnSO4 o con l’abbassamento del pH della soluzione nutritiva. Boro Il boro (B) è essenziale per la fecondazione, l’allegagione dei frutti e lo sviluppo dei semi. Le modalità di assorbimento sono analoghe a quelle già descritte per il Ca con il quale può entrare in competizione. Il pH del mezzo di coltura deve essere inferiore a 6.0 e il livello ottimale sembra doversi individuare tra 4.5 e 5.5. I sintomi di carenza, iniziano ad evidenziarsi nelle nuove strutture che appaiono di colore verde scuro, le giovani foglie accrescono molto il loro spessore e hanno consistenza cuoiosa. Successivamente, possono presentarsi clorotiche e poi necrotiche, con colorazione rugginosa.
88
Fig. II.35, Carenza da Boro. [6]
Zinco Lo zinco (Zn) svolge un’azione importante, in certe reazioni enzimatiche. Il suo assorbimento è fortemente influenzato dal pH del terreno e dalla dotazione di P. Nei confronti del pH i valori che ne favoriscono l’assorbimento sono compresi tra 5.5 e 6.5; al di sotto di questi si possono verificare danni da tossicità alle piante. Bassa temperatura, elevata umidità del terreno ed elevati livelli di P riducono la quantità di zinco che viene assorbita dalla pianta. Raramente si manifestano carenze, i cui sintomi sono rappresentati da macchie clorotiche nelle zone internervali delle foglie, internodi molto corti, epinastia fogliare e scarso accrescimento. Rame Il rame (Cu) è coinvolto nei processi respiratori e in quelli fotosintetici. Il suo assorbimento viene ridotto a livelli di pH superiori a 6.5, mentre a valori inferiori di 5.5 si possono verificare effetti di tossicità. Elevati livelli di NH4+ e P interagiscono con il Cu, riducendone la disponibilità. L’eccessiva presenza di Cu, interferisce con l’assorbimento di Fe, Mn, Mo. Le carenze si manifestano con clorosi internervale, che portano al collasso dei tessuti della lamina fogliare che sembrano essiccati. Molibdeno Il molibdeno (Mo) è essenziale nella sintesi delle proteine e nel metabolismo dell’N. Contrariamente agli altri microelementi, è più disponibile a pH intorno alla neutralità. I sintomi di carenza iniziano a manifestarsi con clorosi e necrosi lungo la nervatura principale delle foglie vecchie, mentre quelle giovani appaiono deformate. Tale sintomatologia è particolarmente diffusa nelle leguminose, cavolfiore e mais, quando coltivate in monosuccessione.
89
Fig. II.36, Carenza da molibdeno. [6]
Per una visione più ampia si riporta la disponibilità degli elementi nutritivi in relazione al pH, situazione che sarà approfondita nel paragrafo II.2.6.
Fig. II.37, Influenza del pH sulla disponibilità dei nutrienti da www.igrowhydro.com
90
Preparazione della soluzione nutritiva
La soluzione nutritiva rappresenta la componente principale, nella conduzione della irrigazione fertilizzante. Il complesso dei nutrienti, da distribuire in soluzione acquosa, è costituito dai macro e micro-elementi, indispensabili alla vita della pianta e i suoi principali parametri guida sono rappresentati dalla elettroconducibilità (EC) e dalla reazione (pH). Per il calcolo della composizione delle soluzioni nutritive dovrà essere considerata la dotazione chimica dell’acqua e le specifiche esigenze della specie coltivata, in relazione alla fase fenologica, oltre ai fattori climatici e alle caratteristiche chimiche e fisiche del terreno o substrato. Questo elaborato di tesi, non ha le competenze necessarie se non per accennare delle ricette già testate per le diverse coltivazioni, si rimanda per cui alla bibliografia, ricordando che esistono soluzioni già preparate in commercio.
Tabella II.8, Elenco dei principali concimi impiegati per la formulazione delle soluzioni nutritive e loro titoli. [6]
91
Tabella II.9, Composizione della soluzione nutritiva per l’allevamento di diverse colture orticole, su substrato. [6]
Tabella II.10, Composizione della soluzione nutritiva per l’allevamento di diverse colture orticole, senza substrato. [6]
92
II.2.3 Disinfezione della soluzione Il recupero di una soluzione che è venuta a contatto con gli apparati radicali delle piante, oltre ai problemi legati al controllo del livello di nutrienti, rappresenta un potenziale veicolo di infezione, qualora una qualsiasi patologia entri nel sistema di coltivazione. In tempi estremamente rapidi, infatti, si potrebbe avere la diffusione del patogeno, all’intero impianto. In linea generale, si può affermare che il rischio di diffusione di patologie cresce all’aumentare della dimensione dell’unità colturale e risulta più elevato in sistemi senza substrato, in cui vi è un maggior contatto, fra gli apparati radicali rispetto a coltivazioni su substrato, nelle quali il mezzo di coltura è separato da contenitori di varia natura. La maggior parte dei patogeni, che destano preoccupazione nei sistemi di coltivazione fuori suolo, non differiscono da quelli riscontrati nelle colture praticate su terreno. Frequentemente, acquistano maggiore virulenza gli agenti di marciumi, principalmente, quelli più adattati alle condizioni di vita in mezzo liquido, spesso caratterizzato da ridotta ossigenazione. Per quanto sopra detto, appare ovvio che la gestione a ciclo chiuso non può prescindere da adeguati interventi di disinfezione, che devono essere praticati alla soluzione percolata, dai moduli di coltivazione, prima della successiva immissione in circolo. I vari sistemi preventivi di difesa, contro le fitopatie finora sperimentati, prevedono il trattamento della soluzione con metodi diversi: trattamento termico: considera l’impiego di scambiatori di calore a piastre, con le quali si pratica la pastorizzazione della soluzione nutritiva. L’applicazione di tale tecnica risulta, comunque, limitata principalmente per il suo elevato costo; ultrafiltrazione, trova ridotta applicazione, a causa della necessità di una continua pulizia dei filtri. Solo prevedendo batterie filtranti di diversa potenza, disposte a cascata, è possibile ottenere risultati soddisfacenti, che però innalzano i costi del sistema; trattamento con UV: prevede il passaggio della soluzione, spesso in precedenza filtrata, seppur grossolanamente, attraverso un reattore con lampade ad emissione, di lunghezza d’onda di 254 nm. Risulta il sistema maggiormente impiegato, efficace sia nei confronti di funghi che di batteri e virus, anche se il dosaggio di radiazione, per i diversi patogeni, risulta differente. Da ricordare che, la esposizione della soluzione alla radiazione luminosa, provoca la precipitazione del ferro, poiché vengono alterati i composti organici normalmente impiegati come chelanti. Ciò comporta, la necessità di prevedere la reintroduzione dello stesso, nella soluzione a valle, del dispositivo di trattamento e prima del reimpiego dello stesso. Altri sistemi, infine, sono quelli che prevedono il trattamento della soluzione nutritiva con ozono o acqua ossigenata.
93
Fig. II.38, Sistema di disinfezione UV. [6]
L’impiego di disinfettanti generici, invece, non trova applicazioni, se non per la pulizia degli impianti, alla fine del ciclo colturale, per l’impossibilità di definire dosaggi che siano, al tempo stesso, efficaci nei confronti dei patogeni ed innocui per le piante coltivate. Anche l’impiego di fungicidi, da addizionare alla soluzione, trova ridotta applicazione, oltre che per la limitata registrazione di principi attivi, anche per la scarsità di informazioni relativamente alle definizioni dei dosaggi, efficaci e non fitotossici, e per la possibilità di accumulo nelle parti eduli della pianta. Molti dei sistemi di trattamento della soluzione, fra quelli citati, tuttavia, oltre all’elevato costo presentano il rischio di creare il “vuoto biologico”, che potrebbe favorire, anziché ostacolare, la proliferazione di patogeni nella soluzione nutritiva. Per tale motivo, stanno assumendo un sempre maggiore interesse, i sistemi di filtrazione lenta, a sabbia, che presentano un costo contenuto ed evitano il vuoto biologico, poiché basano il proprio funzionamento sull’instaurarsi di un equilibrio micro-biologico, nel sistema di filtraggio. Consistono in una colonna in materiale plastico, dell’altezza di 2.5 - 3.0 metri, riempita per almeno 1 metro di materiale filtrante, rappresentato da sabbia silicea con granulometria variabile dai 0.2 ai 2.0 mm. La capacità filtrante varia da 100 a 200 litri per mq e per ora di funzionamento (un filtro della superficie di 1 mq riesce a trattare circa 5 m3 di soluzione al giorno). Una variante, al sistema descritto è rappresentata dalla possibilità di impiegare, quale materiale filtrante, lana di roccia, che permette di realizzare dispositivi caratterizzati da minor peso e con maggiore capacità di filtrazione, che consente di elevare fino a 300 litri per mq e per ora, la quantità di soluzione trattata. Nella tabella II.11 è presente uno schema riassuntivo riguardante applicazioni, vantaggi e svantaggi delle principali forme di disinfezione della soluzione nutritiva.
94
Tabella II.11, The advantage and disadvantage of most popular nutrient solution disinfection methods (from van Os et al, 2003; Runia, 1996, van Os2 011; Stewart- Wade, 2011). [10]
II.2.4 Salinità La caratterizzazione della salinità del terreno si è basata, per lungo tempo, sulla determinazione del contenuto salino, espresso come percentuale del peso totale. Tale sistema, non sembrava però del tutto esaustivo, in quanto, tra i diversi sali disciolti, permetteva di distinguere, al massimo, il carbonato di sodio dagli altri. Indipendentemente da questo inconveniente, sotto il profilo operativo, ciò che interessa conoscere, non è rappresentato dal contenuto di sali solubili presenti nel terreno, ma dalla pressione osmotica determinata dagli stessi. Al fine di ovviare a tale imprecisione, pertanto, si fa riferimento alla determinazione della elettroconducibilità o conducibilità elettrica (EC) dell’estratto saturo del terreno, indice strettamente correlato con la pressione osmotica. 95
L’ apparato radicale del vegetale, infatti, assorbe l’acqua e i nutrienti che gli sono necessari per osmosi dalla soluzione circolante. Tale fenomeno fisico, si verifica tra due soluzioni a diversa concentrazione salina, separate da una membrana semipermeabile assimilabile a quella che avvolge i peli radicali. In tale situazione, dalla soluzione meno concentrata, il liquido attraverserà questa membrana fino a portare le due soluzioni alla stessa concentrazione. Le due soluzioni avranno, pertanto, raggiunto la stessa pressione osmotica, il che equivale a dire la stessa “salinità”. Pertanto, tanto più elevata sarà la salinità della soluzione circolante del terreno, tanto più difficoltoso risulterà il passaggio di questa, all’interno della pianta (assorbimento). Nel caso di valori di pressione osmotica eccessivamente alti, in presenza di temperatura ambiente elevata, si può giungere alla devitalizzazione della pianta, per disidratazione della stessa. Indubbiamente la misura della EC fornisce un dato più attendibile per la valutazione della salinità del terreno, rispetto alla percentuale in peso dei sali presenti nello stesso. Tale determinazione non è però da considerare del tutto soddisfacente, poiché non consente di trarre indicazioni sulla qualità dei sali, infatti, non è possibile stabilire se la salinità è data da un sale “utile”, come ad esempio il nitrato di calcio, o “dannoso” come il cloruro di sodio.
II.2.5 pH La reazione della soluzione circolante o pH, influenza sensibilmente le condizioni di abitabilità e nutrizione e può assumere, teoricamente, valori che oscillano da 0 a 14. Nel terreno o nei substrati, però, i valori estremi non sono praticamente riscontrabili e la classificazione sulla base dei valori di pH è riportata in tabella II.12.
Classificazione Fortemente acidi Acidi Sub-acidi Neutri Sub-basici Basici Alcalini
Valori <5.5 5.5-6.0 6.0-6.8 6.8-7.3 7.3-8.0 8.0-8.5 >8.5
Tabella II.12, Classificazione del terreno agrario sulla base dei valori di pH. [10]
I valori di pH sono, direttamente, influenzati da una serie complessa di fattori, legati alla natura stessa del terreno. In tale contesto, si osserva che, quando si opera per modificare in qualche modo la reazione, questi fattori restano sempre attivi e tendono a riportare la reazione al valore originario. Questa attività è denominata “potere tampone”. In molti terreni, è talmente forte da impedire qualunque 96
variazione del pH a medio-lungo, termine. Nel Veneto orientale, ad esempio, il trasporto da parte dei fiumi, e la successiva sedimentazione di materiali derivanti dalla disgregazione delle rocce dolomitiche e calcaree, hanno dato origine alle attuali pianure con terreni di tipo alluvionale. Questi, sono così ricchi di carbonati, che nemmeno il totale delle precipitazioni piovose acide di un secolo sarebbe in grado di mutare la reazione attuale. Nei confronti del pH, le piante possiedono diversa attitudine intrinseca, a vivere in condizioni diversificate. Ciò consente, all’agronomo, di poter scegliere le colture più adatte all’ambiente in cui si trova ad operare e, nel caso si abbia la possibilità di conoscere la vegetazione spontanea, si può dedurre, con buona approssimazione, il pH del terreno. Ogni specie vegetale, pertanto, predilige un determinato valore di pH (tabella II.13) ma, la maggior parte di esse, è in grado comunque di adattarsi a valori compresi tra 5.5 e 8.2. Per quel che concerne le colture orticole, si può affermare, che livelli di pH compresi tra 6.0 e 7.5 sono i più idonei a garantire crescita e sviluppo equilibrati, mentre nel caso delle ornamentali, vi è un ampio numero di specie, che predilige condizioni di pH acido o fortemente acido.
pH
Specie Orticole
5.5-6.5 5.5-7.0 6.0-7.0 6.5-7.5 6.5-7.5 4.5-5.5 4.5-6.5 5.0-5.5 5.0-6.0 5.0-6.5 5.5-6.0 5.5-6.5 6.0-6.5 6.0-7.0 6.0-7.5 6.5-7.5
Anguria, Fragola Cavolo rapa, Cetriolo, Melanzana, Peperone, Prezzemolo, Zucchino Carota, Cicorie, Cipolla, Fagiolo, Lattuga, Pomodoro, Ravanello, Spinacio Cavolfiore, Cavolo cappuccio, Melone, Sedano, Zucca Asparago, Basilico, Bietola da orto Ornamentali Erica, Gardenia Ortensia Azalea, Rododendro Bromeliacee, Ficus elastica, Fucsia Anthurium, Caladium, Dieffenbachia, Orchidee, Philodendron, Pothos Felci Cactacee, Ciclamino, Gerbera, Poinsettia, Asparagus plumosus Geranio (Pelargonium spp.), Saintpaulia Bouganvillea, Calla, Freesia Cineraria, Crisantemo, Strelitzia Asparagus sprengeri, Garofano, Giacinto, Rosa
Tabella II.13, Valori preferenziali del pH (in acqua) per le principali specie orticole ed ornamentali (da AA.VV.). [10]
97
Interessante appare, inoltre, ricordare che il pH influenza in modo accentuato la fertilità chimica del terreno. Nella soluzione circolante, infatti, dalla quale la pianta assorbe gli elementi nutritivi, si svolgono i principali fenomeni chimici, che possono portare a gradi diversi di disponibilità dei nutrienti in essa presenti, in relazione ai valori della sua reazione. A questo proposito, si rimanda alla figura II.39 dove è riportata la relazione tra i valori di pH ai quali si riscontra un migliore assorbimento dei principali elementi nutritivi in terreni minerali, substrati organici e nella soluzione nutritiva (colture fuori suolo).
Fig. II.39, Influenza del pH sulla disponibilità dei nutrienti da www.igrowhydro.com
La correzione del pH, nei terreni acidi, può essere realizzata con l’impiego di: concimi, che non apportino ulteriore acidità al terreno (es. nitrato di calcio, nitrato di sodio, calciocianamide, urea, nitrato ammonico, scorie di defosforazione, fosfati basici, salino potassico, ceneri, kainite); calcitazioni, con calce viva (ossido di calcio), calce spenta (idrato di calcio), calcare finemente macinato (carbonato di calcio più o meno puro), marne calcaree, dolomite (carbonato di calcio e magnesio); 98
irrigazioni per sommersione, meglio se con acque dure, ricche di carbonati di calcio e di magnesio. La correzione del pH nei terreni basici, per eccesso di calcare, è piuttosto difficile da realizzare; il ricorso a correttivi acidi, come zolfo e acido solforico, risultano efficaci, ma troppo costosi. Nei terreni orticoli, di superfici modeste, potrebbe essere interessante l’apporto di torba.
II.2.6 La disinfezione delle componenti del sistema Sembra, infine, opportuno ricordare che la buona funzionalità dell’impianto di fertirrigazione, dipende, oltre che da una corretta progettazione anche, da un’adeguata manutenzione. Infatti, per mantenere l’impianto di distribuzione perfettamente efficiente e prevenire, nello stesso tempo, la comparsa di patogeni risulta, indispensabile, una regolare pulizia di tutti i componenti al termine di ciascun ciclo produttivo. Pertanto, è raccomandabile un intervento con ipoclorito di sodio, alle concentrazioni indicate nella tabella II.14.
Obiettivi
Modalità operative
Prevenzione attacchi microorganismi Prevenzione attacchi microorganismi e parziale pulizia (intervalli di 1 ora) Superclorazione in presenza di gravi occlusioni di alghe
In continuo durante il ciclo Ad intermittenza anche durante il ciclo colturale Ad intermittenza senza colture in atto
Concentrazione di Cl nella soluzione disinfettante (mg/L) 1-5 10-20
400-500
Tabella II.14, Schema riassuntivo per la disinfezione delle componenti del sistema. [8]
L’immissione della soluzione clorata, nell’acqua di lavaggio degli impianti di fertirrigazione, deve essere effettuata sempre a monte, del sistema di filtrazione, al fine di prevenire, eventuali, incubazioni di microrganismi all’interno dei filtri.
99
Il calcolo dei quantitativi, da immettere in circolo, deve considerare la concentrazione di Cl, del prodotto commerciale impiegato e la portata dell’impianto fertirriguo, e si esegue come di seguito riportato:
∗ ∗ 10
dove: Q = quantità di ipoclorito da iniettare nella soluzione fertirrigante, Cl = concentrazione di cloro desiderata; P = Portata dell’impianto di fertirrigazione; Clc = Concentrazione di cloro nel prodotto commerciale impiegato.
100
CAPITOLO III
ALCUNI ESEMPI DI IMPIANTI Questa sezione dell’elaborato è un riadattamento del manuale tecnico per operatori orticoli, redatto da ARSSA Abruzzo, prima che tale ente fosse assorbito dalla gestione regionale. È interessante analizzare, le difficoltà crescenti negli impianti di fertirrigazione, partendo dal più semplice ciclo aperto, per poi concludere con un sistema misto aperto-chiuso.
III.1 Impianti per la coltivazione fuori suolo a “ciclo aperto" Nell’ambito dei sistemi a “Ciclo Aperto” la scelta può vertere su tipologie d’impianto che vanno da versioni base, estremamente semplificate e poco costose, a versioni evolute, sofisticate e dispendiose, passando attraverso una discreta casistica intermedia.
101
III.1.1 Versione base di un sistema di produzione “fuori suolo a ciclo aperto”
Fig. III.1 Versione base di un sistema di produzione. [8]
DOTAZIONI
INDISPENSABILI
UTILI
INDISPENSABILI DI CONSUMO
Strumentali Attrezzature
Impianto idraulico
Materiali vari
Timer Filtro a rete Elettropompa Saracinesca Serbatoio Tubazione di adduzione idrica Gocciolatori Capillari completi di aste Vasi polietilene e/o sacchi Telo pacciamatura Bilancia
Conta litri
Canalette
Concimi semplici Acido Substrato
Tabella III.1, Elementi del sistema “versione base di un sistema di produzione”. [8]
102
Nella figura III.1 è schematizzata la versione base di un sistema di produzione “Fuori Suolo a Ciclo Aperto”, che dispone di una soluzione nutritiva preventivamente preparata e stoccata, all’interno di un serbatoio, il cui dimensionamento viene calcolato rispetto alle necessità della coltura che si intende praticare. Vantaggi: costo estremamente contenuto; facilità di gestione operativa. Svantaggi: una volta prestabilita, sulla base della superficie da gestire, la capienza del serbatoio, è successivamente difficile modificare le superfici da servire, se non attraverso adeguamenti più o meno costosi, a seconda dei casi e delle necessità, è unica la specie coltivabile con tale sistema. L’impegno dell’operatore, dopo la fase di posa in opera dell’impianto e del trapianto della coltura, è limitato a: controlli sulla cultura; aggiornamento della ricetta nutritiva, in relazione alla fase fenologica della coltura; reintegrazione della S.N. ad esaurimento della stessa.
103
III.1.2 Versione base con ricircolo
Fig. III.2, Versione base con ricircolo. [8]
DOTAZIONI
INDISPENSABILI
Strumentali
Attrezzature
Impianto idraulico
Programmatore Filtro a rete Elettropompa Saracinesca n° 2 Elettrovalv. Serbatoio Tubazione di adduzione idrica Gocciolatori Capillari completi di aste di fermo
UTILI
INDISPENSABILI DI CONSUMO
Misuratore portatile controllo EC e pH Conta litri
104
Materiali vari
Vasi polietilene e/o sacchi Telo pacciamatura Bilancia
Canalette
Concimi semplici Acido Substrato
Tabella III.2, Elementi del sistema “versione base con ricircolo”. [8]
Vantaggi: Costo contenuto; Facilità di gestione operativa. Svantaggi: una volta prestabilita, sulla base della superficie da gestire, la capienza del serbatoio, è successivamente difficile modificare le superfici da servire, se non attraverso adeguamenti più o meno costosi a seconda dei casi e delle necessità, è unica la specie coltivabile con tale sistema. L’impegno dell’operatore, dopo la fase di posa in opera dell’impianto e del trapianto della coltura, è limitato a: controlli sulla cultura; aggiornamento della ricetta nutritiva in relazione alla fase fenologica della coltura; reintegrazione della S.N. ad esaurimento della stessa. In linea generale, si opta per una delle due soluzioni sopra illustrate quando: si intende familiarizzare con la nuova tecnica produttiva; si vuole adottare la tecnica, ma si esclude la possibilità nel breve-medio periodo, di un ampliamento delle superfici da servire. Qualora, invece, l’imprenditore sia in possesso delle conoscenze necessarie e sia convinto della scelta relativa al Fuori Suolo, nella variante del “Ciclo Aperto” ed abbia, come obiettivo di breve periodo, quello di estendere tale tecnica produttiva a tutti o a gran parte degli apprestamenti di protezione presenti in azienda, sarà più ragionevole optare per un impianto più complesso e, pertanto, più costoso, anche se nella fase di rodaggio (la durata di tale fase è approssimativamente equivalente al periodo necessario all’espletamento di uno , massimo due cicli produttivi, riferiti alla coltura che intende praticare) l’impianto potrà essere sotto utilizzato rispetto alle potenzialità. In questo caso, tra le varie possibilità di scelta, vi è l’impianto della Fig. n° III.3
105
III.1.3 Versione con soluzioni “madre” e centralina a controllo volumetrico
Fig. III.3, Versione con soluzioni “madre” e centralina a controllo volumetrico. [8]
Fig. III.4, Impianto della tipologia riportata in Fig. III.3 - Az. Agr. Piattelli Emilio - Miglianico (CH). [8]
106
DOTAZIONI
Strumentali
Attrezzature
Impianto idraulico
Materiali vari
INDISPENSABILI Sistema di rilevazione ed adeguamento pH e EC N° 3 Pompe dosatrici Sonda pH Sonda di EC Programmatore Valvola di ritegno Filtro a rete Elettropompa Saracinesca Elettrovalvola Contatore lancia impulsi Gocciolatori Tubazione di adduzione idrica Capillari completi di aste di fermo Vasi polietilene e/o sacchi Telo pacciamatura Bilancia
UTILI
Canalette
INDISPENSABILI DI CONSUMO
Concimi semplici Acido Substrato
Tabella III.3, Elementi del sistema “Versione con soluzioni madre e centralina a controllo volumetrico”. [8]
L’impianto illustrato si differenzia dai due precedenti per una serie di variabili quali: presenza di soluzioni madre concentrate (A e B) ed acido (C), stoccati in serbatoi di giusta capacità; sistema di rilevazione ed adeguamento del pH e Conducibilità, rispetto ai valori di set point impostati sullo stesso strumento; pompe dosatrici, con funzione di prelievo ed iniezione, in linea di concimi e acido; sonde di rilevazione pH e EC, posizionate a valle dei punti di iniezione dei concimi e dell’acido. Vantaggi: 107
minor tempo richiesto all’operatore, nella fase di preparazione della soluzione nutritiva, da erogare alla coltura; disponibilità di un programmatore, in grado di automatizzare le fertirrigazioni all’interno di più apprestamenti, in questo caso sono necessarie implementazioni, riguardanti alcune attrezzature (elettrovalvole) che, comunque, non modificano sostanzialmente l’impegno economico dell’operatore; costante disponibilità di soluzione nutritiva fresca. Svantaggi: possibilità di utilizzo del sistema, per un’unica coltura che, nei vari settori, deve trovarsi nella medesima fase fenologica. L’impegno dell’operatore, dopo la fase di posa in opera dell’impianto e del trapianto della coltura, è limitato a: controlli sulla cultura; preparazione delle soluzioni madre e reintegrazione periodica della soluzione acida; aggiornamento della ricetta nutritiva, in relazione alla fase fenologica della coltura; controlli di funzionamento, a carico delle strumentazioni presenti. Una variante all’impianto in fig. n° III.4 è schematizzata nella fig. n° III.5
108
III.1.4 Versione con soluzioni “madre” e ricircolo
Fig. III.5, Versione con soluzioni “madre” e ricircolo. [8]
DOTAZIONI
Strumentali
Attrezzature
INDISPENSABILI
UTILI
INDISPENSABILI DI CONSUMO
Centralina controllo riempimento vasca, EC e pH N° 3 Pompe dosatrici Sonda pH Sonda di EC Programmatore Galleggiante elettrico Filtro a rete Elettropompa Saracinesca N° 3 Elettrovalv. Serbatoio per S.N. 109
Impianto idraulico
Materiali vari
N° 2 serbatoi da lt. 200 N° 1 serbatoi da lt. 100 Gocciolatori Tubazione di adduzione idrica Capillari completi di aste di fermo Vasi polietilene e/o sacchi Telo pacciamatura Bilancia
Canalette
Concimi semplici Acido Substrato
Tabella III.4, Elementi del sistema “Versione con soluzioni madre e ricircolo”. [8]
L’impianto si caratterizza rispetto al precedente per un aspetto fondamentale: modalità operative della centralina. Quest’ultima, in effetti, a differenza della precedente, è funzionalmente integrata con il sistema di rilevazione del livello (sonda di livello) della Soluzione Nutritiva, all’interno del serbatoio che viene letto dalla stessa, al momento dell’avvio in funzione dell’impianto, attivato in automatico dal programmatore. Nell’ipotesi in cui il livello della Soluzione Nutritiva (S.N.) non è quello ottimale prestabilito, la centralina invia un impulso all’elettrovalvola (posta sulla condotta di adduzione) che richiama acqua pulita all’interno del serbatoio, fino al raggiungimento del livello impostato. A questo punto, il galleggiante posto all’interno del serbatoio, invia un impulso elettrico all’elettrovalvola, che viene chiusa, quando l’informazione viene trasmessa alla centralina, quest’ultima attiva l’elettropompa che presiede all’operazione di ricircolo della Soluzione Nutritiva con funzione di: adeguamento della Soluzione Nutritiva ai valori di pH e EC, impostati sulla base delle esigenze della coltura praticata; omogeneizzazione ed ossigenazione della Soluzione Nutritiva (S.N.). Queste operazioni sono rese possibili grazie alla presenza dell’elettropompa e delle sonde di pH e EC, entrambe posizionate sulla condotta di ricircolo della S.N. Vantaggi: minor tempo richiesto all’operatore, nella fase di preparazione della soluzione nutritiva da erogare alla coltura; 110
disponibilità di un programmatore in grado di automatizzare le fertirrigazioni all’interno di più apprestamenti. In questo caso, sono necessarie implementazioni riguardanti alcune attrezzature (elettrovalvole) che, comunque, non modificano sostanzialmente l’impegno economico dell’operatore; costante disponibilità di soluzione nutritiva fresca. Svantaggi: possibilità di utilizzo del sistema per un’unica coltura, che nei vari settori deve trovarsi nella medesima fase fenologica. L’impegno dell’operatore, dopo la fase di posa in opera dell’impianto e del trapianto della coltura, è limitato a: controlli sulla cultura; preparazione delle Soluzioni madre e reintegrazione periodica della soluzione acida; aggiornamento della ricetta nutritiva in relazione alla fase fenologica della coltura; controlli di funzionamento a carico delle strumentazioni presenti. Una variante all’impianto in fig. III.5 è schematizzato in fig. III.6.
111
III.1.5 Versione con soluzioni “madre” e sistema venturi per iniezione in linea soluzione nutritiva (s.n.)
Fig. III.6, Versione con soluzioni “madre” e sistema venturi per iniezione in linea soluzione nutritiva. [8]
DOTAZIONI
Strumentali
Attrezzature
INDISPENSABILI
UTILI
INDISPENSABILI DI CONSUMO
Centralina controllo riempimento vasca, EC e pH Sonda pH Sonda di EC Programmatore Galleggiante elettrico Filtro a rete Elettropompa Saracinesca N° 3 Elettrovalv. 112
Impianto idraulico
Materiali vari
N° 3 Elettrovalv. di precisione N° 3 venturi Gocciolatori Tubazione di adduzione idrica Serbatoio N° 2 serbatoi da lt. 200 N° 1 serbatoi da lt. 100 Capillari completi di aste di fermo Vasi polietilene e/o sacchi Telo pacciamatura Bilancia
Canalette
Concimi semplici Acido Substrato
Tabella III.5, Elementi del sistema “Versione con soluzioni “madre” e sistema venturi per iniezione in linea soluzione nutritiva”. [8]
L’impianto sopra illustrato, prevede la sostituzione delle pompe dosatrici con 3 sistema venturi e l’introduzione di elettrovalvole di precisione che, sulla base delle indicazioni fornite dalla centralina (che a sua volta ha ricevuto gli input dai sensori di pH e EC, posti sulla condotta di ricircolo), si aprono e si chiudono lasciandosi attraversare o interrompendo il flusso della soluzione madre, utilizzata per ottimizzare i valori di EC e pH richiesti dalla coltura. Gli impegni, richiesti all’operatore, sono esattamente equivalenti a quelli illustrati nella tipologia precedente.
113
III.2 Impianti per la coltivazione fuori suolo a “ciclo chiuso" Il Fuori Suolo, oltre che con il sistema a “Ciclo Aperto” può essere gestito a “Ciclo Chiuso” che, come il nome stesso fa intendere, si differenzia, dal primo per il riutilizzo delle soluzioni drenate dalle colture praticate.
Fig. III.7, Coltivazione pomodoro “Fuori suolo” a “Ciclo Chiuso” e banco operativo di controllo e gestione del sistema - Az. Agr. Menna Annamaria - Atessa (CH). [8]
Come si può intuire, impianti di questo tipo, si caratterizzano per una maggiore complessità, derivante dalla necessità di disporre di tutta una serie di attrezzature e strumentazioni, non necessarie nel sistema a ciclo aperto. L’esigenza di una implementazione impiantistica è legata fondamentalmente a: Necessità di ricircolare le soluzioni drenate (si impone la disponibilità di un sistema di raccolta dello sgrondo, di un serbatoio di stoccaggio dello stesso e di una pompa di potenza adeguata a ricondurre a monte la S.N. da stoccare, a sua volta all’interno di un serbatoio); Necessità di disporre di una Soluzione Nutritiva, non inquinata da patogeni, sono indispensabili sistemi di filtraggio e disinfezione della stessa quali filtri a dischi, filtri a sabbia e lampade UVC, idonei allo scopo. L’esigenza di disporre di una S.N., da ricircolare, esente da patogeni temibili per le colture praticate, ha alimentato sperimentazioni indirizzate alla ricerca di sistemi di distribuzione della S.N. che garantissero, da una parte, il minor contatto della soluzione stessa con il sistema radicale delle colture e, dall’altra, la disponibilità di una S.N. costante in composizione. La subirrigazione sembra rappresentare la risposta, più recente, alle problematiche sopra esposte, da parte dei ricercatori. 114
III.2.1 Versione impianto a ciclo chiuso con soluzioni “madre” e centralina a controllo volumetrico
Fig. III.8, Versione impianto a ciclo chiuso con soluzioni “madre” e centralina a controllo volumetrico. [8]
DOTAZIONI
Strumentali
Attrezzature
INDISPENSABILI
UTILI
INDISPENSABILI DI CONSUMO
Regolatore pH e EC per controllo proporzionale Sonda pH Sonda di EC compensata in temperatura Programmatore N° 3 Pompe dosatrici Filtro a dischi Elettropompa Saracinesca Elettrovalvola Valvola di ritegno 115
Impianto idraulico
Materiali vari
Contatore lancia impulsi Serbatoio per S.N. Serbatoio Soluz. sgrondo Elettropompa sommersa con galleggiante Filtro a sabbia Lampada UV Gocciolatori Tubazione di adduzione idrica Tubazione recupero soluzione drenata Capillari completi di aste di fermo Vasi polietilene e/o sacchi Telo pacciamatura Canalette
Concimi semplici Acido Substrato
Tabella III.6, Elementi del sistema “Versione impianto a ciclo chiuso con soluzioni madre e centralina a controllo volumetrico”. [8]
Quest’ultima ipotesi implica l’utilizzo di canalette (80x220x80 mm) realizzate in materiale di diversa natura quali: acciaio, inox, lamiera zincata, alluminio, PVC rigido, ma comunque di costo elevato. Non è esclusa, la possibilità di optare per manufatti realizzati in materiali differenti a costi più contenuti, l’importante, comunque, e che siano funzionali all’utilizzo per il quale vengono impiegati. È fondamentale, la rigidità del fondo della canalina, sulla quale poggiano i vasi, anche perché questa condizione, consente la predisposizione di una pendenza ottimale, utile all’allontanamento della soluzione drenata sia che questa sgrondi dai vasi (drip), sia che questa non venga assorbita dai sistemi radicali della coltura praticata (subirrigazione). Il funzionamento dell’impianto può procedere sia in continuo che in discontinuo. Nel secondo caso, indicato la S.N. ricircolata viene, periodicamente (10-15 gg.) eliminata dal sistema (utilizzata eventualmente per fertirrigare altre colture in pieno campo) e completamente rinnovata. Vantaggi: consumi idrici ridotti; consumi di nutrienti contenuti; 116
ridotto impatto ambientale. Svantaggi: costi acquisizione impianti più elevati, rispetto alle tipologie impiantistiche precedentemente descritte; utilizzo limitato alla gestione di un’unica coltivazione; minore omogeneizzazione ed ossigenazione della Soluzione Nutritiva; maggiore possibilità di trasmissione di patologie dannose alla coltura. L’impegno dell’operatore, dopo la fase di posa in opera dell’impianto e del trapianto della coltura, è limitato a: controlli sulla cultura; preparazione delle soluzioni madre e reintegrazione periodica della soluzione acida; aggiornamento della ricetta nutritiva, in relazione alla fase fenologica della coltura; controlli di funzionamento a carico delle strumentazioni presenti; pulizia periodica dei filtri; pulizia periodica della lampada; pulizia periodica e taratura sonde pH ed EC; pulizia sistematica del manufatto protettivo; allontanamento di tutti i residui vegetali, prodotti a seguito di interventi sulla cultura; sterilizzazione degli strumenti di lavoro.
117
III.2.2 Versione impianto a ciclo chiuso con soluzioni “madre” e ricircolo
Fig. III.9, Versione impianto a ciclo chiuso con soluzioni “madre” e ricircolo. [8]
DOTAZIONI
Strumentali
Attrezzature
INDISPENSABILI
UTILI
INDISPENSABILI DI CONSUMO
Centralina controllo riempimento vasca, EC e pH Sonda pH Sonda di EC Programmatore N° 3 Pompe dosatrici Filtro a dischi Elettropompa Saracinesca N°3 Elettrovalvole Valvola di ritegno Contatore lancia impulsi 118
Impianto idraulico
Materiali vari
Serbatoio per S.N. Serbatoio Soluz. sgrondo Pompa Sommersa completa di galleggiante elettrico Filtro a sabbia N° 2 serbatoi da lt. 200 N° 1 serbatoi da lt. 100 Galleggiante elettrico Lampada UV Gocciolatori Tubazione di adduzione idrica Tubazione recupero soluzione drenata Capillari completi di aste di fermo Vasi polietilene e/o sacchi Telo pacciamatura Canalette
Concimi semplici Acido Substrato
Tabella III.7, Elementi del sistema “Versione impianto a ciclo chiuso con soluzioni madre e ricircolo”. [8]
Vantaggi:
consumi idrici ridotti; consumi di nutrienti contenuti; ridotto impatto ambientale; maggiore omogeneizzazione e ossigenazione della Soluzione Nutritiva.
Svantaggi: costi acquisizione impianti più elevati, rispetto alle tipologie impiantistiche precedentemente descritte; utilizzo limitato alla gestione di un’unica coltivazione; maggiore possibilità di trasmissione di patologie dannose alla coltura. L’impegno dell’operatore, dopo la fase di posa in opera dell’impianto e del trapianto della coltura, è limitato a: 119
controlli sulla cultura; preparazione delle soluzioni madre e reintegrazione periodica della soluzione acida; aggiornamento della ricetta nutritiva, in relazione alla fase fenologica della coltura; controlli di funzionamento, a carico delle strumentazioni presenti; pulizia periodica dei filtri; pulizia periodica della lampada; pulizia periodica e taratura sonde pH ed EC; pulizia sistematica del manufatto protettivo; allontanamento di tutti i residui vegetali, prodotti a seguito di interventi sulla cultura; sterilizzazione degli strumenti di lavoro.
120
III.2.3 Versione impianto a ciclo chiuso ed aperto gestito da banco operativo
Fig. III.10, Versione impianto a ciclo chiuso ed aperto gestito da banco operativo. [8]
DOTAZIONI
INDISPENSABILI Banco operativo
Strumentali
Attrezzature
UTILI
INDISPENSABILI DI CONSUMO
Fotoradiometro Sonda temperatura Sonda umidità Sonda sgrondo Misuratore portatile di pH e EC
Filtro a dischi N°2 Elettropompa Saracinesca Serbatoio per S. disinfettata 121
Impianto idraulico
Materiali vari
Serbatoio S. sgrondo Filtro a sabbia N° 2 serbatoi da lt. 200 N° 1 serbatoi da lt. 100 N°2 Galleggiante elettrico Lampada UV Gocciolatori Tubazione di adduzione idrica Tubazione recupero soluzione drenata Capillari completi di aste di fermo Vasi polietilene e/o sacchi Telo pacciamatura Canalette
Concimi semplici Acido Substrato Soluzioni per tarature sonde pH e EC
Tabella III.8, Elementi del sistema “Versione impianto a ciclo chiuso ed aperto gestito da banco operativo”. [8]
L’impianto in figura III.10 rappresenta, tra tutti quelli già illustrati, il più evoluto. È presente un banco operativo, dotato di potenzialità elevate, in termini di capacità di gestione di un numero elevato di settori e di un numero elevato di colture. Il software di gestione del sistema, attraverso informazioni provenienti da sonde di: radiazione solare accumulata; drenato; temperatura e umidità (interne alla copertura); è in grado di gestire in automatico gli interventi di fertirrigazione alla coltura. Il sistema si presta anche ad un utilizzo di tipo manuale, in cui il numero e la durata dei singoli interventi vengono stabiliti dall’operatore, sulla base dell’esperienza dello stesso.
122
Il banco, inoltre, è in grado di utilizzare ricette nutritive diverse, a seconda delle colture praticate e delle diverse fasi fenologiche, sempre che lo stesso sia supportato da un idoneo numero di elettrovalvole e serbatoi differenziati di soluzioni madre. Componenti Banco Operativo in dotazione all’impianto: 1. Programmatore 2. N°5 elettrovalvole 3. N° 1 sensore EC 4. N. 1 sensore pH 5. N° 1 pompa rilancio soluzione nutritiva alla coltura 6. Filtri a rete 7. N.1 serbatoio di premiscelazione soluzioni madre con acqua e soluzione di sgrondo trattata con UV. Il funzionamento dell’impianto può procedere, come già detto, sia in continuo che in discontinuo. Nel secondo caso indicato, la Soluzione Nutritiva (S.N.) ricircolata viene periodicamente (10-15 gg.) allontanata dal sistema (utilizzata eventualmente per fertirrigare altre colture in pieno campo) e completamente rinnovata. Vantaggi:
consumi idrici ridotti; consumi di nutrienti contenuti; ridotto impatto ambientale (nel caso di ciclo chiuso); completa automatizzazione nella gestione delle fertirrigazioni; possibilità di utilizzare diverse ricette nutritive per gestire colture diverse o la stessa coltura in diverse fasi di sviluppo; capacità del banco di svolgere, oltre alle normali funzioni di fertirrigazione, anche il controllo dei processi di raffrescamento degli apprestamenti di protezione; archiviazione dati relativi alle irrigazioni effettuate; possibilità di controllo e gestione a distanza delle fertirrigazioni e ricette nutritive utilizzate, nelle diverse fasi di sviluppo delle colture.
Svantaggi: costi acquisizione impianti elevati. L’impegno dell’operatore, dopo la fase di posa in opera dell’impianto e del trapianto della coltura, è limitato a: controlli sulla cultura; 123
preparazione delle soluzioni madre e reintegrazione periodica della soluzione acida; aggiornamento della ricetta nutritiva in relazione alla fase fenologica della coltura; controlli di funzionamento a carico delle strumentazioni presenti; pulizia periodica dei filtri; pulizia periodica della lampada (nel caso si tratti di un ciclo chiuso); pulizia periodica e taratura sonde pH e EC; pulizia sistematica del manufatto protettivo; allontanamento di tutti i residui vegetali prodotti, a seguito di interventi sulla cultura; sterilizzazione degli strumenti di lavoro; sostituzione della Soluzione Nutritiva negli impianti funzionanti in discontinuo.
124
CAPITOLO IV
ADATTAMENTO DI UNA SERRA TRADIZIONALE IN COLTIVAZIONE IDROPONICA: ESEMPIO PROGETTUALE. In questo capitolo si riporta un esempio applicativo di trasformazione di una serra tradizionale in coltura idroponica a media tecnologia. Si fa riferimento alla coltivazione del pomodoro. La serra tradizionale presa a riferimento, è una tipica struttura a tunnel con copertura in polietilene. La pianta di forma rettangolare ha le dimensioni di 6.5x20
125
IV.1 Schema dell’impianto e sue componenti Si fa riferimento ad un impianto a ciclo chiuso con soluzioni “madre” e ricircolo. Nella figura IV.1 è riportato lo schema d’impianto previsto.
Fig. IV.1, Schema d’impianto. [8]
Le componenti dell’impianto che stiamo andando a considerare sono le seguenti:
filtraggio a sabbia, filtraggio a dischi, sistema di controllo (PH, EC, pompe dosatrici), serra, vaso, disinfezione UV, sistema di ricircolo, serbatoio soluzione nutritiva, serbatoi elementi chimici, serbatoio di scarico. 126
IV.2 Progettazione dell’impianto IV.2.1 La serra ed il manufatto per servizi Si prende in esame una serra dimensioni 6,50 x 20,00 , con struttura portante ad arco in tubo di acciaio zincato, con diametro 60 x2 mm; aperture laterali avvolgibili per arieggiare. La struttura è provvista anche di Nr 2 porte larghezza 1,50 m, copertura in polietilene thermolux, rete antigrandine, e pannelli rigidi in polimetacrilato come visibile in figura IV.4. La serra ospiterà un sistema mono-livello per la coltivazione del pomodoro (figura IV.2).
Fig. IV.2, Sezione trasversale con modulo di coltivazione.
La superficie coperta della serra è di 130 alla quale vanno aggiunti altri 30-35 per il manufatto di servizi, che conterrà tutta la strumentazione necessaria a rendere la struttura operativa. Nella figura IV.4 è riportato uno schema planimetrico con l’indicazione della serra e del manufatto di servizi. Per quanto riguarda quest’ultimo nella figura IV.3 è riportata poi la pianta della struttura, con l’indicazione delle attrezzature previste.
127
Fig. IV.3, Manufatto per servizi.
Legenda elementi del sistema 1
Soluzione di scarto
9
Elettropompa
2
Serbatoio soluz. scarto
10
Serbatoio soluz. nutritiva
3
Filtro a graniglia
11
Sonde di controllo
4
Filtro a dischi
12
Pompe dosatrici
5
Filtro UV
13
Banco di controllo
6
Soluzione disinfettata
14
Soluzione madre 1
7
Approvvigionamento idrico
15
Soluzione madre 2
8
Soluzione nutritiva
16
Soluzione Acida
128
Fig. IV.4, Schema planimetrico dell’impianto.
129
Il modulo di coltivazione Il sistema sarà costituito da una cultura a vaso già discussa nel paragrafo I.2.1, con substrato di perlite (par. II.2.1). Il vaso appartiene alla tipologia “dutch bucket” (figura IV.5) ovvero è formato da un doppio livello per facilitare il drenaggio e lo scarico della soluzione nutritiva. Un sistema del genere permette un adeguato isolamento per evitare il diffondersi delle malattie, inoltre, i singoli moduli in caso di “marciume radicale” possono essere facilmente isolati per non compromettere l’intera coltivazione. All’interno della serra sono previsti 60 moduli come si vede in figura IV.4.
Fig. IV.5, Sistema di vasi utilizzati.
130
IV.2 Richiesta idrica del sistema IV.2.1 Irrigazione netta e lorda La determinazione della quantità di acqua irrigazione richiede il calcolo di due quantità:
l’irrigazione netta l’irrigazione lorda
entrambe espresse in
,
.
Calcolo di Inet La prima quantità ( ) corrisponde alla massima oscillazione tollerata dalla pianta nel valore della quantità di acqua, contenuta nel substrato e disponile all’assorbimento radicale. Essa è espressa dalla relazione [10]:
100
∗
∗
(IV.1)
dove:
% è l’acqua disponibile alla pianta nel contenitore pieno di substrato; è il volume di substrato nel contenitore considerato; è una costante adimensionale della pianta che varia tra 0.05 fino ad 1 nel nostro caso: % è dato dalla tabella IV.1 [10] considerando un vaso cilindrico di 24cm ed alto 21, un substrato di perlite ed un volume di substrato pari a 9.50l; Risulta: 0.27
27%
131
avendo un contenitore con una capienza di circa 35l, scegliamo di utilizzarne solo 9.50l per dare spazio all’ampio apparato radicale della pianta di pomodoro; Pertanto: 9.50 viene fissato in base alle proprietà idrauliche del substrato, allo schema di distribuzione ed alle caratteristiche della pianta. Nel nostro caso si è posto 0.05 in modo da ottenere una minima variabilità dell’umidità del substrato e per cui un’irrigazione più breve che risulta essere ideale alle coltivazioni fuori suolo [10];
Otteniamo: 27 ∗ 9.50 ∗ 0.05 100
0.128 ∗
132
Tabella. IV.1, Caratteristiche dei substrati in volumi definiti. [10]
133
Calcolo di Igross L’irrigazione lorda ( ) è la quantità di acqua data alla pianta, essa è maggiore rispetto a quella netta poiché viene considerata un’aliquota di acqua persa dovuta: alla traspirazione delle piante alla quantità emessa dagli ugelli alla necessità di evitare accumuli salini nella zona radicale La relazione che esprime l’irrigazione lorda è la [10]: ∗
(IV.2)
Dove: è un coefficiente di sicurezza adimensionale
dipende dalla pianta, dal rischio di salinizzazione del substrato e dall’uniformità dell’irrigazione. Tale coefficiente varia dal 1.15 (per distribuzione dell’acqua e piante uniformi, l’uso di acqua con salinità relativamente bassa, alta tolleranza della salinità delle piante) fino a 2.0 (con piante con un’ET non uniforme, uso di acqua salina e piante sensibili alla salinità). La determinazione del ha un’importanza minore nei sistemi chiusi, sebbene un valore troppo alto di questo coefficiente aumenterebbe i costi di esercizio per la pompa e la disinfezione del sistema. di 1.30 è adatto a molte situazioni.
Un
1.30 In definitiva si ottiene: 1.30 ∗ 0.128
0.167 ∗
Calcolo della frazione di drenaggio Per ogni evento irriguo possiamo calcolare la frazione di drenaggio (DF) che è la quantità di acqua percentuale tra l’acqua fornita e quella drenata. 134
Il calcolo della DF è possibile attraverso la relazione IV.3 [10]:
100 ∗
(IV.3)
Nel nostro caso:
100 ∗
0.167 0.128 0.167
23.07%
Calcolo della durata dell’intervento irriguo La durata, , di ogni irrigazione è il tempo in secondi necessario a rendere il substrato saturo, nel caso di irrigazione a goccia, come il nostro, è generalmente molto breve (dai secondi fino ad alcuni minuti) e dipende dal numero di ugelli [d] con la loro portata [r]
. La frazione di drenaggio è data dall’espressione [10]:
∗
3600 ∗
(IV.4)
Nel nostro caso: 1 10 ∗ Pertanto: 0.167 ∗
3600 1 ∗ 10
60.02
Volumi d’acqua necessari La superficie totale
di substrato che è presente nella serra è pari a: ∗
∗ 60
0.24 ∗ 3.14 ∗ 60
10.85
135
Moltiplicando per i mm di irrigazione necessari si perviene ai volumi di acqua netti e lordi: 10.85
∗ 0.000128
0.001392
1.392
10.85
∗ 0.000167
0.001809
1.809
IV.2.2 Il modello di evapotraspirazione Per le superfici vegetali è ormai consuetudine distinguere l’evaporazione (E) dal suolo (ossia la perdita d’acqua verso l’atmosfera per evaporazione dell’acqua meteorica intercettata) dalla quantità di vapore acqueo che si trasferisce all’atmosfera attraverso i tessuti vegetali (traspirazione, T), ossia la perdita d’acqua verso l’atmosfera per via dei processi biotici (prelievo d’acqua dalle radici e fotosintesi nelle foglie). Il risultato complessivo è detto, appunto, evapotraspirazione (ET). In letteratura sono state adoperate numerose definizioni per identificare i processi evaporativi ed evapotraspirativi, a seconda che essi avvengano in condizioni di disponibilità idrica ottimale o di stress idrico, oppure in uno specchio d’acqua o in un terreno, oppure ancora in riferimento ad un particolare tipo di pianta o coltura piuttosto che ad un’altra. Si definiscono: Evapotraspirazione potenziale riferimento
,
,
o Evapotraspirazione di
il valore massimo di evapotraspirazione per un
dato tipo di vegetazione, considerato come modello, noti lo stato di crescita e le condizioni atmosferiche. Evapotraspirazione della coltura
,
la quantità di acqua persa per
evapotraspirazione nell'unità di tempo da parte di una coltura ordinaria in buono stato fitosanitario e in condizioni non limitanti di fertilità e di rifornimento idrico. ), ma anche Dipende non solo dalle condizioni meteorologiche (come dalla coltura esaminata e dalle tecniche colturali adottate. La è derivata direttamente dalla tramite i coefficienti colturali Kc: ∗ 136
Nella pratica i coefficienti colturali permettono, una volta nota l’evapotraspirazione di riferimento , di risalire all’evapotraspirazione potenziale di qualsiasi tipo di coltura. Nel grafico in figura IV.6 possiamo osservare l’andamento del coefficiente culturale, che nella pratica viene distinto in tre costanti per uno stadio iniziale, intermedio e finale.
Fig. IV.6, Andamento coefficiente culturale. [3]
Nel caso del pomodoro, i valori del coefficiente culturale sono riportati nella tabella IV.2. Kc
Iniziale 0.6
Medio 1.15
Finale 0.7-0.9
Tabella. IV.2 coefficiente culturale del pomodoro. [3]
Evapotraspirazione reale/effettiva della coltura
,
il flusso
evapotraspirativo di una determinata coltura nelle condizioni meteorologiche, fisiologiche e colturali reali. Nelle condizioni reali di campo la disponibilità di acqua per le piante, in un qualsiasi momento del loro ciclo, non è illimitata, ma è soggetta, per diverse ragioni, a restrizioni che la rendono inferiore a quella su cui si basano i 137
concetti di e di . Di conseguenza l’intensità del flusso evapotraspirativo reale di una coltura è di solito inferiore a quella massima e quindi:
Il valore di può essere inferiore al corrispondente valore di quando la coltura è sottoposta a limitazioni idriche, nutrizionali o a condizioni di stress di diversa origine. I modelli di stima dell’evapotraspirazione Esistono modelli di diversa difficoltà, per calcolare l’evapotraspirazione potenziale . Nel seguito vengono descritti quelli più noti. Modello di Penman-Monteith [17]: tiene conto di tutti i fattori di cui sopra su base fisica, è tra le più precise. Richiede: la radiazione netta (ricavabile da quella globale), la temperatura massima e minima (Tmax e Tmin), l’umidità relativa massima e minima (URmax e URmin), la velocità del vento, ed il flusso di calore nel suolo (stimabile da altre grandezze o trascurabile su scala di 3-5 giorni). Occorrono quindi stazioni meteo complete, che sono tuttavia poco diffuse. L’espressione di fornita da questi autori è [17]:
∗
∗
(IV.5)
∗
in cui:
1
∗
è la radiazione netta in
;
è un coefficiente di intercettazione della luce specifico per la pianta è il coefficiente adimensionale di regressione per la radiazione globale; è il calore latente dell’acqua di evaporizzazione; è il coefficiente di regressione del prodotto
∗
in
è l’indice dell’area della foglia è il deficit di saturazione ovvero la differenza tra l’umidità relativa presente e quella di saturazione alle condizioni in cui ci si trova.
138
Modello di Hargreaves: L’espressione di
fornita da questi autori è [17]:
0.0023 ∗ ∗
17.8 ∗
.
(IV.6)
in cui:
è la radiazione extraterrestre in mm/giorno; è la temperatura massima del giorno di riferimento; è la temperatura minima del giorno di riferimento; è la temperatura media del giorno di riferimento. Modello di Priestley-Taylor: L’espressione di
fornita da questi autori è [17]:
1.26 ∗
∆
∗
∆
(IV.7)
in cui: è la radiazione netta è il flusso di calore nel suolo è la costante psicrometrica
°
è il calore latente di evaporizzazione ∆ è la pendenza della curva pressione in
°
essendo ∆ data dalla relazione: ∆
4098
237.3
dove:
è la pressione di vapore assoluta è la temperatura dell’aria 139
Modello di Blaney-Criddle: L’espressione di
fornita da questi autori è [17]:
0.46
8
2
(IV.8)
in cui: è la temperatura media mensile in C°; è la media mensile della durata astronomica del giorno (N), espressa come % sul totale delle ore diurne dell’anno; fattore di correzione basato sull'umidità relativa minima, sul rapporto tra la durata effettiva e la durata teorica(astronomica) dell’insolazione, e sulla velocità del vento nelle ore diurne. Modello di Thornthwaite Essa è molto apprezzata dai climatologi, ma quasi inutile per gli agronomi. L’espressione di fornita da questi autori è [17]: 16.2
(IV.9)
in cui: è un parametro tabellato, che dipende dal numero medio di ore di insolazione giornaliera e dal numero di giorni nel mese i. 0.5 0.016 è la temperatura media mensile è l’indice termico annuale Ci sono almeno un centinaio di formule, tutte con validità più o meno locale
140
Il nostro caso Nel nostro caso si è preso a riferimento il modello di Hargreaves, che richiede un numero di parametri di più semplice valutazione.
0.0023 ∗
17.8 ∗
.
∗
Le temperature , , sono state ricavate dagli Annali Idrologici della Regione Campania per il comune di Grazzanise. Le radiazioni incidenti , sono state stimate dal documento FAO crop water requirements del 1998 in relazione al periodo dell’anno ed alla latitudine della coltivazione (tabella IV.3) [3].
Tabella IV.3 Valori delle radiazioni extraterrestri in mm/giorno. [3]
Da questi dati si è riusciti ad estrapolare un modello annuale per la richiesta idrica del sistema in mm/giorno (grafico in figura IV.7), possiamo osservare l’andamento sinusoidale di questa curva che esprime la necessità di acqua in relazione alla temperatura, secondo il modello adottato, con un massimo pari a circa 4 nel 141
caso di piante che si trovano nella fase iniziale di crescita, e circa 7 nel caso di piante che si trovano nello stadio intermedio. Da sottolineare che lo scopo delle coltivazioni protette e fuori suolo è quello di correggere i parametri ambientali e nutrizionali in modo tale da stabilizzare sul valore più alto l’evapotraspirazione così ottenendo quell’incremento di produttività tanto cercato.
ETc 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 7/11
Kc = 0.7 5/2
5/5
Kc = 1.15 3/8
1/11
30/1
Fig. IV.7 Modello di ET con Kc=0.7,1.15.
IV.2.3 Frequenza dell’irrigazione La frequenza dell’evento irriguo, , dipende dall’evapotraspirazione della pianta (ET), che in particolare viene calcolata attraverso la relazione [10]: (IV.10)
Dove: è il numero delle irrigazioni necessarie.
142
Possiamo osservare una proporzionalità diretta tra il numero di irrigazioni necessarie e l’evapotraspirazione della pianta, da ciò consegue che le due curve hanno lo stesso andamento. In particolare, nella nostra situazione progettuale, abbiamo un massimo di 30 irrigazioni al giorno nel caso di piante al primo stadio di crescita, contro una necessità di 50 irrigazioni al giorno nel caso di piante in uno stadio intermedio di crescita (grafico figura IV.8).
Numero irrigazioni 70 60 50 40 30 20 10 Kc = 0.7 0 7/11
5/2
5/5
Kc = 1.15 3/8
1/11
30/1
Fig. IV.8 Numero di irrigazioni al giorno con Kc=0.7,1.15.
Come ultima analisi vogliamo osservare i litri di acqua necessari alla pianta (grafico figura IV.9) per il suo corretto sviluppo, tali quantità sono direttamente legate al numero di irrigazioni (relazione IV.10) ed all’irrigazione lorda (relazione IV.2). In questo grafico possiamo osservare come vi sia un sostanziale differenza di richiesta idrica al variare dello stadio di crescita e dei parametri ambientali. In particolare abbiamo un massimo di circa 100 litri nel caso di stadio intermedio ed un massimo di circa 60 litri nel caso di stadio iniziale.
143
Litri di acqua al giorno 120 100 80 60 40 20 Kc = 0.7 0 7/11
5/2
5/5
Kc = 1.15 3/8
1/11
30/1
Fig. IV.9 Numero di litri necessari al giorno con Kc=0.7,1.15.
144
CAPITOLO V
CONFRONTO A LIVELLO NAZIONALE TRA COLTIVAZIONI IDROPONICHE E TRADIZIONALI In questo capitolo con riferimento sempre alla coltivazione del pomodoro, considerata nella metodologia in suolo o fuori suolo, si vogliono mettere in evidenza le differenze che caratterizzano il metodo di coltivazione tradizionale (in suolo) da quello idroponico (fuori suolo). In particolare, vengono messi a confronto i consumi idrici, i consumi di fertilizzanti e quelli di diserbanti, in relazione ai rendimenti riferiti, alla produzione unitaria della specie coltivata. Questo confronto sarà effettuato tra le massime potenzialità dell’idroponica (riscontrate) e l’attuale stato dell’agricoltura campana (italiana nel caso di mancanza di dati regionali).
V.1 Quantità di acqua per l’irrigazione La produzione idroponica ha necessità di meno acqua per ogni kg di pomodoro prodotto. Nella figura V.1 vengono messi a confronto i consumi idrici necessari per la coltivazione di 1 kg di pomodoro, ovvero i grammi di prodotto per litro di acqua ottenuti per via tradizionale o con impianto idroponico.
145
Consumo idrico coltivazione pomodoro Italia 180 160
156
140 120 100 80 60
38,2
40 20
24,8 6,41
0
Tradizionale (WWF e Mutti) l/kg di pomodoro
Idroponica (Graeme Smith)
Grammi di frutto per litro d'acqua
Fig. V.1 Consumo idrico coltivazione pomodoro Italia.
I valori relativi alla coltivazione tradizionale sono stati desunti da uno studio del WWF (WWF e Mutti 2011), e quelli relativi alla coltivazione idroponica sono riportati nel lavoro di Graeme Smith (Graeme Smith 2007). Dai grafici presentati si evidenzia che il consumo idrico tra le due tecniche è rilevante. In particolare per coltivare un kg di pomodoro in modo tradizionale occorrono ben 156l di acqua, questi si riducono a 24.8 nel caso di impianto idroponico, la riduzione di consumi idrici è pari a circa all’84-85%. Inoltre la produzione del frutto in grammi per ogni litro di acqua passa da 6.41g a 38.2g con un incremento di circa l’82%.
V.2 Quantità di fertilizzanti Con riferimento all’uso di fertilizzanti, sempre nel caso della coltivazione del pomodoro in Italia, si osserva (da smart-fertilizer.com per l’idroponica e da datiopen.it per il tradizionale) che la coltivazione idroponica richiede un maggiore consumo di fertilizzanti per ettaro rispetto a quella tradizionale, in particolare come si evidenzia nella figura V.2 il numero di quintali per ettaro di superficie coltivata è pari a 29 nel caso della coltivazione idroponica mentre si riduce ad 1.7 per la coltivazione tradizionale.
146
Uso dei fertilizzanti annuo in agricoltura 35 30
Uso dei fertilizzanti in agricoltura 23,6
25 29 20
25 20
15
15 10
10 5
4,9
5
1,7
0 Quintali di fertilizzante per ettaro
0 Grammi di fertilizzante per Kg prodotto
Idroponica (smart‐fertilizer.com)
Idroponica
Tradizionale Campania (datiopen.it)
Tradizionale
Fig. V.2 Utilizzo di fertilizzanti in agricoltura in quintali e grammi di fertilizzante su kg prodotto.
Risparmio grammi fert. Kg di pomodoro 20
18,7
Riparmio % 90% 80%
79%
70% 15
60% 50%
10
40% 30%
5
20% 10%
0
Risparmio grammi fert. Kg di pomodoro
0%
Riparmio %
Fig. V.3 Risparmio dei fertilizzanti in agricoltura.
147
Questa discrepanza è però solo apparante perché va commisurata con la maggiore redditività della coltura idroponica. A tal proposito come può evidenziarsi dalla figura V.3, se si confrontano i grammi di fertilizzante necessari per kg di prodotto si osserva che a fronte dei 4.9g necessari alla coltura idroponica, ne occorrono ben 23.6 per quella tradizionale. Pertanto può concludersi che globalmente con la coltivazione idroponica abbiamo un risparmio di fertilizzanti di circa il 79%.
V.3 Quantità di diserbanti L’utilizzo di diserbanti chimici dipende fortemente dalla gestione dell’impianto stesso. Nelle migliori applicazioni di questa tecnologia le serre risultano essere totalmente ermetiche ed isolate da enti patogeni e pertanto necessitano di un consumo minimo, quasi trascurabile di diserbanti. Un elemento innovativo di grande rilevanza nel campo della difesa delle specie vegetali da agenti infestanti e patogeni, è rappresentato dalle nuove tecniche biologiche con le quali si eliminano gli organismi patogeni, mettendoli in antagonismo con altri organismi non infestanti (lotta integrata o IMP, Integrate Pest Management). Quando vengono usate queste tecniche, si riesce persino a portare l’utilizzo dei diserbanti ad una quantità virtualmente nulla. I benefici di queste metodologie sono ovviamente maggiori quando si lavora in un ambiente protetto (serra) e poi particolarmente nel caso di impianto idroponico. In definitiva si può affermare che rispetto alle coltivazioni tradizionali quelle idroponiche consentono un drastico abbattimento dei disinfestanti chimici. Nella figura V.4 si riporta un confronto tra il consumo di diserbanti per coltura tradizionale e fuori suolo.
148
Consumo diserbanti kg/ha 7
Risparmio diserbanti kg/ha
6,4 7
6
6
5
5,8
5
4
4 3
3
2
2 0,6
1 0
90%
1 0
Diserbanti kg/ha
Idroponica
Tradizionale in Campania
Risparmio
Risparmio kg/ha
Risparmio %
Fig. V.4 Consumo di diserbanti coltivazione pomodoro Italia.
149
V.4 I rendimenti Ai fini del rendimento per comprendere la differenza tra una coltivazione tradizionale ed una fuori suolo, nel caso di pomodoro con riferimento allo stato attuale in Italia, occorre tener presente innanzitutto la produzione. La coltivazione idroponica, con gli adeguati sistemi di gestione e controllo, può essere estesa a tutto l’anno. Il modo migliore per sottolineare questo aspetto è analizzare (figura V.5) le medie di radiazioni incidenti e temperatura in Italia.
Radiazione solare e temperatura media in Italia 2015 1200
Giug
1000 Mag
Lug Apr
800
Ag Mar
Sett
600 Ott Feb 400
Nov
Gen Dic
200
0 0
5
10
15
20
25
30
Fig. V.5 Radiazione solare [W/m2] e temperatura [C°] media in Italia 2015. [18]
Come già accennato nel paragrafo sul controllo climatico II.1.2 la temperatura ideale per la crescita delle piante va dai 17 fino ai 32 gradi celsius, ne consegue che in Italia troviamo le condizioni migliori solo da fine aprile fino a settembre mentre attraverso una serra con controlli climatici potremmo coltivare tutto l’anno e con migliori risultati. Anche da ciò consegue il grande incremento di produzione, visibile nella figura V.6, dove abbiamo utilizzato i dati ISMEA della coltivazione del pomodoro in serra 150
con una produzione di 72 tonnellate per ettaro che cresce fino alle 585 tonnellate nel caso di coltivazione idroponica ad alta tecnologia. Tutto questo si traduce in un incremento di produzione pari circa al 712%.
Produzioni annue a confronto
Incremento annuo % 800%
700
712% 585
600
700%
500
600%
400
500%
300
400%
200
300%
100
72
200%
100%
0 Produzione t/ha Campana in serra (ISMEA) Idroponica High‐tech (Graeme Smith)
0% Incremento %
Fig. V.6 Confronto pomodoro in serra campana ed idroponica ad alta tecnologia.
Naturalmente questi dati devono essere osservati più da vicino, poiché una coltivazione idroponica è operativa 11 mesi su 12 mentre nel caso delle coltivazioni tradizionale i mesi di produzione sono circa 4, per cui è stata confrontata la produzione mensile, dividendo la produzione tradizionale per 4 mesi e quella idroponica su 12.
151
Produzione mensile media t/h 60 48,75
50 40 30 20 10
6
0 Tradizionale (ISMEA)
Idroponica High‐tech (Graeme Smith)
Produzione mensile media t/h
Fig. V.7 Confronto pomodoro in serra campana ed idroponica ad alta tecnologia.
In conclusione, nella figura V.8 si riportano tutti gli incrementi percentuali valutati con riferimento ai parametri analizzati.
Incrementi a confronto
‐200%
‐100%
0%
100%
200%
300%
400%
500%
600%
700%
800%
Incrementi a confronto
Fig. V.8 Variazioni % tra fuori suolo e tradizionale.
152
CONCLUSIONI La coltivazione fuori suolo realizzata mediante la tecnica idroponica, rappresenta una prospettiva di grande interesse, per coniugare una sempre crescente esigenza di prodotti agricoli, con il rispetto dell’ambiente. I principali vantaggi della coltivazione idroponica sono:
rendimenti sensibilmente maggiori; risparmio di acqua; migliore qualità dell’acqua; minore bisogno di terra “coltivabile”; Erbicidi e pesticidi; flessibilità intrinseca; tendenze biologiche e non OGM.
I principali svantaggi, che possono incontrarsi, sono:
i costi; il lavoro specializzato; il fabbisogno energetico; malattie del suolo.
La principale distinzione tra le tipologie impiantistiche più comuni, dei sistemi di coltivazione idroponica, è: impianti a ciclo aperto, impianti a ciclo chiuso. Nel primo caso, l’alimentazione delle colture è effettuata sempre con soluzione fresca, cioè appena preparata, erogata in quantità eccedente rispetto al fabbisogno effettivo delle piante. L’eccesso di soluzione drena dai substrati di coltura ed è scaricato nell’ambiente oppure utilizzato su un'altra coltura in suolo. La gestione nutrizionale è più semplice rispetto ai sistemi chiusi, ma l’efficacia del sistema non si associa ad una buona efficienza: si fa un grande uso di fertilizzanti e di acqua e si determina, proprio per questo, ed in considerazione dei notevoli volumi di soluzione di drenaggio, un rilevante inquinamento dei corpi idrici. Nei sistemi chiusi, invece, la soluzione drenata è recuperata: dopo aver effettuato i periodici controlli e le opportune reintegrazioni, al fine di ripristinare i consumi idrici e le concentrazioni dei nutrienti, viene nuovamente somministrata alla coltura. 153
Una serra tradizionale può essere trasformata in un impianto idroponico, con numerosi vantaggi. Nell’esempio sviluppato è stata esaminata la trasformazione di una serra di dimensioni 6.50 x 20.00 , ubicata in Campania finalizzata alla coltivazione del pomodoro. I principali vantaggi ottenuti possono essere così riassunti: risparmio idrico 82%; risparmio di fertilizzanti 79%; incremento di produzione 712%.
154
BIBLIOGRAFIA 1. Ramin Shamshiri 2006. Principles of Greenhouse Control Engineering. 2. FAO 2013. Good Agricultural Practices for greenhouse vegetable crops. 3. FAO 1998. Crop evapotranspiration - Guidelines for computing crop water requirements 4. Manifest Mind 2015. The Soilless Controlled Environment Agriculture (CEA) Industry Hydroponics, Aquaponics, Issues, Crop Values, and Market Forecast Through 2023. 5. Keith Roberto 2003. How to Hydroponics 4th edition. 6. Veneto Agricoltura 2001. Principi Tecnico-Agronomici Della Fertirrigazione E Del Fuori Suolo. 7. Tesi di laurea Gian Marco Gerboni 2005. Modellizzazione Della Crescita E Dello Sviluppo Del Pomodoro Coltivato In Idroponica In Ambiente Protetto. 8. ARSSA Abruzzo 2003. Manuale Tecnico Per Operatori Orticoli, Gestione Della Tecnica Di Coltivazione “Fuori Suolo”. 9. William Texier 2015. Idroponica Per Tutti. Mama Edition. 10. Pardossi A., Carmassi G., Diara C., Incrocci L., Maggini R., Massa D. 2011. Fertigation and Substrate management in Closed Soilless Culture. 11. Marta Antonelli, Francesca Greco, 2014. L’impronta idrica dell’Italia. 12. Convegno Provinciale Avellino, 2009 “Direttiva Nitrati: un’opportunità per l’agricoltura campana”. 13. Coldiretti, 2009. Responsabilità della zootecnia nell’inquinamento da nitrati e ipotesi di revisione delle zone vulnerabili. 14. Patrizia Gentilini, 2012. Esposizione A Pesticidi E Rischi Per La Salute Umana. 15. CEAC 2013. Introduction to Hydroponics and CEA. 16. Mutti e wwf 2011. Quanta acqua serve ai pomodori? 17. Marcello Zimbone, 2009. Corso di Idraulica ed Idrologia Forestale lez. 17. 18. www.datiopen.it/it/opendata/Elementi_fertilizzanti_usati_in_agricoltu ra 19. www.smart-fertilizer.com/nutrient-requirements 20. Agriculture and Agricultural Science Procedia, 2015. Soilless Culture System to Support Water Use Efficiency and Product Quality. 21. Marvin E. Jensen 2000. Historical evolution of et estimating methods. 22. Tesi di laurea Marco Dal Lago, 2010. Introduzione dell’orticoltura idroponica comunitaria.
155
