09 Mar Agricoltura di precisione: una opportunità in divenire

di Giuseppe Sarasso

Agricoltura di Precisione (AP), Precision Farming, Agricoltura sito-specifica, Agricoltura 4.0, Agricoltura 5.0 sono le varie definizioni di una agricoltura moderna, che utilizza la georeferenziazione satellitare al fine di adeguare gli interventi colturali alla variabilità dei terreni, che si esplica in misura importante a distanze di pochi metri.

Possibilità tecnico-economiche di applicazione in Italia                     

La AP è composta da un insieme di tecnologie che spaziano dalla georeferenziazione satellitare, alla sensoristica avanzata, ad attrezzature di distribuzione smart dei fattori di produzione, a macchine da raccolta che rilevano mappe di produzione. È nata negli USA negli anni ’90 del secolo scorso per agevolare soprattutto il diffuso impiego da parte delle imprese agricole di fornitori di servizi, spesso anche fornitori dei fattori tecnici “reso radici”, che effettuano applicazioni di fertilizzanti e fitofarmaci tramite mezzi aerei od enormi mezzi terrestri. Utilizzando la AP, l’agricoltore conferisce ad una ditta l’incarico della distribuzione e contemporaneamente consegna una chiavetta USB contenente le mappe dei terreni e le dosi da applicare: in questo modo l’operatore, anche se non ha mai visto i campi da trattare, è in grado di eseguire correttamente i suoi compiti. Successivamente la tecnologia si è evoluta alle applicazioni sito-specifiche.

A partire dal 2000 la AP è stata introdotta in Italia, dove la situazione fondiaria è ben lontana da quella americana. Il maggiore ostacolo italiano alla sua adozione è dato dalla prevalenza delle aziende di piccole dimensioni che possiedono terreni polverizzati in una miriade di appezzamenti. Per ammortizzare in 8 anni tutte le attrezzature necessarie a raggiungere il livello di tecnologia attualmente disponibile, servono aziende estese tra 40 a 120 ha, secondo le colture. Un’ampia disamina del problema si può trovare su http://www.accademiadiagricoltura.it/immagini/documenti/principi_ed%20economia_della_PF.pdf   Purtroppo la superficie media aziendale italiana si aggira intorno agli 11 ha; servirebbero tempi troppo lunghi per ammortizzare investimenti che non sono proporzionali alla superficie servita e che, visto il rapido sviluppo della tecnologia, vanno rinnovati in tempi brevi. Lo smercio limitato mantiene elevati i costi delle attrezzature, dovendo suddividere su pochi esemplari i costi di ricerca e sviluppo. I costi di equipaggiamento “di precisione” dei macchinari agricoli incidono in modo importante, in proporzione maggiore sulle macchine più piccole. Le piccole aziende, impossibilitate ad eseguire gli investimenti necessari, dovrebbero rivolgersi a ditte di servizi per le operazioni di AP. Ma i frequenti spostamenti tra gli appezzamenti, a volte distanti tra loro, riducono l’efficienza operativa ed economica dei mezzi. Per ora solo le aziende vitivinicole nelle aree di pregio, insieme ad alcune grandi aziende cerealicole, stanno iniziando ad investire sulla tecnologia.

Come superare gli ostacoli? In Giappone, dove la superficie media aziendale si aggira intorno al mezzo ettaro, la tecnologia è ancora poco diffusa, nonostante sia supportata dalla forte difesa dei prezzi dei prodotti agricoli e da una ricerca tecnologica avanzata. Si potrebbe provare a ripartire i costi tra più aziende seguendo alcuni esempi inglesi, dove le organizzazioni chiamate ring, dall’antica abitudine in vigore anche da noi per la quale tutto il vicinato collaborava alla trebbiatura del grano sulle diverse aie, danno frutti interessanti. Ciascun partecipante si dota di una o poche attrezzature all’avanguardia e le mette a disposizione anche degli altri associati. Ogni socio si confronta con gli altri prima di acquistare una attrezzatura, per coprire tutte le esigenze del gruppo. A fine anno si fa un bilancio dei servizi forniti e ricevuti, con adeguato conguaglio. Con l’attenta organizzazione e disciplina tipica dei luoghi, si costituisce un parco meccanico completo a disposizione di tutti i soci, con ogni pezzo gestito ed accudito dal singolo proprietario. Il congruo numero delle ore lavorate permette un ammortamento rapido del parco, che rimane sempre aggiornato.

I ring funzionerebbero da noi? Oltre alla nostra indole, si frappongono ostacoli burocratici insormontabili, quali il fascicolo aziendale, le assicurazioni, e tanto altro. Anche la nuova legge italiana sulla rete di imprese stenta ad affermarsi per la burocrazia. La sburocratizzazione dello Stato e della UE sarà un sogno come quello dell’altrettanto necessario riordino fondiario, sempre invocato e mai realizzato? Una soluzione alternativa per ora futuribile potrebbe derivare da una diffusione della AP tale da abbatterne i costi a livelli sostenibili anche da parte delle piccole aziende. Un altro limite applicativo è dato dall’elevata età media degli agricoltori che, oltre alla ridotta dimestichezza con l’informatica, hanno davanti a sé un orizzonte operativo corto, in rapporto al tempo che servirebbe loro per mettere a frutto l’investimento. Le poche aziende che adottano la tecnologia AP tendono a dotarsi gradualmente degli strumenti richiesti, in funzione dei passi successivi di volta in volta compiuti. Finora erano vincolate ad indirizzare gli acquisti successivi sul primo marchio scelto, in quanto ognuno propone un protocollo di comunicazione esclusivo. Finalmente ad Agritechnica 2019 è stato presentato, e premiato con medaglia d’oro, un accordo per ora parziale tra New Holland, Case IH, Steyr, John Deere, Claas e 365FarmNet, per sviluppare un protocollo di intercomunicazione reciproca tra i loro prodotti, lasciando all’agricoltore la libertà di scelta ad ogni nuovo acquisto. Un protocollo veramente universale faciliterebbe la diffusione della AP. Di certo le aziende agricole, come gli organismi viventi, devono adattarsi ai tempi, come scrisse Charles Darwin: “Le specie che sopravvivono sono quelle che si adattano più rapidamente ai cambiamenti dell’ambiente”.

Dopo questo prologo non troppo incoraggiante, passiamo ad illustrare lo stato attuale dell’arte, i positivi risultati già conseguiti, e le possibilità degli sviluppi futuri.

Tecnologia di distribuzione smart dei fattori tecnici   

Per eseguire la distribuzione dei fattori tecnici in modo preciso ed aderente alle esigenze delle coltivazioni, che variano spazialmente, occorrono attrezzature “di precisione”. Quelle disponibili attualmente permettono risultati di tutta soddisfazione. In una giornata di lavoro durante la quale si spargono 20 tonnellate di fertilizzante su 70 ha, l’errore finale è contenuto in pochi chilogrammi. I fertilizzanti ed i fitofarmaci vengono applicati tramite ripetute passate parallele nei campi, per coprire uniformemente tutta la superficie. La precisione della distanza tra una passata e l’altra, unita alla possibilità di variare in modo automatico la larghezza di lavoro e l’apertura e chiusura dell’erogazione nelle aree di bordo durante le manovre di svolta, seguendo le indicazioni satellitari, garantisce di evitare fallanze e sovrapposizioni.

Sperimentazioni fatte in materia certificano che, a seconda dell’ampiezza e regolarità della forma degli appezzamenti, si può risparmiare dall’8 al 22% dei fattori produttivi. Se ci riferiamo ai fertilizzanti, evitare le sovrapposizioni produce un risparmio economico, un minor impatto ambientale, ed una migliore sanità della pianta, che se troppo lussureggiante è più soggetta alle malattie fungine. Se riferito alle irroratrici, il discorso è uguale: meno costi, meno inquinamento, meno sovradosaggi. I vantaggi si pagano: le attrezzature di AP costano più del doppio di quelle tradizionali, e richiedono manutenzione e controlli attenti e continui. Basta il malfunzionamento di un banale connettore dei dati a causare errori gravi. Le attrezzature di precisione devono essere trainate da trattrici dotate di guida automatica satellitare, utile anche per ottimizzare le passate dedicate alla lavorazione del terreno, con risparmio di tempo, gasolio ed usura delle macchine. Il risparmio di fattori tecnici permette un economico ammortamento delle attrezzature fin qui descritte a partire da aziende medio-grandi: 20 ha ettari dove le forme e dimensioni degli appezzamenti sono penalizzanti, 30 ha su appezzamenti grandi e regolari. Le suddette attrezzature sono necessarie anche per le applicazioni a rateo variabile. Sono in corso sperimentazioni per la guida autonoma delle trattrici, mentre sono già in commercio dispositivi per gestire macchine in tandem o per la gestione centralizzata di flotte di macchine dedicate al trasporto dei prodotti dal campo all’azienda.

Applicazione dei fattori tecnici in dosi variabili sito-specifiche     

Raggiunta la precisione nella distribuzione, il passo successivo permette, ottenute le informazioni idonee, di predisporre mappe di prescrizione delle quantità da distribuire, che tengano conto delle variabili presenti in un campo. Occorre quindi in primis acquisire tutti i dati disponibili riguardanti lo stato del terreno e delle colture. La AP può essere applicata in molte coltivazioni, ognuna con le proprie esigenze e procedure, tanto che per descriverle non basterebbe un intero volume. Allo scopo di descrivere un esempio, nel prosieguo della trattazione ci si riferisce ad esperienze applicative in pieno campo su risaia sommersa, eseguite grazie all’appoggio dell’Accademia di Agricoltura di Torino ed alla collaborazione di alcuni suoi Accademici. Il resoconto, completo di bibliografia, è consultabile gratis su https://openaccesspub.org/jar/article/1030#idm1842487524

Per acquisire i primi dati e verificare il risultato dell’operato, è necessario attrezzare la mietitrebbiatrice con un apparato satellitare, magari lo stesso applicato alle trattrici durante il periodo di coltivazione, e la sensoristica idonea a creare le mappe di produzione. Queste sono visualizzabili a computer tramite apposito software. In figura 1 un esempio, dove la superficie è segmentata in riquadri di 19×19 metri, ed i colori rappresentano le tonnellate per ettaro di prodotto secco. L’ampiezza della variabilità della produzione in uno stesso appezzamento è la norma per tutte le coltivazioni a tutte le latitudini. Nella mappa (si tratta di una risaia) la resa media dell’appezzamento è di 8.06 t/ha, superiore alla media nazionale, nonostante la presenza di aree con rese inferiori, alcune segnalate al momento del raccolto per insufficiente controllo delle infestanti. Teoricamente, si potrebbe innalzare la media a 10 t/ha, riuscendo ad ottenere ovunque le migliori condizioni colturali.

Figura 1: mappa di produzione di una risaia segmentata in riquadri

Ottenute le mappe, vi sono due vie di applicazione: una è quella “conservativa”, che tende a mantenere lo status quo produttivo, calcolando le sostanze nutritive asportate in funzione di quanto raccolto in ogni riquadro, e ripristinandole con la fertilizzazione. Questa strategia è molto applicata nelle grandi pianure americane non irrigue, dove la disponibilità di acqua è un fattore limitante insuperabile, e sarebbe inutile somministrare nutrienti che non sarebbero poi assorbiti dove la capacità di campo (capacità del terreno di trattenere l’acqua) è bassa. In queste aree si riduce anche la quantità di seme: meno piante per metro quadro significano meno concorrenza per la scarsa acqua. Tornando all’esempio della risicoltura, che non ha limitazioni idriche, quindi una importante variabile in meno, si applica una seconda opzione: adeguare i fattori che limitano la produzione. Utilizzando le mappe di produzione, si possono eseguire analisi del terreno mirate alle aree che risultano meno produttive. Si ottengono così informazioni più rappresentative, riducendo il numero ed i costi delle analisi, per inserire in ogni riquadro di una mappa di prescrizione le dosi da somministrare al momento della fertilizzazione di base. Esistono anche strumenti che, trascinati per i campi, disegnano mappe georeferenziate della tessitura del terreno (percentuali di scheletro – sassi -, argilla, limo, sabbia), della percentuale della sostanza organica e della conducibilità elettrica della soluzione circolante, che è proporzionale alla concentrazione degli elementi nutritivi. Sovrapponendo questi dati alle mappe di produzione, si potrebbe migliorare la qualità dei dati in possesso, ma attualmente manca un algoritmo idoneo ad eseguire una sintesi dei dati. Trattandosi di Big Data, le analisi manuali sono improponibili. Sarebbe utile differenziare anche la fertilizzazione in funzione della densità delle piante insediate, per stimolare l’accestimento dove è necessario. Ma per ora mancano gli strumenti per elaborare mappe di investimento, al massimo si può incrementare la dose di seme nelle aree che l’esperienza dell’agricoltore indica “difficili” per le nascite. Per la fertilizzazione nella fase della formazione della pannocchia (PI) il mercato propone appositi sensori che, applicati davanti alla trattrice che traina lo spandiconcime, “leggono” il “vigore” tramite la riflessione della luce da parte delle foglie. Misurando la differenza quantitativa tra due bande di lunghezza d’onda riflesse, si ottiene un indice dell’attività fotosintetica delle foglie. È stata elaborata una ventina di indici di vigore, che si basano su diverse lunghezze d’onda e diverse formule per il calcolo. Ne sono stati sperimentati due tra i più citati in letteratura (NDVI e NDRE), e dopo tre anni di tentativi e di messe a punto, è stato individuato come più rappresentativo per il riso in fase PI l’indice NDRE. Questo è proporzionale, con correlazioni intorno all’80%, al Nitrogen Uptake, parametro utilizzato nelle risaie australiane per indicare la quantità di azoto contenuto in un ettaro di biomassa della coltura. Oltre che con sensori a terra, i dati di vigore ed altri ancora (temperatura della vegetazione, ecc.) possono essere rilevati in remoto, tramite satelliti, aerei o droni. Anche queste attività sono in pieno sviluppo, ciascuna con pregi e difetti.

Conoscendo il Nitrogen Uptake, si potrebbe consultare il grafico 1 derivato da una lunga sperimentazione californiana che, per due tipologie di varietà di riso, indica la reazione media alla crescente somministrazione di azoto. Il calcolo del fabbisogno necessario ad accompagnare il riso fino alla maturazione ottimale ottenendo il massimo rendimento dell’azoto sarebbe applicabile in modo semplice ad una mappa di prescrizione. Ma ogni cultivar di riso (in Italia ne sono registrate più di 200, una agrobiodiversità forse eccessiva) richiede specifici valori ottimali di azoto, e dosi di frazionamento diversificate durante il ciclo colturale. Il rendimento dell’azoto a seconda dei luoghi non è uguale, per cui il punto di partenza e la forma delle parabole in grafico 1 possono variare.

Grafico 1- rapporti produzione/dosi di azoto.

Si sta scoprendo il ruolo del rizobioma nei processi di assorbimento dell’azoto, una prateria da esplorare. Quando si fertilizza in PI non si conosce l’ammontare della somma termica e della luminosità disponibili nei successivi 70-80 giorni, necessari per giungere a maturazione, che influiranno sulla capacità di assorbimento dell’azoto somministrato. Per ora si lavora solo sull’azoto, trascurando gli altri elementi. In seguito a queste considerazioni si comprende quanto sia lunga la strada ancora da percorrere. Con le conoscenze e gli strumenti attuali, solo dopo aver conseguito una esperienza poliennale si riescono a conseguire gli obiettivi di risparmio di azoto coniugato con il parziale livellamento produttivo esposti in fig. 2

Figura 2: dose decrescente di fertilizzante azotato 23-0-30 (blu) somministrata in funzione dell’incremento del vigore NDRE, e conseguente evoluzione della produttività (giallo)

Obiettivi ancora da raggiungere

Per sfruttare al massimo le potenzialità della AP servirebbero nuovi sensori specifici per eventuali carenze di fosforo, potassio, e microelementi, oltre all’analisi della tipologia ed efficienza del rizobioma, e previsioni meteo affidabili, di lunga durata e di tipo puntuale. Per usufruire al meglio di tutte le informazioni e le loro interazioni reciproche, servirebbe un modello matematico generale. Questo andrebbe adattato tramite l’esperienza all’infinità di fattori limitanti presenti di volta in volta nel terreno.

Saranno quindi necessari per ogni coltura sistemi di intelligenza artificiale e machine learning che, in funzione del divenire della fertilità del terreno e degli andamenti climatici adattino, di anno in anno, il modello in modo personalizzato per ogni riquadro dei vari appezzamenti. Considerando che le coltivazioni, tranne alcuni ortaggi, hanno cicli almeno annuali, l’apprendimento richiederà tempi lunghi. Tutta l’impostazione della modellistica richiederà competenze interdisciplinari, quindi la formazione di pool di ricercatori esperti delle varie scienze coinvolte, che ricevano finanziamenti garantiti per sperimentazioni di lunga durata.

Le pubblicazioni riguardanti la fertilità del terreno che si azzardano a ricavare indicazioni applicative da sperimentazioni biennali o triennali sono poco significative, come aveva già intuito il Conte Camillo Cavour, agricoltore illuminato ed innovatore, che in una sua lettera a Giacinto Corio del gennaio 1847 scrisse: “Venendo alle cose di campagna, le dirò che l’agri­coltore è il mestiere della pazienza”. Possiamo immaginare che ad oggi siamo riusciti a ricavare dalla AP non più del 30% dei vantaggi teoricamente possibili. Quindi l’attività agricola rimane ancora precipuamente un’arte, esercitata in base all’esperienza ed all’intuito. Nonostante ciò, nell’azienda risicola di 250 ha dove si è applicata la tecnologia, dopo la necessaria esperienza, si è ottenuto finora un incremento medio della produzione del 5% riducendo del 10% le dosi totali di fertilizzanti e fitofarmaci, prestazione ancora migliorabile, ammortizzando l’investimento in tempi brevi.

L’impiego della AP può anche essere utile nella lotta alle infestanti, migliorando i lavori di sarchiatura grazie all’utilizzo della georeferenziazione RTK, che permette una precisione centimetrica. Esiste un grande fermento nella modernizzazione di diversi tipi di sarchiatrici, nel tentativo ancora irrisolto di sostituire totalmente, mediante molteplici passaggi ripetuti, gli erbicidi. Altra possibilità, già realizzata per ora su piccola scala, non ancora in risicoltura, è quella di spruzzare gli erbicidi in modo mirato, colpendo solo le foglie delle infestanti, tramite un sistema di riconoscimento per immagini. Rispetto al metodo attuale, dove si irrora a tappeto senza distinguere tra infestanti, coltivata e terreno nudo, la riduzione dell’impiego di erbicida può raggiungere il 90%, con un notevole risparmio economico e l’abbattimento dei rischi di inquinamento di cibo ed acque, peraltro attualmente già contenuti entro dosi di tutta sicurezza.

Per estendere i vantaggi della AP a tutta l’agricoltura italiana occorre predisporre per ogni coltura una modellistica autoadattante, che permetta le elaborazioni automatiche di tutti i dati rilevati, in modo che ogni agricoltore possa disegnare, direttamente, o con l’aiuto di un agronomo, le sue mappe di prescrizione. Occorre renderla economica per tutte le aziende. La AP è, insieme ai nuovi metodi di miglioramento genetico, uno dei percorsi più promettenti per coniugare la sostenibilità ambientale con quella economica, e nel contempo rispondere al previsto futuro incremento del fabbisogno mondiale di cibo, senza ampliare le terre coltivate a danno delle foreste. Solo accelerando l’attività di ricerca, soprattutto applicativa, se ne potranno ottenere in tempi utili tutti i risultati promessi. In alternativa, si rimarrà al folclore dell’agricoltura di “una volta”, a suo tempo ben sperimentata dai meno giovani come agricoltura della fatica e della miseria.