È dotato dell'impianto lisimetrico più grande al mondo

di R. Francaviglia e P. Sequi

    Il centro sperimentale di Tor Mancina, di proprietà del Centro di ricerca per lo studio delle relazioni tra pianta e suolo ex Istituto Sperimentale per la Nutrizione delle Piante di Roma, è situato a 30 km a nord di Roma, lungo la Via Salaria, nel comune di Monterotondo. Immerso in un'azienda agricola di 57 ettari, è costituito da un impianto lisimetrico, una stazione di rilevamento climatico, un centro di calcolo ed un edificio da adibire a laboratori ed abitazione del custode. La parte più importante è senza dubbio quella relativa all'impianto lisimetrico che lo rendono uno strumento estremamente versatile per le ricerche sulle interazioni tra agricoltura e ambiente. Il centro è funzionante dal 1987 ed è presumibilmente il più grande esistente in Europa e nel mondo, se non come numero almeno per le dimensioni dei lisimetri.
    Un lisimetro è un blocco di terreno indisturbato, che viene prelevato ed inserito in un apposito contenitore. I lisimetri sono nati originariamente per la conduzione degli studi sul bilancio idrico delle colture e sulle prime formulazioni dell'evapotraspirazione delle colture. Solo negli ultimi anni hanno acquistato importanza negli studi di inquinamento ambientale, perché è possibile tenere sotto controllo diverse variabili pur mantenendo una buona rappresentatività della realtà. Gli studi lisimetrici sono quindi un buon mezzo per condurre esperimenti controllati in condizioni di campo, perché si possono confrontare simultaneamente diversi tipi di terreno, a parità di condizioni climatiche, e campionare in continuo le acque di percolazione, cosa impossibile nelle prove di campo. Avendo a disposizione un numero sufficiente di lisimetri è possibile confrontare gli effetti di scelte agrotecniche differenti (concimazioni, irrigazioni, ecc.) sullo stesso terreni o su diversi tipi di terreno contemporaneamente.
    La possibilità di raccogliere le acque di percolazione che escono dal fondo dei lisimetri offre molteplici applicazioni per la ricerca applicativa, come ad esempio gli studi sulla qualità delle acque sotterranee nel settore dei prodotti fitosanitari e dei fertilizzanti. Oppure la possibilità di studiare il destino ambientale di prodotti marcati che, soprattutto nel caso dei concimi azotati consentono di distinguere il comportamento dell'azoto somministrato da quello già presente nel terreno. Un altro aspetto da considerare è l'uso dei lisimetri per la valutazione del potenziale inquinamento delle falde idriche da parte di una sostanza. Il loro impiego può, infatti, fornire informazioni sulla concentrazione che una determinata sostanza raggiunge ad una certa profondità nel terreno ed in un certo tempo, consentendo di stilare graduatorie di mobilità e di pericolosità, vista anche la difficoltà di prevedere direttamente la concentrazione di una sostanza nelle acque di falda. Anche se non c'è sempre una correlazione diretta tra i lisimetri e i dati di campo, la concentrazione misurata al fondo di una serie di lisimetri, riempiti con uno o più suoli rappresentativi della realtà territoriale locale può consentire di fissare un indice di rischio per le acque di falda. Questo anche per fornire alle autorità locali e ai decisori uno strumento per l'identificazione delle aree vulnerabili dove studiare specifiche azioni di monitoraggio e misure preventive per la protezione delle acque.
    Molte normative internazionali relative al problema dell'inquinamento delle acque superficiali e sotterranee derivanti dalle attività agricole prescrivono i protocolli sperimentali da seguire per misurare la mobilità nel terreno e valutare l'impatto sulle acque sotterranee dei fitofarmaci, e fanno specifico riferimento all'uso dei lisimetri. Tra queste si possono citare la Direttiva Comunitaria 91/414 sulla registrazione dei fitofarmaci e la successiva Direttiva 95/36. Per i fertilizzanti non esistono metodi particolari per lo studio del loro impatto ambientale, ma i protocolli lisimetrici usati per i fitofarmaci possono essere impiegati con successo anche negli studi sui fertilizzanti.
    L'unico protocollo lisimetrico pubblicato è quello tedesco del Biological Research Centre for Agriculture and Forestry BBA. In Germania gli studi in lisimetro sono alla base delle ricerche sulla mobilità dei fitofarmaci da sottoporre a registrazione. Secondo la BBA i lisimetri devono essere riempiti con monoliti di suolo indisturbati, profondi 1-1.3 m, con superficie minima di 0.5 m². Il terreno deve avere un'elevata percentuale di sabbia e un basso tenore di sostanza organica, cioè rappresentare quello che viene definito worst case. Anche la Direttiva CEE 91/414 sulla registrazione dei fitofarmaci tende ad identificarsi nelle linee guida tedesche, dato che prevede la conduzione di prove lisimetriche con terreni di medio impasto o sabbiosi, al fine di simulare condizioni estreme di pericolosità. Il concetto del worst case è ripreso anche nelle linee guida proposte dall'OECD e dal Federal Insecticide, Fungicide and Rodenticide Act (FIFRA).
    Vale la pena di ricordare che la Direttiva Comunitaria 80/778 sulle acque potabili impone un limite di concentrazione di 0.1 mg L^-1 per i fitofarmaci nelle acque sotterranee, mentre la Direttiva 91/676 sulla protezione delle acque dai nitrati di origine agricola prescrive un limite di 50 mg L^-1. Il recente Decreto Legislativo 99/152 che recepisce le Direttive Comunitarie 91/271 e 91/676, ha infine fissato dei livelli di riferimento per la qualità delle acque superficiali. Per i nitrati lo stato delle acque viene definito elevato, buono, sufficiente, scadente o pessimo se la concentrazione dei nitrati è ≤ di 1.3, 6.6, 22.1, 50.0 o supera i 50 mg L^-1. Per il fosforo, i corrispondenti valori di concentrazione relativi agli obiettivi di qualità sono 0.07, 0.15, 0.30 e 0.6 mg L^-1.

Descrizione del centro sperimentale

L'impianto lisimetrico

    L'impianto lisimetrico, completamente automatizzato, è costituito da 30 vasche cilindriche di varia profondità (1.5, 2.5 e 3.0 m), con una superficie di circa 2 m² e riempite con terreni di diversa origine e composizione (Foto 1-3). I lisimetri, come accennato nell'introduzione, possono essere utilizzati sia per studi sull'evapotraspirazione sia per ricerche sul rilascio di fertilizzanti e fitofarmaci. Nel primo caso possono funzionare con una falda controllata che può essere posizionata a profondità variabile in rapporto allo sviluppo dell'apparato radicale. Nel secondo caso funzionano a percolazione libera assicurando la nutrizione idrica delle colture sulla base delle precipitazioni atmosferiche e delle irrigazioni.

Foto 1. I lisimetri sono all'interno di un'area coltivata omogenea.

Foto 2. Un lisimetro prima del riempimento.

Foto 3. Veduta dall'alto dei lisimetri.

    Le vasche sono dotate di un sistema di controllo dell'ingresso e dell'uscita dell'acqua, costituito da una vaschetta di livello (Foto 4) che funziona sul principio dei vasi comunicanti ed è collegata ad un pluviometro di precisione. Il sistema è provvisto di collegamenti ad ogni lisimetro ed è alloggiato in un laboratorio sotterraneo (Foto 5 e 6).

    Se il sistema funziona a falda controllata, quando questa scende per effetto dell'evapotraspirazione si abbassa anche un galleggiante della vaschetta di livello che agisce su appositi contatti platinati. Si apre così un'elettrovalvola posta all'ingresso del pluviometro (precisione 20 ml), che assicura il ripristino del livello dell'acqua. La quantità di acqua che entra è conteggiata da un pluviometro e, mediante un contatto di prossimità, viene trasformata in impulsi elettrici e quindi memorizzata sia su contatore elettronico resettabile, sia sui datalogger collegati ad un elaboratore elettronico del centro di calcolo (Foto 7) anch'esso situato nel laboratorio sotterraneo in un apposito locale climatizzato. Se invece il livello di falda sale per effetto delle precipitazioni, il galleggiante all'interno della vaschetta si alza e, agendo su un secondo contatto platinato, apre l'elettrovalvola di scarico posta alla base del lisimetro. Mediante un pluviometro a vaschette oscillanti simile al precedente, il percolato (cioè l'acqua in eccesso) viene conteggiato e raccolto in appositi contenitori per le successive analisi.
    Nel caso che il sistema funzioni a percolazione libera (senza falda), il lisimetro è posto in comunicazione diretta con il pluviometro che misura l'acqua in eccesso. Quando le piogge o le irrigazioni superano la capacità di ritenzione idrica del terreno, l'acqua inizia a percolare dal fondo del lisimetro, viene conteggiata (sempre con la precisione di 20 ml) e memorizzata dai datalogger e dall'elaboratore elettronico. Il prelievo dell'acqua raccolta nei contenitori avviene ogni giorno se la percolazione è elevata, oppure con periodicità maggiore finché non si raccoglie un volume di acqua sufficiente per le analisi previste.

La stazione di rilevamento climatico

    I dati climatici vengono rilevati utilizzando una torre alta 20 metri e fornita di bracci per l'alloggiamento dei sensori (Foto 8-11). I parametri rilevati sono i seguenti:

- a 20 metri di altezza: temperatura ed umidità relativa dell'aria, radiazione solare, illuminamento, velocità e direzione del vento;

- a 15, 10 e 5 metri di altezza: temperatura ed umidità relativa dell'aria, velocità del vento;

- a 2.5 metri di altezza: temperatura ed umidità relativa dell'aria, velocità del vento, eliofania, pressione barometrica e temperatura all'infrarosso.

    A livello del terreno (Foto 12-13) si misurano invece le precipitazioni atmosferiche, l'evaporazione da superficie di acqua libera mediante l'evaporimetro Classe A pan (con misurazione automatica e manuale), la radiazione netta su prato e sul Classe A, la temperatura del terreno a 5, 10, 20 e 40 cm di profondità ed i flussi di calore nel terreno a 2.5, 7.5, 15 e 30 cm. Le connessioni di tutti i sensori sono situate alla base della torre di rilevamento, da dove i segnali sono inviati al centro di calcolo. 

Il centro di calcolo

    Il centro di calcolo acquisisce, memorizza, elabora e trasmette i dati rilevati dai sensori climatici e dall'impianto lisimetrico, che sono collegati via cavo con due datalogger elettronici. I datalogger sono dotati di una memoria interna di tipo ciclico, con circa 30.000 posizioni assegnate ai dati elaborati, che ne consentono la memorizzazione per oltre 4 ore in linea, oltre all'archiviazione in via cautelativa su modulo di memoria o cassetta magnetica, l'uscita su stampante e la trasmissione dei dati via modem. I datalogger sono stati programmati per effettuare una scansione su tutti i sensori ogni 10 secondi ed elaborare ogni minuto i dati provenienti dai sensori climatici, e ogni 10 minuti quelli dell'impianto lisimetrico. I dati elaborati e memorizzati dai datalogger sono prelevati automaticamente ogni ora da un elaboratore elettronico dedicato al sistema, che li memorizza in file di appoggio e al termine delle 24 ore li archivia in file definitivi di tipo orario e giornaliero.
    Nella configurazione descritta (30 lisimetri e stazione di rilevamento climatico) il sistema può rilevare 110.000 dati al giorno, memorizzandoli su un disco da 300 Mb che ne permette il mantenimento in linea per circa un anno. Ogni mese i dati sono anche memorizzati su supporto magnetico utilizzabile anche da altri elaboratori elettronici. Un sistema di maschere su video permette anche il colloquio dell'utente con il calcolatore per l'esecuzione sul posto delle seguenti operazioni:

- grafici su video;

- grafici su plotter;

- visualizzazione e stampa dei file di appoggio, orari e giornalieri;

- stampa dei riepiloghi mensili ed annuali.

    Sia la rappresentazione grafica che la stampa dei dati sono estremamente flessibili ed impostabili dall'utente nella forma voluta. Il sistema di trasmissione dati via modem consente infine l'accesso remoto e la memorizzazione in linea dei dati dei datalogger e del computer, e la loro utilizzazione per diversi utenti che possono creare e gestire delle banche dati personalizzate contenenti i parametri di loro interesse.

I risultati di alcune ricerche

    La Figura 1 si riferisce ad un'esperienza condotta con l'impianto lisimetrico descritto negli anni 1988-89 con lo scopo di valutare l'impatto dei fattori chimici della fertilità (essenzialmente fosforo ed azoto) sulle acque di percolazione. Risulta evidente l'effetto depurante del terreno sulle acque di percolazione che lo attraversano: in funzione della profondità dei lisimetri, che aumenta da 1.5 a 3 metri, le perdite di azoto diminuiscono drasticamente. In presenza di coltura (frumento) le perdite di azoto per lisciviazione sono inferiori di un fattore 100, e risultano praticamente annullate.

Figura 1. Esempio di lisciviazione di azoto dai lisimetri profondi 1.5 (blu), 2.5 (rosso) e 3.0 m (verde). Con coltura di frumento (linea tratteggiata) e senza coltura (linea intera).

    Nella Figura 2 si riporta un esempio di bilancio idrico per una rotazione colturale relativo ad un'esperienza sulla percolazione di acqua e la lisciviazione di un erbicida effettuata nel periodo 1993-96, inserita nel Programma Europeo COST Azione 66, "Fate of Pesticides in the Soil and the Environment". La percolazione di acqua ha avuto un andamento molto variabile durante la prova sperimentale, infatti l'ambiente di Tor Mancina mostra le caratteristiche climatiche tipiche degli ambienti mediterranei. Di conseguenza, in alcuni periodi invernali e primaverili il terreno è sempre stato saturo di acqua, e dopo ogni evento piovoso si aveva la percolazione di una quantità di acqua praticamente pari alle piogge. In estate, al contrario, non si sono mai verificati eventi di percolazione significativi, quindi tutti gli input idrici sono stati utilizzati per l'evapotraspirazione (differenza tra le entrate e le uscite).

Figura 2. Esempio di bilancio idrico. Entrate = pioggia + irrigazioni; uscite = percolazione misurata totale di acqua.

    La Figura 3 illustra alcuni risultati ottenuti nel corso di una ricerca finalizzata alla valutazione delle possibilità di utilizzo di acque salmastre in ambiente mediterraneo. Al fine di evitare o quanto meno contenere la salinizzazione dei suoli, una tecnica suggerita per la valorizzazione delle acque salmastre consiste nel favorire la lisciviazione dei soluti apportati con l'acqua durante la stagione irrigua, somministrando volumi di adacquamento superiori a quelli necessari per riportare alla capacità idrica di campo lo strato di terreno interessato dall'apparato radicale. Le prove irrigue sono state condotte con acqua salmastra appositamente preparata: una tesi è stata irrigata con volumi unitari di acqua salmastra pari a 30 mm (L-0), una seconda tesi ha avuto una maggiorazione dei volumi irrigui pari al 30% (L-30) e la terza una maggiorazione del 60% (L-60). Il testimone C è stato irrigato con acqua dolce.
    I risultati hanno indicato buone possibilità per l'utilizzo di acque salmastre a scopo irriguo, in quanto non si sono manifestati preoccupanti accumuli di sali nel profilo. Emerge comunque la necessità di verificare l'evoluzione della salinità del terreno lungo il profilo ed intervenire con acqua di lisciviazione quando la conducibilità elettrica risulta superiore a quella compatibile sia con le caratteristiche del suolo che con il calo di produzione previsto.

Figura 3. Variazioni della conducibilità elettrica (Ece in dS m-1) in funzione della profondità per le tesi irrigue e per il testimone. http://www.isnp.it/Tor%20Mancina/tormancina.htm