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  • Politecnico di TorinoCorso in Ingegneria per lAmbiente e il Territorio

    TESI DI LAUREA MAGISTRALE

    Modellazione eco-idrologica della dinamica dicrescita delle radici

    A cura di Gabriele Bertolain collaborazione con ilComputational ScienceCenter di Vienna

    Relatori: Francesco LaioDaniel LeitnerLuca RidolfiStefania Tron

    26 marzo 2015

  • La rizosfera

    Definizione

    Porzione di suolo che circonda le radici delle piante, la composizione delquale e` alterata dalla attivita` radicali stesse.

    Un sistema complesso

    Radici, suolo e organismi interagiscono per dar vita alla rizosfera. Ognicomponente influenza ed e` influenzata dalle altre.

    Modellazione eco-idrologica della dinamica di crescita delle radici 2 / 17

  • La rizosferaPerche e` cos` importante?

    Lintensivo periodo di ricerca e di sviluppo agricolo, iniziato nel 1940 con lacosiddetta Rivoluzione verde, ha portato a un aumento della produzionealimentare attraverso lintroduzione di coltivazioni ad alta produttivita`,

    luso di pesticidi e fertilizzanti, e un maggiore dispendio di acqua.

    Negli ultimi anni queste strategie non riescono piu` ad andare incontro alcontinuo aumento nella richiesta di cibo e causano, inoltre, ingenti

    danni ambientali.

    Le radici potrebbero essere la chiave per fronteggiare sia la carenzaalimentare sia i problemi legati allambiente. Importante e` razionalizzarelutilizzo delle risorse di cui una pianta ha bisogno (in ogni fase dellacrescita) per aumentare le produttivita` dei raccolti e ridurre gli sprechi.

    Modellazione eco-idrologica della dinamica di crescita delle radici 3 / 17

  • La rizosferaPerche e` cos` importante?

    Lintensivo periodo di ricerca e di sviluppo agricolo, iniziato nel 1940 con lacosiddetta Rivoluzione verde, ha portato a un aumento della produzionealimentare attraverso lintroduzione di coltivazioni ad alta produttivita`,

    luso di pesticidi e fertilizzanti, e un maggiore dispendio di acqua.

    Negli ultimi anni queste strategie non riescono piu` ad andare incontro alcontinuo aumento nella richiesta di cibo e causano, inoltre, ingenti

    danni ambientali.

    Le radici potrebbero essere la chiave per fronteggiare sia la carenzaalimentare sia i problemi legati allambiente. Importante e` razionalizzarelutilizzo delle risorse di cui una pianta ha bisogno (in ogni fase dellacrescita) per aumentare le produttivita` dei raccolti e ridurre gli sprechi.

    Modellazione eco-idrologica della dinamica di crescita delle radici 3 / 17

  • La rizosferaPerche e` cos` importante?

    Lintensivo periodo di ricerca e di sviluppo agricolo, iniziato nel 1940 con lacosiddetta Rivoluzione verde, ha portato a un aumento della produzionealimentare attraverso lintroduzione di coltivazioni ad alta produttivita`,

    luso di pesticidi e fertilizzanti, e un maggiore dispendio di acqua.

    Negli ultimi anni queste strategie non riescono piu` ad andare incontro alcontinuo aumento nella richiesta di cibo e causano, inoltre, ingenti

    danni ambientali.

    Le radici potrebbero essere la chiave per fronteggiare sia la carenzaalimentare sia i problemi legati allambiente. Importante e` razionalizzarelutilizzo delle risorse di cui una pianta ha bisogno (in ogni fase dellacrescita) per aumentare le produttivita` dei raccolti e ridurre gli sprechi.

    Modellazione eco-idrologica della dinamica di crescita delle radici 3 / 17

  • La rizosferaCome studiarla?

    Ci sono svariate tecniche per studiare la rizosfera, ma nessuna di esse e` ingrado di fornire tutte le informazioni relative a un apparato radicale.

    Esempi di tecniche

    Misure di massa: lavaggiodelle radici.

    Misure sulla longevita` esul turnover delle radici:osservazione direttaattraverso minirhizotron1

    Problemi correlati

    Prelevare un sistema radicaledal suolo e` un processo cherichiede tempo e che puo`risultare spesso difficoltoso.

    I minirhizotron possonodisunire le radici e disturbareil suolo.

    1Tubi di vetro o plastica, inseriti nel terreno, in cui introdurre telecamere o sensori.Modellazione eco-idrologica della dinamica di crescita delle radici 4 / 17

  • Lobiettivo di questo studio

    Sviluppare un modello matematico in grado di simulare il comportamentodi un sistema radicale che cresce in funzione dellumidita` nel suolo, dopo

    aver introdotto una serie di precipitazioni che influenzano stocasticamentequesto complicato habitat.

    Modellazione eco-idrologica della dinamica di crescita delle radici 5 / 17

  • I due modelli matematici

    Un modello di crescita delleradici

    Si basa su alcuni principi:

    L-System

    Approccio modulare(asse principale, ramificazioni)

    Regole di produzione

    Crescita esponenzialenegativa

    Un modello di umidita` nellarizosfera

    Considera una serie di processi:

    Precipitazioni stocastiche

    Infiltrazione eredistribuzione dellacquanel suolo

    Assorbimento di acquaattraverso le radici

    Traspirazione della pianta

    Modellazione eco-idrologica della dinamica di crescita delle radici 6 / 17

  • Input e output del modello di crescita delle radici

    Distanza tra le ramificazioni

    Numero di ramificazioni

    Raggio

    Tropismi

    Angolo iniziale tra un ordine radicale e il

    precedente

    Tempo di vita

    Velocit di crescita iniziale

    MODELLO DI CRESCITA DELLE

    RADICI

    Geometria tridimensionale

    Lunghezza

    Geometria di confinamento

    Numero di apici radicali di partenza PER OGNI ORDINE

    RADICALE

    Accostamento al sistema suolo

    Lunghezza e superficie totale

    Distribuzione spaziale

    SISTEMA RADICALE

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  • Esempi di sistemi radicali ottenibiliI tropismi

    Definizione di tropismo

    Tendenza, propria a molte piante, di orientarsi in un dato senso sottolazione di uno stimolo esterno (J. Sachs)

    C

    Chemiotropismo

    S

    Idrotropismo

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  • Processi considerati nel modello di umidita`

    PRECIPITAZIONI STOCASTICHE Altezza di precipitazione e tempo che intercorre tra un evento e laltro estratti da distribuzioni esponenziali

    TRASPIRAZIONE Evaporazione trascurata

    SISTEMA SUOLO Porosit e altezza degli strati costante Omogeneo e infinitamente profondo Sistema monodimensionale

    INFILTRAZIONE E REDISTRIBUZIONE DELLACQUA NEL SUOLO

    Flusso di acqua in entrata nel terreno uguale al tasso di acqua caduta netta

    Scala temporale giornaliera: processo istantaneo, K(s) funzione a gradino

    Flusso a pistone Assenza di flussi orizzontali

    ASSORBIMENTO Dipende dalla funzione di densit radicale, dal

    tasso di traspirazione potenziale e dallo stress idrico del sistema

    Assorbimento in un dato strato indipendente dall'assorbimento che si verifica nel resto della zona radicale

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  • Accostamento dei due modelliLa scelta del sistema radicale

    A partire da alcuni valori definiti in letteratura, relativi ai parametri daintrodurre nel modello di crescita delle radici, e` stato scelto un sistemaradicale assimilabile allapparato radicale di alcuni cereali.

    Fattori che determinano laconfigurazione finale delle radici

    Valori assegnati ai parametri iningresso per definire il sistemaradicale

    Regime pluviometrico

    Condizioni iniziali di umidita` eproprieta` del suolo

    Fabbisogno idrico della pianta

    10 giorni

    240 giorni

    0 20 40 60 80 100 12080

    70

    60

    50

    40

    30

    20

    10

    0

    De

    pth

    (cm

    )

    Root surface (cm2)

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  • Modellazione del sistema radicale scelto

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  • I casi analizzati

    A2 B2 C1 D1 A1 B1 C1 D1

    A2 B1 C2 D1

    A2 B1 C1 D1

    TROPISMI CONDIZIONI INIZIALI DI SATURAZIONE RALLENTAMENTO DELLA CRESCITA

    TASSO DI TRASPITAZIONE

    POTENZIALE

    SENZA TROPISMI: A1 COSTANTI = 0,1: B1 SENZA RALLENTAMENTO: C1 COSTANTE: D1

    IDROTROPISMO: A2 VARIABILI = LAST: B2 CON RALLENTAMENTO: C2 VARIABILE NEI PRIMI 3 MESI DI CRESCITA: D2

    A2 B1 C2 D2

    1 2 3

    4 5

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  • Le combinazioni prodotte

    ALTEZZA MEDIA DI PRECIPITAZIONE (cm) 0,5 1 1,5

    FREQUENZA MEDIA DI PRECIPITAZIONE (1/giorno) 0,2 0,5

    TASSO DI TRASPIRAZIONE POTENZIALE Tp (cm/giorno) 0,1 0,5

    0,5

    0,1 0,50,1 0,5

    12 COMBINAZIONI ANALIZZATE PER OGNI CASO

    10 SIMULAZIONI PER OGNUNA DELLE 12 COMBINAZIONI ANALIZZATE

    0,50,2

    1

    0,1 0,50,1 0,5

    0,50,2

    1,5

    0,1 0,50,1 0,5

    0,50,2

    1 2 3 4 5

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  • Confronto tra i casi esaminati

    Lanalisi dei risultati e` stata svolta per 2 combinazioni estreme.

    0 100 200 300 400 50080

    70

    60

    50

    40

    30

    20

    10

    0

    Dep

    th (c

    m)

    Root surface (cm2)

    0 0.2 0.4 0.6 0.8 180

    70

    60

    50

    40

    30

    20

    10

    0

    Dep

    th (c

    m)

    Saturation ()

    Senza tropismiIntroduzione idrotropismoCondizioni iniziali pi realisticheRallentamento, trasp. costanteRallentamento, trasp. variabile

    0 50 100 150 200 250 30080