Sviluppo e valutazione di un sistema per la gestione sostenibile delle infestanti basato sull'applicazione sito-specifica ; Development and evaluation of a system for sustainable weed management based on site specific spraying

Abstract

Dottorato di ricerca in Scienze delle produzioni vegetali e animali ; La resa delle colture è fortemente influenzata dallo sviluppo delle erbe infestanti ed il loro controllo è da sempre uno dei principali problemi dell'agricoltura. Se non si mettessero in atto sistemi di controllo le perdite stimate raggiungerebbero il 34% livello globale (Oerke, 2006). Quindi l'agricoltura moderna non può prescindere dal controllo delle infestanti, ma il continuo uso di diserbanti ha portato a problemi agronomici ed ambientali (Zanin et al, 2011). A questo proposito la direttiva 2009/128/CE dell'Unione Europea evidenzia la necessità di un utilizzo razionale dei fitofarmaci per garantire la sicurezza dei lavoratori, la salute del consumatore e allo stesso tempo risparmi sui costi di produzione. Una delle principali sfide dell'agricoltura di precisione è quella di sviluppare sistemi per la gestione delle infestanti che siano efficienti e con un ridotto impiego di diserbanti. Solitamente gli agricoltori effettuano i trattamenti diserbanti in maniera uniforme all'interno del campo non considerando la variabilità spaziale delle infestanti (Nordmayer, 2006). Tuttavia le specie infestanti hanno una distribuzione spaziale eterogenea costituendo aggregati di diversa forma e densità all'interno del campo (Cardina et al, 1997). In questi casi la conoscenza della distribuzione spaziale delle infestanti può portare ad un utilizzo mirato dell'erbicida. A questo proposito la gestione sito specifica delle infestanti, o site specific weed management (SSWM), potrebbe consentire una riduzione consistente nell'utilizzo dei diserbanti con minori costi e ridotto impatto ambientale (Gerhards & Christensen, 2003; Lopez-Granados, 2011). L'individuazione delle aree infestate è la chiave per applicare un sistema SSWM e richiede informazioni precise sulla distribuzione spaziale (Hamouz et al. 2014). Attraverso lo scouting manuale accoppiato all'applicazione di tecniche geostatistiche si potrebbero produrre mappe accurate delle infestanti, ma questo approccio non è fattibile al di fuori dei contesti di ricerca, essendo lungo e costoso. Tuttavia, la mappatura delle infestanti può essere eseguita tramite telerilevamento da satelliti, da aereo e con sensori montati sulle macchine. La risoluzione spaziale dei sistemi aerei e satellitari si è dimostrata insufficiente per sviluppare strategie di SSWM mentre i sensori, attualmente in commercio, che si possono montare sulle macchine oltre ad essere costosi possono essere impiegati solo in assenza della coltura. Una soluzione interessante per le tempistiche e i costi è l'acquisizione attraverso veicoli aerei senza equipaggio UAV (Unmanned Aerial Vehicle), che grazie alle basse altezze di volo offrono immagini con una risoluzione spaziale molto alta (<5cm) e presentano meno vincoli logistici rispetto ad altri sistemi di telerilevamento. Con la presente ricerca è stata testata la fattibilità della SSWM basata su mappe di infestazione ottenute dalle immagini acquisite tramite UAV. Il tutto è stato valutato in un contesto operativo di pieno campo che comprende tutti i passaggi che portano all'applicazione localizzata del diserbo. Partendo quindi dalle immagini acquisite da UAV sono state ottenute mappe sulla distribuzione spaziale delle infestanti, poi impiegate per la realizzazione delle mappe di prescrizione utilizzate per applicare il diserbo in maniera localizzata (patch spraying). L'efficacia del trattamento patch spraying rispetto al trattamento uniforme è stata valutata impiegando appropriate tecniche geostatistiche e quantificando le differenze di resa della coltura e la biomassa delle infestanti a fine ciclo. Sono stati quantificati inoltre anche i benefici ambientali ed economici derivanti dall'adozione delle tecniche di SSWM. ; Yield losses due to weeds are estimated to reach potentially 34 % globally (Oerke 2006). Conventional mainstream agriculture relies heavily on chemical weed control, but the excessive use of herbicides has often led to agronomic and environmental problems (Zanin et al. 1993). In this regard, the Directive 2009/128/EC of the European Union stipulates a more rational use of crop protection products to ensure worker safety, maintain consumer health by reducing herbicide residues in the environment and food chain, and at the same time, provide savings on production costs. One of the main challenges of precision agriculture, in the context of a contribution to reach the aims of the Directive, is to develop efficient weed management systems that reduce the amount of herbicides used. Usually farmers carry out blanket herbicide treatments and do not consider the spatial variability of weeds (Nordmeyer 2009). However, weed species have a heterogeneous spatial distribution, showing patches within the field with different shapes and densities alternated with areas without weeds (Cardina et al. 1997). Knowledge of the spatial distribution of weeds can lead to a targeted use of herbicides. In this regard, site-specific weed management (SSWM) consisting of targeting weed control according to their density, spatial distribution and typology, could allow for a decrease of herbicide usage, lower costs and environmental impact (Gerhards and Christensen 2003; Christensen et al. 2009; Lopez-Granados 2011). Weed patch detection within the field is the key to applying a patch-spraying system. SSWM requires accurate information on the spatial distribution of weeds (Hamouz et al. 2014). Field scouting coupled with the application of geostatistical techniques could yield accurate weed maps, but this approach is not feasible outside research contexts, being time consuming and expensive. However, the weed mapping can be done using remote sensing from satellites, aircraft and sensors mounted on the machines. The spatial resolution of satellite and aircraft systems has proved inadequate to develop strategies of SSWM while sensors, currently available, which can be mounted on the machines in addition to being expensive can be used only in the absence of the crop. An interesting solution to the timing and the cost is the acquisition through unmanned aerial vehicles UAV (Unmanned Aerial Vehicle), which thanks to the low flight altitudes offer pictures with very high spatial resolution (< 5 cm) and have less logistical constraints than other means of remote sensing. With this research was tested the feasibility of SSWM infestation maps based obtained from images acquired from UAV. The whole process was assessed in an operational context, including all the steps leading to the localized application of herbicide. Starting from images acquired by UAV, maps on spatial distribution of weeds were obtained and then used for drawing prescription maps, subsequently used for patch spraying treatments. The effectiveness of patch spraying treatments, compared to uniform herbicide spraying, was assessed using appropriate geostatistical techniques and the differences in yield of the crop and weed biomass at the end of the growing season were quantified. The environmental and economic benefits deriving from the adoption of SSWM techniques were also assessed.