L’importanza dell’azoto nella resa del grano: cerealicoltura integrata e biologica a confronto

Il grano è la seconda coltura più coltivata al mondo, stimata in 200 milioni di ettari. Il consumo di chicchi di grano rappresenta il 19% delle calorie nella dieta umana globale, mentre circa il 40% del grano prodotto viene destinato al pollame e al bestiame.

Il grano viene utilizzato a livello globale per la produzione di pane, pasta e altri prodotti da forno e, in piccola parte, per prodotti industriali.

Esiste un requisito assoluto di azoto (N) per la crescita del grano, e la resa e la qualità del raccolto dipendono da input sostanziali di azoto. Inizialmente, questo determina la formazione della chioma necessaria per la fotosintesi che, a sua volta, determina la resa. Successivamente, il principale assorbitore è la componente riproduttiva, vale a dire il chicco di grano.

Più della metà dell’azoto fissato a livello industriale viene utilizzato dall’agricoltura, per un totale di oltre 180 Mt/anno in tutto il mondo. Le perdite di N dal sistema di produzione si verificano come lisciviazione di nitrati (NO3−) o come prodotti gassosi della denitrificazione nel suolo: diazoto inutile (N2); protossido di azoto, un gas serra con 300 volte la capacità di intrappolare il calore dell’anidride carbonica (CO2); e infine l'ammoniaca. Ad eccezione dell’N2, questi gas contribuiscono all’inquinamento e al cambiamento climatico. Inoltre, l'N si accumula nel terreno. Le perdite di N riducono la produttività dell’ecosistema e la diversità biologica e contribuiscono all’eutrofizzazione. Di conseguenza, il livello massimo accettabile di NO3 nell’Unione Europea (UE) nelle risorse di acqua dolce è fissato per legge a 50 μg/l. Questo obiettivo, tuttavia, non viene raggiunto in alcune aree dell’UE, in particolare quelle con elevati apporti di letame organico; lo smaltimento del letame contenente N proveniente dall'industria zootecnica concentrata a livello locale potrebbe rappresentare un'ulteriore minaccia futura per queste regioni. I problemi ambientali associati agli input di N continuano ad essere un problema in molte parti e paesi del mondo, compresi gli Stati Uniti e vaste regioni della Cina. Nonostante siano stati recentemente compiuti progressi sostanziali, il grano rimane la coltura principale meno efficiente nell’uso dell’azoto (NUE), mentre i NUE del mais e del riso sono più alti di circa il 25%.

Le normative sui fertilizzanti per migliorare la gestione dell’uso di N con il chiaro obiettivo di ridurre gli input e le perdite di N nell’ambiente differiscono in ciascun paese. Tuttavia, le principali preoccupazioni degli agricoltori riguardano il fatto che la resa e la qualità del grano non potranno essere mantenute a livelli elevati se l’uso di fertilizzanti azotati verrà sostanzialmente ridotto.

Gestione moderna dei fertilizzanti azotati per il grano

Negli ultimi 30 anni, è stata osservata una correlazione positiva tra la produzione di cereali e l’uso di fertilizzanti azotati (sia da fertilizzanti minerali che da fertilizzanti organici riciclati) nei paesi in via di sviluppo. Nel 1960 l’uso di fertilizzanti sintetici a base di azoto in tutto il mondo ammontava a soli 9,2 Mt di azoto; è aumentato fino a 80,4 Mt N nel 1995 e da allora è aumentato costantemente fino a 108 Mt N nel 2015.

L’analisi globale ha identificato che negli ultimi cinquant’anni l’efficienza nell’uso dell’azoto in molti paesi è prima diminuita e poi aumentata con la crescita economica. Nel complesso, la NUE delle colture su scala mondiale è del 47% [qui definito come (N totale di granella rimosso – N proveniente dal suolo]/N di fertilizzante applicato)] e per alcuni decenni è stato sostanzialmente inferiore per i cereali (33%).

Il grano ha tre fasi principali di crescita con notevoli richieste di azoto.

Dopo la semina, circa 6 mg di riserva proteica totale del seme sono sufficienti per mantenere la germinazione e la crescita della piantina fino all'emergere della prima foglia. Ulteriore N deve essere acquisito dall'apparato radicale, ma in questa fase la radice è molto piccola. Pertanto, il fertilizzante aggiuntivo potrebbe essere meglio applicato direttamente come piccolo posizionamento di ammonio resistente alla lisciviazione sotto la fila di semi, ma solo se non è disponibile sufficiente N dalla mineralizzazione. L'assorbimento di azoto da parte delle singole piante di grano, principalmente sotto forma di NO3−, ammonio o persino urea, è generalmente molto efficiente.

Affinché il grano ottenga un'elevata resa e qualità nell’emisfero settentrionale, è considerata necessaria una prima applicazione di fertilizzanti N (fino a 60 kg N/ha) alla fine dell'inverno, intorno allo stadio di crescita 31 (spiga a 1 cm) prima che emerga la seconda foglia.

Una seconda applicazione (fino a 60 kg N/ha) avviene durante l'accestimento.

La terza applicazione del fertilizzante azotato avviene prima della fase di crescita (foglia a bandiera appena visibile) e lo scopo è promuovere l'accumulo di proteine ​​nelle spighe.

Attualmente, nelle moderne varietà di grano, la concentrazione di proteine ​​del grano deve essere superiore al 12% di sostanza secca, il che significa che gli aminoacidi devono essere sintetizzati in quantità elevate nei tessuti vegetativi e trasportati al grano in via di sviluppo, dove si formano le proteine ​​di stoccaggio.

Questo processo è influenzato solo moderatamente dall’applicazione tardiva di elevate quantità di fertilizzante azotato (fino a 150 kg N/ha), poiché l’attività delle radici diminuisce durante la maturazione e potrebbe quindi essere responsabile del problema ambientale delle perdite di azoto.

Tuttavia, se i tassi di azoto vengono ridotti in modo massiccio, la pianta di grano non può sfruttare il potenziale genetico per accumulare quante più proteine ​​possibile durante lo sviluppo del chicco. Recenti prove in aziende agricole nel sud della Germania hanno dimostrato che singole applicazioni di N di varie forme di fertilizzanti dopo l’accestimento davano la stessa resa elevata e concentrazioni di proteine ​​dei cereali, senza un aumento del rischio di lisciviazione di NO3, delle applicazioni frazionate.

La foglia bandiera è importante principalmente per l’assimilazione dell’azoto e funge da fonte principale per i metaboliti dell’N come gli amminoacidi che vengono successivamente trasportati nei chicchi in via di sviluppo. La disponibilità di azoto nella soluzione del suolo che circonda la radice in questa fase di sviluppo è cruciale per sfruttare il potenziale genetico per l'accumulo di proteine ​​nei chicchi.

Nei sistemi di gestione biologica, l'elevata disponibilità di azoto in questo specifico periodo di crescita (antesi) non è facilmente gestibile. Anche se potrebbe non essere sufficiente a garantire la concentrazione proteica target, la mineralizzazione dell'N organico del suolo raggiunge solitamente il picco durante il periodo di riempimento del grano a causa delle temperature più elevate rispetto alla fase di crescita vegetativa. Pertanto, la concentrazione proteica nei cereali dei sistemi di agricoltura biologica, in generale, è inferiore di qualche percentuale (fino al 40%) rispetto a quella dell’agricoltura convenzionale. Pertanto, l’agricoltura biologica è un modo per produrre chicchi di grano con una minore perdita di N, ma ciò va di pari passo con l’handicap di una resa inferiore del 20-40% e con il rischio di una minore concentrazione di proteine ​​del grano.

Inoltre, la qualità delle proteine ​​varia a causa dei diversi sistemi di gestione, anche quando vengono utilizzati gli stessi genotipi di grano. Pertanto, per essere redditizi, i prezzi dei prodotti biologici devono essere più alti del 20–40% rispetto al grano convenzionale.