I radar spaziali per il monitoraggio dell'acqua negli oliveti

In molte regioni aride e semi-aride, l'agricoltura consuma oltre l'85% dell'acqua dolce disponibile. In Marocco, dove il team di ricerca ha condotto i propri esperimenti, la percentuale sale addirittura al 90%. In questi contesti, una gestione efficiente dell'irrigazione non è solo una questione economica, ma una vera necessità per la sopravvivenza delle comunità agricole e la sostenibilità ambientale.

Il problema principale è che le tecniche tradizionali per misurare il fabbisogno idrico delle colture sono spesso costose e complesse. Strumenti come le torri a turbolenza (eddy covariance) o i lisimetri forniscono dati molto precisi, ma il loro utilizzo è limitato a piccole aree sperimentali a causa degli elevati costi di installazione e manutenzione.

Cos'è il coefficiente colturale Kc

Per gestire l'irrigazione in modo razionale, gli agronomi utilizzano il cosiddetto "coefficiente colturale" (Kc). Questo parametro, introdotto dalla FAO nel metodo FAO-56, mette in relazione l'evapotraspirazione effettiva di una coltura con quella di una superficie di riferimento (un prato ben irrigato). In parole semplici, il Kc ci dice quanta acqua una determinata pianta sta consumando in un dato momento del suo ciclo di sviluppo.

Il valore di Kc varia durante la stagione di crescita: è basso all'inizio, quando la pianta è piccola, aumenta durante lo sviluppo vegetativo e raggiunge il massimo nella fase di piena maturità. Conoscere questo parametro è fondamentale per decidere quando e quanta acqua somministrare.

Il problema dei metodi tradizionali

Tradizionalmente, il Kc viene stimato utilizzando immagini satellitari ottiche, che misurano la riflettanza della vegetazione in diverse bande dello spettro elettromagnetico. L'indice più utilizzato è l'NDVI (Normalized Difference Vegetation Index), che si basa sulla differenza tra la riflettanza nel rosso e nel vicino infrarosso.

Tuttavia, questo approccio presenta un limite significativo: le immagini ottiche vengono oscurate dalle nuvole. Nelle regioni dove la nuvolosità è frequente o durante i periodi invernali, le immagini disponibili possono essere poche o addirittura assenti, compromettendo la continuità del monitoraggio.

I radar come alternativa

Negli ultimi anni, i ricercatori hanno iniziato a esplorare l'uso dei radar a bordo di satelliti come Sentinel-1 dell'Agenzia Spaziale Europea. Questi strumenti operano in banda C (lunghezza d'onda di circa 5,6 cm) e presentano un vantaggio fondamentale: le onde radar penetrano le nuvole e possono acquisire dati in qualsiasi condizione meteorologica, giorno e notte.

Il segnale radar che torna al satellite dopo essere rimbalzato sulla superficie terrestre dipende da diversi fattori, tra cui:

• La struttura della vegetazione (foglie, rami, tronchi)

• L'umidità del suolo

• L'acqua contenuta nelle piante

• La rugosità della superficie

Questa sensibilità alle caratteristiche strutturali della vegetazione rende il radar potenzialmente adatto per monitorare l'evoluzione delle colture arboree, come gli olivi.

L'esperimento in Marocco

Un gruppo di ricerca internazionale, guidato da Abdelhafid Elallaoui dell'Università Cadi Ayyad di Marrakech, ha condotto un esperimento in un oliveto della pianura di Haouz, in Marocco. Questa regione è caratterizzata da un clima semi-arido, con precipitazioni scarse (circa 1600 mm di evapotraspirazione potenziale annua) e un'agricoltura fortemente dipendente dall'irrigazione.

L'oliveto sperimentale copre circa 2,4 ettari, con alberi di circa 20 anni distribuiti su 40 file. Le piante, alte in media 3 metri, sono disposte con una distanza di 7,5 metri l'una dall'altra. Il terreno è di tipo argilloso-limoso e l'irrigazione avviene tramite un sistema a goccia.

Come hanno misurato il Kc

Per determinare il valore di riferimento del Kc, i ricercatori hanno installato nel campo una torre a turbolenza (eddy covariance) che misura in continuo gli scambi di acqua e energia tra la vegetazione e l'atmosfera. Contemporaneamente, una stazione meteorologica automatica registrava i parametri climatici: radiazione solare, velocità del vento, temperatura e umidità dell'aria.

Utilizzando l'equazione di Penman-Monteith (il metodo FAO-56 standard), hanno calcolato l'evapotraspirazione di riferimento (ET0), cioè l'acqua che "perderebbe" una superficie erbosa ben irrigata. Il Kc è stato poi ottenuto come rapporto tra l'evapotraspirazione effettiva misurata dalla torre e l'ET0 calcolato.

I parametri radar testati

I ricercatori hanno analizzato quattro diversi parametri derivati dai dati radar Sentinel-1:

1. Coefficiente di retrodiffusione in polarizzazione VV (σ⁰VV): misura l'intensità del segnale radar che torna al satellite quando l'onda emessa e ricevuta sono entrambe polarizzate verticalmente

2. Coefficiente di retrodiffusione in polarizzazione VH (σ⁰VH): misura il segnale quando l'onda emessa è verticale e quella ricevuta orizzontale

3. Coerenza temporale in polarizzazione VV (ρVV)

4. Coerenza temporale in polarizzazione VH (ρVH)

La coerenza temporale è un parametro che misura quanto il segnale radar rimane "stabile" tra due acquisizioni successive, ed è sensibile ai movimenti della vegetazione (come quelli causati dal vento).

I risultati: il vincitore è σ⁰VV

L'analisi statistica, condotta su 53 osservazioni accoppiate, ha rivelato che il parametro che meglio si correla con il Kc è il coefficiente di retrodiffusione in polarizzazione VV (σ⁰VV). La correlazione è risultata di 0,76, con un errore quadratico medio (RMSE) di soli 0,11. Per avere un termine di paragone, il Kc varia tipicamente tra 0,3 e 1,2 durante il ciclo di crescita.

Perché proprio σ⁰VV funziona così bene? La spiegazione è legata alla sensibilità di questo parametro alla struttura complessiva della chioma e al contenuto d'acqua delle piante. Quando l'olivo si sviluppa e la sua chioma diventa più densa, sia il Kc che il segnale radar in polarizzazione VV aumentano in modo coerente.

Perché gli altri parametri hanno funzionato meno

Il coefficiente in polarizzazione VH (σ⁰VH) ha mostrato una correlazione più bassa (0,51) perché questo segnale è dominato dalla diffusione volumetrica all'interno della chioma. In pratica, è più sensibile alla disposizione interna di foglie e rami che alla densità complessiva della chioma, che è ciò che principalmente controlla il Kc.

Ancora meno performanti sono risultati i parametri di coerenza temporale (ρVV e ρVH), con correlazioni di 0,29 e 0,41 rispettivamente. Per le colture arboree come l'olivo, a differenza di quanto osservato per colture annuali come il grano, la coerenza temporale non segue un chiaro ciclo stagionale. È invece fortemente influenzata da fattori come il vento e i movimenti della chioma su piccola scala.

Implicazioni pratiche per l'agricoltura

Questo studio apre nuove prospettive per il monitoraggio dei fabbisogni idrici delle colture arboree. L'uso di dati radar, disponibili con continuità indipendentemente dalle condizioni meteorologiche e con frequenza di aggiornamento di circa 6 giorni (grazie alla costellazione Sentinel-1), potrebbe integrare o addirittura sostituire in alcuni contesti le tradizionali osservazioni ottiche.

Per un agricoltore o un consulente agronomico, disporre di stime affidabili del Kc in qualsiasi momento dell'anno significa poter ottimizzare l'irrigazione, riducendo gli sprechi e migliorando la sostenibilità dell'azienda agricola. In regioni come il Marocco, dove le risorse idriche sono sempre più scarse e la pressione sulle falde acquifere è elevata, questo tipo di informazioni può fare la differenza.

Limitazioni e sviluppi futuri

I ricercatori sottolineano che i risultati ottenuti sono specifici per oliveti nelle condizioni della pianura di Haouz. La relazione tra σ⁰VV e Kc potrebbe variare per altre specie arboree (come mandorli, agrumi o viti) o in contesti climatici diversi. Saranno necessari ulteriori studi per validare l'approccio in diverse condizioni.

Inoltre, per affinare ulteriormente le stime, si potrebbe esplorare l'uso combinato di dati radar, ottici e termici. L'integrazione di diverse fonti di informazione potrebbe portare a modelli ancora più precisi e robusti, in grado di fornire indicazioni operative per la gestione irrigua su larga scala.

Conclusioni

La ricerca condotta in Marocco dimostra che i dati radar da satellite possono essere un valido strumento per stimare il fabbisogno idrico degli oliveti. Il parametro σ⁰VV in particolare ha mostrato una correlazione significativa con il coefficiente colturale Kc, offrendo un'alternativa affidabile ai metodi tradizionali basati su immagini ottiche.

Questo approccio, che sfrutta i dati del programma europeo Copernicus Sentinel-1, rappresenta un passo avanti verso un'agricoltura più sostenibile e una gestione più razionale delle risorse idriche, particolarmente preziosa in quelle regioni del mondo dove l'acqua è un bene sempre più prezioso e limitato.