Innanzitutto, l'impatto negativo sul suolo sta danneggiando l'agricoltura al punto da rendere impossibile la coltivazione. Ciò rappresenta un duro colpo per la stabilità dell'approvvigionamento alimentare. È inoltre fondamentale intervenire al più presto sui terreni compromessi per raggiungere un'agricoltura sostenibile.
Lo tsunami causato dal grande terremoto del Giappone orientale del 2011 ha provocato ingenti danni ai terreni agricoli in Giappone. Si temeva che l'intrusione di acqua marina potesse danneggiare le colture a causa della salinità. Pertanto, nell'ambito del progetto di recupero post-disastro, sono stati avviati interventi di desalinizzazione su vaste aree di terreni agricoli colpiti. È stato inoltre condotto un test dimostrativo per monitorare la salinità del suolo tramite sensori installati sui terreni agricoli dopo la desalinizzazione. Qual è il potenziale delle tecnologie di rilevamento per l'agricoltura? Abbiamo parlato con Hitoshi Kanno, ex professore associato presso la Facoltà di Studi Superiori dell'Università di Tohoku, per una panoramica sugli interventi di desalinizzazione e sull'utilizzo delle tecnologie di rilevamento nell'agricoltura intelligente.
Quali danni provoca il riscaldamento globale al suolo e ai prodotti agricoli?
Si dice che i danni causati dal sale danneggino gravemente l'agricoltura. Quanto è importante il suolo per l'agricoltura?
Alcuni terreni sono adatti alla coltivazione, altri no. Anche quando si parla semplicemente di "adatto alla coltivazione", è necessario considerare diversi fattori. Per quanto riguarda gli aspetti fisici, ad esempio, è importante che il terreno dreni bene e che non vi siano problemi di radicazione. Inoltre, dal punto di vista chimico, è fondamentale che il terreno sia in grado di fornire adeguatamente i nutrienti necessari alle colture. Infine, la diversità di microrganismi e altri organismi viventi è cruciale per evitare squilibri nelle proprietà del suolo, garantendo che prosperino solo specifici agenti patogeni.
In realtà, classificare il suolo in questo modo non è semplice. Le proprietà del suolo adatte all'agricoltura cambiano a seconda dell'uso previsto.
-- Descrivici nello specifico il tipo di ricerca che conduci nel tuo campo di specializzazione, la scienza del suolo.
La scienza del suolo è una disciplina che promuove la ricerca su come si forma il suolo, la sua composizione, le sue caratteristiche e come utilizzarlo. Tra questi argomenti, la mia specializzazione è la scienza della fertilizzazione del suolo. La mia ricerca si è concentrata principalmente su come la crescita delle piante e l'assorbimento dei nutrienti cambiano attraverso l'interazione tra suolo e colture.
Il cambiamento climatico si sta diffondendo in tutto il mondo a causa dell'impatto del riscaldamento globale. In questo contesto, quali problemi deve affrontare la scienza del suolo?
In Giappone, i danni causati da forti piogge e altri eventi meteorologici sono spesso attribuiti al riscaldamento globale. Tuttavia, anche in altre regioni del mondo si registra una diminuzione delle precipitazioni a causa degli effetti del cambiamento climatico. L'accumulo di sale nel suolo e i conseguenti danni alle colture sono diventati problemi significativi in queste aree.
Perché si verificano danni da sale quando piove poco?
Nelle zone umide, dove piove tutto l'anno, la quantità di precipitazioni è maggiore della quantità di acqua che evapora dalla superficie del suolo. Ciò significa che è meno probabile che il sale rimanga nel terreno. Tuttavia, nelle zone semi-aride, la quantità di acqua sotterranea che risale in superficie e poi evapora è maggiore della quantità di precipitazioni. Di conseguenza, il sale contenuto nell'acqua sotterranea rimane vicino alla superficie del suolo (accumulo di sale), e questo diventa la causa dei danni da salinità alle colture. Anche un'irrigazione inadeguata può causare l'accumulo di sale nei terreni agricoli.
Quando si verificano danni da salinità, le proprietà del suolo cambiano. Ciò influisce anche sulla crescita dei prodotti agricoli.
I principali effetti del danno salino sui prodotti agricoli consistono nell'inibizione dell'assorbimento di umidità e in una significativa alterazione dell'equilibrio dei nutrienti a causa dell'accumulo di salinità nel terreno. Di conseguenza, le colture non sono in grado di assorbire adeguatamente i nutrienti necessari.
Anche le proprietà fisiche e biologiche del suolo possono essere alterate. Di conseguenza, se si accumula sale, il terreno diventa inadatto alla produzione agricola.
Utilizzo di sensori del suolo per valutare i danni causati dal sale nelle aree colpite dallo tsunami in seguito al grande terremoto del Giappone orientale
I terreni agricoli situati principalmente lungo la costa dell'Oceano Pacifico nella regione del Tohoku sono stati gravemente danneggiati dallo tsunami conseguente al grande terremoto del Giappone orientale del 2011. Oltre ai danni causati dalla distruzione delle infrastrutture di irrigazione e drenaggio, dall'afflusso di detriti estranei come macerie e dal deflusso del suolo, vi erano forti preoccupazioni che la produzione agricola potesse essere compromessa dall'intrusione di acqua marina (danni da sale) (Foto 1).
Foto 1: Terreno di una risaia dove si sono verificati fenomeni di erosione e accumulo di sale a causa dello tsunami conseguente al grande terremoto del Giappone orientale.
Si tratta di un caso estremamente raro in Giappone di danni causati dall'intrusione di acqua marina su una vasta area. La salinità del suolo è temporaneamente aumentata, rendendo impossibile la coltivazione. Pertanto, nell'ambito di un progetto di recupero post-disastro, sono stati intrapresi lavori di desalinizzazione su larga scala per consentire all'acqua dolce di penetrare e dilavare il sale dal sottosuolo.
La procedura di base per le risaie prevedeva di attendere ripetutamente che il livello dell'acqua si abbassasse per alcuni giorni dopo averle riempite con acqua dolce, per poi misurare la salinità del suolo prima di aggiungere altra acqua dolce se la salinità risultava ancora troppo elevata. Questa procedura riduceva la salinità del suolo a un livello (valore standard) non problematico per la produzione agricola.
I lavori di desalinizzazione sono stati realizzati principalmente nell'arco di tre anni, a partire dal 2011, nell'ambito di un progetto di recupero post-disastro. Il primo anno si è concentrato sulle regioni interne colpite dall'intrusione di acqua marina. Il secondo e il terzo anno l'attenzione si è poi spostata sulle regioni costiere gravemente danneggiate dallo tsunami. In definitiva, la desalinizzazione è stata completata in quasi il 99% delle aree interessate dal recupero post-disastro.
È corretto utilizzare dei sensori per misurare la salinità nel tempo nei terreni agricoli dopo la desalinizzazione?
Nel 2013, due anni dopo il terremoto, l'Università di Tohoku e Murata Manufacturing hanno condotto congiuntamente un esperimento dimostrativo di sensori multimodali in terreni agricoli colpiti dallo tsunami. In questo esperimento, agli agricoltori di tre aree della prefettura di Miyagi colpite dal disastro è stato chiesto di effettuare un monitoraggio inserendo sensori nel terreno in alcune delle loro risaie dove erano stati completati i lavori di desalinizzazione. I sensori sono stati installati a profondità di 10 cm, 20 cm e 30 cm, rispettivamente, in diversi punti di una risaia dopo la semina. L'esperimento dimostrativo è poi proseguito utilizzando un sistema di monitoraggio ambientale wireless che ha continuato a raccogliere dati tramite comunicazione wireless per tutta la stagione di crescita.
I sensori del suolo che abbiamo utilizzato nell'esperimento dimostrativo sono in grado di monitorare simultaneamente la temperatura del suolo e la conducibilità elettrica (EC)*1. Si tratta di un sensore del suolo multimodale*2. Maggiore è il contenuto di sale nel suolo, più facile è il flusso di elettricità. Sfruttando questa conoscenza, abbiamo utilizzato i valori di EC misurati come indicatore della salinità del suolo e ne abbiamo quindi osservato le variazioni.
*1: Si riferisce alla conduttività elettrica. Indica la facilità con cui scorre l'elettricità. L'unità di misura è S/m (siemens per metro). Il flusso di corrente cambia anche a causa delle variazioni nella concentrazione di ioni nell'umidità del suolo. Pertanto, diventa un indicatore di salinità.
*2: Questo sistema consente l'elaborazione simultanea di più punti dati. In questo esperimento dimostrativo sono stati utilizzati sensori multimodali con funzioni di sensore di temperatura e EC.
-- Vi preghiamo di specificare in che modo avete misurato le variazioni di salinità utilizzando sensori per il suolo nell'esperimento dimostrativo.
Inizialmente, i dati relativi alla temperatura del suolo e alla conducibilità elettrica (EC) misurati dai sensori del suolo ogni 30 minuti venivano trasmessi in modalità wireless all'unità base del sistema di monitoraggio ambientale wireless che avevamo installato vicino alle risaie e quindi memorizzati su una scheda di memoria. Ci recavamo alle risaie per ritirare le schede di memoria ogni due settimane. Importavamo i dati in un computer e osservavamo le variazioni dei valori numerici. Inoltre, durante il ritiro delle schede di memoria, misuravamo i valori di EC del suolo utilizzando un metodo convenzionale con campioni di terreno prelevati a diverse profondità. Raccoglievamo questi campioni inserendo delle trivelle intorno alle aree in cui erano stati interrati i sensori del suolo. Confrontavamo anche queste misurazioni con i valori di EC rilevati dai sensori del suolo (Foto 2).
Foto 2: Sistema di monitoraggio ambientale wireless che raccoglie dati senza fili da sensori del suolo [In alto a sinistra: sensore del suolo multimodale / In alto a destra: modulo wireless dell'unità di estensione installata nella risaia in esame (tre di questi sensori sono interrati nel terreno e poi collegati tramite cavo) / In basso a destra: sensori interrati nel terreno / In basso a sinistra: unità base sulla cresta della risaia].
-- Quali possibilità di utilizzo dei sensori avete scoperto con questo esperimento dimostrativo?
Grazie ai sensori del suolo e al sistema di monitoraggio ambientale wireless, possiamo ottenere simultaneamente e in modo continuo diversi dati da più punti. Questo ci permette anche di analizzare i fattori ambientali alla base delle fluttuazioni, nonché le variazioni di salinità in ogni punto e a ogni profondità. Credo, ad esempio, che sarà possibile osservare con precisione i rischi di danni da salinità dovuti all'impatto e ad altri effetti dei cambiamenti climatici e delle operazioni agricole, come quelle che si verificano dopo una pioggia o durante il drenaggio di una risaia in preparazione al raccolto. Fortunatamente, non abbiamo riscontrato alcun aumento problematico della salinità durante la stagione di crescita in nessuna delle risaie utilizzate in questo esperimento dimostrativo.
La sfida dell'utilizzo dei sensori nell'agricoltura intelligente: collegare i dati con le esperienze pregresse
Cosa ne pensi dell'importanza delle tecnologie di rilevamento nell'agricoltura intelligente del futuro?
La possibilità di ottenere dati in modo continuo ogni 30 minuti durante l'esperimento dimostrativo del 2013 è stata per me un'esperienza completamente nuova. Il metodo convenzionale per misurare la conducibilità elettrica (EC) del suolo prevedeva la misurazione della EC della sospensione acquosa nel campione di terreno prelevato. Dovevamo recarci sul luogo di misurazione ogni volta per raccogliere il campione. La frequenza di misurazione era di una volta a settimana o una volta al mese. Era impossibile misurare il suolo in modo continuo senza sensori. In altre parole, l'utilizzo di sensori semplifica l'acquisizione di grandi quantità di dati agricoli. Credo che questo sarà estremamente importante per l'agricoltura intelligente del futuro.
Tuttavia, il metodo per misurare la conducibilità elettrica (EC) utilizzando sensori nel suolo è, di fatto, leggermente diverso dal metodo utilizzato per misurare la EC del suolo nella valutazione della salinità in agricoltura. In genere, si misura il valore di EC (valore di EC del suolo) della sospensione acquosa, che è una miscela di acqua e suolo, e lo si utilizza come indicatore della salinità del suolo. Il valore di EC ottenuto dai sensori nel suolo, invece, deriva da una complessa funzione della salinità dell'acqua interstiziale e di diverse caratteristiche del suolo. Di conseguenza, la relazione tra il valore di EC del suolo e il valore di EC ottenuto da un sensore può variare a seconda del tipo di suolo e delle differenze nello stato idrico. Pertanto, ritengo che la sfida consista nel comprendere in dettaglio la relazione tra i due.
-- Come verrà colmata in futuro questa lacuna nella relazione tra i dati?
Nelle ricerche future, dovremo collegare la grande quantità di dati sul suolo misurati in passato con i dati recentemente rilevati dai sensori. L'esperimento dimostrativo sull'analisi dei fattori che influenzano la tolleranza al sale del riso a radici superficiali si svolgerà da giugno 2022 a marzo 2023. Ho sentito dire che i nuovi dati verranno raccolti e collegati ai dati precedenti utilizzando i nuovi sensori avanzati per il suolo sviluppati congiuntamente dall'Università di Tohoku e da Murata Manufacturing.
Affrontare le sfide una per una porterà anche alla realizzazione della trasformazione digitale (DX) e dell'agricoltura intelligente nel settore agricolo, nonché ad altri progressi.
Il suolo non cambia rapidamente. Pertanto, l'analisi del suolo di solito non richiede la raccolta di dati in tempo reale in misura così elevata. Tuttavia, la ricerca sui modelli di crescita delle colture richiede dati diversificati (temperatura, contenuto di umidità, radiazione solare, direzione del vento e quantità e contenuto di fertilizzanti) per osservare le differenze che si verificano nella resa (la quantità di raccolto). I modelli di produzione della resa sono stati a lungo costruiti utilizzando valori medi di temperatura dell'aria, temperatura del suolo e contenuto di umidità in un periodo specifico.
L'utilizzo dei dati raccolti tramite il sistema di monitoraggio ambientale, compresi i sensori del suolo e altre tecnologie, contribuirà in modo significativo a questa ricerca. Se riusciremo a ottenere una grande quantità di dati in tempo reale utilizzando più sensori, saremo in grado di effettuare previsioni di resa ancora più accurate. Sarà inoltre possibile valutare misure per correggere i modelli di crescita passati, e credo che ciò farà progredire la nostra ricerca.
AUTORE: Hitoshi Kanno, MURATA
