Spandimenti di precisione con il Nirs sui carri-botte

L'idea dei ricercatori impegnati nel progetto Mental è arrivare a distribuire un refluo analizzato con spettroscopia Nir su terreni mappati con sistemi geolettrici

Tecnologia

Spandimenti di precisione con il Nirs sui carri-botte

Gli spettroscopi montati sui mezzi analizzano in tempo reale la qualità di refluo e ne dosano il rilascio in campo. L'opinione di Giovanni Cabassi del Crea Lodi

L’impiego della Nirs, o spettroscopia nel vicino infrarosso, comincia a diffondersi nelle nostre stalle. E non ci riferiamo soltanto a quei mini-laboratori montati su trince e carri miscelatori o a quei dispositivi portatili che oggi vengono utilizzati per valutare in tempo reale il profilo qualitativo di foraggi e unifeed al fine di ottimizzare le razioni offerte alle nostre bovine, ma anche a quegli spettroscopi di cui alcuni contoterzisti e allevatori hanno dotato il proprio carro-botte, con l’obiettivo di realizzare spandimenti “di precisione”.
“La spettroscopia nel vicino infrarosso – premette Giovanni Cabassi del Crea di Lodi, uno dei ricercatori attualmente impegnati nel progetto Mental (vedi oltre) – è una tecnologia ormai matura, che si è sviluppata 50-60 anni fa per l’analisi in laboratorio di cereali e prodotti lattiero-caseari. Successivamente il progresso tecnologico ha portato allo sviluppo di strumenti più robusti, senza componenti del banco ottico in movimento, e quindi in grado di sopportare le vibrazioni di un mezzo agricolo. Per cui 20-30 anni fa sono comparse negli Usa le prime mietritrebbie dotate di Nirs in cabina.
L’inserimento di questi dispositivi all’interno dei carri-botte risale all’inizio degli anni 2000, quando partirono le prime sperimentazioni finalizzate a verificare se tali strumenti potevano essere adatti anche a stimare il contenuto di nutrienti (azoto, fosforo, potassio) e sostanza organica di liquami e digestati”.
 

Errore sistematico

L’esito di quelle prove fu positivo, ma con qualche riserva. “Erano strumenti di produzione ancora semiartigianale – osserva infatti Cabassi – per cui la calibrazione sviluppata per una macchina non andava bene per un altro strumento dello stesso tipo a causa di un’insufficiente standardizzazione nella loro produzione. In questa situazione era perciò indispensabile realizzare calibrazioni strumento-specifiche, con grande dispendio in termini di tempo e costo delle analisi di riferimento. Negli ultimi 5-10 anni, però, il progresso tecnologico e in particolare l’evoluzione della tecnologia dei detector Diode Array ha notevolmente migliorato la riproducibilità del dato spettrale tra strumenti diversi. Tale sviluppo, con la conseguente riduzione dei costi di calibrazione, ha a sua volta favorito l’installazione di queste tecnologie sui mezzi. L’acquirente finale deve così effettuare solo una correzione dell’errore sistematico (bias) del proprio strumento per mezzo di pochi campioni analizzati in laboratorio con i metodi di riferimento”.

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Monitor di bordo per le distribuzione del refluo secondo mappa di prescrizione
 

Parametri stimati

Ma quali sono esattamente i parametri qualitativi che possono essere quantificati attraverso la Nirs del carro-botte? Il nostro interlocutore non ha dubbi: “La spettroscopia Nir rileva essenzialmente i salti energetici associati alle vibrazioni dei legami polari CH, OH ed NH, e attraverso l’elaborazione del segnale è possibile stimare il contenuto delle principali molecole organiche di una matrice, con particolare riferimento, nel caso di liquami e digestati, ai costituenti della fibra (lignine e cellulose), all’ammoniaca e alla frazione proteica non digerita. Nel caso dei liquami e dei digestati, la Nirs consente di valutare il contenuto di sostanza secca, perché lo strumento discrimina l’acqua (H2O) dal resto, quello di sostanza organica, il contenuto in azoto totale e ammoniacale. Ricordo che quest’ultimo è un parametro molto importante, perché rappresenta l’azoto che si rende immediatamente disponibile alla coltura. Le strumentazioni commerciali oggi diffuse sul mercato italiano sono commercializzate con calibrazioni che effettuano anche una predizione indiretta del contenuto di fosforo e potassio. Tali predizioni non si basano tanto su segnali spettali espressamente ascrivibili a queste specie chimiche, ma piuttosto sulla correlazione tra le concentrazioni di questi elementi e il contenuto e il tipo di sostanza organica delle matrici analizzate. Le predizioni fornite sono dunque affidabili e accurate solo se la composizione dei materiali analizzati (dipendente da dieta degli animali, tipo di lettiera se presente, e diluizione con acqua) riflette quella utilizzata nei campioni utilizzati per le curve di taratura”.

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Interramento del refluo
 

Analisi accurate

Cerchiamo a questo punto di chiarire un altro aspetto, ovvero quale sia l’attendibilità dell’analisi dei reflui effettuata con il Nirs. Per liquami e digestati, ci spiega Cabassi, molto dipende anche dalle attenzioni prestate dall’operatore: “La scansione di queste matrici sfrutta di solito la tecnica della riflettanza diffusa perché la lettura in trasmissione tipica dei metodi fotometrici è applicabile solo a matrici molto diluite con pochi solidi sospesi. Nei carri-botte non si immerge la testa della Nirs direttamente in vasca, ma c’è un sistema di ricircolo del refluo stesso, con un piccolo tubo che porta questa matrice nella cella davanti al Nirs: per ottenere risultati attendibili, la cella di lettura non deve essere sporca o incrostata, come alle volte capita a causa di una non corretta manutenzione. Ciò premesso – continua Cabassi – tanto più il liquame è omogeneo quanto più sarà possibile una buona valutazione, e tanto più il materiale è ricco di sostanza secca che tende a sedimentare, quanto più sarà difficile. È per questo che la Nirs ha maggiori difficoltà a stimare il contenuto in sostanza secca di un digestato integrale rispetto a un digestato liquido ottenuto dopo separazione. Il parametro stimato con maggiore accuratezza è di solito il contenuto in azoto ammoniacale, contenuto nella frazione liquida di digestati e liquami in maniera uniforme; fortunatamente questo è anche il principale parametro di interesse agronomico per la gestione dei reflui”.
C’è infine un altro aspetto che richiede l’intervento dell’operatore: “Le strumentazioni commerciali attualmente disponibili – sottolinea infatti il nostro interlocutore – vengono spesso vendute provviste di calibrazioni pronte all’uso, ma sviluppate su matrici raccolte in altri Paesi (di solito Stati Uniti o Olanda). In questi casi l’operatore è quindi chiamato a correggere l’errore sistematico effettuando alcune analisi sul materiale locale e in modo da correggere l’errore sistematico delle predizioni Nir con i risultati di queste prime analisi”.
 

Rateo variabile

Resta comunque il fatto che la presenza della Nirs sul carro-botte permette l’analisi dell’effluente in tempo reale, ovvero a spandimento in corso: in base ai valori rilevati dalla Nirs è possibile automaticamente variare “il rateo”, ovvero la quantità di refluo distribuita in campo secondo il parametro guida prescelto (azoto totale, azoto ammoniacale, sostanza organica, ecc.) in modo da ottimizzare l’effetto fertilizzante o ammendante della distribuzione. “Anche grazie ai contributi di Industria 4.0 – conclude Cabassi – il numero di terzisti dotati di carri-botte dotati di Gps, sistema Nir e distribuzione a rateo variabile è in progressivo aumento, soprattutto tra chi si occupa di distribuzione dei fanghi di depurazione urbana. Del resto sono strumenti utili a tenere traccia del lavoro fatto e soprattutto a dimostrare la qualità del lavoro fatto. Per quanto riguarda gli agricoltori, si comincia adesso a prendere confidenza con queste tecnologie. Ma come dicevo, siamo soltanto all’inizio”. 

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In base ai valori rilevati dalla Nirs è possibile automaticamente variare “il rateo”, ovvero la quantità di refluo distribuita in campo secondo il parametro guida prescelto (azoto totale, azoto ammoniacale, sostanza organica, ecc.) in modo da ottimizzare l’effetto fertilizzante o ammendante della distribuzione
 

Progetto Mental

Arrivare a distribuire un refluo analizzato mediante spettroscopia Nir su un terreno mappato con i sistemi geolettrici: è questa l’idea di “spandimento intelligente” allo studio dei ricercatori attualmente impegnati nel progetto Mental.
“La mappatura di un terreno con i sistemi geolettrici – spiega Cabassi – serve ad ottenere una mappa della tessitura del contenuto in sostanza organica utilizzando un numero ridottissimo di campionamenti e analisi del suolo in punti individuati studiandone la mappa di resistività. Questo perché tanto più la tessitura di un terreno è argillosa, quanto minore sarà la resistenza offerta al passaggio della corrente elettrica, e quanto maggiore sarà quindi la sua conducibilità elettrica. Viceversa tanto più sabbioso è il terreno, tanto minore sarà la sua conducibilità. Analogo concetto vale per la sostanza organica, che nei confronti dell’elettricità si comporta da isolante. Ebbene, nello studio che abbiamo condotto nel quadro del progetto Mental – continua il ricercatore – abbiamo dimostrato che una decina di analisi effettuate in posizioni individuate mediante la mappatura geolettrica su un appezzamento di circa 12 ettari, sono sufficienti a ricavare la mappa di tessitura del terreno. Sulla base di queste mappature, abbiamo redatto l’algoritmo in base al quale viene determinata la dose massima ottimale di refluo distribuibile nelle diverse zone dell’appezzamento senza perdite per lisciviazione, in relazione alla tessitura del suolo e quindi alla sua capacità di trattenere e assorbire i nutrienti del refluo. Questo perché tanto più un terreno è a tessitura fine, quanto più liquame sarà in grado di ricevere, e viceversa tanto più un terreno è sabbioso, quanto minore sarà la sua recettività e quanto maggiori saranno le perdite per lisciviazione. Sulla base di queste premesse abbiamo applicato la distribuzione a rateo variabile ottenuta con l’analisi Nirs sulla base di una mappa di prescrizione ottenuta dalla scansione geolettrica del suolo, in modo tale da ottimizzare la quantità di refluo da distribuire e le perdite di azoto in area vulnerabile”.
L’agricoltura di precisione è già realtà.

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Mappe di argilla e sostanza organica utilizzate per la prescrizione della dose di liquame da distribuire a rateo variabile