Appunti di agronomia ambientale

Introduzione e ecosistema

Definizioni

L'agronomia è un ambito scientifico e tecnologico interdisciplinare che studia le relazioni tra la produzione delle colture (produzione vegetale) e i fattori naturali che la condizionano, allo scopo di definire e coordinare le scelte e gli interventi (di natura fisica, chimica, biologica) per una gestione razionale e conservativa (sostenibile) dell'agrosistema, che consenta di programmare la produzione vegetale, che sia oppure no di destinazione alimentare, nella quantità, nella qualità e nel tempo. L'agronomia fa sintesi delle competenze sviluppate in diversi ambiti disciplinari come biologia, fisica, chimica, economia, ecologia, scienze della terra e genetica.

L'ecologia è stata definita per la prima volta da Haeckel come la scienza che studia le condizioni di esistenza degli organismi viventi, le interazioni di ogni natura fra organismi e ambiente fisico e quelle fra organismi e organismi. Nella più recente definizione di Odum, l'ecologia è lo studio della struttura e del funzionamento della natura, incluso l'uomo.

L'agricoltura è l'attività primaria dell'uomo comprendente: le coltivazioni delle piante erbacee ed arboree, il governo dei boschi (selvicoltura), l'allevamento degli animali (zootecnia), la trasformazione (tecnologie) e commercializzazione delle relative produzioni.

Il termine agroecologia si riferisce allo studio di fenomeni puramente ecologici all'interno del campo coltivato, come le relazioni tra predatore e preda o la competizione tra coltura e malerba. L'agroecologia si concentra sulle relazioni ecologiche che si stabiliscono nel campo coltivato e il suo scopo è quello di chiarirne forma, dinamica e funzione al fine di ottenere un processo produttivo migliore, con meno impatti sociali e ambientali negativi, maggiore sostenibilità ecc.

La parola sistema si riferisce a un insieme di elementi o sottoinsiemi interconnessi e coordinati tra loro in un'unità funzionale, in relazione con il contesto ambientale in cui sono inseriti, le cui caratteristiche emergono dalle interazioni più che dalle proprietà di ciascun componente preso singolarmente (data la forte interazione, nessuna delle componenti del sistema può essere modificata senza causare dei cambiamenti sulle altre). Ciascun sistema è contemporaneamente un sottoinsieme e un sovrasistema. Esistono due differenti tipi di approcci nello studio dei sistemi: l'approccio sistemico (o olistico) che consente di comprendere le organizzazioni complesse perché ingloba la totalità degli elementi del sistema studiato, le loro interazioni e interdipendenze; l'approccio analitico, invece, pone l'attenzione sui singoli elementi del sistema, ignorando le relazioni. Entrambi gli approcci si devono complementare.

Un generico ecosistema è un'unità che include gli organismi che vivono insieme in un certo luogo (comunità biotica o biocenosi), interagenti con l'ambiente fisico (biotopo) in modo tale che un flusso di energia porti a una ben definita struttura biotica e a una ciclicizzazione dei materiali fra viventi e non viventi all'interno del sistema. L'ecosistema è quindi l'insieme dei fattori fisici e chimici dell'ambiente e degli organismi che in essi vivono, interpretati come un'unità integrata e funzionale. Sono fattori dell'ambiente la luce, il calore, l'acqua, il vento, gli elementi nutritivi (fattori biotici), ma anche gli organismi che in modo diverso, favorendo oppure ostacolando, interferiscono nella vita dell'organismo stesso (fattori abiotici). Questi fattori possono variare nel tempo. Nel caso dei fattori abiotici, è possibile distinguere le condizioni, come il calore o la luce, che, pur variando nel tempo e nello spazio, non si esauriscono, e le risorse, come gli elementi nutritivi, che possono esaurirsi o diventare inaccessibili. L'effetto di ogni fattore abiotico dipende quindi dalla sua intensità (es. luce) o quantità (es. nutrienti). I fattori ambientali che deviano dalla loro intensità o quantità ottimali sono detti fattori di stress. Invece, il disturbo è definito come un fattore biotico (es. predazione) o abiotico (es. incendio) che causa una parziale o totale distruzione di biodiversità.

In un ecosistema, infatti, si riconoscono flussi di energia, strutture trofiche (che riguardano la nutrizione), diversità biologica e cicli di materia. Gli ecosistemi si manifestano sotto una moltitudine di forme, o unità spazialmente individuabili (biomi), distinguibili a seconda del mezzo fisico, della localizzazione, del tipo di vegetazione dominante o delle fonti di energia e di materie, ad esempio: ecosistema terrestre, acquatico, intermedio o di transizione (es. ambienti umidi). Gli ecosistemi naturali si evolvono divenendo sempre più complessi, strutturati, efficienti nel riciclaggio delle materie, ma la loro produzione netta (sfruttabile) diminuisce poiché l'energia è destinata all'autosostentamento. Se si vuole rendere e mantenere efficiente un ecosistema per estrarne una parte dell'energia (prodotti/servizi utili) occorre perturbarlo periodicamente riducendone la complessità e la stabilità. Questo è ciò che avviene in quei particolari ecosistemi terrestri denominati agroecosistemi.

Catene alimentari

Gli organismi possono essere interpretati come accumulatori di energia e possono essere ordinati in base alle soluzioni adottate per poter disporre di energia per vivere. Quindi, all'interno di un ecosistema, ogni organismo o gruppo di organismi riceve l'energia da una data fonte e rappresenta, a sua volta, la fonte di energia per un altro organismo o gruppo di organismi. In questo modo si definisce una catena alimentare o catena trofica di cui ogni anello costituisce un livello trofico. Una catena trofica è costituita dai produttori e dai consumatori a cui si affiancano i decompositori. Gli organismi autotrofi o produttori primari utilizzano direttamente l'energia solare per sintetizzare sostanza organica attraverso la fotosintesi; gli organismi eterotrofi, invece, utilizzano l'energia contenuta nei legami chimici delle molecole complesse che costituiscono i tessuti di altri organismi. Gli eterotrofi possono essere suddivisi in consumatori, se utilizzano sostanza organica viva, e decompositori se, invece, ricavano l'energia attraverso la demolizione di sostanza organica morta. All'interno dei consumatori, è poi possibile distinguere gli erbivori, che dipendono direttamente dai produttori, e i carnivori che, invece, dipendono dagli erbivori o dai carnivori di livello inferiore.

L'agroecosistema

Un sistema complesso

Un agroecosistema, dunque, è un sistema orientato dall'uomo verso la produzione di prodotti alimentari e non (es. fibre o altri biomateriali, inclusi i biocarburanti) le cui dinamiche sono il risultato di processi evolutivi di lunga durata. L'agroecosistema si basa su diversi fattori: fattore abiotico (ambiente aereo), fattore merobiotico (ambiente pedologico: suolo), fattore biotico (piante e animali) e fattore antropico (gestione dell'uomo). Mentre in un ecosistema naturale i flussi di materia sono tendenzialmente ciclici e l'energia acquisita con la fotosintesi viene redistribuita all'interno dello stesso ecosistema, in un agroecosistema, la finalizzazione produttiva determina un'alterazione dei flussi di materia e di energia (meccanizzazione, fertilizzazione, specie e varietà vegetali migliorati), in modo da orientarli all'obiettivo principale: il raccolto.

Differenza dagli ecosistemi naturali

Gli agroecosistemi, dunque, si distinguono dagli ecosistemi naturali per l'azione dell'uomo che determina: riduzione della complessità biologica con tendenza alla specializzazione colturale e zootecnica; impiego di energia ausiliaria (input energetici in forma fisica, chimica e biologica), asportazione di energia (output energetici in forma di prodotti utili), aumento della produzione netta e riduzione della stabilità-sostenibilità. Il modello generale che rappresenta la struttura e il funzionamento di un agroecosistema è basato su un flusso di input/output in cui i componenti biofisici e socio-economici sono pienamente integrati in un processo di continua trasformazione di risorse che avviene a ogni scala spazio-temporale.

Livelli gerarchici

Nel contesto dell'agroecosistema è utile stabilire dei livelli gerarchici tra i vari termini agronomici:

• Campo (field): Superficie di terreno trattata in modo uniforme (unità spaziale minima fondamentale di gestione agronomica e di produzione).
• Coltura agraria (crop): Comunità di piante (community) appartenenti a una o poche specie e varietà.
• Sistema colturale (cropping system): Combinazione spazio-temporale di una o più colture agrarie e di interventi agronomici (lavorazioni del suolo, fertilizzazione) implementati in un campo ai fini della produzione.
• Sistema aziendale (farming system): Insieme di colture e di interventi tecnici adottati in una data fattoria (farm) o azienda agraria, di norma organizzata per conseguire il profitto.
• Tecnica colturale (cultural technique): Insieme ragionato e ordinato di interventi su una coltura aventi come fine l'ottenimento di prodotti/servizi.
• Coltivare (to grow or to cultivate): Scegliere specie/varietà, scegliere e preparare l'ambiente, scegliere e applicare interventi agronomici.
• Sistema agricolo (agricultural system): Si realizza se nell’ambito di un ampio territorio (es. regione) molte imprese agricole sono strutturate e gestite in modo simile potendosi individuare un’organizzazione pressoché omogenea dei sistemi agricoli aziendali.

Le proprietà degli agroecosistemi

Le principali proprietà dei sistemi agricoli sono agroecologiche e sociali (o extra-agronomiche). Quelle agroecologiche sono:

• Produttività (productivity): Prodotto utile ottenuto per unità di superficie di terreno per unità di tempo.
• Stabilità (stability): Grado di variazione della resa negli anni per effetto di cause ambientali e altre.
• Sostenibilità (sustainability): Costanza di produzione, cioè possibilità di mantenere un determinato livello produttivo negli anni.
• Resilienza (resilience): Capacità del sistema di ritornare alla condizione iniziale dopo che una variazione esterna, superando i valori di soglia, lo ha modificato.

Le proprietà sociali (o extra-agronomiche) sono:

• Equità (equitability): Giusta ripartizione della produzione tra i beneficiari in ambito agricolo ed extra-agricolo.
• Autonomia (autonomy): Grado di indipendenza dell'agricoltura dal resto della società.
• Sufficienza: Nel rifornimento di prodotti (alimentari e non) per l'umanità.

Obiettivi degli agroecosistemi

In un agroecosistema, la definizione degli obiettivi è cruciale ai fini della progettazione di interventi agronomici di miglioramento. Per esempio, se l'obiettivo del sistema è conseguire il massimo profitto con la vendita dei prodotti animali, il tecnico darà particolare attenzione a rese, costi, prezzi, percependo il sistema come una catena di montaggio in una fabbrica. Le produzioni vegetali sono da sempre risorse fondamentali per la vita dell’uomo sul pianeta. I prodotti alimentari (food), come alimenti, bevande, mangimi per la zootecnica, e altri prodotti non alimentari, come biomateriali, biomasse e oli per la produzione di energia, sono il principale obiettivo degli agroecosistemi. Ogni processo produttivo in campo agrario comporta sempre la produzione di un raccolto, di residui colturali e di prodotti principali e sottoprodotti, che a loro volta possono alimentare ulteriori processi produttivi.

I servizi

Ogni agroecosistema, anche se orientato alla produzione di prodotti specifici, fornisce servizi diretti e indiretti alla società, i cosiddetti servizi ecosistemici. Si distinguono quattro grandi categorie:

• Supporto alla vita: Ciclo dei nutrienti, formazione del suolo.
• Approvvigionamento: Produzione di cibo, acqua potabile, materiali.
• Regolazione: Regolazione del clima, depurazione dell'acqua.
• Valori culturali: Valori educativi, spirituali, estetici.

A questi si aggiungono altre tipologie di servizi, come quelli economici e sociali. Inoltre, singole strategie efficaci per la conservazione di un certo ecosistema e/o la valorizzazione di uno specifico servizio possono produrre effetti inattesi su altri servizi o su altri ecosistemi, anche a grandi distanze. Per esempio, gli interventi per la regolazione della qualità dell'aria hanno effetti incerti sulla regolazione del clima. In alcuni casi, non c'è apparente relazione tra servizi ecosistemici. In altri casi ancora, la natura della relazione è chiara e univoca, come per esempio quando si interviene per aumentare la produttività agraria attraverso la concimazione, determinando una diminuzione della qualità dell'aria per l'emissione di gas climalteranti. Gli agroecosistemi interagiscono in vario modo con gli ecosistemi naturali confinanti e alterano gli equilibri naturali e i relativi servizi ecosistemici associati alla biodiversità generale, animale e microbica.

Caratteristiche della produzione vegetale agraria

Componenti funzionali

Il funzionamento degli agroecosistemi avviene attraverso il concorso di due distinti flussi di energia: quello naturale direttamente alimentato dal Sole e quello ausiliario controllato dall'agricoltore attraverso l'utilizzo di risorse esterne che implicano spesso il ricorso a combustibili fossili. Mentre nel primo caso si tratta di energia propria del sistema, disponibile in quantità abbondante e in equilibrio con il contesto ambientale, nel secondo caso si tratta di energia presente in quantità limitata, costosa e il cui utilizzo determina un impatto sull'ambiente.

Energia naturale e produttività

Il flusso di energia che proviene dal Sole e raggiunge la Terra viene in piccolissima parte fissato dagli organismi autotrofi tramite la fotosintesi mentre il resto è coinvolto in processi che modificano e caratterizzano l'atmosfera definendo i caratteri del clima. Il processo produttivo di un agroecosistema ha inizio con l'intercettazione, assorbimento e trasformazione in energia chimica dell'energia solare da parte dei vegetali. Questo processo è legato al concetto di biomassa (quantità di sostanza organica presente nell'agroecosistema). Dunque, il limite superiore della produzione di "biomassa" ottenibile da una copertura vegetale è rappresentato dalla fotosintesi potenziale, o produttività o produzione potenziale teorica (PPT), riferita a un ambiente il cui unico fattore limitante sia l'energia radiante intercettabile dalle piante ed utilizzabile nel processo fotosintetico.

Una determinata coltura agraria intercetta solo una quota della radiazione disponibile (in rapporto anche alla sua presenza nello spazio e persistenza nel tempo) e può essere esposta ad altre limitazioni ambientali (H₂O, CO₂, ecc.). Se tutti i fattori e le condizioni di produzione (inputs naturali e ausiliari) fossero ottimali per la coltura, si realizzerebbe la produzione potenziale colturale (PPC). Nella realtà, gli inputs non sono mai simultaneamente ottimali, ciò che conduce alla nozione di produzione potenziale agricola (PPA). L'agricoltore, allora, per ragioni economiche o tecniche, non adotta la più corretta gestione agronomica, e ottiene una certa resa (R), che è espressione della potenzialità dell'ambiente. La gerarchia delle grandezze introdotte è PPT > PPC > PPA > R. Ciascuna grandezza è data dal prodotto tra la precedente ed un coefficiente (K) < 1, che rappresenta le limitazioni imposte da fattori/condizioni di produzione es. PPA = PPC x (k).

Da un punto di vista strettamente agronomico, la resa è espressione del risultato di un processo produttivo aziendale, della produzione vegetale agraria (PVA), e della produzione unitaria o areica. R = P (Mg, kg, g) / S (ha, m ) quantità di prodotto utile fornito dall'unità di superficie di terreno.

Il primo prodotto d'interesse agrario può essere la stessa biomassa che si ripartisce nei diversi organi delle piante. Poiché, in genere, solo una frazione della biomassa prodotta da una pianta è utilizzata (organo o parte di esso), si ricorre all'indice di raccolta, o Harvest Index (HI), o coefficiente di resa economica che esprime la quota di prodotto agrario utile rispetto alla biomassa totale. HI = PAU / B dove PAU: prodotto utile, B: biomassa aerea. Più alto sarà HI, maggiore sarà il prodotto vendibile per ettaro e quindi l'asportazione di nutrienti e sali minerali dal terreno. Una coltura con alto HI sarà quindi tendenzialmente più produttiva ma anche meno conservativa rispetto a una coltura con basso HI. Teoricamente, HI può variare da 0 (nessun raccolto, tutta la fitomassa prodotta rimane sul terreno), a 1 (tutta la fitomassa viene raccolta). Questo indice di raccolta è sempre minore di 1, salvo che per colture di cui si utilizza l'intera biomassa aerea (al netto delle radici).

Produttività raggiungibile

Per il loro sostentamento, per il loro stato sanitario e per il loro stato di benessere in genere, le società umane sono sempre state dipendenti dagli ecosistemi naturali e attualmente, nonostante l'elevato livello di industrializzazione raggiunto, l'uomo ottiene tutti gli alimenti e numerosi prodotti medicinali e materie prime industriali dagli agroecosistemi e dagli ecosistemi naturali. I fattori limitanti sono quelle risorse ambientali presenti in quantità insufficientemente a soddisfare pienamente le esigenze delle piante, rappresentate dalle disponibilità idriche e nutrizionali del suolo.