Cambiamento climatico e risorse idriche per le colture: impatti e strategie di adattamento

This dissertation addresses critical knowledge gaps about water resources for crops through crop modelling approaches. Deficit irrigation (DI) was tested in tomato under greenhouse conditions at 75% of full irrigation (FI) across all phenological stages i.e. standard deficit irrigation (SDI), while in soybean at 70% of FI before and after flowering stage i.e. regulated deficit irrigation (RDI) under field conditions. The AquaCrop model was calibrated using experimental data and used to simulate the impacts of DI over the last 30 years (1993–2022). Results showed that the model accurately estimated DI impacts on tomato and soybean yield. Climate change impacts on soybean performance and crop water resources were also assessed in the baseline (1981–2010) and future time periods (2041–2100) under various emission scenarios (SSP5-8.5, SSP2-4.5, SSP1-2.6), comparing rainfed and irrigated conditions. Results showed that climate change negatively impacted rainfed soybean production, but irrigation reduced these impacts and improved overall performance. Crop water requirement under irrigated condition was higher than rainfed and decreased as emission scenarios became more severe. Net irrigation requirement was highest under SSP5-8.5 and remained stable across other emission scenarios. Future climate scenarios showed varying impacts on total water footprint both under rainfed (WFrainfed) and irrigated (WFirrigated) conditions. While irrigation strategies had minimal effects on the total water footprint of soybean, they significantly influenced yield, blue water, and blue water footprint (WFblue). In the baseline period, WFblue and WFirrigated increased as readily available water (RAW) depletion in the root zone decreased, with no significant differences in WFirrigated across irrigation strategies. Simulations were also conducted exploring main effects and interactions between irrigation strategies, irrigation methods, and soil water stress on soybean blue water productivity (WPET-blue). Results revealed that WPET-blue could be enhanced by applying RDI under mild soil water stress with subsurface irrigation. Surface drip, subsurface drip, and alternate furrow irrigation methods significantly reduced irrigation volume and blue water use under RDI and SDI strategies, while sprinkler irrigation was the least efficient method. Overall, this dissertation highlights the potential of crop modelling, specifically the AquaCrop model, in optimizing irrigation strategies for sustainable crop production amid climate change and water scarcity.

Questa tesi affronta alcuni aspetti critici della gestione delle risorse idriche in agricoltura attraverso approcci di modellizzazione delle colture. L'irrigazione deficitaria (DI) è stata testata sul pomodoro in condizioni controllate di serra al 75% dell'irrigazione completa (FI) durante tutte le fasi fenologiche, ovvero l'irrigazione deficitaria standard (SDI), mentre nella soia al 70% di FI prima e dopo la fase di fioritura, cioè irrigazione a deficit regolato (RDI), in condizioni di campo. Il modello AquaCrop è stato calibrato utilizzando dati sperimentali ed utilizzato per simulare gli impatti dell'irrigazione deficitaria negli ultimi 30 anni (1993–2022). I risultati hanno mostrato che il modello ha stimato con precisione gli impatti dell'irrigazione deficitaria sia sulla resa del pomodoro che della soia. Gli impatti del cambiamento climatico sulle performance della soia e sulle risorse idriche di entrambe le colture sono stati anche valutati nel periodo di riferimento (1981–2010) e nei periodi futuri (2041–2100) sotto diversi scenari di emissione (SSP5-8.5, SSP2-4.5, SSP1-2.6), confrontando le condizioni di irrigazione e quelle di pioggia. I risultati hanno mostrato che il cambiamento climatico ha impattato negativamente sulla produzione di soia non irrigata. Diversamente l'irrigazione ha ridotto questi impatti e migliorato le performance complessive. Il fabbisogno idrico delle colture in condizioni irrigue è stato superiore a quello delle colture non irrigue ed è diminuito con l'intensificarsi degli scenari di emissione. Il fabbisogno netto di irrigazione è stato più elevato sotto lo scenario SSP5-8.5 ed è rimasto stabile negli altri scenari di emissione. Gli scenari climatici futuri hanno mostrato impatti variabili sull'impronta idrica totale sia in condizioni di asciutta (WFrainfed) che irrigue (WFirrigated). Se da un lato le strategie di irrigazione hanno avuto effetti minimi sull'impronta idrica totale della soia, dall’altro hanno influenzato significativamente le rese, l'acqua blu e l'impronta dell'acqua blu (WFblue). Nel periodo di riferimento, WFblue e WFirrigated sono aumentate man mano che l’entità dell'acqua facilmente disponibile (RAW) nella zona radicale diminuiva, senza evidenziare differenze significative in WFirrigated tra le differenti strategie di irrigazione. Sono state anche condotte simulazioni dedicate alla valutazione degli effetti principali e delle interazioni tra strategie di irrigazione, metodi di irrigazione e stress idrico sulla produttività dell'acqua blu della soia (WPET-blue). I risultati hanno rivelato che la WPET-blue potrebbe essere migliorata applicando RDI sotto stress idrico moderato con irrigazione sotterranea. I metodi di irrigazione a goccia superficiale, a goccia sotterranea e a solchi alternati hanno ridotto significativamente i volumi di irrigazione e l'uso di acqua blu per le strategie RDI e SDI, mentre l'irrigazione a pioggia è risultata essere il metodo meno efficiente. Complessivamente, questo lavoro di tesi evidenzia il potenziale della modellizzazione delle colture, in particolare del modello AquaCrop, nell'ottimizzare le strategie di irrigazione per una produzione agricola sostenibile in un contesto di cambiamento climatico e scarsità di acqua.