Università degli Studi di Bologna - cma.entecra.itcma.entecra.it/iphen/doc/incontro_IPHEN/Ventura.pdf · 2 Formazione dei germogli laterali (accestimento) ... – computo dei primordi

1

Fenologia delle colture erbacee

Francesca Ventura Università degli Studi di Bologna

Convegno IPHEN 2007Convegno IPHEN 200730/11/2007 30/11/2007 –– Facoltà di Agraria Facoltà di Agraria -- MilanoMilano

2

Università di Bologna

DiSTA - Dipartimento di Scienze e Tecnologie Agroambientali

P. Rossi Pisa, F. Ventura, N. Gaspari, F. Salvatorelli

ARPA-SIM Area Agrometeorologia e Territorio

L. Botarelli, V. Marletto, W. Pratizzoli, F. Tomei

3

Fenologia delle colture erbacee

• Introduzione fenologia

• Scale fenologiche

• Stazione agrofenologica

• Modellistica

• Previsioni stagionali

4

Nel linguaggio delle scienze biologiche i termini “crescita” e “sviluppo” indicano fenomeni diversi, studiati con metodi di osservazione e misura tra loro dissimili

La crescita è legata all'aumento ponderale o dimensionale diun organo o dell'intero organismo.

Lo studio dello sviluppo vegetale comporta la rilevazione della comparsa e scomparsa degli organi nonché di altre importanti modificazioni nelle funzioni e nell'aspetto degli organismi viventi durante il loro ciclo vitale.

Marletto, V., 1999. Fenologia vegetale. In "Aspetti generali delle osservazioni agrofenologiche" a cura di A. Brunetti e F. Zinoni. Prog. Fin. PHENAGRI. Roma, 1, 7-13.

La fenologia vegetale è la disciplina che osserva lo sviluppo dipiante spontanee e coltivate. Essa definisce in modo chiaro, per mezzo di scale fenologiche, quali sono i fenomeni da registrare (germinazione, fioritura, caduta delle foglie, ecc.)

5

La fenologia vegetale in particolare si occupa della definizione delle fasi di sviluppo (o fasi fenologiche) delle piante in particolari scale fenologiche e della registrazione delle date in cui esse si verificano nei diversi ambienti.

Definizione di FENOLOGIA

La fenologia è la scienza che si occupa di classificare e registrare eventi rilevanti nello sviluppo degli organismi, ad esempio piante ed insetti.

Se le piante oggetto di osservazione sono coltivate siamo nel campo della fenologia agraria o agrofenologia.

6

Le prime reti agrofenologiche in Italia sono nate negli anni ’80, prevalentemente su colture erbacee (poi ci sono i giardini fenologici)

Esiste grande esperienza anche sulle colture arboree per attività di lotta integrata e di selezione varietale

I dati di campo sono stati utilizzati per la produzione o calibrazione di modelli previsionali di sviluppo. L’applicazione dei modelli prevede una validazionetramite osservazioni specialistiche (staz. agrofenologica)

Il rilievo fenologico delle colture erbacee in campo ha un alto grado di affidabilità per maggior semplicità intrinseca, per uniformità fenotipica e per la possibilità operativa di osservare campioni più numerosi.

7

Applicazioni della fenologia

• Ottimizzazione interventi colturali e di difesa;

• valutazione di danni dovuti alle avversità naturali (gelo, grandine, siccità, ecc.);

• diagnosi ambientale: le piante funzionano come indicatori ambientali;

• relazione tra mappe fenologiche e meteorologiche;

• la stima delle rese;

• lo studio delle relazioni tra cambiamento climatico e variazioni della fenologia.

8

“E’ compito della fenologia definire quali sono i fenomeni da registrare, fornire scale di riferimento univoche e tecniche di osservazione riproducibili, e possibilmente non distruttive, provvedere a chiavi interpretative e previsionali”

Borin M., Bigon E., Caprera P., 2003. Atlante fenologico. Edagricole, Bologna, 190 pp.

9

MiPAF

Progetto Phenagri

3.2.4 - Mais (Zea mays L.)

Scale Fasi fenologiche PFP BBCH Hanway preemergenza 0 00-08 0 emergenza 1 09 1 foglie n. 1-9 ed oltre 2.1-2.n 11-19 2-6 comparsa pennacchio 3 51 7 emissione polline 4 63 8 comparsa sete 5 63 8 senescenza sete 6 67-69 ⎯ ingrossamento cariossidi 7 71 9.1 maturazione lattea 8 73-75 ⎯ maturazione cerosa 9 83-85 9.2 maturazione fisiologica 10 87 9.4 stadio di raccolta 11 89 9.5

Descrizione delle fasi fenologiche Preemergenza: dalla semina alla emergenza. Emergenza: la prima fogliolina fuoriesce dal terreno, è eretta ma ancora chiusa. Foglie n 1-9 ed oltre: le foglie che hanno la lamina completamente distesa ed il collare visibile. Comparsa del pennacchio: l'ultima foglia si è ormai aperta e lascia intravedere il pennacchio, ovvero i fiori maschili. Emissione polline: inizia l’emissione del polline che può essere facilmente rilevata scuotendo la pianta. Comparsa sete: dalle brattee che racchiudono la spiga fuoriescono le sete, ovvero gli stili e gli stigmi dei fiori femminili. Senescenza sete: la parte apicale delle sete si presenta imbrunita e di consistenza pagliosa. Ingrossamento cariossidi: inizia subito dopo la fecondazione, in questa fase si osserva il rapido ingrossamento della spiga; le cariossidi al loro interno si presentano bianche. Maturazione lattea: la spiga e le cariossidi (granella) hanno raggiunto la massima dimensione. Alla rottura delle cariossidi, che può essere effettuata con la semplice pressione delle dita, fuoriesce un liquido lattiginoso. Maturazione cerosa: si considera raggiunta quando le cariossidi presentano una umidità residua compresa fra il 40% e il 50% del peso totale. Sulle cariossidi compare la cosiddetta "dentatura", cioè la caratteristica concavità della corona. In questa fase la granella può essere facilmente schiacciata con i denti e presenta una consistenza pastosa. Maturazione fisiologica: le cariossidi, se staccate dal tutolo, mettono in evidenza il caratteristico punto nero. L’umidità residua della granella è compresa tra il 30 e il 35% del peso totale. Stadio di raccolta: la granella presenta valori di umidità inferiori al 30%.

10

Scala di classificazione fenologicaBBCH

Stadi di sviluppo principali da 0 a 9

Entro ciascuno stadio: stadi secondari (da 0 a 9)

11

Stadio Descrizione

0 Germinazione / germogliamento / sviluppo delle gemme

1 Sviluppo delle foglie (fusto principale)

2 Formazione dei germogli laterali (accestimento)

3 Allungamento del fusto principale o crescita della rosetta/ sviluppo del germoglio principale

4 Sviluppo delle parti vegetative che andranno raccolte osviluppo degli organi per la propagazione vegetativa

5 Emergenza delle infiorescenze (fusto principale)

6 Fioritura (fusto principale)

7 Sviluppo dei frutti e dei semi

8 Maturazione dei frutti e dei semi

9 Senescenza, inizio della dormienza

Stadi principali scala BBCH

12

Stadi principali & secondari scala BBCH

Ogni stadio principale presenta i suoi corrispettivi stadi secondari, i quali variano a seconda della famiglia di

appartenenza della coltura

Stadio BBCH 14: siamo nella fase principale”1”di

emissione delle foglie vere e nella sottofase“4”, che evidenza il n°delle foglie

Cereali vernini: Mais:

Stadio BBCH 51: ci troviamo nella fase principale“5” di

spigatura e nella sottofase”1” di emergenza del pennacchio,

in cui è visibile la punta dell’organo maschile

Come fare la lettura del dato BBCHEsempi:

13

GIRASOLE

GDU 92

BBCH 14

GDU 215

BBCH 113

GDU 1536

BBCH 67

GDU 1194

BBCH 65

GDU 714

BBCH 63

GDU 2112

BBCH 89

14

Database Access seguendo la scala BBCH

Input

Output

15

CENTRO CENTRO DIDATTICO DIDATTICO

SPERIMENTALESPERIMENTALE

Stazione agrofenologica

Stazione agrometeorologica

La stazione è stata installata nel 2003

16

Principali colture erbacee in pieno campo

Emilia Romagna 2003- 2004

Soia 2,8%

Pomodoro6%

Girasole 1,3%

Zucchina0,2%Melone

0,3%Spinacio0,1%

Insalate0,4%

Sorgo 3,1%

Riso1,3%

Pisello

FagiolinoPatata comune

1,3%

Fava da granella0,3%

Cipolla0,6%

Carota 0,4%

Cocomero0,3%

Barbabietola13,5%

Avena 0,3%

Orzo 6,2%

Frumento duro 4,0%

Frumento tenero 31,2%

Mais 26,2%

17

Stazione agrometeo

Stazione agrofenologica 2003 -> oggi

• Avena (Avena Sativa L.) cv Argentina;• Bietola da zucchero (Beta vulgaris L.) cv Canaria; • Frumento (Triticum aestivum L.) cv Mieti; • Frumento (Triticum durum L.) cv Duilio; • Girasole (Heliantus annus L.) cv Kristal; • Mais (Zea mays L.) cv PR34N43; • Orzo (Hordeum vulgare L.) cv Federal; • Patata (Solanum tuberosum L.) cv Primura;• Pomodoro (Solanum esculentum) cv Four nano; • Soia (Glicyne Max) cv Hilario;• Sorgo (Sorghum saccarifera) cv Aralba.

I rilievi sono eseguiti settimanalmente su campioni di:

18

Stazione agrofenologica 2003 -> oggi

STRADELLO

SORGO

STRADELLO

SOIA

STRADELLO

POMODORO

STRADELLO

MAIS

STRADELLO

GIRASOLE

STRADELLO

BIETOLA S

TRADELLO

PATATA

STRADELLO

Frumento DURO

STRADELLO

Frumento TENERO

STRADELLO

ORZO

STRADELLO

AVENA

STRADELLO

41 m

Colture 2004

30 m

Il numero dei campioni, le dimensioni delle parcelle, e il numero di file variano per coltura, secondo il protocollo Phenagri

Mandorlo Mandorlo Prunus dulcisPrunus dulcis

Castagno Castagno CastaneaCastaneasativasativa

Ciliegio Ciliegio Prunus aviumPrunus avium

Amareno Amareno Prunus Prunus cerasuscerasus

MeloMeloMalus domesticaMalus domestica

PeroPeroPyrus communisPyrus communis

RibesRibesRibesRibes rubrumrubrum

Dal 2006:

20

Carico di lavoro: Rilievi Fenologici

21

Carico di lavoro: Operazioni Agronomiche

22

GDU: sono la somma dei gradi ora in un giorno, si cumulano nella stagione. Permettono di determinare a quale soglia siverificano determinate fenofasi, e viceversa di stimarne la comparsa

SOMMATORIE TERMICHE

GDU: indicati anche con °D

oDL

oD=oDL-oDu

oDu

Ore

Tem

pera

tura

(oC

)

23

TEMPERATURE SOGLIA

Avena 0 °C

Orzo 0 °C

Frumento tenero 0 °C

Frumento duro 0 °C

Patata 12 °C

Barbabietola 5 °C

Girasole 6 °C

Mais 10 °C

Sorgo 10 °C

Soia 6 °C

Pomodoro 7 °C

Temperature soglia inferioreutilizzate nel calcolo delle somme

termiche di ciascuna colturasT →

24

….ESEMPI….

25

Raggiungimento 780°D:• 26-6-2003 (71 DAS)• 10-7-2004 (101 DAS)• 30-6-2005 (105 DAS)

Raggiungimento della fase BBCH 67 – fioritura – 780°D

….ESEMPI…. Mais 500

Raggiungimento BBCH 67:• 03-7-2003 (78 DAS)• 05-7-2004 (96 DAS)• 20-6-2005 (95 DAS)

C’è incertezza legata C’è incertezza legata alla cadenza dei rilievi….alla cadenza dei rilievi….

Mais 500

Raggiungimento 1400°D:• 04-8-2003 (110 DAS)• 22-8-2004 (144 DAS)• 16-8-2005 (152 DAS)

Raggiungimento della fase BBCH 89 - Maturazione fisiologica Maturazione fisiologica -- 1400°D

Raggiungimento BBCH 89:• 10-8-2003 (116 DAS)• 29-8-2004 (151 DAS)• 23-8-2005 (159 DAS)

27

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

15/3 14/4 14/5 13/6 13/7 12/8 11/9

°D

2003 Osservato 2004 Osservato2005 Osservato media 30y

2003

20042005

sono indicate le date rilevate di "fioritura" e "maturazione"media

30y

Mais 500

28

Frumento duro

BBCH 22

Rilievo fenologico: più del 50% dei

campioni considerati ha 2 culmi di accestimento



Frumento tenero

BBCH 23



orzo

BBCH 25

Data base di immagini 2 marzo 2005

Avena

BBCH 24



29

Bollettinosettimanale

DiSTA

http://www.dista.agrsci.unibo.it/agrofeno/index.php

30http://www.arpa.emr.it/sim/?agrometeo/bollettino_settimana

Bollettino settimanale ARPA-SIM

Fenologia:modelli fenologici

Mappe di simulazione dellosviluppo fenologico

Mappe di scostamentotemporale (anticipo o ritardo)

rispetto al clima

Confronto con le rilevazionidella StazioneAgrofenologica

31http://www.arpa.emr.it/sim/?agrometeo/bollettino_settimana

Bollettino settimanale ARPA-SIM

Fenologia:modelli sviluppo

fenologico

32

Modellistica ARPA-SIMMAIS (GRANT, 1989..)

• Emergenza:– somma T suolo > 8.5 °C fino a 55 °D oppure T aria (9.8, 61)

• Viraggio apicale– numero potenziale di foglie in base alla classe di maturazione FAO– modifica giornaliera del potenziale di foglie in base al fotoperiodo e alla

temperatura– computo dei primordi fogliari sull'apice vegetativo in base alla

temperatura– confronto continuo tra foglie potenziali e n. primordi: all'uguaglianza

siamo al viraggio ed è noto il numero finale di foglie• Emissione delle foglie

– Funzione della temperatura fino al numero massimo• Fioritura maschile

– Raggiunta all'emissione dell'ultima foglia• Fioritura femminile

– Raggiunta all'emissione di ulteriori due foglie (fittizie)• Maturazione

– metodo Ontario basato sull'accumulo delle “corn heat units” CHU

33

Nell’ambito di una tesi di dottorato, in collaborazione tra DiSTA e ARPA-SIM, è stata elaborata una equazione di traduzione dalla

modellistica ARPA-SIM alla scala BBCH

4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 5.0

4 = spigatura, 5 = maturità fisiologica

VENTURA F., MARLETTO V., TRAINI S., TOMEI F., BOTARELLI L., ROSSI PISA P. 2007. Phenological observation and modelling of herbaceous crops: winter cereals and maize. Submitted to Italian Journal of Agrometeorology.

34

y = -1.29x4 + 15.99x3 - 64.75x2 + 116.33x - 67.26R2 = 0.97

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6

BB

CH

model

99

Confronto tra osservazioni BBCH per frumento duro, tenero e per l’orzo e i risultati del

modello Praga, in tre anni di sperimentazione

35

y = -1,38x4 + 18,40x3 - 80,69x2 + 146,59x - 83,95R2 = 0,97

00

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6

model

BB

CH

99

Mais: confronto tra osservazioni BBCH e i risultati del modello Praga, in quattro anni di sperimentazione.

Gli stadi fenologici BBCH dopo il 30 sono stati ridotti di 10 unità, e quelli oltre il 50 sono stati ridotti di 20 poiché gli stadi principali 2 e 4

nella BBCH del mais non sono definiti.

36

Durum wheat Soft wheat Barley Model

stage date

BBCH ∆ (days) BBCH ∆ (days) BBCH ∆ (days)

23/11/2003 09 0 09 1 10 1

04/11/2004 10 0 10 0 10 0 2

10/11/2005 11 0 11 0 11 0

02/04/2004 31 4 31 4 30 0

26/03/2005 30 5 30 5 28 5 3

10/04/2006 31 0 31 0 31 0

04/05/2004 57 1 57 1 59 1

02/05/2005 59 2 58 2 65 -1 4

09/05/2006 58 5 65 2 69 -2

19/06/2004 85 2 87 -4 89 -4

16/06/2005 85 0 85 0 92 0 5

23/06/2006 85 -3 89 -3 93 -3

37

Le nuove frontiere della fenologia

Dalle previsioni stagionali alla previsione dello sviluppo fenologico

e delle rese

38


Dalle previsioni stagionali alla previsione dello sviluppo fenologico e delle rese

Previsioni globali di ensemble

ECMWF e UKMO

Regionalizzazione

Previsione di anomalie mensili(T max - Tmin – Prec)

e indici statistici correlati

Processo di produzione

mappe

WeatherWeather generatorgenerator

Dati meteo

degree days from oct 2006 [°D]climate from 1956-2005 data

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

1/2 1/3 1/4 1/5 1/6

Produce, in base alla climatologia, molteplici serie di dati giornalieri, tutte statisticamente

compatibili con i dati di ingresso

39

degree days from oct 2006 [°D] climate 87/06 - seasonal forecast

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

2600

1/2 1/3 1/4 1/5

cumulated precipitation from oct 2006 [mm]climate 87/06 - seasonal forecast

50

100

150

200

250

300

350

1/1 1/2 1/3 1/4 1/5

Test of the Test of the SeasonalSeasonal PredictionPrediction: : weatherweather datadata



40

Processo di produzioneWeatherWeather generatorgenerator

degree days from oct 2006 [°D]climate from 1956-2005 data

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

1/2 1/3 1/4 1/5 1/6

Produce, in base a climatologia+anomalie

previste, molteplici serie di dati giornalieri, tutte

statisticamente compatibili con i dati di

ingresso

Modelli di previsione fenologica

Modelli di previsione delle rese

crop yield [kg/ha] climate 87/06 - seasonal forecast

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

1/2 1/3 1/4 1/5



Sviluppo fenologico da spigatura a maturazione fisiologica : confronto degli andamenti dal 2003 al 2006

4

4.2

4.4

4.6

4.8

5

5.2

27/04

/2003

29/04

/2003

01/05

/2003

03/05

/2003

05/05

/2003

07/05

/2003

09/05

/2003

11/05

/2003

13/05

/2003

15/05

/2003

17/05

/2003

19/05

/2003

21/05

/2003

23/05

/2003

25/05

/2003

27/05

/2003

29/05

/2003

31/05

/2003

02/06

/2003

04/06

/2003

06/06

/2003

08/06

/2003

10/06

/2003

12/06

/2003

14/06

/2003

16/06

/2003

18/06

/2003

20/06

/2003

22/06

/2003

fase f

enolo

gica

2006 2005 2004 2003

20062003 2005 2004

Fenologia dei cereali autunno-vernini: modello di Miglietta F., 1992, Simulation of wheat ontogenesis, Ph.D. thesis, Wageningen Un., modificato da Marletto V., Nerozzi F., Zinoni F., 1997, rapporto interno, SMR-AR. I risultati sono espressi in una scala continua nella quale 1 = semina, 2 = emergenza, 3 = viraggio apicale, 4 = spigatura, 5 = maturazione fisiologica.

Crop yield kg/ka

41

Sviluppo fenologico di frumento: spigatura.confronto dati osservati e simulati per gli anni 1977-1987

MARLETTO V., VENTURA F., FONTANA G., TOMEI F., 2007. Wheat growth simulation and yield prediction with seasonal forecasts. Agric. Forest Meteorol., Vol 147/1-2 pp 71-79, doi:10.1016/j.agrformet.2007.07.003

42

Previsione delle rese di frumento:confronto dati osservati e simulati per gli anni 1977-1987

43

Grazie per l’attenzione

44

Riassunto previsioni stagionali ARPA-SIM

V. Pavan, S. Marchesi, S. Alberghi,C. Cacciamani e S. Tibaldi

Dic-Gen-Feb

1° Set

Lag 21° Ott

Lag 11° Nov

Lag 0

Previsione per l’inverno 2007-08(Dicembre-Gennaio-Febbraio)

Regionalizzazione eseguita applicando due schemi MOS e PP alle previsioni globali di ensemble di ECMWF e UKMO

45

Mappe di probabilità che Tmax sia superiore (inferiore) al clima 1971-00

Tmax Tmax90 HWT

0.9

0.8

0.7

0.6

0.6

0.7

0.8

0.9

p (

T >

0)

p (

T <

0)

Lag 2

Lag 1

Lag 0

46

Mappe di anomalia dell’ensemble meanTmin rispetto al clima 1971-00

Tmin10(°C)

Tmin(°C)Lag

2

Lag 1

Lag 0

47

Mappe di probabilità che PREC sia superiore (inferiore) del clima 1971-00

Prec CDDSPI3

0.9

0.8

0.7

0.6

0.6

0.7

0.8

0.9

p (

P >

0)

p (

P <

0)

0.9

0.8

0.7

0.6

0.6

0.7

0.8

0.9

p (

cd

d>

0)

p (

cd

d<

0)

Lag 2

Lag 1

Lag 0

48

Previsione inverno 2007-08 (dic-gen-feb)

Temperature : Probabili valori di temperatura sotto alla media di lungo periodo.

Precipitazioni : Probabili valori di precipitazione superiori alla media al Centro e leggermente inferiori al Nord. Nelle regioni Meridionali e sulle isole è difficile valutare il valore della previsione stessa, che indicherebbe valori superiori alla media.

49



Integration of seasonal prediction in the Criteria/Wofost model

• Weather generator • Tests of the C/W model with observed data and

climatological runs• Downscaled seasonal forecasts (Ecmwf seasonal

predictions, special project Spia, supported alsoby Italian Civil Protection Dept.)

• Preliminary results from the ensemble mean, Bologna

Prove di affidabilità con dati osservati, Bologna

50

The weather generator

• Richardson & Wright (1984), modified and coded in VB by Gaylon Campbell at Wsu

• Input: 7 monthly statistics from climaticdata: – mean monthly max and min temp.– max and min temperature STDs– total monthly prec– fraction of wet days– mean difference between max temperatures

on dry and wet days

• Output: daily data of Tmin, Tmax, Prec

51

Sviluppo fenologico da spigatura a maturazione fisiologica : confronto degli andamenti dal 2003 al 2006

fase

feno

logi

ca

4

4.2

4.4

4.6

4.8

5

5.2

2006 2005 2004 2003

20062003 2005 2004

Scala: 1 = semina, 2 = emergenza, 3 = viraggio apicale, 4 = spigatura, 5 = maturazione fisiologica

27/0

4/20

03

01/0

5/20

03

05/0

5/20

03

09/0

5/20

03

13/0

5/20

03

17/0

5/20

03

21/0

5/20

03

25/0

5/20

03

29/0

5/20

03

02/0

6/20

03

06/0

6/20

03

10/0

6/20

03

14/0

6/20

03

18/0

6/20

03

22/0

6/20

03

52



Prove di affidabilità con dati osservati

WG test (2007 WG test (2007 vsvs 2007)2007)cumulated precipitation from oct 2006 [mm]

climate from 2007 data

50

100

150

200

250

300

1/2 1/3 1/4 1/5 1/6

degree days from oct 2006 [°D] climate from 2007 data

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

1/3 1/4 1/5

53



Prove di affidabilità con dati osservati

crop yield [kg/ha] climate from 2007 data

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

1/2 1/3 1/4 1/5 1/6

WG test: WG test: cropcrop yieldyield (2007 (2007 vsvs 2007)2007)

54

crop yield [kg/ha] climate 87/06 - seasonal forecast

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

1/2 1/3 1/4 1/5

Test of the SP: Test of the SP: notnot bad!bad!



55

Same as before but on the last five yearsred dot is the reference run with real weather data



Documents

Università degli Studi di Bologna - cma.entecra.itcma.entecra.it/iphen/doc/incontro_IPHEN/Ventura.pdf · 2 Formazione dei germogli laterali (accestimento) ... – computo dei primordi