Ottimizzazione delle filiere bioenergetiche per una sostenibilità economica e ambientale
       
26-07-2017 22:44:14

Unità Operative e loro obiettivi

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Unità Operativa 1

Istituzione CRA - Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta(CRA-PLF).
Titolo della ricerca Ottimizzazione dei rendimenti produttivi ed economici di filiere bioenergetiche mediante la costituzione di nuovi cloni di pioppo e salice, migliorati per produttività e resistenza a stress biotici ed abiotici (SALPOP).
Ente di appartenenza CRA
Indirizzo postale Strada Frassineto, 35
15033 Casale Monferrato(AL)
Responsabile
scientifico della UO e
partecipanti
Dr. Giuseppe Nervo Telefono, : (+39) 0142 330900 Fax: (+39) 0142 55580
E-mail: giuseppe.nervo@entecra.it
Partecipanti:
Lorenzo Vietto, Alberto Scotti, Gianni Facciotto, Gianni Allegro, Achille Giorcelli,
Renzo Rossino, Franco Picco, Giuseppe Deandrea, Luigi F. Becchino, Paolo Calligari,
Sara Bergante, Emanuela Ardito, Nicola Massazza, Federico Livieri.
Curriculum del
responsabile e
pubblicazioni negli ultimi
5 anni attinenti il progetto
Giuseppe Nervo, nato a San Giorgio Monferrato il 30.07.1957, laureato in Scienze Agrarie presso l’Università Cattolica del Sacro Cuore di Piacenza il 10.02.1982, con voti 110/110. Tesi sperimentale in Patologia Vegetale e tesina di laurea sulle“Caratteristiche fillomorfologiche di differenti cloni di pioppo resistenti o suscettibili alle principali avversità crittogamiche. Specializzazione in Genetica applicata conseguita presso l’Università degli Studi di Milano - Facoltà di Scienze Matematiche Fisiche e Naturali. Dal 1 marzo 1982 al 30/09/1985 ha svolto la propria attività come borsista presso la Sezione periferica di Montanaso Lombardo dell’Istituto Sperimentale per l’Orticoltura del Ministero Agricoltura e Foreste. Dal 06/07/1987 al 31/01/1990 ha svolto la propria attività presso l’Istituto di Sperimentazione per la Pioppicoltura di Casale Monferrato, della Società Agricola Forestale del gruppo ENCC, dove ha avviato un laboratorio e programmi di coltura in vitro e biotecnologie applicati al miglioramento genetico del pioppo. Dal 01 febbraio 1990 è in servizio come sperimentatore degli Istituti di ricerca e sperimentazione del Ministero per le Politiche Agricole e Forestali, assegnato presso l’Istituto Sperimentale per l’Orticoltura, Sede Centrale di Pontecagnano (SA); dal 05/11/1993 è stato trasferito alla Sezione Operativa Periferica di Montanaso Lombardo, dello stesso Istituto. Dal 31 maggio 1997 è Primo Ricercatore degli Istituti Sperimentali del Ministero per le Politiche Agricole e Forestali. Dall’ anno accademico 1995/96 è incaricato dell’ insegnamento di Orticoltura presso la Facoltà di Agraria di Piacenza – Corso di laurea in Scienze e tecnologie agrarie- dell’Università Cattolica del S. Cuore di Milano.
Dal 03.11.04 è stato Direttore incaricato dell’Istituto di Sperimentazione per la Pioppicoltura di Casale Monferrato del C.R.A, ed attualmente Direttore incaricato Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta (CRA-PLF).
Pubblicazioni recenti
P.CALLIGARI, G.DELIA, S.ZELASCO, M. CONFALONIERI, S. BOTTI, S. PIETRA, T. COLLOT, G. NERVO, 2005. New methods for in vitro regeneration and genetic modification of elite Populus euramericana clones.XLIX Convegno Annuale SIGA, Potenza, 12/15 Settembre 2005.
G. FACCIOTTO, S. BERGANTE, C. LIOIA, G. MUGHINI, L. ROSSO, G. NERVO, 2005. Come scegliere e coltivare le colture da biomassa. L’Informatore Agrario, supplemento al n° 34/2005
G. FACCIOTTO, S. BERGANTE, C. LIOIA, G. MUGHINI, T. ZENONE, G. NERVO, 2005. Produttività di cloni di pioppo e salice in piantagioni a turno breve. V Congresso SISEF, 27-30 Settembre 2005, Grugliasco (Torino).
G. FACCIOTTO, S. BERGANTE, C. LIOIA, G. MUGHINI, G. NERVO, 2005. Short Rotation Forestry in Italy with poplar and willow. 14th European Biomass Conference and Exibition. Biomass for Energy, Industry and Climate Protection, Paris 17-21 October 2005
NERVO G., 2006 Pioppicoltura: ricerca, innovazione e sviluppo sostenibile. Alberi e territorio 1-2 (3), 3.
NERVO G., RADICE FOSSATI F., 2006 Le iniziative per il rilancio della pioppicoltura italiana. Alberi e territorio 1-2 (3), 14-22.
G. FACCIOTTO, S. BERGANTE, G. MUGHINI, M.L.A, GRAS, G. NERVO, 2007. Le principali specie per la produzione di biomassa. L'Informatore Agrario 40 , 36-37.
FACCIOTTO G., BERGANTE S., LIOIA C., ROSSO L., MUGHINI G., ZENONE, T., NERVO G.,. (2006). Produttività di cloni di pioppo e salice in piantagioni a turno breve. Forest@ 3 (2):238-252. [online] URL: http://www.sisef.it/ [It]
FACCIOTTO G., BERGANTE S., GRAS M.D.A, LIOIA C., MUGHINI G., MEZZALIRA G., NERVO G., 2006 Biomass production for energy purposes in Italy. In Proceedings of the Great Wall Renevable Energy Forum held in Beijing, China 23-27 October 2006. 5 p. [En]
G. FACCIOTTO, S. BERGANTE, G. MUGHINI, M.L.A, GRAS, G. NERVO, 2007. Tecnica e modelli colturali per cedui a breve rotazione. L'Informatore Agrario 40, 38- 42.
S. BISOFFI, L. VIETTO, G. FACCIOTTO, G.NERVO, 2007- Breeding of Populus for a range of utilizations and preservation of biodiversity, 1° Convegno della Società Italiana di Bioenergia e Agroindustria (SIBA) - Salerno 22-24 Ottobre 2007.

Competenze dell’Unità Operativa in relazione al progetto

L’Unità di ricerca per le Produzioni legnose fuori foresta (PLF) costituitasi a seguito dell'attuazione del "Piano di riorganizzazione della rete degli istituti di ricerca del CRA, deriva dall’Istituto di sperimentazione per la Pioppicoltura di Casale Monferrato (ISPIO). L’ISPIO fu fondato nel 1939 dalla Società Cartiere Burgo, venne ceduto nel 1952 all’Ente Nazionale per la Cellulosa e la Carta (ENCC) che nel 1979 ne affidò la gestione alla Società Agricola e Forestale per le piante da cellulosa e da carta (SAFENCC).
Nel 1999, in seguito alla messa in liquidazione dell’ENCC, l’ISPIO con l’Unità di Ricerca Forestale di Roma e le aziende Sperimentali Mezzi, Ovile e Cesurni sono stati devoluti al MIPAF, e nel 2004 sono entrati a far parte del Consiglio per la Ricerca e Sperimentazione in l’Agricoltura (CRA).
La sede centrale dell’Unità di ricerca di Casale Monferrato è costituita da gruppi di lavoro operanti nei settori del miglioramento genetico,della patologia, entomologia e difesa dalle avversità, della tecnologia del legno, dell’ecologia agraria e forestale, dell’economia e delle statistiche forestali. Fra gli organismi pubblici di ricerca esistenti in Italia è l’unica specificamente dedicata alla ricerca nel campo delle specie legnose a rapido accrescimento per utilizzazioni industriali ed energetiche. L’attività svolta ha dato un contributo determinante allo sviluppo della pioppicoltura non solo in Italia ma in tutte la zone del mondo a clima temperato. Gli studi sono rivolti alla creazione di nuove costituzioni di pioppo e salice, oltre che di altre specie quali Robinia, Eucalitto e Conifere mediterranee, resistenti alle principali avversità e capaci di produrre legno da lavoro di buona qualità, adattandosi ai vari ambienti edafici. Oltre alle tecniche di coltivazione intensiva, vengono studiati modelli colturali estensivi o semi estensivi che rispondono meglio alle esigenze di un'arboricoltura ecologicamente sostenibile. Particolare attenzione viene dedicata anche al monitoraggio delle piantagioni, alle valutazioni delle produzioni e alle disponibilità di legno nel breve e medio periodo. Per la sperimentazione in campo si dispone di tre aziende sperimentali (Mezzi, Ovile e Cesurni) che ospitano vivai, e impianti sperimentali afferenti alle varie tematiche trattate. La sede di Casale dispone di laboratori ben attrezzati di patologia, entomologia, chimica, ecologia e biotecnologie, oltre che di una nuova serra dotata di impianto di riscaldamento, reti antinsetto e bancali riscaldati per prove di radicazione. La lunga attività ed esperienza nel miglioramento genetico e selezione clonale di salicacee ha consentito finora la costituzione di oltre 60 cloni di pioppo di cui 13 con diritti di privativa comunitaria e due cloni di salice.

Descrizione della ricerca.

Stato dell’arte specifico

La necessità per il nostro Paese, così come per tutti gli altri Stati che hanno aderito al Protocollo di Kyoto, di ridurre le emissioni di gas serra e di mettere in pratica sistemi produttivi e di consumo più sostenibili, ha portato alla ricerca ed allo sviluppo di Fonti Energetiche Alternative. Tra queste le biomasse di origine agricola e forestale sono intensamente studiate, sia per l’ottenimento di biocarburanti (bio-fuels), sia per la produzione diretta di energia termica ed elettrica anche mediante sistemi innovativi dedicati. Benché alcuni Paesi del Nord Europa come Svezia e Finlandia siano all’avanguardia nell’ottimizzazione dei vari aspetti della produzione e dell’utilizzo energetico di colture lignocellulosiche a corta rotazione (Short Rotation Forestry – SRF), altri Paesi europei hanno avviato nel recente passato numerose attività di sperimentazione, valutando specie, cloni e tecniche colturali meglio rispondenti alle diverse condizioni ambientali. I due generi botanici più utilizzati sono il genere Populus ed il genere Salix, appartenenti alla famiglia delle Salicacee, originari dell’emisfero boreale, ma con specie adatte a crescere anche nell’emisfero Australe. I modelli colturali finora proposti fanno sostanzialmente riferimento a sistemi già sviluppati in Svezia e negli Stati Uniti. In Svezia, le piantagioni per scopi energetici sono state costituite già negli anni ’90 ed ora le SRF coprono circa 15.000 ha, ovvero lo 0.5 % dei terreni coltivabili (Rosenqvist et al., 2005).
Generalmente vengono coltivati ibridi di Salix viminalis o cloni puri appositamente selezionati per resistenza alle malattie, al freddo e per la scarsa appetibilità ai mammiferi selvatici. Tali cloni vengono tuttora commercializzati anche in altri Paesi con condizioni ambientali simili, mentre in Italia non hanno finora fornito indicazioni apprezzabili. Il modello di coltivazione utilizzato in Svezia prevede impianti ad
elevatissime densità, anche fino a 25.000 piante per ettaro, una ceduazione alla fine del primo anno (cut back) con il duplice scopo di produrre materiale (talee) per altri impianti e favorire lo sviluppo della ceppaia;
successivamente le ceduazioni vengono ripetute ogni due, tre o più anni, in base all’accrescimento dei polloni. Negli Stati Uniti, invece, si è sviluppato un modello di coltivazione che prevede densità nettamente inferiori (circa 1500 piante/ha) e l’utilizzo del pioppo come specie esclusiva. L’impianto, effettuato con pioppelle senza radice prevede un ciclo di 5-7 anni prima della ceduazione. Parte del materiale viene venduto all’ industria della carta, mentre ramaglie e cimali sono destinati alla combustione per la produzione energetica. Questi due modelli, seppur con diversi adattamenti, vengono sperimentati ed in parte utilizzati in vari Paesi e sono oggetto di studio anche in Italia dove la ricerca sulle Short Rotation Forestry ( SRF) è iniziata nel 1994 a seguito di un progetto finanziato dall' ENEL. Successivamente altri progetti di ricerca attivati dal MiPAAF e da alcune Regioni, hanno fornito indicazioni utili al contenimento dei costi colturali, oltre che al miglioramento dei rendimenti energetici e produttivi. Alcuni gruppi di lavoro si sono adoperati per mettere a punto macchine operatrici adeguate alle diverse fasi di impianto, coltivazione e raccolta, mentre altri si sono dedicati alla selezione di specie e cloni maggiormente produttivi e resistenti alle avversità. I cloni di pioppo maggiormente utilizzati appartengono alle specie Populus deltoides, originaria del Nord America, ad ibridi interspecifici tra P. deltoides e P. nigra (P.× canadensis ) o ad ibridi P.× generosa che derivano dall’incrocio tra P. deltoides e P. trichocarpa. In Italia sono già stati iscritti al Registro Nazionale dei Cloni Forestali 7 cloni di pioppo da utilizzare preferibilmente per biomassa tra cui‘Orion’, AF2 e Monviso, mentre altre selezioni di P. alba e P. tremula, che sembrano più promettenti per resistenza a stress biotici ed abiotici, sono in corso di sperimentazione presso l’Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta (CRA-PLF). Il genere Salix, con la sua ampia varietà di specie è in grado di adattarsi a suoli poveri e con elevata ritenzione idrica, produce molti ricacci dopo la ceduazione e mantiene la vitalità delle ceppaie a lungo nel tempo. Nel Nord Europa sono già stati selezionati svariati cloni della specie S. viminalis, sia puri che ibridi, con elevata resistenza al freddo, mentre nella Repubblica Ceca sono in fase di sperimentazione varietà clonali di S. dasyclados e S. daphnoides. Anche in Canada vengono utilizzati vari cloni di S. viminalis adeguando il modello colturale già adottato negli Stati Uniti. (Labrecqe et al.,2006). In Italia interessanti risultati di attecchimento, produzione e resistenza, sia in impianti biennali che quinquennali, si stanno ottenendo, con genotipi di S. alba e S. matsudana, oltre che con loro ibridi. Due ibridi di S. matsudana, Drago e Levante per la produzione di biomassa sono stati recentemente brevettati dal CRA-PLF (Facciotto et al., 2006).

8.2 Obiettivi specifici

La presente proposta di ricerca si propone la costituzione di nuovi cloni di pioppo e salice da utilizzare per la produzione di biomasse lignocellulosiche in impianti SRF, mediante la valutazione e selezione di materiale genetico di varia origine ( pioppi della Sezione Leuce ed Aigeiros e due specie di salice Salix alba, Salix matsudana, Salix jessoensis oltre che di loro ibridi ) già disponibile presso l’Unità di ricerca per le produzioni legnose fuori foresta di Casale Monferrato (CRA-PLF). L’attività di miglioramento genetico da tempo condotta presso il CRA-PLF ha consentito finora la selezione e costituzione di alcuni cloni di pioppo e salice (Orion, Baldo, Drago e Levante), risultati particolarmente idonei a diversi areali di coltivazione del nostro Paese. Tuttavia tenendo conto dell’interesse ad estendere le colture lignocellulosiche (SRF) anche in altri areali del Nord e del Centro – Sud Italia, caratterizzati da specifiche condizioni pedoclimatiche, oltre alla necessità di poter attuare una diversificazione genetica nello spazio (piantagioni a mosaico) e nel tempo (cloni diversi ad ogni ciclo produttivo) per ridurre il rischio derivante da attacchi parassitari ed altre avversità, si intende con questa proposta progettuale selezionale nuovi cloni, potenzialmente più plastici, produttivi e resistenti agli stress biotici ed abiotici. L’uso di questo materiale in piantagioni policlonali miste comporterà un aumento della produttività, una maggior vigoria e durata degli impianti SRF una riduzione delle perdite di produzione, oltre a benefici derivanti dal contenimento dei costi colturali e dalla possibilità di assolvere a funzioni ambientali quali il fitorimedio, la costituzione di fasce tampone e l’utilizzo di suoli marginali.

Piano di attività

Poiché l’U.O. del CRA-PLF può contare su un’ampia disponibilità di materiali genetici ottenuti a seguito dell’attività di “breeding” condotta su specie come P. nigra, P. deltoides, P. x canadensis, P. alba, S. alba e S. matsudana, saranno condotte attività sperimentali di serra e di campo per:
• lo “screening” di nuove costituzioni clonali di pioppo e salice, caratterizzate da rapidità di crescita, elevata produttività, resistenza alle avversità, adattabilità alle diverse condizioni ambientali (plasticità) ed alla coltivazione in impianti dedicati con diversi sistemi di allevamento (fitto e/o semifitto);
• la selezione dei genotipi di pioppo e salice maggiormente tolleranti ripetuti cicli di ceduazione;
• l’ identificazione di genotipi di pioppo e salice con un buon livello di tolleranza agli stress abiotici ed in particolare resistenti alle temperature, siccità, salinità o presenza di metalli pesanti e/o altri inquinanti del suolo;
• la determinazione della capacità di radicazione anche in condizioni pedologiche limitanti. Le interazioni genotipo × ambiente saranno altresì valutate con metodi statistici sulla base di schemi sperimentali convenzionali per le fasi finali della selezione. Inoltre sarà condotto uno studio mirato agli aspetti fenologici ed eco-fisiologici delle diverse provenienze e/o progenie di incrocio allo scopo di selezionare cloni di pioppo e di salice con elevata capacità di radicazione e buona tolleranza alla competizione radicale. Di seguito vengono riportate le attività (Task) necessarie al perseguimento degli obiettivi precedentemente indicati.
Task 1 –Valutazione delle potenzialità produttive e della resistenza a stress biotici di genotipi di pioppo di differente origine, per produzioni bioenergetiche. Considerate le notevoli capacità di accrescimento e le buone caratteristiche di resistenza verso Marssonnina brunnea (bronzatura), Melampsora spp (ruggine) ed afide lanigero della progenie ottenuta da incroci tra P. deltoides × P. nigra (Gruppo D×N e Gruppo BC1), saranno posti a confronto almeno 40 cloni in impianti sperimentali da realizzare in diversi areali del Nord e dell’Italia Centro-Meridionale. Per la specie autoctona P.alba saranno utilizzati e valutati genotipi spontanei raccolti in Toscana e progenie ottenute da impollinazione spontanea del clone Villafranca (circa 60 cloni), per i quali sono già disponibili dati parziali relativi agli attecchimenti in fase di propagazione e agli accrescimenti in piantagione. Va segnalato che il clone Villafranca, particolarmente resistente alle principali avversità, è uno dei pochi cloni di P. alba già iscritto al RNCF. Con tale materiale saranno realizzati impianti fitti e piantagioni 3x2 o 3x3, eventualmente in associazione a salice bianco. Questi stessi materiali saranno valutati anche per il livello di resistenza alle principali avversità biotiche (ruggine, bronzatura, defogliazione, macchie brune, virus ed insetti) sia in condizioni artificiali controllate che in pieno campo. La sperimentazione è finalizzata anche all’individuazione di cloni da proporre per l’iscrizione al RNCF e/o per la richiesta di privativa comunitaria al CPVO.
Task 2 –Miglioramento e selezione di cloni di Salix alba, Salix matsudana, Salix jessoensis e di loro ibridi per la produzione di biomasse lignocellulosiche.
Presso il CRA-PLF è stato intrapreso un programma di ibridazione basato su Salix alba, la principale specie arborea in Italia, volto da un lato a determinare i parametri genetici fondamentali e a stimare i guadagni genetici attendibili e dall’altro a valutare le potenzialità dell’ibridazione interspecifica, in particolare con specie quali Salix matsudana e Salix jessoensis. Mediante la realizzazione di un saliceto sperimentale è stata avviata la stima dei parametri genetici (ereditabilità, componenti della varianza, interazioni genotipo × ambiente) di circa 300 individui selezionati sulla base di valutazioni genotipiche e fenotipiche effettuate nell’ambito delle rispettive famiglie.
Con la presente proposta si intende valutare la produzione in biomassa e l’adattabilità ai diversi areali di coltivazione del Nord e del Cento-Sud delle miglior progenie (80 cloni) ottenuta sia nell’ambito di incroci controllati Salix alba × S. alba, secondo uno schema fattoriale incompleto, sia da impollinazione libera di alcuni soggetti esotici (Salix matsudana e Salix jessoensis). Sarà così possibile selezionare cloni di salice particolarmente adatti agli ambienti mediterranei, da destinare alla produzione di biomasse lignocellulosiche, con possibili utilizzazioni anche per interventi di riqualificazione ambientale e/o fitorimedio.
Task 3 –Valutazione di cloni di pioppo e salice per la tolleranza a stress abiotici.
Talee dei diversi genotipi di pioppo e salice precedentemente indicati saranno allevate in ambiente confinato ed in pieno campo, utilizzando uno stesso schema sperimentale a blocchi randomizzati per la valutazione del livello di tolleranza a condizioni di stress termico, idrico e nutrizionale. Al riguardo saranno realizzate analisi di carattere fisiologico, biochimico e molecolare oltre a test finalizzati a migliorare le tecniche di propagazione vegetativa e selezionare genotipi caratterizzati da migliore capacità di radicazione anche in condizioni pedologiche limitanti per salinità o presenza di inquinanti del suolo.

Articolazione temporale delle attività

Poiché obiettivi specifici del progetto sono la selezione di cloni di pioppo e salice dal comportamento plastico, tolleranti le principali avversità biotiche ed abiotiche, caratterizzati da rapidità di accrescimento ed elevata produzione di biomassa lignocellulosica, saranno di seguito riportate modalità e tempi per l’esecuzione delle diverse attività di “breeding”, nonché i criteri di selezione da adottare in ciascuna fase di valutazione.
Task 1 –Valutazione delle potenzialità produttive e della resistenza a stress biotici di differenti genotipi di pioppo di diversa origine, per produzioni bioenergetiche.
Work Package 1.A – Rilevazione precoce degli accrescimenti e della resistenza alle principali avversità biotiche in condizioni di laboratorio, serra e campo a Casale Monferrato.
• A1. Raccolta e preparazione del materiale genetico di P.alba e P.x canadensis, per le prove di resistenza a stress biotici in ambiente confinato e in pieno campo presso l'Azienda sperimentale del CRA-PLF.
• A2. Trapianto delle talee in serra ed in pieno campo a Casale Monferrato, utilizzando uno stesso schema sperimentale a blocchi randomizzati con almeno 5 ripetizioni;
• A3. Inoculazioni artificiali in serra e/o laboratorio con razze e/o popolazioni al fine di rilevare per ciascun clone il livello di resistenza a ruggine ed afide lanigero;
• A4. "Screening" della resistenza alle principali avversità biotiche di differenti genotipi di pioppo dei diversi materiali genetici allevati in serra e campo;
• A5. Rilevamento degli accrescimenti, della produttività (in sostanza secca) e delle caratteristiche morfofisiologiche dei diversi materiali genetici in serra e pieno campo;
• A6. Analisi ed elaborazione di tutti e dati raccolti a Casale Monferrato

W.P. Tempo
Anno 1 Anno 2 Anno 3
Mesi 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
A1                                                                        
A2                                                                        
A3                                                                        
A4                                                                        
A5                                                                        
A6                                                                        

Work Package 1.B – Rilevazione della produttività e dello stato fitosanitario di cloni di P.alba, e P. x canadensis, in impianti sperimentali, dislocati in differenti areali del nostro Paese.
• A1. Allestimento di campi sperimentali individuati in diversi areali (Nord, Centro e/o Sud Italia), utilizzando differenti investimenti e modalità di impianto (sistema svedese ed americano), con metodologie sperimentale a blocchi randomizzati con almeno 4 ripetizioni;
• A2. Rilevamento dello stato fitosanitario dei diversi materiali genetici in ciascun impianto realizzato;
• A3. Rilevamento della produttività (in sostanza secca), degli accrescimenti e delle caratteristiche morfofisiologiche dei diversi materiali genetici in ciascun impianto;
• A4. Analisi ed elaborazione statistica di tutti i dati raccolti.

W.P. Tempo
Anno 1 Anno 2 Anno 3
Mesi 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
A1                                                                        
A2                                                                        
A3                                                                        
A4                                                                        

Task 2 –Miglioramento e selezione di cloni di Salix alba e S.matsudana e di loro ibridi per la produzione di biomasse lignocellulosiche.
Work Package 2.A – Selezione per accrescimento e resistenza alle avversità biotiche di genotipi di salice (Salix alba e S. matsudana e loro ibridi).
• A1. Raccolta e preparazione del materiale genetico di Salix alba, S.matsudana e loro ibridi, per la valutazione del livello di resistenza a stress biotici presso l'Azienda sperimentale del CRA-PLF.
• A2. Trapianto delle talee in pieno campo a Casale Monferrato, utilizzando uno stesso schema sperimentale a blocchi randomizzati con almeno 5 ripetizioni;
• A3. "Screening" della resistenza verso Asymmetrasca decedens ed alle altre principali avversità biotiche del materiale genetico derivante da Salix alba, S.matsudana e loro ibridi;
• A4. Rilevamento degli accrescimenti, della produttività e delle caratteristiche morfo-fisiologiche dei diversi materiali genetici;
• A5. Analisi ed elaborazione di tutti e dati raccolti a Casale Monferrato.

W.P. Tempo
Anno 1 Anno 2 Anno 3
Mesi 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
A1                                                                        
A2                                                                        
A3                                                                        
A4                                                                        
A5                                                                        

Work Package 2.B – Rilevazione della produttività e dello stato fitosanitario di di genotipi di salice (Salix alba e S.matsudana e loro ibridi), in impianti sperimentali, dislocati in differenti areali del nostro Paese.
• A1. Allestimento di campi sperimentali in almeno due areali del Nord, Centro e/o Sud Italia, utilizzando differenti investimenti e modalità di impianto (sistema svedese ed americano), con metodologie sperimentale a blocchi randomizzati con almeno 4 ripetizioni;
• A2. Rilevamento dello stato fitosanitario dei diversi materiali genetici in ciascun impianto del Nord, Centro e Sud italia;
A3. Rilevamento della produttività, degli accrescimenti e delle caratteristiche morfo-fisiologiche dei
diversi materiali genetici in ciascun impianto realizzato;
• A4. Analisi ed elaborazione statistica di tutti i dati raccolti.

W.P. Tempo
Anno 1 Anno 2 Anno 3
Mesi 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
A1                                                                        
A2                                                                        
A3                                                                        
A4                                                                        

Task 3 –Valutazione di cloni di pioppo e salice per la tolleranza a stress abiotici.
Work Package 1.A –Valutazione degli accrescimenti di cloni di pioppo e salice per resistenza a stress abiotici, in condizioni di laboratorio, serra e pieno campo.
• A1. Scelta e prelievo di differenti genotipi di pioppo e salice, potenzialmente idonei alla coltivazione in diversi areali del Nord e del Cento-Sud Italia;
• A2. Trapianto delle talee in ambiente confinato ed in pieno campo utilizzando uno stesso schema sperimentale a blocchi randomizzati con almeno 5 ripetizioni;
• A3. Valutazione del livello di tolleranza a condizioni di stress termico, idrico, salino e nutrizionale in condizioni artificiali di serra e/o laboratorio di differenti genotipi di pioppo e salice;
• A4. Analisi di carattere fisiologico, biochimico e molecolare del comportamento di differenti genotipi di pioppo e salice ed elaborazione di tutti e dati raccolti.

W.P. Tempo
Anno 1 Anno 2 Anno 3
Mesi 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
A1                                                                        
A2                                                                        
A3                                                                        
A4                                                                        

Ostacoli prevedibili ed azioni correttive

Alcuni problemi potrebbero derivare dal mancato attecchimento dovuto a disidratazione del materiale di propagazione (astoni e/o talee) nella fase precedente o appena successiva all’impianto sperimentale. Un’accurata idratazione e selezione del materiale d’impianto dovrebbe ovviare a tali criticità e se la primavera dovesse avere andamento siccitoso verranno effettuate delle irrigazione di soccorso.
Eventuali ulteriori fallanze, dovute a cause accidentali verranno sostituite alla fine della prima stagione vegetativa. In ogni caso, al fine di ottimizzare l’attività progettuale prevista, saranno monitorati con particolare attenzione i diversi stadi di coltivazione.

Risultati attesi

La ricerca permetterà di selezionare e mettere a disposizione nuovi genotipi di pioppo e salice resistenti alle avversità biotiche ed abiotiche ed adatti ai diversi ambienti e modelli colturali già sperimentati per le colture lignocellulosiche (SRF). In particolare si prevede di:
• selezionare nuovi cloni di pioppo ottenuti da incroci tra P. deltoides × P. nigra (Gruppo D×N e Gruppo BC1), adatti alla produzione di biomasse legnose in diversi ambienti;
• selezionare cloni della specie autoctona P.alba con caratteristiche idonee alla realizzazione di piantagioni produttive per biomasse legnose, l’industria cartaria e per il fitorimedio;
• costituire cloni di salice particolarmente adatti al clima mediterraneo, con caratteristiche idonee alla realizzazione di piantagioni produttive per biomasse legnose e per interventi di riqualificazione ambientale;
• proporre i nuovi cloni di pioppo e salice per l’iscrizione al RNCF e/o per la richiesta di privativa comunitaria al CPVO.

Ricadute e benefici

La ricerca proposta, finalizzata prevalentemente alla costituzione di nuovi cloni di pioppo e salice più produttivi e resistenti alle avversità biotiche ed abiotiche, consentirà di ottimizzare la produzione di biomasse lignocellulosiche, estendendola anche agli areali del Centro – Sud, notoriamente caratterizzati da condizioni pedoclimatiche particolarmente diversificate. Nonostante siano ancora aperti molti interrogativi sulle strategie colturali da adottare in ambienti caratterizzati da condizioni pedoclimatiche limitanti, la maggior disponibilità di costituzioni clonali di differente origine genetica (P. nigra, P. deltoides, P. x canadensis, P. alba, S. alba e S. matsudana, e Salix jessoensis) permetterà di ridurre i rischi derivante dai cambiamenti climatici e da attacchi parassitari, con conseguente maggior vitalità e durata degli impianti SRF. Inoltre la disponibilità di cloni più resistenti e produttivi da utilizzare in piantagioni policlonali miste comporterà una riduzione dei costi colturali, una maggior possibilità di utilizzazione di aree marginali ( terreni salsi ed a granulometria grossolana) e di terreni non più destinati ad attività agricole, favorendo così un aumento della disponibilità di biomasse lignocellulosiche prodotte in Italia, con evidenti benefici sia di carattere ambientale, paesaggistico, che occupazionale ed energetico.

Unità Operativa 2

Istituzione Istituto di Agronomia, Genetica e Coltivazioni erbacee, Università Cattolica S. Cuore
Titolo della ricerca Miglioramento genetico del sorgo per usi energetici
Ente di appartenenza MIUR
Indirizzo postale Via Emilia Parmense, 84 – 29122 – Piacenza
Responsabile
scientifico della UO e
partecipanti
Dott. Stefano Amaducci
Tel. 0523 599223; e-mail: stefano.amaducci@unicatt.it
Prof. Carlo Lorenzoni
Tel. 0523 599206; fax 0523 599283; e-mail: carlo.lorenzoni@unicatt.it
Prof. Adriano Marocco
Tel. 0523 599207; e-mail: adriano.marocco@unicatt.it
Dott. Carla Corti
Tel. 0523 599198; e-mail: carla.corti@unicatt.it
P.a. Pietro Bonardi, tecnico Istituto Genetica
Tel. 0523 599210; e-mail: pietro.bonardi@unicatt.it
P.a. Remigio Calligaro, tecnico Istituto di Agronomia
Tel. 0523 599202
Curriculum del
responsabile e
pubblicazioni negli ultimi
5 anni attinenti il progetto
Carlo Lorenzoni è laureato in Scienze agrarie presso l'Università Cattolica del S.Cuore di Piacenza nel 1959, è ordinario di Genetica dal 1980 presso l’Università di Udine e dal 1983 è trasferito alla cattedra di Genetica agraria della Facoltà di Agraria di Piacenza
Si occupa di genetica formale e quantitativa di mais e altri cereali; teoria e applicazioni di miglioramento genetico nelle piante coltivate; basi genetiche e molecolari della resistenza alle avversità biotiche e abiotiche nei vegetali.
HABYARIMANA, E., LAURETI, D., DI FONZO, N., LORENZONI, C., 2002. BIOMASS PRODUCTION AND
DROUGHT RESISTANCE AT THE SEEDLING STAGE AND IN FIELD CONDITIONS IN SORGHUM.MAYDICA
47: 303-309.
Natoli A., Gorni C., Chegdani F., Ajmone Marsan P., Marocco A., Lorenzoni C. 2002. Identification
of QTLs associated with sweet sorghum qualità. Maydica 47: 311-322
Lorenzoni, C., Habyarimana, E., Bonardi, P., Laureti, D., Di Bari, V., Cosentino, S., 2004.
Multilocational evaluation of biomass sorghum hybrids under two stand densites and variable water supply in Italy. J. Industrial Crops and Products, 20: 3-9.
Habyarimana, E., Laureti, D., De Ninno, M., Lorenzoni, C., 2004. Performances of biomass sorghum [Sorghum bicolor (L.) Moench] under different water regims in Mediterranean regions. J. Industrial Crops and Products, 20:23-28.
Lorenzoni C., Cosentino S., Foti S., Habyarimana E., 2005. Selezione di nuovi genotipi di sorgo per la produzione di biomassa. Agroindustria, 4, 1:17-25.

Stefano Amaducci dal 1 dicembre 2000 è ricercatore presso l’Istituto di Agronomia Generale e Coltivazioni Erbacee della Facoltà di Agraria della Università Cattolica del Sacro Cuore. L’attività di ricerca del Dott. Stefano Amaducci si è svolta in prevalenza sugli aspetti legati all’accrescimento ed allo sviluppo di colture industriali, alternative e non alimentari, attraverso la conduzione di sperimentazioni parcellari e di pieno campo. Ha partecipato a progetti europei in qualità di partner (Hemp for Europe, Environmental studies on sweet and fiber sorghum, IENICA) ed è stato Project Manager del progetto europeo HEMP-SYS. Ha partecipato a progetti MIUR (“Nuovi fertilizzanti di
origine vegetale”, “Ottimizzazione degli scenari agro-ambientali per colture da energia”).
Attualmente partecipa al progetto PRIN “La propagazione, coltivazione e caratterizzazione di Arundo donax per la produzione di etanolo di seconda generazione“, è responsabile di unità operativa nell’ambito del progetto EU 7PQ “Sweet sorghum: an alternative energy crop” e nell’ambito di un progetto finanziato dalla Regione Emilia Romagna “Filiere agro energetiche” e “Bioetanolo Progetto agronomico per la realizzazione di una filiera agroindustriale per la produzione di bioetanolo di seconda generazione”.
Amaducci, S., 2009. Le colture per le bioenergie. In Le biomasse per l’ambiente, Contro i cambiamenti climatici, a cura di Frazzi, E., EDUCatt, Piacenza, pp 180.
Amaducci, S., Zatta A., Raffanini, M., Venturi, G., 2008. Characterisation of hemp (Cannabis sativa L.) roots under different growing conditions. Plant and Soil, 313, 227-235.
Amaducci, S., Zatta A., Pelatti, F., Venturi, G., 2008. Influence of agronomic factors on yield and quality of hemp (Cannabis sativa L.) fibre and implication for an innovative production system. Field crops Research, 107,161-169.
Motto, M., Amaducci, S., Lorenzoni, C., 2008. Mais coltura ideale per produrre energia. L'Informatore Agrario, 4, 59-62.
Amaducci, S., Colauzzi, M., Bellocchi, G., Venturi, G., 2008. Modelling post-emergent hemp phenology (Cannabis sativa L.): Theory and evaluation. Eur. J. Agron., 28, 90-102.
Bonardi, P., Lorenzoni, C., Amaducci, S., 2007. Il sorgo può insidiare il mais per la produzione di biogas L'Informatore Agrario, 13, 37-40.
Amaducci, S., Monti, A., Venturi, G., 2004. Non-structural carbohydrates and fibre components in sweet and fibre sorghum as affected by low and normal input techniques. Industrial Crops and Products 20 1 111-118

Competenze dell’Unità Operativa in relazione al progetto

L’Istituto di Agronomia, Genetica e Coltivazioni erbacee, essendo specializzato negli studi di genetica e miglioramento genetico di mais e sorgo, dispone di tutta la necessaria attrezzatura di campo (seminatrice, mietitrebbia, falciatrinciacaricatrice parcellari) e di laboratorio.

Descrizione della ricerca

Stato dell’arte specifico

Il sorgo, Sorghum bicolor (L.) Moench ,risulta estremamente interessante come specie da biomassa in relazione alla sua capacità di accumulo giornaliero e annuale di sostanza secca (Loomis e Williams, 1963). Questa dote si esalta in particolare in ambienti caldi e ad elevata insolazione dove si rivelano le potenzialità del meccanismo di fissazione di CO2 legato al sistema fotosintetico C4 (Heichel, 1976). La tolleranza della pianta alla siccità, inoltre, ne rende possibile la coltivazione anche in ambienti aridi (Foti e Cosentino, 2001).
Dal punto di vista del prodotto si sottolinea la versatilità del suo impiego: massa totale da foraggio o energia, carboidrati strutturali, amido, fibra rappresentano destinazioni di riconosciuto valore e, in parte, già sfruttate.
Storicamente l’attenzione preponderante dello sviluppo del materiale varietale è stata indirizzata da criteri connessi con l’alimentazione umana e animale. Modelli di coltura che considerano il sorgo quale materia prima per processi industriali o produzione di energia sono relativamente recenti (Schaffert e Gourley, 1982).
In tale indirizzo alcuni gruppi di lavoro, noi compresi, hanno costituito genotipi che mettono in evidenza eccezionali potenzialità di resa in sostanza secca per ettaro per anno, ma anche problemi connessi con l’insufficiente tolleranza al freddo negli stadi di vita iniziali e alla scarsità di acqua nella stagione estiva delle regioni mediterranee. Per accrescere l’accettabilità per la coltivazione si ritiene perciò opportuno insistere su un programma di miglioramento che consideri tutti i passaggi dalla ricerca di fonti di caratteri utili alla selezione di linee in progenie da incrocio e alla formulazione di nuove combinazioni ibride.
Allo stato presente dell’attività, si può affermare l’acquisizione di: un efficiente modello di pianta da perseguire; conoscenza di materiali utili per programmi di miglioramento; metodi di laboratorio e di campo per l’apprezzamento precoce della risposta a condizioni ambientali limitanti; la conferma dell’importanza della misura della senescenza ritardata (stay green) quale indice di resistenza alla carenza idrica (Lorenzoni et al., 2005).

Obiettivi specifici

Per il miglioramento genetico si presenta l’esigenza di intervenire secondo tre direttrici:
- realizzazione di un ideotipo morfo-fisiologico che massimizzi le potenzialità produttive;
- incremento della tolleranza alle avversità che, alle nostre condizioni, appaiono essere prevalentemente di natura abiotica;
- alta qualità del prodotto, riferita essenzialmente ai carboidrati non strutturali e alla fibra.
La quantità di sostanza secca (s.s.) raccoglibile annualmente per unità di superficie, rappresenta il primo elemento di valutazione per una coltura in cui la massa epigea integrale costituisce il prodotto utile. Per l’ottenimento di abbondante biomassa totale, ma anche per un’elevata resa in carboidrati non strutturali per ettaro, appare indispensabile una pianta di grandi dimensioni (Belletti et al., 1991). La durata del ciclo produttivo, tuttavia, trova un limite nella difficoltà di realizzare efficacemente, in quasi tutte le zone d’Italia interessate, semine precoci; d’altra parte, una maturazione tardiva, almeno nelle condizioni della Pianura padana, comporta difficoltà di raccolta per l’inaccessibilità dei terreni, dopo l’inizio delle piogge autunnali, e contrasta con l’esigenza di liberare gli appezzamenti per le semine successive.
Per contro, negli ambienti meridionali, il ciclo lungo richiede volumi idrici non sempre dsiponibili. Si nota, infine, che i
tipi tardivi presentano spesso culmo alto, suscettibile all’allettamento.
Una pianta monostelica, cioè priva di accestimenti o quasi, risulta conveniente per consentire una sicura programmazione delle densità di impianto (Petrini et al., 1995). Se scopo della coltura è un’elevata, ma non specifica, produzione di sostanza organica, assume importanza una prolungata attività dell’apparato fogliare che consente, concluso il riempimento della granella, di continuare ad accumulare fotosintati nel culmo (McBee et al., 1983). Ciò suggerisce un modello di pianta “da alta energia” che, riassumendo in sé le proprietà di accumulo dei sorghi zuccherini e di quelli da granella, porta a compimento la maturazione di una discreta quantità di granella e nel contempo sfrutta gli organi vegetativi come ulteriore magazzino di zuccheri (Monk et al., 1984).
La quantità di biomassa ottenibile da una coltura di sorgo è decisamente influenzata dalla disponibilità idrica (Cosentino, 1996; Belocchi et al., 2000). Nelle condizioni italiane, specie delle regioni meridionali, dove il successo della coltura del sorgo dipende dalle riserve di umidità realizzate con le precipitazioni invernali, è probabile che si verifichi stress nelle fasi di sviluppo avanzate. Poiché, anche quando si disponga in abbondanza di acqua per l’irrigazione, sarà sempre conveniente limitarne l’uso, risulta essenziale ricorrere a varietà capaci di sfruttare al massimo la riserva idrica del terreno, quali sono, genericamente, quelle caratterizzate da senescenza ritardata (Ludlow e Muchow, 1990). A livello molecolare tali varietà di sorgo esprimono determinati geni che permettono di tollerare lo stress idrico. Applicando uno studio di genomica funzionale si vogliono individuare questi geni e i marcatori molecolari ad essi associati, e le varietà di sorgo che li possiedono verranno utilizzate per realizzare, tramite incrocio con varietà più suscettibili, nuove linee e ibridi in grado di crescere in ambienti siccitosi e senza il supporto dell’irrigazione.
La robustezza del culmo si accompagna ad alti contenuti in fibra e lignina (in media, sulla sostanza secca totale, rispettivamente 60% e 3,5-4%, con variazioni notevoli nel secondo dato in dipendenza dell’ambiente). Resta tuttavia non disprezzabile il livello di zuccheri solubili alla raccolta (11-13 °Brix sul succo spremuto dal culmo). L’alto contenuto in lignina costituisce un ostacolo alla digeribilità della fibra, ma non sembra impossibile ridurlo alquanto a vantaggio del livello di zuccheri senza inconvenienti per la stabilità della pianta.
L’obiettivo di conciliare l’alta produttività con una conveniente composizione della biomassa ottenuta potrà essere meglio definito quando si disporrà di più precisi dati sui riflessi, in termini di resa energetica, dell’impiego della massa stessa nei processi di trasformazione di possibile interesse (a iniziare dal biogas).
Belletti A., Petrini C., Minguzzi A., Landini V., Piazza C., Salamini F., 1991. Yield potential and adaptability to Italian
conditions of sweet sorghum as biomass crop for energy production. Maydica 36: 283-291.
Belocchi A., Quaranta E., Desiderio E., Monotti M., Del Pino A.M., 2000. Limited water supply on fibre sorghum
(Sorghum bicolor L. Moench) in Central Italy. Ital. J. Agron. 3, 2: 109-116.
Cosentino S.L., 1996. Crop physiology of sweet sorghum (Sorghum bicolor (L.) Moench) in relation to water and
nitrogen stress. Atti del Convegno “First European Seminar on Sorghum”, Tolosa, 1-3 aprile, 30-41.
Foti S., Cosentino S., 2001. Colture erbacee annuali e poliennali da energia. Riv. Agron. 35: 20001. 215.
Heichel G.H., 1976. Agricultural production and energy resources. Am. Scientist 64: 64-72.
Loomis R.S., Williams W.A., 1963. Maximum crop productivity: an estimate. Crop Sci. 3: 67-71.
Lorenzoni C., Cosentino S., Foti S., Habyarimana E., 2005. Selezione di nuovi genotipi di sorgo per la produzione di
biomassa. Agroindustria 4: 17-25.
Ludlow M.M., Muchow R.C., 1990. A critical evaluation of traits for improving crop yields in water-limited
environments. Adv. in Agron. 43: 107-152.
McBee G.G., Miller F.R., 1993. Stem carbohydrate and lignin concentration in sorghum hybrids at seven growth stages.
Crop Sci., 33: 530-534.
Monk R.L., Miller F.R., McBee G.G., 1984. Sorghum improvement for energy production. Biomass 6: 145-153.
Petrini C., Belletti A., Salamini F., 1995. Breeding sorghum for energy. Pp 215-244 in: B.J. Vastone (ed.), Renewable energy in agriculture and forestry. Bioenergy Agreement/Internationl Energy Agency, Toronto, Canada.
Schaffert R.E., Gourley L.M., 1982. Sorghum as an energy sorce. In: Sorghum in the Eighties, vol. 2. ICRISAT, Patancheru, India, pp 605-623.

Piano di attività

Il programma di lavoro prevede sia la ricerca di nuovi materiali genetici di possibile interesse per un’applicazione nel miglioramento genetico in tempi brevi sia la sperimentazione in campo di costituzioni già acquisite per una più precisa valutazione al fine del rilascio per la coltivazione. In particolare si intende sviluppare le seguenti azioni:
1. Riproduzione e moltiplicazione di un gruppo di genotipi (circa 30 tra linee e ibridi) per consentire la realizzazione delle prove di campo di cui al punto 3. Il seme di alcuni ibridi servirà anche per sperimentazioni di altre U.O., dove ritenuto opportuno.
2. Ottenimento del seme di serie di incroci tra linee maschiosterili da granella (una decina) e linee da biomassa, fissate o in via di fissazione, selezionate per produttività, contenuto zuccherino, tolleranza al freddo nelle fasi di germinazione e primo accrescimento (circa 40). Sarà registrata accuratamente l’esigenza di GDD fino alla fioritura di ciascun genotipo in modo da accertare la coincidenza o meno delle epoche di fioritura delle linee maschili e femminili nelle diverse combinazioni di incrocio.
3. Rilevamento del comportamento morfo-fisiologico di linee e ibridi, derivanti dai punti 1 e 2, a confronto con cultivar commerciali in prove di campo nelle quali, come fattore discriminante decisivo, si introduce la disponibilità idrica del terreno. Alcune prove saranno perciò realizzate con due livelli di irrigazione (limitante e non limitante). Particolare attenzione sarà rivolta alla manifestazione di senescenza ritardata (stay green) come indice della capacità della pianta a mantenersi efficiente anche in situazioni idriche sfavorevoli.
Per l’apprezzamento della tolleranza alle basse temperature si adotterà un’epoca di semina precoce (fine marzoinizio aprile) a confronto con l’epoca normalmente più favorevole (metà-fine aprile). Tale tipo di prova sarà limitata ai materiali (ibridi e linee) in avanzato stato di definizione. Non si eseguiranno, invece, test di laboratorio per la tolleranza alla carenza idrica, in quanto i metodi disponibili sono troppo laboriosi in rapporto alla sicurezza del risultato.
4. Selezione di un genotipo di sorgo con le migliori caratteristiche di tolleranza alla siccità, valutando diversi parametri morfo-fisiologici (efficienza di traspirazione, fluorescenza, ripartizione della sostanza secca verso la radice). Il genotipi selezionato verrà studiato mediante l’applicazione della genomica funzionale, attraverso la quale saranno individuati i geni coinvolti nel complesso meccanismo di risposta allo stress idrico. Si impiegherà la più recente e potente tecnologia per l’analisi di espressione, la tecnica RNA-Seq. Attraverso l’utilizzo delle metodologie del deep sequencing (Illumina Genome Analyzer) una popolazione di RNA viene convertita ad una libreria di frammenti cDNA con adattatori attaccati ad una o ad entrambe le estremità. Dopo amplificazione, ogni molecola viene sottoposta a sequenziamento in modo da ottenere corti frammenti di sequenza (reads). La loro lunghezza varia tra 30 e 70bp. In seguito le reads vengono mappate su di un genoma di riferimento o su trascritti di riferimento e contate, per ottenere su scala genomica una mappa di trascrizione che fornisca sia la struttura dei trascritti (introne/esone) sia il livello di espressione per ciascun gene. I geni individuati e i marcatori molecolari ad essi associati saranno poi utilizzati per la Marker Assisted Selection di nuove linee e ibridi tolleranti alla siccità.
5. Valutazione della resa qualitativa dei materiali in osservazione nelle varie condizioni di campo e determinazione del contenuto zuccherino (°Brix) del succo spremuto dal culmo al momento della raccolta e della composizione del trinciato integrale nei principi essenziali (fibra, lignina) con metodi analitici convenzionali o NIRS. Questi rilevamenti si eseguiranno principalmente sugli ibridi e sulle linee di possibile impiego diretto nelle coltivazioni.
I dati analitici del trinciato dovrebbero consentire un approssimato giudizio sulla sua digeribilità e quindi sulla convenienza dei singoli genotipi per le diverse possibili destinazioni d’uso.

Articolazione temporale delle attività

Attività Anni
  1 2 3
1      
2      
3      
4      
5      

Ostacoli prevedibili ed azioni correttive

Una difficoltà potrebbe insorgere dalla scarsa produzione di seme dei genotipi da valutare. Questo potrebbe essere superato parzialmente con la realizzazione di allevamenti controstagione nell’emisfero meridionale.

Risultati attesi

Si dovranno ottenere:
- una migliore definizione dell’ideotipo in rapporto alla destinazione finale della biomassa;
- il riconoscimento di fonti di caratteri di resistenza utili per il miglioramento genetico;
- alcune nuove combinazioni d’incrocio con buone caratteristiche agronomiche e produttive.

Ricadute e benefici

Sotto l’aspetto generale delle conoscenze si offrirà al genetista-miglioratore:
- un più preciso quadro del modello di pianta di sorgo da energia;
- l’indicazione di genotipi (popolazioni, linee) da inserire in piani di miglioramento per produttività e tolleranza alle avversità ambientali.
Come beneficio immediato saranno messi a disposizione uno o più ibridi adatti alla coltura da biomassa, competitivi con quelli oggi disponibili.

Collaborazioni esterne

1. Azienda sperimentale “V. Tadini” (Gariga di Podenzano, PC) per realizzazione campi sperimentali
2. CRA – Bergamo per analisi del trinciato integrale.
3. Laboratorio attrezzato con la tecnologia deep sequencing che si sceglierà di adottare per realizzare l’RNA-Seq.

Unità Operativa 3

Istituzione Dipartimento di Agronomia Ambientale e Produzioni Vegetali Università degli Studi di Padova
Titolo della ricerca Ottimizzazione degli input colturali in B. napus e B. carinata a estinazione biodiesel
Ente di appartenenza MIUR
Indirizzo postale Viale dell'Università 16, 35020 Legnaro (PD)
Responsabile
scientifico della UO e
partecipanti
Giuliano Mosca (RESPONSABILE)
Tel 049/8272830, Fax 049/8272839 , e-mail: giuliano.mosca@unipd.it
Federica Zanetti (Assegnista)
Tel 049/8272829, Fax 049/8272839, e-mail: federica.zanetti@unipd.it
Andrea Ganis (Funzionario Tecnico)
Tel 049/8272859, Fax 049/8272839, e-mail: andrea.ganis@unipd.it
Adriano Massignan (Assistente Tecnico)
Tel 049/8272578, Fax 049/8272839, e-mail: adriano.massigan@unipd.it
Giuseppe Barion (Assegnista)
Tel 049/8272897, Fax 049/8272839, e-mail: giuseppe.barion@unipd.it
Marianna Bandiera (Assegnista)
Tel 049/8272861, Fax 049/8272839, e-mail: marianna.bandiera@unipd.it
Rampin Enrico (Dottorando ricerca)
Tel 049/8272856, Fax 049/8272839, e-mail: enrico.rampin@unipd.it
Stefano Loddo (Dottorando ricerca)
Tel 049/8272903, Fax 049/8272839, e-mail: stefano.loddo@unipd.it
Teofilo Vamerali (Professore Associato)
Tel 0521/905486, Fax 0521/905402. e-mail: teofilo.vamerali@unipr.it
Curriculum del
responsabile e
pubblicazioni negli ultimi
5 anni attinenti il progetto
MOSCA GIULIANO è Professore ordinario di “Coltivazioni erbacee” e Prof. Supplente di “Ecofisiologia delle colture erbacee” presso la Facoltà di Agraria nell’Università degli Studi di Padova
Nato a Padova il 28.11.1946. Laureato all’Università di Padova, a.a. 1970/71. Borsista e contrattista
M.P.I., 1972-75. Assistente ordinario UniPD, 1976-80. Prof. Associato UniPD, 1981-86. Prof. Straordinario UniUD, 1986-89. Prof. Ordinario UniPD (1989-oggi).
Titoli, onorificenze:
Membro Società Italiana Agronomia,(1979- oggi) e Membro Consiglio Direttivo S.I.A., (1997-01).
Presidente Società Italiana Agronomia, (2002-07).
Vice Presidente ASS. ITALIANA SOC. SCIENTIFICHE AGRARIE (AISSA), (2004-2006).
Membro Società Italiana Ricerca Flora Infestante (SIRFI) (1977-oggi).
Membro Editorial board “Agricoltura delle Venezie” (1985-98).
Membro “European Society for Agronomy”, (ESA) (1991-oggi).
Associate Editor “Eurosoya Bull.” FAO, 1997-99.
Membro “International Institute Beet Research” (1998-oggi).
Presidente “Commissione mediterranea” IIRB, Bruxelles (2005-2009).
Direttore Dip.to “Agronomia Ambientale Produzione Vegetale” UNI-PD, 1995-2000.
Direttore Azienda agraria sperimentale “Lucio Toniolo” UniPD, (1998-2008).
Referente scientifico presso “Swedish Agric. Res.-Uppsala”(S), 1999.
Direttore Master in “Bioenergia” a.a. 2002/03.
Presidente Area ric. Agrarie –Medicina Veterinaria.
Coordinatore Macroarea 2-UNIPD.
La missione di ricerca consiste nell’approfondimento delle conoscenze scientifiche nel campo delle produzioni agrarie delle più importanti coltivazioni erbacee e dei limiti che si frappongono ad un ulteriore aumento delle produzioni di qualità. I più significativi processi allo studio riguardano la nutrizione minerale, l’accrescimento e sviluppo di alcune specie vegetali destinate all’impiego alimentare e non, oltre al turnover radicale e alla fitorimediazione.
E’ autore o coautore di oltre 230 pubblicazioni nazionali e internazionali a carattere scientifico nell’ambito del settore “Agronomia e Coltivazioni erbacee”.
PUBBLICAZIONI:
VAMERALI T., GUARISE M., GANIS A. and MOSCA G., 2009. Effects of water and nitrogen management on fibrous root distribution and turnover in sugar beet. Eur. J. Agron., 31, 69-76.
VAMERALI T., GUARISE M., GANIS A., ZANETTI F., MOSCA G., 2008. Studying root
distribution with geostatistics. Pl. Biosyst., 142, 428-433.
ZANETTI F., VAMERALI T. e MOSCA G., (2007). Possibilità di introduzione di nuove specie Brassicaceae a destinazione non food nei sistemi colturali mediterranei. In Atti XXXVII Conv. SIA,
13-14 Settembre 2007, CT: 169-170.
ZANETTI F., VAMERALI T. e MOSCA G., (2007). Reducing agricultural inputs in high erucic
Brassicaceae: preliminary results. In Proc. of 12th Int. Rapeseed Cong., 26-31/03/2007 Wuhan: 11-14
(vol. 3). ISBN 1-933100-20-6.
ZANETTI F., VAMERALI T., BONA S. and MOSCA G., (2006). Can we cultivate erucic acid in Southern Europe? It. J. Agronomy/Rivista di Agronomia 1: 3-10.
ZANETTI F., VAMERALI T. and MOSCA G. (2004). Responses of canola for biodiesel in conditions of decreasing inputs: comparisons between hybrid and traditional variety. 2nd World Conf. Tech. Exh.
on Biomass for Energy, Ind. and Climate Protection. (pp. 308-310). Proc., 10-14 May Rome (Italy).
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Competenze dell’Unità Operativa in relazione al progetto

L’U.O., denominata UNIPD, si occupa di ricerca di base ed applica nell'ambito di 5 settori scientifico disciplinari.
Nell'ambito di uno di questi si svolgono ricerche nel campo dell'agronomia e delle coltivazioni erbacee, con particolare attenzione rivolta verso la fisiologia vegetale in risposta a differenti stress, in specie diverse (barbabietola da zucchero, soia, colza, girasole, cereali autunno vernini, ecc).
L’U.O. ha iniziato lo studio delle colture a destinazione non-food già a partire dagli inizi degli anni ’80 nell’ambito del Progetto “Oleaginose” del MAF. L’attività di ricerca è proseguita quindi nell’ambito del progetto Progetto CEEEurobiodiesel, quindi nel Progetto PRisCA del Mipaf, del Progetto Tisen, sempre del Mipaf, e del progetto Probio della Regione Veneto, del Progetto “Sviluppo di nuove filiere per le produzioni no food” della Regione Friuli Venezia Giulia, del Progetto Bioenergie del Mipaf. Negli anni le ricerca si sono incentrate, prima, nell’individuazione di genotipi promettenti quindi sulla messa a punto di una consolidata tecnica colturale per il colza, muovendosi poi verso Brassicaceae diverse, anche ad alto contenuto di acido erucico. Successivamente gli obiettivi di ricerca si sono
concentrati sulla messa a punto di un’idonea tecnica colturale e basso impatto per colture non alimentari (Brassicaceae in primis), al fine di ridurre gli input colturali cercando di aumentare così la redditività per gli agricoltori.

Descrizione della ricerca

Stato dell’arte specifico

Il settore dell’energia riveste una notevole importanza nella sostenibilità dello sviluppo economico mondiale e nazionale, dato che, in un futuro non troppo lontano, la domanda per l’energia continuerà a crescere soprattutto guidata dalla spinta del boom demografico dei cosiddetti “Paese emergenti”. La reperibilità futura della fonti energetiche e gli effetti sull’ambiente che un loro uso incontrollato possono provocare (effetto serra, mutamenti climatici, acidificazione dei suoli e dei laghi) sono problemi che devono essere sempre più tenuti in considerazione (Clark & Munn, 1986; Houghout et al., 1990; Borjesson, 1996; Berna 1997).
Gli studi sulle colture dedicate alla produzione di biodiesel (i.e. colza e girasole) sono ormai consolidati, manca però uno sviluppo di filiera per tale biocarburante al fine di renderlo alla portata di tutti. In realtà per rendere la coltivazione delle specie dedicate particolarmente poco impattante sull’ambiente c’è la necessita di mettere a punto dei sistemi lowinput che possano simultaneamente ridurre i costi ambientali e aumentare i ricavi per gli agricoltori (Zanetti et al., 2004). Primo degli obiettivi da perseguire è sicuramente la riduzione della concimazione azotata, che risulta avere un peso rilevante sia dal punto di vista economico che per quanto riguarda le emissioni di CO2. Recenti studi francesi (Cetiom, 2007) hanno dimostrato come un surplus di 50 unità di azoto/ha porti ad una diminuzione di mezzo punto percentuale del tenore in olio, ad un maggior costo di 30€/ha e ad consumo inutile di energia fossile. La prima possibilità da vagliare sarà quella di azzerare la concimazione in pre-semina, dato che questa fornisce scarsi risultati, anche in condizioni di limitata disponibilità minerale nel terreno o di emergenza particolarmente ritardata.
La possibilità, inoltre, di impiegare nuove tecnologie (e.g. seminatrici da sodo, mietitrebbia con barra modificata) e di nuovi materiali genetici risulta oggi, per le colture a destinazione biodiesel, un’opportunità da cogliere per poter verificare l’applicabilità di tali mezzi e i relativi benefici che questi possono apportare sempre in un’ottica di riduzione degli input. La reale possibilità che queste colture prendano piede, in sostituzione alla colture alimentari più tipiche di ciascun areale, è in realtà funzione della loro redditività, mettere quindi a punto una tecnica colturale che massimizzi i ricavi per gli agricoltori e da un lato risultati a basso impatto è l’obiettivo di tutti i futuri programmi di ricerca.
La possibilità di introduzione di una nuova specie, quale Brassica carinata, più rustica del colza, può diventare la strategia vincente per la valorizzazione anche di quegli ambienti marginali in cui la produttività di B. napus sarebbe talmente bassa da renderne poco auspicabile la coltivazione (Zanetti et al., 2007). Per questa specie la definizione di una tecnica colturale è ancora ai primordi, soprattutto in ambienti più continentali che mediterranei, per i quali esistono dei risultati già conseguiti da autori spagnoli (Fereres et al., 1983).

Obiettivi specifici

A partire da diverse precessioni colturali, tipiche dell’areale Veneto di pianura (e.g. mais e/o frumento), in pieno campo, si intende impostare un confronto tra la tecnica di semina diretta su terreno non lavorato, in comparazione con una tecnologia di semina pneumatica e/o di precisione applicata a Brassica napus var. oleifera e B. carinata a destinazione biodiesel, con lo scopo di migliorare la fattibilità economica di queste colture. Nell’ambito delle due specie verranno considerati genotipi commerciali sia in formulazione ibrida che varietà a impollinazione libera. Risulterà di particolare interesse la possibilità di definire la più corretta densità di semina per ciascuna specie, e all’interno di questo per ciascun genotipo, massimizzando le rese e limitando le perdite di prodotto.
Al fine di poter superare la ben nota criticità legata alle consistenti perdite alla raccolta per eccessiva deiscenza delle silique, tra le formulazioni ibride verranno anche considerati i tipi dwarf e semi-dwarf, in quanto caratterizzati da minore scalarità di fioritura e quindi di fruttificazione e di conseguenza in grado quantomeno di limitare le perdite di prodotto. La diversa architettura della parte aerea degli ibridi di tipo dwarf dovrebbe garantire loro oltre che una migliore distribuzione dei frutti sulle ramificazioni, anche una migliore “standing-ability” in rapporto alla nutrizione azotata della coltura. Si provvederà, inoltre, a migliorare le prestazioni di raccolta dotandosi di un’idonea barra per oleaginose a seme minuto, in grado di limitare le perdite e di raccogliere la coltura anche in condizione di parziale allettamento.
Considerate la limitata resistenza al freddo di Brassica carinata, rispetto al colza, si cercherà di stabilire per questa nuova specie la più corretta epoca di semina per far raggiungere alle piante prima dell’inverno lo stadio di sviluppo più idoneo per il superamento del gelo.
In merito alla sostenibilità ambientale del processo produttivo è ben noto il ruolo del macronutriente azoto. Il dosaggio e la ripartizione degli apporti alle colture verrà graduato sulla base di prefissati obiettivi di resa, il rapporto da un lato alla tipologia del terreno e dall’altro della sua dotazione in sostanza organica. La stima del fabbisogno in azoto verrà eseguita prima della ripresa vegetativa, mentre si prevede di limitare al massimo gli apporti di presemina, considerati i ridotti benefici conseguibili con questi, sempre in un’ottica di contenimento degli input sia dal punto di vista ambientale che economico.
Un ulteriore obiettivo sarà quello di caratterizzare detti materiali genetici attraverso lo studio dei loro sistemi radicali, in risposta alle differenti tecniche e densità di semina applicate. Particolare interesse verrà dedicato sia alla ripartizione delle radici lungo il profilo della rizosfera, oltre che al turnover. Tali parametri avranno anche la finalità di dimensionare la capacità delle colture nei riguardi del sequestro del carbonio, nel corso del ciclo vegetativo, al fine di poter accertare o meno che il bilancio tra sequestro ed emissioni di carbonio sia o non sia in equilibrio.

Piano di attività

L’U.O. è impegnata nella linea di ricerca WP1 (agrotecnica), per quanto riguarda la messa a punto dei protocolli di coltivazione low input per B. napus. La sperimentazione verrà condotta, presso l’azienda agraria sperimentale “L. Toniolo” dell’Università degli Studi di Padova, su unità sperimentali convenzionali al fine di poter utilizzare i mezzi prove verranno reperiti sul mercato dei tipi “winter”, destinati a semine di tipo autunnale, al fine di ottenere risultati produttivi, i più elevati possibile. La sperimentazione verrà organizzata secondo uno schema sperimentale a split-plot con più repliche, al fine di ottenere dei dati che consentano una successiva elaborazione statistica. La sperimentazione riguardante B. carinata verrà attuata solo in caso di reperimento sul mercato di nuove varietà commerciali resistenti a semine di tipo autunnale e in quel caso saranno allestite delle prove sull’epoca di semina al fine di determinare quella migliore per prevenire fenomeni di allungamento invernale e pre-levata a cui questa specie spesso incorre nell’areale di prova.
L’U.O. sarà anche impegnate nella linea WP3 (qualità tecnologia dei biocombustibili), per quanto riguarda la valutazione delle caratteristiche tecnologiche dei differenti oli prodotti nell’ambito delle diverse sperimentazioni, a tale scopo verranno fatte delle analisi sia presso i laboratori del Dipartimento di Agronomia Ambientale e Produzioni Vegetali dell’Università degli Studi di Padova, che presso laboratori esterni certificati.

Articolazione temporale delle attività

Fase preliminare: reperimento dei genotipi ibridi di colza da inserire nelle prove di campo, in particolare si prevede di confrontare genotipi con habitus differente: un ibrido a taglia normale e un semi-dwarf; reperimento di varietà commerciali di carinata.
1° anno: allestimento delle prove di campo. Raccolta di campioni e effettuazione di rilievi durante il ciclo colturale, al fine di monitorare tutte le fasi di crescita della coltura.
2° anno: a) Elaborazione dei risultati di resa ottenuti da tutte le prove di campo e analisi qualitativa degli oli. b) idem come il 1° anno;
3° anno : a) idem come il 1° e il 2° anno; b) elaborazione finale dei risultati delle prove in campo, c) allestimento di un terzo anno di sperimentazione in campo, con semina autunnale, e successiva raccolta nel giugno dell’anno successivo.

  Anno 1 Anno 2 Anno 3
Mesi g f m a m g l a s o n d g f m a m g l a s o n d g f m a m g l a s o n d
Reperimento materiali                                                                        
Allestimento prove                                                                        
Semina                                                                        
Raccolta dati/rilievi                                                                        
Raccolta prodotto                                                                        
Analisi qualitativa prodotti                                                                        
Analisi risultati                                                                        

Ostacoli prevedibili ed azioni correttive

In base alle esperienze acquisite in precedenza (soprattutto riguardo le colture a destinazione biodiesel) per le specie oggetto di indagine sono prevedibili stress sia biotici che abiotici. Le condizioni avverse legate all’andamento meteorico non potranno, di fatto, essere controllate, mentre verrà predisposto un costante monitoraggio degli eventuali patogeni presenti, al fine di prendere dei provvedimenti. Si prevede di dover difendere le colture con recinzione a rete metallica al fine di prevenire eventuali predazione da parte di Myocastor coypus.
I risultati attesi andranno a porsi su differenti livelli, un primo livello basato sulla conferma che l’utilizzo di sistemi di coltivazione “low input” siano adatti alle Brassicaceae a destinazione biodiesel senza incorrere in sostanziali penalizzazioni delle rese. Il conseguimento di livelli produttivi molto prossimi ai 2000 kg di olio grezzo per ettaro dovrebbe garantire il reddito del produttore da eventuali perturbazioni di prezzo in dipendenza delle oscillazioni del mercato petrolifero e dei cereali. Un secondo livello di risultati sarà più propriamente di tipo innovativo e riguarderanno la stima del rapporto root/shoot in tipologie genetiche (varietà, ibridi, ibridi semi-dwarf) e specie diverse, in risposta a differenti precessioni colturali e modalità, densità e epoche di semina, il che fornirà i presupposti di base per la stesura dei bilanci di filiera.

Ricadute e benefici

Il progetto vaglierà l’effettiva possibilità di introduzione delle colture oggetto di studio nelle comuni rotazioni agrarie nel nostro Paese e si cercherà di valutarne la fattibilità sia economica che tecnica, al fine di instaurare in maniera stabile tale filiera di cui ora il Paese ha più che mai bisogno. Si spera inoltre di poter fornire anche a tutto l’indotto delle risposte certe e positive al fine di rendere poi la fattibilità di tali coltivazioni più semplice (i.e. reperimento genotipi ad hoc, erbicidi, aree di stoccaggio e di trasformazione).

Collaborazioni esterne

L’U.O. si potrà avvalere della collaborazione esterna della Stazione Sperimentale Oli e Grassi – sez. Biodiesel – di Milano per le valutazioni concernenti le qualità tecnologiche degli oli prodotti. Differenti sorgenti di germoplasma verranno vagliate al fine di inserire nel progetto i materiali commerciali più promettenti e nuovi. Si prevede, inoltre, di intraprendere la collaborazione con Società esterne tra cui alcune aziende agricole al fine di poter collaudare le tecnologie messe a punto nell’ambito del progetto.

Unità Operativa 4

Istituzione  Dipartimento di Scienze e Tecnologie Agroambientali (DiSTA)
Titolo della ricerca Studio di aspetti agronomici ed ambientali per ottimizzare la sostenibilità di filiere bioenergetiche esistenti
Ente di appartenenza MIUR
Indirizzo postale Viale Fanin 44, 40127 Bologna
Responsabile
scientifico della UO e partecipanti
Lorenzo Barbanti 051 2096643; lorenzo.barbanti@unibo.it; Gianpietro Venturi Tel. 051
2096652; Fax 051 2096241; gianpietro.venturi@unibo.it; Andrea Monti Tel. 051 2096653;
a.monti@unibo.it; Giuseppe Pritoni 051 2096655; giuseppe.pritoni@unibo.it; Angela
Vecchi 051 2096654; avecchi@agrsci.unibo.it; Stefano Vecchi 051 765057;
svecchi@agrsci.unibo.it.
Curriculum del
responsabile e
pubblicazioni
negli ultimi 5 anni
attinenti il progetto
Gianpietro Venturi.
Professore Ordinario di Agronomia e Coltivazioni Erbacee all’Università di Bologna.
Laureato con lode in Scienze Agrarie (Luglio 1962) a Bologna. Assistente Ordinario (1963-78);
Professore Incaricato (1970-81) all’Università di Bologna. Libero Docente (1971).
Direttore dell’ISCI (1978-81). Titolare di cattedra all’Università di Udine e di Bologna (1981 ad oggi).
Direttore dell’Istituto e del Dipartimento di Agronomia (1992-99).
Membro del Consiglio Scientifico dell’IIRB (1977-00).
Membro del Comitato delle Proteine Vegetali della CEE (1978-82).
Membro (1980-82) del Comitato consultativo per la Ricerca e la Sperimentazione della regione Emilia-Romagna.
Presidente del Comitato Scientifico dell’AIACE (1994-98).
Coordinatore generale (1980-91) dei Progetti del Ministero dell’Agricoltura: Oleaginose e PRisCA.
Responsabile Nazionale (1985-86) del MECA’s del MURST.
Coordinatore Nazionale (1991-96) del CITECA del CNR.
Responsabile Nazionale (1995-99) dell’ABSOV del CNR.
Responsabile Nazionale (1995- 04) di IENICA e IENICA-INFORRM della U.E.
Coordinatore Europeo (2002-06) del progetto HEMP-SYS dell’U.E.
Membro dal 2003 del Gruppo di supporto tecnico-scientifico “Bioenergie” (MiPAAF).
Membro di Consigli scientifici, di Società scientifiche e di comitati editoriali e di revisione di riviste scientifiche, di Comitati tecnici di programmazione R&D.

Lorenzo Barbanti.
Ricercatore dal 2002 presso il Dipartimento di Scienze e Tecnologie Agroambientali dell’Università di Bologna. In precedenza (1983-2002), ricercatore nel settore privato presso aziende multinazionali del comparto agro-industriale.
Attivo nella ricerca, nella sperimentazione e nella divulgazione su problematiche inerenti la coltivazione e la trasformazione di colture agro-industriali a destino food e non-food, con particolare attenzione alla barbabietola da zucchero, alle oleaginose da granella e alle colture da biomassa a destino energetico.
Ha partecipato a Progetti nazionali dell’attuale MiPAAF (PANDA, PRisCA) e del MIUR: PRIN 2005 “Ottimizzazione degli scenari agro-ambientali per colture da energia” (responsabile di UR) e FIRB “Sicurezza ed aspetti tecnico-economici e giuridici delle produzioni biologiche”; della Regione Emilia-Romagna (Incremento redditività barbabietola III modulo; Valutazione Efficienza nutritiva di Strategie di fertilizzazione Azotata).
Attualmente partecipa al Progetto PRIN 2007 “Impatto economico delle filiere agro-energetiche ed implicazioni politiche e di mercato per il settore agricolo e per l'ambiente”; e a quelli della Regione Emilia-Romagna “Filiere Agro-energetiche: gestione sostenibile di specie da biomassa” e “Implementazione bilancio azotato frumento duro”.
Pubblicazioni
BARBANTI L., GRANDI S., VECCHI A., VENTURI G. 2006. Sweet and fibre sorghum (Sorghum bicolor (L.) Moench.), energy crops in the frame of environmental protection from excessive nitrogen loads. European Journal Agronomy, 25, 30-39.
BARBANTI L., MONTI A., VENTURI G. 2007. Nitrogen dynamics and fertilizer use efficiency in leaves of different ages of sugar beet (Beta vulgaris) at variable water regimes. Annals of Applied Biology, 150, 197-205.
BARBANTI L., MONTI A., VENTURI G. 2007. Improved agronomy and management of crop plants for industrial end uses. In: Ranalli P. (ed), Improvement of Crop Plants for Industrial End Uses, Springer, 83-127.
BARBANTI L., DI VIRGILIO N., VENTURI G. 2008. Effects of plant density, seeding and harvest time on the growth of two kenaf (Hibiscus cannabinus L.) varieties. Italian Journal of Agronomy 3, 267-277.
FAZIO S., BARBANTI L., VENTURI G. 2009. Energy and economic balances of different dedicated energy crops. 17th European Biomass Conference & Exhibition. Hamburg (D), 29 June-3 July, 299-301.
BARBANTI L., MONTI A. VECCHI A., VENTURI G. 2009. Assessing sorghum (Sorghum bicolor (L.) Moench.) biomass potential under different harvest schemes. 17th European Biomass Conference & Exhibition. Hamburg (D), 29 June-3 July, 196-199.
DI CANDILO M., CEOTTO E., BARBANTI L., FAZIO S., MONTI A., VENTURI G. 2009. Le colture ligno-cellulosiche per la produzione di energia. In: Ranalli P. (ed), Le piante industriali per un’agricoltura multifunzionale, Edizioni Avenue Media, 199-241.

Competenze dell’Unità Operativa in relazione al progetto

Nell’ambito del DiSTA, il gruppo di ricerca costituente l’U.O. si è dedicato fin dagli anni ’80 allo studio di colture erbacee annuali e poliennali a destinazione energetica. Attualmente l’U.O. dispone di impianti erbacei poliennali (arundo, miscanto, panicum, cardo ecc.), di età variabile da 2 a 10 anni, realizzati nell’ambito di progetti europei (Biokenaf, Biochain, Sweet Sorghum, Sorghum Network), nazionali (Prin, Tisen, PRiSCA ecc.) e regionali (Probio.Biomasse, Filiere Agro-energetiche, ERG, Agro-Pyro-Energy Farm ecc.). Su questi impianti vengono condotte ricerche su adattabilità di tradizionali e nuove specie all’ambiente, potenzialità produttive, confronto fra tecniche colturali, influenza sui cicli biogeochimici di C ed N, idoneità tecnico-qualitativa alla conversione energetica ecc.. Nell’Azienda Agraria dell’Università di Bologna (AUB) di Ozzano Emilia (BO), in ambiente collinare, è allestito un impianto sperimentale di panico (erbacea poliennale) su una superficie rilevante (9 ha) utilizzato per ricerche più applicative, in particolare su tecniche di raccolta, impatto ambientale (LCA), modelli econometrici, GIS ecc., i cui risultati hanno fornito indicazioni preliminari di carattere operativo. Nel corso degli anni, l’U.O. ha acquisito una notevole esperienza relativamente a colture da energia, e stabilito contatti con Istituzioni nazionali e internazionali interessate allo stesso argomento di ricerca. Per l’attività di ricerca l’U.O. opera nell’azienda agraria sperimentale dell’Università (circa 300 ha) in pianura e pedecollina, e dispone di laboratori di analisi, camere di crescita, strumenti per valutazioni ecofisiologiche, quali spettrofotometri, sistemi per cromatografia liquida (HPLC), analisi della fluorescenza, misurazione di scambi gassosi (IRGA), camera a pressione, termometri, bilance di precisione, stazioni meteorologiche, attrezzature agricole da pieno campo e parcellari, ecc. Membri dell’U.O. hanno competenze specifiche su LCA e GIS e collaborazioni internazionali nel settore. L’U.O. ha avuto ed ha in atto collaborazioni con singole Aziende Agricole, Cooperative e Associazioni Agricole per attività di sviluppo e divulgazione.

Descrizione della ricerca

Stato dell’arte specifico

Il piano energetico nazionale mira ad incrementare notevolmente l’uso di fonti rinnovabili. Fra esse, le biomasse vengono considerate avere le maggiori prospettive di espansione a breve-medio periodo, soprattutto per le colture lignocellulosiche destinate alla produzione di elettricità e/o calore. Il termine biomassa comprende tutte le sostanze accomunate da matrice organica, fra cui specie appositamente coltivate per destinazione energetica, meglio note come “colture dedicate”. Tali colture devono garantire produzioni elevate, stabili, sostenibili, di qualità idonea ai processi di trasformazione. Destinazioni a fini energetici delle colture riguardano diverse filiere fra cui bioetanolo e biodiesel, che possono essere considerate quasi mature per una diffusione operativa. Meno conosciuto è l’uso di colture lignocellulosiche nei processi di combustione, gassificazione e pirolisi, ossia produzione diretta di elettricità e calore. Il principale fattore limitante è, oggi, l’economicità delle diverse filiere già esistenti, non ancora sufficiente a garantire competitività dei combustibili di origine vegetale nei confronti di quelli fossili e delle colture destinate ad energia rispetto alle stesse o ad altre con differente destinazione d’uso. E’ perciò indispensabile l’ottimizzazione di tecniche agronomiche a bassi input, associate ad alte produzioni unitarie, per rendere competitiva la filiera in tempi relativamente brevi. La valenza delle colture dedicate è più legata ad aspetti ambientali che al soddisfacimento del fabbisogno energetico: in Italia si contano attualmente circa 3 milioni di ettari di terreni marginali che, se convertiti a destinazioni energetiche, potrebbero contribuire per il 6-7% al fabbisogno energetico nazionale, una quota percentualmente scarsa ma non trascurabile nei valori reali, cui si aggiunge una forte riduzione di emissioni di gas-serra e dei processi di erosione e lisciviazione dei terreni (EEA, 2007). Ad esempio, è stato stimato che una coltura poliennale è in grado di fissare carbonio nel terreno fino a 5 volte rispetto al mais e ridurre fino al 90% i processi di erosione rispetto a terreno nudo (Hohenstein and Wright, 1994). In termini di emissioni, l’anidride carbonica liberata dai processi di combustione è parzialmente compensata da quella fissata dalla pianta attraverso il processo fotosintetico. Vi è poi una quota difficilmente stimabile di CO2 fissata in maniera durevole dalla biomassa ipogea. A ciò si aggiunge che il contenuto di elementi inquinanti (SOx, NOx ecc.) è inferiore a quello dei combustibili tradizionali. Fra le colture dedicate, quelle a destinazione termochimica dovrebbero avere basso contenuto di umidità (<30%) e rapporto C/N elevato (>30). In base alle conoscenze attuali, le specie erbacee più adatte sembrerebbero panico, arundo, miscanto, cardo (poliennali) e sorgo da fibra e zuccherino (annuali). Tali specie sono state oggetto di un’estesa ricerca nell’ambito di progetti nazionali ed europei che hanno nel complesso contribuito ad una conoscenza delle problematiche agricole, industriali e territoriali legate alle colture dedicate, focalizzando di volta in volta l’indagine su singole colture o su aspetti generali dell’intera filiera. Nell’uno o nell’altro caso non è stata sufficientemente approfondita la dinamica di accrescimento delle colture, che pure incide fortemente sui risultati economici e sull’impatto ambientale dell’intera filiera. Pertanto, le colture dedicate necessitano di ulteriori approfondimenti circa la previsione delle potenzialità quantiqualitative della produzione nei diversi ambienti e in risposta a fattori agronomici. Solo il completamento delle attuali conoscenze può rendere operative le tre filiere esistenti e soprattutto quella termoelettrica che potenzialmente è la più interessante per superfici e aspetti ambientali.

Obiettivi specifici

Individuare, per le diverse specie, i punti deboli dell’anello agronomico delle tre filiere bioenergetiche (elettricità/calore, bioetanolo, biodiesel). Nell’ambito di questi, valutare quali possono essere quelli più critici e suscettibili di miglioramento coerentemente con i tempi e le risorse del progetto. Testare nuovi genotipi e proporre soluzioni e miglioramenti delle tecniche di impianto e coltivazione. Indagare sui meccanismi di risposta adattativa delle diverse specie a stress ambientali al fine di proporre nuove strategie per il miglioramento genetico. Valutare nuove specie da biomassa potenzialmente interessanti per gli areali italiani. Aumentare l’efficienza delle catene bioenergetiche rendendole competitive da un lato con i combustibili tradizionali, dall’altro con le destinazioni usuali delle produzioni agricole.

Piano di attività

L’U.O. sarà impegnata, oltre che nel Coordinamento Generale del Progetto, in tutte le filiere bioenergetiche (elettricità/calore, bioetanolo, biodiesel) e, nell’ambito di queste, limitatamente ai WP1, 3 e 4.

    Attività in WP1

    Tenendo conto delle criticità individuate per le diverse colture descritte nel modello A, le ricerche avranno le seguenti finalità:
  • Attività 1 – Confronto fra genotipi di sorgo da fibra e zuccherino combinati con due epoche di semina – L’epoca di semina sarà determinata su base termica, nel periodo aprile-maggio, a pieno campo, secondo schema sperimentale fattoriale con parcelle replicate.
  • Attività 2 – Nuove colture di potenziale interesse per le filiere bioenergetiche esistenti – L’indagine riguarderà specie meno note per i nostri areali ma distintesi per attitudine alla trasformazione bioenergetica in passate esperienze in Italia o all’estero. Attività 2a: “confronto fra impianto annuale e poliennale di Helianthus tuberosus (topinambur)” valutando differenti tecniche colturali e destinazioni potenziali dei prodotti nelle due situazioni. L’impianto annuale ha infatti una duplice destinazione: bioetanolo ottenuto da inulina estratta dai tuberi; energia termo-elettrica ottenuta dalla biomassa aerea; l’impianto poliennale, invece, ha come unica destinazione quella termoelettrica. Attività 2b: “Valutazione di altre specie minor in funzione della disponibilità di materiale genetico (es. Pennisetum purpureum, Sorghum almum, Panicum maximum, ecc.)”.
  • Attività 3 – Confronto fra specie poliennali a diverse latitudini. – Verranno proseguite le attività avviate nel 2002 di confronto produttivo tra arundo, miscanto e cardo in località climaticamente differenti: Bologna e Catania.
  • Attività in WP3

  • Attività 4 – In collaborazione con CNR-IBIMET di Bologna verranno valutate le emissioni di elementi inquinanti (VOC) derivanti dalla combustione di specie da biomassa erbacee.
  • Attività 5 – In collaborazione con AssoDistil verranno affrontate problematiche legate al processo di conversione di sorgo zuccherino in bioetanolo;
  • Attività 6 – In collaborazione con Assocostieri saranno valutati i principali aspetti del processo di trasformazione di colza e carinata in biodiesel.
  • Attività in WP4

    L’attività prevede la duplice valutazione di impatto ambientale conseguente alla diffusione delle filiere bioenergetiche sul territorio nazionale.
  • Attività 7 – “Analisi di impatto ambientale (LCA)” – Verrà condotta in collaborazione con UNICT e CRASCA utilizzando i criteri standard ISO 14040-43 per la valutazione dei carichi ambientali nell’intero ciclo di vita di un prodotto o servizio. Saranno cioè quantificati in maniera oggettiva gli impatti derivanti da tutte le fasi del ciclo di vita di un prodotto, includendo anche impatti che nelle analisi tradizionali sono frequentemente trascurati (es. impatti derivanti dall’estrazione di materie prime, trasporto dei materiali, smaltimento ecc.).

Articolazione temporale delle attività

Articolazione temporale delle attività

Ostacoli prevedibili ed azioni correttive

Nel caso di nuovi impianti, dovrà essere posta particolare cura onde assicurare una regolare emergenza e affrancamento delle colture. A tale scopo potrebbero rendersi necessari, fra l’altro, uno o più interventi irrigui di soccorso, diserbo meccanico e manuale e protezione delle piantine in emergenza da predatori. Nei casi più gravi potrebbe risultare necessario ricorrere ad una risemina. Non sono previste azioni correttive in caso di eventi meteorici eccezionali in piena vegetazione. Le prove di valutazione comparativa di diverse epoche di semina (Attività 1) potrebbero subire modifiche dipendenti dalla possibilità materiale di effettuare le semine nei momenti prestabiliti a causa di eventi meteorologici. L’ampiezza dell’attività sulle nuove colture (Attività 2a-b) è subordinata al reperimento di materiale genetico nei quantitativi e nei tempi idonei alla realizzazione degli impianti. Qualora non si pervenga a un significativo numero di genotipi da provare, l’attività sarà integrata da prove su colture da biomassa poliennali (Panicum virgatum e Miscanthus x giganteus), nelle quali verrà confrontata la tradizionale raccolta annuale con lo sfalcio ad anni alterni. In WP3 e WP4 non sono prevedibili problemi che necessitino di azioni correttive.

8.6 Risultati attesi

    WP1

  • Attività 1. Identificazione dei genotipi di sorgo da fibra e zuccherino più produttivi in relazione alle epoche di semina. E’ prevista anche la realizzazione di un modello stocastico di analisi del rischio che tenga conto della sensibilità di alcuni genotipi di sorgo al danno da freddo.
  • Attività 2. Individuazione di specie di nuova introduzione potenzialmente interessanti per le filiere bioenergetiche esistenti e verifica della capacità di adattamento all’ambiente del nord Italia.
  • Attività 3. Studio della longevità e del comportamento biometrico-produttivo di impianti di specie poliennali da biomassa in ambiente padano, a confronto con un ambiente mediterraneo (Catania).
  • WP3

  • Attività 4. Analisi delle emissioni derivanti da processi di combustione delle biomasse in confronto a sistemi convenzionali basati su combustibili fossili.
  • Attività 5, 6. Valutazione dell’influenza dei fattori agronomici sulle caratteristiche qualitative delle diverse colture. Individuazione dei biocombustibili più adatti agli impianti di trasformazione esistenti e a processi di densificazione energetica.
  • WP4

  • Attività 7. Stima, attraverso LCA, degli impatti ambientali delle catene bioenergetiche e individuazione dei punti critici passibili di modifiche e miglioramenti. Proposta di scenari produttivi a minor carico ambientale anche sulla base dei risultati emersi nel WP1.

Ricadute e benefici

  1. Aumento dell’efficienza delle filiere bioenergetiche attraverso la risoluzione almeno parziale di specifici colli di bottiglia esistenti nel primo anello (agronomico) della catena.
  2. Indicazione su potenzialità produttive e adattabilità a specifiche condizioni colturali di nuovi genotipi in funzione dell’habitus vegetativo e del comportamento in campo.
  3. Ottimizzazione degli impianti di trasformazione bioenergetica rispetto alle caratteristiche dei nuovi materiali in virtù delle nuove conoscenze sugli aspetti qualitativi dei biocombustibili.
  4. Valutazione delle esternalità, anche in termini economici, derivanti dalla quantificazione dell’impatto ambientale nelle sue diverse accezioni, con particolare riferimento alla riduzione delle emissioni di gas climalteranti, all’accumulo di carbonio nel suolo e al risparmio energetico.
  5. Più facile consenso politico e sociale alle bioenergie attraverso una più completa conoscenza delle problematiche legate alle filiere bioenergetiche.

Collaborazioni esterne

L’U.O. collaborerà con CNR-IBIMET Sez. di Bologna per l’effettuazione di analisi dettagliate (es. VOC) sulle emissioni derivanti dalla combustione delle colture in esame. Ulteriori collaborazioni potranno derivare da attività di ricerca congiunte, particolarmente su sorgo da biomassa, fra la presente U.O. ed Eridania-Sadam, CIA, Syngenta, Confagricoltura, AssoDistil e Assocostieri, rispettivamente per bioetanolo e biodiesel. Infine, uno stretto contatto, per reciproco scambio di informazioni, verrà mantenuto con le attività della Piattaforma Italiana Biofuels avvalendosi della Presidenza presso la stessa U.O.

Unità Operativa 5

Istituzione CRA-CIN Consiglio per la Ricerca e la sperimentazione in Agricoltura - Centro di ricerca per le colture Industriali
Titolo della ricerca 1) Verifica degli effetti dell’utilizzo di reflui zootecnici nella fertilizzazione di colture bioenergetiche dedicate;
2) Studio delle caratteristiche ecofisiologiche di Arundo donax L.
3) Analisi ed individuazione della variabilità genetica e fenotipica del genere Arundo e dei generi affini;
4) Valutazione di germoplasma di sorgo da biomassa in Pianura padana.
Ente di appartenenza CRA
Indirizzo postale Via di Corticella, 133 – 40128 Bologna
Responsabile
scientifico della UO e
partecipanti
Mario Di Candilo, Tel.: 051-6316811; Fax: 051-374857; E-mail: mario.dicandilo@entecra.it
Enrico Ceotto, Virna Benazzi, Stefano Fanin, Michele Diozzi, Ilaria Librenti
Curriculum del
responsabile e
pubblicazioni negli ultimi
5 anni attinenti il progetto
Mario Di Candilo si è laureato in Scienze Agrarie nel dicembre 1974. Nel triennio ’75-‘77 è stato borsista presso l’Istituto Sperimentale per le Colture Industriali di Bologna. Nel 1977 ha vinto il concorso per ricercatore ed è stato assegnato all’Istituto Sperimentale per le Colture Industriali. Nel periodo febbraio-dicembre 1979 ha partecipato al corso di formazione “Miglioramento genetico e produzioni delle sementi” presso l’Istituto di Agronomia dell’Università di Bologna. Nel 1988 ha frequentato il corso “Metodi di selezione varietale”, organizzato dalla Società Italiana di Genetica Agraria e dal Dipartimento di Agrobiologia e Agrochimica dell’Università degli Studi della Tuscia. Nel 1989 ha vinto il concorso per Ricercatore di secondo livello. Nel 1989 ha frequentato un corso di formazione in informatica. Nel 1992 ha partecipato al corso “metodologia statistica in agricoltura”, organizzato a Gariga (PC). Nel quadriennio 1992-’95 è stato componente del Comitato scientifico dell’Istituto Sperimentale per le Colture Industriali. Nel 1994 ha frequentato un corso avanzato di metodologia statistica, a Gariga (PC). Nel 2007 ha vinto il concorso da Dirigente di ricerca del CRA. Attività di ricerca Di Candilo ha svolto ricerche inerenti le seguenti tematiche:
i) Valutazione e caratterizzazione di germoplasma di varie specie, sia ai fini di un impiego diretto in coltura, sia per attività di breeding.
ii) Miglioramento genetico in pomodoro da industria, pisello proteico e canapa da fibra, con gli obiettivi di migliorare l’ideotipo di pianta (più adatto alla meccanizzazione della raccolta), la resa, la qualità tecnologica del prodotto, la resistenza a stress biotici (funghi, batteri, nematodi, virus) e la stabilità di comportamento.
iii) Ottimizzazione delle agrotecniche di alcune colture industriali (pomodoro da industria, fagiolo da granella, kenaf, canapa da fibra), in rapporto alle esigenze di meccanizzazione degli interventi colturali e di sostenibilità ambientale ed economica delle pratiche agricole.
iv) Aggiornamento delle tecnologie di macerazione della canapa da fibra, attraverso l’individuazione delle condizioni ottimali per lo svolgimento di tale operazione (selezione ed impiego di batteri ad elevata efficienza nella degradazione delle pectine, individuazione delle temperature che favoriscono il processo, valutazione della qualità della fibra). v) Riciclo delle acque reflue di macerazione della canapa su terreni coltivati. vi) Impiego della canapa nella fitoderazione di terreni inquinati da metalli pesanti.
vii) Biomasse da energia, con particolare riferimento alla valutazione dell’adattabilità ambientale e delle potenzialità produttive di specie annuali (sorgo, canapa da fibra, kenaf) e poliennali (Miscanthus sinensis, Arundo donax, Populus spp., Salix alba, Robinia pseudoacacia) e alla messa a punto di tecniche colturali (densità di investimento, sesto d’impianto e turno di raccolta per SRF).
Partecipazione a Progetti di ricerca ’77-’81
Responsabile di Unità operativa nell’ambito del progetto “Miglioramento delle produzioni vegetali per fini alimentari e industriali mediante interventi genetici”, finanziato dal CNR. ‘81-‘85
Responsabile di ricerche e coordinatore del “Gruppo pomodoro da industria”, nell’ambito del sub-progetto “Orticoli industriali”, finanziato dal MAF. ’82-’94 Responsabile di Unità operativa nell’ambito del progetto “Miglioramento genetico del pomodoro da industria”, finanziato dalla Regione Emilia-Romagna. ‘91-‘93
Responsabile di Unità operativa nell’ambito del progetto europeo “Programme d’amelioration de la qualite technologique des tomatoes d’industrie”, Contrat n° 8001-CT91-0305. ‘91-‘95
Responsabile di ricerche per la messa a punto delle agrotecniche del fagiolo da granella nell’ambito del Progetto “Leguminose”, finanziato dal MAF. ‘92-’94 Responsabile di ricerche per lo studio delle tecniche colturali del kenaf, nell’ambito del Progetto “PRiSCA”, finanziato dal MAF. ‘94-‘01
Responsabile del “Gruppo di lavoro ISCI” per il miglioramento genetico del pomodoro da industria, nell’ambito dell’attività ordinaria dell’Istituto, finanziata dal MAF. ‘94-‘98
Responsabile di ricerche sulla canapa, coinvolgenti varie tematiche (caratterizzazione del germoplasma, induzione di mutanti e miglioramento genetico, messa a punto della macerazione microbiologica della fibra), nell’ambito del progetto “Induzione di marcatori fenotipici e miglioramento genetico in canapa comune, finanziato dal MAF. ‘99-‘01
Responsabile di ricerche sulla canapa (caratterizzazione varietale, costituzione di nuove cultivar, messa a punto delle agrotecniche, messa a punto della macerazione microbiologica della fibra, riciclo delle acque reflue di macerazione e meccanizzazione della raccolta del seme), nell’ambito del Progetto “Canapa per fibra tessile: dalla produzione alla utilizzazione”, finanziato dal MiPAAF. ‘02-‘05
Responsabile di ricerche inerenti la produzione e la conversione di colture energetiche dedicate, nell’ambito del progetto TISEN, finanziato dal MiPAAF. ‘04-‘06
Responsabile di ricerche su “Metodi di produzione biologica del pomodoro da industria e barbabietola da zucchero”, nell’ambito del progetto BIOGEA, finanziato dal MiPAAF. ‘05-’07
Responsabile di Unità operativa di ricerca nell’ambito del progetto “Azione pilota relativa alla coltivazione, trasformazione e commercializzazione della canapa a scopi produttivi e ambientali”, finanziato dalla Regione Toscana. ’05-’08
Responsabile di Unità operativa nell’ambito del progetto di ricerca interregionale “Sviluppo di nuove filiere per le produzioni no-food (fibra, oli industriali, cellulosa ed amidi)”. ’06-’08
Responsabile di Unità operativa nell’ambito del progetto “Implementazione del trattato internazionale FAO sulle risorse genetiche vegetali”, finanziato dal MiPAAF. ‘06-‘08 Coordinatore di piattaforme dimostrative inerenti la filiera biomasse da specie ligno-cellulosiche erbacee nell’ambito del Progetto “Bioenergie”, finanziato da MiPAAF. L’attività di ricerca di Di Candilo è documentata da oltre 160 lavori a carattere sperimentale pubblicati su riviste specializzate nazionali ed internazionali.

Pubblicazioni recenti attinenti il progetto
- Di Candilo M., Ranalli P., Diozzi M., 2003 - Investigation of cultivation methods for the mechanization of hemp seed harvest. Advances in Horicultural Science, 1, 3-8.
-Ranalli P., Mandolino G., Carboni A., Di Candilo M., 2003. Cannabis sativa: a genetic plant model for industrial end uses. Atti XLVII Convegno Annuale S.I.G.A., Verona 24-27 Settembre: www.siga.unina.it/SIGA2003/3_03.htm
- Di Candilo M., Ranalli P., Liberalato D., 2003 - Gli interventi necessari per la reintroduzione della canapa in Italia. Agroindustria, 1, 27-36.
- Di Candilo M., Ranalli P., Pasini P., 2003 – Coltivazione sperimentale del Crambe abyssinica in pieno campo per la produzione di biolubrificante. Agroindustria 1, 11-15.
- Di Candilo M., Cesaretti C., Ranalli P., Diozzi M., Pasini P., 2004. Colture da biomasse nel bolognese: produzione e conversione energetica. Agroindustria, Vol.4 (1), 27-34.
- Di Candilo M., Ranalli P., Pasini P., 2004. Esperienze di coltivazione di Crambe abyssinica in Emilia-Romagna. Agroindustria, Vol.4(1), 101-107.
- Di Candilo M., Ranalli P., Cesaretti C. & Pasini P., 2004. Biomass production and energy-transformation trials. Proceedings of Second World Biomass Conference. Rome, Italy, 10-14 May 2004, 1824-1827.
- Di Candilo M., Cesaretti C., Ranalli P. & Pasini P., 2004. Biomass crops in the Bologna area: production and energy conversion. Proceedings of 14th European Biomass Conference & Exhibition, 17-21 October 2005 Paris, France.
- Di Candilo M., Ranalli P., Dal Re L., 2004. Heavy metal tolerance and uptake of Cd, Pb and Tl by hemp. Advances in Horticultural Science, 3, 138-144
- Di Candilo M., Ranalli P., Cesaretti P., Pasini P., 2004. Colture non food: ormai realtà l’uso a fini energetici. L’Informatore Agrario 1: 34-37. Di Candilo M., Ranalli P. & Pasini P., 2005. Crambe abyssinica trial cultivation in emilia-Romagna. Proceedings of 14th European Biomass Conference & Exhibition, 17-21 October 2005 Paris, France.
- Ranalli P., Di Candilo M., 2007. Genetic improvement of crops for energy generation: comparison of different provision chains with respect to biomass and biofuel production. In: Ranalli P. (Ed) Improvement of Crop Plants for Industrial End Uses. Springer, 307-334.
- Di Candilo M., Diozzi M., 2007. Effects of genotype, planting density and harvest interval on poplar biomass production. 1° Convegno della Società Italiana di Bioenergia e Agroindustria (SIBA), Salerno 22-23 ottobre 2007. Agoindustria, Vol. 6 (1/2): 77. Ceotto E. (2007). Grasslands for bioenergy production, a review. Agronomy for Sustainable Development. 27, 1-9. DOI: 10.1051/agro:2007034.
- Ceotto E., Marletto V. (2007). Exploring the potential role of straw to enhance carbon storage in agricultural systems. On: Farming Systems Design 2007, Int. Symposium on Methodologies on Integrated Analysis on Farm Production Systems, M. Donatelli, J. Hatfield, A. Rizzoli Eds., Catania (Italy) 10-12 September 2007, book 1 – Farm-regional scale design and improvement, pag. 119-120.
- Ceotto E., Marino A., Marchetti R. (2007). Esperienze di trapianto a radice nuda di talee di culmo di canna comune (Arundo donax L.) su quattro tipi di terreno in lisimetri. Su: XXXVII Convegno SIA , “ Il Contributo della Ricerca Agronomica all’Innovazione dei Sistemi Colturali Mediterranei”, S.L. Cosentino, R. Tuttobene Ed., Catania (Italy), 13-14 Settembre 2007, pag. 135-136.
- Ceotto E. (2007). A simple and straightforward method for shoot cutting propagation of giant reed (Arundo donax L.). In: Borin M., Bacelle S., (Eds.) Proceedings of the International Conference on Multiple Roles of Wetlands. Legnaro (Padova) 26-29 June 2007, 84-85.
- Ceotto E., (2006). La canna comune, una pianta adatta per ottenere energia. Agricoltura, 6: 80-82.
- Ceotto E. (2005). The issues of energy and carbon cycle: new perspectives for assessing the environmental impact of animal waste utilization. Bioresource Technology 96, 191-196.

7. Competenze dell’Unità Operativa in relazione al progetto CRA-CIN provvede agli studi ed alle ricerche riguardanti il miglioramento delle piante industriali, la tecnica di coltivazione, nonché la conservazione dei prodotti in rapporto ai rispettivi processi di estrazione e di trasformazione. L’attività, sviluppata con un approccio interdisciplinare, persegue l’obiettivo di creare innovazioni, di cui possano fruire gli utenti della ricerca (addetti delle varie filiere agroindustriali) e i decisori politici. La sede di Bologna dispone di tre moderne aziende agricole (due ad Anzola dell’Emilia e una a Budrio), dotate di tutte le necessarie strutture per la sperimentazione e con oltre 40 ettari disponibili per la ricerca in pieno campo. Inoltre, sono disponibili circa 400 metri quadrati di ambienti controllati (serre e camere di crescita per l’allevamento delle piante e per la relativa sperimentazione) e di circa 800 metri quadrati di laboratori, dotati di moderne strumentazioni per attuare procedure preparative (purificazione di proteine, enzimi e metaboliti secondari) e per effettuare analisi chimiche e biochimiche, anche di una certa complessità (HPLC, gas-cromatografi, elettroforesi capillare, spettrometri di massa, spettrofotometri, spettrometri IR, scintillatori). Con riguardo alle biomasse, il gruppo di ricerca costituente l’UO è dotato di una vasta esperienza sviluppata nell’ambito dei Progetti TISEN e BIOENERGIE, finanziati dal MiPAAF, e nell’ambito del Progetto BIOPROS, finanziato dall’UE. Inoltre, dispone di coltivazioni di specie poliennali (giunte al 6° anno) e di germoplasma (Arundo donax, Miscanthus sinensis, Cannabis sativa), nonché delle attrezzature necessarie per realizzare le ricerche che attualmente continua a svolgere anche nell’ambito del progetto interregionale No-food, del quale è capofila la Regione Friuli Venezia Giulia. Dispone quindi delle competenze e dei mezzi necessari per contribuire alla risoluzione delle criticità delle filiere agroenergetiche. L’U.O. ha in atto collaborazioni con altre Istituzioni di ricerca, aziende agricole, cooperative ed industrie di trasformazione delle biomasse, per attività di sviluppo delle filiere bioenergetiche (divulgazione dei risultati, visite alle prove di campo e alle centrali di conversione, organizzazione di seminari e convegni).

Descrizione della ricerca

Stato dell’arte specifico

L’impiego delle biomasse a fini energetici riveste importanza strategica per il raggiungimento di vari obiettivi, quali: i) riduzione della produzione di gas ad effetto serra (CO2 in particolare); ii) diversificazione delle fonti energetiche; iii) riduzione della dipendenza energetica del Paese da fonti fossili, attraverso la valorizzazione di fonti rinnovabili locali; iv) tutela del territorio, con particolare riferimento alla gestione dei suoli; e, infine, v) creazione di nuova occupazione. I programmi di ricerca nazionali ed europei svolti in questi ultimi anni hanno permesso di individuare le specie più idonee per la filiera biomasse solide combustibili (canna comune, sorgo da fibra, miscanto, panìco, pioppo, robinia), per la filiera bio-etanolo (mais, sorgo da granella, sorgo zuccherino,) e per la filiera biodiesel (colza, girasole, soia, ecc.). Inoltre sono state studiate le più importanti problematiche connesse alla loro coltivazione nell’ottica della sostenibilità energetica e ambientale. Le ricerche proposte in questa scheda afferiscono alle prime due filiere sopra citate. Filiera biomasse per conversione termo-chimica La filiera delle biomasse ligneo-cellulosiche è la più diffusa e consolidata sul territorio e costituisce storicamente una delle principali fonti per la produzione di energia rinnovabile. Vanta un bilancio ambientale favorevole, buoni rendimenti energetici e un mercato in espansione, sia a livello industriale che per uso domestico. Fra le specie finora sperimentate per tale destinazione una delle più promettenti è senza dubbio la canna comune (Arundo donax L.). Si tratta di una specie erbacea perenne contraddistinta da: ciclo fotosintetico C-3, elevata rusticità, grande adattabilità ambientale, lunga durata del ciclo vegetativo (marzo-novembre), scarsa esigenza di input colturali (Vecchiet e Jodice, 1996; Casentino et al., 1999 e 2005), elevata potenzialità produttiva (Di Candilo et al., 2004 e 2005; Casentino et al., 2005). Le caratteristiche della specie ne rendono possibile la coltivazione anche in aree marginali inadatte a colture da granella, questo consentirebbe di realizzare l’obiettivo strategico di produrre bioenergie su terreni marginali, senza sottrarre superficie utile alla produzione di alimenti. Secondo recenti revisioni tassonomiche (Danin et al., 2001; Danin 2004) il genere Arundo è costituito da tre specie: A. plini Turra, A. collina Ten. e A. mediterranea Danin. Queste risultano molto simili morfologicamente, ma differiscono profondamente nelle loro affinità ecologiche. A. plini è una igrofita confinata alle sponde dei corsi d’acqua, per lo più in terreni argillosi. A. collina si distingue da A. plini in quanto più gracile, con culmi poliennali, che dal secondo anno producono rami secondari. A. mediterranea è una specie ad ampio areale e si trova in Nord Africa e Asia. A.donax è tuttavia specie semiselvatica che non è mai stata soggetta a programmi di miglioramento in particolare come materia prima per produzione di biocarburanti. In particolare non è nota la variabilità genetica e fenotipica presente nella specie e le cause della sterilità. Di particolare interesse sia per la rapida crescita e l’elevata produttività di biomassa e anche per le risorse genetiche risultano anche le specie appartenenti ai generi morfologicamente più affini come Molinia, Phragmites e Amphipogon. Sebbene l’Arundo abbia attirato l’attenzione di molti ricercatori negli ultimi anni, molte caratteristiche ecofisiologiche di questa specie rimangono ancora poco esplorate dal punto di vista quantitativo. Cosentino et al.(2007) nel corso del recente convegno SIA di Catania, hanno presentato gli andamenti della superficie fogliare (LAI) e della sostanza secca rilevati in Sicilia, (valori fino a 10, circa il doppio rispetto ad altre colture, con picco a dicembre!!) e tuttavia mancano completamente studi di questo tipo negli ambienti dell’Italia settentrionale. La conoscenza di queste caratteristiche consentirebbe di valutare più compiutamente la specie e porrebbe le basi per studi di modellistica. Peraltro, essendo l’Arundo specie perenne, appare opportuno approfondire la dinamica dell’azoto della coltura. Infatti, poiché la biomassa ipogea della pianta agisce alternativamente come “sink” e “source” è verosimile che faccia un uso conservativo dell’azoto. In ragione di ciò, la fertilizzazione ripetuta nel tempo potrebbe determinare eccessi di azoto con aumenti di lisciviazione di nitrati , ovvero incrementi indesiderati di N nella biomassa da utilizzare nella combustione. Sempre con riferimento alla fertilizzazione, da uno studio preliminare, svolto presso il CRA-CIN, è stato riscontrato che l’Arundo potrebbe tollerare abbondanti apporti di reflui zootecnici, avvantaggiandosene produttivamente. Perciò, l’eventuale diffusione della coltivazione su larga scala potrebbe beneficiare di una notevole disponibilità di liquami derivanti dagli allevamenti (principalmente bovini e suini), rendendo possibile il recupero dei macronutrienti presenti negli stessi reflui e alleggerendo il problema del loro smaltimento. Di fatto, in Italia vengono prodotti 150 milioni di tonnellate/anno di reflui zootecnici, corrispondenti a 600.000 t di azoto totale, 160.000 t di fosforo e 380.000 t di potassio. Quantitativi che permetterebbero di concimare sino a 3 milioni di ettari, se razionalmente gestiti e impiegati, con grande vantaggio per la collettività. Per la Regione Emilia-Romagna la gestione di tali reflui rappresenta una problematica di grande rilevanza per la notevole presenza complessiva dei capi allevati (circa 2 milioni solo per i suini), per la concentrazione degli allevamenti zootecnici e per la qualità delle acque (valori di nitrati >50 ppm in numerosi pozzi). Relativamente alla destinazione dei liquami, è ormai consolidata la convinzione che la loro utilizzazione agronomica sia più sostenibile, sia dal punto di vista economico che ambientale, rispetto alla depurazione. D’altra parte, un non corretto spandimento dei reflui sul terreno può provocare inquinamento (da nitrati) delle acque superficiali e profonde, con rischio per la salute delle piante e degli animali, compreso l’uomo. Pertanto, s’impone la valutazione dei suoli e delle colture (preferibilmente di tipo no-food), con riferimento alle loro capacità ad accettare i reflui, tale da contribuire alla definizione delle dosi, delle epoche e delle modalità di somministrazione. Altra specie ligneo-cellulosica interessante è il sorgo da fibra (Sorghum bicolor L. Moench.). Si tratta di una pianta erbacea, C4, brevidiurna, annuale, con ciclo primaverile-estivo. Presenta apparato radicale fascicolato, fusto eretto, con altezza che può raggiungere i 5 m. La specie si caratterizza per moderata tolleranza alla salinità, elevata efficienza nell’uso dell’acqua e per la possibilità di essere coltivato nei nostri ambienti in condizioni di limitato sussidio idrico. Da prove sperimentali risulta una certa variabilità nella resa in biomassa, compresa mediamente tra le 15 e le 40 t ha-1 di sostanza secca. I limiti del sorgo da fibra sono rappresentati da: elevata umidità della biomassa alla raccolta (70% circa), difficoltà di stoccaggio del trinciato con frequenti fenomeni fermentativi, contenuto in ceneri, silicio e cloro piuttosto elevati. Per ottimizzare le rese della coltivazione occorre individuare i genotipi più competitivi in relazione all’ambiente di coltivazione. Filiera bioetanolo Il bioetanolo rappresenta il principale biocombustibile su scala mondiale, con oltre 18.300.000 t/anno di produzione. I primi produttori mondiali sono il Brasile e gli USA. Le materie prime attualmente impiegate per la produzione di bioetanolo sono: canna da zucchero (nel Sud America), mais e frumento (nel Nord America ed in Europa). Mediamente le rese in etanolo sono di 3.3 t/ha per il mais e di 5.8 t/ha per la canna da zucchero. I costi di produzione negli USA ed in Europa superano di circa il 50% quello brasiliano. In Europa la Svezia è la nazione dove il mercato del bioetanolo si sta sviluppando maggiormente. Il Governo italiano, con la finanziaria 2007, fissa percentuali di biocarburanti, rispetto al totale, dell’1% entro il 31/12/2007, del 2.5% entro il 31/12/2008 e del 5.75% entro il 31/12/2010, anche se nel nostro Paese a tutt’oggi la produzione di bioetanolo a partire da colture tradizionali non ha trovato applicazioni commerciali significative. In attesa della messa a punto della tecnica per l’ottenimento di bioetanolo da biomasse ligneo-cellulosiche, è indispensabile valorizzare le biomasse fermentescibili a più elevata resa. Una specie molto promettente sembra essere il sorgo zuccherino. La pianta può superare i 4 m di altezza, al suo interno il culmo è midolloso, succoso e ricco di zuccheri, la cui percentuale può arrivare al 18-20%. La capacità di entrare in dormienza nei periodi più caldi, associata ad alcuni caratteri anatomici quali un apparato radicale profondo, uno strato siliceo presente nell’endoderma radicale e una cuticola cerosa sulla parte aerea, conferiscono a questa pianta resistenza agli stress idrici. Inoltre, la specie presenta elevata efficienza nella fissazione della CO2 (pianta C-4). Altri aspetti positivi di questa pianta sono il ciclo annuale, che comporta un facile inserimento negli ordinamenti colturali, la buona conoscenza della tecnica di coltivazione, l’elevata efficienza d’uso dell’acqua e la possibilità di coltivarlo anche in condizioni di limitato sussidio idrico. Gli agricoltori sono ben disposti a realizzare la coltivazione del sorgo zuccherino anche perchè non comporta l’impegno del terreno a lunga scadenza. Vi sono tuttavia aspetti varietali che attendono di essere risolti. Più in particolare, è necessario individuare: i) i genotipi più idonei per la produzione di bioetanolo, in relazione all’ambiente di coltivazione. La resa in bioetanolo dipende dal contenuto in zuccheri del culmo, ma anche dalla produzione di granella, la quale è composta da sostanze quasi interamente fermentescibili. Entrambi i parametri possono variare sensibilmente da una varietà all’altra.

Obiettivi specifici

Col presente programma di ricerche ci si prefigge l’acquisizione dei seguenti obiettivi specifici: a) Valutare gli effetti dell’utilizzo di liquami zootecnici nella fertilizzazione di colture energetiche (sorgo da fibra, canna comune e pioppo), per le quali sono già state valutate l’adattabilità e le potenzialità produttive in Emilia- Romagna. La ricerca potrà contribuire alla messa a punto di una tecnica colturale a basso impatto ambientale, per l’incremento della sostanza organica e della biodiversità nel terreno e per la riduzione dei costi di produzione delle biomasse. Più in particolare ci si propone di: 1) recuperare il valore fertilizzante dei liquami, incentivando la produzione di colture energetiche; 2) migliorare la gestione dei reflui in termini agronomici per migliorarne l’efficienza e ridurne i rilasci nell’ambiente (nitrati). b) Migliorare le conoscenze sulle caratteristiche ecofisiologiche di Sorghum bicolor e Arundo donax: andamento dell’area fogliare, dell’accumulo di biomassa e dinamica dell’azoto nel corso della stagione vegetativa; c) Analizzare ed individuare la variabilità genetica e fenotipica esistente nel germoplasma di Arundo donax e in specie affini, per eventuale futuro programma di breeding; e) Individuare le varietà di sorgo da fibra e da zucchero più competitive in Pianura padana, rispettivamente per la produzione di biomassa ligneo-cellulosica e per bioetanolo; f) Contribuire alla diffusione delle colture energetiche attraverso l’incremento della produzione e la riduzione dei costi colturali. La diffusione e l’affermazione delle colture energetiche, a loro volta, avrebbero effetti importanti, quali: i) creazione di una nuova opportunità produttiva per l’agricoltura; ii) creazione di una nuova imprenditoria e nuova occupazione, con vantaggi economici e sociali; iii) rivalutazione di terreni marginali e di quelli posti a riposo forzato, contribuendo così al risanamento e alla difesa del territorio a rischio di degrado; iv) riduzione delle emissioni in atmosfera di CO2 ed altri gas ad effetto serra, nonché di inquinanti nocivi, con effetti positivi sulla stabilità del clima e sulla salute degli organismi viventi; v) riduzione della dipendenza dalle fonti energetiche fossili (quasi interamente importate da Paesi terzi), analogamente a quanto hanno già fatto Svezia, Austria, Danimarca e Finlandia, che ricavano dalle biomasse quote di energia importanti (18-23% dei loro fabbisogni nazionali); vi) diffusione di una cultura dell’ambiente e delle risorse naturali.

Piano di attività

Verifica degli effetti dell’utilizzo di reflui zootecnici nella fertilizzazione di colture bioenergetiche dedicate Verranno prese in considerazione le specie sorgo da fibra, canna comune e pioppo; su ciascuna coltivazione saranno messi a confronto tre crescenti volumi di liquami zootecnici e due controlli, di cui uno concimato chimicamente e l’altro non trattato. Le prove saranno impiantate secondo uno schema sperimentale a parcella suddivisa, con 3 ripetizioni e randomizzazione delle specie nelle parcelle intere e dei trattamenti fertilizzanti nel sub-parcelle. Prima di procedere alla somministrazione dei liquami, nel corso del ciclo colturale e nel periodo di riposo vegetativo delle coltivazioni saranno rilevate le caratteristiche chimiche e microbiologiche del terreno delle varie parcelle, ovvero: pH, salinità, CSC, sostanza organica, azoto totale, nitrati, fosforo totale, fosforo assimilabile, potassio e massa microbica. Nel corso del ciclo colturale sarà monitorato il comportamento delle piante con riferimento all’accrescimento, al portamento della canopy, alla sensibilità agli stress biotici ed abiotici. Alla raccolta, poi, saranno rilevati la densità d’investimento, l’altezza media delle piante, il diametro dei fusti, la produzione di biomassa fresca e la percentuale di sostanza secca, nonché le caratteristiche qualitative della stessa biomassa, quali: potere calorifico inferiore, contenuto in ceneri, silice e sali basso fondenti. Studio delle caratteristiche ecofisiologiche della canna comune e del sorgo da fibra Per l’Arundo verrà utilizzato un canneto allestito nel 2007 ad Anzola dell’Emilia (BO) su una superficie di oltre 2500 m2. Su tale impianto si prevede di effettuare i rilievi di LAI, biomassa epigea, frazionata come foglie e fusti, e contenuto di azoto. Le raccolte distruttive verranno realizzate su parcelle replicate e ad intervalli bisettimanali nel periodo inizio aprile-fine ottobre. Per il sorgo, invece, si procederà annualmente ad allestire la coltura su parcelle replicate, per il resto si procederà come per l’Arundo. Analisi ed individuazione della variabilità genetica e fenotipica del genere Arundo e dei generi affini Selezione e campionamento delle piante: Una prima fase di campionamento del materiale, presente nella fascia mediterranea (già in atto con accessioni provenienti da Italia, Grecia, Israele), permetterà di recuperare un’importante porzione di germoplasma, soprattutto per le specie A. donax, A. plini, A. collina, A. mediterranea. La posizione delle popolazioni campionate verrà segnalata tramite appositi strumenti topografici (GPS) e alcuni individui per ciascuna popolazione verranno campionati e propagati presso l’Azienda agricola del CRA-CIN ad Anzola dell’Emilia (BO) e presso l’Orto Botanico dell’Università di Milano. Inoltre, alcune importanti collaborazioni gia in atto con Università della Repubblica Popolare Cinese permetteranno lo scambio di materiale vegetale al fine di ampliare la collezione (Fudan University di Shanghai, Botanical Garden di Kunming) e di recuperare germoplasma proveniente dalle putative aree di origine. Questo permetterà di ottenere una collezione comprendente la maggiore variabilità fenotipica e genetica possibile. Il germoplasma infatti rappresenta la fonte di variabilità genetica da cui è possibile attingere per un successivo miglioramento genetico. Analisi dei caratteri morfologici e fisiologici rilevanti per la produzione di biomasse. Verrà allestito un campo catalogo delle varie accessioni presso l’azienda agraria “Cà Rossa” del CRA-CIN ad Anzola Emilia. Nel corso della stagione produttiva verranno compiuti rilievi di campo dei principali caratteri fenologici, morfologici e fisiologici (fiore, frutto, foglie, capacità ed efficienza fotosintetica, resistenza alla fotoinibizione, suscettibilità a stress biotici). Analisi di tratti genetici per la ricostruzione filogenetica. Fondamentale in qualunque programma di miglioramento è la conoscenza della variabilità genetica presente nella specie di interesse, come anche nei generi affini. Entro una specie infatti, il concetto di “selvatico” (wild type) aiuta poco a definire quanto si può ottenere con l’incrocio/ibridazione e la selezione; aiutano di più le metanalisi di diversi genomi che fanno intravedere quanto può essere cumulato in una singola varietà, ricorrendo a incroci multipli e/o ibridazioni somatiche e utilizzando marcatori molecolari appropriati. Di conseguenza, alle principali analisi morfologiche e fisiologiche verranno associate analisi molecolari tramite marcatori del DNA al fine di individuare l’effettivo livello di variabilità genetica nelle accessioni disponibili. Saranno quindi prese in considerazione le più efficaci tecniche di esplorazione della variabilità genetica come l’analisi AFLP (Amplified Fragment Length Polymorphism) e l’analisi SSR (Simple Sequence Repeats). Si procederà inoltre all’amplificazione di geni, pseudo-geni e spaziatori nucleari e plastidiali (ITS, matK, TrnL, Psba, Rps) che potranno risultare particolarmente utili nella ricostruzione filogenetica del genere Arundo e dei generi evolutivamente più affini. Tale studio verrà svolto con il contributo fondamentale del Gruppo del Prof. Carlo Soave dell’Università di Milano. Valutazione di germoplasma di sorgo in Pianura padana. Verranno valutati i genotipi di sorgo da fibra e da zucchero reperibili in commercio e presso Enti di ricerca pubblici e privati. Le prove saranno svolte presso l’azienda agricola del CRA-CIN ad Anzola dell’Emilia (BO). I materiali genetici saranno posti a confronto secondo uno schema a blocco randomizzato, con 4 ripetizioni e parcelle di 20 m2. Oltre ai rilievi delle caratteristiche del terreno e delle variabili meteorologiche saranno rilevati: i) data degli eventi fenologici; ii) numero piante sopravvissute alla raccolta; iii) resistenza all’allettamento; iv) produzione di biomassa fresca e secca; v)caratteristiche dei culmi; vi) contenuto energetico della biomassa e potere calorifico inferiore; vii) contenuto di zucchero per i tipi zuccherini; viii) caratteristiche qualitative della biomassa (ceneri, ecc.).

Articolazione temporale delle attività

Linee di ricerca/attività 1° anno 2° anno 3° anno
3 mesi 6 mesi 9 mesi 12 mesi 3 mesi 6 mesi 9 mesi 12 mesi 3 mesi 6 mesi 9 mesi 12 mesi
Verifica degli effetti
dell’utilizzo di reflui
zootecnici su colture
bioenergetiche dedicate
 
Caratterizzazione terreno e
liquami
                       
Allestimento prove                        
Monitoraggio colivazioni                        
Rilievi produttivi e
qualitativi
                       
Analisi dati e stesura
report
                       
Studio delle caratterist.
ecofisiologiche di Arundo
e sorgo
 
Determinaz. LAI,
biomassa e azoto
                       
Analisi dati e stesura
report
                       
Analisi ed individuazione
della variabilità genetica
e fenotipica del genere
Arundo e dei gen. affini
 
Pianificazione dei
campionamenti
                       
Allestimento campo
catalogo
                       
Analisi caratteristiche
morfo-fisiologiche
                       
Estrazione DNA                        
Analisi variabilità genetica                        
Sequenziamento geni,
pseudo-geni e spaziatori
                       
Analisi dati e stesura
report
                       
Valutazione di germoplasma
di sorgo
 
Reperimento germoplasma                        
Allestimento prove in
campo
                       
Monitoraggio coltivazioni                        
Analisi produttive e
qualitative delle biomasse
                       
Analisi dati e stesura
report
                       

Ostacoli prevedibili ed azioni correttive

Un problema importante per Arundo donax è l’elevata sterilità della specie: da una parte questa caratteristica è vantaggiosa in termini di produttività della biomassa in quanto la pianta non investe energia nella produzione di semi, dall’altra tuttavia ostacola i programmi di incrocio. L’ideale dunque è una linea in cui sia possibile manipolare la fertilità sia per via genetica che mediante trattamenti (ormonali, fotoperiodo ecc.): nella condizione fertile sarà utilizzata nei programmi di breeding, mentre nella versione sterile per la produzione di biomassa. Sono previsti quindi reperimento di accessioni di Arundo con parziale fertilità (sporadicamente descritti in letteratura) e/o sperimentazione di trattamenti per ripristinare questa funzione. Relativamente al sorgo, ostacoli potrebbero presentarsi in fase di emergenza delle piantine o nelle primissime fasi di crescita per insufficiente umidità nel terreno, per formazione di crosta superficiale, per scarsa competizione verso le infestanti o per attacchi di patogeni. Pertanto, potrebbero rendersi necessari, fra l’altro, uno o più interventi irrigui di soccorso, interventi di diserbo manuali e di protezione delle giovani piantine. Sono prevedibili, inoltre, allettamenti a seguito di temporali estivi. Perciò saranno necessari ampi bordi per evitare interferenze fra parcelle attigue. Inoltre, sarà necessario prevedere un maggiore impiego di manodopera in fase di raccolta per realizzare i rilievi previsti.

Risultati attesi

i) Acquisizione di conoscenze sull’efficienza dei liquami nella fertilizzazione di colture energetiche a ciclo annuale e
poliennale;
ii) Valutazione delle possibilità e dei limiti della fertilizzazione di specie da biomassa con reflui zootecnici (eventuale
individuazione delle dosi di liquami più appropriate in relazione al loro contenuto di elementi nutritivi (N, P e K), al
tipo di terreno (caratteristiche fisico-chimiche), alla coltura energetica (sorgo, canna comune e pioppo) e all’impatto
ambientale;
iii) Ottimizzazione della tecnica colturale di specie energetiche in Emilia-Romagna;
iv) Miglioramento delle conoscenze scientifiche su sorgo e canna comune e, quindi, possibilità di operare un confronto
più circostanziato tra queste due specie da biomassa potenzialmente coltivabili negli ambienti del Nord Italia;
v) Utilizzo di tecniche di fingerprinting molecolare in Arundo e specie affini, al fine di conseguire una caratterizzazione
univoca delle stesse specie. L’approccio molecolare oltre che ottenere importanti informazioni a riguardo delle
distanze genetiche e dei rapporti filogenetici tra i taxa, permetterà di verificare i rapporti evolutivi che hanno portato
alla formazione delle specie attuali (ibridazone, introgressione, domesticazione).
vi) Individuazione dei genotipi di sorgo da fibra e di sorgo zuccherini più idonei per la produzione di biomassa ligneocellulosica
per conversione termo-chimica (sorgo da fibra) e per la produzione di etanolo (sorgo zuccherino) nel
Nord Italia.
vii) Contributo all’individuazione di alternative colturali in grado di fornire reddito agli agricoltori e di salvaguardare
l’ambiente (attenuazione dei fenomeni erosivi dei suoli, aumento della biodiversità, miglioramento della fertilità
naturale del terreno).
viii) Contributo al rafforzamento del ruolo delle fonti rinnovabili, mirando ad accentuare la valenza strategica in quanto
risorsa endogena.

Ricadute e benefici

I risultati delle ricerche potranno avere effetti importanti a livello scientifico, economico, sociale e ambientale
- Benefici scientifici: le presenti ricerche assumono un ruolo importante, poiché permettono di strutturare in un contesto
unico le molteplici competenze maturate e i risultati scientifici ottenuti in precedenti progetti di ricerca;
- Benefici economici: il corretto impiego agronomico dei liquami zootecnici permetterebbe di concimare molte migliaia
di ettari di terreno con effetti economici molto rilevanti. La messa a punto della tecnica colturale (compreso la
fertilizzazione) di specie da bioenergia potrebbe rendere tali produzioni più competitive.
- Impatto sociale: la possibilità esplorata dalla presente ricerca di ricavare fonti di materie prime da risorse agricole
rinnovabili, recuperando il valore fertilizzante dei liquami, darebbe maggiore vigore a nuove filiere in grado di
trascinare nuova occupazione.
- Impatto ambientale: la messa a punto del corretto utilizzo di liquami zootecnici nella fertilizzazione di colture no-food
energetiche potrà contribuire a migliorare la gestione dei reflui in termini agronomici, tale da ridurre i rilasci
nell’ambiente (inquinamento delle acque superficiali e profonde).

Collaborazioni esterne

Per la realizzazione del programma si prevede la collaborazione del Prof. Carlo Soave, fisiologo vegetale
dell’Università di Milano, per caratterizzazione molecolare, sequenziamento geni, analisi filogenetiche e valutazione
dell’efficienza fotosintetica in Arundo.
Le competenze maturate dal Prof. Soave nelle analisi filogenetiche di specie vegetali basate su marcatori molecolari
(AFLP, SSR, sequenze geniche e spacers), nelle analisi genetiche e fisiologiche sono documentate da pubblicazioni su
riviste internazionali con impact factor.
Rossigni S. Anna P. Casazza AP, Engelmann E., Havaux M., Jennings RC., Soave C. (2006) Suppression of both
ELIP1 and ELIP2 in Arabidopsis does not affect tolerance to photoinhibition and photooxidative stress. Plant Physiol.
141, 1-10 IF 6.114
Vazzola V., Losa A., Soave C., Murgia L. (2007) Knockout of frataxin gene causes embryo lethality in Arabidopsis.
FEBS Letters 381, 667-672. IF 3.415
Murgia I., Vazzola V., Tarantino D., Collier F., Ravet K., Baat JF., Soave C. (2007) Knockout of ferritin Atfer1 causes
earlier onset of age-dependent leaf senescence in Arabidopsis. Plant Physiol Biochem. In press.
Sono previste inoltre analisi di campioni vegetali, liquami e terreni presso laboratori esterni.

Unità Operativa 6

CREAR
UNIFI
Istituzione Università di Firenze, Centro interdipartimentale di Ricerca sulle Energie Alternative e Rinnovabili (CREAR)
Titolo della ricerca Analisi delle tecnologie di conversione energetica della biomassa e problematiche relative alle caratteristiche del feedstock.
Ente di appartenenza MiPAF, MIUR; CNR, ENEA, Privati, Altro
Indirizzo postale c/o Dipartimento di Energetica “S.Stecco”, Facoltà di Ingegneria, Via S.Marta 3, 50139 Firenze
Responsabile
scientifico della UO e
partecipanti
Francesco Martelli T +39 055 4796237, F + 39 055 4796342, francesco.martelli@unifi.it
Direttore CREAR-Univ.di Firenze
David Chiaramonti T +39 055 4796436, F + 39 055 4796342, david.chiaramonti@unifi.it
Docente corso Energie Rinnovabili, Fac.di Ingegneria
Giovanni Riccio – Ricercatore
Adriano Spadi - Assegnista
Matteo Prussi - Assegnista
Roberto Mussi- Dottorando
Renato Nistri – Assegnista
Leonardo Nibbi - Assegnista
Andrea Della Valle - Tecnico
Curriculum del
responsabile e
pubblicazioni negli ultimi
5 anni attinenti il progetto
David Chiaramonti è Ingegnere Meccanico, Dottore di Ricerca in Energetica, ricercatore presso l’Università di Firenze e docente del corso Energie Rinnovabili (Laurea in Ing.Meccanica ed Ing.Ambiente e Territorio). Si è specializzato in Energia ed in Energie Rinnovabili (principalmente nei settori Biomassa, Eolico ed Idroelettrico, e si è occupato di Trasferimento di Tecnologie e Know-how con i Paesi Terzi (Cina ed India).
E’ stato coordinatore e partner di diversi progetti e studi supportati dalla Commissione Europea (DGI-Aid, VI, XII-Research, XIII, XVII-Tren, JRC-Ispra), dalla World Bank (Asian Development Bank) e da Enti Nazionali (Min.Ambiente, Regioni, Province) nell’ambito dei settori di
competenza, sviluppando competenze specifiche relativamente alla preparazione, presentazione, gestione e coordinamento di progetti Europei. E’ esperto per la Commissione Europea per la valutazione di proposte R&D ed di programmi Comunitari.
E’ membro di diverse Associazioni, tra cui l’International Energy Agency, IEA-Bioenergy Task 34 (Biomass Pyrolysis), ed ISES-Italia, nonché della EU Biofuel Technology Platform e della Piattaforma Tecnologica Italiana Biocarburanti. Chairman e membro dei Comitati Scientifici di numerose Conferenze (EU Biomass Conference, Int.Symp.of Alcohol Fuels, etc), e reviewer per Fuels (Elsevier), Energy & Fuels (American Chemical Society). E’ coordinatore scientifico del
corso ISES-Italia sulle biomassa, e docente a numerosi altri corsi in Italia.
E’ stato consulente nel settore dei sistemi Qualità UNI-EN-ISO 9000 ed è certificato CEPAS per i Sistemi di Gestione Ambientale secondo la norma UNI-EN ISO 14000.

Recenti esperienze come coordinatore

2006-2009: VOICE-Vegetable Oil Initiative for a Cleaner Environment, LIFE06 ENV/IT/257, DG Env.
2006-2009: BIO-MGT Innovative Small Scale Polygeneration System Combining Biomass and Natural Gas in a Micro Gas Turbine, Sust.Dev.Programme, TREN/05/FP6EN/S07.61881/019675, DG Tren.(1) (2) 2005-2006: Utilizzo di Olio Vegetale puro per I trasporti agricoli, Provincia di Firenze.(2) 2001-2002: (DGResearch), ECHI-T: Large scale ethanol production from Sweet Sorghum in
Italy and China.

Recenti esperienze come partner

2005-2007: THERMALNET An integrated network on thermal biomass conversion for power,
heat and transport fuels. Intell.Energy for Europe, EIE 2003-159, IEE Agency (DG Tren).
2005-2007: BIOSOUTH Techno-economical assessment of the production and use of biofuels
for heating and cooling applications in South Europe. EIE/047255/S07.38609, IEE Agency (DG
Tren).
2002-2006: COMBIO-A New Competitive Liquid Biofuel for Heating. ENK5-CT-2002-00690,
DG Res.

Alcune recenti pubblicazioni:
Chiaramonti D., Bonini M., Fratini E., Tondi G., Gartner K., Bridgwater A. V., Grimm H. P., Soldaini I., Webster A. and Baglioni P.. Development of emulsions from biomass pyrolysis liquid and diesel and their use in engines––Part 1 : emulsion production. Biomass and Bioenergy, Volume 25, Issue 1, July 2003, Pages 85-
99, Elsevier.
Chiaramonti D., Bonini M., Fratini E., Tondi G., Gartner K., Bridgwater A. V., Grimm H. P., Soldaini I., Webster A. and Baglioni P. Development of emulsions from biomass pyrolysis liquid and diesel and their use in engines––Part 2: tests in diesel engines. Biomass and Bioenergy, Volume 25, Issue 1, July 2003, Pages 101- 111, Elsevier
Chiaramonti D., Oasmaa A. Solantausta Y. Power generation using fast pyrolysis liquids from biomass, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Elsevier, 11 (2007) 1056-1086.
Chiaramonti D., Soldaini S., Milani S., Bonini M., Baglioni P. Testing of pyrolysis oil emulsions in small scale boiler pumps: preliminary results. In: Science in Thermal and Chemical Biomass Conversion, Ed. A.V.Bridgwater, Victoria, Vancouver (CA), 29 August – 2 September 2004.
Solantausta Y., Nieminen M., Oasmaa A., Gust S., Baglioni P., Chiaramonti D., Massoli P., Calabria R., Lindman E., Nyrönen T. Development of a Low Emission Biofuel Chain for Heat Boilers. Proceedings of the 14th European Biomass Conference, 17-21 October 2005, Paris, France.
Chiaramonti D., Riccio G., Baglioni P. Bonini M.., Milani S., Soldaini I., Calabria R., Massoli P.. Spray of Biomass Pyrolysis Oil Emulsions: Modelling and Experimental Investigation – Preliminary Results. Proceedings of the 14th European Biomass Conference, 17-21 October 2005, Paris, France.
Chiaramonti D., Riccio G., Martelli F. BIO_MGT: Co-firing Biomass and Fossil Fuel in a Dual Combustion Micro Gas Turbine. Proceedings of the 14th European Biomass Conference, 17-21 October 2005, Paris, France.
D. Chiaramonti, M. Prussi, G. Braccio. Gasification: Combined Heat and power production, based on small scale gasification technology. Success and Visions for Bioenergy Salzburg (A), 2007
D. Chiaramonti, M. Prussi, G. Braccio, V.K. Sharma. Investigation on short bioenergy chains with vegetable oil

Competenze dell’Unità Operativa in relazione al progetto

Il Centro di Ricerca per le Energie Alternative e Rinnovabili dell’Università di Firenze si occupa da diversi anni,
attraverso i suoi membri e ricercatori, di energie rinnovabili. Coordina numerosi progetti Europei e Nazionali in questo
settore, ed un considerevole numero di questi vertono su bioenergia e biocombustibili. Parte di questi sono riportati al
precedente punto 6. CREAR collabora da anni con Enti di ricerca (es ENEA), Enti locali (Regioni, Province) ed
imprese produttrici di tecnologie (es Capstone, Turbec) che biocombustibili (es Mossi & Ghisolfi).

Descrizione della ricerca

Stato dell’arte specifico

L’utilizzo di biomassa combustibile in impianti stazionari per la generazione di energia (termica, elettrica o
cogenerazione) presenta caratteristiche peculiari. La correlazione tra caratteristiche impiantistiche (in termine di
tecnologia utilizzata) e caratteristiche della biomassa utilizzata risulta particolarmente rilevante, tale addirittura da
portare ad escludere alcune combinazioni.
Sia la composizione chimica che quella fisica della biomassa giocano un ruolo di primaria importanza nel definire le
tecnologie bioenergetiche di utilizzo. Sia il quantitativo che la composizione delle ceneri, ad esempio, influenzano i
sistemi di combustione e la tecnologia selezionata, in quanto il comportamento delle braci nel combustore variano
significativamente a seconda della provenienza del biocombustibile (in primis la temperature di sinterizzazione e più in
generale il comportamento delle ceneri ad elevata temperatura).
Analogamente, il contenuto di umidità ha un impatto sulla temperatura adiabatica di combustione e sui volumi dei fumi
(e quindi sulle dimensioni di impianto) da gestire.
Se invece si affrontano tecnologie di conversione più avanzate, quali pirolisi o gassificazione, i vincoli sui contenuti di
umidità in ingresso e sulle caratteristiche chimiche possono diventare ancora più stringenti. Per tali tecnologie, inoltre,
diventano ancor più determinanti altri elementi (di carattere fisico) legati, ad esempio, alla pezzatura della biomassa, in
quanto le caratteristiche e la rapidità dello scambio termico nel reattore influenzano significativamente sia i quantitativi
che la qualità dei prodotti (gas, tar, char).
Esiste una ampia letteratura in materia di tecnologie per la biomassa, che descrive ed investiga questi elementi in modo
approfondito. Molto spesso, però, tali elementi rimangono patrimonio dell’industria, e solo in parte vengono trasferiti
alla componente agricola della filiera, che in realtà beneficerebbe dalla piena comprensione di questi aspetti tecnologici
proprio al fine di ottimizzare la filiera.
L’attività proposta mira proprio a combinare questi elementi, nell’ottica di fornire gli elementi essenziali relativi
all’utilizzo di diverse tipologie di biomassa (erbacee ed arboree, annuali e poliennali, etc) e necessari per
l’ottimizzazione delle filiere e lo sfruttamento di potenziali produttivi ancora esistenti.

Obiettivi specifici

Le attività previste dal piano di lavoro mirano ad approfondire e stabilire correlazioni tra i diversi e possibili
biocombustibili e gli impianti a cui questi saranno utilizzati per la generazione di energia. In particolare, il lavoro si
prefigge lo scopo di catalogare in matrici le corrispondenze tra tecnologie e biomassa in ingresso, al fine di fornire una
quadro rappresentativo delle alternative possibili.
Verranno considerate biomasse dedicate di tipo erbaceo, sia annuali che poliennali, che arboree dedicate (foreste a
rapida rotazione).
In questa valutazione verrà preso in esame anche il livello di maturità tecnologica dei vari impianti considerati, e svolte
considerazioni in merito non solo a prestazioni attese (efficienza) ma anche rispetto ad altri elementi quali affidabilità,
aspetti ambientali connessi, etc.
Il progetto fornirà una panoramica sulle possibili opzioni di pretrattamento, sia meccaniche che termiche, siano esse
tecnologicamente mature o di prossima introduzione sul mercato (individuando in tal caso il livello di ricerca ancora
presumibilmente necessario alla loro completa maturazione), ed indicherà la relazione tra caratteristiche chimico-fisiche
e possibilità di utilizzo. In questo scenario le biomassa saranno esaminate anche in funzione delle variazione che queste
presenteranno al variare delle modalità e del periodo di raccolta.
L’obiettivo principale di questa fase del lavoro sarà quello di identificare le eventuali possibilità di ottimizzazione
nell’ambito del panorama impiantistico esistente in Italia, valutando le tecnologie in funzione delle caratteristiche e
soprattutto delle potenzialità del territorio.
Relativamente alle tecnologie di conversione energetica, l’azione fornirà una panoramica delle opzioni possibili
(combustione, gassificazione, pirolisi), descrivendo le caratteristiche di ognuna anche in funzione della taglia di
impianto.

Piano di attività

L’attività proposta si svolgerà secondo il seguente programma di lavoro:
1.Analisi e selezione tipologie di biomassa. Classificazione delle principali tipologie di biomassa. Selezione, in accordo con gli altri gruppi di lavoro, delle tipologie di maggior interesse.
2.Caratterizzazione chimico-fisica delle biomassa considerate. Analisi delle principali caratteristiche chimico-fisiche delle biomasse selezionate, sulla base della letteratura e dei database esistenti. Valutazione delle principali criticità.
3.Analisi tecnologie di pretrattamenti. La scelta tecnologica relativamente al pretrattamento della biomassa condiziona in modo significativo la conversione termochimica della stessa negli impianti. La possibilità di intervenire non solo addensando ed essiccando (es.compattazione in briquette o pellet) ma anche in modo più complesso e meno convenzionale (tramite processi termici decentralizzati o centralizzati) verrà analizzata e descritta nei suoi principali
elementi.
4.Analisi tecnologie di conversione. Le differenti opzioni tecnologie di conversione termochimica verranno descritte,
in termini di prestazioni, dimensioni caratteristiche, possibilità di downscaling od upscaling, livello di maturità
tecnologica, prospettive di sviluppo futuro attese. In particolare, inoltre, lo studio sarà condotto nell’ottica generale di
individuare la capacità delle diverse opzioni tecnologiche di accettare diverse tipologie di biomassa. La flessibilità nei
confronti del feedstock, sia come caratteristiche chimiche che come aspetto fisico (es pezzatura) sarà quindi un
elemento tenuto in particolare considerazione nel lavoro.
5.Analisi dell’utilizzo di biomassa in impianti di conversione termochimica. In questa attività verranno considerate
le diverse combinazioni possibili tra le tipologie di biomasse selezionate e le soluzioni impiantistiche esistenti, ed
identificate le opportunità esistenti e le criticità attese, al fine di poter stimare le possibilità di intervento e di
ottimizzazione in contesti esistenti e formulare raccomandazioni per le nuove installazioni.
6.Analisi impianti esistenti sul territorio. In questa fase verrà condotta una ricerca bibliografica volta ad identificare i
diversi impianti di generazione elettrica presenti sul territorio Nazionale, caratterizzarli (sulla base delle informazioni
che sarà possibile reperire) ed inquadrarli – in collaborazione con gli altri gruppi di lavoro – in funzione delle
potenzialità dei bacini potenziali di approvvigionamento.
7. Conclusioni. L’ultima fase di lavoro mira a riassumere in un documento organico e coordinato i risultati delle fasi
precedenti, e rappresentare i risultati in modo da renderli fruibili ad un ampio pubblico oltre che alla comunità
scientifica.

Articolazione temporale delle attività

Il Piano di lavoro proposto si svolgerà secondo il seguente percorso temporale.

Attività Sem1.-Anno 1 Sem2.-Anno 1 Sem1.-Anno 2 Sem2.-Anno 2 Sem1.-Anno 3 Sem2.-Anno 3
1.Analisi e selezione
tipologie di biomassa
           
2.Caratterizzazione
chimico-fisica delle
biomassa considerate
           
3.Analisi tecnologie di
pretrattamenti
           
4.Analisi tecnologie di
conversione
           
5.Analisi dell’utilizzo di
biomassa in impianti di
conversione termochimica
           
6.Analisi impianti esistenti
sul territorio
           
7. Conclusioni            

Ostacoli prevedibili ed azioni correttive

Le principali difficoltà attese riguardano la valutazione delle tipologie di impianti esistenti sul territorio nazionale (attività 6). Mentre in letteratura esistono già, infatti, analisi sulla presenza di impianti a biomassa in Italia, si tratta spesso di informazioni aggregate per macroaree e non sufficientemente dettagliate per svolgere considerazioni tecniche ed impiantistiche relative alla tipologia di feedstock. Per le rimanenti attività non si prevedono particolari difficoltà.

Risultati attesi

L’obiettivo generale è quello di predisporre e definire un quadro generale di tipo prettamente tecnologico in grado di fornire le necessarie informazioni rispetto alla tipologia di biomassa in ingresso. Questo quadro permetterà di analizzare e supportare l’ottimizzazione delle situazioni attuali, definendo eventuali opzioni percorribili alternative all’esistente e quindi favorendo e supportando non solo l’ottimizzazione della filiera quanto la diversificazione, ove possibile, delle risorse di feedstock in ingresso Queste considerazioni avranno un loro particolare riflesso in merito alla taglia di impianto, in quanto le soluzioni possibili risultano significativamente sensibili alla dimensione di impianto.

Ricadute e benefici

Le ricadute ed i benefici attesi possono essere riassunte nei seguenti elementi principali: Prestazioni: l’analisi potrebbe fornire utili indicazioni ad ottimizzare la logistica della filiera in considerazione delle caratteristiche di impianto, migliorando quindi il sistema nel suo complesso. Economia: il miglioramento del sistema (filiera) agroenergetico grazie all’analisi approfondita delle soluzioni impiantistiche rispetto alle caratteristiche della biomassa contribuirà a creare un maggior ritorno economico da queste iniziative agroindustriali. Sostenibilità: l’ottimizzazione della filiera causerà necessariamente un miglioramento generale complessivo della sostenibilità della filiera, pur essendo questo elemento trattato da altri gruppi di lavoro Diffusione: il risultato complessivo che potrà essere raggiunto dalle attività del progetto (non solo delle attività qui descritte, ma dalla somma di tutte quelle inserite in questo progetto) sarà quindi quello di favorire una maggiore diffusione della bioenergia nel territorio.

Collaborazioni esterne

Sulla base dei risultati delle attività svolte nelle altre azioni di progetto, potrà essere eventualmente necessario affiancare lo studio con eventuali analisi mirate a caratterizzare le diverse tipologie di biomassa selezionate (in modo da valicare dati di letteratura), da assegnare ad un laboratorio qualificato esterno, o procedere a prove in caldaia (attualmente comunque non previste) con misura di alcune tipologie di emissioni inquinanti.

Unità Operativa 7

Istituzione Dipartimento di Agronomia e Gestione dell’Agroecosistema - D.A.G.A. - Università di Pisa
Titolo della ricerca Riduzione degli input colturali in Helianthus annuus, Brassica napus e Brassica carinata destinate alla produzione di bio-carburanti
Ente di appartenenza MIUR
Indirizzo postale Via S. Michele degli Scalzi 2, 56100 Pisa
Responsabile
scientifico della UO e
partecipanti
Marco Mazzoncini - tel. 050 599256 – fax. 050-540633 - mazzo@agr.unipi.it : responsabile
Luciana Angelini - tel. 050 599242 – fax. 050-540633 - angelini@agr.unipi.it : partecipante
Nicola Silvestri - tel. 050 599215 – fax. 050-540633 - nsilve@agr.unipi.it : partecipante
Paola Belloni - tel. 050 2210507 – fax. 050-2210503 – belloni@avanzi.unipi.it : partecipante
Daniele Antichi - tel. 050 599256 – fax. 050-540633 – dantichi@sssup.it : partecipante
Curriculum del
responsabile e
pubblicazioni negli ultimi
5 anni attinenti il progetto
Marco Mazzoncini è nato a Livorno il 20 Aprile 1955, ha conseguito la Laurea in Scienze Agrarie presso
l'Università degli Studi di Pisa il 18 Dicembre 1981. Abilitato alla professione di Agronomo a Pisa nel
Dicembre 1982, è iscritto all'Ordine dei Dottori Agronomi della provincia di Livorno dal 1983. Dal 1982 al 1986 ha svolto attività di ricerca presso il Centro Interdipartimentale di Ricerche Agro-Ambientali "Enrico Avanzi" dapprima come borsista con un premio di studio della Fertimont S.p.A. sul tema della fertilizzazione liquida e successivamente quale collaboratore esterno. Presso il suddetto Centro ha condotto anche ad alcune ricerche per conto della società Fiat Trattori. Nel 1985, è risultato vincitore ex-aequo della prima edizione del premio di studio "G. Vicentini" per la migliore tesi di laurea inerente le colture oleaginose. Nel 1986, è risultato vincitore al primo posto nel concorso per l'ammissione al Corso di Dottorato di Ricerca in "Colture erbacee da olio e da proteina" dell'Università di Pisa. Nel 1987 è risultato vincitore del concorso per un posto di tecnico laureato all'Istituto di Agronomia dell'Università di Pisa; incarico che ha ricoperto dal gennaio del 1988 all'ottobre del 1992. Nel 1991 ha partecipato, con successo, al concorso per professore associato (settore scientifico disciplinare G02A). Dal novembre del 1992 al novembre del 1995 ha prestato servizio presso l'Istituto di Agronoma e Coltivazioni erbacee dell'Università degli Studi di Reggio Calabria. Dal novembre del 1995 è in servizio presso il Dipartimento di Agronomia e Gestione dell’Agroecosistema dell’Università degli Studi di Pisa come docente di Coltivazioni Erbacee. Dal 1996 al 2003 è stato vice-Direttore del Centro Interdipartimentale di Ricerche Agro-Ambientali “Enrico Avanzi”. Dal 1991 è socio della Società Italiana di Agronomia. Dal 1997 è socio della Società Italiana di Scienza del Suolo. La sua attività di ricerca (documentata da oltre 190 pubblicazioni scientifiche e divulgative) si è articolata sia nel settore dell'Agronomia Generale sia in quello delle Coltivazioni Erbacee, interessando principalmente i seguenti settori: fertilizzazione delle principali colture erbacee di pieno campo, lavorazioni del terreno, consumi idrici delle colture, valutazione di varietà di colza da olio, soia, brassicacee ad uso non alimentare e cereali autunnovernini, valutazione di ibridi di girasole, studio degli avvicendamenti colturali, dei sistemi colturali e dell’erosione idrica del terrenoe. Il prof. Mazzoncini ha partecipato a diversi di progetti di ricerca nazionali ed internazionali sia in qualità di partner che di coordinatore (RAISA, PANDA, PRISCA, U.E Environmental Programm Contract n.EV5V-CT93-0244; responsabile per l’Ateneo pisano del Progetto Interreg “Produzione, analisi e valorizzazione del biodiesel da olii vegetali”; coordinatore nazionale del progetto finanziato dal MURST “Gestione degli Agroecosistemi nel bilancio di gas ad effetto serra”; responsabile per l’Italia delle attività di ricerca condotte nell’ambito del Progetto INCO-EU “Revolso - Alternative Agriculture for a Sustainable Rehabilitation of Deteriorated Volcanic Soils in Mexico and Chile”; coordinatore dei progetti “Biovit - Biolubrificanti vegetali per l’industria toscana” e “Dulvit - Diffusione ed Utilizzo dei Lubrificanti Vegetali per l’Industria Toscana” entrambi finanziati dalla Regione Toscana; responsabile della filiera Biodiesel nell’ambito del Progetto “Activa – Analisi delle Colture Toscane per Usi Industriali e per la Valorizzazione dell’Ambiente” promosso da ARSIA-Tosana; partner del progetto Interreg IIIC - Ecosint: “Gestione agro-territoriale sostenibile per i lubrificanti tessili".
Pubblicazioni più attinenti al Progetto:
- Bonari E., Mazzoncini M., Petrini C., Bazzocchi R., Masoni A., 1996. Effect of irrigation and nitrogen supply on biomass production from sorghum in northern-central Italy. Agricoltura Mediterranea, 126, 217-226.
- Mazzoncini M., Rosso F., Crocè L., 1998. Brassica carinata. In: “Oleaginose non alimentari” Ed.: G. Mosca. Edagricole, 73-81.
- Mazzoncini M., Lorenzi R., Risaliti R., Sorce C., Ginanni M., Curadi M., 1999. Clortoluron dissipation in clay soil under different tillage systems. Proceeding of the XI Symposium Pesticide Chemistry, Cremona, 12-15 settembre 1999; 413- 423.
- Mazzoncini M., Santonoceto C., Crocè L., Giuffrè A.M., 1999. Agronomic performance and seed quality of Brassica napus, B. carinata and B. juncea different lines grown in southern Italy environmental conditions. Proceeding of the10th International Rapeseed Congress, 26-29 September 1999, Camberra Australia (su CD)
- Mazzoncini M. e Angelini L., 2002. Brassicaceae e nuove specie oleaginose per usi industriali non alimentari. Rivista di Agronomia, 36, 1, 53-68.
- Cardone M., Mazzoncini M., Menini S., Rocco V., Senatore A., Reggiani M., Vitolo S., 2003. Brassica carinata as an alternative oil crop for the production of biodiesel in Italy: agronomic evaluation, fuel production by transesterification and characterization. Biomass & Bioenergy, vol. 25, 6, 623-636.
- Mazzoncini M., 2004. Principali problematiche della filiera dei biocarburanti. Atti del Convegno “Chimica verde: dall'agricoltura materie prime rinnovabili e a basso impatto ambientale”.(CD). Firenze, Fortezza da Basso, 1-3 aprile 2004.
- Bonari E., Mazzoncini M., Ginanni M., Picchi M., Silvestri N., 2005. Colture legnose a breve rotazione nella pianura pisana. Agroindustria, vol. 4, 1, 49-54.
- Lazzeri L., Mazzoncini M., Rossi A., Bartolini G., Giovannelli L., Pedriali R., Petroselli R., Patalano G., Agnoletti G., Borgioli A., Croce B. and Davino L., 2006. Biolubricants for the textile and tannery industries as an alternative to conventional mineral derived oil: an application experience in the Tuscany province. 2005 AAIC Annual Meeting: International Conference on Industrial Crops and Rural Development September 17-21, 2005 Murcia, Spain Mazzoncini M. e Bonari E., 2007. Aspetti agronomici ed ambientali delle filiere agro-energetiche. Agriforenergy, 1, 33-38.

Competenze dell’Unità Operativa in relazione al progetto

Al Dipartimento di Agronomia e Gestione dell’Agroecosistema dell’Università di Pisa afferiscono 25 docenti di raggruppamenti disciplinari diversi (Agronomia e Coltivazioni erbacee, Meccanica e Idraulica Agraria, Botanica, Zootecnia, Estimo, Economia Agraria). Per la forte componente applicativa della gran parte delle discipline di cui sopra, molti risultati delle ricerche condotte dal Dipartimento trovano, ed hanno trovato, applicazione in campo agricolo (direttamente a livello aziendale e/o a livello di industrie al servizio dell’agricoltura) grazie alla loro diffusione attraverso pubblicazioni tecniche e divulgative di settore, e attraverso forme diverse di partenariato con strutture preposte al trasferimento dell’innovazione sul territorio toscano come ARSIA, Coldiretti, Confagricoltura, CIA e Enti privati. Tra le ricerche che più frequentemente hanno fornito risultati trasferibili al mondo operativo si possono ricordare: l’impiego di coperture di diversa natura e colore per serre fredde (Favilli, anni ’70); tecniche colturali e miglioramento genetico del girasole (Benvenuti e Vannozzi, anni ’80); concimazione minerale per colture di pieno campo (Miele e Bonari, dagli anni ‘80); apparecchiature per la valutazione in situ dei fabbisogni idrici delle colture e successiva programmazione dell’intervento irriguo (Megale e Bertolacci, dagli anni ‘90); tecniche e macchine per la lavorazione e la semina su terreno sodo (Bonari, Mazzoncini e Peruzzi; dagli anni ’90); tecniche colturali a basso impiego di input (Bonari, Mazzoncini e Silvestri, dalla metà degli anni ’80); studio di colture a destinazione non alimentare (Bonari, Mazzoncini, Angelini, dagli inizi degli anni ’90); produzione sostenibile di piante da coloranti naturali (Angelini, Mazzoncini e Bonari, a partire dagli anni ’90); studio di sistemi agricoli alternativi (Mazzoncini, Bonari, Peruzzi, a partire dalla fine degli anni ’90); progettazione, realizzazione ed impiego di attrezzature per il controllo fisico delle infestanti in orticoltura (Peruzzi); approfondimento e diffusione delle problematiche connesse allo sviluppo delle filiere agro-energetiche e non-alimentari (Mazzoncini, Brunori, Angelini) e molte altre ancora che indirettamente hanno contribuito allo sviluppo dell’agricoltura ed alla salvaguardia dell’ambiente a livello regionale e nazionale. Nel 2002 il Dipartimento ha partecipato al Progetto PRISCA ed ha coordinato il progetto pilota BIOVIT – Biolubrificanti vegetali per l’industria toscana, nell’ambito del programma regionale “Innovazione Tecnologica in Toscana” avente come scopo l’attivazione di una filiera agroindustriale destinata alla produzione di biolubrificanti per l’industria tessile e conciaria della Regione Toscana. In occasione di questo progetto si è costituita una “rete” di esperti e di operatori del mondo agricolo in grado percepire ed affrontare le problematiche delle filiere del “no-food” che ha sviluppato altri progetti per la valorizzazione dei rapporti tra mondo agricolo ed industriale come il progetto ACTIVA – Analisi delle Colture Toscane per Usi Industriali e per la Valorizzazione dell’Ambiente; il progetto DULVIT – Diffusione e Utilizzo dei Lubrificanti Vegetali per l’Industria Toscana - e più recentemente il progetto GAT-SPOT - Gestione Agro-Territoriale Sostenibile per la Produzione di Oli Tessili. Il Dipartimento di Agronomia e Gestione dell’Agroecosistema dispone, inoltre, delle strutture e del personale necessari alla realizzazione delle ricerche di carattere agronomico, economico, zootecnico e tecnico-ingegneristico. In particolare, dispone di appezzamenti destinati alle ricerche di campo (complessivamente circa 25 Ha) e 5 laboratori: di “campagna” per la prima “lavorazione” dei campioni di terreno e vegetali (Stazione Sperimentale di Rottaia), per la lavorazione” fine dei campioni di vegetali e di terreno; laboratorio di analisi chimiche, laboratorio di analisi fisico meccaniche del terreno mentre il quinto è sede dell’attività di controllo e certificazione di partite di semi anche per conto dell’ENSE. La partecipazione al Progetto PriSCA fin dal 1992 e la collaborazione al progetto di ricerca sulle Short Rotation Forestry (S.R.F.) realizzato presso il Centro Interdipartimentale di Ricerche Agro-ambientali “Enrico Avanzi” dell’Università di Pisa hanno permesso la crescita complessiva del Dipartimento nel settore delle colture da energia e non soltanto in termini di competenze scientifiche ma anche gestionali in relazione al tipo di sperimentazione di campo che le specie “alternative” richiedono in termini di riproduzione del materiale di propagazione, di gestione delle parcelle delle specie pluriennali e di rilievi specifici.

Descrizione della ricerca

Stato dell’arte specifico

Sulla base dell’ampia attività di ricerca condotta da oltre 20 anni, risulta evidente che tra le filiere agro-enegetiche quella del biodiesel è senza dubbio la più collaudata da un punto di vista tecnicoingegneristico, normativo ed applicativo. Non a caso, infatti, questa fonte di energia alternativa sta vivendo un ruolo da protagonista all’interno della politica agro-energetica ed ambientale della U.E. che dal 2003 sollecita gli stati membri a sviluppare filiere indirizzate alla produzione di biodiesel (2003/30/CE) che trovano le migliori condizioni di sviluppo nelle condizioni agro-pedo-climatiche dei Paesi europei. A fronte di una così chiara indicazione a livello europeo e nazionale (legge 2 del 10.1.2006), questa filiera (in tutte le sue fasi: da quella agricola a quella di commercializzazione passando dalla trasformazione primaria e secondaria) stenta ad affermarsi, soprattutto in Italia dove i limiti al suo sviluppo sembrano riconducibili essenzialmente alla scarsa convenienza economica del biodiesel rispetto al gasolio per autotrazione di origine fossile, nonostante il forte incremento del prezzo del petrolio registrato negli ultimi 12-18 mesi. Il problema del costo del biodiesel è legato principalmente al costo della materia prima “olio” ottenuto da semi di girasole o colza di origine nazionale che generalmente hanno costi superiori a quelli di provenienza estera (America del Nord e del Sud, Est Europa). Questo aspetto rappresenta sicuramente uno dei principali punti critici della filiera del biodiesel che potrebbe essere parzialmente superato con opportuni interventi di tipo agronomico. Considerando che le voci che maggiormente incidono sul costo di produzione complessivo di una coltura sono rappresentate dalle lavorazioni meccaniche (lavorazione principale, preparazione del letto di semina, semina e lavorazioni complementari) e dalle concimazioni (quella azotata in particolare) sarebbe opportuno, nell’ottica di cui sopra, ricercare, anche in funzione delle caratteristiche agro-pedoclimatiche di riferimento, una o più strategie di gestione agronomica che consentano di ridurre l’incidenza, in termini economici, della lavorazione del terreno e della concimazione delle colture oleaginose destinabili alla produzione di biodiesel (girasole, colza e brassica carinata). Dal punto di vista agroecosistemico, si tratterebbe di ridurre il flusso di energia sussidiaria in maniera più che proporzionale all’eventuale conseguente minore produzione di energia da parte del sistema considerato migliorando, probabilmente, il bilancio energetico delle colture. Questo tipo di approccio, oltre a contenere i costi di produzione, potrebbe consentire anche di ridurre l’energia complessivamente immessa nel processo produttivo rendendo ambientalmente più sostenibile la produzione di energia da biomasse. Nel nostro Paese, la tecnica colturale del girasole e del colza (le due specie di maggiore interesse alla produzione di olio per biodiesel o per l’utilizzazione t.q.) è già stata ripetutamente affinata ma sempre nell’ottica delle produzioni alimentari e della riduzione dell’impatto ambientale (tecniche di agricoltura integrata o low-input); quando invece il processo di produzione si rivolge alle biomasse ad utilizzazione energetica diviene fondamentale ridurre al massimo l’impiego di energia nell’intera filiera ottimizzando così il rapporto tra energia immessa ed energia prodotta. Sotto questo aspetto la tecnica di coltivazione del girasole e del colza potrebbe essere rivista con particolare attenzione proprio alle lavorazioni del terreno ed alla concimazione azotata che rappresentano due voci importanti nel bilancio economico ed energetico delle colture. Per quanto riguarda la tecnica di lavorazione del terreno, la ricerca dovrebbe indirizzarsi verso lo studio di forme estremamente semplificate di preparazione del terreno come la lavorazione minima o la non-lavorazione. Queste tecniche determinano una drastica riduzione dei tempi di lavoro e dei consumi di carburante utilizzato dalle trattrici e quindi un significativo risparmio economico ed energetico che potrebbero influenzare positivamente sia il bilancio economico delle colture che quello energetico purché la produttività delle colture allevate con queste tecniche non risulti oltremodo sacrificata dalle mutate condizioni edafiche. Per quanto riguarda la lavorazione minima, in condizioni climatiche favorevoli come quelle francesi, l’impiego di questa tecnica semplificata ha prodotto leggeri incrementi produttivi del girasole rispetto alla tecnica convenzionale dell’aratura sia su terreni argillosi (3,11 t/ha di granella vs 3,00) che sabbio-limosi (3,82 t/ha di granella vs 3,42) (Perny, 1993). Per quanto riguarda la possibilità di seminare il girasole direttamente sul terreno non lavorato, i risultati delle poche ricerche italiane (Peruzzi et al., 2006), sembrano comunque in linea con quelli ottenuti dai più numerosi studi condotti in Francia, Spagna, Argentina e Kansas. In Francia, Perny (1993) ha registrato una sostanziale equivalenza tra le rese granellari del girasole coltivato con tecnica convenzionale e non-lavorazione, sia sui terreni argillosi del sud-ovest (3,0 t/ha con la tecnica convenzionale e 3.2 t/ha con la semina su sodo) che sui terreni argillosi dell’alta Garonna (3,0 t/ha con la tecnica convenzionale e 3.1 t/ha con la semina su sodo come media dei risultati ottenuti nel periodo 1985-1991). In Spagna, Ballesteros e Guerrero (1986), operando in ambiente particolarmente difficile, non hanno registrato alcuna flessione di resa. Nella valle del Guadalchivir, Giraldez e colleghi (1986) hanno più che raddoppiato la produzione granellare del girasole passando dalla tecnica convenzionale alla non-lavorazione (da 1,29 t/ha a 2,78 t/ha rispettivamente). In tre località della Andalusia, Mesa Garcia e collaboratori (1986) hanno potuto apprezzare una migliore risposta produttiva del girasole “su sodo” in annate con primavera secca, registrando incrementi produttivi attribuibili a questa tecnica variabili dal 3% al 7%; in una sola esperienza è stata osservata una flessione del 4%. Incrementi produttivi dello stesso ordine sono stati ottenuti da Valerta Gil (1986) in diverse località spagnole (12): a fronte di un incremento produttivo medio rispetto alla tecnica convenzionale di circa il 2%, nelle diverse località la risposta produttiva del girasole è stata quasi sempre superiore con la non-lavorazione (dal 2% al 201% in 8 casi studio) e solo in tre località è stata registrata una flessione produttiva variabile dal 13% al 18% (in un solo caso le rese delle due tecniche sono state analoghe). In tutte le esperienze spagnole è stata sottolineata dagli autori la capacità di conservazione dell’umidità del terreno da parte della tecnica di nonlavorazione ed il suo importante ruolo nell’incremento delle rese del girasole in ambienti particolarmente difficili (come testimoniano i bassi livelli dei resa raggiunti dall’oleaginosa in questi ambienti: 1,2-1,3 t/ha di granella secca). Anche le ricerche condotte in Argentina da Diaz-Zorida e collaboratori (2002) hanno messo in evidenza l’adattabilità del girasole alla semina su sodo nelle annate più siccitose così come ha osservato Norwood (1999) in Kansas. Nella sua ricerca quadriennale, Norwood riporta un incremento produttivo medio di oltre il 16% delle rese granellari del girasole su sodo rispetto a quello allevato su terreno arato (in 2 dei 4 anni di studio la non-lavorazione ha fatto registrare incrementi statisticamente significativi del 19% e 38%). Per quanto riguarda l’effetto prodotto dalle lavorazioni del terreno sulla coltura della colza, in una rassegna curata da Bonari (1988) sono stati sintetizzati i risultati di numerose esperienze che hanno posto a confronto tecniche di lavorazione minima e non-lavorazione con quella convenzionale. Per quanto riguarda la prima, il livello produttivo della colza, medio di diverse ricerche (Fabry et al., 1975; Ellis et al., 1982; Rydberg, 1982), è risultato di 2,23 t/ha di granella secca contro i 2,07 t/ha ottenute nelle stesse esperienze con la tecnica convenzionale. Delle 13 esperienze analizzate 10 hanno fornito risultati analoghi tra le due tecniche, 2 risultati più decisamente favorevoli alla lavorazione minima e 1 decisamente sfavorevole. La risposta produttiva della colza alla tecniche di non-lavorazione è risultata ugualmente interessante. Già dalla rassegna di Bonari (1988) era emersa l’adattabilità di questa specie alla semina su terreno non-lavorato: sulla base dei risultati di 35 ricerche la produttività media della colza su terreno sodo è risultata identica a quella ottenuta su terreno arato (2,85 t/ha). Dei 35 confronti analizzati buona parte (30) hanno fornito risultati simili per le due tecniche analizzate, 3 hanno prodotto risultati più favorevoli alla non-lavorazione e 1 alla lavorazione tradizionale (Cedell, 1983; Vez e Vullioud, 1971; Vez, 1972; Pouzet e Rollier, 1983; Ellis et al., 1982; Almond, et al., 1984; Cannell, 1985; Leval, 1984). I migliori risultati ottenuti con la non-lavorazione sono stati spesso attribuiti alla più completa emergenza della colza su terreno non-lavorato ed alla capacità di superare periodi siccitosi senza incorrere in stress eccessivi; di contro i risultati peggiori sono stati attribuiti al compattamento del terreno, alla sua scarsa permeabilità e alla maggiore presenza di parassiti. Risultati simili sono stati ottenuti più recentemente in Svizzera (Muzafar et al., 2000) in due esperienze di lungo periodo dalle quali è emersa, in media, una lieve flessione della produttività della colza su terreno non-arato (8%). Le esperienze condotte nel Nord America indicano incrementi di resa con la non-lavorazione variabili dall’1% fino al 14% rispetto alla tecnica convenzionale (Johnston, 2002). In India, in condizioni di ridotta produttività (1,2 t/ha di granella secca), Sarkar e collaboratori (2007), sostituendo la tecnica convenzionale con la non-lavorazione, hanno registrato incrementi produttivi della Brassica napus del 20-21%. Un crescente interesse verso questa tecnica, suffragato da lusinghieri risultati produttivi ottenuti soprattutto in annate con estati siccitose, è stato segnalato in Svezia, Danimarca e Germania centrale da Christen e collaboratori (1999). Analogamente anche Christian e Bacon (1990) in Inghilterra hanno frequentemente rilevato un incremento delle produzioni granellari della colza sostituendo l’aratura tradizionale con la non-lavorazione. Anche in Francia la colza è risultata in grado di adattarsi alla semina su terreno non-lavorato facendo registrare rese granellari, medie di più esperienze condotte in diverse province della Francia, dell’ordine delle 2,1 t/ha in entrambi i sistemi (non-lavorazione e lavorazione convenzionale); in relazione alle località di prova, le differenze tra i due sistemi sono oscillate dal 30% a favore della non-lavorazione al 17% a favore della lavorazione convenzionale (Perny, 1993). Sulla base delle numerose ricerche finora condotte sull’argomento, appare quindi estremamente interessante saggiare anche nei nostri ambienti la possibilità di ricorrere a tecniche semplificate di lavorazione del terreno per girasole, colza e brassica carinata, soprattutto in considerazione del fatto che in molti ambienti del Centro e del Sud del nostro Paese si verificano spesso quelle condizioni pedo-climatiche che minimizzano il divario produttivo tra le colture allevate con tecniche alternative e quelle seminate su terreno arato.

Obiettivi specifici

L’obiettivo specifico del progetto è quello di saggiare la possibilità di ridurre l’impiego di energia sussidiaria nella coltivazione di colza, girasole e Brassica carinata a destinazione energetica attraverso la definizione di itinerari tecnici basati su tecniche di lavorazione semplificate (come la lavorazione minima e la nonlavorazione) in grado di ridurre drasticamente l’impiego di energia ed i costi colturali senza ridurre in modo proporzionale gli output delle colture (olio, panello proteico, residui colturali).

Piano di attività

La ricerca sarà realizzata e condotta presso il Centro Interdipartimentale di Ricerche Agro- Ambientali “Enrico Avanzi” (CIRAA) dell’Università di Pisa su terreni pianeggianti di medio impasto tendenzialmente limosi. Le tecniche di lavorazione per l’impianto di colza, brassica carinata e girasole saranno applicate su superfici significative che rendano possibile l’applicazione di prototipi e operatrici già in commercio a scala di campo, e saranno riconducibili a due tipologie di intervento: lavorazione convenzionale (aratura superficiale a 25-30cm); non-lavorazione (semina su terreno sodo). In quest’ultimo caso saranno utilizzate seminatrici da sodo di precisione e non. La ricerca si ripeterà per tre anni secondo le stesse metodologie al fine di evidenziare eventuali interazioni tra tecniche di lavorazione e andamento climatico. Durante il corso di ciascuna ricerca saranno effettuati rilievi sulla operatività dei cantieri di lavoro utilizzati (registrando i tempi ed i consumi di lavoro), sulla coltura (investimento iniziale di piante, produzione di granella e di residui, biomassa della flora infestante, asportazioni di azoto e fosforo, concentrazione in olio nella granella, presenza ed entità di eventuali fitopatie) e sul terreno (analisi del contenuto in sostanza organica all’inizio e alla fine della ricerca). I dati raccolti nel triennio saranno oggetto di analisi statistica e, previa dettagliata analisi dei costi dei mezzi tecnici di produzione, potranno essere utilizzati anche per una più completa analisi economica delle tre specie coltivate secondo tecniche di lavorazione del terreno diverse. Al fine di evidenziare possibili differenze tra l’energia sussidiaria immessa nel sistema sodivo ed in quello arativo, i dati medi triennali saranno messi a disposizione per la LCA dell’olio e dei panelli delle colture coltivate con tecniche semplificate e non.

Articolazione temporale delle attività

Le attività di cui sopra saranno ripetute per tre anni seguendo un avvicendamento colturale che si realizzerà presso il CIRAA e che prevedrà l’alternanza del grano alle 3 oleaginose proposte. Alla fine del triennio sarà effettuata un’analisi cumulata dei dati rilevati al fine di evidenziare eventuali interazioni tra tecniche di lavorazione e andamenti climatici.

Ostacoli prevedibili ed azioni correttive

Sulla base della esperienza maturata nel settore fino ad oggi, l’Unità Operativa proponente non ritiene che si possano prevedere fin dalla fase progettuale ostacoli di entità tale da richiedere azioni correttive dell’intera impostazione del progetto. L’unico ostacolo che potrebbe opporsi all’ottenimento di risultati realmente divulgabili nel mondo agricolo, è rappresentato dal parziale o totale malfunzionamento di alcuni prototipi di seminatrice da sodo che dovranno essere valutati preventivamente prima della loro utilizzazione negli appezzamenti oggetto della ricerca.

Risultati attesi

I risultati che il Progetto si propone di ottenere sono molteplici e direttamente trasferibili al mondo operativo con significative ricadute sulla produzione delle colture oleaginose e della loro utilizzazione. In particolare si possono prevedere risultati di natura: 1) TECNICA – messa a punto di una tecnica di coltivazione su sodo per il girasole, la colza e la brassica carinata destinate alla produzione di bio-carburante; la tecnica individuata dovrebbe permettere di ottenere soddisfacenti risultati produttivi a fronte di significative riduzioni dei tempi di lavoro e dei consumi di carburanti.
2) ECONOMICA – l’applicazione a scala aziendale di una corretta tecnica di non-lavorazione potrebbe consentire di ridurre di oltre il 35% i tempi di lavoro ed i consumi di carburante relativi alla coltivazione delle oleaginose di maggiore interesse nazionale. Ciò si tradurrebbe in un significativo incremento della PLV della colture sia che l’azienda agraria faccia ricorso al contoterzismo sia che operi direttamente in campo con mezzi di proprietà. In un mercato come quello del biodiesel dove i semi oleosi vengono scambiati facendo riferimento ai prezzi dei mercati internazionali, l’agricoltore che ha potrà contenere i costi di produzione con tecniche di lavorazione semplificate (o altre ancora) sarà in grado di alienare le proprie produzioni ad un prezzo unitario più basso rispetto a quello di altre aziende più “convenzionali” e comunque remunerativo. A livello di filiera ciò faciliterebbe l’attivazione di filiere locali (sia lunghe che corte) e le renderebbe più stabili nei confronti delle fluttuazioni dei prezzi dei mercati internazionali. 3) AMBIENTALE – dati i ben noti effetti dell’applicazione della tecnica di non-lavorazione sul contenimento dei fenomeni erosivi, sulla conservazione dell’umidità e della sostanza organica nei terreni agricoli nonché sull’incremento della loro attività biologica, l’applicazione di questa tecnica potrà determinare significative e vantaggiose modificazioni delle principali caratteristiche del terreno agrario.

Ricadute e benefici

L’insieme delle attività condotte nell’ambito del Progetto potrà migliorare la redditività delle principali colture oleaginose di interesse per il nostro Paese riducendone i costi di coltivazione in maniera più che proporzionale alla possibile riduzione della loro PLV. Ciò renderà più sostenibile dal punto di vista economico e ambientale la coltivazione di specie oleaginose destinabili alla produzione di energia e la conseguente attivazione di filiere agro-energetiche (biodiesel, olio t.q.) basate sull’utilizzazione degli oli vegetali. Di conseguenza è lecito ipotizzare una serie di benefici di tipo economico connessi all’attivazione di filiere lunghe e/o corte con relativo sviluppo locale di colture dedicate, incremento della quantità di energia prodotta ed utilizzata anche a livello locale con indubbi vantaggi per l’agricoltore che immette energia in rete e/o la utilizza direttamente in azienda. La diffusione delle tecniche di non-lavorazione per le colture oleaginose e per i cereali vernini in avvicendamento produrrebbe inoltre indubbi benefici ambientali sia a livello globale (riduzione delle emissioni di CO2 e sequestro di C da parte dei terreni non lavorati) sia a livello locale (incremento della biodiversità degli agro-ecosistemi, miglioramento della fertilità del terreno).

Collaborazioni esterne

alcune esperienze di semina su sodo del girasole saranno condotte anche presso aziende agricole della provincia di Pisa.

Unità Operativa 8

Istituzione Scuola Superiore Sant’Anna SSSA
Titolo della ricerca Problematiche della messa a punto delle tecniche agronomiche in rapporto alla riduzione dei costi di produzione.
Ente di appartenenza MIUR
Indirizzo postale Piazza Martiri della Libertà 33, 56127 Pisa.
Responsabile
scientifico della UO e
partecipanti
Enrico Bonari,
(Telefono, fax, e-mail): 050883317, 050883526, bonari@sssup.it
Gruppo di lavoro
Cristiano Tozzini
050883506, 050883526, c.tozzini@sssup.it
Giorgio Ragaglini
050883521, 050883526, g.ragaglini@sssup.it
Ricardo Villani
050883521, 050883526, villani@sssup.it
Federico Triana
050883521, 050883526, f.trianajimeno@sssup.it
Tiziana Sabbatini
050883521, 050883526, sabbatini@sssup.it
Curriculum del
responsabile e
pubblicazioni negli ultimi
5 anni attinenti il progetto
Il Prof. Enrico Bonari, si è laureato in Scienze Agrarie presso l’Università di Pisa ed ha insegnato discipline agronomiche presso le Università della Tuscia (Viterbo) e Pisa, dove è stato chiamato come Professore Ordinario di Agronomia Generale nel 1985. Dal 1998 svolge la sua attività presso la Classe di Scienze Sperimentali della Scuola Superiore “S.Anna” di Pisa, della quale è attualmente il Preside della Classe di Scienze Sperimentali e dal 2006 è Direttore del “Centro di Ricerca Interuniversitario sulle Biomasse da Energia”
(CRIBE). Dal 2007 è membro del Comitato scientifico BIOFUELS Italia (Piattaforma Tecnologica Italiana Biocarburanti)
Ha svolto attività didattico-scientifiche e professionali per conto del Ministero degli Affari Esteri e di Organismi Internazionali (F.A.O., IFAD, ecc.,) in diversi PVS per studi e progetti relativi alle tematiche proprie dell’agronomia, dell’agricoltura sostenibile, della valorizzazione agro-ecologica delle aree difficili e dei rapporti agricoltura-ambiente.
E’ socio della Società Italiana di Agronomia (S.I.A.); Accademico Ordinario dell’Accademia dei Georgofili; membro del Consiglio Direttivo del Parco Naturale di Migliarino, S.Rossore e Massaciuccoli e del Comitato Scientifico del Parco Naturale della Maremma. Dal 1998 al 2002 ha diretto la “Rivista di Agronomia” della SIA. Tra i riconoscimenti ricevuti: il Premio Nazionale della “Fondazione Marchi” per l’operosità scientifica dimostrata in campo agricolo e l’Ordine del Cherubino dell’Università di Pisa.
Dal 1999 fa parte del Gruppo di Supporto Tecnico-Scientifico “Bioenergia” del Ministero delle Politiche Agricole e Forestali.
L’attività scientifica del Prof. Bonari è documentata da oltre 300 pubblicazioni a stampa ed è particolarmente indirizzata verso i seguenti principali settori di ricerca:
- lo studio dei rapporti agricoltura/ambiente, delle tecniche di agricoltura alternativa e dei problemi di conservazione della fertilità del terreno nella logica dell’agricoltura sostenibile;
- l’agrotecnica delle principali specie erbacee di grande coltura in ambiente mediterraneo,
con particolare riferimento alla riduzione degli input meccanici e chimici ed al contenimento dei costi colturali;
- la messa a punto di sistemi colturali a vario livello di input e l’analisi dei relativi problemi
di impatto ambientale a livello aziendale e territoriale;
- le possibilità di coltivazione di specie agrarie non alimentari (da energia, da fitodepurazione, officinali, ecc.) sia sotto il profilo agronomico-produttivo che dal punto di vista energetico-ambientale;
- i problemi agronomici ed ambientali dello smaltimento in agricoltura dei reflui delle
industrie agroalimentari.
Dal 1 Gennaio 2004 è il coordinatore del Laboratorio di ricerca “Land Lab (Agricoltura, Ambiente e Territorio) della Scuola Superiore Sant’Anna.
E. BONARI, M. MAZZONCINI, M. GINANNI, G. PICCHI, N. SILVESTRI Colture legnose a breve rotazione nella pianura pisana. In Agroindustria 49- 54 Vol.4, n°1, Gennaio-Aprile 2005
BONARI E., PICCHI G., GINANNI M., GUIDI W., PICCIONI E., FRAGA A., VILLANI R. (2005). Le colture da energia. In Quaderno ARSIA “Le colture dedicate ad uso energetico: il progetto Bioenergy Farm” Firenze, Ed. ARSIA, Gennaio 2005, pp. 29-78.
VENTURI G., BONARI E. (2004) Produzioni di biomasse da colture erbacee dedicate e non. Convegno nazionale sulla Bioenergia. Roma, 12 Maggio 2004 GUIDI W., BONARI E., PICCIONI E. “Poplar and willow short-rotation coppice response to fertilisation in a lysimeter-based trial. Results of the first rotation”. Environmental Application of Poplar and Willow Working Party – Workshop meeting 5th –8th June, Montreal, Quebec, Canada.
GUIDI W., PICCIONI E., BONARI E. “Evapotranspiration and crop coefficient of poplar and willow short-rotation coppice used as vegetation filter” Bioresource Technology in press
PISTOCCHI C., GUIDI W., BONARI E. Water requirements of poplar and willow vegetation filters grown in lysimeters under editerranean conditions. Preliminary results of the second rotation. Proceedings of the Interantional Conference on Multifunctions of
Wetland Systems, Legnaro (PD), Italy, 26th-29th June 2007, edited by Borin M. and Bacelle S. ISBN 978 - 88 - 902948 -0 –8
R. VILLANI, E. PICCIONI, G.RAGAGLINI, T.SABBATINI, E.BONARI Gis-Based Land Suitability Evaluation for Bioenergy Chains: A Multidisciplinary Approach Applied to Mediterranean Regions. 15th European Biomass Conference & Exhibition, Berlin 7-11 may
2007.
E.PICCIONI, C.TOZZINI, BONARI E. Valutazione agroambientale ed economica della Short Rotation Forestry di pioppo gestita con differente turno di ceduazione in ambiente mediterraneo. Atti del XXXVII Convegno Nazionale della Società Italiana di Agronomia “Il contributo della ricerca agronomica all’innovazione dei sistemi colturali mediterranei”, Catania 13 -14 settembre 2007

Competenze dell’Unità Operativa in relazione al progetto

La Scuola Superiore Sant'Anna di Pisa è un istituto universitario pubblico, che opera nel campo delle scienze applicate: Scienze Economiche, Scienze Giuridiche e Scienze Politiche per la Classe di Scienze Sociali e Scienze Agrarie, Scienze Mediche, Ingegneria Industriale e dell'Informazione per la Classe di Scienze Sperimentali. Land Lab è una Laboratorio di ricerca della Scuola Sant’Anna che opera nell’ambito della ricerca, della consulenza e della formazione avanzata e si occupa di studi inter- e multidisciplinari sull’ottimizzazione dei rapporti tra attività agricola, ambiente e territorio con metodologie di analisi e tecniche di valutazione innovative. In particolare, il laboratorio è impegnato nella messa a punto e nello sviluppo di sistemi colturali a ridotto impatto ambientale (ad esempio agricoltura integrata e biologica), nell’analisi dei rapporti agricoltura-ambiente a scala aziendale e territoriale, nello sviluppo e applicazione di metodologie innovative per studi a scala territoriale e sull’agrobiodiversità, nell’utilizzazione di specie agrarie e forestali per usi non alimentari e nella valorizzazione e controllo delle produzioni agro-alimentari di qualità. In particolare, una delle aree di ricerca oggi più sviluppate all’interno di Land Lab è rappresentata dagli studi pluriennali nel settore della bioenergia ed in particolare delle colture dedicate a destinazione energetica. A Pisa, tra l’altro, esistono le esperienze di pieno campo più “vecchie” (ed ancora in corso) presenti in Italia sulle colture dedicate a destinazione energetica (SRF pioppo, canna comune, miscanto, cardo, girasole, colza, brassica carinata, ecc.). Tra le principali linee di ricerca di questo settore si possono ricordare:
  • ottimizzazione delle tecniche colturali delle diverse specie a destinazione energetica
  • valutazione delle principali caratteristiche agronomiche ed ecofisiologiche delle colture dedicate
  • ottimizzazione dei sistemi colturali comprendenti specie da energia nell’ottica della sostenibilità (ambientale, agronomico-produttiva, socio-economica)
  • valutazione qualitativa delle biomasse prodotte
  • estensione a livello territoriale delle conoscenze acquisite attraverso l’impiego di GIS e modelli di simulazione;
  • analisi territoriali per la definizione delle aree di vocazionalità per la coltivazione di specie dedicate a destinazione energetica;
  • stima delle potenzialità produttive delle colture dedicate a destinazione energetica in diversi ambienti agropedoclimatici italiani

Descrizione della ricerca

Stato dell’arte specifico

Le opportunità offerte dalla coltivazione di colture dedicate alla produzione di biomassa lignocellulosica ad uso energetico sono state descritte e dibattute soprattutto in relazione ai benefici ambientali legati al bilancio del carbonio ed energetico. Inoltre per quanto risulti possibile prospettare benefici economici per il settore agricolo, in Italia ancora la produzione di biomasse lignocellulosiche da colture dedicate è tutt’altro che diffusa, soprattutto negli areali caratterizzati di clima tipicamente mediterraneo.
Le maggiori difficoltà si incontrano soprattutto nella messa a punto di tecniche colturali in grado di esaltare la redditività delle colture e dei sistemi colturali che includono specie lignocellulosiche da energia.
In tal senso è necessario sviluppare e valorizzare esperienze di tipo agronomico volte al confronto tra livelli di intensificazione colturale differenti e finalizzate all’analisi dei costi di produzione e stoccaggio della biomassa lignocellulosica. Tale aspetto, per quanto determinate sulle scelte dell’imprenditore agricolo, ha avuto fino ad oggi scarso rilievo nel contesto scientifico. Emerge quindi l’esigenza di sopperire alla carenza di dati ed informazioni attraverso studi finalizzati all’analisi della sostenibilità economica della produzione di biomasse lignocellulosiche considerando i principali aspetti agronomici legati alla coltivazione di tali colture. Nel caso delle colture poliennali, come pioppo a ceduazione breve e Arundo donax per esempio, sono ancora da valutare le tecniche di impianto e di raccolta anche in funzione delle più recenti tecnologie relative alla meccanizzazione agricola. Nel caso di colture a ciclo annuale con forte attitudine produttiva,
come il sorgo da fibra, due degli aspetti più importanti da approfondire sono relativi all’inserimento della coltura in avvicendamenti ordinari e alle tecniche di raccolta e conservazione.

Obiettivi specifici

Lo studio riguarderà diversi aspetti relativi alle tecniche agronomiche per la produzione di biomassa lignocellulosica da colture dedicate, attraverso l’analisi di dati derivati da prove sperimentali di lungo periodo finalizzate al confronto di diversi livelli di intensificazione colturale.
Nello specifico saranno prese in considerazioni tre tra le colture più promettenti dal punto di vista produttivo:
Short Rotation Forestry di pioppo, coltura poliennale legnosa a rapido accrescimento e a turno di ceduazione breve;
Arundo donax, coltura erbacea poliennale;
Sorghum bicolor da fibra, coltura erbacea annuale.
Il principale obbiettivo riguarda la valutazione dal punto di vista della “sostenibilità” delle tecniche agronomiche più
opportune e più convenienti nell’ottica della riduzione dei costi di produzione, sia per unità di superficie che per unità di
biomassa prodotta e di unità di potere calorifico. Questi ad oggi risultano infatti gli aspetti più critici ad ostacolo della
diffusione e dell’inserimento nei nostri sistemi agricoli aziendali delle colture lignocellulosiche dedicate alla produzione
di biomassa da energia.

Piano di attività

Il piano delle attività si articolerà in 4 fasi:
Fase 1: Studio delle colture poliennali di Pioppo e Arundo donax
Raccolta ed organizzazione dei dati relativi alle prove sperimentali di lungo periodo condotte presso il CIRAA (Centro
Interdipartimentale di Ricerche Agro-Ambientali “E.Avanzi”) relative alla coltivazione delle SRF di pioppo e
dell’Arundo donax. Tali prove sono state impostate per consentire il confronto di diversi livelli di intensificazione
colturale; in particolare le prove relative alle SRF di pioppo sono finalizzate al confronto dei livelli produttivi in
funzione di diversi turni di ceduazione, dosi di concimazione e di diversi cloni, mentre le prove relative ad Arundo
donax sono finalizzate alla comparazione dei livelli di produzione in funzione delle dosi di concime, delle lavorazioni
del suolo, e della densità di impianto.
Fase 2: Studio di Sorghum bicolor in avvicendamento.
Raccolta ed organizzazione dati di prove sperimentale per la coltivazione del sorgo da fibra finalizzate al confronto tra
diversi livelli di intensificazione colturale (convenzionale e basso input) nell’ambito di un avvicendamento adatto al nostro areale di coltivazione. I livelli di intensificazione differiscono in ordine alle tecniche di lavorazione del suolo,
alle dosi di concime e alle modalità di raccolta.
La prova prevede lo studio della coltura, oltre che sotto il profilo tecnico-produttivo, anche dal punto di vista
fisiologico: a tal fine saranno svolte attività di campo mirate allo studio della dinamica di crescita della coltura,
attraverso monitoraggio della fenologia e dei parametri biometrici, a della dinamica delle asportazioni dei
macronutrienti, attraverso analisi chimiche della biomassa epigea.
Fase 3. Analisi dello stoccaggio dei diversi materiali.
Lo stoccaggio rappresenta una fase molto delicata nell’ambito della filiera delle biomasse lignocellulosiche. Data la
tipologia di materiale e la sua destinazione il principale problema è legato alla riduzione del tenore di umidità e al
contenimento delle perdite quanti-qualitative legate a fenomeni di marcescenza del materiale stoccato. Grande
importanza è attribuibile inoltre agli aspetti logistici legati alla movimentazione e alla gestione di grandi volumi di
materiale che talvolta devono essere conservati per periodi molto lunghi. Inoltre nel caso di alcune colture, come ad
esempio il sorgo da fibra, il “successo” dello stoccaggio dipende oltre che dalla tecnica di stoccaggio anche dalle
condizioni climatiche al momento della raccolta e dalle modalità con cui essa viene effettuata. Saranno quindi valutate
le tecniche di stoccaggio attraverso l’analisi dei principali parametri quanti-qualitativi (umidità relativa e potere
calorifico inferiore) che incidono sul prezzo di vendita della biomassa, misurando i costi economici ed energetici in
funzione di diverse tecniche e della durata dello stoccaggio.
Fase 4.
Valutazione della tecnica colturale attraverso il computo energetico degli input impiegati e l’analisi di bilancio
energetico
Valutazione della tecnica colturale attraverso la descrizione analitica delle voci di costo e l’analisi di bilancio
economico per unità di superficie, per unità di biomassa e per unità energetica. Questa fase di lavoro sarà svolta in
collaborazione con l’Istituto Nazionale di Economia Agraria (INEA) al fine di confrontare ed implementare le
metodologie di analisi e gli strumenti di valutazione adottati e di integrare i risultati da noi ottenuti con quelli da altre
U.O. (vedi punto 9 “Collaborazioni esterne”)
Valutazioni delle prospettive di diffusione a scala aziendale in ordine a diverse tipologie di conduzione e alla
dimensione delle aziende. In questa fase sarà necessario confrontarsi con i principali soggetti della politica agricola
regionale (Enti Regionali e Locali) ed attivare una serie di “incontri” con produttori ed organizzazioni di categoria con
il duplice scopo 1) di migliorare le nostre conoscenze circa le aspettative e le esigenze del settore agricolo in materia di
biomasse lignocellulosiche da energia e 2) di procedere ad una diffusione capillare e mirata dei principali risultati
ottenuti (vedi punto 9. “Collaborazioni esterne”).

Articolazione temporale delle attività

Fase Trimestre
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
1                        
2                        
3                        
4                        

Ostacoli prevedibili ed azioni correttive

Non sono prevedibili particolari ostacoli all’esecuzione del progetto in questione.
L’incertezza stagionale, che caratterizza ogni prova sperimentale di pieno campo, potrebbe influenzare il livello di rese
ottenibili sia nella fase di campo che nella successiva fase di stoccaggio del materiale. Tale situazione è comunque
rappresentativa delle reali condizioni in cui l’agricoltore si trova ad operare.

Risultati attesi

I principali risultati attesi sono relativi all’identificazione dell’ottimale tecnica di gestione delle colture a destinazione
energetica.
La valutazione, attraverso il bilancio economico ed il bilancio energetico, permetteranno di mettere in evidenza i fattori
che hanno un peso maggiore sulla composizione dei costi di produzione ed individuare i protocolli tecnici più
convenienti e complessivamente più “sostenibili” anche nell’ottica del risparmio energetico.

Ricadute e benefici

Tale ricerca permetterà di far luce sugli aspetti agronomici che, fino ad oggi, hanno ostacolato la diffusione delle colture
da biomassa lignocellulosica nel nostro paese. In particolare verranno evidenziati gli aspetti tecnici che consentiranno di
migliorare la redditività delle colture attraverso il contenimento dei costi di produzione.
I risultati ottenuti potranno essere anche di supporto al decisore politico nella predisposizione di strumenti di
programmazione di sviluppo rurale.

Collaborazioni esterne

Dati gli obiettivi specifici che intende perseguire l’U.O. ed il carattere complessivo del progetto, le analisi e le
valutazioni di carattere squisitamente economico saranno svolte in collaborazione con l’Istituto Nazionale di Economia
Agraria (INEA) al fine di poter integrare le nostre competenze con le esperienze delle altre U.O. e con le metodologie
dell’INEA. Ciò permetterà di ottenere risultati che tengano conto non solo degli aspetti economici di scala aziendale,
ma anche delle dinamiche nazionali di mercato e delle politiche di programmazione di sviluppo rurale. Inoltre proprio
nel rispetto dei presupposti legati ad un approccio di studio interdisciplinare, tale collaborazione permetterà a livello
scientifico la condivisione ed il conseguente miglioramento delle metodologie di studio adottate.
Al fine di favorire la diffusione dei risultati ottenuti, ma anche nell’ottica di approfondire le conoscenze circa le
aspettative e le esigenze del settore agricolo in materia di biomasse da energia da colture dedicate, saranno condotti una
serie di incontri con i diversi attori del settore agricolo.
Sono quindi previsti workshop con i soggetti politici, Enti Regionali e Locali, finalizzati alla definizione delle
metodologie e all’interpretazione dei risultati ottenuti in funzione delle misure adottate nei PSR 2007-2013 e negli altri
strumenti di programmazione regionale in materia di colture dedicate ad uso energetico.
Infine sono previsti anche incontri e convegni con aziende ed associazioni di categoria finalizzati ad una diffusione
capillare e mirata dei principali risultati ottenuti.

Unità Operativa 9

Istituzione CRA. RPS-Centro di ricerca per lo studio delle relazioni tra pianta e suolo
Titolo della ricerca Formulazione ed ottimizzazione d’uso delle ceneri in agricoltura
Ente di appartenenza CRA
Indirizzo postale CRA. RPS-Centro di ricerca per lo studio delle relazioni tra pianta e suolo
Via della Navicella, 2-4
00184 Roma
Responsabile
scientifico della UO
Elvira Rea
Telefono, +39067002636
fax +39067005711, e-mail
elvira.rea@entecra.it
Curriculum del
responsabile e
pubblicazioni negli ultimi
5 anni attinenti il progetto
Dr.ssa Elvira Rea
Laureata in Scienze Biologiche presso l'Università degli studi "La Sapienza" di Roma. Dal 01/04/1983 è nei ruoli come ricercatore presso la Sezione di Fisiologia Vegetale dell'Istituto Sperimentale per la Nutrizione delle Piante. Dal 1991 ricopre la qualifica di Primo Ricercatore, dal 2006 come Dirigente di ricerca.
E' responsabile di ricerche nell'ambito della programmazione ordinaria e straordinaria dell’Istituto. Ha pubblicato oltre 140 lavori scientifici su riviste nazionali ed internazionali, prodotto un brevetto nazionale. E’ tutor di dottorati di ricerca, assegni di ricerca triennali, è componente del Collegio dei Docenti del dottorato di ricerca in ortoflorofrutticoltura dell’Università degli Studi della Tuscia (VT).
Dal 1995 ha coordinato l’attività Tecnico-scientifica del settore “Fisiologia dello Sviluppo Vegetale” nell’ambito della Sezione di Fisiologia vegetale. Nell’ambito del gruppo di ricerca sono state attivate linee di ricerca parallele con la finalità di verificare l’effetto di diversi sistemi di coltura sullo sviluppo vegetale, sul suolo e sulla qualità dei prodotti. Nelle ricerche attivate nel corso degli anni, vengono affrontati alcuni aspetti relativi alla sostenibilità delle risorse ( ricerche sui funghi vescicolo-arbuscolari, ricerca sui substrati alternativi alla torba). Ricerche afferenti alla sostenibilità della salute umana relative allo studio di come i sistemi di coltura influenzano la qualità nutrizionale dei prodotti ottenuti. Tutte queste ricerche riguardano anche gli aspetti relativi alla sostenibilità economica che si esplica nella messa a punto di sistemi alternativi e innovativi, e l’uso di biofertilizzatori naturali, tecniche di coltura con risvolti di immediata applicazione nella realtà produttiva e a basso costo. Partecipa ai lavori relativi all’attività internazionale nel settore della standardizzazione dei metodi per la definizione della qualità del suolo, ISO-TC 190 SC4 metodi biologici; WG 3 Flora.
Fa parte, in qualità di componente, del gruppo di lavoro "Chelanti e biostimolanti" costituito, nell'ambito della Commissione tecnico-consultiva per i fertilizzanti, per definire l'inserimento di questi prodotti in legge.
Collabora, per quanto di sua competenza, ad altri Progetti coordinati nell’ambito dell’Istituto e di altre istituzioni di ricerca.
E’ socio della Società Orticola Italiana, della Società Italiana della Società della Scienza del Suolo, della Società Internazionale per la Scienza del Suolo, è segretario della filiazione italiana del Centro Scientifico Internazionale per i Fertilizzanti (CIEC).

PUBBLICAZIONI

F. Tittarelli, A. Trinchera, F. Intrigliolo, F. Pierandrei, M.L. Calabretta, C. De Simone, E. Rea, 2003. Production and utilization of compost from citrus wastes of industrial processing. Proceedings of ORBIT: 818-826.
Rouphael Y., Colla G., Battistelli A., Moscatello S., Proietti S., Rea E. 2004. Yield, water requirement, nutrient uptake and fruit quality of zucchini squash grown in soil and closed soilless culture. J. Horticultural Science Biotechnology, 79 (3) 423-430.
M.L. Calabretta, F. Tittarelli, A. Trinchera, E. Di Bartolomeo, A. Giuffrida, C. De Simone, F. Pierandrei, A. Salerno, E. Rea, F. Intrigliolo 2004 Citrus waste as matrix for compost production Proceeding Xth Int. Citrus Congress, Agadir. Marocco in press.
A.Salerno, F. Pierandrei, G. Colla, F. Saccardo, E. Rea 2005. Floating system cultivation of radish (Raphanus sativus L.): production and quality. Proceedings of International Symposium on Soilless Culture and Hydroponics. Acta Horticolturae 697:87-92.
Y. Rouphael, M. Cardarelli, S. Fanasca, A. Salerno, C.M. Rivera, F. Karam, E. Rea, G. Colla 2005. Water use efficiency of greenhouse summer squash in relation to the method of culture: soil vs. soilless. Proceedings of International Symposium on Soilless Culture and Hydroponics. Acta Horticolturae 697:81-86.
P. Sequi, E. Rea 2004. Il mantenimento della Fertilità del Suolo. Proceedings Workshops Internazionale “La produzione in serra dopo l’era del bromuro di metile”121-125.
E. Rea 2005 Panoramica sui substrati per la coltivazione in “fuori suolo” Atti del convegno Substrati colturali:proposte per una loro normazione. Bollettino SISS Vol.54, n.3, 510-516.
Y. Rouphael, M. Cardarelli, E. Rea, A. Battistelli, G. Colla. 2006. Comparison of subirrigation and drip-irrigation system for greenhouse zucchini squash production using saline and non saline nutrient solutions. Agricultural and Water Management 82, 99-117.
G. Colla, Y. Rouphael, M. Cardarelli, A. Salerno, E. Rea. 2006. Yield, fruit quality and mineral composition of grafted melon plants grown under saline conditions. Journal of Horticultural Science and Biotechnology. 81 (1) 146-152.
Salerno, F. Pierandrei, E. Rea, P. Sequi, M. Valentini 2005. Definition of internal morphology and structural changes due to dehydration of radish (raphanus sativus l. Cv. Suprella) using MRI spectroscopy. Journal of Food Quality. 28, 428-438.
P. Sequi, F. Pierandrei, A. Grassotti, E. Rea. 2006. Effect of glass matrix fertilizer on soil and soilless Cultures. Proceedings of 14th World Fertilizer Congress. in press G. Colla, Y. Rouphael, G. Possanzini, M. Cardarelli, F. Saccardo, F. Pierandrei, E. Rea.
2007 Coconut Coir as a Potting Media for Organic Lettuce Transplant Production. Acta Horticulturae747, 293-296.
Y. Rouphael, M. Cardarelli, E. Rea, G. Colla. 2007 Grafting of cucumber as means to minimize copper toxicity. 2007 Environmental and Experimental Botany in press G. Colla, Y. Rouphael, M. Cardarelli, O. Temperini, E. Rea, A. Salerno and F. Pierandrei 2006. The Influence of Grafting on Yield and Fruit Quality of two Pepper Cultivars (Capsicum annuum L.) Grown under Greenhouse Conditions 4th International Symposium on Seed, Transplants and Stand Establishment of Horticultural Crops. Acta Horticulturae in press.
De Lucia B. , Rea E. , Ventrelli A., Pierandrei F., Rinaldi S., Vecchietti L., Ventrelli V. 2006. Substrati alternativi a base di compost per l’allevamento in contenitore di alaterno (Rhamnus alaternus L.) 3° Convegno Nazionale – Piante Mediterranee. in corso di stampa.
, De Lucia B. , Pierandrei F., Rinaldi S., Ventrelli A., Vecchietti L., Ventrelli V. 2006. Influenza del substrato e dei volumi irrigui nell’allevamento in contenitore del rosmarino.
3° Convegno Nazionale – Piante Mediterranee. in corso di stampa.
Rea E., De Lucia B., Ventrelli A., Pierandrei F., Rinaldi S., Salerno A., Vecchietti L., Ventrelli V. 2007. Substrati alyernativi a base di compost per l’allevamento in contenitore di specie ornamentali mediterranee. Atti del Convegno "Substrati di coltivazione: sviluppi qualitativi, tecnici, legislativi e commerciali“ Milano 18-19 gennaio 2007. in press.
P. Sequi, M. Faneschi, L. Forassiepi, E. Rea “Composizione fertilizzante a matrice vetrosa, procedimento per la sua produzione e suoi usi” domanda di deposito RM2006A000255, 12 maggio 2006.

Competenze dell’Unità Operativa in relazione al progetto

In relazione alla dotazione strumentale, il CRA-RPS dispone di un termoanalizzatore simultaneo Netzsch STA 409 munito di differenti teste di misura per analisi in termogravimetria (TG), calorimetria a scansione differenziale (DSC), analisi termica differenziale (DTA). Il sistema è accoppiato con uno spettrometro di massa a quadrupolo Balzers per analisi dei gas svolti (EGA, evolved gas analysis) e dispone di programmi applicativi sia di programmazione che di valutazione delle misure. Correda la dotazione tecnica una serie completa di standards di calibrazione certificati.
Il CRA-RPS dispone inoltre, di laboratori e serre, attrezzature di laboratorio per studi di biochimica, fisiologia e microbiologia; sistema HPLC, spettrometro simultaneo per emissione atomica con sorgente al plasma (ICP).
Personale a tempo indeterminato coinvolto:
Dott.ssa Elvira Rea – Dirigente di ricerca, CRA-RPS Roma
Dott.ssa Maria Teresa Dell’Abate – primo ricercatore, CRA-RPS Roma
Dott. Giampietro Diana – primo ricercatore, CRA-RPS Roma
Dott.ssa Alessandra Trinchera, ricercatore, CRA-RPS Roma
Dott.ssa Rita Aromolo, primo tecnologo, CRA-RPS Roma
Dott. Claudio Beni, ricercatore, CRA-RPS Roma

Descrizione della ricerca

Stato dell’arte specifico

Le quantità di ceneri prodotte a partire da biomasse vegetali mediante i bruciatori delle varie tipologie oggi disponibili, da quelli industriali fino alle stufe per riscaldamento domestico, sono ingenti in tutto il mondo. Oggi tuttavia nonè difficile prevedere sia un forte incremento della produzione di ceneri, dato che si sta incentivando l’utilizzazione di combustibili di natura vegetale provenienti da fonti rinnovabili, sia l’esigenza di assicurare la possibilità di un recupero e riciclo degli elementi nutritivi asportati dal suolo con le piante impiegate per produrre i medesimi combustibili. Le informazioni reperibili in letteratura, invece, riguardano principalmente le ceneri da legno, che solo indicativamente possono essere utilizzate come prima base informativa per avere un’idea della composizione di altre ceneri di provenienza diversa.
Il legno è composto principalmente di materiali organici con piccole quantità di sostanze inorganiche, provenienti da quelle minerali del suolo che si intende recuperare con la fertilizzazione. Per il 99% del legno è costituito da cellulosa, emicellulosa e lignina, solo l’1% da composti inorganici incombustibili. In altri residui vegetali le ceneri invece, possono rappresentare tuttavia quantità molto superiori, arrivando al 25-30% e oltre del peso iniziale.
Quando il legno viene bruciato, la parte organica viene convertita in CO2 e acqua, mentre la parte inorganica resta pressoché quantitativamente nelle ceneri. Per quanto riguarda la composizione, sono prevalenti i due mesoelementi calcio (anche oltre il 40% di CaO) e magnesio (fino anche al 10-15% ed oltre di MgO), ma sono sempre apprezzabili le quantità di due macroelementi, il potassio (frequente la presenza in misura del 10-11% di K2O), ed il fosforo (frequente in misura del 2-5% di P2O5), oltre a due componenti che non fanno parte per legge degli elementi della fertilità: il silicio (abbondante in alcune tipologie di organi vegetali, come i culmi dei cereali: nelle ceneri di quelli di riso può superare abbondantemente il 50% come SiO2) ed in casi particolari l’alluminio (Al2O3, in concentrazioni estremamente variabili). Tra i microelementi il ferro Fe è il più abbondante, seguito di norma da manganese Mn, zinco Zn e rame Cu, oltre al boro B (alcuni di essi, come quest’ultimo, possono divenire tossici se la loro concentrazione supera determinati valori). Come si comprende, le ceneri di legno possono quindi costituire una utile fonte di questi elementi per le piante.
Essi sono tutti presenti in forme fortemente ossidate e vengono messi a disposizione delle colture nel tempo. Le ceneri hanno reazione alcalina, con valori di pH che possono raggiungere anche 12-13,5. Le ceneri pellettate e agglomerate (stabilizzate) hanno caratteristiche migliori, anche se aumenta il costo del prodotto. I minerali presenti sono ossidi di elementi differenti; ciò può essere sufficiente per identificare l’alcalinità della cenere di legno, ma dà poche informazioni sulla stabilità termica/chimica di composti che possono essere presenti con la deposizione di particelle di cenere nei bruciatori e gassificatori nel corso dei processi di combustione. E’ noto infatti che la composizione delle ceneri dipende anche dalla temperatura di combustione.
In linea di massima, la maggior parte della sostanza organica può bruciare a temperature di appena 300-350°C, in condizioni definite di bassa temperatura, così come del resto vengono definite tutte quelle fino a 500°C. La biomassa brucia ovviamente in modo più veloce quando la sua complessità e le sue condizioni strutturali sono di ridotta rigidità e compattezza: è facilmente comprensibile che il comportamento di un legno e di una paglia è molto diverso e che quello di un legno di una conifera relativamente povera di materiali inorganici e ricca di resine e quello di una latifoglia ricca di componenti minerali differiscono sostanzialmente. Altrettanto ovvio è che ne differiscono le ceneri prodotte ed i tempi di combustione a parità di temperatura. Anche i minerali che residuano variano molto e, indipendentemente dal tipo di legno considerato, l’influenza della temperatura determina la prevalenza di un composto anziché di un altro. In ceneri ottenute a 600°C, ad esempio, sono presenti carbonato di calcio o calcite CaCO3 e carbonato di calcio e di magnesio o dolomite MgCa(CO3)2, mentre in ceneri a 1300°C i composti principali sono gli ossidi di calcio CaO e di magnesio MgO. Non può sorprendere pertanto sapere che le ceneri da corteccia a 600°C sono principalmente costituite da CaCO3 se ottenute a 600°C e da CaO se ottenute a 1300°C. Anche la dissociazione dei carbonati, che avviene attorno a 700-900°C, può comunque dipendere dal tipo di legno. In ogni caso, la volatilizzazione del potassio può iniziare già a 800-900°C, quella dello zolfo a 1000-1200°C, quella di rame e boro non prima di 1000°C circa. Con il riscaldamento a 1300°C il potassio diminuisce dal 63 al 90%, lo zolfo dal 7 al 55%, sempre in dipendenza del materiale di partenza (queste condizioni possono risultare radicalmente diverse in matrici diverse da quelle vegetali, come quelle vetrose). Le concentrazioni di metalli pesanti rilevanti per l’ambiente (Cd e Zn) aumentano con il diminuire della temperatura di precipitazione e la dimensione delle particelle. Tra i più comuni metalli pericolosi per gli organismi sono Ni, Zn, Co, As, Cr(VI). La mobilità del Cd (ed altri metalli pesanti) può aumentare quando l’alcalinità della cenere di legnoè esaurita, ed è seguita da una diminuzione nel pH. Le ceneri di legno possono essere anche fonte di idrocarburi policiclici aromatici (PHA) (benzopirene e naftaline), e policlorobifenili (PCB). I PHA sono composti organici che si ritrovano nelle ceneri che hanno combustione incompleta; policlorobifenili si formano invece quando la combustione avviene in presenza di composti e sali contenenti cloro.
L’uso dell’analisi termica, come proposto nel presente progetto, consente di ottenere informazioni più complesse sul comportamento termico dei materiali in esame, valutando vari aspetti quali la pirolisi, la combustione, la reattività dei residui carboniosi ed il comportamento alla fusione delle ceneri. In particolare, le tecniche simultanee di termogravimetria (TG) e calorimetria a scansione differenziale (DSC) si basano su scansioni termiche programmate, in condizioni controllate e riproducibili, e consentono di ottenere stime quantitative della composizione delle principali frazioni a differente stabilità termica in funzione delle condizioni operative. L’accoppiamento in linea con uno spettrometro di massa, infine, consente l’analisi dei gas svolti (EGA) e di tracciarne le rispettive cinetiche di volatilizzazione.

Obiettivi specifici

Messa a punto di una procedura semplificata per l’utilizzo delle ceneri in agricoltura che tenga conto delle normative attualmente in vigore dal punto di vista ambientale, studiando l’inserimento delle diverse tipologie di fertilizzanti ottenibili, al duplice fine di agevolare il riciclo degli elementi nutritivi in natura e di conseguire i più validi risultati agronomici. - Ottimizzazione dell’uso delle ceneri in agricoltura, con particolare riguardo al superamento dei problemi legati all’alcalinità ed alla salinità.

Piano di attività

L’U.O. si inserisce nella linea di ricerca “Valorizzazione delle ceneri”. L’attività, che verrà svolta sulle ceneri provenienti dagli impianti di incenerimento di specie vegetali conosciute, selezionate in accordo con le altre U.U.O.O, prevede inizialmente la determinazione della qualità delle ceneri ottenute mediante analisi termica. Questa prima attività di ricerca comprenderà attività analitiche, basate sull’uso di metodi di analisi termica DSC (calorimetria a scansione differenziale) e TG (termogravimetria), eventualmente accoppiate all’analisi dei gas svolti (EGA). Verranno effettuate scansioni termiche in diverse condizioni operative e ricavati i principali parametri termoanalitici.i Dal confronto con i dati di letteratura, sia esterni che interni all’Istituto, verranno ricavate le migliori condizioni di misura, anche ai fini della identificazione dei formulati a base di ceneri. Le ceneri reperite verranno successivamente miscelate con matrici organiche prescelte per l’abbattimento dei livelli di alcalinità e di salinità ed il raggiungimento di un adeguato grado di struttura delle miscele, nonché al fine della formulazione di ammendanti per l’utilizzo in campo. Una volta ottenute le relative miscele, su di esse verrà effettuata l’analisi degli elementi nutritivi (macro, meso e micro), nonché verrà determinata l’incidenza dei metalli pesanti eventualmente presenti nelle ceneri di partenza. Verranno effettuate inoltre sperimentazioni agronomiche presso i campi sperimentali del CRA-RPS utilizzando gli ammendanti a base di ceneri precedentemente formulati. Questa attività prevede:
- test di fitotossicità
- valutazione agronomica dei risultati ottenuti;
- caratterizzazione della qualità della sostanza organica e della fertilità biologica del suolo sottoposto a sperimentazione
agronomica con spandimento di ceneri e miscele derivate.

Articolazione temporale delle attività

I Anno

Su una selezione di campioni di ceneri da specie delle quali si conosce già la composizione, concordate con le altre U.U.O.O. afferenti al progetto, si effettueranno: - la caratterizzazione chimica e termoanalitica; - l’analisi degli elementi nutritivi (macro e micro-elementi) nelle ceneri selezionate; - l’analisi dell’incidenza dei metalli pesanti eventualmente presenti; - le prime prove di miscelazione delle ceneri selezionate con matrici organiche (ad esempio compost o digesto anaerobico) per l’abbattimento dei livelli di alcalinità e di salinità, ed il raggiungimento di un adeguato grado di struttura della miscela;
- prove in vaso in ambiente controllato, allo scopo di ottenere informazione sull’eventuale fitossicità e per la valutazione delle percentuali di aggiunta dei prodotti ottenuti al fine di ottenere le prime indicazioni sui principali parametri agronomici.

II Anno

Le attività di approfondimento da svolgere nella seconda annualità verranno organizzate come di seguito descritto: - avviamento delle sperimentazioni in campo relative all’impiego di ceneri e fertilizzanti non standardizzati su colture a ciclo breve (lattuga), al fine di ottenere le prime indicazioni sui principali parametri agronomici. - si allestiranno le prime prove sperimentali su substrati colturali su colture in vaso; - si contribuirà alla validazione agronomica dei prodotti a base di ceneri esaminati (ceneri corrette e/o formulati e substrati di coltura) mediante la caratterizzazione della qualità della sostanza organica del suolo e/o del substrato di coltura, anche valutando la fertilità biologica del suolo a seguito della loro applicazione nelle prove sperimentali di campo.
Il terzo anno di attività permetterà di completare quanto precedentemente avviato, ed in particolare: - si proseguirà con le prove sperimentali in pieno campo su specie selezionate in funzione dei risultati ottenuti durante la sperimentazione del IIo anno ; - si allestiranno ulteriori prove sperimentali su substrati colturali su colture in vaso; - si proseguirà la validazione agronomica dei prodotti a base di ceneri esaminati mediante la caratterizzazione della qualità della sostanza organica del suolo e/o del substrato di coltura, verificando la fertilità biologica del suolo ammendato con tali formulati nelle prove sperimentali di campo.

Ostacoli prevedibili ed azioni correttive

Non si prevedono ostacoli peculiari allo svolgimento della presente ricerca, soprattutto per quanto riguarda il reperimento dei materiali di studio. Ogni eventuale azione correttiva, relativa alla tempistica ed al numero e tipo di materiale da studiare, sarà intrapresa collegialmente.

Risultati attesi

Le informazioni di tipo analitico consentiranno di verificare l’impatto dell’uso delle ceneri e dei formulati da esse derivati sulla qualità del suolo, nonché di individuare e mettere a punto i relativi metodi di analisi per il controllo di qualità dei prodotti e la loro tracciabilità e rintracciabilità. Quanto potrà emergere dalle sperimentazioni agronomiche costituirà la base di partenza per la messa a punto dell’utilizzazione agronomica dei formulati oggetto della sperimentazione. Di fatto, i risultati ottenuti dovranno fornire le opportune indicazioni sulle modalità d’uso, le dosi, in funzione della risposta quali-quantitativa delle colture.

Ricadute e benefici

I risultati del progetto permetteranno di ottenere fertilizzanti bilanciati, attraverso la miscelazione delle ceneri con matrici organiche, che consentono di ottenere sia l’ottimale distribuzione degli elementi nutritivi in funzione della coltura in atto, ed il controllo del pH della soluzione del suolo. La riduzione dello smaltimento delle ceneri come rifiuti speciali si pone, infine, come obiettivo strategico a lungo termine, ottenendo la riduzione dei costi, spesso molto alti, in termini economici (di gestione in senso stretto). Il riutilizzo di ceneri in agricoltura può inoltre ridurre gli impatti sociali ed ambientali, con la possibile eliminazione di siti speciali, non sempre accettati dalle popolazioni residenti, nei quali spesso si manifestano problemi di inquinamento ambientale, con contaminazione dei suoli e delle falde. Il riutilizzo in agricoltura delle ceneri risultanti dalla combustione a fini energetici delle biomasse vegetali consente infine la chiusura dei cicli degli elementi nutritivi, sottraendo quindi tali materiali al conferimento in discarica.

Unità Operativa 10

Istituzione Istituto Nazionale di Economia Agraria
Titolo della ricerca Sostenibilità economica ed ambientale della produzione dei biocarburanti:
analisi delle principali determinanti e degli strumenti per la rimozione dei
principali vincoli
Ente di appartenenza MiPAAF
Indirizzo postale Via Barberini 36 – 00192- Roma
Responsabile
scientifico della UO e partecipanti
Dr.ssa Annalisa Zezza
06 47856400 (tel) 064741984 (fax) zezza@inea.it
Dr.ssa Sabrina Giuca
0641866411 (tel) 064741984 (fax) giuca@inea.it
Curriculum del
responsabile e
pubblicazioni negli ultimi
5 anni attinenti il progetto
Annalisa Zezza
Nata a Napoli il 14 marzo 1958;
Posizione attuale
• Dirigente di ricerca dell’Istituto Nazionale di Economia Agraria , Responsabile Area Analisi di Politica Agraria a partire dal 1° novembre 2006
• Vice Presidente Comitato Congiunto Agricoltura – Ambiente dell’ OCSE
• Membro del Consiglio di Presidenza della Società Italiana di Economia
Posizioni precedenti
Aprile 1998 - febbraio 2004 Direttore Generale INEA
1997 -1998 - Consulente della Commissione Europea- Dg6 -Agricoltura sulla valutazione dei programmi agroambientali.
Titolo di studio e Specializzazioni:
• Laurea in Scienze Agrarie 110/110 e lode conseguita il 27 giugno 1981 presso l’Università degli studi di Bari
• Specializzazione in Economia agraria presso il Centro di Specializzazione e Ricerche economiche agrarie per il Mezzogiorno di Portici (Università di Napoli) conseguita nel biennio 1981/82 ,
• Dottorato di ricerca in Economia e Politica agraria presso il Dipartimento di Economia Agraria della facoltà di Agraria dell’università di Napoli nel periodo 1983-1985, conseguendo il titolo in data 19 giugno 1987,
• Visiting Research Associate presso il Dipartimento di Economia Agraria della University of Arizona (USA) dal gennaio 1986 al giugno 1987, dove ha frequentato corsi del programma di Ph.d,
PRINCIPALI PUBBLICAZIONI RECENTI
• The evaluation of AEM in Italy: paper presented at the OECD workshop on “Evaluating Agri-environmental Policies”, Paris 6-8 December 2004, published in Evaluating Agri-Environmental Policies: Design, Practice and Results, OECD 2005.
• La riforma dell’organizzazione comune di mercato nel settore dello zucchero: uno studio per l’Italia, INEA 2006
• La valutazione degli effetti delle politiche agroambientali: un confronto europeo, Economia e diritto agroalimentare, n.3, 2006
• Zucchero: dopo quarant’anni si volta pagina ma con cautela, AgriRegioni Europa n.4, 2006
• I biocarburanti: siamo di fronte ad un’alternativa energetica sostenibile? AgriregioniEuropa, n. 9 giugno 2007
• Sostenibilità economica e ambientale della produzione di biocarburanti: in corso di pubblicazione su Questione Agraria
• Bioenergie - Quali opportunità per l’agricoltura italiana? In corso di pubblicazione nella collana Studi e Ricerche, INEA

Competenze dell’Unità Operativa in relazione al progetto

L’INEA ha condotto uno studio intitolato “Bioenergie: quali opportunità per l’agricoltura italiana” i cui risultati sono in corso di stampa. Con questo studio l’INEA si è posto l’obiettivo di fornire un contributo alla comprensione delle dinamiche che hanno determinato la crescente attenzione verso le biomasse, al ruolo del settore agricolo nella loro produzione, alle politiche che possono accompagnarne lo sviluppo, agli aspetti economici ed ambientali connessi.
L’INEA, in collaborazione con alcuni ricercatori dell’Università di Parma, ha una consolidata esperienza nella valutazione degli effetti economici a livello territoriale di variazioni nell’ordinamento produttivo e nelle tecnologie, sui redditi agricoli e sull’impiego dei fattori attraverso l’utilizzazione di modelli di simulazione matematica. Tali modelli sono stati utilizzati con successo anche per valutare gli effetti, a livello aziendale e territoriale di alcune modificazioni nelle politiche di settore.
Il modello utilizza le informazioni microeconomiche della Rete di Informazione Contabile Agricola (RICA), lo strumento informativo finalizzato alla conoscenza della condizione economica delle aziende agricole europee. La RICA, istituita con il Reg. (CEE) 79/65, ha il suo fulcro nell’indagine campionaria annuale che viene svolta con un’impostazione analoga in tutti i Paesi UE e fornisce le informazioni che confluiscono nella base dati europea; pertanto essa rappresenta l’unica fonte armonizzata di informazioni microeconomiche, assicurando la produzione di dati comparabili a livello europeo che trovano ampia utilizzazione nella gestione delle politiche agricole per fini di programmazione e di valutazione. La responsabilità e la gestione della RICA nazionale (RICA-INEA) sono affidate all’INEA. La RICA interessa annualmente un campione di circa 17.000 aziende agricole. Le informazioni raccolte attraverso la RICA per ogni singola azienda agricola riguardano indicativamente 2.000 variabili, che si riferiscono sia a dati fisici e strutturali (localizzazione, superficie delle colture, numero di capi allevati, manodopera, ecc.) sia a dati economici, quali il valore delle produzioni, vendite e acquisti, passività, quote di produzione, aspetti patrimoniali. Oltre a questo set di dati, la RICA offre attualmente anche una serie di informazioni particolarmente rilevanti in merito all’applicazione della politica agricola, nonché numerose notizie di natura extracontabile.
Ai fini del presente studio le simulazioni verranno effettuate su aziende rappresentative di tipologie diverse di ordinamenti produttivi, dimensioni economiche e territori. Le informazioni della RICA potranno essere integrate, laddove necessario con rilevazioni ad hoc.
I professori Giacomini, Arfini e Donati che in qualità di consulenti parteciperanno ai lavori dell’unità operativa hanno contribuito con ricercatori statunitensi allo sviluppo della metodologia della Programmazione Quadratica Positiva e l’hanno applicata con successo a numerose simulazioni relative al settore agricolo italiano.

Descrizione della ricerca

Stato dell’arte specifico

Nel maggio del 2003, l’Unione europea ha pubblicato la direttiva 2003/30/CE sulla “Promozione dell’uso dei bio-carburanti o di altri carburanti rinnovabili nei trasporti”, in cui vengono proposti degli obiettivi indicativi per assicurare la penetrazione nel mercato della distribuzione dei carburanti di una quota minima di biocombustibili.
La direttiva 2003/30/CE si inserisce pienamente tra le misure necessarie per conformarsi al Protocollo di Kyoto, nonché tra le politiche per la sicurezza dell’approvvigionamento energetico e per la riduzione della dipendenza della Comunità dall’energia importata. Dato che l’energia impiegata dal settore dei trasporti rappresenta oltre il 30% del consumo finale di energia della Comunità ed è responsabile del 21% dell’emissioni di gas serra all’interno dell’UE, ed essendo tale settore in forte espansione, la direttiva intende incentivare la promozione della produzione e dell’uso di biocarburanti così da diminuire l’utilizzo e di conseguenza l’impatto ambientale dei carburanti diesel e di benzina. A tal fine, gli Stati Membri sono tenuti ad utilizzare una quota minima di bio-combustibili pari al 2% dell’energia contenuta nella benzina e nel diesel immesso sul mercato entro il 31 dicembre 2005 e ad aumentare tale percentuale fino a raggiungere il 5,75% entro il 31 dicembre 2010. In tale contesto, occorre precisare che il settore dei trasporti è attualmente escluso dall’ETS comunitario, malgrado sia responsabile del progressivo aumento delle emissioni di CO2, dunque, non è sottoposto ad alcun vincolo di riduzione delle emissioni. Per tale ragione, l’introduzione dell’obbligo di immettere in commercio una percentuale di biocarburante e di contestuali politiche di incentivazione sono apparsi necessari al fine di coinvolgere anche il settore dei trasporti nelle politiche per la lotta ai cambiamenti climatici.
Successivamente, nel 2006 la Commissione ha pubblicato un documento programmatico relativo alla “Strategia dell’UE per i biocarburanti” laddove si riconosce che il sistema di incentivi e obblighi fino ad ora realizzato dai singoli Stati Membri non è sufficiente per raggiungere gli obiettivi previsti per il 2010 e che ulteriori specifici incentivi economici sono necessari al fine di incoraggiare e promuovere il ricorso a misure di mercato a livello di domanda di biocarburanti.
Nel settembre 2007 il Ministro per le Politiche europee ha presentato al Commissario Ue per l’energia il position paper del Governo italiano sul potenziale massimo di fonti rinnovabili raggiungibile dall’Italia,
contenente gli elementi per l’avvio della discussione, in sede comunitaria, su uno degli obiettivi della politica energetica europea per il 2020, ovvero l’incremento dell’uso di fonti rinnovabili (+20%); a questo obiettivo si accompagnano quelli della stabilizzazione dei consumi di energia, in modo da avere un risparmio energetico del 20%, e della riduzione delle emissioni di gas serra (-20%).
Nel documento dal titolo “Energia: temi e sfide per l’Europa e per l’Italia”, approvato dal Governo il 10 settembre 2007 nell’ambito del Comitato interministeriale per gli Affari comunitari europei, l’esecutivo ritiene essenziale definire delle roadmaps a livello comunitario e nazionale che indichino gli strumenti per raggiungere gli obiettivi concordati a Bruxelles nei settori dell’elettricità, del riscaldamento/raffreddamento e dei biocarburanti e che includano un quadro stabile e coerente per gli incentivi. La posizione italiana che emerge dal documento è quella di sottostare ai meccanismi di incentivazione per le fonti rinnovabili ma questi devono essere differenziati per tecnologia, basati sui meccanismi di mercato e, soprattutto, armonizzati a livello europeo - attraverso la riduzione degli oneri amministrativi e l’abbattimento delle barriere -, in modo da allocare la produzione di energie rinnovabili tra gli Stati Ue sulla base dei vantaggi comparativi.
La sostenibilità economica ed ambientale della produzione dei biocarburanti dipende da una pluralità di fattori che meritano di essere esaminati con attenzione. Se, infatti, dal punto di vista teorico tutta la biomassa tecnicamente coltivabile costituisce un potenziale per la produzione di energia, solo una parte di essa può éssere trasformata in tal senso se si valuta la sostenibilità di tale processo sia dal punto di vista economico che ambientale.
La sostenibilità economica dipende da alcuni fattori che sono:
1. Il prezzo del petrolio;
2. I costi di produzione;
3. La competizione con le produzioni agricole;
4. Il mercato dei sottoprodotti;
5. Competizione tra mercato nazionale e importazioni
La sostenibilità ambientale é invece funzione del:
1. Contributo dei biocarburanti al risparmio energetico;
2. Contributo alla riduzione delle emissioni;
3. Effetto ambientale della produzione di materia prima
Mentre esistano valutazioni economiche relative al mercato statunitense ed alcune analisi relative ad alcuni partners europei (Francia, Regno Uniti, Germania), vi è una totale assenza di studi per l’Italia.

Obiettivi specifici

La ricerca dell’unità operativa mira a valutare la sostenibilità economica del processo di produzione agricola e a quantificare nel medio periodo il contributo che la produzione nazionale può dare al rispetto dell’obbligo di miscelazione stabilito dalla direttiva comunitaria e all’obiettivo individuato dal governo nel position paper. La ricerca intende valutare inoltre l’efficienza, in termini di costo relativo, delle filiere esistenti nell’abbattimento delle emissioni.

Piano di attività

La ricerca prevede le seguenti fasi:
1. Analisi dei costi di produzione dei biocombustibili:
I costi di produzione dei biocarburanti sono determinati dal costo della materia prima, dalla resa in etanolo o biodiesel e dal costo della trasformazione, cui vanno sottratti i ricavi provenienti dalla vendita dei sottoprodotti. La materia prima costituisce la principale voce di costo e presenta un’elevata variabilità legata alla competizione nell’allocazione della terra con altre colture destinate sia ad uso energetico che ad altri usi.
Oltre alla variabilità del costo della materia prima, altre voci che incidono nel determinare le differenze tra paesi sono il costo dell’energia, necessaria principalmente per la fermentazione e per la distillazione, ed il prezzo ricevuto per i sottoprodotti. Al contrario, i costi di trasformazione appaiono abbastanza standardizzati.
In questa fase del progetto sulla base dei costi rilevati dalla RICA verranno determinati, per diverse tipologie aziendali ed aree geografiche, i costi produzione delle colture oggetto di sperimentazione in altre unità operative del progetto e confrontati con quelle delle colture tradizionalmente utilizzate per la produzione di
bioetanolo e biodisel (grano, mais, barbabietola, olio di colza e di girasole).
2. Effetto dell’andamento del prezzo del petrolio:
L’andamento del prezzo del petrolio è caratterizzato da improvvisi picchi di carattere ciclico accompagnati da fasi di discesa decisamente più lente. Tale volatilità costituisce una minaccia per l’economia ed è, in genere, alla base di periodi di crisi o recessione. Di norma, l’aumento del prezzo del petrolio agisce sui
mercati agricoli secondo due modalità : innanzitutto determina un aumento dei costi di produzione e quindi una contrazione dell’offerta ed un aumento dei prezzi agricoli. In secondo luogo, si creano le condizioni per lo sviluppo di carburanti sostituti tra cui l’etanolo, con conseguente aumento della domanda di materia prima e, anche in questo caso, dei prezzi agricoli. Risulta evidente che l’aumento del prezzo del petrolio rende economicamente conveniente l’utilizzo di un numero crescente di produzioni agricole come fonti di energia
ma emergono significative differenze sia a livello di prodotti che di aree di produzione. L’analisi si baserà sulla stima dei prezzi di parità tra petrolio e bioetanolo in relazione alla materia prima agricola utilizzata. I prezzi di parità rappresentano i punti in cui i costi si produzione di una unità di bioenergia sono uguali ai costi di produzione della stessa unità di combustibile fossile.
3. La competizione con le produzioni agricole: attraverso la stima di un modello di programmazione quadratica positiva basato sui costi di produzione sui dati strutturali delle aziende agricole - rilevati attraverso la RICA - e in base ai dati provenienti dalle sperimentazioni effettuate in letteratura e dalle altre unità di ricerca, si valuterà il processo di allocazione della terra tra le varie opzioni colturali a livello
aziendale, regionale e nazionale, con particolare riferimento al bilancio economico energetico e ambientale.
Tali bilanci verranno calcolati sia a livello di singolo processo produttivo che a livello aziendale in relazione alle simulazioni dei comportamenti imprenditoriali circa l’allocazione della terra. Le valutazioni verranno effettuate sulla base di scenari alternativi relativi al prezzo del petrolio e al prezzo dei biocarburanti.
4. Confronto tra filiere bioenergetiche in termini di costo di riduzione delle emissioni. L’interesse crescente dei governi e dell’opinione pubblica verso i prodotti bioenergetici deriva dalla necessità di trovare delle risposte ai problemi della sicurezza degli approvvigionamenti, dell’inquinamento ambientale soprattutto con riguardo alla riduzione delle emissioni e, al tempo stesso, di diversificare le fonti di reddito in agricoltura.
Tali benefici, che si esplicano sia a livello globale che locale, sono di difficile misurazione. In assenza di una loro valutazione oggettiva, l’analisi economica deve concentrarsi sull’aspetto dei costi e, in particolare, sul
costo di riduzione delle emissioni. I costi di riduzione delle emissioni delle tecnologie oggetto della ricerca
nelle altre unità operative verranno calcolati, messi a confronto tra loro per valutarne l’efficienza e successivamente messi a confronto con i valori dei certificati ETS (Emission Trading System) che si realizzano nel mercato delle emissioni a livello europeo.
5. Potenzialità di strumenti innovativi per l’incentivazione della nascita delle filiere: tra le misure adatte al raggiungimento degli obiettivi prefissati potrebbero figurare strumenti quali l’etichettatura ecologica, la differenziazione dei prezzi attraverso tasse sulle emissioni prodotte e prelievi sui prodotti, la promozione della qualità ambientale attraverso l’educazione e l’informazione dei consumatori e dei produttori, l’introduzione di diritti scambiabili, cauzioni a garanzia del rispetto delle prestazioni ambientali, strumenti contrattuali. La ricerca cercherà di evidenziare i risultati ottenibili con i suddetti strumenti in termine di rimozione dei principali ostacoli di natura economica allo sviluppo delle filiere.

Articolazione temporale delle attività

La ricerca si sviluppa su tre anni.

1 anno:

saranno costruiti i modelli aziendali per tipologie alternative di ordinamenti produttivi e dimensioni economiche e si valuteranno i costi di produzione, i prezzi di parità e la competizione con le colture a scopo alimentare per le produzioni bioenergetiche di prima generazione

2.anno:

saranno introdotte nei modelli variabili provenienti dalla sperimentazione in corso in altre unità operative per valutarne la sostenibilità economica con l’approccio descritto in precedenza

3 anno:

verranno effettuate analisi di sensitività rispetto a variazioni dei prezzi del petrolio o del livello di incentivi legati a decisioni di politica agricola, energetica o ambientale e le analisi di efficienza delle filiere.

Ostacoli prevedibili ed azioni correttive

Un ostacolo all’ottenimento dei risultati prospettati potrebbe essere rappresentato dalla mancata rimozione, attraverso la ricerca genetica ed agronomica, di alcuni dei vincoli di natura tecnica in alcune delle filiera oggetto di indagine nel progetto. In questo caso i risultati comunque ottenibili potranno essere messi a confronto con dati provenienti dalla letteratura relativi a filiere analoghe realizzate in altri paesi produttori.

Risultati attesi

L’obiettivo della ricerca è la valutazione della sostenibilità economica delle filiere esistenti e di quelle realizzabili nel medio periodo grazie alle innovazioni di carattere tecnico che verranno sviluppate dalle altre unità operative. Particolare attenzione verrà posta alla valutazione di strumenti innovativi per l’incentivazione della nascita delle filiere quali l’etichettatura ecologica, la differenziazione dei prezzi attraverso tasse sulle emissioni prodotte e prelievi sui prodotti, la promozione della qualità ambientale attraverso l’educazione e l’informazione dei consumatori e dei produttori, l’introduzione di diritti scambiabili, cauzioni a garanzia del rispetto delle prestazioni ambientali, strumenti contrattuali.

Ricadute e benefici

I risultati della ricerca contribuiranno a:Individuazione della capacità delle filiere esistenti di contribuire al raggiungimento degli obiettivi sulla miscelazione fissati dalla normativa comunitaria e sullo sviluppo di fonti rinnovabili fissati dai documenti governativi • Individuazione di potenziali distretti bioenergetici • Messa a punto di idonei strumenti di incentivazione e valorizzazione delle filiere esistenti.

Collaborazioni esterne

Sono previsti incarichi di consulenza ai ricercatori non appartenenti all’INEA indicati nella composizione dell’Unità Operativa. In particolare i consulenti individuati nella composizione dell’Unità operativa integreranno il gruppo di lavoro INEA in relazione alle specifiche competenze relative nello sviluppo di strumenti di analisi quantitativa (programmazione quadratica positiva) applicabili a dati aziendali RICA al fine di analizzare le variazioni nei ricavi e nei costi conseguenti l’introduzione delle colture bioenergetiche e la competizione con le colture a scopo alimentare.

Istituzione CRA Unità di Ingegneria Agraria
Titolo della ricerca Studio propedeutico per la progettazione di una raccoglitrice per il sorgo zuccherino ed organizzazione della logistica
Ente di appartenenza CRA
Indirizzo postale via della Pascolare 16 00016 Monterotondo
Responsabile scientifico della UO e partecipanti Dr. Luigi Pari,
CRA Unità di Ricerca in Ingegneria Agraria
Via Della Pascolare 16, 00016 Monterotondo 06 90675249 luigi.pari@entecra.it
Curriculum del
responsabile e
pubblicazioni negli ultimi
5 anni attinenti il progetto
Il Dr. Luigi Pari, dopo essersi laureato in Scienze Agrarie (1985) conclude il Dottorato di Ricerca (1990) in Meccanica Agraria presso l’Università di Bologna con una tesi sulla progettazione di una raccoglitrice per il sorgo zuccherino coltivato a fini non alimentari per la produzione di etanolo per autotrazione.
Divenuto ricercatore presso l’Istituto Sperimentale per la Meccanizzazione Agricola di Monterotondo, svolge diversi stage all’estero (Virginia Polytecnic Institute, Louisiana State University, University of Florida, University of California) continuando a condurre ricerche a riguardo della produzione, della logistica e della trasformazione delle colture non alimentari.
Ha svolto il ruolo di responsabile scientifico di 22 Progetti di ricerca, inerenti l’oggetto della presente proposta, in 3 dei quali è stato anche coordinatore di Progetto, finanziati principalmente dalla Unione Europea, ma anche dal MiPAF, ENEL e Regione Lazio.
Ha progettato e costruito (o fatto costruire) 12 prototipi di macchine agricole per la raccolta delle colture da biomassa, brevettandone 3.
Autore di 141 lavori scientifici inerenti l’oggetto della presente proposta pubblicati su riviste internazionali e nazionali, e presentate a convegni internazionali e nazionali del settore.
E’ Valutatore scientifico dei progetti di ricerca per la Comunità Europea, Il MiPAF e la Regione Toscana; ha partecipato alla valutazione dei Progetti nel Programma AIR e FAIR della Comunità Europea ed alla valutazione dei Progetti finanziati da ARSIA della Regione Toscana.
E’ Recensore degli articoli scientifici presentati alla rivista internazionale “Biomass e Bioenergy” ed alla 14° e1 15° European Conference on Biomass for Energy, Industry and Climate.
Chairman a conferenze internazionali, membro del comitato scientifico di convegni internazionali, autore di 7 comunicazioni scientifiche a Convegni internazionali di cui 15 su invito.
Consulente dell’Unione Europea, dell’Enel per lo sviluppo di innovazioni tecnologiche e l’approvvigionamento di centrali a biomassa.
Docente a diversi Corsi di formazione, Corsi di aggiornamento, Dottorati di ricerca e Masters.
Membro del Comitato Tecnico Scientifico della Associazione Italiana Produttori e Trasformatori Biomassa, membro di diverse Commissione, gruppi di lavoro, gruppi di studio ecc.

Competenze dell’Unità Operativa in relazione al progetto

La U.O. ha svolto una ventina di Progetti di Ricerca finanziati dalla UE, MiPAF, Enel e Regione Lazio sulla produzione ed utilizzazione delle colture non food, per energia e per fibra. Sono stati pubblicati 125 lavori scientifici sull’argomento, sviluppati e costruiti diversi cantieri di macchine per la raccolta, trasporto e stoccaggio delle principali colture alternative erbacee ed arboree e per i sottoprodotti agricoli.
La U. O. è costituita da un primo ricercatore, il Dr. Luigi Pari e dai seguenti esperti nel settore delle bioenergie assunti con contratto co.co.pro.:
Ing. Massimo Pepe, Dr. Alberto Assirelli, Dr. Vincenzo Civitarese, Dr. Giovanna Ciriello, Dr. Angelo Del Giudice,
Ing. Stefania Donati, Dr. Alessandro Suardi, Dr. Andrea Acampora, Dr. Sara Croce
Di seguito vengono brevemente descritte le attività di ricerca svolte attinenti al progetto suddivise per tipologia colturale.
Colture erbacce da biomassa per la produzione di energia elettrica
Ha progettato e costruito un prototipo per la raccolta dei rizomi di arundo donax e di miscanthus per un loro successivo trapianto al fine di diminuirne i costi di impianto. Ha costituito vivai per la propagazione di queste colture.
La U.O. ha effettuato prove di raccolta di sorgo da fibra e messo a punto un cantiere di raccolta idoneo per effettuare la disidratazione in campo della coltura e la successiva imballatura.
La U.O. ha effettuato prove di raccolta di miscanthus e messo a punto un cantiere di raccolta idoneo ad effettuare la compattazione del prodotto. Ha condotto prove di raccolta del cynara cardunculus per separare le diverse frazioni della coltura: semi, pappi e biomassa per un loro utilizzo individuale, nonché per la messa a punto di un cantiere di raccolta e di imballatura dell’intera pianta.
La U.O. ha sviluppato studi sui bilanci energetici ed economici per verificare la redditività ed il risparmio energetico conseguenti all’introduzione di queste colture.
SELVICOLTURA A BREVE ROTAZIONE (SRF) PER LA PRODUZIONE DI BIOMASSA AD USO ENERGETICO
La U.O. ha provveduto ad effettuare un’indagine conoscitiva delle macchine da raccolta per SRF già esistenti nel nord Europa attraverso test condotti in Svezia e ad importare in Italia le macchine selezionate per effettuare prove di raccolta nelle condizioni operative italiane. Le macchine selezionate, importate e testate sono state: Claas Jaguar 695, Austoft 7700, Bender, Hvisted.
Per ogni macchina ha rilevato i parametri meccanici e le problematiche inerenti il loro adattamento alle condizioni pedo-climatiche italiane e sono state proposte soluzioni tecniche e meccaniche da apportare alle diverse raccoglitrici, provvedendo ad effettuare una valutazione economica e di impatto ambientale relativo ad una loro introduzione nel parco macchine italiano.
Ha quindi progettato e costruito tre cantieri di raccolta alternativi alle macchine sviluppate nel nord Europa, una macchina trinciacaricatrice per raccolta di SRF a ciclo annuale, un sistema di raccolta ed accumulo di piante intere per una loro successiva cippatura una volta essiccate (brevettato), una macchina trinciacaricatrice per la raccolta di SRF a ciclo poliennale.
La U.O. ha sviluppato bilanci energetici ed economici per verificare la redditività ed il risparmio energetico all’introduzione di queste colture.
Valutazione, raccolta, compattamento, trasporto ed omogeneizzazione delle biomasse residuali (scarti agricoli, forestali, agro-industriali, potature del verde urbano)
La U.O. ha messo a punto una metodologia per la valutazione della presenza di biomasse disponibili in un determinato areale al fine di dimensionare una centrale alimentata a biomasse residuali.
La U.O. ha sviluppato due software per programmare il conferimento degli scarti nell’arco dell’anno ad un impianto con determinate caratteristiche e per valutare il potenziale energetico di un determinato bacino al fine di dimensionare l’impianto di trasformazione.
Raccolta dei sottoprodotti La U.O. ha testato in campo tutti i cantieri di raccolta costruiti in Italia per la raccolta delle potature su pesco, vite, olivo ed agrume. Ha progettato e costruito un prototipo trainato in grado di raccogliere, cippare e caricare su carro la potatura in andana. Il prodotto raccolto è stato bruciato in caldaia e sono stati rilevati i parametri termochimici ed ambientali.
La U.O. ha progettato un prototipo modulare in grado di raccogliere e cippare le potature per una loro successiva imballatura oppure caricamento su carro.
Colture da fibra
La U.O. ha testato un cantiere di macchine strigliatrici su kenaf.
Ha messo a punto sistemi di raccolta della ginestra spontanea in ambiente collinare e sistemi di coltivazione e raccolta di ginestreti coltivati in terreno pianeggiante. Ha collaborato allo sviluppo di macchine industriali idonee alla estrazione del tiglio per la produzione di tessuti.
Sono state eseguite prove di coltivazione e raccolta di canapa adattando il cantiere di raccolta della fienagione alla coltura.
Ha condotto prove di raccolta, imballatura e decorticazione della canapa adattando macchine da raccolta (estirpatrici, rivoltatici, imballatrici a steli parallelizzati) e impianti industriali del lino per mettere a punto sistemi innovativi per la produzione di tiglio di canapa.
Ha collaborato allo sviluppo di macchine industriali per la separazione a secco del tiglio dal canapulo.

Descrizione della ricerca

Stato dell’arte specifico

La coltivazione del sorgo zuccherino in area sub-tropicale mirava, primariamente, alla produzione di sciroppo e zuccheri cristallizzabili per uso umano e scorte alimentari. Attualmente, nei Paesi industrializzati, è desto l’interesse per tale coltura, in ordine alla sua utilizzazione in processi industriali. Allo scopo di ottimizzare sia le rese per ettaro, sia il contenuto in zuccheri nel midollo della pianta, sono stati avviati specifici programmi di ricerca e sono stati selezionati tipi ad alta produttività anche nelle regioni dell’Europa del Nord e nell’area Mediterranea.
Nei paesi in via di sviluppo la raccolta avviene manualmente; la introduzione di questa coltura nei nostri ambienti presuppone lo sviluppo di una macchina che ne permetta la raccolta con costi contenuti progettata per essere inserita nelle successive fasi della catena logistica.
L’anello della filiera che collega la produzione alla trasformazione è difatti il settore della logistica, in cui la meccanizzazione occupa un posto fondamentale da un punto di vista economico ed ambientale. La caratteristiche della macchina per la raccolta del sorgo zuccherino influenzeranno non solo la redditività della coltura e i costi di trasporto, ma anche la possibilità in industria di conservare il prodotto o di dover prevedere sistemi di pre-trattamento alla bocca dell’impianto.
La logistica è quindi un settore strategico per l’agricoltore ma specialmente per l’industriale che deve assicurarsi l’approvvigionamento del materiale con le caratteristiche fisiche volute (pezzatura, omogeneità, contenuto idrico, contenuto in ceneri, ecc).

Obiettivi specifici

Il sorgo zuccherino presenta problematiche da risolvere inerenti la meccanizzazione della raccolta completamente differenti rispetto al sorgo da fibra per il quale è in atto una azione di ricerca che sta portando a concreti risultati.
Obiettivo della presente ricerca quello di progettare la macchina per la raccolta del sorgo zuccherino idonea per i nostri ambienti.
Il raggiungimento di tale obiettivo sarà ottenuto attraverso lo svolgimento di diverse azioni di ricerca fra loro
complementari:
1. Studio della ottimale lunghezza dello stocco per evitare fenomeni fermentescibili
2. Rilievi in campo delle caratteristiche fenologiche del sorgo zuccherino influenti sulla meccanizzazione della
raccolta Test in campo di macchine commerciali costruite per altre colture al fine di verificarne l’adattabilità al sorgo zuccherino e per la individuazione delle caratteristiche meccaniche che dovrebbe avere la macchina ideale
4. Sviluppo dell’idea progettuale del prototipo
5. Individuazione della ditta costruttrice di macchine agricole interessata alla costruzione del prototipo
6. Ottimizzazione della fase logistica

Piano di attività

Attività 1 -Studio della ottimale lunghezza dello stocco per evitare fenomeni fermentescibili Il sorgo zuccherino non può essere conservato per un lungo periodo dopo la raccolta per l’estrema facilità a fermentare degli zuccheri contenuti nel midollo. E’ necessario quindi dimensionare il cantiere di raccolta e la eventuale lavorazione successiva sui tempi ottimali di stoccaggio; questi, a loro volta, dipendono dalla qualità del prodotto raccolto: in particolare, la pezzatura degli stocchi (dovuta alle caratteristiche della raccoglitrice) incide notevolmente sulla sua conservabilità in relazione alla temperatura ambientale.
Il prodotto raccolto con una trinciamais (5-20 mm) sarebbe la soluzione più facilmente meneggevole ed economica, potendone caricare fino a 12 tonnellate su un camion, ma in tal caso la fermentazione degli zuccheri inizia già durante la fase di raccolta e di trasporto.
Il prodotto conferito all’industria avrà quindi un tenore zuccherino residuo che ne pregiudicherà l’utilizzo.
Le perdite saranno invece più contenute se la pianta sarà raccolta intera ma in questo caso i costi di trasporto saranno tali da non rendere più economica la coltura.
E’ quindi necessario provvedere ad uno studio approfondito per valutare sia la perdita di zuccheri in relazione alla lunghezza del prodotto raccolto sia la massa volumica dei cumuli di diversa pezzatura per individuare il costo di trasporto.
Attività 2 - Rilievi in campo delle caratteristiche fenologiche del sorgo zuccherino influenti sulla meccanizzazione della raccolta
Verrà rilevata l’altezza media della coltura, l’altezza media del panicolo, la produzione raccoglibile suddivisa in stocchi, panicolo e foglie, l’indice di accestimento.
Poiché la raccolta del panicolo comporta una produzione importante di amido, si effettuerà un approfondito studio della produttività di sementi in relazione alla varietà interfacciato con la disformità in altezza delle piante. Difatti una possibile raccolta separata del panicolo presuppone una altezza omogenea della pianta.
Attività 3 - Test in campo di macchine commerciali costruite per altre colture al fine di verificarne l’adattabilità al sorgo zuccherino e per la individuazione delle caratteristiche meccaniche che dovrebbe avere la macchina ideale Le prove avranno lo scopo di verificare la possibilità di utilizzare le macchine in commercio, rilevarne le prestazioni, verificare le modifiche necessarie e trarre indicazioni sulle soluzioni tecnologiche che dovranno essere apportate in fase di progettazione alla macchina ideale per la raccolta del sorgo zuccherino nelle condizioni operative italiane.
Si prevede di valutare in campo 1 prototipo per la raccolta della canapa in grado di tagliare in pezzi di lunghezza regolabile gli stocchi, una trincia mais ed una falciatrice.
Attività – 4 - Sviluppo dell’idea progettuale del prototipo Sulla base dei dati raccolti dalle prime tre attività e dalla loro elaborazione congiunta, sarà possibile individuare il miglior cantiere di macchine per la logistica del sorgo zuccherino e provvedere alla sua progettazione.
La macchina dovrebbe poter raggiungere capacità operative dell’ordine di 1 ha/h per poter rendere economicamente sostenibile l’operazione e provvedere alla raccolta separata del panicolo.
Dalle esperienze condotte sarà possibile individuare l’idea progettuale della macchina idonea alla raccolta del sorgo zuccherino. Non verrà eseguita una progettazione correlata con disegni tecnici, questa fase sarà effettuata solamente qualora vi sia la disponibilità di ulteriori finanziamenti.
Attività - 5 - Individuazione della ditta costruttrice di macchine agricole interessata alla costruzione del prototipo Affinché la innovazione tecnologica che ci si propone di sviluppare possa essere messa sul mercato in breve tempo sono necessarie le seguenti condizioni:
1. Un progetto ben fatto che abbia preso in considerazione tutte le problematiche di ordine tecnico, meccanico e logistico
2. La richiesta di macchine da parte del mercato
3. Un costruttore in grado di realizzare la innovazione (i prototipi sviluppati dagli Istituti di Ricerca raramente sono giunti alla fase commerciale)
4. Un costruttore interessato ad investire nella innovazione (se il costruttore non sostiene almeno il 50% delle
spese di realizzazione del prototipo non sarà interessato ad arrivare alla fase commerciale per recuperare
l’investimento)
5. Una rete commerciale già avviata
6. Disponibilità economica per sviluppare tutte le fasi che porteranno al prodotto definitivo: la progettazione, lo sviluppo e la costruzione del primo prototipo, le prove per verificarne le prestazioni ed individuare i possibili miglioramenti tecnologici, la costruzione del secondo prototipo, nuove prove in campo e, se i risultati sono positivi, la brevettazione ed l’avvio della fase commerciale.
Attualmente i costruttori di macchine agricole per la raccolta delle bietole e del tabacco hanno esigenza di convertire le loro produzioni per il crollo del mercato di questa tipologia di macchine da raccolta a seguito delle decisioni comunitarie a riguardo del supporto di queste colture.
Vi è quindi un sicuro interesse da parte di queste ditte verso nuovi mercati di macchine agricole e quindi ad investire sullo sviluppo di prototipi.
Attività 6: Ottimizzazione della logistica
Saranno presi in considerazione il numero di ettari previsti in una zona di possibile espansione del sorgo zuccherino, quelli già realizzati, la produttività rilevata, la distribuzione sul territorio delle superfici investite a sorgo zuccherino, la forma di conduzione delle aziende agricole interessate, i mezzi produttivi presenti nelle aziende agricole (trattori, carri, trinciamais, rotoimballatrici, imballatrici parallelepipede, falciatrici, mietitrebbie, qualifica del personale disponibile per il progetto ecc).
Verrà inoltre rilevata la rete viaria interpoderale e di strada pubblica in relazione alla localizzazione dell’industria di trasformazione finale (impianto per la estrazione del succo zuccherino, centrale termo elettrica perl’utilizzo della bagasas, impianto per la produzione di etanolo dal panicolo) ed intermedie (siti di stoccaggio della biomassa, impianto per la trebbiatura del panicolo,).
Tutti questi parametri verranno utilizzati per strutturare una rete logistica di movimentazione e trasporto dei prodotti, che in questa fase avrà lo scopo di indicare la migliore opzione di scelta della raccoglitrice tra quelle identificate ma che, in un secondo momento, se si renderà necessario potrà anche essere utilizzata per strutturare una piattaforma informatizzata ed implementata con tecnologia Gis per la ottimizzazione delle raccolte e dei conferimenti all’industria.

Articolazione temporale delle attività

Il Gannt mostra la articolazione temporale E’ importante sottolineare come il calendario riportato sia stato ipotizzato senza considerare l’effettivo mese di inizio del progetto dal momento che risulta difficile in questa fase poter prevedere i tempi di approvazione della domanda di finanziamento. Il Gannt qui riportato deve quindi fornire la misura dell’entità delle varie azioni ed il legame esistente tra loro.
Al sesto mese dall’inizio di ciascuna annualità del progetto è prevista la realizzazione di un report intermedio in grado di fotografare lo stato di avanzamento scientifico e gestionale della ricerca.
Alla conclusione del lavoro è ovviamente prevista la consegna di un report finale.

Attività Azione 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
1 Studio dell'ottimale lunghezza dello stocco per evitare fenomeni fermentescibili                                    
2 Rilievi in campo delle caratteristiche fenologiche del sorgo zuccherino influenti sulla meccanizzazione della raccolta                                    
3 test in campo di macchine commerciali costruite per altre colture al fine di verificarne l'adattabilità al sorgo zuccherino                                    
4 Sviluppo dell'idea progettuale del prototipo                                    
5 Individuazione della ditta costruttrice di macchine agricole interessata alla costruzione del prototipo                                    
6 Ottimizzazione della logistica                        
  Monitoraggio interno Rapporto intermedio tecnico e finanziario Rapporto intermedio tecnico e finanziario Rapporto intermedio tecnico e finanziario

Ostacoli prevedibili ed azioni correttive

Una difficoltà può risiedere nella necessità dello spostamento delle macchine e dei prototipi sviluppati verso le aree dove verrà coltivato il sorgo zuccherino e di reperire in loco le trattrici e le macchine correlate necessarie alla costituzione del cantiere di lavoro. E’ necessario provvedere quindi al noleggio di idoneo mezzo di trasporto. E’ necessario inoltre avvalersi del contributo di aziende agricole e contoterzisti dotati di un parco macchine adeguato alle necessità del progetto. Infine lo sviluppo di diverse attività che si svolgono in contemporanea ma in luoghi diversi può rappresentare una difficoltà che si ritiene possa essere superata attraverso la previsione di un numero congruo di collaboratori da destinare al progetto.

Risultati attesi

La possibilità di mettere a punto sistemi logistici in grado di fornire biomassa con caratteristiche fisiche ottimali rispetto alle possibili perdite di zuccheri e ottenute nell’ottica di ottimizzare la spesa energetica permetterà lo sviluppo di macchine commerciali sul territorio nazionale con ragguardevoli ricadute sul settore agricolo, sociale ed ambientale.
La possibilità di agire a livello aziendale sulla determinazione del cambiamento dei mezzi produttivi aziendali a seguito del cambiamento del sistema colturale permetterà una migliore accettazione da parte degli agricoltori della nuova coltura energetica.
Favorire l’applicazione dei risultati dei Progetti di Ricerca focalizzati alla ottimizzazione delle filiere agro energetiche favorendo la realizzazione delle macchine necessarie alla coltivazione permette di trovare sinergie tra le diverse forme di finanziamento pubblico della ricerca e valorizzare i risultati acquisiti che troppo spesso si estrinsecano in sole pubblicazioni scientifiche.

Ricadute e benefici

Le ricadute sul mondo agricolo, utente delle attività di ricerca previste dalla presente proposta, riguarderanno la possibilità di convertire i terreni prima coltivati a tabacco od a bietola con una coltura energetica ad alto reddito.
Potranno anche usufruire di indicazioni per adattare i mezzi produttivi diventati oramai obsoleti per la sostituzione delle colture in fase di abbandono (tabacco bietola) con colture energetiche.

Collaborazioni esterne

Si prevedono diverse forme di collaborazione che verranno attivate sia per coinvolgere esperti di fama internazionale per trasferire in Italia le conoscenze specifiche sia per trasferire al mondo imprenditoriale e quindi applicare su scala aziendale le innovazioni tecnologiche sviluppate.
Il trasferimento avverrà sia verso il settore dell’agromeccanica, attivando collaborazioni con costruttori di macchine agricole, sia verso imprenditori agricoli e contoterzisti.

Istituzione C.R.A. - S.C.A. (Unità di Ricerca per i Sistemi Colturali degli Ambienti
Caldo-Aridi) - BARI
Titolo della ricerca Potenzialità Agronomiche degli ambienti meridionali per sistemi colturali agroenergetici
Ente di appartenenza CRA
Indirizzo postale Via Celso Ulpiani 5, 70125 Bari
Responsabile
scientifico della UO e partecipanti
A. Domenico Palumbo – CRA-SCA Telef. 080-5475014; Fax 080-5475023;
E-mail:domenico.palumbo@entecra.it
Annamaria Castrignanò, Donato De Giorgio, Donato Ferri, Marcello Mastrorilli, Francesco P.
Montemurro, Gianfranco Rana, Michele Rinaldi, Domenico Ventrella
Curriculum del
responsabile e
pubblicazioni negli ultimi
5 anni attinenti il progetto
CURRICULUM VITAE DI ANGELO DOMENICO PALUMBO
• Nato a Molfetta (BA) il 2 agosto 1959.
• Laureato in Scienze Agrarie, Facoltà di Agraria di Bari, 29 giugno 1983.
• Ricercatore in ruolo presso l’Istituto Sperimentale per l’Orticoltura (Ministero delle Politiche Agricole e Forestali, in seguito C.R.A.) nella sede centrale di Pontecagnano (SA) dal 9 ottobre 1989 al 31 dicembre 2004.
• Trasferito, a domanda, presso il C.R.A.- S.C.A. (Unità di ricerca dei sistemi colturali degli ambienti caldo-aridi) di Bari dal 1 gennaio 2005.
L’attività di ricerca e sperimentazione del dr A.D. Palumbo è stata finalizzata all’intensificazione colturale dei sistemi orticoli in ambiente mediterraneo caldo-arido, sia in coltura protetta che in pieno campo. In una seconda fase, per le mutate condizioni operative del mondo produttivo agricolo, in risposta a direttive e raccomandazioni della UE volte a tutelare il consumatore e salvaguardare l’ambiente, la stessa attività è stata indirizzata verso la gestione agronomica sostenibile dei sistemi colturali.
In tale direzione, ha verificato diversi itinerari tecnici caratterizzati dalla ‘leggerezza d’impatto’ (solarizzazione, portinnesti resistenti, introduzione di varietà adatte agli ambienti agro-climatici del Mezzogiorno, recupero agrotecnico di varietà ‘antiche’, fertirrigazione minerale a basse dosi di
elementi nutritivi e fertilizzazione organica).
E’ stato responsabile di attività di ricerca sulle condizioni predisponenti l’accumulo dei nitrati nella lattuga.
Ha curato la gestione sostenibile della fertilizzazione minerale e organica in sistemi orticoli di pien’aria differenziati per gli avvicendamenti delle colture ortive (fagiolo, pomodoro, cavolo broccolo, peperone) e per gli ambienti agro-climatici (Piana del Sele (SA) e alta Val d’Agri (PZ)).
E’ stato impegnato nella diffusione di ibridi di asparago (Asparagus officinalis L.) nel Mezzogiorno e nelle Isole.
Attualmente partecipa alle attività di ricerca della ex Sezione di Irrigazione, tra cui la formulazione del bilancio idrico di specie rappresentative del clima mediterraneo caldo-arido e l’individuazione di agrotecniche finalizzate alla riduzione dell’evapotraspirazione.
Pubblicazioni recenti
Palumbo, A.D., D’Amore, R., Santonicola, L., Castrovilli, M., Magnifico, V., 202. Valorizzazione agronomica dei pomodorini campani in coltura protetta. Colture protette, XXXI (3): 77-84.
Gianquinto, G., Palumbo, A.D., Paratore, A., 2002. Al Sud si sperimenta la coltivazione (del radicchio, ndr). Terra e Vita, XLIII, suppl. al n. 50: 16-23.
Bilotto, M., Morra, L., Palumbo, A.D., Santonicola, L., 2003. L’innesto erbaceo del pomodoro San Marzano. Inf. Ag., LIX (18): 75-78.
D’Amore, R., Palumbo, A.D., Tonini, A., Bilotto, M., Santonicola, L., Festa, G., Castrovilli, M., 2003. A new structure of plastic-house for cherry tomato grown in soil and soilless culture. Proceedings of the Sixth International Symposium on Protected Cultivation in Mild Winter Climate: Product and Process Innovation. Acta Horticulturae, n. 614, 353-357.
Magnifico, V., Pepe, R., Rosati, A., Palumbo, A.D., Santonicola, L., Donato, R., 2005. Il carciofo Bianco di Pertosa. Inf. Ag., LXl (7): 61-64.
Palumbo A.D., Campi P., Colucci R., Mastrorilli M., 2006. Asparagus water requirements under semi-arid climate of the Mediterranean Europe. Bibliotheca Fragmenta Agronomica. IX ESA Congress, 4-7 settembre, Varsavia (PL).325-326
Magnifico V., Santonicola L., Palumbo A.D., 2007. Radicchio rosso di Chioggia protagonista anche nel Fucino. Inf. Ag., LXIII (18), 34-36.
Palumbo A.D., Colucci R., Campi P., Marrone G., Mastrorilli M., 2007 Caratterizzazione dello stato idrico dei litosuoli per la programmazione irrigua di vigneti di uva da tavola. Atti Convegno SISS, Bari, 21-24 giugno 2005, 308-315.
Campi P., Colucci R., Palumbo A.D., Mastrorilli M., 2007. Effect of windbreaks on yield and consumptive water use. Atti Farming Systems Design 2007, Catania, 10-12 settembre 2007, 201-202.

Competenze dell’Unità Operativa in relazione al progetto

L’U.O. è rappresentata dalla Unità di Ricerca per i Sistemi Colturali degli Ambienti Caldo-Aridi di Bari (C.R.A. –S.C.A). L’U.R. conta due direttori di sezione, tre dirigenti di ricerca, due primi ricercatori, tre ricercatori, sette periti tecnici e sei assistenti di ruolo. Il personale tecnico-scientifico della U.R. si completa con personale assunto con contratto a tempo determinato (assegnisti di ricerca, borsisti laureati e diplomati, Co.co.co.) Alla U.R. fanno capo il laboratorio di fisica e chimica del terreno e di analisi delle acque (ubicati presso la Sede di Bari) e le aziende sperimentali “Agostinielli” (24 ettari), a Rutigliano (Ba), e “Podere 124” (22 ettari), a Foggia. Sei operai agricoli specializzati, nei ruoli del C.R.A., assicurano la gestione delle aziende sperimentali. Il gruppo di ricerca si è sempre interessato di agricoltura polifunzionale. Particolare attenzione è stata posta allo studio di specie di nuova introduzione nei sistemi produttivi di ambienti caldo-aridi. Sin dagli anni ’90, presso l’azienda di Rutigliano, sono state studiate le tecniche per produrre nuovi alimenti e fibre, nonché prodotti per le filiere industriali e bio-energetiche. La competenza dell’U.O. in relazione al progetto si è consolidata grazie alla partecipazione al progetto europeo "Joule", che tra il 1990 e il 1995 ha riunito i ricercatori del Nord, Sud ed Est europeo per studiare l’introduzione di nuove specie da energia. L’impegno in ambito europeo è proseguito fino al 1999 con l’adesione al progetto “Environmental studies on sweet and fibre sorghum sustainable crop for biomass and energy”. Col progetto PANDA– Irrigazione sostenibile- l’U.O. ha approfondito lo studio sull’efficienza d’uso dell’acqua irrigua per le graminacee da biomassa e col PRISCA sono state studiate una serie di colture alternative, tra cui il sorgo zuccherino e il topinambur. In ambito regionale, si ricorda la partecipazione al progetto PANACEA (regione Lazio) e “Irrigare i vigneti di uva da tavola con le tecnologie foto-voltaiche: possibilità e limiti” (regione Puglia). L’Unità di Ricerca per lo Studio dei Sistemi colturali di Metaponto (CRA – SSC) attualmente conta di un direttore incaricato, un ricercatore, due operatori tecnici e due unità (Co.Co.Co.) assunte con contratto a tempo determinato su progetti speciali. Le prove di campo vengono effettuate presso l’azienda agraria “Campo 7” di Metaponto (estesa per una superficie di 6,5 ettari). Nel corso di un sessennio (1992-’97), presso l’azienda sperimentale di Metaponto, sono state studiate specie vegetali innovative appartenenti a tre filiere del Progetto finalizzato MiPAAF “PRisCA” (Progetto Ricerca sulle Colture Alternative): energia (sorgo zuccherino e topinambur), fibra e cellulosa (kenaf e lino da fibra) e usi diversi (guar). Dai dati produttivi è emerso che, in generale, le specie di nuova introduzione mostrano un buon adattamento all’ambiente di studio. Le ricerche furono sollecitate dall’esigenza di dare una risposta operativa ad una situazione contingente determinata dall’evoluzione della PAC e dalla necessità di trovare nuove possibilità produttive per gli operatori agricoli della Regione Basilicata. L’Unità di Ricerca per l’individuazione e lo Studio di Colture ad alto reddito in ambiente caldoarido di Lecce (CRA – CAR) attualmente conta di un direttore incaricato, tre collaboratori tecnici, due operatori tecnici, due funzionari amministrativi, tre operatori amministrativi, 1 ausiliario tecnico. Le prove di campo vengono effettuate presso l’azienda agraria “S. Anna ” di Monteroni (estesa per una superficie di 11 ettari e dotata di tutte le attrezzature necessarie alla ricerca sperimentale in pieno campo.) Questa U.R. ha maturato una notevole esperienza sulla riconversione colturale delle zone coltivate a Tabacco, interessandosi alla individuazione delle colture più idonee, anche nelle aree marginali (molto diffuse nel Salento), a garantire redditi elevati e a proteggere l’ambiente.

Descrizione della ricerca

Stato dell’arte specifico

Nell’Unione Europea la produzione di energia primaria da biomasse è pari a 72,3 milioni di tep. I principali Paesi produttori di questa forma di energia sono Germania e Francia, con il 15,5% ed il 15,2% rispettivamente, mentre l’Italia si piazza al sesto posto con il 6,4%. La maggior parte della produzione complessiva (81%) è rappresentata dalle biomasse solide (legno, scarti della lavorazione del legno, scarti e residui forestali e agro-industriali, ecc.) seguite dai rifiuti solidi rinnovabili con il 7,4% e dal biogas con il 6,9%; ai biocarburanti spetta poco meno del 5%. I consumi primari più elevati, nell’ultimo periodo, sono stati quelli di biocarburanti e biogas (65% e 16%, rispettivamente); meno marcato, ma comunque rilevante, l’incremento di biomasse solide. Nel Libro Bianco del 1997, l’obiettivo di consumo di biomasse nell’Unione Europea era stato fissato, al 2010, a 135 Mtep. La Commissione europea ha stimato, invece, che il consumo di energia prodotta da biomasse potrà raggiungere 150 Mtep al 2010, di cui 55 Mtep destinati alla produzione di elettricità, 75 Mtep alla produzione di calore e 19 Mtep ai trasporti. La produzione complessiva di energia elettrica da biomasse in Italia è stata pari a 6.155 GWh nel 2005 contro i 387 GWh del 1995. Tale produzione ha conosciuto un significativo incremento negli ultimi dieci anni, passando dallo 0,2% al 2% della produzione elettrica totale nazionale e dallo 0,9% a ben il 12,3% della produzione da fonti rinnovabili. Al 2005 risultano presenti in Italia circa 290 impianti di produzione di energia elettrica a biomasse, di cui 81 in cogenerazione. Con quasi 3.300 GWh (53,3% del totale), la cogenerazione risulta attualmente la forma di produzione di energia elettrica da biomasse prevalente. Ancora decisamente poco rilevante il contributo proveniente dal biogas che si assesta sul 7%. La filiera dei biocombustibili liquidi in Italia riguarda esclusivamente la produzione di biodiesel ed in misura molto più ridotta quella di bioetanolo. L’attuazione della legge n. 81/2006 avviene sulla base di appositi decreti, in conformità agli obiettivi di sviluppo delle filiere agro-energetiche e in base alla disponibilità di materia prima fissata nelle intese di filiera. Rispetto ad un fabbisogno stimato di 200.000 tonnellate di biodiesel defiscalizzato (al 2006), per la campagna 2007 è stato fissato un obiettivo minimo di coltivazione di circa 70.000 ettari di oleaginose. Per gli anni successivi è prevista la seguente progressione: circa 180.000 ettari nel 2008 e raggiungere 240.000 ettari nella campagna 2009. Si può notare come la superficie è ben al di sotto dell’investimento richiesto per soddisfare gli obiettivi previsti dalla legge 81/2006. La finanziaria 2007, infatti, impone l’obbligo, a partire dal 2007, di miscelare l’1% di biocarburanti prodotti con materia prima nazionale, e proseguire con un aumento medio annuo dell’1% fino a raggiungere il 5,75% entro il 2010. Gli ultimi dati Istat evidenziano una tendenza alla crescita delle superfici destinate negli ultimi tre anni alle principali colture oleaginose (girasole, soia e colza) potenzialmente interessanti per lo sviluppo di un mercato delle bioenergie. Le prime due specie sono a semina primaverile e pertanto, per portare a termine il proprio ciclo biologico senza notevoli decurtazioni di produzione areica, hanno bisogno di notevoli volumi irrigui stagionali; il colza, invece, è una coltura a ciclo autunno-primaverile, che offre, nelle zone asciutte del Centro-Meridione, una interessante alternativa alla monosuccessione di frumento duro, senza bisogno dell'intervento irriguo. Il fattore acqua, non trascurabile per le attuali ridotte disponibilità da utilizzare nel settore agricolo, induce gli operatori agricoli del Meridione a rivolgere un’attenzione particolare per questa specie. Le biomasse di origine agro-forestale rappresentano per Puglia e Basilicata una delle opzioni più concrete in termini di potenziale energetico da fonti rinnovabili. In aggiunta, potrebbero contribuire fattivamente al rilancio delle attività dei comparti agricoli, forestali e zootecnici che nella regione rappresentano un importante tassello dell’economia locale. L’approvvigionamento di combustibile solido può essere ottenuto attraverso coltivazioni erbacee dedicate poliennali o annuali, ma non dalle biomasse forestali residuali in quanto la regione Puglia presenta uno dei più bassi indici di boscosità. l boschi pugliesi hanno, pertanto, un grande valore ecologico, paesaggistico e di tutela della biodiversità e non possono assolutamente essere considerati una risorsa in termini energetici. Le colture dedicate per la produzione di biocombustibili liquidi presenti in Puglia e Basilicata sono cereali, girasole, colza e barbabietola. Pur rientrando nella tradizione colturale regionale, attualmente le oleaginose non sono particolarmente diffuse e la loro estensione si è andata riducendo in maniera non trascurabile nel corso degli ultimi anni. L’avvio di filiere bioenergetiche potrebbe quindi favorire una loro ripresa. Attualmente dalla coltivazione di barbabietola si potrebbero ottenere complessivamente circa 55.000 tonnellate di bioetanolo (pari ad un contenuto energetico di 35.120 tep). Circa la possibilità di estendere le coltivazioni energetiche, va tenuto conto che alcuni studi recenti hanno mostrato che i seminativi non irrigui che possono essere riconvertiti a colture energetiche rappresentano circa il 50% del totale. Ovviamente l’idoneità di questi areali va riguardata con molta accuratezza in relazione ai sistemi colturali tradizionali, all’uso e alle caratteristiche del suolo e alle potenzialità produttive delle colture selezionate. Le ricerche condotte in molti anni dalla Unità di Ricerca CRA per i Sistemi Colturali degli Ambienti caldo-aridi (Bari) e da quella per lo Studio dei Sistemi Colturali (CRA-Metaponto) hanno contribuito ad indagare sulle possibilità e sui limiti agronomici di alcuni areali meridionali per le specie “no-food”.

Obiettivi specifici

Il Progetto prevede tre obiettivi: a) Analisi del contesto territoriale (Regioni Puglia e Basilicata), con particolare riferimento all’integrazione e alle sinergie locali; b) Ottimizzazione delle filiere agro-energetiche esistenti nel Mezzogiorno d’Italia attraverso innovazioni agronomiche dei sistemi colturali tradizionali. Valutazione delle possibilità e dei limiti delle sostituzioni parziali o totali delle tradizionali colture in avvicendamento con quelle “energetiche”, anche di nuova introduzione; c) Dinamica del carbonio e bilancio energetico.

Piano di attività

a) Analisi del contesto territoriale (Regioni Puglia e Basilicata) con particolare riferimento all’integrazione e alle sinergie locali
La caratterizzazione e la mappatura delle proprietà spaziali delle regioni Puglia e Basilicata, al fine di delineare aree morfologiche e agro-pedo-climatiche omogenee, saranno realizzate attraverso un nuovo approccio integrato che si avvarrà di tecniche innovative. Questa caratterizzazione sarà preliminare alla determinazione della vocazione territoriale alla coltivazione di colture da destinare alla produzione di bioenergia e biocarburanti. Operativamente l’implementazione di tale approccio richiederà le seguenti azioni preliminari: • Raccolta di tutto il materiale cartografico esistente (carte IGM), al fine di localizzare i diversi corpi (canali, edifici, sistemi di drenaggio, etc.) presenti; si reperiranno anche le mappe di suolo disponibili, interessanti le aree di studio, e le serie storiche di dati
meteorologici. Laddove non sia già disponibile un modello digitale di territorio (DEM), si provvederà alla sua realizzazione mediante interpolazione di punti quotati acquisiti da carte tecniche. Per tutti i dati precedentemente raccolti su base puntuale, si dovrà procedere ad una loro spazializzazione utilizzando tecniche geostatistiche uni e multivariate.
• Un altro livello conoscitivo di importanza fondamentale a tale studio è rappresentato dall’uso del suolo. A tale riguardo verranno utilizzate le osservazioni puntuali georiferite relative alla presenza delle colture nel triennio 2004-2006, reperibili dai rilievi ufficiali del MIPAAF (Progetto AGRIT). Al fine di giungere ad una distribuzione areica delle principali colture, si procederà ad una loro spazializzazione utilizzando tecniche telerilevate di analisi delle immagini in combinazione con tecniche geostatistiche. Un’analisi multitemporale consentirà di stimare anche le variazioni della SAU nel periodo in cui si dispone di osservazioni a terra.
Tutti i dati precedentemente raccolti ed opportunamente elaborati verranno inseriti in un GIS territoriale che sarà costantemente aggiornato qualora altre informazioni vengano ad aggiungersi.
Per l’individuazione di aree agro-ecologiche omogenee, ai dati stimati in formato aster, di cui sopra, verranno applicate tecniche innovative di clustering che, oltre a considerare la similarità fra le osservazioni, tengano conto anche della loro localizzazione.
b) Ottimizzazione delle filiere agro-energetiche esistenti nel Mezzogiorno d’Italia attraverso innovazioni degli agro-eco-sistemi tradizionali; valutazione delle sostituzioni parziali o totali delle tradizionali colture in avvicendamento con quelle energetiche, anche di nuova introduzione La ricerca sarà condotta in tre ambienti caldo-aridi del Mezzogiorno. In particolare le indagini saranno svolte in Puglia (due areali: Tavoliere e Salento) e in Basilicata (Arco Jonico- Metapontino) e riguarderanno specie annuali e perenni. Le specie annuali da avvicendare negli attuali sistemi colturali saranno: cereali (triticale, orzo o lo stesso frumento), colza, girasole, barbabietola e sorgo zuccherino. La specie perenne sarà Arundo donax o, in alternativa, Cynara cardunulus.
A Foggia e a Metaponto saranno analizzati i sistemi colturali con specie annuali, rispettivamente in irriguo e in asciutto. A Lecce sarà studiata la canna. A Rutigliano sarà affrontato un caso studio sulla dinamica del carbonio.
In asciutto si avvicenderanno cereale, colza e girasole. In irriguo, barbabietola e sorgo zuccherino.
Relativamente alle prime, nel triennio si analizzerà, a prescindere dagli effetti di avvicendamento, la risposta delle specie annuali da bio-energia ai seguenti trattamenti sperimentali fattoriali:
lavorazioni tradizionali vs minimum tillage, fertilizzazione in due epoche vs concimazione ridotta in pre-semina. Sarà predisposto un dispositivo sperimentale a parcelle suddivise. Per ogni specie il dispositivo sarà replicato tre volte, con parcelle elementari di superficie pari a 15 m². Mantenendo fisso l’impianto sperimentale, nel triennio si avvicenderanno sulle stesse parcelle le tre specie “in asciutto”.
Per quanto riguarda la barbabietola e il sorgo, l’irrigazione di soccorso sarà applicata alle fenofasi più sensibili alla carenza idrica. Le fenofasi sensibili per la barbabietola sono: 10° foglia e ingrossamento del fittone; per il sorgo: emergenza, inizio e fine levata.
L’impianto della canna attraverso rizomi sarà eseguito in autunno. Saranno valutate due epoche di trapianto dei rizomi, in presenza o assenza di irrigazione di soccorso. Si utilizzerà uno schema sperimentale a parcelle suddivise (“irrigazione” nelle parcelle principali e “epoche” nelle subparcelle), con 3 ripetizioni e parcelle elementari di15 m².
c) Dinamica del carbonio e bilancio energetico L’attività sperimentale sarà condotta a Rutigliano (BA). L’analisi del life cycle assessment (LCA) di una coltura da biomassa deve prevedere lo studio della dinamica del carbonio e del bilancio energetico del sistema suolo-pianta-atmosfera, su scala di campo. La dinamica del carbonio e dominata dell’assimilazione di CO2 attraverso la fotosintesi e dal rilascio del carbonio attraverso la respirazione. Tali processi sono controllati essenzialmente dalle condizioni ambientali locali. Il bilancio energetico è dato dal calcolo della quantità di energia necessaria ad ottenere l’equivalente in energia della produzione della coltura. Tale bilancio è funzione delle modalità di gestione agronomica e dalle caratteristiche ambientali.
Saranno misurati i flussi di CO2 (entranti e uscenti) sulla coltura di canna (o, in alternativa, cardo) a scala di campo, utilizzando tecniche micrometeorologiche e modelli specifici. Il bilancio energetico sarà dedotto da misure di biomassa e dall’inventario delle quantità di energia entrante nel sistema, anche con l’utilizzo di modelli. Per il bilancio del carbonio, sarà allestito un campo sperimentale secondo un’agrotecnica ‘standard’, esteso circa un ettaro (100m x 100m) per consentire l’uso opportuno delle attrezzature per la misura degli scambi gassosi.
I dati fenologici e di accrescimento, insieme ai dati agro-meteorologici e a quelli di stato idrico e nutrizionale del terreno, saranno raccolti in un data set che verrà utilizzato per la calibrazione e validazione dei modelli di produttività.

Articolazione temporale delle attività

I anno

  • Indagine sulla vocazione territoriale
    1. Valutazioni pedoclimatiche
    2. Dati preliminari sui sistemi agricoli di Puglia e Basilicata
  • Avvio dell’attività sperimentale agronomica
    1. Allestimento della prova sperimentale in irriguo su barbabietola e sorgo (Foggia)
    2. Predisposizione dei campi sperimentali in asciutto sugli avvicendamenti tra cereali, colza e girasole (Metaponto)
    3. Impianto di canna nell’areale salentino
    4. Caso studio su dinamica del carbonio e bilancio energetico (Rutigliano).

II anno

  • Conclusione delle indagini sulla vocazione territoriale
    1. Le indagini territoriali previste nella prima annata saranno completate con quelle cartografiche dell’idrografia superficiale soprattutto per individuare areali idonei per le colture a destinazione non alimentare.
  • Prosecuzione della sperimentazione agronomica
    1. L’attività programmata proseguirà nelle aziende sperimentali con il coinvolgimento dei laboratori di analisi.

III anno

  • 1) Conclusione della sperimentazione agronomica
  • Formulazione di modelli

Ostacoli prevedibili ed azioni correttive

Gli ostacoli principali riguardano il reperimento del materiale propagativi delle specie perenni per effettuare l’azione tecnico-dimostrativa in pieno campo. Nessuna difficoltà particolare è prevista per quanto riguarda la coltivazione delle colture annuali in pieno campo e le ricerche agronomiche da effettuare presso le aziende sperimentali del CRA.

Risultati attesi

La sostenibilità di un progetto bio-energetico richiede che vengano soddisfatti i seguenti obiettivi: bilancio energetico positivo; riduzione dell’impatto ambientale; complementarietà fra produzione energetica e produzione di alimenti; compatibilità fra produzione energetica ed i tre principi della nuova PAC (disaccoppiamento, modulazione e condizionabilità cioè ecocompatibilità).

Ricadute e benefici

I benefici di questo approccio metodologico sono essenzialmente costituiti da una rigorosa base di partenza territoriale, senza della quale si rischia di ipotizzare interventi con difficili ricadute sul tessuto urbano, agricolo e socio-economico e di stravolgere modelli di sviluppo rurale, certamente con elementi di criticità, ma pur sempre fortemente connaturati agli ambienti meridionali.

Collaborazioni esterne

1. CRA-Unità di Ricerca per lo Studio dei Sistemi Colturali di Metaponto (CRA-SSC)
2. CRA - Unità di ricerca per l’individuazione e lo studio di colture ad alto reddito in ambiente caldo-arido di Lecce (CRA-CAR)
Il personale scientifico e tecnico delle due Unità di Ricerca di Metaponto e Lecce provvederà ad allestire e seguire le prove sperimentali presso le rispettive aziende. Durante il triennio di ricerca saranno effettuati rilievi fenologici, durante il ciclo colturale, e alla raccolta i principali parametri quanti-qualitativi delle specie in studio. Inoltre, saranno monitorati i principali parametri climatici e podologici dei siti sperimentali.

Istituzione Dipartimento di Scienze Agronomiche, Agrochimiche e delle Produzioni Animali, Università degli Studi di Catania
Titolo della ricerca Ottimizzazione delle tecniche colturali e biologiche per il miglioramento della produttività di colture da biomassa per energia nell’ambiente caldo-arido mediterraneo
Ente di appartenenza MIUR
Indirizzo postale Via Valdisavoia 5, 95123 Catania
Responsabile
scientifico della UO e partecipanti
Prof. Salvatore Cosentino
Telefono, fax, e-mail Tel 095 234411
Fax 095 234449
cosentin@unict.it
Dott.ssa Venera Copani
Dott.ssa Mariadaniela Mantineo
Dott.ssa Giuseppina D’Agosta
Dott. Giorgio Testa
Dott.ssa Alessandra Cosentino
Dott. Danilo Scordia
Dott. Alessandro Saita
Sig. Sebastiano Scandurra
Sig. Vincenzo Cono Genova
Sig. Santo Virgillito
Sig. Angelo Litrico
Curriculum del
responsabile e
pubblicazioni negli ultimi
5 anni attinenti il progetto
Nato a Tripoli (Libia) il 26/10/1955, è laureato in Scienze agrarie (AA 1978-79).
Nel 1985 è ricercatore del C.N.R.. Nel 1994 è ricercatore universitario presso l’Università degli Studi di Catania, Istituto di Agronomia generale e Coltivazioni erbacee. Nel 1998 è professore universitario di ruolo II fascia presso il Dipartimento di Produzione vegetale della Università della Basilicata. Nel 2003è professore di I fascia presso il Dipartimento di Scienze Agronomiche, Agrochimiche e delle Produzioni Animali dell’Università di Catania. Dal 1989 tiene i corsi di numerose discipline presso la Facoltà di Agraria dell’Università di Catania, dell’Università di Reggio Calabria e dell’Università della Basilicata e presso la Facoltà di Farmacia dell’Università di Catania del SSD AGR/02. E’ coordinatore del dottorato in Scienze e Tecnologie Agrarie Tropicali e Subtropicali. E’ coordinatore del gruppo “energy crops” della “European Biofuel Technology Platform”; è Chairman del gruppo di lavoro Biomasse della Piattaforma Italiana dei Biocarburanti. Ha coordinato e collaborato in qualità di responsabile numerosi progetti comunitari, nazionali e regionali. E’ esperto indipendente per la valutazione dei progetti di ricerca di programmi comunitari. E’ membro del Consiglio Direttivo della Società Italiana di Agronomia. La sua attività di ricerca è documentata da più di 160 lavori a carattere sperimentale pubblicati su riviste specializzate e presentati a convegni nazionali ed internazionali.
Nel settore delle colture da energia ha coordinato e collaborato ai seguenti programmi di ricerca internazionali e nazionali
Alcune pubblicazioni attinenti il tema del progetto
- Lorenzoni C., Cosentino S.L., Foti S., Habyarimana E. 2005. “Selezione di nuovi genotipi di sorgo per la produzione di biomassa”. Agroindustria Vol.4, Num.1 2005.
- Cosentino S.L., Foti S., D’Agosta G., Mantineo M., Copani V. 2005.“Confronto tra gli impatti di biocombustibili e di combustibili fossili per mezzo della “Life Cycle Assessment” (LCA). Agroindustria Vol.4, Num.1 2005.
- Cosentino S.L., Foti S., Venturi G., Giovanardi R. Copani V., Mantineo M., D’Agosta G., Bezzi G., Mazzocco G.T. 2005. “Colture erbacee annuali e poliennali da biomassa per energia di possibile coltivazione in Italia”. Agroindustria Vol.4, Num.1 2005.
- Sortino O., Patanè C., D’Agosta G., Cosentino S.L. 2005. “Effect of sowing time on seed production on kenaf (Hibiscus cannabinus L.) in Sicily”. 14th European Biomass Conference, 17-21 October 2005, Paris, France..
- Cosentino S.L., Copani V., D’Agosta G., Mantineo M. 2005. “Performance of different biomass crops for energy in Mediterranean environment”. 14th European Biomass Conference, 17-21 October 2005, Paris, France.
- Cosentino S.L., Copani V., D’Agosta G., Sanzone E., Mantineo M. 2006.“First results on evaluation of Arundo donax L. clones collected in Southern Italy”. Industrial Crops and Products 23 (2006) 212-222.
- Cosentino S.L., Copani V., Mantineo M., Sanzone E., D’Agosta G., Russo A. 2006. “Biodiversità intraspecifica in cloni di Arundo donax L. reperiti nel meridione d’Italia”. Atti del VII Convegno Nazionale sulla Biodiversità. Italus Hortus 13 (2), 2006: 437-442.
- Cosentino S.L., Copani V., D’Agosta G., Mantineo M., Litrico A. 2006.“Valutazione di germoplasma di specie del genere Miscanthus e Saccharum per la produzione di biomassa”. Atti del VII Convegno
Nazionale sulla Biodiversità. Italus Hortus 13 (2), 2006: 433-436..
- Cosentino S.L., Foti S., Venturi G., Giovanardi R. Copani V., Mantineo M., D’Agosta G., Bezzi G., Mazzocco G.T. 2005. “Colture erbacee annuali e poliennali da biomassa per energia di possibile coltivazione in Italia”. Agroindustria Vol.4, Num.1 2005.
- Cosentino S.L., Copani V., D’Agosta G., Sanzone E., Mantineo M. 2006.“First results on evaluation of Arundo donax L. clones collected in Southern Italy” Industrial Crops and Products 23 (2006) 212-222

Competenze dell’Unità Operativa in relazione al progetto

La Sezione di Scienze Agronomiche del DACPA dispone di stazioni meteorologiche, laboratori di analisi, camere di crescita, strumenti per l’analisi della fisiologia delle colture, di un impianto per lo studio dell’erosione del suolo. La sezione dispone inoltre di:
- bilance elettroniche e meccaniche di varia portata
- stufe per l’essiccazione dei campioni;
- macchina per la misurazione dell’area fogliare;
- apparati per la determinazione del contenuto di sostanze grasse mediante estrazione con metodo Soxlhet;
- apparati per la determinazione del contenuto di N mediante metodo Kjeldahl (completi di unita di digestione e distillazione)
- spettrofotometri per la misura dei fosfati e dei sali disciolti in soluzioni;
- sistema per cromatografia liquida (HPLC) completo di detector per UV, visibile, fluorescenza;
- sistemi IRGA portatili, per la misurazione di gas scambiabili;
- autoporometri in fase stazionaria per la misurazione della conduttanza stomatica e della traspirazione fogliare;
- camera a pressione per la determinazione del potenziale idrico fogliare;
- termometro IR per la determinazione della temperatura della canopy;
- misuratore lineare di luminosità per la determinazione della quantità di luce intercettata dalle colture;
- apparato piastre Richards per la determinazione delle costanti idrologiche del terreno.
I campi sperimentali dove saranno realizzate le prove della presente proposta sono:
- c.da Primosole (Comune di Catania - CT) campo sperimentale dotato di 1 centralina meteorologica elettronica ed 1 meccanica; capannoni per il ricovero delle macchine agricole e per l’effettuazione dei rilievi di campo con bilance di varia portata e stufe per l’essiccazione di campioni;
- Contrada Geracello (comune di Enna): centralina meteorologica elettronica e meccanica, invaso per la raccolta del ruscellato e attrezzature per l’irrigazione delle parcelle sperimentali, locali per il ricovero delle macchine agricole e per l’effettuazione di rilievi biometrici mediante bilance, stufe.
Nel settore delle colture da energia la sezione ha coordinato e collaborato ai seguenti programmi di ricerca internazionali e nazionali:
• ‘Miscanthus Network’ e ‘Sweet sorghum network’ (JOUB 0036);
• ‘Miscanthus productivity network (AIR CT92 0294)’ e ‘Sweet sorghum a sustainable crop for energy
production in Europe: agricultural, industrial improvement, optimisation and implementation (AIR CT92
0041)’.
• “Environmental studies on sweet and fiber sorghum, sustainable crops for biomass and energy” (FAIR CT96
1913) (coordinamento)
• “Giant reed (Arundo donax L.) network: improvement, productivity and biomass quality" (FAIR CT96 2028);
• “Concerted action on Miscanthus" (FAIR CT96 1704);
• “Optimization of the production chain for high performance 'light natural sandwich materials' (LNS) as basis
for scaling up" (FAIR CT98-3784);
• Biokenaf - Biomass Production Chain and Growth Simulation Model for Kenaf (Hibiscus cannabinus)
• Design, Development and Up-Scaling of a Sustainable production System for Hemp (Cannabis sativa) Textiles: an Integrated Quality SYStems Approach
• ”Tecniche innovative sostenibili di produzione e trasformazione delle colture energetiche e non food (TISEN)”;
• Assessorato AA.FF. della Regione Siciliana “Proposte ed interventi per lo sviluppo delle colture alternative da biomassa per energia sull’altopiano ibleo”.
• Nel 2007 “Studio di fattibilità per la produzione di energia dalle biomasse di origine vegetale per le Province di Enna e Caltanissetta”

Descrizione della ricerca

Stato dell’arte specifico

La politica energetica comunitaria nel settore delle biomasse sembra orientata a favorire le specie alcoligene e da olio per la produzione di biocarburanti liquidi, dal momento che elettricità e calore possono essere ricavati anche da fonti non agricole quali la biomassa forestale e quella da rifiuti solidi urbani (EUR22066, 2006). Recentemente lo sforzo della ricerca è stato quello di proporre processi alternativi di produzione su larga scala di biocarburanti a partire da biomasse lignocellulosiche più facilmente reperibili sul mercato e non in competizione con la destinazione agroalimentare. Alcune delle tecnologie utilizzate sono già sperimentate nella UE dove esistono tre impianti pilota in Svezia, Spagna e Danimarca per la produzione di bioetanolo (COM 2006, 34). Tra le altre tecnologie che convertono la biomassa lignocellulosica in biocombustibili liquidi figurano:
la gasificazione e sintesi di biocarburanti a partire da materiale lignocellulosico (BTL da biomassa a liquidi; l’FT Diesel, diesel di sintesi derivato dal processo di Fischer Tropsch, biodimetiletere, etc);
il trattamento con idrogeno di oli vegetali e grassi animali per la produzione di biodiesel trattato;
la gasificazione di materiale lignocellulosico per la sintesi di biogas (SNG gas naturale sintetico);
la gasificazione di materiale lignocellulosico per la sintesi di bioidrogeno (biogas potenziati).
L’attività di ricerca in Sicilia relativa al sorgo zuccherino ha avuto inizio nel 1986 quando Copani e coll. (1989) hanno potuto accertare la superiorità produttiva delle varietà a ciclo lungo, caratterizzate da elevati tassi di accumulo di zuccheri negli stocchi (superiori al 16% della biomassa fresca del culmo) e rese in zuccheri fino a 18 t ha-1 (Copani et al., 1989; Cosentino et al., 2003). Il sorgo zuccherino e da fibra sono, tra le colture da biomassa per energia una delle più promettenti, grazie all’elevata capacità produttiva, alla bassa richiesta di input colturali, al ciclo colturale breve (4-5 mesi) e all'elevata resistenza all'aridità. L'interesse nei confronti di questa specie deriva dalla possibilità di ricavarne etanolo dagli zuccheri accumulati negli stocchi, dall’amido della granella e dalla biomassa lignocellulosica del culmo.
Nell'ambiente mediterraneo durante il periodo in cui é possibile effettuare la sua coltivazione (primavera-estate), l’assenza di pioggia ed il conseguente deficit idrico richiedono apporti idrici di soccorso. Com'è noto il sorgo è una specie in grado di resistere anche a lunghi periodi di siccità ma è anche capace di valorizzare utilmente le risorse idriche che le vengono messe a disposizione (Cosentino et al., 1997 a, b; Foti et al., 2004). La produzione di biomassa in condizioni ottimali di rifornimento idrico del terreno varia tra 30 e 47 t/ha, in funzione dell' epoca di semina; il deficit idrico del terreno provoca riduzioni nella resa in funzione del livello di stress. L'efficienza d'uso dell'acqua (litri di acqua utilizzata dalla coltura per kg di biomassa secca prodotta) risulta abbastanza elevata se comparata a quella di altre colture estive (Cosentino, 1996; Cosentino et al., 1996, Foti et al., 1996). Nell’ambito del programma di ricerca dell’Unione Europea “Fair CT 96-1913 Environmental studies on sweet and fiber sorghum, sustainable crops for biomass and energy”, coordinato presso questa Sezione è stata valutata la produttività del sorgo nel Sud dell’Europa, la risposta del sorgo da fibra e zuccherino a bassi-input di coltivazione, il ruolo del sorgo da fibra e zuccherino all’interno di differenti sistemi di coltivazione nel contenimento dell’erosione nella collina interna siciliana, il bilancio idrico ed azotato del sorgo zuccherino e da fibra; individuare i migliori trattamenti al seme per permettere alle varietà di germinare a temperature sotto le minime cardinali; riprodurre nuovi genotipi di sorgo zuccherino tolleranti le basse temperature. E’ stato valutato l’impatto ambientale della coltura attraverso l’applicazione della metodologia nota come “Analisi del Ciclo di Vita” o “Life Cycle Analysis” (Cosentino et al., 2003). Strategie agronomiche per la coltivazione in ambiente mediterraneo sono quelle relative all’epoca di semina e al risparmio idrico. In termini produttivi emerge il vantaggio della semina precoce rispetto alla tardiva. Ricerche sulla possibilità di anticipare l’epoca di semina attraverso trattamenti di pre-condizionamento osmotico del seme o l’impiego di varietà resistenti alle basse temperature sono state sviluppate da Foti et al. (2002) e Patanè et al. (2006). La semina tardiva, tuttavia, apre interessanti scenari nelle regioni del sud in relazione alla possibilità di risparmiare l’acqua di irrigazione, dal momento che parte del ciclo si svolgerebbe nel periodo autunnale consentendo l’utilizzazione delle prime piogge della stagione (Mantineo et al., 2005). Il risparmio idrico potrebbe essere assicurato, quindi, anticipando e posticipando l’epoca di semina per consentire alla coltura di utilizzare l’acqua immagazzinata nel terreno durante l’inverno, nel primo caso e le piogge di fine estate e di inizio autunno nel secondo caso (Foti e Cosentino, 2001). Altro aspetto di rilevante interesse agronomico è quello della concimazione azotata. E’ stato stimato che il pareggio tra entrate ed uscite si realizza con una dose di N intorno ai 150 kg ha-1 a pieno soddisfacimento idrico, e una dose di 120 kg ha-1 con irrigazione limitata (Cosentino et. al., 2003). La canna comune (Arundo donax L.) è una graminacea perenne rizomatosa, erbacea, famiglia Poaceae, diffusa in habitat alquanto diversi. E’ caratterizzata da un ciclo fotosintetico C3, ma con un tasso di accumulo dei fotosintetati simile a quello delle piante C4 (Christou et al., 2001). In Italia cresce dal piano sempreverde al submontano. Uno dei pochi studi su questa specie è stato realizzato nel 1940 in Italia da Onofry in seguito alla collaborazione prestata per la coltivazione su larga scala della specie disposta dall’Ente Nazionale per la Cellulosa e la Carta in Puglia, Campania e Lazio. Nel 1930, la Snia-Viscosa registrò un brevetto per la produzione di una fibra, il rayon viscosa, dalla canna (Facchini, 1941).
Secondo alcuni Autori la canna comune è originaria dell’Asia (Polunin and Huxley, 1987); è diffusa tuttavia in tutto il bacino del Mediterraneo, dove però non produce seme, dal momento che il polline risulta sterile (Boose and Holt, 1999). In condizioni ottimali di disponibilità idrica del terreno la potenzialità produttiva della specie è notevole, superiore alle 100 t ha-1 di sostanza fresca. In numerose prove condotte nell’Europa meridionale la produzione di sostanza secca si è attestata sulle 30 t ha-1 con punte superiori a 40 t ha-1, costituita prevalentemente dai culmi (Foti e Cosentino, 2001; Cosentino et. al., 2005). Con riferimento alle esigenze idriche della coltura, le prove sperimentali condotte a Catania dal 1997 al 2000 indicano che in assenza di irrigazione la produzione di biomassa si aggira intorno a 10-15 t ha-1 di sostanza secca mentre con volumi idrici intorno a 350 mm si possono raggiungere produzioni di 30-35 t ha-1; apporti idrici superiori non comportano ulteriori incrementi di produzione. La risposta della coltura alla concimazione azotata è debole, non sono state osservate, infatti, differenze di produzione con dosi di concime azotato da 60 a 120 kg ha-1; si può supporre pertanto che le esigenze nutrizionali siano contenute. La propagazione della canna comune avviene usualmente per via asessuata attraverso porzioni di rizoma o di culmo, dal momento che la sterilità che caratterizza la specie al di fuori del suo areale di origine (Polunin and Huxley, 1987) non consente di ricorrere al seme.
È necessario in ogni caso disporre di ulteriori indicazioni circa la possibilità di realizzare l’impianto del canneto direttamente in pieno campo o mediante il trapianto di talee radicate. Nel primo caso si tratta di studiare le modalità di utilizzazione del culmo: la posizione nel solco (verticale od orizzontale), la dimensione della talea (culmo intero o porzioni di questo), la capacità radicante delle diverse frazioni, l’effetto della dimensione della talea (numero di nodi presenti), l’efficacia di trattamenti con ormoni radicanti. Recentemente è stata presa in esame la possibilità di ricorrere alla micropropagazione. Nell’ambito di un progetto di ricerca finanziato dalla UE (FAIR 3 CT97-PL 2028 “Gian treed (Arundo donax L.) Network: Improvement, Biomass productivity and Industrial uses”) la Sezione ha provveduto a creare una collezione costituita di 39 genotipi reperiti in Sicilia e Calabria che sono stati valutati per le caratteristiche produttive e per l’ereditabilità dei caratteri che sostengono la resa (Cosentino et al., 2006a, b). E’ emersa la correlazione positiva e significativa tra la resa e la densità dei culmi, il peso unitario di questi e l’altezza delle piante. Tali caratteri hanno presentato anche una modesta eriditabilità, compresa tra il 23% e il 48 %. Ulteriori approfondimenti potrebbero venire dalla valutazione di materiale genetico mediante l’applicazione dei marcatori molecolari AFLP (Amplified Fragment Length Polimorphism). Una caratteristica interessante di questa specie è la sua poliennalità che ne sottolinea la sostenibilità agronomica e ambientale, poiché limita le lavorazioni del terreno, con le note implicazioni sul potenziale rischio erosivo, sulla fertilità del suolo e sul contenimento della CO2; richiede minore impiego di fitofarmaci con particolare riferimento agli erbicidi; presenta minori esigenze nutritive grazie al “riciclo” dei nutrienti nelle specie ad apparato radicale rizomatoso (Foti e Cosentino, 2001, l.c.; Monti et al., 2002; Lewandowski et al., 2003; Venturi e Bonari, 2004; Cosentino et al., 2005a, l.c.); consente, inoltre, la raccolta annuale della biomassa.
La convenienza energetica di alcune di queste colture è stata valutata attraverso il bilancio energetico. Nel sorgo zuccherino e da fibra e nell’Arundo sono stati determinati gli indici energetici relativi alla loro coltivazione in condizioni differenziate di energia ausiliaria immessa (resa energetica, efficienza energetica, guadagno energetico). E’ stato inoltre valutato l’impatto ambientale di queste colture ed il risparmio in termini di emissioni di anidride carbonica (“CO2 saved”) verso l’atmosfera. Quest’ultima è risultata favorevole ai bio-combustibili potendo contribuire in maniera consistente al contenimento dell’effetto serra e del paventato riscaldamento globale del pianeta. Questo aspetto può essere considerato, probabilmente, il più significativo a seguito del “protocollo di Kyoto” e, soprattutto, delle recenti direttive nazionali e comunitarie a questo proposito (Ministero dell’Ambiente e Tutela del Territorio, 2002; G.U.C.E., 2005). La CO2 conservata risulta cospicua per le colture più produttive la cui biomassa si utilizza interamente per la produzione di energia (Cosentino et al, 2006). Nell’ambito del progetto MIPAF “Tecniche innovative sostenibili per colture energetiche e non food” (TISEN) nel biennio 2001-2004 questa Sezione ha applicato la Life Cycle Assessment (LCA, Analisi del Ciclo di Vita) per studiare gli effetti ambientali della produzione di bio-energia derivante da numerose colture da biomassa annuali (colza, sorgo zuccherino e da fibra) e poliennali (Arundo, miscanto e cardo), poste allo studio in sei ambienti italiani: Udine, Padova, Bologna, Piacenza, Bari e Catania e coltivate con differenti livelli di “input” agronomici. Tale metodica ha consentito di quantificare per gli ambienti italiani, gli impatti ambientali dei processi di produzione energetica da colture dedicate alla produzione di biomassa per energia.

Obiettivi specifici

Obiettivi specifici della ricerca sono:
- Prosecuzione dell’attività di rilevamento dei dati biometrici e produttivi dei campi poliennali di Arundo;
- Valutazione genetica e agronomica della collezione di genotipi di Arundo e selezione delle migliori linee per i caratteri che sostengono la produttività e la resistenza allo stress idrico;
- Reperimento e valutazione di nuovo germoplasma di Arundo disponibile in Italia e nel Mondo;
- Individuazione di linee di sorgo zuccherino e da fibra resistenti alle basse temperature ed allo stress idrico;
- Valutazione della capacita produttiva e della persistenza in ambiente caldo-arido di genotipi di specie esotiche e di nuove specie endemiche adatte alla produzione di biomassa lignocellulosica;
- Analisi dell’impatto ambientale attraverso la Life Cycle Assessment, del bilancio energetico e del carbonio delle attività del progetto
- Definizione di itinerari tecnici sostenibili

Piano di attività

L’attività del DACPA riguarda le colture da biomassa per energia lignocellulosiche e alcoligene adatte agli ambienti caldo-aridi del meridione d’Italia. Le prove saranno realizzate presso i campi sperimentali del Sezione Scienze Agronomiche del DACPA, articolate secondo le seguenti linee di ricerca:
A) Colture lignocellulosiche poliennali
Linea 1 - Valutazione della produttività di Arundo donax in impianti poliennali costituiti nell’ambito di precedenti progetti di ricerca sostenuti dal MIRAF.
Verrà studiato il comportamento della canna comune in impianti poliennali al fine di verificare l’evoluzione della produttività, la stabilità di questa nel tempo, la durata agronomica del canneto e la possibilità di “svecchiamento” dello stesso. A questo fine al momento della raccolta della biomassa prodotta, nelle aree di saggio all’interno di ciascuna parcella saranno rilevati tutti i caratteri che sostengono la resa (numero di culmi sull’unità di superficie, peso unitario del culmo, altezza e diametro di questo), i caratteri qualitativi (caratteristiche chimiche del materiale lignocellulosico ai fini della combustione, resa energetica, ceneri). Le prove di svecchiamento saranno effettuate mediante il parziale svellimento delle parti vecchie del rizoma mediante strumenti discissori.
Linea 2 - Valutazione della collezione di germoplasma di Arundo donax disponibile presso il DACPA dell’Università di Catania.
La collezione di canna comune costituita di 39 genotipi in possesso di questa Unità di ricerca sarà oggetto di rilevazioni fenologiche, morfologiche (dimensioni delle canne, numero di nodi, spessore dei culmi), biologiche (fasi del ciclo ) e produttive (numero e peso delle canne, componenti della resa) ai fini della caratterizzazione dei genotipi. Sarà valutato e confrontato, inoltre, nuovo materiale reperito negli ultimi anni e proveniente da ambienti italiani ed europei. A conclusione di questa prima fase sarà possibile isolare e descrivere i migliori genotipi selezionati per le caratteristiche produttive. Questi saranno moltiplicati vegetativamente e messi a disposizione di tutti i gruppi di ricerca che operano in questo settore per ulteriori verifiche in contesti ambientali diversi.
Linea 3 - Valutazione di itinerari tecnici per la riduzione degli input colturali e il miglioramento dell’efficienza d’uso della radiazione solare .
Al fine di predisporre un protocollo colturale compatibile con le esigenze di risparmio energetico e di efficienza di captazione della luce saranno posti allo studio itinerari tecnici caratterizzati da livelli di input decrescenti e consociazioni di specie diverse. Saranno posti allo studio due livelli di input agronomici (alto, basso). I rilievi saranno
effettuati con le modalità previste nella linea 1.
B) Colture lignocellulosiche e alcoligene annuali (Sorgo zuccherino e da fibra)
Linea 3 - Reperimento e valutazione di linee e varietà di vecchia e nuova costituzione
Le ricerche poliennali su questa specie condotte da questa Sezione ininterrottamente nel corso degli ultimi 15 anni hanno identificato un numero notevole di genotipi che in parte non sono più reperibili sul mercato cementiero. Obiettivo di questa linea di ricerca sarà quello di reperire presso Istituzioni nazionale ed estere (ICRISAT, ecc.) il maggior
numero possibile di genotipi ai fini della valutazione in campo e conservazione.
Linea 4 - Studio di tecniche colturali a bassi o nessun input (concimazione, irrigazione, semina su sodo, controllo delle infestanti)
Sarà posta allo studio la combinazione fattoriale di due genotipi (Sorghum bicolor (L.) Moench da fibra e zuccherino),
tre livelli di input colturali (basso, medio, alto). Saranno effettuati i rilievi biologici e biometrici specifici per ciascuna specie, sarà determinata la biomassa prodotta, nonché le caratteristiche qualitative di questa e la resa energetica.
Linea 5 - Studio delle più idonee epoche di semina in funzione della disponibilità idrica naturale degli ambienti caldo-arido.
Sarà posta allo studio la combinazione fattoriale di otto genotipi (sorgo zuccherino e da fibra, genotipi a ciclo breve, medio e lungo), quattro epoche di semina (due primaverili e due estive) e tre disponibilità idriche (100%, 50% dell’ETm, 1irrigazione alla semina + 1 ausiliaria). La prova sarà realizzata nella collina interna e in un ambiente della pianura. Saranno rilevati i caratteri biologici della coltura, quelli relativi al suolo (contenuto idrico e sua evoluzione),
quelli agronomici (resa e sue componenti) e qualitativi (caratteristiche della biomassa, resa energetica, resa in zuccheri fermentescibili).
Linea 6 - Valutazione delle linee di sorgo in rapporto alle basse temperature ed allo stress idrico
Tutto il materiale reperito sarà oggetto di una specifica prova di pieno campo. La valutazione della resistenza alle basse temperature sarà verificata sottoponendo i genotipi a epoche di semina precoci a partire dal mese di febbraio in due località (pianura e collina). Sarà rilevata l’emergenza delle plantule e la successiva evoluzione dello sviluppo.
Relativamente alla valutazione dello stress idrico i genotipi disponibili saranno sottoposti a severe riduzioni della disponibilità idrica (irrigazione solo alla semina). Saranno rilevati periodicamente parametri biometrici (tasso di emissione delle foglie, dimensioni di queste, altezza) e fisiologici (fotosintesi, traspirazione, conduttanza stomatica).
C) LCA (Life Cycle Assessment)
Linea 8 - LCA (Life Cycle Assessment)
L’unità è disponibile a collaborare allo sviluppo della Life Cycle Assessment per tutte le filiere che saranno studiate utilizzando la metodica proposta da Reinhardt, nonché il programma SIMA PRO. Inoltre verranno condotti i bilanci energetici e i bilanci del carbonio delle ricerche allo studio.
La Life Cycle Assessment verrà svolta seguendo la metodica standardizzata dalle norme ISO 14040, che comprende quattro fasi: definizione degli obiettivi e del campo di applicazione, inventario del ciclo di vita, valutazione del ciclo di vita e interpretazione dei risultati. I parametri ambientali verranno aggregati nelle seguenti categorie di impatto:
esaurimento delle risorse abiotiche, espresso come consumo di energia primaria, in (MJ MJ-1), effetto serra nell’arco di 100 anni (g CO2-eq MJ-1), esaurimento dell’ozono stratosferico (g N2O-eq. MJ-1), acidificazione dell’atmosfera (g SO2- eq. MJ-1), eutrofizzazione delle acque (g N0- 3-eq. MJ-1), formazione di ozono fotochimico (g C2H4-eq. MJ-1), tossicità umana dovuta all’esposizione all’aria, attraverso la superficie acquatica e attraverso il terreno (m3 MJ-1), ecotossicità acuta e cronica nell’acqua, ecotossicità cronica nel suolo (m3 MJ-1). Verranno inoltre considerate altre due categorie di impatto: uso del territorio ed erosione. La categoria di impatto “land use” comprende quelle conseguenze ambientali dovute soltanto all’uso del suolo. Per la sua stima viene adottato il concetto “Hemeroby “(Kowarik, 1999) che tiene conto dell’influenza umana sull’ecosistema secondo classi di utilizzazione del suolo. Per quanto riguarda l’impatto dell’erosione verrà utilizzata la metodologia proposta da (Biewinga e Van der Bijl, 1996). Verrà altresì considerata una ulteriore categoria di impatto rappresentata dalla salinità delle acque di irrigazione (Feitz et al, 2002), che assume notevole importanza soprattutto in ambiente mediterraneo. I dati delle categorie di impatto verranno successivamente“normalizzati” e ponderati al fine di poterne valutare il peso relativo.
Per ogni tesi allo studio verrà computato il bilancio energetico. A tal fine tutta la manodopera, i tempi ed i consumi richiesti dalle operazioni colturali eseguite sulle parcelle verranno riferite all’ettaro. L’unità di misura utilizzata per la definizione energetica delle entrate ed uscite sarà il Mega Joule (MJ) ed i suoi multipli. Per iascuna tesi verrà definito il relativo itinerario tecnico, in armonia con i fattori allo studio, indicando le operazioni colturali con le rispettive date di esecuzione, i mezzi tecnici e i materiali impiegati. Sulla base di quanto stabilito nell’itinerario tecnico, verranno quindi
compilati gli inventari della produzione, in cui sono dettagliati la tipologia dei materiali e dei mezzi tecnici impiegati, e le relative caratteristiche tecniche necessarie per la valutazione energetica (peso della macchina agricola, la sua durata tecnica, i consumi di carburante, ecc.). Per quanto riguarda la stima dell’energia impiegata per la produzione (input) verrà adottata la metodologia proposta da Combes (1998). Sarà inoltre determinata l’energia contenuta nella produzione (output).
A questo riguardo verrà determinato un valore energetico utilizzando la “bomba calorimetria di Mahler”.

Articolazione temporale delle attività

I anno

L’attività sarà svolta nell’arco di 36 mesi. Le prove poliennali verranno impiantate nel primo anno, nel corso della primavera o dell’autunno, in relazione agli itinerari tecnici previsti e alle esigenze delle specie allo studio. Le prove poliennali saranno immediatamente disponibili. Le attività del primo anno avranno inizio con il reperimento dei genotipi di specie poliennali ed annuali in relazione agli obiettivi previsti. Il materiale vegetativo per le prove poliennali (rizomi e talee di culmo) in possesso della sezione sarà ricavato dai campi e dalle collezioni presenti presso l’azienda didattico-sperimentale della facoltà di agraria dell’Università di Catania. Le prove in campo consisteranno fondamentalmente nella predisposizione delle parcelle sperimentali (preparazione del terreno, parcellamento, semina e/o trapianto, impianti di irrigazione) e nello svolgimento delle attività previste (rilievi biologici, biometrici, fisiologici, produttivi). Alla fine del primo ciclo colturale si provvederà alla raccolta della biomassa e alla rilevazione di tutti i parametri previsti dai singoli protocolli. Predisposizione della relazione dell’attività svolta.

II anno

Successivamente, all’inizio del secondo anno tutti i dati sperimentali saranno archiviati in un data base e sottoposti ad una prima elaborazione. Verrà computato il bilancio energetico e la LCA del primo anno. I campi sperimentali in atto saranno riavviati tramite interventi agronomici (pulizia, lavorazioni, concimazioni, ecc) e condotti secondo i protocolli.
Rilievi ed analisi procederanno come nel primo anno. Il materiale da sottoporre alla caratterizzazione genetica sarà avviato ad analisi presso un laboratorio specializzato. Predisposizione della relazione dell’attività svolta.

III anno

Si procede come per il secondo. Alla fine del terzo anno l’insieme dei dati saranno analizzati criticamente alla luce dei risultati attesi. Sarà predisposta la relazione finale. Saranno messi a punto i protocolli colturali specifici delle nuove specie. Saranno resi disponibili i genotipi di Arundo e sorgo selezionati per le caratteristiche di produttività e resistenza allo stress idrico.

Ostacoli prevedibili ed azioni correttive

Non sono previste particolari difficoltà nella fase di impianto delle prove sperimentali, grazie all’esperienza già disponibile all’interno dell’Unità di ricerca sia del personale tecnico che dei ricercatori. Si può prevedere la possibilità di avere alcune fallanze nel caso di impiego di talee e rizomi, facilmente sostituibili con un nuovo trapianto da realizzare in tempi brevi. L’attacco di patogeni, nel caso di specie spontanee non appare un rischio elevato, per il sorgo il controllo avviene facilmente con i più comuni presidi fitosanitari.
Gli stress abiotici sono riconducibili soprattutto alla carenza idrica che sarà attentamente monitorata per eventuali interventi di soccorso.

Risultati attesi

1) Informazioni sulla produttività e persistenza nel tempo di impianti di specie poliennali
2) Selezione di genotipi di Arundo più produttivi
3) Informazioni in merito alla resistenza allo stress idrico della canna comune
4) Costituzione di linee di Arundo arido-resistenti
5) Indicazioni sulle linee di sorgo più produttive, arido-resistenti e resistenti alle basse temperature
6) Prime indicazioni sulla capacità produttiva e della persistenza in ambiente caldo-arido di genotipi di specie esotiche e di nuove specie endemiche adatte alla produzione di biomassa lignocellulosica
7) Itinerari tecnici specifici per colture da biomassa per energia
8) Indicazione sugli impatti ambientali, sul bilancio energetico e del carbonio delle filiere allo studio

Ricadute e benefici

- Introduzione in coltura di nuove specie
- Selezione di genotipi portatori di caratteri di pregio
- Creazione di genotipi idonei alla coltivazione in ambiente caldo arido
- Messa a punto di itinerari tecnici a bassi input
- Contributo alla individuazione di nuove metodologie di propagazione
- Contenimento dei costi colturali ed energetici

Collaborazioni esterne

L’attività di ricerca sarà svolta in collaborazione con le altre UU.OO. afferenti al progetto (Bologna, Padova, Udine) e con il CNR Isafom – Sezione di Catania

Istituzione CNR - Istituto per i Sistemi Agricoli e Forestali del Mediterrano (ISAFOM)
Unità Organizzativa di Supporto di Catania
Titolo della ricerca Selezione di genotipi di sorgo zuccherino e da fibra adatti alle semine anticipate in ambiente mediterraneo
Ente di appartenenza CRA
Indirizzo postale Str.le V. Lancia, Zona Industriale, Blocco Palma I, 95121 Catania
Responsabile
scientifico della UO e partecipanti
Cristina Patanè (Responsabile Scientifico U.O.)
Tel. 095-292873 Fax 095-292870 e-mail cristinamaria.patane@cnr.it
Partecipanti:
Valeria Cavallaro
Anita Ierna
Ezio Riggi
Giovanni Avola
Salvatore La Rosa
Alfio Fallica
Bianca Trombetta
Irene Longo
Simona Tringali
Curriculum del
responsabile e
pubblicazioni negli ultimi
5 anni attinenti il progetto
Curriculum vitae del responsabile scientifico dott.ssa Cristina Patanè
Nata a Catania il 16/06/1963
Posizione: Ricercatore a tempo indeterminato presso il CNR-Istituto per i Sistemi Agricoli e Forestali del Mediterraneo (ISAFOM), U.O.S. di Catania
Titoli di Studio: 1987-Laurea in Scienze Agrarie con 110/110 e lode, Università di Catania, tesi dal titolo ‘Energia alternativa dalle biomasse. Ricerche sul possibile contributo del sorgo zuccherino (Sorghum vulgare var. saccharatum L.)’ ;
1992- Dottore di Ricerca in ‘Produttività delle piante coltivate’, Università di Catania.
Lingue straniere: inglese
Esperienze all’estero: 1991-Stage presso il "Department of Vegetable Crops" dell'Università di Davis, California, sotto il tutoraggio del prof. Kent J. Bradford, professore ordinario di ‘Seed production, technology and physiology’.
Attività di ricerca: l’attività di ricerca sulle colture da biomassa per energia è stata avviata agli inizi degli anni 90, nell’ambito di collaborazioni, anche con contratti d’opera, con il DACPA dell’Università degli Studi di Catania, in progetti finanziati dalla Unione Europea (programmi AIR, FAIR), dal MIUR e dal MIPAAF, su colture diverse da biomassa per energia (miscanthus, canna comune, sorgo zuccherino e da fibra, kenaf). Dal 1999 al 2004 ha coordinato le attività di ricerca del CNR-ISAFOM nell’ambito della linea istituzionale ‘Aspetti fisiologici ed agronomici della germinazione di semi di specie diverse in rapporto a tecniche di produzione del seme stesso’. Nel 2006 è stato responsabile scientifico della ricerca
‘Valutazione della produttività del kenaf in rapporto a regimi irrigui e livelli di azoto differenziati’, convenzione CNR-DACPA nell’ambito del progetto: QLK5- CT2002-01729 BIOKENAF: Biomass production chain and growth simulation model for kenaf’ finanziato dalla Unione Europea. Nel 2007 è stata responsabile scientifico della ricerca ‘Studi sul comportamento germinativo di linee di sorgo zuccherino aridoresistenti in condizioni di stress termico e/o salino’, convenzione CNR-DACPA nell'ambito del progetto regionale 'Proposte e interventi per lo sviluppo delle colture alternative da biomassa per energia sull'altopiano ragusano'.
Pubblicazioni:
- Patanè C., Cavallaro V., Avola G., D’Agosta G., 2006. Seed respiration of sorghum (Sorghum bicolor (L.) Moench) during germination as affected by temperature and osmoconditioning. Seed Science Research, 16, 251-260.
- Cosentino S.L., Patanè C., Sanzone E., Copani V., Foti S., 2007. Effects of soil water content and nitrogen supply on the productivity of Miscanthus x giganteus Greef et Deu. in Mediterranean environment. Industrial crops and products, 25, 75-88.
- Cosentino S.L., Patanè C., Sanzone E., Copani V., Foti S., 2007. Effects of soil water content and nitrogen supply on the productivity of Miscanthus x giganteus Greef et Deu. in Mediterranean environment. Industrial crops and products, 25, 75-88.
- Cosentino S.L., Copani V., Patanè C., Mantineo M., D'Agosta G.M. 2008. Le colture da biomassa per energia per gli ambienti italiani. Attualità e prospettive. In: I Georgofili-Quaderni 2007-II: Produzione di energia da fonti biologiche rinnovabili: le risorse primarie. Vol. II, pp. 15-48. Accademia dei Georgofili, Firenze
- Patanè C., Cavallaro V., D’Agosta G., Cosentino S.L., 2008. Plant emergence of PEG-osmoprimed seeds under suboptimal temperatures in two cultivars of sweet sorghum differing in seed tannin content. Journal of Agronomy and Crop Science, 194, 304-309
- D’Agosta G.M., Patanè C., Copani V., Cosentino S.L., 2008. Crop physiology of different genotypes of sorghum (Sorghum bicolor (L.) Moench) in South Italy. Italian Journal of Agronomy, 3, 3, 517-518.
- Patanè C., D’Agosta G.M., Cosentino S.L., Cavallaro V., 2008. Effects of salt stress and temperature on seed germination of sweet sorgum (Sorghum bicolor (L.) Moench). Italian Journal of Agronomy, 3, 3, 695-696.
-Patanè C., Tringali S., Cavallaro V., D’Agosta G.M., Cosentino S.L., 2008. Effects of drought stress on germination and radicle growth of sweet sorgum (Sorghum bicolor (L.) Moench). Italian Journal of Agronomy, 3, 3, 697-698.
- Cosentino S.L., Copani V., Patanè C., Mantineo M., D'Agosta G., 2008. Agronomic, energetic and environmental aspects of biomass energy crops suitable for italian environments Italian Journal of Agronomy, 3, n. 2, 81-95.
- Patanè C., Cavallaro V., Cosentino S.L., 2009. Germination and radicle growth in unprimed and primed seeds of sweet sorghum as affected by reduced water potential in NaCl at different temperatures. Industrial Crops and Products, 30, 1-8.
- Mantineo M., D’Agosta G.M., Copani V., Patane` C., Cosentino S.L., 2009. Biomass yield and energy balance of three perennial crops for energy use in the semi-arid Mediterranean environment. Field Crops Research, 114, 204-213.
- Patanè, C., Sortino, O., 2010. Seed yield in kenaf (Hibiscus cannabinus L.) as affected by sowing time in South Italy. Industrial Crops and Products, 32, 381-388.
- Patanè C., Saita A., 2010. Modellizzazione della germinazione dei semi di sorgo zuccherino (cv. Keller) in condizioni di stress idrico attraverso la Hydrotime analysis. Atti XXXIX Convegno Nazionale della Società Italiana di Agronomia, Roma, 20-23 Settembre 2010, pp. 149-150.
- Patanè C., Saita A., 2010. Screening di genotipi di sorgo da biomassa (Sorghum bicolor (L.) Moench) per requisiti termici in fase di germinazione. Atti XXXIX Convegno Nazionale della Società Italiana di Agronomia, Roma, 20-23 Settembre 2010, pp. 230-231.
- Patanè C., Tringali S., 2011. Hydrotime Analysis of Ethiopian Mustard (Brassica carinata A. Braun) Seed Germination Under Different Temperatures. Journal of Agronomy and Crop Science, 197, 94-102.

Competenze dell’Unità Operativa in relazione al progetto

L’Istituto per i Sistemi Agricoli e Forestali (ISAFOM) del CNR è stato costituito con Provvedimento Ordinamentale
n.15877 del 23.05.2001 e n.15922 del 12.06.2001. Risulta dall’accorpamento dei seguenti organi di ricerca: a) Istituto
per lo Studio dei Problemi Agronomici dell’Irrigazione nel Mezzogiorno (ISPAIM); b) Istituto di Ricerche
sull’Olivicoltura (IRO); c) Istituto Ecologia e Idrologia Forestale (IEIF); d) Centro di Studio sulle Colture Erbacee
Strategiche per l’Ambiente Mediterraneo (CSCESAM).
Il già CSCESAM, ora UOS di Catania dell’ISAFOM, dal 1996 al 1997, nell’ambito del progetto speciale I.N.C. del
CNR “Biologia e produzioni agrarie per un’agricoltura sostenibile”, è stato responsabile della linea di ricerca
“Valutazione degli effetti dell’osmopriming al seme sulla germinazione e sull’accrescimento delle plantule in
condizioni di stress salino”, e dal 1999 al 2000 è divenuto responsabile del progetto ”Raccolta, moltiplicazione e
caratterizzazione di germoplasma di Cynara spp.”, nell’ambito del progetto strategico del CNR “Caratterizzazione e
valorizzazione delle risorse vegetali, animali e microbiche”.
Tra le diverse linee di attività attualmente condotte dalla UOS di Catania dell’ISAFOM, si citano in particolare: a)
tecniche agronomiche tradizionali e innovative per la riduzione dell’impatto ambientale, la conservazione della fertilità
del suolo e della qualità delle colture; b) influenza di fattori tecnici e ambientali sulla efficienza di uso della radiazione
solare (Radiation Use efficiency) e dell’acqua (Water Use efficiency) da parte di colture diverse; c) raccolta,
conservazione, difesa e valorizzazione delle risorse genetiche di specie valorizzatrici dell’ambiente mediterraneo
(carciofo, cardo domestico, cardo selvatico, Ampelodesma spp., pomodoro da serbo, ecc.); d) valutazione degli effetti
dello stress idrico, termico e salino sulla germinazione dei semi di specie diverse di interesse agrario negli ambienti
Mediterranei e in Sicilia in particolare; e) valutazione della variabilità genetica nella risposta germinativa dei semi di
specie diverse di interesse agrario e possibilità di miglioramento delle performance germinative in condizioni termiche
ed idriche subottimali attraverso la manipolazione del contenuto idrico del seme; f) studi sulla produttività in ambiente
mediterraneo di colture erbacee da biomassa per energia e qualità del prodotto in relazione a limitati input agronomici al
fine anche dell’adattabilità alla coltivazione in ambienti marginali; g) valorizzazione di colture da biomassa da energia
in ambiente mediterraneo attraverso la produzione di seme e radici come prodotto aggiuntivo della biomassa; h)
Caratterizzazione molecolare (mediante AFLP) in specie erbacee diverse; i) messa a punto di metodi di propagazione in
vitro di specie diverse e studi sul comportamento agronomico di piante micropropagate.

Descrizione della ricerca

Stato dell’arte specifico

La produzione di energia dalle biomasse deriva, allo stato attuale, principalmente da colture a destinazione alimentare (frumento, colza) o foraggero (mais). Ciò crea una forte competizione tra le due destinazioni e determina squilibri in molte parti del mondo. La Piattaforma Europea dei Biocarburanti ha individuato, pertanto, come linea prioritaria di ricerca, la individuazione di nuove specie destinate alla sola produzione di biomassa per energia adattate agli ambienti di coltivazione. Recenti studi (Tilman et al., 2006) hanno evidenziato, inoltre, la opportunità di coltivare molte specie spontanee in consociazione, simulando il comportamento di un ecosistema. Ciò comporterebbe una produttività costante ed elevata e un impatto ambientale ridotto o nullo. Negli ambienti meridionali sono allo studio alcune specie, spontanee e non, utili a questo scopo. Fra queste specie va ricordato il contributo che il sorgo zuccherino e da fibra può assicurare a questo settore in rapporto alla elevata produttività e al contenuto di zucchero degli stocchi. Il sorgo, zuccherino, da fibra e da granella, per le sue origini tropicali, negli ambienti caldo-aridi può essere coltivato nel corso della stagione estiva, rendendo necessario l’intervento irriguo. Pertanto, in tali ambienti, l’irrigazione rappresenta una voce rilevante nel bilancio energetico ed economico della coltura. Una possibilità di sfuggire, almeno nelle prime fasi del ciclo biologico, al periodo secco può essere rappresentata dall’adozione di semine precoci (es. Marzo-Aprile) allo scopo di consentire alle radici l’uso delle riserve idriche accumulatesi nel terreno nel corso della stagione piovosa e ridurre gli interventi irrigui. Tuttavia, le elevate esigenze termiche (>10°C) del seme in fase di germinazione possono rappresentare un limite all’impiego di semine anticipate nel sorgo.
La UOS di Catania del CNR-ISAFOM già da diversi anni conduce studi sulle caratteristiche germinative del seme di specie diverse, in condizioni di stress di diversa natura. In particolare, la UOS ha maturato una solida esperienza sulle tecniche da adottare per il superamento dei limiti imposti dagli stress abiotici (idrico, termico e salino) per una completa e rapida germinazione. Tra le molteplici attività previste nell’ambito delle collaborazioni con il DACPA dell’Università degli Studi di Catania in progetti diversi nazionali ed europei, su colture diverse da biomassa per energia, la UOS già da diversi anni conduce ricerche, in laboratorio e in pieno campo, sulle caratteristiche germinative del sorgo, zuccherino, da fibra e da granella, focalizzando l’attenzione sugli effetti di stress abiotici (termico, idrico e salino) sulla germinabilità del seme. E’ stata, peraltro, accertata l’efficacia di alcuni pretrattamenti osmotici al seme, nel ridurre la soglia termica minima di germinazione. Il panorama varietale di sorgo risulta ancora non completamente esplorato ed in continua evoluzione, e differenze genetiche estreme sono state rilevate nel comportamento germinativo di tale specie, anche in relazione al contenuto di tannini del seme, che, come noto, esercitano un effetto di difesa del seme stesso in fase di germinazione in pieno campo, contro l’attacco di agenti biotici di diversa natura, soprattutto in condizioni subottimali.
Il processo di costituzione di nuove varietà finalizzate alla produzione di biomasse, e la verifica della adattabilità a condizioni pedoclimatiche diverse, richiedono la valutazione delle caratteristiche biologiche e produttive dei genotipi selezionati. Attraverso determinazioni fisiologiche condotte in ambiente controllato si intende elaborare alcuni indici ecofisiologici in grado di stimare caratteristiche diverse dei suddetti genotipi. La UOS si propone di supportare l’attività di ricerca agronomica per l’ottimizzazione delle filiere esistenti anche attraverso la determinazione delle curve di risposta ai fattori ambientali, soprattutto le basse temperature, valutate nei primi stadi di sviluppo delle colture, al fine della stima delle potenzialità produttive e delle capacità di adattamento a stress abiotici diversi. In particolare, si prevede la conduzione di prove su piante di sorgo allevate in camera climatica attraverso la misurazione di caratteri ecofisiologici mutuati dalle curve di risposta della coltura a condizioni ambientali diverse. Tali misurazioni verranno condotte sin dai primi stadi di sviluppo della coltura e gli indici ottenuti verranno quindi posti in relazione con i dati quantitativi e qualitativi ottenuti dalle prove di campo condotte nell’ambito della medesima tematica. Il grado di correlazione misurato verrà valutato come stima della capacità predittiva degli indici studiati.

Obiettivi specifici

- Individuazione di genotipi di sorgo zuccherino e da fibra, capaci di germinare in condizioni di stress abiotici di natura diversa (idrico, termico e salino), in laboratorio e in pieno campo;
- individuazione di tecniche diverse per il superamento dei limiti imposti dagli stress abiotici alla germinazione dei semi di sorgo, con particolare riguardo alle basse temperature;
- studio delle relazioni tra presenza di tannini nel tegumento e caratteristiche germinative del seme di sorgo in condizioni termiche subottimali;
- validazione dell’uso di indici ecofisiologici per una valutazione precoce della resistenza alle basse temperature e delle attitudini produttive in genotipi diversi di sorgo.

Piano di attività

- Screening genotipico per la capacità germinativa in condizioni di stress abiotico, termico in particolare, in sorgo zuccherino e da fibra, in laboratorio e in pieno campo, anche in relazione al contenuto di tannini del seme;
- applicazione di tecniche di osmopriming del seme per il miglioramento delle caratteristiche germinative in condizioni di stress in sorgo zuccherino e da fibra;
- valutazione, in camera climatica, degli scambi gassosi (assimilazione netta-AN, traspirazione fogliare-E, conduttanza stomatica-gs) mediante l’ausilio di un infrared gas analyzer (LCA4 – ADC Inc.) a sistema aperto, sul materiale di sorgo zuccherino e da fibra disponibile presso la UOS o fornito da altre UU.OO. (es. DACPA, Università degli Studi di Catania).

Articolazione temporale delle attività

I anno

Nel corso del primo anno saranno condotte prove di germinabilità sul seme di genotipi zuccherini e da fibra già disponibili presso la UOS ovvero forniti da altre UU.OO. operanti nell’ambito del progetto (es. DACPA, Università degli Studi di Catania). Le prove saranno effettuate in laboratorio a temperature subottimali diverse, allo scopo di individuare la soglia termica minima di germinazione dei genotipi in esame. Tali prove prevedono l’adozione di seme tal quale (non trattato) e di seme previamente sottoposto a condizionamento osmotico in soluzioni diverse (Polietilenglicole-PEG, KNO3) al fine di verificare l’efficacia del pretrattamento nel ridurre la soglia termica di germinazione. Sul seme dei diversi genotipi sarà, inoltre, determinato il contenuto di tannini per via spettrofotometrica, prima e dopo ciascun trattamento, al fine di verificare l’intensità dell’azione dilavante esercitata dalla soluzione PEG su questi composti polifenolici, già accertata su tale specie in precedenti ricerche. Si procederà inoltre con il reperimento del seme di nuovi genotipi.

II e III anno

Al secondo e terzo anno verranno proseguite in laboratorio le prove di germinabilità avviate al primo anno, a temperature costanti e a temperature alternate al fine di simulare l’andamento termico che si verifica in pieno campo. Al fine di valicare i risultati di laboratorio, sui genotipi che si sono distinti per capacità germinativa a basse temperature, saranno realizzate prove in pieno campo che prevedono semine successive a partire da epoche anticipate (marzo), utilizzando seme tal quale e seme osmocondizionato.
Sempre in laboratorio verrà proseguita la valutazione della capacità germinativa a basse temperature dei nuovi genotipi di sorgo reperiti al primo anno.
Sui genotipi migliori in termini di capacità germinativa a basse temperature, verranno inoltre effettuate prove di germinabilità, sempre in laboratorio, adottando soluzioni saline ottenute con l’impiego di NaCl, o soluzioni osmotiche
ottenute con l’impiego di PEG per riprodurre potenziali idrici diversi nel substrato di germinazione, al fine di verificare la capacità germinativa di tali genotipi, accertata in condizioni di stress termico, anche in condizioni di stress salino e idrico.
Parallelamente alle prove di germinabilità, in cella climatica, su tre genotipi (molto resistente, poco resistente e sensibile alle basse temperature in fase di germinazione), saranno valutati gli scambi gassosi in condizioni subottimali di temperatura, e dalle curve di riposta alle diverse condizioni allo studio sarà calcolata l’efficienza d’uso della luce (Resa Quantica) e l’efficienza dell’uso dell’acqua (photosynthetic water use efficiency – WUE - AN/E), il tasso di respirazione al buio (Dark respiration), il punto di compensazione per la luce e quello di saturazione. La misura degli scambi gassosi sarà effettuata nei primi stadi di sviluppo della coltura, e comunque non oltre l’emissione della 5a-6a foglia.

Ostacoli prevedibili ed azioni correttive

- Per le prove di germinabilità su sorgo è necessario disporre di congrue quantità di seme al fine di esplorare diverse temperature subottimali ed individuare la soglia minima di germinazione per ciascun genotipo in esame. Si richiede, pertanto, in caso di insufficiente disponibilità, la riproduzione del seme dei genotipi attualmente disponibili presso la UOS e di quelli di nuovo reperimento, che potrà essere a cura della UOS medesima ovvero di altre UU.OO. operanti su tale specie nell’ambito di questo progetto (es. DACPA, Università degli Studi di Catania);
- risulta talora difficoltoso lo sviluppo dei genotipi in ambiente controllato (cella climatica) per le ridotte disponibilità luminose e di substrato. Lo stadio target individuato dovrebbe essere, comunque, funzionale alla risoluzione della suddetta problematica. Qualora in corso d’opera si dovesse verificare l’impossibilità di garantire il necessario sviluppo alle piante, verrà anticipata la fase sottoposta ad analisi.

Risultati attesi

- Individuazione dei genotipi di sorgo zuccherino e da fibra, resistenti alle basse temperature in fase di germinazione e nelle prime fasi di crescita delle plantule, adatti alla coltivazione negli ambienti settentrionali o alle semine anticipate negli ambienti meridionali;
- individuazione di tecniche di manipolazione del contenuto idrico del seme efficaci nell’abbassamento della soglia minima termica di germinazione e nel miglioramento delle performance germinative del seme di sorgo in condizioni di stress abiotici di diversa natura;
- valutazione dei genotipi di sorgo attraverso le misure e gli indici fisiologici derivati che verranno calcolati mediante funzioni predittive.

Ricadute e benefici

- La diversità intergenotipica di risposta germinativa ai diversi stress abiotici, termico in particolare, permette di identificare, per ciascun ambiente di coltivazione, il genotipo o i genotipi di sorgo più adatti, con la possibilità di ampliare il ventaglio di genotipi adattabili ad un determinato ambiente attraverso trattamenti specifici al seme.

Collaborazioni esterne

Si prevede la collaborazione, oltre che con le altre UU.OO., con ditte sementiere operanti nel settore, anche per il reperimento del seme di sorgo da esaminare.