Non-invasive monitoring and numerical modeling of the Soil-Plant continuum

La Earth's critical zone (ECZ) rappresenta la porzione più esterna del pianeta Terra ed è sede di numerosi processi che regolano la disponibilità della maggior parte delle sostanze necessarie alla vita. Tra i vari sottodomini in cui essa può essere suddivisa, il continuum Suolo-Pianta (SP) svolge un ruolo cruciale, in quanto è uno dei maggiori regolatori degli scambi di massa ed energia tra suolo e piante (e quindi atmosfera). Nonostante la forte interconnessione con l'attività umana, la caratterizzazione del SP è ancora in una fase embrionale, principalmente legata alla mancanza di informazioni sia spaziali che temporali riguardo ai processi che lo caratterizzano. In questo lavoro presentiamo quindi una combinazione di tomografia di resistività elettrica (ERT) e modellazione idrologica secondo l'approccio idrogeofisico, con l'obiettivo di caratterizzare la "active root zone", ossia la porzione del sistema radicale coinvolta nel processo di assorbimento di acqua dal suolo. Più nel dettaglio, questo processo è messo in atto dai peli radicali, delle microscopiche estroflessioni la cui localizzazione è difficile (se non impossibile) anche in seguito alla rimozione del sistema radicale dal suolo. Ciononostante, la sua localizzazione è fondamentale soprattutto da un punto di vista agronomico, poiché necessaria per una corretta applicazione delle tecniche di irrigazione di precisione. In questo lavoro presento quindi due casi studio in cui l'active root zone è identificata sulla base del suo effetto principale, ossia la diminuzione di contenuto idrico del suolo. I casi studio presentati comprendono tre alberi d’arancio situati nel sud-est della Sicilia ed irrigati mediante diverse tecniche di microirrigazione (nota anche come "irrigazione a goccia"). In particolare, nel primo caso studio sono comparate misure ERT acquisite prima e dopo il taglio della pianta, mentre nel secondo caso studio il monitoraggio ERT è focalizzato su due aranci irrigati con diverse tecniche (piena irrigazione e disseccamento parziale delle radici). Il monitoraggio ERT dei processi in atto è effettuato sulla piccola scala (cioè sulla singola pianta) grazie alla combinazione di elettrodi superficiali ed in pozzo, permettendo così una acquisizione ed una rappresentazione tridimensionale del dato geofisico. Parallelamente ha luogo anche il monitoraggio agronomico, grazie al quale la traspirazione è determinata mediante misure di sap flow e di eddy covariance. I dati così ottenuti forniscono molte informazioni rispetto ai diversi processi in atto, sia atmosferici (traspirazione), che nel sottosuolo (assorbimento di acqua dal suolo). In particolare, il monitoraggio ERT in time-lapse è in grado di mostrare quali porzioni del dominio investigato siano soggette ad una diminuzione del contenuto idrico, la quale può essere collegata all’attività radicale. Nonostante la quantità e qualità dei dati a disposizione, l'interpretazione dei risultati (specialmente in termini quantitativi) risulta comunque piuttosto complessa. Una soluzione può essere fornita da un'appropriata modellazione idrologica, sebbene la scelta dell’approccio migliore richieda una specifica analisi matematica. Sotto quest’ottica abbiamo sviluppato un caso sintetico costituito da due modelli idrologici identici, dove uno quali descrive anche l'attività di una pianta d'arancio. Questi modelli hanno lo scopo di ricreare dei dataset riconducibili all'output delle misure ERT, senza però tutte le incertezze introdotte dall’acquisizione geofisica e dalla calibrazione del modello. La ricostruzione della "active root zone" è quindi ottenuta dalla combinazione di questi due modelli mediante l'espansione in serie di Taylor, con particolare attenzione alle approssimazioni così introdotte. L'obiettivo finale è quello di valutare questa procedura numerica per una futura applicazione ad uno dei casi studio reali presentati in questo lavoro.