Calibrazione e confronto di modelli idrologici per lo studio del movimento di glifosato nel suolo in agroecosistemi con falda ipodermica.

The soil provides a multitude of ecosystem services, among which, of particular importance, is its filtering function which allows to mitigate the effects of contaminants by hindering their fast movement towards groundwater. Of particular interest is the ability of the soil to act as a barrier against plant protection products (PPPs), i.e., chemical substances used in agriculture to protect crops from pests, diseases, and weeds. This type of products can reach groundwater with negative consequences for the environment and human health. The soil can retain, degrade, or transform PPPs through physical, chemical, and biological processes. In the present thesis, the focus was on the calibration and comparison of hydrological numerical models for the simulation of glyphosate movement in the soil and water, to identify the most suitable to describe its dynamics under different agroecosystems with shallow groundwater. In particular, the soils from four 1-m2 lysimeters located at the experimental agricultural farm “Lucio Toniolo” of the University of Padova having groundwater depth varying between 60 and 120 centimetres and different cropping systems (conventional and conservative agriculture) were evaluated. For the calibration it has been used the HYDRUS-1D hydrological model. Experimental data of glyphosate movement and detection in the pore water were previously obtained for each specific lysimeter and used for comparison with modelling results. Simulations were conducted using equilibrium and non-equilibrium models describing a Single Porosity domain, or a Dual Permeability domain composed of soil matrix and fractures. The work allowed to observe how the non-equilibrium model MIM is not enough to predict the environmental fate of glyphosate, as it appears immobile within the soil matrix due to strong adsorption; while the Dual Permeability model allowed to describe its movement through preferential pathways with results compatible with experimental measurements and highlighting the influence of different groundwater levels and cropping systems on these dynamics. This work is therefore important for predicting possible risks to groundwater from plant protection products, especially in cases of hypodermic groundwater and in relation to different cropping systems that can be adopted.

Il suolo fornisce una moltitudine di servizi ecosistemici tra cui, di particolare importanza, è la sua funzione protettiva agendo da barriera e filtro, ostacolando il passaggio di sostanze inquinanti nelle acque di falda. Di particolare interesse è la capacità del suolo di fungere da barriera nei confronti di prodotti fitosanitari, ovvero sostanze chimiche utilizzate in agricoltura per proteggere le colture da parassiti, malattie e infestanti. Questo tipo di prodotti possono raggiungere le acque superficiali e sotterranee con conseguenti effetti negativi sulla salute umana e degli ecosistemi. Il suolo è capace di trattenere, degradare o trasformare i prodotti fitosanitari attraverso processi fisici, chimici e biologici. Il glifosato è uno dei prodotti fitosanitari più utilizzati da decenni per il controllo delle infestanti in agricoltura e, nonostante le crescenti preoccupazioni circa il rischio di contaminazione di suolo ed acqua, il suo mercato è stimato in aumento con un tasso del 6% annuo. Nonostante il rischio di vulnerabilità delle risorse idriche derivante dall’applicazione del glifosato la complessità dei processi biogeochimici che ne regolano l’adsorbimento, il movimento per vie preferenziali e la degradazione rendono ad oggi ancora poco accurati modelli previsionali in grado di simularne il comportamento nel suolo. Il presente lavoro di tesi ha avuto l’obbiettivo di calibrare e confrontare differenti modelli idrologici numerici per lo studio del movimento di glifosato nel suolo in agroecosistemi con falda ipodermica al fine di identificare quello più adeguato a descrivere le dinamiche di tale composto. In particolare, sono stati presi in considerazione i suoli presenti in quattro lisimetri situati presso l’azienda agraria sperimentale “Lucio Toniolo” dell’Università di Padova e aventi profondità di falda freatica variabile tra -60 cm e -120 cm e differenti sistemi di colturali (agricoltura convenzionale e conservativa). Per la calibrazione è stato utilizzato il modello idrologico HYDRUS-1D combinato a dati sperimentali di concentrazione di glifosato della soluzione circolante precedentemente ottenuti e specifici per ogni lisimetro al fine di simulare il destino ambientale del glifosato utilizzando il modello di non equilibrio mobile-immobile (MIM) per il trasporto dei soluti nella matrice suolo, confrontandolo con quello di non equilibrio di Dual Permeability che prevede una separazione nella dinamica di trasporto tra matrice e fratture. Il lavoro ha permesso di osservare come il modello di non equilibrio MIM non sia sufficiente a prevedere il destino ambientale di glifosato apparendo questo immobile all’interno della matrice suolo in quanto fortemente adsorbito; mentre il modello Dual Permeability ha permesso di descriverne il movimento mediante vie preferenziali con risultati compatibili alle misure sperimentali e mettendo in evidenza l’influenza dei diversi livelli di falda e sistemi colturali su tale dinamica. Il presente lavoro assume così importanza nel prevedere i possibili rischi per le acque sotterranee nei confronti di prodotti fitosanitari, specialmente nei casi di falda ipodermica ed in relazione ai diversi sistemi colturali adottabili.