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Fenologia delle colture erbacee
Francesca Ventura Università degli Studi di Bologna
Convegno IPHEN 2007Convegno IPHEN 200730/11/2007 30/11/2007 –– Facoltà di Agraria Facoltà di Agraria -- MilanoMilano
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Università di Bologna
DiSTA - Dipartimento di Scienze e Tecnologie Agroambientali
P. Rossi Pisa, F. Ventura, N. Gaspari, F. Salvatorelli
ARPA-SIM Area Agrometeorologia e Territorio
L. Botarelli, V. Marletto, W. Pratizzoli, F. Tomei
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Fenologia delle colture erbacee
• Introduzione fenologia
• Scale fenologiche
• Stazione agrofenologica
• Modellistica
• Previsioni stagionali
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Nel linguaggio delle scienze biologiche i termini “crescita” e “sviluppo” indicano fenomeni diversi, studiati con metodi di osservazione e misura tra loro dissimili
La crescita è legata all'aumento ponderale o dimensionale diun organo o dell'intero organismo.
Lo studio dello sviluppo vegetale comporta la rilevazione della comparsa e scomparsa degli organi nonché di altre importanti modificazioni nelle funzioni e nell'aspetto degli organismi viventi durante il loro ciclo vitale.
Marletto, V., 1999. Fenologia vegetale. In "Aspetti generali delle osservazioni agrofenologiche" a cura di A. Brunetti e F. Zinoni. Prog. Fin. PHENAGRI. Roma, 1, 7-13.
La fenologia vegetale è la disciplina che osserva lo sviluppo dipiante spontanee e coltivate. Essa definisce in modo chiaro, per mezzo di scale fenologiche, quali sono i fenomeni da registrare (germinazione, fioritura, caduta delle foglie, ecc.)
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La fenologia vegetale in particolare si occupa della definizione delle fasi di sviluppo (o fasi fenologiche) delle piante in particolari scale fenologiche e della registrazione delle date in cui esse si verificano nei diversi ambienti.
Definizione di FENOLOGIA
La fenologia è la scienza che si occupa di classificare e registrare eventi rilevanti nello sviluppo degli organismi, ad esempio piante ed insetti.
Se le piante oggetto di osservazione sono coltivate siamo nel campo della fenologia agraria o agrofenologia.
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Le prime reti agrofenologiche in Italia sono nate negli anni ’80, prevalentemente su colture erbacee (poi ci sono i giardini fenologici)
Esiste grande esperienza anche sulle colture arboree per attività di lotta integrata e di selezione varietale
I dati di campo sono stati utilizzati per la produzione o calibrazione di modelli previsionali di sviluppo. L’applicazione dei modelli prevede una validazionetramite osservazioni specialistiche (staz. agrofenologica)
Il rilievo fenologico delle colture erbacee in campo ha un alto grado di affidabilità per maggior semplicità intrinseca, per uniformità fenotipica e per la possibilità operativa di osservare campioni più numerosi.
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Applicazioni della fenologia
• Ottimizzazione interventi colturali e di difesa;
• valutazione di danni dovuti alle avversità naturali (gelo, grandine, siccità, ecc.);
• diagnosi ambientale: le piante funzionano come indicatori ambientali;
• relazione tra mappe fenologiche e meteorologiche;
• la stima delle rese;
• lo studio delle relazioni tra cambiamento climatico e variazioni della fenologia.
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“E’ compito della fenologia definire quali sono i fenomeni da registrare, fornire scale di riferimento univoche e tecniche di osservazione riproducibili, e possibilmente non distruttive, provvedere a chiavi interpretative e previsionali”
Borin M., Bigon E., Caprera P., 2003. Atlante fenologico. Edagricole, Bologna, 190 pp.
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MiPAF
Progetto Phenagri
3.2.4 - Mais (Zea mays L.)
Scale Fasi fenologiche PFP BBCH Hanway preemergenza 0 00-08 0 emergenza 1 09 1 foglie n. 1-9 ed oltre 2.1-2.n 11-19 2-6 comparsa pennacchio 3 51 7 emissione polline 4 63 8 comparsa sete 5 63 8 senescenza sete 6 67-69 ⎯ ingrossamento cariossidi 7 71 9.1 maturazione lattea 8 73-75 ⎯ maturazione cerosa 9 83-85 9.2 maturazione fisiologica 10 87 9.4 stadio di raccolta 11 89 9.5
Descrizione delle fasi fenologiche Preemergenza: dalla semina alla emergenza. Emergenza: la prima fogliolina fuoriesce dal terreno, è eretta ma ancora chiusa. Foglie n 1-9 ed oltre: le foglie che hanno la lamina completamente distesa ed il collare visibile. Comparsa del pennacchio: l'ultima foglia si è ormai aperta e lascia intravedere il pennacchio, ovvero i fiori maschili. Emissione polline: inizia l’emissione del polline che può essere facilmente rilevata scuotendo la pianta. Comparsa sete: dalle brattee che racchiudono la spiga fuoriescono le sete, ovvero gli stili e gli stigmi dei fiori femminili. Senescenza sete: la parte apicale delle sete si presenta imbrunita e di consistenza pagliosa. Ingrossamento cariossidi: inizia subito dopo la fecondazione, in questa fase si osserva il rapido ingrossamento della spiga; le cariossidi al loro interno si presentano bianche. Maturazione lattea: la spiga e le cariossidi (granella) hanno raggiunto la massima dimensione. Alla rottura delle cariossidi, che può essere effettuata con la semplice pressione delle dita, fuoriesce un liquido lattiginoso. Maturazione cerosa: si considera raggiunta quando le cariossidi presentano una umidità residua compresa fra il 40% e il 50% del peso totale. Sulle cariossidi compare la cosiddetta "dentatura", cioè la caratteristica concavità della corona. In questa fase la granella può essere facilmente schiacciata con i denti e presenta una consistenza pastosa. Maturazione fisiologica: le cariossidi, se staccate dal tutolo, mettono in evidenza il caratteristico punto nero. L’umidità residua della granella è compresa tra il 30 e il 35% del peso totale. Stadio di raccolta: la granella presenta valori di umidità inferiori al 30%.
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Scala di classificazione fenologicaBBCH
Stadi di sviluppo principali da 0 a 9
Entro ciascuno stadio: stadi secondari (da 0 a 9)
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Stadio Descrizione
0 Germinazione / germogliamento / sviluppo delle gemme
1 Sviluppo delle foglie (fusto principale)
2 Formazione dei germogli laterali (accestimento)
3 Allungamento del fusto principale o crescita della rosetta/ sviluppo del germoglio principale
4 Sviluppo delle parti vegetative che andranno raccolte osviluppo degli organi per la propagazione vegetativa
5 Emergenza delle infiorescenze (fusto principale)
6 Fioritura (fusto principale)
7 Sviluppo dei frutti e dei semi
8 Maturazione dei frutti e dei semi
9 Senescenza, inizio della dormienza
Stadi principali scala BBCH
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Stadi principali & secondari scala BBCH
Ogni stadio principale presenta i suoi corrispettivi stadi secondari, i quali variano a seconda della famiglia di
appartenenza della coltura
Stadio BBCH 14: siamo nella fase principale”1”di
emissione delle foglie vere e nella sottofase“4”, che evidenza il n°delle foglie
Cereali vernini: Mais:
Stadio BBCH 51: ci troviamo nella fase principale“5” di
spigatura e nella sottofase”1” di emergenza del pennacchio,
in cui è visibile la punta dell’organo maschile
Come fare la lettura del dato BBCHEsempi:
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GIRASOLE
GDU 92
BBCH 14
GDU 215
BBCH 113
GDU 1536
BBCH 67
GDU 1194
BBCH 65
GDU 714
BBCH 63
GDU 2112
BBCH 89
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CENTRO CENTRO DIDATTICO DIDATTICO
SPERIMENTALESPERIMENTALE
Stazione agrofenologica
Stazione agrometeorologica
La stazione è stata installata nel 2003
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Principali colture erbacee in pieno campo
Emilia Romagna 2003- 2004
Soia 2,8%
Pomodoro6%
Girasole 1,3%
Zucchina0,2%Melone
0,3%Spinacio0,1%
Insalate0,4%
Sorgo 3,1%
Riso1,3%
Pisello
FagiolinoPatata comune
1,3%
Fava da granella0,3%
Cipolla0,6%
Carota 0,4%
Cocomero0,3%
Barbabietola13,5%
Avena 0,3%
Orzo 6,2%
Frumento duro 4,0%
Frumento tenero 31,2%
Mais 26,2%
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Stazione agrometeo
Stazione agrofenologica 2003 -> oggi
• Avena (Avena Sativa L.) cv Argentina;• Bietola da zucchero (Beta vulgaris L.) cv Canaria; • Frumento (Triticum aestivum L.) cv Mieti; • Frumento (Triticum durum L.) cv Duilio; • Girasole (Heliantus annus L.) cv Kristal; • Mais (Zea mays L.) cv PR34N43; • Orzo (Hordeum vulgare L.) cv Federal; • Patata (Solanum tuberosum L.) cv Primura;• Pomodoro (Solanum esculentum) cv Four nano; • Soia (Glicyne Max) cv Hilario;• Sorgo (Sorghum saccarifera) cv Aralba.
I rilievi sono eseguiti settimanalmente su campioni di:
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Stazione agrofenologica 2003 -> oggi
STRADELLO
SORGO
STRADELLO
SOIA
STRADELLO
POMODORO
STRADELLO
MAIS
STRADELLO
GIRASOLE
STRADELLO
BIETOLA S
TRADELLO
PATATA
STRADELLO
Frumento DURO
STRADELLO
Frumento TENERO
STRADELLO
ORZO
STRADELLO
AVENA
STRADELLO
41 m
Colture 2004
30 m
Il numero dei campioni, le dimensioni delle parcelle, e il numero di file variano per coltura, secondo il protocollo Phenagri
Mandorlo Mandorlo Prunus dulcisPrunus dulcis
Castagno Castagno CastaneaCastaneasativasativa
Ciliegio Ciliegio Prunus aviumPrunus avium
Amareno Amareno Prunus Prunus cerasuscerasus
MeloMeloMalus domesticaMalus domestica
PeroPeroPyrus communisPyrus communis
RibesRibesRibesRibes rubrumrubrum
Dal 2006:
22
GDU: sono la somma dei gradi ora in un giorno, si cumulano nella stagione. Permettono di determinare a quale soglia siverificano determinate fenofasi, e viceversa di stimarne la comparsa
SOMMATORIE TERMICHE
GDU: indicati anche con °D
oDL
oD=oDL-oDu
oDu
Ore
Tem
pera
tura
(oC
)
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TEMPERATURE SOGLIA
Avena 0 °C
Orzo 0 °C
Frumento tenero 0 °C
Frumento duro 0 °C
Patata 12 °C
Barbabietola 5 °C
Girasole 6 °C
Mais 10 °C
Sorgo 10 °C
Soia 6 °C
Pomodoro 7 °C
Temperature soglia inferioreutilizzate nel calcolo delle somme
termiche di ciascuna colturasT →
25
Raggiungimento 780°D:• 26-6-2003 (71 DAS)• 10-7-2004 (101 DAS)• 30-6-2005 (105 DAS)
Raggiungimento della fase BBCH 67 – fioritura – 780°D
….ESEMPI…. Mais 500
Raggiungimento BBCH 67:• 03-7-2003 (78 DAS)• 05-7-2004 (96 DAS)• 20-6-2005 (95 DAS)
C’è incertezza legata C’è incertezza legata alla cadenza dei rilievi….alla cadenza dei rilievi….
Mais 500
Raggiungimento 1400°D:• 04-8-2003 (110 DAS)• 22-8-2004 (144 DAS)• 16-8-2005 (152 DAS)
Raggiungimento della fase BBCH 89 - Maturazione fisiologica Maturazione fisiologica -- 1400°D
Raggiungimento BBCH 89:• 10-8-2003 (116 DAS)• 29-8-2004 (151 DAS)• 23-8-2005 (159 DAS)
27
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
15/3 14/4 14/5 13/6 13/7 12/8 11/9
°D
2003 Osservato 2004 Osservato2005 Osservato media 30y
2003
20042005
sono indicate le date rilevate di "fioritura" e "maturazione"media
30y
Mais 500
28
Frumento duro
BBCH 22
Rilievo fenologico: più del 50% dei
campioni considerati ha 2 culmi di accestimento
Rilievo fenologico: più del 50% dei
campioni considerati ha 3 culmi di accestimento
Frumento tenero
BBCH 23
Rilievo fenologico: più del 50% dei
campioni considerati ha 5 culmi di accestimento
orzo
BBCH 25
Data base di immagini 2 marzo 2005
Avena
BBCH 24
Rilievo fenologico: più del 50% dei
campioni considerati ha 4 culmi di accestimento
30http://www.arpa.emr.it/sim/?agrometeo/bollettino_settimana
Bollettino settimanale ARPA-SIM
Fenologia:modelli fenologici
Mappe di simulazione dellosviluppo fenologico
Mappe di scostamentotemporale (anticipo o ritardo)
rispetto al clima
Confronto con le rilevazionidella StazioneAgrofenologica
31http://www.arpa.emr.it/sim/?agrometeo/bollettino_settimana
Bollettino settimanale ARPA-SIM
Fenologia:modelli sviluppo
fenologico
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Modellistica ARPA-SIMMAIS (GRANT, 1989..)
• Emergenza:– somma T suolo > 8.5 °C fino a 55 °D oppure T aria (9.8, 61)
• Viraggio apicale– numero potenziale di foglie in base alla classe di maturazione FAO– modifica giornaliera del potenziale di foglie in base al fotoperiodo e alla
temperatura– computo dei primordi fogliari sull'apice vegetativo in base alla
temperatura– confronto continuo tra foglie potenziali e n. primordi: all'uguaglianza
siamo al viraggio ed è noto il numero finale di foglie• Emissione delle foglie
– Funzione della temperatura fino al numero massimo• Fioritura maschile
– Raggiunta all'emissione dell'ultima foglia• Fioritura femminile
– Raggiunta all'emissione di ulteriori due foglie (fittizie)• Maturazione
– metodo Ontario basato sull'accumulo delle “corn heat units” CHU
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Nell’ambito di una tesi di dottorato, in collaborazione tra DiSTA e ARPA-SIM, è stata elaborata una equazione di traduzione dalla
modellistica ARPA-SIM alla scala BBCH
4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 5.0
4 = spigatura, 5 = maturità fisiologica
VENTURA F., MARLETTO V., TRAINI S., TOMEI F., BOTARELLI L., ROSSI PISA P. 2007. Phenological observation and modelling of herbaceous crops: winter cereals and maize. Submitted to Italian Journal of Agrometeorology.
34
y = -1.29x4 + 15.99x3 - 64.75x2 + 116.33x - 67.26R2 = 0.97
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1 2 3 4 5 6
BB
CH
model
99
Confronto tra osservazioni BBCH per frumento duro, tenero e per l’orzo e i risultati del
modello Praga, in tre anni di sperimentazione
35
y = -1,38x4 + 18,40x3 - 80,69x2 + 146,59x - 83,95R2 = 0,97
00
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1 2 3 4 5 6
model
BB
CH
99
Mais: confronto tra osservazioni BBCH e i risultati del modello Praga, in quattro anni di sperimentazione.
Gli stadi fenologici BBCH dopo il 30 sono stati ridotti di 10 unità, e quelli oltre il 50 sono stati ridotti di 20 poiché gli stadi principali 2 e 4
nella BBCH del mais non sono definiti.
36
Durum wheat Soft wheat Barley Model
stage date
BBCH ∆ (days) BBCH ∆ (days) BBCH ∆ (days)
23/11/2003 09 0 09 1 10 1
04/11/2004 10 0 10 0 10 0 2
10/11/2005 11 0 11 0 11 0
02/04/2004 31 4 31 4 30 0
26/03/2005 30 5 30 5 28 5 3
10/04/2006 31 0 31 0 31 0
04/05/2004 57 1 57 1 59 1
02/05/2005 59 2 58 2 65 -1 4
09/05/2006 58 5 65 2 69 -2
19/06/2004 85 2 87 -4 89 -4
16/06/2005 85 0 85 0 92 0 5
23/06/2006 85 -3 89 -3 93 -3
37
Le nuove frontiere della fenologia
Dalle previsioni stagionali alla previsione dello sviluppo fenologico
e delle rese
38
Le nuove frontiere della fenologia
Dalle previsioni stagionali alla previsione dello sviluppo fenologico e delle rese
Previsioni globali di ensemble
ECMWF e UKMO
Regionalizzazione
Previsione di anomalie mensili(T max - Tmin – Prec)
e indici statistici correlati
Processo di produzione
mappe
WeatherWeather generatorgenerator
Dati meteo
degree days from oct 2006 [°D]climate from 1956-2005 data
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
1/2 1/3 1/4 1/5 1/6
Produce, in base alla climatologia, molteplici serie di dati giornalieri, tutte statisticamente
compatibili con i dati di ingresso
39
degree days from oct 2006 [°D] climate 87/06 - seasonal forecast
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
2600
1/2 1/3 1/4 1/5
cumulated precipitation from oct 2006 [mm]climate 87/06 - seasonal forecast
50
100
150
200
250
300
350
1/1 1/2 1/3 1/4 1/5
Test of the Test of the SeasonalSeasonal PredictionPrediction: : weatherweather datadata
Le nuove frontiere della fenologia
Dalle previsioni stagionali alla previsione dello sviluppo fenologico e delle rese
40
Processo di produzioneWeatherWeather generatorgenerator
degree days from oct 2006 [°D]climate from 1956-2005 data
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
1/2 1/3 1/4 1/5 1/6
Produce, in base a climatologia+anomalie
previste, molteplici serie di dati giornalieri, tutte
statisticamente compatibili con i dati di
ingresso
Modelli di previsione fenologica
Modelli di previsione delle rese
crop yield [kg/ha] climate 87/06 - seasonal forecast
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
1/2 1/3 1/4 1/5
Le nuove frontiere della fenologia
Dalle previsioni stagionali alla previsione dello sviluppo fenologico e delle rese
Sviluppo fenologico da spigatura a maturazione fisiologica : confronto degli andamenti dal 2003 al 2006
4
4.2
4.4
4.6
4.8
5
5.2
27/04
/2003
29/04
/2003
01/05
/2003
03/05
/2003
05/05
/2003
07/05
/2003
09/05
/2003
11/05
/2003
13/05
/2003
15/05
/2003
17/05
/2003
19/05
/2003
21/05
/2003
23/05
/2003
25/05
/2003
27/05
/2003
29/05
/2003
31/05
/2003
02/06
/2003
04/06
/2003
06/06
/2003
08/06
/2003
10/06
/2003
12/06
/2003
14/06
/2003
16/06
/2003
18/06
/2003
20/06
/2003
22/06
/2003
fase f
enolo
gica
2006 2005 2004 2003
20062003 2005 2004
Fenologia dei cereali autunno-vernini: modello di Miglietta F., 1992, Simulation of wheat ontogenesis, Ph.D. thesis, Wageningen Un., modificato da Marletto V., Nerozzi F., Zinoni F., 1997, rapporto interno, SMR-AR. I risultati sono espressi in una scala continua nella quale 1 = semina, 2 = emergenza, 3 = viraggio apicale, 4 = spigatura, 5 = maturazione fisiologica.
Crop yield kg/ka
41
Sviluppo fenologico di frumento: spigatura.confronto dati osservati e simulati per gli anni 1977-1987
MARLETTO V., VENTURA F., FONTANA G., TOMEI F., 2007. Wheat growth simulation and yield prediction with seasonal forecasts. Agric. Forest Meteorol., Vol 147/1-2 pp 71-79, doi:10.1016/j.agrformet.2007.07.003
44
Riassunto previsioni stagionali ARPA-SIM
V. Pavan, S. Marchesi, S. Alberghi,C. Cacciamani e S. Tibaldi
Dic-Gen-Feb
1° Set
Lag 21° Ott
Lag 11° Nov
Lag 0
Previsione per l’inverno 2007-08(Dicembre-Gennaio-Febbraio)
Regionalizzazione eseguita applicando due schemi MOS e PP alle previsioni globali di ensemble di ECMWF e UKMO
45
Mappe di probabilità che Tmax sia superiore (inferiore) al clima 1971-00
Tmax Tmax90 HWT
0.9
0.8
0.7
0.6
0.6
0.7
0.8
0.9
p (
T >
0)
p (
T <
0)
Lag 2
Lag 1
Lag 0
46
Mappe di anomalia dell’ensemble meanTmin rispetto al clima 1971-00
Tmin10(°C)
Tmin(°C)Lag
2
Lag 1
Lag 0
47
Mappe di probabilità che PREC sia superiore (inferiore) del clima 1971-00
Prec CDDSPI3
0.9
0.8
0.7
0.6
0.6
0.7
0.8
0.9
p (
P >
0)
p (
P <
0)
0.9
0.8
0.7
0.6
0.6
0.7
0.8
0.9
p (
cd
d>
0)
p (
cd
d<
0)
Lag 2
Lag 1
Lag 0
48
Previsione inverno 2007-08 (dic-gen-feb)
Temperature : Probabili valori di temperatura sotto alla media di lungo periodo.
Precipitazioni : Probabili valori di precipitazione superiori alla media al Centro e leggermente inferiori al Nord. Nelle regioni Meridionali e sulle isole è difficile valutare il valore della previsione stessa, che indicherebbe valori superiori alla media.
49
Le nuove frontiere della fenologia
Dalle previsioni stagionali alla previsione dello sviluppo fenologico e delle rese
Integration of seasonal prediction in the Criteria/Wofost model
• Weather generator • Tests of the C/W model with observed data and
climatological runs• Downscaled seasonal forecasts (Ecmwf seasonal
predictions, special project Spia, supported alsoby Italian Civil Protection Dept.)
• Preliminary results from the ensemble mean, Bologna
Prove di affidabilità con dati osservati, Bologna
50
The weather generator
• Richardson & Wright (1984), modified and coded in VB by Gaylon Campbell at Wsu
• Input: 7 monthly statistics from climaticdata: – mean monthly max and min temp.– max and min temperature STDs– total monthly prec– fraction of wet days– mean difference between max temperatures
on dry and wet days
• Output: daily data of Tmin, Tmax, Prec
51
Sviluppo fenologico da spigatura a maturazione fisiologica : confronto degli andamenti dal 2003 al 2006
fase
feno
logi
ca
4
4.2
4.4
4.6
4.8
5
5.2
2006 2005 2004 2003
20062003 2005 2004
Scala: 1 = semina, 2 = emergenza, 3 = viraggio apicale, 4 = spigatura, 5 = maturazione fisiologica
27/0
4/20
03
01/0
5/20
03
05/0
5/20
03
09/0
5/20
03
13/0
5/20
03
17/0
5/20
03
21/0
5/20
03
25/0
5/20
03
29/0
5/20
03
02/0
6/20
03
06/0
6/20
03
10/0
6/20
03
14/0
6/20
03
18/0
6/20
03
22/0
6/20
03
52
Le nuove frontiere della fenologia
Dalle previsioni stagionali alla previsione dello sviluppo fenologico e delle rese
Prove di affidabilità con dati osservati
WG test (2007 WG test (2007 vsvs 2007)2007)cumulated precipitation from oct 2006 [mm]
climate from 2007 data
50
100
150
200
250
300
1/2 1/3 1/4 1/5 1/6
degree days from oct 2006 [°D] climate from 2007 data
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
1/3 1/4 1/5
53
Le nuove frontiere della fenologia
Dalle previsioni stagionali alla previsione dello sviluppo fenologico e delle rese
Prove di affidabilità con dati osservati
crop yield [kg/ha] climate from 2007 data
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
1/2 1/3 1/4 1/5 1/6
WG test: WG test: cropcrop yieldyield (2007 (2007 vsvs 2007)2007)
54
crop yield [kg/ha] climate 87/06 - seasonal forecast
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
1/2 1/3 1/4 1/5
Test of the SP: Test of the SP: notnot bad!bad!
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