ACHIEVING THE NITRATE DIRECTIVE: FIELD MEASUREMENTS AND SIMULATION APPROACH

Sustainable crop production requires nitrogen (N) and phosphorus (P) inputs to compensate for the elements removed from the system by plant uptake and losses. Often, however, Losses of N are positively related to input levels. Also the effect of climate (precipitation) and soil properties can promote or limit N loss. Agricultural losses should be minimized as they largely determine the quality of water bodies. The relationship between animal density and water quality in Europe, has lead the European Union, throughout the Nitrates Directive, to set a limit of 170 kg N manure ha per year as a precautionary application threshold for regions that are vulnerable to N leaching. Also, although application rates can affect environmental quality of the water bodies, the effective environmental effects are determined by all inputs and outputs together instead of the manure input only. Farming in general is undeniably associated with the risk of exceeding the EU target of 11.3 ppm, especially because manures are inherently difficult to manage. The purposes of this thesis were to i) evaluate the performances of the N limits, imposed by the EU nitrate Directive, in limiting N loss in groundwater, ii) identify the best agricultural practices applicable in the Veneto Region in order to control the nitrate pollution, and iii) evaluate the performance of the EU Nitrate Directive limits under the effect of the climate change, from 2010 to 2100. Results show that nitrate in drainage water was influenced by N and water inputs. Higher concentrations were measured theses fertilized with the higher amount of N (400 kg N ha-1) while lower ones at lower N rates (145 kg N ha-1). Water inputs clearly affected NO3-N concentration in the drainage water. Higher concentrations were measured in plots irrigated with the lower amount of water (800 mm), while lower concentrations were found in plots with higher water inputs (1700 mm). The EU target of 11.3 ppm was exceeded for the 5% of the total measurements under 1700 mm, while 30% at 800 mm yr-1. Simulations that the EU Nitrate Directive threshold of 170 kg N ha-1 did not exceed the 11.3 ppm at any water inputs considered in our scenarios. Also it has never exceeded the EU target 11.3 ppm at any water inputs considered in our scenarios. Maize on loamy soil in the north of Italy can utilize fertilizer N up to 340 kg ha-1 without exceeding a target value of 11.3 mg l-1 in the groundwater. However, the water input should not exceed 1100 mm annually. However, our results suggest fertilizations should be reduced to between 235 and 270 when water inputs are greater than 1100 mm. Simulations revealed that N-cycle and crop grain yield may be sensitive to gradually increasing temperature, days of drought and decreasing of precipitation. Nitrate-N concentration could increase about +11.3% at the end of the simulation, while crop maize production could decrease about -10.5% at the end of simulation. Despite simulations showed that N loss could increase in the future, the EU limit of 170N has never exceed the threshold of 11.3 ppm at any water inputs considered in our scenarios. In contrast, the EU limit of 340N exceeded always the concentration of 11.3 ppm NO3-N, however, 340N was less effective in limiting N loss at the end of the simulation. Results, also suggest when annual water inputs (irrigation) are lower than 400 mm a reduction of the N fertilizations from 340 to 230 kg N ha-1 should allow to limit N loss and, at the same time, reach high crop maize production, This thesis provide useful information about the behavior of the N loss at the N rate allowed to the EU Nitrate Directive. Our results provide interesting information that can be useful in order to improve the management of N fertilizations and maximize crop productivity, in view of complying with the European environmental policy both during an initial phase and a long term period. Nonetheless our results provide scientific basis and references for governments' decision-making from the view of regional climate change response.

Una produzione sostenibile richiede inputs di azoto (N) e fosforo (P) per compensare sia le asportazioni che le perdite a livello campo. Spesso però, le perdite di azoto sono positivamente correlate alle quantità di azoto distribuito. A tutto ciò va poi sommato l’effetto del clima (piovosità) e della caratteristiche del suolo, nel promuovere o limitare le perdite di N. In linea generale, le perdite di nutrienti, in particolare di N, dovrebbero essere minimizzate in quanto, identificate come causa principale dell’inquinamento dei corpi idrici. La relazione tra l’incremento della densità animale nelle aziende zootecniche e la qualità delle acque su scala europea, ha spinto la Comunità Europea con la legge EU 91/676 a fissare un limite massimo di N di origine zootecnica pari a 170 kg N ha-1, come valore massimo precauzionale per aree individuate come “sensibili all’inquinamento da nitrati”. Sebbene i fertilizzanti di origine zootecnica possano contribuire all’inquinamento dei corpi acquiferi, va però, sottolineato che l'"effetto inquinante" delle fertilizzazioni azotate va determinato considerando inputs e outputs isieme, invece che del solo input. E’ comunque, innegabile che gli insediamenti zootecnici sia legato ad un maggior rischio di eccedere i limiti imposti dalla Direttiva Nitrati di 11.3 mg-l, specialmente perché le deiezioni zootecniche, generalmente, sono difficili da gestire. La tesi ha valuta i) la capacità dei limiti imposti dalla EU Direttiva Nitrati, nel limitare le perdite di azoto in falda ii) la determinazione delle migliori pratiche agricole applicabili a parte della Regione Veneto per controllare le perdite di N e iii) la valutazione dei limiti EU 91/676 nel contenere i rilasci, sotto l’effetto dei cambiamenti climatici durante il periodo 2010-2100. I risultati ottenuti mostrano che i nitrati nell’acqua di drenaggio sono influenzati sia dagli inputs di N e acqua (irrigazioni+pioggia). Alte concentrazioni di NO3-N sono state osservate nelle tesi concimate con le più alte quantità di fertilizzante (400 kg N ha-1), mentre le più basse a quantità minori (145 kg N ha-1). L’acqua distribuita ha influenzato la concentrazione di nitrato nell’acqua di drenaggio. Alte concentrazioni (>40 ppm) sono state misurate in tesi irrigate con 800 mm acqua, mentre molto basse nelle tesi irrigate con le quantità più alte di acqua (1700 mm). Il limite di 11.3 ppm è stato superato solo il 5% delle misurazioni ad 1700 mm mentre, per il 30% ad 800 mm. I risultati della modellizzazione ha messo in luce un ottima capacità del limite 170 kg N ha-1 nel prevenire il superamento di 11.3 ppm NO3-N, all’interno delle aree vulnerabili. Inoltre, la concentrazione di 11.3 ppm non è mai stata superata in nessuno dei numerosi scenari testati a differente quantità di acqua (irrigazione+pioggia). Il limite di 340 kg N ha-1, (aree non vulnerabili), ha mostrato buona capacità nel controllare le lisciviazioni solo ad l’input d’acqua inferiori a 1100 mm/anno. Oltre, 1200 mm, al fine di rispettare i limiti UE, si consiglia di ridurre le concimazioni a 230-250 kg N ha-1. I cambiamenti climatici potrebbero avere un forte impatto sia sullo sviluppo delle piante che sul ciclo dell’azoto, sotto la spinta di un incremento dei giorni di siccità e delle temperature. La concentrazione di NO3-N nell’acqua di drenaggio potrebbe aumentare del +11.3% al 2080, mentre la produzione di mais potrebbe diminuire del -10.5 % al 2080. Nonostante le simulazioni abbiano messo in luce un trend di incremento delle lisciviazioni nel prossimo futuro, il limite UE 170N, non ha mai ecceduto la concentrazione di 11.3 ppm a tutte gli inputs di acqua simulati. Il limite UE 340N ha ecceduto sempre il limite di 11.3, anche se il superamento del limite è più consistente alla fine del periodo della simulazione. I risultati, suggeriscono altresì, che una riduzione delle inputs azotati da 340 a 230 kg N ha-1, consentirebbe sia di limitare i rilasci di nitrati (soprattutto ad input superiori a 400 mm annui) che di ottenere produzioni, lievemente inferiori, ma economicamente remunerative. La tesi fornisce risultati interessanti sul comportamento dei rilasci dei nitrati misurati alle dosi massime di N organico ammissibili dalla Direttiva Nitrati. Questo studio ha altresì, fornito indicazioni molto importanti nell’uso nelle quantità massime di N utilizzabili per limitarne le lisciviazioni, nel breve periodo che nel lungo (sotto l’effetto dei cambiamenti climatici). Nondimeno questa tesi fornisce basi scientifiche per decisioni governative.