RURALCAMP 2015USO SOSTENIBILE DEL SUOLO

P. ServadioDirigente di Ricerca

Meccanizzazione e impatti sul suolo agricolo e fore stale

1) La meccanica del suoloè una disciplina con un ruolo analitico

nello sviluppo e nella progettazione del macchinario agricolo, che influisce sulla

sua progettazione e configurazione strutturale per:

forma, dimensione, massa e potenza; velocità di lavoro, prestazioni, sistema

di sterzata, tipo di sospensione, sistema

Interazione uomo-suolo-macchina-clima + Tecnologie i nformative e della comunicazione (ITC - AP)…e sentinelle spaziali

2) La dinamica del suolostudia il comportamento del suolo in seguito all'applicazione di un sistema di forzenonché l'interazione suolo-macchina, che può essere definita come la relazione fra forzeapplicate al suolo, sua deformazione e movimenti.Compattamento, trafficabilità e lavorabilità rientrano in questa disciplina.

di sterzata, tipo di sospensione, sistema di propulsione, nonché aspetti della

sicurezza e dell’ergonomia della macchina.

Per l'esecuzione dei lavori di campo sono usate molteplici macchine aventi massesempre più elevate che transitando applicano forze al suolo, provocando variazionidelle proprietà e compattamento, maggiore su suoli limo-argillosi in presenza dielevato contenuto idrico.

Proprietà che variano nel suolo in seguitoall'applicazione di un sistema di forze esterne

proprietà fisiche : massa volumica, porosità estruttura;proprietà meccaniche : modello dideformazione, forza di taglio, indice delcono, permeabilità.

La loro variazione durante le operazioni di campo influenzano:

Lavorabilità e trafficabilità; porosità, conducibilità idraulica e

capacità di immagazzinare l’acqua; penetrazione delle radici,

erosione e stabilità di struttura.

Massa volumica

Si definisce :massa volumica apparente (MVa) il rapporto fra la massa del solido e il volumetotale, comprendente cioè il volume occupato da solidi e da spazi "vuoti“

Campionatore volumetrico a cilindro per la determin azione della MVa

Proprietà fisiche

massa volumica reale (MVr) il rapporto fra la massa e il volume della parte solida.

Porosità

La porosità è una importantissima proprietà del suolo e da essa dipendono i movimentidell'acqua, dell'aria, la penetrazione delle radici e la facilità del terreno ad esserelavorato, la vita dei micro-organismi. La porosità è un indicatore delle qualità strutturali deisuoli e la sua caratterizzazione è quindi fondamentale per valutare gli effetti delcompattamento sulle proprietà strutturali del terreno sia nello spazio che nel tempo.La misura diretta della porosità non è facile, pertanto è più semplice calcolarlaindirettamente partendo dai dati della massa volumica reale e di quella apparentemediante la formula:

Proprietà fisiche

mediante la formula:

MVr

MVaMVrP

−=

dove:P = PorositàMVr = Massa volumica realeMVa = Massa volumica apparente

Si possono ottenere queste informazioni per mezzo del metodo micromorfometrico, basatosull'analisi dei pori su sezioni sottili preparate da campioni di terreno, per mezzo di un

analizzatore ottico-elettronico di immagine. Tale metodo, anche se sviluppa le analisi sudue dimensioni, ha il vantaggio di associare le misure e le caratteristiche dei pori a unapprezzamento visivo del tipo e della distribuzione dei pori stessi, dando informazioni circala complessità del sistema poroso nel terreno e la relativa posizione di aggregati e pori.

Dagli studi effettuati sono emerse correlazioni statisticamente significative fra la conducibilità idraulica del suolo saturo e la porosità.

4 passes4 passes4 passes

0 pass0 pass0 pass 4 passes4 passes4 passes

64

65

66

67

68

69

70

71

%MT HH

P20 HH

P40 HH

Apparato per la setacciatura umida per il calcolo d ella stabilità di strutturaProprietà fisiche

63

64

Structural stability

La struttura è l’aggregazione spaziale delle particelle solide di terreno. La stabilità distruttura indica il grado di resistenza alle sollecitazione esterne degli aggregati del suolo(azione della pioggia, compattamento, lavorazioni del terreno). Viene determinataponendo i campioni di suolo in acqua e sottoponendoli ad agitazione e setacciatura. Siesprime in % che rappresenta la frazione di aggregati che hanno resistito all’agitazionesul totale delle particelle.

Effetti di tre diverse lavorazioni del terreno sulla stabilità di struttura: MT = Minima lavorazione. P20 = Aratura 0,20 m profondità. P40 = Aratura 0,40 m profondità.

Resistenza al taglio

Scissometro - Field inspection vane tester - da 0 a 260 kPa

Con questo strumento è possibile misurare la resistenza al taglio:da 0 a 65 kPada0 a 130 kPa

Proprietà meccaniche

da0 a 130 kPada 0 a 260 kPautilizzando una delle tre palette di taglio aventi diverse misure.

Il cono è uniformato (ASAEstandards, 1980)nelle dimensioni:

�apertura del cono (gradi)�area della base del puntaleconico (mm2)

Resistenza alla penetrazione offerta dal suolo - ind ice del cono (CI)

Penetrometro elettronico a cono

Proprietà meccaniche

conico (mm2)

se ne ottiene l’indice-cono(CI, “cone index” ) in Pascal(Pa)1.

1 Il CI esprime il rapporto tra la forza (N) applicata perinfiggere nel terreno un puntale conico vale a dire laresistenza che il terreno oppone alla sua penetrazione el'area della base dello stesso.

Il CI è influenzato dalla massa volumica, dal contenuto di acqua e dalle caratteristiche del suolo.

Un uso efficace del CI è quellofinalizzato allo studio dell'entità delcompattamento rilevando la resistenzaalla penetrazione in tutto lo stratointeressato alle lavorazioni.

Penetrometro elettronico a conoProprietà meccaniche

Un'analisi del compattamento nei vari strati è interessante e puòdare indicazioni sulla scelta della giusta profondità di lavoro perle operazioni di aratura nonché sulla eventuale presenza della“suola di aratura”.

Permeabilità - Infiltrazione dell’acqua nel suolo

Infiltrometro a doppio cilindro per rilevare la velocità co n cui l'acqua del cilindrointerno penetra nel suolo.L'infiltrazione dell'acqua nel suolo ovvero la sua velocità d’infiltrazione, è la quantità diacqua che penetra nel suolo nell'unità di tempo e si esprime in mm h-1.

Proprietà meccaniche

Compattamento del suolo causato dal passaggio singolo di macchine per la raccolta equipaggiate con: quattro ruote motrici(4WT), quattro cingoli in gomma (4WT), quattro cingoli in gomma con costole basse (4RT-Lw) e cingoli in metallo (MT). Effetti sull’infiltrazione dell’acqua.

La compressione si riferisce alprocesso che descrive la diminuzionedel volume del suolo “soil densification”in seguito all’applicazione di un caricoesterno. La compressione di un suoloinsaturo quale quello agricolo èchiamata compattamento.

Compressibilità uniassiale del suolo –modello di defo rmazione

Edometro a carico frontale

12

Tesi 5

Proprietà meccaniche

Sono stati messi in relazione sinkage e massa volumica apparente del terreno con diversicontenuti idrici, con la pressione esercitata sul provino (da 2.8 a 2000 kPa).

0

2

4

6

8

10

12

0 200 400 600

Sinkage, mm

Pressione applicata, kPa

U= 27.9%

U=28.0%

U= 19.9%

Le proprietà fisico-meccaniche del suolo sono generalmente dipen denti dal suo contenuto idrico .

Il contenuto idrico condiziona fortemente la scelta dell’epoca di esecuzione di ogni intervento sul suolo ed è in grado di conferirgli determinate caratteristiche per cui si parla

di stati fisici del terreno

Il passaggio da uno stato fisico all'altro siottiene gradatamente aumentando odiminuendo l'umidità

Limiti di Atterberg

Gli stati fisici, sia in funzione del contenuto idrico presente che della natura dellafase solida, sono sempre riscontrabili con intensità variabile nel terreno e possonoessere definiti attraverso i limiti di Atterberg, che sono:

� limite inferiore di plasticità (WP);� limite superiore di plasticità o limite di liquidità (WL)� indice di plasticità uguale alla differenza fra le due umidità precedenti (IP)

L'indice di plasticità può variare da 4 a 8 nei terreni sciolti per arrivare a 25-30 inquelli limo-argillosi.

Determinazione del limite superiore di plasticità o limite di liquidità (W L)

Cucchiaio di CasagrandeDeterminazione WL

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WL corrisponde al contenuto d’acqua per ilquale, nella terra posta nell’apparecchio, un solcotracciato con l’apposito utensile si chiude dopo 25cadute del cucchiaio.

Determinazione del limite inferiore di plasticità ( WP)

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Manometro

Filtro Aria

Regolatori di Pressione

Estrattore a piastra di Richards per determinare la curva di ritenzione idrica

CURVA DI RITENZIONE IDRICA : rapporto tra contenuto idrico e potenziale matriciale di un suolo:CI = coefficiente igroscopico, CA = coefficiente di appassimento, CC = capacità di campo, CIM = capacità idrica massima. a.n.d. = acqua non disponibile, a.d. = acqua disponibile, a.p. = acqua di percolazioneCC – CA = acqua disponibile massima

Filtro Aria

Camera a pressione

Classificazione dei suoli - Analisi granulometrica p er sedimentazione

µ

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g (100 g)-1 Sabbia (Sand, 2000-50 µm) 8.50 Limo (Silt, 50-2 µm) 34.0 Argilla (Clay <2 µm) 57.5 Tessitura (Classificazione USDA) Clay

µ

Triangolo tessitura del Suolo - USDA

Per l’utilizzo delle macchineagricoleva posta attenzione su:

- contenuto idrico del suolo e periodo d’intervento (periodo utile); - caratteristiche del macchinario agricolo (motrici, operatrici, semoventi), sistemi di trasporto del raccolto al centro aziendale;- organi di propulsione (pneumatici radiali a basso rapporto d’aspetto, cingoli in gomma e metallici) e loro condizioni d’uso: slittamento, velocità d’avanzamento, forza di trazione;- n°di passaggi sulla stessa traccia;- tipologia di lavoro.

La condizione del suolo idonea alle operazioni di c ampo può essere dunque classificata in termini di trafficabilità e lavorabi lità

LavorabilitàLa lavorabilità implica operazioni che prevedono la manipolazione del suolo e può essereconsiderata una combinazione fra trafficabilità e possibilità di manipolazione senzacausare danni significativi o compattamento.

( in rosso gli indicatori prescelti) Cantieri di lavoro

TT-plain

MP

WT-hilly

HP

GD+Fplain

VHP

Velocità d’avanzamento (m s-1) 1.25 1.21 3.5

Sovralzo medio (m) 0.20 0.30 -

Rugosità media (m) 0.22 0.31 -

Larghezza di lavoro misurata (m) 1.25 2.13 3.0

Profondità di lavoro misurata (m) 0.40 0.40 0.03

Capacità di lavoro effettiva (ha h-1) 0.56 0.93 3.8

Efficienza di campo (h ha-1) 1.78 1.07 0.26

�1. Prestazioni di tre cantieri di lavoro durante l’aratura TT e WT (Luglio 2011)

e la semina diretta GD+F (Settembre 2011).

TT-plain=120 kW +aratro trivomere trainato

MP Track Tractor

Lavorabilità

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Efficienza di campo (h ha-1) 1.78 1.07 0.26

Rilievi sulla trattrice

Slittamento (%) 14.1 6.93 -

Potenza erogata dal motore (kW) 120 217 200

Consumo di combustibile:

Orario (kg h-1) 27 47 40

Specifico (g/kWh) 225 220 210

Unitario (kg ha-1) 48 50 11

Energia globale impiegata (kWh ha-1) 214 232 52

Energia (GJ ha-1) 2.24 2.35 0.52

Emissioni di CO2 (kg C ha-1) 47.6 50.0 11.0

WT-hilly=217 kW +aratro quadrivomere

semi-portato reversibile

HP Wheeled Tractor

GD+F-plain=265 kW tramissione della potenza

idro-meccanica + seminatrice trainata

P40 LH P20 LH MT LH

Velocità d’avanzamento (m s-1) 0.73 0.93 0.93

Larghezza di lavoro misurata (m) 0.5 0.5 2.5

Capacità effettiva di lavoro (hah-1) 0.13 0.17 0.84

Efficienza di campo (h ha -1) 8.09 6.28 1.19

Rilievi sulla trattrice

Slittameno (%) 32.4 14.3 5.0

Consumo di combustibile:

P40 HH P20 HH MT HH

0.90 1.34 0.94

0.5 0.5 2.5

0.16 0.24 0.85

6.25 4.17 1.18

15.8 17.0 5.1

� 2. Prestazioni delle trattrici cingolata e gommata, di media potenza (62 kW), eseguite a diverse profondità di aratura (P40 e P20 cm)

ed erpicatura (MT), sia a basso contenuto idrico (LH= 58% della capacità di campo) che ad elevato contenuto idrico (HH=80% della

capacità idrica di campo).

MT=MP TT + erpice a dischi trainato

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Consumo di combustibile:

Orario (kg h-1) 15 14.5 12.5

Unitario (kg ha-1) 120 91 15

Energia globale impiegata (kWh ha-1) 310 235 183

Energia (GJ ha-1) 4.67 3.54 0.58

CO2 emissioni (kg C ha-1) 101 77 13

14.5 14.5 12.5

91 60 15

250 166 182

3.54 2.33 0.58

77 51 13

I risultati ottenuti in questo sito, mostrano come il contenuto idrico e la tenacità del suolo, in termini di Cone Index, durante l’aratura

abbiano influenzato in modo significativo la lavorabilità e le prestazioni delle trattrici in termini di slittamento, efficienza di campo e

consumo di combustibile unitario. Migliori le prestazioni delle trattrici per le tesi HH (80% della C.I.C.). Per quanto concerne la qualità

del suolo, i trattamenti P20 LH e P40 LH hanno mostrato un buon effetto sulla stabilità di struttura degli aggregati e sulla resa

colturale, infatti nella condizione LH, le produzioni sono risultate maggiori per le tesi P20 (2.05 t ha-1) e P40 (2.1 t ha-1).

P=MP WT + aratro monovomere portato

La trafficabilità èconnessa con lapossibilità di un suolo diassicurare un coefficientedi aderenza tale daimprimere, per mezzodegli organi dipropulsione, una

Trafficabilità

Pot

enza

p.t.

o.=

254

kW;

Mas

sa =

183

00 k

g;

Pre

ssio

ne te

oric

a al

suo

lo =

49.

7 kP

a

Un suolo può essere considerato trafficabile, (es. applicazione di fertilizzanti eprotezione delle colture), ma non lavorabile.

adeguata forza ditrazione ai veicoli e disopportare tale trafficosenza eccessivocompattamento o dannistrutturali.

Pot

enza

p.t.

o.=

254

kW;

Mas

sa =

183

00 k

g

Pre

ssio

ne te

oric

a al

suo

lo =

49.

7

Concimazione del grano effettuata il 20 marzo in presenza di contenuto idrico del suolo (C.I.) più elevato della capacità idrica di campo (C.I.C.).

Pneumatici larghi a basso rapporto d’aspetto (h/L) del tipo 550/60-22.5

Trafficabilità

Concimazione del grano, 20 marzo, (C.I.>C.I.C.)

Pneumatici fini ad elevato rapporto d’aspetto (h/L) del tipo 270/95 R32

Potenza=370 kW; Massa=11140 kg ; Pressione teorica al suolo= 85/90 kPa

Raccogli-trincia-caricatriceTrafficabilità

Macchine operatrici semoventi con elevato caricosugli assali e sistemi di propulsionespeciali, operanti in presenza di elevato contenutoidrico (C.I.>C.I.C).

Potenza=135 kW; Massa=18000 kg ; Pressione teorica al suolo= 54 kPa

Potenza=135 kW; Massa=18600 kg;Pressione teorica al suolo= 48 kPa

To save fossil-fuel energy requirements and the CO2 emissions from agricultural machinery

3) SOIL MAPPING, TRACTOR GPS FIELD NAVIGATION, CONTROLL ED TRAFFIC, ERGONOMICS -CLIMATE CHANGE SCENARIOS -

Soil mapping to assess strength in term of Cone Index (CI) correlated with water content (WC) and organic matter (O .M.) tomanage soil workability and trafficability – Yield map

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RMS accelerations for the tractor driving seat

Mappatura dei parametri fisico-meccanici del suolo p er stabilire la lavorabilità

�

N

Per la produzione delle mappe interpolate e la descrizione della variabilità spaziale delle proprietà del suolo e della produzione, è stato utilizzato il software ArcGIS e ‘spatial analyst toolnatural neighbor’.

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Dai risultati dell’esempio riportato è emersa lapresenza di una zona omogenea (MZs) e bendefinita nella parte rivolta ad est del campo inpiano, caratterizzata da un basso livello ditenacità del suolo (RT< 80 kPa e MV< 1.38 Mgm-3) e da un alto contenuto di sostanza organica(SO>1.55 %). Tale zona è stata gestita con lasemina diretta del frumento. GD+F-plain=265 kW tramissione della potenza idro-

meccanica + seminatrice trainata

VHP wheeled tractor

�L’utilizzo di tecnologie AP, GPS e GIS hanno permesso di studiare e predire lavariabilità spaziale e temporale delle proprietà del suolo e di individuare ed utilizzarealcuni indicatori di compattamento e tenacità del suolo in termini di Cone Index (CI) eResistenza al taglio (RT) e Massa volumica apparente (MVA), correlati con il contenutoidrico la sostanza organica (SO) e la produzione.

�L’elaborazione dei dati di campo ha permesso di valutare L'efficienza energeticaglobale della lavorazione che dipende dalla superficie in ettari coperta in funzione del

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globale della lavorazione che dipende dalla superficie in ettari coperta in funzione deltempo e dall'abilità della trattrice di convertire l’energia di combustione in potenza utile.Come risultato, le prestazioni ottenute uniscono tre indicatori che esprimono il tempo diesecuzione come un'efficienza di campo (h/ha), uno slittamento (%), ed un consumounitario di combustibile (kg/ha).

�L’uso combinato delle tecnologie informative (IT), della trasmissione della potenzainnovativa come la idro-meccanica e della semina diretta possono permettere unagestione più sostenibile dell’azienda agraria con notevole riduzione di energia impiegata edi CO2 e si possono considerate come tecniche di adattamento ai cambiamenti climatici.

4) Applicazione di medodi empirici per la predizione d elle prestazioni in campo di veicoli gommati e cingolati e relazione macchinario-suolo

Per predire le prestazioni dei veicoli in campo sono staticonsiderati modelli basati sull’interazione suolo–veicoliche includono, oltre alla resistenza del suolo in termini diCI, il carico sullo pneumatico o cingolo, alcunecaratteristiche tecniche dello pneumatico o cingolo del

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caratteristiche tecniche dello pneumatico o cingolo delveicolo, ed il numero dei passaggi sulla stessa orma.

Type of vehicle, Power class

Sy

imb

ol Soil texture Nc,r MMP

Adim. kPa

4RT, MP a Silty Clay 71 37

RT, SP - large track b Silty Clay 46 58

RT, SP - standard track d Silty Clay 35 67

RT, HP - large track e Silty Clay 34 98

RT, HP - standard track f Clay loam 32 115

WT, SP g Silty Clay 29 97

RT, VHP x Clay 28 123

MT, MP l Silty Clay 25 85

Trailed farm cart, 2 axles, 5.0Mg

(unload)

w* Silty Clay 25 156

WT, MP - dual tire* m Silty Clay-loam 24 102

RT - UHP n Clay loam 23 134

WT, HP – standard tire q Silty Clay 17 158

WT, HP r Silty Clay 15 147

WT, HP s Silty Clay 14.5 156

WT, MP - single tire* t Silty Clay-loam 14 182 In seguito agli elevati valori dell’∆CI (> 0.3) ed ai

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WT, MP - single tire* t Silty Clay-loam 14 182

Forage harvester, UHP u Sandy Clay loam 14 221

Trailed farm cart, 2 axles, 16.5

Mg (load)

w Silty Clay 9.0 415

Truck 3 axles, 16 Mg (unload) z Sandy Clay loam 7.0 462

Truck 3 axles,

30 Mg (load)

z* Sandy Clay loam 4.5 867

Type of vehicle Power

class

(kW)

4RT Mod. Articulated Vehicle with 4 rubber tracks small

WT Wheeled tractor medium

MT Metal tracked tractor high

RT Rubber tracked tractor very high

ultra

high

In seguito agli elevati valori dell’∆CI1 (> 0.3) ed aibassi valori dell’ indice Nc,r (< 20), la relazionesuolo-macchinario mostra che il compattamentocausato dalle macchine su terreno umido inparticolare durante le attività di raccolta e diapplicazione di concime e digestato, anche dopo unsolo passaggio, rappresenta un problema nonancora risolto. Questa relazione può essere utile pervalutare il grado di compattamento, per gestire eprevedere la trafficabilità del suolo agrario, perminimizzare il rischio di compattamento del suolo eper progettare veicoli agricoli in grado di evitareeffetti negativi sul suolo.

�trafficare solo quando l’umidità del suolo è inferiore a 0.6 (0.8 per suolo moltocompattato) della capacità di campo,�traffico controllato,�usare la stessa macchina per minimizzare il numero dei passaggi ed il traffico,�usare le macchine con un basso carico sugli assali e�pneumatici con elevata superficie di contatto per minimizzare la pressione al

Combinazione di pratiche per mitigare o dilazionare il proble ma delcompattamento del suolo:

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�pneumatici con elevata superficie di contatto per minimizzare la pressione alsuolo, Nc,r (>30).� azioni preventive come la scarificatura profonda e la riduzione degli elevaticarichi sugli assali del macchinario durante il traffico sono necessari.

�Per un’agricoltura sostenibile, la soluzione più adatta dovrebbe essere dievitare completamente il compattamento.

Sfide Obiettivi Soluzioni

Impronta ambientale

Scarsità delle risorse

Uso sostenibile

della terra

Cambiamento

climatico

Ottimizzare l’uso dei fertilizzanti e

dei pesticidi

Ottimizzare la gestione dell’acqua

Evitare il compattamento del suolo

Mettere fine alla perdita di

biodiversità

Incrementare l’efficienza energetica

Ridurre le emissioni di gas serra

Ge

stio

ne

azi

en

da

le e

sis

tem

i in

form

ati

vi

Distribuzione degli

agrochimici, sementi ed

acqua irrigua a volume

variabile nello spazio (VRA)

Traffico controllato (CTF)

Guida di precisione delle

macchine in campo

Lavorazioni conservative e

semina su sodo

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Reddito e benessere

dell’agricoltore

Approvvigionamento

alimentare, qualità e

sicurezza

Richieste della società

Incrementare la produzione

Diminuire il rischio nel lavoro

Assicurare la qualità e la sicurezza

del cibo

Ridurre lo spreco nella catena del

cibo

Tracciabilità del cibo

Ge

stio

ne

azi

en

da

le e

sis

tem

i in

form

ati

vi

Lavorazioni conservative ad

intensità variabile

Controllo automatico della

qualità

Robotica agricola

Ergonomia

•P. SERVADIO, 2010. Applications of empirical methods in central Italy for predicting field wheeledand tracked vehicle performance. Soil Till. Res., vol. 110, pp. 236-242.•P. SERVADIO, 2013. Compaction Effects of Green Vegetable Harvester Fitted with DifferentRunning Gear Systems and Soil-Machinery Relationship. Journal of Agricultural Science andApplication (JASA) vol.2 (2), 72-79.•SERVADIO, P., BERGONZOLI, S. (2013). Spatial variability of some soil properties and wheat yieldwithin a trafficked field. Proceedings of 9th European Conference on Precision Agriculture. Lleida,Catalonia, Spain, July 7-11 2013•SERVADIO, P., BERGONZOLI, S., TODERI, M. (2014). Soil mapping to assess workability in centralItaly as climate change adaptation technique. Global Nest Journal, 16,(2), 219-228.

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