Ottimizzazione spaziale multiobiettivo delle dosi di fertilizzante per una produzione agricola sostenibile nel sud-ovest della Cina

Nutrite le persone senza danneggiare la terra

Con la crescita della popolazione mondiale, gli agricoltori sono sotto pressione per produrre più cibo, ma l’uso crescente di fertilizzanti chimici inquina i fiumi, contribuisce al riscaldamento climatico e spreca risorse economiche. Questo studio esamina una grande regione produttrice di cereali nel sud-ovest della Cina e pone una domanda cruciale: è possibile riorganizzare come e dove vengono applicati i fertilizzanti in modo che gli agricoltori raccolgano abbondanti quantità di riso, mais e frumento riducendo al contempo l’inquinamento e i costi non necessari?

Perché il fertilizzante può essere troppo

I fertilizzanti chimici—principalmente azoto, fosforo e potassio—hanno alimentato il boom della produzione agricola mondiale. Ma in molte aree, e in particolare in Cina, ora sono usati in eccesso. L’azoto in eccesso defluisce nei fiumi, penetra nelle falde acquifere ed evapora nell’aria sotto forma di gas serra. L’accumulo di fosforo può scatenare fioriture algali che soffocano i pesci, mentre la carenza di potassio limita silenziosamente la crescita delle piante. Il bacino del Sichuan, una fertile “ciotola del riso” circondata da montagne, è un esempio evidente: gli agricoltori lì applicano più di 300 chilogrammi di fertilizzante per ettaro, molto al di sopra delle medie globali, sottoponendo il corso superiore del Fiume Azzurro e gli ecosistemi locali a forte stress.

Usare dati e algoritmi per mappare ciò di cui i campi hanno davvero bisogno

Per superare consigli uniformi per tutti, i ricercatori hanno raccolto un decennio di informazioni dettagliate: decine di migliaia di campioni di suolo, indagini sulle pratiche dei contadini e oltre 2.000 prove sperimentali controllate in cui le parcelle hanno ricevuto combinazioni precise di azoto, fosforo e potassio. Questi dati sono stati combinati con immagini satellitari e registri meteorologici e poi è stato addestrato un metodo di apprendimento automatico chiamato random forest per prevedere le rese delle colture con e senza fertilizzante a una risoluzione spaziale fine su tutta la regione. Questo ha permesso di stimare quanto della produzione di ciascuna coltura dipendesse dalla qualità intrinseca del suolo e del clima e quanto fosse imputabile ai fertilizzanti applicati.

Disomogeneo e sbilanciato: dove i nutrienti sono in eccesso o scarsi

Le mappe hanno rivelato un quadro significativo. Dal 2009 al 2019 le rese medie di riso, mais e frumento sono aumentate leggermente, nonostante l’uso di fertilizzanti sia diminuito, suggerendo un miglioramento della salute del suolo e un contenimento degli eccessi precedenti. Tuttavia il contributo dei fertilizzanti alla resa è effettivamente diminuito dell’1–3 percento, soprattutto per riso e mais nelle pianure ricche a bassa quota, il che indica rendimenti marginali decrescenti per ulteriori applicazioni. Allo stesso tempo, i bilanci dei nutrienti risultavano fortemente sbilanciati. L’azoto era generalmente in eccesso, particolarmente nelle pianure e lungo i grandi fiumi, dove alcuni campi di riso ricevevano fino a dieci volte il fabbisogno calcolato. Fosforo e potassio raccontavano la storia opposta: spesso carenti, specialmente per mais e frumento nelle colline centrali e nord-orientali, contraddicendo l’idea diffusa che i terreni coltivati cinesi siano uniformemente ricchi di fosforo.

Trovare il punto di equilibrio tra rese e inquinamento

Per trasformare queste diagnosi in azioni, il team ha utilizzato un algoritmo di ottimizzazione multiobiettivo—essenzialmente uno strumento di ricerca che bilancia i compromessi—per esplorare migliaia di possibili aggiustamenti delle dosi di fertilizzante. L’algoritmo ha cercato combinazioni in grado di mantenere o aumentare la produzione totale di cereali riducendo nel complesso l’uso dei fertilizzanti, in particolare dell’azoto. La soluzione ottima suggeriva che l’uso di azoto in tutto il bacino potesse diminuire di circa il 18 percento, con riduzioni molto più ampie per il riso nelle fertili pianure occidentali, mentre fosforo e potassio aumenterebbero modestamente dove attualmente mancano. Secondo questo piano, la produzione totale di cereali salirebbe leggermente rispetto al 2019 e il mix complessivo di nutrienti passerebbe da un rapporto sbilanciato ricco di azoto di 1:0,38:0,33 (N:P:K) a un rapporto più equilibrato di 1:0,51:0,42, più vicino alle raccomandazioni nazionali per un’agricoltura sostenibile.

Ciò che significa per gli agricoltori e per l’ambiente

Per i non specialisti, il messaggio è semplice: un uso più intelligente dei fertilizzanti, guidato dai dati e da algoritmi moderni, può aiutare gli agricoltori a produrre lo stesso quantitativo di cibo—o anche di più—riducendo al contempo input spreconi e inquinanti. Piuttosto che dire semplicemente agli agricoltori di aumentare o diminuire i fertilizzanti in generale, questo approccio indica dove ridurre drasticamente l’azoto, dove aggiungere fosforo o potassio e come farlo campo per campo. Applicato su larga scala, un metodo simile potrebbe aiutare molte regioni a sfamare le loro popolazioni, far risparmiare gli agricoltori e mantenere i corsi d’acqua più puliti, il tutto senza espandere le superfici coltivate o sacrificare i raccolti.

Citazione: Liao, G., Qian, J., He, P. et al. Multiobjective spatial optimization of fertilizer rates enables sustainable crop production in southwest China. npj Sustain. Agric. 4, 22 (2026). https://doi.org/10.1038/s44264-026-00127-y

Parole chiave: ottimizzazione dei fertilizzanti, agricoltura sostenibile, bilancio dei nutrienti, apprendimento automatico in agricoltura, colture del bacino del Sichuan