Optoelectronic for agro-environmental sustainability: from in field soil preparation to pre-and post-harvest applications

Abstract

In the developed countries, the environment is mainly used as agricultural land. Nowadays, the increasing use of precision farming practices led to review the information on the agroenvironmental production parameters along all the agricultural chain. In this Ph.D. research three parameters have been monitored: soil water content, crop nutritional status and fruit quality. The aim was to evaluate potential applications of rapid and non-destructive optoelectronic techniques to reduce environmental impact in in-field soil preparation, pre- and post-harvest phases. Regarding the in-field soil preparation the scope was to investigate the suitability of active infrared thermography and thermometry, combined with multivariate statistical analysis, for a rapid laboratory and in-field detection of soil water content. Concerning the pre-harvest two case studies were conducted. The first proposed the use of visible-near infrared portable spectrophotometer to evaluate citrus crop nutritional status through foliar analysis. The second evaluated the possibility and the accuracy of the same system, in comparison with conventional analyses, in estimating tomato leaf nitrogen concentration. In the post-harvest case study was developed a non-destructive estimation of citrus fruit internal quality parameters using the mentioned portable spectrophotometer. This Ph.D. activity could provide the basis for future applications such as monitoring and stabilising crop nutritional levels, assessing rapidly soil water content and fruit internal quality and reducing environmental impact. These case studies were finally published in international peer-reviewed journals with impact factors.

Nei paesi sviluppati, l’ambiente è principalmente utilizzato come terreno agricolo. Ad oggi, l’aumento delle pratiche di agricoltura di precisione ha portato a riesaminare le informazioni riguardanti i parametri di produzione agro-ambientale in tutte le fasi della catena agricola. In questo dottorato di ricerca, tre di questi parametri sono stati monitorati: il contenuto d’acqua del suolo, lo stato nutrizionale delle colture e la qualità dei frutti. L’obiettivo era quello di valutare le potenziali applicazioni delle rapide e non distruttive tecniche optoelettroniche per ridurre l’impatto ambientale nelle fasi di preparazione del terreno direttamente in campo ed in quelle di pre- e post-raccolta. Riguardo alla fase di preparazione del suolo, lo scopo era quello di valutare l’idoneità della termografia e della termometria attiva ad infrarossi, combinata con l’analisi statistica multivariata, per una rapida individuazione del contenuto idrico del suolo sia in laboratorio che in campo. Nella fase di pre-raccolta due casi di studio sono stati condotti. Il primo ha proposto l’utilizzo di uno spettrofotometro portatile del visibile e vicino infrarosso per valutare lo stato nutrizionale di colture di agrumi attraverso l’analisi fogliare. Il secondo ha valutato la possibilità e l’accuratezza dello stesso sistema, a paragone con le tecniche convenzionali, nello stimare la concentrazione fogliare di azoto in piante di pomodoro. Nel caso di studio della fase di post-raccolta è stato sviluppato un sistema non distruttivo per stimare dei parametri di qualità interna di agrumi usando il già menzionato spettrofotometro portatile. Questa attività di Ph.D. potrebbe fornire le basi per future applicazioni come il monitoraggio e la stabilizzazione dei livelli nutrizionali delle colture, la rapida valutazione del contenuto d’acqua del suolo e della qualità interna dei frutti e la riduzione dell’impatto ambientale. In fine, questi casi di studio sono stati pubblicati su riviste internazionali peer-reviewed con impact factor.