Advanced Computer Technologies for Integrated Agro-Hydrologic Systems Modeling: Coupled Crop and Hydrologic Models for Agricultural Intensification Impacts Assessment

Coupling hydrologic and crop models is increasingly becoming an important task when addressing agro-hydrologic systems studies. Either for resources conservation or cropping systems improvement, the complex interactions between hydrologic regime and crop management components requires an integrative approach in order to be fully understood. Nevertheless, the literature offers limited resources on models’ coupling that targets environmental scientists. Indeed, major of guides are are destined primarily for computer specialists and make them hard to encompass and apply. To address this gap, we present an extensive research to crop and hydrologic models coupling that targets earth agro-hydrologic modeling studies in its integrative complexity. The primary focus is to understand the relationship between agricultural intensification and its impacts on hydrologic balance. We provided documentations, classifications, applications and references of the available technologies and trends of development. We applied the results of the investigation by coupling the DREAM hydrologic model with DSSAT crop model. Both models were upgraded either on their code source (DREAM) or operational base (DSSAT) for interoperability and parallelization. The resulting model operates at a grid base and daily step. The model is applied southern Italy to analyze the effect of fertilizer application on runoff generation between 2000 and 2013. The results of the study show a significant impacts of nitrogen application on water yield. Indeed, nearly 71.5 thousand cubic-meter of rain water for every kilogram of nitrogen and per hectare is lost as a reduction of runoff coefficient. Furthermore, a significant correlation between the nitrogen applications amount and runoff is found at a yearly basis with Pearson’s coefficient of 0.93.

L'accoppiamento di modelli idrologici e di coltura sta diventando sempre più un compito importante quando si affrontano gli studi sui sistemi agro-idrologici. Sia per la conservazione delle risorse che per il miglioramento dei sistemi di coltivazione, le complesse interazioni tra regime idrologico e componenti di gestione delle colture richiedono un approccio integrativo per essere pienamente compresi. Tuttavia, la letteratura offre risorse limitate sull'accoppiamento di modelli che si rivolgono agli scienziati ambientali. In effetti, le guide principali sono destinate principalmente agli specialisti di computer e le rendono difficili da comprendere e da applicare. Per colmare questa lacuna, presentiamo un'estesa ricerca sui modelli di coltura e sui modelli idrologici che si rivolgono agli studi di modellizzazione agro-idrologica della terra nella sua complessità integrativa. L'obiettivo principale è capire la relazione tra l'intensificazione agricola e il suo impatto sull'equilibrio idrologico. Abbiamo fornito documentazione, classificazioni, applicazioni e riferimenti delle tecnologie disponibili e delle tendenze di sviluppo. Abbiamo applicato i risultati dell'indagine accoppiando il modello idrologico DREAM con il modello di coltura DSSAT. Entrambi i modelli sono stati aggiornati sia sulla sorgente del codice (DREAM) che sulla base operativa (DSSAT) per l'interoperabilità e la parallelizzazione. Il modello risultante opera su una griglia e su un passo giornaliero. Il modello viene applicato nell'Italia meridionale per analizzare l'effetto dell'applicazione del fertilizzante sulla generazione di ruscellamento tra il 2000 e il 2013. I risultati dello studio mostrano un impatto significativo dell'applicazione dell'azoto sulla resa idrica. Infatti, quasi 71,5 mila metri cubi di acqua piovana per ogni chilogrammo di azoto e per ettaro vengono persi come riduzione del coefficiente di deflusso. Inoltre, una correlazione significativa tra la quantità di applicazioni di azoto e il deflusso si trova su base annuale con il coefficiente di Pearson di 0,93.