Data-driven approaches to variable rate seeding: enhancing winter wheat production with Sentinel-2 imagery

Variable Rate Seeding (VRS) is a precision agriculture technique that adjusts seed rates based on spatial variability in soil and environmental conditions. This study proposes a possible workflow for VRS in winter wheat (Triticum aestivum L.) production by leveraging multispectral satellite imagery to generate and implement prescription maps. The research was conducted on five fields in Stezzano, Italy, employing Sentinel-2 data for soil moisture and crop health evaluations. Three different management approaches were tested: uniform seeding, commercial prescription mapping (based on NSMI), and a custom clustering-based approach integrating multiple vegetation and soil indices. The study analyzes the correspondence between prescribed and applied seeding rates, evaluates germination and canopy cover uniformity. Furthermore, an economic assessment compares the costs and benefits of VRS against conventional uniform seeding. Results showed that clustering based on NSMI distribution and direct seeding strategy was the most effective in reducing germination variability, while a multivariate analysis with an inverse seeding strategy also improved uniformity. Additionally, seed rate variation was highly correlated with germination, suggesting potential germination optimization through targeted seed redistribution. However, increased germination in areas that may have lower nutrient availability was associated with higher canopy cover variability, suggesting that an integrated variable rate fertilization strategy could help support plant growth potential. The findings aim to provide insights into the viability of VRS for winter wheat, highlighting potential advantages in resource efficiency, yield optimization, and sustainability.

La Semina a Dose Variabile (Variable Rate Seeding, VRS) è una tecnica di agricoltura di precisione che permette di modulare le dosi di semina in funzione della variabilità spaziale delle condizioni del suolo e dell'ambiente. Questo studio propone un possibile workflow per l'implementazione della VRS nella coltivazione del frumento tenero (Triticum aestivum L.), sfruttando immagini satellitari multispettrali per la generazione e l'applicazione di mappe di prescrizione. La ricerca è stata condotta su cinque appezzamenti situati a Stezzano, in provincia di Bergamo, utilizzando i dati dei satelliti Sentinel-2 per la stima dell'umidità del suolo e dello stato della coltura nella campagna precedente. Sono stati testati tre diversi approcci di gestione: - Semina uniforme: applicazione di una dose costante su tutta la superficie coltivata. - Mappa di prescrizione commerciale: simulazione di un metodo basato su un indice di umidità del suolo (NSMI). - Approccio personalizzato basato su clustering: definizione di zone di gestione mediante un'analisi multivariata che integra diversi indici di vegetazione e del suolo. Lo studio analizza la corrispondenza tra le dosi di semina prescritte e quelle effettivamente applicate, valuta l’uniformità di emergenza delle piante e quantifica le discrepanze spaziali nell'applicazione della mappa di semina dovute a fattori operativi. Inoltre, viene condotta un’analisi economica, supportata dalla letteratura, per confrontare i costi e i benefici della VRS rispetto alla semina a dose uniforme. I risultati hanno mostrato che il clustering basato sulla distribuzione dell'NSMI è stato il metodo più efficace nel ridurre la variabilità della germinazione, mentre un'analisi multivariata combinata con una strategia di semina inversa ha contribuito a migliorare l'uniformità. Inoltre, la variazione della dose di semina è risultata altamente correlata alla germinazione, suggerendo un possibile miglioramento della germinazione attraverso una ridistribuzione mirata del seme. Tuttavia, l’aumento della germinazione in aree che potrebbero presentare una minore disponibilità di nutrienti è stato associato a una maggiore variabilità della copertura fogliare, indicando che una strategia integrata di fertilizzazione a dose variabile potrebbe supportare il potenziale di crescita delle piante. I risultati di questa ricerca mirano a fornire nuove conoscenze sulla fattibilità della VRS per il frumento tenero, evidenziando i potenziali vantaggi in termini di efficienza nell'uso delle risorse, ottimizzazione delle rese e sostenibilità ambientale.