ETD

• camelina
• chickpea
• circular economy
• iLUC
• LCA
• nutrient recovery
• wheat

The continuous growth of global population is accompanied by an increasing demand for agricultural products, both for food and non-food uses. Meeting the challenges of food security, social equity and environmental sustainability requires substantial improvements in the efficiency and productive performance of agroecosystems. Enhancing yield potential of currently cultivated land is consistent with the objective of ensuring universal access to adequate and safe food, while avoiding the conversion of natural ecosystems into cropland.
Within this context, the transition toward more sustainable production systems is closely linked to the principles of the circular economy, which promote the recovery and valorisation of waste streams. The industrial sector generates large quantities of by-products that are often discarded, despite their potential to be recycled into valuable resources for agriculture. Therefore, recovering nutrients from these waste streams represents an important strategy to reduce the environmental impacts of agricultural systems and support the development of new green markets.
In addition to nitrogen, phosphorus and potassium, sulfur is an essential secondary macronutrient involved in a wide range of biological processes. It is a structural component of aminoacids and proteins, contributes to the synthesis of defence compounds, and the modulation of plant stress responses. Therefore, sulfur availability is a major determinant of crop growth, quality and overall productivity, especially in contexts where environmental conditions make this element a potentially limiting factor. Among the various sulfur sources, gypsum (CaSO4 x 2H2O) is commonly used in agriculture for the remediation of acidic or saline soils. Gypsum can be obtained from quarries (as the one used withing organic agriculture framework) or can be sourced as waste product from several chemical processes. However, this industrial waste stream is frequently discarded in landfill, without being valorised for proper nutrient recovery. Therefore, the present study explores the use of industrial chemical calcium sulfate as a recycled sulfur fertilizer for herbaceous crops, focusing on its role as a nutrient source rather than a soil conditioner.
The general aim of the project was to develop a positive synergy between agricultural and industrial sectors, identifying technical solutions for the recycling and valorisation of industrial wastes into fertilizers, thereby fostering the promotion of circular and sustainable production chains. To achieve these results, sulfur granular fertilizers were produced at FerroDuo s.r.l. facilities using waste gypsum derived from a local chemical plant. Agronomic performances were primarily studied through multi-year trials, both at mesocosm level and at field scale, on Camelina sativa (L.) Crantz, Cicer arietinum L. and Triticum aestivum L. These species were selected to represent different botanical families and end-use purposes, including food and non-food applications, in order to provide a comprehensive assessment of sulfur fertilization across diverse crops and production chains. Crop performance was assessed through the evaluation of dry matter production and allocation, seed yield and yield components, with particular attention to fertilization use efficiency and yield formation processes. In addition to agronomic performance, the environmental implications of sulfur fertilization were also investigated though a consequential Life Cycle Assessment carried out using camelina and chickpea trials as case studies.
Regarding the structure of the present dissertation, Chapter 1 begins with a general overview of waste streams valorisation within circular economy context. Then was presented the state-of-art of sulfur dynamics within agroecosystems, with particular attention to its biogeochemical cycle, its role in plant metabolism and its agronomic management. The last part of the introduction is dedicated to the description of Life Cycle Assessment methodology and its modelling framework. The introduction is followed by Chapter 2 “Aim of the project” outlining the specific objectives of the research and the schematic workflow (fertilizer formulation, agronomic trials, environmental assessment) underlying this thesis. The subsequent Chapter 3 “Sulfur fertilizer production” presents the results of the experimental activities related to the development of a granular fertilizer, starting from waste chemical gypsum and the scaling-up of the production process from pilot plant to industrial level. Chapter 4 “Agronomic and environmental benefits of recovered gypsum for sulfur fertilization in camelina for biofuel production” evaluates the responses of camelina (var. ‘Calena’) to different N-S fertilization strategies (same amount of nitrogen, and three rates of sulfur), compared to an unfertilized control and the common fertilization management, which implies just the distribution of nitrogen. Results shows that combined N-S application at medium rate (60 kg N ha-1 + 40 kg S ha-1) significantly increased camelina productivity compared to the business-as-usual strategy, improving fertilization efficiency, and without negatively affecting seed quality. LCA results (comprehensive of indirect Land Use Change computation) indicated a reduction in environmental impacts compared to conventional fertilization, highlighting the potential of moderate sulfur inputs to enhance both productivity and sustainability of camelina cropping systems. Chapter 5 “Sulfur supply from recycled source: an effective strategy to improve chickpea productivity and sustainability” investigates the agronomic and environmental performances of two commercial chickpea varieties (‘Pascià’ and ‘Reale’) under Mediterranean conditions in response to different sulfur rates (30 or 60 kg S ha-1). Moderate sulfur application significantly increased seed and biomass yields compared to the unfertilized control, mainly through enhanced pod formation, with no additions benefit at higher rates. LCA showed that improved productivity reduced environmental impacts across all categories, emphaticizing the role of optimized sulfur inputs in improving the efficiency of chickpea cropping systems. Chapter 6 “Sulfur supplementation in wheat: agronomic performance and implications for spike traits”, presents the results of a mesocosm experiment on common wheat (var. ‘Bologna’), testing two nitrogen levels (150 and 112 kg N ha-1) with and without sulfur application (30 kg S ha-1), compared to an unfertilized control. Despite the relatively low sulfur requirements of wheat, sulfur distribution improved both kernel yield and fertilization use efficiency. Analysis of yield components indicated that sulfur positively influenced spike fertility traits, primarily through an increase in kernel number. The improved fertility of distal florets within spikelet, suggests that sulfur may exhibit physiological effects comparable to those reported for nitrogen nutrition.
Overall, this research adopts a systemic approach, examining a real-life case study in which sulfur was recovered from industrial waste streams and formulated into a granular fertilizer already available on the market. By employing fully operational and scalable technologies, the study demonstrates that the proposed approach can be already implemented at commercial level, to enhance the overall sustainability of cropping systems.
The author hopes that this contribution will advance the current understanding of nutrient-related constraints on crop performances and encourage a broader perspective on the interconnections among the different components of agricultural production systems.

La crescita continua della popolazione globale è accompagnata ad una sempre crescente domanda di prodotti agricoli, sia per usi alimentari che non alimentari. Affrontare le sfide poste da sicurezza alimentare, equità sociale e sostenibilità ambientale, richiede miglioramenti sostanziali nell’efficienza produttiva degli agroecosistemi. Incrementare il potenziale produttivo delle aree agricole è in linea con l’obbiettivo di assicurare accesso universale a cibo sano e sufficiente, al contempo evitando la conversione di ecosistemi naturali in aree coltivate. In questo senso, la transizione verso sistemi produttivi più sostenibili è strettamente legata ai principi dell’economia circolare, la quale promuove il recupero e la valorizzazione di flussi di scarto. Il settore industriale produce grandi quantità di sottoprodotti, che solitamente sono smaltiti senza sfruttarne il potenziale impiego in agricoltura. Il recupero di nutrienti da questi flussi rappresenta una strategia importante per ridurre l’impatto ambientale dei sistemi agricoli e supportare lo sviluppo di nuovi mercati verdi.
Dopo azoto, fosforo e potassio, lo zolfo è un importante macronutriente secondario, coinvolto in un’ampia gamma di processi biologici. È un componente strutturale degli amminoacidi e delle proteine, contribuisce alla sintesi di composti di difesa e alla modulazione della riposta delle piante agli stress. Pertanto, la disponibilità di zolfo è un fattore determinante nella crescita delle colture e nella qualità dei prodotti agricoli, specialmente in contesti dove i fattori ambientali rendono questo elemento potenzialmente limitante. Tra le fonti di zolfo, il gesso (CaSO4 x 2H2O) è comunemente usato in agricoltura come correttivo di suoli acidi e salini. Il gesso può essere estratto dalle cave (e in questo caso impiegabile in sistemi produttivi biologici) o ottenuto come prodotto di scarto da svariati processi chimici industriali. Tuttavia, tali flussi di scarto sono frequentemente stoccati in discarica, senza essere propriamente valorizzati come fonti di nutrienti. Il presente studio indaga l’uso del solfato di calcio di origine chimica come fertilizzante solforico nelle colture erbacee, focalizzandosi sull’apporto di nutrienti rispetto alla classica funzione di correttivo.
L’obbiettivo generale del progetto di tesi è stato quello di sviluppare una sinergia positiva tra il settore agricolo e industriale, identificando soluzioni volte al riciclo e la valorizzazione agricola di scarti industriali, promuovendo una maggiore circolarità del sistema produttivo. Per raggiungere tale obbiettivo, è stato sviluppato un fertilizzante granulare presso il sito produttivo di FerroDuo s.r.l. utilizzando gesso di scarto derivante da un impianto chimico locale. Le prestazioni agronomiche sono state in seguito valutate tramite prove pluriennali sia a scala di mesocosmo che in pieno campo su Camelina sativa (L.) Crantz, Cicer arietinum L. e Triticum aestivum L. Tali specie sono state scelte al fine di rappresentare famiglie botaniche differenti e diverse destinazioni d’uso, comprendenti sia filiere alimentari che non alimentari, al fine di fornire una valutazione completa della fertilizzazione solforica. Le caratteristiche delle colture sono state valutate attraverso la misura della produzione di sostanza secca e la sua distribuzione tra i vari organi, la determinazione della resa e delle sue componenti, con particolare attenzione all’efficienza della fertilizzazione e i processi di formazione della resa. In aggiunta alle valutazioni agronomiche, le implicazioni ambientali della fertilizzazione solforica sono state valutate tramite metodologia del Life Cycle Assessment consequenziale, sui casi studio di camelina e cece.
Riguardo alla struttura del presente elaborato, il Capitolo 1 presenta un quadro generale sulla valorizzazione dei flussi di scarto nel contesto dell’economia circolare. Viene quindi illustrato lo stato dell’arte relativo alla dinamica dello zolfo negli agroecosistemi, con particolare riferimento al suo ciclo biogeochimico, al ruolo nel metabolismo vegetale e alla gestione agronomica della fertilizzazione. L’ultima parte dell’introduzione è dedicata alla descrizione della metodologia LCA ed al relativo approccio modellistico. L’introduzione è seguita dal Capitolo 2, nel quale sono illustrati gli obiettivi specifici della ricerca e l’approccio seguito, articolato nelle fasi di formulazione del fertilizzante, sperimentazione agronomica e valutazione ambientale. Il successivo Capitolo 3, presenta i risultati delle attività sperimentali relative allo sviluppo del fertilizzante granulare a partire da gesso chimico di scarto ed al passaggio dalla scala pilota a quella industriale. Il Capitolo 4, presenta la risposta della camelina (var. ‘Calena’) a differenti strategie di fertilizzazione azotata e solforica. Le strategie di fertilizzazione innovative prevedevano il medesimo apporto di azoto e tre differenti livelli di zolfo, a confronto sia con un controllo non fertilizzato che alla gestione ordinaria, basata esclusivamente sulla distribuzione di azoto. I risultati hanno evidenziato come l’applicazione combinata di azoto e zolfo a un livello intermedio (60 kg N ha⁻¹ + 40 kg S ha⁻¹) abbia permesso di incrementare significativamente la produttività della camelina rispetto alla strategia di fertilizzazione convenzionale, migliorando l’efficienza d’uso del fertilizzante azotato e senza effetti negativi sulla qualità dei semi. I risultati dell’LCA, comprensivi della valutazione delle emissioni associate al cambio indiretto di uso del suolo (iLUC), hanno evidenziato una riduzione degli impatti ambientali rispetto alla fertilizzazione convenzionale, sottolineando il potenziale di apporti moderati di zolfo nel migliorare simultaneamente la produttività e la sostenibilità della coltivazione di camelina. Il Capitolo 5, valuta le prestazioni agronomiche e ambientali di due varietà commerciali di cece (‘Pascià’ e ‘Reale’) in ambiente Mediterraneo, sottoposte a differenti dosi di zolfo (pari a 30 e 60 kg S ha⁻¹). L’applicazione di una dose moderata di zolfo ha determinato un incremento significativo della produzione di seme e di biomassa rispetto al controllo non fertilizzato, principalmente attraverso un aumento del numero di baccelli, mentre l’applicazione di dosi più elevate non ha apportato ulteriori benefici. I risultati della LCA hanno evidenziato come l’incremento di produttività seguito alla fertilizzazione solforica, sia accompagnato da una riduzione degli impatti ambientali in tutte le categorie considerate, sottolineando il ruolo dell’ottimizzazione degli apporti di zolfo nel migliorare l’efficienza della produzione di cece. Il Capitolo 6, presenta i risultati di una sperimentazione condotta a livello di mesocosmo su frumento tenero (var. ‘Bologna’), nella quale sono stati testati due livelli di azoto (pari a 150 e 112 kg N ha⁻¹), con e senza applicazione di zolfo (alla dose di 30 kg S ha⁻¹), a confronto con un controllo non fertilizzato. Nonostante il fabbisogno relativamente contenuto di zolfo del frumento, la sua distribuzione ha determinato un incremento sia della resa in granella sia dell’efficienza d’uso del fertilizzante azotato. L’analisi delle componenti della resa ha evidenziato un effetto positivo dello zolfo sui tratti relativi alla fertilità della spiga, principalmente attraverso un aumento del numero di cariossidi. Il miglioramento della fertilità dei fiori posti distalmente sulla spighetta suggerisce che lo zolfo possa esercitare effetti fisiologici analoghi a quelli descritti in letteratura per l’azotata.
Nel complesso, la ricerca ha adottato un approccio sistemico, analizzando un caso studio reale nel quale lo zolfo è stato recuperato da flussi industriali di scarto e trasformato in un fertilizzante granulare disponibile sul mercato. L’impiego di tecnologie pienamente operative e scalabili dimostra che l’implementazione della fertilizzazione solforica possa essere già impiegato a livello commerciale, contribuendo al miglioramento della sostenibilità complessiva dei sistemi colturali.
L’autore auspica che questo lavoro possa contribuire ad ampliare le conoscenze attuali sui fattori nutrizionali che limitano le prestazioni delle colture e promuovere una visione più ampia delle interconnessioni tra le diverse componenti dei sistemi di produzione agricola.