Chimica e fertilità del suolo

Indice:

1. Composizione del suolo in tre frasi: Solida, Liquida e

gassosa

2. Biologia del suolo: Macro e meso-fauna Biomassa microbica

Attività enzimatiche La rizosfera

3. Ritenzione: Scambio cationico e anionico Adsorbimento

speci co Complessazione Adsorbimento molecolare

4. Stato chimico: Reazione(pH),Potere tampone Suoli a pH

anomalo e loro correzione Potenziale redox (Eh) Suoli

sommer

5. Fattori della nutrizione vegetale: Macro- e micro-nutrienti

Forme chimiche e disponibilità Trasformazioni (ciclo dei

nutrienti)

6. Genesi ed evoluzione del suolo: Descrizione del pro lo

pedologico Pedogenesi Classi cazione dei suoli Cartogra a

dei suoli (Seminario)

7. Valutazione e gestione della fertilità del suolo: Analisi del

suolo Analisi della pianta Fertilizzanti: Concimi, ammendanti,

correttivi, biostimolanti

8. Suoli anomali: Suoli acidi Suoli salini Suoli alcalini Suoli

contaminati Pagina 1

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Composizione del suolo in

tre frasi

Il suolo è un sistema multifasico e multicomponente, prodotto

della trasformazione di sostanze minerali e organiche, operata

da fattori ambientali attivi per un lungo periodo di tempo alla

super cie della crosta terrestre, caratterizzato da speci ca

organizzazione e morfologia.

Il suolo si forma all’interfaccia tra litosfera, idrosfera, biosfera e

atmosfera in seguito ad azioni combinate e continue di tipo

sico, chimico e biologico, operate da vari fattori climatici,

biologici e antropici.

Distribuzione percentuale volumetrica dei costituenti del suolo

e formata dal 40/60% dalla frazione minerale, dal 0,1/10%

dalla sostanza organica, dal 10/50% da acqua e dal 0/40% da

aria. Pagina 2

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Un pò di de nizioni:

suolo sistema naturale

1. Il è un derivante da processi di

alterazione chimica, sica e biologica (weathering) a carico

della super cie terrestre (rocce).

2. Il suolo di erisce dalle rocce alterate poiché mostra una

strati cazione verticale (orizzonti) facilmente distinguibile

per colore, composizione e tessitura.

3. Il suolo è un sistema estremamente eterogeneo e

multifasico e multicomponente,

complesso, che genera e

sostiene la vita sul nostro pianeta.

sistema biologico

4. Il suolo è un complesso e diversi cato,

che serve da habitat a milioni di specie e miliardi di singoli

individui che spaziano dai microscopici batteri e funghi no

ai macroscopici lombrichi, formiche e piccoli mammiferi.

sistema

5. Dal punto di vista chimico il suolo è un

biogeochimico, aperto e dinamico, poiché scambia

energia e materia con gli altri comparti ambientali

(atmosfera, litosfera, idrosfera e biosfera).

6. Il suolo è una risorsa non rinnovabile. Pagina 3

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Il sistema suolo

Il suolo, distinto dal materiale roccioso, ospita organismi e

microrganismi, risponde a variazioni ambientali e antropiche, e

si forma attraverso processi che ne alterano la composizione e

le proprietà.

Il suolo, sistema tridimensionale variabile, dipende dalle

condizioni ambientali durante formazione ed evoluzione.

Il suolo è il mezzo di crescita per le piante superiori e quindi la

base della vita per gli animali e per l’uomo.

Il suolo fornisce il sostegno e il nutrimento minerale e idrico alle

piante, permette la conservazione e la trasformazione delle

spoglie vegetali e animali garantendo il mantenimento degli

elementi nutritivi e dell’energia nell’ecosistema: è quindi “nodo

degli equilibri ambientali”.

Il suolo è un fragile componente dell’ambiente. Il suo utilizzo

per la produzione vegetale e per lo smaltimento di residui deve

essere tale da minimizzare gli e etti negativi di tali attività e

conservarlo per le generazioni future. Pagina 4

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Le funzioni del Suolo

ECOLOGICHE SOCIO-ECONOMICHE

Produzione di biomassa • Produzione agraria

(cibo, foraggi, energie • Supporto agli insediamenti

rinnovabili e materie prime) umani (case, industrie,

• Capacità di ltrare, infrastrutture e ricreazione) e

tamponare e trasformare allo smaltimento dei ri uti

(protezione delle falde, • Fonte di materiali, incluse le

delle catene alimentari, acque

della biodiversità) • Protezione e conservazione

• Difesa del patrimonio del patrimonio culturale,

biologico e protezione di paleontologico e archeologico

ora e fauna

Il limite superiore del suolo coincide con la super cie terrestre.

Il margine inferiore raggiunge la profondità interessata dai

processi di alterazione e/o esplorata dalle radici delle piante

superiori In genere, il margine inferiore non risulta esattamente

individuabile, fatta eccezione per i suoli di montagna dove la

roccia può essere super ciale. Pagina 5

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Il degrado del Suolo

Il degrado del suolo è causato da diversi fattori, tra cui l’uso e

la gestione non sostenibili del territorio, nonché da eventi

climatici estremi che derivano da una complessa interazione di

fattori sociali, economici e politici.

I principali fattori che contribuiscono al degrado del suolo sono

l’erosione, la perdita di sostanza organica, la compattazione, la

salinizzazione, l’acidi cazione, l’inquinamento chimico e

l’impermeabilizzazione. Questi fattori rappresentano minacce

signi cative per la salute e la fertilità del suolo. Pagina 6

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I componenti del Suolo

La fase solida è caratterizzata dalla presenza di componenti

inorganici (valore medio 45%), come frammenti di rocce,

minerali primari e secondari, e materiali amor . Contiene

anche componenti organici (valore medio 5-7%), tra cui residui

vegetali e animali più o meno decomposti, biomassa microbica

e sostanze umiche di neogenesi.

La fase liquida è costituita dall’acqua, che contiene sostanze

inorganiche e organiche disciolte o disperse, in sospensione, e

colloidi di varia natura (valore medio 10-40%).

La fase gassosa è una miscela di gas e vapori, con una

composizione simile a quella dell’aria atmosferica, ma con un

contenuto

maggiore di

vapore d’acqua e

anidride

carbonica. Pagina 7

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Minerali e rocce

Per comprendere i processi di formazione del suolo (de niti da

numerose e complesse reazioni di trasformazione dei materiali

litici esposti all’azione di agenti atmosferici e biologici) risulta

importante conoscere i caratteri e la composizione della

litosfera.

Le rocce sono aggregati di uno o più minerali che si trovano

generalmente allo stato cristallino.

I minerali sono sostanze inorganiche presenti nella litosfera. Si

distinguono per la composizione chimica costante o variabile

entro limiti precisi, proprietà siche speci che e una peculiare

struttura cristallina. Questa struttura cristallina è caratterizzata

da una disposizione ordinata, tridimensionale di atomi, ioni o

molecole.

Minerali primari: si formano durante la solidi cazione delle

masse magmatiche.

Minerali secondari: si originano in seguito a precipitazione e

(ri)-cristallizzazione, successiva ai processi di alterazione di

quelli primari. Pagina 8

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Le Rocce

Caratterizzate dalla presenza di minerali dello stesso tipo o, più

frequentemente, di tipo diverso, si formano in ambienti

geologici di erenti.

La classi cazione in base all’origine

Le rocce ignee si formano dal ra reddamento e dal

consolidamento di masse litiche completamente o

parzialmente fuse. Le rocce sedimentarie, invece, sono

costituite da depositi di materiali più o meno alterati derivati da

rocce preesistenti. Le rocce metamor che si originano dalla

trasformazione di rocce ignee e sedimentarie a causa di

cambiamenti nelle condizioni sico-chimiche (temperatura e

pressione) diverse da quelle dell’ambiente in cui si sono

formate.

Le rocce ignee e

metamor che

costituiscono oltre

il 95% della crosta

terrestre, ma

coprono solo il

25% della sua

super cie. Al

contrario, le rocce

sedimentarie

rappresentano

meno del 5% della

crosta, ma sono

presenti sul 75% della super cie terrestre. Pagina 9

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Dinamica di formazione

Le rocce ignee, formatesi a profondità considerevoli, possono

emergere in super cie a causa di sollevamento, alterazione ed

erosione. I prodotti dell’erosione, trasportati, mescolati con

materiali diversi, depositati e diagenizzati, danno origine alle

rocce sedimentarie. In ambienti caratterizzati da temperature e

pressioni elevate, le rocce preesistenti subiscono

metamor smo e ultrametamor smo, generando rocce

metamor che o rocce eruttive plutoniche secondarie.

Le rocce

sedimentarie e

metamor che, che

derivano tutte dalle

rocce ignee,

possono essere

soggette a diversi

processi, tra cui

erosione e

deposizione,

deformazione e

ricristallizzazione

(che portano alla

formazione di rocce

metamor che) e fusione parziale. Pagina 10

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Le rocce ignee

Sono il risultato del ra reddamento e della solidi cazione di

masse fuse, anche parzialmente, ad alta temperatura. Le rocce

ignee si dividono in due categorie principali: intrusive ed

e usive. Le rocce ignee intrusive si formano quando il magma

si ra redda e si solidi ca in profondità all’interno della crosta

terrestre. Al contrario, le rocce ignee e usive si formano

quando il magma raggiunge la super cie e si ra redda

rapidamente, dando origine alle lave.

Il granito è un esempio di roccia ignea intrusiva, mentre la

riolite è un esempio di roccia ignea e usiva. Le specie minerali

presenti in queste rocce sono relativamente limitate. Circa il

90% delle rocce ignee è composto da silicati, mentre il restante

7% è costituito da magnetite, apatiti e altri minerali accessori.

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Rocce sedimentarie

Sono il risultato dei processi di alterazione, erosione, trasporto

e accumulo di sedimenti sulla super cie terrestre da parte di

agenti esogeni come

acqua, vento e ghiaccio.

Una caratteristica

distintiva è la

strati cazione. Si

dividono in due categorie

principali:

Rocce clastiche: si

•

formano dall’accumulo di

frammenti derivanti dalla

disgregazione di rocce

preesistenti.

Rocce chimiche: si

•

formano dalla

precipitazione di sali

minerali dall’acqua,

come ad esempio il

Carbonato di Calcio. Pagina 12

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Rocce metamor che

Sono il prodotto di trasformazioni siche e chimiche in rocce

preesistenti, causate da variazioni di pressione o temperatura

che destabilizzano i minerali. Questi processi portano alla

formazione di nuove associazioni mineralogiche e

caratteristiche strutturali.

Questi cambiamenti ambientali coinvolgono sia la struttura

mineralogica che la composizione chimica della roccia. Pagina 13

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Gli ossidi e gli idrossidi

A seguito della alterazione chimica della roccia, si liberano in

soluzione metalli alcalini e alcalino terrosi (come K , Mg , Na

+ 2+ +

e Ca ), che vengono quasi sempre allontanati a causa della

2+

loro elevata solubilità. Silice, allumina, ferro e manganese,

invece, evolvono verso forme di ossidi/idrossidi insolubili,

amorfe o cristalline, che ne riducono le perdite per lisciviazione.

Questi elementi in uenzano i processi di aggregazione,

cementazione, occulazione, la de nizione della carica

super ciale delle particelle colloidali e la reazione del suolo.

Evoluzione: Strutture minerali -> forme ioniche ->forme amorfe

->forme cristalline. Pagina 14

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I minerali

Dal punto di vista chimico, i minerali si distinguono in silicati e

non silicati (tra cui carbonati, solfati, alogenuri, fosfati, ossidi e

solfuri). Sono organizzati in strutture ioniche, dove il catione

centrale lega un numero di anioni (numero di coordinazione)

che dipende dal rapporto dei raggi degli ioni coinvolti. Nella

maggior parte delle entità cristalline, i diversi tipi di legame non

sono nettamente separati. Generalmente, gli elementi presenti

sono tenuti insieme da legami in parte ionici e in parte

covalenti.

Cristallo, Reticolo Cristallino, Cella

Elementare

Un cristallo è una struttura in cui un insieme di ioni, atomi o

molecole è disposto in sequenze ripetitive ordinate,

caratterizzate da distanze sse (a, b, c) e angolature sse (α, β,

γ) lungo le tre direzioni dello spazio, formando un reticolo

cristallino. Questa struttura cristallina deriva dalla ripetizione,

lungo le tre direzioni dello spazio, di un modulo di base ideale

chiamato “cella elementare” o “cella unitaria”. La cella

elementare è la più piccola parte di un reticolo cristallino che

contiene tutte le informazioni sulla disposizione degli ioni nel

reticolo stesso, che si ripete innumerevoli volte nelle tre

direzioni dello spazio. La cella elementare è fondamentale per

determinare la formula chimico-mineralogica di qualsiasi

composto cristallino. Pagina 15

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Il Legame Chimico

Il legame ionico implica il trasferimento di uno o più elettroni da

un atomo all’altro, con conseguente interazione tra le specie

ioniche di carica opposta formatesi. Questi ioni mantengono le

loro con gurazioni elettroniche indipendentemente dalla

struttura e dalla composizione chimica del minerale.

Il legame covalente, invece, comporta la condivisione di

strutture elettroniche esterne tra atomi neutri coinvolti nel

legame. Questo porta alla perdita di identità elettronica e a una

fusione più coerente delle strutture atomiche, con conseguenti

legami generalmente più forti rispetto al legame ionico.

I legami chimici presenti nelle strutture minerali presentano un

carattere misto ionico-covalente, con una prevalenza generale

del carattere ionico. A di erenza del legame covalente, i legami

minerali non presentano la rigidità tipica di quest’ultimo.

Il legame Si-O è quasi equamente ripartito tra legame ionico e

covalente, mentre il legame Al-O è per circa il 40% covalente e

per circa il 60% ionico.

Immaginando gli ioni come sfere rigide, la disposizione di

anioni e cationi in una struttura cristallina articolare segue una

geometria speci ca e raggiunge la stabilità elettronica. Va

notato che il modello ionico è una sempli cazione, poiché gli

atomi nei cristalli sono solo parzialmente ionizzati e alcuni

elettroni sono condivisi. Le distanze tra cationi e anioni

associati variano entro certi limiti, a seconda del numero di

coordinazione e di altri fattori strutturali. Pagina 16

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La carica ionica ed il raggio ionico nei

minerali

La carica ionica, o valenza, è il rapporto tra la carica elettrica di

uno ione e quella di un protone. Il raggio ionico si riferisce alle

dimensioni di uno ione. Il raggio dell’anione ossigeno è

considerato costante e pari a 0,140 nm in tutte le specie

minerali. Al contrario, il raggio dei cationi non è sso e varia. La

somma dei raggi del catione e dell’anione rappresenta la

distanza interatomica tra i due ioni. Pagina 17

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Sostituzione Isomorfa

L’isomor smo, o sostituzione isomorfa, è un fenomeno in cui

un catione centrale all’interno dell’unità strutturale di un

minerale viene sostituito da un altro catione con dimensioni

simili, compatibili con lo spazio disponibile, e carica uguale o

diversa (la carica non in uisce sul fenomeno). Questo processo

può veri carsi durante la cristallizzazione del minerale ed è

in uenzato dalle condizioni speci che al momento della

cristallizzazione. Se la sostituzione avviene con cationi di carica

uguale, il minerale mantiene la neutralità elettrica. Tuttavia, se

la carica di erisce, si crea uno squilibrio di carica. La carica

negativa in eccesso, tipicamente derivante da questi fenomeni,

viene neutralizzata dall’adsorbimento sulla super cie, in forma

scambiabile, di altri cationi, come K+, Na+, Mg2+ e Ca2+.

Nei llosilicati del suolo, le principali sostituzioni isomorfe

coinvolgono gli ioni Mg2+, Fe2+ e Fe3+ che sostituiscono

l’Al3+ nelle unità ottaedriche, e l’Al3+ che sostituisce il Si4+

nelle unità tetraedriche. Pagina 18

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Silicati

Sorosilicati:

I sorosilicati si formano dalla polimerizzazione di

due unità [Si2O7 6-], creando un legame Si-O-Si.

Sono generalmente molto resistenti, ma i

tetraedri in cui Al3+ sostituisce Si4+ sono meno

stabili. Il gruppo dei sorosilicati comprende

minerali come emimor te, gehlenite e

akermanite. Pagina 19

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Ciclosilicati:

I ciclosilicati, come [Si3O9 6-], [Si4O12 8-]n e [Si6O18 12-]n,

presentano una struttura cristallina caratterizzata da una

regolare sovrapposizione di anelli esagonali. Ogni anello è

composto da sei unità tetraedriche, ognuna delle quali

condivide due ioni ossigeno basali con le altre due. Le colonne

esagonali sono tenute insieme da cationi diversi. Gli anelli

formati dalla polimerizzazione di tre o quattro tetraedri sono

meno comuni. Il berillo [Be3Al2Si6O18] e la tormalina

[(Na,Ca)3(Li,Al)6(Fe,Mn,Al)3(BO3)(Si6O18)] sono esempi di

ciclosilicati. Questi minerali sono relativamente resistenti ai

meccanismi di decomposizione e tendono a

accumularsi nelle rocce secondarie.

Gli inosilicati, noti anche come silicati a

catena singola, comprendono i pirosseni e gli

an boli. I pirosseni presentano unità strutturali

allineate nella stessa direzione e disposte in

catene singole di lunghezza inde nita. I

cationi Mg2+, Fe2+ e Ca2+ neutralizzano le

cariche negative residue, mentre l’Al3+ può

parzialmente sostituire questi cationi. I

pirosseni si trovano comunemente nelle rocce

ignee.

Gli an boli, invece, h