Appunti di Gestione Ecocompatibile dei Suoli prof.ssa Loffredo

Gestione ecocompatibile dei suoli

Il suolo

Si definisce suolo la copertura superficiale della crosta terrestre originatasi in seguito alla pedogenesi. L’ecosistema, il suolo, è una risorsa multifunzionale ed è basilare per le produzioni alimentari, la biodiversità, il paesaggio e gli equilibri ambientali, in quanto scambia componenti con aria e acqua. È una formazione naturale che si origina dall’interazione fra litosfera, idrosfera, atmosfera e biosfera ed evolve con un processo continuo e dinamico che avviene in determinate condizioni climatiche. Gran parte dei suoli è gestita dall’agricoltura: se è vero che il suolo è “maltrattato” dalla pratica agricola, è anche vero che l’agricoltura protegge il suolo che, se abbandonato, andrebbe incontro a processi di degrado. L’agricoltura, se applicata con giusti criteri e nel rispetto dell’ambiente, può aiutare il suolo.

Lo sviluppo del territorio rurale e la gestione del suolo devono avvenire in una prospettiva di sostenibilità, secondo quanto disposto dall’UE. La sostenibilità è riferita a diversi aspetti: economico, ambientale, sociale, culturale (mantenimento di tradizioni). Del suolo si devono salvaguardare la fertilità e le funzioni. Il suolo è un sistema biogeochimico aperto, che scambia materia ed energia con gli altri comparti ambientali (idrosfera, atmosfera e biosfera). È multifasico in quanto costituito da più fasi:

• Solida (40-60% componente minerale, 0,1-10% componente organica)
• Liquida (20-50%)
• Gassosa (10-15%)

Fattori e processi della pedogenesi

La pedogenesi è quella serie di processi continui che portano alla formazione del suolo. In essa vanno distinte due fasi: iniziale e avanzata. Prima della comparsa della so sulla Terra si è avuta una lunga fase iniziale con l’intervento dei soli processi fisici e chimici. Dopo la comparsa della SO, grazie a enzimi e catalizzatori, la velocità della pedogenesi è aumentata, in quanto si sono aggiunti processi biologici.

I fattori che influenzano la pedogenesi sono:

• Matrice litologica (roccia madre); è il materiale minerale da cui il suolo nasce e può essere silicica o ferrica, acida, basica, ecc;
• Clima, temperatura, piovosità, ecc;
• Rilievo (topografia e geomorfologia), ossia altitudine, latitudine, esposizione, giacitura e pendenza;
• Agenti biotici, quindi flora, fauna, microflora e microfauna sulla roccia madre e prodotti della loro attività come essudati, ecc;
• Tempo, in quanto a parità di altri fattori, nel tempo il suolo cambia;
• Interventi antropici, ossia l’uomo, distinto dagli altri agenti biotici (es. irrigazione).

I processi della pedogenesi sono fisici, chimici e biologici e possono distinguersi in due grandi categorie: processi di disgregazione, fisico-meccanici, che portano alla disgregazione della superficie specifica, ma non alla formazione di suolo; processi di decomposizione, chimico-biologici, che portano alla formazione del suolo vero e proprio. Si tratta di processi sinergici (si potenziano a vicenda) e tutti concorrono dinamicamente e in modo interdipendente alla formazione del suolo.

I processi di disgregazione sono dovuti a:

• Azione dell’energia solare; sotto l’azione dei raggi solari, i diversi minerali costituenti la roccia si dilatano e contraggono in modo diverso (secondo coefficienti diversi). La roccia quindi molto lentamente, nel corso degli anni, si disgrega e si frantuma (termoclastismo);
• Azione dell’acqua; sotto l’azione dell’acqua battente (piogge), la roccia si disgrega lentamente. Inoltre l’acqua corrente (di fiumi e torrenti), attraversa la roccia compatta, la corrode e la disgrega; gelo e disgelo, l’acqua nelle fessure delle rocce che, a causa delle basse temperature, ghiaccia e aumenta il proprio volume esercitando una pressione che spacca le rocce stesse (crioclastismo);
• Azione del vento; esso, trasportando materiali finissimi nel suo moto, urta contro le rocce, provocandone la lenta disgregazione nel corso di centinaia di anni;
• Attività biotiche; quando la roccia viene attaccata da licheni, batteri, radici di piante, animali terricoli, subisce un effetto fisico meccanico di disgregazione.

Altri eventi che possono causare disgregazione sono le catastrofi come sismi, fulmini, ecc.

La roccia frantumata costituisce il regolite (eluvium), quindi non il suolo vero e proprio, che si otterrà invece coi processi di decomposizione. Questi sono dovuti a:

• Idratazione e disidratazione; l’acqua idrata alcuni minerali della roccia trasformandoli in altri composti (es. anidrite e gesso);
• Idrolisi; i sali (minerali e rocce), formati da un acido debole e una base forte o viceversa, si idrolizzano sotto l’azione dell’acqua decomponendosi e fornendo prodotti diversi;
• Solubilizzazione; l’acqua scioglie i minerali delle rocce e li porta allo stato liquido di soluzione;
• Ossidazione; l’O atmosferico reagisce coi minerali delle rocce e li ossida (es. trasforma i solfuri in solfati);
• Carbonatazione; azione della CO atmosferica, che nelle acque piovane si scioglie e diventa acido carbonico che, cadendo sulle rocce, le corrode, trasformando i minerali in carbonati; se in una roccia sitrovano Fe o Al, l’acido carbonico tende a trasformarli in carbonati di Fe e di Al;
• Chelazione;
• Scambio ionico.

Ciclo organico della pedogenesi

Gli organismi viventi influiscono sulla formazione del suolo, non solo con attività fisico-meccanica dovuta alla locomozione, ma anche con il rilascio di essudati e metaboliti vari che contribuiscono ai processi di decomposizione della roccia madre. Gli aspetti salienti del ciclo organico della pedogenesi sono:

• Il rilascio di catalizzatori organici (enzimi) accelera le reazioni;
• Modificazione della relazione suolo-acqua dovuta agli organismi viventi (es. una pianta assorbe H₂O dal terreno o che la rilascia facendo cadere al suolo una foglia; se una foglia caduta viene trasportata dal vento o un animale beve a una fonte e muore in un altro luogo si ha trasferimento di acqua);
• Omogeneizzazione delle proprietà fisiche e chimiche di substrati diversi. Gli organismi viventi e la so non fanno altro che rimescolare, decomporre e omogeneizzare le caratteristiche del suolo;
• Apporto di N e C; l’N proviene da microrganismi N-fissatori (batteri o alghe); il C proviene da qualsiasi organismo fotosintetizzante (Carbon sequestration, effetto opposto all’effetto serra nell’atmosfera da parte delle piante);
• Essudati rilasciati dagli organismi viventi (batterici e fungini, pre-morte e post-morte); sono sostanze chelanti ma anche piccole molecole organiche con proprietà riducenti e ossidanti. Per lo più sono acidi (acetico, propionico, citrico, malico, ecc.) e quindi acidificanti; da parte dell’acqua.
• Traslocazione di elementi in senso opposto alla naturale lisciviazione. Le piante assorbono l’acqua, invertendone il percorso. Quindi, grazie agli organismi viventi, i nutrienti vengono mantenuti in superficie.

I suddetti processi accelerano la trasformazione della roccia madre.

Costituenti minerali del suolo (silicati e non silicati)

I costituenti minerali si distinguono in:

• Primari, derivati dalla solidificazione del magma (quarzo, feldspati, anfiboli, pirosseni e olivina);
• Secondari, formatisi dalla disgregazione e decomposizione dei primari (fillosilicati: caoliniti, smectiti, vermiculiti, cloriti, ecc.).

I minerali si distinguono ulteriormente in cristallini e amorfi (allofane). Le principali classi dei minerali nel suolo sono:

• Silicati (costituiti da Si e O);
• Ossidi, idrossidi e ossidrossidi (di Fe, Al, Mn, Ti);
• Carbonati (di Ca, Mg, o doppi di Ca e Mg, di Zn, Fe, ecc.);
• Solfati (di Ca ossia anidrite e gesso, di Fe, Zn, K);
• Alogenuri (fluoruri, cloruri, ioduri);
• Fosfati;
• Solfuri (Fe, Ca, Mn).

Silicati e non silicati

• Silicati:
  • Ossido di Silicio (SiO₂ = quarzo);
  • Feldspati (ortoclasio, albite, anortite);
  • Feldspatoidi;
  • Pirosseni e anfiboli;
  • Fillosilicati (Miche, Muscovite, Biotite, Minerali argillosi);
  • Olivine.
• Non silicati:
  • Ossidi di Al (Gibbsite, Boehmite);
  • Ossidi di Fe (Ematite, Goethite);
  • Ossidi di Mn;
  • Ossidi di Ti;
  • Carbonati (Calcite, Dolomite);
  • Fosfati (Fluoropatite, Voiscite, Strangite);
  • Solfuri (Pirite);
  • Solfati (Gesso e Anidrite);
  • Salgemma (NaCl).

Sostanza organica

La sostanza organica, dal punto di vista agronomico, è protagonista nella fertilità del suolo. È anche essenziale per l’interazione tra i componenti del suolo, sia naturali che di origine antropica (agrofarmaci, PCB, molecole derivanti dall’attività urbana, pesticidi, ecc.). La so nel suolo ha diverse origini; deriva da organismi viventi (batteri, alghe, funghi, piante superiori, macro-, meso- e micro-fauna). In particolar modo deriva da piante con attività fotosintetica. Nel ciclo del C che avviene nel suolo, la so viene trasformata continuamente dai microrganismi, in parte in H₂O e CO₂ e in parte in molecole stabili. Col tempo tutta la so viene ridotta a CO₂ e H₂O e la prima ritorna nell’aria.

La carbon sequestration, ossia l’assorbimento del C da parte delle piante, permette di conservare nel suolo una grande quantità dell’elemento. Con clima temperato-fresco, il processo di fissazione è più intenso, mentre quello di decomposizione è più lento. Più è alta la temperatura, più intensa è l’attività di decomposizione microbica della so, con maggior rilascio di CO₂ (es. le zone desertiche sono tali perché la poca so rimasta viene facilmente decomposta, mineralizzata e asportata).

La so del suolo non deriva soltanto dai vegetali (secrezioni radicali come mucillagini e mucigel, spoglie radicali, foglie e residui dell’apparato aereo), ma anche dagli animali (deiezioni e residui post-mortem) e dai microrganismi (prodotti extra-cellulari). L’insieme degli apporti di so che arrivano al suolo, si dice Sostanza Organica fresca. La so fresca che giunge al suolo, non è stabile ma è soggetta a trasformazioni, per lo più di tipo chimico e biologico che avvengono ad opera dell’attività dei microrganismi.

L’attacco della so avviene per stadi, di durata sempre maggiore, partendo dalle sostanze più semplici (zuccheri semplici) per cui occorrono ore, passando per cellulose e emicellulose per cui possono servire settimane, fino alle cere, la lignina e le resine (sostanze più complesse e meno gradite dai microrganismi) per cui possono volerci anche mesi.

Dall’attacco dei microrganismi in ognuno dei tre stadi, si generano tre tipi di prodotti:

• Gran parte della so viene mineralizzata. Si produce cioè CO₂, H₂O, N, composti semplici e volatili;
• Una seconda parte viene somatizzata dai microrganismi per la propria crescita e il proprio sviluppo;
• Una terza parte non viene utilizzata ed è la parte più resistente.

I processi a cui va incontro la so nel suolo sono:

• Mineralizzazione, ossia un’ossidazione spinta fino all’estremo, con liberazione di H₂O e CO₂. In pratica la so viene trasformata in minerale;
• Umificazione; partendo da so in via di decomposizione o parzialmente decomposta, con un processo di resintesi dovuto a microrganismi, si producono le sostanze umiche (SO secondaria, ottenuta per disgregazione e decomposizione della so primaria); l’umificazione è il processo che viene “copiato” nel compostaggio;
• Fermentazione; decomposizione in ambiente anaerobico;
• Carbonificazione. Si usa nella produzione di Biochar e digestati, in condizioni anaerobiche.

Costituenti organici del suolo (sostanze non umiche e sostanze umiche)

La sostanza organica del suolo è composta da sostanze non umiche e sostanze umiche.

Le sostanze non umiche sono una classe di so che comprende costituenti con struttura chimica ben definita. Si tratta di tutti quei composti studiati nella chimica organica:

• Carboidrati (5-25%); poli, oligo e monosaccaridi, acidi uronici; hanno origine dagli organismi viventi;
• Composti azotati (14-45%); amminoacidi, proteine, amminozuccheri, urea, vitamine;
• Lipidi (2-20%); trigliceridi, cere, steroli, terpeni, idrocarburi, acidi grassi, acidi fenolici, polifenoli;
• Composti fosforati (1-3%); fosfolipidi, fosfoproteine, fosfoglucidi, nucleotidi;
• Composti solforati (0,5-3%), ossia polisaccaridi solforati, esteri s., solfolipidi, amminoacidi s..

Le sostanze umiche non hanno una struttura chimica ben definita (uguale nello spazio e nel tempo) ma sono costituite comunque da unità strutturali monomeriche, aromatiche, fenoliche, chinoniche, eterocicliche, unite fra loro con ponti O, S e N e portanti sulla superficie catene laterali. Sono giallo-bruno o nere; hanno PM elevato e notevole complessità strutturale, natura polidispersa e polielettrolita. Costituiscono il 60-70% della so del suolo e il 40-60% della so disciolta in H₂O. Si trovano nella frazione argillosa del suolo (diametro < 2 micron). La fase argillosa è la più importante nella fertilità del suolo. In essa avvengono i principali processi che garantiscono la perpetuazione della vita nel suolo (decomposizione SO, fissazione N, scambio cationico, adsorbimento anionico, decomposizione degli agrofarmaci, ecc.).

Le sostanze umiche, essendo la fase più stabile della so, ossia resistenti agli attacchi di tipo fisico, chimico e biologico, sono la parte più rilevante per la fertilità. Interagiscono con tutte le molecole organiche del suolo e con tutti i componenti inorganici di esso. Pertanto per migliorare la fertilità si deve puntare a conservare o aumentare le sostanze umiche nel suolo. Si originano dai prodotti di degradazione dei residui di piante, animali e microrganismi, attraverso reazioni di resintesi (ricombinazione), di natura chimica o operate dai microrganismi.

Esistono varie teorie sulla formazione delle sostanze umiche. In ogni caso la lignina ha un ruolo di primo piano grazie alla sua natura fenolica. Al nucleo aromatico proveniente dalla lignina, si condensano residui derivanti da proteine, zuccheri, lipidi e acidi nucleici. Infatti le sostanze umiche portano catene laterali lipidiche, proteiche, ecc. e devono la loro lunga vita alla frazione aromatica (anelli aromatici interni). Solo i funghi, mediante enzimi ligninolitici (Mn-perossidasi, laccasi e lignino-perossidasi), sono in grado di decomporre la lignina. I batteri non sono in grado di attaccarla. Per la decomposizione del nucleo (più stabile), rappresentato da anelli fenolici, chinonici ed eterociclici, non sono infatti adeguati gli enzimi endocellulari batterici. I funghi si estendono sul substrato espellendo gli enzimi extracellulari.

Le sostanze umiche si suddividono in acidi umici (scuri, insolubili a pH acido e a PM maggiore quindi più grossi) e acidi fulvici (color fulvo, solubili a qualsiasi valore di pH, PM minore). Da un punto di vista funzionale:

• Gli acidi umici sono insolubili e fungono quindi da agente di sequestro, di immobilizzazione per metalli pesanti, pesticidi, ecc.
• Gli acidi fulvici, essendo solubili e molto più mobili, permettono lo spostamento delle sostanze nel suolo e rappresentano un veicolo per esse. Legano sulla propria superficie pesticidi, metalli pesanti, ecc. allontanandoli o comunque mobilitandoli (quindi la pianta ha facile accesso ad essi).

La caratteristica principale delle sostanze umiche è rappresentata dalla presenza di gruppi funzionali, soprattutto carbossilici, ossidrili alcolici e fenolici, gruppi aldeidici, chetonici, tanninici. Tali gruppi conferiscono proprietà acide alle molecole umiche, pertanto si parla di acidi umici. Poiché le sostanze umiche non hanno struttura ben definita, per definirle si considerano alcune proprietà e si studiano dopo un processo di estrazione, frazionamento e purificazione. Nel suolo, infatti, queste sostanze non sono separate dalle altre componenti ma sono legate a frazione minerale (colloidi minerali, cationi inorganici nella fase liquida), sostanze non umiche e componente xenobiotica. L’isolamento delle sostanze umiche dal suolo o da altre matrici, consiste in una solubilizzazione di tutta la so in un mezzo alcalino (solitamente NaOH 0,1 M), seguita da una precipitazione in ambiente fortemente acido, centrifugazione e ripetuti lavaggi. La frazione che precipita a pH acido è costituita da acidi umici. Vi è una frazione organica, che non viene separata da quella inorganica perché è fortemente legata alla frazione minerale o inorganica.

Ricapitolando, le principali caratteristiche delle sostanze umiche sono:

• Natura polidispersa di tipo colloidale;
• Carattere di polielettrolita, con più siti carichi sulla macromolecola (siti a carica + dai gruppi amminici; siti a carica - OH^- e COO^-). La carica netta è negativa; hanno altissima capacità di scambio cationico;
• Surface activity;
• Elevato contenuto di gruppi funzionali acidi;
• Capacità complessante; le sostanze umiche possono legare i metalli infatti hanno diversi gruppi con proprietà di ligando (es. gruppi funzionali contenenti ossigeno); in questo caso non c’è bisogno di carica perché ad esempio anche un gruppo aldeidico (o chetonico) ha una parziale carica negativa (essendo più elettronegativo del C) che attrae il metallo;
• Carica di radicali liberi; ciò rende le sostanze umiche molto reattive perché resta un e^- spaiato che conferisce forte reattività;
• Molti siti idrofilici e quindi elevata ritenzione idrica;