Chimica del suolo

Chimica del suolo

Fulvia Tambone

Di.S.A.A. - Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Produzione, Territorio, Energia

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Introduzione

• Studio dell'evoluzione della sostanza organica nel suolo
• Studio dei processi di umificazione in suoli secondo il meccanismo pianta humus
• Caratteristiche chimiche della sostanza organica a mezzo di tecniche analitiche spettroscopiche (IR-NMR, ¹³C CPMAS NMR) e cromatografiche (HPLC-SEC-pesi molecolari)
• Recupero di biomasse in agricoltura in seguito a processi di biotrasformazione biologica in condizioni aerobiche ed anaerobiche (compost, fanghi, digestati) e per la produzione di agroenergie e fertilizzanti rinnovabili
• Evoluzione dei suoli in ambienti estremi (Artico, sub-desertico)
• Studi in ambito forense

Il suolo è una delle risorse di cui l'uomo dispone caratterizzata da grande valore ma da estrema fragilità. (Relazione Commissione del Parlamento Europeo del 13.02.2012)

Il suolo è un complesso sistema fisico, chimico e biologico il cui funzionamento è spesso compromesso da usi impropri. Solo la comprensione dei processi che avvengono nel suolo e le loro interazioni con gli altri ecosistemi può consentire l'uso appropriato di questa risorsa naturale.

Cause del degrado del suolo in Europa

• Erosione
• Diminuzione della sostanza organica
• Compattazione
• Salinizzazione
• Frane e alluvioni
• Perdita di biodiversità
• Contaminazione
• Impermeabilizzazione

Proposta di una legge quadro per la protezione e la gestione sostenibile del suolo

Recepimento della direttiva europea "Strategia Tematica per la Protezione del Suolo" (2006)

Land degradation e desertificazione

“Desertification is land degradation in arid, semi-arid and dry-subhumid areas resulting from various factors, including climatic variations and human activities” (convenzione delle Nazioni Unite per la lotta alla desertificazione – UNCCD "UN Convention to Combat Desertification", 1994).

La desertificazione dipende certamente dalla variabilità del clima (e.g., condizioni di siccità), ma:

• Il degrado dei suoli
• La perdita di fertilità

Sono dovuti anche allo sfruttamento intensivo dei terreni e delle risorse idriche, alla deforestazione, a pratiche agro-pastorali improprie e cioè all'uso non sostenibile delle risorse naturali da parte dell'uomo.

Il rischio di erosione del suolo, dovuto all'azione superficiale dell'acqua, è uno dei principali fattori scatenanti il processo di degrado dei suoli che predispone ai fenomeni di desertificazione.

Il suolo è la "pelle viva della terra" attraverso cui interagiscono la litosfera, l'idrosfera, l'atmosfera e la biosfera (RER).

Il terreno

Il terreno è il risultato della disgregazione e alterazione delle rocce per azioni di natura fisica, chimica e biologica; il terreno agrario è il risultato di tali modificazioni e dell'attività dell'uomo che l'ha reso adatto alla coltivazione delle piante (agroecosistema).

La crosta terrestre

Il pianeta terra risulta formato da strati concentrici di materiali diversi. Lo strato più esterno, gassoso, composto essenzialmente di azoto e ossigeno, costituisce l'atmosfera. Lo strato successivo, liquido, copre in modo non continuo, con gli oceani, i mari, i laghi e i fiumi, i 7/10 della superficie terrestre. Lo strato solido è definito da una parte superficiale, la crosta, a cui fanno seguito il mantello e il nucleo.

Ipotesi e congetture sono state fatte sulla composizione delle diverse parti di cui è costituita la terra. La crosta è costituita prevalentemente da Al-, Fe-, Mg-, K-, Na-silicati e silice [SiO₂]. Il mantello è composto da Mg-silicati, Fe metallico e da Fe- solfuri. Il nucleo, con molta probabilità, è formato da Fe, e da quantità poco elevate di Ni, S, Si, Mg. La parte esterna del nucleo esisterebbe in fase liquida, la parte più interna in fase solida.

La crosta costituisce lo strato sottile di rocce meno dense di quelle che caratterizzano il mantello sottostante dal quale si è formata per processi complessi nel corso di molti milioni di anni.

Si accertano due tipi di crosta:

• Continentale
• Oceanica

Differiscono notevolmente tra loro per lo spessore, per i caratteri fisici, per la composizione chimica e per la complessità della struttura. Il suolo costituisce la parte più superficiale della crosta continentale.

La definizione di suolo

Per la chimica agraria: il suolo è un sistema disperso plurifasico, costituito dallo strato superficiale roccioso alterato della crosta terrestre, le cui fasi (solida, liquida e gassosa) concorrono a conferire ad esso la capacità di mantenere la vita vegetale, con possibilità di produzione economicamente redditizia.

Per la pedologia: il suolo è l'insieme dei corpi naturali esistenti sulla superficie terrestre, in luoghi modificati o anche fatti dall'uomo con materiali terrosi, contenente materia vivente, che sostiene o è capace di sostenere all'esterno le piante. Il suo limite superiore è rappresentato dall'aria o da acque poco profonde. I suoi margini laterali arrivano alle acque profonde o alle aree sterili costituite da roccia o da ghiaccio. Passa per gradi in profondità, alla roccia compatta o a materiali terrosi privi di ogni forma di attività biologica.

Le principali funzioni del suolo

• Funzione produttiva, intesa come capacità dei suoli di massimizzare la trasformazione di energia radiante in energia chimica; la loro conoscenza consente di individuare le aree regionali più fertili, dove si possono ottenere alte rese produttive con un basso impatto ambientale (agricoltura ecosostenibile).
• Funzione protettiva, intesa come capacità dei suoli di essere filtro e tampone per gli agenti inquinanti, elemento di regolazione e distribuzione dei flussi idrici, fattore di mitigazione del rischio idrogeologico e dell'effetto serra (sink di CO₂).
• Funzione naturalistica, intesa come capacità di ospitare riserve biotiche (pedoflora, pedofauna) che, in equilibrio tra loro, costituiscono l'ecosistema suolo.

La pedosfera

La pedosfera, definita dall'insieme di corpi naturali, quali possono essere considerati suoli con caratteristiche e morfologia diverse, è la zona della superficie terrestre in cui litosfera, atmosfera, idrosfera e biosfera interagiscono con scambio di energia e di materia.

Il pedon, unità astratta tridimensionale, deve essere inteso come il più piccolo volume di pedosfera che può essere definito suolo. Consente la descrizione della natura, della sistemazione, delle proprietà di ciascuna entità pedologica e offre la possibilità di prelevare campioni rappresentativi delle sue specifiche caratteristiche.

La pedosfera è la zona della superficie terrestre in cui litosfera, atmosfera, idrosfera e biosfera interagiscono con scambio di energia e di materia.

• Il pedon è il più piccolo volume di pedosfera che può essere definito suolo.
• Un gruppo di pedon simili contigui individua un polypedon.
• Una sezione verticale attraverso il pedon rappresenta il profilo del suolo.
• Il solum è la parte del profilo dove è in atto il processo di pedogenesi, sono presenti le radici delle piante e sono attive le entità biotiche.

Il suolo è costituito da tre fasi

• Fase solida: definita dalla presenza di componenti inorganici (frammenti di roccia, minerali primari e secondari, materiali amorfi) e organici (residui vegetali e animali più o meno decomposti, biomassa, sostanze umiche di neogenesi).
• Fase liquida: rappresentata dall'acqua in cui sono disciolte sostanze inorganiche e organiche o dispersi, in sospensione, colloidi di natura diversa.
• Fase gassosa: miscela di gas e vapori, di composizione analoga a quella dell'aria atmosferica ma caratterizzata da un più elevato contenuto di vapore d'acqua e di anidride carbonica.

I fattori di stato che agiscono sullo sviluppo del sistema suolo

Profilo: sezione di suolo avente come limite superiore l'atmosfera e come limite inferiore la roccia madre.

Struttura teorica di un profilo pedologico

• O: orizzonti organici di suoli minerali
• A: orizzonti minerali superficiali
• E: orizzonti minerali superficiali eluviati
• AB/AE/BC/CB: orizzonti di transizione
• B: orizzonti illuviali o di alterazione o di accumulo
• C: orizzonti minerali scarsamente pedogenizzati da cui si presume abbia origine il suolo
• R: strato roccioso da cui si presume abbia origine l'orizzonte C

Soil taxonomy (USDA)

1. Ordini (12)
2. Sottordini (54)
3. Grandi Gruppi (211)
4. Sottogruppi (1,100+)
5. Famiglie (7,000+)
6. Serie (Tantissime!)

• Histosols
• Gelisol
• Entisol

Minerali e rocce

La composizione della litosfera

Per la comprensione dei processi di formazione del suolo, definiti da numerose e complesse reazioni di trasformazione dei materiali litici esposti all'azione di agenti atmosferici e biologici, risulta di importanza fondamentale la conoscenza dei caratteri e della composizione della litosfera.

I corpi rocciosi rappresentativi dello strato superficiale della crosta terrestre sono costituiti da 8 elementi chimici, presenti in quantità in peso più elevata dell'1%. Di questi, solamente 4 (Fe, Ca, K, Mg) sono necessari per la nutrizione delle piante.

Gli elementi che si rinvengono in percentuale maggiore formano oltre 2000 specie mineralogiche, delle quali una dozzina si rinvengono con frequenza nelle rocce più comuni.

Le rocce ignee

Derivano dal consolidamento per raffreddamento di masse litiche totalmente o parzialmente fuse. Possono essere classificate come:

• Intrusive: originatesi per consolidamento del magma all'interno della crosta terrestre
• Effusive: generatesi per solidificazione delle colate laviche sulla superficie della terra
• Piroclastiche: formatesi per accumulo di frammenti amminutati o di ceneri risultanti da attività vulcaniche esplosive

Per circa il 93% sono costituite da silicati, per il 7% da magnetite, apatiti e da altri minerali accessori.

Secondo le caratteristiche di composizione i minerali possono essere suddivisi in:

• Sialici, con presenza prevalente di silicio e di alluminio (feldspati, feldspatoidi, minerali della silice)
• Femici o ferromagnesiaci, definiti dal contenuto di Fe, Mg e di altri cationi metallici (olivine, pirosseni, anfiboli, miche)

Le rocce sedimentarie

Coprono circa i ¾ della superficie terrestre. Sono costituite da depositi di materiali più o meno alterati, derivanti da rocce preesistenti di origine diversa.

I processi di formazione delle rocce sedimentarie sono:

• L'alterazione (weathering) del materiale originario
• L'erosione e il trasporto, operati dall'acqua corrente, dal ghiaccio, dal vento
• La deposizione, nelle pianure costiere, nei delta dei fiumi, nei mari poco profondi
• La litificazione che, per fenomeni di compattazione e cementazione, trasforma i depositi incoerenti in roccia compatta

In genere le zone continentali interne sono le aree di erosione, le pianure costiere, i delta dei fiumi e i mari poco profondi costituiscono le aree di deposizione. La velocità di separazione del materiale solido dal mezzo che lo trasporta influenza la natura dei depositi sedimentari.

Il rapido accumulo di elementi clastici dà origine a depositi caotici debolmente stratificati. Lenta sedimentazione di materiali molto amminutati o di precipitazione tende a formare sottili stratificazioni. Il processo di litificazione risulta caratterizzato da fenomeni di:

• Compattazione
• Precipitazione
• Neogenesi (rocce sedimentarie)

Le rocce metamorfiche

Vengono definite metamorfiche le rocce ignee e sedimentarie che hanno subito trasformazioni nell'associazione mineralogica e nella struttura (metamorfismo) in conseguenza di processi di adattamento a condizioni chimico-fisiche diverse da quelle caratterizzanti l'ambiente di genesi.

I fattori principali caratteristici del metamorfismo sono la temperatura e la pressione:

• La temperatura può agire da poche centinaia di gradi e continuare fino a circa 800°C, sufficienti a provocare la fusione di quasi tutte le rocce.
• La pressione viene esercitata dalle masse rocciose sovrastanti o da forze di compressione che si sviluppano durante i movimenti tettonici.

I processi di metamorfismo sono:

• La dislocazione meccanica, dovuta a rottura, schiacciamento e deformazione plastica di una roccia per adattamento dei costituenti litici all'azione della pressione differenziale di carico o orientata.
• La ricristallizzazione, che si verifica per spostamento dell'equilibrio chimico nelle associazioni mineralogiche presenti, conseguente all'incremento della temperatura e della pressione, o per variazione dei caratteri chimici del sistema.

Le rocce metamorfiche derivate da rocce ignee vengono distinte dal prefisso orto, quelle originatesi da rocce sedimentarie dal prefisso para.

Le rocce ignee e metamorfiche costituiscono oltre il 95% della crosta terrestre, ma ne ricoprono solamente il 25%, le rocce sedimentarie rappresentano meno del 5% della crosta, ma sono presenti sul 75% della superficie.

Esiste un rapporto tra le classi di rocce. Le rocce ignee, cristallizzate a profondità notevoli, in prossimità o al di sopra della superficie terrestre, possono andare incontro a fenomeni di sollevamento, di alterazione e di erosione. I prodotti dell'erosione, trasportati, mescolati con materiali diversi, depositati e diagenizzati formano le rocce sedimentarie. In ambienti caratterizzati da temperatura e/o pressione elevate, le rocce preesistenti subiscono processi di metamorfismo originando le rocce metamorfiche.

I minerali che costituiscono le rocce

Sono definiti minerali le sostanze inorganiche, presenti nella litosfera, caratterizzate da composizione chimica costante, o variabile entro i limiti ristretti, da proprietà fisiche specifiche e da peculiare struttura cristallina con disposizione ordinata, tridimensionale di atomi, ioni, o molecole.

Vengono detti minerali primari quelli che si formano durante la solidificazione delle masse magmatiche fuse, secondari quelli originatisi per cristallizzazione successiva a processi di alterazione.

Dal punto di vista chimico si suddividono in due gruppi:

• I silicati, costituiti prevalentemente da ossigeno e silicio
• I non silicati, comprendenti ossidi, carbonati, fosfati, solfati, solfuri di alcuni elementi

Con poche eccezioni i minerali sono organizzati in strutture ioniche. Ciascun catione è circondato e legato da ioni di carica opposta. Il numero di anioni che si dispone intorno a ciascun catione viene definito numero di coordinazione del catione e dipende dal rapporto dei raggi degli ioni considerati. Nella maggior parte delle entità cristalline i possibili tipi di legame, diversi in funzione della configurazione elettronica degli atomi che si combinano non risultano nettamente differenziati. Generalmente gli elementi presenti sono tenuti insieme da legami in parte ionici e in parte covalenti.

La struttura cristallina dei minerali

Considerando gli ioni come sfere rigide, la disposizione di anioni e cationi, tipica di una particolare struttura cristallina, è caratterizzata da specifica geometria e da stabilità elettronica. Al concetto di numero di coordinazione si collega il fenomeno della sostituzione isomorfa e eterovalente. Cationi possono sostituirsi reciprocamente nella struttura delle entità cristalline se:

• Il raggio ionico non è molto diverso
• La carica ionica non differisce di più di una unità di valenza
• Resta inalterata la morfologia della struttura

Sostituzioni isomorfe eterovalenti determinano nel cristallo eccesso di cariche negative.

I non silicati

I carbonati: sono costituenti fondamentali di numerose rocce. Il carbonato di calcio [CaCO₃] cristallizza come calcite e aragonite.

La dolomite, carbonato doppio di calcio e magnesio [CaMg(CO₃)₂], ha minore diffusione e presenta ridotta solubilità. Cationi con raggio ionico inferiori a quello di Ca²⁺ (0,99 nm), come Mg²⁺ (0,066 nm), Zn²⁺ (0,074 nm), Fe²⁺ (0,074 nm), Mn²⁺ (0,080 nm), costituiscono carbonati con struttura tipo calcite noti, rispettivamente, come magnesite, smithsonite, siderite, rodocrocite; quelli con raggio ionico superiore, come Sr²⁺ (0,113), Pb²⁺ (0,120) e Ba²⁺ (0,134), formano carbonati con struttura tipo aragonite e cristallizzano come stronzianite, cerussite, witherite.

I solfati: ampiamente diffuso nelle rocce sedimentarie di origine marina è il calcio solfato o gesso [CaSO₄ * 2H₂O]. Più rara risulta la forma anidra, anidrite [CaSO₄].

I solfuri: la pirite [FeS₂] è comunemente presente nelle rocce ignee, sedimentarie e metamorfiche. Si può trovare associata ad altri solfuri quali galena [PbS] e blenda [ZnS] o ai minerali di rame calcocite [Cu₂S], bornite [Cu₅FeS₄] e calcopirite [CuFeS₂].

I fosfati: le apatiti sono i più comuni minerali contenenti fosforo. Costituiscono una serie isomorfa i cui termini estremi sono:

• La fluoroapatite [Ca₁₀(PO₄)₆F₂]
• La cloroapatite [Ca₁₀(PO₄)₆Cl₂]
• L'idrossiapatite [Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂]
• E le carbonatoapatiti [Ca₁₀(PO₄)₆-X(CO₃)_XF₂]

Le carbonatoapatiti vengono utilizzate per la preparazione industriale di concimi fosfatici o per l'applicazione diretta in agricoltura. La loro solubilità aumenta per contenuto crescente di CO₃^2-.

Variscite [AlPO₄ * 2H₂O], wavellite [Al₆(PO₄)₂(OH)₆ * 5H₂O], strengite [FePO₄ * 2H₂O] e vivianite [Fe₃(PO₄)₂ * 8H₂O] sono...