Geopedologia - Soil taxonomy e i suoli (parte 2/2)

Pedogenesi e processi di formazione del suolo

Pedogenesi: l’insieme dei processi fisici, chimici e biologici che, a partire dall’iniziale interazione tra un materiale litologico e le sostanze organiche, hanno per risultato la formazione di un determinato suolo. La differenziazione in orizzonti è la manifestazione macroscopica di tali processi.

Processo pedogenetico: successione temporale degli eventi che modificano il suolo allontanandolo nel tempo dalla roccia madre. Tali eventi possono essere simultanei, contrastanti, sequenziali….

Orizzonte pedologico: strato grossolanamente parallelo alla superficie del terreno costituito da materiali prodotti dalla pedogenesi e formatosi attraverso la disgregazione fisica e l’alterazione chimica della roccia parentale con incorporazione della sostanza organica.

Profilo pedologico: successione verticale di orizzonti risultanti da trasformazioni, migrazioni e spostamenti di sostanze solide, liquide e gassose.

Alterazione delle rocce

La disgregazione fisica della roccia primaria rappresenta la prima tappa del processo di formazione del suolo.

La roccia subisce degli attacchi fisici provocati da:

• Crioclastismo: l’alternanza di gelo/disgelo muta il volume dell’acqua provocando una variazione delle tensioni interne con conseguente azione disgregante.
• Aloclastismo: i sali disciolti cristallizzano mutando il proprio volume provocando una variazione delle tensioni interne con conseguente azione disgregante.
• Termoclastismo: riscaldamento solare e/o variazioni termiche provocano una ciclica dilatazione/contrazione dei minerali con aumento e diminuzione della tensione interna che ne provoca una disgregazione.
• Fitoclastismo: l’attività organica di radici aiuta la disgregazione.
• Allentamento della pressione dovuto alla caduta di corpi sovrastanti, forze tettoniche….
• Passaggio di onde sismiche che ne provocano uno scuotimento.

¹ Le rocce ignee, metamorfiche e sedimentarie a contatto con l’atmosfera subiscono un adattamento termodinamico alle nuove condizioni ambientali, diverse da quelle di formazione.

Alterite: strato superficiale di alterazione di una roccia la quale ha conservato l’essenziale della struttura litologica e che possiede caratteri chimici e fisici correlati a quelli degli orizzonti soprastanti, quando presenti. In esso avvengono fenomeni di trasporto ionico e particellare ad opera delle acque di infiltrazione.

¹ Rocce ignee (dal latino ignis, cioè fuoco, magmatiche): si formano in seguito alla solidificazione di magmi, cioè di masse silicatiche fuse contenenti vari componenti (FeO, MgO, CaO, ecc.) e sostanze volatili (acqua, anidride carbonica, idrogeno, metano, ecc.). Costituiscono quasi il 65% della crosta terrestre.

¹ La serie di Goldich riflette la serie di Bowen della cristallizzazione magmatica: i minerali che cristallizzano prima sono quelli che poi si alterano più facilmente in quanto risultano meno in equilibrio con l’ambiente subaereo.

Processi di alterazione chimica della roccia primaria

I processi di alterazione chimica della roccia primaria sono:

1. Ossidazione e riduzione

Ossidazione: perdita di elettroni da parte di un atomo di un elemento metallico o non metallico con conseguente aumento della sua carica positiva.

Es. Ferrolisi: ossidazione-idrolisi del ferro, è responsabile della dissoluzione di molti minerali argillosi.

Gli effetti pedologici dell’ossidazione coinvolgono anche la mobilità di alcuni elementi. La mobilitazione del Ferro produce caratteri importanti per alcuni suoli.

In condizioni riducenti e non eccessivamente acide una parte del Fe viene solubilizzata e lisciviata mentre in ambienti ossidanti il ferro precipita dando luogo a composti ferrici.

L’ossidazione-riduzione del ferro caratterizza la rubefazione, la gleyzzazione, la ferrallitizzazione.

La prima reazione di introduzione degli ossidi del Fe nel ciclo pedogenetico è la decomposizione idrolitica ed ossidativa del Fe²⁺ contenuto nei silicati.

Tramite ossidazione, ovvero perdita di elettroni, ottengo:

FeS → FeSO₄ da solfuro di ferro (pirite) a solfato ferroso.

FeSO₄ → Fe₂(SO₄)₃ da solfato ferroso a solfato ferrico.

Fe₂(SO₄)₃ → Fe₂O₃.nH₂O da solfato ferrico a idrossido ferrico (Goethite).

I principali ossidi del ferro sono:

• Ematite αFe₂O₃, tipica di paleosuoli e ambienti caldi.
• Maghemite γFe₂O₃, suoli sviluppati su rocce basiche in climi temperati/tropicali.
• Ilmenite FeTiO₃.
• Magnetite Fe₃O₄.
• Goethite αFeOOH, suoli bruno giallastri a drenaggio regolare.
• Lepidocrocite γFeOOH, suoli idromorfi con screziature giallo-arancioni, argillosi e poveri di carbonati.
• Ferridrite Fe₅O₇(OH).4H₂O negli orizzonti spodici dei suoli podzolici.

L’insieme degli ossidi del ferro e dell’alluminio, di magnesio e silice appartiene al complesso di alterazione dei suoli.

Le forme ioniche del Ferro sono frequenti in suoli molto acidi (podzolici) o anaerobici (suoli idromorfi), nei pedoambienti areati e biologicamente attivi l’ossido idrosolubilizza e diventa idrossido.

Metodiche chimiche per separare le diverse forme del ferro

• Fe_tot: estrazione di tutto il ferro tramite fusione al borato o attacco con HF.
• Fe_d: con Na-citrato-bicarbonato-ditionito si estraggono gli ossidi di ferro liberi e il ferro complessato in materia organica.
• Fe_o: l’ossalato di ammonio estrae il Ferro amorfo e mal cristallizzato oltre che tutti i chelati.
• Fe_p: il Na-pirofosfato estrae il ferro legato alla materia organica nei chelati e nei complessi organo-metalli.

Al in luoghi caldi e umidi dà luogo ad idrossidi amorfi che poi assumono struttura cristallina tramite ossidazione, Mn in ambienti alcalini forma ossidi e idrossidi tramite ossidazione.

2. Dissoluzione e decarbonatazione

Le molecole dipolari dell’acqua indeboliscono le forze elettrostatiche degli ioni sulla superficie dei cristalli e ne provocano il passaggio in soluzione, tale “potere” è incrementato dalla leggera acidità impartita all’acqua dalla CO₂ in soluzione. In base a quanta CO₂ è disciolta nell’acqua aumenta il potere di sciogliere i carbonati di Ca e Mg provocando un impoverimento in carbonati (decarbonatazione).

CaCO₃ + H₂O ⇒ Ca(HCO₃)₂

Si definisce carbonatazione la reazione di trasformazione dei silicati in minerali argillosi o in carbonati (reagisce con la CO₂).

3. Idrolisi

Processo molto importante nella degradazione dei silicati che costituiscono i minerali più abbondanti della crosta terrestre.

Gli ioni Si e Al dotati di cariche libere attraggono e polarizzano i dipoli d’acqua, si determina così un eccesso di cariche positive sulla superficie del cristallo che viene bilanciato dall’ingresso di H⁺ libero nel cristallo. Lo scambio di H⁺ e K⁺ costituisce l’aspetto fondamentale dell’idrolisi alcalina.

L’intensità dell’idrolisi è determinata anche dal pH delle soluzioni.

Alterazione biochimica - Chelazione

Con l’intervento delle sostanze organiche nei meccanismi di alterazione prende avvio il processo pedogenetico (t₀ della formazione del suolo).

I licheni e i muschi attaccano chimicamente i minerali formando un sottile velo di alterazione² grazie ad acidi organici (ossalico, citrico e salicilico) e composti fenolici producendo chelanti.

Si ha una “cattura” di ioni metallici entro strutture ad anello, molto stabili.

I composti di Fe(III) possono essere ridisciolti sia attraverso una riduzione microbica a Fe(II) sia attraverso una complessazione per opera di leganti organici (chelanti).

La sostanza organica nel suolo può essere presente in diverse forme:

• Biomasse vegetali, animali e microbiche.
• Necromasse integre o in fase di demolizione delle strutture cellulari.
• Unità molecolari semplici che si liberano dalle bio e necromasse.
• Molecole umiche che si originano per ossidazione, polimerizzazione e policondensazione dei composti precedenti.
• Acidi umici bruni (chiari): sono poco polimerizzati, liberi e molto mobili.
• Acidi umici grigi (scuri): sono molto polimerizzati, poco mobili, legati all’argilla mediante ponti Ca²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺ e Al³⁺.
• Acidi fulvici.

² Chelante: composto/miscela che forma complessi con ioni e atomi tramite chelazione (l’atomo metallico funge da acido di Lewis accettando elettroni e viene legato da un chelante con un legame chimico covalente detto coordinativo). Il nome deriva dalle chele del granchio perché avvolge l’atomo sottratto.

Evoluzione di un suolo

Alterazione: adattamenti termodinamici delle rocce alle condizioni ambientali della superficie terrestre dove è predominante l’azione delle acque meteoriche e dei gas atmosferici.

Quando le acque, contenenti O₂ e CO₂, si infiltrano reagiscono con i componenti minerali e organici: la sostanza organica entra nel sistema grazie alla sua ossidazione (consumo di O₂) e alla sua mineralizzazione (produzione di CO₂).

I minerali risultano possedere un’alterabilità tanto maggiore quanto minore è stata l’energia di formazione richiesta per la loro separazione e cristallizzazione.

Altri fattori che influenzano l’alterabilità delle rocce sono:

• La temperatura dell’ambiente.
• Il tasso di percolazione dell’ambiente.
• Il grado di ossidazione dello strato alterato.
• Il grado di suddivisione e l’area superficiale dei frammenti esposti.

La granulometria e la tessitura dei minerali è da considerare nell’alterabilità:

• Argille → 0,0002 - 0,002 mm.
• Limo → 0,002 - 0,05 mm.
• Sabbia fine → 0,05 - 0,15 mm.
• Sabbia media → 0,15 - 0,5 mm.
• Sabbia grossolana → 0,5 - 2 mm.
• Scheletro fine → 2 - 10 mm.
• Scheletro grossolano → 10 - 80 mm.
• Ciottoli → > 80 mm.

A causa dei movimenti d’acqua lungo il profilo del suolo si possono determinare fenomeni di migrazione di composti minerali e organici, tali movimenti possono essere discendenti (acqua gravitazionale), ascendenti (acqua capillare) o obliqui (legati alla morfologia del rilievo).

Ai fenomeni di migrazione seguono fenomeni di accumulo dei composti (minerali o organici) che portano alla differenziazione del profilo del suolo in orizzonti, quando l’accumulo avviene sul luogo in cui si è verificata la disgregazione minerale si creano substrati pedologici autoctoni, in caso di trasporto si creano substrati pedologici alloctoni.

Quando i fenomeni di migrazione e accumulo si sono stabilizzati viene raggiunto un equilibrio detto “suolo in climax”.

Cosa migra:

• Metalli alcalini (K⁺ e Na⁺) ed alcalino-terrosi (Ca²⁺ e Mg²⁺).
• Elettroliti (cloruri, solfati e carbonati).
• Ossidi ed idrossidi di Fe, Al, Mn.
• Humus.
• Argilla.
• Silice.

Le migrazioni sono condizionate dal clima (temperatura e precipitazioni), dalla tessitura e struttura del suolo, dalla permeabilità della roccia madre, dal tipo di humus, dalle condizioni idrologiche e dal pH.

I processi di accumulo avvengono sia in particolari orizzonti che caratterizzano il profilo pedologico sia in superficie (efflorescenze saline), sono da imputare a fenomeni di precipitazione e vengono influenzati dalla concentrazione delle soluzioni, dall’eterogeneità del profilo, dal pH e dalla gleyficazione.

I 5 fattori della pedogenesi

1. Roccia madre e minerali: assume importanza nella genesi di vari tipi di suoli. Da essa dipendono alcune proprietà fisiche come la permeabilità che influenza la velocità di alterazione della roccia e da proprietà chimiche che determinano gli elementi liberati durante l’alterazione.

Le rocce madri sono generalmente distinte in:

a. Rocce ignee → derivano dal consolidamento dei magmi, possono essere intrusive (es. granito, nelle masse continentali) o effusive (basalto, nei fondali oceanici). Non sono in equilibrio con l’ambiente subaereo.

Es. intrusive: granito, diorite, sienite, gabbro.

Effusive: basalto, andesite, riolite, trachite, porfido, ossidiana, pomice.

b. Rocce sedimentarie → prendono origine dalla decomposizione, trasporto, accumulo e diagenesi delle rocce ignee, metamorfiche. Contengono sia minerali residuali che autigeni³. Sono in equilibrio con l’ambiente pedogenetico.

Possono essere distinte in clastiche (a seconda delle dimensioni), piroclastiche (origine vulcanica), di deposito chimico, organogene (con frammenti organici o biocostituite).

Es. clastiche: arenaria, argillite, puddinga, breccia, arenaria.

Piroclastiche: tufo.

Di deposito chimico: gesso, travertino.

Organogene: calcare compatto, dolomia, torba, antracite.

c. Rocce metamorfiche → derivano da rocce ignee, sedimentarie, metamorfiche a seguito di elevate pressioni e temperature a cui sono state sottoposte nelle profondità della crosta terrestre, non sono in equilibrio con l’ambiente pedogenetico.

Es. gneiss, marmo, serpentinite.

2. Clima: le variabili principali sono precipitazioni e temperatura.

a. Acqua → è responsabile dei processi di alterazione dei minerali, di dissoluzione e ridistribuzione.

³ Autigeno: in geologia e mineralogia, di materiali naturali che si trovano nello stesso ambiente o posto nel quale si sono originariamente formati. Es. rocce clastiche.

b. Temperatura → può esercitare un effetto inibitorio (t. rigide) o accelerare i processi di formazione (t. elevate) oltre che determinare la possibilità di vita degli organismi viventi.

3. Morfologia: la superficie terrestre risulta modellata da eventi tettonici, processi di erosione, deposizione di materiali. Le diverse conformazioni morfologiche determinano una sensibile influenza sul comportamento delle acque, sull’irraggiamento solare e sullo sviluppo della vegetazione.

4. Organismi: Licheni, alghe, batteri, funghi, muschi, vegetali superiori (erbacei, arbustivi, arborei) concorrono all’alterazione chimica della roccia, ed apportano sostanza organica fresca per la formazione dell’humus. Gli animali con il movimento contribuiscono al rimescolamento della massa del suolo condizionandone la struttura.

Anche l’uomo rientra nei fattori della pedogenesi perché capace di modificare in maniera intensiva e radicale i processi pedogenetici.

5. Tempo (inteso come durata): è difficile stabilire i tempi di formazione del suolo per mancanza di dati riferiti al passato ma è ipotizzabile un lasso di tempo di 200-300 anni per lo sviluppo di un suolo naturale con spessore significativo. La velocità di formazione di un suolo è in funzione di:

• Alterabilità della roccia madre.
• Clima (umidità e temperatura).
• Stabilità geomorfica.
• Copertura vegetale.
• Durata del processo.

Alcuni ped