Colture fuori suolo Calcolo soluzione nutritiva

Colture fuori suolo GLI ELEMENTI INDISPENSABILI PER LA VITA DELLE PIANTE La crescita e lo sviluppo degli organismi vegetali è subordinata alla presenza di alcuni elementi chimici che sono suddivisi in tre categorie: • elementi essenziali, che non possono essere sostituiti da altri elementi ed hanno uno o più ruoli specifici; sono suddivisi in macro- e micro-elementi: − macroelementi: C, Ca, H, K, Mg, N, O, P, S − microelementi: B, Cu, Cl, Fe, Mn, Ni, Zn • elementi utili, come Co, Na, Si • elementi tossici o potenzialmente tossici (metalli pesanti come Hg, Cd, Pb; Na e Cl).

Colture fuori suolo MECCANISMI DI RIFORNIMENTO NUTRITIVO Nel terreno il rifornimento nutritivo alle radici (cioè, il processo per il quale gli ioni minerali arrivano sulla superficie delle radici, rendendosi così disponibili all’assorbimento) avviene secondo tre meccanismi fondamentali: Intercettazione: le radici crescendo vengono continuamente in contatto con nuova soluzione circolante Flusso di massa: gli ioni arrivano alla radice in seguito al movimento secondo gradiente della soluzione circolante Diffusione: è legata alla migrazione degli elementi lungo un gradiente di concentrazione, tra una zona più concentrata ed una meno concentrata

Colture fuori suolo Nelle 'colture senza suolo' sono comprese tutte quelle tecniche di coltivazione attuate in assenza del comune terreno agrario nelle quali il rifornimento alle piante, di acqua e di elementi nutritivi, avviene generalmente attraverso la somministrazione di una soluzione nutritiva completa di macro- e micro-nutrienti. Di solito, le colture fuori suolo (soilless cultures) si possono suddividere in base al tipo di supporto della pianta in: colture su substrato (artificiale, minerale o organico o un mix di questi) colture senza substrato, in cui l’apparato radicale è più o meno immerso in una soluzione nutritiva (Nutrient Film Tecnique o floating system).

Colture fuori suolo

Colture fuori suolo Un altro tipo di classificazione è quella che si basa sul riutilizzo o meno del drenato. Infatti, è necessario dare un quantitativo di soluzione nutritiva superiore a quella evapotraspirata dalla coltura, ottenendo così un percolato: se questo è raccolto e, dopo essere opportunamente reintegrato, è ri-somministrato alla coltura si parla di ciclo chiuso, mentre se questo è utilizzato su una coltura su suolo o peggio se è scaricato nell’ambiente si parla di ciclo aperto.

Colture fuori suolo

Colture fuori suolo I PRINCIPALI SISTEMI DI COLTIVAZIONE FUORI SUOLO: Deep Water Culture e Floating System Nutrient Film Technique (NFT) Aeroponica Coltura in contenitore Coprono circa il 4% della produzione protetta in Italia

Colture fuori suolo Floating system Aeroponico Nutrient Film Technique

Colture fuori suolo Formula nutritiva: è la concentrazione che ogni elemento nutritivo dovrebbe avere nella soluzione nutritiva. Calcolo di una soluzione nutritiva: l’insieme di calcoli necessari a stabilire le quantità dei singoli sali semplici e acidi da aggiungere all’acqua irrigua per raggiungere la concentrazione ionica definita dalla formula nutritiva. Soluzione stock: si intende una soluzione di sali, acidi e/o basi particolarmente concentrata tale che una sua diluizione con l’acqua irrigua a disposizione permette l’ottenimento della soluzione nutritiva da erogare alla pianta. Il grado di concentrazione di una soluzione stock è espresso tramite un rapporto (1:50; 1:100 ecc.) che indica il volume di soluzione nutritiva ottenuto con l’unità di volume (di solito, litro o metro cubo) di soluzione stock.

Colture fuori suolo CALCOLO DI UNA SOLUZIONE NUTRITIVA Il calcolo della soluzione nutritiva consiste nel determinare le quantità di sali semplici e di acidi che occorre aggiungere all’acqua irrigua per raggiungere le concentrazioni desiderate nella soluzione nutritiva da erogare alle piante.

Colture fuori suolo I passaggi necessari al calcolo sono i seguenti: • acquisizione della composizione dell’acqua irrigua (in mmol/L); • scelta della ricetta nutritiva (in mmol/L); • calcolo della differenza tra la concentrazione dei vari elementi nella ricetta e quella dell’acqua irrigua (apporto di nutrienti da effettuare); • calcolo della quantità di acido necessaria per la neutralizzazione dei bicarbonati e delle quantità di N, P o S apportate; • calcolo, per ciascun elemento, della quantità di concimi da apportare seguendo l’ordine seguente: calcio, ammonio, fosforo, magnesio, nitrato, potassio, (solfato), ferro, microelementi.

Colture fuori suolo Nel calcolo della soluzione è necessario rispettare scrupolosamente l’ordine, per evitare che, nel bilanciamento di alcuni ioni, si utilizzino sali che apportino anche altri ioni che erano già stati bilanciati precedentemente. Naturalmente per raggiungere tutte le concentrazioni desiderate nella soluzione nutritiva e ottenere l’equilibrio elettro-chimico, sarà necessario accettare che la concentrazione di almeno uno ione sia libera di variare in un range relativamente ampio; questo ione è il solfato, in quanto le piante sono poco influenzate dalla concentrazione di questo elemento nel range 2-10 mmol/L (S-SO4).

Colture fuori suolo Esempio di calcolo Allo scopo ipotizziamo di calcolare una soluzione nutritiva per ravanello avendo una composizione dell’acqua di partenza pari a 2.75 meq/L di bicarbonati, 1.5 mmol/L di Ca, 0.75 mmol/L di Mg e 0.5 mmol/L di S-SO4 e con nitrati, ammonio, potassio e fosfati presenti solo in tracce. Per procedere al calcolo della soluzione nutritiva, è preferibile creare una tabella che contiene tante colonne quante sono gli elementi da bilanciare, cui aggiungere due colonne, una per il tipo di sale o acido da utilizzare e una per la quantità da utilizzare .

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Colture fuori suolo Neutralizzazione dei bicarbonati Il primo calcolo da fare è quello della quantità di acido necessario per portare il pH della soluzione nutritiva nel range ottimale di 5-6 (neutralizzazione dei bicarbonati). La neutralizzazione dei bicarbonati nelle soluzioni nutritive deve essere fatta con un acido il cui elemento apportato sia indispensabile per la pianta: in pratica viene utilizzato l’acido nitrico.

Colture fuori suolo Nell’esempio, il contenuto di bicarbonati è di 2.75 mEq/L e ipotizziamo di voler ottenere un pH finale di 5.8. La quantità di acido da utilizzare dipende dalla quantità iniziale di bicarbonato e carbonati (questi ultimi sono presenti solo se il pH è superiore a 8.4) e dal pH desiderato, secondo la formula: [HA] = [HCO3-]/(1+10pH-pKa) [HA]=[HCO3-]/(1+10pH–6.35) = 2.75 / (1+ 105.8-6.35) = 2.75/ 1.28 = 2.15 meq/L Il valore in meq/L ottenuto va trasformato in mL/L di acido commerciale da aggiungere all’acqua. Se decidiamo di utilizzare un acido nitrico commerciale con una concentrazione di 64.7% (p/p) e densità pari a 1,39 g/mL, questo conterrà: 1.39 (g/ml)/ PM acido (63)* 64.7 % * 1000 (fattore di conv. da Eq a meq) = 14,28 mEq di ioni H3O+ e quindi 14.28 mmol di N-NO3 per ogni mL di acido

Colture fuori suolo Quindi la quantità di ml di acido commerciale è: 2.15 meq/L / 14.28 meq/mL=0.151 mL di acido nitrico commerciale al 64.7 % per ogni litro di acqua irrigua.

Colture fuori suolo Sarà necessario calcolare la quantità di elementi nutritivi apportata con l’operazione di neutralizzazione dei bicarbonati che, nel caso dell’acido nitrico, sarà pari alle mEq/L di bicarbonati neutralizzati. Nell’esempio abbiamo utilizzato 2.15 meq/L di acido nitrico e quindi avremo apportato 2.15 mmol di N-NO3, che sarà riportato nella tabella all’intersezione fra la riga contenente l’acido e la colonna dell’elemento N-NO3.

Colture fuori suolo Calcolo dei sali da apportare per il bilanciamento dei macronutrienti Per ogni elemento da bilanciare sarà necessario effettuare il calcolo delle mmol/L necessarie per raggiungere la quantità prevista dalla “ricetta nutritiva” e della quantità in mg/L di sale da aggiungere all’acqua irrigua, calcolo che sarà effettuato seguendo i seguenti passaggi: • calcolo della differenza (in mmol/L) tra la quantità dell’elemento indicato nella ricetta nutritiva e la somma della quantità presente nell’acqua e di quelle già aggiunte con i sali eventualmente già apportati;

mg/l=(mmolxPM)/%elemento nel sale Colture fuori suolo calcolo delle mmol/L degli elementi nutritivi contenuti nel sale scelto per il bilanciamento e verifica dell’eventuale superamento delle loro concentrazioni totali rispetto a quelle riportate della ricetta (ad eccezione di S). • calcolo della quantità di sale espressa in mg/L da aggiungere all’acqua irrigua per apportare le mmol/L dell’elemento bilanciato. mg/l=(mmolxPM)/%elemento nel sale

Colture fuori suolo Il primo elemento da bilanciare è il calcio. Poiché l’acqua ne contiene 1.50 mmol/L, per arrivare alla concentrazione della soluzione nutritiva (5 mmol/L) si dovranno apportare 3.5 mmol di Ca. Il sale da utilizzare sarà il nitrato di calcio che contiene il 18.6 % di Ca, il 14.5 % di N-NO3 e 1% di N-NH4+ in peso e che presenta un rapporto molare Ca : N-NO3 : N-NH4+ pari a 1 : 2.2 : 0.2.

Colture fuori suolo Ciò significa che, apportando 3.5 mmol di calcio, se ne apporteranno anche: 3.5 * 2.2 = 7.7 di N-NO3-; 3.5 * 0.2= 0.7 di N-NH4+. La quantità di nitrato di calcio da aggiungere all’acqua irrigua si calcolerà a partire dalle mmol di calcio necessarie, moltiplicando il proprio peso molecolare (40.08) e dividendo per la % dell’elemento nel sale utilizzato.

Colture fuori suolo Il nitrato di calcio contiene il 18.6% di Ca, per cui si ottiene: 3.5 mmol/L * 40.08 (p.m. Ca) / 0.186 (% di Ca nel nitrato di calcio agricolo)= 754.19 mg/L di nitrato di calcio.

Colture fuori suolo Il successivo elemento da bilanciare sarà l’ammonio. La formulazione della soluzione nutritiva prevede una concentrazione di 1 mmol/L di N-NH4+; l’acqua non ne contiene, ma aggiungendo il nitrato di calcio si è già apportato 0.7 mmol/L e quindi, per completare l’apporto, ne occorreranno altre 0.3 mmol/L. Queste potranno essere fornite con il nitrato di ammonio (17.2% N-NO3 + 17,2% N-NH4+), il quale contiene una quantità equivalente (0.3 mmol) di N-NO3.

Colture fuori suolo Il calcolo della quantità di nitrato d’ammonio da aggiungere sarà il seguente: 0.3 mmol/L * 14.01 (p.m. N-NH4+) / 0.172 (% di N-NH4+ nel nitrato d’ammonio)= 24.44 mg/L di nitrato di ammonio.

Colture fuori suolo Fosfati. Occorrerà apportare 1.5 mmol/L di P. Poiché i bicarbonati sono già stati neutralizzati e l’ammonio già bilanciato, potremo utilizzare solo il fosfato monopotassico. Poiché il rapporto molare P:K è di 1:1, con questa operazione apporteremo 1.5 mmol/L di P e 1.5 mmol/L di K. La quantità di sale commerciale da aggiungere sarà: 1.5 mmol/L * 30.97 (p.m. P) / 0.228 (% di P nel fosfato monopotassico)= 203.75 mg/L di fosfato monopotassico.

Colture fuori suolo Si procederà quindi a bilanciare il Magnesio, utilizzando il solfato di magnesio (S = 12.7%; Mg 9.6%) Sottraendo alla quantità di Mg prevista nella ricetta (1.5 mmol/L) quella apportata con l’acqua irrigua (0.75 mmol/L), ne rimarrà ancora da aggiungere 0.75 mmol/L: 0.75 mmol/L * 24.31 (p.m. Mg)/ 0.096 = 189.92 mg/L di solfato di Mg che apporteranno anche 0.75 mmol/L di zolfo.

Colture fuori suolo Si procederà quindi a bilanciare il nitrato, utilizzando il nitrato di potassio (N = 13.8%; K 38.7%) e successivamente, per apportare la restante parte di potassio, si utilizzerà il solfato di potassio (K 43.2%; S 17.1%). Sottraendo alla quantità di azoto prevista nella ricetta (12 mmol/L) quella apportata con l'acido nitrico (2.15 mmol/L), con il nitrato di calcio (7.70 mmol/L) e con il nitrato di ammonio (0.3 mmol/L), ne rimarrà ancora da aggiungere 1.85 mmol/L: 1.85 mmol/L * 14.01 (p.m. N)/ 0.138 (%N nel nitrato di potassio) = 187.81 mg/L di nitrato di potassio che apporteranno anche 1.85 mmol/L di potassio.

Colture fuori suolo Potassio: l’apporto di potassio necessario per arrivare alla quantità prevista nella ricetta (8 mmol/L), considerando il K già presente con i sali aggiunti (1.5 mmol/L con il fosfato monopotassico e 1.85 mmol/L con il nitrato di potassio), è di 4.65 mmol/L. Per apportare il potassio si può utilizzare il solfato di potassio (Rapporto molare K:S 2:1). Il calcolo della quantità di solfato di potassio da utilizzare è il seguente: 4.65 mmol/L * 39.10 (p.m. K) / 0.432 (% di K nel solfato di potassio)= 420.87 mg/L di solfato di potassio che apporteranno anche 2.32 mmol/L di zolfo.

Colture fuori suolo Con l’ultima operazione, tutti i macroelementi sono stati bilanciati. A questo punto si effettua la riprova della correttezza dei calcoli facendo la somma per ogni elemento, degli elementi apportati con i vari sali e/o acidi e della quantità presente nell’acqua irrigua.

Colture fuori suolo Calcolo dei sali da apportare per il bilanciamento dei micronutrienti Una volta terminato il bilanciamento dei macrocationi, si procede al bilanciamento dei microelementi. Generalmente nel loro bilanciamento non si tiene conto del controione, in quanto le quantità esigue utilizzate non modificano sostanzialmente la concentrazione dei macronutrienti. Generalmente si utilizza dei chelati per l’apporto del ferro e dei sali semplici per l’apporto di tutti gli altri microelementi, pur potendo scegliere anche su composti chelati per l’apporto di Zn, Mn, Cu.

Colture fuori suolo Ferro. 25 μmol/L * 55.85 (p.m. Fe) / 0.06 (% Fe nel chelato EDDHA) / 1000 (fattore di conversione fra μg/L e mg/L) = 23.27 mg/L di chelato di ferro EDDHA al 6%. Boro. 30 μmol/L * 10.80 (p.m. B) / 0.113 (% B nel borato di sodio) / 1000 (fattore di conversione fra μg/L e mg/L) = 2.87 mg/L di borato di sodio. Rame. 1 μmol/L * 63.55 (p.m. Cu) / 0.255 (% Cu nel solfato di rame pentaidrato)/ 1000 (fattore di conversione fra μg/L e mg/L) = 0.25 mg/L di solfato di rame. Zinco. 5 μmol/L * 65.38 (p.m. Zn) / 0.227 (% Zn nel solfato di zinco) / 1000 (fattore di conversione fra μg/L e mg/L) = 1.44 mg/L di solfato di zinco.

Colture fuori suolo Manganese. 10 μmol/L * 54.94 (p.m. Mn) / 0.325 (% Mn nel solfato di manganese) / 1000 (fattore di conversione fra μg/L e mg/L) = 1.69 mg/L di solfato di manganese. Molibdeno. 0.5 μmol/L * 95.95 (p.m. Mo) / 0.397 (% Mo nel molibdato di sodio)/ 1000 (fattore di conversione fra μg/L e mg/L) = 0.12 mg/L di molibdato di sodio.

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Colture fuori suolo CALCOLO DELLE SOLUZIONI STOCK. Con il calcolo della soluzione nutritiva abbiamo ottenuto le quantità di sali e acidi da sciogliere in 1 litro di acqua per trasformarla in soluzione nutritiva. Operativamente non si preparerà mai un litro di soluzione nutritiva, ma ne se prepareranno migliaia di litri. A livello commerciale spesso si utilizzano dei fertirrigatori capaci di effettuare una diluizione di una soluzione madre concentrata (da 50 a 200 volte), in modo che, una volta preparate queste soluzioni, il sistema abbia un’autonomia di almeno 1 settimana.

Colture fuori suolo E’ quindi necessario, una volta conosciuto il volume dei contenitori delle soluzioni stock, procedere al calcolo del quantitativo di fertilizzanti da sciogliere in questi. Per i sali dei macroelementi, il passaggio dalle concentrazioni in mg/l a kg di concimi da utilizzare avviene calcolando un fattore F così definito: F= (concen. della soluzioni stock)*(Litri di soluzione stock)/1.000.000.

Colture fuori suolo Quindi moltiplicando per F le quantità in mg/l dei singoli sali si otterranno direttamente i kg di sale da sciogliere nei contenitori di soluzione madre. Per il calcolo della quantità di acido o di microelementi, il fattore F calcolato per i sali di macroelementi dovrà essere moltiplicato per 1000, poiché si esprime in g e non in kg.

Colture fuori suolo Ad esempio, volendo calcolare le soluzioni stock per la soluzione nutritiva del precedente esempio e ipotizzando un grado di concentrazione pari a 1:200 e contenitori da 500 litri avremo: F = 200 * 500/1000000 = 100000/1000000 = 0.1 acido nitrico: 0.151 ml/L * 0.1 * 1000 = 15,1 litri b) nitrato di calcio: 754.19 mg/L * 0.1 = 75.4 kg; ≅ 75 Kg c) nitrato di ammonio: 24.44 mg/L * 0.1 = 2.4 Kg; ≅ 2.5 Kg d) fosfato monopotassico: 203.75 mg/L * 0.1 =20.4 Kg; ≅ 20 Kg e) solfato di magnesio: 189,92 mg/L * 0.1 = 19.0 kg; ≅ 19 Kg f) nitrato di potassio: 187.81 mg/L * 0.1= 18.8 Kg; ≅ 19 Kg

Colture fuori suolo g) ferro chelato 6%: 23.27 mg/L * 0.1 *1000= 2327 g; ≅ 2300 g h) borato di sodio: 2.87 mg/L * 0.1 *1000 = 287 g; ≅ 300 g i) solfato di rame: 0.25 mg/L * 0.1 * 1000 = 25 g; ≅ 25 g l) solfato di zinco: 1.44 mg/L * 0.1 *1000 = 144 g; ≅ 145 g m) solfato di manganese: 1.69 mg/L * 0.1 * 1000 = 169 g; ≅ 170 g n) molibdato di sodio: 0.12 mg/L * 0.1* 1000 = 12 g; ≅ 12g

Colture fuori suolo Se nella soluzione nutritiva la concentrazione dei vari elementi è tale da prevenire fenomeni di precipitazione, ciò non è più vero quando si preparano le soluzioni stock. I principali problemi che si incontrano sono la precipitazione dei sali a base di calcio con i solfati e i fosfati e la degradazione chimica delle molecole organiche dei chelati del ferro e dei microelementi quando il pH della soluzione stock sia eccessivamente basso in conseguenza dell’aggiunta di acidi.

Colture fuori suolo Per risolvere questi problemi occorre preparare tre soluzioni stock separate denominate soluzione A, B e acida. Volendo semplificare al massimo, è possibile eliminare il contenitore per l’acido, ponendo questo nel contenitore B dove non dovranno essere posti i chelati. Normalmente nel contenitore A si metteranno tutti i sali di calcio, tutti i sali a base di nitrato, il chelato di ferro; nel contenitore B si metteranno tutti i sali a base di solfato (compresi i microelementi), eventualmente l’acido e/o parte dei sali a base di nitrato come nitrato di potassio, o ammonio, in modo da ripartire egualmente la quantità totale di sali da sciogliere nei due contenitori.

Colture fuori suolo Nella preparazione delle soluzioni stock è sempre consigliabile porre l’acqua e aggiungere lentamente ed agitando i sali. Per l’operazione è preferibile utilizzare acqua calda o tiepida, in quanto la solubilità di alcuni sali è ridotta drasticamente dalla bassa temperatura. L’acido per problemi di sicurezza andrà sempre aggiunto all’acqua e non viceversa. I chelati, a causa della loro azione colorante, andranno aggiunti solo dopo essersi accertati della completa solubilizzazione dei sali.