FERTILITA’ BIOLOGICA = DEFINIZIONE FERTILITA’ DEL SUOLO FERTILITA’ FISICA = TESSITURA, STRUTTURA → GIUSTO EQUILIBRIO TRA FASE SOLIDA-LIQUIDA-GASSOSA (POROSITA’) → CIRCOLAZIONE DI ACQUA E ARIA FERTILITA’ CHIMICA = N P K oligolelementi pH → DISPONIBILITA’ ELEMENTI NUTRITIVI FERTILITA’ BIOLOGICA = BIODIVERSITA’ → STABILITA’ ECOSISTEMA MICRORGANISMI UTILI → CICLI DEI NUTRIENTI, MINERALIZZAZIONE/UMIFICAZIONE

TECNICHE AGRONOMICHE PER MIGLIORARE LA FERTILITA’ COMPLESSIVA DEL SUOLO 1. AVVICENDAMENTO/CONSOCIAZIONI 2. LAVORAZIONI 3. PACCIAMATURA 4. APPORTI DI SOSTANZA ORGANICA: fresca, compostata

MECCANISMI D’AZIONE RILASCIO NUTRITIVI residui ricchi di azoto (o composti solforati) DISPONIBILITA’ NUTRITIVI rimobilizzazione elementi (radici profonde) - solubilizzazione fosfati BIODIVERSITA’ - biodiversità microbica (fitopatie radicali) - riduzione infestanti (erbai con più sfalci)   

BILANCIO DELL’AZOTO (kg ha-1) DEL FRUMENTO IN ROTAZIONE CON FAVINO Rotazioni BILANCIO DELL’AZOTO (kg ha-1) DEL FRUMENTO IN ROTAZIONE CON FAVINO ASPORTAZIONI APPORTI NETTI BILANCIO MIN ORG TOT Monosuccessione Frumento 50a 100 +50 Rotazione 89 +11 Favino 85 188* 188 +103 BIENNIO MONOSUCC. 200 +100 ROTAZIONE 174 288 +114 * stima dell’N da azotofissazione (69% dell’N totale assorbito). a= minor produzione Da Fagnano et al., 2003

La copertura del suolo riduce la mineralizzazione 3. RUOLO DELLA PACCIAMATURA La copertura del suolo riduce la mineralizzazione I film plastici limitano anche l’evaporazione del suolo determinando un aumento delle disponibilità idriche I materiali vegetali possono essere anche una fonte diretta di S.O. (prodotti di degradazione) Es. leguminose annuali autoriseminanti: Trifolium spp. (subterraneum, vesciculosum, michelianum, ,…); Medicago spp. (polymorpha, truncatula, scutellata , ....): pacciamatura viva, morta, sovescio, asportazione o pascolo la persistenza delle leguminose e la presenza di infestanti indesiderate, può essere regolata scegliendo le cultivar o modulando il momento e del taglio e la gestione della biomassa

4. APPORTI DI SOSTANZA ORGANICA La frazione idrofila e solubile definita anche non umica (principalmente carboidrati, ma anche acidi aromatici e alifatici, glicolipidi, cere, peptidi, aminoacidi, ac.nucleici): ha importanza rispetto alla struttura solo nel breve periodo; è il principale substrato per la mineralizzazione e quindi sostiene la nutrizione minerale delle colture; trasporta elementi nutritivi anche in profondità: è substrato per i microbi negli aggregati e negli orizzonti profondi (cicli di N e C, es. risintesi di macromolecole); trasporta metalli e protoni (anche metalli pesanti); stabilizza colloidi e aggregati lontani dalla superficie.

La frazione più stabile, definita umica (umina, acidi umici e fulvici), non è composta tanto da grossi polimeri, ma è considerata una struttura sovramolecolare di molecole relativamente piccole legate da una serie di forze idrofobiche e ponti idrogeno: 1. resiste all'aggressione microbica per protezione idrofobica. 2. presenta sulla propria superficie gruppi funzionali, che: - conferiscono al suolo maggiore CSC - consentono la formazione di complessi con le argille o con altre molecole idrofile (S.O. fresca), mediati da cationi polivalenti (Ca++).

I complessi argillo-umici hanno orientati - verso l'interno delle particelle i gruppi carbossilici e fenolici, - verso la superficie esterna delle particelle le componenti idrofobiche (alifatiche e aromatiche)  rivestimento con alta tensione superficiale che riduce l’infiltrazione di acqua (e microbi) 3. conferisce anche alle altre particelle di suolo le proprie caratteristiche idrofobiche proteggendole dalla degradazione e dispersione Stabilità struttura Accumulo di C nel suolo

I materiali freschi si decompongono rapidamente soprattutto se: Apporti di materiali organici I materiali freschi si decompongono rapidamente soprattutto se: - C/N<15-20; - temperatura = 25-37°C; - umidità a capacità di campo (con acqua in <90% dei pori); aerobicità (dipende da tessitura, struttura, porosità, lavorazioni, profondità di interramento); alto contenuto iniziale di sostanza organica. NB. argillosità del suolo può conferire un certo grado di protezione alla S.O. legata

L'inserimento di materiali freschi inoltre può determinare anche problemi alle colture per una serie di fattori: veloce degradazione microbica con riduzione dell'ossigeno e del potenziale redox che può aumentare la mobilità di alcuni metalli in traccia; con rapporto C/N alto, immobilizzazione delle riserve di N del suolo, con C/N basso liberazione di N-NH4,con rischi di tossicità per le piante e di inquinamento delle falde; fitotossicità per la presenza di acidi organici semplici; aumento della salinità; - alterazione degli equilibri della microflora  patogeni.

I pretrattamenti al materiale fresco consentono di ridurne la fitotossicità, distruggerne i patogeni o i semi di infestanti, trasformarlo in un materiale stabile simile all'humus. Compostaggio (biologico, aerobico controllato) dipende da: struttura fisica del materiale, composizione chimica (soprattutto C/N), eventuali aggiunte di additivi, temperatura, pH, umidità, aerazione, durata del compostaggio. sostanze umiche, (acido fulvico e umico): in compost di fanghi reflui dei depuratori, rifiuti solidi urbani, reflui zootecnici, materiali vegetali (erbacei e legnosi) o reflui agro-industriali.

sostanze umiche (anche esogene derivate dal carbone), Sostanza organica e stabilità della struttura. sostanze umiche (anche esogene derivate dal carbone), sostanze idrofobiche non umiche (ac. stearico), - materiali contenti precursori delle componenti idrofobiche (polifenoli e lignina, suberina, acidi grassi a lunga catena, cere, macromolecole alifatiche, terpenoidi, melanina,...), meglio se dopo compostaggio.

 LETAMAZIONE   - prima della lavorazione (deve essere interrato subito), - considerare il coefficiente di umificazione/mineralizzazione - la mineralizzazione è più veloce in primavera - attenzione alle dosi (frazionate dove possibile) - attenzione alle infestanti (letame non maturo) - attenzione al costo (letami essiccati e pellettati) es. 40 t letame  200 kg N, 100 P2O5, 200 K2O se ammettiamo C.M. 50% la disponibilità di N per la coltura successiva sarà di 100 kg di N

Azione lenta: cornunghia, cuoiattoli, laniccio, sovescio graminacee o polifita Azione media: panelli di semi oleosi, vinacce, semi lupino, sovescio leguminose Azione rapida: letami, pollina, carniccio, scleroproteine idrolizzate ? Curve di mineralizzazione Effetto delle diverse matrici sulla dinamica dell’humificazione

APPORTO DI FERTILIZZANTI COMMERCIALI COSTO POCA SPERIMENTAZIONE NON RISOLVONO LE INCERTEZZE SULLA DINAMICA DELLA SOSTANZA ORGANICA MINERALIZZAZIONE: DISPONIBILITA’ DI AZOTO UNIFICAZIONE: EFFETTI SULLA STRUTTURA Es. scleroproteine idrolizzate: 22.7 € q-1 (12.5% N) = 1.8 € kg-1 di N. N disponibile in 3-5 mesi?

(+ N ipogeo = 26 - 100% di N epigeo); Ruolo delle leguminose sulla fertilità del suolo. La loro utilità è dovuta principalmente all'azotofissazione simbiontica: fino a 450 kg ha-1 anno-1 per soia ed erba medica, seguita da favino, lupino, tr. violetto con oltre 300 kg ha-1 anno-1 (+ N ipogeo = 26 - 100% di N epigeo); 2. incorporato della frazione labile della S.O. 3. disponibile per le altre colture (essudati radicali, micorrize vescicolo-arbuscolari (VAM), decomposizione foglie, radici e residui colturali, sovescio). In consociazione = fino a 80 kg ha-1 anno-1 Nell'avvicendamento = fino a > 250 kg ha-1 anno-1 Con sovescio = fino a > 300 kg ha-1 anno-1

SOVESCIO Più economico rispetto alle altre fonti organiche e competitivo con quello minerale (0.60 € kg-1), ma non deve sostituire colture da reddito: ordinamenti irrigui estensivi (mais-pomodoro, mais-tabacco, mais-grano, mais-soia, ...): leguminose microterme (favino, lupino, veccie,…); ordinamenti ortivi in serra: leguminose macroterme (vigna, soia). Altri vantaggi: solubilizzazione P non disponibile (acidi organici e di fosfatasi acide in essudati radicali di lupino e cece); aumento dei coefficienti di umificazione  struttura (es. soia in rotazione da 0.15 a 0.37) - sovesci Polifiti (C/N=30-40): aumento C umificato Vigna sinensis: aumento di azotofissatori liberi trifoglio violetto: capacità erbicida

PERÒ: oltre ai problemi visti per interramento S.O. fresca (in particolare sviluppo Pythium), le previsioni della reale disponibilità di azoto per le altre colture sono molto aleatorie  dipendono da mineralizzazione: fertilità biologica iniziale del suolo, grado di sminuzzamento ed interramento del materiale (umidità al momento del sovescio), temperatura e umidità, disponibilità di ossigeno (tessitura, struttura e lavorazioni consecutive),

CZ = colza FV = favino LI = loiessa OR = orzo PS = pisello TS = tr. squarroso VE = veccia Da Guiducci et al., 2003

Da Guiducci et al., 2003

Favino, pisello e veccia forniscono i più alti apporti di N, sia in purezza sia in consociazione con non leguminose. 2. I tassi di rilascio di N e l’efficienza fertilizzante  C/N e lignificazione: veccia > favino; colza > orzo; leguminose pure > miscugli; interramento precoce > di quello tardivo. 3. Nei migliori sovesci l’unità fertilizzante azotata ha un costo circa doppio rispetto all’urea. 4. La pratica del sovescio appare economicamente sostenibile ,  incassi = 85-95% di quelli massimi con urea. 5. Ulteriori ricerche sulla composizione dei miscugli e sulla densità di impianto sembrano essere necessarie per ottimizzare la pratica da un punto di vista agronomico e per ridurre i costi.

(Es. non ogni anno, ma ad anni alterni) Anche N rimasto nel terreno in forma organica potrà essere soggetto a mineralizzazione e andrà a sommarsi a quello derivato dalle nuove fertilizzazioni, (anche in periodi in cui l'asportazione da parte delle colture non è in grado di intercettarlo). Anche il sovescio deve essere visto con attenzione perché potenzialmente è in grado di apportare quantitativi di azoto eccessivi e pericolosi per l’ambiente. Inserito nei sistemi colturali tenendo conto del bilancio dell'azoto complessivo e di tutti quei fattori specifici (C/N, lignina) ambientali (temperatura e umidità) e colturali (soprattutto lavorazioni) che possono influenzare il ritmo di mineralizzazione. (Es. non ogni anno, ma ad anni alterni)

ANALISI DELLE ESIGENZE DEI SISTEMI COLTURALI - BILANCIO DELL’AZOTO - BILANCIO ISOUMICO

BILANCIO DELL’AZOTO APPORTI - dotazione iniziale di azoto, - N mineralizzabile (massimo in autunno e primavera), - restituzioni colturali, - N nelle deposizioni atmosferiche (10-20 kg ha-1 fino a 40 kg ha-1), - fissazione simbiontica (100-300 kg ha-1 epigei + 50-100% radicali), fertilizzazione. PERDITE - organicazione N solubile (dipende da C/N e gener. 20-40% apporti), - percolazione (acqua di drenaggio x concentrazione nitrati), - erosione (acque di deflusso + terreno eroso x concentrazione N), - N fissato dalle argille (generalmente 5 - 30 kg ha-1), - denitrificazione (massima con surplus idrico e nei suoli argillosi), - asportazione (dipende da altri stress che riducono le produzioni previste)

NELLA STIMA DELLA DINAMICA DELLA SOSTANZA ORGANICA IL BILANCIO UMICO: FATTORI DI INCERTEZZA NELLA STIMA DELLA DINAMICA DELLA SOSTANZA ORGANICA

RAPPORTO C/N IN DIVERSI RESIDUI COLTURALI Sottoprodotti C/N C (%) N (%) Orzo e avena 120-140 45 0.5 Frumento tenero 118-129 Frumento duro 110-130 0.6 Girasole 85-90 40 Mais 60-70 46 0.7 Riso 60-65 43 Tabacco 40-45 42 1.3 Fagioli 29-31 48 1.8 Pomodoro 23-24 Fava 2.5 Patate 18-22 2.0 Piselli 18-19 Bietola 13-17 37

FATTORI CHE INFLUENZANO LA DECOMPOSIZIONE DELLA SOSTANZA ORGANICA AERAZIONE (max in T.Sabbiosi) UMIDITA’ (max a Capacità di Campo) TEMPERATURA (max a 30-35°C) COMPOSIZIONE (max C/N <25) amido>proteine, cellulosa>grassi, lignina -FERTILITA’ SUOLO (biologica e chimica)

Per trasformare materiale con C/N alto (anche 100) C/N SUOLO = 7-25 = in media 10 (50/5) C/N MICROBI = 4-9 = in media 7 (50/7) FABBISOGNO IN AZOTO Per trasformare materiale con C/N alto (anche 100) a humus con C/N = 10 la microflora ha bisogno di N per colmare la differenza

C/N di alcuni materiali organici Residui cereali = 100 Residui mais, girasole = 70 Residui leguminose = 25 Letame maturo = 25 Letame mediam. maturo = 35 Sovescio leguminose = 20 Sovescio polifita = 40 Efficienza conversione microbica 50% Coefficiente isoumico di alcuni materiali Frumento = 0.10 Mais = 0.15 Leguminose = 0.30 Letame mediam. maturo = 0.40 Letame maturo = 0.50 NB. Tutti i dati sono espressi in sostanza organica secca

S.S. S.O. C/N K1 humus % % % % t.q. RESIDUI COLTURALI 18,900 30 % 7 63,00 85,80 pollina secca 12,000 6 40,00 68,80 pollina fresca 9,540 22 31,80 35,40 letame ovino 7,500 31 25,00 28,00 letame suino 7,900 23 26,30 30,00 letame equino 4,920 29 16,40 22,00 letame bovino FERTILIZZANTI 17,000 20 % 86,25 89,00 farina vinaccioli 86,50 90,00 bucce pomodoro 13,700 32 68,55 91,51 sansa olive 13,200 95 66,00 85,00 piante sorgo secco 11,000 30 55,00 piante girasole 12,600 15 % 63 83,99 88,50 paglia segale 12,170 87 81,14 86,40 paglia orzo 12,418 111 82,79 88,91 paglia grano 12,036 100 80,64 87,00 paglia avena 52 76,63 84,40 residui di mais 15,326

S.S. S.O. C/N K1 humus % % % % t.q. MATERIALI VERDI erba medica 19,60 17,97 16 25 % 4,492 prato stabile 17,56 15,76 19 20 % 3,150 erbaio avena 13,94 12,39 22 20 % 2,478 Residui bietola 13,64 11,87 21 25 % 2,967 erbaio colza 8,34 6,97 12 25 % 1,742 erbaio loietto 18,65 17,09 30 20 % 3,418 erbaio mais ibrido 12,58 11,73 37 20 % 2,346 erbaio autunnale 12,07 10,78 15 25 % 2,692 erbaio orzo 13,65 12,39 22 20 % 2,476 erbaio pisello 13,01 12,10 15 25 % 3,025 erbaio segale 14,09 12,77 18 20 % 2,554 erbaio sorgo ibrido 18,07 17,05 61 20 % 3,410 erbaio veccia 13,85 12,75 15 25 % 3,187 erbaio tr. incarnato 11,02 10,30 16 25 % 2,500 erbaio vigna sinen. 11,47 10,13 15 25 % 2,500 MATERIALI SECCHI fieno di medica 82,77 74,38 17 25 % 18,595 fieno prato 84,03 74,88 20 20 % 14,970

APPORTI DI ELEMENTI MINERALI CON I RESIDUI COLTURALI Sottoprodotti S.S. t ha-1 N P2O5 Kg ha-1 K20 Paglia orzo e avena 6-7 30-40 10-20 90-100 Paglia frumento tenero 6-7 30-40 10-20 90-100 Paglia frumento duro 5-6 30-40 10-20 90-100 Residui di girasole 5-10 25-50 10-20 100-200 Stocchi tutoli mais 7-13 50-100 20-30 200-230 Paglia riso 4-8 30-60 10-20 100-200 Residui di tabacco 3-4 40-50 15-30 40-60 Residui di fagioli 2-3 40-50 10-20 30-60 Residui di fava 4-5 80-100 20-40 60-80 Residui di piselli 3-4 60-80 20-30 40-60 Foglie colletti bietola 3-4 70-100 30-40 75-100 In irpinia: 10 t/ha s.s. x 2.5% N = 250kg/ha di N ESEMPI DI CALCOLO

Sapendo che C/N humus = 50/5 = 10; C/N biomassa microbica = 50/6 = 8 Residuo frumento Q = 6000 kg/ha, C/N =120, C = 45%, N=0.5 % C apportato = 6000 * 0.45 = 2700 kg/ha C incorp. nella biomassa microbica = 2700*0.50 = 1350 kg/ha N richiesto dai microbi = 1350/8 = 169 kg/ha N apportato dalla paglia = 2700 * 0.5/100 = 14 kg/ha % della paglia umificabile = 14/169 =8% Deficit di azoto = 169-14 = 155 kg/ha PER COMPENSARE LO SQUILIBRIO DOVUTO ALL’ECCESSO DI CARBONIO SAREBBERO NECESSARI CIRCA 150 kg/ha DI AZOTO

Fabbisogno di N = 45-30 = 15 kg/ha Nel breve periodo però non tutta la sostanza organica sarà degradata ma solo una quota (coeff. Isoumico) che può variare non solo in funzione del materiale, ma anche delle condizioni pedo-climatiche. Es. K1 = 0.10 N apportato = 6000 * 0.5/100 = 30 kg/ha Humus prodotto in 1 anno = 6000 * 0.10 = 600 kg/ha N contenuto nell’Humus = 600*5/100 = 30 kg/ha Fabbisogno di N = 30-30 = 0 Es. K1 = 0.15 Humus prodotto in 1 anno = 6000 * 0.15 = 900 kg/ha N contenuto nell’Humus = 900*5/100 = 45 kg/ha Fabbisogno di N = 45-30 = 15 kg/ha

SONO TUTTI NUMERI EMPIRICI - chi ci dice che in anno solo il 10 o 15 % della paglia interrata sarà umificata??? e perché non il 20 o 30%???? In quali condizioni (T, Umidità, Areazione,….) è 10% ed in quali altre il 30%??? PURTROPPO NON C’E’ STATA ADEGUATA ATTIVITA’ DI RICERCA PER OTTENERE INFORMAZIONI PIU’ PRECISE

Residui leguminose: + assorbimento e mineralizzazione N, produzione Kumar e Goh, 2002 Residui leguminose: + assorbimento e mineralizzazione N, produzione Residui graminacee: apporto N limitato, ma meglio della rimozione I residui vanno interrati: pacciamatura crea problemi alla germinabilità della c. successiva, bruciatura non serve Ruolo delle radici importante: % s.s. totale % N totale Trifoglio 34 26 Pisello 24 26 Loietto 27 38 Grano . 16 33 .

ALTRI ESEMPI DI CALCOLO Dati : 50 cm strato attivo, da =1.2, s.o.=2%, K2 =2 10.000 m2 * 0.5 m = 5000 m3/ha 5000 m3 * 1.2 t/m3 = 6000 t/ha 6000*2/100 = 120 t/ha 120 *2/100 = 2400 kg/ha Che corrispondono a letame (k1=0.4; s.s. =50%) 2400/0.4/0.50 = 12000 kg/ha = 120 q/ha Nel bilancio di un sistema colturale considerare anche i residui colturali

Coefficiente di mineralizzazione K2 1.0 molto argilloso (arg>40%) 1.5 argilloso 1.8 medio-argilloso 2.0 media costituzione 2.2 medio-sabbioso 2.5 molto sabbioso In realtà dipende anche da pH, calcare, lavorazioni, fertilità iniziale, temperatura, umidità,… K2=1200/[ (argilla+20)*(calcare+20) ] Formula empirica di Remy e Martin-la Fleche (1974) NB - in Italia i valori possono essere molto più alti (perché 1200 e non 1300???), - in serra possono arrivare fino a 4-5 %

da Sostanza organica: conti e bilanci di Enos Costantini, AGRICOLTURA BIOLOGICA – 9

STIMA DELLA DISPONIBILITA’ DI AZOTO OLTRE ALLE INCERTEZZE SUI VALORI DEL K2, C’E’ IL PROBLEMA DELLA DINAMICA DI MINERALIZZAZIONE IN RELAZIONE ALLE CAPACITA’ DI ASSORBIMENTO DELLE COLTURE