Daniela Lippi e Maria Rita De Paolis Consiglio Nazionale delle Ricerche Corso di formazione integrata scientifica e tecnologica (A.S. 2002/03) http://usr-lazio.artov.rm.cnr.it/fiset2002/ Modulo 6: Aspetti chimico-fisici e biologici dell’ambiente "suolo" Daniela Lippi e Maria Rita De Paolis Istituto di Biologia Agroambientale e Forestale Area della Ricerca di Roma1 “Montelibretti” - lippi@ibaf.cnr.it

Calendario degli incontri del modulo 6: Aspetti chimico-fisici e biologici dell’ambiente "suolo” 1. Ecosistema suolo 06/02 Artov 1. Ecosistema suolo 06/02 Artov 2. Pedogenesi 20/02 Mlib 3. Turnover della sostanza organica nel suolo 27/02 Mlib 4. Ecologia delle popolazioni microbiche del suolo 06/03 Mlib 5. Ciclo dell’Azoto 13/03 Mlib 6. Ciclo del Carbonio 20/03 Mlib

Aspetti chimico-fisici e biologici dell’ambiente "suolo" 2. Pedogenesi Parte teorica Esperienze di laboratorio  Definizione di suolo  Campionamento del suolo  Analisi qualitative  Fasi del suolo Granulometria Permeabilità Acidità Calcare Presenza di N, P, K  Processi pedogenetici  Orizzonti del suolo  Classificazione-Tipo

Definizione e caratteristiche del suolo 2. Pedogenesi Definizione e caratteristiche del suolo Il suolo è lo strato più superficiale della crosta terrestre E’ un insieme di sostanze organiche e minerali ( 50% del volume)  E’ un sistema complesso, eterogeneo di tre fasi: solida, liquida e gassosa.  E’ un compartimento di un ecosistema più generale, è un sistema aperto con un continuo scambio energetico interno ed esterno  E’ una interfaccia molto delicata dell’ecosfera, difficile e costosa da rinnovare  E’ un importante filtro biologico  E’ la parte esplorata dalle radici e nella quale operano i microrganismi  Viene suddiviso in: Strato attivo (eluviale) 30-40 cm Strato inerte (illuviale) Sottosuolo

Fasi del suolo Solida Liquida Gassosa 2. Pedogenesi Sistema eterogeneo complesso costituito da tre fasi (polifasico) Solida Liquida Gassosa Componente organica non vivente 5% Componente inorganica 45% Scheletro - non disgregato -  2mm Particelle (Si, Ca, Al, Mg, K, Fe) Terra fine Sabbia Limo Argilla Tessitura o composizione granulometrica Struttura Granulare Poliedrica Prismatica Lamellare Terreni privi di struttura: mancanza di cementanti eccesso di cementazione

Proprietà fisiche dei suoli Granulometria particelle grossolane = sabbia grossa   0,2 mm sabbia fine 0,2 mm  0,02 mm particelle fini = limo 0,02 mm   0,002 mm particelle finissime = argilla   0,002 mm Tessitura percentuale delle diverse frazioni granulometriche Struttura come sono legate tra loro le particelle e come sono disposti i pori Porosità volume dei pori compreso tra 40 e 60% Permeabilità volume d’acqua defluito da un volume noto di suolo nell’unità di tempo. Dipende da: Umidità quantità di acqua che viene trattenuta (con diverse modalità) Aerazione % d’aria che varia in funzione della tessitura e dell’umidità. Calore specifico e conducibilità termica

Triangolo delle tessiture La percentuale delle diverse frazioni granulometriche determina diversi tipi di terreno:  argilloso  limoso Argilla Sabbia Limo argilloso limoso franco-argilloso franco franco-limoso -argilloso sabbioso -franco franco-sabbioso franco-sabbioso-argilloso argilloso sabbioso 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10  sabbioso e diverse loro combinazioni Franco: questo termine indica una tessitura in cui non c’è prevalenza di alcuna classe granulometrica sulle altre.

Proprietà chimiche dei suoli Composizione chimica degli strati solidi Soluzioni ioniche e colloidali - Gas presenti Sostanza organica - Humus Potere assorbente capacità di trattenere le sostanze disciolte pH può variare da 5,5 a 8,5 per il terreno agrario dipende da umidità, clima, tipo di substrato Potere tampone capacità di evitare eccessive variazioni di pH Reattività delle particelle limo e argilla sono molto più "reattivi" della sabbia, per il numero maggiore di cariche, prevalentemente negative O OH Al Si 10 Å

 Falda Liquida Fasi del suolo Solida Gassosa Precipitazioni Acqua come soluzione circolante di sali, gas e colloidi (25%)  Falda Acqua gravitativa o di percolazione Acqua capillare Punto di appassimento Acqua igroscopica Acqua di cristallizzazione Capacità di ritenzione massima = rappresenta il massimo volume di acqua presente in un suolo e corrisponde alla condizione in cui tutti i pori sono pieni. Capacità di campo = corrisponde alla somma dell'acqua capillare e quella igroscopica: acqua che resta dopo lo svuotamento dei macropori.

Gassosa Fasi del suolo Solida Liquida L’aria tellurica (25%) occupa i macropori di   8 ed è composta dagli stessi elementi dell’aria atmosferica: N2, O2, CO2, gas nobili. Le percentuali di alcuni gas sono diverse da quelle dell’atmosfera: O2 percentuale minore, limitante CO2 % maggiore, 0,3 - 3% ; 5 - 10% nella rizosfera, e fino al 20% In anaerobiosi sono presenti CH4, H2S, NH3…….

Le proprietà dei suoli sono determinate, in via teorica, da 5 fattori: Processi pedogenetici 2. Pedogenesi pédon = suolo, terreno + génesis = generazione Ciclo di formazione e di trasformazione del suolo, che ha inizio con l’alterazione della roccia madre, causata da diversi agenti, e giunge alla formazione di composti minerali solubili. Il suolo è una struttura dinamica che ha, nel tempo, una origine una vita una fase terminale Evoluzione progressiva “Climax” = equilibrio stabile del suolo e della flora Evoluzione regressiva In seguito alla rottura di un equilibrio Le proprietà dei suoli sono determinate, in via teorica, da 5 fattori: Roccia madre Topografia Clima Bioma Tempo

Fasi della formazione di un suolo I. Il basamento roccioso inizia a disintegrarsi per azione dei cicli di gelo e disgelo, della pioggia e di altri fattori ambientali II. La roccia si trasforma in materiale incoerente, che a sua volta si decompone in particelle minerali più fini III. I microrganismi presenti contribuiscono alla formazione del suolo favorendo la degradazione della materia organica e la differenziazione del suolo in orizzonti IV. Infine si raggiunge lo stadio in cui il suolo può sostenere una fitta vegetazione

La pedogenesi comprende diverse fasi 1. Disgregazione fisico-meccanica della roccia madre Particelle 2. Decomposizione chimica e biochimica Decomposizione 3. Lisciviazione se prevale Evoluzione regressiva 4. Erosione superficiale Depauperamento di sostanze organiche 5. Assorbimento radicale e microbico Cicli nutritivi 6. Decomposizione residui organici Diretta 7. Humificazione 8. Mineralizzazione della sostanza organica Indiretta

Principali agenti della disgregazione Fisico-meccanici Chimici e biochimici Acqua corrente Az. idrolizzante Acqua Vento Az. idratante Ghiacciai Acqua e CO2 Az. solvente Crioclastismo Ossigeno Termoclastismo Organismi viventi Radici vegetali

Orizzonti (profilo pedologico) 2. Pedogenesi Orizzonti (profilo pedologico)  Profilo del suolo è una sezione trasversale di un suolo maturo.  Orizzonte è ogni strato nel profilo, individuato dal cambiamento del colore e dell’aspetto generale. O Organico suddiviso in O1 = lettiera O2 = residui decomposti A Attivo (eluviale) humus, organico-minerale E Transizione particelle minerali B Inerte (illuviale) processi anaerobici, radici C Substrato pedogenetico alterato R Roccia madre

Classificazione dei suoli (un esempio) Questa classificazione definisce le sue classi in base alle caratteristiche morfologiche e di composizione dei suoli, su dati quantitativi e stabilisce una gerarchia di sei categorie: Ordini; Sottordini; Grandi Gruppi; Sottogruppi; Famiglie; Serie (fino a 11000 numeri di classi riferiti a suoli degli Stati Uniti). Gli ordini sono distinti da alcuni fattori: 1. la composizione grossolana, organica e minerale, e la tessitura; 2. il grado di evoluzione degli orizzonti; 3. la presenza o assenza di certi orizzonti; 4. un indice del grado di alterazione dei minerali del suolo. ORDINI Alfisuoli La sillaba alf deriva da al e fe, simboli di alluminio e ferro Andisuoli Japan. Ando, suolo scuro Aridosuoli Lat. Aridus, secco Entisuoli La sillaba ent può stare per recente Istosuoli Gr. Histos, tessuto Inceptisuoli Lat. Inceptum, inizio o principio Mollisuoli Lat. Mollis, molle, soffice Oxisuoli Oxi abbreviazione di ossido Spodosuoli Gr. Spodos, cenere di legno Ultisuoli Lat. Ultimus, ultimo Vertisuoli Lat. Vertere, invertire

Campionamento del suolo 2. Pedogenesi Campionamento del suolo Sul suolo si possono effettuare numerose analisi chimico-fisiche e biologiche In base alla finalità, le analisi del suolo vengono raggruppate in: 1. Analisi di caratterizzazione 2. Analisi di controllo 3. Analisi di diagnostica comparativa Al fine di ottenere un campione omogeneo e rappresentativo è necessario: 1. Definire l’epoca del campionamento 2. Individuare la zona di campionamento 3. Definire il numero e la ripartizione dei campioni (sub-campioni) 4. Stabilire la profondità e le modalità di esecuzione del prelievo 5. Formare il campione globale (campione mediato) da sottoporre ad analisi

Attrezzatura per il prelievo dei campioni Lo strumento più idoneo utilizzato per il prelievo del terreno è la trivella a sonda o carotatrice Inoltre sono necessari: Secchi per riporvi i campioni Telo di plastica Sacchetti di nylon Etichette

2. Individuazione della zona di campionamento 1. Epoca del campionamento varia in funzione delle finalità delle analisi. Es. Per valutare la fertilità del suolo ai fini della concimazione, è preferibile prelevare i campioni almeno 4 mesi dopo l’ultimo apporto di concimi o ammendanti oppure nel periodo successivo la raccolta del prodotto 2. Individuazione della zona di campionamento La scelta della zona da campionare è finalizzata al tipo di analisi Legenda: 1) Zona di campionamento 2) Area da non campionare 3) Bordi 4) Aree da non campionare 5) Unità di campionamento 6) Campione elementare  Analisi di caratterizzazione la zona da campionare deve avere caratteristiche il più possibile omogenee nell’aspetto fisico, rispetto alle fertilizzazioni e alla copertura vegetale spontanea o coltivata  Analisi di controllo le zone da campionare devono aver subito delle perturbazioni o alterazioni

3. Numero e ripartizione dei campioni elementari o sub-campioni Il numero dei campioni deve essere tale da poter effettuare un’analisi statistica in grado di fornire informazioni sull’accuratezza dei dati ottenuti nelle analisi Esistono diverse modalità di campionamento: Campionamento sistematico Campionamento non sistematico a X o a W Campionamento irregolare o random Legenda 3) Bordi 4) Aree da non campionare 5) Unità di campionamento 6) Campione elementare Campionamento sistematico La zona da campionare viene suddivisa idealmente in unità di campionamento secondo un reticolo di maglie di dimensione opportuna in relazione alla superficie da campionare. Il prelievo deve essere evitato lungo i bordi della zona di campionamento e nelle zone che presentano anomalie A) Suddivisione della zona da campionare B) Reticolo di dimensioni opportune C) Unità di campionamento D) Prelevamento casuale del campione

Campionamento non sistematico a X o a W Legenda 3) Bordi 4) Aree da non campionare 6) Campione elementare I prelievi dei campioni elementari si effettuano lungo un percorso tracciato sulla superficie da investigare, ponendo delle immaginarie lettere X o W I risultati ottenuti da questo tipo di campionamento sono meno dettagliati in quanto la superficie del campionamento è meno estesa Campionamento irregolare o random I prelievi si effettuano in aree scelte secondo numeri ricavati dalla tabella dei numeri casuali, riportata nei manuali di statistica. I numeri devono corrispondere a precise sezioni numerate della zona da campionare suddivisa in unità di campionamento

4. Profondità e modalità di esecuzione del prelievo La profondità del prelievo dipende dalle caratteristiche del terreno Nei terreni arativi è preferibile effettuare il prelievo alla massima profondità di lavorazione del suolo Nei terreni a prato o a pascolo il prelievo deve essere effettuato alla profondità interessata dalla maggior parte delle radici 5. Formazione del campione globale (campione mediato) da sottoporre ad analisi Per analisi di caratterizzazione, i campioni prelevati devono essere miscelati in modo da rendere il terreno omogeneo Per analisi di controllo, i campioni prelevati devono essere mantenuti e analizzati separatamente Il campione mediato finale viene posto in sacchetti di nylon, chiusi ed etichettati. Nell’etichetta devono essere riportate tutte le informazioni riguardanti il campione: la data del prelievo, la profondità, i riferimenti geografici della zona campionata, etc…..

Analisi qualitative di un campione di suolo 2. Pedogenesi Analisi qualitative di un campione di suolo 1. Esame granulometrico 2. Valutazione della permeabilità 3. Acidità del suolo 4. Determinazione del calcare 5. Determinazione della fertilità del terreno: presenza dei microelementi azoto, fosforo e potassio (N, P, K)

Esame granulometrico  Sospendere 100 g di terreno in 500 ml di acqua ed omogenizzare con una bacchetta di vetro H2O  Lasciare decantare per 24 ore a temperatura ambiente in un cilindro graduato chiuso con parafilm, per evitare l’eventuale evaporazione dell’acqua Legenda 1. Sabbia: particelle distinguibili (20% in volume) 2. Sabbia fine: particelle poco distinguibili (30% in volume) 3. Strato omogeneo: limo o argilla ( 50%in volume) 4. Sottile strato di surnatante organico (humus)  Valutare gli strati granulometrici esprimendo le frazioni sedimentate come percentuale in volume

Valutazione della permeabilità  Prendere una bottiglia di plastica, privarla del fondo ed appoggiarla capovolta in un treppiede  Chiudere l’imboccatura con una garza ripiegata due volte e fissata con un elastico  Mettere il terreno nella bottiglia fino a raggiungere un’altezza di 15 cm  Versare 200 ml d’acqua nella bottiglia e raccogliere per gocciolamento l’acqua gravitazionale in una capsula Petri posta sotto la bottiglia  Calcolare la differenza tra il volume d’acqua versata e quello d’acqua filtrata. Il volume ottenuto (acqua capillare) rappresenta percentualmente la capacità di campo: maggiore è la capacità di campo, più basso è il grado di permeabilità del campione del terreno

Determinazione del calcare Acidità del suolo Cartina tornasole H2O  Mettere 20 g di terreno in un bicchiere da 100 ml, aggiungere 50 ml di acqua e agitare per 30 minuti. Lasciare depositare il terreno, misurare il pH sul liquido sovrastante con una cartina indicatrice o con un pHmetro, preferibilmente dopo 24 ore. Determinazione del calcare Effervescenza, CO2 HCl 1N  Mettere pochi grammi di terreno in una capsula Petri, aggiungere con un contagocce acido cloridrico 1N. In presenza di carbonato di calcio si osserva sviluppo di anidride carbonica per la seguente reazione chimica: CaCO3 + 2HCl CaCl2 +H2O + CO2

Determinazione della fertilità del terreno - presenza dei microelementi: azoto, fosforo e potassio (N, P, K) Mettere 10 g di terreno in un bicchiere e aggiungere 100 ml di acqua leggermente acidificata. Riscaldare, agitare per 15 minuti e filtrare. Ricerca dell’azoto nitrico (NO3) Mettere 2 ml di filtrato in una provetta e aggiungere ugual volume di acido solforico concentrato. Raffreddare e cautamente aggiungere una soluzione di solfato ferroso. In presenza di azoto nitrico si forma un anello bruno. Ricerca dell’azoto ammoniacale (NH4+) Mettere 2 ml di filtrato in una provetta, aggiungere eccesso di idrossido di sodio e riscaldare. I vapori che si liberano emettono l’odore di ammoniaca ed esposti ad una cartina al tornasole la colorano di blu.

Ricerca dei fosfati solubili (PO4--) Mettere 2 ml di filtrato in una provetta, acidificare con poche gocce di acido nitrico concentrato, aggiungere ugual volume di una soluzione di molibdato di ammonio e riscaldare. La formazione di un precipitato giallo indica la presenza dello ione fosfato. Ricerca del potassio (K+) Mettere 2 ml di filtrato in una provetta, aggiungere una soluzione di acetato di sodio ed una soluzione di acido tartarico. La formazione di un precipitato bianco indica la presenza di potassio.