Chimica del suolo Testo di Riferimento Soil Chemistry

Chimica del suolo Testo di Riferimento: Soil Chemistry di Strauss, Bohn, et al. Suolo in Greco si dice Greco 1. Pedon, da cui PEDOLOGIA, la descrizione Pedon naturalistica del suolo senza funzioni economiche 2. Edaphos, da cui EDAFOLOGIA, la Edaphos descrizione delle funzioni atte a sostenere la crescita vegetale e la loro resa economica

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

Le funzioni naturali del suolo 1. La base della vita e habitat per l’uomo, gli animali, le piante ed i microorganismi 2. Una componente dei sistemi naturali specialmente attraverso i cicli nutritivi ed idrologici 3. Il mezzo della decomposizione, attenuazione e trasformazione dei composti organici naturali e xenobiotici, attraverso le sue proprietà di filtro, tampone ed attività chimica e biochimica. 4. Il serbatoio di riserva del carbonio organico nella biosfera Il concetto di sostenibilità impone di proteggere e ricostituire le funzioni del suolo.

COSA E’ IL SUOLO Il suolo è un corpo naturale formatosi nel corso di 100. 000 -200. 000 anni dall’interazione di cinque fattori: 1. Clima (temperatura, piovosità, vento) 2. Topografia (Pendenza, esposizione) 3. Attività biologica (Microflora e microfauna) 4. Roccia madre 5. Tempo

Il Clima Il fattore pedogenetico più importante, con il parametro umidità legato all’acqua che partecipa alla maggioranza dei processi fisici, chimici e biologici del suolo, ed il parametro temperatura che influenza la velocità dei processi chimico-fisici e biologici nel suolo. ZONE CLIMATICHE Freddo Umido Freddo Secco Nevi e ghiacciai perenni Tundra (Inceptisuoli) Taiga (Spodosuoli) Arido Semi-arido Subumido Umido Molto Umido Erbe del deserto Steppa Prateria Foresta Tropicale Airidisuoli Mollisuoli Xerici Mollisuoli Udici Spodosuoli; Alfisuoli; Ultisuoli; Oxisuol Caldo secco Caldo Umido

ATTIVITA’ BIOLOGICA PIANTE. Sono fonte di sostanza organica. Apporto attraverso: 1. lo scambio dei processi metabolici delle radici con il suolo, 2. Materiale cellulare che fuoriesce dalla cellule vegetali post-mortem. MICROORGANISMI. Tutti (batteri, funghi, attinomiceti). Influenzano la decomposizione e la sintesi dei componenti organici ed inorganici del suolo. MICRO E MACRO FAUNA. (nematodi, lombrichi, etc, ) influenzano la pedogenesi e la fertilità del suolo con i loro movimenti e con la secrezione di materiale organico

EVOLUZIONE DI SUOLI DA DIVERSE ROCCE MADRI E VEGETAZIONI NATURALI Sotto foresta Sotto prateria

CLIMA UMIDO TEMPERATO CLIMA UMIDO TROPICALE Spodosuolo Forestale Oxisuolo

TOPOGRAFIA La quota, l’esposizione, la pendenza del suolo influenzano: Relazioni suolo-acqua Profondità della falda Erosione Microclima Sviluppo vegetativo Modificazioni di temperatura Morfologia del suolo

TEMPO Influenza l’alterazione dei minerali della roccia madre e il grado di evoluzione dei suoli. Tuttavia, suoli giovani con rocce madri porose e condizioni pedogenetiche aggressive possono avere profili ben sviluppati, mentre suoli anziani possono essere meno differenziati. SUOLI RECENTI. Formatisi nelle condizioni climatiche ancora dominanti e quindi vicini alla stabilità (CLIMAX). SUOLI RELITTO. Hanno raggiunto il Climax in epoche passate e sono modificati da nuovi condizioni climatiche. SUOLI SEPOLTI. Ricoperti da accumuli hanno interrotto il processo evolutivo e mantengono le loro proprietà. La datazione dei suoli si fa con misure di radiodatazione al 14 C che nei vegetali metabolicamente attivi è 1. 85 x 10 -10 del C totale 14 C 14 N t 1/2 = 5730± 40 anni

A 2. Zona di eluviazione o lisciviazione da dove vengono rimossi per drenaggio verso il basso, i componenti chimici del terreno B 2. Zona di illuviazione o accumulo dove si depositano i costituenti chimici del terreno provenienti dagli orizzonti superiori. Roccia Madre La generalizzazione di un profilo di suolo riguarda i suoli minerali in cui la sostanza organica (SO) non supera il 1 -10%. Il suoli organici torbosi, lacustri e paludosi arrivano a 80 -95% di SO. Questi suoli, una volta drenati, sono molto fertili, specialmente per orticole.

Il suolo a. Formazione e morfologia (pedologia) b. Componenti 1. Minerali argillosi 2. Sostanza Organica e sostanze umiche 3. Acqua c. Proprietà 1. Tessitura e densità 2. Area superficiale, capacità di scambio, attività biologica 3. Micro- e macroaggregati e stabilità 4. Potenziale redox

Il suolo è una matrice complessa per la presenza contemporanea di tre fasi chimico-fisiche (gas, liquido, solido) ed una quarta biologica (la biomassa). Rappresentazione schematica (ed arbitraria) della composizione di un suolo Franco-limoso (silt-loam) al grado ottimale di umidità per la crescita vegetale

COMPONENTI DEL SUOLO Minerali-Molto grossolani (pietrisco-gravel), grossolani (sabbiasand), fini (limo-silt), molto fini (argilla-clay). Sostanza Organica- Materiale vegetale indecomposto o parzialmente decomposto, humus, biomassa. Acqua-Rappresenta la soluzione circolante del suolo contenente i Sali disciolti. E’ trattenuta nei pori del suolo con una forza inversamente proporzionale alla quantità presente. Aria- Alta umidità, CO 2 centinaia di volte maggiore del 0. 035% (350 ppm) dell’aria atmosferica, O 2 del 10 -12% (circa 21% nell’atmosfera).

TESSITURA O DIMENSIONI GRANULOMETRICHE DEL SUOLO Caratteristiche tessiturali dei suoli in funzione della distribuzione delle particelle a diverse dimensioni sabbia=sand; limo=silt; argilla=clay

Tessitura • La percentuale in peso di sabbia, limo ed argilla in un campione di suolo. • E’ essenziale per comprendere le potenzialità del suolo ed adottare misure di conduzione • La tessitura del suolo non cambia in campo ma può essere variata miscelando campioni di suolo in vasi.

• La tessitura del suolo è il singolo parametro fisico più importante del suolo. La sola conoscenza della tessitura permette di ottenere informazioni su: • 1) il potenziale di flusso idrologico • 2) la capacità di ritenzione idrica • 3) il potenziale di fertilità • 4) l’attitudine ad usi urbani come la capacità di sostenere peso.

Diametro delle Particelle • Il diametro delle particelle di suolo che determinano la tessitura esplora 6 ordini di grandezza: – Massi rocciosi e pietre: fino a 2 m – Frammenti grossolani: > 2 mm – Sabbia: < 2 mm a 0. 05 mm – Limo: < 0. 05 mm a 0. 002 mm – Argilla: < 0. 002 mm

• > 2 mm • Pietrisco, sassi e massi • Non viene considerata una frazione parte del terreno fine (la tessitura si riferisce solo alla frazione fine: sabbia, limo, argilla). • Massi lasciati da un giacciaio (comune nel nord Europa e Nord America). Frammenti Grossolani

• < 2 mm a > 0. 05 mm • Visibile senza microscopio • Forma tonda o angolare • I grani di sabbia sono composti da quarzo se bianchi, da molti altri minerali se marroni. • I grani di sabbia nel suolo possono esserre marroni, gialli o rossi perchè ricoperti da ossidi di Fe e/o Al. Sabbia

Sabbia • Area superficiale specifica molto bassa • Adsorbe molto meno nutrienti vegetali delle particelle di suolo più piccole. • Lo spazio vuoto tra le particelle di sabbia permette un buon drenaggio d’acqua e lo scambio di gas. • Ritiene poca acqua e induce i suoli alla siccità

Limo • < 0. 05 mm a > 0. 002 mm • Invisibile se non al microscopio ottico • Il quarzo è spesso dominante perchè gli altri minerali sono stati degradati.

Limo • Le dimensioni più piccole favoriscono una rapida degradazione dei minerali non-quarzici. • Le dimensioni più piccole ritengono più acqua (umidità del suolo) e favoriscono un drenaggio più lento rispetto alla sabbia. • Facilmente asportabile dal ruscellamento dell’acqua sul suolo. Molto erosivo. • Adsorbe più nutrienti della sabbia.

Argilla • < 0. 002 mm • Dischi piatti o piccoli grani • Le piccole particelle argillose sono colloidali – Se sospese in acqua non flocculano • Alta area superficiale – un cucchiaio di argilla = campo di calcio

Argilla • Lo spazio occupato dai pori è molto piccolo e ramificato – Il movimento di acqua ed aria è molto lento • Capacità di ritenzione idrica – Altissima-spesso l’acqua contenuta nelle argille è così strettamente adsorbita da non essere disponibile alle piante. • La rigonfiabilità/sgonfiabilità delle argille influenza la stabilità di edifici, strade e mura. • L’adsorbimento di composti chimici è molto alto.

Classi Tessiturali • Suoli sabbiosi (grossolani) – Sabbia fine – Sabbia molto fine • Suoli franchi (loamy) (medii) • Suoli argillosi (clayey) (fini)

I suoli sono identificati in base alle classi tessiturali le quali esprimono la distribuzione della granulometria. La parola inglese “loam” in italiano si rende con “franco”

La Tessitura del Suolo Descrive la distribuzione delle dimensioni delle particelle solide del suolo. E’ una caratteristica stabile del suolo e determina molte delle sue proprietà chimico-fisiche. Le dimensioni delle particelle sono fissate arbitrariamente in funzione delle classificazioni adottate: la più usata è quella Internazionale dell’Unione delle Società di Scienza del Suolo (IUSS).

Distribuzione percentuale delle dimensioni di particelle di suolo in diversi suoli

Triangalo Tessiturale

Suoli Sabbiosi • Tessitura grossolana – Sabbiosi – Franco sabbiosi

Suoli Sabbiosi Franchi • Moderatamente grossolani – Sabbiosi Franchi – Franco sabbioso fine

Suoli Franchi- Grossolani • Tessitura media – Sabbiosi Franchi molto fini – Franchi – Franco limosi – Limosi

Suoli Franchi - Fini • Tessitura moderatamente fine – Sandy clay loam – Clay loam – Silty clay loam

Suoli Argillosi (Clayey) • Tessitura Fine – Silty clay – Clay – Sandy clay

Variazione della Tessitura del Suolo • La Tessitura è una proprietà costante di un suolo. Essa può essere cambiata solo con la miscelazione con un altro suolo a tessitura diversa.

Variazione della Tessitura del Suolo • Solo su lunghi periodi di tempo (migliaia d’anni), I processi pedologici alterano le tessitura degli orizzonti di suolo. • Durante l’invecchiamento dei suoli, la sabbia si degrada a limo e il limo in argilla. I suoli più antichi sono più argillosi.

Traslocazione dell’argilla =formazione degli orizzonti B • L’argilla subisce il fenomeno di traslocamento verso gli orizzonti più profondi di un suolo, i quali sono generalmente più argillosi degli orizzonti superficiali. • I cosiddetti orizzonti ‘Argillici’ si formano per l’accumulo di argilla di eluviazione. Argillic =

Profilo. Tessiturale di un suolo • La curva del % di argilla dalla superficie alla roccia madre rivela l’aumento dell’argilla in profondità. Argillic =

Determinazione della Tessitura del Suolo L’analisi granulometrica di limo ed argilla si effettua con il metodo della pipetta o quello densimetrico, dopo eliminazione della SO e dispersione in liquido. Si sfrutta la legge della sedimentazione di STOKES: La velocità di caduta di un grave, supposto sferico, di raggio r e densità D, dipende dalla densità d e viscosità η del liquido in cui il grave sedimenta. La velocità di sedimentazione di una particella è proporzionale al quadrato del suo raggio. Le particelle più grandi sedimentano più velocemente

Metodo all’Idrometro • La densità dell’acqua (dovuta alle particelle di suolo sospese) sostiene l’idrometro. • La profondità di immersione dell’idrometro dopo 40 secondi dall’immersione (misura 1) determina il contenuto di limo+argilla in sospensione. • Se si sottrae il valore ottenuto della lettura al peso totale del suolo, si ottiene il peso della sabbia. • Oppure: % sand = (suolo totale –misura 1/ suolo totale) x 100

Metodo all’Idrometro Inserimento lento dell’idrometro Una misura dopo 2 ore determina il contenuto dell’argilla sospesa o quanto è rimasto in sospensione dopo la sedimentazione del limo. %argilla = misura 2/suolo totale x 100 % limo si determina per sottrazione (misura 1) – (misura 2)=limo %limo= 100 – [(% sabbia) + (% argilla)]

Prevalente composizione chimica delle classi tessiturali (granulometriche) del suolo.

Variazione delle principali proprietà chimico-fisiche del suolo in funzione delle dimensioni granulometriche delle particelle di suolo Area Superficiale Argille>>Limo>Sabbia Potere adsorbente Fertilità-depurazione Rigonfiabilità Riserva d’acqua Plasticità e coesione Meno erosione Calore di inumidimento

STRUTTURA DEL SUOLO Le particelle solide del suolo si aggregano in funzione di: 1. Cicli di umidificazione e essiccamento 2. Cicli di raffreddamento e riscaldamento 3. Azione fisica delle radici e della microfauna 4. Azione dei prodotti di degradazione della sostanza organica e del catabolismo dei microorganismi 5. Adsorbimento di cationi (Na+ verso Ca 2+) 6. Coltivazioni e lavorazione del terreno

La struttura del suolo rappresenta l’aggregazione dei componenti base del suolo (inorganici ed organici) La valutazione della struttura è empirico-naturalistica

La struttura del suolo, cioè l’aggregazione delle particelle, influenza: 1. Il movimento dell’acqua nel profilo (nutrizione idrica, contaminazione delle falde) 2. 3. Il trasferimento di calore (attività biologica) L’areazione (O 2 e CO 2 e gli scambi gassosi delle radici) 4. La densità totale (bulk density) del suolo (erosione) 5. La porosità (erosione)

Peso del Suolo Densità delle Particelle-Peso del suolo secco per unità di volume (g. cm-3). Peso delle sole particelle solide. Non dipende dalla tessitura del suolo. 2. 6 -2. 75 g. cm-3. Densità Apparente (BULK DENSITY) - Peso di tutto il suolo per unità di volume (g. cm-3). Dipende dalla tessitura. Più alta per i sabbiosi, più bassa per gli argillosi che aggregano (anche per la presenza della SO) e aumentano la porosità. 1 -2 g. cm-3. % Spazio Solido = Densità Apparente/Densità delle Particelle x 100 % Spazio dei Pori = 100 - % Spazio Solido

La Densità Apparente (Bulk Density) Bulk density refers to the weight (mass) of soil per unit volume and the soils bulk density is normally expressed in g cm-3 (weight divided by volume). Normally the dry weight and therefore the dry bulk density is determined. A very compacted soil perhaps due to tractor compaction would have a bulk density of 1. 4 to 1. 6 g cm-3. An open friable soil with good organic matter content will have a bulk density of < 1. 0 g cm-3. The Figure clearly displays a soil that has undergone significant tractor compaction, such that infiltration is impeded due to high soil bulk density.