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CHIMICA DEL SUOLO
• SUOLO è la parte più esterna della superficie terrestre, è il
risultato delle trasformazioni delle rocce da parte di:
• fattori fisici legati al clima (azione erosiva degli agenti
atmosferici, dei fiumi, dei mari, dei ghiacciai)
• fattori chimici legati alla tipologia delle rocce madri e dei
minerali (trasformazioni chimiche del terreno ad opera
dell'acqua e dei costituenti dell'atmosfera)
• fattori biologici (azione di trasformazione degli organismi,
uomo incluso, e dei microrganismi)
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COS’È IL SUOLO?
Il suolo è un corpo tridimensionale naturale che si
forma all’interfaccia tra atmosfera, biosfera,
idrosfera e litosfera:
1) è diviso in strati (orizzonti)
2) ha la capacità di permettere lo sviluppo di piante
con radici in ambienti naturali.
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I suoli sono continuamente attraversati da flussi di energia
(raggi solari) e di materia (acqua, sostanza organica ed
inorganica) scambiati con l’ambiente esterno. Il suolo
costituisce perciò un sistema aperto in equilibrio dinamico
con l’ambiente ed in continua evoluzione.
I limiti di un suolo sono:
-Superiore con aria, acqua, piante o materiale vegetale non
decomposto;
-Inferiore: passaggio alla roccia intatta e in ogni caso
arbitrariamente non più di 200 cm dalla superficie.
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• Il suolo: una miscela complessa di solidi
(inorganici e organici), gas, acqua e
microrganismi
• Le diverse fasi sono in equilibrio dinamico
le reazioni dei solidi influenzano la qualità dell’acqua e
dell’aria;
l’acqua e l’aria provocano la degradazione dei solidi
i microrganismi catalizzano molte di queste reazioni
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• Il suolo assolve a funzioni essenziali
–Mezzo per la crescita di piante (e animali)
–Riserva d’acqua
–Ricicla il materiale vegetale e animale
• Il suolo può essere perduto, degradato o
migliorato da processi naturali e attività
antropiche
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Il suolo comprende 4 principali componenti:
1. Particelle minerali
– Minerali primari/secondari
2. Materia organica (SOM) (2-6 % volume)
3. Acqua
– Soluzione del suolo
4. Gas (aria)
– Occupa i pori non occupati dall’acqua
– Alto contenuto di CO2
– Composizione variabile (anche giornalmente e stagionalmente)
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Composizione in volume
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a- frazione minerale inorganica primaria: sono i costituenti ereditati dalla roccia madre che si sono conservati e che costituiscono la parte più grossolana. A seconda della roccia d’origine avremo diversi minerali.
DA COSA SONO COMPOSTI I SUOLI ?
La componente SOLIDA:
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b- frazione minerale inorganica secondaria o di neoformazione: i componenti derivano dalla trasformazione minerali primari e costituiscono le parti più fini. Si possono formare argille, ossidi e idrossidi.
DA COSA SONO COMPOSTI I SUOLI ?
La componente SOLIDA:
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c- frazione organica: deriva dalla decomposizione di resti vegetali e animali.
DA COSA SONO COMPOSTI I SUOLI ?
La componente SOLIDA:
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La componente LIQUIDA (soluzione del suolo) e quella GASSOSA (aria) riempiono gli spazi vuoti presenti tra le particelle. La loro presenza è indispensabile per lo sviluppo del suolo e quindi anche della vegetazione e degli organismi animali che vivono al suo interno.
DA COSA SONO COMPOSTI I SUOLI ?
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Aria nell’atmosfera
O2 + CO2 21%
CO2 0,03%
Aria nel suolo
O2 + CO2 21%
CO2 0,1 - > 5%
FASE GASSOSA
Il contenuto in CO2 nella fase gassosa del suolo dipende dall’attività microbica, dall’attività radicale e dalla velocità di diffusione verso l’atmosfera
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orizzonte O, ricco di materia organica non decomposta o parzialmente decomposta; orizzonte A, ricco di minerali erosi dagli agenti atmosferici e di humus derivante da sostanze organiche provenienti dalla decomposizione degli organismi; orizzonte E, caratterizzato dalla presenza di particelle minerali (silicati, ferro, alluminio); orizzonte B, presenta una minore attività biologica e contiene argille e ossidi di ferro e alluminio provenienti dagli strati superiori; orizzonte C, nel quale arrivano le radici degli alberi; presenta scarsa attività biologica; orizzonte R, consistente in un letto roccioso generalmente costituito dalla roccia madre non disgregata.
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PROFILO: sezione verticale del suolo in cui si osservano strati (ORIZZONTI ) uniformi, disposti parallelamente alla superficie del suolo
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COME E PERCHE’ SI FORMA IL SUOLO: QUALI SONO I PROCESSI PEDOGENETICI?
Alterazione fisica
• processi meccanici che determinano movimenti di materia, sgretolamento e omogeneizzazione.
• cicli di gelo e disgelo che causano l’allargamento delle fratture nelle quali si raccoglie l’acqua,
• processi di bioturbazione (movimenti di massa dovuti a fenomeni biologici)
• contrazione ed espansione delle argille.
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COME E PERCHE’ SI FORMA IL SUOLO: QUALI SONO I PROCESSI PEDOGENETICI?
Alterazione chimica
• legata all’acqua e a gas atmosferici che reagiscono con i minerali causando forti alterazioni.
Ad es.
Ossidazione: il Fe2+ dei minerali reagisce con l’ossigeno contenuto nell’acqua o nell’atmosfera formando ossidi di Fe 3+; la reazione indebolisce la struttura interna della roccia disgregandola.
Idrolisi: gli ioni H+ dell’acqua reagiscono con i componenti della roccia scambiandosi di posto con altri cationi e destabilizzando la struttura che diviene più vulnerabile agli agenti atmosferici.
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COME E PERCHE’ SI FORMA IL SUOLO: QUALI SONO I PROCESSI PEDOGENETICI?
Alterazione chimica
• legata all’acqua e a gas atmosferici che
reagiscono con i minerali della roccia causando
forti alterazioni.
Ad es. • Decarbonatazione: dissoluzione dei carbonati.
• Lisciviazione: processo di dissoluzione dei sali (solubili): nitrati, bicarbonati e solfati
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COME E PERCHE’ SI FORMA IL SUOLO: QUALI SONO I PROCESSI PEDOGENETICI?
Alterazione biologica
• Mineralizzazione: quando piante e animali muoiono, particolari microrganismi (batteri, funghi, alghe e protozoi) provvedono alla loro decomposizione e trasformazione da sostanza organica ad inorganica.
• I microrganismi utilizzano la sostanza organica come fonte di energia (per la loro crescita e riproduzione) e rilasciano nel suolo sostanze nutritive (ioni inorganici ammonio, nitrati, nitriti, ecc.) che fertilizzano il suolo.
• E' un processo rapido che porta alla formazione di sostanze semplici, solubili o gassose.
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COME E PERCHE’ SI FORMA IL SUOLO: QUALI SONO I PROCESSI PEDOGENETICI?
Alterazione biologica
Umificazione
• Enzimi di funghi e batteri decompongono la sostanza organica, formando molecole complesse colloidali: l’humus (lignina e derivati, proteine, carboidrati, grassi, cere, acidi organici e alcooli che formano un residuo scuro, solo parzialmente solubile). E’ di colore marrone scuro e contiene C, N, P e S in rapporto di 100 : 10 : 1: 1 .
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COME E PERCHE’ SI FORMA IL SUOLO: QUALI SONO I PROCESSI PEDOGENETICI?
• L’humus adsorbe cationi come Ca, K, Mg (sostanze nutritive) che diventano disponibili per le piante invece di venire lisciviati;
• aggiunto ad una tessitura sabbiosa agisce da legante tra le particelle
• aggiunto ad una tessitura argillosa facilita il drenaggio.
• le molecole possono legarsi ad argille e ossidi.
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COME E PERCHE’ SI FORMA IL SUOLO: QUALI SONO I PROCESSI PEDOGENETICI?
• Alterazione biologica
• Immobilizzazione: la trasformazione delle sostanze inorganiche in sostanze organiche da parte di piante e microrganismi (es. forme organiche da ammonio, nitrato, nitriti).
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Concentrazione di importanti ioni nella soluzione del suolo
Ione mg/L Molarità, x 10-6
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Interazioni suolo-ioni
• I soluti della soluzione sono la sorgente di ioni nutritivi delle piante
• Gli ioni entrano nella soluzione attraverso:
degradazione dei minerali
decomposizione della sostanza organica;
precipitazioni atmosferiche
irrigazione
rilascio di ioni da parte dei colloidi del suolo
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• Il suolo ha capacità di ritenere gli ioni per renderli disponibili per le piante:
il dilavamento avviene, ma non è di entità tale da impedire che gli ioni possano essere riciclati un elevato numero di volte tra suolo, piante e organismi animali.
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Un suolo ha una dinamica ideale dei nutrienti se questi possono essere immagazzinati in forma strettamente legata, e perciò protetti dalla lisciviazione, ma prontamente mobilizzabili in caso di perdite
I nutrienti si trovano nel suolo in 3 forme: • solubili nella soluzione del suolo: non essendo legati, sono prontamente disponibili; • scambiabili: cationi e anioni strettamente legati a complessi di scambio elettricamente carichi (particelle di argilla e humus) e in generale facilmente disponibili; • di riserva: nutrienti che si trovano in composti poco solubili; una piccola frazione è prontamente mobilizzabile e perciò parzialmente disponibile, ma la maggior parte è praticamente non disponibile per lungo tempo.
Nutrienti di riserva
Nutrienti scambiabili
Nutrienti solubili
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• I meccanismi di ritenzione sono:
lo scambio cationico e anionico
la precipitazione
l’attrazione elettrostatica
formazione di complessi
assorbimento nelle cellule microbiche
Ogni ione è coinvolto in più meccanismi e in misura differente!!
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• La complessità delle interazioni degli ioni è aumentata per effetto delle caratteristiche colloidali di alcune componenti (argille e sostanza organica) (dimensioni di m)
• Le particelle colloidali del suolo hanno elevata superficie specifica e insaturazioni superficiali (valenze scoperte, carica netta, imperfezioni cristalline)
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Nelle soluzioni, le molecole del soluto si separano le une
dalle altre e si disperdono fra quelle del solvente. Nei
miscugli invece, le molecole non si separano e le particelle
restano compatte. Dal punto di vista delle dimensioni, le
soluzioni sono formate da particelle piccolissime (singole
molecole) ed i miscugli da particelle relativamente grandi.
In posizione intermedia, fra i miscugli e le soluzioni, ci sono
i colloidi.
Colloidi
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Colloidi
I colloidi, pertanto, sono dispersioni di particelle molto
piccole, ma non piccolissime. Quello che distingue i
miscugli dai colloidi e dalle soluzioni è dunque la
dimensione delle particelle che li costituiscono. Per
convenzione, un colloide è una dispersione di particelle di
dimensioni comprese fra 0,2 e 0,002 µm (un micrometro,
o micron, = 10-6 metri). Se le particelle sono più grandi di
0,2 µm, si ha un miscuglio, se sono più piccole di 0,002
µm, si ha una soluzione.
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COLLOIDI
In generale, i componenti di un colloide sono formati da
piccoli aggregati di molecole, mentre i componenti di una
soluzione sono molecole singole. Però, se queste molecole
sono abbastanza grandi, come capita nel caso di molte
macromolecole, la loro soluzione formerà un colloide.
Quindi, il criterio di distinzione fra colloidi e soluzioni non
può essere la presenza o meno di molecole singole, ma
come dicevamo la dimensione delle particelle che le
compongono.
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MISCUGLI COLLOIDI SOLUZIONI
particelle grandi > 0,2 µm
particelle medie 0,2 - 0,002 µm
particelle piccole < 0,002 µm
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Colloidi del Suolo
• Materia organica e inorganica con granulometria molto fine (< 2 m) ed elevata area superficiale per unità di massa”
• Categorie:
– Silicati a strati cristallini e non
– Ossidi di ferro e alluminio
– Materia organica (humus)
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Ioni essenziali
Molti degli ioni nella soluzione del suolo e nella fase
solida sono essenziali per le piante
Sono definiti macronutrienti per le piante (H, C, N, O,
Mg, P, S, K e Ca) quelli richiesti in quantità
relativamente elevate
Sono definiti micronutrienti (B, Cl, V, Mn, Fe, Cu, Zn e
Mo) quelli richiesti in quantità relativamente piccole
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Piante & Suolo
• Le piante derivano la maggior parte della loro
composizione minerale dal suolo.
• Eccezioni sono ammoniaca, ossidi di azoto e
zolfo che possono assunti direttamente
dall’atmosfera (inquinata)
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Alterazione
Fissazione
Mineralizzazione
Assorbimento
Lisciviazione
Il ciclo dei nutrienti si interrompe quando vengono asportate le colture. La fertiliz-zazione ristabilisce il pool dei nutrienti.
hv
CO2
H2O
O2
Nutrienti Sostanza organica Minerali
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composizione in peso sostanza organica
argilla
limo
sabbia
composizione in volume sostanza organica
argilla limo
sabbia
Composizione della fase solida del suolo
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La distribuzione percentuale delle frazioni
granulometriche dei solidi inorganici prende il
nome di TESSITURA.
La tessitura regola molteplici funzioni e proprietà specifiche del suolo, quali la ritenzione idrica e dei nutrienti, gli scambi gassosi e la permeabilità, la plasticità e la lavorabilità.
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Sistema internazionele o di Atterberg (diametro in mm)
1
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Comparazione delle grandezze
relative delle particelle del suolo Barile
Piatto Moneta
Sabbia:
2-0,020 mm ISSS
Limo:
0,020-0,002 mm ISSS
Argilla:
<0,002 mm ISSS
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Triangolo delle tessiture
La percentuale delle diverse frazioni granulometriche determina
diversi tipi di terreno:
argilloso limoso sabbioso E diverse loro combinazioni
Franco: questo termine
indica una tessitura in cui
non c’è prevalenza di
alcuna classe
granulometrica sulle altre.
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Sabbia
argilloso
argilloso limoso
franco-argilloso
franco
franco-limoso -argilloso
sabbioso
franco-limoso franco-sabbioso
franco-sabbioso-argilloso
argilloso sabbioso
limoso
100
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0 100
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• I tre grandi gruppi di classi di tessitura riconosciuti sono a
loro volta suddivisi in classi al loro interno:
• Gruppo delle classi sabbiose - In questo gruppo ci sono i
suoli in cui la frazione sabbiosa è superiore al 70% del
totale, e l’argilla inferiore al 15%.
• Gruppo delle classi argillose - Un suolo “argilloso” deve
contenere più del 40% di argilla.
• Gruppo delle classi franche - Un suolo franco è dato dalla
mescolanza, equilibrata, di sabbia, limo e argilla;
conseguentemente, anche le proprietà che condizionano
l’uso del suolo, ad esempio la pesantezza o la leggerezza,
sono presenti in proporzioni equilibrate.
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Sabbia 0.02 mm – 2 mm
•Visibile senza microscopio
•Forma arrotondata o
angolare
•Le particelle sono di
quarzo se
prevalentemente bianche,
di altri minerali se
colorate.
•Alcune sabbie presentano
colori scuri, gialli e rossi a
causa della presenza di Fe
e Mn.
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Suoli Sabbiosi
• Bassa area superficiale
• Scarsa plasticità
• La sabbia presenta pochi nutrienti per le piante (particelle molto grandi)
• I vuoti tra le particelle sabbiose promuovono il drenaggio e l’areazione
• I suoli trattengono poca acqua
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Argilla
• < 2 mm
• Le particelle più piccole sono colloidali
se sospese in acqua non si depositano
• Grande area superficiale
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Suoli Argillosi
•Presenza soprattutto di microporosità
- movimento di acqua e aria molto ridotto
•Capacità di trattenere l’acqua
- elevata capacità di assorbire acqua.
•Adsorbimento elevato di nutrienti
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Limo
0.002 mm - 0.020 mm
• Il quarzo spesso è il minerale dominante, ma sono presenti altri minerali in diversi stadi di alterazione.
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Suoli Limosi
• Le particelle più piccole trattengono più acqua e presentano un drenaggio più lento rispetto a suoli sabbiosi
• Trattengono più nutrienti
per le piante rispetto alla sabbia
• Alta erodibilità. Le particelle più piccole sono soggette ad una rapida alterazione se non sono di quarzo
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• Sabbia: bassa superficie specifica, scarsa
plasticità, buona aereabilità, buona capacità di
drenaggio, scarsa reattività
• Argille: alta superficie specifica, elevata plasticità
in presenza di acqua, elevata compattezza allo
stato secco, scarsa aereabilità, scarsa capacità di
drenaggio, elevata reattività nei confronti
dell’acqua e degli elementi nutrienti
• Limo: microparticelle di sabbia con proprietà
intermedie tra quelle della sabbia e delle argille
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• I suoli sabbiosi
presentano un facile
drenaggio e una bassa
ritenzione d’acqua.
• I suoli argillosi
presentano un basso
movimento d’acqua
(drenaggio) e alta
ritenzione d’acqua.
Permeabilità-drenaggio