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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)

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.

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.

• 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

• 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

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)

Composizione in volume

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:

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.



c- frazione organica: deriva dalla decomposizione di resti vegetali e animali.



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.


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

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.

PROFILO: sezione verticale del suolo in cui si osservano strati (ORIZZONTI ) uniformi, disposti parallelamente alla superficie del suolo

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.


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.


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


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.


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 .


• 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.


• Alterazione biologica

• Immobilizzazione: la trasformazione delle sostanze inorganiche in sostanze organiche da parte di piante e microrganismi (es. forme organiche da ammonio, nitrato, nitriti).

Concentrazione di importanti ioni nella soluzione del suolo

Ione mg/L Molarità, x 10-6

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

• 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.

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

• 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!!

• 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)

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

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.

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.

MISCUGLI COLLOIDI SOLUZIONI

particelle grandi > 0,2 µm

particelle medie 0,2 - 0,002 µm

particelle piccole < 0,002 µm

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)

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

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)

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

composizione in peso sostanza organica

argilla

limo

sabbia

composizione in volume sostanza organica

argilla limo

sabbia

Composizione della fase solida del suolo

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.

Sistema internazionele o di Atterberg (diametro in mm)

1

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

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.

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

• 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.

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.

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

Argilla

• < 2 mm

• Le particelle più piccole sono colloidali

se sospese in acqua non si depositano

• Grande area superficiale

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

Limo

0.002 mm - 0.020 mm

• Il quarzo spesso è il minerale dominante, ma sono presenti altri minerali in diversi stadi di alterazione.

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

• 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

• 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

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