Corso di formazione integrata scientifica e tecnologica Corso di formazione integrata scientifica e tecnologica (A.S. 2002/03)(A.S. 2002/03)

Modulo 6: Aspetti chimico-fisici e Aspetti chimico-fisici e

biologici biologici dell’ambiente "suolo"dell’ambiente "suolo"

Calendario degli incontri del modulo 6:

Aspetti chimico-fisici e biologici dell’ambiente "suolo”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"

2.2. Pedogenesi Pedogenesi

Definizione di suolo

Processi pedogenetici

Orizzonti del suolo

Parte teorica

Esperienze di laboratorio

Campionamento del

suolo Analisi qualitative

Granulometria Permeabilità

Acidità

Calcare

Presenza di N, P, K

Fasi del suolo

Classificazione-

Tipo

2. 2.

PedogenesiPedogenesi

Il suolo è lo strato più superficiale della crosta terrestre

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’ un insieme di sostanze organiche e minerali ( 50% del volume)

Viene suddiviso in:

E’ la parte esplorata dalle radici e nella quale operano i microrganismi

Definizione e caratteristiche del suolo

Strato attivo (eluviale) 30-40 cmStrato inerte (illuviale)

Sottosuolo

2. 2.

PedogenesiPedogenesi

Sistema eterogeneo complesso costituito da tre fasi (polifasico)Solida

Liquida

Gassosa

Componenteorganica

non vivente5%

Componenteinorganica

45%

Particelle(Si, Ca, Al, Mg, K, Fe)

Scheletro - non disgregato - 2mm

Terra fine

Sabbia Limo Argilla

• Tessitura o composizione granulometrica• Struttura Granular

ePoliedrica Prismatic

aLamellareTerreni privi di struttura: mancanza di

cementanti eccesso di cementazione

Fasi del suolo

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

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.

Tessitura percentuale delle diverse frazioni granulometriche

Struttura come sono legate tra loro le particelle e come sono disposti i pori

Calore specifico e conducibilità termica

Arg

illa

Sabbia

Lim

o

argilloso

argillosolimoso

franco-argilloso

franco

franco-limoso

-argilloso

sabbioso

sabbioso-franco

franco-limosofranco-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

0100

Triangolo delle tessiture

La percentuale delle diverse frazioni granulometriche determina diversi tipi di terreno:

Franco: questo termine

indica una tessitura in cui non c’è prevalenza di alcuna classe

granulometrica sulle altre.

argillosoargilloso limosolimoso

sabbiososabbioso

e diverse loro combinazioni

Composizione chimica degli strati solidi Soluzioni ioniche e colloidali - Gas presenti Sostanza organica - Humus

Potere assorbente capacità di trattenere le sostanze disciolte

Potere tampone capacità di evitare eccessive variazioni di pH

pH può variare da 5,5 a 8,5 per il terreno agrario

dipende da umidità, clima, tipo di substrato

Reattività delle particelle limo e argilla sono molto più "reattivi" della sabbia, per il numero maggiore di cariche,

prevalentemente negative

Proprietà chimiche dei suoli

OOHAlSi

10 Å

Fasi del suolo

Solida Liquida

Gassosa

Acqua come soluzione circolante di sali, gas e colloidi (25%)

Precipitazioni

Falda

Acqua gravitativa o di percolazione

Acqua capillare

Acqua igroscopica

Acqua di cristallizzazione

Punto di appassimento

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.

Fasi del suolo

Solida

Liquida

Gassosa

L’aria tellurica (25%) occupa i macropori di 8 ed è composta

dagli stessi elementi dell’aria atmosferica: N2, O2, CO2, gas nobili.

In anaerobiosi sono presenti CH4, H2S,

NH3…….

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%

2. 2.

PedogenesiPedogenesi

pédon = suolo, terreno + génesis = generazione

Le proprietà dei suoli sono determinate, in via teorica, da 5 fattori:

• Roccia madre

• Topografia • Clima

• Bioma

• Tempo

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.

• Evoluzione progressiva• Evoluzione regressiva

Il suolo è una struttura dinamica che ha, nel tempo,

una origineuna vitauna fase terminale

Processi pedogenetici

“Climax” = equilibrio stabile del suolo e della floraIn seguito alla rottura di un equilibrio

I. Il basamento roccioso inizia a disintegrarsi per azione dei cicli di gelo e disgelo, della pioggia e di altri fattori ambientaliII. 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

Fasi della formazione di un suolo

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

7. Humificazione

8. Mineralizzazione della sostanza organica

Diretta

Indiretta

Principali agenti della disgregazione

Fisico-meccanici

Acqua corrente

Vento

Ghiacciai

Crioclastismo

Termoclastismo

Radici vegetali

Chimici e biochimici

Acqua e CO2 Az. solvente

Ossigeno

Organismi viventi

Acqua

Az. idrolizzante

Az. idratante

2. 2. PedogenesiPedogenesi

Profilo del suolo è una sezione trasversale di un suolo

maturo.

O Organico suddiviso in O1 = lettiera

O2 = residui decomposti

A Attivo (eluviale) humus, organico-minerale E Transizione particelle minerali

B Inerte (illuviale) processi anaerobici, radiciC Substrato pedogenetico alterato

R Roccia madre

Orizzonti (profilo

pedologico)

Orizzonte è ogni strato nel profilo, individuato

dal cambiamento del colore e dell’aspetto generale.

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, sofficeOxisuoli Oxi abbreviazione di ossidoSpodosuoli Gr. Spodos, cenere di legnoUltisuoli Lat. Ultimus, ultimoVertisuoli Lat. Vertere, invertire

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:

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 prelievo5. Formare il campione globale (campione mediato) da sottoporre ad analisi

1. Definire l’epoca del campionamento

2. 2. PedogenesiPedogenesi

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 Sacchetti di nylon

Etichette

Telo di plastica

2. Individuazione della zona di campionamentoLa scelta della zona da

campionare è finalizzata al tipo di analisi 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

Legenda:

1) Zona di campionamento

2) Area da non campionare

3) Bordi

4) Aree da non campionare

5) Unità di campionamento

6) Campione elementare

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

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 analisiEsistono diverse modalità di campionamento:

Campionamento sistematico Campionamento non sistematico a X o a W

Campionamento irregolare o random

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

Legenda

3) Bordi 4) Aree da non campionare 5) Unità di campionamento 6) Campione elementare

Legenda

3) Bordi 4) Aree da non campionare 6) Campione elementare

Campionamento non sistematico a X o a W

I prelievi dei campioni elementari si effettuano lungo un percorso tracciato sulla superficie da investigare, ponendo delle immaginarie lettere X o WI 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

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)

2. 2. PedogenesiPedogenesi

Esame granulometrico

Sospendere 100 g di terreno in 500 ml di acqua ed omogenizzare con una bacchetta di vetro

Lasciare decantare per 24 ore a temperatura ambiente in un cilindro graduato chiuso con parafilm, per evitare l’eventuale evaporazione dell’acqua

Valutare gli strati granulometrici esprimendo le frazioni sedimentate come percentuale in volume

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)

H2O

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

Acidità del suolo

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 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

Cartina tornasoleH2O

Effervescenza, CO2

HCl 1N

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 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.

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.