La sostanza organica del suoloLa sostanza organica del suolo

Per sostanza organica del terreno (SOM) si deve intendere l'insieme complesso ed eterogeneo di componenti organiche, viventi e non viventi (esclusi i residui vegetali grossolani, la macrofauna e la mesofauna) presenti nel suolo.

Appartengono alla SOM composti diversi per composizione chimica e fisica, per funzioni e dinamiche, risultanti dai processi di accumulo, degradazione, decomposizione e risintesi di residui rilasciati da organismi microbici, animali e vegetali viventi nel suolo.

La SOM comprende:

Le biomasse degli organismi viventi animali, vegetali e microbici, costituenti le comunità edafiche

Tutte le necromasse (animali, vegetali e microbiche) integre o in fase più o meno avanzata di demolizione delle strutture cellulari

I materiali di neogenesi, di natura complessa e di struttura chimica non ancora ben definita, meno suscettibili di decomposizione e genericamente indicati con il nome di sostanze umiche

Tutti i composti di natura organica rilasciati nel suolo dagli apparati radicali (come gli essudati e le rizodeposizioni) e dai microrganismi (ad es. gli enzimi del suolo)

SuoloSuolo

Sostanza organica0,1-10%

Componenti minerali>90%

Vivente 15%Non vivente 85%

Humus70-85%

Parzialmente decomposta10-30%

Carbonio non umico5-20%

Microrganismi 75-80%

Microartropodi

Fauna 5-10%Radici 5-15%

Lombrichi

Nematodi Protozoi Decompositori

Azotofissatori Denitrificanti

Micorrize

Alghe

Respirazione microbica

Mineralizzazionedei nutrienti

Attività enzimatiche

Stabilizzazione della struttura

Degradazione degli inquinanti

Origine e composizione degli apporti organici Origine e composizione degli apporti organici al suoloal suolo

Esiste un flusso continuo di carbonio organico (C flow) che rifornisce gli orizzonti del suolo distribuendosi in modo diversificato lungo il profilo. Fonte primaria del C organico del suolo è il C fotosintetico.

C flow

Origine e composizione degli apporti organici Origine e composizione degli apporti organici al suoloal suolo

I materiali organici raggiungono il terreno principalmente come residui colturali e lettiera (litter), rizodeposizioni e spoglie cellulari radicali (plant debris), oltre che come residui e spoglie animali e microbiche (animal and microbial debris). Tali materiali costituiscono la principale fonte di nutrimento e di energia per le comunità residenti nel suolo.

I residui vegetali freschi contengono, mediamente, dal 60 al 90 % (p/p) di acqua. La sostanza secca (60 °C, 3 giorni) è costituita principalmente da C (42 %), O (42 %), H (8 %), oltre ad altri elementi.

La lettiera La lettiera

I residui rilasciati sia durante le fasi vitali che come necromasse animali, vegetali e microbiche subiscono continuamente nel suolo processi biotici di degradazione, decomposizione e re-sintesi. Il processo di trasformazione degli atomi di C, O, H, N, P e S in forme minerali solubili è chiamato mineralizzazione, il processo inverso è definito immobilizzazione

Il turnover della sostanza organica nel suolo

FASI DELLA DECOMPOSIZIONE MICROBICA DEL RESIDUO ORGANICO NEL SUOLO

Residuo minerale

Fase iniziale: Decomposizione di sostanze facilmente degradabili. Parziale conversione a CO2 (mineralizzazione) e a biomassa microbica (B) (immobilizzazione).

Quantità iniziale del residuo organico

CO2B CO2 B

Fasi intermedie: Ulteriore perdita di cellulosa. Inizio della decomposizione della lignina. Ulteriore mineralizzazione della biomassa microbica (B).

B

Fasi intermedie: Cellulosa e altri carboidrati utilizzati con ulteriore perdita di peso. Formazione di nuova biomassa microbica (B) e parziale mineralizzazione della stessa.

CO2

CO2 CO2B CO2 B B

Fase terminale: Mineralizzazione di parte del materiale resistente, formazione e mineralizzazione di biomassa microbica, conversione a CO2. Circa 1/3 del carbonio iniziale rimane nel suolo alla fine del ciclo.

Destino del C nel suolo

C input

CO2

60-75%

Biomassamicrobica

5-15%

Humus10-25%

Gli organismi del suolo in relazione alla loro dimensione ed alla loro abbondanza ponderale e numerica

ORGANISMI BIOMASSA (t· ha-1) N individui · g-1 suolo

Batteri (microflora) 1-2 3 – 500 (x 106)

Attinomiceti (microflora)

--- 1 – 20 (x 106)

Funghi (microflora) 2-5 5.000 - 900.000

Lieviti (microflora) --- 1.000 - 100.000

Alghe (microflora) 0,1-0,5 1.000 - 500.000

Protozoi (microfauna)

0,1-0,5 1.000 - 500.000

Nematodi (mesofauna)

0-0,2 50 – 200

Altri organismi 0-3,0 ---

Radici (macroflora) 10-50 ---

Distribuzione dei microrganismi lungo il profilo

Effetti delle comunità biotiche sui principali processi nell'ecosistema del suolo

Ciclo dei nutrienti Struttura del suolo

Microflora Demolizione della sostanza organica

Mineralizzazione ed immobilizzazione dei nutrienti

Produzione di composti organici in grado di agire come cementi

Azione di intrappolamento fisico svolto dalle ife fungine

Microfauna Controllo dello sviluppo di popolazioni batteriche e fungine

Alterazione del ciclo dei nutrienti

Possibili alterazioni della struttura dovute ad interazioni con la microflora

Mesofauna Controllo dello sviluppo di popolazioni fungine e della microfauna

Alterazione del ciclo dei nutrienti

Amminutamento di residui vegetali

Rilascio di deiezioni

Creazione di pori del terreno

Promozione dell'umificazione

Macrofauna Amminutamento di residui vegetali

Stimolazione dell'attività microbica

Rimescolamento di sostanza organica e componenti minerali

Dispersione di composti organici e disseminazione di cellule microbiche

Creazione di pori del terreno

Promozione dell'umificazione

Rilascio di deiezioni

I fattori che controllano i processi biologici di trasformazione della sostanza organica nel suolo sono:

• la qualità del residuo (rapporto C/N, lignocellulosa, polifenoli, resine, etc.)

• la temperatura del suolo• l’umidità del terreno• la disponibilità di O2

• il contenuto ed il tipo di argilla• il contenuto in carbonati totali• il pH• la presenza di nutrienti• le caratteristiche geomorfologiche• la profondità del profilo• l’addizione di sostanza organica fresca• le attività antropiche

Tassi di mineralizzazione annua (k) della SOM in climi temperati in relazione al contenuto in argilla e in carbonati totali

Calcolati secondo la relazione empirica di Rémy e Marin-Lafléche

)200()200(120000

3 +×+=

CaCOAk

C/N = 8:1

C/N = 12:1

Il ciclo globale del carbonioIl ciclo globale del carbonio

Flussi di carbonio tra i comparti dell’ecosfera. Il comparto dei combustibili fossili (fossil fuel) corrisponde al pool geologico (1 Pg = 1015 g) (Lal, 2008).

Il ciclo globale del carbonioIl ciclo globale del carbonio

Flussi di carbonio tra i comparti dell’ecosfera. Il comparto dei combustibili fossili (fossil fuel) corrisponde al pool geologico (1 Pg = 1015 g) (Brady and Weil, 2002).

Mass of organic C in the world’s soilsMass of organic C in the world’s soils

Stima del contenuto in carbonio organico nei suoli delle terre emerse (1 Pg = 1015 g) (Brady and Weil, 2002).

Metodi di analisi della sostanza organica del suoloMetodi di analisi della sostanza organica del suolo

- misura della perdita a fuoco per riscaldamento ad alte T (> 500°C). Il metodo, veloce ma poco accurato, fornisce una misura indiretta della sostanza organica del suolo, calcolata come differenza di peso del campione prima e dopo il trattamento termico.

- ossidazione del carbonio con dicromato di potassio 1 N (K2Cr2O7) in ambiente acido (H2SO4) ed in condizioni controllate, seguita da titolazione redox con sale di Mohr [Fe(NH4)2(SO4)2]. E' il metodo più diffuso e stima direttamente il contenuto di carbonio organico (in g C kg-1 di suolo), che viene successivamente convertito in titolo di sostanza organica moltiplicando il valore sperimentalmente ottenuto per 1.724 (fattore di van Bemmelen).

Determinazione del contenuto totale (in g kg-1 di suolo, o in %)mediante:

Metodi di analisi della sostanza organica del suoloMetodi di analisi della sostanza organica del suolo

- Estrazione da suolo, frazionamento, analisi elementare, caratterizzazione chimica dei gruppi funzionali, indagini cromatografiche e spettroscopiche.

Analisi di caratterizzazione chimica e strutturale di frazioni organiche

- Saggi di attività enzimatiche, per il dosaggio quantitativo di enzimi coinvolti nel ciclo biogeochimico di elementi quali: il C (α- e β-glucosidasi), l'N (ureasi), lo S (arilsolfatasi), il P (fosfatasi).

- Indagini ecologiche sulla pedofauna, che possono interessare aspetti qualitativi o quantitativi di:- singole specie- gruppi tassonomici- intere comunità

Significato agronomico ed ambientaledella sostanza organica

Favorisce la creazione della struttura e ne controlla la stabilità Aumenta la capacità di ritenuta idrica Aumenta la permeabilità Migliora la lavorabilità dei suoli Modifica il colore e controlla lo stato termico del suolo Contrasta la suscettibilità all'erosione

Azione sulle proprietà fisiche

Significato agronomico ed ambientaledella sostanza organica

Rilascia gradualmente i nutrienti con la mineralizzazione dei residui Controlla la variazione del pH (potere tampone) Partecipa ai processi di adsorbimento/rilascio dei nutrienti (CSC) Rallenta la mobilità dei metalli pesanti e dei fitofarmaci Modifica il potenziale redox del suolo

Azione sulle proprietà chimiche

Significato agronomico ed ambientaledella sostanza organica

E' fonte di materia e di energia per la componente edafica Favorisce il rilascio di CO2 e chiude il ciclo del carbonio Contiene sostanze fisiologicamente attive Controlla lo stato di soppressività dei suoli Influenza lo stato e la diversità delle comunità microbiche

Azione sulle proprietà biologiche