Soil C is the basis of Soil Fertility and Plant Productivity. Fertilità del suolo

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1 Soil C is the basis of Soil Fertility and Plant Productivity Fertilità del suolo

2 Il ciclo globale del carbonio Il ciclo biogeochimico del carbonio costituisce lo schema energetico fondamentale dell ecosistema terrestre

3 Il 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 = g) (Brady and Weil, 2002).

4 Il 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 = g) (Lal, 2008).

5 Mass of organic C in the world s soils Stima del contenuto in carbonio organico nei suoli delle terre emerse (1 Pg = g) (Brady and Weil, 2002).

6 Fonte primaria del C organico del suolo è il C fotosintetico

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8 I fotosintetati raggiungono il suolo ed alimentano le catene trofiche delle comunità edafiche

9 IL C fotosintetico viene trasformato e si ripartisce tra i seguenti pool della sostanza organica del suolo (SOM): Biomasse degli organismi viventi animali, vegetali e microbici, costituenti le comunità edafiche Necromasse (animali, vegetali e microbiche) integre o in fase più o meno avanzata di demolizione delle strutture cellulari 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 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)

10 Il C organico del suolo rappresenta un pool dinamico I residui rilasciati sia durante le fasi vitali che come necromasse animali, vegetali e microbiche subiscono continuamente nel suolo processi biotici di trasformazione. Il processo biotico di trasformazione della SOM in forme minerali solubili è chiamato mineralizzazione, il processo inverso è definito immobilizzazione. Una quota del C si deposita come humus (umificazione).

11 I componenti elementari della lettiera: C ma non solo I materiali della lettiera contengono, mediamente, dal 60 al 90 % (p/p) di acqua. La sostanza secca (60 C, 3 giorni) è costituita principalmente da C (42 %), ma anche da O (42 %), H (8 %), oltre ad altri elementi.

12 non solo carbonio La frazione organica del suolo è fonte primaria di atomi di C, N, P e S presenti secondo quantitativi e rapporti stechiometrici che si mantengono generalmente costanti. g kg -1 suolo secco % org C org :N tot :P org :S tot Carbonio Azoto Fosforo Zolfo Tali rapporti cambiano in relazione al tipo di suolo: Suolo indisturbato di prateria 200:10:1:1 Suolo organico 160:10:1.2:1.2

13 Destino del C nel suolo CO 2 H 2 O, NH 4+, (NO 3- ), H 2 PO 4-, SO 4 2-, K +, Na +, Mg 2+, Ca 2+, Fe 3+, Zn 2+, Cu 2+, Mn 2+ e altri micronutrienti rilasciati nel suolo C input 5-15% (immobilizzazione) Biomassa microbica Humus

14 Fasi della decomposizione microbica del residuo organico nel suolo Frazione minerale (ceneri) Quantità iniziale del residuo organico Fase iniziale: Decomposizione di sostanze facilmente degradabili. Parziale conversione a CO 2 (mineralizzazione) e a biomassa microbica (B) (immobilizzazione). Residuo organico parzialmente decomposto BM CO 2 + minerali Fasi intermedie: Cellulosa e altri carboidrati utilizzati con ulteriore perdita di peso. Formazione di nuova biomassa microbica (B) e parziale mineralizzazione della stessa. Res org parzialmente decomposto BM CO 2 BM CO 2 Fasi intermedie: Ulteriore perdita di cellulosa. Inizio della decomposizione della lignina. Ulteriore mineralizzazione della biomassa microbica (B). Humus BM CO 2 BM BM CO 2 CO 2 Fase terminale: Mineralizzazione di parte del materiale resistente, formazione e mineralizzazione di biomassa microbica, conversione a CO 2. Circa 1/3 del carbonio iniziale rimane nel suolo alla fine del ciclo.

15 Destino del residuo aggiunto al suolo Soil organism population and CO 2 released Amount of organic substance in the soil

16 I fattori che controllano i processi biologici di trasformazione della SOM sono: la temperatura del suolo l umidità del terreno la disponibilità di O 2 il contenuto ed il tipo di argilla il contenuto in carbonati totali il ph l addizione di sostanza organica fresca la qualità del residuo (rapporto C/N, lignocellulosa, polifenoli, resine, etc.) la presenza di nutrienti le caratteristiche geomorfologiche la profondità del profilo le attività antropiche

17 Dinamiche di accumulo e mineralizzazione della SOM in risposta a diversificate condizioni di T e umidità del suolo Aerobic conditions Anaerobic conditions

18 Contenuto in sostanza organica nei suoli europei in relazione ai gradienti di temperatura ed umidità (da Buckman e Brady, 1960)

19 I dati sono riferiti allo strato superficiale (0-30 cm) (da Zdruli et al., 2004)

20 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

21 Cambiamenti nelle frazioni della SOM in risposta alla coltivazione (primi 25 cm) Soil organic matter (Mg ha -1 )

22 Il rapporto C/N del residuo e degradabilità Nei microrganismi del suolo il C:N è mediamente pari a 8:1 Nella sostanza organica umificata il C:N è mediamente pari a 12:1

23 C/N = 8:1 C/N = 12:1

24 Trasformazioni della lettiera in relazione al rapporto C/N del materiale vegetale e al contenuto di N solubile presente nel suolo C lost as CO kg C (88%) 2240 kg C (67%)

25 L interessante caso della paglia di cereali Elemento Contenuto medio (%) Carbonio 42,0 } C/N = 70 Azoto 0,60 Fosforo 0,07 Potassio 0,75 Calcio 0,25 Magnesio 0,09 Sodio 0,008 N supply: 0,8 1,0 kg N per 100 kg paglia interrata

26 Cambiamenti nei livelli di attività microbica, N solubile e nel rapporto C/N del residuo dopo aggiunta di materiale organico con C/N > 25 (a) e C/N < 25 (b). Si noti la fase di carenza di N solubile in (a).

27 Il rapporto C/N del residuo organico ed i processi di mineralizzazione/immobilizzazione di N Quando C/N > 30 prevale l'immobilizzazione microbica di N, quando C/N < 20 prevale la mineralizzazione di N

28 La qualità della lettiera Alta/media qualità Bassa qualità Effetto del contenuto in lignina, polifenoli e rapporto C/N del residuo organico sul rilascio di N solubile nel suolo. Valori soglia: lignina, 20%; polifenoli, 3%; C/N, 30.

29 I cambiamenti nell utilizzazione del suolo e le ordinarie pratiche agronomiche (es. coltivazione, fertilizzazione, etc.) inducono rilevanti modificazioni nelle riserve di carbonio immagazzinato nel suolo Tali modificazioni sono causate dall alterazione dell equilibrio tra il carbonio immagazzinato e quello rilasciato nell atmosfera (prevalentemente sotto forma di anidride carbonica)

30 Cambiamenti nelle frazioni della SOM in risposta alla coltivazione (primi 25 cm) Soil organic matter (Mg ha -1 )

31 (da Lal, 2006)

32 Probably the two greatest disturbance events that affect SOM concentrations are tillage and erosion Losses of OM when a native ecosystem is converted into arable agriculture can be very high (60-70%), but generally range between 20 and 50% during the first years of cultivation.

33 This decline is primarily attributed to: The amount of OM returned to the soil in plant litter is often lower in agricultural systems than in natural systems The change in plant species often results in a change in shoot root OM deposition within the soil profile OM mineralization is markedly stimulated by a change in climatic (T and moisture) and soil (distruption of stable protected OM by tillage) conditions Preferential losses of the finer particles rich in labile OM, due to water, wind and tillage erosion processes

34 La respirazione del suolo Il passaggio di carbonio dal suolo verso l atmosfera sotto forma di CO 2 è un processo definito respirazione del suolo (da Kuzyakov, 2006)

35 La respirazione del suolo viene correntemente misurata come efflusso di CO 2 (µmol CO 2 m -2 s -1 ) da un sistema di tipo dinamico chiuso attraverso un analizzatore di gas all infrarosso (IRGA) collegato a camere di prospezione per il monitoraggio in continuo del flusso respiratorio

36 Principles of conservation agriculture Conservation agriculture makes use of soil biological activity and cropping systems to reduce the excessive disturbance of the soil and to maintain the crop residues on the soil surface in order to minimize damage to the environment and provide organic matter and nutrients

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39 Some functions of a healthy soil ecosystem Decompose organic matter towards humus Retain N and other nutrients Glue soil particles together for best structure Protect roots from diseases and parasites Make retained nutrients avalaible to the plant Produce hormones that help plant grow Retain water

40 Ways to increase OM contents of soils Organic amendment Cover crops/green manure crops Crop rotation Perennial forage crops Zero or reduced tillage Agroforestry

41 Soil disturbance can influence SOM levels as a result of their intensity within the soil profile.

42 Soil disturbance can influence SOM levels as a result of their intensity within the soil profile.

43 Soil disturbance can influence SOM levels as a result of their intensity within the soil profile.

44 Organic inputs can influence SOM levels as a result of their quantity, biodegradablity and placement within the soil profile. For a given soil and climate, there is generally a direct relationship between the amount of OM inputs and the level of OM measured in soil.

45 Gli ammendanti Secondo la normativa corrente (d.lgs. n.75/2010) si definiscono ammendanti i materiali da aggiungere al suolo in situ, principalmente per conservarne o migliorarne le caratteristiche fisiche e/o chimiche e/o l attività biologica. Non contengono quantità dichiarabili degli elementi chimici della fertilità. E obbligatoria la dichiarazione del titolo in C organico di origine biologica (7,5% nei solidi) e del rapporto C/N.

46 Prodotti utilizzati in agricoltura come ammendanti 20

47 Gli ammendanti: caratteristiche è obbligatorio riportare in etichetta la denominazione del tipo per tutti viene fissato il tenore massimo consentito in metalli pesanti (Pb, Cd, Ni, Zn, Cu, Hg, Cr VI e, per quelli contenenti alghe, anche Tl) per alcuni prodotti è obbligatoria la dichiarazione del titolo in C umico e fulvico, del grado e del tasso di umificazione, del ph, del contenuto idrico e dei parametri di elettrofocalizzazione sono matrici molto diversificate, che hanno diversi ambiti di applicazione (pieno campo, vivaismo, fuorisuolo, idroponica)

48 Tenori massimi consentiti in metalli pesanti negli ammendanti (Allegato 2 al d.lgs. n. 75/2010) Metallo Contenuto (mg kg -1 di sostanza secca) Piombo totale 140 Cadmio totale 1.5 Nichel totale 100 Zinco totale 500 Rame totale 230 Mercurio totale 1.5 Cromo VI totale 0.5

49 Gli ammendanti: caratteristiche sia per i prodotti compostati (ACV, ACM, ATC) che non compostati (AVS) sono fissati il contenuto massimo in materiali inerti (vetro, plastica, metallo, inerti litoidi) ed i parametri che ne definiscono le caratteristiche igienico-sanitarie e fitotossiche svolgono nel terreno una funzione polivalente legata all apporto di significative quantità di sostanza organica l assegnazione del marchio comunitario di qualità ecologica agli ammendanti del suolo (2001/688/CE) intende promuovere il riutilizzo di sostanza organica derivante dai materiali della filiera del rifiuto

50 non solo carbonio La frazione organica del suolo è fonte primaria di atomi di C, N, P e S presenti secondo quantitativi e rapporti stechiometrici che si mantengono generalmente costanti. g kg -1 suolo secco % org C org :N tot :P org :S tot Carbonio Azoto Fosforo Zolfo Tali rapporti cambiano in relazione al tipo di suolo: Suolo indisturbato di prateria 200:10:1:1 Suolo organico 160:10:1.2:1.2

51 Rappresentazione semplificata del ciclo globale dell azoto L azoto è presente nei diversi comparti dell ecosistema terrestre in forme e composti diversi

52 Nei trasferimenti tra i comparti dell ecosistema l azoto si presenta in forme chimiche a diversi stati di ossidazione e contenuto energetico

53 Il ciclo dell'azoto Sono rappresentati: in verde i comparti, in blu gli apporti, in rosso le perdite

54 Pool di N Pg (Atmosfera) 0.2 Pg (Animali) 14 Pg (Piante) 460 Pg (Suolo) Pg (Acqua) Pg (Rocce ignee) Riserve e flussi di azoto tra i comparti dell ecosfera (1 Pg = g) (Biavati e Sorlini, 2008).

55 Il ciclo globale dell azoto ( Pg) (0,2 Pg) (14 Pg) (460 Pg) Nitrogen in hydrosphere ( Pg) Nitrogen in the lithosphere ( Pg)

56 Fissazione Azotofissazione Le leguminose agiscono sulla fertilità del suolo tramite la fissazione biologica dell N 2 biologica industriale atmosferica 139 milioni di tonnellate di N/anno 77 milioni di tonnellate di N/anno 8 milioni di tonnellate di N/anno (Brady and Weil, 2002) I noduli radicali ospitano i batteri simbionti responsabili della fissazione dell N 2 atmosferico Questo consente il rilascio nel suolo di forme di azoto ridotto disponibili per le piante

57 CICLO DI MINERALIZZAZIONE-IMMOBILIZZAZIONE DELL AZOTO Asportazione con i raccolti N 2 atmosferico PIANTE assimilazione PERDITE volatilizzazione erosione PERDITE denitrificazione lisciviazione erosione immobilizzazione immobilizzazione microbica fissazione biologica NO 3 - N organico molto stabile humus N organico stabile mineralizzazione molto lenta N organico labile mineralizzazione lenta mineralizzazione rapida NH 4 + mineralizzazione microbica fissazione rilascio NH 4 + fissato sulle argille Apporti con i concimi nitrificazione

58 Processi fondamentali attuati dai microrganismi nel ciclo dell azoto La trasformazione biologica dell N organico in NH 4 + è definita ammonizzazione o mineralizzazione lorda dell N. La mineralizzazione netta indica la variazione dell N inorganico nel suolo. Può essere rappresentata dalla relazione N mn = N i -(N a +N p +N v +N l +N d )

59 20 T: F2,54 = 6,625 ** C: F8,54 = 2,469 * TxC: F16,54 = 2,474 * 15 gno 3 - -N g a Feb 2011 Apr 2011 Jun 2011 abc bc c abc bc abc bc ab b ab Nov 2011 May 2012 Jun 2012 Sep 2012 a ab ab ab ab ab T: F3,72 = 236,711 *** C: F8,72 = 10,255 *** TxC: F24,72 = 4,918 *** a b b b b b b b b a ab b abababab ab ab T: F3,72 = 32,255 *** C: F8,72 = 7,188 *** TxC: F24,72 = 3,756 *** a bcabc c bc c c c ab a NO 3 - Il nitrato è una specie chimica estremamente dinamica nel suolo, le cui variazioni sono controllate da fattori biotici ed abiotici 10 5 ab a a a abab ab ab b a abab ab b ab ab bab ab ab b abab b b b 0 Nov 2012 Mar 2013 Apr 2013 Jun 2013 P100 P100B50 P50B50 B100 F100 F100B50 F50B50 B100f Bare soil

60 Il ciclo del fosforo nel suolo Sono rappresentati: in verde i comparti, in blu gli apporti, in rosso le perdite

61 Il ciclo del fosforo nel suolo Il P non subisce variazioni nello stato redox

62 Il ciclo del fosforo nel suolo

63 Il ciclo del fosforo nel suolo Il P subisce dinamiche chimiche che ne modulano la disponibilità

64 Il ciclo dello zolfo nel suolo Sono rappresentati: in verde i comparti, in blu gli apporti, in rosso le perdite

65 Il ciclo dello zolfo nel suolo Lo S subisce molte variazioni nello stato redox

66 Il ciclo dello zolfo nel suolo

67 Destino del composti organici nel suolo CO 2 H 2 O, NH 4+, (NO 3- ), H 2 PO 4-, SO 4 2-, K +, Na +, Mg 2+, Ca 2+, Fe 3+, Zn 2+, Cu 2+, Mn 2+ e altri micronutrienti rilasciati nel suolo C input 5-15% (immobilizzazione) Biomassa microbica Humus

68 La sostanza organica è fonte di nutrienti

69 La sostanza organica è fonte di nutrienti

70 Dinamiche di rilascio di nutrienti dalla decomposizione di residui di differente qualità