La sostanza organica del suolo

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1 La 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.

2 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)

3 Suolo Componenti minerali >90% Sostanza organica 0,1-10% Non vivente 85% Vivente 15% Parzialmente decomposta 10-30% Radici 5-15% Fauna 5-10% Nematodi Respirazione microbica Microartropod i Mineralizzazione dei nutrienti Carbonio non umico 5-20% Microrganismi 75-80% Protozoi Lombrichi Humus 70-85% Attività enzimatiche Alghe Decompositori Azotofissatori Stabilizzazione della struttura Micorrize Denitrificanti Degradazione degli inquinanti

4 Origine e composizione degli apporti organici al suolo C flow 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.

5 Origine e composizione degli apporti organici al 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.

6 La lettiera 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.

7 Il turnover della sostanza organica nel suolo 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

8 FASI DELLA DECOMPOSIZIONE MICROBICA DEL RESIDUO ORGANICO NEL SUOLO Residuo minerale Quantità iniziale del residuo organico Fase iniziale: Decomposizione di sostanze facilmente degradabili. Parziale conversione a CO2 (mineralizzazione) e a biomassa microbica (B) (immobilizzazione). CO2 B Fasi intermedie: Cellulosa e altri carboidrati utilizzati con ulteriore perdita di peso. Formazione di nuova biomassa microbica (B) e parziale mineralizzazione della stessa. B CO2 B CO2 Fasi intermedie: Ulteriore perdita di cellulosa. Inizio della decomposizione della lignina. Ulteriore mineralizzazione della biomassa microbica (B). B CO2 B CO2 B CO2 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.

9 Destino del C nel suolo CO2 % C input 5-15% % Biomassa microbica Humus

10 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) (x 106) Attinomiceti (microflora) (x 106) Funghi (microflora) Lieviti (microflora) Alghe (microflora) 0,1-0, Protozoi (microfauna) 0,1-0, Nematodi (mesofauna) 0-0, Altri organismi 0-3,0 --- Radici (macroflora)

11 Distribuzione dei microrganismi lungo il profilo

12

13 Effetti delle comunità biotiche sui principali processi nell'ecosistema del suolo Ciclo dei nutrienti M icroflora Demolizione della sostanza organica M ineralizzazione ed immobilizzazione dei nutrienti M icrofauna Controllo dello sviluppo di popolazioni batteriche e fungine Struttura del suolo Produzione di composti organici in grado di agire come cementi Azione di intrappolamento fisico svolto dalle ife fungine Possibili alterazioni della struttura dovute ad interazioni con la microflora Alterazione del ciclo dei nutrienti M esofauna Controllo dello sviluppo di popolazioni fungine e della microfauna Rilascio di deiezioni Alterazione del ciclo dei nutrienti Promozione dell'umificazione Amminutamento di residui vegetali M acrofauna Amminutamento di residui vegetali Sti molazione dell'attività microbica Creazione di pori del terreno Rimescolamento di sostanza organica e componenti minerali Dispersione di composti organici e dissemi nazione di cellule microbiche Creazione di pori del terreno Promozione dell'umificazione Rilascio di deiezioni

14 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

15 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 k= ( A + 200) (CaCO )

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

17 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 = 1015 g) (Lal, 2008).

18 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 = 1015 g) (Brady and Weil, 2002).

19 Mass 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).

20 Metodi di analisi della sostanza organica del suolo Determinazione del contenuto totale (in g kg-1 di suolo, o in %) mediante: - 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 (fattore di van Bemmelen).

21 Metodi di analisi della sostanza organica del suolo Analisi di caratterizzazione chimica e strutturale di frazioni organiche Estrazione da suolo, frazionamento, analisi elementare, caratterizzazione chimica dei gruppi funzionali, indagini cromatografiche e spettroscopiche. - 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

22 Significato agronomico ed ambientale della sostanza organica Azione sulle proprietà fisiche 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

23 Significato agronomico ed ambientale della sostanza organica Azione sulle proprietà chimiche 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

24 Significato agronomico ed ambientale della sostanza organica Azione sulle proprietà biologiche 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

Batteri (microflora) 1-2 3 500 (x 10 6 ) Funghi (microflora) 2-5 5.000-900.000. Lieviti (microflora) --- 1.000-100.000

Batteri (microflora) 1-2 3 500 (x 10 6 ) Funghi (microflora) 2-5 5.000-900.000. Lieviti (microflora) --- 1.000-100.000 La fertilità biologica La fertilità biologica è collegata all attività delle comunità biotiche residenti nel terreno che stabiliscono associazioni e biocenosi e promuovono trasformazioni metaboliche di

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