Nel sec. XIX nasce la chimica agraria

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1 Nel sec. XIX nasce la chimica agraria Kaliapparat Liebig esplorò per primo, e con basi scientifiche, i meccanismi con cui le piante si nutrono

2 Liebig formalizzò la legge del minimo La crescita della pianta è controllata dal fattore di crescita presente in quantità minore rispetto al fabbisogno

3 La legge del minimo di Liebig Va tuttavia osservato che la resa agronomica tiene complessivamente conto e dipende da tutti i fattori limitanti

4 Molteplici fattori interconnessi influenzano la produttività delle colture Clima e morforilievo Giacitura, esposizione,etc Energia radiante, gas Caratteristiche genetiche e fisiologiche della pianta Proprietà fisiche Piovosità, ET, T aria, ventosità Capacità di ritenzione idrica Porosità e aerazione Profondità utile del suolo Fertilità del suolo Gestione agraria Strategie di difesa Disponibilità nutrienti e proprietà chimiche Proprietà biologiche Stabilità della struttura Nutrienti principali Nutrienti secondari Micronutrienti TOC, TN, CSC, ph, etc. Attività delle comunità edafiche ed enzimi del terreno

5 Legge della produttività decrescente (legge di Mitscherlich) Quando si apportano al suolo dosi crescenti di un fattore limitante, gli incrementi di resa ottenuti sono sempre minori via via che le quantità apportate aumentano.

6 Legge della produttività decrescente (legge di Mitscherlich) Curva di Mitscherlich adattata a dati di crescita ottenuti su piantine di mais allevate in serra ed esposte a dosi crescenti di apporto azotato.

7 Relazione empirica tra la risposta di crescita della pianta (o la resa agronomica) e la concentrazione del nutriente nei tessuti vegetali La condizione si realizza quando un solo fattore è limitante e tutti gli altri sono mantenuti costanti

8 Legge della interdipendenza tra i fattori di crescita Risposte di crescita di piantine di pino allevate su suolo sabbioso

9 Legge della interdipendenza tra i fattori di crescita Incrementare un fattore non limitante non aumenta la resa Esiste un rapporto di interdipendenza tra fattori di crescita

10 Interdipendenza tra gli elementi nutritivi della pianta

11 Interdipendenza tra gli elementi nutritivi della pianta: il rapporto Mg/K Un rapporto equilibrato tra i due cationi nel suolo si realizza quando Mg/K = (in mg kg -1 ), oppure 2-5 (in meq 100 g -1 )

12 Interdipendenza tra i fattori di crescita Interpretative model illustrating the response of a crop to a number of limiting factors (from Sumner and Farina, 1986)

13 ne consegue che - incrementare un fattore non limitante non aumenta la resa produttiva -esiste un rapporto di interdipendenza tra fattori di crescita -gli elementi nutritivi sono assimilati secondo rapporti stechiometrici ben definiti -la carenza di un nutriente, sebbene tutti gli altri siano alle idonee concentrazioni, fa si che la biosintesi di un composto o lo svolgersi di un processo fisiologico non avvengano

14 Elementi essenziali ed elementi utili Secondo Arnon e Stout (1939) un nutriente è essenziale: - se la sua assenza non consente alla pianta di completare il suo ciclo vegetativo, causando crescita anormale o morte prematura - se le sue specifiche funzioni non possono essere sostituite da nessun altro elemento - se svolge un ruolo unico e diretto nel metabolismo della pianta Un nutriente è utile se può: - compensare gli effetti tossici di altri elementi - sostituire un nutriente essenziale in alcune funzioni metaboliche non specifiche

15 Gli elementi della nutrizione delle piante

16 Classificazione degli elementi nutritivi in relazione alla loro provenienza e quantità assorbita dalla pianta ELEMENTI NUTRITIVI Elementi presi Elementi assorbiti dal suolo dall aria e dall acqua Macroelementi Microelementi Accessori Carbonio (C) Idrogeno (H) Ossigeno (O) Azoto (N) 1 Fosforo (P) 1 Potassio (K) 1 Zolfo (S) 2 Calcio (Ca) 2 Magnesio (Mg) 2 Boro (B) Rame (Cu) Ferro (Fe) Manganese (Mn) Molibdeno (Mo) Zinco (Zn) Cloro (Cl) 3 Sodio (Na) 2 Silicio (Si)3 Cobalto (Co) 4 1 Elementi nutritivi principali secondo la legislazione sui fertilizzanti (d.lgs. n. 75/2010). 2 Elementi nutritivi secondari dalla legislazione sui fertilizzanti (d.lgs. n. 75/2010). 3 Il cloro e il silicio non compaiono fra gli elementi della fertilità. 4 Il cobalto è incluso fra i microelementi,.

17 Gli organismi viventi si comportano come sistemi altamente selettivi che concentrano al loro interno gli elementi della nutrizione minerale prelevandoli dall'ambiente circostante Litosfera Cellula vegetale % (p/p) Ossigeno (O) 46.7 Carbonio (C) 45 Silicio (Si) 27.7 Ossigeno (O) 45 Alluminio (Al) 8.1 Idrogeno (H) 6 Ferro (Fe) 5.1 Azoto (N) 1.5 Calcio (Ca) 3.7 Potassio (K) 1.0 Sodio (Na) 2.8 Calcio (Ca) 0.5 Potassio (K) 2.6 Magnesio (Mg) 0.2 Magnesio (Mg) 2.1 Fosforo (P) 0.2 Altri 1.2 Zolfo (S) 0.1

18 Valori medi della concentrazione di alcuni nutrienti nella sostanza secca delle piante

19 Gli elementi della nutrizione delle piante

20 Gli elementi della nutrizione delle piante NUTRIENTE FUNZIONE Carbonio Componente dell'organizzazione molecolare di carboidrati, proteine, lipidi e acidi nucleici. Ossigeno Come il carbonio è presente in tutti i composti organici delle entità biotiche. Idrogeno Svolge un ruolo fondamentale nel metabolismo vegetale. E' importante nel definire il bilancio ionico e come principale agente dei processi di riduzione. E' fondamentale nelle relazioni energetiche cellulari. Azoto E' parte integrante di molti composti organici essenziali per la vita delle piante quali proteine, acidi nucleici, ormoni, clorofilla, vitamine ed enzimi. Fosforo Ha un ruolo primario nei meccanismi di trasferimento dell'energia. E' necessario per la germinazione dei semi, per la fotosintesi, per la formazione delle proteine e per quasi tutti i processi di crescita e metabolici della pianta. Potassio Necessario per la sintesi dei carboidrati. Partecipa ai meccanismi di regolazione osmotica e ionica. E' indispensabile per il mantenimento della conformazione attiva di molti sistemi enzimatici. E' coinvolto nella traslocazione dei prodotti della fotosintesi. Calcio E' indispensabile per la divisione e la distensione cellulare. Per la sua capacità di legarsi agli acidi poligalatturonici (pectine) gioca un ruolo fondamentale nel mantenimento dell'integrità delle membrane cellulari. Magnesio Entra nella struttura molecolare della clorofilla. Attiva numerosi sistemi enzimatici; ed in particolare quelli legati al metabolismo del fosforo. Agisce sulla nutrizione azotata, favorendo la sintesi delle proteine. Zolfo Elemento strutturale di amminoacidi, proteine e vitamine. Come il fosforo può essere coinvolto negli scambi di energia nelle cellule vegetali. Sodio E' coinvolto nella regolazione del tono osmotico e del bilancio ionico delle cellule.

21 Ferro Gli elementi della nutrizione delle piante NUTRIENTE FUNZIONE Cofattore enzimatico, partecipa alla sintesi della clorofilla nei cloroplasti. Regola i meccanismi di crescita delle giovani piante. Manganese Cofattore enzimatico nei processi di fotosintesi, respirazione e metabolismo Zinco dell'azoto. Interviene nella biosintesi di alcuni complessi vitaminici e delle auxine. Rame Si ritrova nel sito attivo di numerosissimi enzimi. E' coinvolto nei processi di Boro Molibdeno ossidoriduzione, ed in particolare nel trasporto degli elettroni e nella fotosintesi. E' necessario per la formazione delle pareti cellulari, per l'integrità delle membrane biologiche e per l'assorbimento del calcio. Può favorire la traslocazione degli zuccheri e degli ormoni. Controlla i processi di fioritura, di germinazione del polline, di fruttificazione e di distensione cellulare. Influenza la nodulazione delle leguminose. Cofattore enzimatico nei sistemi di ossidoriduzione dell'azoto. Cloro Interviene nella fotolisi dell'acqua. Contribuisce a mantenere l'equilibrio Silicio Cofattore enzimatico. E' essenziale per il metabolismo dei carboidrati, per la sintesi delle proteine e per l'allungamento degli internodi negli steli. elettrochimico delle cellule. In alcune piante agisce come controione del potassio nel processo di regolazione dell'apertura stomatica. Elemento utile per molte piante. Partecipa all'organizzazione strutturale delle pareti cellulari. Nelle piante di riso incrementa la resistenza alle infezioni fungine. Cobalto Nichel Vanadio Essenziale nel processo di fissazione di azoto da parte delle Leguminose. Favorisce l'assorbimento del ferro e la germinazione dei semi. Può sostituire il Mo nella fissazione biologica di azoto

22 I nutrienti nel suolo si trovano in forma libera, adsorbita e combinata Processi di natura chimica, chimico-fisica e biologica ne modulano la disponibilità, cioè la concentrazione nella fase liquida. La reintegrazione del nutriente è legata allo stabilirsi di equilibri dinamici tra le frazioni (pool).

23 Dinamica dei nutrienti nel suolo Il nutriente è allontanato dalla fase liquida, viene dinamicamente reintegrato in virtù dell equilibrio che si stabilisce tra frazioni (pool) caratterizzate da diverso grado di disponibilità. I pool comprendono i nutrienti: immediatamente disponibili, se presenti come ioni, molecole e chelati in soluzione (frazione solubile) facilmente disponibili in tempo breve, se adsorbiti sulle superfici degli scambiatori (frazione scambiabile) lentamente disponibili, se combinati in forme minerali ed organiche poco complesse o adsorbiti in posizioni poco accessibili (frazione lentamente disponibile) molto lentamente disponibili se coinvolti nella struttura di composti molto resistenti all alterazione e alla mineralizzazione (frazione riserva).

24 La disponibilità dei nutrienti Nel suolo i nutrienti si accertano: - in forma combinata, nei costituenti minerali e organici - in forma adsorbita, sulle superfici dei minerali argillosi e delle macromolecole umiche - in forma libera, come ioni, molecole o chelati. I fenomeni di natura chimica, chimico-fisica e biologica che coinvolgono le diverse forme dei nutrienti definiscono le reazioni di: - solubilizzazione e precipitazione - adsorbimento e desorbimento - mineralizzazione, organicazione e umificazione.

25 Il ciclo dei nutrienti nel sistema suolo pianta Nei suoli coltivati, numerosi processi esercitano influenza sul bilancio dei nutrienti. Allontanano nutrienti dal suolo: - le asportazioni colturali - la lisciviazione - la volatilizzazione (NH3, N2, N2O) - l erosione Apportano nutrienti al suolo: - i processi di alterazione dei costituenti inorganici - i processi di mineralizzazione della sostanza organica - la fertilizzazione - l azoto fissazione - le precipitazioni atmosferiche

26 Nutrient-Water Interactions Soil H 2 O supply influences nutrient availability and use, while nutrient supply can influence H 2 O use.

27 La NUE (nutrient use efficiency) esprime l efficienza d uso di un nutriente (Moll, 1982) Esprime la quantità di sostanza secca utile ottenuta per unità di nutriente somministrata o per unità di nutriente assimilata. Il concetto di efficienza è utilizzato per caratterizzare le relazioni che legano gli apporti di nutriente e la resa produttiva in differenti situazioni (pieno campo, ambiente controllato, fuori suolo) con specifico riferimento alle peculiari caratteristiche pedoclimatiche, genetiche e di gestione.

28 La NUE (nutrient use efficiency) esprime l efficienza d uso di un nutriente (Moll, 1982) NUE = Gw (sostanza secca) Ns (nutriente fornito) Gw Nt Gw Ns Ns Nt NUE=uptake efficiency (NUpE) x utilization efficiency (NUtE) Gw Gw Tw Nt Tw Nt GW/Nt= harvest index x biomass production efficiency

29 Nutrient Use Efficiency (NUE) Total biomass produced per unit of fertilizer applied Multiple interacting environmental and genetic factors NUtE (Utilization) Long distance transport Nutrient assimilation NUpE (Uptake) Nutrient available form in soil Type and form of fertilizer Root system architecture Transport system Microbial interactions at rhizosphere level

30 Efficienza d uso del fosforo (come fosfato termico) in piante di riso P distribuito (kg ha-1) NUtE (kg kg-1) NUpE (kg kg-1) NUE (kg kg-1) (Violante, 2013)

31 Componenti descrittive dell efficienza d uso dell azoto in sistemi colturali cerealicoli

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33 Una maggiore efficienza nell utilizzazione di un nutriente da parte della pianta può essere ottenuta attraverso la selezione genetica maggiore produttività alla stessa dose di nutriente stessa produttività a più basse dosi di nutriente