L azoto organico nel suolo, le forme e la sua gestione

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1 TECNICA L azoto organico nel suolo, le forme e la sua gestione Solo conoscendo le frazioni e le trasformazioni dell azoto organico nel terreno è possibile risparmiare, rispettare l ambiente e nutrire al meglio le piante di Claudio Marzadori e Claudio Ciavatta. La possibilità di utilizzare in agricoltura prodotti fertilizzanti capaci di modulare il rilascio dell azoto minerale nel suolo, in funzione delle esigenze nutritive delle piante, sta riscuotendo sempre maggiore interesse. L interesse appare oggi ulteriormente giustificato dall esigenza di adeguare i protocolli produttivi al rispetto di normative ambientali che hanno lo scopo di limitare la dispersione dei nitrati (direttiva nitrati). L impiego di tali prodotti può infatti contribuire a migliorare l efficienza delle concimazioni azotate riducendo così i rischi di perdite azotate. Due delle principali vie di dispersione dell azoto dai suoli agricoli sono rappresentate dalla volatilizzazione dell ammoniaca e dalla lisciviazione dei nitrati. I fattori che influenzano questi processi sono numerosi. Tuttavia, tra questi, l accumulo nel suolo di forme azotate minerali (ammonio e nitrato) in eccesso rispetto alla capacità d assorbimento radicale, rappresenta forse quello di maggiore rilievo. I fertilizzanti che al momento sembrano rispondere meglio all obiettivo di un rilascio modulato dell azoto, sono quelli contenenti azoto in forma organica. Tra questi annoveriamo i concimi azotati organici d origine naturale, sintetica ed i concimi organo-minerali. A tutt oggi rimane molto da chiarire riguardo alla gestione di questi concimi in pieno campo. Una maggiore conoscenza delle frazioni e delle trasformazioni cui sottostanno le diverse forme azotate organiche presenti nel suolo può rappresentare comunque un primo passo verso questo obiettivo. Del resto, le stesse modalità di formulazione dei concimi azotati organici e organo-minerali tentano di riprodurre le strutture e le interazioni che sono tipiche delle forme azotate organiche e minerali naturalmente presenti nel suolo. Le frazioni organiche L azoto organico rappresenta la principale riserva azotata presente nella grande maggioranza dei suoli sia naturali che coltivati. Di conseguenza questa riserva deve essere considerata la chiave di volta dei processi legati alla nutrizione vegetale azotata e alla sua efficienza. Infatti, la modulazione nel tempo e nello spazio dei processi di mineralizzazione dell azoto organico determinano, in assenza di concimazioni minerali, la concentrazione delle forme azotate prontamente assimilabili nella soluzione del suolo.

2 Se questi processi sono allineati con le fasi di assorbimento radicale avremo come risultato un elevata percentuale di assorbimento radicale di azoto associato ad una bassa dispersione ambientale dell elemento. Di norma i processi di mineralizzazione seguono un andamento stagionale ragionevolmente correlato con il ritmo d assorbimento radicale, almeno per quanto concerne le specie vegetali maggiormente diffuse in ambiente naturale ovvero agricolo. È comunque pur vero che questi processi dipendono da moltissimi fattori tra i quali ricordiamo la tipologia della frazione azotata organica e le condizioni pedoclimatiche. Le frazioni azotate organiche presenti nel suolo sono molteplici e presentano anche una diversa predisposizione alla mineralizzazione. Da un punto di vista chimico l azoto organico presente nel suolo può essere frazionato mediante idrolisi acida (tab. 1). In base a questo tipo d analisi possiamo riconoscere, ad esempio, azoto da amminoacidi, che vale circa il 30-45% dell azoto totale del suolo, azoto da amminozuccheri, 5-10% del totale, azoto ammoniacale, 20-35% del totale. Troviamo poi altre frazioni non ben identificabili o comunque non estraibili. Tuttavia questa classificazione non si è dimostrata molto utile ai fini pratici in quanto non è in grado di dare informazioni relativamente al contributo di queste forme azotate alla mineralizzazione. Nella tabella 2, invece, è riportata una classificazione delle principali forme azotate organiche presenti nel suolo stilata in base alla stabilità ai processi di mineralizzazione. Pur con i suoi limiti questo tipo di classificazione è in grado di fornirci informazioni molto interessanti. Le tipologie La tabella 2 fornisce diversi tipi di informazioni che vanno dall incidenza percentuale di ogni singola frazione al periodo di semitrasformazione, cioè il periodo di tempo necessario perché la metà dell azoto presente in una di esse venga trasformato. Ancora più interessante è il dato relativo al contributo che ogni frazione fornisce alla mineralizzazione. Possiamo osservare che la frazione dell azoto della biomassa microbica, cioè quello contenuto all interno dei microrganismi del suolo, pur rappresentando la frazione quantitativamente meno rilevante, contribuisce per un 30% alla mineralizzazione. Al contrario la frazione molto resistente, pur essendo quella prevalente da un punto di vista quantitativo, contribuisce alla mineralizzazione solo per un misero 1%. Quindi da un punto di vista nutrizionale la forma chimica dell azoto organico ha un importanza assolutamente prevalente rispetto al dato quantitativo. Ma in realtà a che cosa corrispondono le forme azotate comprese nelle diverse frazioni classificate nella tabella 2? Grosso modo possiamo dire che l azoto della biomassa comprende tutte le forme azotate che tipicamente si possono ritrovare nelle cellule viventi, quindi prevalentemente proteine, ma anche basi azotate, amminozuccheri ecc. ecc. Nelle frazioni attive troviamo invece le forme azotate presenti nei residui vegetali ed animali, in questa frazione comprendiamo però residui vegetali e/o animali freschi recentemente introdotti nel suolo che non abbiano ancora subito processi di

3 trasformazione microbica, chimicamente parliamo di strutture molecolari prevalentemente di tipo proteico. Le frazioni di media stabilità comprendono forme azotate presenti in residui organici che abbiano già, o stiano per sottostare a processi di stabilizzazione, ad esempio attraverso un interazione con frazioni organiche e/o minerali del suolo. Tuttavia i processi di stabilizzazione presi in considerazione sono, in questo caso, prevalentemente di tipo fisico. La struttura chimica dell azoto organico di partenza è ancora preservata, ad esempio, una proteina e la stabilizzazione dipende dal suo adsorbimento sulla superficie di un argilla e non da una trasformazione chimica vera e propria. È noto ad esempio che proteine enzimatiche adsorbite su argille e/o sostanze umiche sono maggiormente resistenti alla degradazione microbica rispetto a proteine libere in fase liquida. Le frazioni molto resistenti sono invece riferibili all azoto chimicamente integrato in molecole caratterizzate da una notevole stabilità come, ad esempio, le molecole umiche. In questo caso parliamo di azoto organico che ha subito una profonda trasformazione chimica, la molecola azotata di partenza non è più riconoscibile. Di fatto questo azoto viene mineralizzato con grande difficoltà e la sua importanza per la nutrizione diretta è piuttosto limitata. Le prime tre frazioni sono quindi quelle che esercitano il maggior impatto sulla nutrizione vegetale anche se con cinetiche di mineralizzazione diverse. L azoto della biomassa è quantitativamente limitato, ma molto dinamico. Le frazioni attive e di media stabilità mostrano una minore propensione alla mineralizzazione, pur avendo una maggiore rilevanza quantitativa. Questi aspetti fanno si che il contributo alla mineralizzazione dell azoto presente in queste tre frazioni sia piuttosto simile (tab. 2). Gestione e trasformazione Quando aggiungiamo un residuo d origine animale o vegetale al suolo in realtà quale frazione azotata andiamo ad arricchire? Difficile dirlo a priori; proviamo a fare un esempio pratico. Tra i concimi organici azotati maggiormente diffusi troviamo quelli a base di cuoio idrolizzato che contengono circa il 12% d elemento nutritivo, praticamente tutto in forma proteica, ed un rapporto C/N compreso tra 3 e 4. In una prima fase l azoto addizionato andrà ad arricchire la frazione azotata organica attiva, immediatamente i microrganismi eterotrofi del suolo tenderanno però a trasformare l azoto proteico in una forma più semplice in modo da poterlo utilizzare. Le proteine saranno scomposte in amminoacidi e questi in parte assorbiti all interno delle cellule microbiche. Parte dell azoto sarà immobilizzato all interno dei microrganismi e trasformato in azoto della biomassa, una parte, invece, sarà rilasciato nel suolo sotto forma di azoto ammoniacale. Quanto azoto sarà trattenuto e quanto rilasciato dipenderà, principalmente, dal rapporto C/N. Se il rapporto C/N del substrato organico, come nel caso del cuoio, è basso la quantità di azoto rilasciato in forma minerale sarà piuttosto rilevante.

4 Numerosi studi dimostrano che nell arco di 2-3 settimane, in condizioni di laboratorio, circa il 60-65% dell azoto aggiunto al suolo come cuoio idrolizzato viene rilasciato sotto forma di azoto minerale. Ma il restante 35-40% che fine farà? Per onestà bisogna ammettere la mancanza di studi che abbiano avuto lo scopo di chiarire questo aspetto; possiamo comunque avanzare delle ipotesi verosimili. Parte dell azoto rimarrà all interno delle cellule microbiche che continueranno a svilupparsi nel suolo e parte, probabilmente, sarà destinato a subire processi di stabilizzazione nel suolo sotto forma di frazioni di media stabilità. Una parte, probabilmente minoritaria, potrà invece essere coinvolta nei processi di umificazione trasformandosi in frazioni molto resistenti. Personalmente riteniamo che sia giunto il momento di sviluppare studi aventi lo scopo di indagare meglio la possibile stabilizzazione dell azoto protieco sotto forma di frazioni a media stabilità. Queste frazioni potrebbero essere responsabili di un effetto residuo delle fertilizzazioni a base di residui di varia natura, effetto di cui è necessario tenere conto per una corretta gestione delle concimazioni azotate organiche. [Box 1] FRAZIONI Contenuto nel terreno Il contenuto medio in azoto dei suoli coltivati varia tra lo 0,06% e lo 0,3% ( mg/kg), mentre nei suoli torbosi può arrivare fino al 3,5%. Di norma il 70% dell azoto presente negli strati superficiali del suolo è organico; il restante è rappresentato da azoto minerale che può essere ulteriormente suddiviso in almeno altre due frazioni: la frazione intrappolata negli spazi interstrato di alcuni tipi di argille sotto forma di azoto ammoniacale, e l azoto minerale direttamente disponibile per la nutrizione vegetale (nitrati e ammonio scambiabile). La frazione minerale disponibile è di norma molto ridotta, rappresentando circa il 2-5% dell azoto totale, e viene continuamente rifornita mediante processi di rilascio di azoto ammoniacale dagli spazi interstrato delle argille, dai processi di mineralizzazione dell azoto organico ed eventualmente e dalle concimazioni. Per processi di mineralizzazione intendiamo la trasformazione di forme azotate organiche in azoto ammoniacale e/o nitrico, comprendendo in questo caso anche la fase di nitrificazione (processo di ossidazione dell azoto ammoniacale in azoto nitrico). [Box 2 fine articolo] PROSPETTIVA Un anagrafe dei prodotti I processi illustrati nell articolo, anche se in modo sommario, hanno lo scopo di offrire un quadro della complessità delle trasformazioni cui sottostà l azoto organico del suolo. Ad esempio se invece del cuoio, prodotto d origine animale, utilizzassimo un prodotto di origine vegetale è necessario ricordare che la sua mineralizzazione

5 dipenderà, oltre che dal C/N, anche dalla presenza di polimeri naturali come ad esempio la lignina. Maggiore è il contenuto in lignina delle residuo utilizzato minore sarà la velocità di mineralizzazione dell azoto in esso contenuto. Esistono poi fattori ambientali quali il clima ed il tipo di suolo che possono ulteriormente complicare le nostre previsioni relative alla gestione dell azoto organico. Le basse temperature ostacolano i processi di mineralizzazione anche se, in realtà, questi possono procedere lentamente anche durante l inverno con temperature del terreno attorno ai 5 C. In questo contesto, tuttavia, il processo di trasformazione dell azoto maggiormente rallentato risulta essere quello della nitrificazione che in pratica si annulla per un lungo periodo. La produzione di azoto ammoniacale, l ammonificazione, invece procede essendo maggiormente tollerante al freddo. Terreni sabbiosi favoriscono i processi di mineralizzazione dell azoto organico, rispetto a quelli argillosi, per almeno due ordini di motivi. Il primo è relativo alla maggiore ossigenazione del suolo, il secondo alla mancanza di argille in grado di stabilizzare le proteine. Tuttavia è necessario tenere anche conto del contenuto in acqua del suolo che, soprattutto nei suoli sabbiosi potrebbe rappresentare un elemento limitante l attività microbica. Per questo motivo riteniamo importante costituire una sorta di anagrafe dei prodotti azotati organici di interesse agricolo che possano essere classificati in base alle loro proprietà intrinseche, indipendenti dal contesto pedoclimatico. In questo modo avremmo un quadro delle proprietà dei prodotti che ci consenta di confrontarli, per poi passare ad una gestione individuale degli stessi all interno di ogni singola realtà pedoclimatica. Tab. 1 - Frazionamento dell azoto mediante idrolisi acida del suolo Forme azotate Definizione % sull azoto del suolo Azoto insolubile in acido Azoto non estratto dall idrolisi acida Azoto ammoniacale Ammoniaca determinata nell idrolizzato Amminoacidico Azoto proveniente da residui amminoacidici Amminozuccheri Azoto presente negli 5-10 amminozuccheri Azoto idrolizzabile non riconoscibile Azoto estratto che non ricade nei composti riconosciuti Modificato da Nitrogen in Agricultural Soil Edited by F.J. Stevenson. American Society of Agronomy, Inc.

6 Tab. 2 - Azoto organico e stabilità alla mineralizzazione Forme azotate % Azoto organico del suolo Periodo di semitrasformazione (anni) Contributo % alla mineralizzazione Biomassa microbica 6 0,5 30 Frazioni attive (residui freschi) Frazioni media stabilità (stabilizzazione fisica) Frazioni molto resistenti (stabilizzazione chimica) ,5 34 Modificato da Chimica del Suolo P. Sequi Coordinatore. Edizioni Patron Didascalie 1 - L esigenza di adeguare i protocolli produttivi al rispetto di normative ambientali che hanno lo scopo di limitare la dispersione dei nitrati 2 - Le frazioni azotate organiche presenti nel suolo sono molteplici e presentano anche una diversa predisposizione alla mineralizzazione. 3 - Quanto azoto sarà trattenuto e quanto rilasciato dipende principalmente dal suo rapporto con il carbonio.