Acqua del suolo. L acqua viene perduta per drenaggio, per ruscellamento, per evaporazione e per assorbimento da parte della vegetazione.

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1 Acqua del suolo L acqua perviene al suolo per vie naturali attraverso immissioni dall alto (ad es. deposizioni atmosferiche), per infiltrazione laterale (ad es. da corsi d acqua) e per risalita capillare dalla falda. Oppure per intervento antropico (irrigazione). L acqua viene perduta per drenaggio, per ruscellamento, per evaporazione e per assorbimento da parte della vegetazione. Consumi idrici unitari: quantità di acqua evapotraspirata dalla pianta per realizzare la produzione di 1 kg di sostanza secca.

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4 Acqua del suolo: composizione

5 Acqua del suolo La soluzione del suolo contiene specie chimiche solubili 5

6 Acqua del suolo La conducibilità elettrica dell estratto acquoso di suolo rappresenta una misura della concentrazione di sali solubili presenti nel terreno 6

7 Acqua del suolo 1. è un agente essenziale per lo svolgimento dei processi fisici, chimici e biologici nella pedosfera 2. costituisce un potente agente di pedogenesi e determina i caratteri morfologici e costitutivi del profilo 3. alimenta l evapotraspirazione 4. condiziona la presenza dell aria tellurica e lo stato termico del suolo 5. solubilizza e mobilizza i nutrienti L acqua del suolo non circola liberamente, ma la permanenza e gli spostamenti dipendono da forze fisiche esercitate sul volume di H 2 O: forze superficiali di adesione, di coesione, di tensione superficiale e forza gravitazionale

8 kcal mol-1

9 L acqua è una molecola polare

10 Due forze consentono al suolo di trattenere quantità variabili di acqua: 1) la forza di adesione, con cui le superfici solide attraggono molecole d acqua; 2) la forza di coesione, con cui dipoli H 2 O si legano fra loro. L acqua fissata per l adesione all interfaccia suoloacqua è capace di legare per coesione altre molecole di H 2 O a distanza progressivamente crescente dalle superfici solide. Congiuntamente queste due forze rendono il suolo capace di trattenere percentuali diverse di umidità e di controllarne il movimento e l utilizzazione.

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12 L acqua compete con la fase gassosa per occupare uno stesso spazio fisico del terreno: la porosità Negli aggregati Tra gli aggregati

13 L acqua compete con la fase gassosa per occupare uno stesso spazio fisico del terreno: la porosità

14 Progressivo riempimento dei pori del suolo all aumentare del contenuto d acqua

15 Pori del suolo e contenuto idrico Variazioni dei volumi di acqua ed aria tellurica in un suolo franco limoso a diversi livelli di contenuto idrico.

16 In relazione alla loro distribuzione nei pori del suolo si identificano quattro frazioni idriche a diversa mobilita Constitutive water

17 Le frazioni idriche del suolo: l acqua gravitazionale E l acqua contenuta nei macropori ed è soggetta alla forza di gravità che, allontanata dagli strati superficiali esplorati dalle radici, drena verso il basso, attraversa gli orizzonti del profilo e finisce nella falda. Una volta svuotati, nei macropori torna l aria tellurica. La sua dinamica è vincolata alla permeabilità del terreno. Velocità di percolazione Suoli molto permeabili: molti metri d -1 Suoli mediamente permeabili: 1-2 metri d -1 Suoli compatti: pochi dm d -1

18 Le frazioni idriche del suolo: l acqua capillare E quella frazione idrica che il suolo riesce a trattenere contro la attrazione gravitazionale nei pori di dimensione < 50 mm (pori capillari o micropori)

19 Le frazioni idriche del suolo: l acqua capillare E quella frazione idrica su cui agiscono le forze di tensione superficiale, penetra e si muove nella microporosità del terreno. Una parte non è disponibile per le componenti radicali, mentre quella contenuta nei capillari con Ø = µm, pur muovendosi con relativa lentezza, è ancora utilizzabile dalle radici. Essa può essere di risalita (dalla falda acquifera), di infiltrazione (da corsi d acqua adiacenti) e di ritenzione (contro la forza di gravità)

20 La capillarità nei pori del suolo Esprime la capacità dell acqua di muoversi nei capillari del terreno contro la forza di gravità. Il fenomeno della capillarità è dovuto all azione combinata delle forze di adesione e di coesione dell acqua. Il cammino capillare dell acqua nel suolo segue un andamento tortuoso e irregolare legato alla forma eterogenea e discontinua dei pori.

21 La risalita capillare segue direzioni sia verticali che orizzontali

22 Le caratteristiche fisico-meccaniche del terreno influenzano la conduttività idraulica dei suoli

23 Risalita capillare in suoli a diversa granulometria Qual è il diametro medio dei pori continui nei suoli sabbiosi?

24 Le frazioni idriche del suolo: l acqua igroscopica Costituisce il sottile film di 4-5 strati di molecole di acqua che aderisce intimamente ai colloidi del suolo mediante forze di interazione elettrostatica (legami ad H) che determinano sia coesione sia adesione. Non è biologicamente utilizzabile in quanto essa è allontanabile dal terreno solo per essiccamento in stufa a 105 C per almeno 16 h.

25 Le frazioni idriche del suolo E parte integrante della fase inorganica del terreno, è presente come molecola isolata nella struttura cristallina di molti minerali Acqua costituzionale Gesso (CaSO 4 2H 2 O) Epsomite (MgSO 4 7H 2 O) Carnallite (KCl MgCl 2 6H 2 O) Utilizzazione estremamente limitata o addirittura impossibile

26 Classificazione dei pori del terreno sulla base delle loro caratteristiche e funzioni Tipo di pori Caratteristiche Funzioni Crepe e fessurazioni ( > 0,5 mm); macropori Pori di trasmissione ( µm); mesopori Sono costituite dalle spaccature visibili, dai cunicoli prodotti dall'attività della meso- e macrofauna e dai vuoti lasciati dopo la decomposizione delle radici più grosse. Le forze capillari sono trascurabili rispetto alla forza gravitazionale e l acqua in esse contenuta viene persa rapidamente dal suolo sotto l azione della forza di gravità. Sono i pori che vengono occupati dalla microfauna e da piccole radici. Le forze capillari sono abbastanza forti da permettere la risalita dell acqua dalla falda per un altezza compresa tra i 6 ed i 60 cm se i pori costituiscono un sistema idraulicamente continuo, ma non la trattengono contro la forza di gravità. Importanti per le relazioni suolo-acqua-pianta. Aerazione, drenaggio, penetrazione delle radici, habitat per la pedofauna Trattengono nel suolo l acqua in parte disponibile per le piante

27 Classificazione dei pori del terreno sulla base delle loro caratteristiche e funzioni Tipo di pori Caratteristiche Funzioni Pori della riserva idrica (0,5-50 µm); micropori Non consentono il drenaggio gravitazionale dell acqua che rimane disponibile per le piante ed i microrganismi. Sono abitati da batteri, ife fungine e peli radicali. Quando i pori della riserva idrica sono completamente pieni il terreno si trova alla capacità di campo, quando sono vuoti al punto di appassimento. Trattengono nel suolo l acqua disponibile per le piante Pori residui (0,005-0,5 µm) Ultra-micropori ( < 0,005 µm) L acqua è così fortemente trattenuta da non essere disponibile per le piante. Questi pori sono così piccoli che la maggior parte dei microrganismi non può penetrare al loro interno. Piccoli soluti che diffondono all interno di questi pori sono così protetti dalla decomposizione sinchè non diffondono all esterno. Aumentano la persistenza dei soluti decomponibili e ospitano molecole organiche a basso PM

28 Contenuto idrico del suolo Due importanti espressioni sono utilizzate per descrivere lo stato della fase liquida nel suolo Contenuto idrico Potenziale idrico Metodi gravimetrici Il contenuto idrico del suolo esprime la quantità di acqua presente nel terreno per unità di peso o di volume e viene sperimentalmente determinato accertando la perdita di peso di un suolo per essiccamento a 105 C fino a massa costante. Gw M M w s V w V M s w d w WFPS V P w

29 Il potenziale idrico del suolo Considerando che la tensione nel sistema acqua-suolo condiziona il comportamento dell acqua, riducendone l energia libera, è possibile descrivere i fenomeni relativi alla ritenzione, alla cessione e all utilizzazione della fase liquida in termini di energia potenziale (attitudine a compiere lavoro). Il potenziale totale dell acqua nel suolo (Ψ t ) è misura dell energia di H 2 O pura e libera da ogni forza di attrazione o di repulsione e sottoposta alla pressione di 1 bar (100 kpa) (stato standard). All acqua allo stato standard si attribuisce valore di potenziale 0. Nelle condizioni che si accertano normalmente nel suolo, il potenziale totale dell acqua assume valore negativi.

30 Il potenziale idrico del suolo Misura lo stato energetico dell acqua del suolo (lavoro da compiere per asportare l unità di volume di acqua) Si esprime in bar (1 bar=10 5 Pa) o in atm (1 atm= Pa) Si tratta di una pressione negativa (tensione o suzione) Esprime il lavoro che le piante debbono compiere per estrarre l acqua dal terreno L acqua fluisce da zone ad elevato a zone a basso potenziale idrico

31 Curva di ritenzione idrica nel suolo 500 µm 50 µm 0.50 µm µm Da un punto di vista biologico occorre che l' H 2 O occupi almeno il 50% della porosità ø pori

32 Le forme idriche nel terreno

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35 Classificazione dell acqua nel suolo Sulla base del potenziale assunto, l acqua nel suolo può essere classificata come: acqua libera: con potenziale tra 0 e 0.3 bar che corrispondono rispettivamente allo stato dell acqua in un suolo completamente saturo ed alla capacità di campo (completo svuotamento dei pori di trasmissione). acqua capillare: con potenziale tra 0.3 e 31 bar, cioè tra il potenziale dell acqua alla capacità di campo e quello assunto dall acqua in un suolo che contiene solo l umidità che può assorbire da un atmosfera in cui è presente il 98% di umidità (coefficente igroscopico). Essa rappresenta l acqua contenuta nei pori compresi tra 0.5 e 50 µm. acqua disponibile: acqua contenuta nel suolo tra la capacità di campo ed il punto di appassimento. Quest acqua può essere utilizzata dalle piante.

36 Componenti del potenziale idrico Ψ = Ψg + Ψp + Ψm+ Ψo

37 (+) espressione del lavoro necessario per mantenere l acqua del terreno ad una certa altezza, sotto l azione del campo gravitazionale. L H 2 O fluisce in discesa sotto l azione della gravità (-, 0, +) è determinata dalla pressione imposta dall H 2 O del suolo; generalmente è 0, ma possono esserci delle eccezioni (-) è determinato dalla forza di attrazione sull H 2 O dalla matrice del suolo. È importante per suoli non saturati (suoli secchi). L H 2 O fluisce da zone di suolo umido a secco (-) è determinata dalla concentrazione dei soluti nell H 2 O del suolo. Minore in presenza di alte conc. di soluti, in particolare in suoli salini. L H 2 O fluisce spontaneamente da zone a bassa conc. di soluti verso zone ad alta conc

38 Il potenziale idrico (Ψ) nel suolo Valori tipici del Ψ aq nel suolo variano da - 0,1 a - 0,5 MPa

39 Contenuto idrico in terreni a diversa costituzione fisico-meccanica Qual è l acqua disponibile nei diversi suoli?

40 Le curve di ritenzione idrica sono caratteristiche di ogni singolo terreno e cambiano con le lavorazioni.

41 Capacità di campo e punto di appassimento variano in funzione della composizione granulometrica del terreno Suoli sabbiosi < suoli limosi < suoli argillosi e ricchi di humus

42 Il valore convenzionale per la capacità di campo è circa MPa (-30 kpa) Per il punto di appassimento permanente (PWP) si hanno valori < 1.5 MPa (-1500 kpa) per valori minori di 5.0 MPa c è solo H 2 O legata igroscopicamente. I valori mostrati per differenti tipi di piante dipendono dal tipo di suolo (tessitura e grandezza pori) e dalla vegetazione

43 Isterèsi Fenomeno per cui viene ad essere ostacolato l inumidimento quando al terreno viene aggiunta acqua, e l essiccamento quando questa tende ad evaporare. Ciò è dovuto alla coesistenza nel terreno di pori di dimensione diversa, tra loro comunicanti, le cui strozzature in corrispondenza dei canali più stretti sono capaci di regolare la tensione idrica.

44 SPAC: Continuum suolo-pianta-atmosfera La pianta è un anello del sistema idraulico che collega l H 2 O del terreno con il vapore acqueo dell atmosfera atmosfera foglia fusto radici L H 2 O è un elemento dinamico che si sposta suolo

45 Water potential gradient Air outside Y = MPa Leaf Y (air spaces) = 7.0 MPa Leaf Y (cell walls) = 1.0 MPa Transpiration Xylem cells Adhesion Xylem sap Mesophyll cells Stoma Water molecule Atmosphere Cell wall Trunk xylem Y = 0.8 MPa Cohesion and adhesion in the xylem Cohesion, by hydrogen bonding Water molecule Root xylem Y = 0.6 MPa Soil Y = 0.3 MPa Water uptake from soil L acqua si muove spontaneamente seguendo un gradiente d energia potenziale Root hair Soil particle Water

46 Water potential gradient Air outside Y = MPa L acqua cade dal suolo nell atmosfera Leaf Y (air spaces) = 7.0 MPa Leaf Y (cell walls) = 1.0 MPa Trunk xylem Y = 0.8 MPa Root xylem Y = 0.6 MPa Soil Y = 0.3 MPa L acqua si muove spontaneamente seguendo un gradiente d energia potenziale