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 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).

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) (Lal, 2008).

4 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).

5 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 resintesi di residui rilasciati da organismi microbici, animali e vegetali residenti nel terreno.

6 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)

7 Origine e composizione degli apporti organici al suolo

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

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

10 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.

11 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.

12 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 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.

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 Residuo minerale Quantità iniziale del residuo organico Fase iniziale: Decomposizione di sostanze facilmente degradabili. Parziale conversione a CO 2 (mineralizzazione) e a biomassa microbica (B) (immobilizzazione). B CO 2 Fasi intermedie: Cellulosa e altri carboidrati utilizzati con ulteriore perdita di peso. Formazione di nuova biomassa microbica (B) e parziale mineralizzazione della stessa. B CO 2 B CO 2 Fasi intermedie: Ulteriore perdita di cellulosa. Inizio della decomposizione della lignina. Ulteriore mineralizzazione della biomassa microbica (B). B CO 2 B B 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 C/N 25

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 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.

28 Dinamiche di rilascio di N minerale dal residuo organico in relazione alla presenza di Cephalobus persegnis Il rilascio di N minerale è promosso da forme di gestione che favoriscono l'instaurarsi di catene trofiche complesse

29 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.

30 Prodotti utilizzati in agricoltura come ammendanti 20

31 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)

32 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

33 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

34 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

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

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

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

38 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).

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

40 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

41 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

42 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 )

43 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

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

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

46 Il ciclo del fosforo nel suolo

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

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

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

50 Il ciclo dello zolfo nel suolo

51 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

52 La sostanza organica è fonte di nutrienti

53 La sostanza organica è fonte di nutrienti

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