Agronomia Generale Fisica del terreno. Marco Bittelli Dipartimento di Scienze e Tecnologie Agro-ambientali (DiSTA) Universita di Bologna

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1 Agronomia Generale Fisica del terreno Marco Bittelli Dipartimento di Scienze e Tecnologie Agro-ambientali (DiSTA) Universita di Bologna

2 Applicazioni della fisica del terreno 1. Le risorse idriche, il bilancio idrico, l irrigazione. 2. Pianificazione della fertilizzazione, controllo della salinità. 3. Scelta delle colture, rotazioni e sistemi colturali. 4. Regimazione delle acque (drenaggio, sistemazioni). 5. Valutazione dell epoca di semina. 6. Protezione idrogeologica (erosione, frane, smottamenti).

3 1.Le risorse idriche La gestione delle risorse idriche riveste una delle tematiche più significative nella pianificazione delle risorse territoriali. Competizione tra i settori della produzione: primario (agricoltura) e secondario (industria). Ad esempio, per il bacino del Po (dati dell Autorità di bacino del Po), di tutta l acqua prelevata, il 16% è destinato a usi civili (acquedotti, ricreazione), il 46% all agricoltura (irrigazione), il 20% all industria (raffreddamento e processi) e il 18% all energia (idroelettrico).

4 1.Le risorse idriche

5 1.Le risorse idriche

6 1. Il bilancio idrico

7 1. L irrigazione 1 mm= 1 L / 1 m 2 Volume gas Volume liquido Impianto a pioggia su Mais Apparato radicale del Mais Volume solido Volume di suolo Esempio: Terreno al 0.2 m 3 /m 3 di contenuto idrico. Lo si vuole portare alla capacità di campo (0.35 m 3 /m 3 ). Considerando uno strato di terreno di 0.5 metri, quanta acqua dobbiamo applicare con l irrigazione su 1 Ha? Volume d acqua in millimetri = ( ) * 500 mm = 75 mm Volume d acqua in litri per ettaro = 75 L/m 2 * m 2 = L = 750 m 3

8 2. Fertilizzazione Lo stato fisico del terreno determina la disponibilità dei fertilizzanti per le piante, i quali per essere adsorbiti dalle radici devono trovarsi nella soluzione circolante. Eccessi di fertilizzazione possono danneggiare le colture, sia tramite contatto diretto che tramite la diminuzione del potenziale idrico del terreno (potenziale osmotico) Fertilizzazione con ammoniaca anidra Le leggi fisiche che descrivono il moto dell acqua nel suolo (Darcy e Richards) permettono di quantificare i flussi di fertilizzanti nelle falde e quindi impostare strategie di limitazione dell inquinamento delle falde e ottimizzazione della pratica di fertilizzazione (risparmio di risorse finanziarie).

9 2. Controllo della salinità Salinizzazione dei terreni Schema di drenaggio per limitare l accumulo di sali L accumulo di sali nella zona radicale avviene generalmente in condizioni di elevata evaporazione (zone aride) e falda superficiale. Per limitare questo fenomeno devono essere installati sistemi di drenaggio che mantengano la tavola d acqua (falda) in profondità e quindi limitino il formarsi di falde superficiali. La fisica del terreno è necessaria per progettare i sistemi di drenaggio (distanza tra i dreni, tipi di dreni, profondità) i quali devono essere adattati ai tipi di terreno e alle condizioni agronomiche.

10 3. Scelta delle colture, rotazioni e sistemi colturali. Frumento Mais Bietola Sorghum

11 4. Regimazione delle acque superficiali La fisica del terreno permette di valutare la scelta delle migliori sistemazioni del terreno ad esempio per limitare il processo dell erosione. L erosione è un processo naturale di distacco, trasporto e sedimentazione delle particelle di terreno ad opera degli agenti atmosferici Il processo può essere influenzato dalle attività umane I danni dell erosione sono: riduzione della produttività, rimozione della S.O., rimozione dei nutrienti, minore ritenzione idrica, degrado strutturale.

12 4. Regimazione delle acque superficiali Le scoline sono una rete di fossi che generalmente delimitano l asse maggiore dei campi. Le scoline hanno sezione trapezoidali e presentano una differenza tra il lato maggiore (apertura) e il lato minore (fondo). Il dimensionamento della distanza tra le scoline, la profondità e il posizionamento dipendono dalle caratteristiche fisiche del terreno.

13 4. Regimazione delle acque superficiali La profondità della falda (e quindi la distanza e la profondità delle scoline) dipende dalla stratigrafia del terreno e dalle caratterisiche fisiche (granulometria)

14 La fisica del terreno Disciplina che riguarda lo studio fisico del terreno. Il terreno è ujn sistema costituito da materiali solidi derivati dall azione dei cinque fattori di formazione del suolo (clima, roccia madre, tempo, topografia e i fattori biotici). Il terreno è un materiale poroso, polifasico, non-isolato e caratterizzato da tre parti: parte solida, parte liquida e la parte gassosa.

15 Terreno Generalità Profilo Costituenti Proprietà chimiche e biologiche ph Sostanza organica Cap. scambio cationico Elementi nutritivi Salinità Altre proprietà Proprietà fisiche Granulometria Porosità Struttura Contenuto idrico Potenziale idrico

16 Il pedon Il pedon è la più piccola unità di suolo che contiene tutti gli orizzonti che caratterizzano quel particolare tipo di suolo. Generalmente ha una superficie di 1 m 2, e si estende verticalmente fino alla roccia madre. Gli orizzonti sono classificati in base all origine pedologica, alle caratteristiche fisiche, chimiche e biologiche. I fattori di formazione del suolo sono: tempo, clima, roccia madre, topografia e biologia

17 I costituenti della parte solida Minerali primari (frazione sabbiosa e limosa). Si definiscono minerali primari quelli che sono originati dalla sola alterazione fisica della roccia madre. Minerali secondari (frazione argillosa). Si defiscono minerali secondari quelli che si sono formati subendo processi di alterazione fisica e chimica. Sostanza organica. Determinata dalla decomposizione di materiale organico (batteri, funghi, piante, animali, insetti), che viene decomposto in vari composti organici a diversi gradi di decomposizione. Carbonati, ossidi (ferro, manganese), macro e microelementi.

18 La frazione solida, liquida e gassosa Frazioni volumetriche V T = V s + V l + V g = 1 Frazioni massiche m T = m s + m l + m g = 1 Contenuto idrico (volume) m g Contenuto idrico (massa) θ= V l / V T V g frazione gassosa m l w= m l / m s Frazione gassosa V l frazione liquida m s e= V g / V T V s frazione solida

19 Densità, porosità e contenuto idrico Densità specifica [kg m -3 ] Densità apparente secca [kg m -3 ] Porosità [m 3 m -3 ] Contenuto idrico massico o gravimetrico [kg kg -1 ] Contenuto idrico volumetrico [m 3 m -3 ] ρ = s ρ = φ b f w = m V m V s s t t s V f Vg + Vl = = V V m m l l s θ = φ = V V l t t

20 Principali relazioni tra variabili Porosità ϕ f = ρ 1 b Frazione gassosa 1 b Relazione tra contenuto idrico volumetrico e massico Relazione tra contenuto idrico massico e volumetrico ρ s ρ ϕg = ϕf θ = θ ρ θ = w b w ρ ρ ρ l l = θ ρ b s Grado di saturazione S = V V l f

21 Valori tipici Componente Densità specifica [kg m -3 ] Variabile Valore Terreno Quarzo 2660 Ortoclase Minerali argillosi 2650 Mica Materia organica 1300 Limonite Acqua (a 4 C) 1000 Fe(OH) Aria (20 C) 1.2 Ghiaccio 920 Densità apparente Sciolto Densità apparente Compatto Porosità Sabbioso Porosità Medio Impasto Con. Idr. Vol. (CC) Sabbioso Con. Idr. Vol. (CC) Medio Impasto

22 Granulometria La granulometria rappresenta la distribuzione relativa dei diametri delle particelle solide nel terreno. La granulometria può essere rappresentata in diversi modi: classi di diametro, cumulata dei diametri. Per semplificare la rappresentazione e per la classificazione, i terreni vengono raggruppati sulla base delle percentuali relative delle frazioni di sabbia, limo e argilla.

23 Granulometria (curva cumulata) 1 Funzione cumulata e di densità Cumulata Densità Sabbioso Cumulata Densità Medio Impasto 1 Funzione cumulata e di densità Cumulata Cumulata 0.8 Densità Densità 0.6 Argilloso medio impasto Argilloso Diametro delle particelle (µm) Diametro delle particelle (µm)

24 Granulometria (classi di diametro) Classificazione ISSS * Classificazione USDA** Frazione Intervallo Frazione Intervallo Sabbia grossa Sabbia molto grossa Sabbia fine Sabbia grossa Limo 20-2 Sabbia media Argilla < 2 Sabbia fine Sabbia molto fine Limo 50-2 Argilla < 2 * ISSS = International Soil Science Society ** USDA = United States Department of Agriculture

25 Granulometria (triangolo della tessitura)

26 Classi tessiturali e proprietà fisiche Classe tessiturale Saturazione (m 3 /m 3 ) Capacità di campo (m 3 /m 3 ) Densità apparente (kg m -3 ) Cond. Sat. (cm/hr) 1-sabbioso sabbioso franco franco sabbioso franco limoso franco limoso franco sabbioso argilloso franco limoso argilloso franco argilloso argilloso sabbioso limoso argilloso argilloso

27 La struttura Per struttura di un terreno si intende la proprietà derivata dall'aggregazione delle particelle terrose e dalla reciproca disposizione spaziale sia degli aggregati che delle singole particelle. La struttura si deve alla presenza di particelle colloidali, che sono particelle di dimensioni molto piccole (frazioni di micron) che hanno azione cementante. In generale i colloidi minerali, costituiti per lo più da minerali argillosi e da idrossidi di ferro e alluminio, operano un'azione cementante responsabile della formazione di aggregati strutturali primari. Gli aggregati primari a loro volta si legano a formare aggregati secondari o grumi per azione cementante svolta dai colloidi organici, inglobando anche particelle più grandi quali il limo e la sabbia. I fattori che favoriscono la flocculazione dei colloidi sono quelli agiscono verso un'evoluzione positiva della struttura, al contrario i fattori di dispersione dei colloidi sono causa di peggioramento o distruzione della struttura.

28 La classificazione della struttura (metodo di Duchaufour) struttura a particelle incoerenti: è quella tipica della sabbia, costituita da particelle grossolane completamente indipendenti fra loro. struttura compatta: è quella tipica di terreni ricchi di argilla ma poverissimi di sostanza organica. Le particelle sono singole e cementate in un unico insieme dalla flocculazione dei colloidi argillosi. struttura concrezionata: è quella tipica dei crostoni derivata da concrezioni indurite. struttura grumosa o glomerulare: è quella tipica dei terreni ben dotati di humus. Gli aggregati si presentano porosi e di forma irregolare. struttura granulare: è quella tipica dei terreni argillosi. Gli aggregati, cementati prevalentemente dalla flocculazione dei colloidi minerali, si presentano di forma poliedrica o rotondeggiante con una scarsa macroporosità. struttura di disgregazione: è quella tipica dei terreni sottoposti alle lavorazioni e all'azione degli agenti atmosferici. Gli aggregati sono di forma prismatica o poliedrica e sono derivati dalla disgregazione di aggregati zollosi.

29 La classificazione della struttura (metodo pedologico) struttura granulare struttura a piatti struttura a blocchi struttura prismatica o colonnare