La tecnica della coltivazione fuori suolo

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1 Ministero delle Politiche Agricole e Forestali Università di Pisa Regione Siciliana Assessorato Agricoltura e Foreste Progetto Interregionale Orticoltura Sottoprogetto Colture protette La tecnica della coltivazione fuori suolo

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3 Ministero delle Politiche Agricole e Forestali Università di Pisa Regione Siciliana Assessorato Agricoltura e Foreste PROGETTO INTERREGIONALE ORTICOLTURA SOTTOPROGETTO COLTURE PROTETTE LA TECNICA DELLA COLTIVAZIONE FUORI SUOLO A CURA DI FERNANDO MALORGIO, LUCA INCROCCI, BIAGIO DIMAURO E ALBERTO PARDOSSI 1

4 Foto di copertina: Potenzialità della coltura idroponica. La foto illustra i numerosi frutti ottenuti da 4 piante di melone, allevate in un sistema di coltivazione idroponico (Deep Recirculating Culture), in occasione di una manifestazione specializzata in Giappone. (Foto: per gentile concessione del prof. Y. Shinohara, Chiba University, Giappone) 2

5 INDICE PRESENTAZIONE 5 1 INTRODUZIONE 7 2 LE PRINCIPALI TECNICHE DI COLTIVAZIONE FUORI SUOLO Definizione e classificazione Un po di storia e attuale diffusione delle colture fuori suolo I principali sistemi di coltivazione fuori suolo Deep Water Culture e Floating System Nutrient Film Technique (NFT) Aeroponica La coltura in contenitore 15 3 I SUBSTRATI I substrati: definizione e classificazione Caratteristiche fisiche e chimiche dei substrati Le relazioni idriche del sistema substrato+contenitore (S/C) Descrizione dei principali substrati di coltivazione utilizzati Torba Torba di fibra di cocco Perlite Pomice e lapillo Lana di roccia Argilla espansa CENNI PRELIMINARI SULLA NUTRIZIONE MINERALE Gli elementi indispensabili per la vita delle piante Funzione dei diversi elementi nutritivi Meccanismi di rifornimento nutritivo RICHIAMI DI CHIMICA Definizioni Peso atomico Mole Peso equivalente Modi di esprimere la concentrazione di una soluzione Percentuale peso/peso (simbolo % p/p) Peso di soluto per unità di volume (simbolo % p/v) Molarità (simbolo M) Normalità (simbolo N) ph, conducibilità elettrica e solidi disciolti LA SOLUZIONE NUTRITIVA Premessa e definizioni Valutazione della qualita dell acqua irrigua ph Conducibilità elettrica (EC) e concentrazione dei sali Problemi di tossicità La scelta della ricetta nutritiva 46 3

6 6.3.1 Aggiustamenti della composizione della ricetta nutritiva in caso di 48 acque di scarsa qualità 6.4 Tipi di acidi e sali usati nella coltura fuori suolo Calcolo di una soluzione nutritiva Neutralizzazione dei bicarbonati Calcolo dei sali da apportare per il bilanciamento dei macronutrienti Calcolo dei sali da apportare per il bilanciamento dei micronutrienti Calcolo delle soluzioni stock Uso di tabelle di riferimento e di foglio elettronico per il calcolo delle 67 soluzioni nutritive 7 IMPIANTISTICA DELLE COLTIVAZIONI FUORI SUOLO Supporti per la coltivazione Impianto di erogazione della soluzione nutritiva Impianto di fertirrigazione Metodi di miscelazione Caratteristiche dei contenitori stock Impianto di disinfezione della soluzione nutritiva drenata 78 8 GESTIONE DELLA COLTIVAZIONE FUORI SUOLO Gestione del clima in serra e impiantistica necessaria Finestre di ventilazione Riscaldamento Sistemi di gestione climatica Gestione dell irrigazione Rifornimento dei nutrienti nella coltura fuori suolo Strategie innovative per la gestione del rifornimento minerale in sistemi 95 chiusi 8.4 I controlli da compiere sulla soluzione nutritiva e la risoluzione di eventuali 96 problemi 9. I DISORDINI FISIOLOGICI DELLE SPECIE ORTOFLORICOLE 99 COLTIVATE IN IDROPONICA 9.1 I disordini fisiologici I disordini nutrizionali Cause più frequenti dei disordini nutrizionali Diagnosi dei disordini fisiologici e minerali Diagnostica fogliare rapida Cura e prevenzione Descrizione di alcuni dei più comuni disordini minerali Carenza e tossicità del ferro Le carenze di calcio La spaccatura dei frutti di pomodoro I difetti di maturazione del pomodoro 115 APPENDICE 1 Tabelle per il calcolo manuale delle soluzioni nutritive 117 APPENDICE 2 Uso di SOL-NUTRI 2.1 per il calcolo delle soluzioni 129 nutritive BIBLIOGRAFIA CONSULTATA 141 4

7 PRESENTAZIONE L inizio della collaborazione con l Assessorato all Agricoltura della Regione Siciliana avvenne in modo occasionale qualche anno fa con la gestione di un corso formativo ed in seguito per far parte di un comitato scientifico per le attività sperimentali nel settore dell Orticoltura. Con il tempo, visto il reciproco interesse per gli argomenti affrontati, i corsi sono stati incrementati ed il rapporto è divenuto sempre più stretto e fruttuoso, almeno per noi. La Sicilia è una Regione orticola per eccellenza e le colture protette sono largamente diffuse sul territorio. E la nostra Almeria. La conferma sul campo di alcune nostre ricerche sperimentate su piccola scala sono state anche una risposta ai loro problemi e questo è servito a rinsaldare i nostri rapporti. Questo periodo pertanto è stato per noi interessante sia sotto il profilo tecnico scientifico sia umano; i tecnici della Regione, con i quali abbiamo operato, oltre ad una buona professionalità si sono dimostrate persone eccellenti dal punto di vista umano. Le prove sperimentali ci hanno convalidato molte delle nostre ipotesi ed hanno favorito nuovi ed interessanti esperimenti. Le colture senza suolo, il ciclo chiuso non sono tecnologie nate per complicare delle semplici operazioni colturali, ma stanno diventando sempre più importanti in un sistema produttivo che deve essere ecocompatibile e con uno standard qualitativo elevato. Molto spesso le colture protette sono ritenute fonte di inquinamento, ma questo non è vero se operiamo correttamente ed adottiamo la tecnica giusta. Il risparmio idrico, l uso di acque ad elevato contenuto salino sono circostanze con cui l operatore è costretto a convivere e deve destreggiarsi per ottenere una produzione economicamente accettabile. Per questo è indispensabile avere una perfetta conoscenza delle varie tecnologie che ci permettono di gestire il processo produttivo limitando l impatto ambientale e rispettando uno standard elevato sia sotto il profilo quantitativo sia qualitativo. Nell ambito delle attività relative al Progetto Interregionale Orticoltura sono stati organizzati molti incontri tecnico-scientifici con la piena soddisfazione del mondo tecnico ed operativo e per ciascuno dei quali sono disponibili i relativi rapporti; ma a conclusione di questo progetto, per una informazione più completa ed organica sull argomento, abbiamo ritenuto opportuno dar vita ad un manuale che raccolga le indicazioni indispensabili per la costruzione di un impianto di colture senza suolo ed in particolare della sua gestione che, dal punto di vista ambientale, è l aspetto più delicato. Sono certo, visto l impegno e la padronanza degli autori per la materia trattata, che sarà una dispensa utile per tutti i tecnici che operano nel Servizio assistenza. Prof. Franco Tognoni Dipartimento di Biologia delle Piante Agrarie Università di Pisa. 5

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9 1 INTRODUZIONE La coltivazione in ambiente protetto di specie orto-floricole rappresenta da circa un trentennio, in Sicilia in genere e nella fascia costiera del ragusano in particolare, una notevole fonte di reddito nonché una realtà tecnica in continua evoluzione e specializzazione. Se da un lato tale evoluzione ha permesso di ampliare il panorama delle specie coltivate, dall altro ha causato notevoli problemi di ordine fitopatologico legati soprattutto alla monocoltura spinta, alla successione di specie con spettro fitopatologico simile ed alla conseguente stanchezza del terreno. Inoltre l impiego di cultivars di nuova costituzione, che consentono di realizzare produzioni di pregio, e l esigenza di far fronte ai sempre crescenti costi di produzione hanno imposto la necessità di sfruttare al massimo le potenzialità del terreno. La sterilizzazione del suolo, con vari prodotti fumiganti, bromuro di metile in particolare, è pertanto divenuta una pratica indispensabile nelle coltivazioni in serra. La pratica della fumigazione con bromuro di metile desta perplessità in relazione ai probabili rischi di: - Inquinamento Ambientale. - Accumulo di Bromo nelle falde acquifere. - Residui di Bromo nei frutti e nelle parti eduli delle piante. Secondo i dati forniti dalla Associazione Italiana Fumigatori, si stima che in Europa vengono utilizzate tonnellate di bromuro di metile di cui circa tonnellate in Italia. Le regioni italiane maggiormente interessate sono la Sicilia con circa il %, Lazio %, Campania %, Calabria 7.57 %, Sardegna 3.52 %, Emilia Romagna 3.33 %, Liguria 1.50 %, altre 6% (Annuario ISTAT 1996, Tab.1.1). Nel 1987, il primo incontro delle parti del Protocollo di Montreal includeva il bromuro di metile tra le sostanze che influivano negativamente sul buco dell ozono e pertanto il suo utilizzo era posto sotto controllo. A seguito di questo provvedimento, a livello internazionale, i vari paesi firmatari di tale protocollo, e tra questi anche l Italia, hanno messo in atto una serie di iniziative legislative per l adozione di misure restrittive volte a ridurre gradualmente ed eliminare del tutto, nel breve futuro, l impiego di bromuro di metile in agricoltura. Attualmente, in occasione del nono incontro delle parti del protocollo di Montreal, sono state fissate le date definitive per l eliminazione dell impiego di bromuro di metile. In particolare è stato stabilito quanto segue: - 01/01/2001: 60% di riduzione dei consumi rispetto al 1991; - 01/01/2003: 75% di riduzione dei consumi rispetto al 1991; - 01/01/2005: eliminazione dell impiego, fatti salvi gli usi critici. La prospettiva più o meno vicina di un tale divieto, la continua richiesta da parte dei consumatori di prodotti ortofrutticoli esenti da residui di fitofarmaci, la riduzione dell impatto ambientale, la necessità di realizzare produzioni economicamente redditizie, hanno già, da diversi anni, spinto verso la possibilità d impiego di sistemi e tecniche 7

10 nuove quali l innesto, la solarizzazione, il miglioramento genetico, le tecniche di coltivazioni fuori suolo. Tab Consumo di Bromuro di Metile (Annuario ISTAT 1996) Regione Consumi (Ton.) Consumi % Sicilia ,52% Lazio ,93% Campania ,64% Calabria 530 7,57% Sardegna 246 3,52% Emilia Romagna 234 3,33% Liguria 105 1,50% Altre regioni 420 6,00% Totale Italia Totale Europa Quest ultima tecnica, ormai diffusa ed affermata in Paesi Europei ed Extraeuropei a vocazione serricola, sembra, ad oggi, il sistema più idoneo per superare i suddetti problemi. La coltivazione di specie orto-floricole in fuori suolo richiede un forte investimento iniziale sia sulle strutture sia sulle infrastrutture serricole, ma anche una buona preparazione tecnica per la gestione del sistema. A fronte di questo, però, va anche detto che la coltivazione fuori suolo (idroponica) è in grado di fornire dei risultati economici, sia in termini di PLV (produzione lorda vendibile) che di reddito netto, notevolmente superiori a quelli della coltivazione tradizionale al terreno. In Sicilia, in ogni modo, nonostante la grande importanza delle colture in serra ed il crescente interesse da parte degli agricoltori verso questo nuovo sistema, le coltivazioni fuori suolo non hanno avuto grande sviluppo. Diversi motivi hanno ostacolato questa diffusione, legati soprattutto ad una mancanza di ricerca e sperimentazione ed una conseguente insufficiente opera divulgativa. Le indicazioni di cui si dispone, infatti, provengono prevalentemente da ricerche effettuate in altri paesi e/o zone con condizioni agronomiche ed ambientali differenti da quelle siciliane. Con il Progetto Interregionale Orticoltura , il IX servizio dell Assessorato all Agricoltura della Regione Siciliana grazie alla collaborazione dell Università di Pisa, di Palermo e di Catania, partendo dal bisogno informativo degli operatori agricoli, ha avviato delle prove dimostrative riguardanti diverse specie ortofloricole con il fine di mettere a punto alcune tecniche alternative al bromuro di metile nell ambiente siciliano fra cui l innesto erbaceo e la coltura fuori suolo. In questo manuale divulgativo, pur nella consapevolezza che non può essere esaustivo in materia, saranno trattati in linea generale i substrati ed i contenitori di coltivazione maggiormente impiegati nella zona e saranno approfondite le tematiche relative alla formulazione delle soluzioni nutritive in relazione alla qualità delle acque e alla gestione della coltivazione fuori suolo. 8

11 2 LE PRINCIPALI TECNICHE DI COLTIVAZIONE FUORI SUOLO 2.1 DEFINIZIONE E CLASSIFICAZIONE Nelle 'colture idroponiche o senza suolo' sono comprese tutte quelle tecniche di coltivazione attuate in assenza del comune terreno agrario nelle quali il rifornimento alle piante, di acqua e di elementi nutritivi, avviene generalmente attraverso la somministrazione di una soluzione nutritiva completa di macro- e micro-nutrienti. Di solito, le colture fuori suolo (nella terminologia anglosassone sono identificate come soilless cultures) si possono suddividere in base al tipo di supporto della pianta in colture su substrato (artificiale, minerale o organico o un mix di questi) e colture senza substrato, in cui l apparato radicale è più o meno immerso in una soluzione nutritiva (Nutrient Film Tecnique o floating system). In figura 2.1 è riportato uno schema della classificazione dei vari sistemi colturali. Fig Classificazione delle tecniche di coltivazione fuori suolo più diffuse; in parentesi è riportata la nomenclatura internazionale. 9

12 Un altro tipo di classificazione è quella che si basa sul riutilizzo o meno del drenato. Infatti, per motivi tecnologici (difformità tra i punti di erogazione della soluzione nutritiva, differente sviluppo vegetativo delle piante) e per la qualità dell acqua irrigua (alto contenuto in elementi non essenziali con conseguente necessità di dilavamento per evitare il loro accumulo) è necessario dare un quantitativo di soluzione nutritiva superiore a quella evapotraspirata dalla coltura, ottenendo così un percolato denominato drenato: se questo è raccolto e, dopo essere opportunamente reintegrato, è ri-somministrato alla coltura si parla di ciclo chiuso, mentre se questo è utilizzato su una coltura su suolo o peggio se è scaricato nell ambiente si parla di ciclo aperto. 2.2 UN PO DI STORIA E ATTUALE DIFFUSIONE DELLE COLTURE FUORI SUOLO. L idroponica non può essere considerata solo un invenzione moderna in quanto è ormai noto che queste coltivazioni erano già conosciute dagli antichi egizi (Resh, 1998); altri esempi sono i giardini di Babilonia e degli Aztechi in Messico (Jensen, 1997). La prima applicazione su scala commerciale della coltura idroponica (Deep Water Culture) fu, comunque, quella di W.F. Gericke, fisiologo della California Agricultural Experimental Station nel periodo tra le due guerre mondiali del secolo scorso. Il sistema nacque come mezzo alternativo alla coltivazione a terra in serra, afflitta notoriamente, allora come adesso, dai problemi di stanchezza del terreno (Jensen, 1997). Durante la seconda guerra mondiale, l'esercito americano utilizzò l'idroponica per la produzione di prodotti freschi da destinare alle sue truppe presenti in Giappone. Il motivo fu essenzialmente igienico in quanto, in quel paese, si utilizzavano liquami di origine umana per la concimazione degli ortaggi e questo ne consentiva l uso solo dopo la cottura; così 22 ha di colture idroponiche furono realizzati a Chofu (Resh, 1998). La tecnica suscitò la curiosità degli sperimentatori giapponesi che, negli anni seguenti perfezionarono la versione originale di Gericke e la diffusero tra i serricoltori locali (Deep Recirculating Culture). Dal punto di vista commerciale, la tecnica tuttavia non si sviluppò moltissimo per i problemi di corrosione delle tubature indotti dall uso di soluzioni acidule, per il costo elevato per costruire i bancali e per la facilità con cui insorgevano fenomeni di ipossia radicale, che portavano alla perdita della coltivazione. L'introduzione della plastica in agricoltura, intorno agli anni 60, semplificò alcuni aspetti costruttivi (tubazioni, canalette ecc.), e suscitò nuovamente l'interesse degli operatori verso le colture fuori suolo. I ricercatori continuarono a perfezionare la coltivazione in idroponica e nel 1965 Allen Cooper, ricercatore al Glasshouse Crops Research Institute a Littlehampton in Inghilterra, ideò il sistema NFT (Nutrient Film Technique). In Europa i primi impianti di colture senza suolo furono realizzati nel 1963, ma è solo negli anni '70 che possiamo parlare di una produzione commerciale fuori suolo significativa dal punto di vista statistico. Solo a partire dagli anni 80, con l utilizzo di nuovi substrati di natura organica (a base di torba) e di substrati artificiali o naturali (lana di roccia, perlite, pomice, lapillo vulcanico ecc.) con caratteristiche fisiche-chimiche migliori rispetto alla sabbia o alla ghiaia ha aperto la diffusione su larga scala di queste colture. Attualmente esistono diverse tipologie di colture su substrato, sia per il materiale utilizzato come substrato (materiali singoli o loro miscugli), sia per il metodo di erogazione della soluzione nutritiva. Oggi, in Olanda più del 90% degli ortaggi di serra è prodotto con tecniche di coltivazione fuori suolo e la stessa tendenza si osserva per ciò che concerne la produzione 10

13 dei fiori recisi (Van Os e Stanghellini, 2001). La coltivazione fuori suolo è diventata sempre più diffusa anche nell Est dell Asia e nelle regioni mediterranee, in particolare in Spagna e Israele. Recentemente, l idroponica è stata inclusa nel programma di ricerca condotto dalla NASA per sviluppare un sistema di produzione di cibo per le missioni spaziali (Jensen, 1997). Altre particolari applicazioni dell idroponica riguardano l allevamento di piante medicinali per la produzione di fitofarmaci. Infine, vale la pena ricordare che l idroponica è stata proposta come tecnologia a basso costo per lo sviluppo di orti urbani in paesi tropicali e subtropicali, come mezzo di sostentamento per le popolazioni locali (Pardossi et al., 2005). Tuttavia la tecnologia idroponica è rimasta una tecnica poco diffusa. Si stima che gli ettari coltivati sotto serra con sistemi idroponici siano compresi tra e , secondo i dati riportati da Jouët (2001) e van Os et al. (2001), su un totale delle aree destinate alle colture protette che è circa 2 milioni di ha, se teniamo conto del recentissimo boom della Cina in questo particolare settore agricolo. Tab Vantaggi e svantaggi delle colture senza suolo. Vantaggi Standardizzazione della produzione Migliore controllo delle condizioni fitosanitarie Miglior controllo dell'ambiente radicale Riduzione del consumo idrico Uso efficiente dei concimi e migliore gestione della nutrizione della pianta Maggiore precocità Razionalizzazione del lavoro e possibilità di meccanizzazione Svantaggi Costi d'impianto elevati Necessità di personale tecnico specializzato Smaltimento dei substrati utilizzati od "esausti" Smaltimento delle soluzioni drenate non completamente esaurite Maggior uso di materiali difficili da riciclare (plastica) Necessità di disporre di acqua di buona qualità Rischi di asfissia radicale I motivi di questo lento sviluppo della tecnologia sono da ricercare in alcuni svantaggi (tab. 2.1) che essa presenta, primi fra tutti i maggiori investimenti iniziali e la necessità di una certa professionalità per la sua corretta gestione da parte dell agricoltore. I principali vantaggi offerti dalle colture fuori suolo (tab. 2.1: possibilità di meccanizzazione, maggiori produzioni, maggior controllo della nutrizione minerale, possibilità di superare la stanchezza del terreno) sono molto attenuati e spesso non convenienti se la tecnica è applicata in una struttura a bassa tecnologia e quindi con un insufficiente controllo climatico (Di Mauro e Incrocci, 2005), come lo è nella quasi totalità delle strutture protette. A conferma di quanto sopra esposto sta il fatto che la coltura fuori suolo si è particolarmente diffusa nell Europa dell Ovest, dove circa ha (di cui solo in Olanda) sono coltivati utilizzando colture a ciclo aperto o chiuso su substrati inorganici 11

14 (Van Os e Stanghellini, 2001); in questi stessi paesi maggiore è anche concentrazione di serre a media ed alta tecnologia, dove, in effetti, la coltura fuori suolo può esprimere al massimo le sue potenzialità, Per quanto riguarda l Italia, nel 1990 esistevano meno di 50 Ha per lo più concentrati in Sardegna. Negli anni successivi si è avuta una certa diffusione delle colture senza suolo in Italia che, comunque, rimane poco utilizzata: oggi si stima che la superficie delle serre utilizzata per colture senza suolo sia intorno a 1000 Ha, pari a circa il 4% dell intera superficie protetta italiana. Le tecniche più utilizzate sono quelle che prevedono l impiego di un substrato, organico (fragola) od inerte (ortaggi e fiori recisi); una discreta diffusione ha avuto il floating system. Quattro specie coprono da sole oltre il 90% della superficie totale e sono quelle in cui la coltivazione fuori suolo ha dato dei reali vantaggi: fragola (200 Ha), pomodoro (200 Ha, fra differenti tipologie), gerbera (100 Ha), rosa (200 Ha). Fra i substrati maggiormente utilizzati troviamo in ordine d importanza la torba, la perlite, la lana di roccia, la pomice, il lapillo o altre rocce vulcaniche e la fibra di cocco. Sono, infine, da ricordare altri materiali legati a realtà locali come le vinacce e le alghe marine (utilizzate ad esempio in Sardegna). I primi impianti italiani sono stati realizzati semplicemente trasferendo la tecnologia Olandese senza tenere in debita considerazione le differenti condizioni climatiche ed economiche in cui si trovano ad operare i nostri serricoltori; era facile trovare nelle aziende costosi impianti computerizzati chiaramente sovradimensionati rispetto alle esigenze aziendali. Inoltre, l assenza di personale specializzato ha portato alla nascita di instant expert che hanno spesso portato a pessimi risultati commerciali che hanno, ovviamente, scoraggiato la scelta del fuori suolo di molti operatori. Prevedere quanto le colture senza suolo si diffonderanno nel nostro Paese è certo difficile. Certo, non mancano elementi a favore di questa diffusione. Nell'ultimo decennio, il consumatore ha profondamente cambiato le proprie esigenze alimentari e ha iniziato a valutare i prodotti ortofrutticoli anche dal punto di vista igienico-sanitario e, ancor più recentemente, salutistico. Inoltre, sono aumentati i vincoli alla produzione agricola imposti da una legislazione sempre più di stampo ambientalista. La proibizione dell'impiego del Bromuro di Metile, avvenuta all inizio del 2005, l'introduzione di valori massimi del contenuto di nitrati negli ortaggi da foglia e la limitazione del consumo di pesticidi e fertilizzanti impongono agli agricoltori una profonda revisione delle tecniche colturali. Le colture senza suolo, in questo senso, potrebbero giocare un ruolo importante, anche se limitatamente al settore ortoflorovivaistico (comunque, uno dei più importanti nel panorama dell agricoltura italiana), un po come è già avvenuto in un altro paese del Mediterraneo, la Spagna. 2.3 I PRINCIPALI SISTEMI DI COLTIVAZIONE FUORI SUOLO Qui di seguito si illustrano brevemente i principali sistemi di coltivazione fuori suolo, mentre in tab. 2.2 si riporta un quadro sinottico delle principali caratteristiche di tutti i sistemi descritti Deep Water Culture e Floating System Il Deep Water Culture, ideata da Gericke (1929), è stata la prima tecnica fuori suolo a diffusione commerciale: il sistema era costituito da vasche contenenti la soluzione nutritiva, sulle quali era appoggiata della rete a maglia fine ricoperta con tela che serviva 12

15 a sostenere un sottile strato di sabbia (circa 1 cm) dove erano trapiantate le giovani piantine. Il principale difetto di questo sistema era la facilità con cui si verificavano condizioni di ipossia radicale a causa alla limitata superficie di scambio aria-acqua rispetto al volume della soluzione e al basso coefficiente di diffusione dell ossigeno nell acqua. Il problema dell ipossia radicale, tipico di questa tecnica è stato risolto attraverso l introduzione di un aerazione forzata (con compressori) o con speciali sistemi di ricircolo della soluzione nutritiva che ne favoriscono l areazione (Deep Recirculating Culture). Queste modifiche al sistema originario hanno consentito una larga diffusione di questa tecnica in Giappone, dove nel 1996 esistevano circa 300 Ha, pari ad un terzo della superficie totale delle colture fuori suolo presenti nel paese (Prof. Y. Shinohara, Chiba University, comunicazione personale). La diffusione del polistirolo e altri materiali plastici ultraleggeri (Styrofoam ) ha permesso la realizzazione di vassoi di coltivazione autoportanti e cioè capaci di galleggiare sulla soluzione nutritiva. Questa modifica, nota con il termine inglese floating system (dall inglese float = galleggiare), fu usato per la prima volta dal Prof. Franco Massantini (Università di Pisa) nel 1976 per la coltivazione di lattuga, cardo e fragola. Nel floating system le piante sono allevate in un elevato volume unitario di soluzione nutritiva (circa litri per m 2 ), che assicura un elevato volano idrico e nutritivo, il quale riduce, ad esempio, le escursioni termiche a livello radicale ed consente di ridurre la frequenza del controllo e della reintegrazione della soluzione nutritiva. L estrema semplicità costruttiva è il principale motivo della notevole espansione commerciale di questo sistema in Italia (in particolare nel Veneto) per la coltivazione di specie a ciclo breve, come ad esempio insalate da taglio, rucola, valerianella ed erbe aromatiche (basilico, menta, timo ecc.) (Fig. 2.2) Ad esempio, nel caso della rucola e del basilico, il floating system permette di ottenere produzioni di sostanza fresca, a seconda della stagione produttiva, da 2 a 5 volte superiori rispetto a quelle ottenute a terra a parità di giorni di coltivazione, con cicli che nel periodo estivo si aggirano da 2 a 3 settimane dalla semina alla raccolta (Incrocci et al., 2001) Nutrient Film Technique (NFT) La tecnica, messa a punto da Cooper nel 1972 (Cooper, 1979) a Littlehampton in Gran Bretagna, prevede la coltivazione delle piante in canalette in leggera pendenza ( %) entro le quali scorre (con un flusso di 1-3 L/min) un sottile film di soluzione nutritiva. Il sistema NFT presenta non pochi inconvenienti che, di fatto, ne hanno limitato la diffusione su scala commerciale. Il più importante è legato alla formazione, almeno in alcune specie, di una abbondante (eccessivo!) apparato radicale che in colture a ciclo lungo aumenta i rischi di ipossia radicale, di inquinamento organico (escreti radicali) della soluzione nutritiva e di proliferazione di organismi patogeni responsabili di malattie radicali (Fig. 2.2). Il sistema NFT, infine, ha una scarsa inerzia termica; conseguentemente, le piante sono soggette a grosse escursioni termiche a livello radicale sia durante il periodo invernale sia in quello estivo, soprattutto se le canalette non sono costruite con materiali isolanti e sono rialzate dal suolo. 13

16 Fig In alto a sinistra: coltivazione di lattughino in floating system in Veneto (Italia). Nella parte bassa della vasca si notino i pannelli appena seminati. In alto a destra: coltivazione di insalata in un sistema aeroponico. Le piante sono allevate su pannelli inclinati per massimizzare lo sfruttamento della superficie. In basso a sinistra: impianto sperimentale di NFT per la coltivazione di pomodoro presso il dipartimento di Biologia delle Piante Agrarie dell Università di Pisa. Si notino le canalette in PVC inclinate per permettere lo scorrimento per gravità della soluzione nutritiva somministrata alla testata di questa. In basso a destra: eccessivo sviluppo di radici di melone nella canaletta di NFT, con conseguente facilità di sviluppo di condizioni di ipossia radicale. Nel 1992 la GVI System Corporation ha sviluppato un sistema chiamato "Super Nutrient Film Technique" (SNFT) con lo scopo di eliminare questi inconvenienti. Nel SNFT la soluzione è distribuita da ugelli disposti lungo la canaletta, assicurando una perfetta distribuzione ed un adeguata presenza di ossigeno in vicinanza della radice. La canaletta ha, inoltre un particolare profilo che permette alla soluzione erogata ad ogni singola pianta di scorrere trasversalmente alla canaletta stessa, raccogliendosi ai lati della stessa per poi scorrere longitudinalmente. Ciò permette di utilizzare canalette lunghe fino a 12 m. In questo modo le radici di ogni singola pianta sono bagnate da soluzione nutritiva fresca e non già impoverita da quelle che stanno a monte. 14

17 2.3.3 Aeroponica In questo sistema le radici delle piante sono sospese in un contenitore dove un sistema di nebulizzazione le mantiene costantemente umide. La soluzione nutritiva è ricircolante. In aeroponica i problemi di ipossia sono praticamente nulli, (FAO, 1990), ma gli elevati costi di impianto (anche per la necessità di predisporre sistemi di allarme e di sicurezza), assieme all inesistente buffer idrico in caso di guasti, ne hanno assai limitato la diffusione commerciale La coltura in contenitore Le prime coltivazioni su substrato furono realizzate utilizzando bancali di cemento riempiti con sabbia o ghiaia (gravel culture, FAO, 1990). Successivamente, l introduzione di substrati a base di torba assicurò una maggiore riserva idrica ed aerazione permettendo così di ottenere un sistema abbastanza affidabile dal punto di vista commerciale. L evoluzione delle colture su substrato è stata determinata dalla necessità di diminuire il più possibile i costi di impianto (costi dei supporti, della manodopera necessaria per il suo montaggio e dello stesso substrato). L introduzione della plastica ha permesso di abbandonare i costosissimi bancali di cemento: dalle canalette in polipropilene, opportunamente sagomate, si è passati all impiego di cassette o grossi vasi ed infine all uso di sacchi o appositi profilati in polistirolo che hanno determinato una sostanziale riduzione del volume di substrato a disposizione della pianta. Nelle serre per la produzione di piante ornamentali in vaso è molto diffusa la subirrigazione (detta anche tecnica del flusso e riflusso) in cui i vasi sono collocati in canalette o bancali o meglio in platee impermeabili con un flusso intermittente di soluzione nutritiva. Il principale vantaggio di questa tecnica sta nel fatto che la soluzione nutritiva penetra nel vaso dalla base e per risalita capillare si diffonde verso l alto. Si crea così un flusso unidirezionale, dal basso verso l alto, che ostacola la propagazione dei parassiti e semplifica il controllo dei nutrienti nella soluzione nutritiva ricircolante. A fronte di maggiori costi iniziali, questa tecnica ha il vantaggio di una forte riduzione della manodopera necessaria per la bagnatura dei vasi, una scarsa predisposizione alla diffusione delle malattie radicali (anche adottando la gestione del ciclo chiuso) e la possibilità di un automazione delle operazioni di posizionamento, spaziatura e raccolta dei vasi delle piante coltivate. Tuttavia, il fenomeno della risalita capillare può creare condizione di forte salinità all interno del vaso per accumulo di ioni non essenziali non assorbiti dalla pianta come ad esempio sodio e cloro, se non si utilizzano acque di buonissima qualità (Incrocci et al., in press). Negli ultimi anni si è assistito all introduzione di molti nuovi materiali (come ad esempio la fibra di cocco), ognuno con i suoi pregi e difetti. Attualmente i mezzi di crescita più diffusi sono i substrati a base di torba o fibra di cocco (mescolati con pomice o perlite), la perlite e la lana di roccia. A prescindere dal lato economico però, il mezzo ideale di coltura dovrebbe presentare alcune importanti caratteristiche: proprietà meccaniche adeguate per garantire la stabilità dell'impianto; alta porosità (non meno del 75-80%); una distribuzione adeguata di aria (ossigeno) e acqua per garantire una buona tenuta idrica ed allo stesso tempo facilitare gli scambi gassosi nella parte ipogea della pianta; ph compreso tra 5.0 e 6.5; basso contenuto in sali solubili; bassa capacità di scambio cationico; capacità di mantenere le caratteristiche originarie per colture con ciclo colturale lungo; assenza di patogeni e/o sostanze bio-tossiche. 15

18 Fig Coltura fuori suolo di ortaggi in Olanda. In questa nazione, la produzione di ortaggi (anche di fiori recisi) in serra è una vera e propria attività industriale, in considerazione degli investimenti richiesti per la realizzazione delle strutture, del livello di meccanizzazione e automazione delle varie operazioni, della standardizzazione delle rese produttive e della qualità dei prodotti. Il ciclo, sia di pomodoro, sia di peperone dura un intero anno ed è effettuato su lastre di Grodan. Nel pomodoro si raccolgono circa palchi, per una produzione che arriva fino a Kg m -2 : man mano che si procede alla raccolta dei frutti dei palchi, il fusto è defogliato in basso ed abbassato. Tutte le operazioni colturali sono effettuate mediante carrelli elevatori che si muovono su rotaie poste nelle interfila utilizzate come tubi per il riscaldamento. In alto a sinistra: particolare della canaletta di sostegno di una coltura fuori suolo di pomodoro, dove si nota la manichetta di color verde, utilizzata per la concimazione carbonica e i fusti di pomodoro defoglianti e ripiegati. A sinistra in basso: carrello utilizzato per le operazioni colturali. A destra, in alto e basso: navata centrale e interfila in una serra di peperoni. 16

19 A B C D Fig Evoluzione nei sistemi di coltivazione su substrato: il caso della rosa. I primi impianti furono realizzati in banquette in polipropilene opportunamente sagomate (foto A) e riempite con substrati a base di perlite, pomice o tufo. Successivamente, per ridurre i costi per l acquisto del substrato, si sono usati dei comuni vasi di grassa dimensione (foto B). Negli ultimi anni si è andato diffondendo l'uso delle lastre di lana di roccia (foto C) o dei sacchi di perlite (foto D) che permettono di abbattere fortemente i costi per il montaggio e lo smontaggio dell impianto. 17

20 Tab Caratteristiche delle principali tecniche di coltivazioni senza suolo (da Pardossi et al. 2005). Colture in substrati Caratteristiche Sub.organici + Sub.inerti + irr. goccia irr. goccia Flusso e riflusso N.F.T. Colture idroponiche Floating Aeroponica System Diffusione Tipo di colture Tipo substrati Ortaggi da frutto, fragola, fiori recisi Torbe Ortaggi da frutto, fragola, fiori perlite, pomice, argilla espansa Piante in vaso Ortaggi Ortaggi da foglia Torba, perlite Assente Assente Assente Ortaggi da foglia Costi di investimento Costi di gestione Difficoltà della gestione tecnica Rischio di ipossia radicale Rischio stress termici radicali Rischio di malattie radicali Produzione e qualita' Potere tampone del sistema Assente Assente Assente 18

21 3 I SUBSTRATI 3.1. I SUBSTRATI: DEFINIZIONE E CLASSIFICAZIONE Nei metodi tradizionali di coltura idroponica, particolare importanza va riservata sia alla scelta del substrato di coltivazione (in relazione ai costi, alla reperibilità, al riutilizzo ed allo smaltimento e soprattutto, alle proprietà chimico-fisiche), sia ai contenitori di coltivazione. Tra i molteplici substrati, in ogni modo, solo pochi hanno trovato impiego pratico e risultano idonei, per loro caratteristiche chimico-fisiche, alla coltivazione delle varie specie. Una prima distinzione può essere fatta sull origine dei materiali. Abbiamo pertanto substrati inorganici, di origine naturale o sintetica oppure organici derivanti o meno da sottoprodotti dell industria agro-alimentare. Fra i primi si possono ricordare i lapilli vulcanici, la pomice, la perlite, l argilla espansa, la lana di roccia, mentre fra quelli di natura organica abbiamo le torbe, la sansa, la lolla di riso, le vinacce ecc. Le funzioni dei substrati sono quelle relative all ancoraggio della pianta, al rifornimento d'aria, acqua e nutrienti alle radici. I requisiti dei substrati di coltivazione sono i seguenti: caratteristiche standardizzate e costanti nel tempo; adeguata capacità di ritenzione idrica; sufficiente capacità di drenaggio; stabilità; ph neutro o subacido; sterilità e sanità (assenza di sostanze fitotossiche); costo contenuto; reperibilità. La scelta dei numerosi materiali da impiegare va effettuata soprattutto sulla base delle caratteristiche fisico-chimiche ritenute più adatte per soddisfare le esigenze delle colture. 3.2 CARATTERISTICHE FISICHE E CHIMICHE DEI SUBSTRATI In tabella 3.1 e 3.2 sono riportate le principali caratteristiche chimiche e fisiche da considerare nella scelta di un substrato. Tra le proprietà chimiche le più importanti da ricordare sono il ph e la Capacità di Scambio Cationico (C.S.C.). Il ph di un substrato è importante perché influenza la disponibilità degli elementi nutritivi per la pianta. I valori ottimali del ph sono leggermente più bassi in un substrato organico (a base di torba) che in un terreno minerale ( ; nel terreno, i valori ottimali peraltro tendono ad aumentare all'aumentare della frazione argillosa) per due motivi: - la minore disponibilità di Fe, Zn e Al nei substrati organici rende minori i rischi di tossicità o di precipitazione del fosforo a ph subacidi; 19

22 Tab Principali caratteristiche chimiche da considerare nella scelta dei substrati. Caratteristica chimica Capacità di Scambio Cationico (CSC) ph Contenuto di sali solubili (salinità) Rapporto C/N Contenuto di nutrienti Sostanza organica Breve descrizione e valori ottimali capacità di trattenere i nutrienti (ammonio, potassio, calcio, magnesio, microelementi) determina il potere tampone del substrato valori >10-15 meq/100 g concentrazione idrogenionica del mezzo (controlla la disponibilità degli elementi nutritivi) val.ottimali: ( ) valori ottimali < g/l CE (e.a. 1:1.5 v/v) < 0.5 ms/cm determina il tasso di decomposizione della componente organica del substrato valori ottimali: funzione del tipo di materiale (la valutazione dipende dal tipo di fertilizzazione adottata) attenzione a livelli fitotossici di microelementi e metalli pesanti K, Na, Cl < 2 mm (e.a. 1:1.5 v/v) Fe < 10 µm; Mn, Zn, Cu < 3 µm; B, Br < 15 µm riduce gli effetti negativi di salinità Tab Principali caratteristiche fisiche da considerare nella scelta dei substrati. Caratteristica Densità apparente o peso specifico (DA) Porosità (P) Capacità per l'aria (CA) Capacità di ritenzione idrica (CRI) Stabilità Descrizione e valori ottimali massa secca per unità di volume (quello occupato al momento del prelievo, dopo saturazione, drenaggio fino a -1 KPa) volume totale di spazi vuoti (porosità interna o chiusa o intraparticellare; porosità esterna od aperta od interparticellare); determinazione con picnometro a spostamento di gas o liquido; >80-85% in volume capacità di assicurare aria (ossigeno) nella zona radicale: diminuisce con la riduzione delle dimensioni delle particelle; [O 2 ]>5-6 mg/l (60-70% di saturazione) capacità di trattenere acqua (rifornimento e riserva): diminuisce con l'aumento delle dimensioni delle particelle capacità di mantenere le proprie caratteristiche nel tempo 20

23 - nei substrati organici è necessaria una maggiore quantità di Ca e Mg per ottenere ad un determinato ph; così una sufficiente quantità di Ca e Mg può essere ottenuta a ph più bassi rispetto al terreno. La CSC è molto alta nella torba se espressa per unità di peso, ma a causa della ridotta densità apparente è basso se espresso per unità di volume meq/l contro meq/l di un terreno minerale). Un substrato con scarsa capacità di scambio cationico, se da una parte favorisce un maggior controllo della nutrizione minerale, dall altra costringe l utilizzatore ad una fertirrigazione continua allo scopo di evitare facili carenze minerali. Tra le proprietà fisiche più importanti di un substrato occorre ricordare la densità apparente, importante per i costi di trasporto e messa in opera. La porosità totale (P), la densità reale (DR) e la densità apparente (DA) sono tra loro correlate come suggerito dalla relazione di Hanan (1996): P = 1- DA/DR La DR è funzione del contenuto di sostanza organica (S.O.) e di ceneri e può essere espressa come segue: DR= 100/[(% S.O. * 1.5)+(%ceneri * 2.65)] L equazione precedente consente una buona stima della porosità nel caso di substrati organici, mentre tende a sovrastimarla nel caso di substrati minerali. In generale i substrati si differenziano nettamente per le loro proprietà fisiche rispetto al terreno soprattutto per la ridotta quantità di fase solida. Nella tabella seguente sono riportati i rapporti medi tra le vari fasi per un substrato artificiale e per il terreno agrario. Tab Ripartizione percentuale della fase solida, gassosa e liquida in terreno e substrato. (% volume) Terreno Substrato Fase solida Fase liquida 25 (35) 60 Fase gassosa 25 (15) 30 Densità apparente Kg/dm Kg/dm 3 Porosità Totale >85% Capacità di riserva idrica 35-45% 40% Dalla suddivisione della porosità totale (macro e microporosità) si individuano tutta una serie di proprietà fisiche importanti per la gestione dell irrigazione, quali la capacità di ritenzione idrica, la quantità di acqua facilmente disponibile e di riserva. In pratica, tutte queste caratteristiche possono essere desunte dalla curva di ritenzione idrica che esprime la relazione esistente tra il potenziale idrico (matriciale) del liquido ed il contenuto di liquido stesso presente nel mezzo poroso, in genere espresso in rapporto o percentuale volumetrico/a. Il potenziale idrico (totale) ψ w esprime il lavoro necessario per estrarre una quantità unitaria d'acqua ritenuta dal sistema, cioè la tensione alla quale è trattenuta l'acqua. Il potenziale idrico ψ w è negativo in quanto assume valori inferiori rispetto a quello dell'acqua libera e pura (ψ w = 0) presa come sistema di riferimento. Le unità di 21

24 misura comunemente utilizzate sono il Pascal e i suoi multipli (KPa e MPa), il bar, l atmosfera, i mm di mercurio e i cm di acqua: la conversione fra le unità è possibile attraverso le seguenti relazioni 10 kpa = 100 hpa = Pa = 0.01 MPa = 0.1 bar = 0.1 atm mm Hg = 100 cm H 2 0. In pratica, ψ w determina la suzione necessaria per estrarre l'acqua dal sistema (quindi la forza necessaria alla radice per assorbire acqua dal substrato). % VOLUME CURVA DI RITENZIONE IDRICA DI UN SUBSTRATO fase gassosa 30% 65% 20% fase liquida fase solida 10% KPa -5 KPa -10 KPa SUZIONE (cm H 2 O) 22 porosità P = = 90% acqua facilmente disponibile AFD = = 35% acqua di riserva AR = = 10% acqua disponibile AD = = 35% +10% = 45% capacità per l'aria (- 1 kpa) CA = = 35% Fig Curva di ritenzione idrica di un ipotetico substrato e identificazione su di essa delle principali caratteristiche fisiche con esemplificazione dei calcoli (P, Porosità totale; AFD, acqua facilmente disponibile; AD, acqua disponibile; AR, acqua di riserva). Il potenziale idrico è costituito da diverse componenti: ψ w = ψ m + ψ g + ψ o Dove: ψ m = potenziale matriciale (fenomeni di capillarità - pori con d.<30-50 µm) ψ g = potenziale gravitazionale

25 ψ o = potenziale osmotico (è in funzione dei sali, ed è in genere trascurabile) Nel caso di substrati per colture in contenitore, il campo di variazione del potenziale idrico (o tensione d umidità; in pratica, corrisponde al potenziale idrico, cambiato di segno) per cui si determina la curva di ritenzione idrica è compreso tra 0 e -30 kpa o, molto più spesso, tra 0 e 10 o -15 kpa; Nel substrato saturo di acqua il potenziale idrico è pari a 0; la quantità di acqua trattenuta, in volume, è comunque inferiore alla porosità totale (5-10% in meno) a causa di bolle di aria che impediscono il riempimento di tutti i pori liberi. I valori derivati dalla curva di ritenzione idrica assumono un significato tecnologico, come riportato nella tab Tab Punti fondamentali di una curva di ritenzione idrica e loro significato. Punti della curva di ritenzione idrica Contenuto idrico a -1 KPa Contenuto d'aria a -1 KPa Differenza tra il cont. idrico a -1 KPa e quello a -10 KPa Differenza tra il cont. idrico a -1KPa e quello a -5 KPa Differenza tra il cont. idrico a -5 KPa e quello a -10 KPa Significato appross. indica CI indica i rischi di asfissia indica l'acqua disponibile per la coltura (AD) indica l acqua facilmente disponibile dalla coltura (AFD) indica la riserva idrica (AR) 100 CURVE DI RITENZIONE IDRICA 80 % volume d acqua pomice torba lana di roccia cm H 2 O Fig Curve di ritenzione idriche tipiche di torba, pomice e lana di roccia. Si noti come la pomice abbia una ridotta quantità di acqua facilmente disponibile, rispetto alla torba e alla lana di roccia (% di volume compresa fra una suzione di 10 e 50 cm di H 2 O). 23

26 Una caratteristica fondamentale di un substrato è la sua capacità a mantenere inalterate nel tempo le proprie caratteristiche, soprattutto quelle fisiche (stabilità). Infatti, in particolar modo i substrati organici, ed in minor misura anche quelli inorganici, tendono con il tempo a modificare la propria struttura e conseguentemente le loro capacità di ritenzione idrica e presenza di aria. Questi cambiamenti sono provocati dall irrigazione, dalla concimazione, dall attacco dei microrganismi, dalla crescita radicale e dalle escursioni termiche, e consistono in: compattamento; perdita di materiale; modifica dei rapporti volumetrici tra i diversi materiali (deriva in basso delle particelle più piccole); diminuzione della capacità dell'aria (diminuzione della porosità libera); aumento della capacità di ritenzione idrica; alterazione della dimensione delle particelle; aumento di ph e di CEC; aumento della salinità; aumento della concentrazione di sostanze fitotossiche. Un indice di stabilità nei substrati organici può essere il rapporto C/N: un valore elevato (>30) indica un substrato che facilmente andrà incontro ad attacchi microbici, mentre un valore ottimale (11-20) è indice che questo processo si è già svolto e che il substrato è abbastanza stabile. 3.3 LE RELAZIONI IDRICHE DEL SISTEMA SUBSTRATO+CONTENITORE (S/C) I rapporti aria/acqua nel sistema substrato/contenitore dipendono dalle caratteristiche idrologiche del substrato (a loro volta, funzione soprattutto delle dimensioni delle particelle che lo costituiscono) e dalla dimensione (altezza) del contenitore. In generale, a parità di substrato, minore è l'altezza del contenitore, maggiore è il rapporto ACQUA/ARIA (vedi tab. 3.5). Fondamentale nelle colture in contenitore è la capacità di trattenere acqua facilmente utilizzabile dalle radici. La capacità idrica di contenitore (analoga alla capacità idrica di campo di un terreno agrario) o CIC è la quantità d'acqua che un sistema SC trattiene dopo un'irrigazione fino a saturazione e successivo drenaggio (sgocciolamento). CIC e la capacità per l'aria, chiaramente legata alla prima, dipendono dal tipo di substrato e di contenitore e si modificano nel corso della coltura. Tab Effetto della dimensione del contenitore (rispettivamente da sinistra verso destra: vaso di diametro 16, plug da 48 fori e plug da 288 fori per vassoio) sulla quantità di aria e di acqua a parità di substrato utilizzato. Al diminuire dell altezza del contenitore aumenta la % percentuale di ritenzione idrica. % volume Vaso diametro 16 Plug da 48 fori Plug da 288 fori Aria Acqua Solidi

27 In un contenitore, dopo un irrigazione fino a saturazione e successivo drenaggio, quando l'acqua cessa di drenare significa che si è raggiunto un equilibrio di ψ w, con ψ w = 0, perché sul fondo permane uno strato d'acqua libera (ψ w = 0). Quindi, se ψ w = 0 e ψ o = 0, allora: ψ m = -ψ g Sul fondo del vaso ψ m = -ψ g = 0, ma ad ogni altezza H ψ m = -ψ g = -H Per calcolare il volume acqua trattenuto da ogni strato lungo il profilo verticale del vaso, occorre conoscere il contenuto volumetrico d'acqua relativo alla altezza del suo baricentro dal fondo del vaso, il quale è uguale a quello relativo ad una corrispondente suzione (espressa in cm d'acqua), come descritto dalla curva di ritenzione idrica di quel substrato (esempio in fig. 3.3). Ψ w = 0 Ψ w = 0 Ψ w = 0 H 1 H 2 Ψ W = - Ψg = -H 2 Ψw = -Ψg = -H 1 Ψw = - Ψg = 0 Fig Esempio di come l altezza del contenitore influenza il contenuto idrico totale di contenitore (CIC). Maggiori dettagli sono riportati nel testo. La determinazione di AD ed AFD è necessaria per la definizione del programma irriguo. Di fatto, il volume irriguo, cioè la dose di acqua somministrata alla coltura in occasione di ogni intervento irriguo, è funzione di AFD (5-20% AFD). 3.4 DESCRIZIONE DEI PRINCIPALI SUBSTRATI DI COLTIVAZIONE UTILIZZATI Allo stato attuale, i substrati maggiormente diffusi in Italia sono: torba, perlite, pomice, torba di fibra di cocco, lana di roccia e argilla espansa. In alcune regioni meridionali è abbastanza diffuso anche l uso del lapillo vulcanico, che però oggi presenta dei vincoli di utilizzo. In realtà, sono stati utilizzati anche altri substrati di natura organica, ma il loro impiego è rimasto marginale o è del tutto scomparso. Per i principali substrati sembra opportuno, pertanto, dare una loro breve descrizione delle caratteristiche chimico-fisiche in modo da aiutare ad operare la scelta del substrato più idoneo alla organizzazione aziendale Torba Si individuano come torbe propriamente dette quei materiali contenenti residui vegetali più o meno decomposti, aventi un contenuto in ceneri inferiore al 10%. Le torbe sono presenti in giacimenti naturali denominati torbiere, che sono localizzati in diverse aree della superficie terrestre; quelle più profonde hanno iniziato la loro formazione circa diecimila anni fa, nel tardo periodo glaciale o post-glaciale, mentre quelle comunemente utilizzate derivano da formazioni di circa mille anni. Il criterio di classificazione delle torbe non fa riferimento a un metodo uniforme ma vengono proposti diversi sistemi : Farnham (Inghilterra), A.S.T.M. (U.S.A.), I.P.S. (U.S.A.), Grado di decomposizione, Dimensione delle particelle. Fra le varie categorie 25

28 di torbe quelle di sfagno rappresentano il materiale di partenza più utilizzato per la preparazione di substrati, a causa delle loro caratteristiche di base: relativa omogeneità, elevata capacità di assorbimento idrico; buona aerazione, buona stabilità strutturale (quindi buon mantenimento delle caratteristiche fisiche del substrato), limitato apporto di elementi nutritivi (quindi non modificano il piano di concimazione prestabilito), ph intorno a 3, facilmente modificabile a seconda delle esigenze colturali con il ricorso alla calcinazione; assenza di sostanze fitotossiche. Risulta fondamentale il comportamento della torba in relazione all acqua, in quanto le proprietà salienti della stessa sono legate alla sua capacità di immagazzinamento e cessione idrica che dipende dagli aspetti morfologici e botanici degli sfagni. Riguardo alle caratteristiche morfologiche, la possibilità di assorbire acqua è legata ai tipi di frammenti (foglie e branche) che sono presenti e al loro grado di decomposizione. Se la torba risulta poco degradata, foglioline e branche esplicano in maniera ottimale l azione di trattenimento nei confronti dell acqua. Viceversa, all aumentare del grado di decomposizione della torba, aumenta anche il livello di degradazione delle strutture fogliari, con peggioramento delle caratteristiche idrologiche. In sintesi i parametri di cui bisogna tenere conto sono: la porosità (una buona torba di sfagno presenta una porosità superiore al 90%); il volume d'aria (l'optimum si aggira intorno al 45-50% della porosità totale alla capacità di campo), il grado di restringimento. Quest ultimo parametro misura la diminuzione di volume che si realizza nella torba in seguito alla evaporazione e cresce all'aumentare del grado di decomposizione. Per una buona torba di sfagno deve essere inferiore al 25%, mentre per torbe brune si può arrivare al 45% Torba di fibra di cocco Il cocco, grazie alle sue notevoli qualità chimico-fisiche naturali e alle forti valenze di eco-compatibilità, rappresenta oggi la più valida alternativa nel settore dei substrati di origine organica. Per questo il suo utilizzo come substrato di coltivazione è in continuo aumento. Le qualità naturali del cocco sono: - 100% materiale organico; - 100% biodegradabile; - Eccellente bagnabilità (superiore alla torba tradizionale) - Elevata capacità di ritenzione idrica; - Ottima porosità (ossigenazione dell apparato radicale); - Struttura fisica stabile; Il cocco è realmente una risorsa rinnovabile, infatti, contrariamente alle torbe di sfagno, che sono destinate a subire regole sempre più restrittive per la loro estrazione (distruzione di zone umide, di flora e fauna selvatica), nel caso del cocco si utilizzano i frutti di cui, nelle zone di provenienza (India, Sri Lanka ecc.), sono possibili tre raccolte l anno. Fino a pochi anni fa i principali produttori di substrati a base di cocco hanno utilizzato materiale di scarto proveniente da altre lavorazioni industriali (estrazione di fibre per tappeti e altro) perciò soltanto il midollo e poche fibre residue, sono state destinate all utilizzo agricolo. I materiali ottenuti in questo modo sono molto disomogenei per caratteristiche fisico-chimiche. 26

29 Fig A sinistra. Campione di torba bionda: si noti il colore chiaro e la presenza di fibre lunghe. A destra: campione di fibra di cocco. Attualmente ci si sta indirizzando verso un prodotto in cui siano disponibili l intera quantità di fibra (lunga, media, corta e il midollo) in modo da mantenere costanti nel tempo le caratteristiche. Altro problema è legato alla sterilizzazione delle fibre per evitare che esse contengano semi di piante infestante, funghi, insetti e altri patogeni e al contenuto in sali solubili quasi sempre dovuta alla presenza di sodio (Na) Perlite La perlite è un materiale che trova impiego nel settore vivaistico, in orticoltura (in sacchi contenenti il 100% di perlite espansa per la coltivazione di pomodoro, peperone etc., oppure in miscele al 50% con fibre di cocco per fragola) ed in floricoltura (in sacchi od anche sfusa in miscele con fibre di cocco per coltivazioni in vasi o in canalette continue per gerbera, rose, etc.) Si tratta di una varietà di roccia vulcanica effusiva che possiede la proprietà di espandersi sino a 20 volte rispetto il suo volume originario. Il materiale utilizzato per la sua fabbricazione contiene acqua fissata chimicamente (tra il 2-6%) imprigionata nella roccia, sotto l effetto delle alte temperature ( C) raggiunte nel forno di espansione, l acqua contenuta nel granulo si dissocia, si trasforma in vapore e provoca l aumento di volume del granulo stesso. Tale processo determina la formazione di microcavità che conferiscono alla perlite la capacità di ritenzione idrica, di drenaggio, di ossigenazione che la rendono un substrato idoneo alla coltivazione fuori suolo. La sua composizione chimica è riportata in tab Pomice e lapillo La pomice e il lapillo sono materiali porosi di origine vulcanica, originatesi in seguito all intrappolamento nella lava di gas che successivamente, in seguito di un repentino raffreddamento della stessa, si solidifica mantenendo la struttura spugnosa. 27

30 Fig A sinistra: campione di perlite.a destra: campione di pomice. Tab Composizione, riferita ai macro-elementi espressi come ossidi % sul peso totale, della perlite (Fonte: Perlite Institute inc.,), lana di roccia (Fonte: Cultures Lègumières sur substrats C.T.I.F.L. 1996), della pomice (Fonte: Pumex S.p.A.) e dell argilla espansa (Fonte: UNICEM Italia). Elemento Sigla Perlite Pomice Lana di roccia Argilla espansa Silicio SiO 2 33,8% 71,75% 47% 65% Alluminio Al 2 O 3 7,2% 12,33% 14% 15% Calcio CaO 0,6% 0,70% 16% 3,5% Magnesio MgO 0,2% 0,12% 10% 3% Sodio Na 2 O 3,4% 3,59% 2% 1,5% Potassio K 2 O 3,5% 4,47% 1% 1% Ferro FeO 0,6% 1,98% 8% 11% Manganese MnO 0,3% 0,07% 1% - Titanio TiO - 0,11% 15% - Ossigeno O 2 47,5% - - Sono silicati di alluminio contenenti piccole quantità di elementi nutritivi (potassio, sodio e tracce di calcio, magnesio e ferro) e sono in grado di scambiare cationi con la soluzione circolante. Sono utilizzati come materiale drenante, in miscuglio con la torba o tal quali per colture senza suolo. Tramite la vagliatura si ottengono granuli di diverse dimensioni. Tra le pomici più famose ricordiamo quella di Lipari La pomice è, ritenuta chimicamente inerte perché non è solubile in acqua né in acidi e basi. La sua composizione chimica media è riportata nella tabella

31 Il lapillo vulcanico dell Etna è uno dei materiali che per primo ha trovato impiego nelle coltivazioni fuori suolo nelle floricole, in particolar modo nella rosa allevata su canalette continue. Data la sua provenienza, (non è consentita la sua estrazione delle cave essendo la zona di provenienza inglobata nel Parco dell Etna), non ha una composizione costante sia per la granulometria, che per caratteristiche chimico-fisiche. Il materiale comunemente utilizzato, infatti, proviene da diversi profili geologici, differenti per epoche, consistenza e degradazione della lava Lana di roccia La lana di roccia è prevalentemente costituita da diabase (un tipo di basalto), calcare e carbone. Queste rocce sono fuse assieme alla temperatura di C e filati in fibre fino a diventare la lana di roccia che conosciamo, con un volume circa 90 volte superiore a quello iniziale. La lana di roccia rilascia all inizio una leggera alcalinità, nei primi tempi della coltivazione con un conseguante innalzamento del ph della soluzione nutritiva; questo effetto però si esaurisce in breve tempo per cui la lana di roccia può essere considerata inerte. Ha un peso specifico di Kg. 75/m 3, ed il suo volume è per circa il 96% occupato dall aria, mentre il rimanente 4% è occupato dalla fibra. La composizione chimica della lana di roccia è riportata nella tabella 3.6. Grazie al processo di fabbricazione, la lana di roccia viene sterilizzata e pertanto è esente da qualsiasi patogeno radicale, inoltre viene confezionata in lastre di diverse dimensioni secondo l utilizzo in orticoltura o floricoltura Argilla espansa L argilla espansa è un aggregato leggero ottenuto mediante espansione ad alte temperature (circa C in forni rotanti) di argille particolari, dopo un accurato ciclo di preparazione. Si presenta in granuli di forma pressoché sferica con una dura scorza esterna, costituita da uno strato di materiale ceramizzato, e con una struttura interna costituita da piccole celle chiuse pietrificate. Lo strato esterno dei granuli garantisce, tra l altro, la resistenza a compressione e l inattaccabilità degli agenti chimici ed atmosferici, mentre la struttura interna conferisce leggerezza al materiale. La composizione chimica dell argilla espansa è riportata nella tabella 3.6. L argilla espansa è utilizzata in orticoltura e floricoltura da sola in sacchi preconfezionati (per ortaggi), o sfusa in canalette (per rose ad es.) oppure in miscele con substrati organici (fibra di cocco in particolare in canalette per ortaggi, o in vasi per gerbera). Viene molto usata anche come materiale drenante da porre sulla base dei vasi. 29

32 Tab Tabella riassuntiva delle principali caratteristiche fisico-chimiche dei più comuni substrati usati nell'ortoflorovivaismo MATERIALE DIAMETRO PARTICELLE (mm) PESO SPECIFICO (g/l) POROSITÀ TOTALE (% VOL.) CAP. ARIA A 1 KPA (% VOL.) CAP.RIT. IDR. A 1 KPA (% VOL.) ACQUA FAC. DISP. (% VOL.) CSC (meq/100 g) Lana roccia Lapillo vulcanico Argilla espansa Perlite+torba Perlite fine Perlite Pomice+torba Pomice Torba bionda Torba bruna Torba nera Vermiculite ph

33 4. CENNI PRELIMINARI SULLA NUTRIZIONE MINERALE 4.1 GLI ELEMENTI INDISPENSABILI PER LA VITA DELLE PIANTE La crescita e lo sviluppo degli organismi vegetali è subordinata alla presenza di alcuni elementi chimici che partecipano alla formazione delle complesse molecole biologiche e permettono l'ottimale funzionamento del complesso metabolismo vegetale. Gli elementi nutritivi sono suddivisi in tre categorie: elementi essenziali, che non possono essere sostituiti da altri elementi ed hanno uno o più ruoli specifici; sono suddivisi in macro- e micro-elementi: macroelementi: C, Ca, H, K, Mg, N, O, P, S microelementi: B, Cu, Cl, Fe, Mn, Ni, Zn elementi utili, come Co, Na, Si elementi tossici o potenzialmente tossici (metalli pesanti come Hg, Cd, Pb; Na e Cl). Le funzioni dei nutrienti sono diverse: plastica: entrano a far parte delle macromolecole semplici o strutturali che costituiscono la sostanza organica; ad es. : C, H e O costituiscono intorno al 95% della sostanza organica (carboidrati, lipidi, protidi); N, P, S si ritrovano nelle proteine e negli acidi nucleici Mg = clorofilla Ca è un componente fondamentale della membrana cellulare elettrochimica ed osmotica: mantengono l'equilibrio chimico-fisico (osmotico) dei succhi cellulari (K, N-nitrato, Ca, Na, Cl) catalitica: regolano le attività enzimatiche (ad es. Fe regola la sintesi della clorofilla) (microelementi, K, Ca, Mg) Esistono anche elementi utili, come il sodio (Na), il silicio (Si), il cobalto (Co), utili cioè per alcuni processi fisiologici, ma indispensabili per la vita della pianta Funzione dei diversi elementi nutritivi Gli elementi minerali sono assorbiti dalle radici sotto forma di ioni. Possono essere assorbiti anche dalle foglie, ma la quantità che può essere assorbita attraverso questa via, però, non è sufficiente alla normale crescita delle piante, per cui la tecnica della concimazione fogliare può essere utilizzata per integrare le concimazioni (soprattutto di azoto) al terreno o per correggere eventuali carenze a carico di organi particolari (è il caso del Ca somministrato ai frutti in via di accrescimento) I vari elementi hanno funzioni diverse all interno della pianta. AZOTO- Entra nella composizione degli aminoacidi, proteine, acidi nucleici, nucleotidi, etc. e quindi assume una importanza fondamentale per la vita delle piante. E' assorbito principalmente sotto forma di nitrato (NO 3 - ) ed in misura minore sotto forma ammoniacale (NH 4 + ). La forma ammoniacale rispetto a quella nitrica risulta più tossica in molte specie, pertanto è bene che l azoto ammoniacale non 31

34 superi il % dell azoto totale presente nella soluzione nutritiva. Per alcune specie, comunque, come la lattuga, la rosa e l endivia, la percentuale di azoto ammoniacale può arrivare fino al 25-50%. L uso dell azoto ammoniacale è un metodo per ridurre l accumulo di nitrati liberi negli ortaggi da foglia. Tab Forme chimiche di assorbimento degli elementi minerali. Elemento Forma Azoto N , NH 4 Fosforo - 2- H 2 PO 4 (ph<7), HPO 4 (ph>7), Potassio K + Calcio Ca 2+ Magnesio Mg 2+ Solfo 2- SO 4 Ferro Fe 2+, Fe 3+ * Boro H 2 B0-2- 3, HB0 3 Manganese Mn 2+ Zinco Zn 2+ Rame Cu 2+, Cu + Molibdeno -- MoO 4 *Nota: le forme ridotte sono più solubili di quelle ossidate. FOSFORO- E necessario per il trasferimento di energia nei principali processi metabolici della pianta. Entra a far parte degli acidi nucleici (DNA, RNA). Il P favorisce la formazione delle radici, la fioritura e la lignificazione dei tessuti. E' assorbito a livello radicale come HPO 4 2- ed H 2 PO 4 - ed è richiesto in minore quantità (circa il %) rispetto all'azoto ed il potassio. POTASSIO- Il potassio, presente nelle piante come catione, gioca un ruolo fondamentale nella regolazione del potenziale osmotico delle cellule della pianta. Questo elemento, inoltre, attiva molti enzimi coinvolti nei processi di fotosintesi e respirazione ed è anche coinvolto nel trasporto di altri elementi e carboidrati. E uno degli elementi maggiormente assorbiti dalla pianta, soprattutto nel caso di colture da frutto. CALCIO- Entra nella composizione della parete cellulare (lamella mediana) ed è coinvolto nella permeabilità della membrana e nella divisione e distensione cellulare. E' molto importante nei punti in attiva crescita della pianta (meristemi apicali). L'assorbimento del Ca (Ca 2+ )è strettamente influenzato dal flusso idrico della pianta, in quanto il suo trasporto avviene attraverso lo xilema. Condizioni di elevata siccità, salinità ed alta umidità relativa, influenzando negativamente la traspirazione ostacolano il normale trasporto di questo elemento negli organi in fase di attiva crescita. MAGNESIO- Questo elemento ha uno specifico ruolo nell'attivazione di enzimi coinvolti nella respirazione, fotosintesi e nella sintesi del DNA e dell'rna. Entra nella costituzione delle molecole della clorofilla. Viene assorbito come ione Mg 2+. ZOLFO- E' il costituente di alcuni aminoacidi (cistina, cisteina, metionina) e di numerosi enzimi. E' assorbito dalla pianta come ione solfato (SO 4 2- ). 32

35 Sintesi ormonale (auxine) Zn, B, Mn Riproduzione Fertilità (B-Cu) Respirazione (Fe, Cu) Fotosintesi (Fe, Mn, Cu) Sintesi RNA (B) Sintesi proteica (Fe, Mn) Sintesi riserve (B) Trasporto degli zuccheri (B) Riduzione dei nitrati (Mo) Fig Ruolo dei microelementi nella fisiologia della pianta. FERRO- La sua funzione di catalizzatore per la sintesi della clorofilla rende molto importante tale elemento nel processo di fotosintesi. Inoltre è un attivatore di numerose reazioni di ossido-riduzione. Il ferro viene assorbito dalla pianta o come ione ferroso (Fe 2+ ) o come ione ferrico (Fe 3+ ). MANGANESE- E' coinvolto nel processo di fotosintesi e fa parte di numerosi coenzimi. E' assorbito come ione manganoso (Mg 2+ ). BORO- E' un elemento molto importante in diverse fasi della crescita della pianta come la fioritura, la germinazione del polline e la fruttificazione. Agisce a livello di divisione cellulare, metabolismo azotato e glucidico. E' assorbito come ione BO ZINCO- L'attività di molti enzimi è legata alla presenza di questo microelemento. E' necessario per la sintesi della clorofilla ed inoltre è importante per la crescita delle piante in quanto permette la formazione del triptofano, precursore dell'acido indolacetico (IAA). E' assorbito come ione Zn

36 RAME- Svolge un ruolo importante nei processi di fotosintesi e respirazione. Agisce anche come catalizzatore ed è associato nelle reazioni di ossido-riduzione. E' assorbito come ione Cu 2+. MOLIBDENO- E' essenziale nella sintesi delle proteine in quanto entra a far parte della nitrato-riduttasi. Viene assorbito come ione MoO I microelementi sono assorbiti dalle piante in quantità da 3 a 4 ordini di grandezza inferiori rispetto ai macroelementi. C, H ed O non sono elementi fertilizzanti, cioè non sono apportati con i concimi, essendo assunti dalla pianta attraverso l acqua e l anidride carbonica atmosferica. Tab Concentrazione degli elementi essenziali nella sostanza secca delle piante, espressa come percentuale o come ppm sulla sostanza secca. Elemento Simbolo ppm % Azoto N Potassio K Calcio Ca Fosforo P Magnesio Mg Zolfo S Ferro Fe Manganese Mn Boro B Zinco Zn Rame Cu Molibdeno Mo MECCANISMI DI RIFORNIMENTO NUTRITIVO Nel terreno il rifornimento nutritivo alle radici (cioè, il processo per il quale gli ioni minerali arrivano sulla superficie delle radici, rendendosi così disponibili all assorbimento) avviene secondo tre meccanismi fondamentali: intercettazione, flusso di massa e diffusione. Nel primo caso, approfondendosi e ramificandosi le radici vengono in contatto diretto con la soluzione circolante del terreno, nella quale sono presenti gli elementi nutritivi: in questo modo l apparato radicale si sposta da una zona impoverita ad una più ricca di elementi nutritivi, intercettando gli ioni da assorbire. Con il flusso di massa, invece, gli ioni arrivano sulla superficie radicale trasportati dal movimento di acqua che si verifica tra le zone a maggiore e minore (immediatamente a ridosso delle radici) potenziale idrico, per effetto della traspirazione della pianta. La diffusione è legata alla migrazione degli elementi lungo un gradiente di concentrazione, tra una zona più concentrata ed una meno concentrata (quella in 34

37 prossimità delle radici che, con il loro assorbimento, provvedono a mantenere il gradiente). L incidenza dei tre meccanismi dipende dal tipo di terreno, dal tipo di ione, dalla specie vegetale, ecc. Per quanto riguarda l idroponica, il meccanismo più importante è sicuramente l'intercettamento ed il flusso di massa. Nel sistema NFT, ad esempio, la soluzione nutritiva in arrivo si rimescola con quella a ridosso dell apparato radicale; l intercettamento, anche se di tipo passivo, è in questo caso il processo fondamentale. Nelle colture su substrato si determina una condizione più simile a quella del terreno. In generale, rispetto al terreno le colture fuori suolo sono caratterizzate da un elevato flusso nutritivo nella zona radicale. Esistono, peraltro, differenze marcate, da questo punto di vista, tra colture liquide (es. NFT, aeroponica, floating) e colture su substrato. In NFT, ad esempio, il flusso nutritivo è molto alto e determina un numero di ricambi orari compresi in genere tra 50 e 200. Nelle colture su substrato, invece, la soluzione in arrivo sposta quella presente, che così è quella che costituisce in massima parte la soluzione di drenaggio, riutilizzata nei sistemi chiusi. Per le diverse caratteristiche tecniche (volume e flusso della soluzione trattenuta nella zona radicale, tempi di erogazione ecc.) il rinnovo della soluzione nutritiva a ridosso delle radici è molto più alto in NFT che nei sistemi su substrato (vedi tabella 4.3) e ciò facilita l assorbimento radicale. Questo fatto sembra spiegare la maggiore vigoria delle piante in NFT rispetto a quelle coltivate in substrato ed anche che, nelle colture su substrato, può risultare più efficace, per stimolare la crescita della pianta, l aumento dei flussi piuttosto che delle concentrazioni ioniche. Tab Caratteristiche tecniche di due diversi sistemi idroponici. Caratteristica NFT Substrato Volume di substrato (L pianta -1 ) assente 3-20 Ritenzione idrica massima (% vol.) assente Vol. sol. nutr. nel sub. (L pianta -1 ) Vol. sol. nutr. ricircolante (L pianta -1 ) a Flusso sol. nutritiva. (L ora -1 ) Tasso di ricambio (n ora -1 ) b (50-200) 1-3 b ( ) a Il secondo valore si riferisce a sistemi dove il volume totale di soluzione ricircolante è dato dalla somma della soluzione nel substrato e nel deposito di recupero. b I valori in parentesi si riferiscono alle portate (L ora -1 per punto-goccia) degli impianti di microirrigazione. 35

38 36

39 5. RICHIAMI DI CHIMICA 5.1. DEFINIZIONI I sistemi di coltivazione fuori suolo hanno in comune il fatto che le piante sono alimentate con una soluzione nutritiva, completa di macro e microelementi, preparata sciogliendo nell acqua di irrigazione sali agricoli o industriali. La preparazione della soluzione nutritiva non può prescindere dalla conoscenza della qualità dell acqua di irrigazione e dalle esigenze nutritive delle specie che si intendono coltivare. Questo lavoro ha lo scopo di fornire alcune informazioni sul metodo di calcolo delle soluzioni nutritive, per coltivazioni fuori suolo, sulla base di valori standard ed in relazione a diverse qualità di acqua. In merito si ritiene opportuno, preliminarmente, richiamare alcuni concetti chimici di base ed alcuni esempi di calcoli utili per una corretta formulazione delle soluzioni nutritive Peso atomico Gli elementi sono costituiti da particelle indivisibili detti atomi. L'atomo rappresenta la parte più piccola di materia capace di prendere parte a un processo chimico. Nella descrizione di un atomo possiamo distinguere un nucleo centrale e, all'esterno di esso, un certo numero di elettroni. Attualmente sono conosciute 105 specie di atomi: tali specie prendono il nome di elementi. Ogni elemento ha caratteristiche proprie che lo distinguono dagli altri e tra queste il peso dei suoi atomi è una delle più importanti. Il peso atomico di un elemento è un numero convenzionale, ed esprime il rapporto tra il peso dell atomo di quell elemento e 1/12 del peso dell atomo dell isotopo 12 del carbonio, assunto come unità di riferimento. Tab Peso atomico dei principali elementi chimici. Elemento Simbolo Peso atomico Elemento Simbolo Peso atomico Azoto N Ferro Fe 55,9 Fosforo P Manganese Mn 54.9 Potassio K Zinco Zn 65.4 Calcio Ca Boro B 10.8 Magnesio Mg Rame Cu 63.6 Zolfo S 32.1 Molibdeno Mo Ossigeno O Silicio Si 28.1 Idrogeno H 1.01 Selenio Se 79.0 Carbonio C 12.0 Cobalto Co Sodio Na 23.0 Cloro Cl

40 5.1.2 Mole Secondo il sistema internazionale, una mole è la quantità di sostanza che contiene lo stesso numero di unità elementari di quello contenuto in 0,012 kg di 12 C. Le unità elementari possono essere atomi, molecole, ioni, elettroni, ecc. ovvero gruppi di particelle e debbono essere specificate. Il numero di unità elementari contenuto in 0,012 kg di 12 C è 6,023 x (Numero di Avogadro). Pertanto una mole è la quantità di sostanza (quale che sia la sostanza) nella quale è contenuto un numero di particelle della stessa sostanza pari al numero di Avogadro. Il peso di una mole di un elemento o di un composto è pari al suo peso molecolare espresso in grammi: quindi una mole di idrogeno pesa 2 g., una di cloro 71 g., di acido solforico 98 g Peso equivalente Il peso equivalente di una molecola, uno ione, od un radicale è stato definito come la quantità in peso che reagisce, sposta, o sostituisce 1,008 g. di idrogeno, oppure 8,000 g. di ossigeno, o una quantità equivalente di qualunque altro elemento. Il peso equivalente di un acido (o di una base) è uguale al peso molecolare dell acido (o della base) diviso per il numero di ioni H + (o OH - ) che possono essere donati. Il peso equivalente di un sale non ossidante è uguale al peso molecolare del sale diviso per il numero delle cariche positive o negative dei suoi ioni. Il peso equivalente di una sostanza ossidante o riducente è uguale al peso molecolare diviso per il numero di elettroni che sono scambiati nella reazione di ossidoriduzione cui la sostanza partecipa. 5.2 MODI DI ESPRIMERE LA CONCENTRAZIONE DI UNA SOLUZIONE La concentrazione di una soluzione può essere espressa in varie unità di misura. Qui di seguito si riporta la definizione delle principali unità di misura utilizzate nella pratica Percentuale peso/peso (simbolo % p/p) Indica il numero dei grammi di soluto sciolti in 100 g di soluzione. Per preparare una soluzione di nitrato di potassio al 5% p/p, occorre sciogliere 5 g di nitrato di potassio con tanta acqua fino a che raggiungere il peso complessivo di 100 g Peso di soluto per unità di volume (simbolo % p/v) Indica la quantità in peso di soluto per volume di soluzione. Le quantità di soluto sono espresse in grammi o milligrammi ed il volume in litri o millilitri. Per preparare una soluzione di nitrato di potassio al 5 % p/v, occorre aggiungere a 5 g. di nitrato di potassio tanta acqua fino ad arrivare al volume di 100 ml. Conoscendo la densità della soluzione è possibile convertire % p/v in % p/p e viceversa. M M d = V = M = V*d V d 38

41 5.2.3 Molarità (simbolo M) Indica il numero di moli di soluto sciolte in un litro di soluzione. Una soluzione di cloruro di sodio è 3 M quando un litro di soluzione contiene 3 moli di cloruro di sodio Normalità (simbolo N) Indica il numero di equivalenti di soluto presenti in un litro di soluzione. Una soluzione di acido solforico è 0,1 N quando un litro di soluzione contiene 0,1 equivalenti. 5.3 ph, CONDUCIBILITÀ ELETTRICA E SOLIDI DISCIOLTI L acqua comune conduce la corrente elettrica, questo accade perché nell acqua comune è disciolta una certa quantità di sali che, essendo completamente dissociati in ioni, conducono l elettricità. Anche se le molecole di acqua sono fortemente polari, è possibile che durante gli urti che avvengono nel liquido, alcune di esse trasferiscono ad altre uno ione H + Si vengono a formare così ioni ossidrili OH e ioni idronio H 3 O + H 2 O H + + OH + H 2 O H 3 O + + OH Per semplicità si può considerare la dissociazione dell acqua come: H 2 O = H + + OH Il prodotto delle concentrazioni degli ioni H + e degli ioni OH, detto prodotto ionico dell acqua, si esprime con kw = [ H + ] * [ OH ] = e, dato che ad ogni ione H + prodotto corrisponde la formazione di uno ione OH, in acqua pura la concentrazione sia degli ioni H + che OH a 25 C vale 10 7 mol/l. Il valore del prodotto ionico dell acqua è costante e rimane tale anche se nell acqua viene aggiunto un soluto; aumentando la concentrazione degli ioni OH diminuirà quella degli ioni H + in modo tale che il loro prodotto è sempre uguale a Poiché risulta piuttosto complesso indicare la concentrazione con le potenze negative in base 10, si fa uso di una funzione logaritmica di concentrazione basata sul cologaritmo (o logaritmo negativo) delle concentrazioni; sono stati cosi introdotti il ph ed il poh. Il ph è definito come il logaritmo negativo della concentrazione idrogenionica (H + ) presente in una soluzione acquosa. La sua misura si effettua normalmente con un ph-metro, da banco o portatile. ph = log _1 [H + ] La conducibilità elettrica specifica (EC) e solidi disciolti totali (TDS) sono due modi diversi di indicare la quantità di sali disciolti nell'acqua. Con il termine di solidi disciolti totali si intende il residuo che permane dopo evaporazione di un campione di acqua ed il suo susseguente essiccamento in stufa a temperatura definita. La conducibilità elettrica (EC) è il reciproco della resistenza elettrica e rappresenta la capacità di una soluzione condurre la corrente elettrica. 39

42 La sua determinazione, veloce ed economica, è fatta attraverso il conduttivimetro (o conduttimetro). La EC è espressa in ms/cm o ds/m (misure equivalenti). La EC è correlata alla quantità totale di anioni e cationi in soluzione e alla loro carica; questa proprietà permette di estrapolare da questa misura la stima della quantità totale di sali presenti in una soluzione acquosa (tab.5.2). L EC è uno dei parametri indispensabili per il controllo delle soluzioni nutritive. Qui di seguito si riportano due relazioni tra EC e concentrazione salina: Equazione di Sonneveld (Sonneveld et al., 1999): EC (ms/cm)= 0,095 C + +0,19 dove C + è la concentrazione totale dei cationi (K +, NH + 4, Na +, Ca ++, Mg ++ ) espressa in meq/l. Equazione di equivalenza EC-contenuto totale di sali (Sogni, 1990): EC (ms/cm) = 1.44 C Dove C è la concentrazione totale dei sali in g/l. La misura di EC è fortemente condizionata dalla temperatura della soluzione. Quindi, le misure vanno condotte ad una temperatura di riferimento (25 C) oppure utilizzando uno strumento con compensazione automatica della temperatura. Tab Effetto di alcuni ioni sulla conducibilità elettrica (μmho/cm) di soluzioni acquose (da Lesaint e Coic 1983). Ione Peso atomico/molecolare EC (μs/cm) per meq/l NO 3 - HCO 3 - CO 3 2- SO 4 2- EC (μs/cm) per ppm Cl K Ca Mg Na

43 6. LA SOLUZIONE NUTRITIVA 6.1 PREMESSA E DEFINIZIONI Con il termine di ricetta o formula nutritiva si indica la concentrazione che ogni elemento nutritivo dovrebbe avere nella soluzione nutritiva. Si definisce calcolo di una soluzione nutritiva l insieme di calcoli necessari a stabilire le quantità dei singoli sali semplici e acidi da aggiungere all acqua irrigua per raggiungere la concentrazione ionica definita dalla formula nutritiva. Con il termine soluzione stock o soluzione madre si intende una soluzione di sali, acidi e/o basi particolarmente concentrata tale che, una sua diluizione con l acqua irrigua a disposizione, permette l ottenimento della soluzione nutritiva da erogare alla pianta. Il grado di concentrazione di una soluzione stock è espresso tramite un rapporto (1:50; 1:100 ecc.) che indica il volume di soluzione nutritiva ottenuto con l unità di volume (di solito, litro o metro cubo) di soluzione stock. Prima di passare al calcolo vero e proprio di una soluzione nutritiva è necessario: valutare la qualità dell acqua irrigua; scegliere la ricetta nutritiva adeguata per la specie da coltivare; conoscere le concentrazioni dei vari sali e acidi da utilizzare per la preparazione della soluzione nutritiva. 6.2 VALUTAZIONE DELLA QUALITA DELL ACQUA IRRIGUA La valutazione della qualità dell acqua irrigua utilizzata è un aspetto fondamentale per il successo di una coltivazione in ambiente protetto: ciò è maggiormente valido nel caso delle colture fuori suolo. Prima di effettuare un impianto di colture fuori suolo è indispensabile fare un analisi chimica dettagliata dell acqua di irrigazione a disposizione, sia per valutare la sua idoneità all uso idroponico, sia per calcolare la quantità di fertilizzanti necessari per raggiungere le concentrazioni dei vari elementi nutritivi stabili dalla ricetta nutritiva. La valutazione deve riguardare i seguenti parametri: ph; alcalinità totale (concentrazione di bicarbonati e carbonati); conducibilità elettrica (EC) e concentrazione totale dei sali; concentrazione degli elementi essenziali per la pianta (N, P, K, Ca, Mg, S, Fe, B, Cu, Zn, Mn, Mo) e di quelli non essenziali (Na, Cl, F, HCO 3 - ) ma potenzialmente fitotossici; purezza microbiologica, soprattutto l assenza di agenti fitopatogeni; In tabella 6.1 sono riportati, per i principali parametri chimici, i ranges di concentrazione per la classificazione di un acqua irrigua per il suo utilizzo nella coltura fuori suolo. I parametri riportati sono relativi a specie assai sensibili alla salinità come rosa, lattuga, fragola e gerbera: nel caso di piante maggiormente resistenti alla salinità (pomodoro, melone, rucola, ecc.) la classificazione come acqua di scarsa qualità non pregiudica sempre un suo utilizzo. 41

44 Tab Valori guida per la valutazione di acqua per uso idroponico. I valori riportati per ciascun parametro sono i limiti massimi oltre i quali l acqua può non essere idonea per la coltivazione di alcune colture: in questo caso occorre valutare, specie per specie, le esigenze della pianta che si vuole coltivare. Parametro Unità Buona Media Scarsa EC ms/cm 0-0,75 0,75-2,25 >2,25 Bicarbonati meq/l (ppm) 0-2 (0-120) 2-6 ( ) >6 (>360) Nitrati mmol/l < >2 Ammonio mmol/l 0 0,1-1 >1 Fosforo mmol/l < >1 Potassio mmol/l < >2.5 Calcio mmol/l < >5 Magnesio mmol/l < >2 Sodio mmol/l < >10 Cloruri mmol/l < >10 Solfati mmol/l <2 2-4 >4 Fe μmol/l >90 Boro μmol/l >100 Rame μmol/l >15 Zinco μmol/l >30 Manganese μmol/l >10 Tra i parametri elencati nella tab. 6.1 è opportuno commentare in maniera più dettagliata alcuni di questi e in particolare quello del ph (e del contenuto di bicarbonati) e quello della conducibilità elettrica (EC) ph Il ph indica se l acqua è acida o basica a seconda se il suo valore è inferiore o superiore a 7. Normalmente il ph di un acqua irrigua varia fra 6.5 e 8.4. Valori al di fuori di questo intervallo sono indici di una sua composizione anomala. Il ph ottimale di una soluzione nutritiva si colloca fra 5 e 6.5: in questo intervallo la maggior parte degli elementi nutritivi sono solubili e massima è l assorbimento da parte delle piante. Il ph di una acqua irrigua e di una soluzione nutritiva deriva principalmente dalla combinazione di tre principali sistemi tampone: il sistema tampone carbonatibicarbonati-acido carbonico (attivo nel range di ph ), quello relativo al fosfato monobasico-bibasico, (attivo nel range di ph ) e quello relativo allo ione ammonio-ammoniaca (attivo nel range di ph ). Da quanto sopraesposto appare evidente che in una soluzione nutritiva, caratterizzata da valori di ph sub-acidi, il principale sistema tampone funzionante è quello dei bicarbonato (De Rijck e Schrevens, 1997), le cui reazioni di dissociazione sono riportate in dettaglio nella fig

45 Atmosfera CO 2 + H 2 O Acido (H + ) H 2 CO 3 + H 2 O HCO 3- + H 3 O + K a1 = 10-6,3 (1) HCO H 2 O CO H 3 O + K a2 = 10-10,3 (2) Fig Reazioni di dissociazione presenti nel sistema tampone dell acido carbonico e dei suoi sali. Un acqua molto ricca di bicarbonati dà facilmente luogo a depositi calcarei e crea problemi di otturazione dei gocciolatoi negli impianti, problemi che possono essere facilmente prevenuti con un adeguata acidificazione dell acqua. In genere i bicarbonati sono neutralizzati con l aggiunta di un acido forte, che al tempo stesso apporti anche elementi nutritivi. E per questo motivo quindi che per l acidificazione si utilizza l acido nitrico (il più utilizzato), l acido fosforico o l acido solforico. L aggiunta di un acido provoca un aumento di ioni idrogeno nell acqua che indurranno i bicarbonati ad riassociarsi, formando l acido carbonico (equazione 6.1, fig. 6.1) e riducendo così l abbassamento del ph. L opposizione al cambiamento di ph continuerà fino all esaurimento degli ioni bicarbonato: a quel punto l aggiunta di una minima quantità di acido provocherà un grosso abbassamento di ph (vedi fig. 6.2). Conoscendo la concentrazione iniziale di bicarbonato (espressa in meq) e la costante di dissociazione dell acido carbonico (Ka = 10 6,35 ) è possibile calcolare, in funzione di un determinato ph, la quantità di acido da aggiungere (in meq) in base alla seguente formula: [HA] = [HCO 3 - ]/(1+10 ph-pka ) Dove pka= 6,35 (eq. 6.1) Il ph di un acqua e il suo contenuto in bicarbonati non sono grandezze tra loro correlate: infatti si possono trovare acque con ph elevato ed contenuto di bicarbonati basso e viceversa. Dalla formula precedente si deduce che se si desidera un ph pari a 6, occorrerà neutralizzare il 70% dei bicarbonati presenti, mentre per ottenere il ph 5,6 sarà necessario neutralizzare circa il 85% dei bicarbonati presenti. In tab. 6.2 si riporta la quantità in meq/l di acido necessaria per l acidificazione di un acqua irrigua in funzione della concentrazione di carbonati e bicarbonati presenti nell acqua irrigua e del valore di ph desiderato nella soluzione nutritiva Conducibilità elettrica (EC) e concentrazione dei sali Sono sempre preferibili acque con bassa EC (inferiore a 1 ms/cm). Un acqua con alto contenuto in sali disciolti può diminuire la crescita delle piante e ridurre la produzione. Normalmente, l elevato valore di EC è legato alla presenza di calcio, magnesio, bicarbonato, solfato (acque dure) o di sodio e cloruri (acque saline). 43

46 Quando la quantità totale di sali presente in un'acqua di irrigazione è elevata, possono insorgere problemi di salinità in quanto la coltura incontra notevole difficoltà ad estrarre sufficiente acqua. Aumentando la salinità diminuisce la disponibilità dell'acqua per la coltura (effetto osmotico). QUANTITA' DI ACIDO NITRICO (d=1.4, 65%) NECESSARIA PER CORREGGERE DUE DIVERSI TIPI DI ACQUA IRRIGUA 10 ph=9.3, [HCO 9 3- ]=10 meq/l ph=7.8, [HCO 8-3 ]=3 meq/l ph ml acido nitrico per 1000 litri di acqua Fig Titolazione di due acque irrigue aventi differenti quantità di bicarbonati: con il tratto continuo, acqua contenente circa 3 meq/l (180 mg/l), con il tratto tratteggiato acqua contenente circa10 meq/l (620 mg/l) di bicarbonati Problemi di tossicità La tossicità pone dei problemi differenti da quelli della salinità e della permeabilità e si manifesta nelle piante come risultato dell assorbimento e dell accumulo di alcune sostanze contenute nell acqua di irrigazione e può verificarsi anche quando il contenuto di sali totali è basso. In particolare nell'acqua di irrigazione possono essere presenti sostanze tossiche quali boro, sodio, cloruri, che contribuiscono notevolmente ad una diminuzione delle produzioni, sia qualitativamente sia quantitativamente. Tossicità da boro Il boro è uno degli elementi essenziali per la crescita di una coltura, ma è necessario solo in piccole quantità, altrimenti diventa tossico. Il boro si accumula nelle foglie ed in altre parti della pianta, ed i sintomi di tossicità si manifestano in modo caratteristico tutto intorno al bordo delle foglie vecchie con ingiallimento, macchie e disseccamento del tessuto fogliare. La tabella 6.2 riporta le classi di tolleranza di alcune specie al boro. Tossicità da cloro I sintomi più macroscopici della tossicità da cloro sono: bruciatura della foglia disseccamento dei tessuti all'estremità della punta della foglia più vecchia. 44

47 Una bruciatura eccessiva della foglia è spesso accompagnata da una caduta precoce della stessa. Nell acqua di irrigazione sarebbe preferibile, salvo qualche eccezione per colture particolari, tenere il cloro sotto la soglia di 3 mmol/l poiché valori più alti comportano dei cali nella produzione. Comunque, dovendo lavorare con acque molto ricche di questo elemento, è consigliabile aumentare i volumi di acqua erogati in modo da favorire una certa lisciviazione del substrato di coltivazione. Tossicità da sodio. La maggior parte delle piante è sensibile anche a deboli concentrazioni di sodio. Quando l'accumulo di sodio supera la concentrazione tollerata dalla pianta, si verificano problemi di tossicità i cui sintomi più caratteristici sono: Imbrunimento delle foglie; Necrosi dei tessuti sul bordo delle foglie stesse. Anche per il sodio, analogamente a quanto detto per il cloro, valori nell acqua di irrigazione superiori a 3 mmol/l comportano problemi per la coltivazione in relazione alle rese produttive. Normalmente le acque che sono utilizzate per l irrigazione nei nostri ambienti superano, ed a volte anche notevolmente, questi standard e di ciò si deve tenere conto nelle coltivazioni fuori suolo. Spesso la tossicità da sodio viene attenuata dalla presenza del calcio. Il SAR (Sodium Absorption Ratio o rapporto di assorbimento del sodio) è il rapporto tra la concentrazione dello ione sodio, espresso in meq/l, e la radice quadrata della metà della somma delle concentrazioni di calcio e magnesio, anche questa espressa in meq/l. SAR= Na Ca + + Mg 2 Assieme al SAR, per valutare la qualità delle acque di irrigazione, sono stati utilizzati in passato anche altri parametri quale per esempio la Percentuale di Sodio Solubile (SSP). + SSP Na = x Ca + Mg + Na + dove Na +, Ca 2+, Mg 2+, rappresentano le concentrazioni in meq/l dei rispettivi ioni Rimedi da attuare in caso di acque di scarsa qualità L eccesso di uno o più elementi nell acqua irrigua può essere risolto miscelando l acqua con altra di migliore qualità (ad es. acqua piovana), oppure provvedendo ad uno specifico trattamento di deionizzazione (osmosi inversa) in modo che la concentrazione finale della miscela sia inferiore ai limiti prestabiliti. Eccessi di bicarbonati e carbonati possono essere eliminati attraverso l acidificazione dell acqua, come già sopradescritto. Eccessi di ferro e manganese possono comportare pericoli di otturazione per l impianto di irrigazione a causa della precipitazione per scarsa solubilità dei composti ossidati. In questo caso il problema può essere risolto operando un ossigenazione forzata dell acqua con un successivo periodo di decantazione di questa per favorire la precipitazione di tutti i composti ossidati formatisi. 45

48 Oltre al taglio con acque di migliore qualità è possibile adottare anche il processo di osmosi inversa. Un unità di osmosi inversa di medie dimensioni può produrre dai 20 ai 60 m 3 di acqua per giorno al costo di /m 3. Tab Classi di tolleranza di alcune specie al boro contenuto nelle acque di irrigazione (resistenza decrescente dall alto verso il basso di ciascuna colonna) (Wilcox, 1960). Specie resistenti Specie semiresistenti Specie sensibili 4mg/l di B 2 mg/l di B 1 mg/l di B Asparago Girasole Noce Palma delle Canarie Patata Carciofo Palma da datteri Pomodoro Olmo Barbabietola Pisello Susino Bietola Rosa Pero Erba medica Olivo Melo Gladiolo Orzo Vite Fava Grano Fico Aglio Mais Cachi Cavolo Sorgo Ciliegio Lattuga Avena Pesco Carota Zinnia Albicocco Cucurbitacee Arancio Peperone Pompelmo Fagiolo Limone 2 mg/l di B 1 mg/l di B 0,3 mg/l di B 6.3 LA SCELTA DELLA RICETTA NUTRITIVA Nella coltivazione fuori suolo tutti gli elementi minerali di cui le piante hanno bisogno (ad eccezione della CO 2 ) sono somministrati attraverso la soluzione nutritiva. Per chi si avvicina per la prima volta alle colture senza suolo, la composizione della soluzione nutritiva appare come la chiave di successo di tutta la tecnica ed in effetti, la composizione della soluzione nutritiva ha davvero un importanza fondamentale. Due sono le teorie maggiormente seguite per la scelta della soluzione nutritiva: a) teoria della ricetta universale (Hoagland and Arnord, 1938). I fautori di questa teoria, partendo dal presupposto che la radice assorbe gli elementi minerali in maniera selettiva, affermano che la composizione della soluzione nutritiva non è così vincolante per la crescita di una pianta e per questo motivo affermano che tutte le piante possono crescere in una soluzione che contenga un po tutti i sali minerali elencati nelle tabelle 10 e

49 Fig Metodi per rimediare all acqua di scarsa qualità. Sopra: bacino di raccolta dell acqua piovana presso un complesso serricolo in Sicilia. Sotto: Sistema di osmosi inversa presso un complesso serricolo in Olanda. 47

50 b) teoria della ricetta specie-specifica. Secondo questa teoria per ogni specie e per ogni tipo di cv. sarebbe necessario adottare un differente tipo di composizione della soluzione nutritiva, in funzione anche dell andamento climatico. In effetti, l idea di una ricetta nutritiva specie-specifica non sembra avvalorata da dati sperimentali certi. Ad esempio, in NFT con la stessa soluzione nutritiva si possono ottenere buone produzioni su diverse specie in differenti situazioni climatiche. In generale si può affermare che una stessa soluzione nutritiva può essere utilizzata per specie diverse e che una stessa specie può dare risultati simili, in termine di crescita e di produzione, anche con soluzioni nutritive diverse. Il problema consiste, non tanto nell individuare una formula nutritiva ottimale per le diverse specie, quanto nella determinazione delle quantità di nutrienti che devono essere somministrate alle piante nelle diverse fasi di sviluppo in funzione delle condizioni colturali ed ambientali. A quanto detto in precedenza occorre poi considerare anche il buffer nutritivo tipico del sistema: tanto più il sistema di coltivazione ha buffer nutritivo ridotto, tanto maggiore sarà la necessità di adottare una soluzione nutritiva il più vicino possibile ai tassi di assorbimento della pianta. La ricetta ideale dovrebbe essere quella la cui composizione è molto simile alle concentrazioni di assorbimento (il rapporto tra la quantità di elemento assorbito e la quantità di acqua assorbita in una data unità di tempo). In questo modo si eviterebbero sprechi di nutrienti e si manterrebbe massimo il tasso di crescita della pianta. In pratica, risulta difficile applicare questo concetto perché la concentrazione di assorbimento non è stabile per tutto il periodo di crescita della pianta e tende a fluttuare in relazione alle condizioni climatiche e alla fase di sviluppo della pianta. Inoltre, alcuni ioni bivalenti (Ca 2+ Mg 2+, Fe 2+, SO 4 2- ) sono assorbiti con difficoltà e necessitano di concentrazioni nella soluzione nutritiva superiori a quelle di assorbimento (Savvas, 2001). E evidente che, quanto più elevata è la produzione di sostanza secca da parte delle piante, maggiori sono le esigenze nutritive e più facilmente possono insorgere degli squilibri nutrizionali. E questo, ad esempio, il caso degli ortaggi da foglia o da frutto, il cui tasso di crescita medio oscilla dai 4 ai 10 gr di sostanza secca per pianta al giorno. Nel caso di colture a tasso di crescita limitato (in genere la fragola e le ornamentali, che hanno tassi di crescita di solito inferiori ad 1 gr) invece, la specificità della composizione della soluzione nutritiva è decisamente meno importante e l uso di ricette standard trova maggiore fondamento. Nelle tabelle 6.5 e 6.6 sono riportate, per diverse colture, la composizione delle soluzioni nutritive stabilite sulla base delle indicazioni reperibili in letteratura. In pratica, possono individuare tre differenti tipi fondamentali di ricette nutritive che si differenziano sostanzialmente solo per quanto riguarda le concentrazioni di N e K: gli ortaggi da frutto, gli ortaggi da foglia e le piante da fiore o ornamentali Aggiustamenti della composizione della ricetta nutritiva in caso di acque di scarsa qualità A volte la composizione della soluzione nutritiva deve essere opportunamente modificata in modo da poter contrastare alcuni effetti indesiderati legati ad una composizione anomala dell acqua irrigua. Qui di seguito si esamineranno gli aggiustamenti necessari quando si utilizzano acque povere di bicarbonato, acque dure 48

51 Tab 6.3. Tassi di crescita di alcune piante ortofloricole. Specie gr (sost. secca) pianta -1 day -1 Pomodoro 4-8 Cetriolo 5-12 Fragola 0,3-0,5 Gerbera 0,5-1,0 Rosa 0,5-0,8 Dracaena 0,2-0,3 Tab Concentrazioni di assorbimento medie del ciclo culturale di alcune specie ortofloricole. Coltura N (mmol/l) P (mmol/l) K (mmol/l) Ca (mmol/l) Mg (mmol/l) Na (mmol/l) Pomodoro Cetriolo Gerbera Rosa ASSORBIMENTO DI AZOTO (mg pianta -1 d- 1 ) PRIMAVERA ESTATE SETTIMANE DAL TRAPIANTO Fig Curva di assorbimento di azoto di una coltura NFT di melone condotta in due diversi periodi stagionali (Pardossi et al., 2000). I dati sono le medie dei valori raccolti in 4 anni di prove condotte con numerose soluzioni nutritive diverse per concentrazioni e rapporti tra macroelementi. 49

52 Tab Composizione della soluzione nutritiva (per i macronutrienti, espressa in mmol/l) per le principali specie di interesse orto-floricolo. (Autori vari). Coltura N-NO 3 mmol/l N-NH 4 mmol/l P-PO 4 mmol/l S-SO 4 mmol/l K mmol/l Ca mmol/l Mg mmol/l Pomodoro Peperone Melanzana Cetriolo Zucchino Fragola Melone Garofano Gerbera Rosa Solidago Statice Lisianthus Anthurium Tab Composizione della soluzione nutritiva (per i micronutrienti, espressa in μmol/l) per le principali specie di interesse orto-floricolo. (Autori vari ) Coltura Fe μmol/l B μmol/l Cu μmol/l Zn μmol/l Mn μmol/l Mo μmol/l Pomodoro ,5 Peperone ,5 Melanzana ,5 Cetriolo ,5 Zucchino ,5 Fragola ,5 Melone ,5 Garofano ,5 Gerbera ,5 Rosa ,5 Solidago ,5 Statice ,5 Lisianthus ,5 Anthurium , ,5 50

53 (con alte concentrazioni di calcio e magnesio) o acque saline (con alte concentrazioni di sodio e cloro). Nel caso sia necessario utilizzare acque piovane pure o acque con basso contenuto di bicarbonato (inferiori a 1 mm), è buona norma non acidificare l acqua o addirittura aggiungere circa 0.5 mmol/l di bicarbonato di potassio (o di sodio), in modo da creare nella soluzione nutritiva un minimo di effetto tampone, che eviterà pericoli sbalzi nella soluzione ricircolante dovuti all assorbimento selettivo da parte delle piante. Ad esempio in acque povere di bicarbonato e con colture in cui si utilizza una buona quantità di azoto ammoniacale (come ad esempio la coltura della rosa) si possono avere repentini abbassamenti del ph della soluzione ricircolante, specie in concomitanza di una fioritura,che possono arrivare anche a valori di ph inferiori a 4, con conseguenti danni a livello radicale. In caso di utilizzo di acque dure o saline due sono i principali aspetti che vanno esaminati: la possibilità di un effetto di riduzione di produzione dovuto ad un eccesso di salinità e un eventuale sbilanciamento del rapporto cationico della soluzione nutritiva. L effetto della salinità si esplica prevalentemente come un effetto di tipo osmotico: in pratica la concentrazione dei sali a livello radicale provoca innalzamento del potenziale osmotico della soluzione nutritiva tale da ridurre o rendere difficoltoso l assorbimento di acqua da parte della pianta. Come conseguenza di questo stress idrico indotto si ha una riduzione della crescita e della produzione fresca, anche se per alcune specie questa riduzione viene più che compensata dall incremento qualitativo di questa (es. caso del pomodoro e del melone). Come già detto in precedenza, la concentrazione di sali presente in una soluzione nutritiva è fortemente correlata con la misura della sua EC e spesso questo parametro, di facile misurazione, è spesso utilizzato come riferimento della condizione di stress salino. Mass e Hoffman (1977) hanno proposto una semplice relazione fra la EC di un estratto acquoso del substrato (pasta satura) e la produzione ottenuta da una determinata specie. Secondo questo modello, schematizzato nella fig. 6.4, fino ad una certa soglia di EC, indicata come ECmax, non vi è riduzione della produzione, mentre al suo superamento la riduzione di produzione è proporzionale (pendenza s, indicante la percentuale di riduzione della produzione massima per ogni incremento di 1 ds/m della EC oltre la soglia di ECmax) alla differenza tra EC media della soluzione e la ECmax. Il modello contiene chiaramente delle approssimazioni, non tenendo in considerazione, ad esempio, del tipo di sali presenti in soluzione. In tabella 6.7 sono riportate le soglie di ECmax e le pendenze di riduzione s per le principali specie da orto e da fiore reciso coltivate in serra. Come norma i valori di ECmax dovrebbero essere quelli massimi da utilizzare per la preparazione della soluzione nutritiva. Se il valore stimato (mediante l equazione di Sonneveld, par. 5.3) della composizione della soluzione nutritiva, comprensiva anche degli elementi già presenti nell acqua irrigua supera quello di ECmax, è opportuno diminuire proporzionalmente la quantità di nutrienti, in modo che pur mantenendo inalterato il rapporto ionico si abbia una concentrazione salina totale della soluzione accettabile. Naturalmente questa riduzione non dovrebbe superare il 30-40% per evitare che valori troppo bassi di apporto di nutrienti possano causare deficienze minerali alla coltura. Il secondo effetto da considerare con l uso di acque saline o dure è la possibilità che ci sia un alterato rapporto ionico fra le specie cationiche ed anioniche. 51

54 Come regola generale le ricette di base andranno eventualmente corrette a seconda delle anomalie riscontrate nelle analisi delle acque in maniera da mantenere un rapporto ionico Ca: K: Mg (in meq/l) corretto (consigliato 40:40:20). In caso di elevate quantità di cloruri può essere conveniente innalzare di qualche mmol/l la concentrazione dei nitrati per contrastare l effetto antagonista del cloruro sull assorbimento dei nitrati. Produzione Zona di deficienza Equazione di Maas: Y = 100- s(ec- ECmax) Zona di adeguatezza Zona di eccesso EC min EC EC max Fig Modello generalizzato della crescita della pianta in funzione della EC della soluzione nutritiva. Al di sotto di un valore minimo di EC, la pianta è in condizioni di carenza minerale e la crescita è sub-ottimale. Sopra una certa soglia specie-specifica (ECmax), la salinità è eccessiva e la produzione massima ottenibile è ridotta di una percentuale proporzionale alla differenza tra la salinità nel substrato e la ECmax ed un coefficiente unitario di riduzione (s). Il coefficiente s, espresso come % di riduzione per l incremento unitario di EC superiore all ECmax, rappresenta la pendenza della retta lineare della produzione verso la EC della soluzione nutritiva 52

55 Tab Tolleranza alla salinità delle principali specie di ortaggi e di fiori recisi coltivati in serra. In tabella per ogni specie è riportata la soglia oltre la quale avviene una riduzione di produzione (ECmax) e l intensità di questa riduzione (s, che rappresenta la pendenza della retta) calcolati con il metodo dell estratto dalla pasta satura del substrato o del terreno (EC ES ) oppure sul valore della soluzione nutritiva ricircolante (ECss). Per la comparazione fra i due differenti metodi si è utilizzata la relazione proposta da Sonneveld (1990): EC(SS) = 1.6 EC(ES) Specie EC ES (ds/m) EC SS (ds/m) EC max s (%) EC max s (%) Riferimento Specie sensibili Fagiolo Maas and Hoffman, 1977 Carota Maas 1986 Crisantemo Barbieri and De Pascale, 1992 Melanzana Maas 1986 Finocchio Graifenberg et al., 1996 Lattuga Shannon and Grieve, 1999 Cipolla Shannon and Grieve, 1999 Peperone Maas 1986 Ravanello Shannon and Grieve, 1999 Rosa Barbieri and De Pascale, 1992 Fragola Maas and Hoffman, 1977 Specie moderatamente sensibili Cavolo broccolo Shannon and Grieve, 1999 Cavolo Shannon and Grieve, 1999 Garofano Barbieri and De Pascale, 1992 Sedano Maas 1986 Cetriolo Maas and Hoffman, 1977 Melone Maas and Hoffman, 1977 Spinacio Maas and Hoffman, 1977 Pomodoro Maas and Hoffman, 1977 Specie moderatamente tolleranti Carciofo Graifenberg et al, 1993 Asparago Maas, 1986 Pomodoro ciliegino Gough & Hobson, 1990 portulaca Shannon and Grieve, 1999 Rucola Shannon and Grieve, 1999 Bietola Shannon and Grieve, 1999 Zucca Graifenberg et al,

56 6.4 TIPI DI ACIDI E SALI USATI NELLA COLTURA FUORI SUOLO I macroelementi (N, P, K, Ca, Mg, S) sono apportati principalmente attraverso l uso di sali semplici di elevata purezza e facilmente solubili. Parte del fabbisogno in N, P, S può essere apportata anche attraverso l uso di acidi, necessari per la neutralizzazione dei bicarbonati presenti nell acqua irrigua. Tab Sali e acidi utilizzati nelle coltivazioni fuori suolo per l apporto di macronutrienti. Elemento (p.m.) N-NO 3 (14.01) Concentrazioni mmol/l 5-15 N-NH 4 (14.01) < 2 P (30.97) K (39.1) Ca (40.08) Mg (24.31) S (32.07) Sale Nitrato di potassio % elemento (rapporti molari) N-NO ; (1) K 38.7 (1) mg di sale per 1 mmole di elemento Solubilità Kg/ Acido nitrico 65% N 20,0* - - Acido nitrico 53% N 15.8* - nitrato di ammonio N-NO (1); N-NH (1) Fosfato monoammonico NH 4 12,2 (1); P 26,9 (1) Solfato ammonico N-NH (1); S 24.2; (0.5) Fosfato monopotassico P 22.8 (1); K 28.7 (1) Acido fosforico 85% P* Acido fosforico 75% P* Solfato di potassio K 43.2 (1) S 17.1 (0.5) Cloruro di potassio K 50.6 (1); Cl 45.9 (1) Ca 18.6 (1) Nitrato di calcio N-NO 3 14,5 (2.2) N-NH 4 1 (0.2); Cloruro di calcio Ca 36.1; (1) Cl 63.8 (2) Nitrato di magnesio Mg 9.5 (1); N 10.9 (2); Solfato di magnesio Mg 9,6 (1) S 12.7; (1) Solfato di magnesio S 12.7 (1); Mg 9,6 (1); Acido solforico 95% S* Acido solforico 53% S* 27.4 Na Na 39.4 (1) 0-10 Cloruro di sodio (23.00) Cl 60.6 (1) * In peso/volume (% espressa in Kg rispetto al volume espresso in litri)

57 Tab Sali e acidi utilizzati nelle coltivazioni fuori suolo per l apporto di micronutrienti. Elemento (p.m.) Fe (55.85) B (10.80) Cu (63.55) Zn (65.38) Mn (54.94) Mo (95.95) Range concentrazione (μm/l) Sale % elemento mg di sale per 1 μmole di elemento Solubilità Kg/100 L (20 C) Solfato ferroso (eptaidrato) Fe 20; S Chelati (EDTA; EDDHA; Fe 6% (4%; 0.93 DPTA) 13%) Borace (borato di sodio) B Acido borico B Solfato di rame (pentaidrato) Cu 25.5; S Rame chelato 15% 0.42 Solfato di zinco Zn Zinco chelato (EDTA) Zn Solfato di manganese Mn 32.5; S Manganese chelato (non Mn EDDHA) Molibdato ammonico Mo Molibdato di sodio Mo Tab Principali molecole utilizzate come chelanti del ferro. Alcuni di questi formano chelati anche con altri microelementi metallici (Cu, Mn, Zn). Acido chelante Sigla Range di stabilità Dietilene Triamino Pentacetico DPTA 2-7,5 EtilenDiamino Tetracetico EDTA 4-6,5 EtilenDiamino D-O- Hidrossifenilacetico EDDHA 4-9 Idrossietil Etilene Diamino Triacetico HEDTA 5-6,5 Nella preparazione della soluzione nutritiva si possono utilizzare anche idrosolubili complessi, anche se in questo caso difficilmente si otterrà una soluzione nutritiva con composizione identica alla formula prescelta. Piccole differenze, fra la soluzione ottenuta e quella prescelta, sono, in ogni caso, accettabili, grazie alla capacità delle piante di assorbire selettivamente ciò di cui hanno bisogno. Nella scelta di idrosolubili complessi va valutata soprattutto la forma azotata: sono da evitare idrosolubili che abbiano eccessive quantità di azoto ammoniacale o ureico. Nelle tabelle 6.8 e 6.9 sono riportati, per ogni elemento chimico, i principali sali utilizzabili a livello commerciale per la preparazione delle soluzioni nutritive. Quando per un elemento sia possibile utilizzare vari tipi di sali, la preferenza di un sale rispetto ad un altro si basa sulle seguenti considerazioni, poste in ordine d importanza: solubilità: sali come il solfato di calcio o di fosfato di calcio sono poco solubili e non utilizzabili; altri, come il solfato di potassio, tendono a sciogliersi con difficoltà; 55

58 contro-ione: ad esempio, il nitrato di calcio è preferibile al cloruro di calcio, così come il solfato di potassio è preferibile al cloruro di potassio.) costo: evidentemente, a parità di altre condizioni, è preferibile il sale meno costoso, come ad esempio il solfato di magnesio invece del nitrato di magnesio. Per microelementi di solito si usano prodotti nei quali il ferro è chelato con acidi organici (EDTA, EDDHA, DPTA) o con sostanze complessati: lo scopo di ciò è preservare dall immobilizzazione e dalla sua ossidazione il Fe, in modo che questo sia scambiato dalla sostanza veicolante direttamente a livello radicale. Per gli altri microelementi metallici (Mn, Cu, Zn) si possono utilizzare sia i sali semplici (di solito meno costosi) sia i chelati (assai costosi, ma indispensabili per piante con difficoltà di assorbimento per alcuni microelementi). I chelanti più utilizzati sono acidi organici (tab. 6.10): la loro stabilità nel substrato è influenzata principalmente dal ph presente nel substrato. L agente maggiormente stabile risulta l EDDHA, stabile nel range 4-9, seguito dal DPTA e EDTA: questi ultimi sono maggiormente stabili alla luce e quindi utilizzati per applicazioni fogliari. 6.5 CALCOLO DI UNA SOLUZIONE NUTRITIVA Il calcolo della soluzione nutritiva consiste nel determinare le quantità di sali semplici e di acidi che occorre aggiungere all acqua irrigua per raggiungere le concentrazioni desiderate nella soluzione nutritiva da erogare alle piante. I passaggi necessari al calcolo sono i seguenti: acquisizione della composizione dell acqua irrigua (in mmol/l); scelta della ricetta nutritiva (in mmol/l); calcolo della differenza tra la concentrazione dei vari elementi nella ricetta e quella dell acqua irrigua (apporto di nutrienti da effettuare); calcolo della quantità di acido necessaria per la neutralizzazione dei bicarbonati e delle quantità di N, P o S apportate; calcolo, per ciascun elemento, della quantità di concimi da apportare seguendo l ordine seguente: calcio, ammonio, fosforo, magnesio, nitrato, potassio (solfato), ferro, microelementi. Nel calcolo della soluzione è necessario rispettare scrupolosamente l ordine sopradescritto, per evitare che, nel bilanciamento di alcuni ioni, si utilizzino sali che apportino anche altri ioni che erano già stati bilanciati precedentemente. Naturalmente per raggiungere tutte le concentrazioni desiderate nella soluzione nutritiva e ottenere l equilibrio elettro-chimico, sarà necessario accettare che la concentrazione di almeno uno ione sia libera di variare in un range relativamente ampio; questo ione è generalmente il solfato, in quanto le piante sono poco influenzate dalla concentrazione esterna di questo elemento nel range 2-10 mmol/l (S-SO 4 ). Un esempio di calcolo di una soluzione nutritiva, limitatamente ai macroelementi, aiuterà il lettore a capire i meccanismi di calcolo. Allo scopo si ipotizzi di dover calcolare di una soluzione nutritiva per pomodoro avendo una composizione dell acqua di partenza pari a 2.75 meq/l di bicarbonati, 1.5 mmol/l di Ca, 0.75 mmol/l e 0.5 mmol/l di S-SO 4 e con nitrati, ammonio, potassio e fosfati presenti solo in tracce. Per procedere al calcolo della soluzione nutritiva, è preferibile creare una tabella che contiene tante colonne quante sono gli elementi da bilanciare, cui aggiungere due colonne, una per il tipo di sale o acido da utilizzare e una per la quantità da utilizzare (tab. 6.11). 56

59 Nelle prime righe si riporterà la concentrazione dell acqua irrigua e della ricetta nutritiva (vedi tab. 6.5 e 6.6) e nelle righe sottostanti i vari acidi o sali aggiunti, ponendo per ciascuno, in corrispondenza delle colonne relative a ciascun elemento, gli apporti effettuati Neutralizzazione dei bicarbonati Il primo calcolo da fare è quello della quantità di acido necessario per portare il ph della soluzione nutritiva nel range ottimale di 5-6 (neutralizzazione dei bicarbonati). La neutralizzazione dei bicarbonati nelle soluzioni nutritive deve essere fatta con un acido il cui elemento apportato sia indispensabile per la pianta: in pratica viene utilizzato l acido nitrico, l acido solforico e l acido fosforico, anche se per quest ultimo, la limitata quantità necessaria di fosforo nelle soluzioni nutritive, ne limita l uso a una quantità non superiore a 2 meq/l. Le caratteristiche degli acidi commerciali utilizzati sono riportate in tab Nell esempio, il contenuto di bicarbonati è di 2.75 mg/l e ipotizziamo di voler ottenere un ph finale di 5.8. La quantità di acido da utilizzare dipende dalla quantità iniziale di bicarbonato e carbonati (questi ultimi sono presenti solo se il ph è superiore a 8.4) e dal ph desiderato, secondo la formula vista nel paragrafo precedente (par ; eq. 6.1): [HA]=[HCO - 3 ]/ (1+10 ph 6.35 ) = 2.75 / ( ) = 2.75/ 1.28 = 2.15 meq/l Detto risultato può essere ottenuto facilmente anche utilizzando l apposita tab. 6.12: la quantità di meq/l di acido da aggiungere all acqua irrigua per ottenere il ph desiderato nella soluzione nutritiva, può essere desunto all intersezione della riga corrispondente alla somma della concentrazione di bicarbonato e carbonato presenti nell acqua irrigua, con la colonna corrispondente al valore del ph desiderato. Se nella tabella non figura il valore preciso della concentrazione del bicarbonato, il risultato può essere conseguito arrotondando in eccesso o in difetto il valore al valore più prossimo riportato in tabella: infatti, con questa operazione si può commettere al massimo un errore 0.13 meq/l. Il valore in meq/l ottenuto va trasformato in ml/l di acido commerciale da aggiungere all acqua irrigua. Se decidiamo di utilizzare un acido nitrico commerciale avente una concentrazione di 64.7% (p/p) e densità pari a 1,39 g/ml, questo conterrà: 1.39 g/ml/ p.m acido (63)* 64.7 % * 1000 (fattore di conv. da Eq a meq) = 14,28 meq di ioni H 3 O + e quindi mmol di N-NO 3 per ogni ml di acido (vedi tab. 6.13). Quindi la quantità di ml di acido commerciale è determinata come segue: 2.15 meq/l / meq/ml=0.151 ml di acido nitrico commerciale al 64.7 % per ogni litro di acqua irrigua. Sarà ora necessario calcolare la quantità di elementi nutritivi apportata con l operazione di neutralizzazione dei bicarbonati che, nel caso dell acido nitrico e fosforico, sarà pari alle meq/l di bicarbonati neutralizzati, mentre sarà pari alla metà nel caso dell utilizzo dell acido solforico (acido forte biprotico). Nel nostro esempio abbiamo utilizzato 2.15 meq/l di acido nitrico e quindi avremo apportato 2.15 mmol di N-NO 3, che sarà riportato nella tabella 6.11 all intersezione fra la riga contenente l acido e la colonna dell elemento N-NO 3. 57

60 Tab Esempio di calcolo di una soluzione nutritiva per il pomodoro. Per i dettagli sull esecuzione dei calcoli, consultare il testo. Sale (mm o μm di elemento da fornire) % elemento - mg o ml/l HCO 3 N-NO 3 N-NH 4 P K Ca Mg S Fe B Cu Zn Mn Mo meq mm mm mm mm mm mm mm μm μm μm μm μm μm Acqua Ricetta Da reintegrare con i sali HNO 3 65% (2.15) mmol/ ml Nitrato di calcio (3.5) N 14.5 Ca NH 4 NO 3 (0.30) N-NH 4 N-NO KH 2 PO 4 (1.50) P 22.8 K MgSO 4 eptaidrato(0.75) Mg 9.9; S KNO 3 (1.85) N 13.8 K K 2 SO 4 (4.65) K 43.2 S Ferro EDDHA 6% (25) Fe Borato di sodio (30) B Solfato di Cu (1.0) Cu Solfato di Zn (5.0) Zn Solfato di Mn (1.0) Mn Molibdato Na (0.5) Mo TOTALE SOLUZIONE Nota: Per calcolare i Kg necessari per la preparazione delle soluzioni stock occorre sapere la capacità dei contenitori e il grado di concentrazione (1:100; 1:200). Es: capacità 100 litri, grado di diluizione 1:100. Ciò significa che con 100 litri di soluzione madre preparerò 100*100 = litri di soluzione finale. Poiché i pesi in tabella sono in mg, e preferisco esprimerli in Kg, basterà moltiplicare questi per litri/ = 0.01.

61 Tab Quantità di acido da aggiungere all acqua irrigua(meq/l) per ottenere un determinato valore di ph (range ) in funzione della quantità di bicarbonati e carbonati presenti nell acqua stessa. meq/l di acido da aggiungere all'acqua irrigua Valore di ph desiderato nella soluzione nutritiva Somma della concentrazione di carbonati e bicarbonati nell'acqua irrigua (mm)

62 Tab Quantità di acido commerciale da aggiungere all acqua irrigua (ml/l), in funzione dei meq/l necessari per la neutralizzazione dei bicarbonati (vedi tab. 6.3) e delle caratteristiche di alcuni acidi maggiormente diffusi in commercio. Acidi commerciali utilizzabili Caratteristiche fisiche Acido nitrico Acido fosforico Acido solforico Densità % p/p meq/ml di prodotto meq di acido necessari per la neutralizzazione di 1 litro di acqua irrigua

63 6.5.2 Calcolo dei sali da apportare per il bilanciamento dei macronutrienti Dopo il calcolo dei nutrienti derivanti dall aggiunta dell acido, si procede al calcolo della quantità di sali da aggiungere alla soluzione nutritiva. Per ogni elemento da bilanciare sarà necessario effettuare il calcolo delle mmol/l necessarie per raggiungere la quantità prevista dalla ricetta nutritiva e della quantità in mg/l di sale da aggiungere all acqua irrigua, calcolo che sarà effettuato seguendo i seguenti passaggi: calcolo della differenza (in mmol/l) tra la quantità dell elemento indicato nella ricetta nutritiva e la somma della quantità presente nell acqua e di quelle già aggiunte con i sali eventualmente già apportati; calcolo delle mmol/l degli elementi nutritivi contenuti nel sale scelto per il bilanciamento (vedi tab. 6.8 per le caratteristiche dei sali contenenti macroelementi e tab. 6.9 per i sali utilizzati per apportare i microelementi) e verifica dell eventuale superamento delle loro concentrazioni totali rispetto a quelle riportate della ricetta (ad eccezione di S). calcolo della quantità di sale espressa in mg/l da aggiungere all acqua irrigua per apportare le mmol/l dell elemento bilanciato. Il procedimento andrà ripetuto per tutti i macroelementi e i microelementi. Alla fine del calcolo avremo le quantità di sali e di acido, espresse in mg o ml da aggiungere ad un litro di acqua irrigua per ottenere un litro di soluzione nutritiva. Riprendendo il nostro esempio, il primo elemento da bilanciare sarà il calcio. Poiché l acqua ne contiene 1.50 mmol/l, per arrivare alla concentrazione della soluzione nutritiva (5 mmol/l) si dovranno apportare 3.5 mmol di Ca. Il sale da utilizzare sarà il nitrato di calcio che contiene il 18.6 % di Ca, il 14.5 % di N-NO 3 e 1% di N-NH 4 + in peso e che presenta un rapporto molare Ca : N-NO 3 : N-NH 4 + pari a 1 : 2.2 : 0.2(vedi tab. 6.8). Ciò significa che, apportando 3.5 mmol di calcio, se ne apporteranno contemporaneamente: 3.5 * 2.2 = 7.7 di N-NO 3 ; 3.5 * 0.2= 0.7 di N-NH 4 +. La quantità di nitrato di calcio da aggiungere all acqua irrigua si calcolerà a partire dalle mmol di calcio necessarie, moltiplicando il proprio peso molecolare (40.08) e dividendo per la % dell elemento nel sale utilizzato. Come si può dedurre dalla tab. 6.8 il nitrato di calcio contiene il 18.6% di Ca, per cui si ottiene: 3.5 mmol/l * (p.m. Ca) / (% di Ca nel nitrato di calcio agricolo)= mg/l di nitrato di calcio. Il medesimo risultato si può semplicemente ottenere moltiplicando i mg di sale commerciale contenente 1 mmol dell elemento che si sta bilanciando (tab. 6.8). Infatti dalla tabella 6.8 si desume che per apportate una mmol di calcio sono necessari mg di nitrato di calcio (Ca 18.6 %) e quindi basterà moltiplicare questa quantità per le moli di Ca da apportare: 3.5 mmol/l di Ca * = mg/l di nitrato di calcio da apportare. Il successivo elemento da bilanciare sarà l ammonio. La formulazione della soluzione nutritiva prevede una concentrazione di 1 mmol/l di N-NH 4 + ; l acqua non ne contiene, ma aggiungendo il nitrato di calcio si è già apportato 0.7 mmol/l e quindi, per completare l apporto, ne occorreranno altre 0.3 mmol/l. Queste potranno essere fornite con il nitrato di ammonio (17.2% N-NO ,2% N-NH 4 + ), il quale contiene una quantità equivalente (0.3 mmol) di N-NO 3. Il calcolo della quantità di nitrato d ammonio da aggiungere sarà il seguente: 61

64 0.3 mmol/l * (p.m. N-NH 4 + ) / (% di N-NH 4 + nel nitrato d ammonio)= mg/l di nitrato di ammonio. Fosfati. Occorrerà apportare 1.5 mmol/l di P. Poiché i bicarbonati sono già stati neutralizzati e l ammonio già bilanciato, potremo utilizzare solo il fosfato monopotassico (vedi tab. 6.8: P 22.8%, K 28.7%). Poiché il rapporto molare P:K è di 1:1, con questa operazione apporteremo 1.5 mmol/l di P e 1.5 mmol/l di K. La quantità di sale commerciale da aggiungere sarà: 1.5 mmol/l * (p.m. P) / (% di P nel fosfato monopotassico)= mg/l di fosfato monopotassico. Magnesio. Si possono utilizzare due sali per apportare magnesio: il solfato di magnesio o il nitrato di magnesio. Di solito è preferibile utilizzare il solfato di magnesio sia per il suo minor costo, sia per utilizzare successivamente, nel bilanciamento del potassio, la maggior quantità possibile di nitrato di potassio rispetto al solfato di potassio. In questo modo otterremo una soluzione con sali maggiormente solubili (il nitrato di potassio e il solfato di magnesio hanno una solubilità maggiore rispetto al solfato di potassio). Nel nostro esempio, poiché 0.75 mmol/l sono già presenti nell acqua irrigua e nella ricetta è prevista una concentrazione di magnesio pari a 1.5 mmol/l, sarà necessario apportare 0.75 mmol/l di Mg e quindi, utilizzando il solfato di magnesio (Mg 9.6%, S 12.7%), otterremo: 0.75 mmol/l * (p.m. Mg) / (% di Mg nel solfato di magnesio)= mg/l di solfato di magnesio, che conterranno anche 0.75 mmol/l di S. A questo punto del calcolo rimangono da bilanciare due soli macroelementi, il nitrato e il potassio, considerando che lo zolfo è libero di assumere i valori necessari per il completo bilanciamento elettrico della soluzione nutritiva. Si procederà quindi a bilanciare il nitrato, utilizzando il nitrato di potassio (N = 13.8%; K 38.7%) e successivamente, per apportare la restante parte di potassio, si utilizzerà il solfato di potassio (K 43.2%; S 17.1%). Sottraendo alla quantità di azoto prevista nella ricetta (12 mmol/l) quella apportata con l'acido nitrico (2.15 mmol/l), con il nitrato di calcio (7.70 mmol/l) e con il nitrato di ammonio (0.3 mmol/l), ne rimarrà ancora da aggiungere 1.85 mmol/l: 1.85 mmol/l * (p.m. N)/ (%N nel nitrato di potassio) = mg/l di nitrato di potassio che apporteranno anche 1.85 mmol/l di potassio. Potassio: l apporto di potassio necessario per arrivare alla quantità prevista nella ricetta (8 mmol/l), considerando il K già presente con i sali aggiunti (1.5 mmol/l con il fosfato monopotassico e 1.85 mmol/l con il nitrato di potassio), è di 4.65 mmol/l. Per apportare il potassio si può utilizzare il solfato di potassio (o il cloruro di potassio nel caso di concentrazioni elevate nell acqua irrigua di solfati e in presenza di specie vegetali abbastanza tolleranti ai cloruri). Il calcolo della quantità di solfato di potassio da utilizzare è il seguente: 4.65 mmol/l * (p.m. K) / (% di K nel solfato di potassio)= mg/l di solfato di potassio, che conterranno anche 2.32 mmol/l di S (rapporto molare K:S 1:2, vedi tab. 6.5). Con l ultima operazione, tutti i macroelementi sono stati bilanciati. A questo punto si effettua la riprova della correttezza dei calcoli facendo la somma per ogni elemento, degli elementi apportati con i vari sali e/o acidi e della quantità presente nell acqua irrigua. Il valore totale ottenuto dove essere molto simile a quello della ricetta. Nel nostro caso l unico elemento che si discosta dai valori della ricetta è quello del solfato, che eccede la quantità consigliata di 2.57 mmol/l. Come detto, possiamo accettare questa 62

65 Tab Tabella di riferimento rapido per il calcolo della quantità di sali (mg/l) per l apporto di microelementi nelle soluzioni nutritive, in funzione della quantità di microelemento (μmol/l) e del tipo di sale scelto. Elemento Fe B Cu Mn Zn Mo Prodotto commerciale Fe 4% Fe 6% Fe 13% Acido borico Sodio Borato Solfato di Cu pentaidrato Rame chelato Solfato di manganese Solfato di zinco Molidbato di sodio Molibdato d'ammonio Titolo % p.m. sale pm elemento μm mg di prodotto commerciale da aggiungere ad 1 litro di acqua irrigua μm di elemento da aggiungere per litro di acqua irrigua

66 quantità maggiore dello ione S in quanto generalmente le piante sono abbastanza tolleranti ai solfati Calcolo dei sali da apportare per il bilanciamento dei micronutrienti Una volta terminato il bilanciamento dei macrocationi, si procede al bilanciamento dei microelementi. Generalmente nel loro bilanciamento non si tiene conto del controione, in quanto le quantità esigue utilizzate non modificano sostanzialmente la concentrazione dei macronutrienti. Generalmente si utilizza dei chelati per l apporto del ferro e dei sali semplici per l apporto di tutti gli altri microelementi, pur potendo scegliere anche su composti chelati per l apporto di Zn, Mn, Cu. Di seguito sono riportati i vari calcoli necessari per la determinare la quantità dei sali da sciogliere per ottenere le concentrazioni stabilite dalla ricetta nutritiva prescelta. Ferro. 25 μmol/l * (p.m. Fe) / 0.06 (% Fe nel chelato EDDHA) / 1000 (fattore di conversione fra μg/l e mg/l) = mg/l di chelato di ferro EDDHA al 6%. Boro. 30 μmol/l * (p.m. Fe) / (% B nel borato di sodio) / 1000 (fattore di conversione fra μg/l e mg/l) = 2.87 mg/l di borato di sodio. Rame. 1 μmol/l * (p.m. Cu) / (% Cu nel solfato di rame pentaidrato)/ 1000 (fattore di conversione fra μg/l e mg/l) = 0.25 mg/l di solfato di rame. Zinco. 5 μmol/l * (p.m. Zn) / (% Zn nel solfato di zinco) / 1000 (fattore di conversione fra μg/l e mg/l) = 1.44 mg/l di solfato di zinco. Manganese. 10 μmol/l * (p.m. Mn) / (% Mn nel solfato di manganese) / 1000 (fattore di conversione fra μg/l e mg/l) = 1.69 mg/l di solfato di manganese. Molibdeno. 0.5 μmol/l * (p.m. Mo) / (% Mo nel molibdato di sodio)/ 1000 (fattore di conversione fra μg/l e mg/l) = 0.12 mg/l di molibdato di sodio. Il medesimo risultato può essere ottenuto, in maniera più semplice, utilizzando la tabella di riferimento rapido 6.14 dove sono riportati i mg/l di sale da apportare in funzione del tipo di sale utilizzato (dati in colonna) e delle μmol/l di elemento da apportare (dati sulle righe). 6.6 CALCOLO DELLE SOLUZIONI STOCK. Con il calcolo della soluzione nutritiva abbiamo ottenuto le quantità di sali e acidi da sciogliere in 1 litro di acqua per trasformarla in soluzione nutritiva. Operativamente non si preparerà mai un litro di soluzione nutritiva, ma ne se prepareranno migliaia di litri. A livello commerciale spesso si utilizzano dei fertirrigatori capaci di effettuare una diluizione di una soluzione madre concentrata (da 50 a 200 volte), in modo che, una volta preparate queste soluzioni, il sistema abbia un autonomia di almeno 1 settimana. E quindi necessario, una volta conosciuto il volume dei contenitori delle soluzioni stock, procedere al calcolo del quantitativo di fertilizzanti da sciogliere in questi. E prassi esprimere le quantità in litri, grammi o kg a seconda se si tratti di acidi, sali contenenti microelementi o sali contenenti macronutrienti. Per i sali dei macroelementi, il passaggio dalle concentrazioni in mg/l a kg di concimi da utilizzare avviene calcolando un fattore F così definito: F= (concen. della soluzioni stock)*(litri di soluzione stock)/ In pratica l F è pari ai litri totali di soluzione nutritiva che si possono preparare con il contenuto della soluzione stock diviso per coefficiente di conversione da mg a Kg. 64

67 Quindi moltiplicando per F le quantità in mg/l dei singoli sali si otterranno direttamente i gr di sale da sciogliere nei contenitori di soluzione madre. Per il calcolo della quantità di acido o di microelementi, il fattore F calcolato per i sali di macroelementi dovrà essere moltiplicato per 1000, poiché si esprime in g e non in kg. Tab Tabella di riferimento rapido per il calcolo del coefficiente moltiplicativo da utilizzare per trasformare i mg/l di sali in kg necessari per preparare le soluzioni stock in funzione del rapporto di concentrazione scelto e del volume dei contenitori. Coefficiente moltiplicativo per trasformare i mg/l in kg di sale per contenitore* Rapporto di concentrazione della soluzione stock 1:50 1:100 1:150 1:200 1:250 1: * ATTENZIONE: Il coefficiente in tabella va moltiplicato per 1000 se applicato alle quantità di acido o di sali contenenti microelementi per avere il corrispondente valore in g o litri. Capacità in litri serbatoi soluzioni stock Il fattore di conversione può essere facilmente desunto utilizzando la tabella 6.15 in funzione della capacità dei serbatoi delle soluzioni stock e al grado di concentrazione scelta. Ad esempio, volendo calcolare le soluzioni stock per la soluzione nutritiva del precedente esempio e ipotizzando un grado di concentrazione pari a 1:200 e contenitori da 500 litri avremo: F = 200 * 500/ = 10000/ = 0.01 a) acido nitrico: ml/l * 0.01 * 1000 = 1,51 litri 65

68 Tab Ripartizione dei vari fertilizzanti e acidi nei due contenitori di soluzione stock. Contenitore A Contenitore B Nitrato di calcio Acidi ( nitrico, solforico o fosforico) Nitrato di Potassio Solfato di magnesio Nitrato di magnesio Solfato di potassio Nitrato ammonico Fosfato monopotassico Chelati (Fe, Zn, Cu, Mn) Fosfato di ammonio Cloruri (K; Na) Nitrati ( di K, NH + 4 ) Silicato di potassio Acido borico o borace Microelementi da solfati (Mn, Zn, Cu) b) nitrato di calcio: mg/l * 0.01 = 7.54 kg; 7.5 Kg c) nitrato di ammonio: mg/l * 0.01 = 0.24 Kg; 0.25 Kg d) fosfato monopotassico: mg/l * 0.01 =2.04 Kg; 2.0 Kg e) solfato di magnesio: 189,92 mg/l * 0.01 = 1.90 kg; 1.9 Kg f) nitrato di potassio: mg/l * 0.01= 1.88 Kg; 1.9 Kg g) ferro chelato 6%: mg/l * 0.01 *1000= g; 230 g h) borato di sodio: 2.87 mg/l * 0.01 *1000 = 28.7 g; 3.0 g i) solfato di rame: 0.25 mg/l * 0.01 * 1000 = 2.5 g; 2.5 g l) solfato di zinco: 1.44 mg/l * 0.01 *1000 = 14.4 g; 14 g l) solfato di manganese: 1.69 mg/l * 0.01 * 1000 = 16.9 g; 17 g l) molibdato di sodio: 0.12 mg/l * 0.01* 1000 = 1.2 g; 1.2 g Dopo la trasformazione da mg/l a Kg o da mg/l a g si possono introdurre alcune piccole approssimazioni che, pur cambiando minimamente la concentrazione della soluzione finale, snelliscono fortemente le operazioni relative alle pesate dei singoli sali. Se nella soluzione nutritiva la concentrazione dei vari elementi è tale da prevenire fenomeni di precipitazione, ciò non è più vero quando si preparano le soluzioni stock. I principali problemi che si incontrano sono la precipitazione dei sali a base di calcio con i solfati e i fosfati e la degradazione chimica delle molecole organiche dei chelati del ferro e dei microelementi quando il ph della soluzione stock sia eccessivamente basso in conseguenza dell aggiunta di acidi. Per risolvere questi problemi occorre preparare tre soluzioni stock separate denominate soluzione A, B e acida. Volendo semplificare al massimo, è possibile eliminare il contenitore per l acido, ponendo questo nel contenitore B dove non dovranno essere posti i chelati. Normalmente nel contenitore A si metteranno tutti i sali di calcio, tutti i sali a base di nitrato, il chelato di ferro ed eventualmente i sali a contenenti cloruro; nel contenitore B si metteranno tutti i sali a base di solfato (compresi i microelementi), eventualmente l acido e/o parte dei sali a base di nitrato come nitrato di potassio, o ammonio, in modo da ripartire egualmente la quantità totale di sali da sciogliere nei due contenitori. Nei sistemi computerizzati, in grado di preparare diversi tipi di ricette secondo il settore irriguo, si hanno un numero superiore di contenitori stock per la necessità di dover variare il rapporto ionico a seconda del tipo di coltura: in questo caso le soluzioni stock 66

69 sono monosaline per i macroelementi, mentre si adotta una soluzione unica per i microelementi. Nella preparazione delle soluzioni stock è sempre consigliabile porre l acqua e aggiungere lentamente ed agitando i sali. Per l operazione è preferibile utilizzare acqua calda o tiepida, in quanto la solubilità di alcuni sali è ridotta drasticamente dalla bassa temperatura. L acido per problemi di sicurezza andrà sempre aggiunto all acqua e non viceversa. I chelati, a causa della loro azione colorante, andranno aggiunti solo dopo essersi accertati della completa solubilizzazione dei sali. 6.7 USO DI TABELLE DI RIFERIMENTO E DI FOGLIO ELETTRONICO PER IL CALCOLO DELLE SOLUZIONI NUTRITIVE I passaggi matematici necessari per il calcolo di una soluzione nutritiva possono essere notevolmente semplificati utilizzando varie tabelle di riferimento rapido appositamente sviluppate, che permettono di semplificare fortemente la procedura di calcolo. Le tabelle, con un esempio di calcolo, sono riportate nell appendice 1 del presente manuale Infine, allo scopo di agevolare il calcolo per tutti gli interessati alle colture fuori suolo, il dott. Luca Incrocci del Dipartimento di Biologia delle Piante Agrarie dell Università di Pisa, ha sviluppato un foglio elettronico per il calcolo delle soluzioni nutritive (SOL-NUTRI.xlt) capace di automatizzare i calcoli necessari per la preparazione della soluzione nutritiva e dei contenitori stock. Nell ambito del Progetto Interregionale Orticoltura sottoprogetto Colture protette, grazie alla collaborazione di alcuni tecnici dell Assessorato Agricoltura della regione Siciliana (dott. Biagio Dimauro della Unità Operativa Speciale n 83 di Comiso e dott. Lorenzo Cunsolo della Unità Operativa n 72 di Catania), detto foglio è stato revisionato e perfezionato inserendo nuove funzionalità quali ad esempio la possibilità di calcolare la soluzione nutritiva in automatico e di testare la possibilità di eventuali precipitati nelle soluzioni stock, ottenendo la versione 2.0 del foglio medesimo. Il foglio, utilizzabile solo su piattaforma Windows 98/Me/XP, è rivolto a utenti con conoscenze di base sull uso di Excel (versione 5.0 o successiva) e sulla preparazione di soluzioni nutritive. Maggiori informazioni sulle caratteristiche del foglio sono riportate in appendice (appendice 2) e il foglio è presente all interno del CD-ROM allegato a questo manuale. 67

70 68

71 7 IMPIANTISTICA DELLE COLTIVAZIONI FUORI SUOLO La coltivazione fuori suolo si caratterizza per i maggiori costi di investimento rispetto ad altre tecniche colturali dovuti alla necessità di particolari impianti, come ad esempio i bancali per la coltivazione o il fertirrigatore necessario per preaparare la soluzione nutritiva da distribuire. In commercio esistono diverse soluzioni tecniche, spesso frutto di esigenze impiantistiche differenti, per cui appare utile esaminare i componenti necessari per la coltivazione fuori suolo, qui di seguito brevemente elencati e successivamente descritti dettagliatamente: supporti per la coltivazione costituiti da canalette o bancali o vasi dove alloggiare le piante da coltivare mediante l utilizzo di un substrato o meno; impianto di erogazione della soluzione nutritiva (può essere assente nel caso della subirrigazione); impianto di fertirrigazione per la preparazione della soluzione nutritiva da erogare, utilizzando soluzioni saline concentrate (definite come soluzioni madri o soluzioni stock), comprensivo di dispositivo per la gestione dell irrigazione; canalizzazioni per la raccolta e la concentrazione in un punto dell intero drenato della serra (a volte non è presente e il drenato cade direttamente nel terreno sottostante); eventuale impianto di sterilizzazione della soluzione drenata prima del suo re-utilizzo (presente solo in sistemi fuori suolo a ciclo chiuso). 7.1 SUPPORTI PER LA COLTIVAZIONE Hanno la funzione di sorreggere la pianta e accogliere l apparato radicale. Nel caso di colture su substrato, si utilizzano vari e disparati contenitori: sacchi di plastica, cassette, vasi, canalette di polipropilene appositamente sagomate. Il materiale utilizzato può essere vario ma quasi sempre di tipo plastico per i vantaggi di robustezza e leggerezza che quest ultimo ha. Negli ultimi anni si è avuta un evoluzione dei sistemi per il supporto in modo da ridurre sempre di più le spese di manodopera necessarie per il montaggio. Sono definitivamente abbandonati i classici bancali di cemento per gli alti costi necessari per la loro realizzazione e posa in opera. 7.2 IMPIANTO DI EROGAZIONE DELLA SOLUZIONE NUTRITIVA Permette la distribuzione ad ogni singola unità coltura della soluzione nutritiva preparata a monte dal fertirrigatore. La distribuzione della soluzione nutritiva alle colture può avvenire attraverso l uso di manichette forate, linee gocciolanti e tubi con gocciolatori (fig. 7.1). Le manichette forate sono dei sottili tubi in polietilene in cui, a distanze prefissate, sono effettuati dei fori per l emissione della soluzione nutritiva. Le manichette hanno il vantaggio di essere poco costose, ma presentano lo svantaggio di avere un uniformità di distribuzione non sempre soddisfacente per le numerose perdite di carico. Per ovviare a tutto ciò, si utilizzano manichette con lunghezza inferiore a 100 m ed alimentando le linee 69

72 in testa ed in coda, in modo da limitare le perdite di carico. Il loro costo contenuto ne ha favorito l utilizzo soprattutto in pieno campo Le ali gocciolanti sono tubazioni in polietilene rigido contenenti ad intervalli regolari dei gocciolatori coestrusi. Questi possono essere o non autocompensanti. I gocciolatori autocompensanti hanno un costo superiore e si otturano facilmente, ma assicurano una distribuzione costante entro un range di pressione compreso fra 0,8 e 3 bar: la compensazione avviene grazie ad un apposita membrana che apre o chiude più o meno il foro di uscita dell acqua secondo la pressione presente nella linea. In questo modo si possono utilizzare linee gocciolanti fino a 300 metri. In serra spesso si utilizzano tubi in polietilene, cui sono collegati gocciolatori autocompensanti. Il costo elevato e la facilità di occlusione hanno favorito in questi ultimi anni la sostituzione di questi con l uso di tubi capillari (0,8-1,2 mm di diametro interno) posizionati nelle vicinanze delle piante tramite astine di plastica inserite nel substrato. Il sistema presenta minori pericoli per le occlusioni, ma offre minor garanzie di un omogenea distribuzione dell acqua lungo tutta la linea. 7.3 IMPIANTO DI FERTIRRIGAZIONE Con il termine fertirrigazione si intende la pratica della somministrazione dei fertilizzanti utilizzando l'acqua di irrigazione. Nella coltura fuori suolo, caratterizzata da buffer nutritivi e idrici molto piccoli se paragonati a quelli presenti nel terreno, la somministrazione di fertilizzanti deve essere sempre abbinata con quella di acqua. Un impianto di fertirrigazione deve immettere una soluzione concentrata di concimi idrosolubili (soluzione stock o soluzione madre) nella condotta irrigua in modo che, dopo un opportuna miscelazione, alle piante sia somministrata una soluzione nutritiva con le caratteristiche chimiche (ph, conducibilità elettrica o EC, concentrazione di nutrienti) prestabilite. I componenti tipici di un sistema di fertirrigazione sono illustrati nella figura 7.2: 1. riduttore e stabilizzatore di pressione; 2. filtro; 3. contenitori per le soluzioni-madre (stock) e per la soluzione di acido (in genere, non è presente la soluzione di base); 4. dispositivo di dosaggio delle soluzioni-stock, in linea o in vaso di espansione/miscelazione; 5. dispositivo di dosaggio della soluzione di acido; 6. filtro, per aiutare il rimescolamento e bloccare eventuali particelle solide date dai precipitati; 7. eventuali dispositivi per il controllo della EC e del ph; 8. programmatore e altri sistemi di automazione dell intervento irriguo. Alcuni di queste componenti, come la 5, 7 e 8, non sono assolutamente indispensabili (ad esempio, l acido potrebbe essere aggiunto ad uno degli altri due stock), ma la loro presenza è comunque sempre consigliata. Numerose sono le soluzioni disponibili sul mercato per il dosaggio di concimi nell'acqua irrigua: si va da semplici dispositivi dal costo di qualche centinaio di euro fino a complesse stazioni computerizzate, capaci di variare la composizione della soluzione nutritiva nei diversi settori irrigui e di automatizzare la gestione dell irrigazione, dal costo di alcune decine di migliaia di euro (tab. 7.1). 70

73 Fig Alcuni tipi di erogatori utilizzati per la distribuzione della soluzione nutritiva. Dall alto a sinistra in senso orario: manichetta forata; ala gocciolante con erogatore sezionato; tubo capillare con astina e gocciolatore autocompensante, a 4 vie. programmatore piranometro riduttore Acqua pressione pressurizzata filtrata contalitri iniettore filtro ph EC linee gocciolanti elettrovalvola stock 1 stock 2 acido Parte non indispensabile Fig Schema dei componenti di un impianto di fertirrigazione. Per i dettagli vedi il testo (da Incrocci e Riccò, 2004). 71

74 Occorre chiarire bene quali sono le esigenze che il fertirrigatore deve soddisfare, per poter scegliere la soluzione tecnica migliore (anche dal punto di vista economico) e dimensionare correttamente i dispositivi di diluizione e i contenitori degli stock. Nella fase di progettazione è fondamentale stabilire e conoscere due elementi fondamentali per una corretta scelta dell impianto (Incrocci e Riccò, 2004): 1. la portata e la pressione di esercizio nella condotta principale dell impianto e di conseguenza le portate dei dosatori delle soluzioni stock; 2. il grado di precisione nella miscelazione richiesta all impianto, in funzione del tipo di acqua a disposizione e dal tipo di sistema colturale adottato. E questo il punto critico dal punto di vista economico, in quanto tanto maggiore sarà la precisione richiesta, tanto maggiore sarà il costo dell impianto.in tab. 6 sono riportati i principali fertirrigatori utilizzati per il dosaggio delle soluzioni stock nell acqua irrigua. In generale questi possono essere suddivisi in tre categorie in base al tipo di controllo del dosaggio: a) fertirrigatori a dosaggio volumetrico. Fanno parte di questo gruppo tutti quei dispositivi in cui la soluzione madre viene aggiunta sulla base di un rapporto volumetrico fisso pre-stabilito. Fanno parte di questo gruppo il dispositivo di Venturi (di scarsa precisione e non applicabile per le colture fuori suolo), le pompe volumetriche meccaniche (tipo Dosatron ) e le pompe elettriche con comando volumetrico (regolano l immissione della soluzione nutritiva sulla base di un contalitri elettronico posto sulla conduttura principale). Il principale vantaggio di questi sistemi è la buona precisione nella miscelazione raggiunta, ma non riescono ad evitare oscillazioni nella EC o nel ph dovuti a cambi repentini della composizione dell acqua. b) fertirrigatori a dosaggio proporzionale. In questo caso di tratta di pompe dosatrici elettriche (a membrana o a pistone) capaci di regolare la portata della soluzione stock immessa nella condotta dell acqua irrigua in base al valore di EC o ph raggiunto a valle da questa. Il principale vantaggio di questi sistemi è quello di ottenere una soluzione con ph ed EC pari a quello pre-impostato e quindi si adatta ad acque con composizione chimica facilmente variabile o in impianti a ciclo chiuso. Il principale svantaggio di questi sistemi è la minore precisione nel dosaggio, problema che può essere fortemente ridotto con l uso di centraline che operano un controllo combinando sensori di EC e ph e contalitri elettronici. c) fertirrigatori computerizzati. Permettono una notevole versalità nella preparazione delle soluzioni nutritive. Infatti, sono sempre integrati con un sistema di gestione dell irrigazione e hanno la possibilità di gestire coltivazioni diverse e diverse soluzioni nutritive. Il loro costo può superare i euro, ma sono facilmente ammortizzabili nel caso di complessi serricoli superiori ad uno o due Ha. La scelta del fertirrigatore deve essere fatta sulla base di alcune considerazioni: Dimensione della superficie da fertirrigare: per piccole superfici (non superiori a 0.5 Ha) conviene utilizzare impianti semplici ma poco costosi, come ad esempio pompe volumetriche meccaniche od elettriche; Utilizzo di ciclo aperto o chiuso: nel caso di re-utilizzo del drenato è assolutamente necessario utilizzare pompe volumetriche proporzionali oppure fertirrigatori computerizzati poiché la qualità (ph ed EC) del drenato è molto variabile a seconda dell andamento climatico e dello stadio di sviluppo della pianta; 72

75 Numero di specie differenti con cui l impianto deve operare: infatti, nel caso il gruppo fertirriguo debba preparare soluzioni nutritive per colture con diverse esigenze nutrizionali, un fertirrigatore computerizzato con la disponibilità di 3 o 4 soluzione madri da mescolare in varie proporzioni, appare una scelta obbligata. Fig Visione dei principali tipi di fertirrigatori utilizzati nelle coltivazioni fuori suolo. In alto a sinistra: Dosatron (dosatore volumetrico meccanico), adatto a piccoli impianti fuori suolo e per fertirrigazione di pieno campo dove può essere difficile avere a disposizione energia elettrica. In alto a destra: pompa dosatrice a membrana (serve per impianti di piccole e medie dimensioni). In basso a sinistra: quadro di controllo per il dosaggio proporzionale dei fertilizzanti: il dispositivo legge in continuo la EC della soluzione che sta passando nella linea irrigua dopo il punto di iniezione e in base al valore letto manda un segnale elettrico di intensità proporzionale (range 4-20 ma) alla differenza fra il valore della soluzione nutritiva e il set-point impostato che rallenta o aumenta il numero di pompate nell unità di tempo. In basso a destra: fertirrigatore computerizzato: queste macchine, seppur costose, sono molto flessibili e permettono di gestire la fertirrigazione (pilotaggio dell irrigazione compreso) per superfici fino a 7 Ha. 73

76 Tab Principali tipi di fertirrigatori, con relativi vantaggi e svantaggi, possibili applicazioni e loro costo di massima. (da Incrocci e Riccò, 2004). Tipo di dispositivo Pompa dosatrice meccanica volumetrica Pompa elettrica a membrana con dosaggio volumetrico Pompa elettrica a pistone con dosaggio volumetrico Pompe elettriche (a pistone o membrana) con dosaggio proporzionale Fertirrigatore computerizzato Vantaggi Svantaggi Applicazioni Facile scelta del fattore di diluizione; buona precisione; costo contenuto (solo per portate inferiori a 8 mc); non richiede energia elettrica Buona precisione;costo contenuto, facilità di riparazione e sostituzione dei pezzi usurati Ottima precisione; elevata affidabilità; ampia scelta di portate e di rapporti di diluizione; adatto per grossi impianti (portata elevata) Buona precisione, indipendentemente dalla qualità dell acqua irrigua Ottima precisione; possibilità di gestire più colture e/o settori di coltivazione Difficile manutenzione; dosaggio esclusivamente proporzionale; inadatta a impianti con elevate portate; perdite di carico Richiede un compressore per portate elevate e nel caso di elevate pressioni in condotta (> 4 atm.) e di un contalitri ad impulsi; inadatta a impianti con elevate portate Costo elevato; necessità di quadro elettronico con contalitri ad impulsi Imprecisione elevata nel caso di settori irrigui con portata assai differente; costo elevato Costo elevato, necessità di personale capace Fertirrigazione di pieno campo e di serra; fertirrigazione di piccoli impianti di coltivazione fuori suolo; uso su carrelli fertilizzanti mobili; adatto fino a portate di 900 l/min Fertirrigazione di serra; adatta ad impianti di fertirrigazione per colture in vaso o fuori suolo con portate non superiori a 250 l/min Fertirrigazione di serra e pieno campo (solo se presente energia elettrica); adatta a grandi impianti di irrigazione, con portate comprese fra 80 e 3000 l/min Fertirrigazione in serra e su impianti a coltura fuori suolo con riutilizzo delle soluzioni drenate Fertirrigazione in aziende con differenti prodotti in coltura Costo indicativo ( )

77 7.3.1 Metodi di miscelazione Una delle carattestiche chiave dei sistemi di fertirrigazione è la uniformità di miscelazione fra le soluzione stock da iniettare e l acqua irrigua. Questa caratteristica è influenzata dai seguenti fattori: contenuto di bicarbonati nell acqua irrigua; ad esempio in presenza di elevati contenuti di bicarbonato nell acqua irrigua e sistemi di iniezione diretta, la reazione di neutralizzazione non avviene completamente a causa dell aumento di pressione causata dalla formazione della CO 2 sviluppata dalla distruzione dell acido carbonico: come conseguenza di ciò quando la pressione all interno della linea si riduce (es. al gocciolatore), la reazione di neutralizzazione si conclude, aumentando così il valore del ph al gocciolatore rispetto a quello misurato in linea. presenza o meno di controllo proporzionale; in questo caso è importante il punto di posizionamento del sensore rispetto al punto di iniezione della soluzione madre, perché eventuali sbalzi nel valore di EC e ph dovuti alle continue iniezioni di soluzione stock, possono essere percepiti dalla sonda e ripercuotersi sulla modulazione dei dispositivi di iniezione, causando oscillazioni più o meno ampie intorno al valore pre-impostato; metodo di iniezione adottato; esistono diversi metodi di iniezioni, ciascuno dei quali ha dei vantaggi e degli svantaggi. I principali metodi di iniezione della soluzione stock nell acqua irrigua sono i seguenti. Miscelazione totale - In questi sistemi di dosaggio tutta l acqua per irrigazione viene fatta scorrere in una vasca di miscelazione aperta. Una valvola idraulica comandata da galleggiante fa sì che il livello nella vasca rimanga costante anche durante il funzionamento con pompa di rilancio a portate diverse. L aggiunta delle soluzioni concentrate fertilizzanti e acide è fatta direttamente nella vasca di miscelazione sulla base dei valori continuamente misurati dalle apposite sonde di regolazione. I vantaggi di questo sistema di dosaggio sono i seguenti: Limitate oscillazioni dei valori di EC e ph in quanto i dosaggi avvengono in un opportuno volume di acqua. La soluzione rimane nella vasca di miscelazione per un tempo medio sufficientemente lungo tale da permettere alla reazione chimica acidi/bicarbonati di completarsi con conseguente vantaggio nella regolazione del ph. Affidabilità del sistema perché le soluzioni concentrate vengono si può dire versate nella vasca di pre-miscelazione (non ci sono stress meccanici da sopportare per vincere le pressioni di linea come avviene nei sistemi ad iniezione). Le variazioni di portata nell impianto di irrigazione non influiscono particolarmente nella miscela fertilizzante, questi sistemi accettano senza difficoltà differenze di portata con rapporto da 1 a 4, vale a dire che se un settore di irrigazione ha una portata di 100 l/minuto un altro settore può arrivare a 400 l/minuto. Il sistema a miscelazione totale è indicato anche per il riutilizzo della soluzione di ricircolo nei sistemi di coltivazione fuori suolo. Miscelazione parziale - In questa soluzione l acqua è spillata dalla condotta principale e diretta, tramite un by-pass, in una vasca di pre-miscelazione dove sono iniettati anche i fertilizzanti provenienti dalle rispettive vasche di stoccaggio. Questa soluzione di acqua e fertilizzante è quindi iniettata nuovamente nella condotta principale per raggiungere i settori di fertirrigazione all interno della serra. 75

78 Ingresso acqua nuova Aspirazioni fertilizzanti e acidi T-r EC-r PH-r Vaso di premiscelazione Pompa principale Flow. Uscita soluzione nutritiva Fig Schema di sistema di miscelazione totale. Fig Schema di sistema di fertirrigazione con sistema parziale. Fig Schema di sistema di fertirrigazione con iniezione diretta. 76

79 Il maggiore vantaggio di questa soluzione tecnica è che il sistema di iniezione dei fertilizzanti lavora sempre nelle stesse condizioni idrauliche con pressione di uscita nulla. La vasca di premiscelazione costituisce anche un volano per il sistema consentendo, in taluni casi, di ottenere una maggiore stabilità della soluzione iniettata. Un fattore di primaria importanza per il funzionamento di questo sistema è che il livello della vasca sia mantenuto assolutamente costante, in caso contrario ogni oscillazione in tale livello si riflette immediatamente in una oscillazione nella soluzione destinata alle piante. Questa soluzione, proprio a causa del volano costituito dalla vasca di premiscelazione, si rivela poco adatta quando si hanno settori di irrigazione piccoli con diverse necessità di fertirrigazione in quanto la fase iniziale di ogni irrigazione è caratterizzata dalla soluzione residua già presente nella vasca per via dell irrigazione precedente. Iniezione diretta- In questo caso il fertilizzante è immesso direttamente nella condotta principale. La caratteristica maggiore di tale soluzione è la flessibilità; la mancanza di un serbatoio, infatti, consente di variare con facilità settore e formula. E evidente che ogni variazione di pressione rilevata in condotta si riflette immediatamente sul sistema di iniezione del fertilizzante, tale soluzione richiede quindi un sistema di iniezione quanto più insensibile alle variazioni di pressione. Iniezione diretta su bypass- Questa alternativa rappresenta una variante dell iniezione diretta in quanto i fertilizzanti sono iniettati direttamente sul bypass. La presenza del bypass consente di inserire dei dispositivi, quali ad esempio dei regolatori di pressione, che consentono di stabilizzare le condizioni di pressione in cui lavorano gli iniettori. L impianto in questione risulta molto flessibile in quanto il volano costituito dal bypass è molto piccolo, e al tempo stesso molto preciso pur non utilizzando iniettori con caratteristiche particolari Caratteristiche dei contenitori stock L impianto di fertirrigazione si compone anche dei contenitori per lo stoccaggio di soluzioni madre o stock. La scelta dei contenitori per le soluzioni stock deve essere fatto considerando che la loro capienza deve consentire il regolare funzionamento dell impianto per almeno 7-10 gg e che devono essere resistenti agli acidi e ai sali, requisito questo che deve essere posseduto anche dalle parti del fertirrigatore a contatto con le soluzioni. Di solito si utilizzano contenitori di polipropilene della dimensione di 100, 500, 1000 o 5000 litri, dotati di rubinetti per favorire l eventuale svuotamento e pulizia degli stessi e con tappi di chiusura per evitare eventuali esalazioni di sostanze acide. In particolare, per problemi di sicurezza degli operatori, è preferibile (se le dimensioni aziendali lo permettono) utilizzare vasche per l acido non inferiori ad 1.5 m 3, in modo da potersi avvalere di ditte specializzate per il rifornimento di questo, che potrà avvenire tramite autobotti con consegne di volumi minimi pari ad 1 m 3. E consigliabile dotare i contenitori di un sistema di agitazione, collegato al funzionamento delle pompe dosatrici, che servirà sia per mantenere omogenea la soluzione stock, sia per agevolare lo scioglimento dei sali durante la preparazione delle stesse. 77

80 7.5 IMPIANTO DI DISINFEZIONE DELLA SOLUZIONE NUTRITIVA DRENATA Uno dei problemi che maggiormente scoraggiano l adozione del sistema a ciclo chiuso è la sua vulnerabilità all attacco di malattie radicali, a causa della rapida diffusione sull intera coltura d organismi nocivi per l apparato radicale in conseguenza del ricircolo della soluzione proveniente da eventuali piante infette. E quindi sicuramente necessario adottare un sistema di disinfezione della soluzione nutritiva e oggi esistono diverse soluzioni commerciali che offrono livelli di protezione maggiore o minore a seconda del loro costo. Nella classificazione riportata da van Os et al. (2003) i sistemi di disinfezione della soluzione nutritiva possono essere divisi in sistemi fisici, chimici e fisici-biologici: in tab. 7.2 è riportata una sintesi dei metodi commercialmente più diffusi. Ad oggi, solo la pastorizzazione assicura un eliminazione totale di tutti i patogeni: essa è realizzata con appositi scambiatori di calore, molto simili a quelli utilizzati nell industria del latte. Tuttavia l elevato costo d installazione e di funzionamento (0.6-1 m 3 di gas metano per ogni m 3 di soluzione sterilizzata) ne permettono l utilizzo solo in aziende con dimensioni superiori ad ha. Risultati abbastanza simili, ma con costi nettamente inferiori, si possono raggiungere con l utilizzo di lampade UV: una buona pre-filtrazione delle soluzioni da sterilizzare permette di evitare risultati insoddisfacenti dovuti alla presenza di particelle che potrebbero schermare dai raggi UV i parassiti presenti nelle soluzioni. I mezzi di disinfezione chimica si basano sull aggiunta alla soluzione nutritive di potenti ossidanti quali l ozono, il perossido d idrogeno o il cloro: il loro uso, anche se efficace, risulta sempre difficoltoso sia per la ricerca della dose ottimale contro il parassita ma non fitotossica per la pianta, sia per la pericolosità per gli operatori. Negli ultimi anni, nuove ricerche sulla microflora presente nei sistemi di coltivazione fuori suolo, hanno messo in luce che esiste una microflora con azione soppressiva nei confronti di alcuni patogeni radicali come ad esempio il Phythium o la Phytophthora. Quindi una completa sterilizzazione della soluzione nutritiva comporta la perdita della sua soppressività e crea un pericoloso vuoto biologico che può predisporre ad violenti attacchi da parte di patogeni. La filtrazione lenta a sabbia si basa proprio sull instaurarsi di una popolazione microbiologica capace di disattivare biologicamente la patogenicità dei propaguli di parassiti. La buona (ma non totale!) efficacia del metodo nei confronti dei principali parassiti, abbinata ad una scrupolosa osservanza delle principali norme di profilassi (pronta eliminazione di piante malate, utilizzo di acque irrigue non infette, mantenimento delle condizioni radicali ottimali), e semmai con l uso di piante innestate o di cultivar resistenti, può essere un sistema a basso costo, ma con sufficiente grado di protezione, da utilizzarsi per la disinfezione delle soluzioni nutritive ricircolanti nella realtà del bacino del Mediterraneo, caratterizzato da impianti di coltivazione fuori suolo di limitate dimensioni. La filtrazione lenta risulta efficace se si rispettano i seguenti vincoli progettuali: velocita di filtrazione compresa fra i 100 e i 300 L m -2 di filtro h -1 ; L altezza minima di filtrazione non deve essere inferiore a 1 m; la granulometria delle particelle deve essere compresa fra 0 e 2 mm: si può utilizzare sabbia; sopra la superficie del filtro deve permanere sempre una lama di acqua di almeno 30 cm. La necessità di mantenere una bassa velocità di filtrazione costringe a predisporre un serbatoio di accumulo del drenato (in attesa della filtrazione) e uno di raccolta del drenato filtrato. 78

81 Tab Principali mezzi di disinfezione per le soluzioni nutritive utilizzati commercialmente e loro costo. I costi sono basati soprattutto su dati Olandesi (da van Os et al., 2003; Runia, 1996). Metodo di disinfezione Dose Vantaggi Svantaggi Costo ( m -3 ) Pastorizzazione (metodo fisico) 95 C per 30 s 85 C per 3 min Completa distruzione di tutti i patogeni Alto costo di investimento e di gestione (adatto solo ad aziende > 1 Ha); Radiazioni UV (metodo fisico) mj/cm 2 UV-C Buon controllo dei patogeni;costo di investimento medio Talvolta si ha una sterilizzazione non completa; Occorre pre-filtrare; Distruzione dei chelanti (ferro e microelementi) Ultrafiltrazione (metodo fisico) Dimensione pori: 0.05 μm per Fusarium; 0.1 μm per Verticillum Completa eliminazione di tutti i patogeni Molto costoso; Ridotta durata delle membrane filtranti, Trattamento con Ozono (metodo chimico) 10 g m -3 h -1 Completa distruzione di tutti i patogeni Sistema costoso; necessità di pre-filtrazione e acidificazione; distruzione dei chelati Clorinazione (metodo chimico) 2 ppm di Cl per 1 for P. Cinnamomi Basso costo di investimento; Pulizia di gocciolatori. Difficoltà nello stabilire la dose-effetto ottimale. L efficienza è influenzata dal ph e dalla presenza di sostanze organica Flussi: L m 2 ora -1 Dimensione della sabbia: 0-2 mm Basso costo di investimento; Adatto per aziende a bassa tecnologia e con piccolo superfici. Elimina completamente I fungi zoosporici (Pythium, Phitophtora), ma solo parzialmente il Fusarium, i virus e i nematodi. Filtrazione lenta su sabbia (metodo fisicobiologico)

82 Fig Principali metodi per la disinfezione della soluzione nutritiva. In alto a sinistra: pastorizzatore a gas metano. Anche se costoso questo è l unico metodo che assicura la totale sterilità della soluzione nutritiva drenata (92 C per 30 secondi). In alto a destra: sistema a lampade UV-C, sistema abbastanza affidabile ed economico, anche se richiede una buona filtrazione del campione e possibilmente una sua acidificazione a ph 4.5. In basso a sinistra: filtrazione lenta su sabbia. Questo metodo non effettua una filtrazione totale per tutti i patogeni, ma rappresenta un buon compromesso fra costo e sicurezza fitopatologica: per questo motivo appare consigliabile nell area del bacino del Mediterraneo, dove la serricoltura è a media-bassa tecnologia. 80

83 8 GESTIONE DELLA COLTIVAZIONE FUORI SUOLO Fondamentalmente la gestione di una coltura fuori suolo può essere suddivisa in tre sezioni: controllo delle condizioni climatiche, pilotaggio dell irrigazione e rifornimento minerale. Qui di seguito si esamineranno dettagliatamente le tre operazioni. 8.1 GESTIONE DEL CLIMA IN SERRA E IMPIANTISTICA NECESSARIA In questo paragrafo saranno descritti alcuni concetti fondamentali che indurranno a riflessioni utili, sia per effettuare scelte impiantistiche razionali, sia per capire la causa di alcuni effetti derivanti da una cattiva gestione climatica. Per poter ottenere i maggiori vantaggi produttivi e di conseguenza i maggiori vantaggi economici derivanti dall applicazione della coltura fuori suolo rispetto alla coltura in terreno, occorre che la pianta sia in condizioni non limitanti per il fattore climatico o per altri fattori condizionanti la produzione. Fig Coltivazione fuori suolo di fragola su sistema multi-livello in una serra-tunnel molto bassa, senza sistema di ventilazione, né sistema di riscaldamento di soccorso. Le serre come questa, senza una minima possibilità di controllo della temperatura, non sono adatte ad ospitare la coltura fuori suolo. 81

84 Temperatura ( C) 40 Aria O entrata O uscita Sol O (mg/ L) Ora del giorno Fig Andamento tipico diurno della temperatura radicale (misura della soluzione ricircolante) e dell aria in una coltivazione fuori suolo (NFT) di melone durante un giorno estivo in una serra in ferro e vetro (Pisa, dati del 06/08/1998 con coltura al 60 giorno dopo il trapianto). Nel grafico si riporta anche la concentrazione dell ossigeno disciolto presente nella soluzione nutritiva all inizio della canaletta e alla fine di questa (lunghezza 5 metri): si noti che nelle ore più calde della giornata alla fine delle canalette si sono registrati valori di ossigeno disciolto nella soluzione nutritiva sotto il limite di 3.5 mg/l, soglia sotto la quale si possono evidenziare sintomi di ipossia radicale. Spesso è fatto l errore di porre un impianti di coltivazione fuori suolo in serre non adeguate, sprovviste di ogni tipo di controllo climatico. In queste serre la coltura idroponica fornisce risultati produttivi scarsi, a volte anche inferiori rispetto a quelli ottenibili con la coltura in suolo tradizionale (fig. 8.1). Infatti, la coltura fuori suolo risente, più di quelle effettuate in terreno, delle condizioni climatiche interne alla serra stessa in quanto l apparato radicale si trova, nella maggioranza dei casi, fuori dal terreno, subendo le forti oscillazioni di temperatura che di solito si registrano in serra nell arco di una giornata. Ad esempio, sono spesso frequenti danni e ritardi nella crescita dovuti alle alte temperature radicali che le piante incontrano al momento del trapianto nei cicli estiviautunnali, dove si verifica un forte riscaldamento della zona radicale (anche superiore a 40 C) a causa dell esposizione diretta alla radiazione solare non schermata in maniera adeguata dalla ridotta parte aerea delle giovani piante. In figura 8.2, ad esempio, si riporta l andamento diurno delle temperature della soluzione nutritiva registrate nella zona radicale di una coltura fuori suolo (NFT) di melone, in pieno sviluppo vegetativo. La serra ha lo scopo principale di mantenere un microclima migliore per la crescita delle piante rispetto a quello esterno. Grazie all effetto serra garantito dalla copertura, la temperatura all interno della serra risulta più alta di quella esterna: naturalmente la differenza è funzione di molti parametri, tra cui il principale è la caratteristica di trasmissibilità del materiale di copertura della radiazione visibile e infrarosso vicino (range nm) e la contemporanea totale impermeabilità nell infrarosso lontano (nm>2500). 82

85 Tab Impianti di condizionamento di possibile installazione in serra e parametri climatici controllati. Impianti di condizionamento Finestre di ventilazione (sul tetto e/o laterali) Riscaldamenti convettivi ad aria calda Riscaldamenti a tubi radianti Pad cooling (pannelli evaporativi) Nebulizzazione ( alta o bassa pressione ) Destratificatori Parametri condizionati Temperatura e umidità. Temperatura e umidità Temperatura e umidità Temperatura e umidità Temperatura e umidità Temperatura e umidità Schermi ombreggianti, coibentanti, diffusori, oscuranti. Radiazione, temperatura e umidità. Illuminazione per fotoassimilazione Illuminazione per fotoperiodo Radiazione, temperatura e umidità Lunghezza del fotoperiodo Concimazione carbonica Concentrazione della CO 2 In funzione del clima esterno, la sola struttura di protezione non è spesso sufficiente a garantire le migliori condizioni per la crescita della pianta. E per questo motivo che è necessario, oltre alla serra intesa come semplice struttura di protezione per la pianta, installare sistemi e apparecchiature in grado di controllare indipendentemente dal clima esterno il microclima all interno della serra. Chiaramente, più impianti di condizionamento saranno installati nella serra e minore sarà la dipendenza del microclima interno dalle condizioni esterne, ma al tempo stesso maggiori saranno i costi fissi della struttura, che potranno essere giustificati a livello economico solo da coltivazioni di prodotti in grado di fornire un elevata produzione lorda vendibile. Infatti, è per questo motivo che tanto più il prodotto ha una PLV unitaria alta, tanto maggiore è il controllo climatico che di solito si trova nella serra (naturalmente a parità di condizioni climatiche esterne). Ogni impianto di condizionamento influenza in modo specifico il microclima in serra, influenzando, a volte, anche più parametri climatici. Ad esempio, le finestre di ventilazione hanno lo scopo di raffreddare l ambiente della serra, quando l apporto di energia derivante dalla radiazione solare porta ad un aumento della temperatura, ma rappresentano anche uno strumento molto efficace per la regolazione dell umidità nella serra. In molti casi, nella strategia di gestione delle finestre di ventilazione, è prioritaria la regolazione dell umidità rispetto alla temperatura. Nella tabella 8.1 si riporta un elenco dei possibili impianti per il condizionamento del clima in serra e dei rispettivi parametri fisici condizionati. Qui di seguito analizzeremo in dettaglio solo alcuni di questi come le finestre di ventilazione ed il riscaldamento in quanto il loro costo iniziale ripaga ampiamente l aumento di produttività della struttura e perché, a nostro avviso, sono ritenuti impianti necessari in quasi tutte le serre utilizzate con coltivazioni fuori suolo, se si vuole sfruttare al massimo le potenzialità produttive di questa particolare tecnica di coltivazione Finestre di ventilazione Lo scopo delle finestre di ventilazione è di consentire uno scambio d aria e vapore acqueo tra l esterno e l interno della serra. Il flusso della ventilazione sarà proporzionale 83

86 all area della finestratura e alla differenza di temperatura fra interno ed esterno della serra. In una serra, la disposizione delle finestre di ventilazione condiziona fortemente l uniformità del clima al suo interno. Le serre con aperture sia sul colmo e sia sui laterali sono da preferire in quanto favoriscono lo smaltimento dell aria calda per l effetto camino (fig. 8.3). Tuttavia, durante i periodi caldi e secchi (con bassa umidità ambientale) a volte può essere conveniente limitare la ventilazione in serra per evitare alle colture stress dovuti da eccessiva evapotraspirazione: in questo caso, e a maggior ragione se nella serra è funzionante anche un impianto di nebulizzazione fog (ad alta o bassa pressione), la parziale chiusura delle finestrature permette il mantenimento di un livello più alto di umidità all interno della serra. Le finestre di ventilazione nei periodi freddi, umidi e piovosi, possono essere utilizzate per la deumidificazione della serra. Anche quando è freddo e non è richiesta l apertura per il raffrescamento, una parziale apertura delle finestre di ventilazione è comunque utile per far entrare in serra aria con bassa umidità assoluta, che una volta riscaldata, contribuirà ad abbassare il livello totale di umidità nella serra. Per fare un esempio concreto, se facciamo entrare in serra aria esterna con umidità assoluta di 5.3 g/kg ad una temperatura di 6 C (umidità relativa del 90%), una volta riscaldata per effetto del sole o del riscaldamento a 16 C, questa avrà ancora un umidità assoluta di 5.3 g/kg, ma avrà un umidità relativa del 43% (vedi fig. 8.4). Tuttavia questa strategia è efficace quando la differenza di temperatura tra interno ed esterno della serra è superiore ai 5 C e naturalmente l effetto finale è condizionato anche dal livello di umidità relativa presente nei due comparti (interno ed esterno). Nel caso di eccessiva velocità del vento le finestre rappresentano un pericolo strutturale. Per questo, in caso di vento sostenuto o di temporale, devono essere chiuse, o mantenute con uno spiraglio per consentire l equilibrio tra la pressione interna ed esterna alla serra stessa; in alternativa si possono aprire le finestrature che si trovano sottovento (se sono presenti). Inoltre, al fine di evitare dannosi sbalzi termici, l apertura e la chiusura delle stesse deve essere effettuata lentamente e a piccoli intervalli: ciò consente di avere un buon rimescolamento dell aria presente in serra con quella che sta entrando in modo tale da non creare zone, all interno della serra, con differenze di temperatura eccessive Riscaldamento Negli ultimi anni, soprattutto a causa della crisi petrolifera e dell aumento del costo delle fonti energetiche, si è diffusa l idea, avvalorata da presupposti fisiologici, che nella scelta della temperatura da mantenere e del sistema di riscaldamento da adottare si deve ben tenere a mente che il nostro scopo non è riscaldare l ambiente, bensì riscaldare la coltivazione, intesa come foglie, fusti, frutti e apparato radicale. Saranno analizzati di seguito le varie tipologie di riscaldamento e in che modo queste influenzano il microclima vicino alla pianta. Riscaldamento ad aria calda Il riscaldamento ad aria calda è costituito da generatori che fanno circolare l aria all esterno di una camera di combustione, ricevendone così il calore; l aria da questi generatori fuoriesce a temperature piuttosto alte per poi diffondersi nell ambiente per riscaldare le coltivazioni. 84

87 Fig. 8.3 Disposizione delle finestre di ventilazione nelle varie tipologie di serra. (Fonte: ditta Spagnol Automazioni, per gentile concessione). 85

88 Fig. 8.4 Esempio di funzionamento delle finestre di ventilazione come sistema di deumidificazione per ventilazione. (Fonte: ditta Spagnol Automazioni, per gentile concessione). Il passaggio di calore avviene quasi esclusivamente per convezione (movimento dell aria calda). In questo tipo di riscaldamento molto calore è perso per riscaldare la struttura della serra, anche perchè l aria calda si porta tendenzialmente verso l alto a discapito della coltivazione che invece si trova più in basso. Questo sistema di riscaldamento non si adatta bene a coltivazioni ad allevamento verticale come pomodoro, cetriolo, peperone, ecc. in quanto la presenza delle pareti vegetative si oppongono alla omogenea ripartizione del calore nella serra, favorendo la creazione di gradienti termici e di umidità fra la parte alta e quella bassa della coltura, difficilmente eliminabile anche con l uso di destratificatori. Un esempio chiarirà meglio il concetto (fig. 8.5). In una coltivazione di pomodoro, riscaldata con generatori di aria calda possiamo rilevare, all apice una temperatura di 16 C con un umidità relativa del 70%, mentre alla base della coltivazione possiamo trovare una differenza anche fino a 3-4 C con un livello di umidità relativa conseguentemente più alto (ad esempio a 13 C si avrebbe un umidità relativa del 90%). Nel caso che durante la notte si adotti in serra una temperatura inferiore (8-10 C), può anche accadere (a seconda del valore di umidità presente in serra) di trovare condensa sui frutti: infatti, questi per la loro forma e massa presentano una inerzia termica maggiore rispetto agli altri organi e nel nostro esempio, se la loro temperatura non è superiore a 10.5 C, si avranno fenomeni di condensa con conseguente predisposizione all attacco di patogeni fungini. Il riscaldamento ad aria calda, nonostante la sua economicità, per gli inconvenienti sopra ricordati quindi non è consigliato come impianto di riscaldamento fisso. Tuttavia per il basso costo di impianto può essere preso in considerazione come riscaldamento di soccorso: si ricorda che un riscaldamento di soccorso dovrebbe essere sempre presente in qualsiasi serra onde evitare che eventi meteorici eccezionali possano arrecare gravi danni alle coltivazioni. 86

89 Riscaldamento a tubi radianti Il riscaldamento a tubi radianti è essenzialmente costituito da tubazioni in acciaio o in materiale plastico, installati generalmente nelle vicinanze della pianta. All interno della tubazione scorre acqua calda proveniente da una centrale termica. In questo sistema di riscaldamento la maggior parte del calore è trasmesso per convezione, ma una parte consistente è emessa anche per irraggiamento, assicurando così un diretto trasferimento del calore alla pianta. In questo tipo di riscaldamento normalmente la temperatura dell aria risulta di qualche grado inferiore rispetto alla temperatura della vegetazione, e quindi anche l umidità dello strato di aria a ridosso della vegetazione risulta inferiore rispetto a quella dell aria (minor probabilità di attacchi fungini). Al solito, un esempio chiarirà meglio il concetto. Ipotizziamo di riscaldare una coltura di pomodoro con il sistema dei tubi radianti (fig. 8.5): scaldando per ottenere una temperatura dell aria di 14 C, grazie alla componente di irraggiamento, otterremo una temperatura della foglia di C. Se ipotizziamo un umidità relativa dell aria del 90%, l umidità relativa dell aria intorno alla foglia sarà del 73%. I tubi radianti possono essere installati vicino alle parti aeree della coltivazione anche in senso verticale, permettendo così una distribuzione omogenea del calore anche in coltivazioni con elevato sviluppo verticale. Il calore diffuso per convezione all interno della vegetazione della pianta favorirà un flusso ascensionale di aria calda verso l alto molto utile per l asportazione dell umidità in eccesso intorno alla vegetazione. In questi impianti la temperatura ambiente è regolata modificando la temperatura dell acqua circolante nei tubi in funzione della richiesta di calore necessaria per ottenere la temperatura desiderata. La disposizione dei tubi radianti varia a seconda del tipo di coltivazione effettuato. Ad esempio, per la coltivazione di giovani piante si può posizionare un circuito di riscaldamento sotto i bancali di coltivazione e un secondo circuito sopra la coltivazione in alto, appena sotto lo schermo termico: i due circuiti possono essere comandati in modo indipendente dosando così il calore necessario per riscaldamento del substrato di coltivazione e quello necessario per il riscaldamento della foglia. Anche nella coltivazione del pomodoro, il riscaldamento può essere effettuato da due circuiti indipendenti: il primo, denominato anche tubo binario proprio dalla forma tipica di un binario è posizionato nell interfila e serve per il riscaldamento del substrato e delle parti basse della pianta come frutti e foglie; l altro circuito invece è utilizzato per il riscaldamento della parte verticale della pianta ed è chiamato tubo di crescita e consiste di 4-6 tubazioni poste fra la vegetazione in maniera verticale a circa 40 cm l una dall altra. Il tubo di crescita è molto vicino alla coltivazione ed, per evitare scottature a questa, è utilizzato con una temperatura massima inferiore a quella del tubo binario che invece può raggiungere temperature all occorrenza elevate. Il riscaldamento a tubo binario, in genere viene sfruttato per la meccanizzazione delle operazioni in serra (raccolta, potatura verde), utilizzando appositi carrelli semoventi con alimentazione a batteria (fig. 2.2) Sistemi di gestione climatica Il clima all interno di una serra è influenzato dall azione di molti fattori come la temperatura e l umidità esterna, la radiazione solare, la velocità del vento, la direzione del vento, il regime irriguo, lo sviluppo fogliare della coltivazione, ecc. Alcuni fattori possono mutare notevolmente e con rapidità durante il giorno. 87

90 Fig. 8.5 Differenze di misurazioni riscontrate tra riscaldamento ad aria calda e riscaldamento a tubi radianti. (Fonte: ditta Spagnol Automazioni, per gentile concessione). Fig. 8.6 Confronto della distribuzione delle temperature ambientali orizzontali tra riscaldamento a tubi radianti e riscaldamento ad aria calda. (Fonte: ditta Spagnol Automazioni, per gentile concessione). 88

91 Fig Flusso delle informazioni in un sistema computerizzato di gestione climatica. Anche le esigenze climatiche della coltivazione possono richiedere regimi termici differenti, sia durante il giorno che la notte. Per questo una gestione accurata e quindi redditizia del clima in serra deve essere gestita con l ausilio di sistemi computerizzati dotati di software di gestione specifici, così che al variare dei fattori, il sistema di climatizzazione possa attivare tempestivamente gli impianti di condizionamento presenti, al fine di mantenere il microclima richiesto. Questi software di gestione offrono la possibilità di impostare strategie di temperatura e umidità in serra e la modalità di come agire sugli impianti di condizionamento presenti, per ottenere il miglior risultato possibile. In un buon software, i regimi termici di conduzione della coltivazione si devono poter programmare in modo differente per periodi, sia durante il giorno che la notte. I parametri impostati potranno essere automaticamente variati in funzione dell attività della coltivazione. Per esempio, in un vivaio di giovani piante, la temperatura ambientale diurna potrà essere correlata alla radiazione solare; anche la temperatura notturna potrà essere correlata alla radiazione accumulata durante il giorno, così facendo, sarà possibile ottenere una piantina robusta con un notevole risparmio energetico. Un sistema di gestione computerizzata è composto essenzialmente da sensori per le misurazioni climatiche meteo e ambientali, un processore con software di gestione e dispositivi di comando per la conduzione degli impianti installati (fig. 8.7) Sensori. Per una buona gestione climatica è necessaria la misura della temperatura e dell umidità ambientale vicino alla pianta. La misura di temperatura ambientale è 89

92 effettuata con l ausilio di sensori (termoresistenze) che garantiscono una buona precisione. La misura dell umidità relativa può essere fatta utilizzando dei sensori capacitivi, oppure un sistema psicrometrico (comparazione fra la misura della temperatura dell aria e la stessa rilevata in condizione di completa saturazione). I primi hanno la peculiarità di essere molto veloci nella risposta, ma di contro perdono di precisione, quando ci si avvicina alla saturazione (96-100% RH). I sensori psicrometrici, anche se più economici, hanno una sufficiente precisione anche vicino alla saturazione, ma di contro hanno un tempo di risposta abbastanza lungo e necessitano di una continua manutenzione per il rabbocco con acqua distillata. Una buona stazione di misurazione deve essere schermata dai raggi solari i quali non devono assolutamente interferire con la misurazione della temperatura dell aria (fig. 8.8). Fig A sinistra: sensore di temperatura e umidità ambientale. A destra: Stazione metereologica con sonde di radiazione solare, temperatura, velocità e direzione vento. Per le misurazioni climatiche esterne alla serra normalmente si utilizza una stazione metereologica con sensori di velocità del vento e della sua direzione, sensore di temperatura, di radiazione solare e di presenza pioggia (Fig. 8.8). Processori e software. Oggi il mercato offre molte soluzioni hardware, più o meno complesse, centralizzate o non. Un buon sistema deve consentire una notevole flessibilità in quanto deve comandare gli impianti specifici installati nella serra e deve consentire un possibile ampliamento, sia come impianti di condizionamento che come ambienti climatici. Non bisogna perdere di vista l obiettivo primario che consiste nel creare il microclima adeguato per ogni coltivazione, in ogni momento del giorno e in ogni periodo dell anno. Il software di processo, integrando diversi parametri ambientali, deve calcolare l attività della pianta e attivare gli impianti, al fine di ottenere il microclima più vicino alle esigenze della coltivazione. Schermate di grafici e archivi sintetici, possono aiutare il coltivatore nel valutare e perfezionare il valore dei dati programmati. I dati si devono poter osservare e stampare anche in tabelle numeriche pre-formattate, in cui saranno raccolti i parametri più significativi sulla conduzione della coltivazione. 90

93 8.2 GESTIONE DELL IRRIGAZIONE La gestione di una coltura fuori suolo si concretizza nel corretto pilotaggio dell irrigazione, nel rifornimento nutritivo e nel mantenimento dei valori di EC ed di ph del substrato e del drenato entro i limiti impostati. Naturalmente nella gestione del ciclo aperto (e cioè quando la soluzione drenata non viene re-utilizzata sulla stessa coltura) è assai importante gestire al meglio il pilotaggio dell irrigazione in quanto un eccesso di drenato si traduce automaticamente in un costo maggiore per l agricoltore e in un maggior pericolo per l ambiente, mentre è abbastanza semplice il controllo del rifornimento minerale. All opposto, nella gestione a ciclo chiuso, il fine pilotaggio dell irrigazione assume un importanza minore, mentre fondamentale è il controllo e la modalità di reintegro dei nutrienti nella soluzione nutritiva ricircolante. L errata gestione idrica è uno degli errori più comuni che si riscontra nelle coltivazioni commerciali. Ciò è da attribuire nella ridotta riserva idrica a disposizione della pianta nella coltivazione fuori suolo rispetto a quella tradizionale in suolo. Infatti, mentre nel terreno ogni pianta può esplorare da 130 a 160 litri (densità di 3 piante.m -2 e una profondità radicale di 0,4 metri), nel fuori suolo questo si riduce da 4 a 7 litri di substrato. Appare evidente che il maggior volume nel suolo (fino a 5 volte superiore rispetto al substrato) assicura una riserva idrica che permette di bilanciare eventuali errori; nella coltura fuori suolo, variazioni climatiche repentine (maggiore insolazione, forte ventosità) possono causare stress idrici anche nell arco di poche ore. Fondamentalmente la gestione dell irrigazione si basa sulla conoscenza di due parametri: il volume irriguo (VI): è la quantità di soluzione nutritiva che viene erogata in occasione di ogni intervento di irrigazione. Questo di solito è una quantità fissa definita dalle caratteristiche tipiche del substrato, della specie coltivata, dal tipo di impianto irriguo e dalla qualità dell acqua irrigua, secondo la seguente formula: VI (mm)= (AFD * V*F)*(1+LF)/Ki dove: AFD= acqua facilmente disponibile (espressa come rapporto fra il volume di acqua disponibile e il volume del substrato) V= volume di substrato per m 2 di coltivazione( L/m 2 ); F= frazione della AFD che deve essere reintegrata per ogni intervento irriguo (pari a a seconda della capacità idrica del substrato); LF= frazione di lisciviaggio, necessaria per evitare l accumulo di sali nel substrato stesso variabile da 0.10 a 0.90 a seconda del contenuto in ioni non essenziali dell acqua irrigua e della la resistenza alla salinità delle specie coltivata; Ki= coefficiente di uniformità irrigua, derivante dal tipo di impianto irriguo utilizzato (0.9 per impianti a goccia, 0.95 per impianti a goccia aucompensati, 0.8 per impianti per aspersione). La frequenza e cioè il tempo intercorrente fra un intervento irriguo e il successivo. Una volta ristabilita la capacità idrica massima, il tempo necessario per il successivo intervento irriguo può essere definito dalla seguente formula, dove ETE è l evapotraspirazione effettiva della coltura, espressa come mm/day Frequenza (n interventi/day)= ETE/ (AFD * V*F) 91

94 Il principale problema sta nella stima della ETE, la quale, a sua volta, dipende dalla specie, dall età della pianta (in particolare dal Leaf Area Index, LAI) e dalle condizioni climatiche. L ETE può essere stimata direttamente o indirettamente. La stima diretta consiste nella sua misura istantanea. In pratica, si misura la perdita d acqua di un campione di piante poste sopra una bilancia (metodo gravimetrico) oppure attraverso la misura del potenziale idrico del substrato effettuata con un tensiometro o con un altro dispositivo in grado di rilevare il contenuto idrico del substrato (es. sensori TDR, Time Domain Reflectometry). Il problema spesso riscontrato nell uso dei metodi diretti è costituito dalla rappresentatività del campione di piante prescelte come riferimento. E sempre bene scegliere piante dalle quali ci si aspetta un consumo idrico leggermente superiore alla media, ad esempio piante più grandi e/o dislocate sui bordi dei bancali o nei punti più soleggiati della serra o del vivaio. La stima indiretta invece si basa su modelli capaci di descrivere l ETE di un determinata specie in funzione dei fattori climatici come la temperatura, l umidità relativa dell aria e la radiazione. In bibliografia sono riportati diversi modelli per la stima della traspirazione di colture in serra basati essenzialmente sul modello di Penman-Monteith (Monteith, 1973), il quale esprime la traspirazione in funzione della radiazione globale (RG), del deficit di pressione di vapor acqueo (VPD) e di alcuni parametri fisiologici come la resistenza stomatica, aerodinamica ed il LAI (indice di area fogliare). Baille et al. (1994) hanno proposto un modello per la stima della traspirazione, su base oraria, di colture ornamentali che, di fatto, consiste in una semplificazione del modello Penman-Monteith, suddivide la traspirazione in due componenti, una funzione della radiazione assorbita dalla coltura e l altra proporzionale al VPD: LAI E = A ( 1 exp k ) RG+ B ( VPD LAI) dove E è la traspirazione (mm), k è il coefficiente di estinzione della radiazione (adimensionale di solito compreso fra 0.6 e 0.75), LAI è l indice di superficie fogliare (m 2 m -2 ), RG è la radiazione globale (in mm, ottenuta dividendo la RG, espressa in MJ/m 2, per il calore latente di vaporizzazione, pari a 2.45 MJ/kg)), VPD è il deficit di saturazione (KPa) e A e B sono due parametri (A adimensionale; B = mmkpa -1 ) determinati attraverso una regressione statistica tra una serie di dati misurati di traspirazione (Y) e i valori di RG, VPD e LAI (Z). Un efficace pilotaggio dell irrigazione è importante nella coltura fuori suolo a ciclo aperto, dove un eccesso di irrigazione si traduce in una quantità di drenato superiore a quella prevista con conseguente spreco di nutrienti e di acqua. Nel ciclo chiuso, di solito si adottano cicli irrigui a cadenza temporale (gestiti da un timer) prestabilita in maniera tale che la frazione di drenaggio sia elevata (superiore al 60-70%). In commercio sono molto diffuse le centraline a timer, capaci di effettuare interventi irrigui sulla base di un programma prefissato di frequenze e di volumi irrigui, per i vari settori colturali in cui è suddivisa la serra. In questo caso, è comunque necessario un continuo monitoraggio della quantità di drenato in modo da poter modificare il turno irriguo, in funzione dell andamento climatico in serra. In genere questo tipo di controllo è assai economico, ma non è efficiente dal punto di vista del risparmio idrico. Altro sistema più costoso, ma assai più preciso dal punto di vista dell efficienza idrica è il controllo su base dell integrale di radiazione globale. In questo caso una centralina dotata di un sensore di radiazione globale provvede ad effettuare il ciclo irriguo con i volumi irrigui prestabiliti dall utente al superamento di una data soglia 92

95 pre-impostata RG accumulata. Detta soglia può essere facilmente calcolata con l ausilio delle formule sopra riportate e con l ausilio dei coefficienti riportati nella tab Tab Principali rapporti fra ETE di colture fuori suolo e radiazione globale, misurata all interno della serra (espressa come mm, dividendo il valore per il calore latente di vaporizzazione, pari a 2.45 MJ/kg). I dati forniscono risultati abbastanza soddisfacenti per un semplice calcolo della frequenza di irrigazione Colture Sistema di coltivazione Periodo di coltivazione LAI ETE/RG Pomodoro Substrato-NFT Primavera e autunno Melone NFT Primavera e autunno Fragola Substrato Primavera Gerbera Substrato Annuale Rosa Substrato Annuale Fig A sinistra: sensore per la misura della radiazione globale, grandezza fortemente correlata con l ETE di una coltura. A destra: tensiometro posto in suolo in una serra di Almeria (Spagna). In questo caso, la coltivazione si può assimilare ad una specie di coltivazione fuori suolo, in quanto il terreno originario, sterile e pietroso, viene sostituito per i primi cm con terreno sabbioso arricchito con strati di sostanza organica (definito arenado ). 8.3 RIFORNIMENTO DEI NUTRIENTI NELLA COLTURA FUORI SUOLO. Nella coltura fuori suolo il rifornimento minerale è sempre abbinato a quello idrico. Nel ciclo aperto, il rifornimento minerale è assicurato dalla somministrazione di soluzione sempre nuova e di composizione certa. In questo caso, l utilizzo di una ricetta con concentrazioni dei vari elementi il più possibile simile alla concentrazione di assorbimento delle piante (rapporto fra la quantità di elemento e di acqua assorbita in un determinato periodo di tempo) garantisce che il rifornimento di nutrienti sia adeguato alle esigenze della coltivazione. Nel ciclo chiuso, invece il problema è assai più complicato, in quanto occorre reintegrare gli elementi nutritivi assorbiti dalla pianta. 93

96 La tecnologia attuale di reintegro dei nutrienti, sia nei sistemi di fertirrigazione computerizzati, sia nei sistemi con semplici pompe volumetriche, si basa principalmente sulla misura della EC e del ph della soluzione da correggere e sulla aggiunta di soluzioni concentrate di acidi e nutrienti a questa fino al raggiungimento delle soglie pre-impostate. Attualmente esistono alcuni fertirrigatori capaci di gestire l aggiunta di nutrienti sulla base di misure on-line di concentrazione dell elemento nutritivo tramite l uso di elettrodi iono-selettivi (ad esempio il fertirrigatore della Toshiba) o attraverso sistemi di auto-analisi (es. fertirrigatore della Priva): tuttavia il loro costo iniziale e di gestione non ne permette ancora un largo uso commerciale. Il sistema di controllo degli elementi nutritivi presenti in una soluzione nutritiva sulla base della misura di EC è un sistema efficace ma non efficiente, soprattutto se si utilizzano acque contenenti buone quantità di elementi non-essenziali, come del resto si verifica in quasi tutto il bacino del Mediterraneo. Infatti, la EC di una soluzione è strettamente correlata alla somma totale di elementi nutritivi solo al momento della sua preparazione; successivamente si osserva un progressivo sbilanciamento dei rapporti tra i diversi elementi minerali a favore di quelli che, relativamente alle concentrazioni di partenza, sono assorbiti in misura minore. La misura di EC non permette pertanto di sapere quanti nutrienti sono presenti e sono quindi necessarie periodiche analisi chimiche. Commercialmente si possono riconoscere due principali metodi per il reintegro dei nutrienti nelle soluzioni ricircolanti (vedi Fig e 8.11): a) reintegro della soluzione nutritiva con nutrienti sulla base della conducibilità elettrica della soluzione ricircolante. Questo sistema, definito a conducibilità costante si caratterizza per mantenimento costante della EC della soluzione ricircolante. Tuttavia questo sistema deve necessariamente disporre di acque buone, con concentrazioni non eccessive di calcio e magnesio (non superiori alla C U della coltura) e basse di ioni nonessenziali come sodio e cloro, per evitare che un loro progressivo accumulo provochi una riduzione dell aggiunta di nutrienti da parte del fertirrigatore con conseguente sviluppo di carenze minerali (Fig e 8.11). Per questo motivo in Olanda si utilizza per il reintegro dell evapotraspirato, almeno in parte, acqua piovana o de-mineralizzata con sistemi di osmosi inversa (con un costo omnicomprensivo di circa 0,9-1 m -3 ); b) il reintegro dei consumi di soluzione nutritiva è effettuato non con semplice acqua, ma con soluzione di nuova formulazione. Questo sistema, detto anche a concentrazione dei nutrienti costante, si caratterizza per un mantenimento più o meno costante della concentrazione dei nutrienti e per un progressivo aumento della EC della soluzione nutritiva all aumento della concentrazione degli ioni non-essenziali. Questo sistema è più adatto all utilizzo di acque saline in quanto l accumulo di sali non essenziali è indicato dall incremento di EC. Tipicamente i sistemi che utilizzano questa modalità di reintegrazione, presentano un andamento della conducibilità elettrica oscillante fra una EC minima e una EC massima (Fig. 8.11): la conducibilità aumenta più o meno lentamente secondo la qualità dell acqua irrigua e della evapotraspirazione del sistema fino a raggiungere una soglia massima di tolleranza tipica della coltura (EC max ). Successivamente è necessario un rinnovo totale o parziale della soluzione ricircolante, riportando a livelli inferiori la EC della soluzione nutritiva (Fig. 8.11). Per entrambi i metodi, sono consigliate periodiche analisi della soluzione ricircolante come controllo di routine per la scoperta di eventuali anomalie. In ogni caso il ph della soluzione nella vasca di ricircolo viene monitorato in continuo; gli strumenti di monitoraggio sono di norma associati a micro-pompe dosatrici in grado di erogare 94

97 quantità di acido o basi tali da ripristinare le condizioni di ph ottimali per la coltura; in assenza di tali dispositivi automatizzati la correzione viene effettuata manualmente. Soluzione nutritiva Acqua Coltura Drenaggio Coltura Drenaggio Nutrienti Lisciviazione (run-off) Serbatoio di raccolta Lisciviazione (run-off) Serbatoio di raccolta Fig Differenti possibilità di reintegro dei nutrienti nelle soluzioni ricircolanti nei sistemi a ciclo chiuso. A destra: opzione a conducibilità costante; a sinistra: opzione con concentrazione dei nutrienti costante (Da Incrocci e Leonardi, 2004). EC max EC Concentrazione EC [N NE ] [N ] Concentrazione [N NE ] [N ] Rinnovo Rinnovo Tempo Tempo Fig Andamento della EC, della concentrazione di macronutrienti (N) e dei nutrienti non-essenziali (N NE ) nelle soluzioni ricircolanti di sistemi a ciclo chiuso con reintegro a conducibilità costante (a destra) o concentrazione dei nutrienti costante (a sinistra) (Da Incrocci e Leonardi, 2004) Strategie innovative per la gestione del rifornimento minerale in sistemi chiusi I sistemi di controllo per le soluzioni ricircolanti sono e saranno nei prossimi anni, oggetto di approfondito studio da parte del mondo della ricerca. Infatti, si stanno sviluppando metodi innovativi per il controllo della nutrizione minerale come ad esempio: 1) uso di kit di analisi rapida: permetteranno, in poche decine di minuti, direttamente in azienda e con il costo di pochi euro la determinazione dei principali ioni (esempio i kits della Hanna instruments, della Merk ecc). Infatti uno dei problemi maggiori 95

98 dell utilizzo di analisi chimiche per la corretta reintegrazione delle soluzioni ricircolanti non è solo il costo elevato di queste (dai 50 ai 90 per campione), ma anche i lunghi tempi di attesa rispetto ad una decisione (come reintegrare) che deve essere presa nel giro di qualche ora. 2) uso di modelli di crescita e di assorbimento minerale. La rivoluzione informatica di questi ultimi anni permette, ad un costo contenuto, l utilizzo di software e modelli capaci di predire, sulla base di alcuni parametri ambientali (es. radiazione globale e umidità relativa), l assorbimento di nutrienti nella soluzione. Ad esempio, presso il Dipartimento di Biologia delle Piante Agrarie dell Università di Pisa è stato sviluppato un semplice modello capace di prevedere la composizione della soluzione nutritiva sulla base della quantità di acqua evapotraspirata dal sistema (Carmassi et al., 2005). 3) uso di elettrodi iono-selettivi capaci di monitorare in continuo la concentrazione di alcuni ioni come il sodio, il potassio, il cloro nella soluzione ricircolante. Questi metodi, quando saranno completamente sviluppati e implementati in macchine fertirrigatrici dotati di stock monosalini e quindi in grado di variare automaticamente il rapporto tra gli ioni reintegrati e il livello di conducibilità, semplificherà notevolmente la gestione minerale nei sistemi a ricircolo. Tuttavia, queste soluzione tecnologiche non saranno molto economiche e solo aziende con una certa dimensione troveranno conveniente l utilizzo di queste macchine. 8.4 I CONTROLLI DA COMPIERE SULLA SOLUZIONE NUTRITIVA E LA RISOLUZIONE DI EVENTUALI PROBLEMI I controlli da effettuare nella gestione di una coltura fuori suolo sono i seguenti: a) misura della quantità di drenato prodotto. La quantità non dovrebbe mai scendere sotto la media giornaliera del 10-20% nel ciclo aperto del 50-70% (quantità drenata/quantità somministrata) nel ciclo chiuso: eventuali diminuzioni indicano o una riduzione della quantità di irrigazione data o un aumento nella domanda evapotraspirativa della coltura e del clima; b) misura della EC e del ph del drenato raccolto. Il valore non si dovrebbe discostare di 0.5 punti rispetto ai valori pre-stabiliti per la soluzione in entrata. La prima cosa da fare in caso di anomalia è quella di controllare il buon funzionamento del fertirrigatore (sonde, set-point impostato, funzionamento delle pompe). Successivamente, se il problema persiste si può cercare di risolverlo come qui di seguito descritto. 1. Aumento della EC del drenato: può essere causato, da un accumulo di salinità nel substrato per insufficiente frazione di drenaggio o da un progressivo accumulo di sali nella soluzione ricircolante. I rimedi sono quelli di aumentare la frazione di drenaggio, di reintegrare l evapotraspirato con acqua a basso o nullo contenuto di sali, e al raggiungimento della soglia di EC massima tollerata dalla coltura, scaricare la soluzione ricircolante esausta. 2. Diminuzione del ph nel drenato: può essere determinato da un eccessiva quantità di azoto ammoniacale nella soluzione nutritiva. In questo caso, occorre sostituire parte o tutta la quantità di ammonio con la forma nitrica. Anche la presenza di acque con bassi livelli di bicarbonato spesso si traducono in facili sbalzi di ph, dovuti al ridotto potere tampone di questa nei confronti dell assorbimento radicale selettivo. E opportuno quindi arricchire la soluzione nutritiva di mmol di bicarbonato di potassio e innalzare il set-point di acidificazione. 96

99 3. Innalzamento del ph nel drenato: può essere dovuto a: - una ridotta quantità di azoto ammoniacale nella soluzione nutritiva, che andrà quindi aumentata fino al 20% della quantità totale di N totale; tuttavia non superare 2 mmol/l di ammonio per evitare, specie in condizioni di elevate temperature, effetti di fitotossicità; - un incompleta neutralizzazione dei bicarbonati: nel caso di sistemi a vaso chiuso cioè dove l iniezione dell acido è fatta in linea sotto pressione; in questi casi, in presenza di alte quantità di bicarbonato, può accadere che la reazione di neutralizzazione non avvenga completamente, per l impossibilità ad allontanarsi della anidride carbonica che si produce nella reazione stessa. L installazione di un contenitore aperto dove riversare la soluzione preparata dal fertirrigatore e da qui rilanciarla nell impianto di irrigazione, può eliminare il problema. 97

100 98

101 9 I DISORDINI FISIOLOGICI DELLE SPECIE ORTOFLORICOLE COLTIVATE IN IDROPONICA 9.1 I DISORDINI FISIOLOGICI I disordini fisiologici sono fenomeni non imputabili a particolari patogeni o parassiti, che, determinando una crescita ed uno sviluppo anormale della pianta intera o di alcuni organi, provocano una significativa riduzione della produttività della coltura attraverso una diminuzione delle rese ed un peggioramento qualitativo dei prodotti. In molti casi sono note le cause primarie, ma, essendo numerosi i fattori ambientali e colturali in grado di influenzare la gravità con cui queste patologie si manifestano, la prevenzione è spesso difficile; quasi sempre, infine, gli interventi curativi sono del tutto inutili (un pomodoro "spaccato" o con la bolla rimane tale). Fondamentale è la tempestività della diagnosi. Le cause dei disordini fisiologici possono essere ambientali (stress di varia natura, vedi alcuni esempi in fig. 9.1), nutrizionali (fenomeni d antagonismo minerale o di tossicità, ad es.) e colturali (sensibilità varietale, ad es.); molto frequenti sono i disordini nutrizionali che talvolta, però non sono risolvibili semplicemente attraverso una modifica del piano di fertilizzazione (è, ad esempio, il caso delle carenze di calcio). I possibili rimedi sono rappresentati dagli interventi di controllo climatico, riguardanti soprattutto la temperatura e l umidità, da una tempestiva ed opportuna modifica del regime idrico e nutrizionale, eventualmente dalla concimazione fogliare. La tabella 9.1 riporta le cause primarie ed i fattori responsabili della comparsa di alcuni disordini fisiologici nelle colture idroponiche. 9.2 I DISORDINI NUTRIZIONALI I disordini nutrizionali sono costituiti dai fenomeni riconducibili ad una ridotta (carenza) od eccessiva (tossicità) degli elementi nutritivi nei tessuti vegetali. All interno della pianta gli elementi nutritivi sono trasportati attraverso lo xilema (trasporto associato alla traspirazione delle piante) od il floema. Il trasporto floematico è associato alla traslocazione di carboidrati e determina la ridistribuzione dei nutrienti nella pianta (fenomeno importante nella senescenza fogliare), in genere dalle foglie mature a quelle giovani ed ai frutti (sinks), in funzione della forza di richiamo del sink (frutti > fiori > foglie giovani > stelo > radici). I nutrienti cosidetti mobili sono ridistribuiti attraverso la corrente floematica: questi sono il N, K, P, Mg, S. Nel loro caso, la carenza interessa soprattutto le foglie più vecchie, ad eccezione dello zolfo la cui la carenza si interessa diffusamente un po' tutte le foglie della pianta colpita. I nutrienti (relativamente) immobili sono quelli che non sono ridistribuiti attraverso la corrente floematica: sono il calcio ed i microelementi. 99

102 In questo caso la carenza interessa soprattutto i tessuti giovani (foglie, frutti, fiori, apici meristematici); se assorbiti in eccesso tendono ad accumularsi nelle foglie più vecchie (quelle che quindi sono interessate dai fenomeni di tossicità). Tab Alcuni disordini fisiologici delle specie ortofloricole coltivate in idroponica. Tipo di disordine Specie interessate Causa primaria Fattori scatenanti Marciume apicale dei frutti Pomodoro, peperone, cocomero Ca-carenza Tipburn Lattuga Ca-carenza Cuore Bruno Sedano Ca-carenza Difetti di colorazione e maturazione Deformazione di frutti Deformazione di fiori Aborto di organi fiorali Clorosi e necrosi fogliari Seccumi fisiologici Pomodoro, melone Pomodoro, peperone, melone, cocomero Gerbera, rosa (bending), pomodoro, peperone (longistilia, fioroni) Pomodoro, peperone, rosa, carciofo Tutte! Melone K-carenza, sconosciuta (virosi?) Ca-carenza Difetti d allegagione Squilibri idrici Carenze nutrizionali Squilibri ormonali Fotosintesi ridotta Ca-carenza Carenze e tossicità minerali Inquinanti gassosi Salinità Sconosciuta Disaffinità di innesto Morte delle radici Piante in idroponica Sconosciuta Squilibri idrici, salinità eccessiva Squilibri idrici, salinità eccessiva Squilibri idrici, salinità eccessiva Vari Squilibri idrici e termici Squilibri idrici e termici Scarsa luminosità, Salinità eccessiva Squilibri idrici e termici Scarsa luminosità, Salinità eccessiva Elevato tasso di crescita Traspirazione elevata Stress termici e sbalzi di ph Cause più frequenti dei disordini nutrizionali Sono in genere provocati da un contenuto insufficiente o troppo abbondante a livello di zona radicale o da un assorbimento inadeguato, per difetto o per eccesso, da parte delle radici; talvolta, però, come nel caso delle carenze di calcio, le cause sono riconducibili ad un inefficiente distribuzione dell elemento all interno della pianta. Nel caso della tossicità, l eccessivo assorbimento di un elemento nutritivo che determina danni direttamente o indirettamente (carenza di altri elementi nutritivi - antagonismo). 100

103 I sintomi tipici della tossicità, aspecifica (cioè da eccessiva salinità o legata ai fenomeni di antagonismo) o specifica (eccesso di ammonio o di microelementi) sono le clorosi e le necrosi marginali delle foglie mature o più vecchie. Necrosi marginale di una foglia di melone provocata da un eccessiva salinità del substrato di coltura Spaccatura di un frutto di pomodoro coltivato in NFT durante le stagione estiva con una bassa salinità della soluzione nutritiva Deformazione di un frutto di peperone coltivato in NFT in inverno; il disordine era la conseguenza di un paio di settimane di basse temperature all interno della serra a seguito di un guasto dell impianto di riscaldamento Gravissima deformazione di un frutto di peperone, provocato da uno sviluppo partenocarpico a sua volta conseguenza di condizioni d elevata temperatura dell aria durante la fioritura Fig Alcuni esempi di disordini fisiologici non riconducibili a fenomeni di carenza o di tossicità di elementi nutritivi. 101

104 CRESCITA carente Carente Adeguata adeguata Eccessiva eccessiva DISPONIBILITA DI NUTRIENTI 9.2. Relazione tra apporto nutritivo e crescita delle piante I fattori scatenanti i fenomeni di carenza e tossicità sono perlopiù i seguenti: Impiego di acque poco idonee per l elevato contenuto in Na, Cl, B, Zn o Mn; Un pilotaggio dell'irrigazione inadeguato (scarso drenaggio); Un eccessiva concentrazione (N-ammoniacale) o rapporti ionici anomali della soluzione nutritiva (antagonismo); presenza di contaminanti nei substrati (microelementi, Cd) e nei concimi (Se, B); ph sub- o supra-ottimale; condizioni di ipossia radicale (irrigazioni eccessive, mancanza di un sistema di arieggiamento della soluzione nutritiva). Molto spesso nelle colture fuori suolo si utilizzano concentrazioni eccessive di N, considerato non a torto l elemento fondamentale dal punto di vista delle rese colturali. I tipici effetti collaterali di un eccessiva somministrazione di azoto alla coltura sono l induzione di una crescita lussureggiante, la difficoltà di fioritura e di allegagione, la filatura (internodi allungati). Il ph del mezzo di crescita (substrato e soluzione nutritiva) svolge un ruolo importantissimo nei fenomeni di carenza e tossicità in quanto condiziona sia la solubilità (quindi la disponibilità) degli elementi minerali sia l attività di assorbimento radicale. Come indicato nella tabella 9.2, con valori bassi del ph aumentano i rischi di tossicità dei microelementi e di carenza dei macroelementi, mentre a ph alcalini è vero soprattutto il contrario. I disordini nutrizionali sono spesso legati a fenomeni di antagonismo tra nutrienti: in pratica, un determinato elemento, se presente a concentrazione relativamente elevata, può ostacolare (o facilitare, nel caso del cosiddetto sinergismo; es. B e N) l assorbimento di un altro. In genere l antagonismo riguarda ioni minerali con la stessa carica e con la stessa valenza: ad esempio il calcio è antagonista verso il magnesio e il sodio verso il potassio. Una lista dei possibili effetti di antagonismo è riportata nella tabella

105 Tab Relazione tra ph e possibile tossicità di un elemento nutritivo. < 5.5 Tossicità Microelementi, N- ammonio, Na Deficienza Macroelementi, Mo ph range Elementi facilmente disponibili Tab. 9.3 Sintesi delle cause più frequenti dei disordini nutrizionali > 6.5 Tossicità Ca, N-ammonio Deficienza Microelementi, P, Mg Causa Carenza Tossicità Bassa T radicale Fe, P NH + 4, Mezzo radicale asfittico Fe + NH 4 Squilibri idrici Ca Salinità eccessiva N, Ca generale; B ph alto (> ) P, Fe, Mn, B ph basso (< ) P, Mg, Ca + Fe, Mn, Zn, NH 4 Antagonismo nutritivo v. tabella 9.4 Tab Rapporti di antagonismo fra gli elementi nutritivi. Elemento in concentrazione elevata nei tessuti o nel substrato N + N-NH 4 K P Ca Mg Na Mn Zn Cu Possibile carenza di K Ca, Cu N, Ca, Mg Cu, Fe, Zn, B Mg, B, P Ca, K K, Mg, Ca Fe, Mo Mn, Fe Mn, Fe, Zn Diagnosi dei disordini fisiologici e minerali Per una corretta diagnosi dei disordini fisiologici e più specificatamente di quelli nutrizionali sono richieste un adeguata preparazione tecnico-scientifica (chimica agraria e fisiologia vegetale), esperienza, una buona biblioteca e, soprattutto, aver sviluppato un metodo di raccolta e classificazione della documentazione, anche fotografica, relativa ai vari disordini delle varie colture. 103

106 COLTIVAZIONE Fg. colpita PRELIEVO ANALISI SINTOMATOLOGICA ANALISI FITOPATOLOGICA Fg. sana ANALISI CHIMICHE + INFORMAZIONI DIAGNOSI - CURA - PROFILASSI 9.6. Schema al corretto metodo di studio degli interventi relativi al trattamento di disordini fisiologici 104

107 Tab Sintomi tipici dei disordini nutrizionali. Sintomatologia Carenza Tossicità Clorosi fogliare marginale-apicale internervale nervale diffusa Necrosi fogliare marginale apicale internervali, a spot, ± estese e regolari Pigmentazione rossastra Deformazioni fogliari accartocciamento ispessimento appassimento scarso sviluppo fogliare abscissione Nanismo internodi corti, habitus cespuglioso habitus a rosetta steli esili Aborto di organi apici meristematici fiori e frutticini apici radicali Ca Fe, Mg Cu N, S K Ca Mn, Zn P, N+K B, Ca B K, Cu Zn Cu, S, Zn Mg, K Zn tutti! B, Ca B Ca K, NH 4 + K, F - Occorre poi raccogliere tutte le informazioni necessarie riguardanti l andamento climatico e la stessa coltura (varietà, tipo e livello di concimazione, interventi colturali particolari come ad esempio la distribuzione di diserbanti, o di fitoregolatori) ed, ovviamente, l esito di trattamenti curativi che, se efficaci, è decisivo ai fini della diagnosi. Oltre all esame sintomatologico, infine, può rendersi necessaria l analisi del mezzo di coltura e dei tessuti vegetali colpiti; in quest ultimo caso è bene sempre provvedere ad analizzare anche dei campioni di piante apparentemente sane. L analisi sintomatologica si base solitamente su l uso di chiavi diagnostiche (una sorta di sistema esperto!) molto generiche e su documentazioni fotografiche che però non sono disponibili per molte specie: nelle tabelle a seguire si riportano alcuni esempi di chiavi diagnostiche per carenze minerali. Spesso poi ci si trova davanti all insorgenza di carenze multiple ed altrettanto spesso si hanno disordini con sintomi simili (ad es. la carenza di K e l eccesso di Cl nella fragola). Infine i sintomi di molti disordini nutrizionali sono simili a quelli provocati da diserbanti e fitoregolatori (brachizzanti), inquinanti gassosi (etilene, ftalati, ecc.), virosi, insetti (tripidi, afidi, aleuroidi) ed acari 105

108 Fig Danni da ftalati (i plastificanti usati per la fabbricazione delle tubazioni irrigue) su gerbera fuori suolo in una serra di Pescia: inizialmente furono diagnosticati come una caso di tossicità minerale 9.6 Chiave per il riconoscimento delle disordini nutrizionali proposta da Marschner (1995) ORGANO SINTOMO CARENZA ELEMENTO Foglie mature e vecchie Foglie giovani Clorosi Uniforme N, S Necrosi Internervale Mg Apicale-marginale K Clorosi Uniforme Fe, S Clorosi Internervale Zn, Mn Necrosi-clorosi Apicale Ca, B Deformazioni Apicale Mo, Zn TOSSICITÀ Foglie mature e vecchie Clorosi Spot Mn, B Necrosi Apicale-marginale Salinità Microelem. 106

109 Tab Chiave per il riconoscimento delle disordini nutrizionali proposta da Nelson (1986) 1) IL SINTOMO PRINCIPALE È LA CLOROSI a) l'intera lamina fogliare è clorotica solo le foglie mature o più vecchie sono clorotiche N tutte le foglie sono clorotiche S b) l'ingiallimento fogliare interessa le zone internervali (le vene restano verdi) solo le foglie mature o più vecchie sono interessate Mg solo le foglie giovani sono interessate (unico sintomo) Fe oltre a clorosi, si formano macchie necrotiche Mn gli apici ed i margini delle foglie giovani rimangono verdi, si formano necrosi estese della lamina ed ingialliscono anche le vene Cu foglie molto piccole, pianta, con internodi corti, habitus a rosetta Zn 2) IL SINTOMO PRINCIPALE NON È LA CLOROSI a)i sintomi appaiono alla base della pianta crescita stentata, colorazione purpurea delle foglie P clorosi e necrosi dei margini delle foglie più vecchie, oppure macchie clorotiche e necrotiche b) i sintomi appaiono nella parte alta della pianta morte degli apici, foglie giovani spesse, arricciate, clorotiche e poi necrotizzate foglie giovani deformate, clorosi diffusa, radici corte e spesse Ca K B 107

110 Fig Chiave per il riconoscimento delle disordini nutrizionali proposta da D.W. Reed (1996). ZONA #1 ZONA #2 ZONA #3 ZONA #4 Zona Elemento Sintomatologia 1 Fe clorosi internervale, eventualmente ingiallimento totale e necrosi Mn solo clorosi internervale Cu e Zn clorosi marginale B foglie piccole, necrosi Ca clorosi marginale, foglie accartocciate 2 Mo clorosi e necrosi 3 4 Mg clorosi marginale, raramente necrosi K clorosi e necrosi P colorazione rossastra N clorosi diffusa S clorosi, spesso estesa anche a foglie più giovani 108

111 Tab.9.8. Chiave per il riconoscimento delle disordini nutrizionali proposta da D.W. Reed (1993) 1) Sono interessate le foglie più vecchie? Se no, vai al punto 2 a) clorosi e decolorazioni clorosi diffusa, stelo esile, ingiallimento delle foglie basali, non si ha necrosi colore verde scuro delle foglie con pigmentazione rossastra, necrosi e abscissione b) clorosi, macchie e necrosi fogliari clorosi e necrosi delle foglie mature, anche delle vene, habitus a rosetta Zn clorosi e necrosi inter-nervale, habitus cespuglioso Mg clorosi e necrosi marginale delle foglie, stelo esile, habitus cespuglioso K 2) Sono interessate le foglie più giovani a) morte degli apici, deformazioni e necrosi delle foglie necrosi apicale, apici radicale imbruniti Ca aborto di fiori e frutticini, clorosi della base fogliare, foglie spesse ed arricciate b) clorosi o appassimento di gemme terminali foglie non clorotiche, ma appassite ed accartocciate, abscissione fogliare Cu c) foglie clorotiche e necrotiche, non appassite macchie necrotiche larghe ed irregolari Zn macchie necrotiche piccole ed internervali, le nervature rimangono verdi Mn d) foglie solo clorotiche le nervature rimangono verdi Fe anche le nervature ingialliscono S Per una corretta diagnosi è sicuramente importante avere un idea della situazione a livello radicale. In particolare è consigliato fare un analisi al mezzo di coltura, effettuando una estrazione acquosa in rapporto 1:2 in volume. Una volta ottenuto l estratto acquoso, è possibile effettuare l analisi di questo per gli elementi ritenuti o sospettati di essere i responsabili della sintomatologia, impiegando le normali metodiche di laboratorio. La lettura dei risultati deve essere fatta utilizzando i relativi valori di riferimento (v. tab. 9.9) Diagnostica fogliare rapida. La diagnostica fogliare (d.f.) classica prevede l analisi della composizione elementare della sostanza secca fogliare (diagnostica di routine) e/o dei tessuti colpiti (apici, frutti, foglie) e presenta numerosi svantaggi: costi elevati e lunghi tempi di risposta; valori di riferimento generali e specie-specifici (in realtà, i valori possono variare non solo in funzione della specie e della varietà, ma anche del sistema di coltivazione ad es. N P P 109

112 tendono spesso ad essere più alti, nel caso di colture fuori suolo - o dell'età della pianta ad es. N, K e P tendono a diminuire con l'età mentre è vero il contrario per Ca e Mg). Tab. 9.8 Valori di riferimento per la valutazione dell'acqua irrigua e del substrato (estratto acquoso 1:2 vol.). PARAMETRO ACQUA SUBSTRATO (PASTA SATURA) MIN MAX MIN MAX ph (5.0) 6.5 EC (ms cm -1 ) (2.0) Alcalinità (me L -1 ) N-NO 3 - (ppm) N-NH 4 + (ppm) P (ppm) K (ppm) Ca (ppm) Mg (ppm) Fe (ppm) - < Mn (ppm) - < B (ppm) - < Cu (ppm) - <0.2 - <0.5 Zn (ppm) < Inoltre, nel caso di microelementi, i valori di sufficienza sono vicini a quelli di tossicità. Con la d.f. rapida si analizzano i composti solubili (N-nitrato, fosfato, potassio) presenti nei succhi estratti dai piccioli o, più raramente, dalle lamine fogliari. Il principio fisiologico della d.f. rapida, valido solo per alcuni nutrienti, consiste nella presenza di due tipi di pool: uno di "riserva" ed uno "metabolico" in equilibrio tra di loro. Nel caso in cui l assorbimento radicale sia inferiore o superiore alle effettive richieste metaboliche legate al tasso di crescita si ha, rispettivamente, un transitorio aumento o decremento del pool di riserva. Nella d.f.rapida si determina la concentrazione del pool di riserva. La d.f. rapida presenta molti vantaggi, soprattutto quello di poter effettuare le analisi direttamente in serra, utilizzando dei kit rapidi ormai disponibili in commercio per molti tipi di analiti. 9.3 CURA E PREVENZIONE Si basano su di una serie di interventi, i principali dei quali sono di seguito riportati: Trattamento delle acque irrigue; 110

113 Cura nell'irrigazione e nella concimazione; Correzione del ph (somministrazione di polvere di marmo per ridurre la disponibilità di microelementi e metalli pesanti); Dilavamento (ioni solubili, come Na, Cl, solfati e, in minor misura, borati); Concimazioni organiche e minerali al terreno; Concimazioni con forme chelate di microelementi; Concimazioni al substrato (drenching); Concimazioni fogliari con composti chelati, nitrato di calcio, cloruro di calcio, urea. Alcuni suggerimenti per superare rapidamente anomalie nel ph e/o nel contenuto salino del substrato di coltura sono qui di seguito indicati: Per alzare il ph del substrato: usare acqua alcalina non-acidificata alzare il ph della soluzione nutritiva irrigare abbondantemente con soluzione diluita di CaOH usare concimi fisiologicamente alcalini (n nitrico) Per abbassare il ph del substrato: usare acqua acidificata e abbassare il ph della soluzione nutritiva irrigazioni abbondanti con solfato di Fe e/o Al usare concimi fisiologicamente acidi (N ammoniacale, urea). Per ridurre la salinità del terreno/substrato: dilavamento (irrigazioni abbondanti, con soluzioni diluite in idroponica) DESCRIZIONE DI ALCUNI DEI PIÙ COMUNI DISORDINI MINERALI Nei prossimi paragrafi saranno descritti alcuni dei più comuni disordini fisiologici riscontrati nella coltivazione fuori suolo, descrivendo per questi le possibili cause, la sintomatologia e dove conosciuta, l interazione con le condizioni pedo-climatiche Carenza e tossicità del ferro Le carenze sono piuttosto frequenti nelle specie acidofile e sono sicuramente ridotte dall impiego di prodotti chelati. Le cause della carenza di Fe sono, oltre chiaramente ad una concentrazione insufficiente nella soluzione nutritiva e/o nel substrato di coltura, le seguenti: ph alto: il Fe è poco solubile a ph>4.5 (si ha la formazione di ossidi ed idrossidi insolubili) e quindi sono forti i rischi di carenza di Fe, soprattutto nei substrati poco dotati di sostanza organica; bassa temperatura radicale, che rallenta l assorbimento minerale; elevata concentrazione di carbonati-bicarbonati, Mn, Zn e Cu che inibiscono l assorbimento per antagonismo; eccessiva concentrazione di P, che porta alla formazione di fosfati di Fe insolubili. I rimedi consistono nella: acidificazione del substrato concimazione radicale (o fogliare) con prodotti a base di chelati concimazione organica del terreno La tossicità da ferro. Le cause sono costituite da: un eccessiva concimazione 111

114 il ph acido il terreno asfittico: il Fe è maggiormente presente nella forma ridotta Fe2+, assai più solubile e più facilmente assorbita di quella ossidata Fe3+. I rimedi consistono in: attento pilotaggio dell'irrigazione innalzamento del ph del substrato Le carenze di calcio Sono fisiopatie frequenti e molto dannose, che possono colpire vari organi della pianta diversi a seconda del tipo di specie. I seguenti disordini nutrizionali sono ascrivibili ad una carenza di calcio. "marciume apicale" dei frutti di pomodoro, peperone ed anguria; "vitrescenza" del melone necrosi marginali (tipburn) di lattuga, fragola, cavolo, pomodoro, crisantemo, lilium; necrosi marginale delle brattee di poinsettia atrofia del capolino di carciofo; "cuore bruno" di sedano. Molto spesso le Ca-carenze non sono la conseguenza di uno scarso assorbimento radicale di Ca (per una ridotta concentrazione di Ca e/o un ph acido nel mezzo di coltura, o per fenomeni di antagonismo minerale), ma piuttosto di un'inadeguata distribuzione nella pianta e/o di un insufficiente sincronismo tra crescita di un determinato organo ed il rifornimento di Ca Nel caso dello stress salino, il marciume apicale del pomodoro è anche la conseguenza di un scarsa formazione di vasi xilematici nella parte prossimale del frutto D'altra parte, la salinità della soluzione nutritiva, riducendo la crescita, determina negli organi in espansione un maggior sincronismo tra domanda e rifornimento di Ca e può così diminuire l'incidenza dei disordini provocati da Ca-carenza. Fig. 9.7.Il marciume apicale colpisce i frutti nei primissimi stadi di sviluppo come quello del frutticino nella foto di destra, anche se poi viene spesso individuato dal coltivatore nei frutti prossimi alla maturazione; quasi sempre i frutti colpiti da marciume apicale sono i primi a maturare tra quelli di un palco. 112

115 Fig.9.8. Cuore bruno di una pianta di sedano coltivata in NFT; l aggiunta di NaCl alla soluzione nutritiva può consentire di ridurre l incidenza di questa carenza di Ca grazie ad una maggiore sincronizzazione tra tasso di crescita delle foglie e trasporto del Ca nella pianta. Nel caso del pomodoro possono interessare sia i frutti che le foglie apicali. Il primo tipo di disordine è frequente nelle serre dell'ambiente mediterraneo, soprattutto nel caso di terreni e/o acque irrigue saline o di sbalzi di umidità sia a livello del terreno che dell aria; interessa soprattutto le colture primaverili ed estive e le varietà a frutto grosso od allungato. Lo schema presentato nella tabella 9.9, cerca di mettere in relazione la fisiologia della nutrizione del calcio con la comparsa della fisiopatia. Per la cura, o meglio, per la prevenzione appaiono particolarmente efficaci i seguenti interventi: Trattamenti fogliari con sali di Ca (cloruro, nitrato) con concentrazioni di 2-4 g/l; ridurre i tassi di crescita, diminuendo ad es. la temperatura di coltivazione; evitare squilibri idrici attraverso un corretto pilotaggio dell'irrigazione ed aumentando l umidità relativa dell aria, se troppo bassa durante il giorno; favorire la crescita e la funzionalità radicale, ad es. attraverso il riscaldamento basale; favorire la pressione radicale durante la notte abbassando la temperatura dell aria e la salinità e mantenendo una temperatura radicale relativamente elevata (intorno a 20 C); mantenere un livello minimo di traspirazione (regolando opportunamente la temperatura e l'umidità dell'aria) per favorire la traslocazione di Ca alle foglie in rapida espansione (strategia per serre particolarmente umide e poco ventilate) Nord Europa) evitare le concimazioni con azoto ammoniacale ed evitare l'eccesso di K e Mg La spaccatura dei frutti di pomodoro E una fisiopatia frequente nelle colture di campo ma che colpisce anche le colture fuori suolo, in particolare il pomodoro cherry e le varietà a frutto grosso (beefsteak). La causa è data dal rapido accrescimento dei frutti associato ad una ridotta elasticità della buccia. 113

116 Tab 9.9. Relazioni fra fisiologia della nutrizione del calcio e comparsa della fisiopatia. Fisiologia Ca è essenziale per gli organi in attiva crescita Ca è poco mobile e non è ridistribuito (come N e K) Ca è assorbito in modo particolare da apici radicali L'assorbimento di Ca è ostacolato da altri cationi come ammonio, Mg e K Ca è trasportato prevalentemente dalla linfa xilematica e quindi si muove lungo la corrente traspiratoria Ca arriva nelle foglie giovani e nei frutti soprattutto con la corrente floematica La pressione radicale (flusso idrico di natura osmotica, significativo solo in condizioni di traspirazione fogliare ridotta o nulla) è un processo che consente il rifornimento di organi caratterizzati da un ridotto tasso di traspirazione (foglie giovani e frutti) Patologia Le foglie ed i frutti in rapida espansione sono gli organi più sensibili alla Ca-carenza; nel pomodoro i frutti sono particolarmente suscettibili tra 1 e 2 sett. dopo l'allegagione Le Ca-carenze compaiono prima sugli organi giovani e solo in casi veramente gravi si possono osservare sulle foglie vecchie Una riduzione della crescita e/o della funzionalità radicale favorisce l'insorgenza di Ca-carenze nella parte aerea Eccessive concimazioni con K, ammonio e Mg favoriscono l'insorgenza di Ca-carenze Ca si accumula soprattutto negli organi che traspirano molto (foglie mature, [Ca] = 3-8% s.s.) e molto meno in organi che traspirano poco (foglie giovani, frutti, brattee: [Ca] < 0.5%), che sono anche quelli maggiormente penalizzati in condizioni d'alta UR (bassa traspirazione) Gli stress idrici e salini riducono il flusso floematico, anche se la concentrazione (di zuccheri) della linfa aumenta Gli stress idrici e salini riducono la pressione radicale e favoriscono la comparsa di Ca-carenze Una temperatura radicale ottimale, un elevata umidità relativa ed ridotta temperatura dell'aria (ridotta traspirazione) durante la notte, riducono la traspirazione, favoriscono la pressione radicale, e riducono così l'insorgenza di Ca-carenze Le condizioni che aumentano la suscettibilità della coltura alla fisiopatia sono: sbalzi nel contenuto idrico del terreno e della pianta temperatura e dell umidità dell aria elevate densità colturale ridotta ridotto carico di frutti della pianta abbondanti irrigazioni e concimazioni valori ridotti di EC della soluzione nutritiva Accorgimenti utili alla prevenzione della fisiopatia sono costituiti da: 114

117 attento pilotaggio dell irrigazione adeguato rifornimento di Ca e B riduzione degli interventi di potatura verde trattamenti con acido gibberellico (?) raccolta anticipata (all invaiatura) Fig Spaccatura di bacche di pomodoro cherry: un eccessiva umidità del substrato è un fattore che aumenta la sensibilità del pomodoro a questo tipo di disordine. Fig Colorazioni anomale ed imbrunimenti interni di frutti di pomodoro I difetti di maturazione del pomodoro Esistono vari difetti della maturazione del pomodoro, spesso poco distinguibili o presenti contemporaneamente 1. maturazione a chiazze (blotchy ripening) 2. imbrunimento interno (internal browning) 3. parete grigia (gray wall) L eziologia di questi disordini è ancora incerta, soprattutto per la difficoltà a riprodurre sperimentalmente il problema Secondo J.S. Boyle (1994, Plant Disease) queste fisiopatie sono il risultato di una infezione di virus (TMV) e batteri nella fase di piena fruttificazione, quando le piante sono ipersensibili; l'infezione nelle prime fasi di crescita non provoca questi disordini e 115

118 sembra addirittura determinare una sorta di "cross-protection" (consente, cioè, di ridurre sensibilmente i danni provocati da una inoculazione del virus successiva) Le condizioni che aumentano la suscettibilità della coltura a queste fisiopatie: eccessive concimazione azotate e/o irrigazioni carenza di potassio clima variabile, soprattutto dal punto di vista della radiazione (periodi soleggiati alternati a periodi nuvolosi) alta temperatura attacchi parassitari (insetti). 116

119 APPENDICE 1. TABELLE PER IL CALCOLO MANUALE DELLE SOLUZIONI NUTRITIVE Nella presente appendice si riportano alcune tabelle di riferimento necessarie per effettuare rapidamente il calcolo delle soluzioni nutritive. Le tabelle sono riferite ai sali e agli acidi commercialmente maggiormente utilizzati in idroponica. L uso di dette tabelle presuppone l introduzione di alcuni arrotondamenti che tuttavia non si traduce in sostanziali differenze fra i risultati ottenuti con questo metodo e quello analitico tradizionale. Per una migliore comprensione del testo si consiglia di leggere attentamente il paragrafo 6.5 e 6.6 del presente manuale. L uso delle tabelle sarà esemplificato tramite l illustrazione dei passaggi necessari per il calcolo di una soluzione nutritiva per il pomodoro, utilizzando un acqua irrigua contenente 2.75 meq/l di bicarbonati, 1.50 mmol/l di calcio, 0.75 mm di magnesio, 0.50 mmol/l di solfati (medesimo esempio del capitolo 6). In tabella A1.1 si riporta la tabella da utilizzare per il calcolo, debitamente riempita con tutti i vari passaggi, mentre in tabella A.1.2 è riportato lo stesso schema vuoto, da utilizzarsi per il calcolo di nuove soluzioni. Dopo aver inserito la ricetta nutritiva per il pomodoro (desunta dalle tabelle 6.5 e 6.6), si inizia il calcolo con la neutralizzazione dei bicarbonati. I passaggi fondamentali del calcolo sono qui di seguito riportati. Neutralizzazione dei bicarbonati. Nella tabella A.1.3 si può ricavare i meq/l di acido necessario per ottenere il ph desiderato nella soluzione nutritiva conoscendo la concentrazione di carbonati e bicarbonati presenti nell acqua irrigua. Nel nostro esempio, all intersezione della riga corrispondente alla concentrazione di 2.75 meq/l di bicarbonati/carbonati con la colonna del ph di 5.8 si ottiene il valore di 2.15 meq/l di acido da aggiungere all acqua irrigua. Nel caso che il valore della concentrazione di bicarbonati non sia compresa tra i valori riportati in tabella, si arrotonderà a quella più simile riportata in tabella, consapevoli che detta approssimazione non modificherà sostanzialmente il risultato. Se si decide di utilizzare l acido nitrico, ciò corrisponderà ad un apporto di nutrienti pari a 2.15 mmol/l di N-NO 3 da annotare nella corrispondente colonna dell elemento nitrato in tabella A.1.1. Attraverso la tabella A.1.4. è possibile ricavare, all intersezione con la riga dei meq/l di acido necessari per la neutralizzazione (2.15 meq/l) e la colonna dell acido commerciale a disposizione desiderato (acido nitrico al 65%), gli ml di acido commerciale necessari per la neutralizzazione di 1 litro di acqua irrigua, valore che andrà riportato nella tabella A.1.1 all intersezione della colonna quantità con la riga acido utilizzato per la neutralizzazione. Bilanciamento del Calcio. Dalla tabella A.1.1 si deduce che per il bilanciamento del calcio è necessario apportare 3.5 mmol/l di Ca. La tabella A.1.5 fornisce, in funzione della concentrazione in mmol/l di Ca da apportare, la quantità in mg/l di nitrato di calcio o di cloruro di calcio necessaria e la concentrazione del relativo controione/i contenuto nel sale scelto. Nel nostro esempio, la tabella riporta che per apportare 3.5 mmol/l di calcio utilizzando come fonte il nitrato di calcio agricolo occorrono mg/l di detto sale, con un apporto di 7.7 mmol/l di N-NO 3 e di 0.7 mmol/l di N.-NH

120 Bilanciamento dell ammonio. Dalla differenza fra la concentrazione richiesta dalla ricetta nutritiva e gli apporti già effettuati con il nitrato di calcio, si deduce che è necessario l apporto di 0.30 mmol/l di ammonio. Dalla tabella A.1.6 si deduce che, per apportare 0.30 mmol/l di ammonio utilizzando il nitrato ammonio, è necessario aggiungere mg/l di detto sale apportando contemporaneamente anche 0.30 mmol/l di N-NO 3. Bilanciamento del fosforo. Per il suo bilanciamento sarà necessario apportare 1.5 mmol/l di P. Dalla tabella A.1.7 si ricava che, per detta quantità, si dovrà impiegare mg/l di fosfato monopotassico, con il quale si apporterà contestualmente 1.5 mmoli/l di potassio. Bilanciamento del magnesio. Per il suo bilanciamento occorre un apporto di 0.75 mmol/l di magnesio. Come si deduce dalla tabella A.1.7 l apporto può essere fatto utilizzando il nitrato di magnesio o il solfato di magnesio: nel caso si utilizzi il solfato di magnesio sarà necessario apportarne mg/l pari a 0.75 mmol/l di S. Bilanciamento del nitrato. Dalla tabella A1.1 si evince che la differenza fra la concentrazione di N-NO 3 desiderata e gli apporti effettuati con i sali già aggiunti (nitrato di calcio, nitrato ammonico e acido nitrico) sia pari a Per completare il bilanciamento si deve utilizzare il nitrato di potassio e la quantità di sale può essere desunta dalla tabella A.1.8. Poiché il valore 1.85 non è riportato in tabella, il risultato si ottiene scomponendo questo in due addendi riportati in tabella come ad esempio 1.75 e 0.10 mmol/l, a cui corrisponde una quantità di nitrato di potassio totale pari a = , con il quale si apporterà anche una medesima quantità di potassio (1.85 mmol/l). Bilanciamento del potassio. A questo punto, per il bilanciamento del potassio è necessario l apporto di 4.65 mmol/l di questo elemento, che potrà essere apportato come solfato di potassio o come cloruro di potassio (vedi tab. A.1.8). Anche in questo caso il valore di 4.65 non riportato in tabella potrà essere ottenuto componendolo in valori presenti in tabella (ad esempio 4.50 e 0.15) che corrisponderà ad una quantità di solfato di potassio pari a = mg/l di sale, con cui si apporteranno 2.32 mmol/l di solfati. Bilanciamento dei microelementi. Il bilanciamento dei microelementi potrà avvenire utilizzando la tabella A.1.9 dove si potrà desumere la concentrazione di sali commerciali, in mg/l, per ottenere una determinata quantità di μmol/l dell elemento considerato. Ad esempio, dalla tabella A1.9 si deduce che occorrono mg/l di chelato di ferro al 6%, per ottenere un aggiunta di 25 mmol/l di Fe. Allo stesso modo si ricavano le quantità di sali necessari per l apporto dei vari microelementi, registrando dette quantità nella tabella di riepilogo A.1.1. Calcolo delle soluzioni stock Al termine del calcolo della soluzione nutritiva, si può calcolare le quantità dei sali necessari per preparare le soluzioni stock, moltiplicando le quantità in mg/l riportate per ogni sale utilizzato (vedi tab. A1.1) per un coefficiente F dedotto dalla tabella A.1.10, in funzione della capacità dei contenitori stock (espressa in litri) e del grado di concentrazione della stessa. I dati ottenuti dalla moltiplicazione con il coefficiente saranno espressi in m 3 di acido e in Kg di sale. E prassi comune esprimere per comodità il valore dell acido in litri e dei sali utilizzati per l apporto dei microelementi in grammi: in questo caso occorrerà moltiplicare il risultato ottenuto per Per la suddivisione dei sali nei contenitori stock si rimanda al paragrafo

121 Tab. A.1.1. Esempio di calcolo di una soluzione nutritiva per il pomodoro. Per i dettagli sull esecuzione dei calcoli, consultare il testo. Sale o acido (% elementi) mm o μm di elemento mg o ml/l HCO 3 - N- N- NO 3 NH P K Ca Mg S Fe B Cu Zn Mn Mo 4 meq/l mm mm mm mm mm mm mm μm μm μm μm μm μm Acqua Ricetta Da reintegrare con i sali HNO 3 65% (2.15) Nitrato di Ca (N ; Ca 18.6) CaCl 2 (Ca 36.1; Cl 63.8) - NH 4 NO 3 (N-NH 4 N-NO ) (NH 4 ) 2 SO 4 (N-NH ; S 24.2) - NH 4 H 2 PO 4 ((N-NH ; P 26.9) - KH 2 PO 4 (P 22.8 K 28.7) Mg(NO 3 ) 2 (Mg 9.5; N-NO ) - MgSO 4 (Mg 9.6; S 12.7) KNO 3 (N 13.8 K 38.7) K 2 SO 4 (K 43.2 S 17.1) KCl (K 50.6; Cl 45.9) - Fe EDDHA (Fe 6%) Borato di sodio ( 11.3) Solfato di Cu (Cu 25.5) Solfato di Zn (Zn 22.7) Solfato di Mn (Mn 32.5) Molibdato Na (Mo 39.7) TOTALE SOLUZIONE

122 Tab. A.1.2. Schema da utilizzare per il calcolo delle soluzioni nutritive. Sale o acido (% elementi) Acqua Ricetta Da reintegrare con i sali HNO 3 65% (2.15) Nitrato di Ca (N ; Ca 18.6) CaCl 2 (Ca 36.1; Cl 63.8) NH 4 NO 3 (N-NH 4 N-NO ) (NH 4 ) 2 SO 4 (N-NH ; S 24.2) NH 4 H 2 PO 4 ((N-NH ; P 26.9) KH 2 PO 4 (P 22.8 K 28.7) Mg(NO 3 ) 2 (Mg 9.5; N-NO ) MgSO 4 (Mg 9.6; S 12.7) KNO 3 (N 13.8 K 38.7) K 2 SO 4 (K 43.2 S 17.1) KCl (K 50.6; Cl 45.9) Fe EDDHA (Fe 6%) Borato di sodio ( 11.3) Solfato di Cu (Cu 25.5) Solfato di Zn (Zn 22.7) Solfato di Mn (Mn 32.5) Molibdato Na (Mo 39.7) TOTALE SOLUZIONE mm o μm di elemento mg/l di sale HCO 3 - N- NO 3 N- NH 4 P K Ca Mg S Fe B Cu Zn Mn Mo meq/l mm mm mm mm mm mm mm μm μm μm μm μm μm

123 Tab. A.1.3. Quantità di acido da aggiungere all acqua irrigua (meq/l) per ottenere un determinato valore di ph (range ) in funzione della quantità di bicarbonati e carbonati presenti nell acqua stessa. meq/l di acido da aggiungere all'acqua irrigua Valore di ph desiderato nella soluzione nutritiva Somma della concentrazione di carbonati e bicarbonati nell'acqua irrigua (mm)

124 Tab. A.1.4. Quantità di acido commerciale da aggiungere all acqua irrigua (ml/l), in funzione dei meq/l necessari per la neutralizzazione dei bicarbonati (vedi tab. A 1.3) e delle caratteristiche di alcuni acidi maggiormente diffusi in commercio. Acidi commerciali utilizzabili Caratteristiche fisiche Acido nitrico Acido fosforico Acido solforico Densità % p/p meq/ml di prodotto meq di acido necessari per la neutralizzazione di 1 litro di acqua irrigua

125 Tab. A.1.5. Tabella per il calcolo dei mg/l di nitrato di calcio (agricolo), o di cloruro di calcio da sciogliere in un litro di acqua in funzione della concentrazione mm di calcio desiderata nella soluzione nutritiva (range 0-5 mm). Per ogni sale è riportato anche la relativa concentrazione mm del/i controione/i. Nitrato calcio Cloruro di calcio Forma chimica CaO N-NO 3 N-NH 4 CaO Cl % elemento Rapporto molare p.m Ca mm Sale mg/l N-NO 3 mm N-NH 4 mm Sale mg/l Cl mm Quantità in mmol/l di Ca da aggiungere all'acqua irrigua 123

126 Tab. A.1.6. Tabella per il calcolo dei mg/l di nitrato di ammonio, fosfato di ammonio o solfato di ammonio da sciogliere in un litro di acqua in funzione della concentrazione di ione ammonio desiderata nella soluzione nutritiva (range 0-5 mm). Per ogni sale è riportato anche la relativa concentrazione mm del controione. Nitrato di ammonio Fosfato di Ammonio Solfato di ammonio Forma chimica N-NH 4 N-NO 3 N-NH 4 P 2 O 5 N-NH 4 S-SO 4 % elemento rapp.molare p.m N-NH 4 Sale N-NH 4 Sale P-PO 4 Sale Quantità in mmol/l di N-NH4 da aggiungere all'acqua irrigua K mm mm mg/l mg/l mm mg/l

127 Tab. A.1.7. Tabella per il calcolo dei mg/l di fosfato monopotassico, di solfato o nitrato di magnesio da sciogliere in un litro di acqua in funzione della concentrazione di ione fosforo o magnesio desiderata nella soluzione nutritiva (range 0-5 mm). Per ogni sale è riportato anche la relativa concentrazione mm del controione. Fosfato monok Solfato di magnesio Nitrato di magnesio Forma chimica P 2 O 5 K 2 O MgO S-SO 4 MgO N-NO 3 % rapp.molare p.m P o Mg mm Sale mg/l K mm Sale mg/l S-SO 4 mm Sale mg/l N-NO 3 mm Quantità in mmol/l di P o Mg da aggiungere all'acqua irrigua 125

128 Tab. A.1.8 Tabella per il calcolo dei mg/l di nitrato di potassio, solfato o cloruro di potassio da sciogliere in un litro di acqua in funzione della concentrazione di ione nitrato o potassio desiderata nella soluzione nutritiva (range 0-5 mm). Per ogni sale è riportato anche la relativa concentrazione mm del controione. Nitrato di K Solfato di K Cloruro di K Forma chimica K 2 O N-NO 3 K 2 O S-SO 4 K 2 O Cl % rapp.molare pm Quantità in mmol/l di N-NO3 o K da aggiungere all'acqua irrigua N-NO 3 o K mm Sale mg/l K mm Sale mg/l S-SO 4 mm Sale mg/l Cl mm

129 Tab. A.1.9. Tabella di riferimento rapido per il calcolo della quantità di sali (mg/l) necessari per l apporto di microelementi nelle soluzioni nutritive, in funzione della quantità di microelemento (μmol/l) e del tipo di sale scelto. Elemento Fe B Cu Mn Zn Mo Prodotto commerciale Fe 4% Fe 6% Fe 13% Acido borico Sodio Borato Solfato di Cu pentaidrato Rame chelato Solfato di manganese Solfato di zinco Molidbato di sodio Molibdato d'ammonio Titolo % p.m. sale pm elemento μm mg di prodotto commerciale da aggiungere ad 1 litro di acqua irrigua μm di elemento da aggiungere per litro di acqua irrigua

130 Tab. A Tabella di riferimento rapido per il calcolo del coefficiente moltiplicativo da utilizzare per trasformare i mg/l di sali in kg necessari per preparare le soluzioni stock in funzione del rapporto di concentrazione scelto e del volume dei contenitori. Coefficiente moltiplicativo per trasformare i mg/l in kg di sale Rapporto di concentrazione della soluzione stock 1:50 1:100 1:150 1:200 1:250 1: * ATTENZIONE: Il coefficiente in tabella va moltiplicato per 1000 se applicato alle quantità di acido o di sali contenenti microelementi per avere il corrispondente valore in g o litri. Capacità in litri serbatoi soluzioni stock 128

131 APPENDICE 2 USO DI SOL-NUTRI 2.1 PER IL CALCOLO DELLE SOLUZIONI NUTRITIVE INTRODUZIONE SOL-NUTRI 2.1 è l'aggiornamento di un foglio elettronico per il calcolo delle soluzioni nutritive sviluppato dal Dott. Luca Incrocci del Dipartimento Biologia delle Piante Agrarie (DBPA) dell Università di Pisa nell'ambito delle attività previste dal Progetto IDROSUB avviato per sviluppare e promuovere la tecnologia idroponica a ciclo chiuso per le colture protette nella zona litoranea Iblea della Sicilia (Ragusa) in collaborazione con L'ENEA e Gizeta Technica. Successivamente, grazie alla convenzione instaurata fra gli uffici dell'assessorato Agricoltura e Foreste della Regione Siciliana e L'Università di Pisa, nell'ambito del Progetto Interregionale Orticoltura , è stato possibile aggiornare la precedente versione tenendo conto dei suggerimenti degli utilizzatori. La presente versione del foglio di calcolo è il risultato dell opera di revisione e miglioramento fatta dal dott. Biagio Dimauro (AA.FF. Regione Siciliana), dal dott. Lorenzo Cunsolo (AA.FF. Regione Siciliana) e dal dott. Luca Incrocci (Dipartimento di Biologia delle Piante Agrarie dell Università di Pisa). Un ringraziamento doveroso va anche al prof. Alberto Pardossi e al dott. Fernando Malorgio (Università di Pisa) per i consigli forniti per migliorare la presente versione. SOL-NUTRI 2.1 vuole essere uno strumento di aiuto nel calcolo delle soluzioni nutritive per colture idroponiche ed è rivolto ad utenti con conoscenze di base sia nell uso di Excel, sia nella preparazione delle soluzioni nutritive. Qui di seguito si riportano le istruzioni di SOL-NUTRI 2.1. ISTRUZIONI Occorre ricordare che: 1. il foglio è protetto in ogni sua parte per evitare accidentali manomissioni. I dati necessari per il calcolo potranno essere inseriti solo nelle caselle con sfondo giallo; 2. il foglio contiene delle macro che devono essere attivate per permettere il normale funzionamento di questo (occorre scegliere Attiva macro nella finestra di avvio del programma); 3. il foglio elettronico è un modello. Tutte le volte che sarà aperto, Excel chiederà di salvarlo con un nome, in modo da non modificare il modello stesso. Nel caso di inserimento di nuove ricette, occorrerà salvare il modello scegliendo il formato xlt. Nel foglio, per il calcolo della EC dell acqua o della soluzione nutritiva, si utilizza l equazione di Sonneveld et al. (1999) sotto riportata: EC (ms/cm) = C * dove C è la somma della concentrazione dei cationi disciolti in soluzione, espressa in meq/l. Nel foglio sono inserite alcune note esplicative sotto forma di commento. Per evidenziarle, occorre posizionare il puntatore del mouse sulle celle che presentano un 129

132 triangolo rosso in alto a destra o su quelle con un punto interrogativo sullo sfondo arancione. Il foglio si divide in sette sezioni: 1 PARAMETRI: in questa sezione vengono richiesti i seguenti input: a) analisi dell acqua utilizzata; b) grado di concentrazione della soluzione stock, c) volume dei contenitori stocks; d) scelta della formula nutritive (specie, EC e ph); 2-3 FORMULE NUTRITIVE e ACIDI E CONCIMI: sono due fogli aventi funzione di database, dove sono riportate le principali informazioni sia per le formule nutritive che per i fertilizzanti da utilizzare, con possibilità di modifica da parte dell utente. 4 CALCOLO: si compone di una tabella dove i singoli elementi sono riportati sulle colonne e i sali utilizzabili per la formulazione delle soluzioni sulle righe. L utente può optare per un calcolo manuale, inserendo accanto ad ogni sale (nella apposita casella gialla) la quantità consigliata dal foglio stesso (rilevabile nella casella celeste); oppure, optare per il calcolo automatico, previa scelta dei sali e acidi da utilizzare (occorre selezione N o S all'inizio della riga del corrispondente sale). Normalmente, nella sezione Calcolo dovrebbero essere attivate (e quindi con il simbolo S presente) almeno 1 acido (nitrico di solito) e almeno un tipo di sale per ogni gruppo. Cliccando sul pulsante "Calcolo Automatico" il foglio procede al calcolo, utilizzando gli acidi e i concimi attivati. Nel caso che, per un dato gruppo di sali, siano stati attivati più di un tipo di sali o di acidi, il foglio li utilizzerà tutti in maniera paritetica. Anche nella opzione automatica l utente potrà comunque modificare le scelte fatte dal foglio stesso. Il calcolo si riterrà concluso quanto TUTTE LE CASELLE PRESENTI SOTTO RIGA DELLA COMPOSIZIONE DELLA SOLUZIONE NUTRITIVA (riga 13) SARANNO DI COLOR VERDE. Se così non fosse, occorre azzerare il calcolo, tramite l'apposito pulsante "Annulla Calcolo" e procedere manualmente al calcolo stesso. 5 STAMPA SOLUZIONE NUTRITIVA: nella sezione sono riportate la valutazione qualitativa dell acqua per uso idroponico, il riepilogo delle caratteristiche della soluzione nutritiva calcolata, la quantità di sali necessari alla preparazione delle soluzioni stock e il loro costo complessivo. Il foglio è preimpostato per la ripartizione del nitrato di potassio nelle due soluzioni stocks in modo da rendere simile la concentrazione salina nelle due soluzioni stocks. Inoltre, nel caso di pericolo di precipitazioni nelle soluzioni stocks, verrà evidenziato un messaggio di errore ed sarà possibile cambiare direttamente la concentrazione delle soluzioni stocks utilizzando l'apposito pulsante, previo inserimento della nuova concentrazione nella apposita casella gialla. 6 TEST PRECIPITAZIONI: nella sezione sono valutate le possibilità di precipitazione per tutti i sali derivanti dalla combinazione dei vari ioni presenti contemporaneamente nel medesima soluzione stock. 7 CONVERTITORE: nella sezione è riportata una tabella per la conversione da ppm (mg/l) a mm per i macroelementi a μm per i microelementi. Nel caso si debba convertire un'analisi di un'acqua irrigua, si può sfruttare direttamente l'opzione di copiare direttamente i risultati nella sezione "Parametri". DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELLE VARIE SEZIONI DI SOL-NUTRI Sezione PARAMETRI La sezione si divide nei seguenti punti: 130

133 Fig. A.2.1. Foglio di calcolo per le soluzioni nutritive SOL-NUTRI 2.1 : visione della sezione Parametri, dove va inserita la composizione dell acqua irrigua utilizzata, i parametri tecnici del fertirrigatore e dove si può sciegliere il tipo di ricetta nutritiva da utilizzare. 1 Acquisizione analisi chimica dell acqua irrigua. Inserire nelle caselle gialle i valori di concentrazione (in mm per macronutrienti, um per i micronutrienti) dei vari elementi presenti nell acqua irrigua utilizzata per la preparazione della soluzione nutritiva: HCO 3 -, N-NO 3, N-NH 4, P, K, Ca, Mg, Na, Cl, Fe, S-SO 4, B, Cu, Zn, Mn, Mo. Nel caso si disponga solo di valori in ppm o mg/l si consiglia di utilizzare il convertitore presente nel foglio stesso: una volta inseriti i valori dell'acqua irrigua in ppm premendo il pulsante "trasferisci i risultati" i risultati ottenuti verranno direttamente ricopiati nella sezione 'Parametri' in automatico. Il foglio elettronico testa il corretto inserimento dei dati dell acqua irrigua confrontando che la somma dei cationi non differisca dalla somma degli anioni per un valore non superiore a ± 1 meq: nel caso che il test fornisca un messaggio di errore, occorre controllare che sia stati inseriti correttamente tutti i dati dell acqua irrigua richiesti. Nelle righe sottostanti, il foglio elettronico fornisce, per ciascun elemento, una valutazione dell acqua per l utilizzo idroponico: il giudizio potrà essere OK (valore basso) o ALTO (concentrazione elevata; potrebbe causare problemi di fitotossicità più o meno gravi). Nel caso in cui il test, per uno o più elementi, fornisca un risultato ALTO, occorre indagare ulteriormente sull effettiva pericolosità dello ione per la coltura scelta. 2 Acquisizione dati fertirrigatore Inserire in questa sezione il grado di concentrazione della soluzione madre desiderato. Sono ammessi solo valori compresi fra 1 e Tuttavia si consiglia di non superare il valore di 250 (possono verificarsi eventuali fenomeni di precipitazione da parte di alcuni sali): nella casella accanto, un test, avverte se detto valore è superato: OK se inferiore al limite o Rischi di precipitazione se superiore. Al fine di calcolare direttamente la quantità di fertilizzante da sciogliere nei contenitori della soluzione madre, il foglio elettronico richiede la capacità dei serbatoi, espressa in litri; è possibile inserire valori compresi fra 1 e Nel caso che si voglia 131

134 procedere al calcolo di piccoli quantitativi di soluzione, si consiglia di inserire un grado di concentrazione fittizia delle soluzioni stock pari a 1000 e i litri da preparare, nella capacità dei contenitori: nella stampa della soluzione occorrerà ricordarsi che le quantità espresse in litri, Kg o grammi saranno rispettivamente in ml, grammi o mg. 3 Scelta formula nutritiva Scegliere la specie e lo stadio fenologico desiderato nella finestra a discesa. Se nella finestra non è contemplata la specie o lo stadio fenologico desiderato, inserire una propria ricetta dalla sezione FORMULE NUTRITIVE. Nelle formule nutritive, non vengono di solito riportate le concentrazioni di Na e Cl ritenuti ioni non essenziali; inoltre, la concentrazione di S-SO 4 deve essere considerata indicativa; infatti, nel calcolo della soluzione nutritiva, i sali di questo elemento, sono quelli utilizzati per bilanciarla dal punto di vista elettro-chimico e quindi è possibile valori superiori o inferiori a quelli pre-scelti. Un test indicherà, per ogni elemento se il valore è troppo alto: nel caso, la modifica dovrà essere effettuata nella sezione "FORMULE NUTRITIVE". Successivamente, nel box Scelta ph selezionare il ph desiderato (range ) cliccando sui pulsanti per aumentare o diminuire il valore. Accanto al BOX Scelta ph, il foglio elettronico calcolerà automaticamente la EC della soluzione nutritiva finale prevista in base all acqua a disposizione e alla ricetta scelta. Nel box EC (ms/cm) desiderata inserire un nuovo valore di EC solo se la EC prevista non e accettabile per la coltura in esame. Il nuovo valore di EC, dovrà essere compreso fra quello dell acqua e 12 ms/cm. Un apposito test segnalerà eventuali errori nella scelta di EC: es. Valore di EC troppo simile a quello dell acqua irrigua! o Valore di EC troppo elevato!, rispettivamente, quando la conducibilità impostata sarà inferiore di 0,5 ms/cm o superiore di 2,8 ms/cm rispetto a quella dell acqua irrigua). In base alla EC inserita, il foglio calcola, nelle righe sottostanti le nuove concentrazioni della soluzione nutritiva, tenendo conto dell acqua di partenza. Se tali valori risultano troppo elevati rispetto alla concentrazione massima utilizzate normalmente nelle soluzioni nutritive, le celle assumeranno sfondo di colore rosso. In questo caso, occorrerà verificare se la ricetta risultante è adeguata per la coltura in esame. Se la composizione finale non è soddisfacente, si può modificare la ricetta iniziale nella sezione RICETTE NUTRITIVE o scegliere un nuovo valore di EC, dopo aver annullato la scelta precedente cliccando sull apposito pulsante ANNULLA SCELTA EC posto accanto alla casella di inserimento. Sono infine riportati, in base alla ricetta scelta e all'acqua irrigua selezionata, i rapporti molari fra azoto e potassio, fra azoto ammoniacale e nitrico e quello fra K:Ca:Mg, fatta uguale ad 1 la somma dei tre cationi. Sezione "ACIDI & CONCIMI" In questa sezione sono pre-inserite le concentrazioni dei sali e degli acidi a disposizione per la preparazione delle soluzioni. L utente dovrà controllare la corrispondenza dei dati con quelli riportati in etichetta. Si ricorda che le percentuali riportate in etichetta di P, Ca, Mg e S sono espresse in una forma chimica differente da quella utilizzata per il calcolo in idroponica: il foglio elettronico procederà in automatico alla conversione da P 2 O 5 a P, da K 2 O a K, da MgO a Mg, da CaO a Ca, da SO 3 a S. Inserire anche il costo dei singoli fertilizzanti, espresso in Euro/Kg o Euro/L, se si desidera avere informazioni sul costo totale della soluzione. Nella parte Acidi per la neutralizzazione, l utente dovrà controllare se la percentuale e la densità degli acidi sono corrette. Eventuali informazioni sono riportate nei commenti associati alle celle 132

135 contenenti le formule degli acidi. Nella parte Idrosolubili complessi, si possono inserire fino a tre diversi idrosolubili complessi non contenenti Ca: in questo caso, l utente deve tener presente che il calcolo di bilanciamento della soluzione dovrà essere fatto per tentativi e che un bilanciamento perfetto della soluzione nutritiva potrebbe essere impossibile. Eventuali idrosolubili complessi contenenti Ca debbono essere inseriti nella sezione sali contenenti calcio, in modo da ottenere una corretta suddivisione dei sali nei contenitori della soluzione madre. Nelle prime due posizioni della sezione microelementi è possibile inserire miscele commerciali di microelementi: si ricorda che nel caso si utilizzino queste miscele, il corretto bilanciamento di tutti i microelementi potrebbe essere impossibile. Infine, viene riportato il cloruro di sodio (NaCl) che talvolta è utilizzato per innalzare la EC delle soluzioni nutritive (es. nelle colture di pomodoro-cherry). Fig. A.2.1. Foglio di calcolo per le soluzioni nutritive SOL-NUTRI 2.1 : visione della sezione Formule nutritive, dove si possono inserire, memorizzare e/o modificare ricette nutritive, fino ad un massimo di 50 diverse ricette. Per ogni ricetta è previsto un test per la verifica della correttezza dei dati inseriti (equilibrio chimico). Sezione FORMULE NUTRITIVE Questa sezione presenta già circa 10 formule memorizzate, relative alle principali specie floricole e orticole, ed è predisposto per memorizzare fino a 50 differenti ricette: l utente può modificare le ricette presenti o l inserirne di nuove nelle righe contenenti la dizione zzformula. Una volta inseriti i dati richiesti per ogni elemento, si può effettuare l ordinamento alfabetico in automatico, cliccando sul pulsante d azione Ordina. Nella colonna S, un test in esecuzione automatica controlla che la somma dei cationi e degli anioni, espressi in milliequivalenti, sia simile (tolleranza ± 1 meq); nel caso di un disequilibrio elettrico il test avverte se nella soluzione vi è un eccesso di anioni o di cationi. 133

136 Attenzione: Nel caso si voglia salvare le ricette inserite, è necessario salvare il documento come modello, scegliendo da file il commando salva con nome e nel dialogo-box scegliere da tipo di formato, modello" (xlt) Fig. A.2.3. Foglio di calcolo per le soluzioni nutritive SOL-NUTRI 2.1 : visione della sezione Calcolo, dove si può optare per il calcolo in modalità automatica oppure, per gli utenti più esperti, in modalità manuale inserendo in corrispondenza di ogni tipo di sale o acido la quantità in mg o ml/l. Sezione CALCOLO In questa sezione si effettua il calcolo guidato della soluzione nutritiva. Con il termine "bilanciamento", si intende l'operazione con la quale si calcola la quantità di un dato sale (mg) che dovrà essere aggiunta ad un litro di acqua in modo da ottenere una concentrazione dell'elemento nutritivo considerato pari a quella della formula nutritiva pre-scelta. Il foglio Calcolo deve essere visualizzato in 2 sottofinestre. Quella inferiore dovrà scorrere con il procedere del calcolo, mentre la sottofinestra superiore, dovrà sempre visualizzare, le righe da 1 a 13 dove sono riportati in automatico: la composizione dell acqua irrigua (riga 10); la composizione della ricetta nutritiva scelta (riga 11); il totale della soluzione nutritiva (riga 12) dove il foglio sommerà, per ciascun elemento, alla concentrazione già presente nell acqua irrigua, tutti i contributi derivanti dalle quantità di acidi o concimi inseriti nelle righe sottostanti; il delta (ppm) (riga 13) dove sono riportate le differenze tra i valori della formula nutritiva e il totale soluzione (acqua + sali già aggiunti). Il valore negativo indica che è necessario un apporto di concime contenente quell elemento, mentre un valore positivo denota un aggiunta eccessiva di un concime contenente quell elemento. Quando il bilanciamento dell elemento è raggiunto o pressoché raggiunto, la casella DELTA corrispondente all elemento che si sta bilanciando, passa automaticamente dal colore rosso a quello verde. 134