Cenni preliminari sulla nutrizione minerale

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1 Cenni preliminari sulla nutrizione minerale 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).

2 Le funzioni dei nutrienti : 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 chimicofisico (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.

3 Forme chimiche di assorbimento degli elementi minerali. Elemento Forma Azoto N0 3-, NH + 4 Fosforo H 2 PO - 4 (ph<7), HPO -- 4 (ph>7), Potassio K + Calcio Ca 2+ Magnesio Mg ++ Solfo SO -- 4 Ferro Fe ++, Fe +++ * Boro H 2 B0 3-, HB Manganese Mn ++ Zinco Zn ++ Rame Cu ++, Cu + Molibdeno MoO -- 4 *Nota: le forme ridotte sono più solubili di quelle ossidate.

4 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) Ruolo dei microelementi nella fisiologia della pianta.

5 LA GESTIONE DEL RIFORNIMENTO MINERALE Caratteristiche fisico-chimiche della soluzione nutritiva ph OSSIGENO DISCIOLTO CONDUCIBILITA' ELETTRICA TEMPERATURA CONCENTRAZIONE SALINA PRESSIONE OSMOTICA

6 PRINCIPI GENERALI Il controllo della nutrizione minerale coincide con il controllo della soluzione nutritiva Si impiegano soluzioni nutritive caratterizzate da: valori sub-acidi di ph ( ) concentrazioni nutritive relativamente elevate (20-40 mm) Perché? N prevalentemente in forma nitrica; per questo motivo e per il fatto di impiegare generalmente acque alcaline, si ha una continua alcalinizzazione delle s.n.ricircolanti valori ridotti del rapporto K/Ca e K/Mg (1-3; 4-15) rispetto a quelli effettivi di assorbimento (2-10; 10-30); cioè, in termini relativi, si somministra più Ca e Mg rispetto agli effettivi assorbimenti

7 La gestione è caratterizzata da: somministrazione della soluzione nutritiva in base ad esigenze idriche controllo accurato del ph (in genere, acidificazione) reintegrazione nutritiva in base ai valori di EC (mantenimento di prestabiliti set-point di EC) il controllo " a monte" (in fase di preparazione) è solitamente molto più sofisticato e preciso di quello a "valle" (soluzioni di drenaggio, soluzioni ricircolanti, soluzioni nel substrato,... stato nutrizionale delle piante, etc.)

8 EFFETTO DELL'ASSORBIMENTO MINERALE SUL ph DELLA SOLUZIONE NUTRITIVA RADICE An - OH - CO 2 HCO 3 - CO 2 + OH - Cat + H + SOLUZIONE An-= ANIONE (NITRATO, FOSFATO, SOLFATO, CLORURO,...) Cat+= CATIONE (POTASSIO, CALCIO, MAGNESIO, AMMONIO,...)

9 Principali effetti sulla disponibilità dei nutrienti indotte da valori di ph troppo bassi (<4) o troppo alti (>7). ph inferiore a 4 ph superiore a 7 Ustioni alle radici Tossicità di Fe e Mn Carenza di Ca, Mg e P Carenza di P, Fe e microelementi

10 Fenomeni di antagonismo Eccesso N N-NH4+ K P Ca Mg Na Mn Zn Cu carenza K Ca, Cu N, Ca, Mg Cu, Fe, Zn, B Mg, B Ca K, Mg, Ca Fe Mn, Fe Mn, Fe, Mo

11 EC Influenza della EC sulla crescita e sviluppo di una pianta. 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 subottimale. Sopra una certa soglia, la salinità è eccessiva e la crescita è condizionata negativamente.

12 Valori di pendenze (s) e di EC max di alcuni prodotti ortofloricoli. Specie EC max Riduzione % (s) Cetriolo Sonneveld and Van der Burg, 1991 Lattuga Shannon et al, 1983 Melanzana Savvas & Lenz, 1994 Peperone Sonneveld and Van der Burg, 1991 Pomodoro Sonneveld and Van der Burg, 1991 Gerbera Sonneveld et al., 1999 Rosa Sonneveld et al., 1999 Lilium (Star Gazer Sonneveld et al., 1999 Lilium (Conn.King) Sonneveld et al., 1999

13 Attraverso la conducibilità elettrica (EC) siamo in grado di misurare il contenuto degli ioni disciolti (tra questi due parametri esiste una stretta relazione) 1 g/l = 1,4 ms/cm Equazione di Sonneveld (Sonneveld et al., 1999) EC (ms/cm)= 0,095 C +0,19 dove C+ è la concentrazione totale dei cationi (K+, NH4+, Na+, Ca++, Mg++) in meq/l. EC non ha un preciso significato fisiologico; fornisce solo un'informazione relativa al contenuto totale di sali, ma occorre considerare anche che i diversi ioni minerali hanno un diverso effetto su EC in funzione delle proprie caratteristiche fisico-chimiche (carica, dimensione, mobilità in soluzione acquosa)

14 Modi di esprimere la concentrazione di una soluzione Percentuale peso/peso (simbolo % p/p) Indica il numero dei grammi di soluto sciolti in 100 g di soluzione. Es. 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. Es. soluzione di nitrato di potassio al 5 % p/v: aggiungere a 5 g di nitrato di potassio tanta acqua fino ad arrivare al volume di 100 ml Molarità (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

15 Composizione di alcune soluzioni nutritive per idroponica Nutriente (mm) Hoagland (1940) Steiner (1961) Cooper (1979) N P K Ca Mg S

16 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

17 ASSORBIMENTO DI AZOTO (mg pianta -1 d- 1 ) PRIMAVERA ESTATE SETTIMANE DAL TRAPIANTO Curva di assorbimento di azoto di una coltura NFT di melone condotta in due diverse 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.

18 Concentrazione (mg/l) di macroelementi in soluzione nutritive per diverse specie coltivate in idroponica. Specie Ortaggi da frutto Pomodoro Peperone Melanzana Cetriolo Melone media N-NO3 - N- NH P K Ca Mg S Ortaggi da foglia Fragola Rosa Gerbera Crisantemo Garofano Piante in vaso media

19 Specie Concentrazione (ppm) di microelementi in soluzione nutritive per diverse specie coltivate in idroponica. Ortaggi da frutto Pomodoro Peperone Melanzana Cetriolo Melone media Fe B Cu Zn Mn Mo 0,90 0,90 0,90 0,90 0,60 0,90 0,25 0,35 0,35 0,30 0,25 0,30 0,06 0,06 0,06 0,06 0,06 0,06 0,32 0,32 0,32 0,32 0,32 0,32 0,55 0,55 0,55 0,55 0,55 0,55 0,10 0,10 0,10 0,10 0,10 0,10 Ortaggi da foglia 2,20 0,35 0,06 0,32 0,28 0,10 Fragola Rosa Gerbera Crisantemo Garofano Piante in vaso media 1,20 1,40 2,00 2,20 1,40 1,20 1,50 0,30 0,25 0,35 0,35 0,35 0,25 0,30 0,06 0,06 0,06 0,06 0,06 0,06 0,06 0,32 0,32 0,32 0,32 0,32 0,32 0,32 0,55 0,55 0,28 0,55 0,55 0,55 0,55 0,10 0,10 0,10 0,10 0,10 0,10 0,10

20 Sali e acidi utilizzati nelle coltivazioni fuori suolo per l apporto di macronutrienti. Elemento Concentr azione (mg/l) Sale % elemento Solubilità Kg/100 (20 C) N-NO nitrato di calcio N-NO 3 14,5 N-NH 4 1; Ca nitrato di magnesio N 11; Mg nitrato di potassio N 13.;K 38,1 35 acido nitrico 67% N 20,3* - N-NH 4 < 30 nitrato di ammonio N-NO 3 17 N-NH fosfato monoammonico P 12; NH 4 26,6 27 P fosfato monopotassico P 23; K fosfato monoammonico P 12; NH 4 26,6 27 acido fosforico 85% P* 46 - K nitrato di potassio N 13.;K 38,1 35 Solfato di potassio K 43; S fosfato di potassio P 23; K segue

21 Elemento Concentrazi one (mg/l) Sale % elemento Solubilità Kg/100 (20 C) Ca nitrato di calcio N-NO 3 14,5 N-NH 4 1; Ca 19 cloruro di calcio Ca 36; Cl 64 Mg nitrato di magnesio N 11; Mg solfato di magnesio S 13; Mg 9,9 71 S solfato di magnesio S 13; Mg 9,9 71 acido solforico 94% S* 56 - Si 0,5-1,5 Silicato di potassio Si, K Na Cloruro di sodio Na ; Cl In peso/volume (% espressa in Kg rispetto al volume espresso in litri)

22 Sali e acidi utilizzati nelle coltivazioni fuori suolo per l apporto di micronutrienti. Element o Range concentrazione (mg/l) Fe 0,6-3 Solfato ferroso (eptaidrato) Sale % elemento Solubilit à Kg/100 L (20 C) Chelati (EDTA; EDDHA) Fe 6-7 Fe 20; S B 0,20-0,40 Borace (borato di sodio) B 11 6 Cu 1-2 Solfato di rame (pentaidr.) Acido borico B 17 6 Rame chelato Cu 25; S Mn Solfato di manganese Mn 32; S Manganese chelato Mo Molibdato ammonico Mo Molibdato di sodio Mo * In peso/volume (% espressa in Kg rispetto al volume espresso in litri)

23 Principali molecole utilizzate come chelanti del ferro Acido chelante Dietilene Triamino Pentacetico Sigla Range di stabilità DPTA 2-7,5 EtilenDiamino Tetracetico EDTA 4-6,5 EtilenDiamino D-O- Hidrossifenilacetico Hidrossietil Etilene Diamino Triacetico EDDHA 4-9 HEDTA 5-6,5

24 programmatore piranometro riduttore pressione filtro iniettore filtro ph EC linee gocciolanti acqua contalitri elettrovalvola acido stock 1 stock 2 Lay-out di un impianto di colture fuori suolo

25 crescita zona di adeguatezza zona di deficienza zona di tossicità Disponibilità nutritiva (concentrazione) Sono frequenti i consumi di lusso - perché: concentrazioni nutritive elevate condizioni edafiche favorevoli

26 Confronto tra le concentrazioni (mm) delle soluzioni nutritive per idroponica, delle soluzioni circolanti in un normale terreno agrario, e dei substrati impiegati nelle colture in vitro nutriente idroponica terreno colture in vitro (MS) N (<1-2) 4-16 P K Ca Mg

27 si può coltivare in idroponica con soluzioni caratterizzate da concentrazioni nutritive inferiori di uno o più ordini di grandezza a quelle comunemente impiegate? Sì, purchè la concentrazione sia mantenuta costante Perché si utilizzano, quindi, soluzioni nonrealistiche dal punto di vista fisiologico? Per garantire riserva nutritiva Per procedere alla preparazione, al controllo ed alle reintegrazioni sulla base della misura di EC

28 Quale è la formula nutritiva più adeguata? Formula universale o ricetta specie-specifica? Molti lavori hanno dimostrato che: una stessa formula nutritiva consente performance ottime anche in specie diverse formule nutritive diverse consentono, in una determinata specie, la stessa performance In ogni caso, occorre scegliere una formula nutritiva di base e provvedere ad adeguate correzioni in funzione di tasso di crescita e di condizioni ambientali (se rifornimento minerale deve avere una funzione di regolazione della crescita e dello sviluppo

29 Meccanismi per il rifornimento nutritivo alle radici MAIS % I NTERCETT. FLUSSO DI MASSA DIFFUSIONE N P K Mg diffusione intercettamento flusso di massa

30 Meccanismi di rifornimento nutritivo alle radici di piante coltivate con diversi sistemi idroponici sistema densità radicale interc. flusso di massa diffusione TERRENO bassa SUBSTRATO alta NFT alta FLOATING bassa AEROPONICA

31 CALCOLO DELLA 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 della soluzione nutritiva erogata alle piante. I passaggi necessari al calcolo sono i seguenti:

32 1. Scelta della ricetta nutritiva in mg/l; 2. Calcolo della differenza tra la concentrazione dei vari elementi nella ricetta e quella dell acqua irrigua (apporto di nutrienti da effettuare); 3. Calcolo della quantità di acido necessaria per la neutralizzazione dei bicarbonati e delle quantità di N, P,K,Ca, Mg e S apportate; 4. Calcolo, per ciascun elemento, della quantità di concimi da apportare seguendo l ordine qui sotto riportato: Calcio, ammonio, fosforo, magnesio, nitrato potassio (solfato), ferro, microelementi

33 Per raggiungere tutte le concentrazioni desiderate nella soluzione nutritiva e ottenere l equilibrio elettro-chimico, sarà necessario che almeno uno ione sia libero di variare in un range relativamente ampio; questo ione è generalmente il solfato, in quanto le piante sono poco influenzata dalla concentrazione esterna di questo elemento nel range mg/l (S-SO4).

34 Un esempio di calcolo di una soluzione nutritiva, limitatamente ai macroelementi. Ipotesi: soluzione nutritiva per pomodoro; Ricetta (mg l o ppm) : 180 NO3, 14 NH4, 40 P, 330 K, 160 Ca, 30 Mg, 60 S composizione dell acqua di partenza: 168 mg/l di bicarbonati, 3.5 mg/l di K, 61 mg/l di Ca, 18 mg/l di Mg e 19 mg/l di S-SO4 e con nitrati, ammonio e fosfati presenti solo in tracce. Per procedere al calcolo della soluzione nutritiva, è preferibile creare una tabella che contenga tante colonne quante sono gli elementi da bilanciare Esempio foglio Excel

35 NEUTRALIZZAZIONE DEI BICARBONATI meq/l H+ = meq/l( HCO3-) -0.5 Es. 168 mg/l HCO3- = 168/61= 2,75 meq; (2,75-0,5) meq HNO3= 2,25 *63= 142 mg/l; 142/1.41= 100,5 microl = ml/l; 0.101/67%= ml HNO3/L ml/l x 210 mg/ml di acido = 31.5 mg/l di N-NO3 Acido fosforico H 3 PO 4 Acido solforico H 2 SO 4 Acido nitrico HNO 3 Peso formula % Densità (g/ml) Densità ( B) Elemento (mg/ml) 210 N 459 P 563 S meq H+/ml

36 Bilanciamento Sali il primo elemento da bilanciare sarà il calcio acqua = 61 ppm, Ricetta = 160 ppm Da aggiungere: 99 Il sale utilizzato: nitrato di calcio (19% di Ca, 14.5 % di N-NO3 e 1% di N-NH4+): 99 mg/l /0.19 = 521 mg/l di nitrato di calcio che apporteranno anche: 521 mg/l x = 75.5 mg/l di N-NO3 e 521 mg/l x 0.01 = 5.2 mg/l Di N-NH4+.

37 N-NH4+: acqua = 0 ppm, Ricetta = 14 ppm Da aggiungere: 14 5,2 (nitrato di calcio) nitrato di ammonio (17% N-NO3 + 17% N- NH4+). 8.8 mg/l / 0,17 = 51.8 mg/l di nitrato di ammonio, il quale apporterà anche 8.8 mg di N- NO3 Analogo procedimento per tutti gli elementi da bilanciare

38 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. A livello commerciale 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.

39 Per i sali di 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)/ Per il calcolo della quantità di acido o di microelementi il fattore F calcolato è moltiplicato per (mg/l a grammi)

40 soluzioni stock per la soluzione nutritiva del precedente esempio: Ipotesi: grado di concentrazione pari a 1:100; contenitori da 100 litri F = (100 * 100)/ = 0.01 (macro) F= 100*100/1000= 10 =( Acido + micro) acido nitrico: 0,150ml/L x 10 = 1,5 litri nitrato di calcio: 521 mg/l x 0.01 = 5.2 kg; Nitrato di ammonio: 51,8 mg/l x 0.01 = 0,52 Kg; Ecc.

41 Ripartizione dei vari fertilizzanti e acidi nei due contenitori di soluzione stock. Contenitore A Nitrato di calcio Nitrato di Potassio Nitrato di magnesio Nitrato ammonico Chelati (Fe, Zn, Cu, Mn) Contenitore B Acidi ( nitrico, solforico o fosforico) Solfato di magnesio Solfato di potassio Fosfato monopotassico Fosfato di ammonio Cloruri ( K; Na) Nitrati ( di K, Mg, NH 4+ ) Silicato di potassio Acido borico o borace Microelementi da solfati (Mn, Zn, Cu)