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

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

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4 Acqua del suolo: composizione

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

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

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

8 L acqua è una molecola polare L energia del legame idrogeno è compresa tra 0.5 e 10 kcal mol -1. La formazione di legami idrogeno viene detta cooperativa.

9 L acqua è una molecola polare (da Weil & Brady, 2017) Due forze consentono al suolo di trattenere quantità variabili di acqua: 1) la forza di adesione, con cui le superfici solide attraggono molecole d acqua; 2) la forza di coesione, con cui i dipoli di H 2 O si legano fra loro. L acqua fissata per adesione all interfaccia suoloacqua è capace di legare per coesione altre molecole di H 2 O a distanza progressivamente crescente dalle superfici solide. Congiuntamente queste due forze rendono il suolo capace di trattenere percentuali diverse di umidità e di controllarne il movimento e l utilizzazione.

10 Azione delle forze di adesione e di coesione (da Weil & Brady, 2017) Everyday evidences of the forces of cohesion and adhesion

11 La capillarità è il risultato dell azione delle forze di adesione e di coesione che generano tensione superficiale Superficie idrofila Adesione > coesione Superficie idrofoba Coesione > adesione (da Weil & Brady, 2017) Nell interfaccia tra acqua ed aria su sviluppa una tensione superficiale che varia con l inverso del raggio del capillare

12 La capillarità nei pori del suolo Esprime la capacità dell acqua di muoversi nei capillari del terreno contro la forza di gravità. Il fenomeno della capillarità è dovuto all azione combinata delle forze di adesione e di coesione dell acqua. (da Weil & Brady, 2017) Il cammino capillare dell acqua nel suolo segue un andamento tortuoso ed irregolare, legato alla forma eterogenea e discontinua dei pori.

13 Risalita capillare in suoli a diversa granulometria (da Weil & Brady, 2017) Qual è il diametro medio dei pori continui nei suoli sabbiosi?

14 La risalita capillare segue direzioni sia verticali che orizzontali (da Weil & Brady, 2017) Capillary water movement in the field can be both vertical and horizontal.

15 Le caratteristiche fisico-meccaniche del terreno influenzano la conduttività idraulica dei suoli (da Weil & Brady, 2017)

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

17 L acqua compete con la fase gassosa per occupare uno stesso spazio fisico del terreno: la porosità La distribuzione irregolare dell acqua nel suolo è dovuta alla forma eterogenea e discontinua dei pori che la contengono (e la trattengono).

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

19 Classificazione dei pori del terreno sulla base delle loro caratteristiche e funzioni Tipo di pori Caratteristiche Funzioni Pori della riserva Non consentono il drenaggio gravitazionale idrica (0,5-60 µm); dell acqua che rimane disponibile per le piante ed i micropori o capillari microrganismi. Sono abitati da batteri, ife fungine e peli radicali. Quando i pori della riserva idrica sono completamente pieni il terreno si trova alla capacità di campo, quando sono vuoti al punto di appassimento. Trattengono nel suolo l acqua disponibile per le piante Pori residui (0,005-0,5 µm) Ultra-micropori ( < 0,005 µm) L acqua è così fortemente trattenuta da non essere disponibile per le piante. Questi pori sono così piccoli che la maggior parte dei microrganismi non può penetrare al loro interno. Piccoli soluti che diffondono all interno di questi pori sono così protetti dalla decomposizione finchè non diffondono all esterno. Ospitano molecole organiche a basso PM e soluti adsorbiti

20 Pori del suolo e contenuto idrico Esistono forme o frazioni idriche a diversa mobilità perché è diverso il diametro dei pori che possono contenere l acqua nel suolo

21 Pori del suolo e contenuto idrico

22 Le frazioni idriche del suolo: l acqua gravitazionale Identifica la frazione di acqua contenuta nei macropori che, soggetta alla forza di gravità, vinene allontanata dagli strati superficiali esplorati dalle radici e drena verso il basso, attraversando gli orizzonti del profilo e finendo nella falda. Una volta svuotati, nei macropori ritorna l aria tellurica. La sua dinamica è controllata dalla permeabilità del terreno. Velocità di percolazione Suoli molto permeabili: molti metri d -1 Suoli mediamente permeabili: 1-2 metri d -1 Suoli compatti: pochi dm d -1

23 Le frazioni idriche del suolo: l acqua capillare E quella frazione idrica che il suolo riesce a trattenere contro la forza di attrazione gravitazionale nei pori del suolo di dimensione Φ<60 µm (pori capillari o micropori).

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

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

26 Due importanti modalità sono utilizzate per descrivere la quantità di acqua presente nel suolo Contenuto idrico del suolo Contenuto idrico Potenziale idrico Gravimetrico Volumetrico Contenuto idrico gravimetrico o volumetrico Esprime la quantità di acqua presente nel terreno per unità di peso o di volume del suolo e viene sperimentalmente determinato accertando la perdita di peso di un suolo per essiccamento a 105 C fino a massa costante (gravimetrico) o misurazioni di pieno campo (volumetrico). W = M acqua M suolo 100 θ = V acqua V suolo 100 θ = W densità app WFPS = Porosità occupata dall acqua Porosità totale = θ P = W densità app P

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

28 Il potenziale idrico del suolo Misura lo stato energetico dell acqua del suolo (lavoro da compiere per asportare l unità di volume di acqua) Si esprime in bar (1 bar=10 5 Pa) o in atm (1 atm= Pa) Si tratta di una pressione negativa (tensione o suzione) Le piante percepiscono non quanta acqua è presente nel terreno, ma con quanta energia essa è trattenuta (potenziale idrico) Esprime il lavoro che le piante debbono compiere per estrarre l acqua dal terreno L acqua fluisce spontaneamente da zone ad elevato a zone a basso potenziale idrico

29 Le forme idriche nel terreno

30 Le forme idriche nel terreno In relazione alla loro distribuzione nei pori del suolo, si identificano frazioni idriche a diversa mobilità (o disponibilità)

31 Dinamica delle forme idriche nel terreno e loro disponibilità per la pianta

32 Classificazione dell acqua nel suolo Sulla base del valore del potenziale idrico, l acqua nel suolo può essere classificata come: acqua libera o gravitazionale: frazione con potenziale tra 0 e 0.3 bar che corrisponde rispettivamente allo stato dell acqua in un suolo completamente saturo ed alla capacità di campo (completo svuotamento dei pori di trasmissione). acqua capillare: con potenziale tra 0.3 e 31 bar, cioè tra il potenziale dell acqua alla capacità di campo e quello assunto dall acqua in un suolo che contiene solo l umidità che può assorbire da un atmosfera in cui è presente il 98% di umidità (coefficiente igroscopico). Essa rappresenta l acqua contenuta nei pori di diametro compreso tra 0.5 e 60µm. E detta anche acqua disponibile in quanto può essere utilizzata dalle piante. acqua igroscopica: frazione idrica contenuta nei pori residui e negli ultra-micropori con potenziale idrico <-31 bar. Non è disponibile per le piante.

33 Curva di ritenzione idrica nel suolo 500 µm 60 µm 0.50 µm µm (da Weil & Brady, 2017) ø pori La curva del ψ è determinata empiricamente per ciascun tipo di suolo

34 Curva di ritenzione idrica nel suolo

35 Il contenuto idrico di un suolo alla capacità di campo ed al punto di appassimento varia in funzione della sua tessitura e struttura (da Weil & Brady, 2017) Per esaltare la funzionalità biologica, occorre che l'h 2 O occupi il 50-60% della porosità (WFPS=50-60%)

36 Il contenuto idrico di un suolo alla capacità di campo ed al punto di appassimento varia in funzione della sua tessitura e struttura Suoli sabbiosi < suoli limosi < suoli argillosi e ricchi di humus

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38 Componenti del potenziale idrico Ψ = Ψg + Ψp + Ψm+ Ψs Rappresenta il lavoro necessario per mantenere l acqua del terreno ad una certa altezza contro l azione del campo gravitazionale terrestre. E determinato dalla pressione imposta dall H 2 O del suolo in particolari situazioni. Generalmente è pari a 0 bar, ma possono esserci delle eccezioni (>0 bar). E determinato dalla forza di attrazione dalla matrice del suolo sull H 2 O. È importante per suoli non saturati (suoli secchi). L H 2 O fluisce spontaneamente da zone di suolo umido a secco, da macropori e micropori. Dipende dalla granulometria. E determinato dalla concentrazione di soluti nell H 2 O del suolo. Rappresenta il lavoro necessario per spostare l acqua da zone a più elevata concentrazione di soluti a quelle a minore concentrazione. Infatti l H 2 O fluisce spontaneamente da zone a bassa a zone ad alta concentrazione di soluti. E significativo nei suoli salini.

39 Il potenziale idrico (Ψ) nel suolo (da Weil & Brady, 2017) Valori tipici del Ψ aq nel suolo variano da - 0,1 a - 0,5 MPa

40 Il potenziale idrico (Ψ) nel suolo Zona insatura o vadosa Zona satura o freatica (da Weil & Brady, 2017) Il potenziale idrico varia significativamente in relazione al contenuto idrico lungo il profilo

41 Isterèsi Fenomeno idrologico a causa del quale viene ad essere ostacolato l inumidimento quando viene aggiunta acqua al terreno, e l essiccamento quando questa tende ad evaporare. Ciò è dovuto alla coesistenza nel terreno di pori tra di loro comunicanti ma di dimensione diversa, le cui strozzature in corrispondenza dei canali più stretti sono capaci di regolare la tensione idrica. A causa del fenomeno della isteresi, è necessario specificare se il comportamento idrologico di un suolo è misurato in fase di inumidimento o di essiccamento.

42 Determinazione del contenuto d acqua del suolo (da Weil & Brady, 2017)

43 Determinazione tensiometrica del contenuto d acqua del suolo

44 Determinazione tensiometrica del contenuto d acqua del suolo

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46 La riserva idrica

47 Water potential gradient SPAC: Continuum suolo-pianta-atmosfera Concetto proposto da J.R. Phillip nel 1966 atmosfera Atmosphere H 2 O La pianta è un anello del sistema idraulico che collega l H 2 O del terreno con il vapore acqueo dell atmosfera foglia fusto radice suolo Soil H 2 O

48 SPAC: Continuum suolo-pianta-atmosfera (da Weil & Brady, 2017) L acqua si muove attraverso il sistema spontaneamente seguendo un gradiente d energia potenziale. L acqua deve superare punti di resistenza che ne controllano lo spostamento: - il trasferimento dal suolo nella radice assorbente - il transito lungo lo xilema, la stele e le foglie - l allontanamento dagli stomi verso l atmosfera Assorbimento, trasferimento e ritenzione dell acqua nello SPAC sono controllati da: - fattori pedologici - morfo-fisiologia della pianta - condizioni climatiche

49 Water potential gradient SPAC: Continuum suolo-pianta-atmosfera L acqua cade dal suolo nell atmosfera Air outside Y = kpa Leaf Y (air spaces) = kpa Leaf Y (cell walls) = 85.0 kpa Trunk xylem Y = 75.0 kpa Root xylem Y = 70.0 kpa Soil Y = 50.0 kpa L acqua si muove spontaneamente seguendo un gradiente d energia potenziale