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La sostanza organica del terreno è l'insieme dei composti organici presenti nel suolo, di origine sia animale che vegetale. Questo insieme, eterogeneo sotto diversi aspetti, è in gran parte compreso fra i costituenti della frazione solida ed è di prevalente origine biologica.
Data la notevole variabilità dei componenti della sostanza organica non è possibile inquadrarla con una definizione che sia al tempo stesso sintetica ed esaustiva. La stessa attribuzione di un'origine biologica sarebbe di per sé riduttiva in quanto una quota, sia pur minima, è di origine sintetica. L'unica proprietà inconfutabile che identifica un componente della sostanza organica è la presenza del carbonio organico, ossia con un numero di ossidazione inferiore a +4.
Fanno parte dell'insieme della sostanza organica:
La classificazione della sostanza organica in pedologia segue due differenti approcci: il primo distingue la sostanza organica in tipi sulla base di caratteristiche morfologiche quali alcune proprietà chimiche, l'aspetto esteriore, la presenza di determinati organismi viventi e fa riferimento ad un aspetto specifico della sostanza organica; il secondo invece è di carattere più generale in quanto distingue la sostanza organica in classi sulla base del grado di decomposizione.
La classificazione secondo classi è un approccio più funzionale in quanto prende in esame lo stadio di evoluzione delle trasformazioni nell'ambito del ciclo del carbonio e si adatta ad essere applicata in un ambito più vasto di quello precedente. Per contro, la demarcazione delle diverse classi non è molto netta a causa della complessità e della sovrapposizione dei processi di decomposizione del terreno
Si distinguono quattro classi, non tutte indicate con una denominazione specifica:
Le quattro classi della sostanza organica sono presenti in tutti i suoli in cui è attivo un processo di decomposizione e umificazione, tuttavia, a parte l'edaphon non sempre sono di facile identificazione. Fanno eccezioni i suoli forestali, nei quali in genere si verifica una marcata demarcazione delle classi lungo il profilo del suolo, con l'eccezione della prima, che per sua natura si sviluppa in parte fuori dal suolo, in parte negli orizzonti superficiali. La seconda classe si localizza nel sottorizzonte L dell'orizzonte O (nella letteratura indicato anche come orizzonte Aooo) e rappresenta la lettiera indecomposta formata da foglie e rami. La terza classe si localizza nel sottorizzonte F dell'orizzonte O e rappresenta la lettiera in via di decomposizione, ricca di ife fungine e pedofauna. La quarta classe si localizza in parte nel sottorizzonte H dell'orizzonte O (humus labile) e in parte nell'orizzonte A (humus stabile).
Come si evince dai paragrafi precedenti, la sostanza organica non s'identifica a rigore nell'humus, anche se spesso si tende ad usare i due termini come sinonimi.
La sostanza organica rappresenta l'insieme degli stadi del ciclo del carbonio che si contrappongono alla fase minerale. In generale il suo ruolo nelle proprietà fisiche e chimiche è secondario e indiretto quando si fa riferimento alle prime tre classi, per quanto sia fondamentale per influenzarne l'evoluzione. Fondamentale è invece il ruolo biologico ed ecologico.
L'humus rappresenta la parte della sostanza organica più attiva dal punto di vista fisico e chimico, influenza più o meno direttamente una parte considerevole della chimica del suolo ed è in stretta relazione con l'attività biologica di assorbimento degli elementi nutritivi. Attraverso i processi di umificazione e mineralizzazione, l'humus è in equilibrio con la sostanza organica del terreno e, sotto l'aspetto ecologico, rappresenta una deviazione reversibile del ciclo del carbonio.
Da quanto detto, è presumibile che una dotazione elevata di sostanza organica non si accompagni necessariamente ad un tenore elevato in humus, con riflessi fondamentali sulle proprietà chimiche del terreno. Un suolo può essere infatti soggetto ad un intenso accumulo di sostanza organica indecomposta a causa di una stentata umificazione o, al contrario, vedere una mineralizzazione rapida e intensa, che sottrae gran parte della sostanza organica ai processi finali dell'umificazione. Queste tendenze sono regolate dal concorso di molteplici fattori, fra i quali sono rilevanti i seguenti:
In passato si è cercato di quantificare questi concetti con i coefficienti isoumici che, almeno in linea teorica, rappresentano un modello di rappresentazione del bilancio della sostanza organica nel terreno, ma che per la complessità dei fattori in gioco ne rendono ardua l'applicazione ai fini pratici se non in linea del tutto approssimativa.
Fermo restando che le proprietà chimiche e fisiche si espletano in gran parte nello stato di humus, alla sostanza organica sensu lato si attribuiscono varie funzioni che, in generale, contribuiscono a migliorare la fertilità di un terreno.
Fra le funzioni fisico-meccaniche si segnalano da un lato gli effetti benefici sulla struttura e dall'altro l'attenuazione dei difetti derivanti da una tessitura non equilibrata:
Fra le funzioni chimiche e fisico-chimiche si segnala in particolare il ruolo svolto nelle dinamiche che regolano la disponibilità e l'assorbimento degli elementi nutritivi, in gran parte dovuto all'aumento del tenore in colloidi:
Fra le funzioni biologiche si segnala il ruolo svolto come substrato alimentare per lo sviluppo della pedofauna e dei microrganismi, ma anche un'azione di stimolazione dell'attività delle radici, che si espleta con meccanismi ancora poco noti e che fanno parte delle dinamiche d'interazione fra radice e rizosfera.
Fra le funzioni ecologiche, a quelle già citate, quali la protezione dall'erosione e la stimolazione dell'attività biologica in generale, va aggiunto l'importante ruolo svolto dalla sostanza organica nell'inattivazione, per adsorbimento di molteplici composti organici ad azione biotossica, sia di origine biologica (polifenoli) sia di origine sintetica (erbicidi e fitofarmaci in generale). I terreni ricchi di sostanza organica sono a tutti gli effetti importanti sistemi di smaltimento che riducono i fenomeni di inquinamento delle falde freatiche. Questo non significa che il terreno possa essere usato arbitrariamente come mezzo di smaltimento di rifiuti tossici provenienti da altre attività antropiche, ma non va trascurato il ruolo della sostanza organica nella riduzione dell'impatto ambientale di diverse sostanze che normalmente arrivano al terreno con l'attività agricola.
Le funzioni positive svolte dalla sostanza organica si riflettono in altrettanti benefici sotto l'aspetto agronomico. Questo concetto non si applica esclusivamente alle tecniche di agricoltura sostenibile (es. l'agricoltura biologica), ma ha una validità di carattere generale in quanto si riflette, oltre agli aspetti ambientali, anche sul costo relativo all'esecuzione di varie tecniche, con particolare riferimento alla concimazione, alle lavorazioni del terreno, all'irrigazione.
I rapporti con la concimazione riguardano in particolare la possibilità d'impostare livelli di fertilità chimica più alti beneficiando del maggiore potere assorbente che, a parità di condizioni, l'humus conferisce al terreno. Dal punto di vista economico va inoltre considerato il vantaggio di ridurre le perdite per dilavamento o per insolubilizzazione che possono riguardare rispettivamente l'azoto e il fosforo e, in casi estremi, le stesse basi quando si opera in terreni con scarso potere assorbente.
Le lavorazioni possono beneficiare delle migliori condizioni strutturali che si instaurano nei terreni che hanno una non trascurabile dotazione in argilla. L'aumento di sofficità che un'alta dotazione in sostanza organica conferisce ai terreni con tessitura fine o finissima si traduce in una minore tenacità e, in definitiva, in una riduzione dei costi energetici delle lavorazioni. Un altro aspetto importante è il miglioramento delle proprietà fisiche nei terreni gestiti con tecniche di non lavorazione attuate sia nei seminativi (sod seeding) sia negli arboreti (inerbimento). L'attuazione di queste tecniche permette di migliorare la dotazione in sostanza organica, a livelli comparabili a quelli di un suolo ricoperto da un pascolo, ed ottenere benefici in termini di resistenza al costipamento e all'erosione e, in generale, una migliore permeabilità.
I benefici sull'irrigazione derivano dalle migliori condizioni strutturali e dall'aumento della capacità di ritenuta idrica dei terreni ben dotati di sostanza organica. Ciò permette di ridurre sia le perdite per percolazione profonda, sia quelle per ruscellamento (qualora si operi in terreni in pendio). Una migliore ritenuta idrica permette inoltre di adottare una maggiore elasticità nell'impostazione dei turni di adacquamento.
In ogni tipo di suolo la dinamica della sostanza organica è la risultante dei processi di umificazione e mineralizzazione, che si svolgono contemporaneamente sia pure con intensità differenti secondo le condizioni pedoclimatiche. Nei suoli naturali le condizioni ambientali sono sostanzialmente stabili, con eventuali variazioni periodiche nel corso dell'anno dovute alla successione delle stagioni; ciò conduce all'instaurazione di un equilibrio dinamico, dal quale scaturisce una determinata dotazione in sostanza organica che può essere alta o bassa in relazione alle condizioni pedologiche, climatiche e vegetazionali. L'alterazione di queste condizioni, come ad esempio un disboscamento, un incendio, uno sconvolgimento climatico genera un aggiustamento delle dinamiche fino al raggiungimento di un nuovo equilibrio, che in genere s'instaura su livelli più bassi.
La messa a coltura di un terreno naturale determina sempre una riduzione del tenore in sostanza organica. Ciò si deve all'alterazione del profilo pedologico causato dalle lavorazioni, alle migliori condizioni di aerazione, determinate dalle periodiche lavorazioni, che privilegiano la mineralizzazione a scapito dell'umificazione, e, in genere, alla riduzione della biomassa umificabile a causa dell'asportazione dei prodotti o della distruzione dei residui colturali. Osservando la dinamica della sostanza organica in un suolo naturale messo a coltivazione si nota una riduzione progressiva della dotazione in sostanza organica e in humus che, dopo un certo numero di anni si assesta a livelli stazionari più bassi. L'eventuale abbandono della coltivazione o l'adozione di tecniche conservative porta ad un lento incremento del tenore ma in genere il nuovo equilibrio si assesta a livelli stazionari più bassi rispetto a quelli del suolo naturale originario.
Il tenore in sostanza organica del terreno agrario è strettamente legato alle tecniche e alle rotazioni adottate in rapporto alle condizioni pedoclimatiche. Diversi sono i fattori che possono influenzare la dinamica.
Le lavorazioni periodiche interferiscono con il profilo e con la composizione della biocenosi edafica, ma soprattutto creano un aumento di porosità che si traduce in una maggiore aerazione e, di conseguenza, in una mineralizzazione più spinta. In generale abbassano dunque il tenore in sostanza organica. L'azione negativa si accentua con le lavorazioni profonde, come l'aratura e con quelle eseguite in epoca primaverile-estiva. Tecniche di gestione conservative come il sod seeding e l'inerbimento riducono notevolmente questo svantaggio.
La fertilizzazione organica è fondamentale per incrementare il tenore in sostanza organica della seconda classe in quanto la biomassa incorporata si aggiunge a quella costituita principalmente dalle radici delle piante. L'efficacia della fertilizzazione è strettamente associata alla natura dei materiali apportati e in particolare ha un ruolo fondamentale il rapporto C/N che influenza il coefficiente isoumico K1[2].
Materiali con elevato rapporto C/N, come la paglia e i residui di potatura, che sono ricchi in lignina e cellulosa e poverissimi in azoto, hanno una decomposizione lenta e difficile, con un basso grado di mineralizzazione e di umificazione, per cui tendono ad accumularsi nel terreno senza contribuire all'umificazione. Tradizionalmente si tende in genere ad evitare l'incorporamento di grandi quantitativi di questi materiali e si asportano e destinandoli ad altri usi o, in alternativa, si bruciano in campo per sfruttare l'effetto concimante della cenere. Questa pratica, se da un lato porta a immediati benefici, nel lungo periodo riduce notevolmente la fertilità potenziale del terreno.
Materiali con basso rapporto C/N, come i liquami, la pollina e altri prodotti di origine esclusivamente animale, sono poveri in lignina e cellulosa e ricchi in azoto di natura proteica. Questi materiali sono di rapida decomposizione, ma orientata prevalentemente alla mineralizzazione. Anche in questo caso il contributo all'umificazione è modesto, tuttavia mantengono elevati livelli di fertilità chimica grazie all'apporto di considerevoli quantità di elementi nutritivi disponibili in tempi relativamente brevi ma facilmente soggetti a perdite.
Materiali con rapporto C/N equilibrato, come il letame e il compost, hanno una composizione mista, in parte di origine animale e in parte di origine vegetale. Questa condizione favorisce la decomposizione e un sostanziale equilibrio fra mineralizzazione e umificazione. In definitiva si tratta dei migliori ammendanti organici, ma per il costo elevato hanno un utilizzo limitato e, in genere, destinato ai regimi colturali più redditizi. Nell'azienda agraria tradizionale aveva un ruolo determinante la presenza dell'allevamento: questa struttura, finalizzata al mantenimento degli animali da lavoro e, secondariamente, alla produzione di latte e carne, permetteva la produzione di ingenti quantitativi di materiale organico umificabile ottimizzando il reimpiego della paglia e delle deiezioni animali. La specializzazione degli indirizzi produttivi nell'agricoltura di mercato ha ridotto notevolmente questa risorsa, incrementando la produzione di materiali organici che singolarmente contribuiscono poco a mantenere buoni livelli di humus nel suolo.
Le rotazioni colturali hanno un ruolo meno evidente ma di grande importanza per la stabilizzazione di un livello di equilibrio a ciclo poliennale. Le colture offrono differenti contributi al tenore in sostanza organica, in relazione alla quantità complessiva di biomassa prodotta e lasciata al terreno come residuo colturale. Per alcune colture l'asportazione di sostanza organica, sotto forma di prodotto sia principale sia secondario, è ingente, mentre per altre la quantità di biomassa residua è tale da contribuire in modo non indifferente al miglioramento del suolo. Su questo concetto si basa la tradizionale distinzione, ormai considerata obsoleta, fra colture miglioratrici (come ad esempio alcune colture da rinnovo e le foraggere) e depauperanti (altre colture da rinnovo e i cereali in generale). La casistica è molto vasta, ma alcuni casi specifici sono tradizionalmente citati nella letteratura come esempi chiave:
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