Interazione Concime - Terreno

Il presente articolo si pone l’obiettivo di dare rapide, ma non per questo approssimative, indicazioni sul sistema terreno e dell’interazioni con i fertilizzanti utilizzati in agricoltura.
In questa sede non si vuole assolutamente sostituire i testi di chimica del suolo, che devono rimanere un riferimento per la trattazione dell’argomento con professionalità e completezza.
Piuttosto fornire indicazioni di carattere pratico e nozioni che rendano in grado il lettore, di capire come il terreno sia tutt’altro che un ambiente, un fattore, semplice e scontato; di conoscere cosa accada agli elementi (che come poi si vedrà, quasi mai sono elementi puri) che vengono distribuiti al terreno. Infine verrà trattato come esempio esplicativo il caso dell’azoto. Questo perché la concimazione azotata è senz’altro la più diffusa ed importante, inoltre il ciclo biologico dell’azoto, permette di fare alcune considerazioni di carattere prettamente pratico.
In questa occasione non verranno presi in esame problematiche o casi specifici, rimandando la loro trattazione in altre sedi. L’intento, infine, è quello di fornire alcune basi tecniche – scientifiche, dalle quali non può prescindere chi si attinge a trattare la concimazione con razionalità e metodo.

Il suolo

Il suolo agrario presenta alcune caratteristiche peculiari che lo differenziano dal suolo inteso comunemente. Una breve ed esauriente definizione del termine risulta difficile, per l’eterogeneità dell’argomento, la complessità dei fenomeni, per la mole di fattori influenzanti la genesi e il dinamismo dello stesso.
Le varie definizioni che si trovano in letteratura, spesso risentono dell’interesse specifico della disciplina per la quale è rivolta, pertanto se come si è detto, in questa sede si baderà agli aspetti pratici, i puristi del settore, perdoneranno alcune dimenticanze.

Queste le più importanti definizioni di suolo delle varie discipline

• Chimica agraria: sistema disperso plurifasico dello stato superficiale roccioso alterato della crosta terrestre, le cui fasi (solida, liquida e gassosa) concorrono a conferire ad esso la capacità di mantenere la vita vegetale, con possibilità di produzione economicamente redditizia.
• Agronomia: lo strato superficiale della litosfera, permeato di humus e dotato di fertilità
• Pedologia: insieme dei corpi naturali esistenti sulla superficie terrestre, in luoghi modificati o anche fatti dall’uomo con materiali terrosi, contenente materia vivente, che sostiene o è capace di sostenere all’esterno le piante. Ha come limite superiore l’aria o acque poco profonde. Passa per gradi, in profondità, alla roccia compatta o a materiali terrosi privi di ogni forma di attività biologica.

Le strutture adsorbenti del terreno

Come è noto la tessitura del terreno è la classificazione granulometrica delle particelle del terreno, in base alla quale vengono suddivise le stesse in sabbia, limo, argilla e scheletro.








Quelle che conferiscono potere adsorbente al terreno sono le particelle argillose, inquanto le uniche ad avere carica elettrostatica, che come si vedrà è alla base dell’adsorbimento. A questa vanno aggiunte le importantissime sostanze umiche, derivanti dall’umificazione della sostanza organica, che sono complementari e responsabili dell’attrazione elettrostatica.
La capacità del terreno di trattenere gli elementi, non è comunque solo di natura chimica, ma anche fisica e in alcuni casi biologica.

Il potere adsorbente

L’adorbimento è caratterizzato dalla ritenzione temporanea, senza reazione chimica, di ioni e molecole sulle superfici di un solido. In parte è dovuto alla già sopraccitata attrazione elettrostatica ed in parte a fenomeni prettamente meccanici la cui azione può essere ricondotta a quella di un filtro.
Nel suolo le componenti con proprietà adsorbenti sono:

• I minerali argillosi
• Gli ossidi e gli idrossidi
• Le sostanze umiche
• Le particelle di limo ed argilla
  

I processi di “ritenzione” degli elementi forniti con le concimazioni (N,P,K i principali), sono molteplici.
Come detto in precedenza si hanno principalmente i seguenti fenomeni:

• Assorbimento meccanico

Dovuto essenzialmente ad un fattore di porosità delle particelle del terreno, dove le particelle con dimensioni superiori ai pori, vengono trattenute. Si tratta di un fenomeno comunque limitato.

• Assorbimento biologico

In questo caso la ritenzione degli elementi avviene con la temporanea immobilizzazione degli stessi nel ciclo del carbonio. Gli elementi allo stato minerale vengono assimilati dagli organismi del terreno incorporandoli in composti organici che sfuggono alle dinamiche fisico-chimiche del terreno e all’assorbimento da parte di altre forme biologiche.Questo processo è detto organicazione e risulta importantissimo per quanto riguarda elementi come l’azoto.
Ad esempio nei sistemi tropicali, dove il dilavamento costante dovuto alle pioggie eccessive, non permetterebbe alcuna riserva nutrizionale. Il vero motore del flusso di materia, risulta essere la biomassa in generale.
Un sovescio è una forma di assorbimento biologico.

• Assorbimento chimico

Si ha essenzialmente quando un’elemento dapprima in soluzione passa da una forma solubile ad una insolubile che ne porta alla precipitazione. Molti elementi sono difficilmente assorbiti dalle piante proprio per motivi di carattere chimico, e nella maggior parte dei casi per problemi di pH. Tipico è il caso del Fe, che in concomitanza con la presenza di elevato calcare attivo, risulta pressoché immobile nel terreno.

Ai fenomeni sopra descritti occorre aggiungere quello che forse è il più importante fenomeno che interessa l’interazione tra concimi e terreno, ovvero lo scambio cationico.
Come già indicato le particelle umo-argillose hanno proprietà colloidali in grado di generare quello che viene definito complesso di scambio.

• Scambio cationico

E' sempre un processo reversibile che avviene nella zona di scambio fra un materiale solido, dotato di proprietà di scambio e una soluzione di sali. Nel terreno il ruolo di scambiatore è rappresentato dall'insieme di particelle colloidali, che per determinate conformazioni chimiche, che non tratteremo in questa sede, si comportano come molecole a carica negativa. Ad elevati pH si comportano come tali, anche idrossidi di ferro e di alluminio. La superficie totale sviluppata dai colloidi prende il nome generico di processo discambio. La soluzione salina, o meglio, la soluzione circolante rappresenta l'altro fattore di scambio con il complesso di scambio delle componenti colloidali, fornendogli ioni (molecole con carica  elettrica) derivanti ad esempio dagl iapporti fertilizzanti.
La facilità con cui i cationi sono adsorbiti sul complesso di scambio è correlata alla densità di carica e, quindi, in prima analisi, all'elettrovalenza. L'affinità per il complesso di scambio è molto alta nei cationi trivalenti (Al₃₊ e Fe₃₊), diminuisce nei cationi bivalenti (Ca₂₊ e Mg₂₊) e ancora d ipiù in quelli monovalenti (NH₄₊, K+, Na+).
Ai suddetti fattori si aggiunge la concentrazione nella soluzione circolante: l'affinità di una specie ionica per il complesso di scambio aumenta all'aumentare della sua concentrazione nella soluzione.

• Scambio anionico

L'adsorbimento degli anioni è ancor più complesso e segue meccanismi differenti e più complessi. In parte fisici in quanto di natura elettrostastica, in parte chimici perchè basati su reazioni che avvengono sulla superficie del complesso di scambio.
La dinamica di questi fenomeni non è ancora ben chiarita e di facile identificazione. La loro conoscenza è altresì importante, basta ricordare come ad esempio uno dei più importanti anioni sia l'ione nitrato, che come ben si sa presenta sia problematiche agronomiche che ambientali.

E' possibile separare l'adsorbimento anionico in 3 tipi.

1. Adsorbimento negativo
In realtà non è direttamente correlato al potere adsorbente del terreno. Si parla infatti dell'azione repulsiva che i collodi elettronegativi, manifestano nei confronti degli anioni.

2. Adsorbimento non specifico
Interessa lo ione cloruro e nitrato, e dovuto alla presenza di cariche positive presenti sulla superficie di scambio dei collodi. Come si è detto in precedenza questi sono tendenzialmente a carica negativa, ma in particolare per i minerali argillosi di origine dimorfica (come la caolinite) e gli ossidi di ferro e di alluminio, la cosa non è sempre valida.

3. Adsorbimento chimico
In questo caso si ha l'inserimento dell'anione come legante nella sfera di coordinazione di uno ione metallico del complesso di scambio per mezzo di legami covalenti. Si ricorda come un legame covalente si instauri quando vi è la sovrapposizione di due orbitali atomici (ovvero il guscio elettromagnetico degli atomi, dovuti all'orbita degli elettroni), dove si viene a creare una nube elettronica dove si ha diretta attrazione tra nuclei (carichi positivamente) e la coppia di elettroni (carichi negativamente).

Come detto in precedenza, l’argomento è tutt’altro che chiarito e il livello di trattazione necessario per una corretto inquadramento dello scambio anionico, esula l’intento di questo articolo.

C.S.C. Capacità di scambio cationico

La capacità di scambio cationico, abbreviata in C.S.C. è la quantità di cationi che potenzialmente scambiabili dal terreno, il quale li mette a disposizione delle piante e dei microganismi. E' espressa in milliequivalenti per 100 grammi (meq/100g).
Si ricorda come un equivalente, anche detto grammo equivalente sia un'unità di misura di quantità di materia. Essa dipende ed è in relazione alla sostanza considerata.
Lo scambio ionico, ed in particolare di quelli carichi positivamente, ovvero i cationi, rappresenta uno dei principali meccanismi che riguardano il calcio, il magnesio,l'azoto ammoniacale, il potassio ed il magnesio.
Sintetizzando la CSC è un'indice di potenziale fertilità chimica del terreno.

Le cariche negative necessarie per l'interazione con i cationi possono avere origine diversa. Volendo riassumere brevemente come avviene il processo di adsorbimento è possibile fare l’esempio della sostituzione isomorfica.

 








I minerali argillosi sono riconducibili ai fillosilicati (silicati caratterizzati da una struttura a strati a simmetria tetraedrica).
Come è possibile vedere in figura si può avere una  sostituzione isomorfa di un tetraedro silicato con un tetraedro di ossido di alluminio. Mentre il primo ha una carica 4 volte negativa, il secondo ha valenza -5. Ciò si traduce in un'eccesso di cariche negative, che può essere neutralizzata da altre sostituzioni isomorfe oppure con l'adsorbimento di cationi metallici.
Da ciò è anche possibile capire come in caso di ambienti particolarmente acidi, l'eccesso di elettronegatività venga saturato dalla reazione acida della soluzione circolante, rendendo molto problematico l'adsorbimento dei cationi.

Questo non è comunque il solo caso. Ad esempio non viene esposto il caso dei collodi organici che però risultano particolarmente reattivi e con grande potenziale di sostituzione, in grado cioè di creare molti siti di scambio con gli ioni presenti nella soluzione circolante.
Ne consegue che la CSC è più alta nei terreni dotati di sostanza organica ed in particolare di humus, mentre per quanto riguarda la componente minerale, è influenzata positivamente da argille di origine montomorillonitica (argille verdi) grazie all'elevata sostituzione isomorfica.

La densità di cariche elettriche dipende in larga misura quindi da 2 fattori. La natura delle cariche ed il pH del terreno.

In linea di massima è possibile affermare come i terreni argillosi (si intende con tenore medio non superiore al 30-40 %), alle nostre latitudini, in particolare se i minerali argillosi sono riconducibili a vermiculite e montomorillonite siano ben dotati di CSC. Se a questo si aggiunge anche un buon livello di sostanza organica, è possibile avvicinarsi ai livelli dei terreni torbosi, che risultano ai vertici della CSC.







Riassumendo la CSC è un volano chimico. Nel momento di una concimazione si avvia un processo di scambio di ioni a livello di soluzione circolante e colloidi. Più è alta la CSC più lo ione sarà meno soggetto a dilavamento e reso disponibile gradualmente alle radici.

Considerazioni agronomiche

Terreni con bassa CSC

Le concimazioni abbondanti e poco frequenti, come prevedibile aumentano le perdite per dilavamento, specie nel caso di uso di concimi minerali. Questi terreni sono quelli che più si avvantaggiano della letamazione e dell'apporto di sostanza organica, inquanto i colloidi organici apportati vanno a sopperire lo scarso potere adsorbente del terreno.

Terreni con alta CSC

Il dato vada sempre mediato con il pH.
Con pH inferiori a 5 si ha o la saturazione del complesso di scambio o processi chimici di immobilizzazione degli elementi. I terreni italiani, in particolare quelli della pianura padana, generalmente non presentano comunque problemi di acidità elevata.
Con pH superiori a 8 si hanno altri fenomeni di immobilizzazione degli elementi, in particolare del fosforo. Si deve in questi casi ricorrere a concimazioni fogliari o scelta di varietà o portainnesti particolarmente resistenti al pH basici.
Questi terreni si avvantaggiano maggiormente delle concimazioni di fondo, rispetto a quelli con bassa CSC. Più il pH si avvicina alla neutralità, più è possibile sfruttare la potenziale "scorta chimica" della CSC.

Riferimenti e fonti

Bibliografia

• Luigi Giardini, Agronomia generale, Pàtron.
• Pietro Violante, Chimica del suolo e della nutrizione delle piante, Edagricole

Immagini

• www.wikipedia.org
• http://www.smfn.unisi.it/smfn/index.php
• www.ermesagricoltura.it