corso di formazione integrata scientifica e tecnologica (a.s. 2002/03) aspetti chimico-fisici e...
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Corso di formazione integrata scientifica e tecnologica Corso di formazione integrata scientifica e tecnologica (A.S. 2002/03)(A.S. 2002/03)
Modulo 6: Aspetti chimico-fisici e Aspetti chimico-fisici e
biologici biologici dell’ambiente "suolo"dell’ambiente "suolo"
Calendario degli incontri del modulo 6:
Aspetti chimico-fisici e biologici dell’ambiente "suolo”Aspetti chimico-fisici e biologici dell’ambiente "suolo”
1. Ecosistema suolo 06/02 Artov
1. Ecosistema suolo 06/02 Artov
2. Pedogenesi 20/02 Mlib
3. Turnover della sostanza organica nel suolo 27/02 Mlib
4. Ecologia delle popolazioni microbiche del suolo 06/03 Mlib
5. Ciclo dell’Azoto 13/03 Mlib
6. Ciclo del Carbonio 20/03 Mlib
Aspetti chimico-fisici e biologici dell’ambiente "suolo"
2.2. Pedogenesi Pedogenesi
Definizione di suolo
Processi pedogenetici
Orizzonti del suolo
Parte teorica
Esperienze di laboratorio
Campionamento del
suolo Analisi qualitative
Granulometria Permeabilità
Acidità
Calcare
Presenza di N, P, K
Fasi del suolo
Classificazione-
Tipo
2. 2.
PedogenesiPedogenesi
Il suolo è lo strato più superficiale della crosta terrestre
E’ un sistema complesso, eterogeneo di tre fasi: solida, liquida e gassosa. E’ un compartimento di un ecosistema più generale, è un sistema
aperto con un continuo scambio energetico interno ed esterno
E’ una interfaccia molto delicata dell’ecosfera,
difficile e costosa da rinnovare E’ un importante filtro biologico
E’ un insieme di sostanze organiche e minerali ( 50% del volume)
Viene suddiviso in:
E’ la parte esplorata dalle radici e nella quale operano i microrganismi
Definizione e caratteristiche del suolo
Strato attivo (eluviale) 30-40 cmStrato inerte (illuviale)
Sottosuolo
2. 2.
PedogenesiPedogenesi
Sistema eterogeneo complesso costituito da tre fasi (polifasico)Solida
Liquida
Gassosa
Componenteorganica
non vivente5%
Componenteinorganica
45%
Particelle(Si, Ca, Al, Mg, K, Fe)
Scheletro - non disgregato - 2mm
Terra fine
Sabbia Limo Argilla
• Tessitura o composizione granulometrica• Struttura Granular
ePoliedrica Prismatic
aLamellareTerreni privi di struttura: mancanza di
cementanti eccesso di cementazione
Fasi del suolo
Proprietà fisiche dei suoli Granulometria particelle grossolane = sabbia grossa 0,2 mm
sabbia fine 0,2 mm 0,02 mm
particelle fini = limo 0,02 mm 0,002 mm
particelle finissime = argilla 0,002 mm
Porosità volume dei pori compreso tra 40 e 60%
Permeabilità volume d’acqua defluito da un volume noto di suolo nell’unità di tempo. Dipende da: Umidità quantità di acqua che viene trattenuta (con diverse modalità) Aerazione % d’aria che varia in funzione della tessitura e dell’umidità.
Tessitura percentuale delle diverse frazioni granulometriche
Struttura come sono legate tra loro le particelle e come sono disposti i pori
Calore specifico e conducibilità termica
Arg
illa
Sabbia
Lim
o
argilloso
argillosolimoso
franco-argilloso
franco
franco-limoso
-argilloso
sabbioso
sabbioso-franco
franco-limosofranco-sabbioso
franco-sabbioso-argilloso
argilloso sabbioso
limoso
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0100
Triangolo delle tessiture
La percentuale delle diverse frazioni granulometriche determina diversi tipi di terreno:
Franco: questo termine
indica una tessitura in cui non c’è prevalenza di alcuna classe
granulometrica sulle altre.
argillosoargilloso limosolimoso
sabbiososabbioso
e diverse loro combinazioni
Composizione chimica degli strati solidi Soluzioni ioniche e colloidali - Gas presenti Sostanza organica - Humus
Potere assorbente capacità di trattenere le sostanze disciolte
Potere tampone capacità di evitare eccessive variazioni di pH
pH può variare da 5,5 a 8,5 per il terreno agrario
dipende da umidità, clima, tipo di substrato
Reattività delle particelle limo e argilla sono molto più "reattivi" della sabbia, per il numero maggiore di cariche,
prevalentemente negative
Proprietà chimiche dei suoli
OOHAlSi
10 Å
Fasi del suolo
Solida Liquida
Gassosa
Acqua come soluzione circolante di sali, gas e colloidi (25%)
Precipitazioni
Falda
Acqua gravitativa o di percolazione
Acqua capillare
Acqua igroscopica
Acqua di cristallizzazione
Punto di appassimento
Capacità di ritenzione massima = rappresenta il massimo volume di acqua presente in un suolo e corrisponde alla condizione in cui tutti i pori sono pieni. Capacità di campo = corrisponde alla somma dell'acqua capillare e quella igroscopica: acqua che resta dopo lo svuotamento dei macropori.
Fasi del suolo
Solida
Liquida
Gassosa
L’aria tellurica (25%) occupa i macropori di 8 ed è composta
dagli stessi elementi dell’aria atmosferica: N2, O2, CO2, gas nobili.
In anaerobiosi sono presenti CH4, H2S,
NH3…….
Le percentuali di alcuni gas sono diverse da quelle dell’atmosfera:
O2 percentuale minore, limitante
CO2 % maggiore, 0,3 - 3% ; 5 - 10% nella rizosfera, e fino al
20%
2. 2.
PedogenesiPedogenesi
pédon = suolo, terreno + génesis = generazione
Le proprietà dei suoli sono determinate, in via teorica, da 5 fattori:
• Roccia madre
• Topografia • Clima
• Bioma
• Tempo
Ciclo di formazione e di trasformazione del suolo, che ha inizio con l’alterazione della roccia madre, causata da diversi agenti, e giunge alla formazione di composti minerali solubili.
• Evoluzione progressiva• Evoluzione regressiva
Il suolo è una struttura dinamica che ha, nel tempo,
una origineuna vitauna fase terminale
Processi pedogenetici
“Climax” = equilibrio stabile del suolo e della floraIn seguito alla rottura di un equilibrio
I. Il basamento roccioso inizia a disintegrarsi per azione dei cicli di gelo e disgelo, della pioggia e di altri fattori ambientaliII. La roccia si trasforma in materiale incoerente, che a sua volta si decompone in particelle minerali più fini III. I microrganismi presenti contribuiscono alla formazione del suolo favorendo
la degradazione della materia organica e la differenziazione del suolo in orizzonti IV. Infine si raggiunge lo stadio in cui il suolo può sostenere una fitta vegetazione
Fasi della formazione di un suolo
La pedogenesi comprende diverse fasi
1. Disgregazione fisico-meccanica della roccia madre
Particelle
2. Decomposizione chimica e biochimica
Decomposizione
3. Lisciviazione se prevale Evoluzione regressiva
4. Erosione superficiale
Depauperamento di sostanze organiche
5. Assorbimento radicale e microbico
Cicli nutritivi
6. Decomposizione residui organici
7. Humificazione
8. Mineralizzazione della sostanza organica
Diretta
Indiretta
Principali agenti della disgregazione
Fisico-meccanici
Acqua corrente
Vento
Ghiacciai
Crioclastismo
Termoclastismo
Radici vegetali
Chimici e biochimici
Acqua e CO2 Az. solvente
Ossigeno
Organismi viventi
Acqua
Az. idrolizzante
Az. idratante
2. 2. PedogenesiPedogenesi
Profilo del suolo è una sezione trasversale di un suolo
maturo.
O Organico suddiviso in O1 = lettiera
O2 = residui decomposti
A Attivo (eluviale) humus, organico-minerale E Transizione particelle minerali
B Inerte (illuviale) processi anaerobici, radiciC Substrato pedogenetico alterato
R Roccia madre
Orizzonti (profilo
pedologico)
Orizzonte è ogni strato nel profilo, individuato
dal cambiamento del colore e dell’aspetto generale.
Classificazione dei suoli (un esempio)
Questa classificazione definisce le sue classi in base alle caratteristiche morfologiche e di composizione dei suoli, su dati quantitativi e stabilisce una gerarchia di sei categorie: Ordini; Sottordini; Grandi Gruppi; Sottogruppi; Famiglie; Serie (fino a 11000 numeri di classi riferiti a suoli degli Stati Uniti).
Gli ordini sono distinti da alcuni fattori:1. la composizione grossolana, organica e minerale, e la tessitura; 2. il grado di evoluzione degli orizzonti; 3. la presenza o assenza di certi orizzonti; 4. un indice del grado di alterazione dei minerali del suolo.
ORDINI
Alfisuoli La sillaba alf deriva da al e fe, simboli di alluminio e ferro Andisuoli Japan. Ando, suolo scuro Aridosuoli Lat. Aridus, secco Entisuoli La sillaba ent può stare per recente Istosuoli Gr. Histos, tessuto Inceptisuoli Lat. Inceptum, inizio o principio Mollisuoli Lat. Mollis, molle, sofficeOxisuoli Oxi abbreviazione di ossidoSpodosuoli Gr. Spodos, cenere di legnoUltisuoli Lat. Ultimus, ultimoVertisuoli Lat. Vertere, invertire
Campionamento del suolo
Sul suolo si possono effettuare numerose analisi chimico-fisiche e biologiche
In base alla finalità, le analisi del suolo vengono raggruppate in:
1. Analisi di caratterizzazione
2. Analisi di controllo
3. Analisi di diagnostica comparativa
Al fine di ottenere un campione omogeneo e rappresentativo è necessario:
2. Individuare la zona di campionamento
3. Definire il numero e la ripartizione dei campioni (sub-campioni)4. Stabilire la profondità e le modalità di esecuzione del prelievo5. Formare il campione globale (campione mediato) da sottoporre ad analisi
1. Definire l’epoca del campionamento
2. 2. PedogenesiPedogenesi
Attrezzatura per il prelievo dei campioni
Lo strumento più idoneo utilizzato per il prelievo del terreno è la trivella a sonda o carotatrice
Inoltre sono necessari:
Secchi per riporvi i campioni Sacchetti di nylon
Etichette
Telo di plastica
2. Individuazione della zona di campionamentoLa scelta della zona da
campionare è finalizzata al tipo di analisi Analisi di caratterizzazione
la zona da campionare deve avere caratteristiche il più possibile omogenee nell’aspetto fisico, rispetto alle fertilizzazioni e alla copertura vegetale spontanea o coltivata Analisi di controllo
le zone da campionare devono aver subito delle perturbazioni o alterazioni
Legenda:
1) Zona di campionamento
2) Area da non campionare
3) Bordi
4) Aree da non campionare
5) Unità di campionamento
6) Campione elementare
1. Epoca del campionamento varia in funzione delle finalità delle analisi.
Es. Per valutare la fertilità del suolo ai fini della concimazione, è preferibile prelevare i campioni almeno 4 mesi dopo l’ultimo apporto di concimi o ammendanti oppure nel periodo successivo la raccolta del prodotto
3. Numero e ripartizione dei campioni elementari o sub-campioni
Il numero dei campioni deve essere tale da poter effettuare un’analisi statistica in grado di fornire informazioni sull’accuratezza dei dati ottenuti nelle analisiEsistono diverse modalità di campionamento:
Campionamento sistematico Campionamento non sistematico a X o a W
Campionamento irregolare o random
Campionamento sistematico
La zona da campionare viene suddivisa idealmente in unità di campionamento secondo un reticolo di maglie di dimensione opportuna in relazione alla superficie da campionare. Il prelievo deve essere evitato lungo i bordi della zona di campionamento e nelle zone che presentano anomalie
A) Suddivisione della zona da
campionare
B) Reticolo di dimensioni opportune
C) Unità di campionamento
D) Prelevamento casuale del campione
Legenda
3) Bordi 4) Aree da non campionare 5) Unità di campionamento 6) Campione elementare
Legenda
3) Bordi 4) Aree da non campionare 6) Campione elementare
Campionamento non sistematico a X o a W
I prelievi dei campioni elementari si effettuano lungo un percorso tracciato sulla superficie da investigare, ponendo delle immaginarie lettere X o WI risultati ottenuti da questo tipo di campionamento sono meno dettagliati in quanto la superficie del campionamento è meno estesa
Campionamento irregolare o random
I prelievi si effettuano in aree scelte secondo numeri ricavati dalla tabella dei numeri casuali, riportata nei manuali di statistica. I numeri devono corrispondere a precise sezioni numerate della zona da campionare suddivisa in unità di campionamento
4. Profondità e modalità di esecuzione del prelievo
La profondità del prelievo dipende dalle caratteristiche del terreno Nei terreni arativi è preferibile effettuare il prelievo alla massima profondità di lavorazione del suolo
Nei terreni a prato o a pascolo il prelievo deve essere effettuato alla profondità interessata dalla maggior parte delle radici
5. Formazione del campione globale (campione mediato) da sottoporre ad analisi Per analisi di caratterizzazione, i campioni prelevati devono
essere miscelati in modo da rendere il terreno omogeneo
Per analisi di controllo, i campioni prelevati devono essere mantenuti e analizzati separatamente
Il campione mediato finale viene posto in sacchetti di nylon, chiusi ed etichettati. Nell’etichetta devono essere riportate tutte le informazioni riguardanti il campione: la data del prelievo, la profondità, i riferimenti geografici della zona campionata, etc…..
Analisi qualitative di un campione di suolo
1. Esame granulometrico
2. Valutazione della permeabilità
3. Acidità del suolo
4. Determinazione del calcare
5. Determinazione della fertilità del terreno: presenza dei microelementi azoto, fosforo e potassio (N, P, K)
2. 2. PedogenesiPedogenesi
Esame granulometrico
Sospendere 100 g di terreno in 500 ml di acqua ed omogenizzare con una bacchetta di vetro
Lasciare decantare per 24 ore a temperatura ambiente in un cilindro graduato chiuso con parafilm, per evitare l’eventuale evaporazione dell’acqua
Valutare gli strati granulometrici esprimendo le frazioni sedimentate come percentuale in volume
Legenda
1. Sabbia: particelle distinguibili (20% in volume)
2. Sabbia fine: particelle poco distinguibili (30% in volume)
3. Strato omogeneo: limo o argilla ( 50%in volume)
4. Sottile strato di surnatante organico (humus)
H2O
Valutazione della permeabilità
Prendere una bottiglia di plastica, privarla del fondo ed appoggiarla capovolta in un treppiede Chiudere l’imboccatura con una garza ripiegata due volte e fissata con un elastico
Mettere il terreno nella bottiglia fino a raggiungere un’altezza di 15 cm Versare 200 ml d’acqua nella bottiglia e raccogliere per gocciolamento l’acqua gravitazionale in una capsula Petri posta sotto la bottiglia
Calcolare la differenza tra il volume d’acqua versata e quello d’acqua filtrata. Il volume ottenuto (acqua capillare) rappresenta percentualmente la capacità di campo: maggiore è la capacità di campo, più basso è il grado di permeabilità del campione del terreno
Acidità del suolo
Mettere 20 g di terreno in un bicchiere da 100 ml, aggiungere 50 ml di acqua e agitare per 30 minuti. Lasciare depositare il terreno, misurare il pH sul liquido sovrastante con una cartina indicatrice o con un pHmetro, preferibilmente dopo 24 ore.
Determinazione del calcare Mettere pochi grammi di terreno in una capsula Petri, aggiungere con un contagocce acido cloridrico 1N. In presenza di carbonato di calcio si osserva sviluppo di anidride carbonica per la seguente reazione chimica:
CaCO3 + 2HCl CaCl2 +H2O + CO2
Cartina tornasoleH2O
Effervescenza, CO2
HCl 1N
Determinazione della fertilità del terreno - presenza dei microelementi: azoto, fosforo e potassio (N, P, K)
Mettere 10 g di terreno in un bicchiere e aggiungere 100 ml di acqua leggermente acidificata. Riscaldare, agitare per 15 minuti e filtrare.
Ricerca dell’azoto nitrico (NO3)
Mettere 2 ml di filtrato in una provetta e aggiungere ugual volume di acido solforico concentrato. Raffreddare e cautamente aggiungere una soluzione di solfato ferroso. In presenza di azoto nitrico si forma un anello bruno.
Ricerca dell’azoto ammoniacale (NH4+)
Mettere 2 ml di filtrato in una provetta, aggiungere eccesso di idrossido di sodio e riscaldare. I vapori che si liberano emettono l’odore di ammoniaca ed esposti ad una cartina al tornasole la colorano di blu.
Ricerca del potassio (K+)
Mettere 2 ml di filtrato in una provetta, aggiungere una soluzione di acetato di sodio ed una soluzione di acido tartarico. La formazione di un precipitato bianco indica la presenza di potassio.
Ricerca dei fosfati solubili (PO4--)
Mettere 2 ml di filtrato in una provetta, acidificare con poche gocce di acido nitrico concentrato, aggiungere ugual volume di una soluzione di molibdato di ammonio e riscaldare. La formazione di un precipitato giallo indica la presenza dello ione fosfato.