RICERCA ITALIANA     

IL RUOLO DELL'AZOTOFISSAZIONE DELLE LEGUMINOSE NELLA GESTIONE SOSTENIBILE DEI TERRENI AGRARI

Università degli Studi di Catania

Abstract

Il rinnovato interesse per le leguminose in Europa, quale elemento essenziale per un'agricoltura sostenibile, è principalmente dovuto alla loro capacità di azotofissazione e più in generale alla possibilità di migliorare la fertilità dei terreni agrari e di produrre proteina alternativa alle farine di origine animali utilizzabile nell'alimentazione animale.
Lo studio dei processi attraverso i quali le leguminose influenzano le condizioni di fertilità dei suoli appare pertanto motivato dell'esigenza di valorizzare adeguatamente le potenzialità di sistemi colturali che comprendano tali specie. Le conoscenze acquisite vanno quindi finalizzate alla individuazione delle combinazioni in termini di genotipi e di pratiche colturali adottabili ai fini dell'ottenimento di rese adeguate in termini quantiqualitativi e dell'incremento della sostenibilità agroambientale dei sistemi agricoli.

Sul piano scientifico e sperimentale, sono oggi disponibili i risultati di precedenti ricerche nazionali, svolte dalla stessa rete di unità di ricerca e finalizzate alla messa a punto dei metodi di misura in campo dell'azotofissazione simbiotica e alla quantificazione del processo di azotofissazione in leguminose foraggere e dal granella.

La ricerca qui proposta mira ad orientare lo studio dei sistemi comprendenti leguminose alla valutazione della loro influenza sulle condizioni del suolo in termini di proprietà fisiche, di dinamiche delle trasformazioni dell'azoto e della sostanza organica e sue frazioni, di contenuto e caratteristiche della componente microbica del suolo.

Verranno impiegati una pluralità di metodi, ma in tutte le sedi di prove di campo i dati di riferimento saranno basati sulla determinazione dell'azotofissazione tramite la misura del rapporto tra isotopi dell'azoto assorbito. Per quanto riguarda invece la valutazione della sostanza organica la stessa verrà operata attraverso metodiche tradizionali ed innovative (sistemi di incubazione, protocolli NMR, PYR-GC-MS)
La ricerca sarà attuata da otto UR in ambienti differenziati per caratteristiche pedo-climatiche e colturali su diverse specie di leguminose da granella, da foraggio e da sovescio. Al Nord Italia si opererà soprattutto nella realtà intensiva della zootecnia in un ambiente della Pianura Padana all'estremo occidentale. La località del Centro Italia lavorerà sulle colline dell'Appennino Marchigiano caratterizzate da sistemi colturali intensivi, dove la reintroduzione delle leguminose potrebbe svolgere un ruolo particolarmente positivo per la conservazione della fertilità dei suoli. Le sedi di Napoli, Potenza e Catania inseriranno le loro ricerche in un contesto alto collinare o montano che vede ancora la presenza di colture foraggere e di seminativi tradizionali. I sistemi colturali delle tipiche zone a grano duro della pianura meridionale tra la Puglia e la Basilicata, saranno studiati dalla sede di Bari. Infine, la sede di Sassari opererà nel tipico ambiente sardo dove la zootecnia e conseguentemente la foraggicoltura conserva un ruolo di particolare importanza e dove si confrontano sistemi foraggeri più tradizionali, spesso oggi certificati biologici. L'ampia e variegata tipologia di ambienti pedo-climatici in cui si svolgeranno le sperimentazione renderà il confronto dei risultati particolarmente interessante anche al fine della successiva calibrazione e validazione di modelli previsionali dei flussi di azoto e delle variazione della sostanza organica in diversi sistemi colturali. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Salvatore COSENTINO Universita' degli Studi di CATANIA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Nell'ottica della prosecuzione e dell'estensione delle ricerche condotte in due precedenti programmi PRIN (1999; 2001), il presente progetto si propone di perseguire i seguenti obiettivi:
- approfondimento dello studio dei fenomeni collegati al processo dell'azotofissazione con particolare riferimento alle dinamiche dell'azoto nel terreno in conseguenza della presenza di specie leguminose in diversi sistemi colturali;
- valutazione dell'influenza esercitata dalle colture leguminose sulla dotazione di sostanza organica e sulla ripartizione della stessa nelle sue diverse frazioni;
- studio dei processi di decomposizione dei residui colturali in risposta a condizioni di umidità e temperature del substrato di incubazione;
- valutazione delle relazioni pianta leguminosa / batterio simbionte in termini di quantificazione del processo di nodulazione e di caratterizzazione dei ceppi batterici;
- determinazione di alcune caratteristiche qualitative della biomassa di sulla in termini di contenuto di fitoestrogeni in relazion agli stadi fenologici ed al procesos di azotofissazione;
- elaborazione e messa a punto di protocolli NMR per la valutazione quali-quantitativa dell'azoto organico, del carbonio organico e della sostanza organica ai fini dello studio delle dinamiche dei composti in parola in relaizone ai sistemi ed alle tecniche colturali;
- elaborazione e messa a punto di protocolli PYR-GC-MS sulla sostanza organica estratta e purificata su suoli provenienti dalle diverse prove sperimentali;
- applicazione dei risultati delle prove di campo ai fini della validazione ed eventuale calibrazione di modelli previsionali per la descrizione dei processi di evoluzione della Sostanza Organica e dell'Azoto nel terreno
A fronte dell'ampia e variegata tipologia di ambienti pedo-climatici e di sistemi colturali tipici delle aree in cui si svolgeranno le sperimentazioni gli studi verranno condotti sui seguenti sistemi:
- prati monofiti di sulla;
- sistemi avvicendati con precessione a prato (erba medica, trifoglio pratense, ginestrino) ed erbaio di leguminose (veccia villosa, favino, veccia comune, trifoglio sotterrenao) e graminacee (loiessa) e colture cerealicole in successione (mais, frumento);
- sovescio;
- tecniche di lavorazione tradizionali del terreno e semina su sodo <<<

Risultati parziali attesi

- bibliografia aggiornata
- elenco e confronto dei protocolli definitivi ed esecutivi
- procedure di analisi
Al termine della prima fase di aggiornamento e organizzazione delle attività previste, saranno prodotti due documenti: l'elenco aggior <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Il concetto di sostenibilità negli agroecosistemi, fa riferimento alla conservazione delle risorse sia naturali che antropiche il cui insieme permette l'ottenimento delle produzioni agrarie (Belcher et al., 2004).
Fra le risorse naturali che compongono il patrimonio degli agroecostistemi la risorsa suolo ha un ruolo centrale nell'ambito di un approccio sostenibile dell'attività agricola (Warkentin, 1995). Tale centralità ha rinnovato l'interesse anche della comunità scientifica sul concetto di "Qualità del Suolo" dal momento che suoli con adeguate caratteristiche qualitative appaiono infatti in grado non solo di sostenere idonei livelli produttivi sia di prodotti agroalimentari che di colture ad uso non alimentare, ma anche di giocare un ruolo fondamentale nel mantenimento degli equilibri naturali degli agroecosistemi e nel miglioramento della qualità delle acqua e dell'aria (Gregorich et al., 1994). La qualità del suolo così intesa può essere collegata a caratteristiche definite "dinamiche" in quanto variabili in un orizzonte temporale di breve-medio termine e connesse alle altre componenti dell'agroecosistema ed in particolare alle attività antropiche (Carter, 2002).
Il dibattito sulla qualità si è quindi concentrato sulle specifiche (in tale ambito definite attributi o proprietà) atte alla sua definizione al fine di permettere sia l'individuazione e classificazione delle diverse categorie di suolo sia il controllo ed il monitoraggio nel tempo delle condizioni del suolo anche in risposta ai diversi sistemi colturali adottati (Karlen et al., 1997; Sojka e Upchurch, 1999; Nortcliff, 2002; Wang et al., 2003).
Tuttavia gli studi rivolti ad una corretta e dettagliata quantificazione di tali fenomeni ed alla comprensione più approfondita dei meccanismi che determinano l'influenza dei sistemi colturali sulla qualità del suolo appaiono a tutt'oggi incompleti quando non sporadici e lacunosi.
A tale riguardo, particolare attenzione meritano i sistemi colturali comprendenti colture leguminose per via della combinazione di effetti diversi sulla qualità del suolo esercitati da tali colture e legati alla fissazione biologica dell'azoto, oltre che al loro apporto di sostanza organica ed alle dinamiche legate alla biomassa microbica.
Due precedenti programmi di ricerca PRIN coordinati dal Dipartimento di Agronomia, Selvicoltura e Gestione del Territorio dell'Università di Torino, U.R. di questo programma, hanno avuto l'obbiettivo di determinare la quantità di azoto atmosferico convertito in azoto disponibile per la crescita delle colture (ammoniacale e nitrati) da parte delle leguminose nei diversi sistemi agricoli italiani (Borreani et al., 2003; Cosentino et al., 2003). La determinazione precisa della quantità di azoto fissato e l'individuazione dei fattori biologici, ambientali e colturali che regolano l'entità dell'azotofissazione costituiscono informazioni di primaria importanza, per rivalutare il ruolo delle leguminose foraggere e da granella nell'ambito degli attuali sistemi colturali, sia intensivi che ad input più ridotti come in agricoltura biologica.
Nell'ambito del gruppo proponente il presente progetto, è stata pertanto maturata una vasta esperienza nel campo della quantificazione dei processi legati alla fissazione biologica dell'azoto in sistemi colturali comprendenti colture leguminose diverse (foraggere, da granella, da sovescio). In particolare sono state valutate le quantità di azoto fissato biologicamente in sistemi colturali diversi ed è stata, altresì, studiata l'influenza di stress ambientali (termico ed idrico) ed agronomici (disponibilità di azoto nel suolo), sul processo nel suo insieme. Un certo rilievo è stato anche posto allo studio delle relazioni biologiche fra colture leguminose e microrganismi azotofissatori. Le analisi coinvolte nelle ricerche descritte sono state realizzate attraverso metodiche diverse quali la diluizione isotopica (realizzata attraverso la somministrazione di 15N marcato), il metodo della differenza, quello dell'abbondanza naturale.
Nell'ambito dei precedenti progetti il lavoro è stato quindi mirato alla quantificazione del processo orientandosi in modo prevalente sulla parte epigea delle colture. Le prove svolte, in particolare, hanno permesso di determinare le quote di azoto da fissazione simbiotica (Ndfa) che sono risultate comprese fra 50 ed 85% nella sulla, fra il 43 ed l'80% nella medica polimorfa, il 45 ed il 70% nel pisello proteico l'85 ed il 90% sia nell'erba medica che nel ginestrino consociate con loiessa. Sono stati inoltre stimate le quantità di azoto assunte dalle colture in successione, risultate pari al 20-25%.
I risultati delle ricerche del primo programma sono stati presentati ad un Convegno a Torino "Ruolo agronomico dell'azotofissazione nelle leguminose foraggere e da granella".
Per quanto attiene alle quantità di N immessa nel suolo in conseguenza del sovescio, le prove effettuate hanno portato a risultati superiori ai 300 kg ha-1, ma naturalmente la reale disponibilità di N per la coltura successiva può essere anche molto differente in funzione dall'intensità di mineralizzazione. Infatti, in prove molto simili condotte a Perugia e Napoli, il favino sovesciato ad aprile prima della semina del mais, a parità di apporti totali (295 e 281 kg ha-1 rispettivamente nei 2 campi), ha fatto registrare percentuali di recupero dell'azoto pari al 60 e 20% rispettivamente nelle due prove (Fagnano et al., 2003; Guiducci et al., 2003).
Attraverso prove di consociazione fra specie foraggere prative, sembra anche essere emerso un trasferimento diretto di azoto fissato biologicamente dalla leguminosa alla graminacea consociata, ed è inoltre emerso come dal punto di vista quantitativo tali trasferimenti siano influenzati positivamente dalla densità di semina della specie leguminose (Cassaniti, 2004).
Infine, con riferimento ai rapporti leguminosa-simbionte si sono isolati ceppi batterici specifici per alcune delle specie allo studio.
Al fine di determinare quantitativamente l'influenza sulla qualità del suolo e pertanto di stimare gli effetti sulla sostenibilità dei sistemi comprendenti colture leguminose, si ritiene adesso necessario spostare l'obiettivo delle ricerche verso i fenomeni che si realizzano nel terreno attraverso una descrizione e quantificazione degli effetti connessi alla coltivazione delle leguminose da granella ed alla adozione di alcune tecniche colturali che prevedano la somministrazione di sostanza organica.
In Italia, le conoscenze agronomiche sulla gestione dell'azoto attraverso l'inserimento di leguminose negli avvicendamenti colturali sono ancora insufficienti a valorizzare appieno le potenzialità offerte dall'azotofissazione biologica. Uno degli aspetti più rilevanti è quello della massimizzazione della disponibilità potenziale dell'azoto fissato per la coltura in successione (Fillery, 1999; 2001), per il quale si dispone di informazioni riferite agli USA, Australia e Nord Europa, non facilmente trasferibili alle caratteristiche pedoclimatiche della collina centro italiana (Crozier et al., 1998; Chalk, 1998; Hauggaard-Nielsen et al., 1998).
Una panoramica sulle proprietà e sui possibili indicatori in grado di definire la qualità del suolo con particolare riferimento alla sostanza organica è stata descritta da Gregorich e coll. (1994) i quali suggeriscono i seguenti attributi:
Carbonio ed Azoto organico: la sostanza organica negli agroecosistema, (che si compone di diverse frazioni, può essere quantificata in termini di C ed N.
Frazione leggera e macroorganica. È a tale frazione che si associa la maggior parte della attività microbica ed enzimatica del terreno (Kanazawa e Filip, 1986) ed anche il tasso di respirazione del terreno appare ad essa strettamente correlato (Janzen et al., 1992). Tale frazione può rappresentare un indicatore valido della qualità del suolo.
Carbonio ed Azoto mineralizzabili: la frazione mineralizzabile rappresenta la quota di sostanza organica prontamente disponibile all'uso da parte della massa microbica e delle piante. Si può rilevare in laboratorio attraverso la misura della CO2 emessa durante prove di incubazione e della frazione inorganica di azoto (Biederbek et al. 1998).
Biomassa microbica. Per l'utilizzo di tali indicatori ai fini del confronto fra sistemi diversi è infine opportuno rapportare i valori di Carbonio di origine microbica misurato al carbonio organico totale (Sparling, 1992).
Inoltre, fra gli attributi enfatizzati dalla maggior parte degli autori appare ad esempio per alla quale tuttavia permangono alcuni dubbi circa l'esatta ripartizione della sostanza organica fra le diverse sue componenti e circa la quantificazione degli effetti legati alle modalità di gestione degli agroecosistemi (Stevenson e Cole, 1999). Infatti, a causa della intrinseca complessità chimica della SOM la rilevazione agronomica si è tradizionalmente limitata alla sola determinazione quantitativa della stessa mediante la valutazione del contenuto percentuale di carbonio organico rispetto al suolo tal quale. Tuttavia, la moderna tecnologia ha consentito lo sviluppo di nuove tecniche analitiche attraverso cui è possibile non solo distinguere quantitativamente il contenuto di sostanza organica, ma anche di valutarne qualitativamente le differenze chimiche in funzione della natura della coltivazione che insiste su suoli differenti (Hatcher et al., 2001). Tra le tecniche più all'avanguardia sono la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) in fase solida (Conte et al., in stampa) e la gas cromatografia con spettrometria di massa e pirolisi (PYR-GC-MS) (Davies et al., 2001; Zang and Hatcher, 2002). La spettroscopia NMR in fase solida consente di analizzare la sostanza organica tal quale (dal momento che essa non è normalmente solubile nei classici solventi per NMR in fase liquida) e nel suolo stesso senza necessità di preventive estrazioni (Piccolo e Conte, 1998).
Uno degli aspetti che è opportuno prendere in considerazione riguarda la modellizzazione del destino della materia organica immessa nel terreno, che può rappresentare un valido strumento per ottenere informazioni utili a fini previsionali.
A questo scopo il modello DAISY, sviluppato presso il Department of Agricultural Sciences of the Royal Veterinary and Agricultural University of Copenhagen (Denmark), ha fornito risultati apprezzabili sulla simulazione delle variazioni delle caratteristiche chimiche e biologiche di substrati diversi (Abrahamsen, P.,1999; Hansen, S., 2002). DAISY è un modello di simulazione deterministico, composto da numerosi sottomodelli che riguardano la produzione delle colture, la dinamica dell'acqua e dell'azoto nel suolo, le modalità di gestione agronomica nei sistemi colturali. I processi considerati sono relativi ai meccanismi di trasporto dell'acqua, del calore, di trasformazione del carbonio e dell'azoto secondo le più aggiornate conoscenze scientifiche.
Le indicazioni che si possono ricavare per ciascun sistema colturale riguardano:
il destino dell'azoto nel terreno nelle sue varie forme, organico, ammonico e nitrico, rispetto alla disponibilità per la pianta ed alla mobilità nel terreno anche a fini ambientali;
la trasformazione della materia organica di differente origine in humus stabile a più lenta degradazione utile per la struttura del terreno e humus labile a più veloce mineralizzazione
lo sviluppo della biomassa microbica nel terreno.
I processi idrologici includono l'intercettazione delle precipitazioni da parte della coltura, l'evaporazione dalla coltura e dal terreno, la traspirazione dalle piante, l'assorbimento dell'acqua da parte dell'apparato radicale.
La temperatura del suolo è modellizzata risolvendo l'equazione del flusso di calore tenendo in considerazione il trasferimento di calore per conduzione e convezione.
L'umificazione della sostanza organica nel terreno è modellizzata dividendo la sostanza organica in tre frazioni principali che includono i residui della sostanza organica nei residui colturali e nel letame, la biomassa microbica e la sostanza organica in decomposizione. Ciascuna frazione è suddivisa in due sottofrazioni ciascun caratterizzato da un differente rapporto C/N e grado di mineralizzazione. Per ciascuna sottofrazione della sostanza organica o di sostanza organica aggiunta viene modellizzata applicando l'equazione cinetica di primo ordine assumendo che il tasso di mineralizzazione sia influenzato dalla temperatura, del contenuto di acqua e dalla frazione argillosa del terreno.
I processi relativi all'azoto minerale includono la nitrificazione, la denitrificazione, assorbimento da parte dell'apparato radicale delle piante e dai movimenti verticali nel profilo del terreno. La nitrificazione viene simulata applicando una cinetica di primo ordine assumendo che il coefficiente sia influenzato dalla temperatura e dal contenuto idrico del terreno.
La denitrificazione è simulata definendo che il tasso di denitrificazione potenziale sia correlato al tasso di mineralizzazione del carbonio ed alla temperatura
Il modello di assorbimento dell'azoto è basato sul concetto di domanda potenziale di azoto simulata dal modello di accrescimento della coltura, dalla disponibilità di azoto nel terreno e dall'assorbimento della pianta.
La mobilita dell'ammonio nel terreno viene considerata minore rispetto a quella dell'azoto nitrico a causa dei colloidi che è descritta dall'isoterma di assorbimento-desorbimento. Il movimento verticale dell'azoto è modellizzato attraverso una soluzione numerica dell'equazione di dispersione convettiva che integra i processi di trasformazione nel caso dell'ammonio così come nel caso dei nitrati.
In questa ottica viene qui proposta una rete di ricerche sperimentali che operano nella direzione di chiarire meglio quale ruolo possa avere l'azotofissazione delle leguminose quando queste siano impiegate in sistemi colturali sostenibili in diversi areali Italiani e quali fattori ambientali e gestionali più influiscono sull'efficienza delle leguminose nel fissare l'azoto. Questa ricerca segue due precedenti progetti sull'azotofissazione delle leguminose foraggere, avviato nell'ambito di
analoghi programmi cofinanziati dal MIUR e continuato autonomamente dalle UR che qui sono presenti in una successiva stagione di misure di campo e di laboratorio. I risultati, già oggetto di relazione approvata da parte dei competenti organi del Ministero saranno presentati in un prossimo convegno. I principali risultati delle precedente ricerche hanno consentito di definire le più opportune metodologie di campo per la misura dell'azotofissazione. Il programma di ricerca che qui viene proposto si avvale delle acquisizioni della precedente attività, intendendo completarle. <<<