RICERCA ITALIANA     

Evoluzione, stabilità e dinamica delle componenti organiche dei suoli per una loro definizione genetica e funzionale

Università Cattolica del Sacro Cuore

Abstract

Le sostanze umiche sono un insieme di macromolecole interessate a numerosi processi chimici e biologici di notevole importanza per la fertilità del suolo e per gli equilibri ambientali e costituiscono un'importante fonte di carbonio, essenziale per la sopravvivenza della biomassa del suolo e, più in generale, per il funzionamento dell'ecosistema (Stevenson, 1994).
La caratterizzazione quali-quantitativa della sostanza organica del suolo avvalendosi di tecniche cromatografiche, spettroscopiche, potenziometriche, termogravimetriche, calorimetriche a scansione differenziale e isotopiche, oltre ai parametri di umificazione, può fornire un contributo decisivo alla corretta classificazione degli orizzonti diagnostici.
Il carbonio organico è ritenuto un descrittore "statico" o all'equilibrio, in quanto permette di individuare solo cambiamenti nel lungo periodo. Altri indicatori, definiti descrittori "dinamici", sono invece particolarmente sensibili nel segnalare cambiamenti di stato nel breve periodo e tra questi vanno ricordate le cinetiche di mineralizzazione del carbonio della biomassa microbica.
Per completare la caratterizzazione delle sostanze umiche verranno valutate anche il grado di stabilità dei composti organo-minerali, la biomassa microbica, le attività enzimatiche, la biodisponibilità dei metalli pesanti e loro interconnessioni quali strumenti utili al raggiungimento degli obbiettivi propri del programma di ricerca.
La quantificazione delle dinamiche della sostanza organica del suolo e del suo ruolo nell'individuare i processi pedologici e le proprietà relative, è particolarmente importante perchè può essere assunta come base per aggiornare la definizione genetica e funzionale di alcuni suoli particolarmente importanti sotto il profilo tassonomico. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Sandro SILVA Università Cattolica del Sacro Cuore

Obiettivo del Programma di Ricerca

Individuazione, caratterizzazione ed evoluzione dinamica della sostanza organica in tutte le sue forme nella pedogenesi dei profili considerati.
Obbiettivi intermedi per fase:
1. Individuazione delle tipologie più rappresentative di suoli da indagare, con caratterizzazione degli orizzonti più significativi per quanto riguarda la dinamica della sostanza organica mediante bilanci quali-quantitativi delle componenti organiche e frazioni umificate; controllo interlaboratorio tra le varie unità analitiche per quanto concerne alcune metodologie ufficiali di analisi (Corg,N Kieldahl, granulometria) per la verifica dell'accuratezza e precisione analitica.
2. Quadro generale di caratterizzazione chimica, biologica e microbiologica proveniente dalla determinazione di opportuni parametri/indicatori stimati dalle analisi del materiale proveniente dagli orizzonti pedogenetici scelti;
3. Valutazione dei nuovi indicatori miranti a definire, per suoli agrari e forestali, una loro riclassificazione genetica e funzionale, atta a integrare i parametri classici (es. colore, contenuto di Corg) presenti nelle classificazioni tassonomiche più in uso. <<<

Risultati parziali attesi

Fase 1) Individuare le delineazioni pedologiche rappresentative della problematica oggetto di studio, con orizzonti tipici della tipologia dei suoli prescelti. Uno dei risultati attesi è anche costituito dall'accuratezza e precisione dei metodi su parametri standard indagati da tutte le unità di ricerca.Fase 2)
Risultato atteso è quello di pervenire ad un approccio analitico multidisciplinare di tipo chimico, biologico e microbiologico, che consenta di meglio caratterizzare e identificare i suoli oggetto dello studio.Fase 3.
Ridefinizione o riclassificazione dei suoli indagati sulla base degli indicatori individuati nella fase 2, anche in termini di sostenibilità ambientale. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

L'emissione di gas derivanti dall'attività antropica ha portato ad un netto aumento della temperatura dell'atmosfera terrestre con notevoli conseguenze per l'intero pianeta. Il principale responsabile è il biossido di carbonio rilasciato principalmente dalla combustione di combustibili fossili, la cui concentrazione nell'atmosfera è aumentata del 30% rispetto a quella dell'era pre-industriale. Anche la deforestazione ha contribuito notevolmente all'aumento di CO2. Nell'anno 1990 il World Resources Institute ha stimato un'emissione di CO2 per deforestazione pari a 6 G t (giga-tonnellate) di C.
Da questi dati allarmanti nasce l'urgenza di intervenire a tutti i livelli con azioni di mitigazione che siano in grado di ridurre e assorbire le quantità di CO2 prodotte, come è stato stabilito con l'accordo di Kyoto e la Conferenza di Bonn. Poichè il suolo costituisce la riserva più importante di C, una buona conoscenza dell'evoluzione, della stabilità e delle dinamiche delle componenti organiche del suolo può portare a garantirne la conservazione, riducendo quindi i livelli di CO2 a livello dell'atmosfera, nonché a preservare quelle proprietà del suolo che dalla sostanza organica sono fortemente influenzate, contribuendo quindi a garantirne globalmente la sua funzionalità.
La sostanza organica (S.O.) ha infatti un ruolo determinante nell'assicurare la buona qualità del suolo in quanto rappresenta un substrato nutritivo ed energetico per gli organismi del suolo (Schnitzer, 1986; Stevenson, 1994) ed una fonte di nutrienti per le piante, aumenta la capacità di scambio cationico del suolo, influenza la biodegradabilità, la persistenza e la reattività di sostanze xenobiotiche nonché la chelazione di elementi micronutritivi e la detossificazione da metalli pesanti. Garantisce inoltre una buona struttura del suolo per l'aumento della porosità e della stabilità degli aggregati, che si riflette in buon drenaggio e aerazione, aumento della ritenzione idrica e riduzione dei fenomeni erosivi. Il contenuto di S.O. risulta quindi essere un buon indicatore ambientale in quanto si correla con numerosi aspetti della produttività e della sostenibilità degli agro-ecosistemi e della conservazione dell'ambiente (Smith et al., 2000).
Lo studio dell'evoluzione e delle dinamiche non può prescindere da un'approfondita caratterizzazione della struttura e composizione della sostanza organica, che, data la sua complessità e eterogeneità, è spesso oggetto di studi e di controversie scientifiche. La caratterizzazione quali-quantitativa del carbonio organico nel suolo può fornire inoltre un contributo decisivo alla corretta classificazione di quei suoli in cui i processi pedogenetici sono fortemente influenzati dalla sostanza organica.
La sostanza organica del suolo si può suddividere in sostanze non umiche e sostanze umiche (SU). Mentre le prime includono tutti quei materiali con caratteristiche chimiche ancora riconoscibili, come carboidrati, proteine, amminoacidi, acidi nucleici, lipidi, cere, resine, le sostanze umiche non appartengono ad alcuna categoria di composti biochimici, ed è difficile trovare una definizione essenziale che le descriva in modo soddisfacente (Hayes e Clapp, 2001; MacCarty, 2001). Sono genericamente sostanze naturali, presenti in suoli, sedimenti e acque naturali, che risultano dalla decomposizione di residui vegetali e animali (MacCarthy, 2001; Schnitzer e Khan, 1972) e dall'attività di sintesi dei microrganismi (Schnitzer, 1978). Le sostanze umiche sono coinvolte in numerosi processi chimici e biochimici di notevole importanza per la fertilità del suolo e per gli equilibri ambientali e rappresentano circa il 50% del carbonio organico presente sulla Terra, costituendo pertanto anche un importante sink del carbonio refrattario alla mineralizzazione, essenziale per la sopravvivenza della biomassa vivente del suolo anche in condizioni avverse e più in generale per il funzionamento dell'ecosistema (Stevenson, 1994). Si tratta di sostanze amorfe, di colore dal giallo al bruno, di natura mista, aromatica e alifatica, chimicamente complesse, con caratteristiche polielettrolitiche e con massa molecolare variabile da poche centinaia ad alcune migliaia di daltons (Schnitzer, 1978). Alcuni, tuttavia, non ritengono trattarsi di molecole di elevate dimensioni, ma piuttosto di composti di peso molecolare relativamente modesto uniti da legami deboli (Burdon, 2001; Piccolo, 2001). Questi composti presentano una resistenza alla degradazione fisico-chimica elevata, superiore a quella dei composti di partenza. Tale caratteristica è, almeno in parte, attribuibile all'intima associazione di tali molecole con i colloidi del suolo e al loro intrappolamento all'interno degli aggregati, che ne ostacola l'accessibilità ai microrganismi e agli enzimi (Schnitzer, 1978).
Convenzionalmente e operativamente la sostanza organica del suolo è suddivisa in diverse frazioni sulla base della loro solubilità in un mezzo acquoso in funzione del pH, quali sostanza organica solubile (DOM), acidi fulvici (FA), acidi umici (HA) e umina.
Al fine di caratterizzare le SU e umo-simili, come tali, frazionate in base alla solubilità in mezzo acquoso in base alla diversa massa molecolare nominale (NMW), sono state utilizzate diverse tecniche analitiche fra le quali quelle cromatografiche (IEF, CE), spettroscopiche (DRIFT; 1H-, 13C-, 31P-NMR e Raman-SERS) e potenziometriche. Ulteriori informazioni si ottengono tramite l'analisi termica (TG, DSC e DTA) che fornisce inoltre dati sul livello di stabilità della sostanza organica del suolo, in quanto i valori di perdita di peso, dovuti alle reazioni di decomposizione e ossidazione termica sono direttamente correlati con la differente composizione della sostanza organica e permettono delle stime sull'abbondanza relativa della componente labile rispetto a quella più stabile.
Sulla base delle informazioni ottenute dalla letteratura è sempre più sentita la necessità di affrontare l'analisi delle strutture molecolari complesse mediante l'ausilio di tecniche analitiche combinate che permettano una descrizione quali-quantitativa completa di questa matrice così complessa. Dall'altra parte, tuttavia, risulta importante individuare indici semplici che permettano tramite analisi di facile effettuabilità di avere informazioni circa le dinamiche della sostanza organica, l'effetto sulle proprietà del suolo, in particolare sulle reazioni di stabilizzazione della sostanza organica, nonché l'effetto sui processi pedogenetici. Valutare la bontà di indici semplici con la caratterizzazione analitica completa della S.O. del suolo permetterebbe un miglioramento del livello di fiducia nell'applicazione di tali indici. Tra quelli maggiormente utilizzati sono i parametri di umificazione che permettono di interpretare con maggiore immediatezza i dati analitici di carbonio organico totale, estraibile e umificato (Sequi, 1986). Il tasso di umificazione (HR) informa sull'entità della frazione umificata di un terreno rispetto alla S.O. totale. Il grado d'umificazione (DH) fornisce un dato relativo alla qualità della sostanza organica estratta; esso oscilla da 0 a 100 ed tanto più è elevato quanto più è elevata l'attitudine di un suolo ad umificare i materiali organici disponibili. L'indice di umificazione (HI) fornisce informazioni sul prevalere dei processi di umificazione rispetto a quelli di mineralizzazione e può essere considerato un indice dell'attività umificante del suolo e della disponibilità di frazioni organiche labili non umificate. Questi parametri possono dare indicazioni sulla capacità del suolo di agire come sink di carbonio, in quanto è possibile discriminare un sistema conservativo, dove si ha accumulo di S.O. da un sistema dove l'attività microbica, invece, è volta principalmente ad un rapido recupero di energia per mineralizzazione della sostanza organica. Tali aspetti si riflettono sul ruolo più generale della S.O. nel suolo per cui questi parametri possono essere utilizzati al fine di valutare la qualità del suolo stesso e potrebbero anche essere utilizzati per la classificazione di alcuni epipedon diagnostici in aggiunta o in sostituzione dei caratteri attualmente richiesti (colore, contenuto totale di carbonio organico), permettendo ad es. valutazioni dei caratteri di transizione tra epipedon mollici ed umbrici. I processi di stabilizzazione della S.O. nel suolo non sono ascrivibili solo a proprietà intrinseche, dipendenti dalle caratteristiche molecolari, ma anche all'interazione tra la S.O. e le componenti inorganiche che ne possono alterare la degradabilità e all'accessibilità delle molecole organiche all'attacco microbico ed enzimatico (Sollins et al., 1996). Se le caratteristiche molecolari sono adeguatamente descritte con i metodi esposti sopra, la valutazione dell'insieme dei meccanismi di stabilizzazione non può prescindere dallo studio della dinamica della sostanza organica nei processi pedogenetici. Significative quantità di S.O. possono essere ritrovate negli orizzonti minerali più profondi B e C (e.g. Rumpell et al., 2002), in funzione dell'età del suolo e di altri fattori di pedogenesi. Infatti, la datazione (14C) della S.O. ha dimostrato che il C più giovane, strutturalmente più semplice e quindi maggiormente soggetto all'attacco microbico, è localizzato negli orizzonti più superficiali (Kogel Knabner 1993), ma se i fenomeni di eluviazione sono particolarmente intensi, come avviene nei Podzols, presenti in Italia in ambiente montano, quote elevate di sostanze organiche a basso p.m. possono ritrovarsi anche in profondità, negli orizzonti Bh e Bhs. Qualora i processi pedogenetici operanti siano diversi, come avviene ad esempio nei Cambisols, ampiamente diffusi nella Pianura Padana, negli orizzonti minerali si ritrovano forme di Corg maggiormente legate al turnover radicale ed all'attività microbica (Rumpell et al., 2002). Nei Vertisuoli dove invece predomina l'aploidizzazione ci si aspetta che la distribuzione della S.O. nel profilo, nonché la sua dinamica, siano influenzate dai processi di pedoturbazione. Recenti studi sembrano tuttavia contrastare questa ipotesi (Kovda et al., 2001; Dell'Abate et al., 2002) ed indicare un meccanismo più complesso, influenzato non solo dalle caratteristiche chimiche del profilo, ma anche dall'attività microbica (Skjemstad et al., 1996) e dalla mineralogia (Krull e Skjemstad, 2003). Tali dinamiche sono efficacemente studiate con l'ausilio delle tecniche isotopiche, soprattutto tramite il rapporto degli isotopi stabili del carbonio 13C e il 12C. L'isotopo 13C rappresenta approssimativamente 1,11% di atomi di C, e la sua abbondanza viene espressa come delta, deviazione del rapporto isotopico del campione da quello di uno standard arbitrario. Il valore di delta-13C delle piante varia a seconda del ciclo fotosintetico e risulta più basso nelle piante C3 (da -22 a -23 per mille) che in quelle C4 (da -9 a -16 per mille) (Piccolo, 1996). Sfruttando queste differenze, Romkens et al. (1999) hanno studiato le variazioni della S.O. indotte dalla conversione di un suolo coltivato a mais in prato-pascolo, notando come l'aumento era localizzato nelle frazioni più grossolane e nei residui organici non decomposti e come queste stesse frazioni presentavano un turnover molto più veloce di quello della sostanza organica associata alle frazioni fini.
La stabilizzazione della S.O. si verifica anche mediante l'interazione con gli ioni metallici presenti nella soluzione del suolo dove complessi sono i rapporti tra S.O. e metalli pesanti; da una parte la presenza di questi ultimi può influenzare l'attività della biomassa microbica (Brookes, 2000; Leita et al. 1999; Bragato et al., 1998; Leita et al. 1997), descrittore dinamico e più idoneo del contenuto di C organico totale a cogliere variazioni della sostanza organica del suolo nel breve periodo; dall'altra la mobilità e "biodisponibilità" dei metalli per gli apparati radicali è influenzata dalle varie forme presenti di sostanza organica (DOM, HA, FA, etc). Queste ultime, infatti, tramite meccanismi quali complessazione, chelazione, adsorbimento, desorbimento, etc possono indurre modificazioni della forma chimica in cui è presente un metallo, variandone in modo dinamico nel tempo l'attività nella soluzione del suolo e la conseguente accessibilità per gli apparati radicali. Per valutare l'entità di questa frazione "biodisponibile", gli studi del passato, che si basavano sulla diversa selettività di estraenti chimici, usati singolarmente o in sequenza, nei confronti della loro affinità verso le diverse forme presenti di un metallo nel suolo (solubile, legato alla S.O., adsorbito su argille, legato ai carbonati, occlusa), sono stati negli ultimi anni affiancati e/o sostituiti da ricerche con uso di tecniche e modelli più avanzati, basati ad es. sulla speciazione, sulla determinazione dell'attività di ioni liberi in soluzione (Cancès et al. 2003; Temminghoff et al. 2000; Peijnenburg et al. 2003; Sauvé 2003) i quali si stanno rivelando molto promettenti per una più profonda ed esauriente comprensione dei meccanismi coinvolti in queste problematiche. Si ritiene pertanto che studi con l'utilizzo di tecniche cromatografiche oltre a quelle più innovative attualmente disponibili vadano perseguiti per una migliore comprensione dell'influenza di alcune frazioni organiche sulla "biodisponibilità" degli elementi metallici.
Dal punto di visto dello studio della dinamica del C nel suolo particolarmente utili sono gli indicatori che prendono in considerazione la biomassa microbica che, pur costituendo il pool organico più piccolo (< 2% del C totale), è quello più dinamico e quindi più sensibile ai cambiamenti dei fattori ambientali e di gestione del suolo. La biomassa microbica è la componente metabolicamente attiva della S.O. del suolo e partecipa ai processi di trasformazione degli elementi nutritivi, al loro accumulo in combinazioni organiche ed al loro rilascio in forme spesso prontamente utilizzabili dalle piante. Presentando un periodo di turnover molto breve (inferiore ad un anno) è un sensibile indicatore di modificazioni ambientali. Per tale motivo il contenuto di carbonio microbico, il rapporto tra C microbico e il contenuto di C organico totale, il quoziente metabolico (qCO2), definito come il rapporto tra il valore della respirazione basale della biomassa microbica e il carbonio della biomassa, e l'attività enzimatica sono riportati come indici sensibili alle variazioni del contenuto di sostanza organica nel suolo nel breve periodo (Nannipieri, 1984; Powlson et al., 1987).
Particolarmente importanti sono gli studi sulle attività enzimatiche, soprattutto su quelle che partecipano ai cicli biogeochimici degli elementi della nutrizione minerale delle piante. Il ricorso al dosaggio di alcune attività enzimatiche è particolarmente utile per indagare l'impatto provocato sul suolo da applicazione di fitofarmaci, metalli pesanti, rifiuti urbani, liquami zootecnici, concimi. Le attività biologiche divengono così un potente strumento il cui uso integrato tende a definire la conoscenza globale di un suolo e delle sue dinamiche (Brady e Weil, 2002). Le pratiche agronomiche e le azioni di degrado hanno infatti un'influenza diretta su questi parametri e qualsiasi agente o fenomeno che limiti l'efficienza del metabolismo degli organismi del suolo danneggia il funzionamento di tutto il sistema.
L'insieme dei risultati, provenienti da tutte le tipologie di studi proposti, serviranno infine a costruire, un quadro aggiornato e organico delle problematiche attuali concernenti l'evoluzione, la stabilità, e la dinamica della componente organica del suolo, nella prospettiva di formulare ipotesi di lavoro che permettano, attraverso una migliore comprensione dei meccanismi e dei processi coinvolti, di migliorare la gestione del suolo a scopi di sostenibilità ambientale. <<<