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In sistemi colturali con differenti indirizzi produttivi che caratterizzano aree diverse della Sicilia centro-orientale, la presenza delle colture leguminose, articolata in svariate forme (consociazioni, avvicendamenti, sovesci) ha rappresentato una modalità tradizionale di coltivazione che tuttavia potrebbe essere oggetto di rilancio nell'ambito di un contesto di adozione di principi di agricoltura sostenibile con particolare riferimento alla gestione della risorsa suolo. Ai fini della valutazione dei effetti della presenza di leguminose sulla qualità del suolo appare allora necessario impostare una metodologia di studio di ampio respiro che faccia riferimento al sistema suolo-pianta-atmosfera nel suo insieme. Il programma di ricerca verrà pertanto articolato in tre distinte linee in funzione dei seguenti obiettivi specifici: - bilancio e destino dell’azoto e della sostanza organica nel suolo in sistemi colturali basati sulla presenza di leguminose da foraggio con diverse modalità di utilizzo (Linea A); - studio dei processi di decomposizione dei residui colturali in risposta a condizioni di umidità e temperature del substrato di incubazione (Linea B). - isolamento di ceppi rizobici provenienti da ambienti diversi della Sicilia e valutazione bio-agronomica della capacità di nodulazione in sulla (Hedisarum coronarium L.) (Linea C); - modellizzazione del destino dell’azoto, del carbonio e della biomassa microbica nel terreno nell’ambito dei sistemi colturali studiati nel progetto per mezzo del modello DAISY (Linea D) LINEA A Al fine di caratterizzare i sistemi studiati in relazione ad indirizzi produttivi rappresentativi di contesti diversi della Sicilia centro-orientale, verranno individuate due aree ricadenti la prima nella provincia di Enna a prevalente indirizzo cerealicolo - foraggero e la seconda nella provincia di Messina, area dei monti Nebrodi a prevalente indirizzo foraggero con utilizzo pascolivo. Con riferimento ad entrambe le tipologie di sistemi studiati, le prove verranno anche condotte in ambiente confinato riproponendo in fitocella le condizioni sperimentali studiate in pieno campo. Le due prove in cui il programma verrà articolato risultano pertanto così distinte: Prova A1: Indirizzo cerealicolo - foraggero / Provincia di Enna / Sistemi colturali avvicendati. Prova A2: - Indirizzo foraggero - zootecnico / Provincia di Messina / Sistemi colturali consociati. Fattori allo studio, Disegni sperimentali e tecniche colturali Prova A1 In una area rappresentativa della collina interna della Sicilia centrale, tradizionalmente destinata alle colture cerealicole, verranno studiati sistemi colturali avvicendati di leguminose e frumento duro differenziati in funzione delle specie foraggere e delle tecniche colturali adottate e confrontati con un sistema che preveda la monocoltura di frumento. Allo studio verranno, pertanto posti i seguenti fattori: - avvicendamenti articolato in quattro trattamenti: - Vicia faba subsp minor- Triticum durum - Vicia sativa- Triticum durum - Maggese- Triticum durum - Triticum durum- Triticum durum - modalità di gestione delle leguminose articolate in due trattamenti: - raccolta dell'intera biomassa epigea ad inizio fioritura; - raccolta del seme a maturazione e successivo interramento dei residui colturali. La disposizione in campo delle tesi allo studio sarà realizzata secondo un disegno sperimentale a parcella suddivisa con tre ripetizioni attribuendo la parcella intera alla coltura in precessione e la subparcella alle modalità di gestione della leguminosa. Prova A2 In un'area rappresentativa dei monti Nebrodi nella Sicilia Nord - orientale con indirizzo colturale prevalentemente foraggero-zootecnico, verranno studiati sistemi colturali consociati composti da prati oligofiti di leguminose e graminacee. Trattandosi di colture poliennali, non sono previste differenziazioni in termini di interventi tecnici e di rilievi fra i due anni. Verranno posti allo studio i seguenti fattori: - Composizione del miscuglio con loiessa secondo un disegno di tipo additivo articolato in due trattamenti in funzione della specie leguminosa: - Medica - Ginestrino - Densità di semina di ciascuna specie componente il miscuglio rispetto alla densità ottimale della sola coltura pura articolato in 3 trattamenti: - 100%; - 66%; - 0%. Le tesi sono disposte in campo secondo un disegno a blocchi randomizzati con tre ripetizioni. Le parcelle hanno la dimensione di 30 m2 (5m x 6m). Ai fini dello studio dei processi di azotofissazione per entrambe le prove si farà ricorso al metodo della diluizione isotopica. Al completo insediamento delle colture verrà, pertanto, somministrato concime marcato con eccesso isotopico di 15N (10 atom. %15N) in ragione di 12 unità ha-1 di N. La somministrazione di azoto marcato avverrà all'interno di una subparcella rettangolare di superficie pari a 0,75 m2 (1 x 0,75m), mentre nel resto della parcella verrà somministrata una uguale dose di concime non marcato. Limitatamente alla tesi che prevede la monosuccessione di frumento verranno applicate le dosi di concime caratteristiche della tecnica colturale utilizzata nella zona in esame. Rilievi Rilievi meteorologici Durante lo svolgimento delle prove di campo afferenti ad entrambe le linee verranno acquisiti mediante stazioni meteorologiche elettroniche i dati relativi ai principali parametri meteorici (temperatura massima e minima dell'aria e del terreno, precipitazioni, radiazione solare globale e PAR, evaporato da vasca di classe "A"). Rilievi biometrici Su campioni rappresentativi delle diverse tesi ed in occasione delle raccolte effettuate per la Prova A1 nel primo anno all'inizio fioritura leguminosa, alla maturazione del seme leguminosa ed alla maturazione finale del frumento e per il secondo anno alla levata ed alla maturazione finale del frumento e per la prova A2 in entrambi gli anni alla fase di inizio fioritura della leguminosa in almeno il 50% della parcella, verranno determinati il peso della biomassa epigea ed ipogea fresca e secca. Rilievi chimici sulla biomassa vegetale Sui campioni provenienti dai suddetti rilievi biometrici verranno determinati i seguenti caratteri - azoto organico (metodo Kjeldahl) - rapporto isotopico 15N/14N (spettrometro di massa); Rilievi pedologici Allo scopo di caratterizzare i suoli in cui verranno realizzate entrambe le prove, prima dell’impianto delle prove, verranno prelevati, da cinque punti diversi di ciascun campo, campioni di terreno a tre differenti profondità (fino al 90cm) per la determinazione dei seguenti parametri: - contenuto di N organico (metodo Kjeldahl); - contenuto di N minerale (ammoniacale e forme ossidate - metodo colorimetrico); - contenuto di P assimilabile (metodo Olsen); - contenuto di sostanza organica (metodo Walkley - Black); - contenuto di frazione leggera della sostanza organica (metodo densimetrico); - biomassa microbica (metodo della cloroformio fumigazione incubazione) - conducibilità elettrica del suolo; - costanti idrologiche (mediante piastre Richards); - ph - densità apparente Ai fini dell’analisi del bilancio dell’azoto e della sostanza organica nel corso della prova, in campioni di terreno provenienti da strati compresi fra 0 e 10, 10 e 25, 25 e 60 cm, in tutte le prove delle due linee, verrà effettuata la caratterizzazione chimico-fisica del suolo utilizzando i seguenti indicatori: - azoto totale (metodo ossidativo Dumas); - azoto organico (metodo Kjeldahl); - azoto ammoniacale e nitrico (metodo colorimetrico); - rapporto isotopico nelle diverse frazioni (metodo spettrometrico); - carbonio organico (metodo ossidativo); - biomassa microbica (metodo della cloroformio fumigazione ed incubazione); - frazione leggera della sostanza organica (metodo densimetrico); - densità apparente. In particolare la quantità di azoto nel terreno derivante da azotofissazione verrà calcolata mediante il metodo proposto da Chalk (1998) che si basa sul metodo della diluizione isotopica per differenza fra il contenuto di eccesso isotopico a fine ciclo, diluito nelle tesi con leguminosa per via del processo di azotofissazione che incorpora 14N, e dopo somministrazione di 15N. Al fine di studiare le variazioni dei suddetti caratteri nel corso dell'intera prova i prelievi di campioni saranno effettuati in concomitanza con gli interventi o le fasi fenologiche di seguito indicate: - semina I anno (Prova A1 e A2); - raccolta ad inizio fioritura della leguminosa (Prova A1) - raccolta del seme a maturazione (Prova A1); - sfalci (Prova A2) - semina II anno (Prova A1); - levata frumento duro II anno (Prova A1); - raccolta frumento duro II anno (Prova A1); LINEA B Al fine di approfondire lo studio del destino dell'azoto e delle dinamiche di variazione della sostanza organica dei residui vegetali, attraverso prove di laboratorio verranno studiate le variazione dei processi di decomposizione della biomassa sia epigea che ipogea proveniente dai prelievi effettuati per la linea A in substrati di incubazione sottoposti a condizioni differenti di temperatura ed umidità. Attività di laboratorio In collaborazione con il laboratorio di Plant Nutrition and Soil Fertility dell'Università di Copenhagen sui campioni prelevati a raccolta finale alla fine di ciascun ciclo colturale verranno determinati i seguenti caratteri: - contenuto di azoto (Metodo Kjeldahl ) - contenuto di lignina e cellulosa (metodo van Soest, 1963). Il materiale in parola verrà quindi posto in incubazione in substrato con tre livelli di temperatura dell'aria (5-15-25°C). L'evoluzione dei processi di decomposizione per un periodo complessivo di 56 giorni rilevata con cadenza giornaliera all'inizio dell'incubazione per poi divenire settimanale a partire dalla seconda settimana, verrà studiata mediante l'emissione di CO2 dai campioni in incubazione attraverso metodo di titolazione e mediante la formazione di azoto ammoniacale e nitrico rilevata attraverso analizzatore di flusso (QuickChem FIA+ 8000) con metodo spettrofotometrico. LINEA C La prova ha come obiettivo l'isolamento di ceppi batterici indigeni di ecotipi di sulla (Hedisarum coronarium L.) da diversi ambienti pedoclimatici della Sicilia e la valutazione dell'interazione micro-macrosimbionte sulla capacità azotofissatrice e sul comportamento produttivo di ecotipi e varietà di sulla in ambienti diversi. Nei due anni di prova le ricerche si articoleranno secondo il seguente schema: Primo anno - reperimento di ceppi di rizobio mediante prelievi di campioni di terreno da ambienti diversi della Sicilia; - isolamento dei rizobi mediante crescita su diversi substrati agarizzati fino all'ottenimento di coltura pura; - caratterizzazione delle colture isolate mediante crescita su substrati selettivi (Y.M.A. + C.R., Y.M.A. + BTB, ecc.); - autenticazione mediante inoculazione sul macrosimbionte in ambiente controllato (in condizioni di sterilità del substrato e del seme si effettuerà l'inoculazione con il ceppo desiderato proveniente da singola colonia); - conservazione a basse temperature e/o congelamento dei ceppi isolati; - valutazione dell'interazione ceppo x genotipo di leguminosa in termini di potenzialità azotofissatrici in ambiente controllato e in bancale; - caratterizzazione dei ceppi più efficienti mediante tecniche molecolari basate sulla variabilità genetica a carico del DNA gnomico (RAPD e/o AFLP). Secondo anno - introduzione in due località diverse della Sicilia orientale di varietà ed ecotipi di sulla in presenza ed in assenza di inoculazione con i ceppi selezionati. - isolamento dei rizobi presenti sui noduli per la determinazione della capacità competitiva nei confronti della microflora indigena. Nella prova in pieno campo (II anno) verranno posti allo studio i seguenti fattori: - ambiente, articolato in due trattamenti (area della collina interna ad indirizzo cerealicolo; area montana ad indirizzo foraggero zootecnico); - varietà ed ecotipi diversi di sulla - ceppo batterico di inoculo articolato in un numero di trattamenti variabile in funzione dei ceppi isolati durante il primo anno più un testimone non inoculato. Le tesi verranno disposte in campo secondo un disegno a blocchi randomizzati replicato tre volte. LINEA D I dati che verranno raccolti durante le prove in campo saranno utilizzati per la validazione del modello DAISY sviluppato presso la Royal Veterinary and Agricultural University di Copenhagen. Il modello, sviluppato per ambienti del nord europa (inverni rigidi ed estati miti e piovose), nel corso del primo anno sarà calibrato per le condizioni dell’ambiente mediterraneo (inverni miti ed estati calde e siccitose). Particolare attenzione verrà posta al sottomodello relativo alla mineralizzazione della materia organica ed al destino dell’azoto nel terreno Le variabili guida del modello saranno la temperatura del suolo ed il suo potenziale idrico. Dati di entrata saranno la grana del terreno, la sostanza organica del terreno suddivisa in relazione al suo peso molecolare, la composizione della sostanza organica immessa nel terreno suddivisa in due frazioni (lignina o frazione solubile), eventuali concimazioni azotate, piogge o irrigazioni. La quantità di azoto nel terreno sarà calcolata dalla frazioni di carbonio in relazione al rapporto C/N per ciascuna frazione di materia organica. Dati di uscita del modello riguarderanno, fra l’altro: tasso di mineralizzazione dell’azoto azoto minerale (ammonico e nitrico) disponibile per la pianta azoto minerale perso per lisciviazione biomassa microbica del terreno tasso di immobilizzazione dell’azoto perdite di carbonio dai residui colturali perdite di carbonio per la respirazione di anidride carbonica quantità di sostanza organica decomposta quantità di sostanza organica mineralizzata produzione di sostanza secca della coltura suddivisa in radici, foglie, fusti e frutti. Il modello verrà calibrato con i dati ottenuti in ambiente controllato prodotti da questa unità di ricerca nella linea di ricerca n.2. Successivamente sarà applicato ai dati ottenuti da tutte le unità di ricerca afferenti al progetto nelle prove condotte in campo. A questo scopo sarà stilato un protocollo omogeneo di raccolta dati necessari alla calibrazione e validazione del modello.
