Rapporto acqua-suolo-pianta: caratteristiche fisico-idrologiche dei suoli

Autori: Alfonso Alongi – Dynamica Srl e Fabrizio Ungaro – CNR-IBE Firenze

Per ottimizzare l’irrigazione e pianificare interventi irrigui adeguati, è fondamentale comprendere sia le caratteristiche del suolo che i suoi principali stati e le transizioni tra questi nella zona dell’apparato radicale. Questi stati sono noti come: saturazione, capacità di campo e punto di appassimento permanente, e rientrano tra le costanti idrologiche. In questo documento vengono brevemente esposti questi concetti, insieme ad altri correlati, quali umidità del suolo, potenziale idrico, tessitura e la relazione tra questi e la crescita delle piante.

Comportamento dell’acqua nel suolo

Il comportamento dell’acqua nel suolo e la sua disponibilità per le piante sono strettamente connessi al termine di energia libera della fisica termodinamica, che è la tendenza dell’acqua a spostarsi da un punto con maggior potenziale idrico a un punto con minore potenziale idrico (differenza di potenziale). In un suolo l’acqua non è comunque libera di “scorrere” ma intervengono altri fenomeni come la capillarità, la forza di adesione alle particelle del suolo, la pressione osmotica e la resistenza esercitata dalle radici delle piante. Questi fattori influenzano la velocità e la direzione del movimento dell’acqua nel suolo, determinando così la disponibilità effettiva di acqua per le piante.

Umidità del suolo θ

L’umidità del suolo, espressa come contenuto volumetrico di acqua, indicato come θ, è la quantità di acqua contenuta nel suolo (relativamente ad uno spessore di riferimento) [m³/ m³] (%Vol). L’umidità può essere espressa anche come percentuale rispetto al peso secco o al volume di suolo [g / g] (%Wt). Come si misura?

Misura del contenuto di umidità – Metodo ponderale

Questo metodo richiede il prelievo di campioni di suolo, fornisce un’accurata misura del contenuto d’acqua ma è distruttivo e laborioso. Il campione di terreno umido viene pesato, messo in stufa a 105°C fino a completo essiccamento e pesato secco. La formula è:

$\Large \theta_{\% \text{Wt}} = \frac{W_w – W_d}{W_d} \times 100 \, \scriptstyle\text{[g/g]}$

dove:

$ \theta_{\% \text{Wt}} = \text{contenuto idrico gravimetrico} $
$ W_w = \text{peso umido del campione di terreno} $
$ W_d = \text{peso secco del campione di terreno (essiccato in stufa a 105 °C)} $

Per passare dall’umidità in funzione del peso a quella in funzione del volume, basta moltiplicare $ \theta_{\% \text{Wt}} $ per la densità apparente del terreno $ \phi \, [\text{Mg/m}^3] $. La formula è:

$\Large \theta_{\% \text{Vol}} = \theta_{\% \text{Wt}} \times \phi \, \scriptstyle[\text{m}^3 / \text{m}^3] $

dove:

$ \theta_{\% \text{Vol}} = \text{contenuto idrico volumetrico} $
$ \theta_{\% \text{Wt}} = \text{contenuto idrico gravimetrico} $
$ \phi = \text{densità apparente del terreno} $

Nel prosieguo si farà sempre riferimento a questa formulazione.

Misura del contenuto di umidità – Sensori elettronici

Dynamica mette a disposizione il sensore dyns-008 per la misura dell’umidità del suolo. Questo sensore utilizza un trasduttore dielettrico per determinare il contenuto volumetrico di acqua e misura anche la temperatura e la conducibilità elettrica del suolo. Può essere collegato alla stazione agrometeorologica via cavo o tramite dispositivo wireless. Il sistema IoT di Dynamica fornisce misurazioni precise in tempo reale per un monitoraggio continuo e efficace. Il valore è espresso in percentuale e rappresenta il volume d’acqua per unità di volume di suolo $ [ \text{m}^3(\text{acqua}) / \text{m}^3(\text{suolo}) ] $ (%Vol).

Potenziale idrico Ψ

Il potenziale idrico, indicato come Ψ, rappresenta la forza con cui l’acqua è trattenuta nel suolo. Questo potenziale è dovuto principalmente alla tensione matriciale, ossia la pressione negativa esercitata dalla matrice solida del terreno sull’acqua. La tensione matriciale è il risultato dell’acqua assorbita sui colloidi o trattenuta nei pori per capillarità. Questa tensione si manifesta quando il suolo non è completamente saturo d’acqua. Il potenziale idrico può essere misurato in unità di pressione, come Bar o Pascal (Pa). Un’altra unità di misura proposta da Schofield è il pF (dove F sta per energia libera), che è il cologaritmo in base 10 del valore assoluto del potenziale idrico espresso come altezza in metri di una colonna d’acqua (mH2O). La formula è:

$\Large pF = – \log |\psi| = \log \left(\frac{1}{|\psi|}\right) $

Poiché un Bar è circa una colonna di dieci metri d’acqua (1 bar = 10.1974 mH2O), negli intervalli di variazione del potenziale idrico d’interesse agronomico, si può far corrispondere approssimativamente il pF al cologaritmo del valore assoluto del potenziale espresso in Bar o Pascal. In letteratura, una delle unità di misura maggiormente utilizzate è il chilopascal (kPa). Il valore di pF varia tra 0 e 7 su scala logaritmica. La corrispondenza tra pF e potenziale idrico espresso in kPa è riassunta nella seguente tabella:

$ \begin{array}{|c|cccccccc|} \hline pF & 0 & 1 & 2 & 3 & 4 & 5 & 6 & 7 \\ \hline \Psi \, (\text{kPa}) & 0 & -1 & -10 & -10^2 & -10^3 & -10^4 & -10^5 & -10^6 \\ \hline \end{array} $

Come si misura il potenziale idrico?

Dynamica mette a disposizione il sensore dyns-009 per la misura del potenziale idrico. Questo sensore misura anche la temperatura del suolo e può essere collegato alla stazione agrometeorologica via cavo o tramite dispositivo wireless. Il sistema IoT di Dynamica fornisce misurazioni precise in tempo reale per un monitoraggio continuo e efficace.

Costanti idrologiche

Le costanti idrologiche del suolo rappresentano gli stati chiave dell’umidità del suolo e le transizioni tra questi stati nella zona dell’apparato radicale. Comprendere questi stati è fondamentale per una gestione efficiente dell’irrigazione e per garantire la salute delle piante. Le principali costanti idrologiche includono:

a) Saturazione	Stato alla capacità idrica massima. Tutti i pori sono pieni d’acqua (micropori e macropori). L’acqua viene dispersa per gravità. Ψ = 0 kPa e pF = 0
b) Capacità di campo	Stato in cui l’acqua è trattenuta nei micropori per capillarità ed è utilizzabile dalle piante. Ψ ≈ [-10, -33] kPa e pF ≈ [2, 2.54]
c) Acqua disponibile	Stato intermedio tra capacità di campo e punto di appassimento in cui l’acqua nei micropori è ancora utilizzabile dalle piante.
d) Punto di appassimento permanente	L’acqua residua presente non è utilizzabile dalle piante. Ψ = -1500 kPa e pF ≈ 4.2

Figura 1 – Schematizzazione degli stati di un suolo con maggior significato agronomico

Saturazione o Capacità Idrica Massima (CIM)

È la quantità di acqua (umidità) contenuta nel suolo saturo e si verifica quando l’acqua, oltre a riempire i micropori, riempie anche i macropori precedentemente occupati dall’aria. Quando il suolo è saturo c’è ristagno idrico e pertanto non c’è aria per le radici delle piante che risulteranno stressate. La saturazione può verificarsi dopo forti piogge o in seguito a un’irrigazione eccessiva e comporta perdite per percolazione profonda (spreco di acqua che si disperde nelle profondità del terreno come mostrato in Figura 1). Evitare sempre di superare la capacità di campo e di avvicinarsi alla saturazione del terreno. CIM è per convenzione il contenuto idrico presente nel suolo in corrispondenza al potenziale idrico pari a 0 kPa (pF ≈ 0). Il valore è espresso in percentuale e rappresenta il volume d’acqua per unità di volume di suolo [m³(acqua) / m³(suolo)] (%Vol).

Capacità di Campo (CC)

È la quantità di acqua (umidità) contenuta nel suolo quando tutti i micropori sono ripieni di acqua mente i macropori sono ripieni di aria; corrisponde al limite superiore dell’acqua disponibile, o limite superiore di drenaggio, oltre il quale iniziano a presentarsi fenomeni di asfissia delle radici (assenza di ossigeno). Nella maggior parte dei suoli, CC è per convenzione il contenuto idrico presente in corrispondenza al potenziale idrico pari a -33kPa. Tuttavia, non esiste una definizione universalmente accettata in letteratura sul valore del potenziale idrico associato alla capacità di campo. Alcune fonti propongono un potenziale idrico di -33 kPa (pF ≈ 2,54), altre -10 kPa (pF ≈ 2.0), altre ancora propongono valori differenti dipendenti dal tipo di suolo, ad esempio, da -10 kPa per un suolo sabbioso a -33 kPa per un suolo argilloso. In generale la letteratura riporta valori compresi tra -10 kPa e -33 kPa. Il valore è espresso in percentuale e rappresenta il volume d’acqua per unità di volume di suolo [m³(acqua) / m³(suolo)] (%Vol).

Punto di Appassimento Permanente (PAP)

È la quantità di acqua (umidità) residua nel suolo quando la pianta appassisce irreversibilmente. Corrisponde approssimativamente al limite inferiore dell’acqua disponibile. Evitare sempre di raggiungere valori prossimi o inferiori a PAP, poiché ciò comporta l’appassimento o la morte delle piante. PAP è per convenzione il contenuto idrico presente nel suolo in corrispondenza al potenziale idrico pari a -1500 kPa (pF ≈ 4.2). Storicamente è stato definito con sperimentazioni su girasole e dipende solamente dalle caratteristiche del suolo. Il valore è espresso in percentuale e rappresenta il volume d’acqua per unità di volume di suolo [m³(acqua) / m³(suolo)] (%Vol).

Figura 2 – Schematizzazione del legame tra stato idrico del suolo e stato idrico della pianta

Acqua Disponibile (AD) o Riserva Utilizzabile (RU)

è la differenza tra la quantità di acqua presente alla capacità di campo e quella presente al punto di appassimento, eventualmente corretta in base alla percentuale di scheletro Il valore è espresso in percentuale e rappresenta il volume d’acqua per unità di volume di suolo [m³(acqua) / m³(suolo)] (%Vol). La formula per la stima di AD secondo Saxton-Rawls è:

$\Large AD = (CC – PAP) \times (1 – RF) $

dove:

$ AD = \text{Acqua disponibile} $
$ CC = \text{Capacità di campo} $
$ PAP = \text{Punto di appassimento permanente} $
$ RF = \text{Scheletro (frammenti di roccia)} $

Acqua Facilmente Disponibile (AFD) o Riserva Facilmente Utilizzabile (RFU)

è la frazione di acqua disponibile che la pianta può utilmente assorbire senza eccessivi dispendi energetici, prima di mettere in atto meccanismi di risposta allo stress idrico (chiusura stomi e conseguente arresto della fotosintesi e stasi produttiva). Non tutta l’acqua disponibile (AD) è quindi facilmente disponibile (AFD). Quando nel suolo c’è AFD la pianta non è stressata pertanto l’evapotraspirazione è massima (ETc o ETm). Il valore è espresso in percentuale e rappresenta il volume d’acqua per unità di volume di suolo [m³(acqua) / m³(suolo)] (%Vol).

Curva di ritenzione idrica e misura delle costanti idrologiche

La curva di ritenzione idrica è una rappresentazione fondamentale che caratterizza la capacità di un suolo di trattenere e rilasciare acqua. Questa curva lega il contenuto di umidità del suolo a specifici valori di potenziale idrico. La curva di ritenzione idrica viene generalmente misurata negli stati idrologici di maggiore interesse. Viene misurato il contenuto di acqua trattenuto a una tensione di -10, -33 e -1500 kPa, espresso come percentuale del peso del terreno essiccato in forno, incluso lo scheletro (terreno intero). Le misurazioni vengono condotte in laboratorio su campioni indisturbati di volume noto per le tensioni di -10, -33 kPa e -1500 kPa. Maggiori dettagli sono disponibili sul Soil Survey Manual (USDA).

Come si possono stimare le costanti idrologiche?

Le costanti idrologiche possono essere stimate da modelli empirici che includono le funzioni di pedotransferimento (PTF). Esistono varie PTF in letteratura e si utilizzano per stimare il contenuto di acqua a saturazione e alle tensioni di -10, -33 e -1500 kPa. Dynamica permette la stima delle costanti idrologiche tramite la PTF di Saxton e Rawls (2006).

Le grandezze di input sono:

$ \text{Argilla (%Wt)} $
$ \text{Sabbia (%Wt)} $
$ \text{Sostanza organica (%Wt) – default 2.5} $
$ \text{Compattazione – default 1.0} $
$ \text{Salinità (dS/m) – default 0.0} $
$ \text{Scheletro (%Wt) – default 0.0} $

Le grandezze stimate in output sono:

$ \text{Punto di appassimento permanente a } -1500 \text{ kPa (%Vol)} $
$ \text{Capacità di campo a } -33 \text{ kPa (%Vol)} $
$ \text{Saturazione a } 0 \text{ kPa (%Vol)} $
$ \text{Acqua disponibile (%Vol)} $
$ \text{Conducibilità idraulica a saturazione (mm/h)} $
$ \text{Densità apparente (g/cm}^3) $

Dynamica permette di specificare le grandezze precedentemente citate qualora si dispongano di misure accurate. Forniamo anche consulenza specialistica per la loro misurazione

Conducibilità idraulica a saturazione (K_sat)

La conducibilità idraulica a saturazione (o conducibilità idraulica satura) indica la velocità con cui l’acqua viene trasmessa nel suolo quando è completamente saturo. Con maggior dettaglio, misura la quantità di acqua che attraversa una determinata superficie di suolo saturo in un’unità di tempo sotto un gradiente idraulico unitario. Questo parametro è fondamentale per valutare la facilità con cui l’acqua può permeare il suolo. Dipende dalle proprietà sia del mezzo poroso (geometria dei pori) che del fluido (viscosità e densità). Il valore della conducibilità idraulica satura è espresso in mm/h.

Densità apparente (o peso specifico apparente) ϕ

La densità apparente o peso specifico apparente è il peso dell’unità di volume di terreno comprensivo degli spazi vuoti. È usato per determinare la porosità del suolo. Il valore è espresso come grammi di massa del suolo per centimetro cubo di suolo [g/cm³]. Come si misura?

Misura della densità apparente

La densità apparente può essere misurata tramite il metodo ponderale utilizzando un cilindro di volume noto (generalmente 100 cc) inserito nel suolo alla profondità desiderata. Il campione così raccolto viene pesato (peso umido), seccato in stufa, e pesato nuovamente (peso secco). In questo modo è possibile calcolare la densità apparente (peso secco / volume), l’umidità su base gravimetrica e infine quella su base volumetrica (cfr. paragrafo “Umidità del suolo”). Generalmente la prassi in campo è raccogliere tre campioni alla stessa profondità per poi effettuare una media dei risultati. La formula da applicare è la definizione di densità (massa / volume).

$\Large \phi = \frac{W_d}{V_c} \, [\scriptstyle\text{g/cm}^3] $

dove:

$ \phi = \text{densità apparente del terreno} $
$ W_d = \text{peso secco del campione di terreno (essiccato in stufa a 105 °C)} $
Vc = volume cilindro campionatore

Stima della densità apparente

La densità apparente può essere stimata anche tramite PTF. Nella PTF di Saxton e Rawls la densità apparente è dapprima stimata applicando la seguente formula:

$\Large \phi_{N} = (1 – \theta_s) \times 2.65 $

dove:

$ \phi_{N} = \text{densità apparente stimata} $
$ \theta_s = \text{umidità del suolo stimata a 0 kPa} $

Poiché la densità apparente viene stimata e non misurata, viene introdotto un coefficiente di correzione empirico detto “grado di compattazione” che varia tra 0.9 e 1.3 con valore di default 1.0 (nessuna alterazione). L’utente può scegliere se variare questo numero per effettuare la correzione. Viene quindi calcolata la densità “corretta” come: $\Large \phi = \phi_{\text{DF}} = \text{DF} \times \phi_N $

dove:

$ \phi_{\text{DF}} = \text{densità apparente corretta} $
$ \text{DF} = \text{compattazione, coefficiente empirico di correzione} $

In generale, nei terreni lavorati è adeguato utilizzare il valore predefinito di 1 (“Normale”). Tuttavia, nei casi in cui si osserva una evidente compattazione del suolo, come lungo i bordi dei campi non soggetti al passaggio di macchinari o in aree con vegetazione erbacea spontanea, è importante non trascurare questo aspetto. La compattazione del suolo può essere valutata empiricamente testando la resistenza alla penetrazione di una vanga sia nel campo di interesse che in un’area di riferimento in cui il suolo è noto per essere non compattato.

Maggiori dettagli sono disponibili nella pubblicazione di Saxton-Rawls (2006). Il riferimento è riportato in bibliografia.

Sostanza organica

La sostanza organica è l’insieme eterogeneo dei composti organici presenti nel suolo, di origine sia animale che vegetale. Valore espresso come percentuale di peso di sostanza organica per unità di peso del campione secco di suolo [g(sostanza organica) / g(suolo)] (%Wt).

Salinità del suolo

La salinità del suolo è una condizione in cui l’acqua del suolo contiene una concentrazione di sali solubili sufficientemente elevata da essere potenzialmente dannosa per le colture. Questo fenomeno è causato dall’aumento del potenziale osmotico della soluzione del suolo e dalla tossicità di specifici ioni. I sali solubili possono essere presenti naturalmente nel profilo del suolo o accumularsi a causa dell’acqua di irrigazione. La salinità influisce negativamente sull’assorbimento di acqua da parte delle piante, aumentando i potenziali idrici e riducendo l’acqua facilmente disponibile (AFD). Può anche alterare i processi idrologici, come l’infiltrazione e la redistribuzione dell’acqua, attraverso modifiche chimiche nella struttura del suolo.

Caratteristiche del suolo e classi tessiturali USDA

Lo “United States Department of Agriculture” (USDA) è stato uno dei primi enti a occuparsi dell’analisi della tessitura del suolo e della sua classificazione. Sono state definite 12 classi in base alle tre componenti tessiturali principali: argilla, sabbia e limo. Questa classificazione è ad oggi quella maggiormente adottata a livello internazionale.

La tessitura è una caratteristica della frazione minerale, pertanto, la frazione organica (dissolta o particolata) non ne fa parte per definizione, così come non ne fanno parte i sali solubili eventualmente presenti nel terreno.

In figura viene mostrato il triangolo delle classi tessiturali (USDA), uno strumento grafico che permette di identificare la classe tessiturale di un suolo basandosi sulle percentuali delle tre componenti principali.

Figura 3 – Triangolo delle classi tessiturali USDA

Di seguito, vengono fornite le regole di definizione e i valori di argilla, sabbia e limo del punto centrale per ciascuna delle 12 classi tessiturali.

				Valori punto centrale
Cod.	Definizione	Formula	Descrizione	Argilla (%Wt)	Sabbia (%Wt)	Limo (%Wt)
S	Sabbie	sabbia > 85 e limo + 1.5 * argilla < 15	Più dell’85 percento di sabbia, e la percentuale di limo più 1,5 volte la percentuale di argilla è inferiore a 15	5	92	3
SF	Sabbie franche	70 <= sabbia <= 90 e limo + 1.5argilla >= 15 e limo + 2argilla < 30	Tra il 70 e il 90 percento di sabbia, e la percentuale di limo più 1,5 volte la percentuale di argilla è pari o superiore a 15, e la percentuale di limo più due volte la percentuale di argilla è inferiore a 30	6	82	12
FS	Franco sabbiosa	7 <= argilla < 20 e sabbia > 52 e limo + 2 * argilla >= 30 oppure argilla < 7 e limo < 50 e limo + 2 * argilla >= 30	Dal 7 a meno del 20 percento di argilla e più del 52 percento di sabbia, e la percentuale di limo più due volte la percentuale di argilla è pari o superiore a 30; OPPURE meno del 7 percento di argilla e meno del 50 percento di limo, e la percentuale di limo più due volte la percentuale di argilla è pari o superiore a 30	10	65	25
F	Franca	7 <= argilla < 27 e 28 <= limo < 50 e sabbia <= 52	Dal 7 a meno del 27 percento di argilla, dal 28 a meno del 50 percento di limo, e il 52 percento o meno di sabbia	18	42	40
FL	Franco limosa	limo >= 50 e 12 <= argilla < 27 oppure 50 <= limo < 80 e argilla < 12	Il 50 percento o più di limo e dal 12 a meno del 27 percento di argilla; OPPURE dal 50 a meno dell’80 percento di limo e meno del 12 percento di argilla	20	20	60
L	Limosa	limo >= 80 e argilla < 12	L’80 percento o più di limo e meno del 12 percento di argilla	6	7	87
FAS	Franco sabbioso argillosa	20 <= argilla < 35 e limo < 28 e sabbia > 45	Dal 20 a meno del 35 percento di argilla, meno del 28 percento di limo, e più del 45 percento di sabbia	28	60	12
FA	Franco argillosa	27 <= argilla < 40 e 20 < sabbia <= 45	Dal 27 a meno del 40 percento di argilla e dal 20 a più del 45 percento di sabbia	34	33	33
FLA	Franco argilloso limosa	27 <= argilla < 40 e sabbia <= 20	Dal 27 a meno del 40 percento di argilla e il 20 percento o meno di sabbia	34	10	56
AS	Argilla sabbiosa	argilla >= 35 e sand > 45	Il 35 percento o più di argilla e più del 45 percento di sabbia	42	52	6
AL	Argilla limosa	argilla >= 40 e limo >= 40	Il 40 percento o più di argilla e il 40 percento o più di limo	47	7	46
A	Argilla	argilla >= 40 e sabbia <= 45 e limo < 40	Il 40 percento o più di argilla, il 45 percento o meno di sabbia, e meno del 40 percento di limo	50	30	20

Classificazione secondo le dimensioni delle particelle del terreno

Secondo la classificazione USDA, il termine tessitura si riferisce unicamente alle percentuali di terra fine con diametro delle particelle inferiore o uguale a 2 mm e quindi alle componenti sabbia, limo e argilla. Al di sopra di questo limite, le particelle vengono denominate frammenti di roccia con distinzione in: ghiaia, ciottoli, pietre e massi. Maggiori dettagli sono disponibili sul Soil Survey Manual di USDA (pag. 120-121). Di seguito viene riportata una tabella riassuntiva:

Tessitura (Terra fine)
Nome	Diametro particelle
Argilla	(0, 0.002] mm
Limo	(0.002, 0.05] mm
Sabbia	(0.05, 2] mm
Scheletro (Frammenti di roccia)
Nome	Diametro particelle
Ghiaia	(2, 76] mm
Ciottoli	(76, 250] mm
Pietre	(250, 600] mm
Massi	> 600 mm

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Bibliografia

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