Rivista Environnement

IL SUOLO

L'humus è un materiale organico che deriva da residui biologici; tutti sanno quanto sia di fondamentale importanza per la fertilità del suolo.

LA SOSTANZA ORGANICA DEL SUOLO

di Luisella Celi

La sostanza organica del suolo (SOM) rappresenta la più grande riserva terrestre di carbonio (C ), con 1500 miliardi di tonnellate di C organico, mentre nell'atmosfera sono presenti 720 miliardi di tonnellate di C sotto forma di anidride carbonica e solo 560 si trovano nella biomassa vegetale. Tali forme sono rimaste in un equilibrio stabile fino all'avvento dell'era industriale (vedi digramma del ciclo del C), quando l'uso di combustili e la deforestazione hanno determinato una forte diminuzione della biomassa vegetale e della sostanza organica del suolo, con conseguente aumento dell'anidride carbonica in atmosfera. La sostanza organica del suolo quindi, oltre all'estrema importanza come fonte di nutrienti per il sistema vegetale, ha anche un enorme ruolo come riserva di carbonio (come riassume Fischer con queste parole "Soil organic matter is the fuel that runs the soil's engine" , cioè "la sostanza organica del suolo è il carburante che fa funzionare il motore suolo"). Questo ruolo è balzato all'attenzione solo recentemente, quando il problema dell'emissione di anidride carbonica nell'atmosfera e il conseguente aumento della temperatura hanno raggiunto dimensioni tali da richiamare l'attenzione pubblica e costringere a utilizzare tutti i mezzi a disposizione per ridurre le emissioni di CO2. Infine bisogna sottolineare l'importanza ambientale di preservare la sostanza organica per combattere il disastro socio-economico derivante dal progredire dei fenomeni erosivi e di desertificazione.
Da qui nasce la necessità di conoscere a fondo che cos'è la sostanza organica, come arriva al suolo e come si trasforma, quali sono i fattori che influenzano la mineralizzazione e l'accumulo e infine quali sono le sue funzioni nel sistema suolo.

Caratteristiche della sostanza organica del suolo.

Nel suolo la sostanza organica può essere considerata come una miscela di composti derivati da piante e microrganismi a diversi stadi di degradazione, partendo dai residui biologici freschi fino ad arrivare a composti già quasi trasformati in humus, cioè in materiale organico capace di migliorare la fertilità del suolo. Vi contribuiscono sia i residui vegetali che animali, i resti derivanti dalle fasi avanzate della decomposizione dei componenti delle cellule dei tessuti vegetali ed animali, le sostanze secrete a livello della superficie delle foglie e lisciviate dalle piogge, le secrezioni delle radici, le aree di radici morte, l'aliquota di biomassa microbica e pedofauna morta, le escrezioni della pedofauna, le molecole rilasciate dalle cellule microbiche in sede extracellulare.
Il contenuto di sostanza organica varia da meno dell' 1% nei suoli desertici, a valori medi tra l'1% e il 15% in suoli forestali soprattutto in ambiente montano, a più del 90% nelle torbe.
Nella sostanza organica del suolo possiamo trovare:
· sostanze semplici come amminoacidi, zuccheri, acidi organici mono- e bicarbossilici;
· composti ad alto peso molecolare come polisaccaridi, proteine, acidi nucleici, lipidi e lignine;
· sostanze umiche.

Il primo gruppo costituisce un insieme di composti a piccolo peso molecolare e ad alta solubilità nella soluzione del suolo, prontamente disponibili come fonte di energia e quindi facilmente degradabili dalla flora microbica per cui hanno un tempo di residenza nel suolo breve.
Il secondo gruppo è costituito da composti a più alto peso molecolare, poco o per niente solubili in acqua. I polisaccaridi, le proteine e gli acidi nucleici possono essere idrolizzati dai microrganismi a composti semplici e utilizzati come fonte di energia, mentre le cere, i grassi, le resine e le lignine sono difficilmente attaccabili dai microrganismi e persistono pertanto per lunghi periodi nel suolo.
Le sostanze umiche possono costituire tra il 33% e il 65% della sostanza organica del suolo e sono il prodotto di processi di resintesi (umificazione) dei prodotti della decomposizione e trasformazione chimica e biologica di molecole provenienti dalle spoglie e dalle emissioni di organismi vegetali ed animali.
Le sostanze umiche sono costituite da una miscela eterogenea di composti amorfi, di colore dal giallo al bruno, non hanno nessuna caratteristica chimica e fisica riconducibile ad uno specifico composto e presentano una elevata resistenza alla degradazione chimica e biologica.

Biosintesi della sostanza organica del suolo.

L'evoluzione della sostanza organica del suolo dipende dall'insieme dei processi cui i residui biologici sono sottoposti, quali la mineralizzazione, l'umificazione e l'interazione con la frazione minerale, che controllano l'orientamento e la velocità di trasformazione.
La mineralizzazione della sostanza organica, favorita in ambienti ben aerati e con un'intensa attività biologica, porta ad una decomposizione del materiale organico e si verifica in presenza di microrganismi eterotrofi che necessitano di energia e di fonti di azoto per lo svolgimento delle proprie funzioni e la sintesi dei propri composti. La sostanza organica viene degradata ad anidride carbonica e acqua, e l'azoto viene riutilizzato in processi che portano a una complessiva riduzione del rapporto tra carbonio e azoto.
L'umificazione prevede una serie complessa di reazioni che portano alla formazione di macromolecole con una struttura sempre più lontana da quella d'origine man mano che l'umificazione procede. Si formano così gli acidi fulvici, gli acidi umici e l'umina.
La velocità di degradazione non è influenzata solo dalla resistenza intrinseca delle molecole a seconda del tipo di struttura chimica, ma anche dalla loro interazione con la frazione minerale. L'interazione della sostanza organica con la frazione minerale avviene attraverso la formazione di legami ionici o per scambio di leganti tra la frazione minerale e i composti organici. Si formano dei complessi molto stabili che aumentano in generale lo stato di aggregazione e la stabilità del suolo e rallentano i processi di degradazione microbica della sostanza organica in quanto l'interazione con le argille o l'intrappolamento nei micropori degli aggregati del suolo possono esercitare una protezione fisica contro l'attacco microbico. In altri casi invece la frazione minerale può accelerare certe reazioni biochimiche
Le trasformazioni cui la sostanza organica del suolo è sottoposta avvengono grazie a un insieme di reazioni chimiche e biologiche dove la fauna del suolo ha un ruolo fondamentale. Inizialmente gli animali (macro e mesofauna) provvedono alla riduzione delle dimensioni dei residui vegetali. Gli enzimi prodotti dai microrganismi sono importanti in questa prima fase di decomposizione, durante la quale si ha una rapida perdita dei composti facilmente degradabili come zuccheri semplici, amminoacidi, molte proteine ed alcuni polisaccaridi. In uno stadio successivo vengono attaccati i composti più resistenti, come cellulosa e lignina.
L'accumulo o la diminuzione di sostanza organica nel suolo dipende anche dalla quantità e qualità dei residui biologici che arrivano al suolo e dal tipo di microflora presente. La velocità di decomposizione della sostanza organica dipende inoltre da altri fattori tra cui le condizioni climatiche, le proprietà del suolo, la necessità di nutrienti da parte della pianta e l'uso del suolo.
Le condizioni climatiche influenzano notevolmente il turnover della sostanza organica in quanto la disponibilità di acqua e la temperatura del suolo regolano le reazioni di ossidazione e influenzano in modo diverso la crescita vegetale e l'attività microbica. Ad esempio, la crescita delle piante si ferma al di sotto di una tensione dell'acqua nel suolo di -1.5 MPa, mentre la respirazione microbica continua fino a -9 MPa, favorendo, in suoli aridi, la decomposizione rispetto all'accumulo, mentre in suoli umidi sono le condizioni di scarsa ossigenazione a rallentare la decomposizione più che la produzione di biomassa vegetale. Anche la temperatura ha valori ottimali diversi per la produzione vegetale (25-30°C) e per la respirazione del suolo (35-40°C). Climi freddi, quali quelli che si registrano in ambiente montano, portano quindi all'accumulo per il prevalere della produzione vegetale su quella microbica, mentre climi caldi (> 30°C) determinano bassi contenuti di sostanza organica nel suolo (SOM). Un altro aspetto da prendere in considerazione a proposito della temperatura è che gli apporti di materiale organico al suolo sono influenzati dalla temperatura dell'aria, mentre il tasso di decomposizione è controllato dalla temperatura del suolo. In climi freddi, come nelle alte latitudini o ad alta quota, la temperatura del suolo rimane bassa per tutto l'anno mentre la temperatura dell'aria si alza sufficientemente in estate da permettere una certa produzione di biomassa vegetale. Di conseguenza questi suoli contengono elevate quantità di carbonio.
Anche le proprietà del suolo possono influenzare la velocità di decomposizione della sostanza organica. Importante è la tessitura in quanto in suoli con alti contenuti di argilla si formano complessi organo-minerali che proteggono la sostanza organica dalla degradazione, mentre in suoli sabbiosi la degradazione è più veloce. Bisogna tener conto che anche la disponibilità dei nutrienti N (azoto), S (zolfo) e P (fosforo) svolge un importante controllo sulla decomposizione della sostanza organica. Infatti tali elementi sono contenuti in gran parte nella SOM, ma possono essere assimilati dalle piante solo in forma inorganica. Di conseguenza il rilascio di questi elementi attraverso la mineralizzazione della sostanza organica regola il loro assorbimento radicale e la produzione di biomassa vegetale. Quindi la quantità di carbonio in un ecosistema è vincolata dalla disponibilità di altri nutrienti essenziali. Un altro parametro molto importante è l'acidità del suolo che non solo influenza le reazioni chimiche ma orienta l'attività biologica, in quanto il pH ottimale per lo sviluppo di popolazioni batteriche è attorno a 6-7, mentre in suoli acidi e subacidi l'attività biologica è svolta prevalentemente da funghi.
L'uso del suolo influenza nel giro di pochi anni le due principali riserve terrestri di C, la sostanza organica del suolo e la biomassa vegetale. Quando un suolo in condizioni naturali viene disturbato per attività agricole o ricreative, usualmente si ha una riduzione nell'arrivo al suolo di materiale organico e si assiste ad un declino del contenuto di C organico. La produzione netta primaria aumenta, specialmente con la fertilizzazione, ma una larga parte delle biomassa è rimossa durante la raccolta. Inoltre le elevate produzioni tipiche dell'agricoltura intensiva sono ottenute grazie al fatto che le piante sono indotte a sviluppare maggiormente la parte aerea rispetto alle radici, riducendo la quantità di materiale organico che rimane nel suolo. Inoltre, le lavorazioni del suolo hanno come effetto quello di distruggere i macroaggregati, rimescolare gli orizzonti superficiali semplificando notevolmente la stratificazione in orizzonti, ridurre la densità apparente e alterare la temperatura del suolo. La frammentazione degli aggregati organo-minerali causa perdite di humus a seguito dei processi di erosione dovuti al vento e di lisciviazione per le precipitazione piovose. Inoltre l'areazione che investe i suoli a seguito dell'aratura, l'esposizione di particelle di sostanza organica prima schermate dalla presenza della frazione minerale e l'irrigazione sistematica stimolano intensamente l'attività degradativa da parte della biomassa microbica presente nel suolo, portando ad una drastica riduzione dei livelli di sostanza organica.
Tutti questi fattori influenzano la velocità di decomposizione della sostanza organica e determinano le quantità di materiale organico che raggiunge il suolo, la parte che viene convertita in CO2, quella che viene incorporata nella biomassa del suolo e quella che viene convertita in sostanze umiche. Il mantenimento di un livello di equilibrio della sostanza organica richiede che la quantità di C che raggiunge il suolo sia approssimativamente uguale all'emissione di CO2 nell'atmosfera, per cui in un suolo indisturbato il contenuto di sostanza organica rimane essenzialmente costante anno dopo anno. Al contrario, in un ecosistema soggetto all'azione umana l'equilibrio tra il C in entrata nel sistema ed il C perso in seguito alla mineralizzazione è spostato notevolmente verso il secondo termine.

Influenza della sostanza organica sulle proprietà chimico-fisiche del suolo.
Quanto è importante la sostanza organica per la vita del suolo e delle piante? La sostanza organica ha un effetto diretto sulla crescita delle piante grazie alla sua influenza sulle proprietà fisiche, chimiche e biologiche del suolo. Essa infatti favorendo la strutturazione, facilita le coltivazioni e consente la circolazione di gas e soluzioni all'interno del materasso terroso. Ha un'elevata superficie specifica, interagisce con i metalli e con i minerali argillosi, agisce come scambiatore ionico e costituisce una riserva di azoto. La sostanza organica contiene inoltre il 20-80% del fosforo presente nel suolo e in suoli non calcarei, e oltre il 90% dello zolfo totale. Essa costituisce la fonte energetica per i batteri azotofissatori, favorisce lo sviluppo delle radici (quindi le possibilità nutritive della pianta), la fotosintesi e la germinazione dei semi. Stimola processi fisiologici e biochimici del metabolismo cellulare e svolge una funzione di filtro permettendo di diminuire gli effetti tossici di metalli pesanti e pesticidi.
Vedendo nel dettaglio le singole funzioni, la sostanza organica può dar luogo allo sviluppo di aggregati, di dimensioni variabili a seconda delle caratteristiche di tessitura del suolo, ovvero della prevalenza tra le componenti minerali di sabbia, limo ed argilla. Queste particelle possono disporsi e organizzarsi spazialmente grazie all'azione di ioni o cementi organici e inorganici e costituire quella che viene chiamata la struttura del suolo determinando la forma e le dimensioni degli spazi vuoti (o pori) all'interno di questo. La presenza di sostanza organica garantisce una buona porosità, che aumenta l'aerazione e il drenaggio del suolo. Ciò favorisce lo sviluppo delle radici, l'attività della biomassa e l'attuarsi dei cicli degli elementi nutritivi da cui dipende la fertilità del suolo.
La conservazione di una buona struttura del suolo ha poi delle implicazioni ambientali connesse con l'erosione. Infatti, lo sfaldamento degli aggregati e il ruscellamento in seguito a violente piogge portano alla perdita degli strati superficiali più ricchi in materiale nutritivo causando l'impoverimento del suolo, fenomeni di eutrofizzazione e interramento di canali e fiumi. L'asportazione della sostanza organica tende ad aggravare il fenomeno provocando un progressivo aumento della predisposizione del suolo all'erosione.
La sostanza organica influenza la capacità di ritenzione idrica non solo perchè aumenta la porosità e migliora la struttura del suolo ma anche perchè è in grado di trattenere grandi quantitativi di H2O come acqua di idratazione. L'acqua trattenuta dalla sostanza organica influenza notevolmente il regime di temperatura del suolo a causa della sua capacità termica. Il suolo infatti si raffredda e si riscalda molto più lentamente quando il contenuto di acqua è elevato. Un fattore molto importante nel determinare la temperatura del suolo è anche il suo colore. Anche bassi contenuti di sostanza organica possono modificare intensamente il colore del suolo perché la sostanza organica può essere finemente suddivisa e ricoprire le particelle argillose.
La sostanza organica ha inoltre una forte influenza sul pH del suolo, in quanto provoca acidificazione perchè stimola la crescita della biomassa microbica che produce biossido di carbonio acidificando il suolo. Inoltre le radici di molte piante rilasciano acidi organici come l'acido ossalico, il citrico, il propionico ecc… e numerosi microrganismi sono in grado di sintetizzare acidi organici a basso peso molecolare allo scopo di aumentare la solubilità dei silicati e rendere assimilabili gli elementi nutritivi in essi contenuti. Ciò, oltre a portare ad una acidificazione del suolo, accelera i processi di formazione del suolo, come si può osservare spesso sotto le conifere.
La sostanza organica inoltre, favorendo la formazione di una buona struttura e dunque di adeguata porosità, rende ottimali gli scambi gassosi con l'atmosfera e favorisce il drenaggio. La sostanza organica, infine, è in grado di formare complessi con numerosi metalli tra cui ferro, magnesio, rame, zinco.

Conclusioni
Da quanto detto emerge come la sostanza organica del suolo, formata da una miscela eterogenea di tutti i residui che arrivano al suolo, possa presentare caratteristiche chimico-fisiche e velocità di decomposizione diverse a seconda del tipo di vegetazione, del clima, delle proprietà del suolo e del tipo di uso. L'orientamento verso l'accumulo o verso la mineralizzazione della sostanza organica dipende da un delicato equilibrio che può essere preservato soltanto se l'intervento dell'uomo tiene conto di tutti i fattori che concorrono ai due processi. Quindi capire che cos'è la sostanza organica del suolo, da dove deriva, come si trasforma e come si conserva deve essere la base per una gestione sostenibile che miri alla difesa del suolo e alla salvaguardia del territorio, soprattutto in ambienti - come quello montano - contraddistinti da un importante equilibrio tra uomo e natura.