Agronomia GeneraleFisica del terreno

Marco BittelliDipartimento di Scienze e Tecnologie Agro-ambientali (DiSTA)

Universita’ di Bologna

Applicazioni della fisica del terreno

1. Le risorse idriche, il bilancio idrico, l’irrigazione.2. Pianificazione della fertilizzazione, controllo della salinità.3. Scelta delle colture, rotazioni e sistemi colturali.4. Regimazione delle acque (drenaggio, sistemazioni).5. Valutazione dell’epoca di semina.6. Protezione idrogeologica (erosione, frane, smottamenti).

1.Le risorse idriche

La gestione delle risorse idriche riveste una delle tematiche piùsignificative nella pianificazione delle risorse territoriali.

Competizione tra i settori della produzione: primario (agricoltura) e secondario (industria).

Ad esempio, per il bacino del Po (dati dell’Autorità di bacino del Po), di tutta l’acqua prelevata, il 16% è destinato a usicivili (acquedotti, ricreazione), il 46% all’agricoltura (irrigazione), il 20% all’industria (raffreddamento e processi) e il 18% all’energia (idroelettrico).

1.Le risorse idriche

1.Le risorse idriche

1. Il bilancio idrico

1. L’irrigazione

Impianto a pioggia su Mais Apparato radicale del Mais

Volume solido

Volume liquido

Volume gas

Volume di suolo

1 mm= 1 L / 1 m2

Esempio: Terreno al 0.2 m3/m3 di contenuto idrico. Lo si vuole portare alla capacità di campo (0.35 m3/m3). Considerando uno strato di terreno di 0.5 metri, quanta acqua dobbiamo applicare con l’irrigazione su 1 Ha ?

Volume d’acqua in millimetri = (0.35 - 0.20) * 500 mm = 75 mm

Volume d’acqua in litri per ettaro = 75 L/m2 * 10.000 m2 = 750.000 L = 750 m3

2. Fertilizzazione

Fertilizzazione con ammoniaca anidra

Lo stato fisico del terreno determina la disponibilità dei fertilizzanti per le piante, i quali per essere adsorbiti dalle radici devonotrovarsi nella soluzione circolante.

Eccessi di fertilizzazione possonodanneggiare le colture, sia tramite contattodiretto che tramite la diminuzione del potenziale idrico del terreno (potenzialeosmotico)

Le leggi fisiche che descrivono il motodell’acqua nel suolo (Darcy e Richards) permettono di quantificare i flussi difertilizzanti nelle falde e quindi impostarestrategie di limitazione dell’inquinamentodelle falde e ottimizzazione della pratica difertilizzazione (risparmio di risorsefinanziarie).

2. Controllo della salinità

Salinizzazione dei terreni

L’accumulo di sali nella zona radicale avviene generalmente in condizioni di elevataevaporazione (zone aride) e falda superficiale. Per limitare questo fenomeno devono essereinstallati sistemi di drenaggio che mantengano la tavola d’acqua (falda) in profondità e quindilimitino il formarsi di falde superficiali. La fisica del terreno è necessaria per progettare i sistemidi drenaggio (distanza tra i dreni, tipi di dreni, profondità) i quali devono essere adattati ai tipi diterreno e alle condizioni agronomiche.

Schema di drenaggio per limitarel’accumulo di sali

3. Scelta delle colture, rotazioni e sistemi colturali.

Bietola

Mais

Sorghum

Frumento

4. Regimazione delle acque superficiali

La fisica del terreno permette di valutare la scelta delle migliori sistemazioni del terreno ad esempio per limitare il processo dell’erosione.

L’erosione è un processo naturale di distacco, trasporto e sedimentazione delle particelle di terreno ad opera degli agenti atmosferici Il processo può essere influenzato dalle attivitàumane

I danni dell’erosione sono: riduzione della produttività, rimozione della S.O., rimozione dei nutrienti, minore ritenzione idrica, degrado strutturale.

4. Regimazione delle acque superficiali

Le scoline sono una rete di fossi che generalmente delimitano l’asse maggiore dei campi. Le scolinehanno sezione trapezoidali e presentano una differenza tra il lato maggiore (apertura) e il lato minore (fondo). Il dimensionamento della distanza tra le scoline, la profonditàe il posizionamento dipendono dalle caratteristiche fisiche del terreno.

4. Regimazione delle acque superficiali

La profondità della falda (e quindi la distanza e la profondità delle scoline) dipendedalla stratigrafia del terreno e dalle caratterisiche fisiche (granulometria)

La fisica del terreno

Disciplina che riguarda lo studio fisico del terreno.

Il terreno è ujn sistema costituito da materiali solidi derivatidall’azione dei cinque fattori di formazione del suolo (clima, roccia madre, tempo, topografia e i fattori biotici).

Il terreno è un materiale poroso, polifasico, non-isolato e caratterizzato da tre parti: parte solida, parte liquida e la partegassosa.

Terreno

Generalità

• Profilo• Costituenti

Proprietà chimiche e biologiche

• pH• Sostanza organica• Cap. scambio cationico• Elementi nutritivi• Salinità• Altre proprietà

Proprietà fisiche

• Granulometria• Porosità• Struttura• Contenuto idrico• Potenziale idrico

Il pedon

Il pedon è la più piccola unità di suolo che contiene tutti gli orizzontiche caratterizzano quel particolaretipo di suolo. Generalmente ha unasuperficie di 1 m2, e si estendeverticalmente fino alla rocciamadre.

Gli orizzonti sono classificati in base all’origine pedologica, allecaratteristiche fisiche, chimiche e biologiche.

I fattori di formazione del suolosono: tempo, clima, roccia madre, topografia e biologia

I costituenti della parte solida

Minerali primari (frazione sabbiosa e limosa). Si definiscono minerali primariquelli che sono originati dalla sola alterazione fisica della roccia madre.

Minerali secondari (frazione argillosa). Si defiscono minerali secondari quelliche si sono formati subendo processi di alterazione fisica e chimica.

Sostanza organica. Determinata dalla decomposizione di materiale organico(batteri, funghi, piante, animali, insetti), che viene decomposto in varicomposti organici a diversi gradi di decomposizione.

Carbonati, ossidi (ferro, manganese), macro e microelementi.

La frazione solida, liquida e gassosa

Vs

Vl

Vg frazione gassosa

frazione liquida

frazione solida

Frazioni volumetriche

VT= Vs+ Vl + Vg = 1

Contenuto idrico (volume)

θ= Vl / VT

Frazione gassosa

e= Vg / VT

Frazioni massiche

mT= ms+ ml + mg = 1

Contenuto idrico (massa)

w= ml / ms

ms

ml

mg

Densità, porosità e contenuto idrico

ss

s

mV

ρ =Densità specifica [kg m-3]

Densità apparente secca [kg m-3]s

bt

mV

ρ =

t

lg

t

ff V

VVVV +

==φPorosità [m3 m-3]

l

s

mwm

=Contenuto idrico massico o gravimetrico [kg kg-1]

t

ll V

V== φθContenuto idrico volumetrico [m3 m-3]

Principali relazioni tra variabili

1 bf

s

ρϕρ

= −

Frazione gassosa 1 bg f

s

ρϕ ϕ θ θρ

= − = − −

b

lw ρθρ

=

Relazione tra contenuto idricomassico e volumetrico

l

bw ρθ

ρ=

l

f

VSV

=Grado di saturazione

Porosità

Relazione tra contenuto idricovolumetrico e massico

Valori tipici

Componente Densità specifica [kg m-3]

Quarzo 2660

Ortoclase 2500 - 2600

Minerali argillosi 2650

Mica 2800 - 3200

Materia organica 1300

Limonite 3400 - 4000

Acqua (a 4 °C) 1000

Fe(OH)3 3730

Aria (20°C) 1.2

Ghiaccio 920

Variabile Valore Terreno

Densità apparente 900-1100 Sciolto

Densità apparente 1100-1500 Compatto

Porosità 0.25-0.3 Sabbioso

Porosità 0.3 – 0.5 Medio Impasto

Con. Idr. Vol. (CC) 0.15-0.2 Sabbioso

Con. Idr. Vol. (CC) 0.2-0.25 Medio Impasto

Granulometria

La granulometria rappresenta la distribuzione relativa deidiametri delle particelle solide nel terreno.

La granulometria può essere rappresentata in diversi modi: classi di diametro, cumulata dei diametri.

Per semplificare la rappresentazione e per la classificazione, i terreni vengono raggruppati sulla base delle percentualirelative delle frazioni di sabbia, limo e argilla.

Funz

ione

cum

ulat

a e

di d

ensi

tà

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Cumulata

Densità

Sabbioso

Diametro delle particelle (µm)

Medio Impasto

Argilloso medio impasto Argilloso

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0.01 0.1 1 10 100 1000 0.01 0.1 1 10 100 1000

Diametro delle particelle (µm)

Funz

ione

cum

ulat

a e

di d

ensi

tàCumulata

Densità

Cumulata

Densità

Cumulata

Densità

Granulometria (curva cumulata)

Granulometria (classi di diametro)

Classificazione ISSS* Classificazione USDA**Frazione Intervallo Frazione IntervalloSabbia grossa 2000-200 Sabbia molto grossa 2000-1000

Sabbia fine 200-20 Sabbia grossa 1000-500Limo 20-2 Sabbia media 500-250

Argilla < 2 Sabbia fine 250-100

Sabbia molto fine 100-50

Limo 50-2Argilla < 2

* ISSS = International Soil Science Society•** USDA = United States Department of Agriculture

Granulometria (triangolo della tessitura)

Classi tessiturali e proprietà fisiche

http://www.arpa.veneto.it/upload_teolo/agrometeo/soilwater1.htm?121,213

Classe tessiturale Saturazione(m3/m3)

Capacità di campo (m3/m3)

Densità apparente (kg m-3) Cond.Sat.(cm/hr)

1-sabbioso 0.35 0.12 175016401500140014401500138013701310132012201200

2-sabbioso franco 0.37 0.1613.25.62.12.20.854.270.250.430.250.120.3

3-franco sabbioso 0.38 0.24-franco limoso 0.44 0.285-franco 0.45 0.266-limoso 0.43 0.287-franco sabbioso argilloso 0.48 0.278-franco limoso argilloso 0.42 0.369-franco argilloso 0.50 0.3310-argilloso sabbioso 0.52 0.3511-limoso argilloso 0.53 0.4212-argilloso 0.54 0.42 0.22

La struttura

Per struttura di un terreno si intende la proprietà derivata dall'aggregazionedelle particelle terrose e dalla reciproca disposizione spaziale sia degliaggregati che delle singole particelle.

La struttura si deve alla presenza di particelle colloidali, che sono particelle di dimensioni molto piccole (frazioni di micron) che hanno azione cementante.

In generale i colloidi minerali, costituiti per lo più da minerali argillosi e daidrossidi di ferro e alluminio, operano un'azione cementante responsabile dellaformazione di aggregati strutturali primari. Gli aggregati primari a loro volta silegano a formare aggregati secondari o grumi per azione cementante svolta daicolloidi organici, inglobando anche particelle più grandi quali il limo e la sabbia.

I fattori che favoriscono la flocculazione dei colloidi sono quelli agiscono verso un'evoluzione positiva della struttura, al contrario i fattori di dispersione deicolloidi sono causa di peggioramento o distruzione della struttura.

La classificazione della struttura(metodo di Duchaufour)

struttura a particelle incoerenti: è quella tipica della sabbia, costituita da particellegrossolane completamente indipendenti fra loro.

struttura compatta: è quella tipica di terreni ricchi di argilla ma poverissimi di sostanzaorganica. Le particelle sono singole e cementate in un unico insieme dalla flocculazione deicolloidi argillosi.

struttura concrezionata: è quella tipica dei crostoni derivata da concrezioni indurite.

struttura grumosa o glomerulare: è quella tipica dei terreni ben dotati di humus. Gliaggregati si presentano porosi e di forma irregolare.

struttura granulare: è quella tipica dei terreni argillosi. Gli aggregati, cementatiprevalentemente dalla flocculazione dei colloidi minerali, si presentano di forma poliedrica o rotondeggiante con una scarsa macroporosità.

struttura di disgregazione: è quella tipica dei terreni sottoposti alle lavorazioni e all'azionedegli agenti atmosferici. Gli aggregati sono di forma prismatica o poliedrica e sono derivatidalla disgregazione di aggregati zollosi.

La classificazione della struttura(metodo pedologico)

struttura granulare

struttura a piatti

struttura a blocchi

struttura prismatica o colonnare