Il ruolo della sostanza organica

Quando decidiamo di coltivare i nostri ortaggi con il metodo biologico il primo valore che dobbiamo prendere in considerazione è la quantità di sostanza organica presente nel terreno. Dalla mia esperienza ho notato che i terreni coltivati in maniera convenzionale hanno un valore di sostanza organica che oscilla tra 0,7 e 1,2 %; per avere un riferimento è bene sapere che in un bosco incontaminato si può raggiungere tranquillamente il 10 %. Quando gestiamo un terreno attraverso il metodo biologico il valore su cui dovremmo attestarci oscilla intorno al 3% (ovviamente meglio se maggiore). Tutte le operazioni che mettiamo in atto possono incrementare o diminuire tale percentuale. Con una serie di operazioni sbagliate in momenti non corretti, come ad esempio un’aratura a 40 cm a luglio, possiamo facilmente perdere anche lo 0,3 % in un anno, mentre è molto più difficile e necessita tempo il suo incremento, salvo in momenti particolari attraverso le letamazioni.

Ogni volta che come agronomo sono stato chiamato a risolvere situazioni difficili causate da stress di vario tipo, cali drastici di produzione, carenze, attacchi di varia natura alle piante ho notato che la sostanza organica aveva un valore molto basso.  Le piante sono un po’ simili alle persone. Ormai non è più un tabù affermare che un’alimentazione sana, variegata, con prodotti biologici e principalmente vegetariana contribuisce alla salute nella sua visione generale.  Le buone pratiche per incrementare la sostanza organica sono un tema importante che mi ha spinto a realizzare questo sito e verranno affrontate in molti capitoli.

Approfondimento dal sito ENVIRONNEMENT di Luisella Celi

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.

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 basso 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 persistenza 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 umificazione dei prodotti della decomposizione e trasformazione chimica e biologica di molecole provenienti dalle spoglie e dalle emissioni di organismi vegetali ed animali. Quanto facciamo un compostaggio di qualità, come ad esempio attraverso il vermi-compost, incrementiamo la percentuale di sostanze umiche.
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 a 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 micro-pori 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 a cui la sostanza organica del suolo è sottoposta avvengono grazie ad 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 della 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. 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, 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.

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La sostanza organica ha inoltre una forte influenza sul pH del suolo, in quanto provoca acidificazione perché 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, citrico, 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 suoi processi di formazione, 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