I flussi di acqua nel terreno
L’acqua ha un importantissimo ruolo per lo sviluppo delle coltivazioni.
In un terreno agricolo l’acqua è generalmente soggetta a due moti principali, uno dall’alto verso il basso, l’altro dal basso verso l’alto.
Alla base di questi due flussi principali del liquido del terreno si sono due proprietà
· la permeabilità
· la capillarità
che sono strettamente correlate alla composizione granulometrica e alle altre proprietà chimico fisiche del terreno che abbiamo illustrato nelle unità didattiche precedenti.
La permeabilità:
L’acqua in un terreno è attratta verso il basso dalla forza di gravità.
Come permeabilità intendiamo la capacità del terreno di lasciarsi attraversare dall’acqua per effetto dell’attrazione gravitazionale.
I terreni sabbiosi sono contraddistinti da una permeabilità massima, in quanto le interazioni tra le particelle di sabbia e l’acqua sono molto limitate, il discorso è diverso per terreni argillosi, abbiamo visto, infatti, come i colloidi possano sviluppare notevoli interazioni con l’acqua.
I terreni argillosi hanno quindi una permeabilità minima.
La capillarità:
Una proprietà fisica dell’acqua è la sua elevata tensione superficiale.
La tensione superficiale è una sorta di forza interna alle molecole dell’acqua che tra l’altro fa si che le gocce di acqua su una superficie assumano la forma di semisfere.
Se proviamo a mettere delle gocce di olio, liquido a bassa tensione superficiale, su di un piano vedremo che questo tende a spandersi il più possibile e non a concentrarsi in gocce ben definite.
L’elevata tensione superficiale dell’acqua è la causa del fenomeno della capillarità.
Questo effetto è particolarmente visibile quando mettiamo dell’acqua in contenitori stretti.
Abbiamo visto come il terreno presenti della microporosità che può accentuare di molto il fenomeno della risalita per capillarità di acqua dagli strati più profondi verso la superficie.
La microporosità è più marcata nei terreni argillosi rispetto a quelli sabbiosi.
Nella superficie del terreno l’acqua tende ad evaporare, per cui viene mantenuto un gradiente di umidità che consente il continuo sollevamento di masse d’acqua dagli strati più profondi.
Possiamo in effetti dire che il fenomeno della capillarità produce un flusso di liquido opposto a quello della permeabilità.
La macroporosità favorisce la permeabilità, mentre la microporosità la capillarità.
Il potenziale capillare
In un terreno la maggior parte delle interazioni tra solidi e liquido sono legate a fenomeni superficiali.
Poichè la frazione argillosa è quella che ha la maggiore superficie specifica, è proprio questa frazione a essere maggiormente interessata ai fenomeni di interconnessione acqua terreno.
L’insieme dei punti nei quali le superfici dei colloidi entrano in contatto con la fase liquida prende il nome di interfaccia o interfacies.
Nell’interfacies la fase liquida presenta proprietà diverse da quelle del resto della soluzione corrispondente .
Ad esempio a questo livello le concentrazioni ioniche possono essere molto diverse, ci possono essere forze di natura elettrostatica legate alla natura del colloide e altri fenomeni correlati.
L’acqua tende spontaneamente a migrare nel terreno da punti bagnati a punti asciutti in quanto l’assorbimento corrisponde ad una riduzione della libertà di movimento delle molecole del liquido e quindi in ultima analisi ad una riduzione della loro energia.
In un terreno particolarmente bagnato le molecole di acqua hanno saturato tutte le aree in cui si instaurano interazioni con le particelle solide, le molecole in eccesso risultano libere da interazioni e possono quindi muoversi verso le aree più asciutte.
Il movimento dell’acqua da punti bagnati a punti asciutti è chiamato conduttività capillare ed è associato alla instaurazione di una differenza di potenziale.
Viene così introdotto il concetto di potenziale capillare “Y” (psi) inversamente proporzionale al contenuto di acqua “U”
Y = f(1/U) si legge psi = funzione di 1/U
Il potenziale Y viene generalmente misurato come una pressione e possiamo considerarlo come la pressione necessaria per allontanare l’acqua dal terreno.
Si può quindi misurare Y con una qualsiasi unità di misura della pressione, ad esempio atmosfere, bar, Pascal, cm di mercurio.
Se supponiamo di avere a che fare con una cascata, possiamo pensare ad una pressione necessaria per pompare dell’acqua dal livello più basso al livello più alto di essa.
In questo caso il potenziale è legato alla differenza dei livelli della cascata in questione.
Anche per l’acqua del terreno il potenziale viene espresso in termini relativi considerando uguale a zero il potenziale dell’acqua pura libera (priva di interazioni con il terreno).
Il potenziale totale (Ytot) è sempre un valore inferiore a zero in quanto come abbiamo detto nel terreno prevalgono forze di ritenzione.
In altre parole l’acqua migra dalle condizioni di acqua pura libera con potenziale zero (valore massimo) a zone meno imbevute con potenziali minori.
Possiamo quindi dire che :
Ytot = 0 – (Ym + Ys + Yg + Yind)
dove:
· Ym = potenziale di matrice ossia forze che attraggono l’acqua sottoforma di pellicole adiacenti alle particelle solide. Viene anche chiamato tensione di suzione o di capillarità, ma poichè non è solo legata a fenomeni di tensione superficiale (seppur predominanti), ma anche ad interazioni con pori di maggiore superficie risulta più corretto utilizzare il termine di matrice.
· Ys = potenziale di soluto ossia potenziale osmotico legato alla presenza di soluti (l’acqua tende a migrare da situazioni di maggiore diluizione a quelle di maggiore concentrazione di soluti)
· Yg = potenziale gravitazionale legato alla forza di gravità
· Yind = altri potenziali (ad esempio elettrico, termico etc)
Teoricamente il potenziale del terreno può variare entro limiti molto ampi.
Per evitare di utilizzare numeri troppo grandi o troppo piccoli viene spesso utilizzato una scala logaritmica (pF) tale che
pF = log Y con psi misurato in cm di una colonna d’acqua
Nella realtà arrivati ad un certo punto per allontanare dell’acqua si dovranno applicare delle energie troppo elevate (associabili ad esempio a temperature maggiori di 100°C) per cui i potenziali di terreno risultano limitati dalle seguenti condizioni.
Ytot = 0 = terreno saturo di acqua
Ytot = -15 bar “punto di appassimento” 1 bar = 1020 cm colonna acqua quindi 15 bar = 15300 cm acqua
pF = log 15300 = 4,2
Il punto di appassimento e la sua determinazione
Come punto di appassimento intendiamo la quantità di acqua presente nel terreno in forma non disponibile per le piante.
In pratica possiamo immaginare che intorno alle particelle colloidali, l’acqua formi degli strati o pellicole.
La prima quindicina di strati molecolari di acqua intorno al colloide sono estremamente legati al colloide stesso, tanto che per essere staccati richiedono temperature superiori ai 100°C e quindi pressioni elevate.
L’acqua di questi strati pur continuando ad essere presente nel terreno non è in effetti disponibile ai fabbisogni delle piante.
Il punto di appassimento dipende dal tipo di terreno ed in particolare dalla sua tessitura in quanto come abbiamo visto è strettamente legato alla frazione argillosa.
Possiamo perciò renderci conto che poiché l’acqua è trattenuta nel terreno in misura diversa a seconda della natura del terreno stesso, non è tanto il contenuto idrico totale del suolo a determinare la disponibilità di acqua per le piante, ma un altro parametro definito acqua utilizzabile di cui il punto di appassimento rappresenta il limite inferiore.
Vediamo di fare dell’ordine sulle varie definizioni.
· Capacità idrica massima(CIM) rappresenta la quantità massima di acqua che può stare in un terreno, se lo esprimiamo in termini percentuali si calcola con la seguente espressione
Il termine al numeratore rappresenta la massima quantità di acqua che il terreno può contenere. Questa acqua può essere considerata come la somma di diverse componenti tra le quali abbiamo:
a. acqua gravitazionale (o acqua libera) = acqua che si allontana per percolamento
b. acqua igroscopica = si tratta di acqua intimamente legata alle particelle colloidali sulle quali forma film molto sottili. Non è suscettibile di compiere movimenti e non può essere utilizzata dalle piante
c. acqua capillare = si distingue in acqua capillare assimilabile e non assimilabile
c1. acqua capillare assimilabile = acqua contenuta nei vuoti compresi tra 0,2 e 0,8 m può compiere movimenti e può essere assimilata dalle piante
c2. acqua capillare non assimilabile = acqua contenuta nei vuoti inferiori ai 0,2m non può compiere movimenti e non può essere assimilata dalle piante.
· Capacità di campo (CdC), è l’acqua che rimane nel terreno saturato dopo che si è allontanata l’acqua libera per effetto gravitazionale in pratica è la somma dell’acqua igroscopica e dell’acqua capillare
CdC = acqua igroscopica + acqua capillare
· Acqua utilizzabile; è il quantitativo massimo di acqua effettivamente disponibile per le piante, si ottiene per differenza tra la capacità di campo il punto di appassimento.
· % Acqua disponibile; è la frazione di acqua effettivamente presente nel terreno disponibile per le piante rispetto alla totalità dell’acqua utilizzabile
% acqua disp. = (acqua a disposizione delle piante / acqua utilizzabile)*100
Vedi curve tensiometriche
Per determinare il punto di appassimento si possono utilizzare diverse tecniche tra le quali
1. Determinazione punto appassimento per via biologica: si coltivano delle piante di girasole e si misura l’umidità del terreno nel momento in cui appassiscono
2. Determinazione punto appassimento con piastre di Richard: si tratta di una camera a pressione nella quale sono presenti tre zone di dimensioni standard che vengono riempite con del terreno.
La base di queste piastre è di un materiale poroso, i campioni di terreno vengono saturati di acqua, si chiude il tutto ermeticamente e dall’alto si fa entrare aria sotto pressione di 15 bar. Dopo 48 ore si misura l’acqua ceduta dal terreno.
Con questo strumento si possono costruire le curve tensiometriche
Nelle curve tensiometriche, tramite le piastre di Richard, si misura il contenuto di acqua nel terreno dopo l’applicazione di pressioni variabili.
L’acqua che rimane con l’applicazione di una pressione di 0,3 bar equivale alla capacità di campo, mentre quella che rimane con l’applicazione di una pressione di 15 bar, come abbiamo visto, equivale al punto di appassimento.
Nelle curve tensiometriche è possibile come vedremo determinare graficamente l’acqua utilizzabile e la % di acqua disponibile.
Confrontando le curve tensiometriche di terreni sabbiosi, limosi e argillosi potremo renderci conto della variazioni dell’acqua utilizzabile (maggiore in quelli argillosi); differenze sostanziali possono esserci anche per uno stesso terreno a seconda della sua compattazione.
