Cenni di pedologia Roberto Comolli 1 Definizione di suolo Il suolo è un corpo naturale tridimensionale, situato al contatto fra la litosfera e l’atmosfera, ospitante la biosfera e lateralmente interrotto dall’idrosfera. Esso è il prodotto della disgregazione e dell’alterazione chimica dei corpi rocciosi e della compenetrazione fra le loro particelle minerali e la sostanza organica, a sua volta derivante dalla decomposizione di resti animali e vegetali. 2 Osservazioni pedologiche Profili Osservazioni speditive con trivella manuale (= trivellate) Scarpate naturali o artificiali con sonda pedologica (trivella a sgorbia) minipit 3 Profilo pedologico Sinonimi: trincea, fossa, buca pedologica Ampiezza del fronte di osservazione: 80-150 cm Verticalità della parete Illuminazione Profondità: 150-200 cm o fino alla roccia o alla falda freatica Tamponamento delle pareti di scavo Mezzi di apertura Caso dei paleosuoli 4 Profilo: apertura con escavatore meccanico 5 Profilo: fotografie 6 Trivelle manuali lunghezza (120-150 cm se in pezzo unico, fino a qualche metro se componibili) parti: impugnatura, asta, campionatore dimensioni campionatore 7 Utilizzo della trivella manuale 8 Utilizzo della sonda pedologica 9 Minipit 10 Profilo pedologico Identificazione degli orizzonti 11 Profilo pedologico Identificazione degli orizzonti 12 Caratteristiche pedologiche da descrivere (per ciascun orizzonte) limite inferiore (tipo, andamento) profondità dell’orizzonte (cm) umidità attuale (classe) scheletro (quantità, dimensioni, forma, litologia, alterazione) tessitura (classe) granulometria (classe) struttura (forma, dimensione, grado di espressione) consistenza (classe) colore della matrice (codice Munsell) screziature (colore, quantità, dimensioni, limite) concentrazioni (natura, quantità, dimensioni) pellicole (natura, quantità, spessore) radici (quantità, dimensioni) macropori (quantità, dimensioni) fessure (quantità, dimensioni) pedofauna (tipo, abbondanza) effervescenza all’HCl (classe) reazione al dipiridile (classe) pH di campagna (valore) denominazione dell’orizzonte 13 Limiti fra orizzonti Tipo di limite Abrupto: passaggio entro 2,5 cm Chiaro: passaggio fra 2,5 e 6 cm Graduale: passaggio fra 6 e 12,5 cm Diffuso: passaggio in più di 12,5 cm Andamento del limite Lineare: orizzontale, senza ondulazioni Ondulato: con ondulazioni più larghe che profonde Irregolare: con ondulazioni più profonde che larghe Discontinuo: con interruzioni 14 Quantità (in volume) Scheletro Dimensioni (mm) 2-20 - molto piccolo 20-75 - piccolo 75-250 - medio 250-500 - grande >500 - molto grande 15 Scheletro Forma 16 Tessitura 0,1 mm 17 Tessitura Triangolo USDA clay = A sandy clay = AS silty clay = AL clay loam = F silty clay loam = FLA sandy clay loam = FSA L loam = F sandy loam = FS loamy sand = SF sand = S silt loam = L silt = 18 Struttura Stato incoerente Struttura granulare Stato massivo Struttura poliedrica Struttura lamellare 19 Struttura Gerarchia dei ped Comportamento idraulico a. b. c. d. Aspetto generale del suolo Elemento della sovrastruttura Elemento della struttura Elemento della sottostruttura 20 Colore della matrice 21 Colore della matrice Spazio dei colori nel sistema Munsell Pagine Munsell e tinte utilizzate per i suoli Hue = colore, tinta (bianco, nero e grigio non possiedono hue, sono colori neutri) Value = luminosità (dal nero al bianco) Chroma = purezza, intensità, saturazione (dal grigio neutro al colore puro) 22 Colore della matrice e suo significato Colore Colorante Indicazioni generali Nero Sostanza organica Bruno Ferro ossidato legato ad argilla e sostanza organica Difficoltà di decomposizione (acqua, acidità, eccesso di carbonati) Matrice aerata, attiva Bianco Assenza di coloranti Grigio-bluastro Ferro ridotto Stesso colore del substrato (in genere grigio) Forte acidificazione o idromorfia, con eliminazione del ferro Suolo asfittico Suolo poco evoluto (depositi recenti, suoli erosi) 23 Screziature Colore Quantità (%) Dimensioni Limite 24 Concentrazioni Tipo Quantità (%) Dimensioni 25 Pellicole Tipo Localizzazione (interno dei pori, superfici dei ped) Quantità (superficie coperta: 0-10-50%) Spessore 26 Radici Apparato radicale di quercia. In alto, crescita senza limitazioni; in basso, crescita in presenza di un orizzonte compattato in profondità. Forme di apparati radicali 27 Macropori 28 Fessure Quantità Larghezza 29 Pedofauna 30 Effervescenza all’HCl Si impiega HCl al 10% ca. (N.B.: HCl conc. = 37% ca.) Cod. Effervescenza (classe) CaCO3 % 0 1 2 Effetti alla vista (stima) Effetti all’udito (campione tenuto vicino all’orecchio) Assente < 0,1 Nessuno Nessuno Molto debole 0,5 Da indistinguibile a scarsamente udibile Nessuno 1,0 Da indistinguibile a moderatamente udibile Debole effervescenza, limitata a singoli granuli, appena visibili 2,0 Da moderatamente a distintamente udibile Debole effervescenza generale, visibile ad un’attenta osservazione Debole 3 Forte 5,0 Facilmente udibile Bolle evidente, fino a 3 mm di diametro 4 Violenta > 5,0 Facilmente udibile Forte effervescenza generale; ovunque bolle (fino a 7 mm di diametro) facilmente visibili 31 Reazione (pH in H2O) 32 Denominazione dell’orizzonte Orizzonti genetici e strati del profilo pedologico (sec. WRB e Soil Taxonomy) Nome Caratteristiche Orizzonti o strati O Dominati da materiali organici (foglie, aghi, rami. muschi, licheni) a vario grado di decomposizione. Di solito si trovano alla superficie del suolo. Non sono saturi d’acqua per lunghi periodi. Orizzonti o strati H Come i precedenti, ma saturi d’acqua per lunghi periodi. Sono contemplati dal WRB ma non dalla Soil Taxonomy. Orizzonti A Orizzonti minerali formatisi in superficie o sotto un orizzonte O. I caratteri del materiale parentale sono parzialmente o totalmente cancellati. Possiedono una o entrambe le seguenti proprietà: •accumulo di sostanza organica umificata, profondamente mescolata con la frazione minerale; •segni di coltivazioni, pascolamento, lavorazioni agrarie. Orizzonti minerali, formatisi di norma vicino alla superficie, privi o quasi della struttura del materiale parentale, caratterizzati da perdita di argille silicate, Fe, Al, e da arricchimento relativo in particelle sabbiose e limose. Hanno spesso un colore chiaro. Orizzonti E 33 Denominazione dell’orizzonte Orizzonti genetici e strati del profilo pedologico (sec. WRB e Soil Taxonomy) Nome Caratteristiche Orizzonti B Orizzonti minerali di profondità, privi o quasi della struttura del materiale parentale, aventi almeno uno dei seguenti caratteri: •concentrazione illuviale di argille silicate, Fe, Al, humus, carbonati, gesso o silice (in forma separata o combinata); •evidente perdita di carbonati; •concentrazione residuale di sesquiossidi; •rivestimenti di sesquiossidi che rendono l’orizzonte più rosso o più vivacem. colorato rispetto a quelli sopra- e sottostanti, senza illuviazione di Fe; •alterazione, con formazione di argille silicate e/o liberazione di ossidi, e con sviluppo di struttura pedogenetica; fragilità. •sviluppo di Orizzonti o strati debolmente interessati da processi pedogenetici e privi delle proprietà degli orizzonti sopracitati. Gli apparati radicali delle piante, così come attrezzi metallici manuali, riescono ad attraversarli. Roccia dura e coerente sottostante al suolo, non attraversabile da attrezzi metallici leggeri e da apparati radicali, eccetto che lungo le fessure. Orizzonti o strati C Strati R AB, EB, CB, AC, ecc. Orizzonti di transizione, con le caratteristiche di un orizzonte principale (scritto per primo), insieme a quelle di un subordinato. E/B, A/C, B/ C, ecc. Orizzonti combinati, nei quali è possibile distinguere e isolare parti di orizzonte con caratteristiche diverse. 34 Denominazione dell’orizzonte Suffissi principali degli orizzonti genetici (sec. Soil Taxonomy) Simbolo Etimologia Significato a sapric materiale organico fortemente decomposto b buried orizzonte genetico sepolto c concrezioni concrezioni o noduli cementati (eccetto calcite e dolomite) d densità compattazione, con impedimento fisico allo sviluppo delle radici e hemic materiale organico mediamente decomposto f frozen orizzonte contenente ghiaccio perenne g gley forte idromorfia h humus accumulo illuviale di sostanza organica i fibric materiale organico scarsamente decomposto k kalk accumulo di carbonati (di norma carbonati di calcio) m cementazione n natrium cementazione, con impedimento fisico allo sviluppo delle radici; agenti cementanti possibili sono: carbonati, silice, ferro, gesso, sali solubili accumulo di sodio scambiabile o ossidi accumulo residuale di sesquiossidi 35 Denominazione dell’orizzonte Suffissi principali degli orizzonti genetici (sec. Soil Taxonomy) Simbolo Etimologia Significato p plowed disturbo di un orizzonte superficiale, causato da lavorazioni agrarie o pascolamento q quarzo accumulo di silice secondaria r regolite substrato roccioso alterato o tenero, moderatamente difficoltoso da scavare; si usa insieme a C (Cr) s sesquiossidi accumulo illuviale di complessi amorfi di sesquiossidi di Fe e Al con sostanza organica ss slickensides facce di scivolamento (carattere vertico) t ton accumulo di argille silicate illuviali v - w weathering plintite: materiale rossastro, ricco di Fe e povero di humus, coesivo quando umido, soggetto a indurimento talora irreversibile dopo essiccamento all’aria sviluppo di colori vivaci e/o aggregazione pedogenetica, senza accumulo illuviale di sostanze x - fragipan: strato di genesi pedologica, duro da asciutto, fragile da umido, denso ma privo di cementi y gypsum accumulo di gesso z saltz accumulo di sali più solubili del gesso 36 Histosol 37 Umbrisol 38 Cambisol 39 Leptosol 40 Equazione di Jenny Hans Jenny Factors of Soil Formation (1941) S = f (CL, O, R, P, T) S = soil O = organisms P = parent material CL = climate R = relief T = time 41 Fattore clima Precipitazioni Precipitazioni medie annue in Lombardia. Profondità dell’orizzonte a carbonati (ovvero spessore del suolo privo di carbonati) nelle Grandi Pianure degli Stati Uniti. Limite superiore dell’orizzonte di accumulo di sali (carbonati e gesso) in Israele meridionale. 42 Fattore clima Temperatura Andamento della temperatura in superficie e nei primi 20 cm del suolo in tre giorni successivi di agosto 43 Fattore clima Regime di umidità del suolo secondo Soil Taxonomy (1999) Regime udico Comune in suoli dei climi umidi, con piogge ben distribuite e sufficienti per la vegetazione. La SDCU è umida per almeno 90 giorni cumulativi durante l’anno. Se la T media annua del suolo è < 22 °C, la SDCU è asciutta per meno di 45 gg consecutivi nei 4 mesi successivi al solstizio d’estate. Elemento formativo: -UD- Udico, termico – Buenos Aires, Argentina 44 Fattore organismi viventi Vegetazione La vegetazione come fattore della pedogenesi Elenco delle influenze principali sul suolo: fissazione di energia sotto forma chimica (funzione clorofilliana) accumulo di sostanza organica alla superficie del suolo (foglie, rami) e in profondità (radici) disgregazione della roccia madre (= materiale parentale) per azione fisicomeccanica delle radici alterazione chimica della roccia madre per azione chimica delle radici e degli acidi umici azione sulla formazione dell’humus e sulle sue caratteristiche modifica del ciclo degli elementi nutritivi azione sul bilancio termico del suolo azione sul bilancio idrico del suolo protezione del suolo contro l’erosione idrica ed eolica (copertura della superficie, strutturazione) 45 Fattore organismi viventi Pedofauna Formazione e riempimento di vuoti Rimescolamento Creazione di cumuli Formazione e distruzione della struttura Effetti della pedofauna sul suolo Alterazione dei residui vegetali Erosione del suolo Movimenti dell’aria e dell’acqua nel suolo 46 Fattore rilievo Argilla Scheletro Contenuto d’argilla, scheletro e carbonio organico in suoli di una toposequenza dello Iowa (la linea punteggiata separa il substrato – antico - dai sedimenti glaciali e colluviali – più recenti). Carbonio organico 47 Fattore materiale parentale Comportamento pedogenetico di alcuni tipi di rocce Caratteri fondamentali della roccia Litotipi Alterabilità Condizioni edafiche Pedogenesi Friabilità ed erodibilità elevate Marne, sabbie, argilliti Elevata, con rapida pedogenesi Facile radicamento della vegetazione Suoli a basso grado di orizzontazione e strutturazione Acidità e durezza Graniti, granodioriti, dioriti, quarziti, arenarie quarzose Arenizzazione, caolinizzazione, vermiculitizzazione Carenza in basi Lisciviazione delle argille e accumulo di sostanza organica Basicità e durezza Gabbri, basalti, peridotiti Possibile formazione di argille a reticolo espandibile Scarso sviluppo pedogenetico oppure vertisolizzazione Solubilità in acqua ricche di CO2 Calcari, dolomie, marmi Dissoluzione progressiva dei carbonati Condizioni idrologiche difficili (suolo sottile o idromorfia); spesso pH elevato ed eccesso Mg Carenze in azoto; fissazione fosforo e microelementi Scistosità, foliazione Scisti cristallini Solubilità elevata in acqua Solfati (gessi, anidriti), cloruri (salgemma) Facile disfacimento atmosferico, con neoformazione di minerali argillosi Rapida liberazione di sali Discrete Eccesso in sali e in sodio Suoli calci-magnesiaci residuali; stabilizzazione delle sostanze umiche Pedogenesi controllata dalla scistosità, dalla durezza e dal chimismo del materiale litologico Formazione di suoli salino-sodici e solfatici 48 Fattore tempo Velocità di formazione di orizzonti pedologici e tempo necessario per raggiungere l’equilibrio stazionario in vari tipi di suolo 49 Processi pedogenetici Evoluzione del suolo 50 Processi pedogenetici Possibili categorie: aggiunte sottrazioni rimescolamento traslocazione trasformazioni 51 Processi pedogenetici Alterazione atmosferica di minerali e rocce Disgregazione fisica azione delle alternanze gelo-disgelo (crioclastismo o gelifrazione) allentamento di pressioni di carico sugli ammassi rocciosi scuotimento provocato da onde sismiche cristallizzazione di sali (aloclastismo), con divaricazione fessure riscaldamento solare (termoclastismo), con dilatazione dei cristalli, seguita da contrazione per raffreddamento attività delle radici entro le fessure delle rocce Regolite: sottile mantello detritico soprastante le rocce consolidate, costituito dai materiali sciolti derivanti dalla disgregazione fisica. Crioclastismo (gelifrazione) 52 Processi pedogenetici Alterazione atmosferica di minerali e rocce Alterazione chimica Alterite: materiale roccioso trasformato dall’alterazione chimica. 1 - Ossidazione e riduzione Perdita o acquisto di elettroni. Fe2+ Fe3+ + eMn2+ S2C0 Mn4+ + 2eS6+ + 8eC4+ + 4e- 2 - Solubilizzazione Discioglimento ad opera dell’acqua, soprattutto se leggermente acida. Interessa solfati, cloruri, carbonati. NaCl Na+ + ClCaCO3 + H2O + CO2 Ca(HCO3)2 insolubile solubile 3 – Idratazione e disidratazione Acquisto o perdita di molecole d’acqua o di ossidrili –OH, con variazioni di volume. CaSO4 + 2H2O CaSO4•2H2O anidrite αFe2O3 + H2O gesso 2αFeOOH ematite goethite 4 – Idrolisi Scissione operata dall’acqua, parzialmente dissociata in H+ e OH-. Lo ione idrogeno sostituisce i cationi del reticolo cristallino dei silicati, che possono trasformarsi in argille. Le reazione consuma H+ e produce OH-, per cui il pH aumenta. Feldspato–K+ + H+ Feldspato-H+ + K+ 2KAlSi3O8 + 2H2O ortoclasio Al2(OH)4Si2O5 + K2O +4SiO2 caolinite 53 Processi pedogenetici Alterazione atmosferica di minerali e rocce Alterazione biochimica I licheni, i muschi e i funghi attaccano chimicamente i minerali, tramite acidi organici (ossalico, citrico, salicilico) e composti fenolici, che si comportano da agenti chelanti. Mediante il processo di chelazione si mobilizzano Fe, Al e vari altri metalli. 54 Processi pedogenetici Modalità di formazione delle argille 55 Processi pedogenetici Principali processi Processo Tipo Definizione Eluviazione M Trasferimento di materiale (perdita) da una parte del profilo Illuviazione M Trasferimento di materiale (arricchimento) in una parte del profilo Dilavamento o perdita P Allontanamento di materiali solubili (ingl. depletion, leaching, fr. lixiviation) da parte delle acque di percolazione Legenda generale A = aggiunta al suolo P = perdita dal suolo M = traslocazione entro il suolo T = trasformazione entro il suolo R = rimescolamento nel suolo 56 Processi pedogenetici Principali processi Processo Tipo Definizione Erosione superficiale P Rimozione degli strati superficiali del suolo per azione della pioggia battente, delle acque ruscellanti o del vento Accumulo (cumulizzazione) A Sovrapposizione di costituenti minerali sulla superficie del suolo, operata dal vento e dall’acqua; di solito riguarda zone depresse o di basso versante Legenda A = aggiunta al suolo P = perdita dal suolo 57 Processi pedogenetici Principali processi Processo Decarbonatazione Carbonatazione Tipo M M-T Definizione Solubilizzazione dei carbonati (soprattutto di calcio) presenti nel suolo, con successiva loro rimozione in forma di bicarbonati a) Accumulo di carbonato di calcio secondario; b) Blocco della sostanza organica, provocato dall’azione dei carbonati, ad uno stadio precoce dell’umificazione. Profilo tipo: A-C o A-R. Suoli tipo: Calcisol, Rendzic Leptosol Legenda M = traslocazione entro il suolo T = trasformazione entro il suolo 58 Processi pedogenetici Principali processi Processo Tipo Definizione Brunificazione M-T liberazione di Fe dai minerali primari del suolo e dispersione di notevoli quantità di ossidi di Fe, che conferiscono al suolo una colorazione brunastra; dai legami tra Fe, sostanza organica e particelle minerali prende origine la struttura del suolo. Profilo tipo: A-Bw-C oppure A-Bw-R. Suoli tipo: Cambisol Legenda M = traslocazione entro il suolo T = trasformazione entro il suolo 59 Processi pedogenetici Principali processi Processo Lisciviazione (argilluviazione) Tipo M Definizione Migrazione meccanica di particelle minerali da un orizzonte eluviale, con accumulo in uno illuviale (fr. lessivage). Profilo tipo: A-Bt-C oppure A-E-Bt-C. Suoli tipo: Luvisol Legenda M = traslocazione entro il suolo Schema della deposizione di particelle di argilla illuviale in un macroporo tubulare, con formazione di pellicole d’argilla (argillans) 1.L’acqua scorre verso il basso, trasportando argilla in sospensione. 2.In basso il suolo è più secco. 3.L’acqua in arrivo viene assorbita dalla matrice. 4.L’argilla in sospensione va a rivestire il lume del macroporo. 5.Le lamelle di argilla sono orientate (il loro asse z è perpendicolare alla parete del poro). 60 Processi pedogenetici Principali processi Processo Tipo Definizione Podzolizzazione M-T Migrazione chimica di complessi amorfi di Al, Fe e sostanza organica, con accumulo in orizzonti spodici e formazione di orizzonti albici. Profilo tipo: A-E-Bhs-Bs-C-R. Suoli tipo: Podzol Vegetazione a conifere o ericacee Lettiera Intensa cheluviazione di Fe e Al Deposizione di sostanza organica Deposizione di Fe e Al Ambiente di formazione preferenziale dei Podzol: materiali sciolti, a granulometria grossolana, acidi, a forte drenaggio; elevate precipitazioni; vegetazione fortemente acidificante. Legenda M = traslocazione entro il suolo T = trasformazione entro il suolo 61 Processi pedogenetici Principali processi Processo Pedoturbazione Tipo R Definizione Mescolamento e omogeneizzazione del suolo; può essere di tipo: zoogenico (faunalpedoturbazione) fitogenico (floralpedoturbazione) criogenico (crioturbazione) vertico (argillipedoturbazione) gravitazionale (gravipedoturbazione) idrologico (aquapedoturbazione) sismogenico (sismopedoturbazione) antropogenico (antropopedoturbazione) Legenda R = rimescolamento entro il suolo 62 Processi pedogenetici Principali processi Processo Vertisolizzazione Tipo R Definizione Rimescolamento del suolo, dovuto a cicli ripetuti di contrazione e rigonfiamento di minerali argillosi espandibili (smectiti, vermiculiti), in climi ad alternanze stagionali di umidità. Profilo tipo: A(Ap)Bss-C oppure A(Ap)Ass-C. Suoli tipo: Vertisol Legenda R = rimescolamento entro il suolo 63 Processi pedogenetici Principali processi Processo Tipo Definizione Rubefazione M-T Liberazione di Fe dai minerali primari del suolo e dispersione di notevoli quantità di ossidi di Fe, che conferiscono al suolo una colorazione rosso-brunastra Fersiallitizzazione M-T Ferrallitizzazione M-T Allitizzazione M-T Idrolisi neutra parziale dei silicati, con debole formazione e prevalente conservazione di argille 2:1 e segregazione di sesquiossidi di Fe e Al. Profilo tipo: A-Bt-C-R. Suoli tipo: Chromic Luvisol Idrolisi intensa dei silicati, con allontanamento della silice, moderata neoformazione di argille 1:1 e concentrazione di ossidi e idrossidi di Fe e Al. Profilo tipo: A-B-C-R. Suoli tipo: Ferralsol Stadio finale della ferrallitizzazione: concentrazione di gibbsite Al(OH)3 e neoformazione di argille 1:1. Profilo tipo: A-B-C-R. Suoli tipo: Gibbsic Ferralsol Legenda M = traslocazione entro il suolo T = trasformazione entro il suolo 64 Processi pedogenetici Principali processi Processo Tipo Definizione Gleyzzazione o Gleificazione M-T Riduzione del ferro (Fe3+ Fe2+) in condizioni anaerobiche (per presenza di notevoli quantità d'acqua); il suolo assume colorazione grigia, verdastra o bluastra, con o senza screziature giallastre o rossastre, oppure mostra arricchimenti localizzati di Fe e Mn. Profilo tipo: A-Bg-C oppure A-Cg. Suoli tipo: Gleysol Legenda M = traslocazione entro il suolo T = trasformazione entro il suolo 65