Fisica 

FISICA DEL SUOLO E DINAMICA DELL'ACQUA

Il suolo è generalmente descritto come un sistema trifasico costituito da una fase solida, una liquida e una gassosa, presenti in misura variabile in funzione della tipologia di terreno. L’interazione tra queste tre fasi governa i principali processi fisici che regolano il movimento, la ritenzione e la distribuzione dell’acqua all’interno del profilo del terreno. Le modalità con cui l’acqua viene trattenuta e trasferita dipendono dalle caratteristiche fisiche del mezzo poroso, tra cui rivestono particolare importanza la tessitura, la struttura e la porosità. 

La tessitura, o grana, esprime la distribuzione percentuale delle particelle minerali in funzione della loro dimensione. Convenzionalmente il suolo viene suddiviso in scheletro, costituito da particelle con diametro superiore a 2 mm, e terra fine, formata da particelle di dimensione inferiore. 

La terra fine viene a sua volta suddivisa in:

• sabbia grossa 0.2 - 2 mm

• sabbia fine 0.02 - 0.2 mm

• limo 0.002 - 0.02 mm

• argilla <0.002 mm 

La combinazione di queste classi consente la classificazione tessiturale mediante il triangolo della tessitura, illustrato in Figura che permette di identificare le diverse classi tessiturali del suolo sulla base delle percentuali relative di sabbia, limo e argilla.

Nei suoli a tessitura grossolana, caratterizzati da una prevalenza di sabbia, risultano predominanti pori di dimensioni maggiori, che favoriscono il drenaggio dell’acqua per effetto della gravità. Nei suoli a tessitura fine, ricchi in argilla, la maggiore superficie specifica e la ridotta dimensione delle particelle determinano una maggiore capacità di trattenere l’acqua attraverso forze capillari e di adsorbimento (attrazione e incorporazione).  La sola tessitura non risulta sufficiente a descrivere il comportamento idrico del suolo. 

La struttura del suolo è definita come la modalità con cui le particelle elementari si aggregano formando unità strutturali di dimensioni e forme differenti. 

L’interazione tra la struttura e la tessitura determina la porosità del suolo, ossia la quantità e la distribuzione dello spazio vuoto presente tra le particelle solide. La diversa proporzione tra pori di diverse dimensioni determina le modalità con cui l’acqua viene immagazzinata, drenata o trattenuta nel profilo, per cui la sola presenza di acqua nel terreno non risulta sufficiente a descriverne lo stato idrico, risulta quindi necessario introdurre alcune grandezze fisiche in grado di descrivere quantitativamente lo stato idrico del suolo. 

GRANDEZZE FISICHE DELLO STATO IDRICO

Per descrivere il comportamento dell’acqua nel suolo si utilizza il potenziale idrico, che rappresenta lo stato energetico dell’acqua ed è dato dalla somma di diverse componenti associate alle forze agenti nel sistema suolo-acqua e può essere espresso come: 

𝜓 = 𝜓𝑚+𝜓𝑔+𝜓𝑜+𝜓𝑝 

dove: 

• 𝜓m identifica il potenziale matriciale, associato alle forze capillari e di adsorbimento esercitate dalla matrice solida del suolo; 

• 𝜓g esprime il potenziale gravitazionale, determinato dalla posizione dell’acqua nel campo gravitazionale terrestre; 

• 𝜓𝑜 indica il potenziale osmotico, legato alla presenza di soluti disciolti nella soluzione circolante; 

• 𝜓𝑝 definisce il potenziale di pressione, connesso alle condizioni idrostatiche dell’acqua nei pori del suolo. 

In condizioni di campo (È la quantità massima di acqua che il terreno riesce a trattenere dopo che l'acqua in eccesso è drenata per gravità) e di assenza di gradienti esterni, il potenziale idrico in regime non saturo è determinato dal potenziale matriciale e da quello osmotico, indicando che è necessario compiere lavoro per estrarre l’acqua. 

Una particolarità si verifica nei terreni non salini, nei quali il potenziale osmotico risulta trascurabile, la tensione idrica del suolo o suzione può essere considerata pari al valore assoluto del potenziale matriciale. Nei suoli salini, invece, la presenza di soluti disciolti determina un contenuto osmotico che riduce l’energia libera dell’acqua, rendendo la suzione dipendente sia dal potenziale matriciale che da quello osmotico. 

La relazione tra il contenuto d’acqua del suolo e il potenziale matriciale è descritta dalla curva di ritenzione idrica, che rappresenta la quantità d’acqua trattenuta dal terreno in funzione della suzione, ovvero la tensione (potenziale matriciale) con cui l’acqua è trattenuta nei pori del suolo. 

Come mostrato in figura, i suoli sabbiosi (sandy) e argillosi (clayey) presentano comportamenti differenti. 

Nei suoli sabbiosi, caratterizzati da pori di grandi dimensioni, l’acqua viene rilasciata rapidamente con l’aumento della suzione. Nei suoli argillosi, invece, la ritenzione idrica è influenzata non solo dalla dimensione delle particelle ma anche dalla mineralogia delle argille, che determina variazioni nella superficie specifica e nelle proprietà di adsorbimento dell’acqua. 

La curva di ritenzione rappresenta quindi il collegamento tra il contenuto idrico volumetrico e la tensione matriciale, consentendo di interpretare i dati forniti dai sensori e di tradurli in informazioni utili per la gestione agronomica. 

Oltre alla tessitura, anche la struttura del suolo influenza il comportamento di ritenzione idrica, poiché la disposizione degli aggregati determina la distribuzione dei macropori e dei micropori. L’effetto della struttura sulla curva di ritenzione è illustrato nella seguente figura la quale mette a confronto il comportamento di un suolo aggregato e di un suolo compattato. 

Un suolo ben strutturato (aggregato) presenta una distribuzione dei pori più equilibrata, che consente sia il drenaggio dell’acqua in eccesso sia una buona capacità di ritenzione. 

Nei suoli compattati la riduzione dei macropori limita l’infiltrazione e modifica la dinamica dell’acqua nel terreno. La compattazione altera la forma della curva di ritenzione, influenzando la quantità di acqua trattenuta alle diverse suzioni e riducendo l’efficienza idrica del suolo. 

Dalla curva di ritenzione si ricavano le soglie della capacità di campo e del punto di appassimento permanente, che rappresentano rispettivamente il limite superiore e inferiore dell’acqua disponibile per le colture, come mostrato in figura (Bonciarelli, 1989). 

Questi valori rappresentano parametri operativi nella gestione irrigua, per comprendere il significato di tali soglie, è necessario considerare le condizioni idriche che caratterizzano il suolo alla capacità di campo e al punto di appassimento permanente. 

La capacità di campo corrisponde alla condizione in cui, a seguito del drenaggio dell’acqua gravitazionale, il suolo trattiene l’acqua nei pori di dimensioni minori, rendendola generalmente disponibile per l’assorbimento radicale. 

Il punto di appassimento permanente identifica invece la condizione nella quale l’acqua risulta trattenuta con un’energia tale da non poter più essere estratta dalle piante, determinando uno stato di appassimento irreversibile. 

La differenza tra il contenuto idrico alla capacità di campo e quello al punto di appassimento permanente definisce la quantità di acqua disponibile per le piante.