La fertilità in agricoltura

La fertilità in agricoltura è la capacità di un dato terreno di produrre dei prodotti agricoli ed è composta dall’insieme delle sue caratteristiche fisiche, chimiche e biologiche.

Di Cristiano Sandona’ e Antonio Bruni

Come tutti gli esseri viventi, le piante sono costituite dalla cosiddetta materia “organica”. 

Quattro atomi (elementi chimici) costituiscono la maggior parte di questa materia organica:

carbonio (C), idrogeno (H), ossigeno (O) e azoto (N). Ci sono anche quantità minori di fosforo (P) e zolfo (S). 
Altri elementi come il potassio (K) o il calcio (Ca) non sono integrati nelle molecole organiche ma sono importanti, in forma ionica, per l’equilibrio e il corretto funzionamento degli ambienti intra ed extracellulari. 
Infine, alcuni elementi metallici come il magnesio (Mg) o il ferro (Fe) sono essenziali per la sintesi o l’attività di diversi pigmenti, enzimi e altre molecole. 

Tutti questi elementi dai quali gli esseri viventi traggono il loro nutrimento sono chiamati nutrienti

Composizione di una pianta in elementi chimici (percentuali della massa secca totale). Si tratta di una composizione indicativa che può variare a seconda dei tessuti e delle specie considerate. Figure da Stout (1961) .

Campioni dell’autonomia, le piante sono in grado di recuperare tutti i loro nutrienti in forma minerale (non legata ad altri atomi di carbonio) e di produrre autonomamente la propria materia organica. 

Questo tipo di nutrizione è chiamato autotrofia , è specifico per piante e alcuni microrganismi. 

Al contrario, gli organismi eterotrofi (come gli animali) non sono autosufficienti e si nutrono di materia organica già formata. 
Un passaggio essenziale nell’autotrofia delle piante è la fotosintesi , una reazione chimica in cui le piante utilizzano l’energia del sole per sintetizzare gli zuccheri dall’anidride carbonica atmosferica (CO2 ₎ e dall’acqua ( _H2O) prelevato da terra. 
Contrariamente a quanto si potrebbe pensare, la maggior parte della massa (secca) delle piante deriva quindi dalla CO ₂ che hanno assorbito. 

Dalla margherita alla sequoia, tutto è aria, solidificata dall’energia solare.

Equazione di equilibrio della fotosintesi

La fotosintesi consente alle piante di assimilare i tre principali nutrienti: carbonio, ossigeno e idrogeno. 
Tutti gli altri, li prelevano dal suolo sotto forma di ioni disciolti, questi sono i sali minerali

Nutrienti del suolo e fertilità

Un terreno è tanto più fertile quando contiene nutrienti in quantità sufficiente e in forme minerali assimilabili dalle piante. Quando crescono, prendono i nutrienti di cui hanno bisogno dal terreno e quindi lo esauriscono. 

Al contrario, quando le piante muoiono, la materia organica subisce un processo di decomposizione e mineralizzazione permettendo ai nutrienti di tornare al suolo e tornare disponibili. Si tratta quindi di un processo ciclico di riciclo dei nutrienti .

Questo ciclo è comunque aperto e un terreno può acquisire o perdere nutrienti, permettendo a più o meno piante di stabilirsi lì. Ad esempio, l’acqua piovana può infiltrarsi nel terreno e portare con sé determinati nutrienti nelle falde acquifere e nei corsi d’acqua, questo è chiamato lisciviazione (o drenaggio) . 

Alcuni suoli sono più suscettibili di altri . Al contrario, l’erosione delle particelle di roccia del suolo– detta anche solubilizzazione– rilascia sostanze nutritive: la calcite fornisce calcio, apatite fosforo, silicati minerali potassio, sodio, calcio, ferro, magnesio…

Questo è un processo molto lento rispetto al tasso di crescita delle piante. Dipende dalle condizioni climatiche, dall’attività degli organismi del suolo e dalla natura della roccia sorgente:

i terreni calcarei sono generalmente poveri di ferro e magnesio, i terreni alluvionali ricchi di molti nutrienti, ecc.

Per l’azoto, molto poco presente nelle rocce, esiste un meccanismo specifico. 

Questo elemento è infatti abbondante nell’atmosfera sotto forma di azoto (N ₂ , 78% dell’aria che respiriamo) e alcuni batteri sono in grado di trasformare questo gas in ammoniaca (NH ₃ )

Agricoltura ed esportazione di nutrienti

Prendiamo ora il caso particolare di un appezzamento agricolo, ad esempio un campo di grano di un ettaro. Durante la sua crescita, il grano preleva i nutrienti dal terreno e li utilizza per costruire i suoi vari organi: chicchi, foglie, stoppie, radici. 

Quando i chicchi di grano vengono raccolti, i nutrienti che vi si erano accumulati vengono esportati .

Per una resa di 5 tonnellate per ettaro e un cereale contenente il 2,5% di azoto, lo 0,33% di fosforo e lo 0,51% di potassio ^{[10] , [11]}ciò corrisponde a un’esportazione totale di 125 kg di azoto, 17 kg di fosforo e 26 kg di potassio. 

Rinnovare la fertilità dei terreni coltivati ​​è un punto essenziale , qualunque sia il sistema agricolo

Sono diversi i metodi di rinnovamento della fertilità utilizzati nel corso della storia:

lasciare che l’ecosistema si riprenda per un tempo sufficientemente lungo (sistemi taglia e brucia)

sfruttare le inondazioni in aree regolarmente allagate, coltivare legumi per riparare azoto atmosferico…

Ma la tecnica che ha riscosso maggior successo è l’utilizzo di fertilizzanti

Diversi tipi di fertilizzanti: organici e minerali

La parola fertilizzante è usata qui per indicare qualsiasi sostanza esterna aggiunta al terreno al fine di fornire alle piante nutrienti . Questo materiale può essere in forma organica(vedi inizio articolo), in altre parole derivano da esseri viventi. 

Questi includono, ad esempio, escrementi animali misti (letame) o meno (liquame, guano) con sostanze vegetali (paglia, foglie), sottoprodotti di origine animale dei macelli (farina di sangue, farina di piume, osso o corno, ecc.), agroalimentare sottoprodotti (vinaccia di barbabietola, melassa), materiali da metanizzatori (digestato) o impianti di trattamento (fanghi), materiali vegetali (rifiuti alimentari, scarti di verdure, segatura e trucioli di legno, alghe, ecc.). 

I fertilizzanti organici contengono – ma in proporzioni molto variabili – tutti i nutrienti necessari alla crescita delle piante, tuttavia, questi non sono immediatamente disponibili. 

La materia organica deve prima subire una fase di mineralizzazione e possano essere assimilati dalle piante. 

È più o meno lungo a seconda del tipo di fertilizzante, dell’attività biologica del suolo e delle condizioni climatiche locali.

Tre esempi di fertilizzanti organici: letame equino (in alto), compost di detriti vegetali (al centro), corna e farina di sangue (in basso). 

Va notato che il termine “sovescio” è talvolta usato per qualificare alcune colture destinate non alla raccolta ma al miglioramento delle caratteristiche del suolo

aerazione, contenuto di sostanza organica, copertura infestante…

Tra queste colture, solo i legumi effettivamente introducono più nutrienti nella trama del terreno : l’azoto fissato dai loro batteri simbionti. 

Tuttavia, non li consideriamo qui come un fertilizzante nel senso in cui lo abbiamo definito, perché l’azoto è fissato direttamente all’interno dell’appezzamento e non proviene da un input di materiale esterno. 

A differenza dei fertilizzanti organici, possono essere aggiunti nutrienti già in forma minerale. Parliamo poi di fertilizzanti minerali . Questi hanno il vantaggio di essere più concentrati e direttamente assimilati dalle piante. D’altra parte, sono efficaci solo per breve tempo perché i sali minerali così forniti sono facilmente lisciviabili. 

I moderni fertilizzanti minerali sono spesso miscele dei tre nutrienti più importanti (perché sono più spesso limitati nei terreni): azoto, fosforo e potassio (fertilizzanti “NPK”) . 

L’uso di questi fertilizzanti aumentò notevolmente dalla seconda metà del 20° secolo, durante la rivoluzione verde,  e furono una delle principali cause dell’esplosione dei rendimenti durante questo periodo .

Un esempio di fertilizzante minerale: il potassio dell’Alsazia. Pubblicità del 1910.

Come si garantisce oggi il rinnovo della fertilità?

Cominciamo con l’azoto , il primo nutriente in termini di quantità necessarie.

Prima della rivoluzione verde, la maggior parte degli apporti di azoto avveniva attraverso batteri simbionti nelle leguminose delle colture o dei prati (fissazione biologica) e depositi atmosferici naturali. 

Nel 2013, questa modalità di concimazione rappresenta solo poco meno del 20% della concimazione azotata complessiva del sistema agricolo. 

La quota di fertilizzanti minerali ammonta al 75% e corrisponde al contributo di 2 milioni di tonnellate di azoto, ovvero l’equivalente della produzione di azoto di 8 milioni di ettari – 30% della superficie agricola francese – delle colture di leguminose  . 

La fertilizzazione azotata, qualunque sia la sua origine, è anche la principale fonte di emissioni di gas serra dall’agricoltura con il metano prodotto dai ruminanti

I fertilizzanti minerali azotati provengono da un processo di sintesi artificiale chiamato Haber-Bosch . 

L’industria chimica trasforma l’azoto atmosferico in forme di azoto che possono essere utilizzate dalle piante proprio come fanno i batteri che fissano l’azoto. 

Se la fonte di azoto è in pratica illimitata, questa reazione richiede invece grandi quantità di energia . Ciò è fornito principalmente dalla combustione del gas naturale, combustibile fossile soggetto agli stessi problemi di esaurimento del petrolio . 

In Italia, per sintetizzare i fertilizzanti azotati viene utilizzata tanta energia quanta ne viene utilizzata per far funzionare tutti i trattori .

I fertilizzanti organici trasferiscono effettivamente i nutrienti tra gli elementi del sistema agricolo ma non ne aumentano il livello complessivo. 

Ad esempio, gli atomi di azoto che si trovano nei rifiuti animali non sono stati formati dagli animali stessi – questo è severamente proibito dalle leggi della chimica. 

Sono stati prelevati dalle piante ingerite da questi animali

che a loro volta li hanno prelevati dal terreno in cui sono cresciuti – o hanno ricevuto dai loro batteri simbionti per i legumi. 

Contrariamente a quanto talvolta si sente, l’allevamento non crea quindi nutrienti, ma trasferisce la fertilità da un appezzamento all’altro attraverso il letame.

Per quanto riguarda fosforo e potassio , non esiste, a differenza dell’azoto, alcun meccanismo biologico che consenta loro di essere facilmente immessi nel terreno. 

Solo l’alterazione della roccia di origine può rinnovare lo stock di questi nutrienti, ma è troppo lenta per compensare le esportazioni dell’agricoltura moderna. 

Questi nutrienti provengono quasi esclusivamente da fertilizzanti minerali provenienti dall’attività mineraria, rocce particolarmente ricche di questi elementi.

I depositi di roccia fosfatica sono stati formati dal lento accumulo e sedimentazione di detriti organici ricchi di fosforo e depositi di potassio per evaporazione di antichi corpi idrici. 

Questi processi sono durati diverse decine di milioni di anni, quindi sono risorse non rinnovabili sulla scala del tempo umano . Il fosforo è in particolare un elemento critico il cui approvvigionamento deve far fronte a crescenti vincoli geologici, energetici e geopolitici

Vedute aeree della miniera di fosfato Boukraa (Sahara occidentale). La vista dall’alto è uno zoom corrispondente al quadrato nero dell’immagine in basso a destra. Questa regione desertica con uno status giuridico controverso ha alcune delle più grandi riserve di fosforo del mondo. 

Si noti che spesso ci imbattiamo nei termini “fertilizzante chimico” o “fertilizzante sintetico” per qualificare indiscriminatamente i fertilizzanti minerali. Se questi termini si adattano ai concimi azotati risultanti dal processo Haber-Bosch, possono essere fuorvianti per i concimi minerali fosfatici o potassici che derivano da un’attività essenzialmente mineraria (anche se nel processo di isolamento degli elementi dell’acqua intervengono alcune reazioni chimiche interesse).

Origine e destino dei nutrienti nel sistema alimentare

Che sia azoto, fosforo o potassio, il sistema agricolo industrializzato compensa l’esportazione di nutrienti principalmente attraverso l’uso di fertilizzanti minerali . I fertilizzanti organici sono solo forme intermedie per le quali troviamo il più delle volte a monte la reazione di Haber-Bosch o una miniera di fosfato.

Questa dipendenza dai fertilizzanti minerali si applica in un certo modo anche all’agricoltura biologica (AB) o ad altre forme di agricoltura basata su fertilizzanti organici. 

Tra i fertilizzanti utilizzabili in agricoltura biologica troviamo in particolare escrementi animali non provenienti da allevamenti intensivi, sottoprodotti di macelli o vari stabilimenti agroalimentari. Questi fertilizzanti organici derivano essenzialmente da allevamenti convenzionali e quindi principalmente da fertilizzanti minerali. Quando la fertilizzazione è assicurata dall’introduzione di colture azotofissatrici nelle rotazioni, si tratta solo di azoto e, in assenza di integratori, il bilancio è carente per fosforo e potassio. 

Se alcuni suoli organici hanno ancora riserve significative di fosforo e potassio a seguito dell’uso massiccio di fertilizzanti minerali prima della loro conversione, qualsiasi esportazione, se non compensata, rappresenterà un problema a lungo termine . 

Si segnala che parte del rinnovamento del fosforo e del potassio in agricoltura biologica avviene mediante l’utilizzo di fertilizzanti minerali autorizzati dal disciplinare  (polvere di roccia fosfatica grezza, sali di potassio grezzi) o mediante l’introduzione di integratori minerali nel razione di animali da allevamento il cui letame viene poi sparso sulle coltivazioni

Ti starai chiedendo perché non inviare semplicemente i nutrienti che sono stati portati ai campi? 

È tempo di concentrarsi sulla gestione a valle di questi al fine di completare la nostra analisi dei flussi di nutrienti all’interno del nostro sistema alimentare

Da adulti e dopo il nostro periodo di crescita, i nutrienti del cibo che mangiamo non si accumulano nei nostri corpi. Ogni giorno evacuiamo tutti i nutrienti che ingeriamo: questa è l’escrezione . La maggior parte della nostra escrezione si basa sull’espirazione (anidride carbonica e vapore acqueo), sulla minzione (acqua liquida, urea e vari nutrienti in forme minerali o organiche) e sulla defecazione  . I nutrienti apportati al sistema alimentare dai fertilizzanti minerali finiscono principalmente nelle nostre urine con una media dell’85% di azoto, 60% di fosforo e 75% di potassio .

Oggi, in Italia, oltre il 99% delle famiglie evacua le urine e le feci attraverso uno sciacquone. 

Le raccomandazioni ufficiali indicano di limitare la semina sopra gli scarichi . Il suolo è quindi altamente arricchito di nutrienti in questa posizione, ma rischiano di essere poco mobilitati dalle piante e una parte si infiltrerà verso la falda freatica e costituirà inquinamento.

Nelle aree servite da fognatura, le acque reflue devono essere trattate da un impianto di depurazione prima di essere scaricate nell’ambiente naturale, il più delle volte un fiume. 

Fino a poco tempo, queste stazioni erano destinate al trattamento del carbonio delle acque reflue. Questo trattamento produce fanghi , estratti dall’impianto di trattamento, che trattengono alcuni degli elementi presenti nelle acque reflue. 

Questo è ancora il caso di molti agglomerati con meno di 10.000 abitanti. 

Tuttavia, in gran parte dell’Italia è ora necessario un trattamento con azoto e/o fosforo per per agglomerati con più di 10.000 abitanti.

Quando l’azoto viene trattato, viene principalmente rimosso grazie all’azione dei batteri denitrificanti che producono diazoto

Il risultato di questo trattamento è esattamente l’opposto del processo di sintesi Haber-Bosch e questo passaggio porta anche all’emissione di una notevole quantità di gas serra . 

La denitrificazione rimuove circa il 50% dell’azoto , il 10% viene catturato nei fanghi e il resto viene rilasciato a valle

Non esistono invece norme che regolano la gestione del potassio: pochissimo viene catturato nei fanghi e la maggior parte viene scaricata nel fiume .

In Italia, tra il 60% e il 70% dei fanghi degli impianti di trattamento viene poi utilizzato come fertilizzante organico per l’agricoltura

Ad esempio, nell’area di Milano, il tasso di riciclaggio agricolo dei nutrienti dalle acque reflue, principalmente dalle urine e dalle feci umane, è stimato al 4% per l’azoto, al 41% per il fosforo e al 2% per il potassio . Il tasso di rigetto dei nutrienti nel fiume è stimato al 38% per l’azoto, al 18% per il fosforo e al 96% per il potassio .

Una parte significativa dei nutrienti fuoriesce quindi dagli impianti di depurazione e si unisce ai fiumi a valle. Lo stesso vale per i nutrienti in eccesso apportati ai terreni agricoli dai fertilizzanti e portati via dalle piogge. Questo importante apporto di nutrienti a base di azoto e fosforo negli ecosistemi acquatici (eutrofizzazione) porta allo sviluppo intensivo di alcune specie vegetali e batteriche a scapito di altre specie. La difficile degradazione della biomassa così formata può causare, nei casi più gravi, l’esaurimento del mezzo in ossigeno e la morte di molti organismi .

Esempio emblematico di eutrofizzazione: la proliferazione dell’alga verde ( Ulva armoricana ) su una costa della Bretagna (comune di Santec) nell’agosto 2009. Photo credits Thesupermat – Wikimedia Commons.

Conclusione

Tutta l’attività agricola impoverisce il suolo esportando i nutrienti che vi si trovano sotto forma di cibo per gli esseri umani. Rinnovare la fertilità del suolo è quindi essenziale per garantire la sicurezza alimentare a lungo termine. Oggi il nostro sistema alimentare è caratterizzato da una gestione lineare dei nutrienti . 

Questi vengono principalmente portati alle colture sotto forma di fertilizzanti minerali, vengono eventualmente trasferiti tra diverse produzioni tramite fertilizzanti organici, poi una volta espulsi dal nostro organismo, vengono trattati come inquinanti da eliminare. 

Questa organizzazione dipende anche da risorse energetiche e minerarie limitate e ha un impatto ecologico significativo.(emissioni di gas serra, degrado degli ecosistemi e qualità dell’acqua). 

Un percorso ovvio verso la resilienza è quindi quello di provare a ripetere i cicli dei nutrienti , come nella maggior parte degli ecosistemi: che i nostri rifiuti tornino ad essere risorse