Sostituire il fertilizzante chimico con un concime organico: l'effetto sulla stabilità degli aggregati e sul carbonio organico in suoli sabbiosi

Il carbonio organico del suolo (SOC) rappresenta un elemento chiave per la fertilità ed è al centro delle strategie di mitigazione dei cambiamenti climatici, grazie al suo ruolo nel ciclo globale del carbonio. Nei suoli sabbiosi della Cina nord-occidentale, caratterizzati da scarsa capacità di ritenzione idrica e nutrizionale e da bassa stabilità strutturale, l’aumento del SOC è una priorità. Mentre è noto che l’apporto di sostanza organica migliora la qualità del suolo, rimangono meno esplorati gli effetti specifici di diversi tassi di sostituzione del fertilizzante minerale con quello organico su aggregati e carbonio in contesti sabbiosi. Questo studio, condotto su un sito sperimentale nella regione di Chayou Zhongqi (Mongolia Interna, 41°16’N, 112°37’E) con clima continentale temperato e precipitazioni medie annue di 300 mm, ha voluto verificare due ipotesi: l’aumento del tasso di sostituzione organica riduce la densità apparente e aumenta la porosità e il contenuto idrico, favorendo la formazione di macroaggregati; inoltre, l’apporto di sostanza organica incrementa gli agenti cementanti, promuovendo la stabilità aggregativa.

Materiali e metodi dell’esperimento quadriennale

L’esperimento ha previsto cinque trattamenti, replicati tre volte in parcelle randomizzate da 9×10 m, su un terreno classificato come sabbioso secondo la USDA taxonomy (Usults). Le tesi erano: nessun fertilizzante (Ctrl), 100% concime chimico (T0), sostituzione del 30% (T1), 60% (T2) e 100% (T3) dell’azoto tramite fertilizzante organico (prodotto con 46% di sostanza organica, 2,14% N, 1,24% P2O5, 2,18% K2O). L’apporto totale di N, P2O5 e K2O era costante tra T0, T1, T2 e T3. La rotazione colturale ha previsto patata nel 2018 e 2021, frumento nel 2019 e 2020. Al termine del quarto anno, sono stati prelevati campioni indisturbati di suolo a due profondità (0-20 cm e 20-40 cm). Gli aggregati sono stati separati tramite setacciatura a secco e a umido in quattro classi: >2 mm (macroaggregati grandi), 2-0,25 mm (macroaggregati piccoli), 0,25-0,053 mm (microaggregati) e <0,053 mm (frazione silto-argillosa). Sono stati calcolati il contenuto di macroaggregati (R>0,25), il diametro medio ponderato (MWD), il diametro medio geometrico (GMD), il contenuto di SOC nei singoli aggregati e lo stoccaggio di SOC per frazione. L’elaborazione statistica ha utilizzato ANOVA e test di Duncan (p<0,05).

Risultati: modifiche della porosità e della distribuzione aggregativa

Nel primo strato di suolo (0-20 cm), il trattamento T3 ha incrementato significativamente il contenuto idrico del 18% rispetto al controllo senza fertilizzanti e del 8,18% rispetto a T0 (p<0,05). La porosità totale è aumentata del 12,97% in T3 rispetto a T0. Sebbene la densità apparente sia risultata ridotta, la differenza non è risultata statisticamente significativa, probabilmente per la durata non ancora sufficientemente lunga dell’esperimento. Negli strati più profondi (20-40 cm) le differenze non sono state significative. Per quanto riguarda gli aggregati stabili a secco nello 0-20 cm, T3 ha aumentato la frazione >2 mm del 19,59% e quella 2-0,25 mm fino al 15,13% rispetto a T0, riducendo contemporaneamente la frazione 0,25-0,053 mm fino al 35,01% e quella <0,053 mm fino al 59,95%. Un andamento simile è stato osservato per gli aggregati stabili a umido. Nel secondo strato (20-40 cm), gli incrementi della frazione >2 mm sono stati più contenuti ma ancora significativi (fino a +9,45% rispetto a T0).

Stabilità strutturale e carbonio organico degli aggregati

Il parametro R>0,25 (macroaggregati totali) nello 0-20 cm è aumentato con T3 del 16,81% rispetto a T0; anche in profondità l’incremento è stato significativo (+8,53% per T3 rispetto a T0). MWD e GMD sono migliorati progressivamente all’aumentare del tasso di sostituzione organica: nello 0-20 cm, rispetto a T0, il MWD è aumentato fino al 17,91% e il GMD fino al 50,43% nel trattamento T3. Il contenuto di SOC all’interno degli aggregati è risultato maggiore con tassi più elevati di sostituzione organica e decresce al ridursi della dimensione degli aggregati. Nello 0-20 cm, T3 ha aumentato l’SOC nella frazione >2 mm dell’8,96% e nella frazione 2-0,25 mm del 13,34% rispetto a T0. La frazione <0,053 mm ha mostrato variazioni minime. La quota di contributo al SOC totale è risultata massima per gli aggregati >2 mm (46-50% del totale), mentre la frazione silto-argillosa ha contribuito solo per l’1-2,8%. La sostituzione organica ha quindi spostato il sequestro di carbonio dagli aggregati più piccoli a quelli più grandi.

Correlazioni tra carbonio e stabilità: analisi statistica

L’analisi di correlazione ha evidenziato una relazione altamente significativa (p ≤ 0,01) tra lo stoccaggio di SOC e i parametri di stabilità MWD, GMD e R>0,25. In particolare, il contenuto di SOC negli aggregati >2 mm è risultato correlato positivamente con MWD e GMD, suggerendo che il carbonio immagazzinato nei macroaggregati gioca un ruolo diretto nel miglioramento della stabilità strutturale. L’analisi delle componenti principali (PCA) ha distinto nettamente i trattamenti T3 e T0 lungo la prima componente, spiegando oltre il 78% della varianza totale. Ciò conferma che quattro anni consecutivi di apporto esclusivamente organico hanno modificato in modo significativo le proprietà del suolo superficiale, migliorando la stabilità aggregativa proprio attraverso l’incremento del SOC nelle frazioni grossolane.

Discussione: meccanismi e confronto con la letteratura

I risultati ottenuti confermano le ipotesi iniziali e sono in accordo con numerosi studi precedenti. L’aumento di porosità e contenuto idrico sotto T3, sebbene non ancora accompagnato da una riduzione significativa della densità apparente, indica un miglioramento della struttura fisica in tempi relativamente brevi in un suolo sabbioso. Come osservato anche da Zhu et al. e Zhang et al., la sostituzione con sostanza organica favorisce la formazione di macroaggregati a scapito dei microaggregati, poiché la sostanza organica fornisce agenti cementanti (polisaccaridi, ife fungine) che legano le particelle più piccole. Il fatto che la maggiore influenza sia stata osservata nello strato 0-20 cm è coerente con la localizzazione della maggior parte dell’apporto organico. Il miglioramento dell’MWD e del GMD dimostra che il suolo diventa meno erodibile e più capace di trattenere nutrienti. Inoltre, come riportato da Mustafa et al., i macroaggregati rappresentano il principale sito di sequestro del carbonio organico nei suoli fertilizzati, e questo studio conferma che l’incremento dell’SOC in tali frazioni è il meccanismo chiave alla base della maggiore stabilità aggregativa.

Conclusioni applicative per i suoli sabbiosi

Dopo quattro anni di prove in campo, si può concludere che la sostituzione completa del fertilizzante chimico con ammendante organico (T3) in un suolo sabbioso soggetto a rotazione patata-frumento ha prodotto effetti positivi significativi. In particolare, ha aumentato il contenuto di macroaggregati stabili sia a secco sia a umido, migliorato i parametri di stabilità MWD e GMD, e incrementato lo stoccaggio di carbonio organico nelle frazioni più grossolane (>2 mm e 2-0,25 mm) dello strato superficiale 0-20 cm. Contemporaneamente, ha ridotto la quota di microaggregati e della frazione fine. Le correlazioni positive molto strette tra SOC dei macroaggregati e indicatori di stabilità dimostrano l’esistenza di un meccanismo sinergico. Per i suoli sabbiosi della Cina nord-occidentale – e, per estensione, per ambienti similari con scarsa sostanza organica – l’impiego di fertilizzante organico in sostituzione totale o ad alta proporzione del chimico rappresenta una pratica efficace per migliorare la fertilità fisica e la resilienza strutturale del suolo. Ulteriori studi di più lunga durata potranno verificare se questi effetti si estendano anche agli strati profondi e se si consolidino nel tempo.