I nutrienti

Gli organismi viventi si comportano come sistemi altamente selettivi che concentrano al loro interno gli elementi della nutrizione minerale prelevandoli dall'ambiente circostante

Litosfera Cellula vegetale

-------------------- % (p/p) ---------------------

Ossigeno (O) 46.7 Carbonio (C) 45

Silicio (Si) 27.7 Ossigeno (O) 45

Alluminio (Al) 8.1 Idrogeno (H) 6

Ferro (Fe) 5.1 Azoto (N) 1.5

Calcio (Ca) 3.7 Potassio (K) 1.0

Sodio (Na) 2.8 Calcio (Ca) 0.5

Potassio (K) 2.6 Magnesio (Mg) 0.2

Magnesio (Mg) 2.1 Fosforo (P) 0.2

Altri 1.2 Zolfo (S) 0.1

Elementi essenziali ed elementi utili

Secondo Arnon e Stout (1939) un nutriente è essenziale:

- se la sua assenza non consente alla pianta di completare il suo ciclo vegetativo, causando crescita anormale o morte prematura

- se le sue specifiche funzioni non possono essere sostituite da nessun altro elemento

- se svolge un ruolo unico e diretto nel metabolismo della pianta

Un nutriente è utile se può:

- compensare gli effetti tossici di altri elementi

- sostituire un nutriente essenziale in alcune funzioni metaboliche non specifiche

Gli elementi della nutrizione delle piante

Classificazione degli elementi nutritivi in relazione alla loro provenienza e quantità assimilata dalla pianta

Sodio (Na)2

Silicio (Si)3

Cobalto (Co)4

Vanadio (V)3

Nichel (Ni)3

Boro (B)

Rame (Cu)

Ferro (Fe)

Manganese (Mn)

Molibdeno (Mo)

Zinco (Zn)

Cloro (Cl)3

Carbonio (C)

Idrogeno (H)

Ossigeno (O)

Azoto (N)1

Fosforo (P)1

Potassio (K)1

Zolfo (S)2

Calcio (Ca)2

Magnesio (Mg)2

Elementi assorbiti dal suolo

Macroelementi Microelementi Utili

Elementi presi

dall’aria e dall’acqua

1 Elementi nutritivi principali secondo la legislazione sui fertilizzanti (d.lgs. n. 75/2010).

2 Elementi nutritivi secondari dalla legislazione sui fertilizzanti (d.lgs. n. 75/2010).

3 Non compaiono fra gli elementi della fertilità.

4 Il cobalto è incluso fra i microelementi,.

Gli elementi della nutrizione delle piante

Gli elementi della nutrizione minerale delle piante NUTRIENTE FUNZIONE

Carbonio Componente dell'organizzazione molecolare di carboidrati, proteine, lipidi e acidi

nucleici.

Ossigeno Come il carbonio è presente in tutti i composti organici delle entità biotiche.

Idrogeno

Azoto E' parte integrante di molti composti organici essenziali per la vita delle piante quali

proteine, acidi nucleici, ormoni, clorofilla, vitamine ed enzimi.

Fosforo Ha un ruolo primario nei meccanismi di trasferimento dell'energia. E' necessario per la

germinazione dei semi, per la fotosintesi, per la formazione delle proteine e per quasi

tutti i processi di crescita e metabolici della pianta.

Potassio Necessario per la sintesi dei carboidrati. Partecipa ai meccanismi di regolazione

osmotica e ionica. E' indispensabile per il mantenimento della conformazione attiva di

molti sistemi enzimatici. E' coinvolto nella traslocazione dei prodotti della fotosintesi.

Calcio E' indispensabile per la divisione e la distensione cellulare. Per la sua capacità di legarsi

agli acidi poligalatturonici (pectine) gioca un ruolo fondamentale nel mantenimento

dell'integrità delle membrane cellulari.

Magnesio Entra nella struttura molecolare della clorofilla. Attiva numerosi sistemi enzimatici; ed

in particolare quelli legati al metabolismo del fosforo. Agisce sulla nutrizione azotata,

favorendo la sintesi delle proteine.

Zolfo Elemento strutturale di amminoacidi, proteine e vitamine. Come il fosforo può essere

coinvolto negli scambi di energia nelle cellule vegetali.

Sodio E' coinvolto nella regolazione del tono osmotico e del bilancio ionico delle cellule.

Svolge un ruolo fondamentale nel metabolismo vegetale. E' importante nel definire il

bilancio ionico e come principale agente dei processi di riduzione. E' fondamentale

nelle relazioni energetiche cellulari.

Gli elementi della nutrizione minerale delle piante NUTRIENTE FUNZIONE

Ferro Cofattore enzimatico, partecipa alla sintesi della clorofilla nei cloroplasti. Regola i

meccanismi di crescita delle giovani piante.

Manganese Cofattore enzimatico nei processi di fotosintesi, respirazione e metabolismo

dell'azoto. Interviene nella biosintesi di alcuni complessi vitaminici e delle auxine.

Zinco

Rame Si ritrova nel sito attivo di numerosissimi enzimi. E' coinvolto nei processi di

ossidoriduzione, ed in particolare nel trasporto degli elettroni e nella fotosintesi.

Boro E' necessario per la formazione delle pareti cellulari, per l'integrità delle membrane

biologiche e per l'assorbimento del calcio. Può favorire la traslocazione degli zuccheri

e degli ormoni. Controlla i processi di fioritura, di germinazione del polline, di

fruttificazione e di distensione cellulare. Influenza la nodulazione delle leguminose.

Molibdeno Cofattore enzimatico nei sistemi di ossidoriduzione dell'azoto.

Cloro Interviene nella fotolisi dell'acqua. Contribuisce a mantenere l'equilibrio

elettrochimico delle cellule. In alcune piante agisce come controione del potassio nel

processo di regolazione dell'apertura stomatica.

Silicio Elemento utile per molte piante. Partecipa all'organizzazione strutturale delle pareti

cellulari. Nelle piante di riso incrementa la resistenza alle infezioni fungine.

Cobalto Essenziale nel processo di fissazione di azoto da parte delle Leguminose.

Nichel Favorisce l'assorbimento del ferro e la germinazione dei semi.

Vanadio Può sostituire il Mo nella fissazione biologica di azoto

Cofattore enzimatico. E' essenziale per il metabolismo dei carboidrati, per la sintesi

delle proteine e per l'allungamento degli internodi negli steli.

I nutrienti nel suolo si trovano in forma libera, adsorbita e combinata

Processi di natura chimica, chimico-fisica e biologica ne modulano la disponibilità, cioè la concentrazione nella fase liquida.

La reintegrazione del nutriente è legata allo stabilirsi di equilibri dinamici tra le frazioni (pool).

Dinamica dei nutrienti nel suolo

Il nutriente è allontanato dalla fase liquida, viene dinamicamente reintegrato in virtù dell’equilibrio che si stabilisce tra frazioni (pool) caratterizzate da diverso grado di disponibilità.

I pool comprendono i nutrienti:

immediatamente disponibili, se presenti come ioni, molecole e chelati in soluzione (frazione solubile)

facilmente disponibili in tempo breve, se adsorbiti sulle superfici degli scambiatori (frazione scambiabile)

lentamente disponibili, se combinati in forme minerali ed organiche poco complesse o adsorbiti in posizioni poco accessibili (frazione lentamente disponibile)

molto lentamente disponibili, se coinvolti nella struttura di composti molto resistenti all’alterazione e alla mineralizzazione (frazione riserva).

La disponibilità dei nutrienti

Nel suolo i nutrienti si accertano:

- in forma combinata, nei costituenti minerali e organici

- in forma adsorbita, sulle superfici dei minerali argillosi e delle macromolecole umiche

- in forma libera, come ioni, molecole o chelati.

I fenomeni di natura chimica, chimico-fisica e biologica che coinvolgono le diverse forme dei nutrienti definiscono le reazioni di:

- solubilizzazione e precipitazione

- adsorbimento e desorbimento

- mineralizzazione, organicazione e umificazione.

Il ciclo dei nutrienti nel sistema suolo pianta

Nei suoli coltivati, numerosi processi esercitano influenza sul bilancio dei nutrienti.

Allontanano nutrienti dal suolo: - le asportazioni colturali

- la lisciviazione

- la volatilizzazione (NH3, N2, N2O)

- l’erosione

Apportano nutrienti al suolo: - i processi di alterazione dei costituenti inorganici

- i processi di mineralizzazione della sostanza organica

- la fertilizzazione

- l’azoto fissazione - le precipitazioni atmosferiche

Valori medi della concentrazione di alcuni nutrienti nella sostanza secca delle piante

Relazione empirica tra la risposta di crescita della pianta (o la resa agronomica) e la concentrazione del nutriente nei tessuti vegetali

La condizione si realizza quando un solo fattore è limitante e tutti gli altri sono mantenuti costanti

Nel sec. XIX nasce la chimica agraria

Liebig esplorò per primo, e con basi scientifiche, i meccanismi della nutrizione minerale delle piante

Kaliapparat

Liebig formalizzò la “legge del minimo”

La crescita della pianta è controllata dal fattore di crescita presente in quantità minore rispetto al fabbisogno

La legge del minimo di Liebig

Va tuttavia osservato che la resa agronomica tiene complessivamente conto e dipende da tutti i fattori limitanti

Legge della “produttività decrescente” (legge di Mitscherlich)

Quando si apportano al suolo dosi crescenti di un fattore limitante, gli incrementi di resa ottenuti sono sempre minori via via che le quantità apportate aumentano.

Legge della “produttività decrescente” (legge di Mitscherlich)

Curva di Mitscherlich adattata a dati di crescita ottenuti su piantine di mais allevate in serra ed esposte a dosi crescenti di apporto azotato.

Risposte di crescita di piantine di pino allevate su suolo sabbioso

Legge della

“interdipendenza tra i fattori di crescita”

Incrementare un fattore non limitante non aumenta la resa

Esiste un rapporto di interdipendenza tra fattori di crescita

Legge della

“interdipendenza tra i fattori di crescita”

Interdipendenza tra gli elementi nutritivi della pianta

Interdipendenza tra gli elementi nutritivi della pianta: il rapporto Mg/K

Un rapporto equilibrato tra i due cationi nel suolo si realizza quando Mg/K = 0.6-1.6 (in mg kg-1), oppure 2-5 (in meq 100 g-1)

Interpretative model illustrating the response of a crop to a number of limiting factors (from Sumner and Farina, 1986)

Interdipendenza tra i fattori di crescita

ne consegue che…

- incrementare un fattore non limitante non aumenta la resa produttiva

-esiste un rapporto di interdipendenza tra fattori di crescita

-gli elementi nutritivi sono assimilati secondo rapporti stechiometrici ben definiti

- la carenza di un nutriente, sebbene tutti gli altri siano alle idonee concentrazioni, fa si che la biosintesi di un composto o lo svolgersi di un processo fisiologico non avvengano

- la resa attesa può differire dalla resa di riferimento

La NUE (nutrient use efficiency) esprime l’efficienza d’uso di un nutriente (Moll, 1982)

Esprime la quantità di sostanza secca utile ottenuta per unità di nutriente somministrata o per unità di nutriente assimilata.

Il concetto di efficienza è utilizzato per caratterizzare le relazioni che legano gli apporti di nutriente e la resa produttiva in differenti situazioni (pieno campo, ambiente controllato, fuori suolo) con specifico riferimento alle peculiari caratteristiche pedoclimatiche, genetiche e di gestione.

La NUE (nutrient use efficiency) esprime l’efficienza d’uso di un nutriente (Moll, 1982)

NUE = Ns (nutriente fornito)

Gw (sostanza secca)

NtGw

NsNt

NsGw

NUE=uptake efficiency (NUpE) x utilization efficiency (NUtE)

NtTw

TwGw

NtGw

GW/Nt= harvest index x biomass production efficiency

Total biomass produced per unit of fertilizer applied

Multiple interacting environmental and genetic factors

Nutrient Use Efficiency (NUE)

www.uic.edu

NUpE (Uptake)

• Nutrient available form in soil

• Type and form of fertilizer

• Root system architecture

• Transport system

• Microbial interactions at rhizosphere level

NUtE (Utilization)

• Long distance transport

• Nutrient assimilation

P distribuito (kg ha-1)

NUtE (kg kg-1)

NUpE (kg kg-1)

NUE (kg kg-1)

131 60.44 0.63 39.6

262 53.68 0.51 27.1

393 52.18 0.38 19.7

524 44.36 0.34 14.8

655 43.93 0.27 10.9

• Efficienza d’uso del fosforo (come fosfato termico) in piante di riso

(Violante, 2013)

Componenti descrittive dell’efficienza d’uso dell’azoto in sistemi colturali cerealicoli

maggiore produttività alla stessa dose di

nutriente

stessa produttività a più basse dosi di

nutriente

Una maggiore efficienza nell’utilizzazione di un nutriente da parte della pianta può essere ottenuta attraverso la selezione genetica