La lisciviazione è un importante fenomeno che rientra all’interno del ciclo degli elementi nutritivi in agricoltura (Brady e Weil, 2008). Per i nutrienti che si trovano dispersi nella soluzione circolante una migrazione di anioni deve essere accompagnata da un’equivalente migrazione di cationi per mantenere lo stato di elettro-neutralità. Come tale, la perdita di molecole di nitrati, altamente mobili dopo una fertilizzazione azotata, o la mineralizzazione di sostanza organica può avvenire solo con la perdita di cationi come Ca, K, Mg ecc. La quantità di nutrienti essenziali per la nutrizione vegetale, perduta per lisciviazione, può essere veramente considerevole: perdite superiori al’80% per l’N applicato (Lehmann et al., 2004), 172% del Ca applicato (Omoti et al., 1983) e il 136% di Mg applicato (Cahn et al.,
1993). La lisciviazione, a seconda delle proprietà del suolo e dei suoi processi, può
essere altamente variabile sia nel tempo che nello spazio.
Il biochar riduce la lisciviazione dei nutrienti sia all’interno della sua struttura (Dünisch et al., 2007) che dopo essere stato applicato al suolo (Lehmann et al.,
2003). I diversi biochar presentano proprietà fisiche e chimiche che possono avere un
1. Proprietà fisiche
La capacità di ritenzione idrica nel suolo è dovuta anche al contenuto di materia organica presente in esso e, quindi, gli ammendanti organici incrementano la capacità di ritenzione idrica nel suolo. Prove empiriche suggeriscono che i suoli sabbiosi ammendati con il biochar possono incrementare il contenuto di acqua, mentre si ha l’effetto contrario in suoli argillosi (Tryon, 1948). Attraverso studi effettuati in suoli argillosi dell’Amazzonia ammendati con biochar, è stato dimostrato che si aveva una minore percolazione nei suoli ammendati rispetto a quelli non trattati, con una maggior crescita delle colture nei primi (Lehmann et al., 2003). Questo indica che, in suoli argillosi, il biochar può indirettamente ridurre la mobilità dell’acqua attraverso l’incremento della quantità di biomassa prodotta dalla pianta. Nei terreni sabbiosi, invece, questo meccanismo può essere integrato dalla ritenzione di acqua attuata direttamente dal biochar.
Questo suggerisce che l’applicazione di biochar nel terreno può modificare l’idrologia del suolo in linea con i tassi di aggregazione. L’aggregazione del suolo favorisce l’infiltrazione dell’acqua; così, la quantità di acqua movimentata attraverso il terreno viene aumentata. Questo può incrementare la lisciviazione di ioni solubili e mobili come i nutrienti.
L’acqua è usualmente considerata mobile quando è presente in pori di dimensioni dell’ordine di decine di micrometri (es. 30 μm) (Brady e Weil, 2008). In accordo con la definizione della Soil Science Society of America (1997), i macropori (>80 μm) portano ad un rapido flusso di acqua attraverso il suolo per azione della gravità e, dopo forti precipitazioni, possono causare eventi di lisciviazione molto pronunciati (Renck e Lehmann, 2004). I mesopori (tra i 30 μm e gli 80 μm) permettono all’acqua di muoversi in risposta a differenze di potenziale matriciale, mentre i micropori (< 30 μm) trattengono l’acqua al loro interno. In alcuni biochar è stato riscontrato un elevato contenuto di micropori (< 2 x10-3 μm) (Tseng e Tseng, 2006); questa porosità probabilmente contribuisce all’adsorbimento dei nutrienti tramite la cattura delle sostanze nutritive contenute nell’acqua trattenuta capillarmente.
Se il 95% dei pori del biochar è < 2 x 10-3 μm di diametro, la mobilità dell’acqua all’interno del suolo sarà ridotta. Nei suoli sabbiosi, dove la quantità volumetrica di acqua trattenuta diminuisce drasticamente all’aumentare del potenziale matriciale
(per es come accade nei terreni secchi), le particelle del biochar possono trattenere un elevato volume di acqua anche in presenza di elevati livelli di potenziale matriciale. I nutrienti disciolti in questa soluzione possono essere così trattenuti vicino alla superficie del suolo se la soluzione rimane immobile o si muove molto lentamente. Alcune prove suggeriscono che la porosità del biochar contribuisca al diretto adsorbimento di nutrienti attraverso interazioni di carica o con legami covalenti. L’elevata porosità del biochar in aggiunta ad un’alta superficie specifica, sulla quale le molecole sia di natura idrofoba che idrofila possono essere adsorbite, dipendono dalla presenza dei gruppi funzionali sul biochar.
La lisciviazione di nutrienti organici e inorganici adsorbiti da grosse particelle di biochar può essere ulteriormente ridotta o facilitata dal trasporto di sostanze colloidali con piccole particelle. I colloidi caricati negativamente facilitano l’allontanamento di metalli e inquinanti organici all’interno del suolo (Sen e Khilar,
2006).
2. Proprietà chimiche
Il biochar possiede un’elevata CSC, come dimostrato dalla presenza sulla sua superficie di un’elevata concentrazione di cariche negative e dall’adsorbimento di materia organica carica sulla sua superficie (Liang et al., 2006). Come nel caso delle argille, questa elevata CSC può promuovere l’aggregazione delle particelle di suolo dove la materia organica e i minerali si legano reciprocamente tra loro e con il biochar. I processi abiotici sono molto significativi nel promuovere l’ossidazione delle superfici di un biochar fresco rispetto ai processi biotici, se si parla di brevi periodi di tempo (per es. mesi). Infatti, in presenza di elevate temperature si ha l’ossidazione e la creazione di cariche negative negli strati profondi delle particelle dell’ammendante.
Il biochar fresco è di natura idrofoba ed adsorbe molecole idrofobe, come contaminanti organici (Bornemann et al., 2007). Le forme organiche idrofobe dei nutrienti (es. N, P e S) possono venire adsorbite dalle particelle del biochar, effetto che potrebbe dipendere sia dalla dimensione che dalla composizione delle macromolecole e delle temperature (Pignatello et al., 2006).
Si presume che il biochar possa agire seguendo vie differenti per diminuire la lisciviazione delle sostanze nutritive:
1) L’applicazione del biochar al suolo incrementa la capacità di ritenzione idrica grazie alla presenza di particelle porose all’interno dell’ammendate che trattengono l’acqua al loro interno e riducono così la sua mobilità;
2) L’applicazione di biochar fresco adsorbe nutrienti di natura organica idrofoba; 3) La carica superficiale del biochar aumenta, migliorando la CSC e aumentando la colonizzazione dei microrganismi al suo interno.