Capitolo 3
Materiali e metodi
3.1 CampionamentoI suoli sono sistemi eterogenei e la loro conformazione dipende da moltissimi fattori, alcuni dei quali presentano un’elevata variabilità spaziale (residui post-mortali di piante e animali, deiezioni animali, grado di utilizzo da parte dell’uomo.. etc…). Nel momento in cui si effettua il campionamento non è possibile valutare l’effetto di questi fattori sulle diverse porzioni di suolo. Inoltre, a seconda della sensibilità delle tecniche impiegate per l’analisi del suolo, può essere richiesto il campionamento di un numero diverso di campioni, rendendo ancora più difficile stabilire delle regole di campionamento univoche. Tuttavia, è stato mostrato che, nel caso di un’area omogenea per morfologia e vegetazione, come quelle esaminate in questo lavoro di tesi, può essere ritenuto sufficiente un campionamento random di almeno 10 campioni (Serafinchon, 2002).
Abbiamo quindi proceduto al campionamento nel seguente modo. Per ognuno dei tre siti studiati, S. Rossore, Castel Porziano e Tolfa, di superficie pari a 100m2 circa, sono stati scavati tre profili. I tre profili sono stati attentamente analizzati per verificare che presentassero gli stessi orizzonti pedogenetici e le stesse proprietà macroscopiche (essenzialmente tessitura e colore). Uno di essi, considerato rappresentativo del sito (detto profilo tipo), è stato descritto per orizzonti secondo le indicazioni di Shönenberger et al. (2002).
Dato che il contenuto di sostanza organica appare già molto bassa nei primi due orizzonti minerali (tra 0 e circa 20 cm di profondità), per le analisi NMR non sono stati considerati gli orizzonti più profondi. E’ stato quindi effettuato il prelevamento random di 10 campioni per ciascuno dei primi due orizzonti minerali (nel seguito indicati come Orizzonte 1 e Orizzonte 2) di ciascun sito, 3 direttamente dai profili scavati, gli altri 7 per carotaggio con una trivella
olandese1. Per ogni orizzonte è stato prelevato un campione di suolo di circa 500 g.
figura 3.1: foto delprofilo tipo del suolo nel sito di Tolfa.
3.1.1 Descrizione dei profili 3.1.1.1 S. Rossore
Località: parco di S. Rossore (5 m s.l.m.) (PI). La tenuta di San Rossore, che si estende ad ovest di Pisa fino al mare, era usata dai granduchi medicei per la caccia. La tenuta, passata dai Medici ai Lorena, ai Savoia, e in seguito divenuta Tenuta Presidenziale, è ora di proprietà della Regione Toscana che l'ha inserita nel "Parco di Migliarino-San Rossore-Massaciuccoli". Questo parco si estende nella fascia costiera che va da Viareggio a Livorno, per una superficie di 23.000 ettari. Nel territorio del parco sono presenti ambienti costieri, boschivi e palustri
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Una trivella olandese è una trivella manuale disponibile in vari modelli che permette di raggiungere una profondità massima di 120-150 cm.
di particolare interesse, con ampie spiagge, pinete, boschi misti, leccete, zone umide con molte piante rare e una svariata fauna.
Materiale parentale: dune marine sabbiose.
Vegetazione: principalmente pini (Pinus pinaster) (vita media 30-35 anni). Orizzonte Oi (cm 5/10-3/4): aghi di pino non decomposti.
Orizzonte Oe (cm 3/4-0): aghi di pino frammentati e poco decomposti, coproliti di acari e insetti. Il limite inferiore è bruscamente ondulato.
Orizzonte E (cm 0-5): sabbioso; umido, grigio-marrone (10 YR 5/2); struttura debole poliedrica subangolare, fine, molto friabile; poche radici molto fini. Limite inferiore ondulato.
Orizzonte Bs (cm 5-14/16): sabbioso-argilloso; umido marrone scuro (7,5 YR 4/3); struttura poliedrica subangolare, fine, molto friabile. Limite ondulato. Orizzonte C (cm 14/16-100+): sabbioso; umido, bruno (10 YR 5/3); senza struttura; radici da molto poche a poche.
3.1.1.2 Castel Porziano
Località: Castel Porziano (Roma). La tenuta presidenziale di Castel Porziano copre una superficie di circa 5.892 ettari e dista 24 Km dal centro di Roma e si estende fino al litorale. La tenuta presenta la maggior parte degli ecosistemi tipici dell'ambiente mediterraneo: procedendo dal mare verso l'entroterra, si incontrano un’ampia zona di spiaggia incontaminata, dune recenti sabbiose con piante pioniere e colonizzatrici, dune antiche consolidate con zone umide retro-dunali ed aree a macchia mediterranea bassa ed alta, con specie verdi ed aromatiche. In gran parte il bosco è caratterizzato da querce alle quali si affiancano altre specie (pioppi, frassini, ontani, aceri e carpini). Il sottobosco è particolarmente ricco degli arbusti tipici della macchia mediterranea: ginepro, mirto, lentisco, erica, corbezzolo, ginestra, alloro, fillirea e così via. Il pino domestico, sebbene di introduzione artificiale, costituisce ormai un elemento fondamentale del paesaggio. La tenuta di Castel Porziano, nata come riserva di caccia e azienda agricola, è andata progressivamente perdendo queste specifiche destinazioni e dal 1977 è soggetta a misure di salvaguardia e tutela.
Con Decreto Presidenziale n. 136/N del 5 maggio 1999, la tenuta è stata riconosciuta Riserva Naturale Statale.
Materiale parentale: dune sabbiose di origine marina contenenti ceneri derivanti dal distretto vulcanico laziale.
Vegetazione: vecchio bosco ceduo caratterizzato da Lecci (Quercus ilex) alcuni esemplari di orniello (Fraxinus ornus), mirto (Mirtus communis), fillirea (Philliraea sp.), corbezzolo (Arbutus unedo) e pino domestico (Pinus pinea). Tavola d’acqua a 105 cm.
Orizzonte O1 (cm 2-0): per lo più foglie di leccio e ramoscelli poco decomposti.
Orizzonte A1 (cm 0-7/9): sabbioso-argilloso; umido, bruno-grigiastro molto scuro (10 YR 3/2); struttura poliedrica subangolare, debole, medio-fine, molto friabile; comuni radici fini e molto fini. Contorno netto ondulato.
Orizzonte A2 (cm 7/9-21/23): sabbioso-argilloso; umido, bruno scuro (7,5 YR 3/2); struttura poliedrica angolare debole, fine e molto fine; comuni radici fini e molto fini. Contorno ondulato.
Orizzonte AB (cm 21/23-40/45): sabbioso-argilloso; umido, marrone carico (7,5 YR 4/3 con screziature di 7,5 YR 4/4); struttura poliedrica angolare fine e media molto debole; comuni radici medie e fini molto deboli. Contorno ondulato.
Orizzonte B (cm 40/45-75): sabbioso; umido, marrone intenso (7,5 YR 4/4); struttura poliedrica angolare media debole; scarse radici fini friabili. Contorno regolare graduale.
Orizzonte BC (cm 75-105): sabbioso; umido, bruno (7,5 YR 5/4) con screziature di argilla (7,5 YR 5/6); struttura debole poliedrica angolare media; scarse radici fini friabili.
3.1.1.3 Tolfa
Località: Tolfa (Roma). Il comprensorio dei Monti della Tolfa presenta delle particolari caratteristiche che hanno facilitato l’insediamento umano e lo sfruttamento del territorio sin da epoche antichissime. Un’importanza
determinante, sotto l’aspetto economico, ha avuto la presenza di giacimenti minerari di ferro, rame e di allume. Il comprensorio dei Monti della Tolfa è delimitato a ovest dalla costa tirrenica laziale compresa tra Civitavecchia e Santa Severa, ad est dai rilievi interni del viterbese, a nord dal fiume Mignone. La conformazione del territorio è stata fortemente influenzata dalle attività dei vulcani Ernici, Sabatino e Laziale, le cui tracce sono ancora oggi riscontrabili nei tre sistemi lacustri di Vico, di Bracciano-Martignano e di Bolsena. Il paesaggio si presenta movimentato da numerosi rilievi ricoperti in gran parte da bosco ceduo e pascoli estesi. La vegetazione è caratterizzata, a quote più vicine al livello del mare, da corbezzolo e leccio mentre a quote più elevate da faggio carpino bianco e castagno.
Materiale parentale: Ignimbriti da riolitiche a quarzolatitiche con struttura prevalentemente vitrica o ipocristallina, più o meno devetrificata con fenocristalli, frequentemente fratturate. Sanidino, plagioclasi, biotite, pirosseno e quarzo occasionale (“complesso Tolfetano –Civitavecchiese”).
Vegetazione: Macchia alta di corbezzolo (Arbutus unedo) con piante rade dominanti di roverella (Quercus pubescens). Sottobosco assente.
Esposizione del profilo: ovest. Pendenza: 10% circa.
Orizzonte Oi (cm 3-1): foglie e ramoscelli poco decomposti.
Orizzonte Oe (cm 1-0): residui organici moderatamente decomposti.
Orizzonte A1 (cm 0-5, spessore variabile da 4 a 6 cm): sabbioso franco con non più dell’1% in scheletro fortemente alterato; umido, bruno molto scuro (10 YR 2/2); struttura moderata, granulare, media, molto friabile; moderatamente plastico, leggermente adesivo; molte radici molto fini. Limite chiaro e ondulato.
Orizzonte A2 (cm 5-28, spessore variabile da 21 a 26 cm): sabbioso franco, con non più dell’1% in scheletro fortemente alterato; umido, bruno scuro (7,5 YR 3/2); struttura moderata, poliedrica subangolare, media, resistente; moderatamente plastico, leggermente adesivo; molte radici molto fini e poche fini. Limite chiaro e ondulato.
Orizzonte Bw (cm 28-43, spessore variabile da 12 a 19 cm): franco sabbioso, con non più del 5% in scheletro fortemente alterato; umido, da bruno a bruno scuro (10 YR 4/3), struttura debole, poliedrica subangolare, da fine a media, friabile; moderatamente plastico, leggermente adesivo; moderatamente poche radici fini e molto fini. Limite chiaro e ondulato.
Orizzonte BC (cm 43-65, spessore variabile da 21 a 23 cm): franco sabbioso con circa il 10% in scheletro moderatamente alterato; umido, bruno giallastro (10 YR 5/4); struttura debole, poliedrica angolare, da media a grossa, friabile; moderatamente plastico, leggermente adesivo; moderatamente poche radici fini e molto fini, molto poche medie. Limite chiaro e ondulato.
Orizzonte C (cm 65+): franco sabbioso con circa il 10% in scheletro moderatamente alterato; umido, bruno giallastro chiaro (10 YR 6/4); privo di struttura (massivo); moderatamente plastico, leggermente adesivo; molto poche radici fini.
3.2 Metodologie analitiche
Dopo la fase di campionamento, le aliquote di suolo prelevate sono state portate in laboratorio e lasciate asciugare fino ad equilibrio con l’ambiente. Una volta asciutto, il suolo è stato vagliato a 2 mm, privato dei residui organici visibili (piccole radici e pezzetti di foglie) con l’ausilio di pinzette, e omogeneizzato. Carbonio totale
Il contenuto di carbonio totale è stato determinato in ciascun campione utilizzando un analizzatore C/H/N.
Tessitura
La tessitura reale viene determinata distruggendo i cementi organici in modo da poter separare le particelle delle diverse componenti. La distruzione di tali cementi è stata effettuata trattando 20 g di campione, a caldo, con 20 ml di NaClO fino a quando i campioni non reagivano più all’aggiunta. I campioni sono stati poi messi per una notte in agitazione, a contatto con una soluzione disperdente di polifosfato di sodio. La sabbia è stata separata mediante 62
vagliatura a 53 µm. Il percolato è stato versato in cilindri graduati portando a volume con acqua distillata. I tempi di caduta e le profondità raggiunte dalle particelle sono stati determinati applicando la legge di Stokes, secondo la quale ogni frazione sedimenta ad una velocità di caduta direttamente proporzionale al raggio della particella (Filgueira et al., 2003). Una volta omogeneizzato il campione, conoscendo i tempi di sedimentazione che dipendono a loro volta dalla temperatura, è stata prelevata la porzione superiore della colonna d’acqua, portata a secco ed è stato quindi pesato il residuo. Questa prima frazione corrisponde all’argilla perché il limo ha una velocità di caduta maggiore (Marcheggiani et al., 2004).
3.3 Preparazione dei campioni per l’analisi 13C MNR
Gli esperimenti 13C NMR sono stati effettuati su campioni ottenuti dall’omogeneizzazione delle 10 aliquote prelevate per ognuno degli orizzonti 1 e 2 di ciascun sito.
Dato che i suoli scelti presentano basso contenuto in sostanza organica è stato necessario abbattere la fase minerale e ridurre le interferenze dovute alle sostanze paramagnetiche. Un primo trattamento di tipo esclusivamente meccanico è stato effettuato con l’ausilio di un microscopio ottico; esso ha permesso di eliminare da ciascun campione i grani minerali più grossi. È stato poi effettuato un trattamento chimico utilizzando una soluzione acquosa di HF al 2%. Questo trattamento, peraltro comunemente utilizzato nel caso di suoli poveri in sostanza organica, è stato scelto perché è stato dimostrato non alterare la composizione della SOM (Gonçalves et al., 2003). Infatti, benché il trattamento porti ad una perdita di carbonio organico totale tra l’8 e il 17% (Skjemstad et al.; 1994), questa alterazione interessa tutte le specie di carbonio allo stesso modo lasciando invariate le loro quantità relative.
Trattamento con HF
La procedura di arricchimento in sostanza organica consiste nel trattare i campioni con una soluzione acquosa di HF al 2% per tre giorni consecutivi:
a) 10ml di HF al 2% sono aggiunti a 1 g di campione e la sospensione è lasciata in agitazione per una notte.
b) si procede con la centrifugazione permettendo così la decantazione del surnatante. Altri 10 ml di acido sono aggiunti nuovamente al campione e la procedura è ripetuta per altre due volte.
c) Il campione viene fatto asciugare in un bagno termico alla temperatura costante di 50°C e successivamente in stufa a 40°C, fino a che il suo peso non è costante.
Data l’elevata percentuale di sabbia presente nei campioni di S. Rossore, il trattamento in questo caso è stato prolungato per altri quattro giorni.
3.4 Analisi NMR
Lo strumento utilizzato per le analisi 13C NMR è uno spettrometro Bruker AMX 300 WB equipaggiato con probe per CPMAS.
Il campione di suolo da analizzare (circa 100 mg) viene inserito in un rotore di ossido di zirconio di 4 mm di diametro, pesato e poi inserito nel probe.
Esperimenti 13C CPMAS
I parametri fondamentali per un esperimento CP sono: numero di scansioni, velocità di rotazione, relaxation delay (tempo fra due scansioni successive), durata dell’impulso a 90° e dell’impulso di contatto. Prima di scegliere i parametri definitivi sono state eseguite delle prove al fine di ottimizzarli e migliorare la qualità dello spettro ottenuto. Il numero di scansioni varia da campione a campione: infatti se un campione è più ricco in sostanza organica, è necessario un minor numero di scansioni per ottenere uno spettro con rapporto S/N accettabile per poter confrontare i vari spettri tra loro. In sede di analisi ogni spettro viene pesato in base al numero di scansioni e al peso del campione.
I parametri utilizzati sono i seguenti: • velocità di rotazione: 8000 Hz • relaxation delay: 2 s
• impulso a 90°: 4.4 µs • impulso di contatto: 3 ms • temperatura ambiente
• numero di scansioni (vedi Tabella 3.1)
sito orizzonte Numero di scansioni S. Rossore 1 30000 S. Rossore 2 45000 Castel Porziano 1 30000 Castel Porziano 2 40000 Tolfa 1 30000 Tolfa 2 30000
Tabella 3.1: numero di scansioni acquisite negli esperimenti 13
C CPMAS.
Esperimenti di spectral editing
Gli esperimenti di spectral editing sono stati effettuati per poter “isolare” tramite un’apposita combinazione lineare di spettri i gruppi CH, CH2 e CH3+Cquat
presenti nel campione (Keeler et al.,2000).
I parametri utilizzati per gli esperimenti di spectral editing sono riportati in tabella 3.2; per l’interpretazione di ogni parametro si rimanda al paragrafo 2.3.3. La combinazione lineare degli spettri ottenuti dagli esperimenti di spectral editing è stata effettuata utilizzando il pacchetto software Microcal Origin 6.0. La deconvoluzione di picchi spettrali è stata effettuata utilizzando il software dmfit (Massiot et al., 2002). I parametri ottimizzati sono posizione, larghezza e intensità dei picchi.
Esperimenti
τ
SLH inµ
sτ
CPinµ
sτ
PI inµ
sτ
SLC inµ
sτ
Dinµ
s ns LCP 140 1500 400 48000 SCP 1600 40 400 64000 LCPD 140 1500 280 120 48000 SCPD 1600 40 280 120 72000 SCPPI 1600 40 33 367 96000Tabella 3.2: parametri di acquisizione degli esperimenti di spectral editing.
