LA NUTRIZIONE MINERALE IN IDROPONICA

Folossi F. Pardossi A.

Introduzione

Di seguito vengono analizzati gli aspetti relativi alla nutrizione delle piante coltivate in idroponica, dopo una sommaria descrizione delle principali differenze tra la coltivazione nel terreno ed in idroponica, il manoscritto affronta alcuni aspetti essenziali della fisiologia della nutrizione minerale delle piante nei sistemi fuori suolo. Si rimanda, altresì, il lettore a testi più specifici sull'argomento (Lotti, 1985; Marschner, 1994).

Dopo aver esaminato le caratteristiche fisico-chimiche delle soluzioni nutritive ed i metodi correnti di gestione operativa, vengono illustrati alcuni approcci più innovativi basati sull'impiego non solo di apparecchiature più o meno sofisticate (ad esempio, sensori iono-specifici), ma anche di modelli matematici sviluppati per la previsione dei tassi di assorbimento idrico e minerale.

Terreno ed idroponica.

Meccanismi di rifornimento nutritivo

Nel terreno il rifornimento nutritivo alle radici avviene secondo tre meccanismi fondamentali: intercettazione, flusso di massa e diffusione.

Nel primo caso, approfondendosi e ramificandosi le radici vengono in contatto diretto con la soluzione circolante del terreno, nella quale sono presenti gli elementi nutritivi; in questo modo l'apparato radicale si sposta da una zona impoverita ad una più ricca di elementi nutritivi, intercettando gli ioni da assorbire.

Con il flusso di massa, invece, gli ioni arrivano sulla superficie radicale trasportati dal movimento di acqua che si verifica tra le zone a maggiore e minore (immediatamente a ridosso delle radici) potenziale idrico, per effetto della traspirazione della pianta.

L'ultimo meccanismo di assunzione dei sali minerali si basa sul fatto che, in prossimità delle radici, si crea, una zona di esaurimento della concentrazione ionica, verso cui si determina la migrazione degli elementi lungo un gradiente di concentrazione.

L'incidenza dei tre meccanismi dipende dal tipo di terreno, dal tipo di ione, dalla specie vegetale, ecc. Per quanto riguarda l'idroponica, il meccanismo più importante è sicuramente l'intercettamento ed il flusso di massa. Nel sistema NFT, ad esempio, la soluzione nutritiva in arrivo si rimescola con quella a ridosso dell'apparato radicale; l'intercettamento, anche se di tipo passivo, è in questo caso il processo fondamentale. Il carattere più saliente è dato però dall'elevato

flusso nutritivo, che determina un numero di ricambi orari compresi in genere tra 50 e 200 (tabella 2.1). Nelle colture su substrato, invece, la soluzione in arrivo sposta quella presente, che così è quella che costituisce in massima parte la soluzione di drenaggio, riutilizzata nei sistemi chiusi.

Per le diverse caratteristiche tecniche (volume e flusso della soluzione trattenuta nella zona radicale, tempi di erogazione ecc.) il rinnovo della soluzione nutritiva a ridosso delle radici è molto più alto in NFT che nei sistemi su substrato e ciò facilita l'assorbimento radicale (tabella 1). Questo fatto sembra spiegare la maggiore vigoria delle piante in NFT rispetto a quelle coltivate in substrato ed anche che, nelle colture su substrato, può risultare più efficace, per stimolare la crescita della pianta, l'aumento dei flussi piuttosto che delle concentrazioni toniche.

a) II secondo valore si riferisce a sistemi dove il volume totale di soluzione ricircolante è dato dalla somma della soluzione nel substrato e nel deposito di recupero.

b) I valori in parentesi si riferiscono alle portate (I ora  per punto-goccia) degli impianti di microirrigazione.

 

Quanto detto sembra confermato da un recente esperimento di Cabrera et al. (1996) su rosa coltivata su substrato con diverse concentrazioni di N (77, 154 e 231 mg I^-1) nella soluzione nutritiva o con diverse frazioni di drenaggio (10, 25 e 50%): questi autori hanno infatti osservato che l'aumento del volume di drenato (e quindi del flusso nutritivo) determina un sostanziale aumento della crescita e della produzione, che invece non sono significativamente influenzate dalla concentrazione azotata.

Sviluppo dell'apparato radicale

Un'ulteriore differenza tra la coltura a terra e quella idroponica riguarda la crescita delle radici.

Nel terreno un sufficiente approfondimento ed una adeguata ramificazione radicale sono le condizioni essenziali per esplorare un sufficiente volume di terreno e garantire un idoneo tasso di assorbimento idrico e minerale.

Al contrario, nelle colture senza suolo si ha spesso uno sviluppo radicale eccessivo, come si verifica in NFT per specie come il melone od il pomodoro;

questo crea notevoli problemi nel caso di cicli colturali superiori a 4-5 mesi. L'apparato radicale, infatti, non rimane vitale e funzionale per tutto il ciclo ma, al contrario, invecchiando più o meno velocemente, diventa un organo parassita che consuma assimilati fotosintetici ed ossigeno rilasciando escreti radicali fitotossici. Proprio per questo motivo le colture in idroponica dovrebbero utilizzare genotipi con apparato radicale ridotto ma longevo.

 

Volano chimico-fisico

La principale differenza tra terreno ed idroponica risiede nel volano fisico-­chimico della zona radicale che è minimo nei sistemi senza suolo, in particolare in NFT, per due motivi fondamentali.

In primo luogo si utilizzano substrati e volumi di soluzione nutritiva molto ridotti;

inoltre, quando è presente il substrato, questo è inerte dal punto di vista chimico-nutrizionale essendo privo, di solito, di una apprezzabile capacità di scambio ionico (eccetto la torba).

Infine, a causa della scarsa inerzia fisica (idrica e termica) le colture senza suolo richiedono un continuo rifornimento idrico e sono sottoposte a frequenti condizioni di stress termico, in special modo durante il periodo estivo per le eccessive temperature a livello radicale (fino a 45°C, Pardossi et al., 1992).

 

pH

Nei sistemi a ciclo aperto le piante sono continuamente rifornite con una soluzione nutritiva fresca. La gestione risulta assai semplice, in quanto il problema principale è quello di assicurare un ottimale rifornimento idrico riducendo al minimo il drenaggio. Nei sistemi a ciclo chiuso, invece, sono fondamentali il controllo e la reintegrazione della soluzione ricircolante. I parametri da tenere in considerazione sono essenzialmente il pH e la concentrazione dei diversi elementi nutritivi e degli ioni estranei presenti nell'acqua irrigua, che possono accumularsi nel tempo e provocare fenomeni di fitotossici+à più o meno acuta.

Mentre il pH del terreno è sostanzialmente costante (si pensi agli interventi necessari per modificare la reazione di un terreno), quello delle soluzioni nutritive tende di solito a crescere per ragioni chimiche (presenza di bicarbonati) e ragioni fisiologiche (Willumsen, 1980; Charpentier, 1985):

l'alcalinizzazione fisiologica della soluzione è provocata dalla maggiore velocità di assorbimento degli anioni (in particolare nitrati, presenti nelle soluzioni in grande quantità) rispetto ai cationi. All'interno delle radici si crea un bilancio

elettrochimico per cui quando sono assorbiti gli anioni (N-N03 ^-, K,⁺ Ca²⁺, Mg²⁺, ...)

in misura maggiore dei cationi, sono rilasciati nell'ambiente ioni OH ^- e HC03^-,

mentre quando i cationi (compreso l'ammonio) si liberano ioni H⁺. Essendo il potere tampone delle soluzioni nutritive in idroponica assai ridotto, con l'utilizzazione di un idoneo rapporto tra N in forma nitrica ed ammoniacale è possibile stabilizzare il pH, ma solo in acque povere in bicarbonati. Questo accorgimento, peraltro, non può essere utilizzato per specie come le solanacee,

per le quali lo ione NH4⁺ è tossico già ad una concen+razione di 1 - 2 mmoli I^-1.

 

Ossigeno disciolto

I rischi di ipossia radicale sono sicuramente maggiori in idroponica che nel terreno. Nel caso dell'idroponica l'ossigeno utilizzato dalle radici è quello presente nella soluzione nutritiva, dipendente dalla superficie dell'acqua esposta all'aria, dalla pressione parziale dell'ossigeno e dalla temperatura.

Con l'aumento della temperatura la quantità di ossigeno nell'acqua scende, ma nello stesso tempo si innalza la richiesta respiratoria da parte delle radici e della microflora presente nella soluzione nutritiva.

 

Concentrazione nutritiva

Tabella 2. Concentrazione (in mmoli f ¹) degli elementi nutritivi presenti nel terreno ed in idroponica (Epstein, 1978; Nielsen, 1984; Marschner, 1994).

 

 

 

II terreno è caratteri zzato da una soluzione circolante sostanzialmente più diluita rispetto a quella utilizzata in idroponica (tabella 2). Ciò vale soprattutto per il P, presente nel terreno in concentrazioni inferiori di 2-3 ordini di grandezza rispetto a quelle impiegate nelle colture senza suolo.

Questo aspetto di indubbia importanza viene ampiamente affrontato nel prossimo paragrafo dove vedremo come l'uso di concentrazioni relativamente elevate in idroponica non abbia, tutto sommato, un presupposto fisiologico.

 

Relazione tra concentrazione ed assorbimento

Le radici assorbono gli ioni nutritivi dal suolo e li trasferiscono nel sistema xilematico contro notevoli gradienti di concentrazione. Gli ioni nel loro movimento dal terreno alla stele passano attraverso le pareti cellulari dei peli radicali e le cellule corticali della radice. Fino alla barriera del Caspary (endodermide), questo percorso è di libero accesso all'acqua ed ai sali disciolti e quindi non occorre energia per l'assorbimento. Il passaggio delle sostanze attraverso la membrana cellulare che separa l'apoplasto dal simplasto è legato, invece, ad un consumo di energia (trasporto attivo).

La pianta oltre a creare un flusso contro il gradiente di potenziale elettrochimico è in grado di compiere un assorbimento selettivo dei vari ioni. Il trasporto di molecole e di ioni avviene attraverso sistemi enzimatici specifici associati alla membrana, detti permeasi o carrier, ed attraverso i canali ionici. Questi composti proteici associati alle membrane sono capaci di reagire con uno ione specifico, di trasportarlo attraverso la membrana e di rilasciarlo all'interno della cellula; l'energia per il trasporto attraverso il plasmalemma è fornita dall'ATP. Ci sono sistemi (antiporto) che prevedono uno scambio obbligato e simultaneo di sostanze differenti in senso opposto, ed altri che costituiscono un sistema di cotrasporto (simporto). Un altro sistema è l'uniporto che consiste nel trasporto di una sola specie chimica, via carrier o attraverso un canale di membrana (Alpi et al.. 1992).

I canali ionici facilitano la diffusione di elevate quantità di ioni. Le sostanze minerali permeano mediante percorsi o canali che sono in numero e capacità limitati.

La velocità massima del flusso è funzione della concentrazione del soluto e della quantità e dell'attività dei trasportatori per unità di superficie.

A bassa concentrazione del substrato il trasportatore smaltisce senza difficoltà tutto il traffico trans-membrana e la velocità del trasporto è proporzionale alla concentrazione del substrato (la cinetica è quasi lineare). Con l'aumentare della concentrazione del substrato la velocità del trasporto continua ad aumentare ma con un tasso di incremento decrescente fino a raggiungere la velocità di saturazione per una concentrazione di substrato molto alta (figura 1).

 

                                               

                                                                          

                                                        TASSO DI ASSORBIMENTO

                                                                             

I = I_MAX (C_S – C_MIN )

                                                                   --------------------------------------

Km + (C_S – C_MIN )