J. Langenfeld, D. F. Pinto, J. E. Faust, R. Heins, B. Bugbee
Principles of Nutrient and Water Management for Indoor Agriculture
Sustainability 2022, 14, 10204. https://doi.org/10.3390/su141610204
Tra i vantaggi delle coltivazioni senza suolo, la possibilità di riutilizzare la soluzione nutritiva di drenaggio per ridurre gli sprechi idrici è un argomento di particolare interesse per la comunità scientifica e il settore produttivo. Un’efficiente gestione della soluzione nutritiva (SN) in sistemi di coltivazione senza suolo a ciclo chiuso è ottenuta attraverso l’applicazione dei “principi di gestione dei nutrienti”. Questo approccio è basato sulla misurazione dei consumi idrici (Water Use Efficiency; WUE) e sull’analisi di macro e micro-nutrienti nei tessuti vegetali. Infatti, mentre l’acqua assorbita viene persa per traspirazione, i nutrienti si “concentrano” nei tessuti fogliari. Moltiplicando la concentrazione dei macro-micro nutriente nei tessuti vegetali per il WUE, viene determinata la concentrazione desiderata nella SN (assumendo che non ci siano perdite per evaporazione).
Un ulteriore metodo proposto per il calcolo della SN da utilizzare nei sistemi di coltivazione senza suolo è il “Bilancio di massa”. Questo metodo presuppone che in un sistema di coltivazione senza suolo a ciclo chiuso i nutrienti si trovino nella SN o nei tessuti vegetali. Ai fini dell’applicazione di questo metodo il concetto di WUE ha notevole rilevanza in quanto definisce l’unità di biomassa prodotta per unità di acqua assorbita. Questo parametro può essere influenzato da molteplici fattori: temperatura ambientale, umidità relativa, concentrazione di anidride carbonica nell’ambiente, genetica, tecnica colturale, ecc., e per la sua determinazione è sufficiente dividere la quantità di biomassa prodotta dalla pianta per la quantità di SN assorbita durante il ciclo di coltivazione. Ai fini della scelta della composizione della SN è fondamentale conoscere la concentrazione ottimale dei nutrienti nei tessuti vegetali. Ci sono numerosi studi bibliografici che riportano la desiderata concentrazione dei nutrienti nei tessuti fogliare, la quale è simile per un’ampia gamma di specie. In generale circa il 90–95% della biomassa vegetale è costituita da carbonio, idrogeno e ossigeno, mentre il restante 5-10% dagli altri macro e micronutrienti. Nel metodo “Bilancio di massa”, conoscendo il WUE e la concentrazione dei nutrienti nei tessuti vegetali, la composizione della SN in un sistema di coltivazione a ciclo chiuso viene così determinata: concentrazione dei nutrienti nei tessuti vegetali × WUE = concentrazione SN. Il metodo del “Bilancio di Massa” per poter essere efficacie prevede che non ci debbano essere perdite per precipitazione e che ci sia un continuo rifornimento di nutrienti per l’intero ciclo colturale, la quantità di nutrienti forniti, al momento della raccolta, deve corrispondere alla quantità di nutrienti presenti nella biomassa della pianta e nella SN di drenaggio. Inoltre, i valori di WUE si basano sulla biomassa totale della pianta, che include stelo, frutti e radici, che spesso hanno una concentrazione di nutrienti inferiore rispetto alle foglie. Ciò significa che, tenendo conto della concentrazione dei nutrienti esclusivamente nel tessuto fogliare, si corre il rischio di sovrastimare i fabbisogni nutrizionali della coltura.
Ai fini della corretta composizione della SN, un ulteriore fattore da prendere in considerazione è il differente tasso di assorbimento dei nutrienti. Per questa caratteristica i nutrienti possono essere divisi in tre categorie di assorbimento: attivo, intermedio e passivo. I nutrienti ad assorbimento attivo (N, P, K, Mn) vengono assorbiti velocemente dalla pianta e un loro rapido reintegro nella SN può portare a condizioni di accumulo e tossicità nei tessuti vegetali; i nutrienti ad assorbimento passivo (Ca e B) vengono assorbiti con il medesimo tasso di assorbimento dell’acqua e la loro concentrazione nei tessuti vegetali rimane piuttosto stabile durante l’intero ciclo di coltivazione; infine, i nutrienti ad assorbimento intermedio (Mg, S, Fe, Cu, Zn, Mo, Ni, Cl) vengono assorbiti più velocemente dell’acqua, ma più lentamente rispetto a quelli ad assorbimento attivo. Capire la velocità di assorbimento dei nutrienti è fondamentale per il calcolo della SN e per la valutazione dello stato di salute delle piante.
Tra tutti i nutrienti l’azoto (N) è l’unico che viene assorbito sia come anione (azoto nitrico) che, come catione (azoto ammoniacale). L’assorbimento di queste due ioni ha conseguenze sul pH, in seguito al principio del “bilanciamento delle cariche”. L’assorbimento di NO3– determina il rilascio di ioni OH– (o l’assorbimento di ioni H+) nella SN, determinando un innalzamento del pH, mentre l’assorbimento di NH4+ determina una diminuzione del pH nella soluzione circolante. Considerando la presenza di questi due ioni nella SN è possibile agire sul pH della stessa, ma bisogna stare attenti al fatto che lo ione ammonio viene assorbito da cento a mille volte più velocemente dello ione nitrato e questo può determinare rapidi sbalzi del pH. Inoltre, l’eccessivo assorbimento di ammonio può determinare l’inibizione all’assorbimento degli altri cationi. Per gran parte delle colture orticole, l’ottimale rapporto tra azoto nitrico e ammoniacale nella SN è di 20:1.
Un ulteriore aspetto da tenere in considerazione per la “preparazione” della SN è il sinergismo e l’antagonismo tra i nutrienti. Le cellule vegetali devono essere elettricamente neutre per cui la concentrazione di anioni e cationi deve essere uguale. Dunque, l’assorbimento dei cationi inibisce l’assorbimento di altri cationi, e viceversa, l’assorbimento degli anioni inibisce l’assorbimento di altri anioni. Siccome lo ione ammonio è quello che viene assorbito più velocemente, non bisogna incrementare la sua concentrazione nella SN per evitare l’inibizione dell’assorbimento degli altri cationi.
Al fine del controllo della concentrazione dei nutrienti nella SN, un parametro fondamentale da monitorare è la conducibilità elettrica (EC), ossia la misura della capacità di condurre energia elettrica da parte di un fluido, quando questo è posto tra due elettrodi (unità di misura mS·cm-1). È possibile stimare attraverso calcoli teorici il valore della conducibilità elettrica, ad esempio utilizzando la formula di Nernst–Einstein.
Sempre ai fini del calcolo della SN, un ulteriore parametro da considerare è il potenziale osmotico della SN. Questo dipende dalla concentrazione dei nutrienti nella SN e può essere “manipolato” per indurre uno stress osmotico a livello radicale. Il potenziale osmotico può essere calcolato attraverso l’equazione di Van’t Hoff o indirettamente dalla EC, attraverso la seguente formula: EC × -0,036.
Attualmente, la determinazione della concentrazione dei singoli ioni nella SN può essere effettuata attraverso la colorimetria, la spettrofotometria, l’utilizzo di elettrodi ioni selettivi e la spettroscopia. L’utilizzo di elettrodi ioni selettivi permette di misurare in tempo reale la concentrazione degli ioni nella SN, tuttavia questi elettrodi devo essere ben calibrati in quanto, ioni con dimensioni simili posso essere letti dallo stesso elettrodo, alterandone la lettura (es. NH4+ e K+). Attualmente, con elettrodi ioni selettivi è possibile determinare NO3−, NH4+, K+, Ca2+, Cl−, and Cu2+.
Ancora oggi il metodo più attendibile per valutare lo stato nutrizionale della coltura è l’analisi fogliare, combinata con la resa produttiva. Una “problematica” dell’analisi fogliare è costituita dal posizionamento delle foglie sulla pianta. In generale, per la standardizzazione delle rilevazioni, per la determinazione della concentrazione dei nutrienti viene prelevata la foglia completamente espansa più giovane, in quanto rappresenta un tessuto in attiva crescita. Le foglie più vecchie sono poco rappresentative in quanto avranno una bassa concentrazione degli elementi più mobili (N, P e K) e una elevata concentrazione di elementi immobili (Ca e B).
Inoltre, ai fini dell’applicazione del metodo del “Bilancio di massa” risulta fondamentale progettare un corretto schema di coltivazione. Un alto rapporto tra volume di coltivazione (V) e superficie di coltivazione (CA) permette di tamponare le fluttuazioni nelle concentrazioni di ioni nella zona radicale. Il floating system è generalmente caratterizzato da un alto rapporto V:CA, mentre i sistemi di coltivazione in substrato con micro-irrigazione sono caratterizzati da basso rapporto V:CA. Per i sistemi con rapporto V:CA basso è fondamentale la gestione del turno irriguo, frequenza e volumi di adacquamento, oltre che una posizione dei gocciolatori tale da garantire l’uniformità di irrigazione del substrato.
Infine, nei sistemi di coltivazione senza suolo deve essere garantita l’ossigenazione delle radici, la stabilità del pH e la qualità dell’acqua utilizzata per la preparazione della SN. Inizialmente, il valore di pH della SN è determinato dall’equilibrio dei carbonati e l’equilibrio chimico dei fosfati aiuta a tamponare le fluttuazioni del pH stesso. Tuttavia, il contenuto dei fosfati nella SN è piuttosto basso, per cui il potere tampone è relativo. Generalmente il pH risulta piuttosto stabile nelle prime fasi della coltivazione, ma cambia rapidamente all’incrementare della crescita della pianta. Questo è dovuto principalmente dall’aumento dell’assorbimento dello ione nitrato e/o ammonio. Il pH ottimale è compreso tra 5,5 e 6,5: alti valori di pH riducono la disponibilità di Fe, Mn, Zn, Cu e P, e bassi valori di pH riducono la disponibilità di K, S, Ca, Mg e Mo. Senza l’aggiunta di NH4+ il pH delle SN tende ad aumentare durante il ciclo di coltivazione. Una soluzione proposta da questo studio è quella di aggiungere una soluzione di acido nitrico e solfato di ammonio in rapporto molare 2:1, in quanto l’acido nitrico abbassa immediatamente il pH della SN e il solfato ammonico rilascia lo ione ammonio che controlla l’innalzamento del pH a lungo termine.