Dinamica della struttura in suoli a fragipan

The presence of a fragipan may severely limit land use. The limitations are caused by fragipan specific physical properties: high bulk density and great susceptibility to slaking. These properties are linked to a low pore volume consisting mainly of small pores <0.05 &#956;m. The purpose of this thesis is thus to investigate the effects of wet and dry cycles and of variations in the soil electrolytic concentration on the structural properties of a fragipan (Btx) and to compare it with a Bt horizon. In the fine earth samples and 1-2 mm aggregates from both horizons the pH, the amount of Fe oxides, the organic C, sand, silt and clay contents, the porosity and the water aggregate stability were analyzed. Water stability of 1-2 mm aggregates and their susceptibility to slaking, swelling, dispersion and abrasion were determined through wet sieving with and without ethanol pre-treatment. The porosity was determined by Hg intrusion and N2 adsorption at 77 K. Subsequently, either deionized water or a 0.25 M solution of CaCl2 were added to the fine earth samples, which were then incubated. After incubation, the samples were dry-sieved to separate three fractions of aggregates (1-2, 2-5 and > 5 mm). On these fractions, the chemical and physical analyses described above were carried out. The 1-2 mm aggregates from the non-incubated Btx horizon, show the characteristic fragipan proprieties. These characteristics are less expressed in the fine earth fraction, thus indicating that fragic properties are related to aggregates structure. In laboratory conditions, the Btx originates larger aggregates than the Bt, both after incubation in water and, particularly, under the flocculating action of calcium. All samples had very low amounts of carbon (< 2.2 g kg-1) and the aggregates showed lower contents than the fine earth. The lack of enrichment in organic C indicates its minor role in aggregation. Fe oxides are instead present in high amounts (up to 90 g kg-1) and play a significant role in aggregation, although not specifically linked to fragipans. The aggregation mechanisms linked to the clay fraction seem to be instead more specific. In the Bt horizon, clay acts in the genesis of >2 mm aggregates, through the formation of flocculated clay bridges which are water-stable. In the Btx, clay settles in a less stable, non-flocculated form, at least in the case of coarse sand-sized aggregates. However, flocculated clay may contribute to aggregation in <0.2 mm fractions of fragipans. After incubation in water, the 1-2 mm aggregates maintain their typical fragic characteristics. In the newly formed aggregates the losses due to slaking may instead be as low as 4%. When the samples are incubated with CaCl2 the susceptibility to slaking almost disappears and the mesopores volume sharply decreases. Calcium seems to promote face-to-face associations of clay minerals by creating bridges between the permanent negatively charged surfaces, with a consequent highly dense packing. Fragipan structure is extremely susceptible to external changes. In the presence of Ca, the samples lose their fragic characteristics and even a single wet-dry cycle may destabilize their structure without generating new fragipan aggregates. The role of clay in the aggregation of soil particles is fundamental to determine the peculiarity of a fragipan horizon and its susceptibility to external factors.

La presenza di orizzonti a fragipan induce forti limitazioni di uso del suolo a causa di alcune peculiarità strutturali caratteristiche come l'elevata densità apparente e la suscettibilità allo slaking, riconducibili entrambe ad una scarsa porosità totale costituita soprattutto da pori di dimensioni <0.05 &#956;m. Al fine di individuare l'azione di cicli secco-umido e variazioni della concentrazione elettrolitica del suolo sulla dinamica strutturale del fragipan si sono messi a confronto un orizzonte argillico a fragipan (Btx) e un Bt. I campioni di terra fine e la frazione di aggregati 1-2 mm di entrambi gli orizzonti sono stati caratterizzati per quanto riguarda: pH, C organico, Fe degli ossidi pedogenetici, contenuto di sabbia, limo e argilla, porosità e stabilità strutturale. La stabilità in acqua degli aggregati 1-2 mm e la loro suscettibilità ai fenomeni di slaking, swelling, abrasione e dispersione è stata valutata tramite setacciatura ad umido con o senza pre-inumidimento in etanolo. La determinazione della porosità è stata eseguita tramite intrusione di Hg e adsorbimento di N2 a 77 K. I campioni di terra fine sono stati poi incubati addizionando acqua deionizzata o CaCl2. Successivamente sono stati setacciati a secco separando tre frazioni di aggregati (1-2, 2-5 e >5 mm), sulle quali sono state eseguite la medesime analisi dei campioni preincubazione. La frazione 1-2 mm dell'orizzonte Btx mostra tutte le caratteristiche strutturali tipiche di un fragipan; nella terra fine queste caratteristiche sono meno accentuate, evidenziando quindi come il carattere fragico sia tipico delle fasi aggregate. In condizioni di laboratorio, si generano aggregati anche di grosse dimensioni, sia dopo incubazione in acqua sia, in misura ancora maggiore, in seguito all'azione flocculante del calcio. Inoltre, l'assenza di arricchimento in C organico nelle fasi aggregate indica il suo scarso ruolo nella genesi della struttura. Gli ossidi di Fe invece rivestono certamente un ruolo aggregativo importante. Il maggior contenuto di Fe nei campioni Btx non è però associabile ad un ruolo specifico nell'aggregazione del fragipan. Il ruolo dell'argilla nei processi aggregativi risulta diverso nei due orizzonti. Bt presenta ponti di argilla flocculata stabili in acqua, mentre in Btx le argille sedimentano in forme meno stabili, non sempre flocculate, almeno per quanto riguarda gli aggregati >0.2 mm. Gli aggregati che dopo incubazione in acqua conservano dimensioni 1-2 mm mantengono quasi invariate le proprietà strutturali di un fragipan. Tutte le classi di neoaggregati, in particolare se incubati in CaCl2, manifestano invece drastici cambiamenti. Sembra che l'azione flocculante del calcio favorisca associazioni face to face fra i minerali argillosi, fungendo da ponte fra le cariche negative permanenti presenti sulle facce dei fillosilicati. Ne deriva così un impaccamento delle particelle molto denso. In generale, si osserva come la struttura del fragipan sia molto suscettibile ai cambiamenti esterni e come l'azione del Ca comprometta le caratteristiche fragiche dei campioni; un singolo ciclo secco-umido è invece sufficiente a destabilizzare la struttura, ma non a generare neoaggregati a fragipan. Le modalità con cui l'argilla aggrega le particelle del suolo sono sicuramente elementi fondamentali nel determinare la specificità dei fragipan e la loro suscettibilità ai fattori esterni.