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ⓘ Tensione matriciale. Per tensione matriciale si intende la pressione negativa che il terreno esercita sullacqua in virtù delle forze di coesione generate dalla ..




Tensione matriciale
                                     

ⓘ Tensione matriciale

Per tensione matriciale si intende la pressione negativa che il terreno esercita sullacqua in virtù delle forze di coesione generate dalla matrice solida. La tensione matriciale si identifica anche con la suzione che le piante devono esercitare per sottrarre lacqua.

                                     

1. Stato dellacqua nel terreno

Lacqua rientra nella composizione delle tre fasi del terreno: nella fase solida è presente come componente strutturale della sostanza organica e come componente strutturale dei minerali, sotto forma di acqua di cristallizzazione; nella fase gassosa è presente sotto forma di vapore; nella fase liquida è il solvente della soluzione circolante.

Ai fini della nutrizione idrica per acqua del terreno si intende la soluzione circolante, che occupa una parte degli spazi vuoti del terreno porosità. La porosità del terreno è convenzionalmente ripartita in due classi di pori, i macropori, con diametro superiore a 8μm e i micropori, con diametro inferiore.

In un terreno in condizioni ottimali di umidità, il complesso dei micropori è occupato dallacqua, mentre i macropori sono occupati dallaria. Questa condizione è infatti la migliore risultante fra le esigenze idriche delle piante le esigenze respiratorie: un contenuto idrico di quantità superiore genera una carenza nella disponibilità daria, un contenuto inferiore genera una tensione matriciale più alta in valore assoluto e, quindi, uno sforzo maggiore da parte delle piante nellassorbimento.

La forza che si esercita sullacqua è la risultante di quattro sistemi:

  • Forze di coesione interne. Sono le interazioni di attrazione reciproca fra le molecole dacqua, rappresentate dai legami idrogeno e legami elettrostatici del tipo dipolo-dipolo.
  • Forze di interfaccia liquido-gas. Sono le interazioni di attrazione che le particelle dellaria tellurica esercitano sulle molecole dacqua nellinterfaccia di separazione.
  • Forza di gravità. È la forza che si esercita su tutte le molecole in virtù dellattrazione gravitazionale.
  • Forze di interfaccia liquido-solido. Sono le interazioni di attrazione che le particelle solide idrofile esercitano sulle molecole dacqua in virtù della presenza di cariche elettriche sulla superficie delle particelle. Trattandosi di interazioni dinterfaccia, tali forze sono particolarmente intense nelle particelle dotate di proprietà colloidale, in quanto offrono unelevata superficie di sviluppo in rapporto alla densità elettrica.

La composizione di questi sistemi di forze porta a due risultanti differenti nei micropori e nei macropori, perciò si distingue fra due differenti stati dellacqua. A questi due se ne aggiunge un terzo nel quale le forze in gioco sono rappresentate quasi esclusivamente da interazioni dellinterfaccia solido-liquido.

                                     

1.1. Stato dellacqua nel terreno Acqua gravitazionale

Detta anche acqua di percolazione, è la frazione eventualmente presente nei macropori. Il diametro dei macropori è tale per cui le interazioni della matrice solida sulle molecole dacqua sono deboli perciò prevale lazione della forza di gravità. Si tratta fondamentalmente di acqua libera, in quanto si sottrae alla tensione matriciale. Il movimento lungo il profilo del terreno segue leggi complesse; nel caso più semplice, che si identifica in un terreno saturo e senza soluzione di continuità del complesso dei macropori, la percolazione dellacqua segue la legge di Darcy. In questo caso la velocità con cui lacqua gravitazionale percola in profondità dipende fondamentalmente dal coefficiente di conducibilità idrica o, in parole povere, dalla permeabilità.

Nella pratica la presenza di acqua gravitazionale si riscontra nel terreno saturo o, comunque, con umidità superiore alla capacità di campo. I tempi di prosciugamento dipendono essenzialmente dalla tessitura del terreno: nei terreni sabbiosi, molto permeabili, lacqua gravitazionale si perde entro pochissime ore, mentre nei terreni argillosi possono trascorrere anche 2-3 giorni. Se il terreno è fortemente impermeabile e mal strutturato i tempi si allungano notevolmente, fino ad arrivare ai casi estremi di ristagno permanente.

                                     

1.2. Stato dellacqua nel terreno Acqua capillare

Lacqua capillare è la frazione contenuta nei micropori o adsorbita sulla superficie delle particelle solide. In questo caso la distanza dalla matrice solida è tale per cui le forze di attrazione esercitate dalle particelle solide e la tensione superficiale prevalgono sulla forza di gravità. Si tratta fondamentalmente di acqua legata, in quanto trattenuta per effetto della tensione matriciale.

Lacqua capillare è composta, a rigore, da quella trattenuta nei micropori per effetto della capillarità. Questo volume è in continuità con lacqua che avvolge le particelle solide per effetto delladsorbimento. In entrambi i casi la causa della ritenzione è la forza di attrazione che le particelle solide del terreno esercitano sullacqua.

Sotto laspetto fisiologico si conviene di distinguere lacqua capillare in due frazioni, dette rispettivamente disponibile o assimilabile e non disponibile o non assimilabile. La prima frazione è in genere contenuta nei micropori più ampi, con diametro compreso fra 0.2 e 8 µm, la seconda nei micropori più sottili, dove la tensione matriciale si fa più intensa. Tale distinzione è di fondamentale importanza sotto laspetto pratico, in quanto la maggior parte delle piante non è in grado di assorbire lacqua non disponibile. La tensione media con cui è trattenuta lacqua non disponibile è superiore ad un valore limite di -3÷-5 MPa, tuttavia questo valore critico cambia di specie in specie.



                                     

1.3. Stato dellacqua nel terreno Acqua igroscopica

Lacqua igroscopica è la frazione rappresentata da un sottile velo liquido che avvolge le particelle solide del terreno ed è espressione delle interazioni di superficie che si verificano fra lacqua le particelle idrofile. La natura di queste interazioni è di tipo elettrostatico, perciò la loro intensità è correlata alla distanza fra le molecole dacqua e alla densità elettrica di superficie della particella. Sotto laspetto fisico-chimico si tratta perciò di acqua adsorbita le leggi che ne regolano la dinamica sono quelle relative ai sistemi colloidali.

Come tutti i processi di superficie, la ritenzione dellacqua per adsorbimento è significativa quando le particelle solide hanno dimensioni colloidali inferiori a 1 µm. In genere, lacqua igroscopica forma un velo liquido con uno spessore dellordine di 15-20 molecole; gli strati più esterni sono quelli soggetti ad una minore tensione. In media la tensione che si esercita sullacqua igroscopica varia da -5÷-10 MPa fino a valori massimi dellordine di -100÷-1000 MPa.

Il contenuto in acqua igroscopica dipende, oltre che dalle caratteristiche intrinseche della matrice solida del terreno, anche dallumidità relativa dellaria. Dal momento che questa aumenta lungo il profilo del terreno, tendendo al 100% in profondità, ne consegue che in una condizione di equilibrio gli strati superficiali del terreno hanno un contenuto in acqua igroscopica inferiore a quello degli strati profondi

                                     

2. Geometria dellinterfaccia acqua-aria

Linterfaccia di separazione fra lacqua capillare e laria del terreno è rappresentata da un menisco con concavità rivolta verso laria, conformazione che, nei fenomeni di capillarità, è tipica dei liquidi bagnanti. La curvatura è correlata alla tensione matriciale: quanto più intensa è la tensione, tanto maggiore sarà la curvatura del menisco.

Lasportazione dellacqua da parte delle piante determina un aumento della tensione matriciale che si manifesta con un aumento della curvatura. La dinamica di assestamento dei menischi al variare della tensione matriciale è immediata e continua.

Quando il raggio di curvatura del menisco eguaglia il raggio del microporo, sinstaura una situazione di equilibrio instabile: lulteriore asportazione dellacqua provoca uno svuotamento repentino del microporo e lacqua residua si assesterà nei micropori di diametro inferiore con una nuova situazione di equilibrio; in altri termini, nella porzione di terreno considerata resterà un minore quantitativo dacqua, trattenuta dai micropori più piccoli, con una curvatura dellinterfaccia acqua-aria meno intensa.

Prendendo in considerazione piccole porzioni di terreno e intervalli di tempo relativamente lunghi, il processo dellassorbimento radicale si manifesta in modo discontinuo: in altri termini, con il procedere dellassorbimento, la sottrazione dellacqua è intervallata da momenti in cui parte dei micropori si svuota repentinamente e lacqua residua si assesta con una nuova dislocazione spaziale. Poiché il terreno non è un sistema omogeneo, macroscopicamente ossia prendendo in considerazione porzioni molto ampie di terreno il fenomeno dellassorbimento radicale si manifesta come processo continuo con un aumento progressivo dellintensità della tensione matriciale media.

                                     

3. Potenziale matriciale

Si definisce potenziale matriciale il lavoro che si compie per portare un volume infinitesimale dacqua da un invaso dacqua libera al punto considerato del terreno. Affinché questo parametro non sia condizionato da altri fattori, la definizione si applica a condizioni standard:

  • il trasporto avviene in condizioni standard di temperatura e pressione;
  • il sistema di riferimento è termodinamicamente isolato processo reversibile;
  • lacqua dellinvaso di riferimento e quella del terreno sono dislocate alla stessa quota.
  • lacqua dellinvaso di riferimento e quella del terreno hanno la medesima concentrazione salina;

In altre parole il potenziale matriciale esprime lenergia potenziale accumulata nellacqua in virtù della tensione matriciale. Poiché la tensione matriciale ha un valore negativo, ne consegue che il potenziale matriciale è negativo, perciò per sottrarre lacqua è necessario effettuare una spesa energetica.

Il potenziale matriciale si riferisce allunità di volume dellacqua; sotto laspetto dimensionale il potenziale matriciale è equivalente ad una pressione, perciò si misura in bar, atmosfere o, nel Sistema internazionale, in Megapascal MPa.

Il potenziale matriciale è solo una componente additiva del potenziale idrico, in quanto sullacqua del terreno possono esercitarsi altre forze. In condizioni ordinarie le altre forze in gioco si possono ritenere trascurabili e il potenziale idrico si identifica approssimativamente nel potenziale matriciale. Nei suoli salini o con presenza di acque salmastre assume un ruolo considerevole, se non prevalente, la tensione osmotica. In questi casi il potenziale idrico sidentifica nella somma del potenziale osmotico e del potenziale matriciale. Essendo, entrambi, sempre negativi si deduce che il potenziale idrico, in condizioni di salinità e di non completa saturazione, ha sempre valori negativi, più bassi rispetto al potenziale idrico che si rileva in condizioni simili ma in assenza di salinità. Sotto laspetto pratico, a parità di altre condizioni, le piante esercitano uno sforzo maggiore per assorbire lacqua da una soluzione circolante salmastra.