La qualità dell'acqua di irrigazione è un aspetto critico della produzione agricola, in particolare per le colture in serra. Ci sono molti fattori che determinano la qualità dell'acqua, tra cui il pH, l'alcalinità, la durezza o la presenza di metalli pesanti. Un'acqua di scarsa qualità può essere responsabile di una crescita lenta, di una scarsa qualità estetica della coltura e, in alcuni casi, può causare la graduale morte delle piante. Elevate concentrazioni di sali solubili possono danneggiare direttamente le radici, interferendo con l'assorbimento di acqua e nutrienti. I sali possono accumularsi nei margini delle foglie delle piante, causando bruciature dei bordi. L'acqua con elevata alcalinità può influire negativamente sul pH del substrato di coltura, interferendo con l'assorbimento dei nutrienti e compromettendo la salute delle piante.
Le analisi da laboratorio sono dunque fondamentali per monitorare la risorsa idrica a disposizione, specialmente durante i periodi di siccità quando la qualità dell'acqua tende a peggiorare. Per contenere i costi operativi dell'azienda agricola, le analisi da laboratorio vanno limitate ai parametri che è impossibile misurare sul campo, come ad esempio la concentrazione di metalli pesanti, cloruri, sodio, nitrati, eventuale contaminazione microbiologica, eccetera. La frequenza può essere anche pluriannuale, o limitata solo a situazioni anomale quali siccità molto prolungate, uso di acque urbane o industriali riciclate o sospetto di inquinamento causato da terzi.
Fra le misurazioni che possiamo realizzare autonomamente, le più note sono quelle del pH e della conduttività elettrica (salinità). È consigliabile dotarsi di misuratori elettronici tascabili, dal costo contenuto ma validi anche per misurare la salinità ed il pH del suolo (si vedano gli articoli La misurazione della salinità "fai da te" e L'arte di misurare il pH del suolo).
In questo articolo andremo a vedere in dettaglio la misurazione dell'alcalinità e della durezza e l'applicazione pratica di tali misure.
pH e alcalinità
Alcalinità e pH sono due fattori importanti per determinare l'idoneità dell'acqua per l'irrigazione delle piante.
Il pH è una misura della concentrazione di ioni idrogeno (H+) nell'acqua o in altri liquidi. In generale, l'acqua per l'irrigazione dovrebbe avere un pH compreso tra 5,0 e 7,0. L'acqua con pH inferiore a 7,0 è definita "acida" e l'acqua con pH superiore a 7,0 è definita "basica"; pH 7,0 è "neutro". A volte il termine "alcalino" viene utilizzato al posto di "basico" e spesso "alcalino" viene confuso con "alcalinità" ma, come vedremo al punto successivo, sono due cose completamente diverse.
L'alcalinità è una misura della capacità dell'acqua di neutralizzare l'acidità, e la si conosce come "potere tampone" o "capacità buffer". Un test di alcalinità misura il contenuto di bicarbonati, carbonati e idrossidi nell'acqua. Questi composti provengono dai materiali geologici dell'acquifero da cui l'acqua viene estratta, come calcare e dolomite. I risultati del test sono generalmente espressi come "ppm di carbonato di calcio (CaCO3)" o "mg di CaCO3/l", che è la stessa cosa. Meno frequentemente troviamo l'alcalinità espressa in meq/l, che significa "milli equivalenti di ioni Ca per litro".
Per definizione, la relazione fra meq e concentrazione è:
Relazione fra meq e concentrazione
(Fonte foto: Mario A. Rosato - AgroNotizie®)
Poiché il peso molecolare del carbonato di calcio è 100 e la valenza del calcio è 2, il fattore di conversione fra meq e concentrazione (in ppm o milligrammi/litro) di carbonato di calcio è:
meq = concentrazione / 50
L'intervallo desiderabile per l'acqua di irrigazione è da 0 a 100 ppm di carbonato di calcio. Livelli tra 30 e 60 ppm sono considerati ottimali per la maggior parte delle piante (Tabella 1).
Riassumendo, il concetto fisico di alcalinità è il seguente: preso 1 litro di acqua con un certo contenuto di carbonati, bicarbonati e idrossidi disciolti, per portare il pH di tale miscela al valore 7 (neutralità) sarà necessario aggiungere una certa quantità di acido, operazione che si chiama "titolazione". Più alta la concentrazione dei composti alcalini, maggiore sarà la quantità di acido necessaria. Conoscere l'esatta quantità di ogni carbonato, bicarbonato e idrossido richiederebbe analisi costose. La semplice titolazione, invece, consente di calcolare il totale di tali composti "come se fossero carbonato di calcio". La scelta del carbonato di calcio come "modello" di alcalinità si deve al fatto che è il composto predominante nelle acque ed inoltre il suo peso molecolare è 100, per cui i conti sono immediati.
Tabella 1: Alcalinità indicativa per colture in diversi tipi di contenitori
(Fonte foto: Center for Agriculture, Food and Environment, Cafe, Università del Massachusetts)
Il pH e l'alcalinità vanno sempre valutati insieme. La misura del pH di per sé non è un'indicazione di alcalinità. L'acqua con elevata alcalinità (ad esempio, elevati livelli di bicarbonati o carbonati) ha spesso un valore di pH pari o superiore a 7, ma l'acqua con elevato pH non necessariamente ha una elevata alcalinità. Questo concetto è importante perché è l'alcalinità, non il pH, ad esercitare gli effetti più significativi sulla fertilità del substrato di coltura e sulla nutrizione delle piante.
Alcalinità e durezza
Alcalinità e durezza sono due parametri di qualità dell'acqua intimamente relazionati, ma non vanno confusi. Chimicamente, la durezza è spesso definita come la somma delle concentrazioni di cationi polivalenti disciolti nell'acqua. I cationi polivalenti più comuni nell'acqua dolce sono calcio (Ca++) e magnesio (Mg++), ma non sono gli unici.
La durezza è solitamente divisa in due categorie: durezza carbonatica e durezza non carbonatica. La durezza carbonatica è solitamente dovuta alla presenza di bicarbonati - di calcio (Ca(HCO3)2) e magnesio (Mg(HCO3)2) - e carbonati, pure questi di calcio (CaCO3) e magnesio (MgCO3). Cioè, la durezza carbonatica è rappresentata dagli stessi composti che definiscono l'alcalinità. La durezza non carbonatica è dovuta a sali come cloruro di calcio (CaCl2), solfato di magnesio (MgSO4) e cloruro di magnesio (MgCl2). La durezza totale è uguale alla somma della durezza carbonatica e non carbonatica. Oltre agli ioni Ca++ e Mg++, anche ferro (Fe++), stronzio (Sr++) e manganese (Mn++) possono contribuire alla durezza. Tuttavia, il contributo di questi ioni è solitamente trascurabile.
La durezza totale si misura in milligrammi equivalenti di carbonato di calcio (CaCO3) per litro o in gradi francesi (1°F = 10 milligrammi/litro di CO3Ca). Quind, la differenza fra il valore di durezza e quello di alcalinità (entrambi espressi in milligrammi/litro) corrisponde alla durezza non carbonatica. Più è alta tale differenza, maggiore è la possibilità di stress per le piante causato dai cloruri e da altri sali potenzialmente dannosi.
L'acqua irrigua per colture in pieno campo deve avere una durezza compresa fra 50 e 150 milligrammi/litro equivalenti di carbonato di calcio (5-15 gradi francesi).
Potenziali effetti, negativi e positivi, sulla nutrizione
Nella maggior parte dei casi, l'irrigazione con acqua con un "pH elevato" non causa problemi finché l'alcalinità è bassa. L'acqua con pH elevato ma bassa alcalinità ha una scarsa capacità di neutralizzare l'acidità del substrato (si pensi ad esempio agli acidi umici), quindi non varia sostanzialmente il pH di questo ultimo. Più preoccupante è il caso in cui l'acqua con pH elevato e alcalinità elevata viene utilizzata per l'irrigazione, perché il pH del substrato di coltura aumenta significativamente nel tempo.
In effetti, l'acqua agisce come una soluzione diluita di calcare, che con l'aggiunta costante si accumula fino al punto di interferire con le normali funzioni di scambio fra suolo e apparato radicale. Il problema è più serio quando le piante vengono coltivate in piccoli contenitori, perché piccoli volumi di terreno hanno minore capacità tampone contro i cambiamenti di pH. Pertanto, la combinazione di pH elevato e alta alcalinità è particolarmente dannosa per l'irrigazione di vassoi di semina e piantine in zolle. Carenze di oligoelementi come ferro e manganese e squilibri di calcio (Ca) e magnesio (Mg) possono anche derivare dall'irrigazione con acqua ad alta alcalinità.
L'acqua con livelli moderati di alcalinità (30-60 ppm) può essere invece un'importante fonte di Ca e Mg per le colture in serre. Ad eccezione di alcuni prodotti, molti fertilizzanti idrosolubili non forniscono Ca e Mg. Quindi, l'acqua moderatamente alcalina può essere utile come fonte extra di Ca e Mg per le colture soggette a carenze di tali elementi.
Una durezza elevata può causare incrostazioni in manichette ed irroratori, bloccare servovalvole e altri componenti dell'impianto irriguo. L'accumulo complessivo di sali - carbonatici e non - è sempre causa di stress idrico per le piante.
Come si misurano alcalinità e durezza
I metodi da laboratorio si basano sulla titolazione con soluzioni di riferimento. Per chi fosse interessato, si vedano ad esempio i metodi per l'alcalinità e per la durezza.
Per le misurazioni rapide sul campo esistono invece diverse alternative di basso costo, di facile utilizzo e di accuratezza sufficiente per scopi pratici. L'opzione più professionale è il colorimetro portatile con relativi kit di reagenti per alcalinità e durezza. L'utilizzo si riduce a prendere un campione dell'acqua con un vaso graduato, aggiungere la quantità di reagente raccomandata e a introdurre il campione nello strumento che ne ricava la lettura misurando il cambiamento di colore del liquido.
Meno accurate, ma di facilissimo utilizzo e a bassissimo costo, sono le strisce graduate, del tutto analoghe a quelle utilizzate per misurare il pH. Esistono in commercio strisce specifiche per alcalinità e durezza, e anche alcuni prodotti che misurano tutti e tre i parametri: pH, durezza e alcalinità.
Cosa fare quando l'alcalinità e la durezza dell'acqua irrigua sono troppo alte
Tralasciando le soluzioni di "forza bruta" come il ricorso all'osmosi inversa o alle resine di scambio ionico per trattare l'acqua, le opzioni più alla portata dell'agricoltore sono:
- Diluizione dell'acqua irrigua con acqua di pioggia o da qualche altra fonte di minore alcalinità. Ciò non è sempre possibile, specialmente durante i periodi di siccità.
- Acidificazione. L'aggiunta di un acido ridurrà la concentrazione di carbonati e bicarbonati, convertendo questi in sali dell'acido in questione. Gli acidi minerali più adatti sono l'acido solforico (il più economico), l'acido fosforico (più costoso) e l'acido nitrico (limitazioni legali al suo utilizzo nell'Unione Europea). Poiché zolfo, fosforo e azoto sono nutrienti, l'utilizzo di questi acidi per neutralizzare l'eccesso di alcalinità dell'acqua irrigua comporta la necessità di ricalcolare il dosaggio di fertilizzanti. L'aggiunta di acido solforico diminuisce l'alcalinità ma aumenta la durezza non carbonatica perché forma solfato di magnesio. L'utilizzo di acidi organici, invece, non altera il piano di fertilizzazione perché tali acidi non hanno alcun effetto nutriente. I due acidi organici più economici, facilmente reperibili, e soprattutto più sicuri da manipolare, sono l'acido citrico e l'aceto di alcol, detto anche aceto bianco. Entrambi vengono utilizzati a livello domestico come anticalcare. L'aceto bianco concentrato è anche utilizzato come diserbante in agricoltura biologica.
Nella Tabella 2 si riportano i dosaggi necessari per abbassare di 10 milligrammi/litro l'alcalinità (o di 1°F la durezza carbonatica, che è la stessa cosa).
Tabella 2: Dosaggi di aceto bianco e di acido citrico necessari per abbassare di 10 milligrammi equivalenti di CaCO3/litro l'alcalinità dell'acqua irrigua (o di 1°F la durezza carbonatica)
(Fonte foto: Mario A. Rosato - AgroNotizie®)
Esempio pratico: supponiamo di dover irrigare vassoi di semina avendo a disposizione acqua con una alcalinità di 160 milligrammi CaCO3/litro e una durezza di 180 milligrammi/litro (18°F). Secondo la Tabella 1, l'alcalinità massima ammissibile è di 85 milligrammi/litro. Dobbiamo dunque abbattere almeno 160-85 = 75 milligrammi/litro di CaCO3 (7,5°F). Supponiamo di avere a disposizione aceto bianco con 7% di acidità, e una cisternetta da mille litri per alimentare il sistema di irrigazione. Il dosaggio necessario sarà dunque intermedio fra quelli tabulati per 6% e 8%, cioè: 7,5 x (200 grammi + 150 grammi)/2 = 1.312 grammi (circa 1,3 litri) di aceto bianco per m3 di acqua. Una volta preparata l'acqua nella cisternetta, andrebbero verificate le effettive alcalinità e durezza risultanti, perché le concentrazioni riportate in etichetta, le misure realizzate con vasi graduati ed il volume effettivamente riempito sono approssimativi. Se l'alcalinità fosse ancora maggiore di 85 milligrammi/litro, occorre aggiungere 100 millilitri di aceto, ricontrollare ed eventualmente ripetere l'operazione fino ad ottenere un valore di alcalinità minore del limite ammissibile.
Allegato: come sono stati calcolati i dosaggi di acidi
Per chi volesse approfondire, ecco i calcoli dei dosaggi nella Tabella 2:
- La reazione dell'acido acetico con il carbonato di calcio è: CaCO3 + 2 CH3COOH → Ca(CH3COO)2 + CO2 + H2O
Il peso molecolare del carbonato di calcio è 100 e quello dell'acido acetico è 60. Quindi servono 2 x 60 milligrammi/litro di acido acetico per neutralizzare 100 milligrammi/litro di carbonato di calcio, ovvero 12 milligrammi/litro di acido per ogni 10 ppm (o °F). Poiché l'aceto bianco è una soluzione di acido acetico in acqua, la quantità di aceto da aggiungere è 12 milligrammi/litro diviso per la concentrazione (ad esempio, diviso per 0,08 se l'acidità riportata nell'etichetta del prodotto fosse 8%, oppure 8°). - La reazione dell'acido citrico con il carbonato di calcio è: 3 CaCO3 + 2 C6H8O7 → Ca3(C6H5O7)2 + 3 CO2 + 3 H2O
Il peso molecolare del carbonato di calcio è 100, e quello dell'acido citrico è 192. Quindi, servono 2 x 192 milligrammi/litro di acido citrico per neutralizzare 3 x 100 milligrammi/litro di carbonato di calcio, ovvero 12,8 milligrammi/litro di acido per ogni °F. L'acido citrico disponibile in commercio può essere anidro oppure monoidrato (controllare l'etichetta). Il prodotto anidro si può ritenere puro, mentre quello monoidrato ha una purezza del 91,4%. Quando si usa il prodotto monoidrato bisogna quindi dividere 12,8 per 0,914.
