Substrati alternativi alla torba: effetti su crescita e consumi idrici nel vivaismo forestale

La coltivazione in vivaio di piante in contenitore affronta oggi due principali sfide: la ricerca di substrati a basso impatto ambientale e l’efficientamento dell’uso della risorsa idrica (Beaulieu et al. 2022). Attualmente, la torba è la materia prima maggiormente utilizzata per la produzione dei substrati, arrivando a rappresentare il 75% della formulazione delle miscele impiegate nel vivaismo arboreo (Kretzschmann e Dirksmeyer 2021). Purtroppo, però, le problematiche ambientali legate alla sua estrazione, la sua importanza come sink di CO₂ e i tempi lunghi di formazione, rendono la torba una risorsa difficilmente rinnovabile (Frangi et al. 2008; Mariotti et al. 2020). Oltre a ciò, la torba possiede una elevata idrofobicità, caratteristica che ne determina una scarsa capacità di reidratarsi dopo completa disidratazione e che può creare problemi alla salute degli alberi dopo il trapianto. Nonostante questi aspetti negativi, la torba rimane un materiale difficilmente sostituibile a causa della sua elevata porosità, capacità di ritenzione idrica, leggerezza e riproducibilità (Beaulieu et al. 2022). In questo contesto, ridurre la dipendenza dalla torba è diventato un tema centrale anche per i vivai forestali, chiamati a conciliare sostenibilità ambientale, qualità delle piante e gestione efficiente della risorsa idrica.
Le alternative alla torba maggiormente utilizzate sono la fibra o il midollo di cocco e la fibra di legno. La prima, nonostante i problemi relativi al trasposto dai paesi produttori e all’elevata salinità, che richiede pretrattamenti per rendere il materiale idoneo (Poulter et al. 2014), rappresenta uno dei materiali maggiormente utilizzati nei substrati come sostituto alla torba (Schmilewski 2017). La fibra di cocco, nonostante presenti una porosità molto simile alla torba, ha una migliore capacità di reidratarsi in seguito a disidratazione, ma possiede un pH più alcalino (Frangi et al. 2008). La fibra di legno presenta una porosità totale simile alla torba, ma è caratterizzata da maggior macro-porosità e da una conseguente minor capacità di ritenzione idrica (Eveleens et al. 2021).
In risposta alla necessità di aumentare l’efficienza d’uso dell’acqua, alcuni studi evidenziano come quest’ultima possa essere migliorata miscelando, nei substrati, materiali come biochar e zeolite. Il biochar è un materiale ottenuto dalla pirolisi di biomasse legnose, essenzialmente di scarto, caratterizzato da una bassa densità, un rapporto idrogeno/carbonio inferiore a 0,7 e un contenuto in carbonio organico tra il 35% e il 95% della biomassa secca (Schmidt et al. 2022), e può rappresentare un interessante esempio di materiale derivante dall’economia circolare. Le zeoliti sono tectosilicati cristallini tridimensionali, formati da un reticolo minerale di silicio e alluminio che crea ampie cavità in grado di immagazzinare acqua. Le zeoliti, naturali o sintetiche, presentano un’elevata capacità di scambio cationico, buona porosità e notevole abilità nella ritenzione idrica (Trinchera et al. 2013). L’analisi della letteratura sottolinea la necessità di ottenere maggiori evidenze sperimentali riguardo agli effetti di diversi substrati di coltivazione sulla crescita di diverse specie legnose, con particolare riguardo alla realizzazione di ricette che integrino materie prima in grado di compensare le reciproche carenze.

La ricerca svolta presso ERSAF

Nel 2023, l’Ente Regionale per i Servizi all'Agricoltura e alle Foreste (ERSAF) in collaborazione con l’Università degli Studi di Milano, ha avviato una ricerca, finanziata dal PNRR CN Biodiversità denominato “NBFC (National Biodiversity Future Centre)” – SPOKE 5 “Biodiversità Urbana”, Task 1.4 Produzione e tracciabilità delle piante, finalizzata a studiare come sia possibile ridurre la quota di torba nei substrati, mantenendo, o addirittura migliorando, la crescita e la qualità delle piante prodotte. Presso il vivaio forestale ERSAF di Curno (BG), è stato allestito quindi un campo sperimentale per studiare l’effetto di diverse miscele di substrati sulla crescita e la fisiologia di diverse specie forestali.

Tabella 1: Composizione e simbolo identificativo delle diverse miscele di substrato testate nella sperimentazione.

La sperimentazione è stata condotta utilizzando tre specie tra quelle più impiegate per i rimboschimenti di pianura: corniolo (Cornus mas L.), carpino bianco (Carpinus betulus L.) e farnia (Quercus robur L.). Nel primo anno, 1.080 piante (360 per ogni specie) prodotte per seme, sono state allevate in contenitore alveolare (0,4 L) e poi rinvasate in contenitori forestali (1,4 L) e coltivate per un’altra stagione vegetativa nei tunnel del vivaio ERSAF. Sia durante il primo anno di ricerca, sia durante il secondo, è stato usato un disegno sperimentale a blocchi randomizzati con 6 blocchi, dove il substrato di controllo a base di torba e cocco è stato confrontato con 5 miscele alternative (Tabella 1). Tutti i substrati sono stati fertilizzati con 2,4 kg/m³ di un fertilizzante a rilascio controllato (Osmocote, 5-6 mesi) e irrigate per aspersione secondo le normali tecniche di coltivazione di ERSAF (Figura 1).

Figura 1: dettaglio della coltivazione delle piante in contenitore alveolare, durante il primo anno (sinistra), e della coltivazione in contenitore, durante il secondo anno di sperimentazione (destra).

L’obiettivo non era quindi quello di individuare uno specifico materiale alternativo alla torba, ma piuttosto comprendere come cambiano disponibilità idrica, consumi idrici e produzione di biomassa delle piante coltivate in contenitore quando si riduce progressivamente la quota di torba inserendo materiali rinnovabili e componenti ad alta capacità di ritenzione idrica e di scambio cationico.
Tutte le miscele sono state caratterizzate dal punto di vista fisico (porosità totale, acqua facilmente disponibile, acqua di riserva) e chimico (pH, conducibilità elettrica e disponibilità di macroelementi), in modo da poter mettere in relazione le proprietà dei substrati con le risposte delle piante. Dopo ogni stagione vegetativa, una parte delle piante è stata sottoposta a misurazioni distruttive per la determinazione della biomassa aerea ed epigea e dell’area fogliare. Per misurare la lunghezza totale dell’apparato radicale, è stato utilizzato il metodo proposto da Tennant (1975). Per quantificare i consumi idrici giornalieri, nella seconda stagione vegetativa, è stato utilizzato il metodo gravimetrico, pesando cioè le piante a intervalli orari tra le 9.00 e le 17.00, in diverse stagioni, durante giornate di pieno sole.

Caratteristiche fisiche dei substrati

In Tabella 2 sono riportate le principali caratteristiche fisiche dei substrati studiati. Le differenze più interessanti hanno riguardato l’acqua disponibile per le piante, cioè la frazione di acqua, trattenuta tra pF 1 e pF 2, il cui assorbimento dipende esclusivamente dalla quantità di acqua presente, piuttosto che dal potenziale idrico radicale. Nel substrato di controllo TC, l’acqua disponibile era intorno al 10% in volume, mentre nelle miscele arricchite con zeolite e fibra di legno i valori erano superiori di circa il doppio: 18–20% in TLZ e in TLB, con valori simili, attorno al 18%, anche per TCZ. La miscela peat‑free LB si è collocata in posizione intermedia, con un’acqua disponibile intorno al 14–15%, leggermente superiore al controllo ma inferiore rispetto alle tesi con zeolite. Questi risultati indicano che i substrati contenenti zeolite (e, in parte, anche biochar) sono caratterizzati da un maggior contenuto di acqua disponibile e possono garantire condizioni idriche più favorevoli all’assorbimento da parte dell’apparato radicale. Contrariamente a quanto spesso si osserva nelle curve di ritenzione idrica effettuate sulla singola materia prima, quando miscelata con altri ingredienti, la fibra di legno non ha determinato una riduzione drastica nella capacità di ritenzione idrica, anzi, proprio le combinazioni TLZ e TLB hanno mostrato i valori maggiori di acqua disponibile.

Tabella 2: principali caratteristiche fisiche dei substrati studiati. Le abbreviazioni dei substrati sono esplicitate nella tabella 1

Effetti sulla crescita delle piante

Nel corso del primo anno, nessuno dei substrati ha permesso di produrre piante con biomassa secca totale o radicale significativamente diversa rispetto al controllo (Figura 2A, B). Tuttavia, le piante allevate in substrato senza torba (LB) mostravano biomassa totale del 33% inferiore rispetto ai substrati TCZ, TCB, TLZ e TLB (Figura 2A). La biomassa degli steli era simile tra il controllo e tutti gli altri substrati, ad eccezione di LB, dove risultava inferiore del 46% rispetto al controllo (Figura 2C).

Figura 2: Effetto del substrato (A, B, C) e della specie (D, E, F) sulla biomassa secca totale delle piante (A, D), sulla biomassa delle radici (B, E) e degli steli (C, F). Lettere diverse entro lo stesso anno di misurazione indicano differenze significative con p < 0,01 tra i substrati (A, B, C) o tra le specie (D, E, F). n.s. = differenze non significative.

Al contrario, nel secondo anno di crescita, tutti i substrati testati, ad eccezione di LB, hanno determinato un aumento medio del 32% della biomassa secca totale della pianta rispetto al controllo (Figura 2A). In particolare, dopo il rinvaso, il substrato TCZ e, in misura minore, TLZ hanno permesso il maggior sviluppo sia a livello epigeo, sia ipogeo (Figura 2B, C).
Per quanto riguarda le specie, la farnia ha mostrato la maggior biomassa dopo il primo anno di crescita, mentre il corniolo ha mostrato il maggior accumulo di biomassa, sia epigea, sia ipogea dopo il secondo anno (Figura 2D, E, F). Nel secondo anno di crescita, è possibile osservare come il rapporto tra la biomassa radicale e quella epigea sia di circa il 60% superiore in farnia e corniolo, rispetto al carpino.
Alle differenze causate dai substrati sulla biomassa secca radicale non sono corrisposte altrettante differenze significative in termini di lunghezza totale delle radici per pianta, sebbene le piante allevate in substrato TCZ avessero, al termine del secondo anno, radici di circa il 16% più lunghe rispetto alle altre tesi (Figura 3A).

Figura 3: Effetto del substrato (A) e della specie (B) sulla lunghezza totale delle radici. Lettere diverse entro lo stesso anno di misurazione indicano differenze significative con p < 0,01 tra i trattamenti (A) o tra le specie (B). n.s. = differenze non significative.

Oltre a favorire l’accumulo di biomassa a livello di radici e steli, la coltivazione in substrati contenenti zeolite ha permesso di produrre piante con una maggior biomassa fogliare (Figura 4A). Il substrato TCZ, in particolare, ha permesso di ottenere piante con biomassa secca delle foglie superiore rispetto al controllo in entrambi gli anni di prova. Il corniolo che, alla fine della sperimentazione, ha mostrato la maggior biomassa fogliare (Figura 4B), è stata anche la specie in cui l’area fogliare totale della pianta è stata maggiormente sensibile al substrato utilizzato (Figura 4C, D, E).

Figura 4: Effetto del substrato (A) e della specie (B) sulla biomassa secca delle foglie. I pannelli C, D, E indicano l’effetto del substrato sull’area fogliare totale nelle diverse specie: farnia (C), carpino (D) e corniolo (E). Lettere diverse entro lo stesso anno di misurazione indicano differenze significative con p < 0,01 tra i substrati (A, C, D, E) o tra le specie (B). n.s. = differenze non significative.

Nel primo anno, il substrato TCZ ha favorito l’aumento dell’area fogliare sia in carpino, sia in corniolo, mentre l’uso del substrato senza torba LB ha ridotto l’area fogliare rispetto alle altre miscele (Figura 4D, E). Nel secondo anno, tutte le miscele tranne LB hanno aumentato l’area fogliare di corniolo, rispetto al controllo (Figura 4E).

Effetti sui consumi idrici

Le differenze nelle caratteristiche radicali ed epigee osservate tra le specie e tra le diverse miscele hanno influenzato i consumi idrici. Nel secondo anno di misurazioni, a seconda della stagione e del substrato, i consumi idrici giornalieri sono variati fra 0,044 e 0,152 litri al giorno per pianta, con valori minimi in primavera e a fine stagione, e massimi nei mesi centrali dell’estate (Figura 5). A parità di irrigazione fornita, la miscela TLZ e, in secondo luogo, TCZ, cioè quelle contraddistinte da un maggior volume per l’acqua a pF 1, sono state, nel complesso, quelle che hanno consentito i consumi idrici più elevati (Figura 5A). Il controllo TC ha mostrato quasi sempre consumi inferiori rispetto alle altre miscele, tranne a maggio, quando era il substrato LB a mostrare il minor consumo idrico giornaliero. Le tre specie hanno mostrato di differire per quanto riguarda i consumi idrici. Il corniolo è stata la specie con il consumo idrico medio giornaliero più elevato, anche a causa di un’area fogliare totale del 124% più alta, nel secondo anno di misurazione, rispetto alle altre due specie (Figura 5B). Il carpino ha mostrato i consumi più bassi, tra le specie studiate, a causa di una minor area fogliare associata a una conduttanza stomatica molto bassa.

Figura 5: Effetto del substrato (A) e della specie (B) sul consumo idrico giornaliero calcolato con il metodo gravimetrico. Lettere diverse indicano differenze significative con p < 0,001 tra i trattamenti (A) o tra le specie (B). n.s. = differenze non significative.

Conclusioni

I risultati dei primi due anni di ricerca indicano che una sostituzione parziale della torba con fibra di cocco e/o fibra di legno, in associazione con zeolite e biochar non solo è possibile, ma può portare vantaggi concreti in termini di aumento della produzione di biomassa da parte delle piante coltivate, anche indotte da una maggior disponibilità idrica nel substrato. La zeolite è risultata una materia prima in grado di fornire effetti estremamente positivi, soprattutto durante la coltivazione in contenitore alveolare. All’aumentare delle dimensioni del vaso, anche l’aggiunta di biochar ha prodotto risultati positivi e simili rispetto a quella di zeolite. L’uso di substrati completamente privi di torba appare difficilmente praticabile durante la coltivazione in contenitore alveolare, ma può essere possibile in contenitori di maggiori dimensioni, soprattutto a seguito di un’accurata scelta delle materie prime utilizzate come sostitute della torba. Per il vivaista, questo si traduce nella possibilità di programmare una riduzione graduale della torba, modulando la scelta del substrato in funzione della specie e della fase di allevamento (alveolo o contenitore), con la prospettiva di contenere gli impatti ambientali senza rinunciare a produrre piante di buona qualità.

Ringraziamenti

Ente finanziatore: Progetto finanziato dall’Unione Europea - NextGenerationEU – Piano Nazionale Resistenza e Resilienza (PNRR) - Missione 4 Componente 2 Investimento 1.4 - Avviso N. 3138 del 16 dicembre 2021 rettificato con D.D. n.3175 del 18 dicembre 2021 del Ministero dell’Università e della Ricerca.

Award Number: Codice progetto CN_00000033, Decreto Direttoriale MUR n.1034 del 17giugno 2022 di concessione del finanziamento, CUP B43C21000900006, titolo progetto “National Biodiversity Future Center - NBFC”.

Gli autori sono grati agli studenti Lucia Palladini, Lucrezia Borghetti, Andrea Mologni e Francesco Falsone per il contributo dato a questa ricerca nell’ambito delle loro attività di tesi.