Doppia Minaccia per la Vita nel Suolo? Gli Effetti della Siccità e dell’Uso di Fertilizzanti

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Marie Sünnemann 1,2, Julia Siebert1,2 and Nico Eisenhauer1,2

1 Experimental Interaction Ecology, German Centre for Integrative Biodiversity Research (iDiv) Halle-Jena-Leipzig, Leipzig, Germany 2

Institute of Biology, Leipzig University, Leipzig, Germany

Negli ultimi due secoli, gli esseri umani hanno modificato la Terra con il loro stile di vita. Le nostre azioni non stanno solo causando il cambiamento climatico e portando a periodi prolungati di siccità, ma stanno anche determinando un’eccessiva accumulazione di nutrienti nel suolo, a causa della combustione di combustibili fossili e della fertilizzazione dei campi agricoli. Entrambi questi fattori minacciano il mondo sotto i nostri piedi: i suoli. Possono sembrare noiosi e privi di vita, ma in realtà ospitano moltissimi organismi—dai minuscoli batteri agli agili millepiedi e ai viscidi lombrichi—tutti fondamentali per processi indispensabili alla vita sulla Terra. Ad esempio, l’attività di questi organismi favorisce la decomposizione del materiale vegetale, garantendo che i terreni agricoli su cui coltiviamo il nostro cibo rimangano fertili. Poiché quasi tutti gli organismi del suolo sono molto sensibili ai cambiamenti ambientali, ci siamo chiesti cosa accadrebbe se siccità e fertilizzazione eccessiva si verificassero contemporaneamente.

LE ATTIVITÀ UMANE MODIFICANO GLI ECOSISTEMI

Negli ultimi 200 anni, le attività umane hanno fortemente trasformato il mondo. Il cambiamento climatico di origine antropica sta causando il riscaldamento globale, accompagnato da periodi di siccità sempre più lunghi (ovvero periodi prolungati con scarse precipitazioni) in alcune regioni. Allo stesso tempo, l’agricoltura è cambiata radicalmente negli ultimi decenni. La popolazione mondiale è in continua crescita, e tutte queste persone devono nutrirsi. Per questo motivo, oggi vengono applicate grandi quantità di fertilizzanti nei campi agricoli, portando a raccolti molto più abbondanti [1]. Sebbene queste pratiche garantiscano cibo per miliardi di persone, comportano un notevole svantaggio: proprio come la siccità, anche la fertilizzazione eccessiva influisce non solo sulle piante visibili in superficie, ma anche sul complesso ecosistema sotterraneo—il suolo e gli organismi che vi abitano.

L’IMPORTANZA DELL’ECOSISTEMA DEL SUOLO

I suoli sono una parte fondamentale degli ecosistemi terrestri. Anche se spesso non ne siamo consapevoli, il suolo è brulicante di vita. Esistono microrganismi, come batteri e funghi, così piccoli da essere invisibili ad occhio nudo. Tuttavia, ciò che manca loro in dimensioni lo compensano in numerosita´: un solo cucchiaino di suolo può contenere diversi milioni di microrganismi. Anche molte creature un po’ più grandi, come acari e collemboli, possono essere osservate solo con una lente d’ingrandimento. Tra gli animali del suolo più grandi ci sono i porcellini di terra, i centopiedi e i lombrichi. Tutti questi esseri viventi hanno una caratteristica in comune: non possiedono una colonna vertebrale, motivo per cui vengono definiti invertebrati. Queste creature convivono nel suolo e interagiscono in modi diversi: alcune si nutrono l’una dell’altra, mentre altre collaborano tra loro.

Gli invertebrati del suolo svolgono numerosi compiti essenziali per la nostra esistenza. Una delle funzioni più importanti dell’ecosistema (o “funzione ecosistemica”) del suolo è la decomposizione, un processo che richiede la cooperazione di molti organismi. I microrganismi del suolo sono responsabili della degradazione della materia vegetale morta, come foglie secche, radici morte e semi, che rappresentano le loro principali fonti di nutrimento. Questi organismi scompongono i materiali vegetali morti in particelle sempre più piccole. I composti che ne derivano diventano poi un’ottima fonte di nutrimento per i microrganismi del suolo, come batteri e funghi. Alla fine, queste risorse vengono trasformate nuovamente in una forma utilizzabile dalle piante per la loro crescita, ovvero CO₂ e nutrienti.

Tutte queste creature del suolo, come quasi ogni forma di vita sulla Terra, dipendono fortemente dall’acqua per bere, respirare o persino per muoversi. Periodi di siccità sempre più lunghi e frequenti rappresentano quindi una seria minaccia per molti piccoli organismi. Ma cosa succede se, oltre alla siccità, si aggiungono altri fattori dannosi? L’uso eccessivo di fertilizzanti, ad esempio, può essere nocivo per gli organismi del suolo, poiché altera il pH, rendendolo più acido. Molti organismi del suolo non tollerano condizioni di acidità elevate. Potrebbe quindi la fertilizzazione rappresentare un ulteriore fattore di stress, rendendo ancora più difficile la sopravvivenza degli organismi del suolo in condizioni di siccità? E come possiamo determinare con precisione se siccità e fertilizzazione danneggiano gli organismi del suolo e interferiscono con le loro funzioni?

COME ABBIAMO STUDIATO I MICRORGANISMI DEL SUOLO?

Per comprendere gli effetti della siccità e della fertilizzazione sugli organismi del suolo, abbiamo avviato un esperimento che simulava questi due fattori comuni modificati dall’uomo [2]. Abbiamo scelto un prato nella Germania centrale e selezionato piccole aree chiamate parcelle sperimentali, trattandole in modi diversi. Un quarto delle parcelle è stato sottoposto a siccità utilizzando coperture (Figura 1), un altro quarto è stato trattato con fertilizzanti, mentre un altro quarto ha ricevuto sia siccità che fertilizzazione. L’ultimo quarto non è stato trattato affatto, fungendo da parcella di controllo. Le parcelle di controllo sono fondamentali perché permettono di confrontare gli effetti dei trattamenti con le condizioni normali.

Per analizzare come la siccità e la fertilizzazione influenzano gli organismi del suolo, abbiamo esaminato separatamente gli invertebrati del suolo e i microrganismi del suolo. Abbiamo studiato l’attività degli invertebrati utilizzando strisce di plastica strette con piccoli fori, chiamate strisce di prova con esca. Ogni foro è stato riempito con una miscela di esca appetibile per gli invertebrati—una sorta di “cereali” per loro. Abbiamo inserito completamente le strisce di test nel terreno delle nostre parcelle (Figura 2) e, dopo tre settimane, abbiamo osservato la quantità di esca consumata dagli animali del suolo. Gli ecologi del suolo usano questo metodo per valutare quanto mangiano gli invertebrati, un ottimo indicatore della loro attività generale.

Per esaminare più da vicino i microrganismi del suolo, abbiamo prelevato un piccolo campione di terreno da ogni parcella e lo abbiamo analizzato in laboratorio. Abbiamo determinato l’attività microbica misurando la loro respirazione. Proprio come gli esseri umani, gli organismi del suolo respirano ossigeno (O₂) ed emettono anidride carbonica (CO₂), quindi maggiore è la respirazione in un campione, più attivi sono i microrganismi (pensate al vostro corpo quando fa esercizio fisico). Per misurare la respirazione microbica, abbiamo utilizzato un dispositivo con un sensore speciale in grado di rilevare la quantità di ossigeno consumato dai microrganismi. I dati raccolti sono stati poi trasferiti su un computer per l’analisi. Conoscendo l’attività dei microrganismi del suolo, siamo stati in grado di calcolare la loro biomassa, ovvero la quantità totale di microrganismi presenti in una determinata quantità di suolo, ad esempio in un cucchiaino.

LA SICCITÀ E LA FERTILIZZAZIONE POSSONO INFLUENZARE GLI INVERTEBRATI DEL SUOLO

Abbiamo utilizzato test statistici sui nostri dati per capire come le comunità microbiche e di invertebrati del suolo abbiano reagito alla siccità e alla fertilizzazione. Abbiamo scoperto che entrambi i fattori disturbano gravemente l’attività degli invertebrati del suolo. Sebbene ciascun fattore da solo avesse effetti negativi significativi, la loro combinazione non ha ulteriormente ridotto l’attività degli invertebrati (Figura 3A). I microrganismi del suolo, tuttavia, hanno reagito in modo completamente diverso: la siccità non li ha danneggiati e la fertilizzazione ha persino aumentato la loro biomassa (Figura 3B).

Perché la siccità e la fertilizzazione danneggiano molto di più gli invertebrati rispetto ai microrganismi? Di solito, entrambi i gruppi dipendono fortemente dall’umidità del suolo e hanno difficoltà a far fronte alla siccità. Tra le altre cose, il loro cibo diventa così secco da risultare difficile da digerire [3]. Immaginate di dover mangiare pane tostato vecchio senza marmellata tutto il giorno, senza poter bere nulla. Per evitare condizioni di siccità, gli invertebrati potrebbero spostarsi in strati di suolo più profondi e umidi, che i nostri test non hanno raggiunto. Tuttavia, perché anche la fertilizzazione ha ridotto la loro attività? La ragione è che la fertilizzazione provoca un’acidificazione del suolo, abbassando il pH al di sotto di cinque. I lombrichi e molti altri invertebrati del suolo non tollerano condizioni di pH basso, che possono essere dannose per la loro pelle delicata. Un limone, ad esempio, ha un pH di 2. Vi è mai capitato di avere un taglio su un dito e di farci finire sopra del succo di limone? Non è una sensazione piacevole.

Il trattamento di siccità non ha danneggiato i microrganismi del suolo, il che ci ha sorpreso, perché nel nostro esperimento la quantità di pioggia annua è stata ridotta della metà, portando a un terreno estremamente secco. Tuttavia, pensiamo che batteri e funghi che normalmente vivono nello strato superiore del suolo siano costantemente esposti ai cicli di temperatura e umidità delle stagioni. Per questa ragione, devono essere in grado di sopravvivere anche ai periodi più secchi [4]. Un modo in cui lo fanno è costruendo una sorta di guscio protettivo zuccherino che impedisce alla loro superficie di seccarsi. In alternativa, possono trasformarsi in una forma altamente resistente chiamata spora. Le spore entrano in uno stato dormiente e possono sopravvivere a condizioni estreme di calore e siccità per oltre 1.000 anni. Per questo motivo, riteniamo che le condizioni di siccità del nostro esperimento abbiano avuto un impatto minimo sui microrganismi del suolo. Tuttavia, è anche possibile che il nostro esperimento sia stato troppo breve per osservare effetti negativi della siccità.

La fertilizzazione, invece, si è rivelata addirittura vantaggiosa per i microrganismi. Questo perché i nutrienti aggiuntivi derivanti dai fertilizzanti hanno favorito fortemente la crescita delle piante. Non solo le piante hanno sviluppato fusti più lunghi, fiori più grandi e molte più foglie, ma hanno anche rilasciato più risorse nel suolo attraverso le loro radici, fornendo ai microrganismi una maggiore disponibilità di cibo.

Siamo stati felici di scoprire che la siccità e la fertilizzazione non hanno amplificato reciprocamente i loro effetti negativi, il che significa che questi due fattori combinati non sembrano essere più dannosi di quanto lo siano singolarmente. Questo potrebbe suggerire che gli ecosistemi possiedano meccanismi di adattamento efficaci contro le minacce ambientali. Tuttavia, in questo studio abbiamo misurato l’attività degli organismi del suolo solo dopo un anno. Sarebbe importante analizzare il suolo dopo diversi anni di siccità e fertilizzazione, per vedere se i risultati rimangono gli stessi nel lungo periodo.

COSA RISERVA IL FUTURO PER I NOSTRI SUOLI?

In sintesi, gli invertebrati del suolo di dimensioni maggiori sembrano essere molto meno preparati ai cambiamenti ambientali futuri rispetto ai microrganismi. Cosa significa questo per i nostri suoli nel prossimo futuro? Il declino dell’attività degli animali del suolo ha diverse conseguenze sugli ecosistemi e, di conseguenza, sugli esseri umani. Come abbiamo già visto, tutti gli organismi del suolo sono necessari per mantenere attivo il processo di decomposizione, che avviene in diverse fasi, ognuna delle quali è indispensabile per le altre.

Mentre gli invertebrati sono principalmente responsabili della frammentazione di pezzi più grandi di animali e piante morte, i microrganismi si occupano della fase successiva, digerendo i frammenti più piccoli e rilasciando una serie di nutrienti essenziali. Insieme, questi organismi formano una grande comunità trofica, in cui ogni specie ha un ruolo specifico e svolge un compito fondamentale. Tuttavia, se un anello di questa catena viene a mancare, l’intero sistema rischia di perdere il suo equilibrio [5].

Ciò potrebbe portare a una perdita di fertilità del suolo nel lungo periodo. Di conseguenza, non solo le erbe spontanee, ma anche il grano e il mais nei nostri campi potrebbero non crescere più rigogliosamente, mettendo a rischio la nostra capacità di produrre abbastanza cibo per sfamare l’intera popolazione mondiale.

Per questo motivo, la nostra sopravvivenza dipende dal benessere di tutti gli organismi del suolo, e dovremmo tenerne conto nelle decisioni future che potrebbero influenzare la salute dei nostri suoli.

GLOSSARIO

**Ecosistema **

Comunità di piante, batteri, animali e funghi presenti in un determinato ambiente, insieme alle componenti non viventi di quell’ecosistema.

Invertebrati

Animali privi di colonna vertebrale, come centopiedi, porcellini di terra e lombrichi.

**Funzioni Ecosistemiche **

Processi naturali che avvengono all’interno di un ecosistema.

**Decomposizione **

Processo attraverso il quale gli organismi morti vengono scomposti in frammenti sempre più piccoli, rilasciando nutrienti essenziali per la crescita delle piante.

**Valore di pH **

Scala che indica se una soluzione è acida o basica. Un valore basso indica un ambiente più acido.

Biomassa

Misura della quantità totale di microrganismi presenti in una determinata quantità di suolo.

RINGRAZIAMENTI

Ringraziamo il personale della Stazione di Ricerca Sperimentale di Bad Lauchstädt per il loro supporto nella gestione del sito sperimentale, e Alla Kavtea, Tom Künne e Ulrich Pruschitzki per il loro aiuto nelle attività di laboratorio e di campo. Inoltre, ringraziamo il coordinamento dell’International Drought-Net Experiment per aver fornito protocolli e supporto. Un ringraziamento speciale a Susan Debad per l’assistenza editoriale.

ARTICOLO ORIGINALE

Siebert, J., Sünnemann, M., Auge, H., Berger, S., Cesarz, S., Ciobanu, M., et al. 2019. The effects of drought and nutrient addition on soil organisms vary across taxonomic groups, but are constant across seasons. Sci. Rep. 9:639. doi: 10.1038/s41598-018-36777-3

REFERENZE

[1] Galloway, J. N., Townsend, A. R., Erisman, J. W., Bekunda, M., Cai, Z., Freney, J. R., et al. 2008. Transformation of the nitrogen cycle: recent trends, questions, and potential solutions. Science 320:889–92. doi: 10.1126/science.1136674

[2] Siebert, J., Sünnemann, M., Auge, H., Berger, S., Cesarz, S., Ciobanu, M., et al. 2019. The effects of drought and nutrient addition on soil organisms vary across taxonomic groups, but are constant across seasons. Sci. Rep. 9:639. doi: 10.1038/s41598-018-36777-3

[3] Thakur, M. P., Reich, P. B., Hobbie, S. E., Stefanski, A., Rich, R., Rice, K. E., et al. 2018. Reduced feeding activity of soil detritivores under warmer and drier conditions. Nat. Clim. Change 8:75–8. doi: 10.1038/s41558-017-0032-6

[4] Tonkin, J. D., Bogan, M. T., Bonada, N., Rios-Touma, B., and Lytle, D. A. 2017. Seasonality and predictability shape temporal species diversity. Ecology 98:1201–16. doi: 10.1002/ecy.1761

[5] Simpson, J. E., Slade, E., Riutta, T., and Taylor, M. E. 2012. Factors affecting soil fauna feeding activity in a fragmented lowland temperate deciduous woodland. PLoS ONE7:e29616. doi: 10.1371/journal.pone.0029616

EDITED BY: Helen Phillips, German Centre for Integrative Biodiversity Research (iDiv), Germany

CITATION: Sünnemann M, Siebert J and Eisenhauer N (2020) Double Whammy for Life in Soil? The Effects of Drought and Fertilizer Use. Front. Young Minds. 8:547630. doi: 10.3389/frym.2020.547630

**CONFLITTO DI INTERESSI: **Gli autori dichiarano che la ricerca è stata condotta in assenza di relazioni commerciali o finanziarie che possano rappresentare un potenziale conflitto di interesse.

**COPYRIGHT © **2020 Sünnemann, Siebert et Eisenhauer. Il s’agit d’un article en accès libre distribué selon les termes de la licence Creative Commons Attribution (CC BY). L’utilisation, la distribution ou la reproduction dans d’autres forums est autorisée, à condition que les auteurs originaux et les titulaires du droit d’auteur soient crédités et que la publication originale dans ce journal soit citée, conformément aux pratiques académiques acceptées. Toute utilisation, distribution ou reproduction non conforme à ces conditions est interdite.

GIOVANI REVISORI

JEDIDIAH, ETÀ: 14 anni

Jedidiah è interessato alla scienza e alla matematica, in particolare a come l’ambiente influisce sulla sua vita quotidiana. Dedica del tempo al giardinaggio di famiglia e guadagna vendendo uova e verdure che aiuta a produrre. Nel tempo libero, gli piace giocare a baseball e ai videogiochi.

AUTORI

MARIE SÜNNEMANN

Quando aveva 6 anni, la sua migliore amica la sfidò a mangiare un lombrico. Anche se oggi non lo farebbe più, la sua curiosità per tutto ciò che striscia e si muove sotto terra non è mai diminuita. Oggi, come dottoranda, studia le reazioni degli organismi del suolo ai cambiamenti climatici nei prati e nei campi agricoli. Nel tempo libero pratica sport da combattimento e ama stare all’aria aperta. *marie.suennemann@idiv.de

JULIA SIEBERT

Julia è affascinata dalla natura sin da bambina. Passava il più tempo possibile all’aperto, costruiva case di muschio nel bosco e cercava ogni tipo di animale. Ha seguito questa passione studiando biologia e scienze della comunicazione ed è sempre stata interessata a trovare modi per trasmettere conoscenze a pubblici diversi. I suoi studi scientifici si sono concentrati sugli effetti delle condizioni climatiche mutevoli sugli organismi del suolo e sulle funzioni ecosistemiche da essi svolte. Inoltre, ha esplorato modi per coinvolgere gli studenti delle scuole nella scienza della biodiversità. Nel tempo libero ama andare a cavallo, viaggiare, osservare gli uccelli, praticare mountain bike e tanti altri sport all’aperto.

NICO EISENHAUER

Nico è appassionato di natura sin dall’infanzia. Scavava per trovare lombrichi, catturava rane e pesci e aiutava le lucertole a sopravvivere ai mesi invernali. È sempre stato affascinato dalla bellezza della natura e si è sempre chiesto perché una determinata specie vegetale o animale si trovi in un luogo e non in un altro. Durante i suoi studi di biologia ha scoperto il suo interesse per gli animali del suolo e per le loro attività fondamentali per il funzionamento degli ecosistemi. Nel tempo libero ama giocare a calcio e a badminton, correre e trascorrere del tempo con la famiglia e gli amici.

TRADUTTORA

MICHELA AUDISIO

Michela Audisio è una ricercatrice italiana presso la Facoltà di Scienze Forestali dell’Università di Göttingen, in Germania. La sua ricerca si concentra sugli effetti del cambiamento climatico sulla funzionalità degli ecosistemi forestali. Ama profondamente la natura e si circonda di piante ovunque. Nel tempo libero balla, viaggia e trascorre tempo con gli amici.

FINANZIAMETI (TRADUZIONE)

Il team Translating Soil Biodiversity riconosce il supporto del Centro Tedesco per la Biodiversità Integrativa (iDiv) Halle-Jena-Leipzig, finanziato dalla Fondazione Tedesca per la Ricerca (DFG FZT 118, 202548816).

CITATION (TRANSLATION)

This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC-BY 4.0). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.

Recommended citation format: Sünnemann M, Siebert J and Eisenhauer N (2025) Double Whammy for Life in Soil? The Effects of Drought and Fertilizer (Italian translation: Michela Audisio). Translating Soil Biodiversity & Front. Young Minds. Originally published in 2020, doi: 10.3389/frym.2020.547630

Figures

Figura 1: In metà dei plot sperimentali del nostro studio, abbiamo utilizzato tetti per simulare la siccità. Figura 1: In metà dei plot sperimentali del nostro studio, abbiamo utilizzato tetti per simulare la siccità. L’altra metà dei plot ha ricevuto “tetti falsi” con pannelli per la pioggia posizionati al contrario per tenere conto dei potenziali effetti collaterali di queste strutture (come cambiamenti nella velocità del vento e nella luce). ©Julia Siebert.

Figura 2: Per determinare l'attività degli invertebrati del suolo nei nostri plot sperimentali, abbiamo utilizzato le strisce di prova con esca. Figura 2: Per determinare l’attività degli invertebrati del suolo nei nostri plot sperimentali, abbiamo utilizzato le strisce di prova con esca. Le strisce sono state completamente inserite nel terreno affinché gli invertebrati del suolo potessero nutrirsi. Dopo 3 settimane, abbiamo verificato quante delle piccole buche contenenti l’esca erano piene, vuote o mezze piene. Più attivi e affamati erano gli invertebrati del suolo, più esca veniva consumata. ©Gottschall/Siebert.

Figura 3: Cosa abbiamo trovato? Figura 3: Cosa abbiamo trovato? (A) La siccità (“Drought”), la fertilizzazione (“Fertilization”) e la combinazione di entrambi (“Drought & Fertilization”) hanno ridotto notevolmente l’attività alimentare degli invertebrati del suolo rispetto al controllo (“Control”). (B) I microrganismi del suolo non sono stati disturbati dal trattamento di siccità. La fertilizzazione ha causato un aumento della biomassa microbica del suolo.