Fertilizzanti tra luci e ombre

Ogni pianta, per vivere, ha bisogno delle sostanze chimiche con cui attivare la fotosintesi clorofilliana (acqua e anidride carbonica), oltre a una certa quantità di elementi minerali che preleva dal suolo. Questi possono essere macronutrienti, cioè elementi che nel terreno devono trovarsi in quantità relativamente grandi – l’azoto, il fosforo, il potassio, il calcio, il magnesio e lo zolfo - o micronutrienti, che per la fisiologia della pianta possono essere presenti solo in traccia.

In un ambiente naturale stabile la flora è naturalmente adattata alle concentrazioni dei nutrienti del suolo. Nei campi coltivati questo generalmente non accade. Gli ecosistemi agricoli (agro-ecosistemi) sono ambienti artificiali, progettati con uno scopo: massimizzare la produzione di piante che hanno interesse alimentare e che non sono necessariamente adatte al suolo in cui hanno messo radici. L’agricoltura quindi, rispetto agli ambienti naturali, rovescia il paradigma: nei campi le piante non si adattano al suolo, ma è il suolo che deve adattarsi alle piante. Ciò è possibile tramite i fertilizzanti: sostanze chimiche che aggiungono nutrienti al terreno.

Una storia targata NPK

La storia dell’agricoltura corre alla stessa velocità di quella dei fertilizzanti. Se inizialmente i campi erano resi più fertili facendo ruotare le colture o aggiungendo concimi di origine organica (letame, scarti di cibo o di lavorazione agricola) e talvolta minerale (il famoso limo del Nilo), a partire dal Diciannovesimo secolo emergono i primi risultati di una scienza sempre più attenta al ruolo dei nutrienti delle piante – è di questi anni la legge di Liebig – che arriva presto alla produzione di fertilizzanti di sintesi.

Il primo prodotto di questo tipo è dell’imprenditore e scienziato inglese John Bennet Lawes che inventa il superfosfato, (1842) ma la svolta verso il mondo moderno è attribuita al brevetto di inizio 1900 di due chimici tedeschi, Fritz Haber e Carl Bosch, che inventarono il metodo per trasformare l’azoto atmosferico (N₂) in ammoniaca (NH₃), ancor’oggi il principale processo industriale usato per produrre fertilizzanti azotati.

Da allora i fertilizzanti di sintesi ebbero un ruolo sempre maggiore rispetto a quelli organici, fino a diventare una delle cinque colonne della rivoluzione verde (insieme a pesticidi, meccanizzazione agricola, irrigazione e miglioramento genetico), quel fenomeno scientifico-tecnologico che secondo alcune stime ha aumentato tra il 1965 e il 2010 la produzione agricola mondiale del 44%, sostenendo di fatto lo sviluppo demografico dell’umanità.

Oggi la produzione di fertilizzanti si concentra su i tre macronutrienti principali, spesso proposti in miscele: azoto (N), fosforo (P) e potassio (K), anche se molti prodotti contengono anche altri elementi. Il potassio è un elemento assorbito dalle piante come ione K⁺, è ricavato dalle miniere di cloruro di potassio (KCl) in maniera simile al salgemma (NaCl) e, avendo riserve abbondanti, il suo uso in agricoltura non presenta particolari criticità ambientali. Il discorso è completamente diverso per gli altri due elementi: N e P.

P come fosforo

Le piante utilizzano gli ioni fosfati (H₂PO₄^– e HPO₄⁼) che permettono loro di crescere, assorbire meglio l’acqua, fare la fotosintesi. In un ecosistema naturale la flora utilizza i fosfati derivanti dalla decomposizione della sostanza organica (carcasse di animali, deiezioni, resti vegetali). Tale quantità non è però sufficiente per le esigenze dell’agricoltura. Per produrre i fertilizzanti bisogna dunque attingere alla più grande riserva di fosforo del pianeta: le rocce e i depositi sedimentari. Questo comporta un grande trasferimento di fosforo dalla litosfera (dove è accumulata sotto forma di fosforite) alla biosfera – ovvero nei campi agricoli - dove però il fosforo non entra in circolo come ci si aspetterebbe.

Una parte di questo elemento viene infatti inglobato nelle piante e da lì passa nelle catene alimentari, ma la quasi totalità (più dell’80%) dei composti a base di fosforo che si aggiungono al terreno viene immobilizzata, sia perché l’acqua presente nel suolo promuove la formazione di sostanze insolubili, sia perché l’azione dei microbi converte il fosforo minerale, maggiormente assorbibile dalle piante, in una forma organica non disponibile. Il risultato è che i terreni agricoli vanno continuamente addizionati con fertilizzanti fosforici. Una situazione insostenibile: le attuali riserve di fosforo minerario infatti stanno finendo, i giacimenti di potrebbero esaurirsi tra 50-100 anni e il picco del fosforo è stimato attorno al 2030.

N come azoto

L’azoto è l’elemento maggiormente utilizzato nella fertilizzazione dei suoli. Si stima che i fertilizzanti a base di N siano i responsabili del nutrimento del 48% della popolazione mondiale e che l’80% dell’azoto presente nei tessuti umani provenga da queste sostanze.

Sui terreni non viene utilizzato l’elemento puro, ma i suoi composti. Il principale a livello mondiale è l’urea – CO(NH₂)₂ – sintetizzata a partire dall’azoto dell’aria. L’urea è una forma chimica inutilizzabile dalle piante e nel terreno è idrolizzata da microbi e, grazie all’enzima ureasi, trasformata in ammoniaca (NH₃), un composto volatile. Per evitare che l’azoto torni in atmosfera, la regola dell’agricoltura prevede che i fertilizzanti vadano messi al suolo nei giorni precedenti alla pioggia o prima dell’irrigazione: l’acqua infatti fa sì che l’ammoniaca si trasformi nello ione ammonio (NH₄⁺) maggiormente trattenuto dai colloidi del suolo, che a sua volta produce, grazie all’azione dei batteri nitrificanti, lo ione nitrato (NO₃^–). I nitrati sono la specie chimica assorbita dalle piante.

Il processo non è sempre efficiente. Quando i fertilizzanti sono dati in eccesso non avviene il totale assorbimento da parte della pianta: i nitrati rimangono inutilizzati nel terreno, si sciolgono nell’acqua e ne seguono i flussi superficiali o sotterranei. D’altro canto, può accadere che suoli troppo compatti o dove l’acqua ristagna favoriscano un’ulteriore reazione chimica dei nitrati che, tramite un processo microbico chiamato denitrificazione, si trasformano in N₂ e ossidi di azoto facendo così tornare l’azoto in atmosfera. Nitrificazione e denitrificazione sono alla base della contaminazione ambientale da azoto.

L’impatto dell’azoto

I fertilizzanti azotati inquinano l’aria: il 38% delle emissioni di gas serra legate all’agricoltura – che sono a loro volta più del 10% delle emissioni globali – sono infatti composte da protossido di azoto (N₂O), un potentissimo gas-serra originato soprattutto dalla denitrificazione nei campi agricoli.
Allo stesso tempo contaminano l’acqua: il loro abuso o uso inefficiente aumenta la formazione nell’acqua di nitrati solubilizzati che, arrivando ai corpi idrici, fertilizzano anche la vegetazione acquatica, tipicamente con straordinarie fioriture di alghe. Questo fenomeno, chiamato eutrofizzazione, impatta pesantemente sulla sopravvivenza delle forme di vita acquatiche, perché le alghe decomponendosi abbassano fino a eliminare il livello di ossigeno disciolto in acqua.

I nitrati possono entrare direttamente anche nella catena alimentare umana, poiché penetrano nelle acque sotterranee che utilizziamo come fonti di acqua potabile, costringendo ad attivare processi di denitrificazione per riportare l’acqua che beviamo alla concentrazione indicata dall’OMS come non pericolosa per la salute umana (50 mg/L NO₃).

Per far fronte a tutto ciò l’Unione europea ha approvato già nel 1991 la direttiva nitrati, che chiede agli Stati membri precisi piani di azione che prevengano l’inquinamento da azoto, favorendo l’uso di corrette pratiche agricole. La direttiva ha sicuramente frenato in Europa la contaminazione da nitrati nelle acque. In media, però, l’inquinamento medio da nitrati colpisce ancora il 13-14% delle acque sotterranee e nel periodo 2016-2019 ha fatto registrare episodi di eutrofizzazione nel 36% dei fiumi, nel 32% dei laghi, nel 31% delle acque costiere e nell'81% delle acque marine europee.

Mangiare tutti, rispettando l’ambiente

L’Agenda 2030 ha come suo secondo obiettivo “sconfiggere la fame” nel mondo, con criteri di sostenibilità. È possibile raggiungere tale scopo mantenendo l’attuale uso dei fertilizzanti?

Una maniera è quella di provare a diminuire la sintesi dei fertilizzanti chimici – destinati potenzialmente a inquinare le acque – utilizzando risorse alternative di origine organica che sarebbero comunque finite nei corpi idrici, ossia l’azoto e il fosforo contenuti nei reflui umani (idea per cui esistono già alcuni progetti pilota).

Allo stato attuale la via maestra sembra essere però quella di ottimizzare la fertilizzazione con prodotti a efficienza migliorata, progettati cioè per rilasciare gli elementi nutritivi lentamente e in maniera più sincrona con le esigenze nutritive della pianta. Questi fertilizzanti “a lento rilascio” sono solo un capitolo di una tendenza dell’agricoltura moderna: provare a dotarsi di strumenti anche digitali per dare risorse alla giusta dose, al momento giusto e al posto giusto, senza sprechi ed eccedenze che possano inquinare l’ambiente. In una sola parola: fertilizzazione di precisione.

Fritz Haber (1868-1934), premio Nobel 1918 per la chimica. Si stima che due terzi della produzione alimentare dipendano dalla sintesi dell’ammoniaca (immagine: Wikipedia)

Percentuale delle stazioni di controllo delle acque sotterranee che hanno rilevato concentrazioni superiori a 50 mg/L di di NO₃ (immagine: Commissione Europea)