Dyrenes fysiologi

Bjordenes kemiske og mineralogiske sammensætning

Af de kemiske grundstoffer, der er nødvendige for planters og dyrs fysiologi, stammer kun kulstof, ilt, brint, kvælstof og til en vis grad svovl fra luft og vand. De andre vigtige grundstoffer fås fra jordens mineraler. Jordbundens mineralogiske egenskaber stammer fra det geologiske materiale, hvori jorden er dannet. En utilstrækkelig forsyning af et væsentligt grundstof begrænser plantevæksten. De hyppigste begrænsninger skyldes utilstrækkeligt plantetilgængeligt kvælstof, fosfor, kalium, calcium eller magnesium.

Der findes praktisk talt intet kvælstof i jordmineralerne. Kvælstof kommer ind i jorden som ammonium og nitrat opløst i regnvand eller via fiksering fra luften af kvælstoffikserende mikrober. Nogle kvælstoffikserende mikrober i jorden er symbiotiske, og det kvælstof, de udvinder fra luften, optages i deres bælgplantevært. Andre kvælstoffikserende mikrober er ikke symbiotiske, og det kvælstof, de udvinder fra luften, optages i deres celler. Kvælstof er koncentreret i organiske rester i jordens overfladelag. Efterhånden som organiske rester nedbrydes, frigives uorganiske former for kvælstof til jordopløsningen og bliver tilgængelige for planter i vækst, udvaskes til grundvandet i perioder med overdreven nedbør eller vender tilbage til luften som kvælstofgas i perioder, hvor jorden er mættet med vand. Indholdet af plantetilgængeligt kvælstof i jorden er forbigående og hænger nøje sammen med tilførslen af organiske rester.

Phosphor findes kun i nogle få mineraler. Jern- og aluminiumphosphater er ekstremt uopløselige og frigiver ikke fosfor hurtigt nok til hurtig plantevækst. Frigivelseshastigheden er så langsom, at jorde med et højt indhold af jern og aluminium har en tendens til at absorbere fosfat, der tilføres som gødning, og mindske dets tilgængelighed for planterne. Apatit, et mere opløseligt calciumfosfatmineral, der er i stand til at levere plantetilgængeligt fosfor, er en almindelig kilde til fosfor og findes ofte i kalksten.

Kalium findes i glimmer- og feldspatmineraler. Disse mineraler nedbrydes ret let i jordmiljøet og er derfor sjældent til stede i materialer, der gentagne gange er blevet transporteret og aflejret på jordoverfladen.

Kalcium og magnesium er mest hyppigt forekommende i karbonatmineraler, der er forbundet med kalksten og noget sandsten. Karbonatmineraler er også relativt ustabile, når de udsættes for forvitring, og findes derfor kun i nyere geologiske sedimenter, kalksten og visse sandsten.

Solens pH er et mål for surhedsgraden eller alkaliniteten af vandet i jorden og har en direkte indvirkning på, hvor hurtigt mange af de essentielle grundstoffer er tilgængelige for planter i vækst. I mangel af karbonatmineraler er jordbunden i de fugtige troper sur i reaktionen, og kun begrænsede mængder af de essentielle grundstoffer, der findes i jorden, er tilgængelige for plantevækst. Sure jorde med pH-værdier på under ca. 5,2 har også en koncentration af aluminiumioner, som er giftig for nogle, men ikke alle afgrødeplanter. Tilsætning af kalk (fintmalet calcium og calcium:magnesiumcarbonater) er ønskelig og ofte nødvendig for at reducere eller fjerne aluminiumsforgiftning og øge tilgængeligheden af de essentielle grundstoffer for de fleste afgrødeplanter, der vokser i sur jord.

Den hastighed, hvormed de essentielle grundstoffer i jorden er tilgængelige for planter, er afgørende for forståelsen af jordens frugtbarhed. Planter udvinder de grundstoffer, de har brug for, fra jorden i form af uorganiske ioner i jordopløsningen. Mængden af de enkelte essentielle grundstoffer i jorden, der er tilgængelige for planter, ændrer sig hurtigt, når jordens vandindhold ændrer sig, og afhænger også af den hastighed, hvormed organiske forbindelser nedbrydes for at frigive organisk bundne grundstoffer som tilgængelige uorganiske ioner. Mindre end ca. 1 % af den samlede mængde af de fleste essentielle grundstoffer i jorden er til stede i tilgængelig form. Der er store forskelle mellem plantearter med hensyn til den hastighed, hvormed de har brug for at optage essentielle grundstoffer for at opnå en passende vækst. Den hastighed, hvormed næringsstoffer bliver tilgængelige, har indflydelse på naturlige plantesamfund og er direkte forbundet med menneskers fødevareproduktion. De fleste fødevareafgrøder har brug for 90-120 dage til at modnes. Fødevareafgrøder skal have næringsstoffer til rådighed mange gange hurtigere end det, der kræves af de oprindelige økosystemer. En højtydende kornafgrøde af ris, hvede eller majs skal opsamle omtrent lige så meget fosfor på 90 dage, som træer opsamler fra det samme areal på mere end 20 år. Desuden trænger træernes rødder normalt dybere ned i jorden og udnytter et større jordvolumen end fødevareafgrøder. Derfor skal koncentrationen af tilgængelige næringsstoffer nær jordoverfladen være betydeligt større for at dække behovene hos en fødevareafgrøde i tilstrækkelig grad end for at støtte træernes vækst.

Mennesker høster og transporterer deres fødevareafgrøder til et hjem, der ligger et stykke væk fra det sted, hvor afgrøden blev dyrket. Ofte forbruges frødelen af planten, og kun de mindre næringsrige stængler, blade og rødder af afgrødeplanten returneres til jorden som organisk restprodukt. Der kræves betydelige mængder organiske rester for at gøde en afgrødeplante, fordi disse rester nedbrydes langsomt for at frigive uorganiske ioner til vækst af afgrøderne. Den almindelige praksis med afbrænding af restprodukter fremmer hurtig vækst af afgrøderne ved at frigive organisk bundne næringsstoffer.

Historisk set har mennesker befolket områder med jordbund med høj mineralfrugtbarhed. Disse er almindeligvis magmatiske eller vulkanske materialer med basisk mineralsammensætning, sedimentære bjergarter som kalksten, der er rige på calcium, magnesium og fosfor, og nyere flodsletter, der ofte er fornyet ved aflejring af materiale fra frugtbare geologiske materialer og eroderet overfladejord. Hvor jordens mineralsammensætning kun indeholder små mængder af vigtige grundstoffer, og hvor der er en stor mængde langsomt voksende naturlig biomasse til stede, praktiseres et system til produktion af fødevarer kendt som “slash and burn”. Selv om nogle vigtige grundstoffer fordamper og går tabt, er ild den primære metode til hurtigt at nedbryde organisk materiale og skabe en kort periode, hvor næringsstofferne hurtigt bliver tilgængelige som uorganiske ioner. Hvis der er tilstrækkelig biomasse, kan der med succes dyrkes mindst én afgrøde i de 90 dage efter afbrændingen. Hvis afbrændingen foretages korrekt, sikrer den også, at jordens overfladetemperatur bliver høj nok til at reducere ukrudtskonkurrencen ved at dræbe de fleste ukrudtsfrø nær jordoverfladen. En anden og tredje afgrøde er ofte mulig, før den tilgængelige forsyning af essentielle elementer eksporteres fra marken som menneskeføde, og næringsstoftilgængeligheden reduceres til et punkt, hvor afgrødeudbyttet er lavt, og⧸eller ukrudtet bliver et stort problem. Efter at landmanden har forladt jorden, invaderer en række oprindelige samfund, som er i stand til at vokse med en lavere næringsstoftilførsel fra jorden, stedet. Efter nogle år får den langsomt voksende indfødte vegetation nok næringsstoffer i sin biomasse til, at den igen kan klippes, tørres og brændes for at få et sted til en ny kort række af afgrødeplanter. Denne metode til forvaltning af næringsstoftilgængeligheden har mange variationer blandt forskellige indfødte kulturer. Kun lave befolkningstætheder kan opretholdes ved hjælp af brændingslandbrug på grund af de lange perioder (normalt mellem 10 og 30 år og omvendt relateret til jordens mineralfrugtbarhed), som den naturlige vegetation skal have tid til at akkumulere tilstrækkelige mængder af essentielle elementer, der er nødvendige for at gøde en fødevareafgrøde efter afbrænding. Hvor husdyr får lov til at græsse store områder med naturlig vegetation, opsamles de essentielle elementer, der er koncentreret i deres ekskrementer, ofte og anvendes til at gøde små områder med fødevareafgrøder. I områder, hvor infrastrukturen gør det muligt at eksportere afgrøder og importere vigtige næringsstoffer i form af koncentreret gødning, kan der dyrkes kontinuerlig produktion af fødevareafgrøder på selv de mest kemisk ufrugtbare jorde. Der findes i dag mange kombinationer og variationer af disse strategier i hele de fugtige troper.