Tierphysiologie

Chemische und mineralogische Zusammensetzung der Böden

Von den chemischen Elementen, die für die Pflanzen- und Tierphysiologie benötigt werden, stammen nur Kohlenstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff und bis zu einem gewissen Grad Schwefel aus Luft und Wasser. Die anderen wesentlichen Elemente werden aus den Mineralien des Bodens gewonnen. Die mineralogischen Eigenschaften des Bodens ergeben sich aus dem geologischen Material, aus dem der Boden entstanden ist. Eine unzureichende Versorgung mit einem der wesentlichen Elemente schränkt das Pflanzenwachstum ein. Die häufigsten Einschränkungen ergeben sich aus einem Mangel an pflanzenverfügbarem Stickstoff, Phosphor, Kalium, Kalzium oder Magnesium.

Praktisch ist kein Stickstoff in den Bodenmineralen vorhanden. Stickstoff gelangt in den Boden als Ammonium und Nitrat, die im Regenwasser gelöst sind, oder durch Fixierung aus der Luft durch stickstofffixierende Mikroben. Einige stickstofffixierende Mikroben im Boden leben in Symbiose, und der Stickstoff, den sie aus der Luft gewinnen, wird in ihre Leguminosen aufgenommen. Andere stickstofffixierende Mikroben sind nicht symbiotisch, und der Stickstoff, den sie aus der Luft gewinnen, wird in ihre Zellen eingebaut. Stickstoff ist in organischen Rückständen in den Oberflächenschichten des Bodens konzentriert. Wenn sich die organischen Rückstände zersetzen, werden anorganische Stickstoffformen in die Bodenlösung freigesetzt und stehen den wachsenden Pflanzen zur Verfügung, sickern bei übermäßigen Niederschlägen ins Grundwasser oder werden in Zeiten, in denen der Boden mit Wasser gesättigt ist, als Stickstoffgas in die Luft zurückgegeben. Der Gehalt an pflanzenverfügbarem Stickstoff im Boden ist vorübergehend und hängt eng mit dem Angebot an organischen Rückständen zusammen.

Phosphor ist nur in wenigen Mineralien enthalten. Eisen- und Aluminiumphosphate sind extrem unlöslich und setzen Phosphor nicht schnell genug für ein schnelles Pflanzenwachstum frei. Die Freisetzungsrate ist so langsam, dass Böden mit hohen Eisen- und Aluminiumgehalten dazu neigen, als Dünger ausgebrachtes Phosphat zu absorbieren und dessen Verfügbarkeit für Pflanzen zu verringern. Apatit, ein löslicheres Kalziumphosphatmineral, das pflanzenverfügbaren Phosphor liefern kann, ist eine häufige Phosphorquelle und oft in Kalkstein enthalten.

Kalium ist in Glimmer- und Feldspatmineralien enthalten. Diese Minerale werden in der Bodenumgebung relativ leicht zersetzt und sind daher nur selten in Materialien vorhanden, die wiederholt transportiert und auf der Landoberfläche abgelagert wurden.

Kalzium und Magnesium sind am häufigsten in Karbonatmineralen enthalten, die mit Kalkstein und einigen Sandsteinen verbunden sind. Karbonatminerale sind auch relativ instabil, wenn sie der Verwitterung ausgesetzt sind, und kommen daher nur in jüngeren geologischen Sedimenten, Kalkstein und einigen Sandsteinen vor.

Der pH-Wert des Bodens ist ein Maß für den Säuregrad oder die Alkalinität des Wassers im Boden und hat eine direkte Auswirkung darauf, wie schnell viele der essenziellen Elemente für wachsende Pflanzen verfügbar sind. In Abwesenheit von Karbonatmineralien reagieren die Böden in den feuchten Tropen sauer, und die im Boden vorhandenen essenziellen Elemente sind nur in begrenzten Mengen für das Pflanzenwachstum verfügbar. Saure Böden mit pH-Werten unter etwa 5,2 weisen auch eine Konzentration von Aluminiumionen auf, die für einige, aber nicht alle Kulturpflanzen giftig ist. Die Zugabe von Kalk (fein gemahlene Kalzium- und Kalzium-Magnesium-Karbonate) ist wünschenswert und oft notwendig, um die Aluminiumtoxizität zu verringern oder zu beseitigen und die Verfügbarkeit der essentiellen Elemente für die meisten Kulturpflanzen, die in sauren Böden wachsen, zu erhöhen.

Die Geschwindigkeit, mit der essentielle Elemente im Boden für Pflanzen verfügbar sind, ist entscheidend für das Verständnis der Bodenfruchtbarkeit. Pflanzen entziehen dem Boden die Elemente, die sie benötigen, als anorganische Ionen in der Bodenlösung. Die Menge jedes wesentlichen Elements im Boden, die den Pflanzen zur Verfügung steht, ändert sich schnell, wenn sich der Feuchtigkeitsgehalt des Bodens ändert, und hängt auch von der Geschwindigkeit ab, mit der organische Verbindungen abgebaut werden, um organisch gebundene Elemente als verfügbare anorganische Ionen freizusetzen. Weniger als etwa 1 % der Gesamtmenge der meisten essenziellen Elemente im Boden ist in verfügbarer Form vorhanden. Pflanzenarten unterscheiden sich stark in der Geschwindigkeit, mit der sie essenzielle Elemente für ein angemessenes Wachstum aufnehmen müssen. Die Geschwindigkeit, mit der die Nährstoffe verfügbar werden, beeinflusst die natürlichen Pflanzengemeinschaften und steht in direktem Zusammenhang mit der menschlichen Nahrungsmittelproduktion. Die meisten Nahrungspflanzen benötigen 90-120 Tage bis zur Reife. Die Nährstoffverfügbarkeit von Nahrungspflanzen muss um ein Vielfaches höher sein als in den natürlichen Ökosystemen. Eine ertragreiche Getreidepflanze wie Reis, Weizen oder Mais muss in 90 Tagen etwa so viel Phosphor aufnehmen, wie Bäume in mehr als 20 Jahren von der gleichen Fläche aufnehmen. Außerdem dringen die Wurzeln von Bäumen in der Regel tiefer in den Boden ein und nutzen ein größeres Volumen als Nahrungspflanzen. Daher muss die Konzentration der verfügbaren Nährstoffe nahe der Bodenoberfläche wesentlich höher sein, um den Bedarf einer Nahrungspflanze angemessen zu decken, als um das Wachstum eines Baumes zu unterstützen.

Menschen ernten und transportieren ihre Nahrungspflanzen zu einem Wohnsitz, der einige Kilometer von dem Ort entfernt ist, an dem die Pflanze angebaut wurde. Oft wird der Samen der Pflanze verzehrt, und nur die weniger nährstoffreichen Stängel, Blätter und Wurzeln der Nutzpflanze werden dem Boden als organische Rückstände wieder zugeführt. Für die Düngung einer Kulturpflanze sind beträchtliche Mengen an organischen Rückständen erforderlich, da sich diese Rückstände nur langsam zersetzen und anorganische Ionen für das Pflanzenwachstum freisetzen. Die gängige Praxis des Verbrennens von Rückständen erleichtert ein schnelles Pflanzenwachstum durch die Freisetzung organisch gebundener Nährstoffe.

Historisch gesehen hat der Mensch Gebiete mit einem hohen Grad an mineralischer Fruchtbarkeit besiedelt. Dabei handelt es sich in der Regel um magmatisches oder vulkanisches Material mit basischer Mineralzusammensetzung, um Sedimentgestein wie Kalkstein, das reich an Kalzium, Magnesium und Phosphor ist, und um rezente Überschwemmungsgebiete, die häufig durch Ablagerungen von Material aus fruchtbarem geologischem Material und erodiertem Oberflächenboden erneuert wurden. Wo die mineralische Zusammensetzung der Böden nur geringe Mengen essenzieller Elemente enthält und eine große Menge langsam wachsender natürlicher Biomasse vorhanden ist, wird ein System der Nahrungsmittelproduktion praktiziert, das als Brandrodung bekannt ist. Obwohl sich einige essenzielle Elemente verflüchtigen und verloren gehen, ist das Feuer die wichtigste Methode, um organisches Material schnell zu zersetzen und eine kurze Zeitspanne zu schaffen, in der die enthaltenen Nährstoffe schnell als anorganische Ionen verfügbar sind. Wenn genügend Biomasse vorhanden ist, kann in den 90 Tagen nach dem Abbrennen mindestens eine Kultur erfolgreich angebaut werden. Richtig durchgeführt, sorgt das Abbrennen auch dafür, dass die Oberflächentemperatur des Bodens hoch genug wird, um die Unkrautkonkurrenz zu verringern, indem die meisten Unkrautsamen nahe der Bodenoberfläche abgetötet werden. Ein zweiter und dritter Anbau ist oft möglich, bevor die verfügbaren essenziellen Elemente als menschliche Nahrung vom Feld exportiert werden und die Nährstoffverfügbarkeit so weit sinkt, dass die Ernteerträge gering sind und Unkraut zu einem großen Problem wird. Nachdem der Landwirt die Fläche aufgegeben hat, dringen einheimische Lebensgemeinschaften, die mit einer geringeren Nährstoffzufuhr aus dem Boden zurechtkommen, auf die Fläche vor. Nach einigen Jahren enthält die langsam wachsende einheimische Vegetation genügend Nährstoffe in ihrer Biomasse, so dass sie erneut gemäht, getrocknet und verbrannt werden kann, um einen Standort für eine weitere kurze Abfolge von Kulturpflanzen zu erhalten. Diese Methode des Managements der Nährstoffverfügbarkeit wird von den verschiedenen indigenen Kulturen in zahlreichen Varianten angewandt. Die Brandrodung ist nur für geringe Bevölkerungsdichten geeignet, da die natürliche Vegetation über einen langen Zeitraum (in der Regel zwischen 10 und 30 Jahren und in umgekehrter Abhängigkeit von der mineralischen Fruchtbarkeit des Bodens) ausreichende Mengen an essenziellen Elementen ansammeln muss, um nach dem Verbrennen eine Nahrungspflanze zu düngen. Wenn Haustiere große Flächen mit einheimischer Vegetation abweiden dürfen, werden die in ihren Exkrementen konzentrierten essenziellen Elemente oft gesammelt und zur Düngung kleiner Flächen mit Nahrungsmittelpflanzen verwendet. In Gebieten, in denen die Infrastruktur es ermöglicht, Pflanzen zu exportieren und wichtige Nährstoffe in Form von konzentriertem Dünger zu importieren, wird selbst auf den chemisch unfruchtbarsten Böden kontinuierlicher Nahrungsmittelanbau betrieben. Viele Kombinationen und Variationen dieser Strategien gibt es derzeit in den feuchten Tropen.