Fisiología animal
Composición química y mineralógica de los suelos
De los elementos químicos necesarios para la fisiología vegetal y animal, sólo el carbono, el oxígeno, el hidrógeno, el nitrógeno y, en cierta medida, el azufre proceden del aire y del agua. Los demás elementos esenciales se obtienen de los minerales del suelo. Las propiedades mineralógicas de los suelos se derivan del material geológico en el que se ha formado el suelo. Un suministro inadecuado de cualquier elemento esencial limita el crecimiento de las plantas. Las limitaciones más frecuentes resultan de la insuficiencia de nitrógeno, fósforo, potasio, calcio o magnesio disponibles para las plantas.
Prácticamente no hay nitrógeno en los minerales del suelo. El nitrógeno entra en el suelo en forma de amonio y nitrato disuelto en el agua de lluvia o a través de la fijación desde el aire por microbios fijadores de nitrógeno. Algunos microbios fijadores de nitrógeno en el suelo son simbióticos y el nitrógeno que extraen del aire se incorpora a su planta leguminosa huésped. Otros microbios fijadores de nitrógeno no son simbióticos y el nitrógeno que extraen del aire se incorpora a sus células. El nitrógeno se concentra en los residuos orgánicos de las capas superficiales del suelo. A medida que los residuos orgánicos se descomponen, las formas inorgánicas de nitrógeno se liberan en la solución del suelo y pasan a estar disponibles para las plantas en crecimiento, se filtran a las aguas subterráneas durante los periodos de precipitación excesiva o vuelven al aire como gas de nitrógeno durante los periodos en que el suelo está saturado de agua. El contenido de nitrógeno disponible para las plantas en el suelo es transitorio y está estrechamente relacionado con los suministros de residuos orgánicos.
El fósforo está presente sólo en unos pocos minerales. Los fosfatos de hierro y aluminio son extremadamente insolubles y no liberan el fósforo con la suficiente rapidez para el rápido crecimiento de las plantas. La tasa de liberación es tan lenta que los suelos con altos contenidos de hierro y aluminio tienden a absorber el fosfato aplicado como fertilizante y a disminuir su disponibilidad para las plantas. La apatita, un mineral de fosfato de calcio más soluble capaz de suministrar fósforo disponible para las plantas, es una fuente común de fósforo y suele estar presente en la piedra caliza.
El potasio está presente en los minerales de mica y feldespato. Estos minerales se descomponen con bastante facilidad en el entorno del suelo y, en consecuencia, rara vez están presentes en los materiales que han sido transportados y depositados repetidamente en la superficie del terreno.
El calcio y el magnesio son más abundantes en los minerales carbonatados asociados a la caliza y a algunas areniscas. Los minerales de carbonato también son relativamente inestables cuando se someten a la intemperie y, por lo tanto, sólo están presentes en los sedimentos geológicos recientes, en la caliza y en algunas areniscas.
El pH del suelo es una medida de la acidez o alcalinidad del agua en el suelo y tiene un efecto directo en la rapidez con la que muchos de los elementos esenciales están disponibles para las plantas en crecimiento. En ausencia de minerales carbonatados, los suelos de los trópicos húmedos tienen una reacción ácida y sólo cantidades limitadas de elementos esenciales presentes en el suelo están disponibles para el crecimiento de las plantas. Los suelos ácidos con valores de pH inferiores a 5,2 aproximadamente también tienen una concentración de iones de aluminio que es tóxica para algunas plantas de cultivo, pero no para todas. Las adiciones de cal (carbonatos de calcio y calcio:magnesio finamente molidos) son deseables y a menudo necesarias para reducir o eliminar la toxicidad del aluminio y aumentar la disponibilidad de los elementos esenciales para la mayoría de las plantas de cultivo que crecen en suelos ácidos.
La velocidad a la que los elementos esenciales del suelo están disponibles para las plantas es fundamental para entender la fertilidad del suelo. Las plantas extraen los elementos que necesitan del suelo como iones inorgánicos en la solución del suelo. La cantidad de cada elemento esencial en el suelo que está disponible para las plantas cambia rápidamente a medida que el contenido de humedad del suelo cambia y también depende de la velocidad a la que los compuestos orgánicos se descomponen para liberar elementos ligados orgánicamente como iones inorgánicos disponibles. Menos del 1% aproximadamente de la cantidad total de la mayoría de los elementos esenciales del suelo está presente en forma disponible. Las especies vegetales difieren en gran medida en la velocidad a la que necesitan adquirir los elementos esenciales para un crecimiento adecuado. El ritmo de disponibilidad de los nutrientes influye en las comunidades vegetales naturales y está directamente relacionado con la producción de alimentos para el hombre. La mayoría de los cultivos alimentarios requieren entre 90 y 120 días para madurar. Los cultivos alimentarios deben tener una tasa de disponibilidad de nutrientes muchas veces más rápida que la requerida por los ecosistemas nativos. Un cultivo de grano de alto rendimiento de arroz, trigo o maíz debe adquirir aproximadamente tanto fósforo en 90 días como los árboles adquieren de la misma área de tierra en más de 20 años. Además, las raíces de los árboles suelen penetrar más profundamente y explotar un mayor volumen de suelo que los cultivos alimentarios. Por lo tanto, la concentración de elementos nutritivos disponibles cerca de la superficie del suelo debe ser considerablemente mayor para abastecer adecuadamente las necesidades de un cultivo alimentario que para sostener el crecimiento de los árboles.
Los humanos cosechan y transportan sus cultivos alimentarios a un domicilio situado a cierta distancia del lugar en el que se produjo el cultivo. A menudo se consume la parte de la semilla de la planta y sólo los tallos, las hojas y las raíces de la planta de cultivo, menos ricos en nutrientes, se devuelven al suelo como residuo orgánico. Se necesitan cantidades considerables de residuos orgánicos para fertilizar una planta de cultivo, ya que estos residuos se descomponen lentamente para liberar iones inorgánicos para el crecimiento del cultivo. La práctica común de quemar los residuos facilita el rápido crecimiento de los cultivos al liberar nutrientes ligados orgánicamente.
Históricamente los seres humanos han poblado áreas de suelo con altos niveles de fertilidad mineral. Se trata comúnmente de materiales ígneos o volcánicos de composición mineral básica, rocas sedimentarias como la caliza rica en calcio, magnesio y fósforo, y llanuras de inundación recientes frecuentemente renovadas por deposiciones de material derivado de materiales geológicos fértiles y suelo superficial erosionado. Cuando la composición mineral de los suelos contiene sólo pequeñas cantidades de elementos esenciales y hay una gran cantidad de biomasa natural de crecimiento lento, se practica un sistema de producción de alimentos conocido como tala y quema. Aunque algunos elementos esenciales se volatilizan y se pierden, el fuego es el principal método para descomponer rápidamente la materia orgánica y crear un breve período de tiempo en el que los nutrientes contenidos están rápidamente disponibles como iones inorgánicos. Si hay suficiente biomasa, en los 90 días posteriores a la quema se puede obtener al menos un cultivo. Si se realiza correctamente, la quema también asegura que la temperatura de la superficie del suelo sea lo suficientemente alta como para reducir la competencia de las malas hierbas al matar la mayoría de las semillas de las mismas cerca de la superficie del suelo. A menudo es posible una segunda y tercera cosecha antes de que el suministro disponible de elementos esenciales se exporte del campo como alimento humano y la tasa de disponibilidad de nutrientes se reduzca hasta un punto en el que el rendimiento de los cultivos sea bajo y⧸o las malas hierbas se conviertan en un problema importante. Después de que el agricultor abandone esa tierra, una sucesión de comunidades nativas que son capaces de crecer con tasas más bajas de flujo de nutrientes del suelo invaden el lugar. Al cabo de algunos años, la vegetación nativa de crecimiento lento adquiere suficientes nutrientes en su biomasa como para poder volver a cortarla, secarla y quemarla para obtener un sitio para otra breve secuencia de plantas de cultivo. Este método de gestión de la disponibilidad de nutrientes tiene numerosas variaciones entre las distintas culturas indígenas. Sólo las bajas densidades de población humana se sostienen con la agricultura de tala y quema debido a los largos periodos de tiempo (normalmente entre 10 y 30 años e inversamente relacionados con la fertilidad mineral del suelo) que deben permitirse para que la vegetación natural acumule cantidades suficientes de elementos esenciales necesarios para fertilizar un cultivo alimentario después de la quema. Cuando se permite que los animales domésticos pasten en grandes superficies de vegetación autóctona, los elementos esenciales concentrados en sus excrementos suelen recogerse y utilizarse para fertilizar pequeñas superficies de cultivos alimentarios. En las zonas donde la infraestructura permite exportar las cosechas e importar los nutrientes esenciales en forma de abono concentrado, se practica la producción continua de cultivos alimentarios incluso en los suelos más infértiles desde el punto de vista químico. Actualmente existen muchas combinaciones y variaciones de estas estrategias en todos los trópicos húmedos.