Animal Physiology
Chemical and Mineralogical Composition of Soils
Kasvien ja eläinten fysiologiaan tarvittavista kemiallisista alkuaineista vain hiili, happi, vety, typpi ja jossain määrin myös rikki ovat peräisin ilmasta ja vedestä. Muut välttämättömät alkuaineet saadaan maaperän mineraaleista. Maaperän mineralogiset ominaisuudet ovat peräisin geologisesta materiaalista, jonka sisällä maaperä on muodostunut. Minkä tahansa välttämättömän alkuaineen riittämätön saanti rajoittaa kasvien kasvua. Yleisimmät rajoitukset johtuvat siitä, että kasveissa ei ole riittävästi typpeä, fosforia, kaliumia, kalsiumia tai magnesiumia.
Maaperän mineraaleissa ei käytännössä ole typpeä. Typpi kulkeutuu maaperään sadeveteen liuenneena ammoniumina ja nitraattina tai typpeä sitovien mikrobien ilmasta sitomana. Jotkin maaperän typpeä sitovat mikrobit ovat symbioottisia, ja niiden ilmasta ottama typpi liitetään niiden palkokasvien isäntäkasveihin. Toiset typpeä sitovat mikrobit eivät ole symbioottisia, ja niiden ilmasta ottama typpi kulkeutuu niiden soluihin. Typpi on keskittynyt orgaanisiin jäämiin maan pintakerroksissa. Kun orgaaniset jäännökset hajoavat, epäorgaanisia typpimuotoja vapautuu maaperän liuokseen ja tulee kasvavien kasvien saataville, huuhtoutuu pohjaveteen runsaiden sateiden aikana tai palaa ilmaan typpikaasuna aikana, jolloin maaperä on vedellä kyllästynyt. Maaperän kasvien käytettävissä olevan typen pitoisuudet ovat ohimeneviä ja liittyvät läheisesti orgaanisen jäännöksen määrään.
Fosforia esiintyy vain muutamissa mineraaleissa. Rauta- ja alumiinifosfaatit ovat erittäin liukenemattomia, eivätkä ne vapauta fosforia riittävän nopeasti kasvien nopean kasvun kannalta. Vapautumisnopeus on niin hidas, että runsaasti rautaa ja alumiinia sisältävillä mailla on taipumus imeä lannoitteena levitettyä fosfaattia ja vähentää sen saatavuutta kasveille. Apatiitti, liukoisempi kalsiumfosfaattimineraali, joka pystyy tuottamaan kasvien käytettävissä olevaa fosforia, on yleinen fosforin lähde, ja sitä esiintyy usein kalkkikivessä.
Kaliumia esiintyy kiille- ja maasälpämineraaleissa. Nämä mineraalit hajoavat melko helposti maaperäympäristössä, ja siksi niitä esiintyy harvoin materiaaleissa, joita on toistuvasti kuljetettu ja laskeutunut maan pinnalle.
Kalsiumia ja magnesiumia esiintyy runsaimmin kalkkikiviin ja joihinkin hiekkakiviin liittyvissä karbonaattimineraaleissa. Karbonaattimineraalit ovat myös suhteellisen epävakaita sään vaikutuksesta, ja siksi niitä esiintyy vain tuoreissa geologisissa sedimenteissä, kalkkikivessä ja joissakin hiekkakivissä.
Maaperän pH-arvo mittaa maaperässä olevan veden happamuutta tai emäksisyyttä, ja sillä on suora vaikutus siihen, kuinka nopeasti monet välttämättömät alkuaineet ovat kasvavien kasvien käytettävissä. Karbonaattimineraalien puuttuessa kostean tropiikin maaperä reagoi happamasti, ja maaperässä olevia välttämättömiä alkuaineita on kasvien kasvun kannalta käytettävissä vain rajallinen määrä. Happamissa maaperissä, joiden pH-arvo on alle noin 5,2, on myös alumiini-ionien pitoisuuksia, jotka ovat myrkyllisiä joillekin mutta eivät kaikille viljelykasveille. Kalkin (hienoksi jauhettujen kalsium- ja kalsium:magnesiumkarbonaattien) lisääminen on toivottavaa ja usein välttämätöntä alumiinin myrkyllisyyden vähentämiseksi tai poistamiseksi ja olennaisten alkuaineiden saatavuuden lisäämiseksi useimmille happamilla mailla kasvaville viljelykasveille.
Nopeus, jolla maaperässä olevat olennaiset alkuaineet ovat kasvien käytettävissä, on kriittinen tekijä maaperän hedelmällisyyden ymmärtämisessä. Kasvit ottavat tarvitsemansa alkuaineet maaperästä epäorgaanisina ioneina maaperäliuokseen. Kunkin olennaisen alkuaineen määrä maaperässä, joka on kasvien käytettävissä, muuttuu nopeasti, kun maaperän kosteuspitoisuus muuttuu, ja se riippuu myös orgaanisten yhdisteiden hajoamisnopeudesta, jolla ne vapauttavat orgaanisesti sitoutuneita alkuaineita käytettävissä olevina epäorgaanisina ioneina. Useimpien keskeisten alkuaineiden kokonaismäärästä maaperässä on alle noin 1 prosentti käytettävissä olevassa muodossa. Kasvilajeilla on suuria eroja siinä, kuinka nopeasti niiden on hankittava välttämättömiä alkuaineita riittävää kasvua varten. Ravinteiden saatavuuden nopeus vaikuttaa luonnollisiin kasviyhteisöihin ja on suorassa yhteydessä ihmisten elintarviketuotantoon. Useimmat ihmisravinnoksi käytettävät viljelykasvit tarvitsevat 90-120 päivää kypsyäkseen. Elintarvikekasvien ravinteiden saatavuuden on oltava moninkertaisesti nopeampaa kuin mitä alkuperäiset ekosysteemit vaativat. Korkeatuottoisen riisin, vehnän tai maissin viljakasvin on saatava noin yhtä paljon fosforia 90 päivässä kuin puut saavat samalta maa-alueelta yli 20 vuodessa. Lisäksi puiden juuret tunkeutuvat yleensä syvemmälle ja hyödyntävät suuremman määrän maaperää kuin ravintokasvit. Siksi käytettävissä olevien ravinteiden pitoisuuksien lähellä maan pintaa on oltava huomattavasti suuremmat, jotta ravintokasvien tarpeet voidaan tyydyttää riittävästi kuin puiden kasvun tukemiseksi.
Ihmiset korjaavat ja kuljettavat ravintokasviensa sadon jonkin matkan päässä viljelypaikasta sijaitsevaan asuinpaikkaan. Usein kasvin siemenet kulutetaan ja vain vähemmän ravinteikkaat varret, lehdet ja juuret palautetaan maaperään orgaanisena jäännöksenä. Viljelykasvin lannoittamiseen tarvitaan huomattavia määriä orgaanisia jäännöksiä, koska nämä jäännökset hajoavat hitaasti vapauttaen epäorgaanisia ioneja viljelykasvien kasvua varten. Jäämien polttaminen on yleinen käytäntö, joka helpottaa viljelykasvien nopeaa kasvua vapauttamalla orgaanisesti sitoutuneita ravinteita.
Historiallisesti ihmiset ovat asuttaneet maaperän alueita, joilla on korkea mineraalilannoitus. Tällaisia alueita ovat yleensä perusmineraalikoostumukseltaan vulkaaniset tai vulkaaniset materiaalit, sedimenttikivet, kuten kalkkikivi, joka sisältää runsaasti kalsiumia, magnesiumia ja fosforia, sekä hiljattain syntyneet tulvatasangot, jotka ovat usein uudistuneet hedelmällisistä geologisista materiaaleista peräisin olevan aineksen ja erodoituneen pintamaan laskeutumisen myötä. Jos maaperän mineraalikoostumus sisältää vain pieniä määriä välttämättömiä alkuaineita ja siellä on paljon hitaasti kasvavaa luonnollista biomassaa, harjoitetaan elintarviketuotantojärjestelmää, joka tunnetaan nimellä raivaus ja poltto. Vaikka jotkin välttämättömät alkuaineet haihtuvat ja häviävät, tuli on ensisijainen menetelmä orgaanisen aineksen nopeaan hajottamiseen ja lyhyen ajanjakson luomiseen, jolloin ravinteet ovat nopeasti saatavilla epäorgaanisina ioneina. Jos biomassaa on riittävästi, ainakin yksi viljelykasvi voidaan kasvattaa menestyksekkäästi polton jälkeisten 90 päivän aikana. Oikein tehtynä polttaminen varmistaa myös sen, että maan pintalämpötila nousee riittävän korkeaksi vähentääkseen rikkaruohojen kilpailua tuhoamalla useimmat rikkaruohojen siemenet lähellä maan pintaa. Toinen ja kolmas sato on usein mahdollinen, ennen kuin käytettävissä olevat välttämättömät alkuaineet viedään pellolta ihmisravinnoksi ja ravinteiden saatavuus vähenee niin paljon, että sato jää alhaiseksi ja rikkakasvit muodostuvat suureksi ongelmaksi. Kun maanviljelijä luopuu kyseisestä maasta, alueelle tunkeutuu peräkkäin alkuperäisiä yhteisöjä, jotka pystyvät kasvamaan alhaisemmalla ravinteiden virtausnopeudella maaperästä. Muutaman vuoden kuluttua hitaasti kasvava alkuperäinen kasvillisuus kerää biomassaansa niin paljon ravinteita, että se voidaan jälleen leikata, kuivata ja polttaa, jotta saadaan kasvupaikka uudelle lyhyelle viljelykasvien jaksolle. Tällä ravinteiden saatavuuden hallintamenetelmällä on lukuisia muunnelmia eri alkuperäiskulttuureissa. Vain alhaiset väestötiheydet kestävät viilto- ja polttoviljelyä, koska luonnonkasvillisuudelle on annettava pitkä aika (yleensä 10-30 vuotta, joka on kääntäen verrannollinen maaperän kivennäismaaperäiseen hedelmällisyyteen), jotta se voi kerätä polttamisen jälkeen riittävästi välttämättömiä alkuaineita elintarvikesadon lannoittamiseksi tarvittavia määriä. Kun kotieläinten sallitaan laiduntaa laajoilla alueilla alkuperäistä kasvillisuutta, niiden ulosteisiin keskittyvät välttämättömät alkuaineet kerätään usein talteen ja käytetään lannoittamaan pieniä alueita ravintokasveilla. Alueilla, joilla infrastruktuuri mahdollistaa viljelykasvien viennin ja välttämättömien ravinteiden tuonnin tiivistettyinä lannoitteina, elintarviketuotantoa harjoitetaan jatkuvasti jopa kemiallisesti hedelmättömimmällä maaperällä. Näiden strategioiden monia yhdistelmiä ja muunnelmia on nykyisin käytössä kaikkialla kosteassa tropiikissa.