Fyziologie živočichů

Chemické a mineralogické složení půd

Z chemických prvků potřebných pro fyziologii rostlin a živočichů pocházejí ze vzduchu a vody pouze uhlík, kyslík, vodík, dusík a do určité míry i síra. Ostatní základní prvky se získávají z minerálů v půdě. Mineralogické vlastnosti půd jsou odvozeny od geologického materiálu, v němž půda vznikla. Nedostatečný přísun některého ze základních prvků omezuje růst rostlin. Nejčastější omezení vyplývají z nedostatečné dostupnosti dusíku, fosforu, draslíku, vápníku nebo hořčíku pro rostliny.

Dusík se v půdních minerálech prakticky nevyskytuje. Dusík se do půdy dostává ve formě amoniaku a dusičnanů rozpuštěných v dešťové vodě nebo fixací ze vzduchu mikroby vázajícími dusík. Některé mikroby vázající dusík v půdě jsou symbiotické a dusík, který získávají ze vzduchu, zabudovávají do svého hostitele – luštěniny. Jiné mikroby vázající dusík nejsou symbiotické a dusík, který získávají ze vzduchu, zabudovávají do svých buněk. Dusík je koncentrován v organických zbytcích v povrchových vrstvách půdy. Při rozkladu organických zbytků se anorganické formy dusíku uvolňují do půdního roztoku a stávají se dostupnými pro rostoucí rostliny, v období nadměrných srážek se vyluhují do podzemních vod nebo se v období, kdy je půda nasycena vodou, vracejí do ovzduší jako plynný dusík. Obsah rostlinám dostupného dusíku v půdě je přechodný a úzce souvisí se zásobami organických zbytků.

Fosfor je přítomen pouze v několika minerálech. Fosforečnany železa a hliníku jsou extrémně nerozpustné a neuvolňují fosfor dostatečně rychle pro rychlý růst rostlin. Rychlost uvolňování je tak pomalá, že půdy s vysokým obsahem železa a hliníku mají tendenci absorbovat fosfáty aplikované jako hnojivo a snižovat jejich dostupnost pro rostliny. Běžným zdrojem fosforu je apatit, lépe rozpustný minerál fosforečnan vápenatý schopný dodávat rostlinám dostupný fosfor, který je často přítomen ve vápenci.

Draslík je přítomen v minerálech slídy a živce. Tyto minerály se v půdním prostředí poměrně snadno rozkládají, a proto jsou zřídka přítomny v materiálech, které byly opakovaně transportovány a ukládány na zemský povrch.

Vápník a hořčík jsou nejhojněji zastoupeny v karbonátových minerálech spojených s vápenci a některými pískovci. Karbonátové minerály jsou také relativně nestabilní, když podléhají zvětrávání, a proto jsou přítomny pouze v recentních geologických sedimentech, vápencích a některých pískovcích.

Půdní pH je mírou kyselosti nebo zásaditosti vody v půdě a má přímý vliv na to, jak rychle jsou mnohé základní prvky dostupné rostoucím rostlinám. Při absenci uhličitanových minerálů mají půdy ve vlhkých tropech kyselou reakci a pro růst rostlin je k dispozici pouze omezené množství základních prvků přítomných v půdě. Kyselé půdy s hodnotami pH nižšími než přibližně 5,2 mají také koncentraci iontů hliníku, která je toxická pro některé, ale ne pro všechny kulturní rostliny. Přídavky vápna (jemně mletého uhličitanu vápenatého a uhličitanu vápenato-hořečnatého) jsou žádoucí a často nezbytné pro snížení nebo odstranění toxicity hliníku a zvýšení dostupnosti základních prvků pro většinu plodin rostoucích v kyselých půdách.

Rychlost, s jakou jsou základní prvky v půdě dostupné pro rostliny, je rozhodující pro pochopení úrodnosti půdy. Rostliny získávají prvky, které potřebují, z půdy ve formě anorganických iontů v půdním roztoku. Množství jednotlivých esenciálních prvků v půdě, které je pro rostliny dostupné, se rychle mění se změnou vlhkosti půdy a závisí také na rychlosti rozkladu organických sloučenin, při kterém se uvolňují organicky vázané prvky jako dostupné anorganické ionty. Méně než přibližně 1 % celkového množství většiny esenciálních prvků v půdě je přítomno v dostupné formě. Rostlinné druhy se značně liší v rychlosti, s jakou potřebují získávat základní prvky pro přiměřený růst. Rychlost, s jakou jsou živiny dostupné, ovlivňuje přirozená rostlinná společenstva a přímo souvisí s produkcí potravin pro člověka. Většina plodin pro lidskou výživu potřebuje k dozrání 90-120 dní. Potravinářské plodiny musí mít rychlost dostupnosti živin mnohonásobně vyšší, než vyžadují přirozené ekosystémy. Vysoce výnosná obilná plodina rýže, pšenice nebo kukuřice musí za 90 dní získat přibližně tolik fosforu, kolik stromy získají ze stejné plochy půdy za více než 20 let. Kromě toho kořeny stromů obvykle pronikají hlouběji a využívají větší objem půdy než potravinářské plodiny. Proto musí být koncentrace dostupných živin v blízkosti povrchu půdy podstatně vyšší, aby dostatečně zajistila potřeby potravinářských plodin, než aby podpořila růst stromů.

Člověk sklízí a dopravuje své potravinářské plodiny do místa bydliště, které je vzdáleno od místa, kde byla plodina vypěstována. Často se spotřebuje semenná část rostliny a do půdy se vrací pouze na živiny méně bohaté stonky, listy a kořeny plodiny jako organické zbytky. K hnojení plodiny je zapotřebí značného množství organických zbytků, protože tyto zbytky se pomalu rozkládají a uvolňují anorganické ionty pro růst plodiny. Běžná praxe spalování zbytků usnadňuje rychlý růst plodin tím, že uvolňuje organicky vázané živiny.

Člověk v minulosti osídlil oblasti s vysokou úrovní minerální úrodnosti půdy. Běžně se jedná o vyvřelé nebo vulkanické materiály základního minerálního složení, sedimentární horniny, jako jsou vápence bohaté na vápník, hořčík a fosfor, a nedávné záplavové oblasti často obnovované usazováním materiálu pocházejícího z úrodných geologických materiálů a erodované povrchové půdy. Tam, kde minerální složení půdy obsahuje jen malé množství základních prvků a kde je přítomno velké množství pomalu rostoucí přirozené biomasy, se praktikuje systém produkce potravin známý jako slash and burn. I když se některé esenciální prvky odpařují a ztrácejí, oheň je hlavní metodou rychlého rozkladu organického materiálu a vytvoření krátkého časového období, kdy jsou obsažené živiny rychle dostupné ve formě anorganických iontů. Pokud je biomasy dostatek, lze během 90 dnů po vypálení úspěšně vypěstovat alespoň jednu plodinu. Pokud se vypalování provádí správně, zajišťuje také dostatečně vysokou povrchovou teplotu půdy, která snižuje konkurenci plevelů tím, že zabíjí většinu semen plevelů v blízkosti povrchu půdy. Často je možné vypěstovat druhou a třetí plodinu dříve, než je dostupná zásoba základních prvků vyvezena z pole jako lidská potrava a míra dostupnosti živin se sníží natolik, že výnosy plodin jsou nízké a⧸nebo se plevele stanou velkým problémem. Poté, co zemědělec tuto půdu opustí, vtrhne na místo sukcese původních společenstev, která jsou schopna růst při nižší míře přísunu živin z půdy. Po několika letech získá pomalu rostoucí původní vegetace ve své biomase dostatek živin, aby ji bylo možné opět posekat, vysušit a spálit a získat tak místo pro další krátkou sekvenci plodin. Tento způsob hospodaření s dostupností živin má u různých domorodých kultur řadu variant. Pouze nízká hustota lidské populace se udrží při zemědělství typu „slash-and-burn“, protože je třeba počítat s dlouhým časovým obdobím (obvykle 10 až 30 let, které je nepřímo úměrné minerální úrodnosti půdy), aby přirozená vegetace nashromáždila dostatečné množství základních prvků potřebných k hnojení potravinářských plodin po spálení. Tam, kde je domácím zvířatům dovoleno spásat velké plochy přirozené vegetace, jsou základní prvky koncentrované v jejich exkrementech často shromažďovány a používány k hnojení malých ploch potravinářských plodin. V oblastech, kde infrastruktura umožňuje vývoz plodin a dovoz základních živin ve formě koncentrovaných hnojiv, se i na chemicky nejneúrodnějších půdách provozuje kontinuální produkce potravinářských plodin. V současné době existuje ve vlhkých tropech mnoho kombinací a variant těchto strategií.

.