Állati élettan

A talajok kémiai és ásványtani összetétele

A növényi és állati élettanhoz szükséges kémiai elemek közül csak a szén, az oxigén, a hidrogén, a nitrogén és bizonyos mértékig a kén származik a levegőből és a vízből. A többi nélkülözhetetlen elemet a talajban lévő ásványi anyagokból nyerik. A talajok ásványtani tulajdonságai abból a geológiai anyagból származnak, amelyben a talaj kialakult. Bármely alapvető elem elégtelen ellátottsága korlátozza a növények növekedését. A leggyakoribb korlátozások a növények számára elégtelenül rendelkezésre álló nitrogén, foszfor, kálium, kalcium vagy magnézium miatt következnek be.

A talaj ásványi anyagaiban gyakorlatilag nincs nitrogén. A nitrogén az esővízben oldott ammónium és nitrát formájában vagy a levegőből a nitrogénmegkötő mikrobák által történő megkötés útján kerül a talajba. Egyes nitrogénmegkötő mikrobák a talajban szimbiózisban élnek, és a levegőből kivont nitrogént beépítik a hüvelyes növények gazdanövényeikbe. Más nitrogénmegkötő mikrobák nem szimbiózisban élnek, és a levegőből nyert nitrogént beépítik a sejtjeikbe. A nitrogén a talaj felszíni rétegeinek szerves maradványaiban koncentrálódik. A szerves maradványok bomlásával a nitrogén szervetlen formái a talajoldatba kerülnek, és elérhetővé válnak a növekvő növények számára, túlzott csapadékos időszakokban a talajvízbe szivárognak, vagy nitrogéngáz formájában a levegőbe jutnak vissza, amikor a talaj vízzel telített. A talaj növények számára elérhető nitrogéntartalma átmeneti, és szorosan összefügg a szerves maradványok mennyiségével.

A foszfor csak néhány ásványi anyagban van jelen. A vas- és alumíniumfoszfátok rendkívül oldhatatlanok, és nem szabadítják fel elég gyorsan a foszfort a növények gyors növekedéséhez. A felszabadulás sebessége olyan lassú, hogy a magas vas- és alumíniumtartalmú talajok hajlamosak a műtrágyaként kijuttatott foszfátot felszívni, és csökkentik annak hozzáférhetőségét a növények számára. Az apatit, egy jobban oldódó kalcium-foszfát ásvány, amely képes a növények számára hozzáférhető foszfort szolgáltatni, gyakori foszforforrás, és gyakran jelen van a mészkőben.

A kálium jelen van a csillám és a földpát ásványokban. Ezek az ásványok a talajkörnyezetben meglehetősen könnyen lebomlanak, ezért ritkán vannak jelen olyan anyagokban, amelyeket többször szállítottak és leraktak a földfelszínre.

A kalcium és a magnézium leginkább a mészkőhöz és néhány homokkőhöz kapcsolódó karbonátásványokban fordul elő. A karbonátásványok szintén viszonylag instabilak az időjárás hatására, ezért csak a közelmúltbeli geológiai üledékekben, a mészkőben és néhány homokkőben vannak jelen.

A talaj pH-ja a talajban lévő víz savasságát vagy lúgosságát méri, és közvetlen hatással van arra, hogy számos alapvető elem milyen gyorsan válik elérhetővé a növekvő növények számára. Karbonátos ásványok hiányában a nedves trópusokon a talajok savas reakciójúak, és a talajban lévő esszenciális elemek csak korlátozott mennyiségben állnak rendelkezésre a növények növekedése számára. A savanyú, körülbelül 5,2-nél alacsonyabb pH-értékkel rendelkező talajokban az alumíniumionok koncentrációja is olyan, hogy az néhány, de nem minden haszonnövény számára mérgező. A mész (finomra őrölt kalcium- és kalcium:magnézium-karbonátok) hozzáadása kívánatos és gyakran szükséges az alumínium toxicitásának csökkentéséhez vagy megszüntetéséhez, valamint az esszenciális elemek hozzáférhetőségének növeléséhez a legtöbb savanyú talajon termesztett növény számára.

A talaj termékenységének megértése szempontjából döntő fontosságú, hogy a talajban lévő esszenciális elemek milyen gyorsan válnak elérhetővé a növények számára. A növények a talajoldatban lévő szervetlen ionok formájában vonják ki a talajból a számukra szükséges elemeket. A talajban lévő egyes esszenciális elemek növények számára elérhető mennyisége gyorsan változik a talaj nedvességtartalmának változásával, és függ attól is, hogy a szerves vegyületek milyen ütemben bomlanak le, hogy a szervesen kötött elemeket elérhető szervetlen ionokként szabadítsák fel. A talajban lévő legtöbb esszenciális elem teljes mennyiségének kevesebb, mint körülbelül 1%-a van jelen elérhető formában. A növényfajok nagymértékben különböznek abban, hogy a megfelelő növekedéshez milyen ütemben kell felvenniük az esszenciális elemeket. A tápanyagok rendelkezésre állásának sebessége befolyásolja a természetes növényközösségeket, és közvetlen kapcsolatban áll az emberi élelmiszertermeléssel. A legtöbb emberi élelmiszernövénynek 90-120 napra van szüksége az éréshez. Az élelmiszernövényeknek az őshonos ökoszisztémák által megköveteltnél sokszor gyorsabban kell rendelkezésre állniuk a tápanyagoknak. Egy nagy hozamú rizs-, búza- vagy kukoricatermésnek 90 nap alatt körülbelül annyi foszfort kell felvennie, mint amennyit a fáknak ugyanarról a területről több mint 20 év alatt. Ráadásul a fák gyökerei általában mélyebbre hatolnak, és nagyobb mennyiségű talajt hasznosítanak, mint az élelmiszernövények. Ezért a talajfelszín közelében a rendelkezésre álló tápelemek koncentrációjának lényegesen nagyobbnak kell lennie ahhoz, hogy megfelelően ellássa az élelmiszernövények szükségleteit, mint a fák növekedésének támogatásához.

Az emberek betakarítják és elszállítják az élelmiszernövényeket a termőhelytől távolabbi lakóhelyükre. Gyakran a növény magját fogyasztják el, és csak a növény kevésbé tápanyagban gazdag szára, levelei és gyökerei kerülnek vissza a talajba szerves maradványként. A kultúrnövény trágyázásához jelentős mennyiségű szerves maradványra van szükség, mivel ezek a maradványok lassan bomlanak le, hogy szervetlen ionokat szabadítsanak fel a növény növekedéséhez. A maradványok elégetésének elterjedt gyakorlata a szerves kötésű tápanyagok felszabadításával elősegíti a növények gyors növekedését.

A történelem során az emberek olyan talajterületeket népesítettek be, amelyek magas ásványi termékenységűek voltak. Ezek általában vulkáni vagy vulkáni eredetű, bázikus ásványi összetételű anyagok, kalciumban, magnéziumban és foszforban gazdag üledékes kőzetek, például mészkő, és a közelmúltban keletkezett árterek, amelyek gyakran megújultak a termékeny geológiai anyagokból származó anyag és az erodált felszíni talaj lerakódásával. Ahol a talajok ásványi összetétele csak kis mennyiségben tartalmaz alapvető elemeket, és nagy mennyiségű lassan növő természetes biomassza van jelen, ott az élelemtermelésnek az égetés és kaszálás néven ismert rendszerét alkalmazzák. Bár néhány esszenciális elem elpárolog és elvész, a tűz az elsődleges módszer a szerves anyag gyors lebontására és egy rövid időszak létrehozására, amikor a benne lévő tápanyagok szervetlen ionok formájában gyorsan rendelkezésre állnak. Ha elegendő biomassza áll rendelkezésre, akkor az égetést követő 90 napban legalább egy növényt sikeresen lehet termeszteni. Ha helyesen végezzük, az égetés azt is biztosítja, hogy a talaj felszíni hőmérséklete elég magas legyen ahhoz, hogy a talajfelszín közelében lévő legtöbb gyommag elpusztításával csökkentse a gyomnövény-konkurenciát. Gyakran egy második és egy harmadik termés is lehetséges, mielőtt a rendelkezésre álló alapvető elemkészlet emberi táplálékként távozik a szántóföldről, és a tápanyagok elérhetősége olyan mértékben csökken, hogy a terméshozam alacsony lesz, és⧸vagy a gyomnövények jelentős problémává válnak. Miután a gazdálkodó elhagyja a földet, a területet olyan őshonos közösségek sora szállja meg, amelyek a talajból származó tápanyagok alacsonyabb arányú áramlásával is képesek növekedni. Néhány év múlva a lassan növő őshonos növényzet elég tápanyagot vesz fel a biomasszájában ahhoz, hogy ismét le lehessen vágni, szárítani és elégetni, hogy újabb rövid ideig tartó növénykultúráknak adjon helyet. A tápanyag-ellátottság kezelésének ez a módszere számos variációt mutat a különböző őshonos kultúrákban. Az égetéses mezőgazdaság csak alacsony emberi népsűrűséggel tartható fenn, mivel a természetes növényzetnek hosszú ideig (általában 10 és 30 év között, és fordítottan arányos a talaj ásványi termékenységével) kell hagynia, hogy elégséges mennyiségű alapvető elemet halmozzon fel az égetés után az élelmiszernövény trágyázásához szükséges tápanyagból. Ahol a háziállatoknak megengedik, hogy az őshonos növényzet nagy területeit legeltessék, az ürülékükben koncentrálódó esszenciális elemeket gyakran összegyűjtik és az élelmiszernövények kis területeinek trágyázására használják. Azokon a területeken, ahol az infrastruktúra lehetővé teszi a termények exportálását és az alapvető tápanyagok koncentrált műtrágyaként történő behozatalát, folyamatos élelmiszernövény-termesztést folytatnak még a kémiailag terméketlenebb talajokon is. E stratégiák számos kombinációja és változata létezik jelenleg az egész nedves trópusi térségben.