Fisiologia animale

Composizione chimica e mineralogica dei suoli

Degli elementi chimici necessari alla fisiologia delle piante e degli animali, solo il carbonio, l’ossigeno, l’idrogeno, l’azoto e, in una certa misura, lo zolfo derivano dall’aria e dall’acqua. Gli altri elementi essenziali sono ottenuti dai minerali del suolo. Le proprietà mineralogiche dei suoli derivano dal materiale geologico all’interno del quale il suolo è formato. Un apporto inadeguato di qualsiasi elemento essenziale limita la crescita delle piante. Le limitazioni più frequenti derivano dall’insufficienza di azoto, fosforo, potassio, calcio o magnesio disponibili per le piante.

Praticamente l’azoto non è presente nei minerali del suolo. L’azoto entra nel suolo come ammonio e nitrato disciolti nell’acqua piovana o attraverso la fissazione dall’aria da parte di microbi azotofissatori. Alcuni microbi azotofissatori nel suolo sono simbiotici e l’azoto che estraggono dall’aria è incorporato nella loro pianta leguminosa ospite. Altri microbi azotofissatori non sono simbiotici e l’azoto che estraggono dall’aria viene incorporato nelle loro cellule. L’azoto è concentrato nei residui organici negli strati superficiali del suolo. Quando i residui organici si decompongono, le forme inorganiche di azoto vengono rilasciate nella soluzione del suolo e diventano disponibili per le piante in crescita, percolano nelle acque sotterranee durante i periodi di precipitazioni eccessive, o ritornano nell’aria come gas azoto durante i periodi in cui il suolo è saturo d’acqua. Il contenuto di azoto disponibile per le piante nel suolo è transitorio e strettamente legato alle forniture di residui organici.

Il fosforo è presente solo in pochi minerali. I fosfati di ferro e alluminio sono estremamente insolubili e non rilasciano fosforo abbastanza rapidamente per una rapida crescita delle piante. Il tasso di rilascio è così lento che i terreni con alti contenuti di ferro e alluminio tendono ad assorbire il fosfato applicato come fertilizzante e a diminuire la sua disponibilità per le piante. L’apatite, un minerale di fosfato di calcio più solubile in grado di fornire fosforo disponibile alle piante, è una fonte comune di fosforo e spesso presente nel calcare.

Il potassio è presente nei minerali di mica e feldspato. Questi minerali sono piuttosto facilmente decomposti nell’ambiente del suolo e di conseguenza sono raramente presenti in materiali che sono stati ripetutamente trasportati e depositati sulla superficie del terreno.

Calcio e magnesio sono più abbondanti nei minerali carbonati associati al calcare e ad alcune arenarie. I minerali carbonati sono anche relativamente instabili quando sono sottoposti agli agenti atmosferici e quindi sono presenti solo nei sedimenti geologici recenti, nel calcare e in alcune arenarie.

Il pH del suolo è una misura dell’acidità o alcalinità dell’acqua nel suolo e ha un effetto diretto sulla rapidità con cui molti degli elementi essenziali sono disponibili per le piante in crescita. In assenza di minerali carbonati, i suoli dei tropici umidi hanno una reazione acida e solo quantità limitate di elementi essenziali presenti nel suolo sono disponibili per la crescita delle piante. I terreni acidi con valori di pH inferiori a circa 5,2 hanno anche una concentrazione di ioni di alluminio che è tossica per alcune ma non per tutte le piante coltivate. Aggiunte di calce (carbonati di calcio e calcio:magnesio finemente macinati) sono desiderabili e spesso necessarie per ridurre o eliminare la tossicità dell’alluminio e aumentare la disponibilità degli elementi essenziali per la maggior parte delle piante coltivate che crescono in terreni acidi.

La velocità con cui gli elementi essenziali nel suolo sono disponibili per le piante è fondamentale per capire la fertilità del suolo. Le piante estraggono gli elementi di cui hanno bisogno dal suolo come ioni inorganici nella soluzione del suolo. La quantità di ogni elemento essenziale nel suolo che è disponibile per le piante cambia rapidamente come il contenuto di umidità del suolo cambia e dipende anche dalla velocità con cui i composti organici si decompongono per rilasciare elementi organicamente legati come ioni inorganici disponibili. Meno di circa l’1% della quantità totale della maggior parte degli elementi essenziali nel suolo è presente in una forma disponibile. Le specie di piante differiscono notevolmente nella velocità con cui hanno bisogno di acquisire elementi essenziali per una crescita adeguata. La velocità con cui i nutrienti diventano disponibili influenza le comunità vegetali naturali ed è direttamente collegata alla produzione alimentare umana. La maggior parte delle colture alimentari umane richiedono 90-120 giorni per maturare. Le colture alimentari devono avere un tasso di disponibilità dei nutrienti molto più veloce di quello richiesto dagli ecosistemi nativi. Un raccolto di grano ad alto rendimento di riso, grano o mais deve acquisire approssimativamente tanto fosforo in 90 giorni quanto gli alberi acquisiscono dalla stessa area di terreno in più di 20 anni. Inoltre, le radici degli alberi di solito penetrano più profondamente e sfruttano un volume di terreno maggiore rispetto alle colture alimentari. Pertanto, la concentrazione di elementi nutritivi disponibili vicino alla superficie del suolo deve essere notevolmente maggiore per fornire adeguatamente le esigenze di una coltura alimentare che per sostenere la crescita degli alberi.

Gli esseri umani raccolgono e trasportano i loro raccolti alimentari a un domicilio a una certa distanza dal sito in cui il raccolto è stato coltivato. Spesso la porzione di seme della pianta viene consumata e solo i fusti, le foglie e le radici meno ricchi di nutrienti della pianta coltivata vengono restituiti al suolo come residui organici. Sono necessarie quantità considerevoli di residui organici per fertilizzare una pianta coltivata, perché questi residui si decompongono lentamente per rilasciare ioni inorganici per la crescita della coltura. La pratica comune di bruciare i residui facilita la rapida crescita delle colture rilasciando nutrienti legati organicamente.

Storicamente gli esseri umani hanno popolato aree di suolo con alti livelli di fertilità minerale. Questi sono comunemente materiali ignei o vulcanici di composizione minerale di base, rocce sedimentarie come il calcare ricco di calcio, magnesio e fosforo, e pianure alluvionali recenti frequentemente rinnovate da deposizioni di materiale derivato da materiali geologici fertili e suolo superficiale eroso. Dove la composizione minerale dei suoli contiene solo piccole quantità di elementi essenziali ed è presente una grande quantità di biomassa naturale a crescita lenta, viene praticato un sistema di produzione alimentare noto come slash and burn. Anche se alcuni elementi essenziali sono volatilizzati e persi, il fuoco è il metodo principale per decomporre rapidamente il materiale organico e creare un breve periodo di tempo in cui i nutrienti contenuti sono rapidamente disponibili come ioni inorganici. Se c’è abbastanza biomassa, almeno una coltura può essere coltivata con successo nei 90 giorni dopo la combustione. Se fatto correttamente, la bruciatura assicura anche che la temperatura superficiale del suolo diventi abbastanza alta da ridurre la competizione delle erbacce uccidendo la maggior parte dei semi delle erbacce vicino alla superficie del suolo. Un secondo e un terzo raccolto è spesso possibile prima che la fornitura disponibile di elementi essenziali sia esportata dal campo come cibo umano e il tasso di disponibilità di nutrienti sia ridotto a un punto in cui le rese delle colture sono basse e⧸le erbacce diventano un problema importante. Dopo che l’agricoltore abbandona quel terreno, una successione di comunità native che sono in grado di crescere con tassi inferiori di flusso di nutrienti dal suolo invadono il sito. Dopo alcuni anni, la vegetazione nativa a crescita lenta acquisisce abbastanza nutrienti nella sua biomassa che può essere nuovamente tagliata, essiccata e bruciata per ottenere un sito per un’altra breve sequenza di piante coltivate. Questo metodo di gestione della disponibilità di nutrienti ha numerose variazioni tra le diverse culture indigene. Solo basse densità di popolazione umana sono sostenute dall’agricoltura slash-and-burn a causa dei lunghi periodi di tempo (di solito tra i 10 e i 30 anni e inversamente correlati alla fertilità minerale del suolo) che devono essere consentiti alla vegetazione naturale per accumulare quantità sufficienti di elementi essenziali necessari per fertilizzare una coltura alimentare dopo la combustione. Dove gli animali domestici sono autorizzati a brucare grandi aree di vegetazione nativa, gli elementi essenziali concentrati nei loro escrementi sono spesso raccolti e utilizzati per fertilizzare piccole aree di colture alimentari. Nelle aree in cui le infrastrutture permettono di esportare le colture e importare i nutrienti essenziali come fertilizzante concentrato, la produzione continua di colture alimentari viene praticata anche sui terreni chimicamente più sterili. Molte combinazioni e variazioni di queste strategie esistono attualmente in tutti i tropici umidi.