Animal Physiology

Chemical and Mineralogical Composition of Soils

植物や動物の生理学に必要な化学元素のうち、空気や水から得られるのは炭素、酸素、水素、窒素、そしてある程度の硫黄だけである。 その他の必須元素は、土壌中の鉱物から得られる。 土壌の鉱物学的特性は、その土壌が形成された地質学的材料に由来している。 必須元素が不足すると、植物の生育に支障をきたします。 最も頻繁に起こる制限は、植物が利用できる窒素、リン、カリウム、カルシウム、またはマグネシウムが不十分なことに起因する。 窒素は雨水に溶けているアンモニウムや硝酸塩として、または窒素固定微生物によって空気中から固定されて土壌に入る。 土壌中の窒素固定微生物の中には共生型のものもあり、空気中から取り出した窒素は宿主であるマメ科植物に取り込まれる。 その他の窒素固定微生物は共生しておらず、空気中から取り出した窒素を細胞内に取り込んでいる。 窒素は土壌の表層にある有機物残渣に多く含まれている。 有機物が分解されると、無機態窒素が土壌溶液中に放出され、生育中の植物が利用できるようになり、降雨量が多いときには地下水中に浸出し、土壌が水で飽和しているときには窒素ガスとして空気中に戻ってくる。 土壌中の植物利用可能な窒素含有量は一過性で、有機残留物の供給と密接に関係している。

リンはわずかな鉱物にしか存在しない。 鉄とアルミニウムのリン酸塩は非常に不溶性で、植物の急速な成長に必要なだけの速さでリンを放出しない。 放出速度が遅いため、鉄やアルミニウムを多く含む土壌は、肥料として施されたリン酸塩を吸収してしまい、植物への利用率が低下する傾向があります。 植物に利用可能なリンを供給できる、より可溶性のリン酸カルシウム鉱物であるアパタイトは、一般的なリン源であり、石灰岩によく含まれています。

カリウムは雲母と長石鉱物に含まれています。 これらの鉱物は土壌環境ではむしろ分解されやすく、その結果、地表に繰り返し運ばれ堆積した物質にはほとんど存在しない。

カルシウムとマグネシウムは、石灰岩と一部の砂岩に付随する炭酸塩鉱物に最も多く含まれる。 炭酸塩鉱物はまた、風化にさらされると比較的不安定であるため、最近の地質堆積物、石灰岩および一部の砂岩にのみ存在する。

土壌pHは、土壌中の水の酸性またはアルカリ性を示す指標であり、多くの必須元素が成長する植物にどれだけ迅速に利用できるかに直接影響を及ぼしている。 炭酸塩鉱物がない場合、湿潤熱帯地域の土壌は酸性反応であり、土壌中に存在する必須元素は限られた量しか植物の生長に利用できない。 また、pHが約5.2以下の酸性土壌には、作物によっては有毒なアルミニウムイオンが含まれていることがある。 石灰（細かく砕いたカルシウムとカルシウム：マグネシウムの炭酸塩）の添加は、アルミニウムの毒性を軽減または除去し、酸性土壌で育つほとんどの作物植物への必須元素の利用率を高めるために望ましく、しばしば必要です。

土壌中の必須元素が植物に利用できる速度は、土壌肥沃度の理解に不可欠です。 植物は必要な元素を土壌溶液中の無機イオンとして土壌から抽出する。 植物が利用できる土壌中の各必須元素の量は、土壌中の水分量の変化に伴って急速に変化し、また有機化合物が分解して有機結合した元素が利用可能な無機イオンとして放出される速度に依存する。 土壌中のほとんどの必須元素が利用可能な形で存在するのは、総量の約1％未満である。 植物種によって、適切な生育のために必須元素を獲得する速度が大きく異なる。 栄養素が利用可能になる速度は、自然の植物群落に影響を与え、人間の食糧生産に直接関係する。 ほとんどの食用作物は成熟するのに90-120日かかる。 食用作物は、在来の生態系が要求するよりも何倍も速い速度で栄養素を利用できるようにしなければならない。 米、小麦、トウモロコシなどの高収量の穀物作物は、同じ面積の土地から樹木が20年以上かけて取得するのとほぼ同量のリンを90日間で取得しなければならない。 さらに、木の根は通常、食用作物よりも深く根を張り、より多くの土壌を利用する。 したがって、食用作物のニーズを十分に満たすには、樹木の成長を支えるよりも、土壌表面付近の利用可能な栄養元素の濃度がかなり高くなければならない。

人間は、作物が栽培された場所から少し離れた場所にある住処に食用作物を収穫して輸送する。 多くの場合、植物の種子の部分は消費され、作物植物のあまり栄養のない茎、葉、根だけが有機残留物として土壌に戻される。 有機残渣はゆっくりと分解され、作物の成長に必要な無機イオンを放出するため、作物に肥料を与えるには相当な量の有機残渣が必要となります。 残渣を焼却する一般的な方法は、有機的に結合した栄養素を放出することによって作物の急速な成長を促進する。

歴史的に人類は、ミネラル肥沃度の高い土壌の地域に居住してきた。 これらは一般に、基本的な鉱物組成の火成岩または火山岩、カルシウム、マグネシウム、リンに富む石灰岩などの堆積岩、肥沃な地質材料に由来する物質と浸食された表土が堆積して頻繁に更新された最近の氾濫原である。 土壌の鉱物組成が必須元素を少量しか含まず、生育の遅い天然バイオマスが多く存在する場合、焼畑と呼ばれる食料生産システムが行われる。 一部の必須元素は揮発し失われるが、火は有機物を急速に分解し、含まれる栄養素が無機イオンとして急速に利用できる短い時間を作り出す主要な方法である。 十分なバイオマスがあれば、焼却後90日以内に少なくとも1つの作物を成功裏に栽培することができる。 また、焼畑が正しく行われれば、土壌の表面温度が十分に高くなり、土壌表面付近の雑草の種子のほとんどが死滅するため、雑草との競合が少なくなります。 利用可能な必須要素の供給が人間の食物として畑から輸出され、作物収量が低く⧸または雑草が大きな問題となる程度まで養分利用率が低下する前に、2作目、3作目が可能であることがよくあります。 農家がその土地を放棄した後、土壌からの養分流出率が低くても生育可能な在来群落が次々と侵入してくる。 数年後、ゆっくりと成長する原生植物は、そのバイオマスに十分な栄養分を含むようになり、再び伐採、乾燥、焼却して、再び短期間に作物を植えるための場所を確保することができるようになる。 このような養分管理の方法は、先住民の文化によってさまざまなバリエーションがある。 焼畑農業では、焼いた後の作物の肥料となる必須元素を自然植生に十分蓄積させるために長い期間（通常10〜30年、土壌のミネラル肥沃度に反比例する）を必要とするため、低い人口密度しか維持できないのである。 家畜が自生する植物を広範囲に放牧している場合、家畜の排泄物に含まれる必須元素が回収され、狭い面積の食用作物の肥料として利用されることがよくある。 作物を輸出し、必須栄養素を濃縮肥料として輸入できるインフラがある地域では、化学的に最も不毛な土壌でも、食用作物の連続生産が行われている。 このような戦略の多くの組み合わせやバリエーションが、現在、湿潤熱帯地域全体に存在している。