Animal Physiology

Chemical and Mineralogical Composition of Soils

Of the chemical elements needed for plant and animal physiology, only carbon, oxygen, hydrogen, nitrogen, and to some extent sulfur are derived from air and water. Pozostałe niezbędne elementy są uzyskiwane z minerałów w glebie. Mineralogiczne właściwości gleb pochodzą z materiału geologicznego, w którym gleba została uformowana. Niedostateczna podaż któregokolwiek z podstawowych pierwiastków ogranicza wzrost roślin. Najczęstsze ograniczenia wynikają z niewystarczającej ilości dostępnego dla roślin azotu, fosforu, potasu, wapnia lub magnezu.

Praktycznie nie ma azotu w minerałach glebowych. Azot dostaje się do gleby w postaci amonu i azotanu rozpuszczonego w wodzie deszczowej lub poprzez wiązanie z powietrza przez mikroby wiążące azot. Niektóre mikroby wiążące azot w glebie są symbiotyczne, a azot, który pobierają z powietrza, jest włączany do ich gospodarza rośliny strączkowe. Inne mikroby wiążące azot nie są symbiotyczne, a azot, który pozyskują z powietrza, jest wbudowywany do ich komórek. Azot jest skoncentrowany w resztkach organicznych w powierzchniowych warstwach gleby. W miarę rozkładu resztek organicznych nieorganiczne formy azotu są uwalniane do roztworu glebowego i stają się dostępne dla rosnących roślin, wymywane do wód gruntowych w okresach nadmiernych opadów lub uwalniane do powietrza w postaci azotu gazowego w okresach, gdy gleba jest nasycona wodą. Dostępne dla roślin zawartości azotu w glebie są przejściowe i ściśle związane z dostawami pozostałości organicznych.

Fosfor jest obecny tylko w kilku minerałach. Fosforany żelaza i aluminium są bardzo nierozpuszczalne i nie uwalniają fosforu wystarczająco szybko dla szybkiego wzrostu roślin. Szybkość uwalniania jest tak powolna, że gleby o wysokiej zawartości żelaza i aluminium mają tendencję do wchłaniania fosforanu stosowanego jako nawóz i zmniejszania jego dostępności dla roślin. Apatyt, bardziej rozpuszczalny minerał fosforanu wapnia, zdolny do dostarczania fosforu dostępnego dla roślin, jest powszechnym źródłem fosforu i często występuje w wapieniu.

Potas występuje w mikach i minerałach skaleniowych. Minerały te dość łatwo ulegają rozkładowi w środowisku glebowym i w związku z tym rzadko występują w materiałach, które były wielokrotnie transportowane i osadzane na powierzchni ziemi.

Wapń i magnez występują najliczniej w minerałach węglanowych związanych z wapieniami i niektórymi piaskowcami. Minerały węglanowe są również stosunkowo niestabilne, gdy podlegają wietrzeniu i dlatego są obecne tylko w ostatnich osadach geologicznych, wapieniach i niektórych piaskowcach.

PH gleby jest miarą kwasowości lub zasadowości wody w glebie i ma bezpośredni wpływ na to, jak szybko wiele istotnych elementów są dostępne dla rosnących roślin. Ze względu na brak minerałów węglanowych, gleby w wilgotnych tropikach mają odczyn kwaśny i tylko ograniczone ilości niezbędnych pierwiastków obecnych w glebie są dostępne dla wzrostu roślin. Gleby kwaśne o wartościach pH poniżej ok. 5,2 charakteryzują się również stężeniem jonów glinu, które jest toksyczne dla niektórych, ale nie wszystkich roślin uprawnych. Dodatki wapna (drobno zmielone węglany wapnia i wapnia: magnezu) są pożądane i często konieczne do zmniejszenia lub wyeliminowania toksyczności glinu i zwiększenia dostępności podstawowych elementów do większości roślin uprawnych rosnących w kwaśnych glebach.

Szybkość, z jaką podstawowe elementy w glebie są dostępne dla roślin jest krytyczna dla zrozumienia żyzności gleby. Rośliny pobierają potrzebne im pierwiastki z gleby w postaci jonów nieorganicznych w roztworze glebowym. Ilość każdego istotnego elementu w glebie, który jest dostępny dla roślin zmienia się szybko, jak zawartość wilgoci w glebie zmienia, a także zależy od tempa, w którym związki organiczne rozkładają się, aby uwolnić organicznie związane elementy jako dostępne jony nieorganiczne. Mniej niż około 1% całkowitej ilości większości niezbędnych pierwiastków w glebie występuje w formie przyswajalnej. Gatunki roślin różnią się znacznie pod względem tempa, w jakim muszą pobierać niezbędne pierwiastki dla odpowiedniego wzrostu. Tempo, w jakim składniki odżywcze stają się dostępne, wpływa na naturalne zbiorowiska roślinne i jest bezpośrednio związane z produkcją żywności przez człowieka. Większość roślin przeznaczonych do spożycia przez ludzi potrzebuje 90-120 dni, aby dojrzeć. Rośliny jadalne muszą mieć szybkość dostępności składników odżywczych wielokrotnie większą niż wymagana przez rodzime ekosystemy. Wysokowydajna uprawa ryżu, pszenicy czy kukurydzy musi w ciągu 90 dni pozyskać tyle fosforu, ile drzewa pozyskują z tego samego obszaru ziemi w ciągu ponad 20 lat. Ponadto korzenie drzew zazwyczaj wnikają głębiej i wykorzystują większą objętość gleby niż rośliny jadalne. W związku z tym, stężenie dostępnych składników odżywczych w pobliżu powierzchni gleby musi być znacznie większe, aby odpowiednio zaspokoić potrzeby upraw żywności niż do wspierania wzrostu drzew.

Ludzie zbierają i transportują swoje uprawy żywności do domu w pewnej odległości od miejsca, w którym uprawy były uprawiane. Często część nasion rośliny jest spożywane i tylko mniej bogate w składniki odżywcze łodygi, liście i korzenie rośliny uprawnej są zwracane do gleby jako pozostałości organiczne. Do nawożenia roślin uprawnych wymagane są znaczne ilości resztek organicznych, ponieważ resztki te rozkładają się powoli, uwalniając jony nieorganiczne potrzebne do wzrostu roślin. Powszechna praktyka spalania pozostałości ułatwia szybki wzrost upraw poprzez uwalnianie organicznie związanych składników odżywczych.

Historycznie ludzie zamieszkiwali obszary gleby o wysokim poziomie żyzności mineralnej. Są to powszechnie igneous lub wulkaniczne materiały o podstawowym składzie mineralnym, skały osadowe, takie jak wapień bogaty w wapń, magnez i fosfor, a niedawne równiny powodziowe często odnawiane przez depozycje materiału pochodzącego z żyznych materiałów geologicznych i erozji gleby powierzchniowej. Tam, gdzie skład mineralny gleb zawiera jedynie niewielkie ilości niezbędnych pierwiastków i występuje duża ilość wolno rosnącej naturalnej biomasy, stosuje się system produkcji żywności znany jako „ścinanie i wypalanie”. Chociaż niektóre istotne elementy są ulatniane i tracone, ogień jest główną metodą szybkiego rozkładu materiału organicznego i tworzy krótki okres czasu, w którym zawarte w nim składniki odżywcze są szybko dostępne w postaci jonów nieorganicznych. Jeśli biomasa jest wystarczająca, w ciągu 90 dni po spaleniu można z powodzeniem uprawiać co najmniej jedną roślinę. Prawidłowo przeprowadzone wypalanie zapewnia również, że temperatura powierzchni gleby staje się wystarczająco wysoka, aby zmniejszyć konkurencję chwastów poprzez zabicie większości nasion chwastów w pobliżu powierzchni gleby. Często możliwa jest druga lub trzecia uprawa, zanim dostępne zapasy podstawowych pierwiastków zostaną wywiezione z pola jako pokarm dla ludzi, a wskaźnik dostępności składników odżywczych zmniejszy się do punktu, w którym plony będą niskie i⧸ lub chwasty staną się poważnym problemem. Po opuszczeniu pola przez rolnika na teren ten wkraczają rodzime zbiorowiska, które są w stanie rosnąć przy niższym tempie przepływu składników odżywczych z gleby. Po kilku latach, wolno rosnąca roślinność rodzima nabywa w swojej biomasie tyle składników odżywczych, że może być ponownie ścięta, wysuszona i spalona w celu uzyskania miejsca dla kolejnej krótkiej sekwencji roślin uprawnych. Ta metoda zarządzania dostępnością składników odżywczych ma wiele odmian wśród różnych kultur tubylczych. Tylko niskie gęstości populacji ludzkiej są utrzymywane przez slash-and-burn rolnictwa ze względu na długie okresy czasu (zwykle od 10 do 30 lat i odwrotnie związane z żyzności mineralnej gleby), które muszą być dopuszczone do naturalnej roślinności do gromadzenia wystarczających ilości podstawowych elementów potrzebnych do nawożenia upraw żywności po spaleniu. Tam, gdzie zwierzęta domowe mogą wypasać duże obszary rodzimej roślinności, pierwiastki niezbędne skoncentrowane w ich odchodach są często zbierane i wykorzystywane do nawożenia niewielkich obszarów upraw roślin spożywczych. Na obszarach, gdzie infrastruktura umożliwia eksport upraw i import niezbędnych składników odżywczych w postaci skoncentrowanego nawozu, prowadzona jest ciągła produkcja roślin spożywczych nawet na najbardziej nieurodzajnych chemicznie glebach. Wiele kombinacji i odmian tych strategii istnieje obecnie w całym wilgotnym tropiku.

.