Animal Physiology
Chemical and Mineralogical Composition of Soils
Dos elementos químicos necessários para a fisiologia vegetal e animal, apenas o carbono, oxigénio, hidrogénio, azoto e até certo ponto o enxofre são derivados do ar e da água. Os outros elementos essenciais são obtidos a partir dos minerais do solo. As propriedades mineralógicas dos solos são derivadas do material geológico dentro do qual o solo é formado. Um fornecimento inadequado de qualquer elemento essencial limita o crescimento das plantas. As limitações mais frequentes resultam da insuficiência de nitrogênio, fósforo, potássio, cálcio ou magnésio disponíveis para as plantas.
Por acaso nenhum nitrogênio está presente nos minerais do solo. O nitrogênio entra no solo como amônio e nitrato dissolvido na água da chuva ou via fixação do ar por micróbios fixadores de nitrogênio. Alguns micróbios fixadores de nitrogênio no solo são simbióticos e o nitrogênio que eles extraem do ar é incorporado ao seu legume hospedeiro vegetal. Outros micróbios fixadores de nitrogênio não são simbióticos e o nitrogênio que eles extraem do ar é incorporado em suas células. O nitrogênio é concentrado em resíduos orgânicos nas camadas superficiais do solo. À medida que os resíduos orgânicos se decompõem, formas inorgânicas de nitrogênio são liberadas na solução do solo e tornam-se disponíveis para as plantas em crescimento, lixiviam-se para as águas subterrâneas durante períodos de chuvas excessivas, ou retornam ao ar como gás nitrogênio durante períodos em que o solo está saturado com água. O conteúdo de nitrogênio disponível para as plantas no solo é transitório e está intimamente relacionado ao fornecimento de resíduos orgânicos.
Fósforo está presente em apenas alguns poucos minerais. Os fosfatos de ferro e alumínio são extremamente insolúveis e não liberam fósforo com rapidez suficiente para o rápido crescimento das plantas. A taxa de liberação é tão lenta que solos com altos teores de ferro e alumínio tendem a absorver o fosfato aplicado como fertilizante e diminuir sua disponibilidade para as plantas. A apatita, um mineral de fosfato de cálcio mais solúvel capaz de fornecer fósforo disponível nas plantas, é uma fonte comum de fósforo e frequentemente presente no calcário.
Potássio está presente nos minerais de mica e feldspato. Estes minerais são facilmente decompostos no ambiente do solo e consequentemente raramente estão presentes em materiais que foram repetidamente transportados e depositados na superfície da terra.
Cálcio e magnésio são mais abundantes em minerais carbonatados associados com calcário e algum arenito. Os minerais carbonatados também são relativamente instáveis quando sujeitos a intempéries e, portanto, estão presentes apenas em sedimentos geológicos recentes, calcário e algum arenito.
O pH do solo é uma medida da acidez ou alcalinidade da água no solo e tem um efeito directo na rapidez com que muitos dos elementos essenciais estão disponíveis para as plantas em crescimento. Na ausência de minerais carbonatados, os solos nas regiões tropicais húmidas são ácidos em reacção e apenas quantidades limitadas de elementos essenciais presentes no solo estão disponíveis para o crescimento das plantas. Solos ácidos com valores de pH inferiores a aproximadamente 5,2 também têm uma concentração de íons de alumínio que é tóxica para algumas, mas não para todas as plantas cultivadas. Adições de cal (cálcio e carbonatos de magnésio finamente moídos) são desejáveis e muitas vezes necessárias para reduzir ou eliminar a toxicidade do alumínio e aumentar a disponibilidade dos elementos essenciais para a maioria das plantas cultivadas em solos ácidos.
O ritmo a que os elementos essenciais no solo estão disponíveis para as plantas é crítico para compreender a fertilidade do solo. As plantas extraem do solo os elementos que necessitam como íons inorgânicos na solução do solo. A quantidade de cada elemento essencial no solo que está disponível para as plantas muda rapidamente à medida que o teor de humidade do solo muda e também depende da taxa a que os compostos orgânicos se decompõem para libertar os elementos organicamente ligados como iões inorgânicos disponíveis. Menos de aproximadamente 1% da quantidade total da maioria dos elementos essenciais no solo está presente na forma disponível. As espécies vegetais diferem muito na taxa a que necessitam de adquirir elementos essenciais para um crescimento adequado. O ritmo a que os nutrientes se tornam disponíveis influencia as comunidades vegetais naturais e está directamente relacionado com a produção de alimentos humanos. A maioria das culturas alimentares humanas necessita de 90-120 dias para amadurecer. As culturas de alimentos devem ter uma taxa de disponibilidade de nutrientes muitas vezes mais rápida do que a exigida pelos ecossistemas nativos. Uma cultura de grãos de arroz, trigo ou milho de alto rendimento deve adquirir aproximadamente tanto fósforo em 90 dias quanto as árvores adquirem da mesma área de terra em mais de 20 anos. Além disso, as raízes das árvores geralmente penetram mais profundamente e exploram um volume maior de solo do que as culturas alimentares. Portanto, a concentração de elementos nutritivos disponíveis perto da superfície do solo deve ser consideravelmente maior para suprir adequadamente as necessidades de uma cultura alimentar do que para suportar o crescimento da árvore.
Humans colhem e transportam suas culturas alimentares para um domicílio a alguma distância do local onde a cultura foi cultivada. Muitas vezes a porção de semente da planta é consumida e apenas os caules, folhas e raízes menos ricos em nutrientes da planta cultivada são devolvidos ao solo como resíduo orgânico. Quantidades consideráveis de resíduos orgânicos são necessárias para fertilizar uma planta cultivada, porque esses resíduos se decompõem lentamente para liberar íons inorgânicos para o crescimento da cultura. A prática comum de queimar resíduos facilita o rápido crescimento do cultivo liberando nutrientes ligados organicamente.
Históricamente os humanos têm áreas povoadas de solo com altos níveis de fertilidade mineral. Estes são geralmente materiais ígneos ou vulcânicos de composição mineral básica, rochas sedimentares tais como calcário rico em cálcio, magnésio e fósforo, e recentes planícies de inundação frequentemente renovadas por deposições de material derivado de materiais geológicos férteis e solo superficial erodido. Onde a composição mineral dos solos contém apenas pequenas quantidades de elementos essenciais e uma grande quantidade de biomassa natural de crescimento lento está presente, um sistema de produção de alimentos conhecido como slash and burn é praticado. Embora alguns elementos essenciais sejam volatilizados e perdidos, o fogo é o método primário de decomposição rápida da matéria orgânica e criação de um curto período de tempo quando os nutrientes contidos estão rapidamente disponíveis como íons inorgânicos. Se houver biomassa suficiente, pelo menos uma cultura pode ser cultivada com sucesso nos 90 dias após a queima. Se for feita corretamente, a queima também assegura que a temperatura da superfície do solo se torne alta o suficiente para reduzir a competição das ervas daninhas, matando a maioria das sementes de ervas daninhas perto da superfície do solo. Uma segunda e terceira cultura é muitas vezes possível antes do fornecimento disponível de elementos essenciais ser exportado do campo como alimento humano e a taxa de disponibilidade de nutrientes é reduzida a um ponto em que o rendimento da cultura é baixo and⧸or ervas daninhas se tornam um grande problema. Após o agricultor abandonar essa terra, uma sucessão de comunidades nativas que são capazes de crescer com taxas mais baixas de fluxo de nutrientes do solo invadem o local. Depois de alguns anos, a vegetação nativa de crescimento lento adquire nutrientes suficientes em sua biomassa para que ela possa ser novamente cortada, seca e queimada para obter um local para outra breve seqüência de plantas cultivadas. Este método de gestão da disponibilidade de nutrientes tem numerosas variações entre as diferentes culturas indígenas. Apenas densidades populacionais humanas baixas são sustentadas pela agricultura de corte e queima devido aos longos períodos de tempo (geralmente entre 10 e 30 anos e inversamente relacionados com a fertilidade mineral do solo) que devem ser permitidos para que a vegetação natural acumule quantidades suficientes de elementos essenciais necessários para fertilizar uma cultura alimentar após a queima. Quando é permitido aos animais domésticos pastar grandes áreas de vegetação nativa, os elementos essenciais concentrados nos seus excrementos são frequentemente recolhidos e utilizados para fertilizar pequenas áreas de culturas alimentares. Em áreas onde a infra-estrutura permite a exportação de culturas e a importação de nutrientes essenciais como fertilizante concentrado, a produção contínua de culturas alimentares é praticada mesmo nos solos mais quimicamente inférteis. Muitas combinações e variações dessas estratégias existem atualmente em todas as regiões tropicais úmidas.