Fiziologie animală

Compoziția chimică și mineralogică a solurilor

Dintre elementele chimice necesare fiziologiei plantelor și animalelor, doar carbonul, oxigenul, hidrogenul, azotul și, într-o anumită măsură, sulful provin din aer și apă. Celelalte elemente esențiale sunt obținute din mineralele din sol. Proprietățile mineralogice ale solurilor sunt derivate din materialul geologic în care s-a format solul. Un aport necorespunzător al oricărui element esențial limitează creșterea plantelor. Cele mai frecvente limitări rezultă din insuficiența azotului, fosforului, potasiului, calciului sau magneziului disponibile pentru plante.

Practic, azotul nu este prezent în mineralele din sol. Azotul intră în sol sub formă de amoniu și nitrați dizolvați în apa de ploaie sau prin fixare din aer de către microbii fixatori de azot. Unii microbi fixatori de azot din sol sunt simbiotici, iar azotul pe care îl extrag din aer este încorporat în gazda lor, o plantă leguminoasă. Alți microbi fixatori de azot nu sunt simbiotici, iar azotul pe care îl extrag din aer este încorporat în celulele lor. Azotul este concentrat în reziduurile organice din straturile superficiale ale solului. Pe măsură ce reziduurile organice se descompun, formele anorganice de azot sunt eliberate în soluția solului și devin disponibile pentru plantele în creștere, se infiltrează în apele subterane în timpul perioadelor de precipitații excesive sau revin în aer sub formă de azot gazos în perioadele în care solul este saturat cu apă. Conținutul de azot disponibil pentru plante în sol este tranzitoriu și strâns legat de rezervele de reziduuri organice.

Fosforul este prezent doar în câteva minerale. Fosfații de fier și aluminiu sunt extrem de insolubili și nu eliberează fosforul suficient de rapid pentru o creștere rapidă a plantelor. Rata de eliberare este atât de lentă încât solurile cu un conținut ridicat de fier și aluminiu au tendința de a absorbi fosfatul aplicat ca îngrășământ și de a diminua disponibilitatea acestuia pentru plante. Apatita, un mineral de fosfat de calciu mai solubil, capabil să furnizeze fosfor disponibil pentru plante, este o sursă comună de fosfor și este adesea prezentă în calcar.

Potasiul este prezent în mica și în mineralele de feldspat. Aceste minerale se descompun destul de ușor în mediul solului și, în consecință, sunt rareori prezente în materialele care au fost transportate și depuse în mod repetat la suprafața solului.

Calciul și magneziul sunt cele mai abundente în mineralele carbonatice asociate cu calcarul și unele gresii. Mineralele carbonatice sunt, de asemenea, relativ instabile atunci când sunt supuse intemperiilor și, prin urmare, sunt prezente numai în sedimentele geologice recente, în calcar și în unele gresii.

Ph-ul solului este o măsură a acidității sau alcalinității apei din sol și are un efect direct asupra rapidității cu care multe dintre elementele esențiale sunt disponibile pentru plantele în creștere. În absența mineralelor carbonatate, solurile din zonele tropicale umede au o reacție acidă și doar cantități limitate de elemente esențiale prezente în sol sunt disponibile pentru creșterea plantelor. Solurile acide cu valori ale pH-ului mai mici de aproximativ 5,2 au, de asemenea, o concentrație de ioni de aluminiu care este toxică pentru unele, dar nu pentru toate plantele de cultură. Adaosurile de var (carbonat de calciu și carbonat de calciu:magneziu fin măcinat) sunt de dorit și adesea necesare pentru a reduce sau elimina toxicitatea aluminiului și pentru a crește disponibilitatea elementelor esențiale pentru majoritatea plantelor de cultură care cresc în soluri acide.

Rapiditatea cu care elementele esențiale din sol sunt disponibile pentru plante este esențială pentru a înțelege fertilitatea solului. Plantele extrag elementele de care au nevoie din sol sub formă de ioni anorganici în soluția solului. Cantitatea fiecărui element esențial din sol care este disponibil pentru plante se modifică rapid pe măsură ce se schimbă conținutul de umiditate al solului și depinde, de asemenea, de rata la care compușii organici se descompun pentru a elibera elementele legate organic ca ioni anorganici disponibili. Mai puțin de aproximativ 1% din cantitatea totală a majorității elementelor esențiale din sol este prezentă într-o formă disponibilă. Speciile de plante diferă foarte mult în ceea ce privește rata la care trebuie să dobândească elementele esențiale pentru o creștere adecvată. Rata de disponibilitate a nutrienților influențează comunitățile naturale de plante și este direct legată de producția alimentară umană. Majoritatea culturilor destinate alimentației umane au nevoie de 90-120 de zile pentru a ajunge la maturitate. Culturile alimentare trebuie să aibă o rată de disponibilitate a nutrienților de multe ori mai rapidă decât cea cerută de ecosistemele native. O cultură de cereale cu randament ridicat de orez, grâu sau porumb trebuie să dobândească în 90 de zile aproximativ la fel de mult fosfor ca și copacii din aceeași suprafață de teren în mai mult de 20 de ani. În plus, rădăcinile copacilor pătrund de obicei mai adânc și exploatează un volum mai mare de sol decât culturile alimentare. Prin urmare, concentrația de elemente nutritive disponibile în apropierea suprafeței solului trebuie să fie considerabil mai mare pentru a satisface în mod adecvat nevoile unei culturi alimentare decât pentru a susține creșterea arborilor.

Oamenii își recoltează și transportă culturile alimentare la un domiciliu aflat la o anumită distanță de locul unde a fost cultivată cultura. Adesea, porțiunea de semințe a plantei este consumată și doar tulpinile, frunzele și rădăcinile plantei cultivate, mai puțin bogate în substanțe nutritive, se întorc în sol sub formă de reziduuri organice. Sunt necesare cantități considerabile de reziduuri organice pentru a fertiliza o plantă de cultură, deoarece aceste reziduuri se descompun lent pentru a elibera ioni anorganici pentru creșterea culturii. Practica obișnuită de ardere a reziduurilor facilitează creșterea rapidă a culturilor prin eliberarea nutrienților legați organic.

În mod istoric, oamenii au populat zonele de sol cu niveluri ridicate de fertilitate minerală. Acestea sunt, în mod obișnuit, materiale igneice sau vulcanice cu o compoziție minerală de bază, roci sedimentare, cum ar fi calcarul bogat în calciu, magneziu și fosfor, și câmpii inundabile recente, reînnoite frecvent prin depuneri de material derivat din materiale geologice fertile și sol de suprafață erodat. Acolo unde compoziția minerală a solurilor conține doar cantități mici de elemente esențiale și unde este prezentă o cantitate mare de biomasă naturală cu creștere lentă, se practică un sistem de producție de hrană cunoscut sub numele de tăieri și arderi. Deși unele elemente esențiale sunt volatilizate și pierdute, focul este principala metodă de descompunere rapidă a materiei organice și de creare a unei perioade scurte de timp în care nutrienții conținuți sunt rapid disponibili sub formă de ioni anorganici. În cazul în care există suficientă biomasă, cel puțin o cultură poate fi cultivată cu succes în cele 90 de zile de la ardere. Dacă este realizată corect, arderea asigură, de asemenea, că temperatura de la suprafața solului devine suficient de ridicată pentru a reduce concurența buruienilor prin uciderea majorității semințelor de buruieni de lângă suprafața solului. O a doua și a treia cultură este adesea posibilă înainte ca rezerva disponibilă de elemente esențiale să fie exportată de pe câmp sub formă de hrană umană, iar rata de disponibilitate a nutrienților să se reducă până la un punct în care randamentul culturilor este scăzut și⧸sau buruienile devin o problemă majoră. După ce fermierul abandonează terenul respectiv, o succesiune de comunități native care sunt capabile să crească cu rate mai mici de flux de nutrienți din sol invadează locul. După câțiva ani, vegetația nativă cu creștere lentă dobândește suficienți nutrienți în biomasa sa, astfel încât poate fi din nou tăiată, uscată și arsă pentru a obține un teren pentru o altă succesiune scurtă de plante de cultură. Această metodă de gestionare a disponibilității nutrienților are numeroase variații în cadrul diferitelor culturi indigene. Numai densitățile scăzute ale populației umane sunt susținute de agricultura pe rug din cauza perioadelor lungi de timp (de obicei între 10 și 30 de ani și invers proporțional cu fertilitatea minerală a solului) care trebuie să fie lăsate pentru ca vegetația naturală să acumuleze cantități suficiente de elemente esențiale necesare pentru a fertiliza o cultură alimentară după ardere. În cazul în care animalelor domestice li se permite să pășuneze suprafețe mari de vegetație nativă, elementele esențiale concentrate în excrementele acestora sunt adesea colectate și utilizate pentru a fertiliza suprafețe mici de culturi alimentare. În zonele în care infrastructura permite exportul culturilor și importul de nutrienți esențiali sub formă de îngrășăminte concentrate, se practică producția continuă de culturi alimentare chiar și pe cele mai infertile soluri din punct de vedere chimic. Multe combinații și variații ale acestor strategii există în prezent în toate zonele tropicale umede.

.