Djurfysiologi

Bjordars kemiska och mineralogiska sammansättning

Av de kemiska grundämnen som behövs för växters och djurs fysiologi kommer endast kol, syre, väte, kväve och i viss mån svavel från luft och vatten. De övriga viktiga grundämnena erhålls från mineralerna i marken. Markens mineralogiska egenskaper härrör från det geologiska material inom vilket marken har bildats. En otillräcklig tillförsel av något viktigt grundämne begränsar växternas tillväxt. De vanligaste begränsningarna beror på otillräckligt växttillgängligt kväve, fosfor, kalium, kalcium eller magnesium.

Praktiskt taget inget kväve finns i markmineraler. Kväve kommer in i marken som ammonium och nitrat löst i regnvatten eller via fixering från luften av kvävefixerande mikrober. Vissa kvävefixerande mikrober i marken är symbiotiska och det kväve de hämtar från luften införlivas i deras baljväxtvärdar. Andra kvävefixerande mikrober är inte symbiotiska, och det kväve de hämtar från luften införlivas i deras celler. Kväve är koncentrerat i organiska rester i markens ytskikt. När organiska rester bryts ner frigörs oorganiska former av kväve till marklösningen och blir tillgängliga för växande växter, läcker ut i grundvattnet under perioder med mycket nederbörd eller återvänder till luften som kvävgas under perioder då marken är mättad med vatten. De växttillgängliga kvävehalterna i marken är övergående och nära kopplade till tillgången på organiska restprodukter.

Fosfor finns endast i ett fåtal mineraler. Järn- och aluminiumfosfater är extremt olösliga och frigör inte fosfor tillräckligt snabbt för snabb växttillväxt. Frisättningshastigheten är så långsam att jordar med höga järn- och aluminiumhalter tenderar att absorbera fosfat som appliceras som gödselmedel och minskar dess tillgänglighet för växter. Apatit, ett mer lösligt kalciumfosfatmineral som kan leverera växttillgänglig fosfor, är en vanlig fosforkälla och förekommer ofta i kalksten.

Kalium förekommer i glimmer- och fältspatmineraler. Dessa mineraler bryts ganska lätt ned i markmiljön och finns därför sällan i material som upprepade gånger har transporterats och avsatts på markytan.

Kalcium och magnesium är vanligast i karbonatmineraler som är förknippade med kalksten och viss sandsten. Karbonatmineraler är också relativt instabila när de utsätts för vittring och förekommer därför endast i nyligen uppkomna geologiska sediment, kalksten och viss sandsten.

Hushållets pH-värde är ett mått på vattnets surhet eller alkalinitet i marken och har en direkt effekt på hur snabbt många av de essentiella grundämnena är tillgängliga för växande växter. I avsaknad av karbonatmineraler är jordarna i de fuktiga tropikerna sura i reaktionen och endast begränsade mängder av de essentiella grundämnen som finns i jorden är tillgängliga för växttillväxt. Sura jordar med pH-värden under cirka 5,2 har också en koncentration av aluminiumjoner som är giftig för vissa men inte alla kulturväxter. Tillsatser av kalk (finmalda kalcium- och kalcium:magnesiumkarbonater) är önskvärda och ofta nödvändiga för att minska eller eliminera aluminiumtoxicitet och öka tillgängligheten av de essentiella grundämnena för de flesta grödor som växer i sura jordar.

Hastigheten med vilken de essentiella grundämnena i jorden är tillgängliga för växterna är kritisk för förståelsen av jordens bördighet. Växter extraherar de grundämnen de behöver från jorden som oorganiska joner i jordlösningen. Mängden av varje essentiellt grundämne i marken som är tillgänglig för växter ändras snabbt när markens fukthalt förändras och beror också på hur snabbt organiska föreningar bryts ned för att frigöra organiskt bundna grundämnen som tillgängliga oorganiska joner. Mindre än cirka 1 % av den totala mängden av de flesta viktiga grundämnen i jorden finns i tillgänglig form. Det finns stora skillnader mellan växtarter när det gäller hur snabbt de behöver få tillgång till viktiga grundämnen för att kunna växa tillräckligt. Hastigheten med vilken näringsämnen blir tillgängliga påverkar naturliga växtsamhällen och är direkt kopplad till människans livsmedelsproduktion. De flesta livsmedelsgrödor behöver 90-120 dagar för att mogna. Livsmedelsgrödor måste ha en näringstillgång som är många gånger snabbare än vad de inhemska ekosystemen kräver. En högavkastande spannmålsgröda av ris, vete eller majs måste få ungefär lika mycket fosfor på 90 dagar som träd får från samma markyta på mer än 20 år. Trädens rötter tränger dessutom vanligtvis djupare ner och utnyttjar en större volym jord än livsmedelsgrödor. Därför måste koncentrationen av tillgängliga näringsämnen nära markytan vara betydligt högre för att tillgodose behoven hos en livsmedelsgröda än för att stödja trädens tillväxt.

Människor skördar och transporterar sina livsmedelsgrödor till en bostad som ligger en bit bort från den plats där grödan odlades. Ofta konsumeras frödelen av växten och endast de mindre näringsrika stjälkarna, bladen och rötterna av grödan återförs till marken som organiska rester. Det krävs stora mängder organiska rester för att gödsla en gröda, eftersom dessa rester bryts ner långsamt för att frigöra oorganiska joner för grödans tillväxt. Den vanliga metoden att bränna rester underlättar snabb grödtillväxt genom att frigöra organiskt bundna näringsämnen.

Historiskt sett har människor befolkat jordområden med hög mineralbördighet. Dessa är vanligen magmatiska eller vulkaniska material med grundläggande mineralsammansättning, sedimentära bergarter som kalksten som är rika på kalcium, magnesium och fosfor och nyligen uppkomna flodslätter som ofta förnyas genom avlagringar av material som härrör från bördiga geologiska material och eroderad ytjord. När jordens mineralsammansättning endast innehåller små mängder av viktiga grundämnen och det finns en stor mängd långsamväxande naturlig biomassa, används ett system för livsmedelsproduktion som kallas ”slash and burn”. Även om en del av de essentiella ämnena förflyktigas och går förlorade är eld den främsta metoden för att snabbt bryta ned organiskt material och skapa en kort tidsperiod då de näringsämnen som finns i materialet snabbt blir tillgängliga som oorganiska joner. Om det finns tillräckligt med biomassa kan minst en gröda odlas framgångsrikt under de 90 dagarna efter bränningen. Om bränningen görs på rätt sätt säkerställer den också att temperaturen på markytan blir tillräckligt hög för att minska konkurrensen från ogräs genom att döda de flesta ogräsfrön nära markytan. En andra och tredje gröda är ofta möjlig innan den tillgängliga tillgången på viktiga element exporteras från fältet som människoföda och tillgången på näringsämnen minskar till en punkt där skördarna blir låga och⧸ eller ogräs blir ett stort problem. När jordbrukaren överger marken invaderar en rad inhemska samhällen som klarar av att växa med lägre näringsflöden från marken. Efter några år har den långsamt växande inhemska vegetationen fått tillräckligt med näringsämnen i sin biomassa för att den återigen ska kunna klippas, torkas och brännas för att få en plats för en ny kortare serie av grödor. Denna metod för att hantera tillgången på näringsämnen har många variationer bland olika inhemska kulturer. Endast en låg befolkningstäthet kan upprätthållas genom slash-and-burn-jordbruk på grund av de långa tidsperioder (vanligen mellan 10 och 30 år och omvänt relaterade till jordens mineraliska bördighet) som måste tillåtas för att den naturliga vegetationen ska kunna ackumulera tillräckliga mängder av de viktiga element som behövs för att gödsla en livsmedelsgröda efter bränningen. När husdjur tillåts beta stora områden med inhemsk vegetation samlas ofta de essentiella beståndsdelar som finns koncentrerade i deras exkrementer in och används för att gödsla små områden med livsmedelsgrödor. I områden där infrastrukturen gör det möjligt att exportera grödor och importera viktiga näringsämnen i form av koncentrerad gödsel, kan man bedriva kontinuerlig produktion av livsmedelsgrödor även på de mest kemiskt ofruktbara jordarna. Många kombinationer och variationer av dessa strategier finns för närvarande i de fuktiga tropikerna.