土壌pH

土壌pHは、土壌の酸性度または塩基性度（アルカリ度）の尺度です。土壌pHは、土壌の特性に関する定性的および定量的の両方の有益な分析を行うために使用できる重要な特性です。^[1] pHは、ヒドロニウムイオン（H ⁺
あるいは、より正確には、H
₃お⁺
_アク）溶液中の濃度。土壌では、水（または塩溶液、例えば0.01M 塩化 カルシウム
₂）であり、通常は3から10の間であり、7が中性である。酸性土壌はpHが7未満であり、アルカリ性土壌はpHが7を超える。超酸性土壌（pH < 3.5）および非常に強いアルカリ性土壌（pH > 9）はまれである。^{[2] [3]}

土壌 pH は多くの化学プロセスに影響を与えるため、土壌の主要な変数と考えられています。さまざまな栄養素の化学形態を制御し、それらが受ける化学反応に影響を与えることで、植物の栄養素の利用可能性に特に影響します。ほとんどの植物の最適な pH 範囲は 5.5 ～ 7.5 です。^[3]ただし、多くの植物はこの範囲外の pH 値でも成長するように適応しています。

米国農務省 天然資源保全局は土壌のpH範囲を次のように分類している。^[4]

0～6=酸性
7=中性
8以上=アルカリ性

pH を測定する方法には以下のものがあります。

• 土壌断面の観察：特定の断面特性は酸性、塩性、またはナトリウム性の状態を示す指標となり得る。例：^[5]
  • 有機質表面層とその下の鉱物層との結合が不十分 – これは強酸性土壌を示している可能性があります。
  • ポドゾルは強酸性であるため、典型的なポドゾル 層の順序は次のようになります。これらの土壌では、淡い溶脱層 (E) が有機質表層の下にあり、暗い B 層の上にあります。
  • カリケ層の存在は、アルカリ性条件下で存在する炭酸カルシウムの存在を示しています。
  • 柱状構造は、ナトリウム土壌の状態を示す指標となり得ます。
• 主な植物相の観察。石灰を好む植物（酸性土壌を好む植物）には、エリカ、シャクナゲ、その他ほぼすべてのツツジ科植物、多くのシラカバ（Betula）、ジギタリス（Digitalis）、ハリエニシダ（Ulex spp.）、ヨーロッパアカマツ（Pinus sylvestris）が含まれます。石灰を好む植物（石灰を好む植物）には、トネリコ（Fraxinus spp.）、スイカズラ（Lonicera）、フジウツギ、ハナミズキ（Cornus spp.）、ライラック（Syringa）、クレマチス属が含まれます。
• 安価な pH テスト キットを使用します。少量の土壌サンプルを、酸性度に応じて色が変わる指示薬溶液と混合します。
• リトマス紙の使用。少量の土壌サンプルを蒸留水と混ぜ、その中にリトマス紙を挿入します。土壌が酸性の場合は紙が赤に変わり、アルカリ性の場合は青に変わります。
• 他の果物や野菜の色素も、pH の変化に応じて色が変わります。ブルーベリージュースは、酸を加えると赤みが増し、十分な塩基で滴定して pH を高くすると藍色になります。赤キャベツも同様の影響を受けます。
• 市販の電子pHメーターを使用し、ガラスまたは固体電極を湿らせた土壌または土壌と水の混合物（懸濁液）に挿入します。通常、pH値はデジタル表示画面で読み取られます。^[6]
• 2010年代には、土壌抽出物に指示薬染料を添加して土壌pHを測定する分光光度法が開発されました。 ^{[7]この方法は}ガラス電極測定とよく似ていますが、ドリフト、液絡部、懸濁効果がないなど、大きな利点があります。

科学的研究やモニタリングには、土壌 pH の正確で繰り返し可能な測定が必要です。これには通常、標準プロトコルを使用した実験室分析が必要です。このようなプロトコルの例としては、USDA土壌調査フィールドおよび実験室方法マニュアルがあります。^[8]この文書では、土壌 pH 測定の 3 ページのプロトコルに、次のセクションが含まれています: アプリケーション、方法の概要、干渉、安全性、機器、試薬、および手順。

方法の概要

pH は、土壌-水（1:1）および土壌-塩（1:2 ）溶液で測定されます。便宜上、pH は最初に水中で測定し、次に水中で測定します。水の pH 用に調製した土壌懸濁液に等量の 0.02 M を加えると、最終的な土壌溶液の比率は 1:2 0.01 M になります。 土壌サンプル 20 g を逆浸透（RO）水（1:1 w:v）20 mL と時々かき混ぜながら混ぜます。サンプルを時々かき混ぜながら 1 時間放置します。サンプルを 30 秒間かき混ぜ、1:1 の水の pH を測定します。0.02 M （20 mL）を土壌懸濁液に加え、サンプルをかき混ぜて、1:2 0.01 M のpH を測定します（4C1a2a2）。 ${\displaystyle {\ce {CaCl2}}}$${\displaystyle {\ce {CaCl2}}}$${\displaystyle {\ce {CaCl2}}}$${\displaystyle {\ce {CaCl2}}}$
${\displaystyle {\ce {CaCl2}}}$${\displaystyle {\ce {CaCl2}}}$

— USDA NRCS土壌pH測定法の概要^[8]

自然土壌の pH は、土壌の母材の鉱物組成と、その母材が受ける風化反応によって決まります。温暖で湿度の高い環境では、風化生成物が土壌を横方向または下方向に移動する水によって浸出するため、時間の経過とともに土壌の酸性化が起こります。しかし、乾燥した気候では、土壌の風化と浸出はそれほど激しくなく、土壌 pH は中性またはアルカリ性であることが多いです。^{[9] [10]}

土壌の酸性化には多くのプロセスが関与している。これには以下のものが含まれる。^[11]

• 降雨量: 平均降雨量はpH5.6で、大気中の二酸化炭素（CO
  ₂）は水と結合して炭酸（H
  ₂CO
  ₃この水が土壌を流れると、重炭酸塩として塩基性陽イオンが浸出する。これにより、Al^3歳以上
  とH⁺
  他の陽イオンと比較して^[12]
• 根の呼吸と微生物による有機物の分解によりCOが放出される。
  ₂炭酸ガス（H
  ₂CO
  ₃）濃縮とそれに続く浸出。
• 植物の成長：植物はイオン（例： NO）の形で栄養素を吸収します。⁻
  ₃、ニューハンプシャー州⁺
  ₄、カリフォルニア州^2歳以上
  、H
  ₂PO⁻
  ₄）であり、多くの場合、陰イオンよりも陽イオンを多く吸収します。しかし、植物は根の中で中性電荷を維持する必要があります。余分な正電荷を補うために、植物はHを放出します。⁺
  根からイオンを排出します。植物の中には、土壌に有機酸を放出して根の周囲を酸性化し、鉄 (Fe) など中性 pH では不溶性の金属栄養素を溶解させるものもあります。
• 肥料の使用：アンモニウム（NH⁺
  ₄）肥料は土壌中で硝化反応を起こして硝酸塩（ NO）を形成する。⁻
  ₃）、そしてその過程でHを放出する⁺
  イオン。
• 酸性雨: 化石燃料の燃焼により、硫黄酸化物と窒素酸化物が大気中に放出されます。これらは大気中の水と反応して、雨の中で硫酸と硝酸を形成します。
• 酸化風化：いくつかの一次鉱物、特に硫化物やFeを含む鉱物の酸化^2歳以上
  酸性化が起こります。このプロセスは人間の活動によって加速されることが多いです。
  • 鉱山廃棄物:黄鉄鉱の酸化により、一部の鉱山廃棄物の近くの土壌に極度の酸性状態が形成されることがあります。
  • 水浸しの沿岸部や河口域の環境で自然に形成された酸性硫酸塩土壌は、排水または掘削されると非常に酸性になる可能性があります。

土壌の総アルカリ度は次のように増加します: ^{[13] [14]}

• Naを含むケイ酸塩、アルミノケイ酸塩、炭酸塩鉱物の風化⁺
  、カリフォルニア州^2歳以上
  、マグネシウム^2歳以上
  とK⁺
  ;
• 土壌へのケイ酸塩、アルミノケイ酸塩、炭酸塩鉱物の添加。これは、風や水によって他の場所で侵食された物質の堆積によって、または土壌と風化の少ない物質の混合によって起こる可能性がある（酸性土壌への石灰岩の添加など）。^[要出典]
• 溶解した重炭酸塩を含む水の追加（高重炭酸塩水で灌漑する場合に発生します）。 ^[要出典]

土壌中のアルカリ（Na、K、Ca、Mgの炭酸塩や重炭酸塩）の蓄積は、土壌を流れる水が不十分で可溶性塩を浸出できない場合に発生します。これは乾燥した状態や土壌内部の排水不良が原因である可能性があります。このような状況では、土壌に入る水のほとんどは土壌を流れるのではなく、蒸散（植物に吸収）または蒸発します。^[13]

土壌のpHは、総アルカリ度が増加すると通常上昇しますが、添加された陽イオンのバランスも土壌のpHに顕著な影響を及ぼします。たとえば、アルカリ性土壌のナトリウム量を増やすと、炭酸カルシウムの溶解が促進され、pHが上昇します。石灰質土壌のpHは、 Caの溶解度に応じて7.0から9.5まで変化することがあります。^2歳以上
またはナ⁺
可溶性陽イオンの大部分を占める。^[13]

鉱山現場の近くでは高濃度のアルミニウムが発生し、石炭火力発電所や焼却炉では少量のアルミニウムが環境に放出されます。^[15]空気中のアルミニウムは雨によって洗い流されるか、通常は沈殿しますが、アルミニウムの小さな粒子は長期間空気中に残ります。^[15]

酸性雨は、天然源からアルミニウムを動員する主な自然要因であり^[16]、アルミニウムの環境影響の主な原因です。^[17]しかし、塩水と淡水にアルミニウムが存在する主な要因は、アルミニウムを空気中に放出する工業プロセスです。^[16]酸性土壌で生育する植物は、アルミニウム （Al）、水素 （H）、マンガン（Mn）の毒性、カルシウム （Ca）とマグネシウム（Mg） の栄養欠乏など、さまざまなストレスを受ける可能性があります 。^[18]

アルミニウムの毒性は酸性土壌で最も広く見られる問題である。アルミニウムはあらゆる土壌に程度の差はあるものの存在するが、溶解したAl ³⁺は植物に対して有毒である。Al ³⁺は低pHで最も溶解性が高く、pH 5.0を超えると、ほとんどの土壌で溶解性のAlはほとんど存在しない。^{[19] [20]}アルミニウムは植物栄養素ではないため、植物に積極的に取り込まれることはなく、浸透圧によって受動的に植物の根に入る。アルミニウムはさまざまな形で存在し、世界各地で成長を制限する原因となっている。アルミニウム耐性研究は、さまざまな植物種で実施されており、曝露時の生存閾値と濃度、および曝露時の機能を確認している。^[21]アルミニウムは根の成長を阻害し、側根と根の先端が太くなり、根は細かい枝分かれがなくなり、根の先端が茶色くなることがある。根において、Al3 ^{+の初期効果は}根皮細胞の増殖を阻害し、細胞の破裂を引き起こすことです。その後、カルシウムやその他の必須栄養素の吸収と輸送、細胞分裂、細胞壁形成、酵素活性など、多くの生理学的プロセスを妨げることが知られています。^{[19] [22]}

プロトン（H ⁺イオン）ストレスも植物の成長を制限する可能性があります。根細胞のプラズマ膜のプロトンポンプ、H ⁺ -ATPaseは、細胞質のpHをほぼ中性に維持するように働きます。外部成長培地中の高プロトン活性（ほとんどの植物種でpHは3.0〜4.0の範囲）は、細胞が細胞質pHを維持する能力を上回り、成長が停止します。^[23]

マンガン含有鉱物の含有量が多い土壌では、pH 5.6 以下で Mn 毒性が問題になることがあります。アルミニウムと同様に、マンガンは pH が低下すると溶解性が高くなり、pH レベルが 5.6 未満になると Mn 毒性の症状が見られます。マンガンは植物に不可欠な栄養素であるため、植物は Mn を葉に輸送します。Mn 毒性の典型的な症状は、葉がしわになったりカップ状になったりすることです。^[24]

土壌の pH はいくつかの植物栄養素の利用可能性に影響します。

上で述べたように、アルミニウムの毒性は植物の成長に直接影響を及ぼします。しかし、根の成長を制限することで、植物の栄養素の利用可能性も低下させます。根が損傷するため、栄養素の吸収が減少し、非常に強い酸性から超酸性の土壌（pH<5.0）では主要栄養素（窒素、リン、カリウム、カルシウム、マグネシウム）の欠乏が頻繁に発生します。 ^[26]土壌中のアルミニウム濃度が増加すると、pHレベルが低下します。これにより、木は水を吸収できなくなり、光合成ができなくなり、枯死します。また、木の葉や葉脈が黄色くなることもあります。^[27]

モリブデンの利用可能性はpHが高いほど高まります。これはモリブデン酸イオンがpHが低いほど粘土粒子に強く吸着されるためです。^[28]

亜鉛、鉄、銅、マンガンはpH値が高いほど利用性が低下する（ pH値が高いほど吸着が増加する）。^[28]

pH がリンの利用性に与える影響は、土壌条件や作物の種類によって大きく異なります。1940 年代から 1950 年代にかけての一般的な見解は、リンの利用性は中性付近 (土壌 pH 6.5～7.5) で最大になり、それより高い pH や低い pH では減少するというものでした。^{[29] [30]}ただし、中程度から弱酸性の範囲 (pH 5.5～6.5) におけるリンと pH の相互作用は、この見解が示唆するよりもはるかに複雑です。実験室でのテスト、温室での試験、およびフィールドでの試験では、この範囲内での pH の上昇は、植物へのリンの利用性を増加させるか、減少させるか、またはまったく影響を及ぼさないことが示されています。^{[30] [31]}

強アルカリ性の土壌は、浸透が遅く、透水係数が低く、利用可能な水分容量が少ない、ナトリウム性で分散性のある土壌です。^[32]土壌が湿っていると通気性が悪いため、植物の成長は著しく制限されます。一方、乾燥状態では、植物が利用できる水は急速に枯渇し、土壌は硬く土塊状になります（土壌強度が高い）。 ^[33]土壌のpHが高くなるほど、水に依存する植物や生物に分配される利用可能な水は少なくなります。pHが低下すると、植物は通常どおりに水を吸収できなくなります。これにより、植物は光合成できなくなります。^[34]

一方、強酸性土壌の多くは、強い凝集性、良好な内部排水性、良好な保水性を備えています。しかし、多くの植物種にとって、アルミニウムの毒性は根の成長を著しく制限し、土壌が比較的湿っている場合でも水分ストレスが発生する可能性があります。 ^[19]

一般的に言えば、異なる植物種は異なるpH範囲の土壌に適応しています。多くの種にとって、適切な土壌pH範囲はかなりよく知られています。^[35] USDA PLANTS ^[36]やPlants for a Future ^[37]などの植物特性のオンラインデータベースを使用すると、さまざまな植物の適切な土壌pH範囲を調べることができます。Ellenbergの英国植物の指標値^[38]などの文書も参照できます。

しかし、植物は特定のメカニズムの結果として、特定の土壌の特定の pH に耐えられない場合があり、そのメカニズムは他の土壌には当てはまらない場合があります。たとえば、モリブデンの少ない土壌は、pH 5.5 では大豆植物には適さないかもしれませんが、十分なモリブデンを含む土壌では、その pH で最適な成長が可能です。^[26]同様に、一部の石灰質土壌（高 pH 土壌に耐えられない植物）は、十分なリンが供給されれば石灰質土壌に耐えることができます。^[39]もう 1 つの交絡因子は、同じ種でも品種によって適切な土壌 pH 範囲が異なることが多いことです。植物育種家はこれを利用して、その種には不適切と見なされる条件に耐えられる品種を育種することができます。例としては、強酸性土壌での食糧生産用に、アルミニウム耐性およびマンガン耐性の穀物作物の品種を育種するプロジェクトがあります。^[40]

下の表は、USDA PLANTSデータベースに記載されている、広く栽培されている植物に適した土壌pHの範囲を示しています。^[36]一部の種（Pinus radiataやOpuntia ficus-indicaなど）は狭い範囲の土壌pHにしか耐えられませんが、他の種（ Vetiveria zizanioidesなど）は非常に広い範囲の土壌pHに耐えます。

自然または自然に近い植物群落では、植物種（または生態型）のさまざまな pH の好みが、植生の構成と生物多様性を少なくとも部分的に決定します。非常に低い pH 値も非常に高い pH 値も植物の成長に有害ですが、非常に酸性の土壌（pH 3.5）から強いアルカリ性の土壌（pH 9）の範囲に沿って植物の生物多様性が増加する傾向があり、少なくとも陸上環境では、石灰質土壌よりも石灰質土壌のほうが多くなっています。 ^{[41] [42]}実験結果によって広く報告され、裏付けられていますが、^{[43] [44]} pH とともに植物種の豊富さが観察される増加には、まだ明確な説明が必要です。重複する pH 範囲を持つ植物種間の競争的排除が、pH 勾配に沿った植生構成の観察された変化に寄与している可能性が最も高いです。^[45]

土壌生物（土壌微生物、土壌動物）は土壌pHに対して敏感であり、直接接触または土壌を摂取した後、あるいは間接的にpHが寄与するさまざまな土壌特性（例：栄養状態、金属毒性、腐植形態）を介して敏感である。土壌生物のさまざまな生理的および行動的適応に従って、土壌微生物および土壌動物群集の種の構成は土壌pHによって変化する。^{[46] [47]}高度勾配に沿った土壌動物および微生物群集の種の分布の変化は、少なくとも部分的には土壌pHの変化に起因する可能性がある。^{[47] [48] pH5前後での}アルミニウムの有毒形態から非毒性形態への移行は、耐酸性から耐酸性不耐性への移行を示し、この閾値を超えると、石灰質土壌であっても土壌群集の種の構成にほとんど変化がない。^{[49] [50]}土壌動物は、pH値の範囲に沿って選択を許された場合、明確なpHの好みを示し、^[51]運動性微生物を含む土壌生物のさまざまな圃場分布は、少なくとも部分的にはpH勾配に沿った活発な移動の結果である可能性があることを説明しています。^{[52] [53]}植物と同様に、酸性に耐性のある土壌生息生物と酸性に非耐性のある土壌生息生物との間の競争は、pH範囲に沿って観察される種の構成の変化に役割を果たしていると考えられました。^[54]

耐酸性と耐酸性不耐性の対立は、属内の種レベルまたは科内の属レベルでよく見られるが、土壌真菌と細菌の間など、はるかに高い分類上の階級でも発生し、ここでも強い競争が関与している。^[55] 土壌酸性に対してより耐性があり、したがって主にpH5未満の土壌に生息する土壌生物は、土壌酸性に不耐性な土壌生物よりも原始的であると示唆されている。 ^[56]トビムシ属ウィレミアの系統分類学的解析では、土壌酸性に対する耐性は他のストレス要因に対する耐性と相関しており、ストレス耐性はこの属の祖先形質であることが示された。 ^[57]しかし、これらの発見の一般性はまだ確立されていない。

低pHでは、アルミニウム（Al ^{3+ ）によって引き起こされる}酸化ストレスは、節足動物のように厚いキチン質の外骨格で体が保護されておらず、そのため土壌溶液とより直接接触する土壌動物、例えば原生生物、線虫、ワムシ類（微小動物）、エンキトラエビ類（中型動物）、ミミズ類（大型動物）に影響を与えます。^[58]

土壌生物に対するpHの影響は、土壌食物網のさまざまな機能的相互作用によって媒介される可能性がある。実験的に、通常pH5以上の土壌に生息するトビムシ類Heteromurus nitidusは^{、捕食者がいなければ、より酸性の土壌でも養殖できることが示されている。 [59]}アンモニア放出を介してミミズの排泄物（粘液、尿、糞便）に引き寄せられ、 ^{[60]酸性度の低い土壌に関連する泥灰土中のミミズの巣}穴内に食物と隠れ場所を提供する。^[61]

土壌生物は排泄物を通じて直接的に、また物理的環境に作用することで間接的に土壌のpHに影響を与える。多くの土壌菌類（すべてではない）は、呼吸代謝産物であるシュウ酸を排泄することで土壌を酸性化する。シュウ酸はカルシウムを沈殿させ、シュウ酸カルシウムの不溶性結晶を形成し、土壌溶液からこの必須元素を奪う。^[62]一方、ミミズは両性の性質を持つ粘液を排泄することで土壌のpHに緩衝効果を発揮する。^[63]

穴を掘る土壌動物、例えば、掘り出し物のげっ歯類、モグラ、ミミズ、シロアリ、一部のヤスデ、ハエの幼虫は、有機物、特に粘土粒子を鉱物質と混ぜ、それらの一部に接着剤として粘液を加えることで、泥炭腐植土に見られるように、生の有機物の自然な酸性度を低下させるのに寄与する。^{[64] [65]}

細かく粉砕した農業用石灰は、酸性土壌に土壌の pH を上げるためによく使用されます (石灰施用)。 pH を変えるために必要な石灰岩または白亜の量は、石灰のメッシュサイズ (どれだけ細かく粉砕されているか) と土壌の緩衝能力によって決まります。メッシュサイズが大きい (60 メッシュ = 0.25 mm、100 メッシュ = 0.149 mm) ということは、細かく粉砕された石灰が土壌の酸性度にすばやく反応することを意味します。土壌の緩衝能力は、土壌の粘土含有量、粘土の種類、および存在する有機物の量によって決まり、土壌の陽イオン交換容量に関係している可能性があります。粘土含有量が多い土壌は粘土の少ない土壌よりも緩衝能力が高く、有機物が多い土壌は有機物の少ない土壌よりも緩衝能力が高くなります。^[66]緩衝能力が高い土壌では、同等の pH 変化を達成するためにより多くの石灰が必要になります。^[67]土壌pHの緩衝作用は、土壌溶液中のアルミニウムの量と、陽イオン交換容量の一部として交換部位を占めることに直接関係していることが多い。このアルミニウムは、土壌から塩溶液で抽出し、実験室分析で定量化する土壌試験で測定することができる。その後、初期の土壌pHとアルミニウム含有量を使用して、pHを望ましいレベルまで上げるために必要な石灰の量を計算することができる。^[68]

農業用石灰以外に土壌のpHを上げるのに使用できる改良剤としては、木灰、工業用酸化カルシウム（焼石灰）、酸化マグネシウム、塩基性スラグ（ケイ酸カルシウム）、カキ殻などがある。これらの製品は、さまざまな酸塩基反応を通じて土壌のpHを上げる。ケイ酸カルシウムは、 H ^{+イオンと反応して中性溶質である}一ケイ酸（H ₄ SiO ₄ ） を形成し、土壌の活性酸性を中和する。^[69]

アルカリ性土壌のpHは、酸性化剤や酸性有機物を加えることで下げることができる。元素硫黄（90～99% S）は、300～500 kg/ha（270～450 lb/acre）の施用量で使用されてきた。これは土壌中でゆっくりと酸化されて硫酸を形成する。硫酸アンモニウム、硝酸アンモニウム、尿素などの酸性化肥料は、アンモニウムが酸化されて硝酸を形成するため、土壌のpHを下げるのに役立つ。酸性化有機物には、泥炭やミズゴケ泥炭が含まれる。^[70]

しかし、炭酸カルシウム含有量が高い（2%以上）高pH土壌では、酸でpHを下げようとすると非常にコストがかかり、効果がないことがあります。そのような場合には、リン、鉄、マンガン、銅、亜鉛を代わりに添加する方が効率的であることが多いです。なぜなら、これらの栄養素の欠乏が石灰質土壌での植物の成長不良の最も一般的な原因だからです。^{[71] [70]}

• 酸性鉱山排水
• 酸性硫酸塩土壌
• 陽イオン交換容量
• 肥料
• 石灰（土壌）
• 有機園芸
• 酸化還元勾配

• 「石灰の可能性に関する研究、RC ターナー、カナダ農務省研究部門、1965 年」