アルカリ性土壌

アルカリ土壌またはアルカリ性土壌は、 pHが高い（一般的に8.5以上）粘土質土壌で、土壌構造が悪く浸透能力が低い場合が多い。これらの土壌は、地表から0.5～1メートル（1.6～3.3フィート）下に硬い石灰質層を持つことが多い。アルカリ土壌の好ましくない物理化学的性質は、主に炭酸ナトリウムが優勢であることに起因しており、炭酸ナトリウムは土壌を膨張させ^{[ 1 ]}、清澄化/沈殿を困難にする^{[ 2 ]} 。アルカリ土壌という名称は、ナトリウムが属するアルカリ金属元素群に由来し、ナトリウムは塩基性を誘発することができる。これらの土壌は、アルカリ性ナトリウム土壌とも呼ばれることがある。 

土壌のアルカリ性の原因は、自然的なものと人為的なものに分けられます。自然的な原因としては、土壌中の鉱物が風化によって炭酸ナトリウム（Na ₂ CO ₃）と重炭酸ナトリウム（NaHCO ₃）を生成することが挙げられます。^{[ 3 ]}

石炭火力ボイラーや発電所は、石灰石を多く含む石炭や褐炭を燃焼させると、フライアッシュと呼ばれる酸化カルシウムを含む灰を生成します。酸化カルシウムは水に溶けやすく、消石灰（Ca(OH) _₂ ）を形成します。消石灰は流出水によって河川や灌漑システムに運ばれ、IGCCなどのクリーンコール技術が排水ゼロを達成しない限り、汚染を引き起こします。 ^{[ 4 ]}石灰軟化プロセスでは、 ^{Ca²⁺イオン}とMg²⁺^イオンが沈殿し、それによって水の硬度が除去され、河川水中の重炭酸ナトリウムが炭酸ナトリウムに変換されます。炭酸ナトリウム（洗濯ソーダ）は、水中に残っているCa²⁺イオンとさらに反応して、総硬度を除去^または沈殿さ^せます。^{[ 5 ]}

炭酸ナトリウム、重炭酸ナトリウム（ベーキングソーダ）、硫酸ナトリウム、水酸化ナトリウム（苛性ソーダ）、次亜塩素酸ナトリウム（塩素系漂白剤）など、多くのナトリウム塩が工業用および家庭用用途で大量に使用されています。これらの塩は主に塩化ナトリウム（食塩）から製造されます。これらの塩に含まれるナトリウムは、製造または消費の過程で地表水または地下水に流入し、水のナトリウム濃度を高めます。 ^{[ 6 ]} 2020年の世界の塩化ナトリウムの総消費量は2億8000万トンでした。 ^{[ 7 ]}ナトリウム塩負荷の問題は、中国、インド、エジプト、パキスタン、西アジア、オーストラリア、米国西部などの集約的に耕作されている河川流域の下流地域で特に深刻です。これは、さまざまな蒸散および蒸発損失を除いた残りの水に塩が蓄積するためです。^{[ 8 ]}

陸地に人為的にナトリウム塩が添加されるもう 1 つの原因は、沿岸近くのさまざまな産業で発生する廃熱を放散するために海水を使用する湿式冷却塔です。大容量の冷却塔は、石油精製所、石油化学コンビナート、肥料工場、化学工場、原子力発電所、火力発電所、集中型HVACシステムなどに設置されています。冷却塔から放出される飛散物や微細な液滴には、約 6% の塩化ナトリウムが含まれており、それが周辺の表面に付着します。^{[ 9 ]}この問題は、海水ベースの湿式冷却塔の最適な産業基準まで飛散物の排出量を最小限に抑えるための国の汚染防止基準が課されていないか、実施されていないという事実によって悪化しています。^{[ 10 ]}

カルシウムとマグネシウムをナトリウムに置き換えることで、灌漑用水（地表水または地下水）に軟水を使用すると、土壌有機物が溶解し、粘土鉱物粒子が分散し、アルカリ土壌に典型的な土壌構造の悪化と浸透能力の低下が引き起こされます。^{[ 11 ]}

アルカリ性土壌は農業には適さず、世界中でかなりの面積が塩害を受けています。^{[ 12 ]}浸透能力が低いため、^{[ 13 ]}雨水は土壌表面に滞留し、作物が利用できる前に蒸発してしまう傾向があり、乾燥期には、十分な灌漑と良好な排水なしには耕作はほとんど不可能です。^{[ 14 ]}したがって、アルカリ性土壌での農業は通常、表面の湛水に耐性のある作物（例えばイネ）に限られます。^{[ 15 ]}

土壌のアルカリ性は、土壌鉱物の自然風化の結果、または灌漑や洪水によってもたらされる炭酸ナトリウム（Na ₂ CO ₃）または重炭酸ナトリウム（NaHCO ₃ ）が土壌中に存在することと関連している。^{[ 16 ]}

炭酸ナトリウムは非常に溶解性が高い。水和すると、ナトリウム陽イオンと炭酸陰イオンに解離する。

ナ₂ CO₃ → 2Na ⁺+ CO ²⁻ ₃

炭酸アニオン、CO ²⁻ ₃はプロトンを受け入れる弱塩基であるため、水中で加水分解して重炭酸イオンと水酸化物イオンを生成します。

CO ²⁻ ₃ + H₂ O→HCO ⁻ ₃ +OH ⁻

これはさらに加水分解を受けやすく、炭酸と別の水酸化物イオンを生成する。

HCO ⁻ ₃ + H₂ O→H₂ CO₃ +OH ⁻

炭酸塩－重炭酸塩－二酸化炭素の平衡については、炭酸塩の項を参照してください。

上記の反応は炭酸カルシウムの溶解と似ており、2_つの塩の溶解度だけが異なります。Na₂CO₃は_約炭酸カルシウム（CaCO _{3）よりも}78,000倍溶解度が高いため、はるかに多量の二酸化炭素（CO ²⁻ _3）を溶解することができ、pHを8.5を超える値まで上昇させます。これは、土壌溶液中で炭酸カルシウムと溶解した二酸化炭素が平衡状態にあるときに達成できる最大pHを超えています。 ^{[ 17 ]}

注記：

• 水（H₂O _）は、H₃O⁺ _（ヒドロニウムイオン）とOH⁻ ^（水酸化物イオン）^に部分的に解離します。H₃O⁺イオン^は正の電荷（+）を持ち、その濃度は通常[ ^H⁺ ]と表記されます。水酸化物イオンOH⁻^は負の電荷（−）を持ち、その濃度は[OH⁻]と表記さ_れ^ます。
• 純水では、25  °C において、水の解離定数( K _w ) は 10 ⁻¹⁴です。K _w = [H ⁺ ] × [OH ^– ]なので、H ₃ O ^{+ イオン}と OH ^–イオンの濃度はどちらも10 ⁻⁷ M (非常に低い濃度) になります。 
• 中性水では、pHは_H₃O⁺濃度の負の常用対数であり、7です。同様に、pOHも7です^{。pHが1単位低下すると、}_H₃O⁺濃度は10倍になります。同様に、pHが1単位上昇すると、^OH⁻濃度は10倍になります。
• 溶解塩を含む水では、 _H₃O⁺イオンとOH⁻^イオンの濃度は変化する可能性がありますが、それらの合計は一定、すなわち7 + 7 = 14の^ままです。したがって、pH 7はpOH 7に対応し、pH 9はpOH 5に対応します。
• 正式にはイオン濃度を化学活性で表すのが好ましいが、これはpH値にはほとんど影響を与えない。
• _H₃O⁺^イオンが過剰な水は酸性（ pH＜7 ）と呼ばれ、OH⁻イオンが過剰な水は^{アルカリ性または塩基性（} pH＞7 ）と呼ばれます。土壌水分は、pHが4未満の場合は非常に酸性、 pHが10 を 超える場合は非常にアルカリ性（塩基性）と呼ばれます。

H₂CO₃ （炭酸）_は不安定で、H₂O（水）とCO₂（二酸化炭素ガス、大気中に放出される）を生成します。_[ 18 _]これは、^{可溶性水酸化ナトリウム}_の形で残存するアルカリ性（あるいは塩基性）と、炭酸ナトリウム溶液の高いpHまたは低いpOHを説明します。^{[ 19 ]}

溶解した炭酸ナトリウムのすべてが上記の化学反応を起こすわけではありません。残りの炭酸ナトリウム、つまりCO ²⁻ ₃イオンの存在により、CaCO ₃（溶解度は低い）が固体炭酸カルシウム（石灰石）として沈殿します。これは、 CO ²⁻ ₃濃度とCa ²⁺濃度の積が 許容限度を超えるためです。したがって、カルシウムイオンCa ²⁺は固定されます。^{[ 20 ]}

土壌溶液中にNa ⁺イオンが豊富に存在し、Ca2 ⁺イオンが固体鉱物として沈殿すると、表面に負の電荷を持つ粘土粒子が拡散吸着ゾーン（DAZ、より一般的には拡散二重層（DDL）または電気二重層（EDL）とも呼ばれる、対応する図を参照）[21]でより多くの^Na +を吸着し^{、その代わり}に以前に吸着されていたCa2 ⁺を放出し、同じ図に示すように交換性ナトリウム割合（ESP）が増加します。 ^{[ 22 ]}

Na ^{+は Ca 2+}よりも移動性が高く、電荷も小さいため、ナトリウムイオンが多く存在するほど DDL の厚さが増します。^{[ 23 ]} DDL の厚さは、土壌水分中のイオンの総濃度にも影響されます。濃度が高い場合（土壌が乾燥する場合など）、DDL ゾーンが収縮し、粘土粒子がよりしっかりと付着します。土壌はよりコンパクトになり、乾燥による亀裂が現れます。^{[ 24 ]}

ESPがかなり高い（> 16）粘土粒子は、非塩分土壌水分と接触するとDDLゾーンが拡大し、土壌が膨張（分散）します。^{[ 21 ]}この現象は土壌構造の劣化、特に表層のクラスト形成と圧縮を引き起こします。 ^{[ 25 ]}そのため、土壌の浸透能力と土壌中の水分利用可能性が低下し、表面湛水または表面流出が増加します。^{[ 26 ]}苗の発芽と作物生産は深刻な影響を受けます。^{[ 27 ]}

注記：

• 塩分濃度が高い条件下では、土壌溶液中の多くのイオンが土壌の膨潤を抑制するため、塩性土壌は通常、好ましくない物理的性質を持たない。^{[ 28 ]}アルカリ性土壌は、原則として塩分濃度が低いほどアルカリ性の問題が悪化するため、塩性ではない。

アルカリ性の問題が、ローム質土壌、シルト質土壌、砂質土壌よりも粘土質土壌でより顕著になります。モンモリロナイトやスメクタイト（膨潤性粘土）を含む粘土質土壌は、イライトやカオリナイトを含む粘土質土壌よりもアルカリ性の問題を受けやすいです。その理由は、前者のタイプの粘土は比表面積（つまり、土壌粒子の表面積を体積で割った値）が大きく、陽イオン交換容量（CEC）が高いからです。^{[ 29 ]}

注記：

• ほぼ100%の「交換性ナトリウム率」（ESP）（つまり、ほぼ完全にナトリウム飽和状態）を持つ特定の粘土鉱物はベントナイトと呼ばれ、土木工学では、例えばダムの下などに土壌に不透水性のカーテンを設置して水の浸透を防ぐために使用されます。^{[ 30 ]}

アルカリ性リスクに関連する灌漑用水の水質は、以下の2つの指標で表されます。

1. ナトリウム吸着比（SAR、^{[ 16 ]} ）ナトリウム吸着比を計算する式は次のとおりです。

   SAR = ⁠ [Na ⁺ ] / √ [Ca ²⁺ /2 + Mg ²⁺ /2] ⁠ = ⁠ {Na ⁺ /23} / √ {Ca ²⁺ /40 + Mg ²⁺ /24} ⁠

   ここで、[ ] はミリ当量/リットル (略して meq/L) 単位の濃度を表し、{ } は mg/L 単位の濃度を表します。

   Mg（マグネシウム）はCa（カルシウム）と同様の役割を果たすと考えられている。

   SAR値は20を大きく超えるべきではなく、できれば10未満であることが望ましい。

   土壌が一定のSAR値を持つ水に一定期間さらされると、ESP値はSAR値とほぼ等しくなる傾向がある。

2. 残留炭酸ナトリウム（RSC、meq/L）：^{[ 16 ]} 残留炭酸ナトリウムを計算する式は次のとおりです。

   これは1を大きく超えてはならず、できれば0.5未満であることが望ましい。

   上記の式は、ほとんどの炭酸塩が溶解している形態である重炭酸塩（HCO ⁻ ₃ ）の存在を認識しています。

SARとRSCを計算する際には、圃場における浸出係数を考慮した作物の根圏に存在する水質を考慮する必要があります。^{[ 16 ]}_{植物の根圏における溶存CO2}の分圧は、圃場水中に溶存形態で存在するカルシウムも決定します。USDAは、水のナトリウム濃度を計算するために調整済みSAR ^{[ 31 ]}に従います。

炭酸カルシウムが固まったアルカリ性土壌は_、草の栽培、堆肥、廃棄毛髪/羽毛、有機ゴミ、古紙、廃棄レモン/オレンジなどによって再生することができ、土壌に多くの酸性化物質（無機物または有機物）が組み込まれ、 _CO2ガスを放出することで圃場水中の溶存カルシウムが増加する。^{[ 15 ] [ 32 ]}

塩分が表土に移動するのは、多くの場合、地表水源ではなく地下水源から起こります。^{[ 33 ]}地下水位が高く、土地が強い日射にさらされている場合、毛細管現象により地下水が地表に染み出し、蒸発して溶解した塩分が土壌の表層に残ります。地下水に高濃度の塩分が含まれている場合、深刻な塩害問題につながります。[ ^{34 ]この}問題は、土地にマルチを施すことで軽減できます。 ^{[ 35 ]}夏の間、ポリハウスや遮光ネット（保護栽培）を使用することも、土壌の塩分を軽減し、野菜や花の栽培のために土壌の水分を保持するために推奨されます。 ^{[ 36 ]}ポリハウスは、熱帯諸国の夏の強い日射を遮断し、植物を水ストレスや葉焼けから守ります。^{[ 37 ]}

地下水の水質がアルカリ性でも塩分濃度も高くなく、地下水位が高い地域では、揚水灌漑を利用して年間を通して植林や多年生作物を栽培することで、土壌中の塩分蓄積を防ぐことができます。必要な浸出率で地下水を使用すれば、土壌中の塩分蓄積は起こりません。

作物を刈り取った直後に畑を耕すことは、塩分が表土に移動するのを防ぎ、厳しい夏の時期に土壌の水分を保持するためにも推奨されています。これは、土壌の毛細管孔を破壊して、水が土壌の表面に到達するのを防ぐためです。^{[ 38 ]}

年間降水量が多い（100 cm を超える）地域の粘土質土壌は、適切な雨水利用方法に従えば、雨水流出によって土壌塩が快適なレベルまで溶脱されるため、 一般的に高いアルカリ性に悩まされることはありません。 ^{[ 39 ]}一部の農業地域では、排水と塩の溶脱を促進するために、地下の「タイルライン」が使用されています。^{[ 40 ]}圃場からの排水がない場合、継続的な点滴灌漑はアルカリ性土壌の形成につながります。 ^{[ 41 ]}

アルカリ性土壌は、黄鉄鉱や安価なミョウバンや硫酸アルミニウムなどの酸性化鉱物を加えることで再生することも可能です。^{[ 15 ]}

あるいは、石膏（硫酸カルシウム、CaSO₄）₄・2H₂ O交換複合体のナトリウムを置き換える²⁺の供給源としても使用できます^{。 [ 15 ]}石膏は炭酸ナトリウムとも反応して硫酸ナトリウムが、これは中性塩であり、高 pH には寄与しません。 ^{[ 42 ]}雨水や灌漑水自然排水が必要であり、そうでなければ人工的な地下排水システムが存在しなければなりません。 ^{[ 43 ]}

塩化カルシウムはアルカリ土壌の改良にも使用されます。^{[ 44 ]} CaCl2_はNa2CO3を_NaClに変換し、 _CaCO3を沈殿させます。NaCl は浸出水によって排出されます。硝酸カルシウム(窒素肥料) も同様の効果があり、浸出液にはNaNO3_が含まれます。 ^{[ 45 ]}使用済み酸 (HCl、H2SO4_など)も土壌/水中の過剰_なNa2CO3を減らすために使用できます。 ^{[ 46 ]}

尿素が農家に安価で提供される場合、肥料として使用される前に、主に土壌のアルカリ度/塩分濃度を下げるためにも使用されます。^{[ 47 ]}尿素の加水分解によって生成されるアンモニウム（NH ⁺ ₄）陽イオンは、吸着力の強い陽イオンであり、土壌構造から吸着力の弱いNa ^{+陽イオンと}交換され、Na ^{+が水中に放出されます。したがって、アンモニアの揮発にアンモニウムの}吸着を加えると、アルカリ性土壌は他の土壌に比べて尿素を多く消費します。^{[ 48 ]}

土壌を完全に再生するには、法外に大量の改良剤が必要となる。そのため、土壌構造 の劣化に最も敏感な表層（例えば土壌の最初の 10 cm）のみを改善することにほとんどの努力が向けられている。^{[ 15 ]}ただし、施用された物質は浸出（鉱物改良剤の場合）または分解（有機改良剤の場合）によって失われるため、処理は数年（例えば 5 年）ごとに繰り返す必要がある。ただし、非常に安定した基質（例えばバイオ炭）と混合して安定化させた場合は例外である。^{[ 49 ]}樹木は根系の成長に重力屈性を示すため、アルカリ性土壌では生存が困難であり、土壌特性を改善できる特定の樹種（例えばアカシア、ユーカリ）を植える前に、深層土壌の修復が必須となる。^{[ 50 ]}

質の悪い水（地下水または地表水）での灌漑は控えることが重要となるでしょう。^{[ 51 ]}ブドウ栽培では、ナトリウム土壌中の炭酸カルシウムと炭酸マグネシウムを溶解するために、酒石酸などの天然キレート剤を灌漑水に加えることが提案されています。^{[ 52 ]}

炭酸ナトリウムを減らす方法の1つは、グラスワート、ソルトワート、バリラなどの耐塩性植物を栽培することであり、このプロセスは植物浄化と呼ばれます。^{[ 53 ]}耐塩性植物は、アルカリ性土壌から吸収した炭酸ナトリウムを組織内に隔離します。これらの植物の灰には、炭酸ナトリウム（ソーダとして知られています）が相当量含まれており、エネルギー集約的なプロセスである食塩から得られる炭酸ナトリウムの代わりに商業的に抽出できます。耐塩性植物の灰のこの特性は、何千年もの間ガラスの製造に利用されてきたため、さまざまな耐塩性植物種にグラスワートという名前が付けられています。^{[ 54 ]}このように、食料源、バイオマス燃料、ソーダ灰や炭酸カリウムなどの原料として利用できるバリラを栽培することで、アルカリ性土壌の劣化を防ぐことができます。^{[ 55 ]}

従来の土地再生では、多くの場合、大規模な化学改良と排水インフラが必要となるが、養殖は、水域を利用して塩分や問題のある土壌成分を浸出し、有機物を導入し、生物学的土壌改良のための条件を作り出すことで、代替または補完的な戦略を提供する。1990年代以降、中国をはじめとする各地で、農業と養殖を組み合わせた手法によるアルカリ性土地の修復と利用に関する研究と実験が行われ、大きな成功を収め、経験が蓄積されてきた。^{[ 58 ]}技術的、インフラ的、管理上の課題にもかかわらず、内陸の塩アルカリ水と耕作不可能な土地を利用して海産物を生産する養殖技術は成熟しつつあり、エビ、カニ、貝類、スズキやハタなどの魚類を含む幅広い海産物種を対象としている。^{[ 59 ]}

近年、養殖（または塩アルカリ土地養殖）は、中国農業農村部によって、塩アルカリ土地の転換と利用のための経済的に実行可能で環境に有益なモデルとして推奨されている。 ^{[ 60 ] [ 58 ]} FAOは最近のニュースレターで、アルカリ土地は養殖を拡大するための革新的な方法と機会がある分野の1つであると指摘した。^{[ 61 ]}

2025年後半、中国水産学会が設立した権威ある賞が、2025年12月27日に可決され2026年5月1日に施行された改正水産法に基づき、養殖による塩分・アルカリ性土壌の塩分低減とアルカリ制御のための統合技術の革新と商業化を担当する中国の主要な研究所や組織に授与された。^{[ 62 ]}