アルカリ土壌

アルカリ土壌
アルカリ性土壌
アルカリ土壌における稲作・水田
粘土質土壌
主要鉱物	炭酸ナトリウムと重炭酸ナトリウム
主要プロセス	石灰軟化
pH	> 8.5

アルカリ性土壌は、pH 値が高い(8.5 以上)粘土質の土壌で、土壌構造が悪く、浸透能力が低い。多くの場合、0.5 ～ 1 メートルの深さに硬い石灰質層がある。アルカリ性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の優位性によるもので、炭酸ナトリウムは土壌を膨張させ^[1]、浄化/沈殿を困難にする。アルカリ性土壌という名前は、ナトリウムが属するアルカリ金属族元素に由来し、塩基性を誘発する。これらの土壌はアルカリ性ナトリウム土壌と呼ばれることもある。アルカリ性土壌は塩基性であるが、すべての塩基性土壌がアルカリ性であるわけではない。

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の場合があります。

1. 自然な原因は、土壌鉱物の存在であり、風化により炭酸ナトリウム(Na ₂ CO ₃ ) と重炭酸ナトリウム(NaHCO ₃ ) が生成されます。
2. 石炭ボイラー/発電所は、石灰岩を多く含む石炭または亜炭を使用すると、酸化カルシウムを含む灰を生成します。CaOは水に容易に溶解して消石灰Ca(OH) _2を形成し、雨水によって河川/灌漑用水に運ばれます。石灰軟化プロセスにより、Ca ²⁺イオンとMg ²⁺イオンが沈殿し、水中の硬度が除去され、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。^[2]炭酸ナトリウム（洗濯ソーダ）は、水中に残っているCa ^{2+ イオン}とMg ^{2+ イオンとさらに反応して、総}硬度を除去/沈殿させます。また、灰に含まれる水溶性ナトリウム塩は、水中のナトリウム含有量を増加させます。2011年の世界の石炭消費量は77億トンでした。 ^[要出典]このように、石炭ボイラーにより河川水はCa ²⁺イオンとMg ²⁺イオンが除去され、Na ^{+が増加します。 [説明が必要]}
3. 炭酸ナトリウム、重炭酸ナトリウム（重曹）、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（漂白剤）など、多くのナトリウム塩が工業用および家庭用に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すべて、製造プロセスまたは消費中に河川/地下水に入り、水のナトリウム濃度を高めます。2010年の塩化ナトリウムの世界全体の消費量は2億7000万トンです。これは、広大なアマゾン川の塩分負荷とほぼ同じです。人為的なナトリウム塩の寄与は、すべての河川の総塩分負荷の約7％です。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、米国西部などにある集中的に耕作されている河川流域の下流では、さまざまな蒸散と蒸発損失を受けた後の残留水に塩分が蓄積するため、ナトリウム塩負荷の問題が悪化しています。^[3]
4. 農地/陸地に加えて、人工ナトリウム塩のもう1つの発生源は、海岸近くにあるさまざまな産業で発生する廃熱を消散させるために海水を使用する湿式冷却塔の周辺です。巨大な容量の冷却塔は、石油精製所、石油化学コンビナート、肥料工場、化学工場、原子力発電所および火力発電所、集中型HVACシステムなどに設置されています。冷却塔から排出される漂流物/微細液滴には、約6%の塩化ナトリウムが含まれており、周辺地域に堆積します。この問題は、漂流物の排出を海水ベースの湿式冷却塔の最良の産業基準まで最小限に抑えるための国の汚染管理基準が課されていない、または実施されていない場合に悪化します。^[4]
5. 人為的な原因としては、灌漑用水（表層水または地下水）に軟水を使用することが挙げられ、軟水には重炭酸ナトリウムが比較的多く含まれ、カルシウムとマグネシウムが少ない。^[1]

アルカリ性土壌は農業生産に取り入れるのが困難です。浸透能力が低いため、雨水は土壌に容易に停滞し、乾期には大量の灌漑用水と良好な排水がなければ耕作はほとんど不可能です。農業は表面の浸水に耐える作物（米、牧草など）に限定され、生産性は低くなります。

土壌のアルカリ性は、土壌粒子の自然な風化の結果として、または灌漑や洪水によってもたらされた土壌中の炭酸ナトリウム（Na ₂ CO ₃）または重炭酸ナトリウム（NaHCO ₃ ）の存在と関連しています ^{[5] 。}

この塩は非常に溶解性が高く、水和すると次のように解離します。

ナ
₂CO
₃→ 2な⁺
+ CO²⁻³
_...

炭酸イオンCO²⁻³
_...はプロトンを受け入れる弱塩基なので、水中で加水分解されて重炭酸イオンと水酸化イオンを生成します。

CO²⁻³
_...+ H
₂O → HCO⁻
₃+ああ⁻

すると炭酸とヒドロキシルが生成されます。

HCO⁻
₃+ H
₂O → H
₂CO
₃+ああ⁻

炭酸塩-重炭酸塩-二酸化炭素の平衡については 炭酸塩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に似ており、2つの塩の溶解度だけが異なります。Na ₂ CO ₃は約CaCO _3の78,000倍の溶解度があり、はるかに大量のCOを溶解できる。²⁻³
_...これにより、pH が 8.5 を超える値に上昇します。これは、土壌溶液中の 炭酸カルシウムと溶存二酸化炭素の平衡が達成可能な最大 pH を超えています。

注記:

• 水 (H ₂ O) は部分的に H ₃ O ⁺ (水素) イオンと OH ^– (水酸化) イオンに解離します。イオンH ₃ O ⁺は正電荷(+) を持ち、その濃度は通常 [H ⁺ ] と表記されます。水酸化イオン OH ^{– は}負電荷 (-) を持ち、その濃度は [OH ⁻ ] と表記されます。
• 純水中、25℃では、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 ^–イオンの濃度は両方とも10 ⁻⁷  M（非常に低い濃度）に等しくなります。
• 中性水中のpHは、 H ₃ O ⁺濃度の負の対数で7です。同様に、pOHも 7 です。pH が 1 単位減少するごとに、H ₃ O ⁺濃度が 10 倍に増加します。同様に、pH が 1 単位増加するごとに、OH ^–濃度が 10 倍に増加します。
• 塩が溶解した 水では、H ₃ O ⁺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、その合計は一定、つまり7 + 7 = 14のままです。したがって、pH 7 は pOH 7 に相当し、pH 9 は pOH 5 に相当します。
• 正式には、イオン濃度を化学活性で表すことが好ましいですが、これは pH の値にほとんど影響を与えません。
• H ₃ O ^{+イオンが過剰に含まれる水は酸性（} pH < 7 ）と呼ばれ、OH ^–イオンが過剰に含まれる水はアルカリ性またはむしろ塩基性（pH > 7）と呼ばれます。土壌水分は、pH < 4の場合は非常に酸性、pH > 10の場合は非常にアルカリ性（塩基性）と呼ばれます。

H ₂ CO ₃ (炭酸) は不安定で、H ₂ O (水) と CO ₂ (二酸化炭素ガス、大気中に放出される) を生成します。これにより、溶解性水酸化ナトリウムの形でアルカリ度(または塩基性度) が残り、pH が高くなり、pOH が低くなります。

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CO²⁻³
_...イオンは、CaCO ₃（わずかに溶解する）を固体炭酸カルシウム（石灰石）として沈殿させます。これは、 CO²⁻³
_...濃度が高くなり、Ca ²⁺濃度が許容限度を超えるため、カルシウムイオン Ca ²⁺が固定化されます。

土壌溶液中にNa +イオンが豊富に存在し、Ca 2+イオンが固体鉱物として沈殿すると^、表面に^沿って負に帯電した粘土粒子が拡散吸着層（DAZ、より一般的には拡散二重層（DDL）または電気二重層（EDL）とも呼ばれます、対応図を参照）^[6]でより多くのNa +を吸着し、代わりに以前に吸着されたCa ^2+を放出します。これにより、同じ図に示すように、 交換可能なナトリウムの割合（ESP）が増加します。

Na ^{+は Ca 2+}よりも移動性が高く、電荷が小さいため、より多くのナトリウムイオンが占めるほど DDL の厚さが増加します。DDL の厚さは土壌水分中のイオンの総濃度によっても影響を受け、濃度が高くなると DDL ゾーンが縮小します。

かなりのESP（> 16）を持つ粘土粒子は、非塩性土壌水分と接触すると、DDLゾーンが拡大し、土壌が膨張します（分散）。^{[6]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。そのため、土壌の浸透能力と土壌中の水分利用可能性は低下し、一方で表面水の湛水または表面流出が増加します。苗の出芽と作物の生産は大きな影響を受けます。

注記：

• 塩分を多く含む土壌では、土壌溶液に含まれる多くのイオンが土壌の膨張を抑えるため、塩分を多く含む土壌は、通常、物理的に好ましくない性質を持つことはありません。アルカリ性土壌は、塩分が少ないほどアルカリ性の問題が悪化するため、原則として塩分を多く含む土壌ではありません。

アルカリ性の問題は、ローム質、シルト質、砂質の土壌よりも粘土質土壌で顕著です。モンモリロナイトやスメクタイト(膨張性粘土) を含む粘土質土壌は、イライトやカオリナイト粘土質土壌よりもアルカリ性の問題が発生しやすくなります。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その体積で割った値) が大きく、陽イオン交換容量(CEC) が高いためです。

注記：

• ほぼ 100% の ESP (つまり、ほぼ完全にナトリウムが飽和している) 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、水の浸透を防ぐためにダムの下などの土壌に不浸透性のカーテンを設置するために使用されます。

アルカリ性ハザードに関連する灌漑用水の水質は、次の 2 つの指標で表されます。

1. ナトリウム吸着率（SAR、^[5]）ナトリウム吸着率の計算式は以下の通りである。

   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（簡単に言うと meq/L）での濃度を表し、{ } は mg/L での濃度を表します。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ます。SAR は 20 より高くならず、10 未満が望ましいです。土壌が一定期間特定の SAR 値の水にさらされると、ESP 値は SAR 値とほぼ等しくなる傾向があります。
2. 残留炭酸ナトリウム（RSC、meq/L）：^[5] 残留炭酸ナトリウムの計算式は次のとおりです。

   これは 1 より大幅に高くてはならず、できれば 0.5 未満である必要があります。

   上記の式は、重炭酸塩（HCO⁻
   ₃（炭酸塩）は、ほとんどの炭酸塩が溶解している形態です。

SARとRSCを計算する際には、作物の根域の水質を考慮する必要があり、これには圃場の浸出係数が考慮される。 ^{[7]植物の根域における溶解}_CO2の分圧も、圃場の水に溶解した形で存在するカルシウムを決定する。USDAは、水のナトリウム度の計算に調整されたSAR ^[8]に従っている。

固体CaCO3を含むアルカリ性土壌は_、牧草、有機堆肥、無駄な髪の毛/羽毛、有機ゴミ、古紙、廃棄レモン/オレンジなどで再生することができ、多くの酸性化物質（無機物または有機物）が土壌に取り込まれ、 _CO2ガスを放出することで畑の水に溶解したCaが強化されます。^[9]深く耕して石灰質の下層土を表土に 取り込むことも役立ちます。

多くの場合、塩分の表土への移動は、地表水源ではなく地下水源から起こります。^[10]地下水位が高く、土地が強い日射にさらされている場合、地下水は毛細管現象により地表に染み出し、蒸発して溶解した塩分を土壌の最上層に残します。地下水の塩分濃度が高い場合、深刻な塩分問題を引き起こします。この問題は、土地にマルチを施すことで軽減できます。夏季に野菜や作物を栽培する場合は、土壌の塩分濃度を緩和し、水/土壌水分を節約するために、ポリハウスや日よけネットを使用することをお勧めします。ポリハウスは、熱帯諸国の夏の強烈な太陽放射をフィルタリングし、植物を水ストレスや葉焼けから守ります。

地下水の水質がアルカリ性/塩分を含まず、地下水位が高い場合、揚水灌漑を利用して年間を通じて土地を植林木/永久作物の栽培に使用することで、土壌の塩分蓄積を防ぐことができます。地下水が必要な浸出係数で使用されると、土壌の塩分は蓄積されません。

作物を刈り取った後すぐに畑を耕すことも、表土への塩分の移動を防ぎ、厳しい夏の間、土壌の水分を保つために推奨されます。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。

年間降雨量が多い（100 cm 以上）地域の粘土質土壌は、適切な雨水収集方法に従っていれば、雨水の流出によって土壌の塩分が適切なレベルまで減少/浸出するため、通常はアルカリ度が高くなることはありません。一部の農業地域では、排水と塩分の浸出を促進するために、地下の「タイル ライン」が使用されています。連続した点滴灌漑は、畑からの浸出/排水がない場合、アルカリ土壌の形成につながります。

黄鉄鉱や安価なミョウバン、硫酸アルミニウムなどの酸性化鉱物を加えることで、アルカリ性の土壌を再生することも可能です。

あるいは、石膏（硫酸カルシウム、CaSO
₄· 2時間
₂O ) も、交換複合体のナトリウムを置き換えるための Ca ²⁺イオン源として使用できます。 ^[9]石膏は炭酸ナトリウムと反応して硫酸ナトリウムに変換されますが、これは中性塩であり、高 pH に寄与しません。雨水や灌漑用水が土壌プロファイルに浸透して余分なナトリウムが浸出できるように、地下への十分な自然排水があるか、人工の地下排水システムが存在する必要があります。

塩化カルシウムもアルカリ土壌の再生に使用されます。CaCl _{2 は}Na ₂ CO ₃を NaCl に変換し、CaCO _{3 を}沈殿させます。NaCl は浸出水によって排出されます。硝酸カルシウムも同様の効果があり、浸出液にはNaNO ₃が含まれます。使用済みの酸(HCl、H ₂ SO ₄など) も、土壌/水中の 過剰な Na ₂ CO _{3 を}減らすために使用できます。

尿素が農家に安価に提供される場合、尿素は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。^[11]アンモニウム（NH⁺
₄尿素の加水分解によって生成された陽イオン（強い吸着性を持つ陽イオン）が土壌構造の弱い吸着性を持つ 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、アルカリ土壌は他の土壌に比べて尿素を多く吸着/消費します。

土壌を完全に再生するには、法外な量の改良剤が必要です。そのため、ほとんどの努力は表層（土壌の最初の10cm程度）のみに向けられています。表層は土壌構造の劣化に最も敏感だからです。[ ^9]しかし、処理は数年（5年程度）ごとに繰り返す必要があります。樹木や植物は重力屈性です。良質の非アルカリ性土壌では60メートル以上も深く根を張る樹木にとって、アルカリ性土壌で生き残ることは困難です。

質の悪い水（地下水や表層水）による灌漑を控えることが重要です。ブドウ栽培では、ナトリウム質土壌中の炭酸カルシウムや炭酸マグネシウムを溶解させるために、灌漑用水に酒石酸などの天然キレート剤を加えることが提案されています。^[12]

炭酸ナトリウムを減らす方法の1つは、グラスワートやソルトワート、バリラ植物を栽培することです。^[13]これらの植物は、アルカリ土壌から吸収した炭酸ナトリウムを組織に隔離します。これらの植物の灰には大量の炭酸ナトリウムが含まれており、これは商業的に抽出して、非常に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使用できます。したがって、食糧源、バイオマス燃料、ソーダ灰やカリなど の原料として使用できるバリラ植物を栽培することで、アルカリ土壌の劣化を防ぐことができます。

塩性土壌は、ほとんどがナトリウム性（主な塩は塩化ナトリウム）ですが、pHが非常に高くなく、浸透率も悪くありません。浸出後、Na ⁺イオンは簡単に除去されるため、通常は（ナトリウム性）アルカリ土壌に変換されません。したがって、塩性（ナトリウム性）土壌では、ほとんどの場合、再生のために石膏を施用する必要はありません。^[14]

1990年代以降、中国やその他の地域では、農業と養殖業を組み合わせた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、かなりの成功と経験を積んできました。^{[15] [16] [17]}内陸の塩分を含むアルカリ水を魚介類の生産に利用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魚介類をカバーしています。^{[18] [19]}

近年、中国農業農村部は、塩性アルカリ性土地の転換と利用の成功モデルとして水産養殖（または塩性アルカリ性土地養殖）を推奨している。 ^{[15] [20] [21] [16]} FAOは最近のニュースレターで、アルカリ性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一つであると指摘した。^[22]