腐植土

^{古典的な[1]} 土壌科学では、腐植土は植物や動物の分解によって形成される土壌中の暗い有機物です。これは土壌有機物の一種です。栄養分が豊富で、土壌の水分を保持します。腐植土はラテン語で「地球」または「地面」を意味します。^[2]

農業では、「腐植」は、土壌改良剤として使用するために森林やその他の自然発生源から抽出された成熟した堆肥または天然堆肥を指すこともあります。^[3]また、有機物（腐植タイプ、^[4]腐植形態、^[5]または腐植プロファイル^[6] ）を含む表土層を指すこともあります。

腐植土には土壌の健康を改善する多くの栄養素が含まれていますが、その中でも最も重要なのは窒素です。腐植土の炭素と窒素の比率（C:N ）は、通常8:1から15:1の範囲で、中央値は約12:1です。 ^[7]また、土壌のかさ密度を大幅に改善（減少）します。 ^[8]腐植土は非晶質で、生物に特徴的な細胞構造を欠いています。^[9]

腐植土とも呼ばれる類似の物質は、堆肥化後に肥料として使用されることが多く、病原菌、有毒重金属、残留有機汚染物質に汚染されていないと標準許容レベルに従って判断された場合、 ^[10]は、廃水処理プロセスの二次段階である下水汚泥処理の固形残渣である。^[11]

腐植化のプロセスに必要な主な材料は、植物の残骸、動物や微生物の死骸、土壌に生息するすべての生物の排泄物、そして過去の火災で生じた黒色炭素です。 ^[12]腐植の組成は、主な（植物）材料と二次的な微生物および動物の産物によって異なります。さまざまな化合物の分解速度が腐植の組成に影響します。^[13]

腐植土は未だに完全には理解されていない非常に複雑な物質であるため、正確に定義することは困難である。腐植土は分解中の土壌有機物とは異なる。後者は見た目がざらざらしており、元の植物や動物の残骸が目に見える。一方、完全に腐植化した腐植土は、均一に黒っぽく、スポンジ状でゼリー状の外観をしており、不定形である。数年かけて徐々に分解することもあれば、数千年も残ることもある。^[14]腐植土には明確な形、構造、品質はない。しかし、顕微鏡で調べると、化学的ではなく機械的に分解された微小な植物、動物、微生物の残骸が見つかることがある。^{[15]これは、腐植土と土壌有機物の境界があいまいであることを示唆しており、一部の研究者は}腐植土という用語や、腐植物質や腐植化などの派生語の使用に異議を唱え、土壌連続体モデル（SCM）を提唱している。 ^{[16]しかし、腐植は、主に}官能基の豊富さに関連した独特の性質を持っていると考えられており、特定の用語として維持されることを正当化しています。^[17]

完全に形成された腐植土は、本質的には、元の植物材料（葉、木材、樹皮）のリグニンやその他のポリフェノール分子から部分的に形成された非常に大きく複雑な分子の集合体であり、部分的には微生物によって生成された同様の分子から形成されます。^[18]分解プロセス中に、これらのポリフェノールは化学的に変化し、互いに結合して非常に大きな分子を形成できるようになります。これらの分子の一部は、タンパク質分子、アミノ酸、アミノ糖がポリフェノールの「ベース」分子に付着できるように変化します。タンパク質には窒素と硫黄の両方が含まれているため、この付着により、腐植土にはこれら2つの重要な植物栄養素が適度に含まれます。^[19]

放射性炭素年代測定法やその他の年代測定法によると、腐植のポリフェノール基（主にリグニンと黒色炭素）は非常に古いが、タンパク質と炭水化物の付着物ははるかに新しいことが示されています。一方、現代の概念と方法に照らし合わせると、状況は以前考えられていたよりもはるかに複雑で予測不可能であるように見えます。^[20]微生物は、ポリフェノール基分子自体を分解するよりも、腐植分子からタンパク質を引き離す方がはるかに容易であるようです。タンパク質が除去されると、その場所がより若いタンパク質に取って代わられるか、このより若いタンパク質が腐植分子の別の部分に付着する可能性があります。^[21]

腐植土の最も有用な機能は、土壌構造を改善することであり、特に陽イオン（カルシウムなど）と関連するとさらに効果的である^[22]。また、植物が必要とするまで栄養素を保持できる非常に大きな表面積を提供することで、粘土粒子に匹敵するイオン交換機能を提供する。 ^[23]

土壌炭素隔離は土壌の主要な特性であり、生態系サービスとしても考えられています。^{[24]土壌腐植分子は、主に}土壌マトリックスとの複数の相互作用を通じて安定し、数世紀にわたる永続性を獲得した場合にのみ、大気中の現在の二酸化炭素過剰を除去する上で重要であると見なされるべきです。^[25]

腐植土の組成に関するデータは、研究者にとって分析が難しい複雑な混合物であるためほとんどありません。1940年代と1960年代の研究者は、森林や農業土壌の植物や腐植化合物を化学分離法で分析しようとしましたが、抽出剤が分析した有機物と相互作用して多くの人工物を作り出したため、不可能であることが判明しました。^[26]近年ではさらに研究が行われていますが、依然として活発な研究分野です。^[27]

微生物は土壌有機物の大部分を、植物の根が栄養分として吸収できる無機鉱物に分解します。このプロセスはミネラル化と呼ばれます。このプロセスでは、分解された有機物中の窒素（窒素循環）とその他の栄養素（栄養循環）がリサイクルされます。分解が起こる条件に応じて、有機物の一部はミネラル化されず、代わりに腐植化と呼ばれるプロセスによって変換されます。現代の分析方法が登場する前は、初期の証拠から、科学者は腐植化によって微生物の作用に抵抗する有機ポリマーの連結が生じると信じていましたが、 ^[28]最近の研究では、微生物が腐植を消化できることが実証されています。^[29]

腐植化は土壌中で自然に起こることもあれば、堆肥の製造時に人工的に起こることもある。有機物は、腐生菌、細菌、微生物、ミミズ、線虫、原生動物、節足動物などの動物の組み合わせによって腐植化される（土壌生物学を参照）。動物が消化・排泄したものも含め、植物の残骸には、糖、デンプン、タンパク質、炭水化物、リグニン、ワックス、樹脂、有機酸などの有機化合物が含まれている。土壌中の腐敗は、炭水化物から糖とデンプンが分解することから始まる。炭水化物は、腐食動物が最初に死んだ植物の器官に侵入すると簡単に分解されるが、残ったセルロースとリグニンはよりゆっくりと分解する。単純タンパク質、有機酸、デンプン、糖は急速に分解されるが、粗タンパク質、脂肪、ワックス、樹脂は比較的長期間変化しないままである。^[30]

リグニンは白色腐植菌によって急速に変化し、^[31]腐植の主原料の一つであり、^[32]微生物の副産物や動物の副産物^[33]とともに^[34]腐植の主原料でもあります。腐植化によって生成される腐植は、植物、動物、微生物由来の化合物や複雑な生物化学物質の混合物であり、土壌で多くの機能と利点を持っています。^{[18]ミミズの腐植（}ミミズ堆肥）は最適な有機肥料であると考える人もいます。^[35]

_{ほとんどの土壌中の腐植の多くは、 CO2}に分解されることなく100年以上も残存しており、安定しているとみなすことができます。この有機物は、土壌粒子の小さな集合体の中に隠れている（閉塞している）か、粘土にしっかりと吸着または複合しているため、微生物や酵素の作用によって分解から保護されています。^[36]このように保護されていない腐植のほとんどは10年以内に分解され、安定性が低い、またはより不安定であるとみなすことができます。^{[37]土壌を食べる無脊椎動物（}ミミズ、シロアリ、ヤスデなど）の混合活動は、摂取した有機粒子と鉱物粒子を消化管内で密接に接触させることで腐植の安定性に寄与します。そのため、現代およびより現代の腐植と比較して、鉱物-有機層が発達したマルなどの腐植形態では炭素隔離が多くなります。

安定した腐植は、土壌中の植物が利用できる栄養素をほとんど提供しませんが、土壌の物理的構造を維持するのに役立ちます。^[38]非常に安定した形態の腐植は、細かく粉砕された木炭を表土に混ぜ込んだ後、土壌炭素のゆっくりとした酸化 (酸化還元)によって形成されます。このプロセスは、異常に肥沃なアマゾンのテラ・プレタ・ド・インディオの形成に重要であったと推測されています。^{[39] [ページが必要]}しかし、最近の研究^[40]は、複雑な土壌有機分子はこれまで考えられていたよりもはるかに不安定である可能性があることを示唆しています。「利用可能な証拠は、土壌中の大きな分子サイズで持続的な「腐植物質」の形成を支持していません。代わりに、土壌有機物は、徐々に分解する有機化合物の連続体です。」

腐植は特徴的な黒または暗褐色で、有機炭素の蓄積により有機化しています。土壌科学者は、マスター層を識別するために大文字の O、A、B、C、および E を使用し、これらの層を区別するために小文字を使用します。ほとんどの土壌には、表層 (A)、下層土 (B)、および基質 (C) の 3 つの主要な層があります。一部の土壌では表面に有機層 (O) がありますが、この層は地中に埋まっていることもあります。マスター層 (E) は、鉱物が大幅に失われた (溶脱) 地下層に使用されます。土壌ではない岩盤には、文字 R が使用されます。

化学的に安定した腐植土の重要性は、物理的および化学的両方の意味で土壌に与える肥沃さにあると考える人もいるが^[41]、一部の農業専門家は、病気を抑制する能力など、腐植土の他の特徴に重点を置いている。^[42]腐植土は、土壌の微細孔[44 ^]を増やすことで水分を保持し^{[43] 、良好な}土壌構造の形成を促進する。^{[45] [46]}酸素が大きな有機分子集合体に取り込まれると、植物栄養素の正に帯電したイオン（陽イオン）と結合する活性で負に帯電した部位が多数生成され、イオン交換によって植物が栄養素をより利用しやすくなる。^[47]腐植土は土壌生物が餌を食べ、繁殖することを可能にし、しばしば土壌の「生命力」と表現される。^{[48] [49]}

• 土壌有機物を腐植土に変えるプロセスは、土壌中の微生物やその他の生物に栄養を与え、土壌生物の健全なレベルを維持します。^{[48] [49]}
• 土壌有機物が腐植に変わる速度は、土壌中の植物、動物、微生物の共存を促進する（速い場合）か、制限する（遅い場合）かを決定します。
• 有効腐植土と安定腐植土は、微生物の栄養分の追加の供給源です。前者はすぐに利用できる供給源となり、後者は長期貯蔵庫として機能します。
• 死んだ植物質の分解により、複雑な有機化合物がゆっくりと酸化されるか（リグニンのような腐植）、より単純な形態（糖類やアミノ糖、脂肪族およびフェノール性 有機酸）に分解され、さらに微生物バイオマス（微生物腐植）に変換されるか、再編成されてさらに酸化されて腐植集合体（フルボ酸およびフミン酸）となり、粘土鉱物や金属水酸化物と結合する。植物が根で腐植物質を吸収して代謝する能力については長い間議論されてきた。現在では、植物生理学において腐植は単に栄養的にではなくホルモン的に機能するという点でコンセンサスが得られている。^{[50] [51]}
• 腐植はコロイド状の物質で、土壌の陽イオン交換容量を高め、キレート化によって栄養素を蓄える能力を高めます。これらの栄養陽イオンは植物に利用可能である一方、土壌中に保持され、雨や灌漑による浸出を防ぎます。^[47]
• 腐植土は重量の80～90％に相当する水分を保持できるため、土壌の干ばつ耐性が向上します。^{[52] [53]}
• 腐植の生化学的構造により、土壌の酸性またはアルカリ性の状態を緩和、すなわち緩衝することが可能になる。^[54]
• 腐植化の過程で、微生物は粘着性のあるガム状の粘液を分泌します。これは、粒子同士を接着させ、土壌の通気性を高めることで、土壌の砕けやすい構造（耕作性）に貢献します。 ^[55]重金属や余分な栄養素などの有毒物質は、キレート化、つまり腐植の有機分子に結合することで、浸出を防ぐことができます。^[56]
• 腐植土の濃い色（通常は茶色または黒色）は、春に冷たい土壌を温めるのに役立ちます。
• 腐植土は炭素隔離能力を通じて気候変動の緩和に貢献することができます。^[57]農業廃棄物から合成された人工フミン酸と人工フルボ酸は、土壌中の溶存有機物と全有機炭素の含有量を増加させることができます。^[58]

• Weber, Jerzy. 「土壌中の腐植の種類」。ポーランド、ヴロツワフ農業大学。2013年12 月 12 日閲覧。
• Wershaw, RL「腐植化の化学的および生化学的プロセスを考慮した天然有機物（腐植）の概念モデルの評価」（PDF）。Pubs.USGU.gov。米国地質調査所。2016年3月14日閲覧。
• 「腐植物質とは何か？」国際腐植物質協会。 2018年2月19日閲覧。