土壌バイオマントル

土壌バイオマントルは、いくつかの方法で説明および定義できます。最も簡単に言えば、土壌バイオマントルとは、有機物に富んだ生物攪乱を受けた土壌の上部、つまりほとんどの生物が生息し、繁殖し、死に、同化される表土のことです。したがって、バイオマントルは、主に有機活動の産物であり、生物攪乱が支配的なプロセスである土壌の上部領域です。

土壌の生物攪乱は主に、動物攪乱（動物の穴掘り）、植物攪乱（根の成長、樹木の根こそぎ）、菌類攪乱（菌糸の成長）の 3 つのサブセットから構成されます。これら 3 つのプロセスはすべて、土壌母材の層状構造の破壊、混合、そして多くの場合粒径の選別を促進し、他のプロセスとともに土壌とその層の形成につながります。生物攪乱という一般的な用語は主にこれら 3 つの混合プロセスを指しますが、特に指定がない限り、動物攪乱（動物の穴掘り）の同義語としてよく使用されます。^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}

バイオマントルには、表土、つまり土壌のA層と、その下にあるより明るい色の（E）層が含まれます。典型的なAEBC層とプロファイルを持つ中緯度および亜熱帯の土壌では、バイオマントルは通常、B層の上にある部分です。砂利質の母材で、動物による土壌粒子の生物選別によって石層層（SL）が形成されている場合、石層（SL）の基底がバイオマントルの基底を定義します。^{[ 5 ]}基底に石層を持つバイオマントルは、粒子サイズが不均一な母材（細粒分と砂利の混合物）で形成される2層バイオマントルです。石層を持たないバイオマントルは、均質な材料（砂、黄土、またはほぼ均一なサイズの砂利）で形成される1層バイオマントルです。中緯度および一部の亜熱帯土壌では、土壌断面の層位表記は AE-SL-BC であり、AE-SL 層はバイオマントルを構成する。^{[ 6 ] [ 7 ]}

中緯度タイプの Bt (粘土集積層) 層は、活発で深い土壌攪拌動物 (アリ、シロアリ、ミミズなど)が大量に土壌を表面に移動させるため、熱帯土壌ではしばしば欠落しているため、層の表記は M-SL-W であり、M は鉱物土壌 (拡張表土)、SL は石層、W は下層の風化層またはサプロライト層です。^{[ 6 ] [ 8 ] [ 9 ]}この熱帯土壌図式では、M 層が主要なバイオマントルであり、SL 層はその基底を構成します。石層は、ほとんどの熱帯土壌および多くの中緯度土壌において、バイオマントルの基底を占めています。石層が存在する場合、それらはしばしば土壌水の移動と貯留のための地下の「フレンチドレーン」として機能します。 ^{[ 7 ]}

土壌バイオマントルは生物擾乱の主要ゾーンであるため、常に透水性が高く、密度が低い。そのため、環境においていくつかの重要な水文土壌学的役割を果たしている。例えば、バイオマントルは、しばしば豊富に存在するバイオチャネルや相互接続されたバイオポアを通して、雨水や融雪水の下方への浸透を促進する。また、バイオマントルが粘土質のBt（アルジリック）層の上、あるいは他の密度の高い下層土（例えば、デュリパン、フラジパンなど）や岩盤の上に形成される場合、斜面下方への土壌水（浸透流、中間流）の移動も促進する。これらの下層土は一般的に、垂直方向の土壌水の流れに対して不透水層または不透水層として機能する。このような場合、石層が存在するならば、実際には自由水流のための帯水層として機能する可能性がある。したがって、土壌石層が露出している斜面では、Bt層の上方で土壌水の浸透が見られることは珍しくない。地下水の涵養は、これらのバイオマントル関連プロセスのいずれかを通して起こり得る。もちろん、干ばつのように土壌が著しく乾燥して収縮する場合にも涵養は起こり、干ばつを解消する降雨の直後に一時的に垂直方向の漏水が発生する可能性がある。^{[ 10 ]}

土壌圏、すなわち土は、地球の 5 つの主要な地球規模の「圏」が相互作用する惑星界面です。これらは、大気圏、生物圏、水圏、岩石圏、および土壌圏です。最近の概念的枠組みである「クリティカル ゾーン」は、地表および地表付近の生命維持プロセスの大部分が機能する地球の外層を包含します。^{[ 11 ]}実際には、また理論上、クリティカル ゾーンは基本的に土壌圏に相当し、「バイオマントル」は、表皮層（ほとんどの生物が生息する場所）を含む最上部のクリティカル ゾーン、すなわち土壌圏を扱います。^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]}

中緯度地域の土壌では、生物擾乱の大部分は比較的浅く、季節的で、生物擾乱を行う生物が少ないため、バイオマントルは比較的薄く、厚さが 1 ～ 2 m 未満であることが多い。しかし、湿潤な熱帯および亜熱帯の侵食が安定した地域では、より多くの土壌が生物移動され、より深い生物擾乱が発生し、生物擾乱は年間を通して行われ、より多くの無脊椎動物 (シロアリ、アリ、ミミズなど) によって行われるため、バイオマントルはしばしばより厚く、時には 5 ～ 6 m 以上になる。^{[ 15 ]}このような土壌がサプロライトの生成と同時に形成される場合、バイオマントルは構造化された (生物擾乱を受けていない) サプロライトの上にある生物擾乱ゾーンであり、その基底は通常、石層によって定義される。亜熱帯および熱帯のほとんどの地域では、深く大きな体積の生物擾乱生物が生息しており、南アフリカのような中緯度地域の一部では、^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]}構造化されたサプロライトの上にこのような厚い2層の生物マントル（石層を持つもの）が非常に一般的です。

砂漠土壌の一部、中程度から急な斜面を持つ多くの山岳土壌、最近浸食された多くの岩盤土壌、その他様々な土壌では、バイオマントルが土壌全体を構成している。つまり、バイオマントルの下には土壌層も風化帯も存在しない。このようなバイオマントルは、全土壌バイオマントルと呼ばれる。

当初の定義によれば、^{[ 19 ]}バイオマントルは少なくとも50%のバイオファブリックを示す必要がある。この基準は、無脊椎動物（アリ、ミミズ、シロアリ）によって生成される、小さく、しばしばペレット状の微生物バイオファブリックおよびメソバイオファブリックを指し、通常はハンドレンズまたは高倍率（土壌薄片）で観察される。しかし、この基準は、一部のバイオマントルで生成されるメガバイオファブリック、すなわち、小型から大型の穴掘り脊椎動物（げっ歯類、アナグマ、ツチブタ、ゾウ）や樹木の根こそぎによって生成される塊状でずんぐりとした表面の土砂の山の場合、無意味で無関係になる。

層状になった洞窟遺跡や、考古学的遺物が堆積速度に追いつかず、生物擾乱とそれに伴う層状崩壊が起こらなかった稀な露天遺跡を除けば、世界の先史時代の文化遺物のほとんどは土壌バイオマントルに存在している。^{[ 20 ] [ 21 ]}そのため、これらの遺物は混ざり合い、技術的にも理論的にも本来の文脈から外れている。^{[ 22 ]}多くの文化遺物（鉈、チョッパーの石核、メタテ、マノ、杵など）は、そのような遺跡における主要な生物擾乱動物（小型齧歯類、アリ、シロアリ、ミミズなど）の巣穴の直径よりも必ず大きいため、下方に沈み、石層を形成し、2層構造のバイオマントルの一部となる。^{[ 23 ] [ 24 ]} より小さな遺物（剥片、剥片）は、上部バイオマントル全体に均質化されていることが多く、ポケットゴファー、モグラ、モグラネズミなどが作ったような最近の生物擾乱堆積物でよく見られます。^{[ 25 ] [ 26 ]}ダーウィン 以来、ミミズは多くの大陸や島で土壌バイオマントルや人間の遺物の主要な生物擾乱者として認識されてきました。^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]}

土壌バイオマントルと土壌は、生命が陸上に生息し始めた時から形成されてきた。^{[ 33 ]}この興味深いテーマについては正式な研究はほとんど行われていないが、重要な第一歩が踏み出されつつある。^{[ 34 ] [ 35 ] [ 36 ]}

バイオマントルは、有機物に富む表層付近の層であり、生物擾乱が主要なプロセスであり、その他の生物学的プロセスやより伝統的な土壌プロセスは通常、副次的なものです（例：有機物生成、溶脱・集積、風化・生化学的変化、風食・水食・堆積、凍結・融解、膨張・収縮、収縮・膨張、重力移動、地球化学的毛細管表面浸透および沈殿など）。動的侵食という表現は、これらすべてのプロセスの総和であり、生物擾乱と有機物の影響が一般的に支配的です。^{[ 2 ]}

土壌形成における植物の役割は、農学的にも林業的にも疑いなく大きく、地形学者、土壌学者、土壌科学者、農家、庭師などによって十分に評価され、かなりよく理解されている。^{[ 37 ] [ 38 ] [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]}しかし、土壌形成、土壌や土壌層の形成、さまざまな土壌景観構造物（バイオマントル、ミマ塚、石列など）の形成における動物の役割は、最近までよく理解されていなかった。^{[ 14 ] [ 42 ] [ 43 ] [ 44 ]}

ウィルキンソンとハンフリーズは、「生物攪乱は多くの土壌で作用する最も活発な土壌生成プロセスであると思われる」という証拠を提示している。^{[ 3 ]}数十年にわたる研究は、生物攪乱がほとんどの土壌の上部で支配的なプロセスであることを強く示唆しているが、注目すべき例外はバーティソルとクリオソルであり、それぞれ収縮膨張プロセスと凍結融解プロセスが支配的であると思われる。

土壌の生物攪乱は、互いに重なり合うこともある、表層土壌の3つの破壊および整理のサブプロセスから構成され、これらが集合的に粒子の摩耗とサイズ縮小、すなわち「粒子粉砕」を促進します。3つの生物攪乱サブプロセスは、生物混合、生物移動、および生物選別です。

生物攪拌とは、齧歯類（ホリネズミ、ツコツコ、モグラネズミ）、食虫類（モグラ）、イタチ科動物（アナグマ）、イヌ科動物（オオカミ、コヨーテ、キツネ）、有袋類（有袋類モグラ、ウォンバット）、ツチブタ、アルマジロ、ブタなど、地表、浅層、中間層に穴を掘る脊椎動物によって引き起こされる土壌の生物攪拌のことである。動物による生物攪拌が支配的であるが、樹木の根こそぎ抜きも重要なプロセスである。

生物移動とは、脊椎動物または無脊椎動物による土壌の移動を指し、地表、生物被膜内、またはより深い層から移動します。生物移動はあらゆる穴掘り動物によって起こり得ますが、この用語は、アリ、シロアリ、ミミズなどの、いわゆるコンベヤーベルト動物と呼ばれる深い穴掘り動物に最も当てはまります。例えば、シロアリは、風化または未風化の母材に何メートルも深く穴を掘り、湿った土壌を集めて地表の塚（シロアリ塚）を構築します。アリ、特にハキリアリは、無数の多目的地下室を掘削する過程で、膨大な量の土壌を地表に生物移動させることもあります。この過程では、膨大な量の土壌や堆積物が毎年熱帯・亜熱帯の景観、さらには一部の中緯度地域（例えばテキサス州やルイジアナ州）の景観に生物学的に運ばれ、安定した（傾斜の緩やかな）地表に非常に厚い生物被覆層が形成される。

生物選別とは、砂利質（混合粒子）土壌において一般的に起こる粒子選別を指し、生物被覆層の基底部に石層（SL）層が形成され、結果として二層構造の生物被覆層が形成される。このプロセスは、動物が穴を掘り、その穴の直径よりも小さい土壌粒子のみを移動させることから始まる。より大きな粒子は下方に沈み、その下からより小さな粒子が上方に移動する。石層（SL）層の形成速度は、生物攪拌動物の数と穴掘りの強度および様式にほぼ比例する。コンベヤーベルト型の土壌無脊椎動物（アリ、シロアリ、ミミズなど）は、ほとんどの熱帯、亜熱帯、および一部の中緯度地域の土壌において主要な生物選別者であり、そのため、多くの土壌が砂利を含む場合、しばしば深い二層構造の生物被覆層を形成する。一方、小型の穴居性脊椎動物（ホリネズミ、モグラ、ツコツコなど）は、中緯度地域の多くの土壌、特に砂漠、草原、ステップ地帯において、生物選別を行う主要な生物となる傾向がある。米国北東部や西ヨーロッパのような湿潤な地域では、コンベヤーベルトアリやミミズが優占種または共優占種となっていると考えられる。

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