土壌団粒の安定性

土壌団粒安定性は、水や風による浸食、収縮や膨張、耕作などの外力にさらされたときに、土壌団粒（結合した土壌粒子）がバラバラになるのを防ぐ能力の尺度です。^{[1] [2]土壌団粒安定性は}土壌構造の尺度であり^{[3] 、}土壌管理によって影響を受ける可能性があります。^[4]

団粒安定性は土壌の物理的、化学的、生物学的特性を組み合わせた土壌の質の指標の1つです。 ^{[5]土壌団粒（またはいわゆる二次土壌粒子またはペッド）の形成は、一次土壌粒子（粘土など）の再配置、}凝集、セメント化による相互作用によって発生します。

団粒の安定性は土壌の孔隙サイズの分布に直接影響を及ぼし、土壌の保水性と土壌内の水の移動に影響し、したがって空気の移動にも影響します。土壌構造が良好な土壌は、通常、ミクロ孔隙、メソ孔隙、マクロ孔隙が混在しています。したがって、団粒化が進むと、団粒化が不十分な土壌に比べて総孔隙率が高くなることが予想されます。^[6]ミクロ孔隙は土壌の保水性と貯蔵に重要であり、 ^[7]マクロ孔隙とメソ孔隙は土壌への水と空気の移動を可能にします。^[7]通気性の良い土壌は、植物と微生物の健康にとって重要です。^[8]酸素がなければ、植物の根と好気性微生物は呼吸できず、死んでしまいます。土壌生物の多様性を高めるには、土壌内にさまざまな孔隙サイズと生息地が混在することが重要です。^[9]土壌孔隙は、根が貫通できる空間を土壌内に作り出します。団粒が少なく、空隙が限られている圧縮土壌では、根の成長が困難になり、土壌のさまざまな部分に蓄えられた栄養分や水から排除される可能性があります。団粒の安定性が良好な土壌は、通常、水の浸透率が高く、より多くの水がより速く土壌プロファイルに入り込み、水たまりが発生しにくくなります。

土壌団粒は凝集とセメント化のプロセスによって形成され、物理的および生物学的プロセスによって強化されます。一次土壌粒子（砂、シルト、粘土）^[10]はこれらのプロセスにさらされ、互いにくっついてより大きなサブミクロ団粒（< 250 μm）、ミクロ団粒、マクロ団粒（> 250 μm）を形成します。土壌団粒は階層的に形成されることが示唆されており、つまり、より大きく密度の低い団粒は、より小さく密度の高い団粒で構成されていることを意味します。^{[11] [12]}

凝集とは、土壌の一次粒子（砂、シルト、粘土）が粒子間力によって互いに引き寄せられ、微細な凝集体（または塊）を形成する状態を指します。粒子間力には、ファンデルワールス力、静電気力、水素結合が含まれます。これは、個々の土壌一次粒子が離れているときに発生する分散の反対です。土壌粒子の分散と凝集は、主に土壌 pH、^{[13] 、} 電気伝導率（EC）、およびナトリウム含有量 によって制御されます。

微細な凝集体は、炭酸塩、石膏、三二酸化物、粘土粒子、有機物などの1つまたは複数のセメント剤によってセメント化されて安定化されると、凝集体になります。^[14]

炭酸カルシウム（CaCO ₃）、炭酸マグネシウム（MgCO ₃）、石膏（CaSO ₄^・2H _{2 O）は}粘土鉱物と結合すると土壌の団粒化を促進する。カルシウムイオン（Ca ^{2+ ）は}粘土と有機物化合物の凝集に対する陽イオン架橋効果により、土壌団粒の形成と安定性に重要な役割を果たしている。カルシウムは交換部位でナトリウムと交換することができる。これにより、今度はナトリウム質土壌に関連する土壌粒子の分散、表面のクラスト化、団粒の消和が減少し、間接的に団粒の安定性が増加する。^[15]

鉄とアルミニウムの 水和酸化物（または三二酸化物）は、100μmを超える骨材を形成するためのセメント剤として作用し、この効果は10％を超える三二酸化物を含む土壌でより顕著になります。^{[14]鉄とアルミニウム} は溶液中で凝集剤として作用し（つまり、負に帯電した土壌粒子間の架橋陽イオンとして作用し）、三二酸化物は粘土粒子上にゲルとして沈殿する可能性があるため、三二酸化物は骨材の安定剤として作用します。^[16]

土壌粘土粒子は、その種類に応じて、団粒形成にさまざまな影響を与えます。2:1 タイプのフィロケイ酸塩粘土鉱物 (モンモリオリナイトなど) を含む土壌は、通常、高い陽イオン交換容量(CEC) を持ち、多価に帯電した有機物複合体と​​結合して微小団粒を形成します。^[16]したがって、土壌有機物はこれらの土壌の主な結合剤です。^[3]一方、酸化物と 1:1 タイプのフィロケイ酸塩粘土鉱物 (カオリナイトなど) を含む土壌では、土壌有機物は唯一の結合剤ではなく、酸化物とカオリナイト粒子間の静電荷によっても団粒形成が起こります。したがって、これらの土壌では、団粒形成はそれほど顕著ではありません。^[3]

土壌有機物は土壌中の団粒の安定性を高め、土壌炭素スポンジを形成する。土壌有機物は、土壌団粒にどのように組み込まれるかに基づいて分類することができる。^[17]

• 一時的（土壌有機物の多糖類分画）、
• 一時的なもの（菌糸と植物の根）、そして
• 持続性（多価金属カチオンおよび強く吸着したポリマーに関連する耐性芳香族化合物）。

一時的な有機物はマクロ凝集体（> 250 μm）を安定化させ、一方、一時的および持続的な有機物はミクロ凝集体を安定化させる。^[16]土壌有機物が凝集体の安定性に果たす役割は、いくつかの理由から判断が難しい場合がある。^[11]

• 土壌有機物全体のうち、団粒の安定性に役割を果たすのはほんの一部である。
• 土壌有機物には閾値があり、それを超えると有機物を添加しても団粒安定性は改善されない。
• その特定の土壌では、有機物が主な結合剤ではありません。

土壌の湿潤と乾燥のサイクルは、土壌の団粒形成に有益な効果をもたらす場合と、土壌の団粒形成に悪影響を与える場合があります。^{[18] [19] [ 20] [21]}これらの矛盾した結果を説明するために、土壌は団粒安定性の平衡状態を維持するという仮説が立てられました。土壌が特定の特性を持っている場合、その時点での土壌の団粒安定性に応じて、湿潤と乾燥の期間が団粒安定性の増加または減少につながる閾値レベルに達します。

土壌の収縮と膨張のサイクルは、湿潤と乾燥のサイクルと密接に関連していますが、存在する粘土層状珪酸塩鉱物の種類にも依存します。2：1タイプの層状珪酸塩鉱物（モンモリロナイトなど）の含有量が多い土壌は、湿潤と乾燥のサイクルを繰り返す間に作用するセメント力が強くなり、土壌団粒の安定性が向上します。^[16]これは、2：1タイプの層状珪酸塩鉱物が水分含有量の変化に応じて膨張して体積を増やすためです。つまり、これらの土壌は湿ると膨張し、乾燥すると収縮します。

土壌凝集は、土壌水分吸引力の増加によるストレスにより土壌粒子が再配置され、収縮と膨張を繰り返すことで発生します（Kay, 1990）。土壌によっては「自己マルチング」する能力を持つものもあり、これは土壌粒子の収縮と膨張の性質により、土壌表面に望ましい粒状構造が形成されることを意味します。^[22]

土壌は凍結と融解を繰り返すと膨張と収縮を起こします。凍結時に土壌の水分含有量が高いと、全体的な団粒安定性が低下することが分かりました。これらの土壌では水が膨張し、団粒をより小さな団粒に分解しますが、凍結によって生じた空隙は土壌が融解すると崩壊します。^[16]

土壌生物学的プロセスは、2:1フィロケイ酸塩粘土鉱物を持たず、構造形成を助ける収縮および膨張特性を欠く土壌で最も重要です。^[12]土壌生物は、団粒形成のさまざまなレベルで土壌構造に間接的および直接的な影響を及ぼす可能性があります。マクロ団粒（> 2000μm）は植物の根と菌糸によって結合し、メソ団粒（20〜250μm）はセスキ酸化物と難分解性有機物などの結合剤の組み合わせによって結合し、ミクロ団粒（2〜20μm）は難分解性有機結合によって結合します。^[14]土壌動物は土壌粒子を有機物と混ぜて互いに密接な関係を作り、土壌炭素スポンジに寄与します。

ミミズ、シロアリ、アリは、土壌構造に影響を与えることができる最も重要な無脊椎動物の一部です。^[23]ミミズが土壌のミネラルと有機成分を摂取すると、炭素とミネラルの結合が増加し、団粒の安定性を高める糞塊の形成を通じて、その土壌の構造安定性を高めることができます。^{[14] [12]}ミミズの中には、消化中にCa ²⁺イオンが凝集することで安定した微小団粒を形成できるものもあります。 ^[24]ダニやトビムシなどの一部の微小節足動物は、小さくても数が多いため、土壌構造を改善することができます。これらの生物は、森林生態系に関連することがよくあります。それらは腐植物質と植物の残骸の混合物を摂取します。それらの糞便ペレットの生成により、土壌構造が改善されます。^[23]

根と菌糸は団粒形成の重要な要因です。これらは一時的な団粒結合剤と考えられており、通常は団粒形成の初期段階に関連しています。根はそれ自体が結合剤として機能し、根圏生物と土壌動物に炭素を供給する大量の滲出液を生成します。また、根は水を吸収するため、周囲の土壌を乾燥させる効果があります。菌糸はマクロ団粒を安定させる結合剤として機能し、ミクロ団粒形成に寄与する多糖類も分泌します。^[14]

農家が土地を管理する方法によって、団粒安定性は大きく変化し、団粒安定性が増すことも減ることもあります。団粒安定性を乱す主な要因は、耕起、機械の往来、家畜の往来です。^[12] 耕起は、いくつかの方法で土壌の団粒を乱す可能性があります。(i)耕起によって下層土が表面に上がり、降水や凍結融解サイクルにさらされる、(ii) 土壌の水分、温度、酸素レベルが変化するため、分解や炭素損失が増加する、などです。^[3]耕起を減らしたり、耕起をまったく行わないと、従来の耕起方法に比べて土壌の団粒が改善することがわかっています。 ^[25]被覆作物を使用すると、土壌有機物と被覆作物によってもたらされる土壌被覆が増えるため、土壌の団粒が増加することが明らかになっています。多年生作物は通常、耕起を停止する必要があります。これにより^、団粒の乱れを防ぎ、植物が広範囲に根系を発達させて団粒安定性を促進できます。さらに、マルチや堆肥の形で有機物を投入すると、土壌マトリックスに炭素が追加され、土壌中の生物活動率が上昇し、団粒化が促進される可能性があります。^{[16]牛などの家畜の}飼育密度が高いと、土壌の圧縮や植生の喪失により、土壌の団粒安定性が低下する可能性があります。

土壌改良剤は、土壌の構造や保水性などの特性を改善して、意図した用途に合わせて土壌を改良するために土壌に施用できる改良剤ですが、土壌肥沃度に特に限定されるものではありません。ただし、多くの土壌改良剤は土壌肥沃度を変えることができます。いくつかの一般的な改良剤には、石灰、石膏、硫黄、堆肥、木材廃棄物、泥炭、厩肥、バイオソリッド、生物学的改良剤などがあります。土壌改良剤が効果を発揮するには、圃場全体に均等に散布し、栄養分の損失を防ぐために適切な時期に施用し、適切な栄養分を含まなければなりません。さらに、土壌改良剤の施用は場所によって異なり、土壌改良剤がすべての土壌に同じように作用するとは限らないため、ケースバイケースで取り組む必要があります。^[27]

気候や季節の変動は、土壌の団粒安定性に影響を与える可能性があります。地中海性気候では、団粒安定性はほぼ周期的なパターンで変化し、冬と早春には団粒安定性が低く、夏には団粒安定性が高くなることがわかっています。この団粒安定性の変化は、月間総降雨量および月間平均降雨量と高い相関関係にあることがわかりました。^[28]団粒安定性は、降水量と降雨強度によって影響を受ける可能性があります。降雨量が多く、降雨が不規則な場合、団粒安定性が低下し、浸食が増加する可能性があります。また、気温が高いと土壌の分解速度が速くなり、その場所の炭素量が減少し、団粒安定性が低下する可能性があります。気候が土壌の団粒安定性に与える影響の多くは、土壌タイプと湿潤/乾燥、収縮/膨張、凍結/融解との相互作用によるものです。^[16]

土壌団粒の安定性は、次のようないくつかの方法で測定できます。

• 土壌団粒は、風、水、機械などによってもたらされるさまざまな外圧によって不安定になる可能性があります。
• 土壌団粒の安定性は、さまざまなサイズスケールで判定できます。

ほとんどの場合、湿潤骨材安定法の方が適切です。なぜなら、この方法は、ほとんどの環境で侵食の原動力となっている水による侵食の影響を模倣しているからです。しかし、乾燥した環境では、乾燥骨材安定法の方が、これらの環境で侵食の原動力となっている風による侵食を模倣しているため、より適切な方法である可能性があります。 ^[29]は、骨材を水に浸し、骨材から剥離した土を測定する方法について説明しています。^{[30]は、骨材が異なる濃度の}塩化ナトリウム（NaCl）から異なる内部膨張圧を受ける方法を使用しました。以下に、一般的な方法をいくつか説明します。

^{ヨーダー[31]}が説明した湿式ふるい分け装置は、ブラック、ケンバー、チェピル^[32]による次の手順で湿潤骨材の安定性を測定するために使用でき、この手順はデーン、トップ、ニモ、パーキンス^[33]によって改良されました。

1. 土壌をふるいにかけて、2～4 mm サイズの骨材を含む土壌サンプルを採取します。
2. 2～4 mm サイズの骨材を 15 g 量り取ります。
3. ふるい目の大きさが 4.76 mm、2.00 mm、1.00 mm、0.21 mm のふるいの巣の上に置きます。
4. スプレーボトルと加湿器を使用して、骨材が飽和して光るまでゆっくりと土壌を湿らせます。
5. ふるいの巣を湿式ふるい装置に置き、毎分30回転で約10分間回転させます。
6. ふるいの巣を取り外し、105℃のオーブンに24時間入れます。
7. 重さを量った缶に約 7 g の湿った土を入れ、105 °C のオーブンで 24 時間加熱します。
8. ふるいの巣ごとに乾燥した土を計量する
9. 次に、サンプルをヘキサメタリン酸溶液に入れて粒子を分散させ、再びふるいにかけて砂粒子を取り除きます。その後、これらの砂粒子をオーブンで 105 °C で 24 時間乾燥させ、重量を量って骨材の安定性の計算に含めます。

平均重量を計算するには、次の式を使用できます。

S _4.76 = Ws _4.76 / (Ws/1+Ø)

S ₂ = Ws ₂ / (Ws/1+Ø)

S ₁ = Ws ₁ / (Ws/1+Ø)

S _0.21 = Ws _0.21 / (Ws/1+Ø)

S _<0.21 = 1 – (S _4.76 + S ₂ + S ₁ + S _0.21 )

Ø = (_湿潤Ws –_乾燥Ws ) /_乾燥Ws

MWD (mm) = (S _4.76 *4.76)+(S ₂ *2)+(S ₁ *1)+(S _0.21 *0.21)+(S _<0.21 *0.105)

数式の場合:

Ws _4.76 = 4.76 mmふるい

Ws ₂ = 2 mmふるい

Ws ₁ = 1 mmふるい

Ws _0.21 = 0.21 mmふるい

Ws _wet = 土壌の湿潤重量

Ws _dry = 乾燥土壌の重量

Ø = 水分含有量

MWD (mm) = 平均重量直径

^{Chepil [34]}によって説明された乾式ふるい分け回転シリンダーは、Metting と Rayburn によって説明されている次の手順で、入れ子式ふるい設計と組み合わせて使用​​することができます。^[35]

1. 土壌サンプルをふるいにかけて、直径0.92～1.68 mmの骨材を採取します。
2. 土壌サンプルの骨材 2 kg を計量します。
3. 土壌ふるいの巣を、開口部が 0.84 mm 超、0.84 ～ 0.42 mm、0.42 mm 未満のものに配置します。
4. 次に、骨材はコンベアベルトを使用して 10 mm/s の速度でふるいの巣に供給されました。
5. 次に、回転シリンダーを毎分 10 回転で操作し、サンプル全体が 0.84 mm 以上、0.84 ～ 0.42 mm、および 0.42 mm 未満の凝集体部分に分離されるまで続けます。
6. 乾燥安定性は、回転シリンダー法に従って、0.42 mm を超える骨材の割合として測定されます。

土壌団粒の安定性を測定するために使用される消石灰化法は、土壌団粒が水中に沈んだときにどれだけよくくっつくかを測定するものです。この方法を利用する方法はいくつかありますが、そのうちの1つは、ファジャルドとマクブラトニーによって開発された「Moulder: Soil Aggregates」アプリケーションです。^[36]この方法はスマートフォンを使用し、農家や科学者が次の方法を使用して畑から採取したサンプルを使用して団粒の安定性を測定する方法を概説しています。

1. 鋤を使って畑から土のサンプル（0～7.5cm）を採取します。
2. 分析の準備ができるまでサンプルを冷蔵庫に保管してください。
3. 定規を使用してサンプルを選択し、直径 1 ～ 2 cm の凝集体を採取し、水を加えることができる無地の白い背景の浅い皿に置きます。
4. 土壌の集合体がはっきりと見えるように、背面にカメラが付いた携帯電話を設置します。
5. 骨材が覆われるくらいの水を皿に入れて、アプリを起動します。
6. 数分後、骨材はさまざまな程度に分散します。
7. アプリは、骨材と土壌の安定性を判断するために使用できるスコアを提供します。