Loading article…
土壌化学とは、土壌の化学的特性を研究する学問である。土壌化学は、鉱物組成、有機物、環境要因によって影響を受ける。1870年代初頭、イギリスの王立農業協会の顧問化学者であったJ.トーマス・ウェイは、土壌がイオンを交換する仕組みについて多くの実験を行い、土壌化学の父とみなされている。[ 1 ]この生態学分野に貢献した他の科学者には、エドマンド・ラフィンやライナス・ポーリングなどがいる。[ 1 ]
1960年代後半まで、土壌化学は主に土壌生成に寄与する、あるいは植物の成長に影響を与える土壌中の化学反応に焦点を当てていました。それ以降、環境汚染、有機および無機土壌汚染、そして潜在的な生態系および環境の健康リスクに対する懸念が高まりました。その結果、土壌化学の重点は、土壌学や農業土壌科学から環境土壌科学へと移行しました。
土壌環境化学に関する知識は、汚染物質の運命を予測する上で、また汚染物質が土壌に最初に放出される過程を理解する上で極めて重要です。化学物質が土壌環境に曝されると、汚染物質の毒性を増減させる可能性のある無数の化学反応が起こり得ます。これらの反応には、吸着／脱着、沈殿、重合、溶解、加水分解、水和、錯体形成、酸化／還元などが含まれます。これらの反応は、環境修復に携わる科学者や技術者によってしばしば見過ごされがちです。これらの過程を理解することで、汚染物質の運命と毒性をより正確に予測し、科学的に正しく費用対効果の高い修復戦略を策定するための知識を得ることができます。
土壌構造とは、個々の土壌粒子がどのように集まって凝集体と呼ばれる粒子の塊を形成するかを示すものです。これは、土壌形成の種類、母材、および土壌の質感によって決まります。土壌構造は、多様な生物相や人間の管理方法によっても影響を受ける可能性があります。
土壌構造形態の分類は、主に形状に基づいて行われる。
土壌の微細孔と大孔の相互作用は、土壌と周囲の大気に水と気体元素を供給するため、土壌化学にとって重要です。大孔[ 3 ]は、分子や物質を微細孔に出入りさせるのに役立ちます。微細孔は、凝集体自体の中にあります。
大気には主に酸素、二酸化炭素（CO₂ ） 、窒素の3つの気体が含まれています。大気中の酸素は体積比で20%、窒素は79%、CO₂は0.15%から0.65%です。CO₂は、蓄積された有機物の分解と植物の根の豊富さにより、土壌の深さが増すにつれて増加します。土壌中の酸素の存在は、不溶性の岩石塊を可溶性の鉱物に分解し、有機物の腐植化を助けるため重要です。土壌中の空気は、大気中に存在する気体で構成されていますが、その割合は同じではありません。これらの気体は、微生物の化学反応を促進します。土壌中に可溶性栄養素が蓄積すると、土壌の生産性が向上します。土壌中の酸素が不足すると、微生物の活動は遅くなったり、なくなったりします。土壌の大気を制御する重要な要因は、温度、気圧、風/通気、降雨です。
土壌の質感は、土壌の構造維持能力、水の流れの制限、土壌中の粒子の含有量など、土壌の化学的性質に影響を与えます。土壌の質感はすべての粒子タイプを考慮しており、土壌質感三角形は、土壌断面における各粒子タイプの割合を計算し、合計が100%になるように使用できる図表です。これらの土壌粒子は、大きさだけでなく、土壌の通気性、作業性、水分や栄養素の移動と利用可能性など、植物の成長に影響を与える重要な要素にも違いがあります。
砂の粒子の大きさは様々です（約0.05～2 mm）。[ 4 ]砂は粒子群の中で最も粗いものです。砂は粒子群の中で最も大きな孔と土壌粒子を持っています。また、最も排水しやすいです。これらの粒子は、粘土で覆われると化学反応に関与しやすくなります。
シルト粒子の大きさは0.002～0.5mm程度です 。シルトの孔隙は、他の粒子群と比較して中程度の大きさです。シルトは小麦粉のような質感です。シルト粒子は水と空気を容易に通過させますが、作物の生育に必要な水分を保持します。シルト質の土壌には、有機物と無機物の両方の栄養素が十分に含まれています。
粘土は、粒子群の中で最も粒子サイズが小さい（約0.002mm未満 ）物質です。また、粘土は孔隙も最も小さいため、多孔質で排水性が悪いです。湿ると粘土は粘り気のある質感になります。種類によっては、膨張したり収縮したりするものもあります。
ロームとは、砂、シルト、粘土が混ざり合った土壌のことです。土壌を構成する主要な粒子に基づいて、砂質ローム、粘土質ローム、シルト質ロームなどと命名されます。
生物とは、有機物とともに土壌の生物システムを構成する生物のことです。生物活動の大部分は土壌表面付近、通常は土壌断面のA層で行われます。生物は、自らの生存と個体数の増加のために有機物の供給を必要とします。その見返りとして、生物は土壌の食物網で循環した栄養素を土壌に供給します。
生物は様々な相互作用を通じて、物理的、化学的、生物学的に環境に大きな影響を与える可能性がある（Pavao-Zuckerman、2008）。これらの相互作用にある程度の安定性をもたらす上で重要な要因の一つが生物多様性であり、これはあらゆる生態系群集の重要な構成要素である。生物多様性は栄養段階を通じたエネルギーの安定した流れを可能にし、土壌中の生態系群集の構造に強い影響を与える。
土壌生物の種類は、植物（植物相）、動物（動物相）、微生物のカテゴリーに分類できます。植物は、微生物と栄養素を交換したり、栄養素を吸収したりすることで、土壌化学において重要な役割を果たし、陽イオンと陰イオンの濃度勾配を作り出します。さらに、植物によって生じる水ポテンシャルの差は、土壌中の水の移動に影響を与え、さまざまな粒子の形状と輸送に影響を及ぼします。土壌表面の植生被覆は侵食を大幅に軽減し、その結果、土壌の圧縮を防ぎ、土壌の孔隙空間の通気性を維持するのに役立ち、それに依存する生物相と陽イオン交換部位に酸素と炭素を供給します。動物は、栄養素とエネルギーのさまざまな形態への循環を調節するため、土壌化学に不可欠です。これは主に食物網を通じて行われます。土壌動物の種類を以下に示します。
土壌微生物は、土壌中で起こる数多くの生物学的および化学的活動において重要な役割を果たしています。これらの微生物は、 土壌によっては1ヘクタールあたり約1,000～10,000kgのバイオマスを構成すると言われています（García-Sánchez、2016）。微生物は主に植物との共生関係で知られています。最もよく知られている例は菌根菌で、植物の根と共生関係を築き、炭素と窒素を交換します。さらに、微生物は土壌中で起こる呼吸の大部分を担っており、土壌からのメタンや亜酸化窒素などのガスの放出に影響を与えます（気候変動の議論において重要な意味を持ちます）（Frouz et al.、2020）。微生物が環境に及ぼす影響の重要性を考えると、多くの植物栽培者、自然保護活動家、生態学者は、微生物の保護と促進を望んでいます。
土壌有機物は、土壌における最大の栄養源およびエネルギー源です。その投入量は、生物の種類、pH、さらには土壌構造といった重要な土壌要因に大きな影響を与えます。土壌有機物は、土壌構造の改善、栄養分の供給、pHの調整、保水性の向上、土壌温度の調節（これは水分動態や生物に直接影響します）といった効果があるため、植物栽培者によって戦略的に施用されることがよくあります。
土壌中の有機物分解生成物である腐植土の主な構成要素は、炭素、水素、酸素、硫黄、窒素です。腐植土に含まれる重要な化合物としては、炭水化物、リン酸、一部の有機酸、樹脂、尿素などが挙げられます。腐植土は酸化、還元、加水分解によって常に変化する動的な物質であり、そのため炭素含有量が多く、窒素含有量が少ないのが特徴です。腐植土は様々な供給源から得られますが、多くの場合、家畜の糞尿や植物残渣に由来します。
土壌の質感など他にも多くの要因があるが、有機物含有量が不十分な土壌は、土壌構造を支えるものが何もないため、土壌劣化や乾燥を起こしやすい。これはしばしば土壌肥沃度の低下と浸食性の増加につながる。
その他の関連概念：
土壌中の多くの植物栄養素は、環境全体を通して生物地球化学的循環を経ます。これらの循環は、水、ガス交換、生物活動、固定化、および鉱化作用の動態によって影響を受けますが、各元素にはそれぞれ独自の流れがあります（Deemy et al., 2022）。たとえば、窒素は土壌中を移動して植物が利用できるようになるにつれて、孤立した気体形態から硝酸塩と亜硝酸塩の化合物へと変化します。これに対し、リンのような元素は岩石物質に含まれているため、鉱物形態で移動します。これらの循環は、移動性、溶解度、および自然循環における移動速度において大きく異なります。これらが一体となって、土壌化学のすべてのプロセスを駆動します。
土壌の化学に関する新たな知見は、多くの場合、実験室での研究から得られます。実験室では、野外の未撹乱の土壌層から採取した土壌サンプルを、反復処理と対照を含む実験に使用します。多くの場合、土壌サンプルは、さらなる研究のために保管する前に、周囲温度（例：25 °C（77 °F））で風乾し、2 mm のサイズにふるい分けます。このような土壌サンプルの乾燥とふるい分けは、土壌構造、微生物群集の多様性、pH、酸化還元状態、マンガン酸化状態、溶存有機物などの化学的性質を著しく破壊します。[ 7 ]近年の関心の高まりにより、多くの土壌化学者は、調査の前と調査中に、土壌サンプルを野外の湿潤状態に保ち、好気性条件下で4 °C（39 °F）で保管するようになりました。[ 8 ]
土壌化学の実験室調査では、2 つのアプローチがよく用いられます。1 つ目はバッチ平衡法として知られています。化学者は、一定量の水または既知濃度の溶解イオンを含む塩溶液を土壌の塊に加えます (例えば、遠心分離管またはフラスコ内の 5 g の土壌に対して 25 mL の溶液)。次に、土壌スラリーを一定時間 (例えば 15 分から数時間) 振とうまたは旋回して定常状態または平衡状態を確立し、その後、ろ過または高速遠心分離して、平衡溶液から砂粒、シルト粒子、および粘土コロイドを分離します。 [ 9 ]ろ液または遠心分離液は、イオン選択電極、原子吸光分光法、誘導結合プラズマ分光法、イオンクロマトグラフィー、および比色法 など、いくつかの方法のいずれかを使用して分析されます。いずれの場合も、分析では溶液相中のイオンまたは分子の濃度または活性を定量化し、測定された濃度または活性（例えば、mgイオン/mL）に溶液対土壌比（抽出溶液のmL/土壌のg）を乗じることで、化学者はmgイオン/g土壌での結果を得ます。土壌の質量に基づくこの結果により、異なる土壌と処理間の比較が可能になります。関連するアプローチでは、既知の体積の溶液を使用して、制御された速度で少量の土壌を通して抽出溶液を浸出（浸透）させ、雨、雪解け水、灌漑水が野外の土壌を通過する様子をシミュレートします。その後、ろ液はバッチ平衡で使用されるのと同じ方法で分析されます。[ 10 ]
土壌プロセスや現象を定量化する別のアプローチとして、土壌を揺すったり抽出土壌溶液で浸出させたりして土壌を破壊しない現場測定法があります。これらの方法では通常、フーリエ変換赤外分光法、核磁気共鳴、メスバウアー分光法、X線分光法などの表面分光技術が使用されます。これらのアプローチは、粒子やコロイド表面の鉱物学や化学の化学的性質、およびイオンや分子が吸着、錯体形成、沈殿によってそのような表面とどのように関連しているかについての情報を得ることを目的としています。[ 11 ]
これらの実験室実験と分析は、土壌中のイオンや分子の反応の化学的メカニズムをデータから推測できるという点で、野外調査よりも優れています。土壌の質感、有機物含有量、粘土鉱物や酸化物の種類、pH、排水条件が異なるさまざまな土壌における同様の反応について結論を導き出したり、新しい仮説を立てたりすることができます。実験室研究の欠点は、野外の未撹乱土壌の現実性や不均一性の一部が失われる一方で、制御が可能になり、未調査の土壌への外挿力が得られることです。メカニズムに基づいた実験室研究と、より現実的で制御の少ない観察的な野外調査を組み合わせることで、空間的に不均一で時間的に変動する可能性のある土壌の挙動や化学の正確な近似値が得られることがよくあります。土壌化学者が直面するもう1つの課題は、特に土壌サンプルが実験室研究や分析の前に乾燥される場合、野外と実験室の両方で土壌が撹乱されたときに、野外土壌の微生物群集と酵素活性がどのように変化するかということです。[ 12 ]
ウィキメディア・コモンズにある土壌化学関連のメディア