土壌有機物

土壌有機物（SOM）は土壌の有機物成分であり、さまざまな分解段階にある植物や動物の残骸、土壌微生物の細胞や組織、土壌微生物が合成する物質から構成されています。SOMは土壌の物理的および化学的特性、そして調節的な生態系サービスを提供する能力に多くの利点をもたらします。^{[ 1 ]} SOMは特に土壌の機能と品質にとって重要です。^{[ 2 ]}

SOMの利点は、いくつかの複雑で相互作用的な土壌要因から生じます。土壌機能に対するこれらの利点の網羅的ではないリストには、土壌構造、凝集、保水性、土壌生物多様性、汚染物質の吸収と保持、緩衝能力、植物栄養素の循環と貯蔵の改善が含まれます。SOMは、陽イオン交換サイトを提供し、特に窒素（N）、リン（P）、硫黄（S）などの植物栄養素、およびSOMの鉱化によってゆっくりと放出される微量栄養素の貯蔵庫となることで、土壌肥沃度を高めます。そのため、SOMの量と土壌肥沃度は有意に相関しています。^{[ 3 ]}

SOMは土壌炭素（C）の主要な吸収源および供給源としても機能します。SOMのC含有量は大きく変動しますが、^{[ 4 ] [ 5 ]} SOMは通常58%のCを含むと推定されており、「土壌有機炭素」（SOC）はSOMの同義語としてよく使用され、測定されたSOC含有量はSOMの大部分を占めるため、SOMの代理としてよく使用されます。土壌は地球上で最大のC吸収源の1つであり、大気と植生を合わせたよりも2～3倍多くのCを含んでいます。^{[ 6 ]}土壌は地球規模の炭素循環において重要であり、したがって、炭素は数世紀から数千年にわたって土壌に隔離される可能性があるため、気候変動の緩和にも重要です。 ^{[ 7 ] [ 8 ]}そのため、SOM/SOCの動態と、SOM管理を通じて炭素隔離の生態系サービスを提供する土壌の能力は、かなりの注目を集めています。^{[ 9 ]}

土壌中の SOM の濃度は、一般的にほとんどの高地土壌では表土の総質量の 1% ～ 6% の範囲です。上層部の有機物が 1% 未満の土壌は主に砂漠に限られますが、低地の湿潤地域の土壌の SOM 含有量は 90% にも達することがあります。SOC が 12% ～ 18% の土壌は、一般的に有機土壌に分類されます。^{[ 10 ]}有機物の蓄積は土壌の種類とも密接に関連しており、土壌形成の複数の要因 (Cl、O、R、P、T) によって制御されます。

SOMは、微生物の生体量、新鮮で部分的に分解されたデトリタス、そしてより安定した有機炭素（腐植とも呼ばれる）の3つの属に分類できます。地表の植物残渣、つまり新鮮な植物残渣は、一般的にSOMから除外されます。^{[ 11 ]}

土壌断面内では、土壌有機物は表層（深さ約20cm）とより深い鉱物土壌（20～30cm以下）で異なる分布を示します。世界の土壌有機炭素の約70%は20cm以下の深さに存在します。 ^{[ 13 ] [ 14 ]}表層土壌は一般的にSOC濃度が高く、生態系によって29%～50%の範囲ですが^{[ 15 ]}、より深い土壌は質量が増加するため、実際にはより多くのSOCを蓄積します。^{[ 16 ]}表層土壌とより深い土壌の間でSOCの年代（放射性炭素年代測定から判明）が増加すると、より深い土壌が炭素をより長い期間蓄積および貯蔵している可能性があり、より深い場所にSOCが多く貯蔵されている理由にも寄与していることが示されます。^{[ 17 ]}

さらに、SOC の構成は深さによって変化し、表層土壌では生物の影響がより強く、深層では鉱物の影響が SOC を支配しています。^{[ 18 ]}深層での鉱物の影響の優位性、および深層土壌で見られる SOC の量の増加は、鉱物関連有機物(MAOM または MAOC、鉱物関連有機 C) に関係しており、これは一般的に粒子状有機物(POM または POC、有機 C)と比較して微生物による分解に抵抗性があると考えられています。 ^{[ 19 ]}

MAOMは、植物や微生物由来の低分子量化合物であり、SOMと荷電した鉱物表面との化学結合や凝集による閉塞によって鉱物と結合していると考えられています。^{[ 20 ]}この鉱物との結合は、分解者がアクセスしにくくなるため、SOMを保護する役割を果たします。MAOMは通常、土壌中でより長く存在し、数世紀にわたってそこに留まりますが、POMは数年から数十年で分解されます。^{[ 21 ]}一方、POMは、フェノール、セルロース、真菌由来化合物（キチン）などの植物化合物の断片であり、あまり分解されていないと考えられています。

土壌有機物（SOM）の主な供給源は植物性デトリタスです。例えば、森林や草原では、様々な土壌微生物が新鮮なデトリタスをより単純な化合物に分解します。この過程はいくつかの段階を経て進行し、最初の段階は主に機械的な分解であり、分解が進むにつれて化学的な分解へと変化していきます。微生物分解者はSOMに含まれ、互いに捕食し合い、また捕食される生物の食物網を形成します。

腐食動物の上には、新鮮な植物性物質を摂取する草食動物もおり、その残渣は土壌に移行します。これらの生物の代謝産物は、死骸も含め、土壌有機物の二次的な供給源となります。ミミズ、シロアリ、アリ、ヤスデなどの一部の動物は、有機物の垂直方向および水平方向の移動に寄与します。^{[ 1 ]}

SOM の追加供給源としては、植物の根からの分泌物^{[ 22 ]}や木炭^{[ 23 ]}などがある。

ほとんどの植物性デトリタスの水分含有量は60%から90%の範囲です。乾燥物質は主に炭素、酸素、水素で構成されています。これら3つの元素は土壌中の有機物の乾燥重量の約92%を占めていますが、窒素、リン、カリウム、硫黄、カルシウム、マグネシウム、および多くの微量栄養素など、植物の栄養に不可欠な他の元素も存在します。^{[ 1 ]}

植物性デトリタスに含まれる有機化合物には以下のようなものがある。

• 炭水化物は炭素、水素、酸素から構成され、比較的単純な糖からセルロースのような大きな分子まで、複雑さは様々である。
• 脂肪は、酪酸、ステアリン酸、オレイン酸などの脂肪酸のグリセリドから構成されています。また、炭素、酸素、水素も含まれています。
• リグニンは、木材の古い部分から得られる複雑な化合物です。分解されにくく、主に炭素、酸素、水素から構成されています。
• タンパク質は窒素、炭素、水素、酸素から構成され、少量の硫黄、鉄、リンも含まれる。^{[ 1 ]}
• 木炭は、有機物の不完全燃焼によって得られる元素炭素である。分解されにくい性質を持つ。

植物性デトリタスは一般的に水に溶けないため、植物が利用することはできません。しかし、植物栄養素の原料となるものです。土壌微生物は酵素的生化学プロセスによってこれを分解し、同じ物質から必要なエネルギーを得て、植物の根が吸収しやすいミネラル化合物を生成します。^{[ 24 ]}有機化合物が特にミネラル、つまり無機化合物に分解されることを「鉱化作用」と呼びます。有機物の一部は鉱化されず、代わりに「腐植」と呼ばれる安定した有機物に分解されます。^{[ 1 ]}

有機化合物の分解速度は、化合物の性質によって大きく異なる。分解速度の速い順から遅い順に並べると以下のようになる。

1. 糖類、デンプン、単純タンパク質
2. タンパク質
3. ヘミセルロース
4. セルロース
5. リグニンと脂肪
6. キチンとワックス

発生する反応は、以下の3つの属のいずれかに分類できます。

• 酵素による酸化反応は、二酸化炭素、水、熱を生成する。これは物質の大部分に影響を与える。
• 一連の特定の反応によって、窒素、リン、硫黄といった必須元素が遊離され、無機化される。
• 微生物の作用に耐性のある化合物は、元の化合物の修飾、または腐植を生成するための新しい化合物の微生物合成によって形成される。^{[ 1 ]}

鉱物製品は以下のとおりです。

セルロースとヘミセルロースは 、真菌や細菌によって急速に分解され、温帯気候で​​は半減期が 12〜18 日である。 ^{[ 25 ]}褐腐菌はセルロースとヘミセルロースを分解し、リグニンとフェノール化合物を残すことができる。^{[ 26 ]}植物のエネルギー貯蔵システムであるデンプンは、細菌や真菌によって急速に分解される。^{[ 27 ]}リグニンは、高度に分岐した非晶質構造を持つ 500〜600 単位のポリマーで構成され、植物細胞壁のセルロース、ヘミセルロース、ペクチンと結合している。^{[ 28 ]}リグニンは、主に白色腐朽菌と放線菌によって非常にゆっくりと分解され、温帯条件下での半減期は約 6 か月である。^{[ 25 ]}

リグニンは分解されにくく、土壌中に蓄積します。また、タンパク質とも反応し^{[ 29 ]} 、微生物による酵素分解を含む分解に対する抵抗力をさらに高めます^{[ 30 ]} 。植物由来の脂肪やワックスはさらに分解されにくく、土壌中に数千年も残存するため、埋没した土壌層中の過去の植生のトレーサーとして利用されます^{[ 31 ]} 。粘土質の土壌は、有機分子が粘土に付着して安定化されるため、粘土を含まない土壌よりも有機物含有量が高く、その残存期間が長くなることがよくあります^{[ 32 ]} 。タンパク質は通常、容易に分解されますが、硬タンパク質は例外です。しかし、粘土粒子に結合すると、分解に対する抵抗力が高まります^{[ 33 ]} 。他のタンパク質と同様に、粘土粒子は微生物が分泌する酵素を吸収し、酵素活性を低下させると同時に、細胞外酵素を分解から保護します。^{[ 34 ]}粘土質の土壌に有機物を加えると、その有機物や加えられた栄養素が植物や微生物にとって何年も利用できなくなる可能性があります。^{[ 35 ]}ある研究では、粘土質の土壌に完熟堆肥を加えると土壌肥沃度が増加することが示されました。 ^{[ 36 ]}土壌中のタンニン含有量が高いと、窒素が耐性のあるタンニン-タンパク質複合体として隔離される可能性があります。^{[ 37 ] [ 38 ]}

腐植とは、土壌微生物や動物によって分解され、それ以上分解されにくくなった有機物のことを指します。^{[ 39 ]}腐植は通常、土壌の体積のわずか5%以下を占めるにすぎませんが、栄養分の重要な供給源であり、土壌の健康と植物の成長に不可欠な重要な質感特性を付加します。^{[ 40 ]}腐植はまた、土壌をさらに改良する節足動物、シロアリ、ミミズの餌にもなります。 ^{[ 41 ]}最終生成物である腐植は、土壌溶液中にコロイド状で懸濁し、鉄原子とアルミニウム原子をキレート化することでケイ酸塩鉱物を攻撃できる弱酸を形成します。^{[ 42 ]}腐植は、乾燥重量ベースで粘土コロイドの何倍も高い陽イオンおよび陰イオン交換容量を持っています。^{[ 43 ]}また、粘土と同様に、pHと土壌水分の変化に対する緩衝剤としても機能します。^{[ 44 ]}

植物性残渣が分解されるにつれて、修飾リグニン、油、脂肪、ワックスなど、微生物耐性のある化合物の一部は分解されずに残ります。次に、多糖類やポリウロニドなどの新しい化合物が合成されます。これらの化合物は腐植の基礎となります。これらの化合物と、窒素を含むタンパク質やその他の生成物との間で新しい反応が起こり、窒素が取り込まれて無機化が回避されます。他の栄養素もこのようにして無機化から保護されます。^{[ 45 ]}

腐植の形成は、毎年加えられる植物性物質の量と基土の種類に依存するプロセスです。どちらも気候と存在する生物の種類によって影響を受けます。^{[ 46 ]}腐植を含む土壌は窒素含有量が異なる場合がありますが、通常は 窒素が3～6パーセント含まれています。窒素とリンの貯蔵庫としての未加工の有機物は、土壌の肥沃度に影響を与える重要な構成要素です。^{[ 47 ]}腐植は水を吸収し、粘土よりも乾燥状態と湿潤状態の間で膨張と収縮が大きく、土壌の多孔性を高めます。^{[ 48 ]}腐植は微生物の分解によって減少するため、土壌の鉱物成分よりも不安定で、新しい有機物を加えなければ時間の経過とともにその濃度は減少します。しかし、最も安定した形態の腐植は、数世紀、場合によっては数千年にわたって存続する可能性があります。^{[ 49 ]}木炭は、黒色炭素と呼ばれる非常に安定した腐植土の供給源であり、^{[ 50 ]}伝統的に栄養分の乏しい熱帯土壌の肥沃度を改善するために使用されてきました。アマゾンの黒土の形成で確認されたこの非常に古い慣習は、バイオ炭という名前で復活し、人気を博しています。バイオ炭は、温室効果ガス対策としてより多くの炭素を隔離するために使用できると示唆されています。^{[ 51 ]}

土壌は地球規模の炭素循環において重要な役割を果たしており、地球規模の土壌炭素プールは2,500ギガトンと推定されている。これは大気中のプール（750ギガトン）の3.3倍、生物のプール（560ギガトン）の4.5倍に相当する。主に土壌有機物（SOM）の形で存在する有機炭素プールは、地球全体の炭素プールの約1,550ギガトンを占めており、 ^{[ 55 ] [ 56 ]}残りは土壌無機炭素（SIC）である。有機炭素プールは、増加と減少の間で動的平衡状態にある。そのため、土壌は、外的要因に応じて、炭素隔離または温室効果ガス排出を通じて、それぞれ炭素のシンクまたはソースとして機能する可能性がある。^{[ 57 ]}

有機物の生成、蓄積、分解は気候に大きく依存します。たとえば、融解現象が発生すると、土壌ガスと大気ガスのフラックスが大きく影響を受けます。^{[ 58 ]}温度、土壌水分、地形は、土壌中の有機物の蓄積に影響を与える主な要因です。有機物は、低温^{[ 59 ]}または嫌気性状態をもたらす過剰な水分によって分解者の活動が阻害される湿潤または低温の条件下で蓄積する傾向があります。 ^{[ 60 ]}逆に、熱帯気候の過剰な降雨と高温は、有機物の急速な分解と植物栄養素の溶脱を可能にします。これらの土壌の森林生態系は、生産性を維持するために、生きている植物と微生物バイオマスによる栄養素と植物物質の効率的なリサイクルに依存していますが、このプロセスは人間の活動によって妨げられています。^{[ 61 ]}特に農業のために耕作が行われている過度の傾斜は、そうでなければ最終的に腐植になるはずのほとんどの未加工有機物を保持する土壌の表層の侵食を促進する可能性があります。^{[ 62 ]}

• 生物由来物質– 生物に由来するあらゆる物質 
• デトリタス– 死んだ有機物の微粒子 
• 固定化（土壌科学）
• 鉱化作用（土壌科学）－有機物の分解 
• 有機物– 有機化合物から構成される物質 
• 土壌炭素– 世界の土壌に蓄積された固体炭素 
• 土壌科学― 地球表面の天然資源としての土壌の研究