土壌科学

土壌科学とは、土壌の形成、分類、マッピング、土壌の物理的、化学的、生物学的、肥沃度特性、およびこれらの特性と土壌の利用と管理との関係を含め、地球表面の天然資源としての土壌を研究する学問である。^{[ 1 ]}

土壌科学に関連する学問分野の名称の多様性は、関係するさまざまな団体に起因しています。実際、エンジニア、農学者、化学者、地質学者、自然地理学者、生態学者、生物学者、微生物学者、林業家、衛生学者、考古学者、地域計画の専門家など、あらゆる専門家が土壌に関する知識の深化と土壌科学の発展に貢献しています。^{[ 2 ]}

土壌科学者たちは、人口増加、将来起こりうる水危機、一人当たりの食料消費量の増加、土地劣化といった状況下で、土壌や耕作地をどのように保全していくかについて懸念を表明している。^{[ 3 ]}

土壌は、地球科学が地球を概念的に整理するために用いる地球の圏の一つである土壌圏を占めています。これは、土壌科学の二つの主要な歴史的分野である土壌学と土壌生態学の概念的視点です。土壌学は、自然環境における土壌の研究です。土壌生態学は、土壌に依存する用途との関連における土壌の研究です。どちらの分野も、土壌物理学、土壌化学、土壌生物学の組み合わせを適用します。土壌圏内では、生物圏、大気圏、水圏の間で数多くの相互作用が存在するため^{[ 4 ]} 、より統合的で、土壌中心ではない概念も価値があります。土壌を理解するために不可欠な多くの概念は、生物学者^{[ 5 ]}や哲学者^{[ 6 ]}など、厳密には土壌科学者とは特定できない人々によって生み出されたり、更新されたりしています。これは、土壌概念の学際的な性質を強調しています^{[ 7 ] 。}

土壌の多様性とダイナミクスを探求することで、新たな発見と洞察がもたらされ続けています。気候変動^{[ 8 ] [ 9 ]} 、温室効果ガス^{[ 10 ]}、炭素隔離^{[ 11 ]}の文脈で土壌を理解する必要性から、土壌研究の新たな道が開かれています。地球の生物多様性の維持と過去の文化の探求への関心も、土壌のより洗練された理解を得ることへの新たな関心を刺激しています^{[ 12 ] [ 13 ] 。}

土壌マッピングとは、特定の地域の土壌の種類と特性を分類し、その情報を地理情報として符号化するプロセスです。20世紀後半には、土壌マッピングは現地調査によって行われ、国や目的に応じてさまざまな縮尺で土壌の等高線を地理地図上に報告していました。より最近では、リモートセンシングデータを使用して空間と時間における土壌を定量化するために、さまざまな国でデジタル土壌マッピング手法が開発されています。 ^{[ 14 ] [ 15 ]}

1998年、世界土壌資源基準（WRB）がFAO土壌分類に代わって国際的な土壌分類システムとなった。現在有効なWRBのバージョンは第4版（2022年）である。^{[ 16 ]} FAO土壌分類は、USDA土壌分類を含む現代の土壌分類概念を取り入れている。

WRBは主に土壌形態を土壌生成の表現として基づいている。USDAの土壌分類との大きな違いは、気候が土壌断面特性に影響を与える場合を除いて、土壌気候がシステムの一部ではないことである。^{[ 17 ]}

他にも多くの分類体系が存在し、その中には在来の体系も含まれる。在来の体系の構造は、名目式（土壌や景観に固有の名前を付ける）か記述式（土壌を赤、熱い、脂肪質、砂質などの特性で命名する）のいずれかである。土壌は、物理的な外観（例：色、質感、地形上の位置）、性能（例：生産能力、洪水）、および付随する植生などの明らかな特性によって区別される。^{[ 18 ]}多くの人に馴染みのある在来の区別は、質感を重粘土質または軽砂質に分類することである。砂の含有量が多く構造が良い軽土壌は、きめ細かい土壌よりも耕起や耕作の手間が少ないが、侵食を受けやすく、生産能力の損失につながる。^{[ 19 ]}軽い（砂質）土壌は、風乾時の重量が重い（粘土質）土壌よりも必ずしも軽いわけではなく（つまり、かさ密度は同程度である）、多孔性も高くはないが、圧縮に対する抵抗力が高いため、牛の踏みつけに対しては感受性が低い。 ^{[ 20 ]}

最も古い土壌分類システムは中国のもので、紀元前5世紀の書物『于公』に登場し、土壌は色、質感、水文学に基づいて3つのカテゴリーと9つのクラスに分けられていた。^{[ 21 ]}

同時代のフリードリヒ・アルベルト・ファロウ（近代土壌科学のドイツ人創始者）とヴァシリー・ドクチャエフ（近代土壌科学のロシア人創始者）は、土壌をその独自性と複雑さゆえに地質学や作物生産とは概念的に区別し、全体として扱うべき資源として最初に認識した人物として評価されている。土壌科学の創始者として、ファロウはドクチャエフが生まれる前から土壌の起源について研究しており、時間的にはファロウが先駆者である。^{[ 22 ]}しかし、ドクチャエフの研究はより広範であり、ファロウの研究よりも近代土壌理論にとってより重要であると考えられている。^{[ 23 ]}

以前は、土壌は岩石の化学的変化の産物、植物が栄養分を得る死んだ基質と考えられていました。土壌と岩盤は事実上同一視されていました。ドクチャエフは、土壌を独自の起源と独自の発展の歴史を持つ自然体、内部で複雑で多様なプロセスが起こっている体とみなしています。土壌は岩盤とは異なると考えられています。岩盤は、一連の土壌形成要因（気候、植生、地形、起伏、年代）の影響を受けて土壌になります。彼によれば、土壌は岩石の種類に関係なく、岩石の「日周」または外向きの層と呼ばれるべきです。土壌は、水、空気、およびさまざまな種類の生物と死んだ生物の共通の作用によって自然に変化します。^{[ 24 ]}

1914年の百科事典の定義「岩石の風化または崩壊によって形成された、岩石表面のさまざまな形態の土」^{[ 25 ]}は、19世紀から続いてきた土壌の歴史的な見方を例示している。ドクチャエフの19世紀後半の土壌概念は、20世紀には、土壌は生物のプロセスによって変化した土質物質であるという概念へと発展した。^{[ 26 ]}生物成分のない土壌は、単に地球の外層の一部であるレゴリスであるという概念も付随する。^{[ 27 ]}

土壌の概念は、土壌内部でのエネルギー輸送と変換の理解に基づいてさらに洗練されつつあります。この用語は、地球の月^{[ 28 ]}や火星^{[ 29 ]}の表面にある物質に一般的に適用されていますが、科学界の一部でのみ受け入れられている用法です^{[ 30 ]} 。土壌に関するこの現代的な理解に正確なのは、ニキフォロフが1959年に定義した「地球の地殻の地表下の励起された表皮」という土壌の定義です^{[ 31 ] 。}

学術的には、土壌科学者は土壌生物学、土壌学、土壌環境学、土壌物理学、化学の5 つの専門分野のいずれかに惹かれる傾向があります。しかし、具体的な研究内容は、私たちの文明がそれを支える土地を持続させたいという願望が直面する課題によって大きく左右され、その過程で土壌科学の下位分野間の区別はしばしば曖昧になります。クリティカル ゾーンの概念は、地球表面の土壌、岩石、空気、水、生物資源に関する学際的な基礎研究のための自然な枠組みを提供します。^{[ 32 ]}土壌科学の専門家は、一般的に土壌化学、土壌物理学、土壌生物学、土壌学、および関連分野の応用土壌科学の最新情報を常に把握しています。しかし、生物学や物理学など、元の地質学的枠組みよりも他の知識分野に関連する新しい下位分野の出現と発展は、21 世紀初頭の土壌科学の研究と教育への投資の減少につながりました。^{[ 33 ]}

2004年現在、米国の土壌科学者を惹きつけている刺激的な取り組みの一つはイリノイ州土壌品質イニシアチブです。土壌品質イニシアチブの中心は、土壌の健康の指標を開発し、地球の管理者としての私たちのパフォーマンスについて長期（10年単位）のフィードバックが得られるようにそれらを監視することです。^{[ 34 ]}この取り組みには、土壌微生物クラストの機能の理解と、大気中の炭素を土壌有機物に固定する可能性の探求が含まれます。しかし、農業の概念を土壌品質に関連付けることは、論争や批判を免れていません。緑の革命の父であるノーベル平和賞受賞者のノーマン・ボーローグと世界食糧賞受賞者のペドロ・サンチェスという、熱帯の飢餓問題を解決するためのバイオテクノロジーに基づく農業の著名な提唱者2人による批判も含まれます。^{[ 35 ] [ 36 ]}

土壌科学者のより伝統的な役割は、土壌をマッピングすることです。現在、米国のほぼすべての地域で土壌調査が公表されており、土壌特性が活動や利用をどのように支えたり制限したりするかについての解釈表が含まれています。^{[ 37 ]}国際的に認められた土壌分類法により、土壌特性と土壌機能の統一的な伝達が可能になります。国内外の土壌調査の取り組みにより、この分野は景観規模の機能に関する独自の洞察を得ています。^{[ 38 ]}土壌科学者が現場で取り組むよう求められる景観機能は、おおよそ次の6つの分野に分類されるようです。

• 陸上における廃棄物処理
  • 浄化槽システム
  • 肥料
  • 都市下水汚泥
  • 食品および繊維加工廃棄物
• 環境的に重要な地域の特定と保護
  • 敏感で不安定な土壌
  • 湿地
  • 貴重な生息地と生態系の多様性を支える独特な土壌状況
• 最適な土地生産性を実現するための管理
  • 林業
  • 農学
    • 栄養管理
    • 水管理
  • 在来植物
  • 放牧
• 最適な水質管理
  • 雨水管理
  • 土砂流出および侵食防止
• 損傷した土地の修復と復旧
  • 鉱山跡地の復旧
  • 洪水と暴風雨による被害
  • 汚染
• 望ましい用途の持続可能性
  • 土壌保全

土壌科学には、公表されている土壌調査報告書を見ただけでは明らかにならないような、実用的な応用例も存在する。

• 放射年代測定：特に、その場所の土壌学に関する知識を用いて、その場所における過去の活動の年代を特定する。
  • 地層構造（考古学）とは、土壌形成過程や保存特性が考古遺跡の研究に役立つ分野である。
  • 地質現象
    • 地滑り
    • 活断層
• 土壌を改変して新たな用途を実現する
  • 放射性廃棄物を封じ込めるためのガラス固化
  • 土壌微生物の汚染物質分解能力を高める（バイオレメディエーション）。
  • 炭素隔離
  • 環境土壌科学
• 土壌学
  • 土壌生成
  • 歩数測定
  • 土壌形態
    • 土壌微形態学
  • 土壌分類
    • USDA土壌分類
    • 世界土壌資源基準^{[ 16 ]}
• 土壌生物学
  • 土壌微生物学
  • 土壌動物
• 土壌化学
  • 土壌生化学
  • 土壌鉱物学
• 土壌物理学
  • 土壌移転機能
  • 土質力学および土質工学
• 土壌水文学、水文土壌学

土壌科学における窪地貯留容量とは、特定の土地が窪地や窪地に水を保持し、水の流れを防ぐ能力のことである。^{[ 39 ]}窪地貯留容量は、浸透容量とともに、ホートン地表流に関わる主要な要因の1つであり、水量が浸透容量と窪地貯留容量の両方を超えて水平方向に流れ始め、洪水や土壌侵食につながる可能性がある。土地の窪地貯留容量の研究は、地質学、生態学、特に水文学の分野で重要である。

• 土壌調査スタッフ（1993）。土壌調査：土壌の初期概念。（html）土壌調査マニュアルUSDAハンドブック18、土壌保全局。米国農務省。URLは2004年11月30日にアクセスされました。
• マリオン・ルロイ・ジャクソン（2005）。土壌化学分析：上級コース。ウィスコンシン大学マディソン校図書館パラレルプレス。5ページ 以降。ISBN 978-1-893311-47-3。