水土の知を学ぶ 小泉　健

7. 循環を知るための土の科学

(1)土の成り立ち*1

　「土」とは何かとの問いかけに対するもっとも多い回答は、「土は植物の培地である」というものです。この回答は土の1つの機能を表現したものであり、これには土の物質構成に関する視点はほとんど含まれていません。土とは地表をおおう無機物・有機物からなる粉粒体層の全体のことです。その上部は大気圏に接し、下部は岩石圏に接します。ここで注意してほしいのは、粉粒体＝土ではないということです。
　土は人間にとって身近な存在です。土が何からできているかに関する科学の過程では、物理学、化学、生物学、地球科学などで用いられたありとあらゆる分析方法や装置が投入されています。
　土の粒子はごくゆるく集合していることが多いため、無造作に掘り取ると構造は破壊されます。土の単位体積当たりの乾燥質量は容積重、かさ密度、乾燥密度などとよばれ、ほとんどは0.8～1.5ｔ/m3の範囲にあります。もっとも泥炭土では0.1ｔ/m3、ほとんど固結したような土では2.7ｔ/m3に達することもあります。土の全体積に占める固相体積の割合（固相率）は、30～60％であることが多く、残りは土壌空気と土壌溶液によって占められます。
　土の炭素と窒素の大部分は、言うまでもなく有機物として存在します。土の炭素と窒素含量が高いのは、土のなかで生物活動が活発なことの反映です。土に含まれる有機物のうち、生きた植物根、ミミズなどの動物・微生物体を構成するのはこのうち5％ほどです。残りは、さまざまな程度に摂食・分解された生物の死骸、生物の代謝・分解産物などです。腐植物質を含む土、とくに表層部分では土の無機粒子は有機高分子によって接着されています。有機物を除去し、個々の構成粒子を分散させた土は、ふる篩い分けや、水中での沈降速度の差を利用していくつかの粒径画分に分けるのが普通です。国際土壌学会では大きい方から礫（＞直径2ｍｍ）、粗砂（2～0.2ｍｍ）、細砂（0.2～0.02ｍｍ）、シルト（0.02～0.002ｍｍ）および粘土（＜0.002ｍｍ＝2μｍ）とよんでいます。これらの構成がどのような形になるかによって自然環境における影響度合いが変わってきます。


(2)世界の土、日本の土*1

　世界にはどのような土壌が、どこに、どのくらい分布しているのか、という問いへの答えは実は簡単ではありません。自然条件でいえば、日本には乾燥地の土壌は出現しないし、火山のない国では火山灰土壌をイメージすることは困難であるためです。
土の断面は色、固さ、粗さあるいは構造とよばれる土のかたまりの形の違いなどによっていくつかの層に分けることができます。これらの層は、生成的層位とよばれます。土壌断面の模式図から、これらの層は形態的特長だけでなく、土壌の物理・化学的性質の定量化された値によって、特徴的な層に類別されることも多いのです。これらの層の存在と組合せが土壌断面形態です。
このような土壌断面形態を決定しているのは、気候や地形などの土壌生成因子とその組合せによって起こるさまざまな土壌生成作用です。土壌生成因子には気候、生物、母材、地形、時間、人為の6つがあげられます。
一般の分類体系は特徴・性質の類似性による統合と相違性による区分を階層的に行うことによってグループ分けされ、ピラミッド型の階層が構成されています。生物分類では生物進化の系統関係によって類縁関係が説明できるように、土壌では前に述べた土壌生成過程が系統分類の基礎となっています。最新の土壌分類にもとづいて世界の土壌分布をみると、土壌分類体系は新しい知見の発見にともない更新されるもので、アメリカ合衆国ではほぼ3年ごとに改訂されています。つまり常に土壌の分類は地球環境の変化に対応して変化していると考えた方がよいと言えます。
　日本における土を取りまく環境条件の特徴は、（1）地形が急峻であること、（2）雨量が多い気象条件にあること、（3）火山灰に由来する母材が多いこと、（4）水田という人為の影響が強い土地が多いこと、です。これらの条件の下に、日本の土は独特の特徴をもって分布しています。
日本の地形をみますと、山地が224,700haで60.8％、丘陵地は34,500haで9.3％、台地は43,800haで11.8％、低地は66,800haで18.1％です。この数字は、山地・丘陵地が全体の7割以上も占めることを物語っており、日本の地形が急峻であることを示しています。山地・丘陵地はたえず土壌浸食の危険にさらされ、土は流亡されるとともに、新しい材料が出現し、新しい土が形成されています。さらに、日本の年降水量の平均は約1,800mmです。
世界の陸地の平均値は600mmですから、明らかに多雨地帯となっています。したがって、2～3日で数百mmの豪雨にみまわれることもしばしで、山地・丘陵地は、激しい水食にさらされています。
　日本で水田がつくられるようになったのは、3000年前の縄文晩期からといわれています。日本では長い間、土地が水田として利用されてきたことになります。水田の特徴は湛水した土を利用することにあります。つまり、本来は水がそれほど存在しないところに、人為によって水を湛水状態にまで与えることにより、森林や畑の土とはいちじるしく性質の異なる土ができあがっているのです。


（3）土の水分*2

　土に含まれる水を量的に表現する方法として用いられるのは、単位重量の土が保持する水分量(含水比)または単位体積の土が含む水分量(体積含水率)です。この水がどのような形で土に含まれているかを示す方法として水分特性曲線があります。これは、体積含水率と水を吸引する圧力を常用対数で表したpF(ピーエフ)で示せます。この場合砂は水を保有する力が小さいため、比較的小さい圧力（pF値）で体積含水率が小さくなりますが、火山灰土は、水を保有する力が大きいため、徐々に体積含水率が小さくなります。

　また、土と水の関係では、徐々に乾燥状態になる場合と乾燥状態から湿潤状態になる場合とでは水分特性曲線が異なる特性があります。これをヒステリシスといいます。土の中の水は、液状と水蒸気の状態で存在しています。それが周辺の状況に応じて移動し、また変化する特徴があります。土の中を流れる水は、その流れ全体の現象から浸潤、浸透、排水と呼ばれます。浸潤は降雨により与えられた水が地表面から土の中の乾いた部分に浸入する現象です。浸透は、流れの両端に自由水面が存在する場合の流れをいいます。また排水とは、地表面からの水の供給が停止されると、地表面から下方へ水分の減少が進行する現象をいいます。

　植物が土の水分を吸収するのは、根の水ポテンシャル（植物の水分保持力を示す値）が土の水ポテンシャルより低いからです。根の水ポテンシャルの低下にも限界があるため、土が乾燥すると根の吸収は衰えます。植物が活用できる水分量をほ場容水量、水分量が減少し植物が使えなくなる限界を生長阻害水分点といいます。


（4）土と食物生産*1

　植物を支え育む土は、もともと岩石が変化してできたものです。その変化は、地質的変化の過程を経ており、地球と生物の歴史からうかがい知ることができます。生物の出現を経て岩石は初めて土となる契機を得たのです。植物は太陽エネルギーと温度に応じて、土から水と養分を吸収して生育しています。土中で生じる有機物の分解による窒素の吸収、岩石の溶解にともなう鉄分等の元素の吸収が養分の源です。水は雨により供給されますが、その雨は地球全体では平均10日に一度、年間約1,000mm降るといわれています。当然、地域による差は大きいが、土はこの雨を一度保持して、作物の根に供給しています。

　砂漠の土、高山の土、南極の土、わずかでも土があれば、何かの動物がいます。なかでも厚い落葉層を持つ森林の土には、もっともたくさんの動物が生息しています。土の中にはたくさんの動物がいることは確かですが、例えばミミズ、ヤスデ、ダンゴムシ、ムカデ、ヒメフナムシ、クモなどの大型土壌動物と呼ばれるものも1m3当たり100～1000個体ぐらいは普通にいるのです。

　土壌動物は生息地の気象・土壌・生育する植物に大きく影響を受けていますが、逆に土壌動物が土壌の性質を変え、土壌生成にも大きな影響を与えています。土壌動物が土壌と有機物を混合・攪拌することによって、土壌の物理的性質が変化します。団粒構造が形成され、孔隙量が増加し、通気・透水性が改良されます。より深くまで孔隙が増大し、酸素が供給されるので、動物の生息空間が増え、より多くの動物が生息できるようになります。固い土も実はカステラのように空隙だらけなのですが、これが土壌動物によって維持されるのです。
　土壌動物による有機物の粉砕、土壌との混合・攪拌といった土壌改良による増収の増加とともに、最近では動物相・微生物相が豊になることで、病原性の微生物の活動が抑えられるという、土をつくる動物の恩恵がここにも見えてきます。

　土は人間にとって有用なものやサービスを生み出しています。この有用なものを消費し、作物の残渣、人間の排泄物、遺体等を土に戻さなければ、つまり循環させなければ土の生産力は低下していきます。このような土の機能の減少を土壌劣化(Soil degradation)といいます。塩類集積、酸性化、乾燥・砂漠化などがその例としてあげられます。


（5）土中の微生物の役割*3

　土の中には、数多くの微生物が存在しています。植物が枯れて土に戻るのは有機物の分解を行う微生物があるためです。なお、植物により窒素含有量が異なります(0.5%～3%)が、炭素含有量はほぼ一定(40%)となっています。炭素量と窒素量(C/N比)の比は有機物の特性を示す値として使います。一般にC/N比の高い有機物は分解が遅く、堆肥の腐熟度を示す指標として用いられます。

　アンモニア化成と窒素肥料が土に供給されると、植物に吸収されるとともに、それ以外のアンモニアは、微生物の作用により硝酸に酸化されます。硝酸は水に溶けやすいため、雨水とともに土から溶脱します。そのため過剰な施肥は地下水の汚染などを引き起こす可能性があります。この硝酸が亜酸化窒素や窒素ガスなどに還元され大気中に揮散しますが、これも微生物による作用で脱窒といわれます。
　さらに、微生物には、農薬を分解する能力、温室効果ガスの一つとされているメタンを生成する微生物の能力、植物の成長に欠かせない根圏微生物、微生物の能力を活用した病害防除、重金属の分解など様々な機能があります。
　これらの微生物群は、循環の原理の基本にあり、プラス効果のみならず、マイナス効果も考慮すると、二酸化炭素の土中貯蔵等温暖化防止などの環境保全対策の重要な役割を果たす可能性を秘めています。

小泉　健　H20.6.22

*1　農業土木学会編、農業土木ハンドブック本編第2部3灌漑・排水計画、pp170-173、pp173-207、2008.8

*2　農林水産省事業計画課監修、生態系配慮の技術指針、農業土木学会、pp1-17、2006.3、
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