土壌生物多様性

土壌生物多様性とは、土壌と生物多様性の関係、および生物多様性に関連して管理できる土壌の側面を指します。土壌生物多様性は、いくつかの集水域管理の考慮事項 に関連しています

生物多様性

オーストラリア環境水資源省によると、生物多様性とは「生命の多様性、すなわち様々な植物、動物、微生物、それらの遺伝子、そしてそれらが属する生態系」を指します。[1]土壌は多種多様な生物の媒体であり、より広範な生物圏と密接に相互作用するため、生物多様性と土壌は密接に結びついています。一方、生物活動は土壌の物理的・化学的形成における主要な要因です。[2]

土壌は、主に微生物（細菌や真菌を含む）に重要な生息地を提供しますが、微小動物（原生動物や線虫など）、中型動物（小型節足動物やエンキトラエビなど）、大型動物（ミミズ、シロアリ、ヤスデなど）にも重要な生息地を提供します。[2]土壌生物の主な役割は、「地上植物ベースの食物網」に由来する有機物をリサイクルすることです。

土壌はより広範な生物圏と密接に連携しています。肥沃な土壌の維持は「生物界が担う最も重要な生態学的サービスの一つ」であり、「植物が土壌の要素を消費し、食物連鎖を通じて上位に伝えるため、土壌のミネラルと有機物は絶えず補充されなければならない」のです。[3]

土壌と生物多様性の相関関係は空間的に観察できます。例えば、自然植生と農業植生の境界は、大陸規模や地球規模においても土壌の境界と密接に一致しています。[4]

バスキン（1997）は、土壌と地上および地下の生物多様性との関係を「微妙な同期」と表現しています。土壌管理が生物多様性に直接影響を与えることは驚くべきことではありません。これには、土壌の体積、構造、生物学的・化学的特性、そして土壌肥沃度の低下、土壌酸性化、塩性化といった土壌への悪影響の有無に影響を与える慣行が含まれます。[3]

プロセスの影響

酸性化

土壌酸性度の世界的な変動：赤＝酸性土壌。黄色＝中性土壌。青＝アルカリ性土壌。黒＝データなし。

土壌酸性度（またはアルカリ度）は、土壌中の水素イオン（H + ）の濃度です。pHスケールで測定される土壌酸性度は、目に見えない状態ですが、土壌中のどの要素が植物による吸収に利用可能かを決定することで、土壌の肥沃度と毒性に直接影響を及ぼします。土壌酸性度の上昇は、農産物を放牧地から除去すること、根域より下の窒素が硝酸塩として浸出すること、窒素肥料の不適切な使用、および有機物の蓄積によって引き起こされます。[5]オーストラリアのビクトリア州の土壌の多くは天然に酸性ですが、約30,000平方キロメートル、つまりビクトリア州の農業用土壌の23％は、酸性度の上昇により生産性が低下しています。[5]土壌酸性度は植物の根にダメージを与えることが確認されています。 [6] 酸性度が高い植物は、根が小さく、耐久性が低くなります。[6]いくつかの証拠は、酸性度が根の先端を傷つけ、それ以上の成長を制限することを示しています。[6]アメリカやロシアの小麦の品種に見られるように、酸性土壌で栽培された植物の高さも著しく制限されています。 [7]酸性土壌で発芽できる種子の数は、中性pHの土壌で発芽できる種子の数よりもはるかに少ないです。[7]植物の成長に対するこれらの制限は、植物の健康に非常に悪影響を及ぼし、植物全体の個体数の減少につながる可能性があります。

これらの影響はバイオームに関係なく発生します。オランダで行われた研究では、土壌pHと土壌生物多様性の相関関係をpH5未満の土壌で調査しました。 [8] pHが低いほど生物多様性が低くなるという強い相関関係が発見されました。[8]草原とヒースランドでも同じ結果でした。[8]特に懸念されるのは、この酸性化が絶滅危惧植物種の減少と直接関連していることを示す証拠であり、この傾向は1950年以来認識されています。[8]

土壌酸性化は土壌生物多様性を減少させます。例えば、ミミズ（植物の生育にとって表土の構造的質を維持する上で重要）など、ほとんどの大型動物の個体数を減少させます。また、根粒菌の生存と持続性にも影響を及ぼします。分解と窒素固定が減少する可能性があり、これは在来植生の生存に悪影響を及ぼします。在来植生の減少に伴い、特定の雑草が繁殖することで、生物多様性はさらに低下する可能性があります。[5] [9]

強酸性土壌では、関連する毒性により植物被覆率が低下し、水や風による浸食を受けやすくなります。 [10] pHが極端に低い土壌では、微生物や有機物の減少により構造的な衰退が起こる可能性があり、多雨、干ばつ、農業撹乱の際に浸食を受けやすくなります。[5]

同じ種の中にも、その生息域の土壌の酸性度に対して耐性を示す植物があります。[6]より強い植物を選択的に育種することは、人間が土壌の酸性度の上昇を防ぐ方法です。[6]

土壌酸性化の抑制におけるさらなる成功は、アルミニウム毒性に悩まされている大豆とトウモロコシの集団で確認されている。 [11]土壌に石灰を施用したところ、土壌養分が回復し、酸性度が低下した。[11]この処理により、植物の健康と根のバイオマスが増加した。[11]これは、他の酸性土壌植物集団にも適用できる可能性のある解決策である。[ 11]

構造の衰退

土壌構造とは、土壌中の粒子とそれに関連する空隙の配置であり、そのサイズはナノメートルからセンチメートルに及ぶ。土壌団粒の形成と安定化には生物学的影響が見られる。しかしながら、粒子の団粒を形成する力と、そのような団粒を安定化または分解する力を明確に区別する必要がある。[12]良質な土壌とは、以下の特性を持つ土壌を指す。最適な土壌強度と団粒安定性（構造劣化（例えば、キャッピング／クラスト化、スレーキング、浸食）への抵抗力）、最適な嵩密度（根の発達を助け、土壌内の水と空気の移動といった他の土壌物理パラメータにも寄与）、最適な保水性と水分浸透率。[13]

よく発達した健全な土壌は、土壌の物理的構造が化学成分と同様に重要である複雑なシステムです。よく発達した土壌では、土壌の空隙が最大限に活用され、酸素と水分が土壌​​深部まで浸透し、植物の根が水分と栄養分を得るために根を張りめぐらすことができます。[14]

生物活動は、比較的開放的な土壌構造の維持に役立ち、土壌養分の分解と輸送・変換を促進します。土壌構造の変化は、植物が必要な物質にアクセスしにくくなることを示してきました。微生物の分泌物が土壌粒子の凝集を支配し、炭素のさらなる分解を防ぐ役割を担っていることは、今や疑いの余地がありません。[15]土壌内の微生物が優れた生息地を「設計」し、より健全な土壌構造を提供することで、より生産性の高い土壌システムを形成することが示唆されています。[16]

伝統的な農業慣行は、一般的に土壌構造の劣化を引き起こしてきました。[17]例えば、耕作は土壌の機械的な混合、団粒の圧縮と剪断、空隙の充填を引き起こし、有機物もより大きな腐敗と酸化にさらされます。[4]土壌構造は土壌の健全性と肥沃度に不可欠であり、土壌構造の劣化は、結果として土壌と表層の食物連鎖や生物多様性に直接影響を及ぼします。継続的な作物栽培は、最終的に土壌の栄養状態、pHバランス、有機物含有量、物理的特性など、土壌内の重大な変化をもたらします。[18]これらの変化は食料や作物の生産に有益なものもありますが、他の必要なシステムに有害な場合もあります。例えば、研究によると、耕起は土壌有機物（SOM）に悪影響を及ぼしています。SOMは土壌の有機成分で、植物や動物の分解物と土壌生物によって合成された物質で構成されています。SOMは土壌構造の維持に不可欠な役割を果たしています。それでも、作物の絶え間ない耕作は土壌有機物（SOM）の移動と再分配を引き起こし、土壌構造の劣化や土壌生物（ミミズなど）の個体群の変化を引き起こしています。[19]しかし、世界の多くの地域では、蔓延する貧困と食糧安全保障の欠如のために、あらゆる犠牲を払って食糧生産を最大化しようとするあまり、学術界による研究と認識にもかかわらず、長期的な生態学的影響が見過ごされがちです。[18] McDanielら（2014年）とLoriら（2017年）は、 輪作、作物の多様化、マメ科植物の 混作、有機投入が土壌多様性の向上と相関していることを発見しました。[20]

ナトリウム度

土壌のナトリウム度とは、土壌中のナトリウム含有量を、カルシウムなどの他の陽イオン含有量と比較したものです。ナトリウム濃度が高い場合、ナトリウムイオンは粘土板を分解し、土壌中で膨潤と分散を引き起こします。[21]その結果、土壌の持続可能性が低下します。この濃度が繰り返し発生すると、土壌はセメント状になり、構造がほとんどまたは全く なくなります

高濃度のナトリウムに長期間さらされると、土壌中に保持され、土壌を流れる水分量が減少し、分解速度も低下します（これにより土壌は不毛になり、将来の植物の成長が阻害されます）。この問題はオーストラリアで顕著で、国土の3分の1が高塩分の影響を受けています。[22]これは自然現象ですが、過放牧や耕作といった農業慣行がその増加に寄与しています。ナトリウム土壌を管理する選択肢は限られており、ナトリウムに耐性のある植物を選択するか、土壌を交換する必要があります。後者の方がより困難なプロセスです。土壌を交換する場合は、水の流れを妨げる分解を引き起こす過剰な交換性ナトリウムを置換するために、カルシウムを添加する必要があります。[23]

塩化

土壌塩分濃度とは、土壌断面内または土壌表面の塩分濃度のことです。過剰な塩分は、耐塩性の変動により、植物や動物の組成に直接影響を与えます。また、土壌の様々な物理的・化学的変化（構造的劣化、極端な場合には土壌侵食、土壌浸食への曝露、水路への塩分の流出など）も引き起こします。[24]土壌塩分濃度が低い場合、微生物の活動が活発になり、土壌呼吸が増加します。その結果、土壌中の二酸化炭素濃度が上昇し、植物にとってより健康的な環境が生まれます。 [25]土壌塩分濃度が上昇すると、微生物が利用できる水が少なくなり、呼吸が減少するため、微生物へのストレスが増加します。[25]土壌塩分濃度は、生物多様性に局所的かつ地域的な影響を及ぼします。例えば、地元の排出地点における植物の組成や生存率の変化から、水質や水生生物の地域的な変化まで、 多岐にわたります

塩分濃度の高い土壌は作物の栽培には好ましくありませんが、多くの作物は他の作物よりも塩分濃度の高い土壌でも栽培できることに留意することが重要です。[26]これは、淡水などの資源が不足し、飲料水として必要とされる国では重要です。塩水は農業に利用できます。[26]土壌の塩分濃度は、比較的狭い地域でも極端に変化することがあります。[27]これにより、植物は塩分濃度の低い地域を求めることができます。土壌の塩分濃度は狭い地域でも均一ではないため、どの植物が塩分濃度の高い土壌で生育できるかを判断するのは困難です。[27]しかし、植物は塩分濃度の低い地域から栄養分を吸収します。[27]

浸食

ドイツの集約農地で活発に浸食されている小川

土壌侵食とは、水、風、または氷によって土壌の表層が剥がれ落ちることです。土壌侵食は自然に発生しますが、人間の活動によってその深刻度は著しく増大する可能性があります。[28]健全な土壌は肥沃で生産的です。[29]しかし、土壌侵食は表土、有機物、そして栄養素の喪失を招き、土壌構造を破壊し、保水能力を低下させ、肥沃度と植物の根への水分供給を低下させます。したがって、土壌侵食は土壌生物多様性にとって大きな脅威です。[30]

土壌浸食の影響は、様々な土壌保全技術によって軽減できます。これには、農業慣行の変更（浸食されにくい作物への転換など）、窒素固定を行うマメ科樹木、または有機物を補充することが知られている樹木の植栽が含まれます。[29] [31]また、ジュートマットやジュート製ジオテキスタイルネットは、流出水を迂回・貯留し、土壌の移動を抑制するために使用できます。[32] [33]

土壌保全への取り組みを誤解すると、土壌の化学物質のバランスが崩れる可能性がある。[31] [34]例えば、中国北部黄土高原での植林の試みは、炭素、窒素、リンなどの有機物の栄養不足につながった。[34]

肥料の使用

カリウム（K）は植物の発育に必須の主要栄養素です[35]。塩化カリウム（KCl）は農業で最も広く使用されているK源です[36] 。KClの使用は土壌中の塩化物（Clˉ）濃度の上昇につながり、土壌の塩分濃度の上昇を引き起こし、植物や土壌生物の発育に影響を与えます[37] [38] [39] [40]

塩化物は土壌生態系に殺生物作用を及ぼし、生物の成長、死亡率、繁殖に悪影響を及ぼします[38] [40]。その結果、土壌の生物多様性が脅かされます。土壌中の塩化物が過剰になると、細胞の浸透圧ポテンシャルを低下させ、活性酸素種の産生を刺激することで、植物や微生物の生理障害を引き起こす可能性があります[39] 。さらに、このイオンは硝化微生物に悪影響を及ぼし、土壌中の栄養塩の利用可能性にも影響を与えます[38] 。

集水域規模の影響

生物システム（自然系と人工系の両方）は、健全な土壌に大きく依存しています。生命を支えているのは、あらゆる側面における土壌の健全性と肥沃度の維持です。相互関係は広大な空間的および時間的スケールに及びます。例えば、塩分濃度の上昇や土壌浸食といった主要な土壌劣化問題は、地域レベルから広域レベルまで、あらゆる範囲に影響を及ぼす可能性があります。土壌に影響を与える管理活動の結果が生物多様性への影響という形で現れるまでには、数十年かかる場合があります。[要出典]

土壌の健全性を維持することは、地域規模あるいは集水域規模の課題です。土壌は分散した資産であるため、土壌の健全性を確保する唯一の効果的な方法は、広範かつ一貫性があり、経済的にも魅力的なアプローチを奨励することです。農業分野におけるこのようなアプローチの例として、酸性度を下げて土壌の健全性と生産性を向上させるための石灰（炭酸カルシウム）の施用や、従来の耕起農法から限定耕起または不耕起農法への移行が挙げられます。これらは土壌構造の改善にプラスの影響を与えています。[41]

モニタリングとマッピング

土壌は非常に多様な生物を包含しているため、生物多様性の測定は困難です。サッカー場の地下には、羊500頭分に相当する生物が存在すると推定されています。土壌生物多様性が最も圧力を受けている地域を特定するための第一歩は、土壌生物多様性を減少させる主な指標を見つけることです。[42]土壌生物多様性は、特に土壌マトリックスからの直接DNA抽出に依存する分子生物学的アプローチの開発により、将来的に測定されるでしょう。[43]

土地利用

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