疎水性土壌とは、粒子が水をはじく土壌のことです。疎水性層は通常、地表または地表から数センチメートル下、土壌断面と平行に存在します。[1]この層の厚さと量は様々で、通常は灰や焼土の層で覆われています。
形成と構造
疎水性土壌は、火災や熱風によって、有機物からなる最上層の落葉層に含まれるワックス状化合物が拡散することで形成されることが最も一般的です。[2]化合物が拡散すると、主に土壌上層の表面近くの砂質粒子を覆い、土壌を疎水性にします。疎水性コーティングを形成する他の要因としては、汚染物質、産業廃棄物、土壌微生物の活動などが挙げられます。[2]疎水性は、天然ワックス特性を持つユーカリなどの天然植生の劣化によって生じる土壌の自然な性質とも考えられます。[3]
ニュージーランドの特定の砂では、このワックス状の脂質コーティングは、主にpHが塩基性の炭化水素とトリグリセリドで構成され、酸性の長鎖脂肪酸はそれより低い値であることが分かりました。[4]土壌粒子間の毛細管浸透は粒子上の疎水性コーティングによって制限され、脂質の親水性の頭部が砂粒子に付着し、疎水性の尾部が粒子の外側を保護するため、影響を受ける各粒子は撥水性になります。[2]これは下の図1に示されています。
その他の重要な土壌水分阻害要因としては、土壌性状、微生物学、土壌表面粗さ、土壌有機物含有量、土壌化学組成、酸性度、土壌水分含有量、土壌タイプ、粘土粒子の鉱物学、そして地域の季節変動などが挙げられます。[5]土壌性状は、土壌が撥水性を持つかどうかを予測する上で大きな役割を果たします。砂などの大粒の土壌粒子は表面積が小さいため、疎水性化合物で完全に覆われやすいためです。シルトや粘土粒子を表面積の大きい粒子で完全に覆うことは非常に困難ですが、もしそうなった場合、土壌の撥水性は著しく高まります。[6]植物や微生物バイオマスの形態の土壌有機物が分解すると、物理化学的変化によってこれらの疎水性化合物が土壌中に放出される可能性があります。[7]しかし、これは土壌中に存在する微生物の活動の種類に依存し、微生物活動が疎水性化合物の生成を阻害することもあります。[6]
疎水性試験
土壌の撥水性は、その簡便さから、ほとんどの場合、まず水滴浸透時間（WDPT）試験から試験されます。[8]この試験は、1滴の水滴が特定の土壌に浸透するのにかかる時間を記録するもので、撥水性の安定性を示します。[2]水の浸透は、水が自然に土壌に浸透することとして表され、水と土壌の接触角と相関します。水と土壌の接触角が90度を超える場合、土壌は疎水性であると判断されます。また、試験液滴を疎水性土壌に置くと、すぐに粒子状の膜を形成してから消失することが観察されています。[2]
WDPTの結果: [9]
| 水滴の浸透時間 | 分類 |
|---|---|
| 5秒未満 | 土壌は撥水性ではない |
| 5秒から1分 | 土壌はわずかに撥水性がある |
| 1～10分 | 土壌は撥水性がある |
| 10分以上 | 土壌は非常に撥水性がある |
表 1:水滴浸透試験に基づく土壌の疎水性の程度の特性評価。
土壌の撥水性を判定する別の方法は、エタノール液滴モル濃度（MED）試験である。[10] MED試験では、様々な表面張力のエタノール溶液を用いて、10秒間の土壌の濡れを観察します。指定された時間内に濡れが見られない場合は、表面張力の低いエタノール水溶液をサンプルの別の場所に置きます。MED試験の結果は、指定された10秒間に液滴が吸収されたエタノール溶液のモル濃度に依存します。[10]この試験による土壌の撥水性の分類は、MED指数を用いて行うことができ、撥水性のない土壌の指数は1以下、著しく撥水性の土壌の指数は2.2以上である。[8] MED指数、90度表面張力、エタノールモル濃度、および体積百分率は相関関係にあり、相互に変換することができる。[8] この試験では、この時間枠内に吸収されたエタノール溶液の液体-空気表面張力の値が、土壌の90度表面張力として用いられます。試験対象土壌に関連する水浸入圧は、土壌の孔隙径とともに撥水性の程度と関連しているため、浸透率のもう一つの指標となります。[8]
農業と生態系への影響
疎水性土壌とその水への嫌悪は、植物の水分利用能、植物が利用可能な栄養素、水文学、そして影響を受けた地域の地形に影響を及ぼす。[5]浸透率が低下すると、流出水の発生時間が短縮され、降雨時や灌漑時の陸地への水の流れが増加する。流出量の増加は侵食を増加させ、土壌の湿潤パターンを不均一にし、栄養塩の浸出を加速させて土壌の肥沃度を低下させ、地域に異なる流路を形成し、土壌汚染のリスクを高める。[5]
疎水性土壌では、撥水性の弱い部分で養分が排出され、水は優先的に土壌に浸透します。疎水性の強い部分には水が浸透しないため、水は優先的に流れる経路を見つけ、土壌層のより深部まで浸透します。灌漑や降雨量が多い場合、水は根域より下まで流れ込み、植物が利用できなくなるだけでなく、肥料や養分も一緒に流してしまう可能性があります。さらに、これは養分や施用された化学物質の分布の不均一化につながり、植生が斑状に生育する原因となります。[11]
農業において、疎水性土壌は作物の収量に大きな制約を与えます。例えばオーストラリアでは、土壌の撥水性により最大80%の生産量減少が報告されています。[6]これは、土壌中の種子発芽率の低さと、植物が利用できる水分量の低さに起因しています。[3]
疎水性土壌の位置と外観
疎水性土壌は、南極大陸を除くすべての大陸で発見されています。[5]アメリカ合衆国、オーストラリア南部、地中海盆地などの乾燥地域、およびスウェーデン、オランダ、ブリティッシュコロンビア、コロンビアなどの湿潤地域に発生します。[6]主に砂質土壌などの粗い質感の土壌に発生しますが、あらゆる種類の土壌に影響を及ぼし、森林、牧草地、農地、低木地でも報告されています。[6]一般的に、マメ科牧草地の土壌では、耕作地よりも疎水性の程度が高くなります。[3]
疎水性土壌管理
砂質で撥水性の土壌を管理する方法の一つに、粘土化があります。これは、カルシウムベントナイトなどの厳選された粘土質物質を土壌に添加することで、単位体積あたりの表面積を増やし、土壌のミネラル組成を改善し、団粒形成を促進します。疎水性の大麦畑では、粘土化から2年以内に収穫量が1.7トン/ヘクタールから3.4トン/ヘクタールに増加し、ルピナス畑では収穫量が1トン/ヘクタール増加しました。[3]
石灰施用は、酸性土壌における土壌の撥水性を低下させる方法です。[3]石灰施用プロセスは、炭酸カルシウムを添加することで、土壌のpHを中性に近づけることです。疎水性土壌とは異なり、生物学的に活性な土壌では、カルシウム濃度とpH値の上昇が土壌構造と凝集の改善による浸透性の増加と関連しています。
土壌のpH値を上げると、天然に存在する腐植物質の浸透性が向上し、疎水性土壌への浸透が改善されます。腐植酸はpH値が6.5を超えると水溶性になりますが、フルボ酸はpH値の範囲を問わず水溶性です。どちらの酸も、溶解時に水の表面張力を低下させる性質を持っています。一方、溶液中のフルボ酸が不足する土壌では、撥水性がより強くなることが報告されています。[3]
耕起という農業行為は土壌の撥水性を低下させます。耕起は、土壌の混合とミネラル化によって土壌の炭素含有量を減少させ、土壌の撥水性を高める疎水性コーティングの拡散につながる微生物による分解の可能性を低下させます。[3]
疎水性の土壌に自然に形成される穴や亀裂は、水が表層に浸透することを可能にします。これらの穴や亀裂は、穴を掘る動物、根の通路、あるいは腐敗した根から生じるマクロポアによって形成されることがあります。[12]これらのマクロポアは、土壌の表層付近の体積の約35%を占めるため、森林生態系において水が土壌に浸透するための重要な経路であることが判明しています。[12]
参考文献
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