亜熱帯オキシソルの骨材分布、安定性、水分散性粘土の放出
SOILS AND PLANT NUTRITION
骨材分布, Distribuição de agregados, estabilidade e liberação de argila dispersa em a water para dois Latossolos subtropicais
Antonio Carlos de AzevedoI, *; ダレル ジーン シュルツ II
I UFSM – Depto. de Solos, Prédio 42 – 97105-900 – Santa Maria, RS – Brasil
IIPURDUE UNIVERSITY- Agronomy Dept, Lilly Hall of Life Sciences, 915 W. State Street, West Lafayette, IN 47907-2054, USA.
ABSTRACT
土壌の粒子の分散と凝集に関する挙動は、環境および農業土壌の機能発現に非常に重要である。 本研究は，亜熱帯ブラジルのオキシゾルにおいて，凝集体の分布と安定性が土地利用によってどのような影響を受けるか，また，水分散性粘土（WDC）の放出が凝集破壊にどのように関連するかを明らかにするために実施された。 不耕起（NT）、慣行耕起（CT）、原生植生（NV）の土地利用から3つの深さで採取した2つのオキシソルのサンプルを250mLペットボトルで最大27時間の間隔で振盪した。 53～2000 µmの5つのサイズに分類された凝集体の質量を測定した。 500mm以上の凝集体は、最初の7.5時間で、WDCの放出量の増加と同時に消失し、土壌懸濁液のpHと電気伝導率には変化がなく、小さい凝集体は増加しなかった。 したがって，これらの土壌には骨材の階層性はなく，WDCの放出は500 mmから2000 mmの範囲の骨材を破壊することによって生じたと考えられる。 土地利用は各サイズクラスの骨材の質量に影響を与えるが、骨材の安定性は土地利用ではなく、そのサイズに依存する。
キーワード：土地利用、分散、土壌耕起、土壌管理
RESUMO
集合・分散状態に関わる土壌挙動は農業・環境と高い関連性を持つ． 本研究は、ブラジルの亜熱帯ラトゾルにおいて、骨材の分布と安定性が用途によってどのように影響されるか、また、水分散粘土（WDC）の放出が分解と関連してどのように振る舞うかを明らかにするために実施されたものである。 不耕起（NT）、慣行（CT）、原生植生（NV）の3つの深さで採取した2種類のラトソルのサンプルを250mLペットボトルで最大27時間撹拌した。 骨材の質量は、53～2000μmの5つのサイズクラスで測定された。 500mm以上の凝集体は、最初の7.5時間の撹拌でほとんど消失し、懸濁液のpHと電気伝導度の値に変化はなく、小さい凝集体の質量が増加しないままWDC放出量が増加することと並行していた。 したがって、これらの土壌には骨材の階層性はなく、WDCの放出は500mmから2000mmの範囲の大きさの骨材の分解によって生じたものである。 用途の種類は、各サイズクラスの骨材の質量に影響を与えたが、骨材の安定性は、用途の種類ではなく、サイズに依存する。
キーワード：土地利用、団粒化、土づくり、土壌管理
はじめに
土壌団粒は動的で環境変化に素早く反応するため、土壌品質指標として関心が高まっている (Caravaca ら、2004; Boix-Fayos ら、2001). また、土壌粒子が有機物を酸化から保護する機能を持つことから、土壌を大気への炭素吸収源として捉えることができる（Torn et al.、1997）。 樹木伐採による土地利用の変化（Yanai et al., 2003）や森林から農業への転換は、熱帯の酸性土壌における凝集（Carpenedo & Mielniczuk, 1990; Perin et al. 風化したオキシソルでは，凝集体の階層性がなく（Oades & Waters, 1991），鉄やアルミニウムの酸化物が多いため，凝集体の安定性やサイズについて特別な研究が必要である。 ブラジルでは，このような土壌は直径2 mm以下の非常に安定した骨材を持つ傾向がある。 その結果，粘土質のオキシソルは中質土壌のように振る舞い，雨の後すぐに耕作や収穫などの農作業を行うことができる（Buol & Eswaran, 2000）。 分解による水分散性粘土（WDC）の放出の可能性は、これらの土壌ではあまり知られていない（Azevedo & Bonumá, 2004）。このような知識は、土地利用の変化に伴うこれらの土壌のより良い管理に役立ち、農業に用いられる除草剤、殺虫剤、その他の異種化合物の環境移動性を評価するのに重要である（Seta & Karathanasis, 1996; Bertsch & Seaman, 1999）。
本研究の目的は、ブラジル南部の2つのオキシゾルについて、直径2mm以下の凝集体の分布と安定性、および解砕中のWDCの放出に対する管理方法の長期的影響を評価することであった。
MATERIAL AND METHODS
選ばれた2つの場所はSul Riograndense Plateauにあり、Serra Geral層の溶岩流で発達した地形地域（図1）であった。 Santo Ângeloの土壌は玄武岩から発達したTypic Haplorthoxで、Rio Grande do Sul州の7.26%を占め、海抜200〜400mに存在する。 気候はケッペンのCfaで、年平均気温は19.5℃、平均降水量は1,850mm yr-1 (BRASIL, 1973)である。 慣行栽培（CT）と不耕起栽培（NT）のサンプルは、リオグランデドスル州サントアンジェロ（28º16′ S, 54º13′ W, 約 280 m a.s.l. ）で収集された。 耕起実験は 1979 年に、1964 年から小麦と大豆の輪作を行っていた圃場に設置された（Dalla Rosa, 1981）。 攪乱されていない森林土壌のサンプルは、実験場から約 15km 離れた原生林植生の最も近い保護地域 （28º12′ S, 54º13′ W）で採取された。 Passo Fundoの土壌は、玄武岩と砂岩の混合物から発達したTypic Haplohumoxで、標高460～700mに存在する。 気候はCfa1、年間平均気温18℃、平均降水量1,750 mm yr-1である。 リオグランデ・ド・スル州パッソ・フンド（南緯28度14分、西経52度24分）で1983年に行われた実験（Kochham & Denardim, 1997）で、慣行栽培と不耕起栽培の試料を収集した。 原生植生下の土壌は，実験場から0.5 km以内の実験場内の森林保護区で採取された。
両サイトとも、処理NTとCTの各3試料を実験圃場でランダムに採取し、自生植生（NV）の3試料も森林内でランダムに採取した。 採集地点間の距離は実験圃場と森林で同程度（5～10m）になるように配慮した。 本研究では、NT、CT、NVを「土地利用」と呼ぶことにする。 深さ 0.3 × 0.3 × 0.20 m の小さなピットから深さ 0～5 cm と 10～15 cm の試料を、バケットオーガーを使って深さ 40～60 cm の試料を採取した。 風乾した試料を軽く破砕し、2mmのふるいにかけた（細粒土画分）。 各サイトの各土地利用における3つの複製を組み合わせ、十分に混合した後、密封したビニール袋に保管した。 したがって、ラボでの分析は、3つの深さ、3つの土地利用、2つの土壌のそれぞれから1つの複合試料、合計18の試料に対して行われました。
有機炭素はK2Cr2O7で消化し、Fe(NH4)2(SO4) 2.6H2O で滴定し、粒度分布は6% NaOHで分散後ピペット法で求めた (EMBRAPA, 1997)。 いずれの分析も、各複合試料について2回実施した。
複合試料のWDCと凝集安定性は、WDC測定の標準法（USDA, 1996）により3回（3ラン）行った。 短時間で、微細な土の10 gアリコート5個を計量し、250 mLペットボトルに入れた。 ボトルは175 mLの脱イオン水（DI）で満たされ、0、3.75、7.5、15、27時間（各時間で1アリコート）振盪された（120回/分、水平変位4cm）。 懸濁液は、1000 µm、500 µm、250 µm、106 µm、53 µmの5つのふるいの巣に流し込みました。 分解された粘土とシルトは、ふるい上の土壌から純水で穏やかに洗浄され、WDC測定のために1Lシリンダーに回収された。 ふるい上に保持された土壌を110℃で24時間乾燥させ、重量を測定した。 ふるいの巣を通過した土壌は、1Lシリンダーに回収し、ピペット法（USDA, 1996）でWDC測定用に再懸濁させた。 急速湿潤に供した試料はほとんど凝集していたため、スラッキングは無視できると仮定した（図2および3の振とう時間0時間、凝集物の総和）。
各サイズクラスにおける凝集体の質量Aiは、以下のようにして算出した。
ここでBiはサイズクラスiの土壌材料の乾燥質量、Ciはサイズクラスiの砂の乾燥質量、Dは土壌の初期オーブン乾燥質量である。 Ciは各コンポジットサンプル中の砂含有量の過去3回の測定の平均値であった。 砂は、個々の砂粒を凝集体としてカウントしないように、式の分子から差し引かれた。 簡潔にするため、この後の議論では、Ai, , を指して「凝集体」、複合試料を指して「試料」という用語を使用する。
凝集体の分布は、3つの処理（NT、CT、NV）を3ブロック（各1本）経時的に複製した分割プロットデザインとして分析した。 土質、深さ、サイズクラスごとのデータを個別に分析した。 また，振動時間を全体単位，土地利用を小単位として，分割プロット実験を行った。 土量パーセントのデータについては、誤差分散の均質性を得るために、分散分析の前に平方根変換が行われた。 誤差(a)は、ほとんどの場合において有意ではなかったので、誤差(b)にプールされた。 時間効果および土地利用対時間効果は直交多項式対比に分割された。 従属変数の平均値を土地利用と時間の関数として回帰した後、有意な処理効果および対照によって決定された回帰モデルで分散分析（ANOVA）を行った。 ANOVAによる各土地利用から（揺れ時間に沿って）分解した回帰モデル間の比較は表2に示す通りである。
RESULTS AND DISCUSSION
各サイズクラスで保持する土壌物質の質量から砂量を減算したため（式）、より砂の多いタイピックハプロモックス（表1）はタイピックハプロトックスより各サイズクラスの土壌骨材の数が少ないことが示される。
振盪前（0時間振盪；図2および3）では、Typic Haplorthoxの73%から91%、Typic Haplohumoxの54%から69%が凝集体として存在していた。 2つの例外を除いて、0-5cmと5-10cmのサンプリング深度では、回帰した分解モデルは3つの土地利用間で異なっていたが（P = 0.01）、40-60cm深度の分解モデルには土地利用の影響はあまりなかった（表2）。
両土壌でいくつかの共通した挙動が観察された（図2、3）。 深さ0-5 cmと10-15 cmの原生植物下の土壌では106-53 µmと250-105 µmの凝集体が非常に少ないこと、直径500 mm以上の凝集体は深さ0-5 cmと10-15 cmで優勢だったが、深さ40-60 cmでは直径2000 – 1,000 μmの凝集体が最も少ないこと、一つのグラフの曲線の積層順序はサイズクラスと深さに依存して変わるものの、各サイズクラスで一般的には同様の曲線形状であることに注意したこと、である。
すべての試料で初期湿潤時（0時間振盪）にWDCの放出が少なかったことから、実験条件下では弛緩は大きな分解プロセスではないとの仮定が支持された。
最大凝集体(2000-1000μmおよび1000-500μm)は振盪後7.5時間で急速に分解したが、小さい凝集体の質量は同時に増加しなかったことから、このような凝集体は主に原土粒子に分解されて、小さい凝集体にはならなかった(図2および図3)。 したがって，これらの土壌は骨材の階層性を持たない（Oades & Waters, 1991）。 pH懸濁液の変化なしに500μm以上の凝集体が分解されるとWDCが増加したことから、分解がWDC生成の主なメカニズムであると思われる。
凝集体の階層性がないため、一次過程モデルで解離を記述することができる（Beare & Bruce, 1993; Parkin & Robinson, 1992; Olson, 1963）。
ここでAi,tは時間tにおけるサイズクラスiの凝集体の質量、Ai,0は時間0における凝集体の質量、kは曲率パラメータである。 このモデルは、ふるいiの上のふるいi+1内の骨材が分解して生じるふるいiへの骨材の追加を考慮しないので、骨材の階層がない土壌にのみ使用できる。 曲率パラメータ(k)を分解率指数とし，その絶対値が大きいほど，骨材の安定性は小さいとした。 土地利用によってk値を整理しても，認識できるようなパターンは見いだせなかった。 しかし、kの変動幅を骨材の大きさに応じてプロットすると、ある程度明確な傾向が現れ（Figure 4, 5）、骨材の大きさが大きくなるにつれて、kの値は徐々に大きな値の周りに集まっていることがわかる。 このことは、土地利用が、骨材の安定性よりも、各サイズクラスに含まれる土壌物質の量（骨材分布、図2、図3）に大きな影響を及ぼしていることを示唆している。
土地利用のk値への影響は、各深さとサイズクラスでの値の分散（図4、5の各線上の点）から推察することができる。 支配的ではないが，500mm以上のサイズクラスと表層で土地利用の影響が最も大きい（範囲が広い）（図4，図5）。 これは、Oades & Waters (1991) が提案した凝集モデル、すなわち、大きな凝集体は菌糸や細根に依存し、したがって土地利用に依存し、小さな凝集体は土壌コロイド特性や化学に依存するというモデルと一致する。
WDCの放出は500mm以上の凝集体の解体と密接に関係していること，慣行耕起と不耕起では大凝集体の減少を促進し，凝集体の階層性はないことを考慮すると，森林から農地利用への変更の際に相当量の粘土が失われる可能性がある。 いずれの場合も、WDCの増加を防ぐためには、大骨材の維持が不可欠であることが示された。 さらに、粘土鉱物と有機コロイドの複合体は、拡散の可能性を高めるため、表層部でより大きくなるはずである（Tombácz et al.）
謝辞
CAPES-ブラジル（BEX 1316-96/6）、パデュー農業研究プログラム誌記事番号2006-17943、COTRISAのA. DallarosaとJ. Becker、EMBRAPAのJ. E. DenardinとR. A. Kochhamに感謝する。
AZEVEDO, A.C.; BONUMÁ, A.S. Partículas coloidais, dispersão e agregação em Latossolos.邦訳は「ラトソロにおけるコロニー形成と分散」。 農村科学, v.34, p.609-617, 2004.
BEARE, M.H.; BRUCE, R.R. A comparison of methods for measuring water-stable aggregates: implications for determining environmental effects on soil structure.日本学術振興会特別研究員（DC）. ジオデルマ，v.56，p.87-104，1993.
BERTSCH, P.M.; SEAMAN, J.C. Characterization of complex mineral assemblages: implications for contaminant transport and environmental remediation.「複雑な鉱物集合体の特性：汚染物質の輸送と環境修復の意味」. 米国科学アカデミー紀要, v.96, p.3350-3357, 1999.
BOIX-FAYOS, C.; CALVO-CASES, A.; IMESON, A.C.; SORIANO-SOTO, M. D. 地中海土壌の凝集に対する土壌特性の影響と土地劣化指標としての凝集サイズと安定性の使用.日本学術振興会特別研究員（PD）. カテナ，v.4，p.47-67，2001.
brasil. リオグランデ・ド・スル州における土壌の再分化. Brasília: ブラジル: Ministério da Agricultura, SNLCS, 1973. 431p.
BUOL, S.W.; ESWARAN, H.オキシゾル. 農学の進歩, v.68, p.151-195, 2000.
CARAVACA, F.; LAX, A.; ALBALADEJO, J. スペイン半乾燥地の栽培土壌および森林土壌における粒子サイズ画分の凝集安定性と炭素特性. 土と耕うん研究.v.78, p.83-90, 2004.
CARPENEDO, V.; MIELNICZUK, J. 異なる管理システムを適用したパープルラトソルの骨材状態および骨材品質. ブラジル土壌学雑誌 , v.14, p.99-105, 1990.
DALLA ROSA, A. 耕作によって劣化した土壌の物理的特性の回復における機械的および文化的実践-Santo Ângelo soil (dystrophic Latossolo Roxo)。 Porto Alegre: UFRGS/Faculdade de Agronomia, 1981. 136p. (修士論文).
エンブラパ。 ソロの分析手法のマニュアル。 2位 リオデジャネイロ EMBRAPA, 1997. 212ページ。
KOCHAM, R.A.; DENARDIM, J.E. 小麦、大豆およびトウモロコシ作物の不耕起および慣行耕起システムにおけるリン酸肥料に対する挙動について. で。 CONGRESSO BRASILIERO DE CIÊNCIA DO SOLO, 26., Rio de Janeiro, 1997. SBCS, 1997.
Lite, L.F.C.; Mendonça, E.S.; Machado, P.L.O.A.; fernandes filho, I.E.;Neves, J.C.L…. Centuryモデルを用いた不耕起・ディスクプロウシステム下におけるアクリゾルの土壌有機炭素の推移のシミュレーション. を用いたアクリソルの土壌有機炭素の推移のシミュレーション。
OADES, J..M.; WATERS, A.G. 土壌における骨材ヒエラルキー. オーストラリア土壌研究ジャーナル, v.29, p.815-828, 1991.
OLSON, J.S. 生態系におけるエネルギー貯蔵と生産者・分解者バランス. 生態学,v.44,p.322-331,1963.
PARKIN, T.B.; ROBINSON, J.A. log normal dataの解析. 土質学の進歩, v.20, p.193-235, 1992.
PERIN, E.; CERETTA, C.A.; KLAMT, E. Rio Grande do SulのMédio平原の2つのラトソロの農業使用期間と化学的特性. また、”Revista Brasileira de Ciencia do Solo”, v.27, p.665-674, 2003.
SETA, A.K.; KARATHANASIS, A.D. 水分散性コロイドと土壌凝集体からの分散性に影響を与える因子. ジオデルマ，v.74，p.255-266，1996.
TOMBACZ, E.; LIBOR, Z.; ILES, E.; MAJZIK, A.; KLUMP, E. 粘土鉱物と酸化鉄粒子の相互作用における反応性表面部位とフミン酸による錯形成の役割. 有機地球化学.v.35, p.257-267, 2004.
TORN, M.S.; TRUMBORE, S.E.; CHADWICK, O.A.; VITOUSEK, P.M.; HENDRICKS, D..M. Mineral control of soil organic carbon storage and turnover.日本学術振興会特別研究員（DC）, 2003. ネイチャー, v.389, p.170-173, 1997.
USDA. 土壌調査実験方法マニュアル. 3.0. ワシントン: ワシントン：NRCS, NSSC. 1996. 693p.
YANAI, R.D.; CURRIE, W.S.; GOODALE, C.L. 森林伐採後の土壌炭素動態: 森林伐採後の土壌炭素動態：生態系パラダイムの再考. を、”Ecosystems”, v.6, p.197-212, 2003.
ZINN, Y.; LAL, R.; RESCK, D.V.S. ブラジル・セラード土壌のプロファイル・ペドトラスンファー関数で記述されたテクスチャーと有機炭素の関係. ジオデルマ, v.127, p.168-173, 2005.