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鹿沼土（鹿沼降下軽石）を粉砕し、水に溶けるか（正しくはコロイド化するか）を実験した。粉砕した鹿沼土を半透明容器に水と共に入れ、静置した結果、粒子の大きさによって層状に分離した。大きな粒子は浮遊し、細かい粒子は沈殿した。上澄みは半日後には透明になった。浮遊物を除去した残りは、粘土（モンモリロナイト、カオリナイト）のような粘性は無いものの、一時的に泥水状態になったことから、粘土鉱物（アロフェン）とみなせる。容器底には黒い粒子が確認され、これは鉄を含む鉱物と考えられる。
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造岩鉱物から粘土鉱物への風化の後、カオリナイトはさらに水と反応してギブス石と二酸化ケイ素になる。ギブス石はCECがなく、二酸化ケイ素も栽培に不利なため、造岩鉱物の風化の行き着く先は栽培難易度の高い赤黄色土と呼ばれる土壌となる。
赤黄色土は日本土壌インベントリーで容易に確認できる。ギブス石はさらに風化してボーキサイトになる可能性があるが、ここでは触れない。
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火山灰土壌に特徴的なアロフェンは、風化すると層状の粘土鉱物であるカオリナイトに変化します。この過程で、アロフェンの構造中の余剰なアルミニウム（Al）が活性アルミナとして遊離します。
アロフェンは、内側に少ないケイ素（Si）、外側に多くのAlを持つ構造です。風化によってAlが外れることで構造が変化し、カオリナイトのような層状構造が形成されます。
この活性アルミナは植物の根の成長に悪影響を与える可能性があり、火山灰土壌での栽培では注意が必要です。特に、アロフェンを多く含む黒ボク土では、活性アルミナの量が多くなる傾向があります。
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アロフェンは、外側にAl、内側にSiが配置する独特な構造を持つ粘土鉱物です。Alによる正電荷とSiによる負電荷が、特徴的なAECを示します。また、Si-O結合の不規則な切断（Broken-bond defects）により、高いCECを示します。アロフェンは火山ガラスだけでなく、長石の風化過程で生成されることもあります。
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カリ長石(KAlSi3O8)は水と二酸化炭素と反応し、カオリナイト(Al2Si2O5(OH)4)、炭酸カリウム(K2CO3)、二酸化ケイ素(SiO2)を生成します。カオリナイトは1:1型粘土鉱物の一種です。二酸化ケイ素は石英などの鉱物になります。ただし、長石からカオリナイトへの風化は段階的に進行し、両者間には複数の粘土鉱物が存在します。造岩鉱物と土壌の関係を深く理解するには、これらの粘土鉱物についても学ぶ必要があります。
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沖縄・名護の土壌「国頭マージ」は、酸性で粘土質、保水性が高く栄養分が少ないため、サトウキビ栽培に適していません。そこで、生育旺盛なマメ科植物「ウマゴヤシ」を活用し、緑肥として土壌改良を試みています。ウマゴヤシは、空気中の窒素を土壌に固定する性質を持つため、有機物が蓄積しにくい国頭マージでも土壌改善効果が期待されています。
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沖縄の土壌改良、特に国頭マージについて考える。国頭マージは酸性が強く、カオリナイトを多く含むため土が固く、有機物が定着しにくい。さらに微量要素も不足しがちである。これらの特徴から、家畜糞を土壌改良材として使う場合、負の影響が懸念される。具体的には、家畜糞に含まれるリン酸が土壌中で過剰に蓄積され、リン酸過剰を引き起こす可能性がある。リン酸過剰は作物の生育阻害や環境問題を引き起こす可能性があるため、国頭マージでの家畜糞の使用は慎重に検討する必要がある。
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粘土鉱物肥料は、土壌の物理性・化学性を改善する効果が期待される。粘土鉱物は、CEC（陽イオン交換容量）が高く、養分保持能に優れ、土壌の団粒化を促進し、通気性・排水性を向上させる。特に2:1型粘土鉱物はCECが高いため有効だが、風化すると1:1型粘土鉱物になりCECが低下する。有機物と粘土鉱物が結合した粘土有機複合体は、さらに養分保持能を高め、微生物の住処となる。粘土鉱物肥料は、化学肥料に比べて肥効が穏やかで持続性があり、環境負荷も低い。土壌の種類や作物の特性に合わせた適切な粘土鉱物肥料の選択と施用が重要である。
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マルチムギは、土壌の団粒化を促進し、排水性と通気性を向上させる効果を持つ緑肥。劣化した圃場でも旺盛に生育し、土壌改良に役立つ。筆者は、マルチムギを播種した区画と播種していない区画で比較試験を実施。マルチムギを播種した区画では、播種していない区画に比べ、土壌硬度が低く、透水性が高いという結果が得られた。これは、マルチムギの根が土壌をほぐし、団粒化を促進したためと考えられる。マルチムギは、耕作放棄地など、劣化した土壌の改良に有効な緑肥と言える。
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緑泥石は2:1:1型粘土鉱物で、風化によって層間に金属水酸化物イオン等を取り込んだ14Å中間体を形成する。14Å中間体はバーミキュライトと緑泥石の中間的性質を示し、クエン酸処理で層間物質を除去するとスメクタイト様の性質を示す。これは植物根から分泌される有機酸が緑泥石に作用し、スメクタイト様の粘土鉱物へと変化させる可能性を示唆する。つまり、CECの低い緑泥石が風化と植物の作用によってCECの高いスメクタイト様の性質を獲得する可能性がある。このことから、緑色岩露頭下に有機物豊富な黒土が形成される現象も説明できる。緑泥石の風化と植物による変化を理解することは土壌の理解を深める上で重要である。
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この記事では、緑泥石という粘土鉱物について解説しています。緑泥石はグリーンタフ（緑色凝灰岩）、緑色片岩、緑色岩などに見られる鉱物で、2:1:1型粘土鉱物に分類されます。一般的な2:1型粘土鉱物（スメクタイト、バーミキュライトなど）はCEC（陽イオン交換容量）が高い一方、緑泥石はCECが非常に低いのが特徴です。これは、2:1型構造の層間水があるべき場所に、緑泥石では八面体が挿入されているため、膨潤性が弱くCECも低いと説明されています。記事では粘土鉱物の基本構造（SiO四面体、Al八面体）や1:1型、2:1型構造についても触れ、緑泥石の構造を図解して分かりやすく解説しています。最後に、緑泥石の興味深い知見については次回に持ち越しとしています。
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海底風化は、土壌生成の重要なプロセスであり、特に粘土鉱物の生成に大きく関わっている。陸上で生成された火山岩物質は、風や河川によって海へと運ばれ、海底で化学的風化作用を受ける。海水はアルカリ性であるため、岩石中の長石などの鉱物は分解され、粘土鉱物へと変化する。この過程で、岩石中のミネラルが溶出し、海水に供給される。生成された粘土鉱物は、海流によって運ばれ、堆積岩の一部となる。特にグリーンタフ地域は、海底風化の影響を受けた火山岩が多く分布し、多様な粘土鉱物が観察される。これらの粘土鉱物は、土壌の保水性や保肥性に影響を与え、農業にも重要な役割を果たしている。
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テロワールに関する科学的見解を取り上げた論文では、土壌の違いがワインの品質に影響することが示されました。粘土の多い土壌から作られたワインは、タンニンが少なく、こくが不足する傾向があります。一方、石灰岩と粘土が混在した土壌からは、タンニンが強く、熟成にも適したワインが得られます。
これらは、土壌中のミネラル組成がブドウの生育やワインの風味に影響を与えるという考えを裏付けています。この研究は、テロワールが単なる抽象的な概念ではなく、科学的に測定可能な品質の決定要因であることを示唆しています。
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水田の水が濁り続ける原因として、コロイド化物質の存在が考えられる。コロイドには粘土鉱物や有機物の可能性がある。粘土鉱物はモンモリロナイトのような2:1型ではすぐに沈殿するものの、カオリナイトのような分子量の小さいものだと沈殿が遅くなる可能性がある。一方、有機物の場合は低分子の有害物質が塩となってコロイド化し、沈殿しにくいと考えられる。対策として、粘土鉱物による濁りには腐植酸が効果的だが、有機物による濁りには時間が解決策となる可能性が高い。
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台風によるイネの倒伏被害を抑えるには、ケイ酸の吸収促進が有効である。イネはケイ酸を吸収し、細胞壁に蓄積することで茎葉を強化する。しかし、ケイ酸は土壌中で不溶化しやすく、吸収されにくい形態も多い。そこで、ケイ酸資材を施用することで吸収可能なケイ酸量を増やし、倒伏抵抗性を高める。さらに、ケイ酸吸収を促進する遺伝子の研究も進められており、品種改良による解決も期待されている。これらの取り組みによって、台風被害の軽減と安定した収穫量の確保を目指している。
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粘土鉱物肥料に含まれる黒っぽい砂の正体について考察している。火山灰由来の粘土鉱物肥料に着目し、火山灰に含まれる黒っぽい鉱物として角閃石と輝石を候補に挙げ、特に角閃石について詳しく分析。角閃石は風化によってバーミキュライト、さらにカオリナイトへと変成する。バーミキュライトは保肥力が高い粘土鉱物である一方、カオリナイトは保肥力が低い。角閃石の中心部はバーミキュライト、表面はカオリナイトに変成するという研究結果から、風化の進行度合いによる変化が示唆される。角閃石肥料が植物によって利用され、変成した鉱物に腐植が取り込まれると良質な土壌が形成される可能性があるが、実現可能性は不明。また、黒い砂が本当に角閃石であるかは断定していないものの、有色鉱物であればミネラル供給源となるため、肥料としての価値は高いと推測している。
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粘土鉱物の保肥力向上に寄与する同型置換について解説。Si四面体やAl八面体構造において、Si⁴⁺がAl³⁺、Al³⁺がMg²⁺などに置換されることで、全体が負に帯電する。この負電荷が養分を引き付けるため、保肥力が高まる。置換されたAl³⁺は水と反応し、水酸化アルミニウムAl(OH)₃とH⁺を生成する。この水酸化アルミニウムは、正長石からカオリナイト(1:1型)が形成される過程にも関与する。同型置換は粘土鉱物の風化過程で発生し、2:1型から1:1型への変質にも関連している。
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粘土鉱物はSiO四面体とAl八面体の組み合わせで、1:1型（カオリナイト等）と2:1型（モンモリロナイト等）がある。層間の水（層間水）の広さが保肥力(CEC)に関係し、モンモリロナイトの方がCECが高い。SiO四面体は珪素(Si)を中心とした四面体構造、Al八面体はアルミニウム(Al)を中心とした八面体構造で、これらが層状に重なって粘土鉱物を形成する。粘土質土壌でも、粘土鉱物の種類によって保肥力は異なるため、期待する効果が得られない場合もある。
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宝山の赤い土から大陸の紅土について考察。宝山の赤い土は玄武岩質噴出物の鉄分が酸化したもの。一方、紅土（ラテライト）は高温多湿な気候で、鉄・アルミニウム水酸化物が集積した痩せ土。宝山周辺は黒ボク土だが、紅土は保肥力の低いカオリナイトが主成分で、鉄酸化物と相まって栄養分が溶脱しやすい。さらに高温環境では有機物の分解が早く腐植も蓄積されないため、赤い鉄酸化物が目立つ。つまり、母岩は類似していても、気候条件の違いが土壌形成に大きく影響する。
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ケイ酸肥料はイネ科作物に良いだけでなく、土壌改良にも大きな可能性を秘めている。長石の風化過程でカリウムと共に生成されるケイ酸は、同時に発生する水酸化アルミニウムと反応し、カオリナイトという粘土鉱物を形成する。水酸化アルミニウムは土壌酸性化で溶脱し、植物の根に障害を与える有害物質である。つまり、ケイ酸を投入することで、この有害なアルミニウムを無害な粘土へと変化させ、土壌の保肥力・保水力を向上させることができる。スギナ繁茂地のようなアルミニウム障害の畑では、特にケイ酸投入による土壌改良効果が期待できる。
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真砂土の主要粘土鉱物であるカオリナイトは、保肥力が低い。著者はマクロレンズ観察と鉱物図鑑、土壌ハンドブックからこの事実を突き止めた。真砂土の白い塊が簡単に崩れるのはカオリナイトの結合の弱さが原因と考えられ、保肥力の低さにも繋がっている。したがって、真砂土での栽培は難しく、保肥力を高めるためには、より保肥力のある粘土を施す必要があると結論付けている。
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京丹後で栽培を学んだ著者は、師の畑の真砂土が白かった記憶を基に真砂土の成分を調べた。花崗岩が風化して真砂土になるが、花崗岩の主成分である石英と長石は白い。しかし、現在の真砂土は白くない。長石は風化すると粘土鉱物のカオリナイトになり、もろくなる。つまり、白い真砂土は長石が豊富に含まれていたが、現在の真砂土は長石が風化して失われた状態であると考えられる。土壌に酸素を入れるトラクター耕作が長石の風化を促進した可能性があり、白い真砂土は耕盤層付近に蓄積したカオリナイトだったのかもしれない。この考察は今後の栽培の問題解決に役立つ知見となる。