植物のミカタ

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長石は、アルカリ金属やアルカリ土類金属のアルミノケイ酸塩を主成分とする鉱物グループです。ケイ酸四面体が三次元的にすべて結合したテクトケイ酸構造を持ち、その隙間にナトリウムやカリウム、カルシウムなどが配置されます。 テクトケイ酸は、ケイ酸四面体の4つの頂点がすべて他のケイ酸四面体と結合した構造をしています。すべてのケイ酸が完全に結合しているわけではなく、結合度の低い箇所が存在し、そこに金属イオンが入り込みます。 完全に結合したテクトケイ酸はSiO2と表され、石英となります。長石は石英と異なり、テクトケイ酸構造中に金属イオンを含むため、様々な種類が存在します。

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ミカン栽培において「青い石が出る園地は良いミカンができる」という言い伝えがあります。この青い石は緑泥石を多く含む変成岩である「青石」のことです。緑泥石は保水性・排水性・通気性に優れており、ミカンの生育に必要なリン酸の供給源となるため、良質なミカン栽培に適した土壌となります。言い伝えは、経験的に緑泥石がもたらす土壌の利点を表しており、科学的根拠に基づいた先人の知恵と言えます。

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アカマツは、栄養分の少ない酸性土壌でも育つ理由として、窒素の利用方法が関係しています。アカマツは、アンモニア態窒素を吸収し、速やかにアミノ酸に変換します。硝酸態窒素を吸収した際も、根でアンモニア態窒素に還元してから利用します。アンモニア態窒素の吸収は、硝酸態窒素のように塩基バランスをとる必要がなく、カルシウムなどの陽イオン要求量も少ないため、アカマツの生育に有利に働いていると考えられます。

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東京農工大学の研究で、木材由来のバイオマス廃棄物「硫酸リグニン」が植物成長促進効果を持つ可能性が示されました。これは、硫酸リグニンを水溶化処理すると、アルカリ性土壌で問題となる鉄欠乏を解消する効果があるためです。硫酸リグニンは土壌投入による環境影響が懸念されますが、土壌中の硫黄化合物の動態や腐植酸への変換によるリン酸固定への影響など、更なる研究が必要です。

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稲作における地力窒素の増強方法について議論されています。地力窒素は土壌粒子に吸着した有機物と考えられ、腐植酸に組み込まれた窒素がその役割を担うと推測されています。具体的には、レンゲを育てて土壌に鋤き込む際に、2:1型粘土鉱物を施肥することで、レンゲ由来の有機物の固定量を増やし、地力窒素を増強できる可能性が示唆されています。これにより、土壌の団粒構造も改善され、初期生育や穂の形成にも良い影響を与えることが期待されます。

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この記事は、無農薬栽培の可能性を探るため、シュウ酸アルミニウムの抗菌作用に着目しています。アカマツの菌根菌が生成するシュウ酸アルミニウムが抗菌作用を示すという報告から、植物の根からも分泌されるシュウ酸に着目し、そのメカニズムを探っています。シュウ酸アルミニウムは、土壌中でアルミニウムとキレート化合物を形成し、これが菌のコロニー先端部でグラム陰性細菌や枯草菌への抗菌作用を示すと考えられています。具体的な抗菌メカニズムは不明ですが、銅イオンと同様の作用の可能性が示唆されています。

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農薬や化学肥料の使用が土壌環境を悪化させるという意見に対して、反論を展開しています。 著者は、土壌中の微生物の量と多様性は有機物量に影響を受け、農薬や化学肥料の影響は限定的だと主張。また、連作障害の原因は特定の栄養素の過不足や病害虫の発生であり、農薬や化学肥料が直接の原因ではないと説明しています。 さらに、土壌pHの変化は施肥の影響を受けやすく、適切な土壌管理が必要だと指摘。結論として、農薬や化学肥料の使用と土壌環境悪化の因果関係は薄いと結論付けています。

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酸性土壌では、アルミニウムイオンが溶け出し、植物に有害となる。しかし、ある種の植物は、このアルミニウムを体内に取り込み無毒化したり、土壌中の有機酸とアルミニウムが結合することで無毒化する戦略を持つ。具体的には、クエン酸やリンゴ酸などの有機酸を根から分泌し、アルミニウムとキレート錯体を形成するか、アルミニウムイオンと腐植が結合し、植物への吸収を抑制する。これらのメカニズムにより、植物はアルミニウム毒性から身を守り、酸性土壌でも生育することが可能となる。

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粘土鉱物を肥料として活用する目的は腐植蓄積だが、粘土鉱物と腐植の繋がりは疑問が残る。2:1型粘土鉱物は正電荷が少ないため、有機物とのイオン結合による蓄積モデルでは説明が不十分。しかし、現実には2:1型粘土鉱物投入で土壌改良効果が見られる。これはAl由来の正電荷以外の結合機構を示唆する。ヒントとして、カオリン鉱物と酢酸カリウムの水素結合、スメクタイトとアルキルアンモニウムの正電荷による結合が挙げられる。腐植蓄積にはこれら以外のメカニズムが関与していると考えられ、特定の肥料と現象がその鍵を握る可能性がある。

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緑泥石は2:1型粘土鉱物だが、層間物質のためCECは低い。しかし風化と有機酸でスメクタイト状になり、CECが向上する。ベントナイト(モンモリロナイト)は緑泥石を含みCECが低く見られがちだが、海底由来でカリウムやマグネシウムを含む。緑泥石のCEC向上と合わせ、ミネラル供給源として優れている。カリウムは作物生育に重要で、ベントナイトは自然な補給を可能にする。また、緑泥石の緩やかなCEC上昇は連作土壌にも適している。ゼオライトより劣るとされるベントナイトだが、水溶性ケイ酸供給や倒伏軽減効果も期待できる。つまり、緑泥石を含むベントナイトはミネラル豊富な土壌改良材として有望である。

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植物ホルモン、サイトカイニンはシュートの発生を促進し、根の周辺に窒素系の塩が多いと発根が抑制される。これは、植物が栄養豊富な環境ではシュート形成を優先するためと考えられる。 農業において初期生育の発根は追肥の効果に影響するため、発根抑制は問題となる。慣行農法のNPK計算中心の施肥設計は、水溶性の栄養塩過多になりやすく発根を阻害する可能性がある。牛糞堆肥は塩類集積を引き起こし、特に熟成が進むと硝酸態窒素が増加するため、発根抑制のリスクを高める。 結局、NPK計算に基づく施肥設計は見直しが必要であり、牛糞堆肥の利用は再考を促す。

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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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飛騨小坂の炭酸冷泉は、御嶽山の噴火による溶岩流でできた場所に湧き、高い炭酸含有量を誇る飲用可能な鉱泉です。サイダーのような発泡と、鉄由来の独特の血のような味が特徴で、慢性消化器病などに効能があります。成分は含鉄(Ⅱ)-ナトリウム-炭酸水素塩、塩化物冷鉱泉。火山由来の二酸化炭素と重炭酸塩を多く含み、重曹の成分も含まれています。湧水には鉄が多く含まれ、空気に触れて酸化し、周辺は赤い川となっています。

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木津川近くの畑で、マルチ上の土に赤っぽい透明な塊を発見。木津川ではガーネットが拾えるという図鑑情報から、期待が高まる。肉眼ではガーネット特有の鮮やかな赤は確認できなかったが、土の色は既知のものと異なり、薄い褐色で透明な鉱物が混ざっていた。ガーネットは柘榴石の一種で、組成によって色が変わる。写真の灰ばん柘榴石はカルシウムとアルミニウムを含む。畑で見つけた褐色の鉱物の正体は不明だが、ガーネット発見の可能性にワクワクしている。

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土壌中には陽イオン交換容量(CEC)だけでなく、陰イオン交換容量(AEC)も存在する。AECは一部の粘土鉱物、特に火山灰由来のアロフェン表面のOH₂⁺が陰イオンを保持する。しかし、AECは値が小さく、腐植などで増加せず、土壌改良の影響を受けにくい。アロフェン添加でAECは向上するが、土壌分析項目にAECが含まれないことから、実用的には重要視されていないと考えられる。

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無機肥料の水への溶けやすさは、根の部分の酸の強さ(pKa値)で決まり、値が小さいほど溶けやすい。硫酸＞硝酸＞クエン酸＞炭酸の順。しかしCa²⁺やMg²⁺を含む肥料は、陰イオンとの結合の強さも影響し、硫酸カルシウムより硝酸カルシウムの方が溶けやすい。 水溶性肥料(硫酸塩、硝酸塩、クエン酸塩など)は水に溶けやすいが、く溶性肥料(炭酸塩、リン酸塩など)は水に溶けにくい。しかし、く溶性肥料は根から分泌されるクエン酸などの有機酸によって溶け、ゆっくりと肥効を発揮する。カキガラ石灰などは、このく溶性を活かした緩効性肥料である。

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無機肥料は、水に溶けてイオン化することで植物に吸収される。有機肥料のように微生物分解は必要ない。例えば硫酸カルシウム(CaSO₄)は、水に溶けるとカルシウムイオン(Ca²⁺)と硫酸イオン(SO₄²⁻)に分かれる。植物は主にカルシウムイオンを吸収する。肥料の効果は、いかに水に溶けやすいか、つまりイオン化しやすいかで決まる。溶けやすいほどイオンが土壌中に放出され、植物に吸収されやすくなる。

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土壌のCEC測定では酢酸アンモニウムで土壌中のミネラルをアンモニウムと交換する。しかし、硫安（硫酸アンモニウム）のような強酸塩を施肥すると、CEC測定以上のミネラルが交換され、苦土などの養分が溶脱する可能性がある。肥料偽装で革粉の代わりに硫安を使用していた事例では、残留性だけでなくミネラルの効きも弱まり、野菜の品質低下を招いていた可能性がある。つまり、アンモニア態窒素肥料は土壌への影響を考慮し、施肥する必要がある。

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土壌のCEC（陽イオン交換容量）測定は、土壌が保持できる養分の量を測る方法です。まず酢酸アンモニウムで土壌中の陽イオンをアンモニウムイオンに置換し、エタノールで洗浄後、塩化カリウムでアンモニウムイオンを溶出させます。この溶出したアンモニウムイオン量を測定することで、土壌のCEC、つまりマイナスの電荷量を間接的に測ることができます。測定単位はmeq（ミリイクイバレント）で、イオンの電荷数を示します。

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保肥力とは、土壌が肥料を保持する力のこと。陽イオン交換容量（CEC）という数値で測られ、CECが高いほど保肥力が高い。土中の粘土鉱物や腐植はマイナスの電荷を帯び、プラス電荷の肥料成分を吸着するため、CECに影響する。日本の土壌は一般的にCECが低く、肥料が流れやすい。保肥力を高めるには、バーク堆肥や腐植、鉱物資材などを活用する。保肥力が高まると、電気伝導度やpHも安定しやすくなる。

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硫酸アンモニウムが生理的酸性肥料である理由は、アンモニウムイオンの植物吸収と土壌反応にある。アンモニウムイオン(NH₄⁺)が植物に吸収されると、残った硫酸イオン(SO₄²⁻)が土壌中で反応し、水素イオンを放出することで土壌を酸性化させる。一方で、アンモニウムイオンは土壌のCECにも吸着し、その際に水素イオンを遊離させることで酸性化に寄与する可能性も示唆されている。単純な強酸と弱塩基の塩だから酸性という説明だけでなく、植物の吸収と土壌反応、CECとの相互作用も土壌酸性化に関わっている。

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キレート作用とは、EDTAのような物質が金属イオンを挟み込むように結合する現象である。実験では、ミネラルの影響を受けやすい酵素反応において、EDTAを添加することでミネラルを捕捉し、影響を抑制する目的で利用される。同様に、植物も根からキレート物質を分泌し、ミネラルを吸収しやすくしている。フィチン酸も強いキレート作用を持つが、栄養吸収の阻害となるため、フィターゼ酵素によってキレート部分を分解することでリン酸の利用を可能にしている。

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土壌消毒で硝化細菌が死滅すると、アンモニウムイオンが硝酸イオンに変換されず土壌中に蓄積する。アンモニウムイオンはマグネシウムなどの陽イオンミネラルの吸収を阻害するため、施肥計画通りの効果が得られない可能性がある。硝酸イオンは陰イオンなので陽イオンミネラルの吸収阻害は起こさない。リン酸イオンなど他の陰イオンの吸収阻害も、リン酸過剰になりやすい土壌環境ではむしろ有益な可能性がある。つまり、適切な土壌微生物は作物の養分吸収バランスを整える役割を担っている。将来的には、無機肥料ではなく有機肥料（アミノ酸等）が主流になることで、このような問題が軽減される可能性がある。

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塩（えん）とは、酸由来の陰イオンと塩基由来の陽イオンがイオン結合した物質である。例えば、塩酸(HCl)と水酸化ナトリウム(NaOH)が反応すると、水(H₂O)と塩化ナトリウム(NaCl)が生成される。ここで、塩酸由来の陰イオンCl⁻と水酸化ナトリウム由来の陽イオンNa⁺が結合した塩化ナトリウムが「塩（えん）」に該当する。同様に、硫酸アンモニウムと水酸化カルシウムから生成される硫酸カルシウム(CaSO₄)も塩（えん）である。硫酸アンモニウム由来の硫酸イオン(SO₄²⁻)と水酸化カルシウム由来のカルシウムイオン(Ca²⁺)が結合しているためだ。有機無機に関わらず、農業において塩は重要な役割を果たす。

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粘土鉱物は、層間水でつながっており、陽イオンを保持する。この陽イオン保持力は、粘土粒子間の交換可能な陽イオンによる。腐植は鉱物ではないため、腐植由来の保肥力は異なる性質を持っている。そのため、腐植の保肥力について別途検討が必要。

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酸性になるとアルミニウムが溶け出して有害になるほか、保肥力が低下します。保肥力とは、粘土鉱物や腐植に含まれるマイナスの電荷が、カリウムなどのプラスの肥料成分を吸着して保持することです。 植物が利用するためにこれらの成分を放出するには、根からH+を放出し、これによって交換が行われます。このメカニズムを陽イオン交換と呼び、保肥力を示す指標を陽イオン交換容量（CEC）と呼びます。 粘土鉱物では、粒子間の隙間が保肥力となり、腐植では有機物の表面にマイナスの電荷が生成されて保肥力になります。