植物のミカタ

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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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同型置換とは、粘土鉱物の結晶構造中で、Si四面体が壊れ、代わりにAl四面体が配置する現象です。Si四面体のSiはAlと置き換わるのではなく、結晶が壊れて再構成する際にAl四面体が組み込まれる形となります。壊れたSi四面体はSi(OH)4として水に溶けると考えられます。同型置換により結晶構造は負に帯電し、CEC（保肥力）が増大します。pHや温度が同型置換に影響を与える可能性があります。

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粘土鉱物の一種である緑泥石は、海底の堆積岩に多く含まれています。海水には岩石から溶け出した鉄やマグネシウムなどのミネラルが豊富に含まれており、特に海底火山付近では活発な熱水活動によってミネラルが供給され続けています。これらのミネラルと海水中の成分が反応することで、緑泥石などの粘土鉱物が生成されます。つまり、緑泥石は海底での長年の化学反応の結果として生まれたものであり、海水由来のミネラルを豊富に含んでいる可能性があります。

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腐植酸は土壌中のリン酸固定を抑制する効果があります。腐植酸はアルミニウムイオンと結合し、土壌からリン酸と結合しやすいアルミニウムを減らすためです。ラッカセイ栽培では、腐植と石灰を施用することで、リン酸の有効性を高め、ラッカセイのポテンシャルを引き出す可能性があります。

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トマト栽培の「木をいじめる」技術は、水や肥料をギリギリまで制限し、植物にストレスを与えることで糖度や収量を高める方法である。ただし、この方法は土壌を酷使し、慢性的な鉄欠乏を引き起こすリスクが高い。短期的な収量増加は見込めるものの、土壌の劣化により長期的な視点では持続可能な栽培とは言えず、経営の破綻に繋がる可能性も示唆されている。

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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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ゼオライトは、ベントナイトと同様にイオン交換能力（CEC）の高い資材です。ベントナイトは膨潤性によってCECを実現していますが、ゼオライトは膨潤せずにCECを発揮します。 ゼオライトを水に浸しましたが、ベントナイトのように膨らむことはありませんでした。 この検証から、ゼオライトは膨潤することなくCECを高める資材であり、熱帯魚の水槽の水質改善に適していることがわかります。膨潤性の高い粘土鉱物は、この用途には適していません。

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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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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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土壌分析の結果pHが中性でもスギナが繁茂する理由を、アルミナ含有鉱物の風化に着目して解説しています。スギナ生育の鍵は土壌pHの酸性度ではなく、水酸化アルミニウムの存在です。アルミナ含有鉱物は風化により水酸化アルミニウムを放出しますが、これは酸性条件下だけでなく、CECの低い土壌でも発生します。CECが低いと土壌中の有機物や特定の粘土鉱物が不足し、酸が発生しても中和されにくいため、粘土鉱物が分解され水酸化アルミニウムが溶出します。同時に石灰が土壌pHを中和するため、pH測定値は中性でもスギナは繁茂可能です。対照的にCECの高い土壌では、腐植などが有機物を保護し、粘土鉱物の分解とアルミニウム溶出を抑えます。つまり、pHだけでなくCECや土壌組成を総合的に判断する必要があるということです。

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アオサは肥料として利用価値があり、特に発根促進効果が注目される。誠文堂新光社の書籍と中村和重氏の論文で肥料利用が言及され、窒素、リン酸、カリウムなどの肥料成分に加え、アルギン酸も含有している。アルギン酸は発根や免疫向上に寄与する可能性がある。リグニン含有量が少ないため土壌への影響は少なく、排水性やCECを改善すれば塩害も軽減できる。家畜糞でアオサを増殖させれば、肥料活用と同時に二酸化炭素削減にも貢献し、持続可能な農業に繋がる可能性がある。

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広島の牡蠣養殖は、潮の満ち引きを利用した抑制棚で行われ、牡蠣の成長と環境適応力を高めている。牡蠣はプランクトンを餌とするが、近年その量が不安定で、養殖に影響が出ている。プランクトン、特に微細藻類は海の食物連鎖の基盤であり、生物ポンプとして二酸化炭素吸収に貢献する。牡蠣の殻も炭酸カルシウムでできており、同様に二酸化炭素を吸収する。養殖を通して、微細藻類の繁殖と牡蠣の成長、そして大気中の二酸化炭素濃度の関係が見えてくる。

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植物の成長促進における枯草菌の役割に着目し、みすず書房「これからの微生物学」の記述を基に考察。枯草菌は植物ホルモンのオーキシンやブタンジオールを産生し、成長を促進する。また、納豆菌（枯草菌の一種）はフィチン酸分解酵素を分泌し、有機態リン酸を分解できる。このことから、家畜糞堆肥施用土壌で腐植主体に変えるとリン酸値が上昇する現象は、枯草菌による有機態リン酸の分解・可給化が要因だと推測される。この作用は、リン酸施肥量削減の可能性を示唆する。

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山梨県甲府市で、黒ボク土での栽培に関する農業研修の講師を務めました。甲府市はアロフェン質黒ボク土が多く、排水性・保水性・CECが高い一方、活性アルミナ障害を受けやすいという特徴があります。研修では、この活性アルミナ障害の発生原因や、既存の肥料を用いた秀品率向上のための対策について解説しました。具体的には、リン酸施肥による活性アルミナ対策などを紹介し、黒ボク土の特性を理解した効果的な栽培方法を提案しました。

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京都農販は福岡県八女市の春口農園の社内勉強会で肥料の施肥設計について講演しました。NPKのみに注目した施肥設計は、後々に追肥や農薬散布のコスト増につながることを指摘。pH、EC、CECといった土壌環境を考慮した施肥設計の重要性を解説し、肥料・農薬コスト削減の理由を説明しました。窒素、pH、EC、腐植量などに関する詳細な記事へのリンクも紹介。今回の講演内容は、施肥設計の見直しによる農薬防除回数削減に繋がるもので、より詳しい内容は京都農販日誌で確認できます。

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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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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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宮城県涌谷町のうじいえ農場で、京都農販の社内勉強会を実施。追肥設計と基肥設計について講演しました。追肥は京都農販の木村が、基肥設計は私が担当。基肥設計では、NPKだけでなく、pH、EC、CECに着目することで肥料や農薬の経費削減に繋がる理由を解説しました。窒素、pH、EC、腐植量に関する記事も紹介し、施肥設計の見直しで農薬防除回数を減らせることを強調しました。

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京都八幡の渋谷農園主催の勉強会で、京都農販が基肥設計の重要性を解説。NPK重視の施肥設計は、後々追肥や農薬散布のコスト増につながる点を指摘。pH、EC、CECを考慮することで肥料・農薬費用削減が可能となる理由を説明した。窒素、pH、EC、腐植量に関する記事へのリンクも紹介。今回の基肥設計の講義は、施肥設計見直しによる農薬防除回数削減へと繋がる内容となっている。

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高知の土佐園芸生産組合で、京都農販が肥料に関する勉強会を開催。基肥設計において、NPKのみに注目すると追肥や農薬散布のコスト増につながる理由、pH、EC、CECを重視することで肥料・農薬経費削減できる理由を解説した。窒素、pH、EC、腐植量に関する記事へのリンクも紹介。この内容は、施肥設計見直しによる農薬防除回数削減につながるもので、次作以降の栽培での活用を推奨している。

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京都舞鶴の大江山麓の土壌は、超苦鉄質のかんらん岩や蛇紋岩の影響で高pH（約8）かつマグネシウム過剰、カリウム不足という特徴を持つ。実際に大江山麓で畑を借りた農家は、強い酸性肥料を用いても土壌pHは下がらず、カリウム不足も解消されずに栽培を断念した。これは、超苦鉄質岩にカリウムを含む鉱物が少なく、高pH土壌ではカリウムが吸収されにくいことが原因と考えられる。そのため、この地域ではカリ肥料の適切な施用が重要となる。また、土壌は鉄過剰により赤色を呈すると予想される。

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関西圏では、火山活動が少なく、黒ボク土は主に2:1型粘土鉱物が主体で、アロフェン質の黒ボク土に比べてアルミニウム障害が発生しにくい特徴があります。 一方、アロフェン質黒ボク土は火山灰の影響を強く受け、アルミニウム障害のリスクが高いです。 関西圏では、歴史的に黒ボク土での栽培が比較的容易であったため、「黒ボク土は良い土」というイメージが広まったと考えられます。 しかし、黒ボク土の性質は地域によって異なり、一概に「良い土」とは言えません。

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黒ボク土は通気性・保水性に優れる反面、アルミニウム障害という問題を抱えています。本稿では、黒ボク土の形成過程を、粘土鉱物であるアロフェンと非アロフェンに着目して解説しています。黒ボク土は、玄武岩質火山灰を基材とし、アロフェン質と非アロフェン質に分類されます。非アロフェン質はベントナイトなどの2:1型粘土鉱物ですが、アロフェン質は火山ガラスから生成されるアロフェンを含みます。アロフェンの生成には玄武岩質火山灰由来の成分が関与していると考えられています。

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ゼオライト（沸石）は、結晶構造内に水を含み、加熱すると沸騰しているように見えることから名付けられた。化学組成は(Na,K)Ca₄(Al₉Si₂₇O₇₂)・29H₂Oなどで表され、多くの種類が存在する。ケイ素(Si⁴⁺)とアルミニウム(Al³⁺)が骨格内で入れ替わることで結晶全体が負に帯電し、この負電荷により陽イオンを吸着するため、土壌改良材として保肥力(CEC)向上に効果がある。また、結晶構造内の空隙に水を吸着するため、保水性も高い。

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JAやつしろでは土耕からロックウールを使った養液栽培への移行が進んでいる。ロックウールは玄武岩や鉄炉スラグから金属を抽出した残渣に石灰を添加したもので、主成分は二酸化ケイ素と酸化カルシウム。CECや緩衝性はほぼなく、pHは高めだが、栽培用には調整済み。繊維状で通気性が良く、養液栽培に適している。生育不良時はロックウールごと廃棄・リセットが可能。肥料設計の勉強会では、土壌の基礎知識よりも、ロックウール栽培で使用する無機肥料の理解を深めることが重要となる。

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肥料業者向け勉強会で、尿素と塩化カリウムの使用への抵抗感が話題になった。尿素は硫安の代替として窒素を供給するが、ガス発生への懸念がある。しかし、硫安は産廃である一方、尿素は天然物であるため、速効性窒素肥料として尿素が推奨される。塩化カリウムはカリウムを供給する天然鉱物で、土壌pHに影響を与えない。ただし、塩素イオンがECを高める可能性があるため、排水性とCECを高め、塩素イオンを流しやすい土壌環境を整備する必要がある。つまり、適切な土壌管理を行うことで、尿素と塩化カリウムは有効な肥料として活用できる。

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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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土壌中のアルミニウムは、腐植物質の分解を抑制する役割を果たします。腐植物質は土壌の肥沃度にとって重要ですが、微生物によって分解されます。アルミニウムイオンは腐植物質と強く結合し、微生物による分解から保護します。この結合は、アルミニウムイオンが腐植物質の表面に吸着したり、腐植物質の内部に入り込んで錯体を形成したりすることで起こります。特に酸性土壌では、アルミニウムイオンの濃度が高いため、この保護作用が顕著になります。結果として、アルミニウムの存在は土壌中の腐植物質の蓄積を促進し、土壌の長期的な肥沃度維持に貢献します。

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牛糞堆肥の過剰施用は土壌環境を悪化させ、野菜の品質低下を招く。窒素過多による生育障害、塩類集積による根へのダメージ、リン酸過剰による微量要素欠乏などが問題となる。また、牛糞堆肥中の未熟な有機物は土壌の酸素を奪い、根の呼吸を阻害する。さらに、牛糞堆肥の成分は複雑で未分解物が多く、土壌環境への影響予測が困難であるため、施用量には注意が必要だ。堆肥は「良いものだからたくさん」ではなく、土壌分析に基づいた適切な施用が重要である。

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土壌中の腐植量測定は、分光光度計を用いた紫外-可視吸収スペクトル測定で行われる。腐植は複雑な構造で、末端のカルボキシル基や水酸基が水の保持やpH緩衝、イオン保持に寄与する。測定は水溶液サンプルに光を当て、吸収された波長から量を計算するが、腐植の抽出の難しさから参考値となる。論文では、腐植量とCECには高い正の相関(R²=0.7)が見られた。腐植はアルミニウムと強く結合し長期間保持されることから、腐植のパフォーマンス向上策が重要となる。

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可溶性ケイ酸は植物の成長を促進する効果がある一方で、土壌中でケイ酸がどのような働きをしているかは未解明な部分が多い。ケイ酸は植物に吸収されると、細胞壁に蓄積して物理的強度を高め、病害虫や環境ストレスへの耐性を向上させる。また、ケイ酸は土壌中のアルミニウムと結合し、アルミニウム毒性を軽減する役割も持つ。さらに、ケイ酸はリン酸と鉄の可給性を高める効果も示唆されている。これらの効果は土壌の種類やpH、他の養分との相互作用に影響されるため、更なる研究が必要とされている。

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植物の葉は、光を効率的に受けるために、重なりを避けながら巧みに配置される。葉序と呼ばれる規則があり、例えばキャベツやハクサイは144度ずつ葉をつける2/5葉序を持つ。Pythonでこの配置を可視化すると、5枚で円を2周する様子がわかる。しかし、単純な144度回転では葉が重なってしまうため、実際には茎の捻れ(+5度)が加わり、新しい葉は古い葉を避けて展開する。このモデルを葉の数(N)を増やしてシミュレーションすると、N=20や30では実際のロゼット状の植物の配置に近づく。

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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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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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団粒構造の保肥力は、風化で劣化した鉱物ではなく、腐植の有機酸に由来する。腐植の保肥力を高めるには、有機酸の末端にあるカルボキシル基を増やす必要がある。そのためには、デンプン、タンパク質、脂肪が分解されて生成される有機酸を増やすことが重要となる。米ぬかや魚粕などの食品残渣系資材は、これらの成分を豊富に含むため、土壌に投入することで有機酸の生成を促進し、保肥力を向上させる。つまり、団粒構造の形成には、劣化した鉱物だけでなく、食品残渣などの粗大な有機物も重要な材料となる。

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腐植のマイナスの電荷は、有機酸のカルボキシル基から生じます。このマイナス電荷が保肥力を生み、肥料成分の保持につながります。保肥力は鉱物と腐植の両方によって決定されます。栽培時にこれらを適切に混ぜ込むことで、肥料コストを削減できます。さらに、鉱物が劣化しないように、く溶性成分も追加することが重要です。適した資材を選択することで、保肥力を高め、肥料コストを最適化できます。

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土壌のCEC（保肥力）は、マイナスの電気を帯びた箇所があり、プラスのイオンが吸着する。しかし、土壌のpHが酸性に傾くと、水素イオンがCECを埋めてしまい、プラスのイオンの吸着が悪くなる。そのため、栽培後には肥料や根酸によりpHが酸性に傾き、pH調整のために石灰を使用する文化が生まれたと考えられる。

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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。