2006/11/20, 27 土の保水(地下水上部の水分分布) 毛細モデル土の保水を，毛管の束とみなす．小さな管径ほど，より強く保水され，地下水より上方でも水分を保持する．高さ z 上部ほど小さな隙間で保水 (界面の曲率が小さい) 小さな隙間ほど強く保水地下水体積含水率 θ 隙間の大きさ r の割合 θ 水分保持曲線(水分特性関数) ローム体積含水率 f(r) 割合砂粘質土 h∝ 1 r Log r 土中水圧力 - h 大きな間隙から排水負圧(サクション) 大体積含水率 θ 異なる土の水分保持曲線粘質土砂質土水に溶けている成分 zカルシウム，カリウム←母材の塩基分 zアンモニア，硝酸，リン酸 ←腐植や生物の分泌物 z肥料 (N, P, Kその他) 養分土中水の圧力 log ⎜h⎜ pF = log h 地域環境資源論 z陽イオン Ca2+, Na+ z陰イオン NO32-, PO42- 負圧の大きさ 1 2006/11/20, 27 水に溶けている養分 z 陽イオン Ca2+, Na+ z 陰イオン NO32-, PO42- 養分をひきつける荷電物質の存在(粘土鉱物，腐植) 植物の養分腐植栄養説 z 根が有機物を吸収して生育ギリシャのアリストテレス，ルネッサンス時代へても支配的な学説 z 植物の利用には，濃度がある範囲内である必要濃度が高すぎると浸透圧が高く，給水が困難。植物のしおれ点 0.1モル (海水0.5モル) z 乾燥地の土中水濃度 0.1モルわが国の降雨後 0.01モル z テーヤの成功大量の施肥，厩肥を投入した輪作体系により，大幅な収量増加。腐植は生命の産物リービッヒの無機栄養説ローズ，ギルバートの圃場実験 z 処理(堆肥量，耕うん法)の異なる小区画の圃場を使って，いろいろな処理の効果を比較。 z 窒素は肥料として必要。 z 厩肥をした区は収量は高いが，化学肥料でもそれに劣らない収量をうることができる。 z 腐植は炭素の給源ではない。 z 炭素の給源は空気中の二酸化炭素 z 動植物の腐敗によって生じるアンモニアが雨に溶けて土中に供給される。 z 人造化学肥料の提案リービッヒ理論の弱点 z 窒素肥料に対する誤った見解「農業における進歩は，厩肥からの開放である」経験と理論 z 経験則の一般化の落とし穴「腐植の多い土は肥沃である」という経験則。「腐植が多いとなぜ土は肥沃なのか」科学(サイエンス) 化学 vs. 自然科学 z 化学では，純粋な系間の相互作用を研究することが可能 (他の条件すべてを一定にして，ある要因を変化させ，その効果を調べる)。 z 自然科学では，からみあった諸要因のもとで，対象にアプローチしなければならない。。いろいろな側面からのアプローチ，数多くの測定が必要。 z 経験則の一般化の落とし穴窒素肥料を施用しないで肥沃性を保っている土を見て，空中のアンモニア吸収を結論。土中の荷電物質とイオン交換 NH4+ Soil イオンを多量に交換できる土ほど肥沃性が高い． Ca2+ 地域環境資源論 2 2006/11/20, 27 土の中の荷電物質の大きさいろいろな形の粘土鉱物粘土鉱物の永久荷電(同型置換) 土の中の荷電物質粘土鉱物の永久荷電(同型置換) pH依存荷電粘土鉱物は，同型置換量とその位置で分類。酸性アルカリ性結晶端面では，荷電が表面に突き出している。重金属の特異吸着地域環境資源論 3 2006/11/20, 27 イオン交換粘土鉱物のpH依存荷電 NH4+が吸着された分，K+が外液に追い出される。腐植のpH依存荷電 z粒子近傍(ニ重層内)では，電気的中性が保たれる。 z外液が変化すると，新たな平衡にむけてイオン交換が生じる。イオン交換イオンの吸着のしやすさ Soil-K + + NH 4+ R Soil-NH 4+ + K + z価数が大きいほど吸着しやすい。 Ca2+ > Na+ ⎡Soil-NH +4 ⎤⎦ ⎡⎣ K + ⎤⎦ K=⎣ ⎡⎣Soil-K + ⎤⎦ ⎡⎣ NH 4+ ⎤⎦ z水和半径が大きいほど吸着しやすい。イオン半径 nm 水和半径 nm 外液のNH4+が増加 Soil-K+減少，Soil-NH4+増加，K+増加拡散二重層拡散二重層の厚さ Li+ 0.060 0.24 Na+ 0.095 0.18 K+ 0.133 0.13 拡散二重層の厚さ z濃度が小さいほどイオンは拡散する。吸引力拡散拡散反発力濃度大濃度小地域環境資源論 4 2006/11/20, 27 拡散二重層の厚さ粘土とイオンの吸引力 z価数が小さいほどイオンは広がる。 Ca2+ < Na+ qq 静電気力 ∝ 1 2 2 距離 2+ 濃度 2+ Ca2+ Na+ モンモリロナイトバイデライト表面の荷電に対してイオンは拡散できない。ベントナイトの構造重金属の特異吸着大拡散二重層小小透水性大 zリン酸の吸着火山灰土のアロフェンに強く吸着 z内海や湖の富栄養化リン酸は土壌に吸着しやすい。窒素は，還元状態(水田)では，アンモニア態(NH4+)となり，土壌に吸着されやすいのに対し，酸化状態(畑)では，硝酸態(NO32-)となり，排出されやすい。 zイオン交換と植物の養分吸収地域環境資源論粒子表面からの距離 z銅 (Cu)，カドミウム(Cd)，亜鉛(Zn)，水銀 (Hg)，鉛(Pb)，ヒ素(As)，ニッケル(Ni)，クロム(Cr) z選択的な特異吸着 pH依存荷電の非晶質の粘土との特異吸着 z土壌のpHの溶解度 Cu, Zn, Cd, Mn, Feの溶解度はアルカリ化で減少。 z土壌の酸化・還元と重金属の形態土の研究と地域性 zトンプソンのイオン交換の発見北西ヨーロッパの比較的若い土(モンモリロナイト) zマトソンによる非晶質性のアルミニウムや鉄の役割の発見 z腐植栄養説とヨーロッパの地域性 z土は多様な成分からなる複雑な系である。 z科学(サイエンス)として，土の現象をどのように普遍化するか? 5 2006/11/20, 27 拡散二重層の重なり z粒子間距離が小さいほど拡散二重層が重なる。粒子間の反発力が大きくなる粒子間に水を吸い込もうとする力が大きくなる土中水の負圧が大きくなる地域環境資源論 6