森林土壌学・土壌環境管理学　　　・土壌の固相部分

　－材料と生成因子との関係－

　－粒径組成による土性区分－

糸状菌（かび） 450 ～ 525kg細菌・放線菌　 140 ～ 175 ｋｇ土壌動物　＜ 35 ｋｇ

畑作土壌 10a のバイオマス　＝　約 700 ｋｇ

● 粒径の区分（ Particle size ）

＞２ mm 礫（ gravel ）２ mm ～ 0.2mm 粗砂（ coarse sand ）0.2mm ～ 0.02mm 細砂（ fine sand ）0.02mm ～ 0.002mm シルト（ silt ）＜ 0.002mm 粘土（ clay ）

固形物の粒径による土性区分（図 5-1 ）

砂（ Sand)

土性（図 5-2）土を構成する粒子は、粒の大きさによって、粗砂、細砂、シルト（微砂）、粘土に区分されるのですが、これらの含まれる割合によって”土性”が決まります。土性の分類には、土性三角図表が用いられます。

砂土　Ｓ：砂土　ＬＳ：壌質砂土壌土　ＳＬ：砂壌土　Ｌ：壌土　ＳｉＬ：シルト質壌土埴壌土　ＳＣＬ：砂質埴壌土　ＣＬ：埴壌土　ＳｉＣＬ：シルト質埴壌土埴土　ＳＣ：砂質埴土　ＬｉＣ：軽埴土　ＳｉＣ：シルト質埴土　ＨＣ：重埴土

砂　＜ 0.02mm 　　 40 ％シルト　　　　　 40 ％粘土　　　　　　 20 ％　　　　

砂　＜ 0.02mm 　　 20 ％シルト　　　　　 20 ％粘土　　　　　　 60 ％　　　　

？

？

土性 透水性 通気性 養分保持力 粘着性砂土壌土埴壌土埴土

土壌の材料

　一次鉱物（ Primary mineral ）・マグマが冷却される過程で形成されたもので（造岩鉱物 Rock-forming mineral ）、天然鉱物 3000 種以上のうち数十種が程度を占める。・一次鉱物で重要なものは長石（ 57.8 ％）、石英（ 12.8 ％）、雲母（ 3.6 ％）、角閃（せん）岩（ 16.0 ％）であり、これらで大陸岩石圏の約 90 ％を占める。（表 4-1 ）

　二次鉱物（ Secondary particle ）・岩石の風化物起源で土壌中で生成された粘土鉱物のことを言う．・粘土鉱物とは，一般に含水ケイ酸塩鉱物で，層状構造をもっている．基本構造は似ているが， Si と Al （あるいは Mg ）， O ， H の組み合わせ，および結晶の一部に取り込まれた Fe ， K などの元素の種類と量によって区別される．（表4-3 ）

　

石英化学組成がほぼ二酸化ケイ酸（ SiO2 ）で構成れ、多くの岩石に含まれている。花崗岩などの酸性火成岩、変成岩や砂岩などの堆積岩の主要構成鉱物となっている。

長石アルミニウムとケイ素と酸素、そして、その他の元素から構成されている。その他の元素として一般的なのが、カリウムとナトリウムとカルシウム、それぞれカリ長石（ KAlSi3O8 ）、曹長石（ NaAlSi3O8）、灰長石（ CaAl2Si2O8）と呼ばれています

土壌から有機物を分解した残りの砂状粒子をみると、１次鉱物の破片が混ざっている。

地殻の岩石の平均的な鉱物組成（『 Nesbitt and Young, 1984 』から引用、 1534p ）　 A B C D E

石英（ quartz ） 21 25.4 24.42 23.2 20.3

斜長石（ plagioclase ） 41 39.25 39.25 39.9 34.9

ガラス（ glass ） 0 0 0 0 12.5

正長石（ orthoclase ） 21 4.57 8.6 12.9 11.3

黒雲母（ biotite ） 4 15.29 11.23 8.7 7.6

白雲母（ muscovite ） 0 9.77 7.61 5 4.4

緑泥石（ chlorite ） 0 0 3.31 2.2 1.9

角閃石（ amphiboles ） 6 0 0 2.1 1.8

輝石（ pyroxenes ） 4 0 0 1.4 1.2

かんらん石（ olivines ） 0.6 0 0 0.2 0.2

酸化鉱物（ oxides ） 2 1.37 1.37 1.6 1.4

その他（ others ） 0.5 4.7 4.7 3 2.6A Wedepohl （ 1969, 表 7-11 ）により概算された上部大陸地殻の平均鉱物組成B カナダ楯状地のメソノルム（ mesonorm ）（ Shaw et al., 1967 ）C 緑泥石を含むように修正したカナダ楯状地のメソノルム（付記を参照）D 上部大陸地殻の平均鉱物組成の概算値（計算方法の詳細は付記を参照）E 露出した地殻の平均組成の概算値（計算方法の詳細は付記を参照）

１）地殻を構成する鉱物の大部分は酸素と他のイオンが結合した酸化物で、地殻全体でも酸素の存在割合が最も高くなっている。

２）酸素を除くと、 Siの存在量が最も高く、次いで Al、そして Fe、 Ca 、Na 、 K、 Mg の順に存在量が減少していく。

・これらのイオンが粘土鉱物の生成に関与してくることになるが、鉱物の溶解速度の違い、個々のイオンの鉱物からの溶脱速度や溶液中での挙動の違いが粘土鉱物の生成反応をきわめて複雑なものにしている。

Q: 土壌成分と何が違うのか？

地殻を構成する主要元素の存在割合

土壌の材料

　一次鉱物（ Primary mineral ）・マグマが冷却される過程で形成されたもので（造岩鉱物Rock-forming mineral ）、天然鉱物 3000 種以上のうち数十種が程度を占める。・一次鉱物で重要なものは長石（ 57.8 ％）、石英（ 12.8 ％）、雲母（ 3.6 ％）、角閃（せん）岩（ 16.0 ％）であり、これらで大陸岩石圏の約 90 ％を占める。（表 4-1 ）

　二次鉱物（ Secondary particle ）・岩石の風化物起源で土壌中で生成された粘土鉱物のことを言う．・粘土鉱物とは，一般に含水ケイ酸塩鉱物で，層状構造をもっている．基本構造は似ているが， Si と Al （あるいはMg ）， O ， H の組み合わせ，および結晶の一部に取り込まれた Fe ， K などの元素の種類と量によって区別される．（表 4-3 ）

　

風化作用とは・・・　『地表または地表付近で、大気、地表水などの関与の下

で岩石の色、組織、組成、固結度などが変化する作用』

１．物理的風化作用（ physical weathering ）、機械的風化作用（ mechanical weathering ））

温度変化の激しい高山地方などで、熱膨張係数の異なる造岩鉱物の間に亀裂を生じる作用、割れ目に浸透した溶液が氷結することで岩石が細粒化する作用である。

２．化学的風化作用（ chemical weathering ）　ほぼ常温常圧で造岩鉱物が酸化、水和、溶脱で特徴づけられる化学

変化を受けることであり、特に水の働きが重要である。　化学的風化段階の進行は狭い地域内でも一様ではない。　（同じ断面では上位ほど、斜面上では上部ほど、母岩が塩基成分

（ Ca 、 Mg など）に乏しいほど、進行が早い。

造岩鉱物　→　（風化作用）　→　二次鉱物（ secondary mineral ）

ただ細かく砕けたのではない！

① 　一次鉱物から遊離した陽イオン成分が水溶液中の陰イオンと結合して難溶性の沈殿物（水酸化物、硫酸塩、炭酸塩など）を生成する。　　・・・方解石、ギブサイト

② 　遊離した成分相互が結合し沈殿する。・・・ケイ酸塩粘土鉱物　　造岩鉱物から溶けたケイ素やアルミ、鉄、マンガンなどが集積して、酸素や水酸基（ OH-) と再結晶した鉱物

③ 　一次鉱物が結晶構造の大わくをそのまま残して粘土鉱物に変化する。・・・雲母を出発点として、加水雲母→バーミキュライト→モンモリロナイトへの変換

カリ長石（正長石）＝ KAlSi3O8

加水分解　　 AB 　 + 　 H2O 　→　AOH 　 + 　 HB

K ２ O ・ Al2O3 ・ 6SiO2 　 + 　２ H2O 　

２ KOH 　 + H2O Al2O3 ・ 6SiO2 　　　

H2O Al2O3 ・ 6SiO2 　 + ２ H2O 　

2H2O ・ Al2O3 ・ 2SiO2 　　 + 　 4SiO2

水酸化カリウム アルミノケイ酸

アルミノケイ酸

カオリナイト ケイ酸

カリ長石

遊離したアルミノケイ酸は不安定であり、さらにケイ酸が溶解してカオリナイトを生成する。

鉱物中の水に炭酸塩が溶解して水素イオン濃度が高くなると鉱物中のカリウム、カルシウムを溶解させる。

余談：カオリンは主として白色磁器の原料

ケイ酸塩粘土鉱物はケイ酸と酸素が作る格子（ケイ酸 4 面体）とアルミニウムと酸素（又は水酸基）が作る水酸化アルミ 8 面体が板状に 1 ： 1 　ないし　２：１に重なっている。（図４ - １、表４ - ３）

カオリン鉱物は４面体と８面体シートの２層構造（又は１：１層）から出来ており、イオンの同型置換も少なく、電気的にもバランスが取れています。

陶器で有名な中国の景徳鎮で使われていた陶土の産地、高陵（カオリン）村の名からカオリンと呼ばれています。

ケイ素４面体ケイ素４面体

Silicon - Oxygen Tetrahedron (Si2O5-2)

水酸化アルミ水酸化アルミ 88 面体面体 Aluminum Octahedral (Gibsite Sheet)

Al(OH)6-3

OH

OH

OH酸 素 水 酸 基 ア ル ミ ニ ウ ム 、 マ グ ネ シ ウ ム 等

, シ リ カ

4面 体 シ ー ト

8面 体 シ ー ト

4面 体 シ ー ト

モ ン モ リ ロ ナ イ ト結 晶 層

OH

層 間 水

モンモリロナイトの結晶構造と層間水Montmollironite and Interlayer water

酸素(O)

ケイ素(Si)

四面体単位構造

シリカ層(Si)

シリカ層(Si)

アルミナ層(Al)

アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)等

水酸基(OH)

八面体単位構造

Si

Si

Al

Si

Si

Al

周辺の水 （自由水）

層間水

粘土粒子はマイナス（負電荷）をもっている１）Ｓｉ－４面体のＳｉがＡｌに置換したり、Ａｌ－８面体のＡｌがＭｇに置換している（これを同型置換という）。　Ｓｉ－４面体内の同型置換に基づく負荷電は、Ａｌ－８面体内の荷電よりも、陽イオンに対する吸収力が強くなっている。この機構による負荷電はまわりの溶液のｐＨの影響を受けない。

粘土粒子はマイナス（負電荷）をもっている

２）粘土の結晶格子の末端にあらわれる破壊原子価（Ｏ－Ｈ＋）や（ＳｉＯ－Ｈ＋）の水素イオンＨ＋の解離によって発生する負電荷。　水素イオンの解離で発生する負電荷はｐＨが下がってまわりの溶液の水素イオンが増えると、粘土や有機物中のＨ＋ の解離度がさがって負電荷が減少します。

陽イオン交換作用 施用された肥料成分の中の陽イオンが、あらかじめ土の表面にあるマイナス電荷の手に保持されていた水素イオンＨ＋やカルシウムイオンＣａ２＋などと交換され土壌に保持されること。 保持されるのはカルシウムイオン・マグネシウムイオン・カリウムイオン・ナトリウムイオン・アンモニウムイオン・水素イオンなどです。　一定量の土壌が保持できる陽イオンの合計を陽イオン交換容量（ＣＥＣ）といい、その量の多い土（ＣＥＣが高い）ほど養分を多量に保持できる。

Mineral Particle size

Specific surface 比表面積(m2/g)

Cation exchange capacity

陽イオン交換容量(meq/100g)

Figure（形態）

Kaolinite（カオリナイト）

d=0.3 ～3mm

t=d/3 ～ d/1010 ～ 20 3 ～ 15

Hexangular plate，（６角版状） Plate

（板状）

Halloysite（ハロイサイト）

Outer D,0.07mm

Inner D,0.04mm

Length,0.5mm

40 ～ 100 10 ～ 40 Pipe Tube （中空）

Vermiculite（バーミキュライ

ト）

d<2mm t=d/10

5 ～ 400 150 ～ 200Plate （板状）

Squamation（鱗状）