利用者:加藤勝憲/土性
土性は、物理的なテクスチャに基づいて土壌クラスを決定するために、フィールドと実験室の両方で使用される分類機器である。土性は、感触によるテクスチャーなどの定性的手法と、ストークスの法則に基づく比重計法などの定量的手法を使用して決定できる。土性には、作物の適合性の判断や、干ばつやカルシウム（石灰）の要件などの環境条件や管理条件に対する土壌の反応を予測するなどの農業用途があります。土性は、砂、シルト、粘土など、直径2ミリメートル未満の粒子に焦点を当てている。 USDA土壌分類およびWRB土壌分類システムは12のテクスチャクラスを使用するが、 UK-ADASシステムは11を使用する。 [1]これらの分類は、土壌中の砂、シルト、および粘土の割合に基づいている。
歴史
[編集]最初の分類である国際システムは、 1905年にAlbert Atterbergによって最初に提案され、スウェーデン南部での彼の研究に基づいていた。アッターバーグは20を選んだ そのサイズよりも小さい粒子は肉眼では見えず、懸濁液は塩によって凝固する可能性があり、 24時間以内の毛細管上昇はこの画分で最も速く、圧縮された粒子間の細孔はそうであったため、シルト画分の上限はμmであった。根毛の侵入を防ぐために小さい[2]。国際土壌科学協会（ISSS）の委員会1は、1927年にワシントンで開催された最初の国際土壌科学会議でその使用を推奨した[3]。オーストラリアはこのシステムを採用しており、その等しい対数間隔は維持する価値のある魅力的な機能である[4]。米国農務省（USDA）は1938年に独自のシステムを採用し、食糧農業機関（FAO）はFAO-ユネスコの世界土壌図でUSDAシステムを使用し、その使用を推奨した。
分類
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米国では、12の主要な土性分類が米国農務省によって定義されている[1]。１２の分類は、砂、ローム質砂、砂質ローム、ローム、シルトローム、シルト、砂質粘土ローム、粘土ローム、シルト質粘土ローム、砂質粘土、シルト質粘土、および粘土である[5]。土性は、土壌に存在する各土壌（砂、シルト、粘土）の割合によって分類される。分類は通常、主成分の粒子サイズ、または最も豊富な粒子サイズの組み合わせに基づいて名前が付けられる（例：「砂質粘土」または「シルト質粘土」）。 4番目の用語であるロームは、土壌サンプル中の砂、シルト、および粘土の同等の特性を表すために使用され、「粘土ローム」や「シルトローム」など、さらに多くの分類の命名に役立つ。
土性の決定は、土性三角プロットを使用すると役立つことがよくありる[5]。土壌の三角形の例は、ページの右側にあります。三角形の1つの辺は砂の割合を表し、2番目の辺は粘土の割合を表し、3番目の辺はシルトの割合を表する。土壌サンプル中の砂、粘土、シルトの割合がわかっている場合は、三角形を使用して土性の分類を決定できる。たとえば、土壌が70％の砂と10％の粘土である場合、その土壌は砂壌土として分類されます。同じ方法を、土壌の三角形の任意の側から開始して使用できる。土壌タイプを決定するために感触法によるテクスチャーが使用された場合、三角形は、土壌中の砂、シルト、および粘土のパーセンテージの大まかな推定値を提供することもできる。
土壌の化学的および物理的特性は、テクスチャに関連している。粒子のサイズと分布は、水と栄養分を保持する土壌の能力に影響を与えます。きめの細かい土壌は一般に保水性が高く、砂質土壌には浸出を可能にする大きな細孔空間が含まれている[6]。
土の分類
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土壌分離は、特定の範囲の粒子サイズである。最小の粒子は粘土粒子であり、直径が0.002未満であると分類されます。 んん。粘土粒子は球形ではなく板状であるため、比表面積を増やすことができる[7]。次に小さい粒子はシルト粒子で、直径は0.002である。 mmおよび0.05 mm（USDA土壌分類）。最大の粒子は砂粒子であり、0.05より大きい 直径mm。さらに、大きな砂粒子は粗い、中間は中程度、小さな砂粒子は細かいと表現できる。他の国には独自の粒子サイズ分類がある。
| 別の土壌の名前 | 直径制限（mm） </br> （ USDA分類） |
直径制限（mm） </br> （ WRB分類） |
|---|---|---|
| 粘土 | 0.002未満 | 0.002未満 |
| シルト | 0.002 – 0.05 | 0.002 – 0.063 |
| 非常に細かい砂 | 0.05 – 0.10 | 0.063 – 0.125 |
| 細かい砂 | 0.10 – 0.25 | 0.125 – 0.20 |
| ミディアムサンド | 0.25 – 0.50 | 0.20 – 0.63 |
| 粗砂 | 0.50 – 1.00 | 0.63 – 1.25 |
| 非常に粗い砂 | 1.00 – 2.00 | 1.25 – 2.00 |
方法論
[編集]感触による質感
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手分析は、土壌の物理的状態を迅速に評価および分類するための簡単で効果的な手段である。正しく実行されると、この手順により、機器をほとんどまたはまったく使用せずに、土壌特性を迅速かつ頻繁に評価できる。したがって、これは、フィールド内およびフィールド間の空間的変動を識別し、土壌マップユニット（土壌シリーズ）間の漸進的な変化と境界を識別するための便利なツールである。砂、シルト、粘土の正確な値を提供しないため、感触によるテクスチャは定性的な方法である。定性的ではありますが、テクスチャバイフィールフローチャートは、科学者または関心のある個人が砂、シルト、および粘土の相対的な比率を分析するための正確な方法になる[8]。
感触法によるテクスチャーは、土の少量のサンプルを取り、リボンを作ることを含む。リボンは、土のボールを取り、親指と人差し指の間に土を押し込み、それを上向きに絞ってリボンにすることで作成できる。リボンが出てきて人差し指の上に伸び、自重から外れるようにする。リボンの長さを測定すると、サンプル中の粘土の量を判断するのに役立つ。リボンを作った後、手のひらの小さな土を過度に濡らし、人差し指でこすってサンプル中の砂の量を測定する。砂壌土や砂質粘土など、砂の割合が高い土壌は、ざらざらした風合いになる[1]。シルト質ロームやシルト質粘土など、シルトの割合が高い土壌は滑らかに感じる[1]。粘土ロームのように粘土の割合が高い土壌は、べたつき感がある。感触法によるテクスチャーは練習が必要であるが、特に現場で土性を決定するのに便利な方法である。
国際的な土壌分類システムであるWRB（World Reference Base for Soil Resources：世界土壌資源照合基準、WRB）は、感触によってテクスチャーを決定する別の方法を用いており、別のフローチャートを提供している。
ふるい分け
[編集]ふるい分けは、長い歴史を持つが、現在でも広く用いられている土壌分析技法である。 ふるい分けでは、既知の重量の試料が、より細かいふるいを通過する。各ふるい上に捕集された量を加重して、各粒度画分に含まれる重量のパーセンテージを決定する。
この方法は、直径75 µm以上の土壌の粒度分布を測定するために使用される。実際、粘土やシルトを多く含む細粒分（60 µm以下）の場合、粒子の凝集性、粉体のふるいへの付着性、静電荷が高いため、分散が困難になる。さらに、ふるい分けでは、粒子がメッシュの開口部を最小の面で通過するため、板状の粘土やシルト粒子もふるい分けられる可能性がある。このようなことから、一般に、細粒分率は大幅に過小評価されることになる[9]。
シルトと粘土（粒径 60 µm 未満）を測定するには、最下部のふるいから採取した試料に、独立した第 2 の粒度分布測定法（多くの場合、比重計またはピペット法）を用いる。ふるい分析から得られた粒度分布は、試料の完全な粒度分布を確立するために、沈降分析からのデータと組み合わせる必要がある。
比重計法
[編集]堆積分析 (ピペット法、比重計など) は、土壌産業または地質学で堆積物を分類するために一般的に使用されている。比重計法は 1927 年に開発され[10]、現在でも広く使用されている。
土質を決定する比重計法は、沈降速度と粒子径の関係を表すストークスの法則に基づいて、土壌中の砂、粘土、シルトの割合を推定する定量的な測定法である[11]。
この法則によれば、粒子は重さと重力の作用によって沈降する。しかし、粒子の運動方向とは逆方向に働く2つの力が加わり、粒子が終端速度と呼ばれる一定速度で落下する平衡状態が決まる。
比重計法では、土壌凝集体を分離する分散剤として働くヘキサメタリン酸ナトリウムを使用する。土壌とヘキサメタリン酸ナトリウム溶液をオービタルシェーカーで一晩混合する。この溶液を1リットルのメスシリンダーに移し、水で満たす。土壌溶液を金属製のプランジャーで混合し、土壌粒子を分散させる[11]。土壌粒子はサイズに基づいて分離し、底に沈む。砂粒子はまずシリンダーの底に沈む。シルト粒子は砂の後にシリンダーの底に沈む。粘土粒子はシルト層の上に分離する。
測定には土壌比重計が用いられる。土壌比重計は、液体の相対密度（水の密度と比較した液体の密度）を測定する。比重計は、砂の含有量を測定する場合は45秒、シルトの含有量を測定する場合は1時間半、粘土の含有量を測定する場合は6時間から24時間（使用するプロトコルによって異なる）の間で、異なる時間ごとに混合土壌の入ったシリンダー内に下ろされる。比重計の校正には、ブランク（水と分散剤のみを含む）を用いる。読み取り値から記録された値は、粘土、シルト、砂のパーセンテージを計算するために使用される。 ブランクは3つの測定値から差し引かれる。計算は以下の通りである[11]。比重計の校正には、ブランク（水と分散剤のみを含む）を使用する。読み取り値から記録された値は、粘土、シルト、砂の割合を計算するために使用されます。ブランクは、3つの読み取り値のそれぞれから差し引かれます。計算は次のとおりである[11]。
シルトの割合=（土壌の乾燥質量–砂比重計の読み取り値–ブランクの読み取り値）/（土壌の乾燥質量）* 100
粘土の割合=（粘土比重計の読み取り値–空白の読み取り値）/（土壌の乾燥質量）* 100
砂の割合= 100 –（粘土の割合+シルトの割合）
沈降法によって決定されるストークス直径は、粒子と同じ沈降速度と同じ密度を持つ球の直径である[12]。粒子が球形で、同じような密度を持ち、相互作用が無視でき、流体流れが層流を保つのに十分小さいと仮定した場合に、沈降解析がうまく適用される理由はここにある[13]。粘土粒子のような不規則な形状の粒子では、ストークス方程式からの逸脱が予想される。このような形状の粒子の沈降時の安定した位置は、最大断面積が運動方向に対して垂直な位置である[13]。このため、粒子の抗力抵抗が増加し、沈降速度が低下する。粒子直径は沈降速度に正比例する。したがって、速度が低くなると、計算上の直径も小さくなり、細粒分率の過大評価が決定される[13]。
沈降分析では、0.2ミクロンより小さな粒子は、懸濁液中でブラウン 運動を起こし、ストークスの法則に従って沈降しなくなるため、いずれにし ても限界値が示される[14]。より微細な粒子（シルトや粘土）をかなり多く含む土壌の粒度分布は、ふるい分析だけでは実施できないため、粒度分布の低い範囲を決定するために沈降分析が使用される。
レーザー回折
[編集]レーザー回折分析は、液体中または乾燥粉末として分散した試料の粒度分布を測定するための測定技術である。 この技術は、サンプル内の粒子に遭遇したときに光波が曲げられることに基づいている[15]。測定される等価球直径は、調査した粒子と同じ回折パターンを断面積に持つ球の直径である[16]。
回折の角度は粒子サイズに依存するため、回折パターンはそのサンプルに存在する異なる粒子サイズの相対量に依存する。この回折パターンは、Mie回折モデルとフラウンホーファー回折モデルによって検出・分析される。測定の結果は粒度分布（PSD）である[15]。
レーザー回折法では、粒度分布とそれに対応する体積加重D値だけでなく、土壌分類に使用される主な粒度クラスに含まれる粒子の割合も求めることができる。
他の手法に比べ、レーザー回折法は粒子径を測定し、土壌試料を迅速に分析するための高速で費用対効果の高い方法である。大きな利点は、レーザー回折装置には分散（空気圧による分散や超音波分散など）ユニットが内蔵されていることである。そのため、ふるい分けや沈降分析に必要な外部での試料前処理工程なしに、乾燥試料を測定することができる。さらに、試料を適切に分散させることができるため、シルトや粘土分を含む粒度分布の全範囲を得るために、2つの異なる測定技術を組み合わせる必要がない。
フラウンホーファーとミーの両レーザー回折理論は、粒子が球状であると仮定している。特に粘土やシルトのような土壌試料中の小粒子は細長く異方性があるため、この結果、測定誤差が小さくなる[17]。レーザー回折法における粒子径は、粒子断面のエッジにおける光回折像に基づいて計算されるポテンシャル体積との関係で決定される。粘土粒子の体積はプレートの断面の直径であり、計算では球の直径として扱われる。したがって、その寸法は通常、沈降分析によって測定されたものに比べて過大評価される[17]。
粒子の真球度の仮定に伴う誤差は、さらに異方性の程度に依存する。屈折率や吸収率などの異方性粒子の光学特性は、レーザービームに対する粒子の向きによって変化する。したがって、粒子の向きが異なれば、異なる断面積が測定され、異なる回折パターンが得られる。
レーザービームの波長に近いサイズの粘土については、Mie理論が望ましい。これには、吸収係数を含む粒子材料の複素屈折率に関する正確な知識が必要である[18]。
これらのパラメータ、特に様々な粒子や土壌粒の光吸収係数を取得することはしばしば困難であるため、自然土壌では、粒子端での光の回折現象のみを考慮したフラウンホーファー理論が推奨されることが多い[17]。
追加の方法
[編集]土性を決定するためのいくつかの追加の定量的方法がある。これらの方法のいくつかの例は、ピペット法、粒子状有機物（POM）法、および迅速法である[19]。
X線沈降法
[編集]X線沈降法は、沈降とX線吸収を組み合わせたハイブリッド法である。粒子径は、ストークスの法則を適用して粒子の終末沈降速度から計算される。X線の吸着は、ランベルト・ベールの法則を適用することにより、各サイズクラスの相対質量濃度を決定するために使用される。
関連項目
[編集]脚注・参考文献
[編集]- ^ a b c d Soil Science Division Staff. 2017. Soil survey sand. C. Ditzler, K. Scheffe, and H.C. Monger (eds.). USDA Handbook 18. Government Printing Office, Washington, D.C.
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