本講座資料は本日より5月6日0時までの期間限定公開となります。
土壌は、世界の地表を覆う動的な3次元物質である。それを形作る5つの要因：気候、地形、生物、地表下の母岩、時間によって状態は異なり、また、場所によっても異なる。例えば米国メイン州の土壌は、最後の氷河がこの地を横切って移動したのちに、母岩と地形に反応して発展したものである。酸性で、植物が使用する栄養素を保持したり交換したりする能力はやや低くなっている。メイン州の在来植物はこのシステムの中で進化し、土壌によく適応しているのだが、しばしばこの土壌は有機物や石灰、肥料などを加えることで改良され、食料や景観の植物の生産性を高めることをされている。
土壌の性能は次の４つに分類される
１．真菌やバクテリア、昆虫、潜入哺乳類のような生物の生息地となる。
２．原料をリサイクルし、水をろ過する。
３．建物、道路、橋などのエンジニアリング・プロジェクトに基盤を提供する。
４．植物が生長するための培地となる。なお、この記事はこの最後の項目について解説するものである。
土壌は植物にとってどのような役割を果たすのか
土壌は以下を提供することで植物の成長を助ける。
- 定着：根は土の中を外や下に向かって伸び、それによって植物を安定させる。
- 酸素：土壌の粒子と粒子の間には空気があり、それには酸素が含まれている。根の細胞をはじめとした生きている細胞は糖を分解し、生存と成長に必要なエネルギーを放出するのに酸素を使う。
- 水：土壌の粒子と粒子の間には水もあるが、これは植物に吸い上げられると上方に移動する。 この水は葉などの組織から蒸発して植物を冷やし、また、必須栄養素を植物に運ぶ。 水は植物が萎れないように細胞の大きさを維持するのに役立つが、植物が光エネルギーを捕まえて後で使用するためにそれを糖へ変換するプロセスである光合成の原料として役立っている。
- 温度調節：土壌は根を温度の急激な変動から守る。 これは、1年のなかでも極端に暑い時期や寒い時期に特に重要である。
- 栄養素：土壌は栄養素を供給するが、また、私たちが追加する肥料も栄養素の形で保持する。
土壌の物性
テクスチャ：土壌は鉱物質（土壌の下の岩石から得られたもの、風や水を介して運ばれたもの）と有機物（植物や動物の分解によって得られたもの）で構成されている。土壌のミネラル分はそのテクスチャによって識別される。テクスチャとは、土壌中の砂、シルト、粘土の相対的な量を表すもので、この3つの用語は、土壌を構成するミネラルの種類ではなく、粒子の大きさによってのみ言及されるものである。
砂は馴染みのある、そして最も大きなテクスチャをもった土壌粒子である。砂粒は裸眼または虫眼鏡でみることができ、通気性と排水性にすぐれている。耕作も簡単で、春には急速に暖まる。しかしながら、侵食されやすく、水や栄養素を保持する能力も低い。
粘土の粒子は非常に小さいので、電子顕微鏡でしか見ることができない。粘土質の土壌に含まれる空気は少なく、水はゆっくりと排水される。粘土は耕すのが難しく、春になっても暖まるのはゆっくりである。しかし、砂ほど速く侵食される傾向はなく、水と栄養素を保持する能力は高い。シルトの粒子は砂と粘土の間の大きさで、低倍率の顕微鏡で見ることができる。ちょうど砂と粘土の間の特性だと思えばよい。
ほとんどの土壌にはこの3つの大きさの粒子（砂、シルト、粘土）がすべて含まれている。この砂、シルト、粘土の混じった土壌を指すのには、一般的にロームという用語が使用される。一般に表土のほとんどはロームである。しかしロームは、これら３つの粒子がかなり均等に混じった混合から、砂またはシルトまたは粘土のいずれかが主を占める混合まで様々である。ガーデナーは、土を購入する前にロームを検査しなければならない。なぜならばその混合具合は、管理方法に直接影響するからである。
構造：砂の場合は、土の中で個々の粒子で見分けがつくことが多いが、シルトと粘土は、ほとんどの場合、骨材と呼ばれるより大きな単位にまとまる。この集合の仕方は土の構造を定義するもので、土の構造、ブロック状、板状、角柱状、角のような用語で記述される。生産的な表土はしばしば団粒構造を持っている。骨材の大きさと形は、ミネラルの種類、粒径、湿潤と乾燥、凍結/融解の周期、根と動物の活動によって影響を受ける。分解された有機物、根から排出される植物糖、土壌微生物の老廃物、土壌改良剤などはすべて、土壌粒子を骨材に固める働きをする。しかし、骨材は耕うん、圧縮、および損失とは別になる可能性がある。土壌構造は非常に動的なプロセスである。良好な土壌構造は根の浸透、水の利用可能性、曝気を支える気孔空間を増加させる。
細孔空間（空隙）：土壌粒子がきつくぴったりと結びつくことはほとんどない。それらは細孔と呼ばれる空間で区切られている。この孔は水や空気で満たされていて、大雨や灌水された直後ならば、ほぼ水で100％満たされている。時間が経つにつれて、水は重力によって土壌を下に通過するか、あるいは上へ空気中に蒸発するか、または植物の根によって使用されることになり、今度はより多くの細孔空間が空気によって満たされる。粘土の粒子はしっかりと粒子同士がくっつくため、空気や水を保持するための細孔空間はほとんどない。一方、浜辺の砂には大量の大きな細孔空間があるため、排水が早すぎてほとんどの植物を育てるのには向かないのである。
細孔空間は一般に全土壌体積の30〜60％を占める。よく構造化された土壌の場合は、大きな孔（マクロ孔）と小さな孔（ミクロ孔）の両方があるが、これは植物が必要とする空気と水のバランスを提供する。 マクロ孔は良好な排水を提供し、ミクロ孔は植物がアクセスできる水を保持する。つまりこれが「排水の良い湿り気のある土壌」とはどのようなものなのか説明をする手掛かりとなる。
有機物（OM）: 有機物は以前は生きていたものである。土壌表面には通常、ゴミやマルチ材などのかなりの分解されていないOMがある。この表面層は、雨滴が土壌構造に与える影響を軽減し、侵食を防ぎ、最終的には降雨や灌水によって土壌に浸出する栄養素を供給するために分解される。土中で、OMは腐植質や安定した高度に分解された残留物になるまでさらに分解される。腐植質というのは植物にとって重要な栄養源であり、土壌粒子を骨材化（凝集）するのに重要な役目を果たしている。
OMは腐敗するまで常に分解の過程にある。OMの濃度は作物化によって減少し、堆肥や堆肥あるいは作物の残渣や緑肥作物（ソバ、クローバー、ライグラスなどの作物で、カバー作物として育てられた後、土壌に耕される）によって補充されることがある。土中のOMは、不耕起などの耕作の少ない方法で保存することができる。OMは保水性を向上させ、砂質土への良い改良材となる。また、粘土やシルト質の土壌に入れると、粒子の凝集性を高め、それによって排水性を改善する。OMは分解するにつれて栄養素を供給し、急激な化学変化に対して土壌溶液のpHを緩衝し、土壌の陽イオン交換容量を改善する。
良い園芸土壌：ほとんどの土壌は鉱物粒子がその大部分を占める。 しかし、有機物が主要な成分のものもある。土壌によっては、は細孔容積の高い割合を有するものもあり、また、細孔容積がほとんどないものもある。土壌は、土地のあるところと別のところとではまったく異なるかもしれない。理想的に「良い園芸用の土壌」と言えるのは50％の固形物（大部分は鉱物質の土壌に5-10％の有機物を加えたもの）と50％の細孔空間を含むもので、常に、その細孔空間は空気と水で占められている。また、土壌にしっかりと灌水を行い、それからそれが一日排水するのを待つことによって土壌を評価することができる。一日の排水の後、土壌の細孔空間は約５０％の水と５０％の空気を含むべきである。もし、一日の排水の後に土壌が非常に乾燥している場合、この土壌はおそらく砂が大部分を占めており、それにはOMを加えることによって時間の経過とともに改良することができる。もしも一日経っても土壌が非常に湿ったままである場合、その土壌はおそらく粘土が大部分か、よく骨材かしたものとは言えない。そのサポートのためにOMを追加することで、時間の経過とともにこちらも土壌を改良することができる。
土壌の化学的性質
化学反応は粒子表面で起こるため、土壌の化学活性は粒子サイズに関係する。小さい粒子は大きい粒子よりはるかに大きい表面積を有する。小さな土壌粒子は、2つの化学関連プロセス、土壌酸性度（pH）の管理、土壌の栄養素保持能力（CEC）のサポートに大きな役割を果たしている。
まず、肥料は塩であることを知っておくことが重要である。塩が土壌溶液に溶けると、それらは陽イオン（正電荷を帯びたイオン）と陰イオン（負電荷を帯びたイオン）とに分離する。たとえば、食卓塩（塩化ナトリウム）を水に溶かすと、正に帯電したナトリウムイオンと負に帯電した塩化物イオンに分離される。土壌に硝酸ナトリウム肥料を加えると、それはナトリウム陽イオンと硝酸陰イオンとして土壌溶液に溶ける。
腐植質や粘土などの小さな粒子は、土中の栄養素を保持するために非常に重要である。粘土および腐植質の粒子は負の表面電荷を有し、陽イオンは正電荷を帯びている。反対同士は引き付けあうため、粘土と腐植は陽イオンを持ち、水の動きによって土壌から浸出するのを防ぐ。負に帯電した陰イオンは土壌溶液のなかに溶けたままであり、下方への浸出を非常に受けやすい。
窒素肥料は興味深い栄養素である。なぜならば、ある窒素肥料は土壌粒子によって保持されている正電荷を帯びたアンモニウムである可能性があり、別の窒素肥料は土壌溶液に溶解したままの負電荷を帯びた硝酸塩を含む可能性がある。これはなぜ陰イオンである硝酸塩が表土から、時には水道に容易に浸出するのかを説明してくれる。それはまた、なぜ「緩効性肥料」が通常アンモニウムを含むのかも説明してくれる。アンモニウムは土壌粒子によって保持され、それからほとんどの植物が容易に使用することのできる硝酸塩の形に徐々に変換されるのである。
陽イオン交換容量（CEC）は、陽イオンを保持し交換する土壌の能力を表したものである。イオンは、土壌溶液、粘土および腐植粒子のCEC敷地、および植物の根の間で絶えず交換されている。これはランダムなプロセスではないが、電子の電荷に依存する。粘土と腐植質は高いCECを持つ。なぜなら、それらは非常に大きな表面積対体積比を持つ小さな粒子で、陽イオンを引き付けることのできる多くの負の部位があるからである。砂粒子は大きいため、砂のCECは非常に低く、表面積と体積の比率が低く、したがって負の部位が少なくなる。 陽イオン（カリウム、カルシウム、マグネシウムなど）は土壌粒子によって保持されているため、ガーデナーは砂質土と比較して、高濃度の粘土または腐植土を含む土壌で園芸する場合、より高い頻度で肥料を追加することができる。砂質土には同量の陽イオンを入れることができないので、少量の肥料でより頻繁に施肥するのがより良い選択肢となる。
pH：pHは土壌の酸/アルカリ反応を示すもので、水素イオン濃度指数のことであり、 pHのスケールは0（非常に酸性）から14（非常にアルカリ性）の範囲である。土壌は一般にpH 4.0からpH 8.0の範囲となるが、例えば米国北東部の森林土壌では、非常に酸性（pH 3.5）になることがあり、また、西部の土壌では非常にアルカリ性（pH 9）になることがある。pHは土壌溶液に溶けている栄養素の利用可能性を調節するため重要である。
pHのスケールは対数である。 各単位は、次の単位の10倍以上酸性またはアルカリ性である。例えば、pH 4.0の土壌はpH 5.0の土壌よりも10倍酸性が高く、pH 6.0の土壌よりも100倍酸性が高い。土壌のpHは、母岩（石灰岩はアルカリ性、花崗岩は酸性）、降雨量、植物材料、その他の要因によって変わる。 個々の植物は特定のpH範囲内で最もよく機能する。pHも肥沃度と同じくらい管理が重要となる。ほとんどの園芸植物はpH 6.0～7.0の土壌でうまく機能する。シャクナゲやブルーベリーのような酸性を好む植物は、pH5.0以下の土壌でうまく機能する。
土壌の中の生物
細菌、真菌、藻類、無脊椎動物（昆虫、線虫、ナメクジ、ミミズ）や脊椎動物（モグラ、ネズミ）など多くの生物が土壌に生息しているが、これらの生物は植物に影響を与える物理的役割や化学的役割を果たしてる。例えば、そうした生物から出た分泌物はミネラルを溶かすのを助け、植物が利用できるようにする。また、無機物を植物に利用可能な他の形に変換する生物もいる。生物は土壌にOMを加え、また、OMの分解を助ける。多くの生物が土壌を通気する。土中の生物の中には病気を引き起こすものがおり、植物組織を餌とするものもいる。そして多くは植物と栄養分や水を奪い合う。
根圏：根のまわりの土の非常に薄いゾーンは根圏と呼ばれる。このゾーンは他の土壌とは異なり、時に特定のユニークな生物をサポートしている。例えば、いくつかの真菌は相互利益のために、根と共存している。これを菌根関係と言うが、根は菌類に住む場所を提供し、菌類は植物の水分と栄養素の取り込みを助ける。同様に、窒素固定細菌の中には、多くのマメ科（豆類の仲間）の植物と一緒に成長するものがある。細菌は大気中の窒素を宿主植物が使用できる形に変換する。この宿主植物が死ぬと、分解中に放出された窒素化合物は次の作物が利用可能になる。こうした2つの異なる生物間の相互に有益な関係は共生と呼ばれている。
土壌水：水は素晴らしい物質である。他のどの液体よりも多くの物質を溶解するので、水は普遍的な溶媒と呼ばれている。水は再生可能な天然資源で、固体、液体、気体として自然界に存在する。水の分子は互いにくっついて他の表面に密着するが、このことは、水が背の高い木のてっぺんまで届くその能力を説明してくれる。また、水は高い潜熱を持っている。それは、固体から液体へ、そして液体から気体に変わるときに、水はエネルギーの大きなバーストを放出し、逆に気体から液体へ、液体から固体へと変わるときに、大量のエネルギーを吸収する。 ガーデナーは水のこのような属性がもたらす利点をすべて享受するのである。
保水力：土壌が水を維持する力は保水力と呼ばれる。粘土質の土壌は高い保水力を持つ。他方、砂質の土壌は保水力が低い。大雨や灌水によって土壌の間隙が水で満たされると、土壌は飽和状態になる。その後、水は徐々に下向きに流れ、重力に抗して土中に残っている水の量は圃場容水量と呼ばれる。粘土質の土壌は砂質の土壌よりもはるかにゆっくりと排水する。ローム質の土壌は、大雨や灌水の2〜3日後に圃場容水量に達する。これ以上水を加えないままでいると、土壌は乾燥し続ける。
植物はいくらかの水を吸収し、そしていくらかの水は土中を上方に移動して表面から蒸発する。最終的に土壌は、その永久しおれ点に達するほど十分に乾燥するかもしれない。永久しおれ点というのは植物が回復することができないほどひどくしぼむところのことである。この時点で、利用可能な水（残された水のうちで植物が利用できるもの）はなくなり、土壌に残っている唯一の水は土壌粒子と非常に密接に結合しているので植物はそれにアクセスできない。
適切な潅水方法を使用できるようにするには、土壌の保水力を理解することが重要である。重い粘土質の土壌と砂質の土壌を同じ方法で潅水しても、結果は大きく異なるからである。
土壌管理
作物の生産性を上げようとするなら、適切な土壌管理は重要である。適切な管理には、長期間にわたって土壌の完全性を維持することを考慮しなければならない。管理が不十分だと、侵食や肥沃度の低下、土壌構造の悪化を招き、収穫量の低下につながることがある。
耕うん：機械的な耕耘で土をほぐし、日にあて、空隙率や保水力を向上させる。そうすることでガーデナーがOMや石灰などの土壌改良剤を土壌に混ぜることができるようになる。 他方、耕耘は土壌の凝集を減少させる傾向があり、圧縮を引き起こすことがある（圧縮された土壌は空隙率が少なくなっている）。耕耘のしすぎによる被害を克服するには何年もかかることがある。
pH管理：土壌のpHは、植物が栄養素を利用することを制限する。pHは土壌試験結果に応じて管理されるべきであるが、ある種の有機物や硫黄、硫酸塩を加えることで下げることができる。また、石灰やある種の肥料、木の灰を加えることで上げることもできる。しかし、こうしたpH改良材の過剰な投与は悪影響を引き起こすが、この悪影響を克服することは困難なため、まずは試験をする。
マルチ：マルチとは土壌を覆う材料のことである。堆肥、成熟した肥料、樹皮チップなどの有機マルチはやがて分解され、土壌に長期にわたってOMや栄養素を供給し続ける。しかし、石やプラスチックシート材料などの無機マルチは、土中の栄養素濃度にはほとんど影響を与えず、OMを土壌に返すことに寄与しない。すべてのマルチは、断熱あるいは熱伝達によって土壌の温度に影響を与え、また、土壌が水分を保持するのを助ける。マルチはまた雑草の生長を抑え、土壌の侵食を防ぎ、昆虫や病気の存在に影響を与える。
OM濃度の管理：自然界では、植物や動物が死んで分解され、土中のOMが補給される。毎年、植物の葉は落ちて腐敗したい人なり、その栄養素とOMは降雨や土壌にひび割れを生じさせる凍結融解サイクルを通して土壌に加えられる。一方、この自然の循環が中断されるような先進的な景観では、ガーデナーは土壌にOMを補充するためのプロセスを実施しなければならない。落葉樹の落葉は分解されるためにその場に残すことができる。植物の破片は堆肥にしてOMとして庭に戻すことができる。また、植物ゴミや緑肥、動物性肥料を直接土壌に取り込むこともできる。こうした物質を土壌に取り込むには、通常、土壌をいくらか耕さなければならない。大量のOMを一度に添加すると、特にその材料が完全に堆肥化されていない場合、栄養上の問題を引き起こすことがある。一度に大量ではなく少量のOMを定期的に土壌に加え続けることで、長期的な土壌の肥沃度に寄与することになり、土壌のミクロフローラを支持し、良好な土壌構造に寄与し、水と空気を保持する土壌の能力を維持させることになる。
植物栄養素
3つの元素、炭素、酸素と水素は植物の成長に必須であり、空気と水によって供給される。 他の必須成分は植物栄養素と呼ばれ、土壌から供給されるか、肥料として添加されるもので、ほとんどが根から植物の体内に吸収される。 この植物栄養素は2つのグループに分けられるが、植物が大量に必要とするものは多量栄養素と呼ばれる。 これには窒素、リン酸、カリウム、カルシウム、マグネシウムおよび硫黄があたる。 微量で必要とされる植物栄養素は微量栄養素と呼ばれ、鉄、塩素、亜鉛、モリブデン、ホウ素、マンガン、銅、ナトリウムおよびコバルトがこれにあたる。 多量栄養素と微量栄養素のすべてが通常の植物の生長にとって必要なもので、多量微量という呼び名は、単に必要な量が異なるからに他ならない。
有機肥料の材料は、堆肥、老化肥料、岩石リン酸塩、大豆粉、および魚粉などである。有機肥料はまた、マメ科植物の被覆作物を植えることによっても「生育」させることができる。それは土壌にすき込むことを意図して栽培される作物で、その意味で緑肥と呼ばれる。被覆作物はまた、土壌にOMを加えるものでもある。 他方、無機肥料も、単一の栄養素のみが含まれるものから複数の栄養素が含まれるものまで広く利用可能である。
肥料は緩効性または可溶性か否かと分類される。緩効性の肥料は、分解分解するにつれて一定期間にわたって栄養素を供給する。可溶性の肥料は速放性で、多くは水に溶かしてから作物に灌水する。栄養素を与えてくれる製品や実践にはいろいろなものがある。 状況に応じて最適な肥料と施用方法を選択しなければならないが、それには価格、入手可能性、使いやすさ、必要な機器、時間および理念などを考慮する必要がる。 時折、重度の栄養素の欠乏の状況下で、微量栄養素の何種類かは作物の葉に散布されるが、他の大部分の栄養素は土壌に施用されて根から吸収される。 水耕栽培システムの場合、栄養素は水に溶かされ、植物の露出した根の上を洗い流していくことになる。
ほとんどの土壌にはなんらかの栄養分が残っている。が、これを評価できるのは土壌試験だけである。土壌試験の結果なしに肥沃化を試みるのは、金銭と製品の浪費につながり、既存の栄養素の不均衡がいっそう悪化する可能性が生じる。 加えて、時には土壌に十分な量の栄養素が存在するものの、ｐＨが高すぎたり低すぎたりするためにそれらが利用できないことがある。 これについても土壌試験で明らかにすることができるので、土壌研究の専門家や作物コンサルタントに対して、こうした問題を解決する方法を求めることが推奨される。
ホームガーデナーのための土壌と肥料管理のヒント
ガーデナーの中には、自分たちが庭を作るのではなく、土を働かせるのだと言う人もいる。これはつまり、良好な土壌条件が生産的な植物の生長を支えるのに不可欠であるという理解である。では次に、土壌管理に関連したガーデニングのヒントがいくつかあげる。
重い粘土質の土を改良するには、砂ではなくOMを追加する。OMが腐植質に分解すると、それは粒子を凝集体に「くっつけ」、排水性を改善する。
観賞用の景観植物（樹木、低木、草本の多年草と一年草）のほとんどが春に最もよく施肥される。シーズンの遅い時期に施肥をすると、生長時期の遅くに急激に生長する可能性があり、冬前の耐寒性を十分に蓄えさせることができなくなる可能性がある。
ほとんどの観葉植物は、春と夏には製品のラベルで推奨されている割合で施肥をするのが最良であり、秋と冬にはその半分の割合でよい。
菜園は、バンディング（作物列にそって、5cm離れたところに5cmの深さに肥料を配置する方法）や、春に土壌に混ぜることで、施肥をする。季節の後半に成長する植物には、それを補助してくれる窒素肥料が必要になるかもしれない。十分な栄養価を確保するために、庭の土壌のpHを管理する。緑肥作物と一緒に野菜作物を輪作させて、有機物を良好なレベルに維持する。これは、土壌が植物が使える栄養素を保持するのに役立つ。
芝生に施肥するときは、望ましい成長のレベルを決める。メンテナンスをあまりしなくてよい芝生を望むのならば、肥料は必要ではない。また、緩効性の肥料の方が、可溶性の即効性の薬剤よりも好ましい。活着した芝生の場合、年間1000平方フィートあたり最大2ポンドの窒素を与えるが、これは、ほとんどの場合、春の芽吹きの時期に半分、そして秋（9月15日以前）に半分与えるようにし、真夏には施肥をしないようにする。
湖や小川、河川、湾、泉、湿地帯などに隣接する少なくとも25フィートの施肥をしない緩衝帯を残さなければならない。中でもリン酸は、淡水の水質問題を引き起こす可能性があるため、土壌テストで不要だと判明した場合は、リンの含まれる肥料の使用を避けてください。また、芝刈り機で刈った草をマルチとして使うことで、必要な肥料の量を毎年1/3〜1/2に減らすことができる。除草剤を使うと、肥料の量を調整できなくなるので使用しない。
土を圧縮しない。小道の上を歩き、ガーデンカートは小道の上に置き、小道を歩き回ったり、芝生に駐車したり、凍っているときに芝生を横切るなどしないようにする。水びたしの土の上も歩かない。植える前に春がきて庭が乾くまで待つ。
家庭菜園の土壌がむき出しになるのはやめる。作物を収穫したら、その場所には他の作物に植えるか、緑肥作物を植えるようにする。裸地のままにしておくと、雨滴による浸食や地表圧縮が起こりやすくなる。
土壌が景観植物にとって適切に排水をする土壌かどうかを評価するには、幅18cm、深さ15cmインチの穴を掘るとよい。その穴の一番上まで水でいっぱいにして排水させる。穴に水を補充したのちに、完全に排水するのにかかる時間、それが3時間以内ならば、その土壌には砂が多い。それが4〜6時間で排水すれば、この土壌は多種多様な植物にとって十分なものと言える。そして、8時間経っても水分が穴にまだ残ったままの場合は、その土壌の粘土含有量が高い可能性があり、敷地内の水分が多すぎて上手く生長できないことがある。