火山が農業にもたらす恩恵
Volcano-originated services for agriculture
平舘 俊太郎＊

Syuntaro HIRADATE＊

国立研究開発法人 農業・食品産業技術総合研究機構 農業環境変動研究センター
Institute for Agro-Environmental Sciences, National Agriculture and Food Research Organization

摘

要

火山は，噴火直後は農業に対して負のインパクトを与えるものの，火山由来物質の風化および土壌化が始まると，そのプロセスにおいて放出される物質や新たに生成される物質およびそれらの機能を介して，農業に恩恵をもたらすようになる。これらの恩恵は，土壌環境を介してもたらされるものが多く，生態系サービスとの関係で整理できるものも多い。たとえば，植物の生育に必須な無機栄養元素の供給や火山灰土壌という独特の環境に適応した遺伝資源の供給は供給サービスに，土壌溶液中の無機栄
養元素濃度や pH などの変化を小さく抑える土壌の緩衝作用は調整サービスに，水や無機栄養元素の循環を支える恩恵は基盤サービスに相当する。また，火山活動によって形成された地形が農業にもたらす恩恵もある。本稿では，これら火山が農業にもたらす恩恵を整理した。

キーワード：火砕流堆積物，火山灰土壌，生態系サービス，土壌物理性，
風化プロセスKey words：pyroclastic flow deposits, volcanic ash soils, ecosystem services,soil physical properties, weathering processes

1．はじめに火山活動は，主に火山由来物質の添加を通じて，生態系に対して様々なインパクトを与える。火山由来物質の添加直後においては，生物の生育環境は大きく変化するため，生物活動は抑えられる。たとえば，高温の溶岩や火砕流は，地上の生態系を数 100℃の高温にさらすため，地上の生物は一時的に一掃される。同時に，表層土壌は溶岩や火砕流堆積物に厚く覆われて姿を消す。その後，新たな地上の最表層部では，新たな地形や土壌母材のもと，ほとんど無生物の状態から生態系の遷移が始まる。降下火山灰や火山砕屑物は，高温でない場合も多いが，厚く堆積する場合には，土壌表層を覆うことによって地上の生態系に大きな影響をもたらす。火山灰は，降下量が少ない場合でも，植物体地上部表面に付着することによって植物に生育障害をひき起こす。火山ガ
スに二酸化硫黄（SO2：亜硫酸ガス）や硫化水素（H2S）
が高濃度に含まれる場合には，これらのガスが持つ
1），2）
生育阻害作用によって植物は障害を受ける （本特3）。また，これらの成分が雨水集号の上條ら も参照）
等に溶け込み土壌中に到達すると，土壌は酸性化
し，これに伴って酸性耐性の弱い生物群は衰退し，。
土壌生態系は一変する
火山由来物質の到達から時間が経過すると，もとの火山由来物質は部分的に溶解し，また，ある部分は新たな成分として生まれ変わり，そこに火山由来物質の影響を強く受けた独特の環境が生まれる。これを受けて，そこに生息する生物群は，新たな環境に適応した独特のフェーズ（相）となる。こういった独特の環境は，特に土壌中に生み出され，その影響は少なくとも数千年～数万年間続く。火山由来物質の溶解や変成およびこれらを土台にして新たな環境が生まれるプロセスには，有機物の植物による供給や微生物による分解といった生態系による作用が深く関わっている。このプロセスは，土壌化の重要な要素でもある。火山活動や火山由来物質の供給そのものは，生物活動が関わっていないことから生態系
サービスの範疇にはないが，火山由来物質を起源として生態系機能のもとで生成された独特の環境は，火山がもたらした生態系サービスと捉えることができる。
農業に対する火山の影響といえば，火山灰や火山ガスによる負のインパクトがよく取り上げられるが，長い目で見ると，火山は土壌環境を通じて農業に大きな恩恵をもたらしている部分がある。ここで
4），5）

受付；2015 年 11 月 29 日，受理：2016 年 3 月 21 日＊
〒 305 - 8604 茨城県つくば市観音台 3 - 1 - 3，e-mail：hiradate@affrc.go.jp
2016 AIRIES

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平舘：火山が農業にもたらす恩恵

は，これら火山が農業にもたらす恩恵を，特に日本におけるケースを想定しながら整理した。
2．火山が日本の国土に影響をおよぼす範囲
地球全体から見れば，激しい火山活動は火山帯周辺など地理的に限られた場所で起こるイベントである。また，火山帯に位置し火山活動が活発な日本においても，人間一人の時間スケールから見れば，噴火は稀なイベントある。しかし，土壌生成にかかる時間は，長いものでは数十万年～百万年のスケールに及ぶ。また，火山灰は広域に分布する性質があり，一つの火山の噴火によってもたらされた火山灰が日本全土を覆うような巨大噴火が，過去十万年の6）間に数回起こっている 。このような日本における火山活動の頻度や規模から考えれば，日本の国土はいずれの場所においても，多かれ少なかれ火山活動の影響を受けた履歴を持っていると考えられる。
現在でも火山活動の影響を土壌表層に色濃く残している土壌は，火山灰土壌あるいは黒ボク土として分類されるが，こういった土壌が日本の陸地面積に7）占める割合は少なくとも 17％以上である 。これは，世界の陸地面積に占める火山灰土壌の割合が4）0.7％であること と対照的である。日本においては，畑地の約 50％および水田の約 10％が火山灰土
8）壌である ことから，火山灰土壌は農業場面においてよく利用されており，その重要性は高いと言える。
3．火山由来物質の風化プロセスと成分の変遷 9）
火山が農業にもたらす恩恵は，火山由来物質の風化段階によってその内容が大きく異なる。このため，ここでは火山由来物質の風化段階を整理し，それぞれの段階において存在する火山由来物質の変遷とともに概観し，火山由来物質が農業にもたらす恩恵を理解するための基礎としたい。
火山由来物質の起源であるマグマは，噴出前は高温・高圧で還元的な環境下に置かれているが，噴火の際には水や酸素と急速に反応し，同時に急冷されることにより固化し，地上に堆積する。地上は常温・常圧で酸化的な環境下にあるため，堆積した火
山由来物質は，地上においてより安定な化学形態に変化するための化学反応を起こそうとする。この安定な化学形態へと向かう化学ポテンシャルが，火山由来物質の風化プロセスにおける大きな駆動力となる。
火山由来物質のうち最も広く地上に分布するのは降下火山灰であり，これらは通常，火山ガラスを主成分とする複数の成分の混合物である。これらは，
未風化の状態ではマグマの化学組成を概ね継承しており，アルミニウム（Al）もほとんどがアルカリ
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性状態において安定な 4 配位の形態をとっている
10）（図 1a） 。これら火山由来物質は常温・常圧で水と＋反応し，ナトリウムイオン（Na ），カリウムイオン＋
2＋，カルシウムイオン（Ca ），マグネシウムイオ（K ）2＋といったアルカリ金属やアルカリ土類金属
ン（Mg ）を溶解・放出する（図 1b）。この段階では，火山由来
物質と反応した水は弱アルカリ性を示す。これは，アルカリ金属やアルカリ土類金属が放出される際＋に，水分子の電離によって生成した水素イオン（H ）がアルカリ金属やアルカリ土類金属との交換反応によって火山由来物質内に取り込まれる一方，水酸化－物イオン（OH ）はアルカリ金属やアルカリ土類金属とともに液相中に留まるためと考えられる（図 1b）。
この火山由来物質からのアルカリ金属やアルカリ
土類金属の放出は，風化初期に最も速く，風化の進行とともに遅くなる。このことは，火山由来物質の＋－H の消費速度（あるいは OH の供給速度）は風化初期ほど速く，時間の経過とともにその速度は遅くなることを意味している。雨水中には大気中二酸化炭＋－に由来する H と重炭酸イオン（HCO3 ）が含素（CO2）まれているため，降雨量の多い日本では，火山由来
物質および土壌は降雨とともに自然に酸性化する。
＋
また，植物は生育に伴い H を放出するため，特に根の周辺では酸性化が速く進行する。これら地上環境＋＋からの H の供給速度が火山由来物質による H の消費速度を超えると，火山由来物質を含む層位は酸性化し始める。この段階では，火山由来物質から溶出されたアルカリ金属やアルカリ土類金属の多くは，雨水の下方浸透とともに地下へと溶脱されると考えられる（図 1c）。なお，火山由来物質からのアルカリ金属やアルカリ土類金属の放出は，二次鉱物が生成するような風化の後半でも，遅いながらも依然として起きていると考えられる。
＋
火山由来物質内へと取り込まれた H は，アルカリ性状態で安定な 4 配位 Al を酸性状態で安定な 6 配位
Al へと変化させる（図 1c）。この反応は，主として水中で起こると想定されるが，6 配位 Al は砂やシル
ト画分中にも相当量存在することから，固相表面あ10）
るいは固相内でも起こる可能性がある 。さらに，＋
地上環境からの H の供給が進むと，アルミニウム
3＋3＋
イオン（Al ）や鉄イオン（Fe ）が液相中に溶出され（図 1d），これらを原料として Al－，Fe－腐植複合体やプロトイモゴライト分子（ヒドロキシアルミノ
ケイ酸イオン）などの新たな分子や，アロフェン，
イモゴライト，フェリハイドライトなどの新たな鉱物（二次鉱物）が生成される（図 1e）。これらは，有機物やリン酸を強く吸着・固定する能力を持っており，火山灰土壌独特の特性を示す主因となっている。
Al－，Fe－腐植複合体，プロトイモゴライト分子，アロフェン，イモゴライト，フェリハイドライ
トは，いずれも地上の環境では準安定な物質であ地球環境 Vol.21 No.1

水との反応前（a）

水との反応後（b）

Na+, K+, Ca2+,
Mg2+, etc.
4配位Al
Fe, Mn, Si, etc.

H+
4配位Al
Fe, Mn, Si, etc.

+

H+

固相内でのH+との反応（c）
4配位Al
6配位Al
Fe, Mn, Si, etc.

Na+, K+, Ca2+,
Mg2+, etc.

OH火山ガラス等
火山由来物質雨水や植物生育などに伴うH2OやH+の付加

H2O

H2O

+

55 - 66（2016）

+

H2O
H+

OH-

液相
（中性）

火山ガラス等液相
火山由来物質 （弱アルカリ性）

液相
（弱酸性）

火山ガラス等
火山由来物質Na+, K+, Ca2+,
Mg2+, OH- などの植物による
吸収や溶脱液相中でAlとFeを含む
二次成分が生成（e）

より安定な二次成分の生成（f）

雨水や有機物などに伴うH+やH2Oの付加固相内のAlとFeが
溶出（d）

H2O

H2O

4配位Al
6配位Al
Fe, Mn, Si, etc.

H+
ハロイサイト、
カオリナイト、
ゲータイト、
ギブサイト

H+

+

火山ガラス等
火山由来物質

液相＋二次成分（弱酸性）

図1Al-, Fe-腐植
複合体、
アロフェン、
イモゴライト、
フェリハイドラ
イトなど

液相＋二次成分
（弱酸性）

4配位Al
6配位Al
Fe, Mn, Si, etc.

H2O

+

H+
6配位Al3+Fe3+火山ガラス等
火山由来物質

液相（弱酸性）

火山由来物質の風化プロセスと成分の変遷．

る。すなわち，これらは数千年オーダーでは存在できるものの，それ以上の時間が経過すると，ハロイ
サイト，カオリナイト，ゲータイト，ギブサイトなど，より安定な物質へと変換される（図 1f）。この段
階まで反応が進行すると，火山灰土壌独特の特性は影をひそめるようになり，他の土壌分類群として捉えられるようになる。
4．火山由来物質および火山灰土壌が農業にもたらす恩恵火山が農業にもたらす恩恵は，多くが土壌環境を介して提供される。ここでは，まず土壌が農業にもたらす恩恵を生態系サービスの概念に基づいて整理し，次いで，火山由来物質およびその風化物である
火山灰土壌がもたらす影響やその特徴を整理した（表 1）。なお，土壌や火山由来物質が農業にもたらす恩恵の中には，生態系の関与なしに提供されるものもあり，これらは必ずしも生態系サービスとは言えないが，ここでは便宜的に生態系サービスの中に位置づけて分類していることに留意していただきたい。

4.1 供給サービス
4.1.1 無機栄養元素を供給する機能
生態系サービスにおける供給サービスに相当する機能として，土壌が植物に対して必須元素（すべての植物が必要とする元素）を供給する機能が挙げられる。植物が正常に生育するためには，多量必須元素である窒素
（N）
，リン
（P）
，カリ
（K）
，カルシウム（Ca），マグネシウム
（Mg）
，イオウ
（S）
および微量必須元素である鉄（Fe），マンガン（Mn），銅（Cu），亜鉛（Zn），ホウ素（B），モリブデン（Mo），塩素（Cl），
ニッケル
（Ni）
を，土壌から過不足なく吸収する必要がある。これらの元素は，土壌－植物間の生態系を循環している部分もあるが，土壌の固相成分が溶解することによって新たに供給される部分があり，前者は基盤サービスに，後者は供給サービスに相当すると考えられる（表 1）。特に，土壌が K，Ca，Mgを供給する能力は，土壌中における風化程度の低い成分の含量に依存する。古い土壌では，これらの元素は長い風化過程の中で溶脱（場合によっては安定化）されているため，これらの無機栄養元素を供給する能力は低い。これに対して，火山灰土壌は風化の初期段階にある若い土壌であるため，これらの無機栄養元素を供給する能力は高く，これらの元素の57

平舘：火山が農業にもたらす恩恵

表1

火山由来物質および火山灰土壌が農業にもたらす恩恵．

恩恵の種類 *

土壌が農業にもたらす恩恵 **火山由来物質・火山灰土壌がもたらす影響・特徴 **供給サービス

無機栄養元素の供給

風化プロセスに伴う無機元素の供給
・K, Ca, Mg, S, P, Fe, Mn などの植物栄養元素
・Si などの一部の植物の生育にとって有用な元素
良好な物理性を持った植物培地を提供
火山独特の環境で進化した生物を遺伝資源として供給

植物を生育させる培地を提供
生物の進化を支え遺伝資源を供給
調整サービス

土壌中水分含量の調整
土壌中ガス濃度の調整
植物体地下部の温度の調整
土壌溶液中イオン濃度等の調整
土壌 pH の調整

土壌微生物相および土壌動物相の調整
水質浄化
C 貯留を通じた気候調整

未風化の場合は水分保持能力が低い
風化段階が進んだ状態では高い水分保持能力を発揮
未風化の場合は通気性が高い
風化段階が進んだ状態でも高い通気性を発揮－
未風化の場合にはイオン濃度等の調整機能をもたない
風化段階が進んだ状態ではイオン濃度等の調整機能を発揮
未風化の場合には土壌 pH の調整機能をもたない
風化段階が進んだ状態では土壌 pH 調整機能を発揮（アロフェン質黒ボク土は弱酸性状態に緩衝されているが，非アロフェン黒ボク土は強酸性状態に緩衝されている）
未風化の場合は土壌生物相をほとんどもたない
風化段階が進んだ状態では，土壌生物相は豊富であり，有機物の分解や無機栄養元素の供給を調整する
未風化の場合は水質浄化機能をほとんどもたない
風化段階が進んだ状態では，水中に溶解・懸濁した物質を除去し，水質の浄化に寄与する
風化段階が進むと多量の C を土壌有機物として安定的に固定し，地球温暖化を緩和することによって気候を安定化させる

文化的サービス

農業生産に関わる土地の信仰や伝統の継承など－

基盤サービス

無機栄養元素および水の循環・再利用

未風化の場合，有機物の分解能が低く，また無機栄養元素や水の保持も弱いため，循環・再利用機能をほとんど持たない
風化段階が進んだ状態では，有機物の分解能を備え，無機栄
養元素や水の保持能を持ち，高い緩衝能力を発揮しながら，循環・再利用機能を果たす
未風化の場合，植物相，食植者相，捕食者相，分解者相を保持・持続させる能力が小さい
風化段階が進んだ状態では，土壌中の生物や生態系を保持・持続させる能力が大きい

土壌中の生物や生態系を保持・持続させる* 生態系サービスの概念に基づいた分類** 生態系サービスの概念と一致しないものも含まれる
11）

供給を通じて農業生産に貢献していると考えられる。
4.1.2 有用元素
（Si 等）を供給する機能
一部の植物種に限って有用な機能が認められている元素を有用元素という。たとえば，ケイ素（Si）はイネ科植物などにとって有用元素であり，植物体地
上部を健全かつ頑強に生育させるために有効である
ことが知られている。特に水稲では，倒伏防止，受光体勢改善，玄米中 N 含量低減に伴う食味の改善，
完全米比率の上昇と乳白米比率の低減，いもち病等
12）に対する耐病性向上 ，食植性害虫による食害に対12）する耐性向上 ，不良気象時や塩分付着時における
13）
健全性維持 など，農業生産上，多くの望ましい効14），15）。
果が知られている
Si は，火山由来物質および土壌を構成する主要元素である。そして，土壌中から Si が枯渇することはほとんどない。しかし，土壌と平衡状態にある水の中のモノマーケイ酸イオン（植物が吸収可能な Si の16）の濃度は，土壌に含まれる成分に依存し化学形態 ）
17）て，数 ppm～数十 ppm と低濃度域にある 。これは，土壌を構成する固相成分が，Si を多かれ少なか58

れ安定化していることに起因する。火山灰土壌は風化程度が低く，溶解度が比較的高い固体（例：火山ガラスなど）に富んでいることから，Si の供給能力17）は高い 。また，地下水が火山由来物質の堆積層を通過する際には，火山由来物質の溶解によって水中モノマーケイ酸イオン濃度は高まるが，これが水稲栽培等に利用されれば，これらの農作物は Si を吸収しやすい環境におかれるため，Si が持つ望ましい効
果を享受しやすくなる。これらは，火山が農業にもたらす恩恵であると捉えられる。
4.1.3 リン（P）の供給と制限
新 鮮 な 火 山 由 来 物 質 中 の P 含 量 は， 通 常 は－1
1～3 g P2O5 kg 程度であり，他の土壌に比べて少な18）
くない 。これらの P は，風化を受ける前あるいは風化初期においては比較的溶解性の高いアパタイト（リン灰石）
として存在しており，植物に対して P を供給する機能が期待できる。しかし，アパタイトから溶出するリン酸イオンは土壌中に豊富に存在するFe や Al と親和性が高いため，これらの元素を含む成分によって強く吸着・固定され（配位子交換反応
19）による吸着反応 ），植物に吸収されにくい形態へ

地球環境 Vol.21 No.1

55 - 66（2016）と変換されやすい。特に火山由来物質から生成され一方の火山灰土壌では，これらの機能に加えて，溶るアロフェン，イモゴライト，フェリハイドライト
解度の低い P 化合物から P を効率的に吸収するためなどの二次鉱物は，この反応によって植物に対するの機能を獲得する方向にも進化が進むと考えられ
P の可給性を著しく低下させることが知られている。
る。このため，これらの鉱物が生成する段階（図 1e）
このように，生物に対してストレスを与える環境
では，特に多量の P を要求する農作物の生産場面にが存在すれば，低 P 栄養環境に限らず，それに適応
おいて P 欠乏症が発生しやすい。かつて，火山灰土するための機能を獲得しながら進化する生物がいる
壌がしばしば低位生産地土壌とみなされたのは，Pと考えられる。これらの機能を獲得した生物は，有肥料が十分に供給されなかった当時，農作物の P 欠用機能を備えた遺伝資源であり，有用栽培種の候補
乏症が頻繁に発症したことに原因の一端があったとなりうるため，火山がもたらす恩恵と言えるだろが，現在では，この問題は P 施肥によってほとんどう。たとえば，世界一大きいダイコンとしてギネス21）解消できる。なお，農作物以外では，火山由来物質
ブックで公認されている桜島ダイコン がシラス台地での生育に適した形質を獲得したものであるならによる P 供給能の恩恵を受ける生物も多いと考えら20）ば，これはシラス台地がもたらした恩恵（供給サーれる（本特集号の北山・和穎 を参照）。
4.1.4 植物を生育させる良好な培地を提供する機能ビス）と言えるだろう。
火山灰土壌は，保水性と通気性の両方に優れてお4.2 調整サービス
り（4.2.1 項参照）
，植物を生育させる培地としては非農業生産を支える調整サービスの中で土壌が恩恵
常に良好な物理性を備えている。また，仮比重（気をもたらしている項目は，土壌中の水分含量，ガス相を含んだ比重）が小さくて軽く，加えてシルト質
濃度，温度，土壌溶液中の栄養元素濃度および有害であるため粘つかない。このため，鍬（くわ）や鋤
成分濃度，pH，土壌微生物相および土壌動物相の調（すき）を使った農作業は容易で効果的であり，また整など，植物根の機能を支える項目を中心に，広範
農業機械を使った作業でも同様である。このよう囲に及んでいる（表 1）。また，清浄な水の提供に貢に，火山は農業生産にとって非常に望ましい物理性
献する土壌の水質浄化機能といった流域スケールのを持った植物培地を提供する。
調整サービスや，地球温暖化緩和に貢献する土壌のこのような望ましい物理特性を持った火山由来の炭素（C）固定機能といったグローバルスケールの調植物培地の中には，「鹿沼土」や「赤玉土」などの整サービスも挙げることができる。火山由来物質
ように農業用資材として流通しているものもある。
は，こういった農業生産を支える土壌の調整機能に「鹿沼土」は栃木県鹿沼市産の軽石の総称，「赤玉
独特の特性を付与する。
土」は火山灰土壌の下層土であり，これらは園芸用
4.2.1 水分含量およびガス濃度を調整する機能
途を中心に広く利用されている。
水は，植物生育を左右する非常に重要な要因である。植物は，光合成の際に，特に大量の水を必要
火山灰土壌は，軽くて柔らかい土層が土壌表面かとする。通常，植物の葉の含水量は葉面積あたり
ら 50 cm 深程度まで，場合によっては 100 cm 程度
2
1.0～1.2 g/100 cm であるが，晴天時の蒸散量は，にまで及んでいることもある。このため，根系が可
24～5 g/100 cm /h にのぼり，多くの植物はこれに見食部であるゴボウ，ナガイモ，ダイコン，ニンジン
合うだけの水を土壌から根を通して吸収する必要がなどで，あるいは茎部が可食部であってもそこが土22）ある 。土壌中からの水分供給が不足すると，植物壌で覆われるニンニクやネギなどでも，商品価値のは様々な障害をひき起こし，極端な場合には枯死に高い生産物が得られやすい。これらは，火山がもた至る。逆に，土壌中の水分が過剰になると，土壌のらす恩恵であると言えるだろう。
通気性が悪化し，これに伴って土壌の気相中におけ
4.1.5 火山独特の環境が遺伝資源を供給する機能
る酸素濃度が低下し，植物は生育障害を起こす。こ火山灰土壌がもたらす低 P 栄養環境の特徴は，Pのように，植物を正常に生育させるためには，根のは比較的豊富に存在するものの，その植物に対する周辺における水分含量と酸素濃度を適切な範囲内に可給性が著しく低い点にある。強風化土壌や蛇紋岩保つことが重要であるが，土壌はこの機能を担って土壌でもしばしば低 P 栄養環境が問題となるが，こおり，これは調整サービスに相当すると捉えること
れらの土壌では P 含有量が低いことが低 P 栄養環境ができる。の主因であり，この点において火山灰土壌と対照的
土壌が水分含量や気相中ガス濃度を調整する機能である。こういった植物に対するストレス環境の違は，土壌を構成する固相成分の粒径組成やその 3 次
いは，そこで進化する植物がどんな機能を獲得する
元的な立体構造によって大きく左右される。砂粒子
か，といった点に影響を及ぼすと考えられる。上記に挙げた低 P 栄養環境を例にとると，強風化土壌や （粒径：2,000～20 µm）が主要成分である砂質土壌では，水分保持能力に乏しいが，通気性に優れてい蛇紋岩土壌では，体内 P 含量が低くても正常に生育る。逆に粘土粒子（粒径：2 µm 以下）が主要成分でできる機能や，獲得した P を効率的に再利用・継承ある重粘土質土壌では，水分保持能力は高いが，通する機能を獲得する方向に進化が進むと考えられ，
59

平舘：火山が農業にもたらす恩恵

気性が悪い。すなわち，適切な保水性と通気性を確保するためには，砂質土壌と重粘質土壌の間に有利な粒径組成が存在する。
火山灰は，風化初期においては多くが砂粒子で構成されているため（図 1a～d），通気性向上に寄与すると期待されるが，保水性を低下させる一面もあると考えられる。火山由来物質の風化が進み，Al－，
Fe－腐植複合体や二次鉱物が生成される段階（図 1e）になると，保水性および通気性の両方に優れた特性を示すようになる。これは，生成した二次鉱物が粘土サイズの小さな粒径を持つために比表面積が増加することに加え，これらの二次鉱物同士が結合し合うことによって孔隙に富んだ 3 次元構造をとること
23）によると考えられる（本特集号の渡邉 を参照）。また，この風化段階において火山灰土壌の表層部分に豊富に存在する Al－，Fe－腐植複合体も，この孔隙に富んだ 3 次元構造の構築に大きく寄与していると考えられる。これらの孔隙は様々なサイズを持っており，その大きさによって保水性に寄与するものと通気性に寄与するものがあり，これらは同一層位内で豊富に共存していると考えられる。農耕地土壌の3
仮比重は，火山灰土壌以外では 0.9～1.5 g/cm 程度
3であるのに対して，火山灰土壌では 0.6～0.9 g/cm
4）と非常に小さい値である ことからも，火山灰土壌
は孔隙に富んでいることが理解できる。火山灰土壌
は保水性と通気性の両面に優れており，この特性は仮比重が小さくて 3 次元構造に富んだ立体構造によるという点は，スポンジによく似ている。この保水性と通気性の両面に優れた特性を示す火山灰土壌
は，農業に大きな恩恵をもたらすものであると言えるだろう。なお，火山灰土壌の仮比重が小さいことは特筆すべき特徴であり，火山灰土壌を分類するた
24），25）。
めの基準として採用されている
4.2.2 土壌溶液中イオン濃度等を調整する機能
土壌の固相として存在している成分は，そのままでは植物根には吸収されず，土壌溶液中にいったん溶出されてはじめて吸収可能になる。植物が土壌溶＋
2＋2＋
液中から K ，Ca ，Mg などの無機イオンを吸収
すると，これらのイオン濃度は一時的に低下するが，このイオン濃度低下分を補うように，土壌の固相からこれらのイオンが放出され，その結果，植物による吸収が起こった後でも，土壌溶液中のイオン濃度はある程度一定に保たれる（土壌溶液濃度に対する緩衝作用）。逆に，肥料や動物排泄物等の形で土壌にイオンが加えられた場合にも，土壌溶液中におけるイオン濃度の急激な上昇を抑えるように，固相成分へのイオンの濃縮反応（吸着反応）が進む。降雨や蒸発等によって土壌中の水分含量が変化する際にも，土壌溶液中におけるイオン等の濃度をある程
度一定に保つ土壌の緩衝作用は有効に働く。植物による無機イオンの吸収においては，それぞれの無機
イオンごとに適する土壌溶液中濃度の範囲があり，60

土壌がこの範囲内に濃度を保つことによって，植物は生育に必要な量を過不足なく吸収できる。この濃度範囲の下限以下では植物の栄養元素欠乏症が，上限以上では過剰症が発生する。このように，土壌には土壌溶液中無機イオン濃度などをある程度の範囲内に保つ機能があり，植物を正常に生育させるための重要な調整サービスを担っていると捉えることができる。この土壌の緩衝作用は，土壌の吸着反応，脱着反応，固定反応，沈殿反応，溶解反応などとして長年研究されてきた。
また，この土壌溶液濃度に対する緩衝作用は，有機化合物に対しても有効に機能する場合がある。たとえば，土壌処理型除草剤は，散布直後は土壌による吸着反応によって土壌表層に濃縮され，降雨によっても容易に溶脱されない形態で保持される。その後，植物による吸収や微生物分解等によって有効成分が徐々に消失しても，土壌からの脱着反応によって土壌溶液中における有効成分濃度はある程度一定に保たれ，このことによって除草効果は数ヶ月間程度維持される。また，除草剤の有効成分が土壌のごく表層部分（数 mm 程度の厚さ）に保持されることによって，農作物には作用せず雑草に対して選択的に作用するという作物－雑草間選択性を発現している場合もある。このような土壌の機能も，調整サービスとして捉えてよいだろう。
火山由来物質が未風化の場合（図 1a～d），電荷を持った固相成分はほとんど存在しないため，溶液中
無機イオン濃度を一定に保つ機能はほとんど発揮されない。一方，火山由来物質の風化が進み二次成分が生成する段階（図 1e）になると，これらの二次成分は多くが電荷を発現させるため，そのイオン交換
反応によって，土壌溶液中イオン濃度を調整する機能が発揮される。この段階で生成している二次成分が発現する電荷は，土壌溶液の pH に依存して発現量が変化するものであり（図 2），変異荷電あるいはpH 依存性の電荷と呼ばれる。すなわち，土壌 pH が高い状態では二次成分の表面上に大きな負電荷を発生させ，土壌溶液中の陽イオン（カチオン）に対して濃度を調整する機能を発揮するが，土壌 pH が低下
すると表面上の負電荷量は低下し，土壌溶液中カチオン濃度を調整する機能も低下する。さらに土壌 pHが低下すると，固相表面上に正電荷が発生し，土壌溶液中陰イオン（アニオン）濃度を調整する機能を発揮するようになる。これらの機能によって，土壌溶
＋
2＋
2＋
－
（NO3 ），
液中における K ，Ca ，Mg ，硝酸イオン2－などのイオン濃度が調整される。
硫酸イオン（SO4 ）
なお，アロフェン，イモゴライト，フェリハイドラ
イトは，上記のように pH によってカチオンとアニ
オンの両方を保持できるが，Al－，Fe－腐植複合体
は pH に依存してカチオンを保持するもののアニオンの保持量は非常に小さい（図 2）。
土壌中において植物の生育に影響をおよぼす成地球環境 Vol.21 No.1

55 - 66（2016）（cmolc kg-1）

70

(b)

アニオン保持量／カチオン保持量60

アニオン保持量／カチオン保持量（cmolc kg-1）

40
30

(a)

20
10
0
10

40
30
20
10
0
10
20

20
4

図2

50

5

6

pH

7

8

4

5

6

pH

7

8

火山由来物質の風化によって生成した土壌の無機イオン保持特性．

a：アロフェン・イモゴライトを主成分とする層位（土壌 pH に依存してカチオンおよびアニオンの保持量が変化する）．
b：Al－，Fe－腐植複合体を主成分とする層位（カチオンの保持容量は大きいがアニオンの保持容量は小さい）．
Inoue（1986）26）を参考に作成．

分は，植物栄養元素に限られない。たとえば，カドミウム（Cd）やヒ素（As）といった元素は，植物の生育を阻害する有害元素であり，人体に対しても
悪 影 響 を お よ ぼ す。 ま た， ポ リ 塩 化 ビ フ ェ ニ ル（polychlorobiphenyl: PCB）は人体に対する強い毒性が明らかになっており，土壌中にもしばしば見出される。こういった元素や化合物が農作物に吸収され，国が定めた基準値を上回れば，農作物の商品としての価値が失われる。こういった有害元素や有害化合物が土壌に含まれていても，あるいは外部から土壌に加えられても，土壌は，これらの成分を強く捕捉することによって植物による吸収をある程度抑える機能がある。火山由来物質が未風化の場合（図 1a～d）には，この機能はほとんど発揮されな
いが，火山由来物質から二次成分が生成する段階（図 1e）
においてはこの機能が強く発揮されるケースがある。これは，これらの二次成分が持つ強い吸着・固定作用によるものであるが，どのような元素や化合物が，どの二次成分とどのようなメカニズム
で反応するかはケースバイケースであり，問題となる元素や化合物の種類，濃度，反応時間，場合によっては土壌の酸化還元状態にも依存する。このため，植物による有害成分の吸収を抑える火山灰土壌の機能は，過信することなく注意して利用したい。
以下，火山灰土壌による強い吸着反応の例を挙げる。鉛（Pb），Cu，Zn といった重金属を吸着する作用は，スメクタイト（2:1 型層状ケイ酸塩粘土の一種）に比べて，アロフェン・イモゴライトにおいてより
27）
選択的に起こることが示されている 。また，有機
炭素含量が 6％を超える多腐植質表層を持つ火山灰28）
29）
土壌 は日本では珍しくないが ，これらの土壌有機物はカルボキシ基に富むことから，Cu やコバルト（Co）などを配位結合によって強く捕捉し，このことによってこれら重金属元素の植物による吸収を抑える可能性が考えられる 。また，これらの土壌有機30）
物は二重結合性炭素にも富んでいるため ，疎水的相互作用によって疎水性有機化合物を捕捉し，これらによる有害作用や植物による吸収を抑止すると考4）えられる 。
4.2.3 土壌 pH を調整する機能
土壌 pH は，無機栄養元素の植物に対する可給性を支配すると同時に，土壌の電荷特性，土壌微生物
群集のタイプや活性，有毒元素の溶解度などを制御
4），19）。たとえする非常に重要なパラメータである
ば，土壌 pH が 7 を超えるアルカリ性土壌では，Fe，Zn，Cu，Mn といった微量必須元素の溶解度が低下
して植物に対する可給性が低下するため，植物はこ
4）
，31）
。
れらの元素の欠乏症を起こすリスクが高まる
逆に，土壌 pH が 5 を下回る強酸性土壌では，ほと3＋んどの植物に対して生育阻害作用を示す Al が土壌3＋溶液中に溶出するため，Al による生育障害がしば
4）
，19）
，31）
。加えて，他の多くの無機栄養
しば発生する
元素の可給性や土壌の機能についても，土壌 pH を
4）
弱酸性領域とすることが望ましいため ，農耕地においては一般に土壌 pH の目標値を 6.0～6.5 程度として管理されることが多い。土壌 pH は，自然状態の土壌ではその生成環境を反映しているが，人為の影響が強く及んでいる現代の農耕地では，石灰質資材や肥料の投入等によって強い制御を受けている。
土壌は，土壌溶液中無機イオン濃度をある程度一定に保とうとする機能を持っていることと同様に，＋－
H および OH を吸着・脱着することにより土壌 pHをある程度一定の値に保とうとする機能を持っている（土壌 pH に対する緩衝作用）。土壌中でこの能力を主として担っているのが，腐植物質と二次鉱物である。未風化の火山由来物質は，腐植物質も二次鉱物も含まないため，この土壌 pH に対する緩衝作用は弱いが，風化の進んだ状態（図 1e）
では，特に腐植19）61

平舘：火山が農業にもたらす恩恵

物質含量が高いため，土壌 pH に対して非常に強い緩衝作用を示す。植物は，根から吸収するカチオン＋とアニオンのバランスを保つために根から H を放出し，根圏を酸性側に変えることが多い。また，近年は N 肥料として N 含量の高い尿素が施用される＋ことが多いが，尿素からアンモニウムイオン（NH4 ）－＋
を経由して NO3 が生成される過程では H も同時に生成されるため，土壌は酸性化する。アロフェンおよびイモゴライト含量の高い火山灰土壌（主として
アロフェン質黒ボク土）
は，これらの二次鉱物によっ＋て弱酸性状態に緩衝されているため，このような Hの添加に際して，土壌 pH が急激に低下することを抑え，農作物の生育に適した土壌 pH 環境を提供していると考えられる。しかし，火山灰土壌の中には
アロフェンおよびイモゴライト含量が少なく，Al－，
Fe－腐植複合体と黄砂由来成分に富むものもあり（主として非アロフェン質黒ボク土），このタイプの火山灰土壌の場合には強酸性状態に緩衝されているものも多く，このような土壌の場合，自然状態のま3＋までは土壌から溶出される Al のため，農作物の栽
32）
培に適さないことが多い 。このタイプの火山灰土＋
壌は，長い土壌生成の歴史の中で，既に多量の H の添加を受けて土壌中に酸を内包していると考えられ
9）る 。ただし，この状態の土壌に対して適応した農作物を栽培するならば，農業として大きな恩恵を受けることになると考えられる。
4.2.4 土壌中への炭素（C）の貯留を通した気候を調整する機能土壌は，C を土壌有機物として貯留している。この土壌 C の起源は植生 C であり，土壌 C は分解によって大気 C（CO2）となる。また，植生 C の起源は
大気 C である。このように，大気－植生－土壌間をC はダイナミックに循環している。地球全体で見ると，土壌 C は 2,400 Pg と見積もられており，この値
は，大気 C の 760 Pg あるいは植生 C の 550 Pg と比4）
較して数倍大きい 。また，土壌 C は比較的安定でAD915以降に貯留された炭素を含む層位AD915に噴出した火山灰（To-a）
2.8ka～AD915間に貯留された炭素を含む層位
2.8 kaに噴出した火山灰（To-b）a. 黄褐色森林土（茨城県筑波山）

6.2ka～2.8ka間に貯留された炭素を含む層位炭素を貯留する層位（黒色部分）
は薄い表層部分に限定されている。

6.2 kaに噴出した軽石（中掫軽石）

9.4ka～6.2ka間に貯留された炭素を含む層位

9.4 kaに噴出した軽石（南部軽石）
b. 火山灰土壌（神奈川県藤沢市）

c. 火山灰土壌（青森県三戸町）

炭素が高濃度に貯留されており、しかもその層位は非常に厚い。

かつて表層だった層位が新たな火山由来物質により埋没され、そこに貯留されていた炭素も保存されている。
噴出年代は、工藤・佐々木（2007）33) を参照した。

図3

土壌断面中における炭素蓄積状況．

黒色部分が高濃度に炭素が貯留されている部分．

62

地球環境 Vol.21 No.1

あり，植生 C と大気 C の間で大きなリザーバーとして働いていることから，土壌は C を土壌中に貯留することによって，大気中 CO2 濃度を制御する機能を備えていると考えられる。すなわち，土壌は大気中
CO2 濃度を安定化させることにより，地球全体の気候の安定化に寄与しており，このことによって農業に恩恵を与えていると考えられる。
未風化の火山由来物質はほとんど C を含まない
が，風化の進んだ火山灰土壌（図 1e）では，Al－，
Fe－腐植複合体として土壌中に多量の C を蓄えている。火山由来物質の影響が少ない土壌では，炭素の貯留は主に薄い表層部分に限定されているが（図 3a），火山灰土壌では，土壌中 C 含量が 10～20％に達し，このような高 C 含量の層位が 50～100 cm
あるいはそれ以上に及ぶものもある（図 3b）。また，
火山由来物質が厚く堆積した場合，それまで表層だった土壌は地下に埋没されることになるが，その埋没された層位に含まれる C は長期間安定的にその場に保存されることになる（図 3c）。火山灰土壌が多量の有機物を貯留できるメカニズムについては，高い Al および Fe 供給能力に伴う Al－，Fe－腐植複合体の形成が有力であるが，近年は人間活動に伴う炭34）
化物添加の寄与も指摘されている 。このように，火山灰土壌は C を固体として土壌中に貯留する能力が高く，これによって地球温暖化を緩和するなど，気候を調整する高いポテンシャルを持っていると考えられる。
4.3 基盤サービス
4.3.1 無 機栄養元素および水を循環・再利用させる機能
土壌は，地上に降下する無機栄養元素を含んだ
様々な物質を地表に捕らえ，場合によってはこれらを分解して一次生産者である植物にとって利用可能な形態に変化させ，土壌中に保持するとともに適切なタイミングで植物に供給する。すなわち，土壌は，これら無機栄養元素を循環あるいは再利用させる機能を持っている。地上に降下する物質は，生物
遺体，雨水等に溶解あるいは懸濁された湿性沈着，風塵等の微粒子が直接降下する乾性沈着など多様である。有機質の降下物は，主に土壌動物や土壌微生物が分解を担う（表 1）。無機質の降下物の分解（溶解）は，土壌中における化学的プロセスや植物による吸収プロセスが関与している。これらのプロセスにより生成した無機栄養元素の保持・供給には，土壌の吸着・脱着反応が関与している。また，土壌に降りそそぐ降水も，土壌の水分保持能力を通して地上の生態系を循環し，また土壌の水質浄化機能（表 1）の恩恵を受けながら再利用される。
未風化あるいは風化初期の火山由来物質（図 1a～
35）
，36）
，このた
d）
は，有機物の蓄積量が非常に小さくめ微生物等の分解者に乏しく，したがって，有機物が添加されてもその分解速度は非常に遅いと考えら

55 - 66（2016）れる。また，この状態ではほとんど電荷を持たない
35）
，36）
，この
ため，無機栄養元素の保持容量は小さくことから無機栄養元素を循環・再利用する機能が弱く，植物にとって利用可能な形態であるイオンとして加えられた無機栄養元素も，多くが表層に留まることなく地下へと流亡することになる。二次成分が生成した段階の火山灰土壌（図 1e）
は，有機物含量が高いため微生物等の分解者に富んでおり，また無機
栄養元素をある程度保持することができ，高い緩衝能力を発揮しながら無機栄養元素を植物根に供給し，循環・再利用する機能を果たす。また，未風化
あるいは風化初期の火山由来物質（図 1a～d）は，水分保持能力および水質浄化機能に乏しいため，水を循環・再利用させる機能は低いが，風化の進んだ火山灰土壌（図 1e）
は，高い水分保持能力および水質浄化機能を備え，水の循環・再利用機能も高いと考えられる。
4.3.2 土 壌中の生物や生態系を保持・持続させる機能
土壌は，一つの小さな生態系と見なすことができる。そこでは，一次生産者である植物が太陽エネル
ギーを有機物の形で蓄え，これを巡って食植者，捕食者，高次捕食者，分解者が生きている。この生物
ネットワークが持続される中で，土壌構成成分が果たす機能のもと，無機栄養元素や水などが適度に調整・供給・循環・再利用されている。土壌は，これらの生物や生態系を保持し，持続させる機能を持っている。
未風化の火山由来物質は，既にこれまで述べた特性からもわかるように，植物の生育環境としては一般に劣悪であり，したがって，植物から提供される有機物の量も少なく，このため，食植者相，捕食者
相，分解者相を保持・持続する能力は低い。これに対して，二次成分が生成する段階（図 1e）においては，土壌中の生物や生態系を保持・持続させる能力は高い。この状態は，無機栄養元素や水を循環させる機能が高いばかりではなく，たとえば，病原菌が新たに土壌中に侵入しても，これが容易に優占し農作物が発病しないよう抑止する機能などにも結びつ4），37），農業においても有益である
くものと考えられと考えられる。
5．火山地形が農業にもたらす恩恵
5.1

火山は比較的平坦で規模の大きい台地を提供する
日本には，デイサイト質あるいは安山岩質の火山が多く，このため，火山が地上にもたらす物質は火
山灰や火砕流堆積物の形態が多い。火砕流の場合，一度のイベントで大量に火山由来物質が地上にもたらされる場合が多く，その際には谷やくぼ地など低い地形面を埋めるように堆積するため，堆積後は比63

平舘：火山が農業にもたらす恩恵較的平坦な台地が形成されやすい。火山灰の場合，堆積当初はもとの地形面と平行して積層するが，その後は傾斜の大きい場所では風雨などの影響によって移動しやすく，これらはくぼんだ地形に溜まりやすいため，結局，比較的平坦な台地を作りやすい。
こういった場所は，火砕流台地あるいは火山灰台地などと呼ばれ，地下水位が低く透水性が良い。かつてこのような場所は，用水の確保が難しかったことから農地としては不適とみなされたことも多かったが，現在では潅漑施設の整備が進み，また肥料等の利用による土壌改良が進み，加えて農業機械を利用しやすい地形および土壌物理性という要因も加わって，畑地，水田，牧草地，放牧地などとして広く活用されている（図 4）。火砕流台地や火山灰台地は，急峻な地形の多い日本においては貴重な規模の大きい農地の候補であり，作目ごとに産地を形成して農

図4

十和田火山東域に位置する三本木原台地（青森県十和田市）．

かつては不毛の荒野と呼ばれたが，1800 年代中頃に農業用水路である稲生川が整備され，稲作が可能となった．現在は広く水田として利用されている．正面にて冠雪しているのは八甲田連峰．

図6

64

作物をブランド化し，これらを市場に安定供給する
日本のシステムにおいては，大きなメリットとなっている。これらは，火山が農業にもたす恩恵であると言えるだろう。
5.2 火山は多様な環境を提供する
火山は，主として火口の東域に火砕流台地や火山
灰台地をつくる一方，火口周辺の高標高地域では，
山岳地形，カルデラ地形，カルデラ湖，せき止め
湖，氾濫原，泥炭地などをつくる（図 5）。また，新たに堆積した火山由来物質は，非固結で脆い場合も多く，河川等の影響を受けて侵食されやすいため，
様々な谷地形をつくる。また，河川が山側から平坦部にさしかかる地域では扇状地が形成される。このように多様な環境では，気温，降水量，日射量，土壌水分なども多様であり，このためより多くの生物種がニッチ（生態的地位）を獲得するチャンスを得た

図5

阿蘇カルデラ（熊本県）における土地利用の様子．

左に見える外輪山の頂部付近は主として牧草地として（牧草は枯れて茶色に見える），外輪山の斜面は植林地として（スギ林が主体のため緑色に見える），右に見える平坦地はかつてカルデラ湖の湖底だった部分を現在は水田として利用している．

サクラソウ

スズラン

ケルリソウ

ハルリンドウ

阿蘇の草原において伝統的な牧畜を営む中で保全されている希少な植物たち．

地球環境 Vol.21 No.1

状態にあり，これを受けて多様な生態系が成立する。このため，火山の影響を受けた地域全体として，生物多様性の高い状態に導かれると考えられる。生物多様性は生態系サービスを広く支える基盤であるため，こういった地域の農業はその恩恵を広く受けているものと考えられる（例：有用遺伝資源の供給，水質浄化，害虫発生の抑止など）。また，
山菜や野草等の採取地や保全地としての機能も果た
している
（図 6）
。

55 - 66（2016）

を図示単位とした日本土壌図．ペドロジスト，52,
129 - 133.
8）藤原俊六郎・安西徹郎・小川吉雄・加藤哲郎（1998）
新版土壌肥料用語集．pp. 338．農文協，東京．
9）平舘俊太郎（2014）
三瓶山地域における火山灰土壌の生成と特性．ペドロジスト，58, 93 - 100.
10）Hiradate, S. and S.-I. Wada（2005）Weathering process
of volcanic glass to allophane determined by 27Al and29

Si solid-state NMR. Clays and Clay Minerals, 53,

401 - 408.

6．おわりに11）Millennium Ecosystem Assessment（2003）Ecosystems
and Human Well-being: A Framework for Assessment.

本稿は，火山が農業にもたらす恩恵を包括的に整理しようと挑戦したものである。ただし，この中にはデータが少ない事項もあり，また今後の科学的検証が必要な事項も含まれる。また，今回取り上げることができなかった重要な事項もあると思われる。
しかし，本稿は，火山が農業にもたらす恩恵を整理し理解する上で，少なくとも一つの起点になったのではないかと思う。今後，関連するテーマの議論に本稿が役立つことを期待したい。日本は火山大国であり，多くの日本人にとって火山灰土壌は身近な存在であるが，世界的に見れば火山灰土壌は稀な存在であり，私たち日本人がその恩恵を農業を通じて享受していることを理解する一助になれば幸いである。
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66

平舘 俊太郎／Syuntaro HIRADATE
青森県三戸郡五戸町出身。東京農工大
学農学部卒業，岩手大学大学院農学研究科修了。博士（農学）。土壌学をはじめ，
植物栄養学，植物生理学，植物生態学，
化学生態学，保全生態学，生理活性天然
物化学，分析化学など幅広い分野に取り組んでいる。近年は野外に出る機会も多く，阿蘇，秋吉台，
三瓶山といった半自然草原，海洋島である小笠原諸島，火山
灰土壌地帯といったフィールドで，生態系における物質循環の特徴を捉えながら保全に関わる研究を積極的に進めている。