シンポジウム特集
総 説
5Reviews., March 2013, Vol. 123, 5 ‒ 10

土壌有機物の機能と有機物を活用した土づくり
谷 昌幸 1
Function of soil organic matter and eﬀective application of organic matter in arable land
Masayuki TANI1

1. 土壌有機物と土壌肥沃度
土壌有機物は土壌の様々な機能を担う主要な構成成分であり，土壌の化学性，物理性，生物性および肥沃度を性アルミニウムが多いためリン酸吸収係数が著しく高く，施肥リン酸の可給性が作物生産上の制限因子となるために，有機物含量が多くても土壌肥沃度が高いとは言えない．

大きく支配する（熊田，1981）．土壌有機物は化学的溶

また，十勝地域の黒ボク土畑土壌表層土 51 点を対象

解度，存在形態や機能などに応じていくつかの種類に分に，全炭素含量と交換性カルシウム量および水溶性カルけることができるが，その大部分は腐植物質である（松シウム量の関係を調べたところ，交換性カルシウム量は中，2003）．農耕地土壌では有機物を施用することによ

全炭素含量が多い，つまり陽イオン交換容量が高い土壌

り土壌有機物の機能を引き出し，肥沃度を向上させるこで多いが，水溶性カルシウム量は全炭素含量が多い土壌とも期待される．ただし，「土壌有機物に富む土壌」がで少ない傾向が見られた（Fig. 1）．これは，黒ボク土「土壌肥沃度が高い土壌」であると単純に結び付けるこ

表層土に含まれる腐植物質に対するカルシウムの吸着選とはできない．ここでは，土壌有機物と土壌肥沃度との択性が著しく高く，土壌溶液への分配が少ないことを示

少し複雑な関係について，北海道十勝地域の農耕地土壌していると考えられ，腐植物質の荷電特性や吸着特性なを例にして概説する．

どを考慮に入れて，養分の保持能と放出能のバランスを北海道の農耕地面積は約 119 万 ha であり，その土壌評価する必要があることを意味する（伊藤ら，2011）．

は火山性土 35 %，台地土 21 %，低地土 35 %，泥炭土以上のことから，土壌有機物や腐植物質が土壌肥沃度9 % に大きく分類される．日本有数の大規模な畑作畜産に及ぼす影響を評価するためには，その種類や特性の違地帯である十勝地域の農耕地面積は約 25. 7 万 ha であり，いに応じた機能の違いを把握して理解することが重要でその土壌は黒ボク土や多湿黒ボク土などの火山性土があり，農耕地土壌における有機物施用の役割と意義を再

49 % と半分近くを占め，次いで低地土 34 %，台地土

考する上でも，どのような種類の有機物に，どのような13 %，泥炭土 4 % に分類される（橋本，2008）．十勝地機能や土壌改良効果を期待するのかを明確にすることが域には，海退および河川による下刻作用によって形成年必要である．

代の異なる段丘地形が発達しており，高位段丘や中位段丘には洪積期と沖積期に堆積した火山灰を主な母材とす

2. 土壌有機物の種類と機能

る黒ボク土，低位段丘には沖積期に堆積した火山灰と河土壌有機物は，比較的分解されやすい画分が微生物の川堆積物，低地には河川堆積物から生成した黒ボク土や基質となって無機化され，植物が吸収可能な形態の養分低地土が分布するパターンを示すことが多い（菊地，を供給するとともに，比較的分解されにくい画分，とく2008）．に腐植物質が団粒の形成と土壌構造の発達，養分の保持

十勝地域の典型的な段丘地形面上の普通畑土壌の表層や緩衝能の増大などに貢献する．そのため，農業生産に土について理化学性を比較すると，黒ボク土で土壌有機おける物質や水の循環に重要な役割を果たす（松中，物含量が多く，とくに地下水湿性の影響を強く受ける厚2003）．一方，近年では地球温暖化抑制を背景に，土壌層黒ボク土で顕著に全炭素含量が多い（Table 1）．土壌有機物の機能の一つとして炭素隔離（土壌中での炭素の有機物含量が多い黒ボク土では，養分保持能や緩衝能の貯留とその長期的な安定化）が認識されるようになった指標となる陽イオン交換容量が著しく高いが，酸性シュ（IPCC，2007；藤嶽ら，2012）．

ウ酸塩可溶アルミニウム量の多さが示すように，アルミ

広義の土壌有機物とは，土壌中に存在する全ての有機ニウム−腐植複合体や非晶質・準晶質粘土鉱物などの活物を示し，生物（バイオマス）と非バイオマスに大きく分けることができる（Fig. 2）．バイオマスのうち，ほ1

Obihiro University of Agriculture and Veterinary Medicine,Obihiro, Hokkaido 080 ‒ 8555, Japan.
Corresponding author ： 谷 昌幸，1 帯広畜産大学
2012 年 12 月 20 日受稿，2013 年 3 月 12 日受理
土壌の物理性 123 号，5 ‒ 10（2013）

とんど分解されていない植物根などの動植物遺体を取り除いた，いわゆる風乾土に含まれる有機物が狭義の土壌有機物（腐植）を指す（松中，2003）．この土壌有機物
は，土壌中での分解と合成の平衡の下に存在する腐植物

土壌の物理性 第 123 号（2013）

6

Table 1 十勝地域の典型的な段丘地形面に位置する農耕地土壌の表層土における理化学性の比較（谷・加藤，2011）．

地形面

土壌分類

土性

全炭素含量
‒（g kg 1）

酸性シュウ酸塩可溶ア
ルミニウム量‒（g kg 1）

陽イオン
交換容量
‒（cmolc kg 1）

リン酸吸収係数

低地沖積面

褐色低地土

CL

23. 0

7. 9

17. 6670

低位段丘面

下層低地黒ボク土

L

53. 3

36. 9

23. 1

1900

中位段丘面

厚層黒ボク土

CL

87. 6

34. 2

38. 32170

高位段丘面

淡色黒ボク土

L

35. 2

44. 9

20. 32020

Fig. 1 十勝地域の黒ボク土畑土壌表層土 51 点における全炭素含量と交換性カルシウム量および水溶性カルシウム量との関係（伊藤ら，2011）．

モン類似作用による植物の生育促進，5）団粒の形成と土壌構造の安定化，6）土壌への吸熱効果および土壌の保温効果，7）土壌微生物への栄養源などが挙げられる（松中，2003）．ただし，これは前述した様々な種類の土壌有機物の機能を総合的に捉えたものであり，対象とする土壌有機物の生分解性や溶解性によっては，これらの機能を有しない場合もあり得る．例えば，難分解性の有機物は微生物の基質となりにくいため無機化による養分供給効果は期待できない．つまり，生物性や化学性にFig. 2 土壌中に存在する有機物の種類と区分（松中，2003 を一部改変）．

よって分別あるいは分画された個々の土壌有機物画分
は，農業生産や環境保全において土壌有機物に期待されている機能を全て発揮できるわけではないことを再認識することが必要である．

質と非腐植物質に分けられ，腐植物質は化学的溶解度に基づいて腐植酸，フルボ酸，ヒューミンに分別される．

3. 土壌の腐植物質と溶存有機物

ただし，これらの腐植画分は化学分析操作によって規定

3. 1. 土壌の腐植物質とその機能された有機物画分であり，土壌中の暗色有機物質である土壌有機物の主成分である腐植物質は単一な物質では腐植物質の全体的な概念と一致するわけではない（石なく，土壌に遺体や代謝産物として加わる多様な生体成

渡，2008）．

分が，微生物による分解・代謝，化学的な分解や変質に土壌有機物の機能としては，1）無機化に伴う植物へよって変化し，同時に土壌の粘土や無機物との相互作用の養分供給，2）養分の保持と土壌緩衝力の増大，3）養の下で触媒反応，吸着分配作用や続成作用を受けて生成分の有効性や有害物質の調節，4）他感物質効果やホルする混合高分子物質である（藤嶽ら，2012）．実験操作

シンポジウム特集

総説：土壌有機物の機能と有機物を活用した土づくり

7上，希アルカリ溶液に可溶で酸に不溶な腐植酸，希アルカリ溶液にも酸にも可溶なフルボ酸，希アルカリ溶液に不溶なヒューミンに分画されるが，この分画は操作上の0. 79

0. 66

0. 37

便宜的に分画された連続的な物質群であり，その機能が土壌腐植酸の化学構造特性は起源となる有機成分や反4. 3

4. 24. 8

応生成場である土壌環境に依存し，これらに応じてある程度類似した特性を示すことが予想されるため，平均的な化学構造に基づいて特徴付けを行うことは可能である（ 藤 嶽 ら，2012）． と く に，13C 核 磁 気 共 鳴 分 光 分 析

14. 5

19. 5

16. 2（NMR）法を用いた構造解析は，骨格炭素の情報が直接得られ，官能基や各種炭素の帰属が比較的容易に行えるため，腐植物質の構造特性を明らかにすることが可能である（藤嶽，2003）．褐色森林土，黒ボク土および埋没黒ボク土から抽出・分画された腐植酸では，官能基組成

8. 4

8. 1

6. 9が大きく異なる（Table 2）．埋没黒ボク土腐植酸の化学構造は大部分が芳香族とカルボキシル基からなるのに対し，黒ボク土では脂肪族炭素や糖類，メトキシル基の存在が認められ，褐色森林土では芳香族炭素のピークが相対的に小さく，フェノール基のピークが観察される．さ56. 042. 0

22. 1

ら に， 各 腐 植 酸 の 構 造 特 性 は， と く に 芳 香 族 性（Aromaticity）の違いが顕著であり，いわゆる腐植化が進んだ腐植酸で芳香族性が高い傾向が認められる（藤嶽，2003；藤嶽ら，2012）．ここで述べる腐植化とは，腐植物質の分解と重合の繰り返しの中で，腐植物質の難分解性
9. 4

10. 8部分が相対的に残存していくことを示す（米林，2008）．
16. 0（110 〜 145）

（145 〜 165）

（165 〜 190）

（190 〜 220）

明確に分かれているわけではない．

（65 〜 110）phenolicaromaticcarbohydrate

フルボ酸はいずれも混合物であり，pH による溶解度で例えば，重縮合した芳香環が主体の構造特性をもつ腐植酸は，難生分解性で土壌中に長期安定に貯留されると考えられるために，このような腐植酸の存在は土壌への2. 3

4. 9

11. 2

（48 〜 65）

methoxylである．また，カルボキシル基構造が多ければ，陽イオン交換容量はもちろん，土壌中の重金属や放射性物質など汚染元素の挙動に及ぼす影響力を評価する指標となる（藤嶽ら，2012）．一方，炭水化物やメトキシ基などが多

5. 1

10. 6

22. 8

されやすく変化しやすい可能性がある．このように，同じ腐植酸と称しても，平均的な化学構造によって機能が異なり，腐植酸の多様性を踏まえて土壌における機能性

埋没黒ボク土

黒ボク土に応じた評価を行うことが今後の重要な課題といえる．

褐色森林土（5 〜 48）い，いわゆる腐植化度の低い腐植酸は，土壌中で生分解
aliphatic

Carbon species（δ , ppm）を表わすものではない（米林，2008）．また，腐植酸と炭素貯留プロセスの解明や促進技術の開発にとって有用腐植酸

Table 213

C NMR スペクトルをもとに算出した腐植酸の官能基炭素組成（％）（藤嶽，2003 より引用）．

carboxylic

carbonyl

Aromaticity

定義によるものであり，必ずしも物質群の本質的な違い

3. 2 土壌の溶存有機物と溶存腐植物質
土壌腐植物質の構造特性や安定性を明らかにすること
は，地球規模の炭素循環や炭素隔離（長期的な安定化）を解明する上で重要である．一方，土壌系の内外における炭素や物質の循環，高等植物の生育に及ぼす影響などを考える上で，土壌固相中に存在する腐植物質だけではなく，土壌溶液中に存在し，可動性の高い溶存有機物や溶存腐植物質の動態と機能が注目されている．とくに農業生産において，腐植酸やフルボ酸などの腐植物質が，1）リン酸や微量要素の吸収促進，2）植物による腐植物

土壌の物理性 第 123 号（2013）8

質の直接吸収に伴う代謝活動への影響や無機イオンの吸壌型が異なる畑土壌および隣接する未耕地土壌の断面調収促進，3）植物の発芽や発根，根や茎の生育などを促査を行うとともに，深さ 5 cm 毎に試料を採取し，畑土進する他感物質効果を発揮することなどが報告されてい壌と未耕地土壌における層厚のずれを考慮した上で（溝る（Nardi et al., 2002）．このような機能は土壌や堆肥

田ら，2008），仮比重と全炭素含量から面積あたりの炭などに由来する溶存腐植物質に特有なものであり，土壌固相に分配・固定されている腐植物質とは明確に区別さ素蓄積量を比較した（谷・溝田，2008）．その結果，畑土壌の深さ 0 ‒ 50 cm における全炭素量は未耕地土壌とれるべきである．

比較して，淡色黒ボク土では 12 %，厚層黒ボク土ではさらに，非腐植物質である炭水化物やアミノ酸，低分25 %，普通褐色低地土では 51 % の減少であった（Table

子有機酸などの溶存有機物は，土壌中での存在量は少な3）．厚層黒ボク土では排水改良に伴う酸素供給量の増

いが，微生物による分解と代謝の平衡の下に常に供給さ加，褐色低地土では土壌侵食や長期の耕作，土壌の鉱物れており，反応性の高い物質が継続的に影響を積み重ね組成などが影響したと考えられた．

ることによる累積的な機能についても評価することが必

農耕地土壌における土壌有機物（有機炭素）の管理と蓄積を積極的に行うことは，土壌の養分供給環境，化学要である．
普通畑土壌における溶存有機物は，化学肥料や堆肥の性，物理性，生物性の改善につながるだけではなく，土施用などの肥培管理の影響を大きく受けて変化する．北壌生産性の維持と向上，省資源による持続的生産に貢献

海道立十勝農業試験場（現在，北海道立総合研究機構十することが可能である．また圃場内への炭素蓄積による勝農業試験場）に 1975 年から設置された長期有機物連

地球温暖化抑制にも寄与することに鑑みると，とくに畑用試験圃場において，試験開始後 25 年間が経過した土壌では，耕起作業の改善（省耕起や最小耕起など）や2000 年に表層土を採取し，土壌溶液の溶存有機炭素濃様々な有機物資材（堆肥・緑肥・作物残渣など）の積極度と金属錯化容量を分析した．その結果，化学肥料の施的な投入により土壌中の有機炭素を蓄積することが期待‒1用に加え，作物残渣すき込みや堆肥連用（30 Mg ha ）される．

を行うことにより，土壌溶液中の溶存有機炭素濃度は高4. 2 堆肥の腐植化と土づくり効果

くなり，それに伴って金属錯化容量も著しく増加した

土壌有機物の量を維持するとともに，その機能を活用（Fig. 3）
．とくに堆肥を連用することにより，化学肥料施するためには，作物残渣，緑肥，有機肥料，家畜ふん尿用区と比べて溶存有機炭素濃度や金属錯化容量が約 2 倍や堆肥などの様々な種類の有機物を，その目的に応じて近い値を示した．土壌溶液中の溶存有機物が錯体形成能施用することが必要となる．

を有することは，金属イオンとの錯体形成による種形成

家畜ふん尿を主原料とする堆肥を圃場に施用する場と溶解の維持，リン酸などの無機陰イオンとの配位子交合，原料や副資材，発酵の程度，堆肥化処理の方式，堆換反応による吸着抑制効果などにつながると考えられる．

肥化期間などの要因により，その分解程度や理化学性，

4. 有機物施用と土づくり
4. 1 畑地の土壌有機物と有機物施用

腐植化の程度や腐植酸の性状などが大きく異なるため（李ら，2009；谷ら，2011），農耕地に施用した際の土づくり効果や土壌有機物としての機能は同じではない．

農耕地土壌では，森林や草地などの自然土壌とは異な

北海道では，年間に排出される家畜ふん尿の多くは乳り，耕起や施肥などの管理作業に伴って土壌有機物が生牛ふん尿（約 1440 万トン）や肉牛ふん尿（約 400 万ト

分解されやすくなるとともに，とくに畑土壌では有機物ン）などの牛ふん尿である（北海道立農業・畜産試験場の投入量が少ないため，有機物の損失量が供給量を上回

家畜ふん尿プロジェクト研究チーム，2004）．とくに乳る場合には，土壌有機物が減少する方向に平衡がシフト

牛ふん尿の場合は，飼育頭数の多頭化やフリーストールする．

牛舎導入によって，水分含量が 80 % を越えるようなふ農耕地土壌，とくに普通畑における炭素量の減少量をん尿が排出され，堆積しても好気発酵が全く進まない分把握するために，北海道十勝地域の 3 地点において，土解不十分な状態で圃場還元されることが多くなっていFig. 3 北海道立十勝農業試験場（現在、北海道立総合研究機構十勝農業試験場）の長期有機物連用圃場から採取した淡色黒ボク土畑土壌表層土における土壌溶液の溶存有機炭素濃度と金属錯化容量（谷ら，未発表）．

シンポジウム特集 総説：土壌有機物の機能と有機物を活用した土づくり

9Table 3 十勝地域の未耕地土壌と農耕地土壌における層厚のずれを考慮した面積当たりの全炭素量（溝田・谷，2008）．

未耕地土壌

農耕地土壌調査地点

土壌分類

深さ（cm）

炭素量‒（kg m 2）

深さ（cm）

炭素量‒（kg m 2）

農耕地／未耕地

芽室町中伏古淡色黒ボク土0 ‒ 75

13. 00 ‒ 50

11. 40. 88

音更町西中音更

厚層黒ボク土0 ‒ 70

49. 20 ‒ 50

36. 90. 75

幕別町相川

褐色低地土0 ‒ 95

12. 40 ‒ 50

6. 10. 49

Table 4 堆肥の圃場還元利用と期待される土づくり効果．

効果と具体例
作物養分としての効果
窒素については緩効性肥料（難生分解性窒素）
リン酸は無機化が進み高い肥効率（100 % 以上か）
微量必須元素（銅や亜鉛など）の供給源
安定腐植としての効果
土壌改良効果（通気，保水と排水）養分の保持機能（陽イオン交換容量の増加）
土壌の緩衝能（土壌炭素の安定的貯留）
溶存腐植としての効果
錯体形成能や配位子交換能による養分の可給化
植物生理活性の向上（他感物質効果，ホルモン類似作用）
土壌構造（耐水性団粒）の形成と維持

る．農業生産現場で生堆肥と称されることもある資

5. おわりに

材は，タンパク態窒素やセルロースを多く含み，土壌中で微生物により無機化されるため，微生物の基質や作物一般的な普及書などで見かける「有機物を施用すれば養分の供給源としての効果が期待できる．一方，麦稈や土壌微生物が増える」，「堆肥を入れれば土壌の養分保持バークなどの副資材とともに好気発酵した牛ふん尿堆肥能や団粒が増える」などといった，単純化されたイメー

は，腐熟の進行により腐植化が進み，土壌中の微生物にジは，農耕地土壌への有機物施用を推奨する

とっては難分解性の土壌改良資材としての効果が期待でけきる（李ら，2009）．一方，好気発酵を伴う堆肥化が行うな有機質資材（構成成分，生分解性，機能性）を，いわれたとしても，堆肥化後の腐熟の進み具合により，腐つ（施用時期），どのくらい（施用量），どのような方法植化が進行せず，植物原料に由来するリグニン構造が多（施用方法や混合深度）で土壌に投入するかなどの因子く残存している資材も存在する．高い発酵温度を伴う一に基づき，どのような機能や土壌改良効果を期待するの

次発酵処理後に，十分な期間の二次ないし三次発酵をかを明確にすることが必要である

行った堆肥は，高い腐植化度を示すとともに，含まれるきっかとしては良いかもしれない．しかしながら，どのよ化学肥料の代替効果や， 有機物としての大括りの溶存腐植酸の化学構造が土壌腐植酸に近い状態まで腐植評価だけではなく，土壌有機物としての本来的な機能を化が進行する（谷ら，2011）．

最大限発揮させるための科学的な根拠に基づく有機物施

家畜ふん尿を主原料とする堆肥を圃場還元利用する場
合，少なくとも，窒素無機化特性など有機質肥料としての評価と，腐植化度などの腐植質資材としての評価などに基づいて（Table 4），どのような特性や機能を有する堆肥であるのかを理解し，その有効利用法を提案することが必要である．

用技術を構築し，それを提案することが，今後の重要なミッションである．

引用文献
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10

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旨

土壌有機物は土壌の様々な機能を担う主要な構成成分であり，土壌の化学性や物理性，ならびに土壌肥沃度を大きく支配する．土壌有機物はいくつかの種類に分けることができるが，その主体は腐植物質である．一方，農耕地土壌に有機物を施用することにより土壌有機物の機能を引き出すことも期待される．
ここでは，土壌有機物や腐植物質の種類と機能について概説するとともに，農耕地土壌における家畜ふん尿や堆肥など有機物施用の役割と意義を再考する．
キーワード：土壌有機物，腐植物質，溶存有機物，家畜ふん尿，堆肥