11ム〆 也︑︑

農 業 と 科 学)a'

平成 26年 8月 1日

司1 川川 1 ，，"喝 Il lI ul.II_.'II. ， 11111 同~"， II""'''''" ， I 川 111.....'11111111 ，.. ....'1..111111... 叫h 川川，・・・..，， '"'11"" ‘川川)1 11......'1 川1 ・ 111.....11 ・ 11"" ，."川 1"" ，， "''''11'・ a・， '1.....11"'"11 ，...，阿川 11".. ・ 1111111 ・ 11.....'11・ H・ .hll- ，. Ihl ・I・ 11 1 I1'1III同 11111.111 1 •土壌の塩基バランスと土壌溶液の塩基バランス
九州大学大学院農学研究院

和田信一郎

，

おおよそそれぞれ 3
"
‑'7.2
"
‑'4程度が推奨されて.はじめに土壌診断の指針として土地利用や土壌のタイいる。

プごとに土壌の改良目標値が設定されている(農土耕栽培は「土壌溶液を用いた養液栽培J とい

林水産省， 2012)。可給態養分量に関しては推奨う側面がある。必須養分だけでなく，カドミウム範囲つまり上限と下限が示されている。これは当イオンの吸収やアルミニウムイオンの生育阻害効然のことであり，大部分の植物養分では欠乏症と果なども，単位質量あるいは単位体積の土壌にお直接間接の過剰症の両方が懸念されるからであける含有量よりも，土壌溶液中の濃度(より正確る。

カリウム (K) カルシウム (Ca)，マグネシには活量)によって決まるという実験結果が多く

ウム (Mg)(塩基と総称される)の場合，交換態今示されている (Wolt. 1994)。養液栽培用の培可給態であり，交換性塩基の合計保持量は土壌養液には多くの種類がありの有効陽イオン交換容量で制限されることから，種類によって使い分けられている。培養液では，個々の塩基の含有量を任意に定めることはできな

個々の養分の濃度が指定されい。このため，陽イオン交換容量 (CEC) に占め示されることはないがるK，Ca，M gの当量パーセント(当量という用語計算すると，培養液で採用されている Ca/Mg比の使用は推奨されていないがここではこの用語をはおおよそ1.5"‑'3， Mg/K比は 0.
25"‑'0.
7で、ある用いる)と， Ca/Mg比， Mg/K比の推奨値が示さことが多い(いずれも当量濃度比)。表 1にまとれている。土の種類や作物種によって若干異なる

めて示すように， Mg/K比はものの，野菜畑の場合には Ca/Mg比いる。

栽培対象の作物の濃度比の推奨値が代表的な培養液組成から両者の数値はまったく異なって

一 本 号 の 内容一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一18土壌の塩基バランスと土壌溶液の塩基バランス………………………………… 1
九州大学大学院農学研究院和田信一郎

1￨￨

S下水灰の肥料用原料化技術の開発研究…………………………………………… 7修;

公益財団法人日本下水道新技術機構資源循環研究部

落

国立大学法人名古屋大学大学院工学研究科

窪田

国立大学法人岩手大学工学部

伊藤

日本肥料アンモニア協会

成田

光義歩ii

貞!

宏農 業 と 科 学(2)平成 26年 8月 1日

町川川 111 圃喝 1111111 ・""~""，I.川同，."， 11 ，， 11' 噂司 1111111111.....1111. 1 ' ，.. ...11..11 1 ・ H ・....1\ 11'..'11 ・・・ ""II"IJ" ー‘川川|川園』川 '11 ・ .1.......111" ・""....川'"'"'.....'''・ 111111......" ・川，"，.....'・，， ".111 園町.111hll ， .I.....II...lllhl'....llh ・I・ 11'''' 四 1111111111.
，2(Mg2+の活量)(吸着Kの当量分率 )表 1.土耕栽培で推奨される土壌の塩基バランスと養液で採用されている塩基バランス

土壌の推奨交換性塩基含量比
培養液における当量濃度比(吸着Mgの当量分率)(K+の活量)2(4)Ca/Mg比Mg/K比となる。 Mg→ Kの場合には MgとKが 1:2の比

3"'71.5"'32"'40.
25"'0.
7率で交換するためる。

Kに関する項が 2乗されてい選択係数は平衡定数とは異なり，一般には定数
土耕栽培が土壌溶液を用いた養液栽培であるなではなく，イオン交換態の吸着イオン組成によって変化する。ここで採用した選択係数はらば，土壌の Ca/Mg
比(交換性陽イオンの量比)

Gaines‑Thomasの選択係数とよばれる選択係数が3"'7のときには土壌溶液の Ca/Mg濃度比は1.5である。

"'2，土壌の Mg/K比が 2"'4のときに土壌溶液のMg/K当量濃度比は 0.
25"'0.
7になっていること
イオンの量比と土壌溶液中の陽イオンの濃度比

3. 土壌の Ca/Mg
比と土壌溶液の Ca/Mg
比
→ Mg
交換反
多くの土壌や粘土鉱物における Ca応の選択係数値は約 0.
7である (BruggenwertandKamphorst， 1979)。多腐植質黒ボク土のの関係を論じた報告はほとんどなく， しかも養液ように腐植物質含量の高い土壌ではそれよりやや組成と関係させながら論じた報告は見当たらな

低く 0.
5に近くなることもある (Nakaharaandい。また，土壌の交換性陽イオン組成と土壌溶液

VVada， 1994) CaとMgはいずれも 2価のイオ組成の両方を測定したデータも意外と少ない。そこでここでは， これまでの土壌化学の知見に基ンであるため (1)式の活量は濃度で置き換えるこが期待される。しかしこれまで，土壌の交換性陽づいて，両者の関係を主として計算によって考察したい。

2. 交換性陽イオン組成と土壌溶液組成の関係
交換性陽イオンと土壌溶液中の陽イオンとは陽イオン交換反応を通じて相互作用しており，陽イオン交換反応は非常に早い反応であるので，土壌では交換性陽イオンと土壌溶液中の陽イオンの交換反応は常に平衡状態にあるとみなせる。 CaとMg，MgとKの交換反応は Xを土壌物質(主として粘土鉱物)の ‑1の電荷をもっ部分とすれば次式で表すことができる。

22CaX2+Mg+MgX2+Ca+(1)(2)

二MgX2+2K+= 2KX+Mg2+01)式はとができる。そのため， (2(Ca+の濃度)(吸着Kの当量分率)
ニkCa→ M g ，'~ -，~ ̲ .'.~-.， ，•.
'. (5)(Mg2+の濃度)~ (吸着Mgの当量分率)と変形できる。この式の右辺は Ca/Mg比そのものである。この式と，土壌や粘土鉱物の Ca→ Mg
交換反応の選択係数の値が 0.
5"'0.
7であることを考慮すると土壌溶液の Ca/Mg比は土壌の Ca/Mgの0.
5"'0.
7倍であることになる。
図 1はこの関係を示す。図の網掛け部分が，土a/壌の Ca/Mg比に対応して定まる土壌溶液の CMg比の範囲である。また，水平の点線は，培養液で採用されている Ca/Mg比の範囲を示す。土壌のCa/Mg比が 6以上であれば，土壌溶液の Ca/Mg
比は土壌の種類を問わず溶液で推奨されている

これらの反応の進みやすさの尺度として，選択係→ Mg
交換反応で、は数という量が用いられ， CaCa/Mg比を上回る。しかし土壌の Ca/Mg比が 4以下であれば，土壌溶液の Ca/Mg比は溶液で推奨されている比の範囲内にほぼ収まる。

kCa→ Mg
二2の当量分率)(Ca+の活量)(吸着Mg(吸着 Caの当量分率)(Mg+の活量)で定義される。一方

2Mg‑K交換反応では(3)

図 2は福岡県の施設土壌 73点について，遊離炭酸カルシウムやリン酸カルシウム(その一部は交換性陽イオン測定時に酢酸アンモニウムに溶解する)の存在を考慮して推定した正味の交換性 Ca

農 業 と 科 学

平成 2
6年 8月 1日

(3)・司v・s・， 11".. 司・ 111111111_"'llhll..1 1 四四川 11" ，， 1 噂司 1111111 111 .... ， 1・ 111... ，. ...'1. 川 11" 、岨 1111"'1' ・・・ 4 川川 11" ー‘川川 1'" ー』川・"・ ・・・ ....， 1 ・ U'llulløl'lllll 川 """'lllh. tI.，，， U ・・8 川I ，.，"'!川川 11" 画噂川，.， I.. ， ....'III.I， lh .f ....' ・H ・1I 111~ 四 11111.. ， 1' .

あると理解できる。そして，土壌の Ca/Mg比が5

土壌診断における推奨値の範囲にあればその土壌の土壌溶液の Ca/Mg当量濃度比は養液栽培の培起M
m蝶切言¥吋υG燦附球部川村養液で採用されている Ca/Mg濃度比の範囲にほ4ぼ納まることになる 。

4. 土壌の Mg/K比と土壌溶液の Mg/K比
Mg/K比についても Ca/Mg比で、行ったのと同じ考察をすることができる 。 しかしこの考察には，Ca/Mg比に関する議論の場合よりも難しい点が2つある 。第 lは土壌の Mg→ K交換反応に関す， Mgる実験データが非常に少ないこと 。第 2は2→ K交換反応の化学量論は 1 :2であるので，選1i

一3択係数の定義式において Kのモル分率や活量が 24567

土壌のCa/Mg比乗されているため交換体の Mg/K比と 土壌溶液の Mg/K比が 1 :1で対応しないということで

図1.土壌の Ca/Mg比と土壌溶液の Ca/Mg当量濃度比の関係ある。
第一の問題は， Mg→ K交換反応の選択係数を→ Mg
交換反応の選択係数と Ca
次式によって， CaとMgの当量比の度数分布である。大部分の施設→ K交換反応の選択係数から計算することによっ"‑'5となっており，図 1
土壌では， Ca/Mg比は 3て解決できる。

から，それに対応する土壌溶液の Ca/Mg濃度比kCa→ Kはほぼ1.5"‑'3の範囲に収まっていることが予想さ

kMg→ K=れる。土壌の Ca/Mg比が培養液で採用されている

kCa→ Mg(6)

Ca/Mg濃度比よりも高く設定されているのは，土壌が Mgよりも Caをやや選択的に吸着するためで

Ca→ K交換反この式に， Ca→ Mg交換反応および、応(たとえば WadaandOdahara

1993) の平均的な選択係数値を代入すると， Mg→ K交換反応の選択"‑'6%の場合，係数は， K飽和度が 411"‑'80の 範 囲 に あ る と 推 定 さ れ2520る。
案
採 15並
区

第二の問題は， Mg→ K交換反応の化学量論が 1:2であるため，土10

壌の Mg/K比が決まっても土壌溶液のMg/K濃度比は決まらないという5。
。

2)式からわかるよことであった 。 (うに 1 :1に対応するのは(吸着ロ510152025Ca/Mg比

図2. 福岡県の施設土壌の Ca/Mg比の例
炭酸塩やリン酸塩を考慮して推定した正味の交換性
CaとMgの当量比

Mgの当量分率)/(吸着Kの当量分率 )2と(土壌溶液の Mg活量)/(土壌溶液2なのである 。 (2)式をのKの活量 )少し変形し，活量 与濃度とすると，

農 業 と 科 学(4)平成 26年 8月 1日

崎1"11 ，， 111" 司 1111111......"11..'11111 問問。，， 11 ，， 11'" 司川1. 111 11 ." 川川 1111 ，.....， 11111111 ・・叫 \.111 11 1'1 ・ 4 川 11'11"'" ‘ 111 11 ' 1'''回 .....11111 ・ 11........11111 川 H ・ .."II''''''~''''I ・'''， '1......'' ・"，， 11 ，.....川H ・ 11.. 圃噂川 111 1t 11~ ，， 11・ Ifhlhll."IIIIIIIIII"''''IIIII"III~[Mg2+の濃度 J(吸着Mgの当量分率)kMg→ K '，"_:'~. __~ .~~~~. ，'，:22，‑‑-~ ‑‑ (吸着 の当量分率 )2
十の濃度J[KK

二(7)い。そこでもっと現実的にすべく， Ca，Mg，Kの 3種の陽イオンを考慮し次のような条件下で陽イオン交換平衡の計算を行った。という関係が得られる。右辺に選択係数の値と，交換性Mgおよび、Kの当量分率を代入すると (Mg2+1)土壌の Ca飽和度は 82%，Mg飽和度は 12%，K飽和度は 6%の濃度 )/(K+の濃度 )2が求まるが Mg/K当量濃度2) 土壌の Ca→ K交換反応の選択係数の対数値
は2，3，4の何れか比は一義的には決まらない。
7)式をまた少し変形
いま，活量与濃度とし， (3) 土壌の Ca→ Mg
交換反応の選択係数は 0.
74) 土壌の Mg→ K交換反応の選択係数は 2)，3)

すると，

から計算
吸着Mgの当量分率)[2[Mgの濃度]二kMg→K(~=NK2+の濃度2J(8)+一(吸着Kの当量分率2)"/VH‑'‑V ‑"5) 土壌溶液の陰イオンはすべて硝酸イオン
6) ナトリウムイオンは無視できるほど少ない

以上の条件で陽イオン交換平衡の計算を行って，という関係が得られる。この式に，選択係数の値

条件 1)に示す交換性陽イオン組成に対応する土と，吸着イオンの当量分率および土壌溶液の K濃壌溶液組成を求め，それから土壌溶液の Mg/K当度を代入するとその条件に対応する Mg濃度を計算することができる。ここで吸着 MgおよびKの量濃度比を計算し土壌溶液の硝酸イオン濃度に対してプロットしたのが図 3である。

当量分率を 0.
12および 0.
06 (Mg飽和度 12%，K. 土壌の Mg/K
比が 2の場合の土壌溶液の Mg/K当量濃度比の例
表2
K濃度/
mmolL
‑1Mg濃度/mmolL一1Ng/K当量濃度比

1.00

1.00

2.
00kMg
→ Kニ302.
004.
004.
005.
0025.
0010.
00Mg飽和度 12%
K飽和度 6%

仮定

飽和度 6%に相当)， Mg→ K交換反応の選択係数を 30とし， K濃度としていくつかの値を入力して Mg濃度1.5を計算して表 2に示した。また Mg
濃度およびK濃度から Mg/K当量濃ミま度比を計算して同じ表に示した。表議1.02からわかるように，土壌の Mg/K

甘ヨ比が一定であっても，その土壌と陽イオン交換平衡にある土壌溶液のml
回1

凶'‑.
.
̲

ぎ0.5

Mg/K濃度比は土壌溶液の塩濃度に

表 2に示した計算例では， MgとKの 2つのイオンしか考慮していな

ハV

Mg/K比も高くなる。

ハU

向としては，塩濃度が上昇するとハUよって異なる値をとる。一般的な傾5101520

土壌溶液の硝酸イオン濃度/
mmolL‑1

図3. Mg
飽和度 12%，K飽和度 6%の土壌における土壌溶液の硝酸イオン濃度と Mg/K当量濃度比の関係の計算結果

(5)農 業 と 科 学

平成 26年 8月 1日

司・ 11..11.... 司川 1 1I 1 ，， 1.~llh' l.川町四川 11"" ，噂司 1111..11 1 ・ .-1111111川，. ...'1川"・ 11" 岨， ..1 111 1"・・..，，，.川 1"". 川 1 1 '1 ・・・ー...， 1 1 ・ H ・-・・ ，， ~II ・ 11 川 H ・ a・ '11 ・ 1111'.......'1 11 ・ ，， '1......" ・・・ "11 ，.....仰 11 ， .11 ，，， .11111.1 ・，.....川 1 ，1.， 11""""11. 1. 11 1 -' 同 '111 1. 1" ・，

この計算における土壌の Ca/Mg比は 82/12=いことが多い。図 4は福岡県下の施設土壌で，土壌の Ca/Mg比および、Mg/K比が土壌診断基準を満6.
8，Mg/K比は 12/6=2であるので，土壌診断における推奨範囲内ではあるが Mg飽和度がやや/K当足しているものから採取した土壌溶液の Mg低めにとられている。この条件下での土壌溶液の量濃度比のヒストグラムである。 Mg/K当量濃度

Mg/K当量濃度比は土壌溶液の塩濃度(この計算比が 1以下のものは少なくでは硝酸イオン濃度)と土壌のカリウム選択性に高く，それ以上のものも相当数ある。この分析は→ K交換反応の選択係数の対数値が依存する。 Ca

跡地土壌について行ったものであるので，栽培期2の場合，土壌溶液の硝酸イオン濃度 (=Ca，Mg，Kイオンの当量濃度の合計)が約 8mmollLまでなら Mg/K当量濃度比は 1以下に保たれる。土壌

K当量濃度比はこれよりも間中の土壌溶液の Mg/低かった可能性もあるが，大部分が養液栽培の培のKに対する選択性が高くえない。

選択係数の対数値が1"‑'3のものの頻度が25"‑'0.
7に収まるとは思養液で採用されている 0.

4の場合には土壌溶液の Mg/K当量濃度比が 1以下に保たれるのは土壌溶液の硝酸イオン濃度が 1mmollL以下の場合に限られる。
以上の計算例から，土壌の K選択性があまり高くなく，土壌溶液の塩濃度が低い場合には，土壌の Mg/K比を土壌診断における推奨値の範囲/K濃に調節すれば，土壌溶液の Mg
度比は養液栽培用培養液で採用されている値に近くなる可能性があることがわかる。またバルクの土壌溶

2液の塩濃度が高い場合にも，根圏土壌の土壌溶液の塩濃度はそれよりも低くなることがあると考えられるの973)，Mg/K当で(岡島・松中， 146810

土壌溶液の Mg/K当量濃度比

図4. 福岡県の施設土壌の土壌溶液の Mg/K当量濃度比の度
数分布

量濃度比もバルクの土壌溶液のものよりも低く保たれる可能性もある 。しかし一般論

これらの土壌に 10aあたり K20として 30kg相としては，土壌溶液の Mg/K当量濃度比が培養液当のカリウム肥料を施用し，含水比 25%，乾燥で採用されている値の範囲に収まるのは，土壌のLの作土 15cmに混合すると， Kの添密度1.0kg/Mg/K比がかなり低く，土壌の K選択性も低く，4cmolc/kgとなる 。添加された Kが加量は約 O.

さらに土壌溶液の塩濃度が低い場合に限られると

全 て 交 換 性 Kとして吸着されるなら， CECが考えた方がよさそうである。つまり，陽イオン交が土壌診断基準を満たしている場合でも，土壌溶10cmolc/kgの 土 壌 で は K飽 和 度 が 4%上昇 ，CECが 20cmolc
lkgの土壌でも 2%上昇すること/Mg比や Mg/K比が推奨範囲になる 。つまり， Ca液の Mg/K当量濃度比は養液栽培の培養液で採用にある土壌に K肥料を施肥した場合には，土壌溶されている Mg/K当量濃度比の範囲を超えて大き/K当量濃度比は当然のことながらある程液の Mgい場合が相当ある度低下する。しかし施肥した場合には土壌溶液の換平衡の観点からは土壌の交換性陽イオン組成あるいはそのような例の方が多いとさえ予想される。

K当量濃度比の上昇
塩濃度も上昇するので，Mg/K当量濃度比の測定値は実際，土壌溶液の Mg/効果は限定的である 。紙数の都合で詳細な結果は養液栽培の培養液で採用されているものよりも高示さないが，このような仮定で計算しても，土壌(6)農 業 と 科 学

平成 26年 8月 1日-司t ・..，， 1111" 喝川川 1 ・ 11.""" ， 1 ・川町四川 11 ，， 11' 噂司 111111111 1 ... ， .1 ， 111 11 1 ，.. ...1)111' 川''''叫 M 川・，，'....川酬 IJ ・h ・‘川川1' "_~llll tI" l ・ ....'''11 ・"".園川 1 ・"，， '...""I"'h'I..~IJ"'hll ，".，川"， '111 園町.， IIIUI ， .I.~lllld， lhll..~II.lflllll." 同，， "1"1".

引用文献

溶液組成は培養液で採用されているような組成にはなりにくかった。
結 局 ， 土 壌 の Mg/K
比を 2"'‑'4としても，土壌溶液 の Mg/K当 量 濃 度 比 は 養 液 栽 培 の 培 養 液 で 採 用されている 0.
25"'‑'0.
7の 範 囲 に は 収 ま ら ず ， そ れ以上の値となることが多いのではないかと予想される。このことは，多くの土壌においては，土壌のK飽 和 度 を 相 当 高 く し て も 土 壌 溶 液 の Mg/K
比は 養 液 栽 培 の 培 養 液 の Mg/K当量濃度比を下回るようなことは起こりにくいことを意味する。しかし こ れ は ， 多 く の 施 設 土 壌 で K過 剰 に よ る Ca
やMgの 欠 乏 が 原 因 と 考 え ら れ る 生 理 障 害 が 発 生 していることとはしっくりと来ない。

Mg/K比 の 不 整 合 と い う こ と だ け か ら の 結 論 は短絡的すぎるのかもしれない。しかし，土耕栽培
詩土壌溶液を用いた養液栽培というような単純な見方を再考する余地があるかもしれない。また，カリウムの関与する陽イオン交換反応のパラメーターが正しく評価されているのか，さらに交換性カリウムという量の意味などについても再考する必要があるのではないかと思える。

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