1) 炭カルと粗砕石灰岩の粒径分布の比較 15 2) 酸性矯正がサトウキビ収量に及ぼす影響 15 3) 炭カルと粗砕石灰岩が土壌化学性に及ぼす影響の比較 15 4) 粗砕石灰岩による酸性矯正が土壌微生物性に及ぼす影響 結果 16 1) 炭カルと粗砕石灰岩の粒径分布の比較 16 2) 酸性

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1 沖縄県農業研究センター研究報告 7:1~44,2013 学位論文 絹牽牽牽牽牽牽牽牽牽牽牽牽牽牽牽牽牽牽牽牽牽県 絹牽牽牽牽牽牽牽牽牽牽牽牽牽牽牽牽牽牽牽牽牽県 沖縄県の低生産性土壌改良における土壌微生物性の評価 宮丸直子 Investigationofmicrobialpropertiesofsoilswith improvementofinfertilesoilsinokinawa NaokoMiyamaru 目 次 Ⅰ. 緒論 1. 沖縄県の主要土壌について 1 1) 国頭マージ 1 2) 島尻マージ 2 3) ジャーガル 2 4) 大東マージ 2 2. 沖縄県の低生産性土壌改良に関する既存の研究 2 1) リン酸とケイカルの併用 3 2) クチャ客土 3 3) 心土破砕 4 4) 酸性矯正 4 5) 有機物施用 4 3. 土壌有機物の効果と土壌微生物の重要性 5 4. 土壌改良が土壌微生物性に及ぼす影響 5 1) 土壌微生物性の構成要素 : バイオマス 活性 フロラ ( 微生物相 ) 5 2) 酸性矯正が土壌微生物性に及ぼす影響 6 3) 有機物施用が土壌微生物性に及ぼす影響 6 5. 沖縄県の土壌微生物性に関する既存の研究 7 6. 本研究の目的 8 Ⅱ. 南北大東島土壌における有機物分解の制限要因および改善対策 1. 目的 9 2. 材料および方法 9 1) 供試土壌 9 2) 土壌化学性分析 9 3) 大東マージの有機物分解能と土壌化学性の関係 9 4) 大東マージにおける酸性矯正が有機物分解能に及ぼす影響 9 5) 酸性矯正がサトウキビ生育に与える効果 9 3. 結果 10 1) 土壌化学性 10 2) 大東マージの有機物分解能と土壌化学性の関係 11 3) 大東マージにおける酸性矯正が有機物分解能に及ぼす影響 12 4) 酸性矯正がサトウキビ生育に与える効果 考察 12 1) 供試土壌の ph 12 2) 大東マージの易分解性炭素含量と可給態窒素 12 3) 易分解性炭素が有機炭素に占める割合 13 4) 大東マージにおける土壌 ph が有機物分解に及ぼす影響 13 5) 酸性矯正がサトウキビ生育に与える効果 要約 13 Ⅲ. 粗砕石灰岩による酸性矯正がサトウキビ収量と土壌化学性 微生物性に及ぼす影響 1. 目的 材料および方法 15

2 1) 炭カルと粗砕石灰岩の粒径分布の比較 15 2) 酸性矯正がサトウキビ収量に及ぼす影響 15 3) 炭カルと粗砕石灰岩が土壌化学性に及ぼす影響の比較 15 4) 粗砕石灰岩による酸性矯正が土壌微生物性に及ぼす影響 結果 16 1) 炭カルと粗砕石灰岩の粒径分布の比較 16 2) 酸性矯正がサトウキビ収量に及ぼす影響 16 3) 炭カルと粗砕石灰岩が土壌化学性に及ぼす影響の比較 16 4) 粗砕石灰岩による酸性矯正が土壌微生物性に及ぼす影響 考察 17 1) 炭カルと粗砕石灰岩による酸性矯正効果の比較 17 2) 粗砕石灰岩による酸性矯正が土壌化学性に及ぼす影響 19 3) 粗砕石灰岩による酸性矯正が土壌微生物性に及ぼす影響 20 4) 酸性矯正がサトウキビ収量に及ぼす影響 20 5) 炭カルと粗砕石灰岩の資材コストの比較 要約 20 1) 有機物連用が作物収量に及ぼす影響 25 2) 可給態窒素と微生物バイオマス 呼吸活性の関係 26 3) 有機物連用が土壌微生物相に及ぼす影響 27 4) 有機物連用が土壌化学性に及ぼす影響 27 5) 有機物連用が土壌物理性に及ぼす影響 要約 28 Ⅴ.PCR-DGGE 法による緑肥鋤込み後の土壌微生物性変動の評価 1. 目的 材料および方法 29 1) 緑肥鋤込みがコマツナ発芽と土壌微生物性に及ぼす影響 ( ポット試験 ) 29 2) 緑肥および堆肥鋤込み後の土壌微生物性の変動 ( 圃場試験 ) 結果 29 1) 緑肥鋤込みがコマツナ発芽と土壌微生物性に及ぼす影響 ( ポット試験 ) 29 2) 緑肥および堆肥鋤込み後の土壌微生物性の変動 ( 圃場試験 ) 考察 要約 32 Ⅳ. 緑肥と堆肥の連用がジャーガルの各種性質に及ぼす影響 1. 目的 材料および方法 22 1) 試験区および栽培概要 22 2) 有機物の成分分析 22 3) 土壌分析 結果 23 1) 有機物による土壌への成分投入量 23 2) 有機物連用が作物収量に及ぼす影響 23 3) 有機物連用が土壌に及ぼす影響 23 (1) 土壌物理性 23 (2) 土壌化学性 23 (3) 土壌生物性 考察 25 Ⅵ. 総合考察 1. 沖縄農業の現状と土壌肥料分野の課題 酸性矯正が土壌微生物性に及ぼす影響 有機物施用が土壌微生物性に及ぼす影響 低生産性土壌改良における土壌微生物性の評価 おわりに 36 Ⅶ. 摘要 38 謝辞 39 関連論文 39 引用文献 39

3 Ⅰ. 緒論 1. 沖縄県の主要土壌について沖縄県の主要土壌は 一般的には国頭マージ ( 赤黄色土 ) 島尻マージ ( 暗赤色土 ) ジャーガル ( 陸成未熟土 ) の 3 土壌型に分類される 赤黄色土のうち 南北大東島の石灰岩上に分布する土壌は 沖縄本島中北部や八重山地域に分布する赤黄色土と母材および理化学性が異なるため ( 久場,1993; 渡嘉敷,1993) 本研究では 大東マージ として位置づける 沖縄県の全耕地面積に占める割合は 国頭マージ 島尻マージ ジャーガル 大東マージがそれぞれ 31.4% 40.9% 17.9% 2.0% である ( 久場,1993) 以下に それぞれの土壌の特徴について簡潔に述べる 1) 国頭マージ本土壌は 沖縄本島中北部 久米島 八重山地域の洪積台地 丘陵地 山地に広く分布し ( 図 Ⅰ-1) 母材は国頭礫層や千枚岩 粘板岩 安山岩等の残積土壌である ( 川島, 1937; 松坂ら,1971; 浜崎,1979; 足立 與古田,1981) 土色は赤黄色 土性は CL~ LiC 受食性が高いため降雨により土壌流出が発生しやすい ( 登川 寺沢,1982; 翁長 吉永, 1988; 翁長 池原,1993) 酸性土壌で有機物に乏しく CEC は 10cmolckg -1 前後 塩基飽和度は 30% 程度の肥沃度が低い土壌である ( 川島ら,1943; 松坂ら,1971; 足立 與古田,1981; 久場,1993) 特に 新開地では可給態リン酸 可給態ケイ酸に乏しい ( 宮沢ら,1981; 石原,1985) 下層土は 図 Ⅰ-1 沖縄県の土壌図 -1-

4 ち密で固相が大きく 通気性や透水性が悪い ( 登川 寺沢, 1982; 石原,1985) 2) 島尻マージ本土壌は 沖縄本島や宮古地域 八重山地域の平坦地に広く分布する ( 図 Ⅰ-1: 川島,1937; 山田ら,1972; 浜崎, 1979; 足立 與古田,1981) 母材や生成過程については未だ明らかでない ( 浜崎 1979; 渡嘉敷,1993) 琉球石灰岩や古生層石灰岩上に分布するため 一般的には石灰岩の風化土壌であると考えられている ( 川島 1937; 松坂ら,1971; 足立 與古田,1981; 永塚,1985) しかし 1m の土層を形成するためには少なくとも 100m 以上の厚さの琉球石灰岩が風化しなければならないが 本土壌は土層の厚さが 1m 以上あることも多いことから 海成の非固結堆積岩の風化土壌であるという説 ( 山田ら,1972) 鉱物組成が風成塵に極めて類似していることから 風成塵由来の土壌であるという説もある ( 井上 溝田,1988) 土色は褐色 ~ 暗赤褐色 土性は主に HC ph は中性付近を示すものが多いが 酸性や ph8 前後のアルカリ性を示すものもある ( 藍,1930; 当山ら,1964; 山田ら,1972; 大屋,1976; 大屋,1978; 浜崎,1979) 有機炭素は県内土壌の中では高いが 20gkḡ 1 以下であり CEC は 15~ 18cmolckḡ 1 程度である ( 宮城ら,1965; 足立 與古田,1981; 亀谷,2006) 礫質のものは有効土層が浅く 保水力が低いため干ばつ害を受けやすい ( 登川 寺沢, 1982; 翁長 冝保,1984; 喜名,1991) 作土の物理性は良好だが 下層土は固相やち密度が大きく 気相や透水性が小さい ( 石原,1985) また 本土壌中には数 mm ~ 10mm 程度の鉄マンガン結核が含まれることが多い ( 松坂ら, 1971) 3) ジャーガル本土壌は 沖縄本島中南部の小起伏丘陵地に主に分布し ( 図 Ⅰ-1) 母材は第三紀の島尻層群泥灰岩 ( 沖縄方言でクチャ ) である ( 平野,1937; 川島,1937; 松坂ら,1971; 渡嘉敷,1993) 土色は黄褐色 ~ 灰色 土性は主に LiC~ SiC 遊離の炭酸カルシウムを含み ph は 8 前後である ( 当山ら, 1964; 松坂ら,1971; 渡嘉敷,1993) 有機炭素は 10gkḡ 1 前後と少ないが CEC は 20~ 25cmolckḡ 1 程度 保水性も高く 本県土壌の中では最も肥沃な土壌であり ( 足立 與古田,1981; 久場,1993; 翁長 池原,1993) 基幹作物であるサトウキビの生産性も高い ( 平野,1937; 川島ら,1943; 鎮西 大屋,1973; 大屋,1984) ただし 湿潤時には粘着性や可塑性が高く 乾燥すると硬化するため 易耕性が非常に悪い ( 登川 寺沢,1982; 亀谷,2006) また 多雨時には排水 不良になることも多く 土壌水分含量によって圃場管理作業が制約されやすい ( 大城 東江,1970; 翁長 冝保,1984; 石原,1985) 4) 大東マージ本土壌は 南北大東島の石灰岩上に分布し ( 図 Ⅰ-1) 母材や生成過程については未だ不明である ( 阿部 福士, 1973; 前島ら,1997) 島尻マージと同様に 石灰岩の風化土壌とする説もあるが 土層の厚さや反応が強酸性を示すことから 他の母材の可能性も指摘されている ( 阿部 福士,1973) 土色は赤黄色 土性は HC ph は強酸性を示すものが多い ( 阿部 福士,1973; 渡嘉敷,1993) 土色と ph 以外の理化学性は島尻マージに類似している ( 久場,1993) 下層土は非常にち密で 山中式硬度計で 30mm 前後を示すことも多い ( 阿部 福士,1972; 渡嘉敷,1993) 以上のように 沖縄県では理化学性が大きく異なる 4 タイプの土壌が分布する ( 表 Ⅰ-1) 県内土壌について比較すると ジャーガルの肥沃度が他の土壌に比べて高いが ( 平野,1937; 川島ら,1943; 渡嘉敷,1993) 県外土壌に比べると全体的に肥沃度が低い ( 平野,1939; 大屋,1984) 1959 年 ~ 1978 年に実施された地力保全基本調査では 国内土壌の生産力を Ⅰ 等級 ~Ⅳ 等級の 土壌生産力可能性分級 により区分した 沖縄県内耕地面積のほとんどを占める普通畑において 74.4% が Ⅲ 等級 ( 土壌的にみてかなり大きな作物生産制限因子があり かつ土壌悪化の危険性のかなり大きい土地 ) 24.8% が Ⅳ 等級 ( 土壌的にみて極めて大きな作物生産制限因子または阻害因子があり かつ土壌悪化の危険性が極めて大きく 耕地として利用するには極めて困難と認められる土地 ) であり ( 沖縄県農業試験場,1979) 肥沃度の低さをうかがい知ることができる 作物生産を阻害する要因はそれぞれの土壌により異なるが すべての土壌に共通して有機物含量が少ないことが上げられる ( 当山ら,1964; 大屋,1984) 土壌中の有機物は微生物に分解されることによって 窒素やリンなどが無機化し 作物への養分供給源となる (Fayes,2006) 本県土壌の肥沃度改善のためには 有機物施用が非常に重要である 2. 沖縄県の低生産性土壌改良に関する既存の研究上述したように 沖縄県の主要土壌は肥沃度が低く 様々な作物生産阻害要因を有している さらに 1972 年の本土復帰後 農地造成や基盤整備事業において 大規模な切り盛りによる下層土の露出や 作土への下層土混入が生じた ( 喜名,1991) 特に 山地に分布する国頭マージの切 表 Ⅰ-1 沖縄県内土壌の理化学性の概要 -2-

5 土による造成畑では 作土層が除去され下層土が表層に露出したことや土壌侵食により 未造成畑に比べて地力が大幅に低下した ( 表 Ⅰ-2: 喜名,1991) ジャーガルでも 造成畑では未造成畑に比べてサトウキビが約 40% 減収した ( 国吉ら,1985) そのため 本土復帰後 本県の低生産性土壌改良に関する研究が精力的におこなわれてきた ( 大城 浜川,1980; 足立 與古田,1981; 久場,1993) その主なものは リン酸とケイカルの併用 クチャ客土 心土破砕 酸性矯正 有機物施用である 1) リン酸とケイカルの併用国頭マージ ( 赤黄色土 ) は酸性土壌であり リン酸 石灰 苦土 ケイ酸等の養分も少ない ( 当山,1964) また 国頭マージ地域では 主に改良山成工 ( 切盛土による地形修正を伴う工法 ) で農地造成がおこなわれ 造成後の表層に下層土が露出したことから ( 翁長 吉永,1988) 特に造成畑では可給態リン酸が非常に低い ( 表 Ⅰ-2) 一方 沖縄県の基幹作物であるサトウキビは 無機養分のうちケイ酸を最も多く吸収するため (Ayres,1930) ケイ酸含量が低い土壌では ケイ酸質肥料の施用によって増収する (Preez, 1970) 国頭マージは 可給態ケイ酸が島尻マージやジャーガルに比べて低く ( 大屋ら,1989) その結果 サトウキビ葉中のケイ酸含量が低くなり 耐病性の低下によって収量が低下する ( 亀谷ら,1989) また 外間 宮良 (1982) も サトウキビ葉の主要病害発生率が国頭マージで多く ジャーガルで少ないことを報告している そこで 国頭マージを対象に リン酸とケイカルの併用効果に関する試験がおこなわれてきた 我那覇 大浜 (1975) は 石垣島の国頭マージ圃場 (ph4.4) で サトウキビを対象作物として過リン酸石灰とケイカルの多施用試験をおこなった サトウキビ収量について 過リン酸石灰 10Mghā 1 施用区は過リン酸石灰 2.2Mghā 1 施用区に比べて有意な増加効果があり 平均して約 20% 増収した 過リン酸石灰 10Mghā 1 施用区と 20Mghā 1 施用区には有意な差はなかった ケイカルについては 7.5 または 15Mg hā 1 施用によってサトウキビ収量は 5% 増加したが 無施用の場合と有意な差はなかった しかし サトウキビ茎長について過リン酸石灰とケイカルの有意な交互作用が認められた 同様に 沖縄本島北部の国頭マージ (ph4.8) において 過リン酸石灰 3.6Mghā 1 ケイカル 15Mghā 1 の併用によって サトウキビが 30% 増収した ( 宮城ら,1979) 宮城ら (1979) が供試した国頭マージのトルオーグ法による可給態リン酸は検出限界以下であり 我那覇 大浜ら (1975) の結果からも 当時の国頭マージは可給態リン酸の 欠乏が深刻な作物生産阻害要因であったことがうかがわれる しかし 近年 可給態リン酸は増加傾向であり 特に野菜畑や施設畑でその傾向が著しい 農耕地土壌の実態と変化を明らかにする目的で 県内農家圃場に 220 点の定点を設け 5 年 1 巡として 1979 年 ~ 1998 年におこなわれた土壌環境基礎調査 ( 定点調査 ) の結果 全調査圃場の可給態リン酸平均値は調査期間を通して有意に増加していた ( 亀谷,2006) 4 巡目の野菜畑や施設畑の可給態リン酸平均値は それぞれ mgkḡ 1 であり 土壌診断基準 ( 案 ) の 100mgkḡ 1 ( 沖縄県農業試験場,1979) を遥かに超えている 定点調査は 1999 年から土壌機能実態モニタリング調査として再編されたが モニタリング調査においても可給態リン酸の増加傾向は続いている ( 國吉 儀間, 2004) サトウキビ畑でも他の作物に比べて顕著ではないが増加傾向であり 1 巡目の平均値 80mgkḡ 1 に対して 4 巡目の平均値は 228mgkḡ 1 と大きく改善した しかし 2010 年におこなわれた県内全域のサトウキビ畑 (278 圃場 ) を対象とした土壌診断結果では 可給態リン酸について全体の 29% が依然として土壌診断基準 ( 案 ) の 100mgkḡ 1 以下であり ( 吉田,2011) 今後も土壌診断に基づく適正な施肥管理が望まれる ケイカルについては 国頭マージにおいてサトウキビ収量に効果があることが報告されたが その施用必要量が 15Mghā 1 と多量であったため ( 宮城ら,1979) 現場での普及は進まなかった しかし 近年 ケイカルよりも肥効の高いケイ酸質肥料が開発されている ( 原田 田中,2004) 徳之島の国頭マージ圃場における 2 種のケイ酸質肥料の効果を比較した試験では 4Mghā 1 の施用により サトウキビが 3 作平均でそれぞれ 14% 25% 増収した ( 古江 永田, 2000) サトウキビ栽培において ケイ酸質肥料の効果は再検討すべき課題であろう 2) クチャ客土ジャーガルの母材であるクチャ ( 島尻層群泥灰岩 ) は カルシウム等の塩基類に富み 粘土鉱物は主にモンモリロナイトで CEC は 20cmolckḡ 1 以上を示すことが多い ( 川島, 1943; 渡嘉敷,1993) 固結度が弱く 容易に砕けることから 沖縄県内では客土材として広く使われている ( 喜名, 1991) 比嘉 玉城 (1980) は 国頭マージ (ph3.9) の新開地にクチャを 0,200,400,600,800Mghā 1 客土し 30cm の深さに混合してサトウキビ栽培試験をおこなった 土壌 ph はクチャ施用量に応じて 6.3~ 7.4 まで上昇した サトウキビ収量は クチャの 400Mghā 1 客土で 10% の増収と 表 Ⅰ-2 国頭マージの未造成畑と造成畑の土壌化学性 * -3-

6 なり それ以上では頭打ちとなった 同様に 当真 比嘉 (1981) の国頭マージ (ph4.4) における試験でも クチャを 400Mghā 1 客土した場合にサトウキビ収量は最も高く それ以上の施用では減収した 土壌 ph は サトウキビ収穫時でも ph7.8 であった サトウキビ中の無機成分は クチャ施用によってカルシウム マグネシウム カリウム含量が増加し クチャによる塩基類の供給効果がみられた 国頭マージに対するクチャ客土は ホウレンソウ カボチャ インゲンでもその効果が報告されている ( 大城 浜川,1980) 礫質な島尻マージは 有効土層が浅く 作土直下 (20~ 30cm) から琉球石灰岩が出現することも多い 保水性も乏しいため 干ばつ害を受けやすい ( 喜名,1991) そこで 有効土層の確保と保水性の改善を目的にクチャ客土がおこなわれている 島尻マージに 900Mghā 1 のクチャを客土した場合 サトウキビ栽培 1 作目では増収効果はほとんどみられなかったが 2,3 作目ではクチャ客土によってそれぞれ 7%,16% 増収した ( 大城 浜川,1980) しかし クチャは有機物を含まないため 一般にクチャ客土によって有機物含量は減少する ( 喜名,1991) また クチャ客土によって保水性が高まる反面 客土量の増加に伴って透水性や排水性が悪化し ( 吉永 山城,1984) ジャーガルのような物理性を示すようになる ( 吉永ら,1990) 本来の島尻マージ作土は透水性が良好なため ニンジンやカンショ等の根菜類に適しているが 多量のクチャ客土をおこなった圃場では 排水性の悪化により根菜類の栽培が困難になる場合もある ( 大城 浜川,1980) 以上のように クチャ客土の効果として 酸性矯正 塩基類の供給 保水性の改善 有効土層の確保が上げられるが 多量に客土した場合は有機物含量が減少し 物理性もジャーガルのように悪化する そのため 栽培作物に合わせて適正量を客土すること 併せて有機物を十分に施用することが重要である 3) 心土破砕一部の沖積土壌を除いて本県土壌は重粘土壌であり 下層土が全般にち密である 定点調査の 4 巡目 (1994 年 ~ 1998 年 ) の結果では 作目 土壌型に関わらず 次表層のち密度が山中式硬度計で 20mm 以上あった ( 亀谷,2006) 特に 島尻マージや大東マージで下層土のち密度は高く 30mm を超えることもある 土層の深い島尻マージをリッパーで心土破砕したところ 下層土の固相率が明らかに減少し サトウキビが干ばつ年で 31% 平年で 12% 増加した ( 大城 浜川,1980) 赤地ら (1994) は 国頭マージをリッパーやパワーショベルで 60~ 80cm まで心土破砕することによって 透水性が改善し 土壌流出量も減少したことを報告している このように 作物生産性ばかりでなく表土保全の観点からも心土破砕は重要であるが 養分含量の少ない下層土が作土に混入しやすいため有機物や土壌改良資材の施用が必要である ( 足立 與古田,1981) 4) 酸性矯正作物によって土壌の好適 ph は異なるが おおむね 5.5~ 6.5 の範囲である ( 松中,2003) 沖縄県の農耕地面積のうち 普通畑は 97.8% 水田は 2.2% であるが ( 沖縄県農林水産部,2009) 普通畑では酸性土壌が 32.9% を占めるため 酸性土壌による作物生産性低下は大きな問題である ( 沖縄県農業試験場,1979) 沖縄県で市販されている酸性矯正 資材としては 炭酸カルシウム ( 炭カル ) が一般的であり 炭カルによる酸性矯正試験がおこなわれてきた 砂川 我那覇 (1969) は 石垣島の国頭マージ圃場で炭カル施用による酸性矯正試験をおこなった 強酸性の国頭マージ (ph4.3) を ph に炭カルで矯正した後 サトウキビを夏植え栽培 (10 月に植付け 翌々年の 3 月に収穫 ) した 収穫時の ph はそれぞれ に低下しており 原因として降雨による塩基類の溶脱やサトウキビによる吸収を挙げている 同様に 石垣島の国頭マージ牧草地 (ph4.8 CEC:6.7cmolckḡ 1 ) における酸性矯正試験でも 炭カルで ph6.5 に酸性矯正した後ローズグラスを栽培したところ 1 年後に ph は 4.9 に低下していた ( 吉野ら,1986) ポット試験でも 国頭マージ (ph4.7 CEC: 11.1cmolckḡ 1 ) を炭カルで ph に酸性矯正して ロースグラスを栽培したところ 約 4 ヶ月後に ph はそれぞれ に低下した ( 大屋ら,1990) キビを対象作物としたポット試験でも 国頭マージ (ph4.4 CEC:6.5 cmolckḡ 1 ) に対する炭カルの酸性矯正効果は約 3 ヶ月で 6.4 から 5.2 に低下した (OyaandKhondaker,1996) このように 炭カルは速効的である反面 効果の持続性が低い 本県の基幹作物であるサトウキビ 1 作の栽培期間は 1 年 ~ 1 年半と長いため 炭カルでは十分な酸性矯正効果を期待できない そのため 酸性矯正は基本的な土壌改良技術であるが 特にサトウキビ畑ではほとんどおこなわれていない 定点調査の結果からも国頭マージが主に分布する沖縄本島北部地域と八重山地域において 交換性石灰の減少傾向が懸念されている ( 國吉 儀間,2004) また 2010 年におこなわれたサトウキビ農家の生育アンケート調査および土壌診断の結果 生育が不良であると答えた農家圃場の ph は 良好であると答えた農家圃場の ph より有意に低かった ( 吉田,2011) 土壌 ph が低いことにより アルミニウムや鉄 マンガンの可溶化 リン酸の可給性低下 カルシウムやマグネシウムの不足 微量要素の欠乏 微生物活性の低下等 種々の作物生育阻害が誘因される ( 松中,2003) 沖縄県における作物の安定生産のためには 持続性の高い酸性矯正技術が必須である 5) 有機物施用沖縄県内土壌の作物生育阻害要因として すべての土壌に共通して有機物含量が少ないことが上げられる 加えて 高温多湿で有機物の分解消耗が激しい気象条件下にあり 本県土壌の地力維持増進には有機物施用が不可欠である ( 國吉 儀間,2004) 県外土壌と比べて全窒素含量が低いことから 1930 年代に既に有機物施用の重要性が指摘されている ( 平野, 1939) 当時 沖縄県のコメ ムギ類 マメ類等の単収は全国平均の 1/2~ 1/4 であり 我謝 (1940) は その原因として腐植含量が乏しいことを挙げている しかし 堆肥原料不足のため 当時の堆厩肥施用量は 8.5Mghā 1 と少なく 我謝 (1940) は堆厩肥の代替有機物として 緑肥の栽培特性や肥効に関する試験をおこなった 供試された緑肥は 26 種類あり 春播き緑肥ではクロタラリヤジュンシヤ ( クロタラリア属 ) 八月豇 ( ササゲ属 ) 田菁 ( セスバニア属 ) や富貴豆 ( ムクナ属 ) の収量が高かった これらの緑肥鋤込みによってカンショが対照区より増収した クロタラリアは現在も県内全域で栽培されており その他の緑肥も主に宮古地域で栽培利用されている ( 宮丸,2003) -4-

7 第二次大戦後の農業復興において 荒廃した農地の改良対策は急務であり 有機物と化学肥料を併用した試験が多くおこなわれた 緑肥や堆肥を基肥としてサトウキビに施用した場合 クロタラリアは堆肥と同等の効果があった ( 沖縄県農業試験場,1981) 1963 年には サトウキビ パインアップル 水稲の施肥基準において 堆肥を施用した場合の化学肥料減肥量が設定されている ( 沖縄県農業試験場,1981) 本土復帰後には 1986 年からジャーガルにおいて有機物長期連用試験がおこなわれた 10 年間のサトウキビ平均収量は 有機物施用区 ( 化学肥料に加えて牛ふん堆肥 30Mghā 1 連用 ) では 化学肥料区 ( 化学肥料単用 ) に比べて 12% の増収となった ( 比嘉ら,2011) しかし 有機炭素含量は試験開始 10 年後に有機物施用区は 12gkḡ 1 化学肥料区は 11gkḡ 1 とほとんど増加効果はみられず 土壌物理性についても同様であった ( 沖縄県農業試験場, 1996) 国頭マージにおける堆肥施用試験でも バガス堆肥 60Mghā 1 の施用によってソルゴーは増収したが 有機炭素の増加量は約 1gkḡ 1 とわずかであった (Kubaetal., 1989) このように 有機物施用による作物増収効果の報告は少なくないが 本県土壌の改良効果については不明な点が多く残っている 特に 土壌微生物性の改良効果についてはほとんど検討されていない また 1940 年に農家の堆厩肥投入量が 8.5Mghā 1 と少ないことが報告されているが ( 我謝,1940) 定点調査の 3 巡目にあたる 1989~ 1993 年の県内堆肥平均投入量も 8.8Mghā 1 であった ( 亀谷,1995) したがって 沖縄県では我が国の平均的な堆肥施用量 20Mg hā 1 ( 猪股,2002) を施用することは困難であると考えられる 事実 我謝 (1940) も堆肥原料不足を指摘している さらに 橋本ら (2004) によれば 沖縄県の流通可能な家畜ふん由来有機物量は 耕種農家が必要とする有機物量を下回ると試算されている そのため 有機物施用を推進するためには 堆肥以外の有機物施用も重要である 幸い 沖縄県では台風被害を避けるために春から夏にかけて休閑期間となる圃場が多く この期間に緑肥を栽培することができる しかし 緑肥と堆肥を比較した場合 科学的知見が乏しいために 手間をかけて製造され 価格も高い堆肥の方が土づくりに有効だと考える農家も多い そのため 緑肥利用をより推進するためには 緑肥と堆肥の施用効果を比較検討し 効果的な有機物施用技術を構築することが必要であろう 以上のことから 沖縄県の低生産性土壌改良 ( リン酸とケイカルの併用 クチャ客土 心土破砕 酸性矯正 有機物施用 ) について 残された重要な課題は酸性矯正と有機物施用である 特に 有機物施用については クチャ客土や心土破砕のデメリットとして有機物含量が低下するため これらの土壌改良技術を補完するためにも重要である 3. 土壌有機物の効果と土壌微生物の重要性土壌中で様々な働きをしている有機物は 大別すると微生物などに分解されやすい易分解性有機物 ( 微細な植物残さ 多糖類 アミノ酸 リグニン等の非腐植物質 ) と 分解されやすい有機物が微生物などによって分解された結果 難分解性で安定物質として存在する腐植物質に分けられる ( 松中,2003) 易分解性有機物の存在量は全有機物含量の 10~ 20% と 少ないが (BradyandWeil,2008) 土壌微生物による分解過程で窒素やリン等が無機化され 作物への養分供給源となる ( 松中,2003) 窒素は 植物組織の構造単位であるタンパク質や 光合成に不可欠なクロロフィル 核酸等 多くの重要な生体分子の基本的な構成成分であり 窒素供給量が作物生育の制限因子となりやすい (Kilham,1994) これまでに土壌からの窒素供給能の指標である可給態窒素と易分解性有機物含量に正の相関があることは数多く報告されており (Jenkinson,1968;Manguiatetal.,1996; 村田ら,1997; Ghanietal.,2003;Sanoetal.,2006) 土壌肥沃度の評価として易分解性有機物含量の評価は重要である 一方 土壌有機物のうち大部分は腐植物質であり その多くは粘土鉱物 鉄やアルミニウム等と結合して安定的に存在し 土壌中で様々な働きをしている ( 松中,2003) 腐植物質の増加は 陽イオン交換容量や団粒形成による保水性の増加に寄与する (BradyandWeil,2008) 酸性土壌において腐植物質はアルミニウムと結合しやすく アルミニウムによる作物の生育障害やリン酸の固定を軽減する ( 松中,2003; 吉田,2007) イネの水耕栽培において 腐植物質 ( 腐植酸やフルボ酸 ) を施用することによって生育促進効果がみられたことも報告されている ( 長谷川 矢崎,1988; 山田ら,2002) 以上のように 土壌有機物には易分解性有機物による作物への養分供給効果と腐植物質による様々な土壌改良効果がある どちらの効果も 土壌に施用された有機物が土壌微生物に分解されることによって発現する ( 西尾ら,1988) そのため 土壌微生物は土壌肥沃度の維持 増進に不可欠であり ( 丸本,1996;Congetal.,2006) 沖縄県の低生産性土壌改良においても 土壌物理性 化学性ばかりでなく 土壌微生物性にも着目することが必要である 4. 土壌改良が土壌微生物性に及ぼす影響沖縄県の低生産性土壌改良における重要な課題は 酸性矯正と有機物施用であり これらの土壌改良技術が土壌微生物性に及ぼす影響について評価する必要がある 土壌微生物性は バイオマス 活性 フロラ ( 微生物相 ) の 3 つの構成要素からなり それぞれについて評価することの重要性が提唱されている ( 堀,1994; 片山ら,2005) 1) 土壌微生物性の構成要素 : バイオマス 活性 フロラ ( 微生物相 ) 微生物バイオマスは 作物に対する可給態養分の貯蔵庫と供給源であり その変動に伴う養分の土壌中への放出や取り込みを通して 作物生産や地力維持に対して極めて重要な役割を演じている (SakamotoandOba,1991; 丸本,1996) AndersonandDomsch(1980) は 鉱質畑土壌では 1ha あたり深さ 12.5cm の土壌中の微生物バイオマスが含有する養分量は 窒素 108kg リン 83kg カリウム 70kg にも相当すると述べている 微生物バイオマスは 土壌からの窒素供給能の指標である可給態窒素と正の相関があることが認められている (Hasebeetal.,1985; 坂本 大羽,1993; 関ら, 1996; 村田ら,1997) 土壌呼吸活性や各種の土壌酵素活性は 土壌から作物への養分供給に対して より直接的に関係している 土壌呼吸は 土壌中の生物による二酸化炭素の発生ないし酸素の吸収を意味し 土壌微生物の活性を最も直接的に測ることができる (Anderson,1982) 土壌呼吸活性と微生物バイオマスには一般的に正の相関があるが (Rosetal.,1980; -5-

8 Sparling,1981;Hasebeetal.,1985) 相関がないという報告もある (FrankenbergerandDick,1983;SakamotoandOba, 1994; 堀ら,2011) その原因として SakamotoandOba (1994) は 同量の基質に対して糸状菌と細菌の炭素同化率が異なり 後者はより多くの二酸化炭素を発生するため 糸状菌バイオマス / 細菌バイオマス比が土壌呼吸活性に大きく影響することを挙げている 土壌酵素活性は 単に基質や微生物との関係を知るだけでなく 土壌中における有機物の代謝が正常に行われているかどうかや 有機物の分解速度を推定するための有効な手段である ( 山田ら,1985) セルラーゼは 基質のセルロースが高等植物の構成物の中で最も多い物質であり 土壌中にも多く存在するため 土壌の炭素代謝に重要な役割を担っている ( 金沢,1994) 黒ボク土普通畑では セルラーゼ活性と易分解性有機物含量 ( 熱水抽出炭素 セルロース ) に高い正の相関が認められる ( 田中ら,1997) プロテアーゼは 土壌中の窒素代謝に関与する酵素で タンパク質を加水分解し アミノ酸を生成する ( 金沢,1994) 水田において プロテアーゼ活性とバイオマス窒素の季節的変動は同様な傾向を示すことが報告されている ( 高橋ら, 1999) ホスファターゼは 土壌中のリン代謝に関与する酵素で リン脂質等を加水分解し リン酸を遊離する ( 金沢,1994) この酵素は 微生物ばかりでなく植物根からも分泌され 多種類のホスファターゼが存在している ( 金沢, 1994) 土壌中の可給態リン酸含量が高くなると フィードバック阻害がおこり ホスファターゼ活性は低下する ( 吉倉ら,1980) フロラ ( 微生物相 ) については 連作障害や有機物施用との関連に着目した研究が多い 連作障害に関連するものとしては 連作畑と輪作畑では根面糸状菌相が異なること ( 成田,1983) ダイズ連作畑では 連作年数が進むにつれて根圏細菌相の多様性指数が輪作畑より低くなること ( 片山ら,2000) ホウレンソウ連作畑では根圏糸状菌相が単純化すること ( 堀ら,2011b) が報告されている 有機物施用との関連については 以下の 3) で述べる フロラ ( 微生物相 ) の解析手法として 高価な機器類が必要ない希釈平板法は低コストであるが 分離および同定に多大な労力がかかる ( 對馬,2010) 分離した細菌について 炭素源の利用パターンから簡易に同定をおこなえる手法もあるが ( 横山,1996) 土壌微生物のうち培養可能な微生物は全体の 1% 程度であり ( 堀,1994; 對馬,2010) 培養過程を経る手法ではフロラの全体像を把握できない危険性がある 1990 年代以降 培養過程を経ずに 土壌から抽出したリン脂質脂肪酸 呼吸鎖キノンや DNA を基にフロラを解析する手法が開発された ( 片山ら,2005; 須賀 豊田, 2005; 和田ら,2005) 中でも PCR-DGGE 法は 基本的には電気泳動なので技術的には難しいものではなく 土壌から直接抽出した DNA を鋳型に 16SrDNA( 細菌 ) や 18S rdna( 糸状菌 ) 領域を PCR で増幅した後 変性剤濃度ゲル電気泳動 (DGGE) をおこない 得られたバンドパターンからフロラを解析する 森本 星野 (2008) によって 本手法の詳細な解説がなされている DNA 抽出から画像解析までに要する時間は 2-3 日間と短く DGGE ゲル電気泳動装置以外は特殊な機器も必要としない このように 簡便にフロラを解析できるため 1997 年以降 PCR-DGGE 法を用いた研究報告が増えている ( 須賀 豊田,2005) 以上のように 微生物性構成要素である微生物バイオマス 活性 フロラ ( 微生物相 ) は それぞれが作物生産に おいて重要であり お互いに関連しあっている 土壌改良 ( 酸性矯正と有機物施用 ) が微生物性に及ぼす影響について この 3 者を総合的に評価する必要がある 2) 酸性矯正が土壌微生物性に及ぼす影響土壌 ph の変化に対して 土壌微生物の反応は一般的な化学性と比べて敏感である (PowlsonandBrookes,1987) 微生物活性は 酸性矯正によって一般的に増加する 酸性矯正による呼吸活性の増加は 耕地土壌 (Powlsonand Jenkinson,1976) 森林土壌 ( Zelesetal.,1987) 草地土壌 ( 丸本ら,1990) のいずれでも報告されている また 耕地土壌におけるプロテアーゼ活性 (HaynesandSwift, 1988) 森林土壌を供試した培養試験における添加有機物の分解活性 (Condronetal.,1993;Motavalietal.,1995) の増加も報告されている 微生物バイオマスについては クロロホルムくん蒸法によりバイオマス全体を測定した場合と 直接検鏡法により糸状菌バイオマスと細菌バイオマスのそれぞれを測定した場合では結果が異なる クロロホルムくん蒸法によるバイオマスについては 森林土壌の試験では 酸性矯正によるバイオマス窒素の増加 ( 小柳ら,2001) と減少 (Personet al.,1989; 小柳ら,2001) がそれぞれ報告されている 8 ヶ所の草地圃場で酸性矯正後にバイオマス炭素と窒素を測定したところ 全体の平均ではどちらもおよそ 30% 増加したが 2 ヶ所では増減がみられなかった (AdamsandAdams, 1983) このように クロロホルムくん蒸法によるバイオマスについては 微生物活性でみられたような一貫した傾向はみられない 丸本ら (1990) の草地土壌を供試した室内培養試験では ph5 の土壌を ph7 に炭カルで酸性矯正した場合 クロロホルムくん蒸法によるバイオマス炭素は 矯正 2 日後に約 25% 減少した その後徐々に増加し 20 日後には矯正前と同等のレベルに回復したが 矯正前と比べて増加しなかった 一方 直接検鏡法で推計した糸状菌バイオマス炭素は 炭カル施用 5 日後に約 60% 減少し その後やや回復する傾向を示したが 20 日後でも矯正前の約 1/2~ 2/3 であった それに対して細菌バイオマス炭素は 5 日後に急増し その後はほぼ一定で 20 日後には酸性矯正前の約 2 倍に増加した このような酸性矯正による糸状菌 細菌バイオマスの変動 すなわち微生物相の変動はハクサイ根圏土壌においても報告されている ( 西尾,1984) ph7 に酸性矯正することによって 根圏土壌の糸状菌バイオマスは 1/3~ 1/2 に激減し 細菌バイオマスは同等か約 20~ 30% 増加した 同量の基質を利用した場合 糸状菌より細菌の方がより多くの二酸化炭素を発生するため 細菌の割合が高くなるほど 土壌呼吸による二酸化炭素発生量は多くなる ( 丸本ら,1990) これらのことから 酸性矯正によって全バイオマス量は必ずしも増加するわけではないが 糸状菌バイオマスは減少し 細菌バイオマスが増加することによって トータルとしては呼吸活性 ( 二酸化炭素発生量 ) が増加すると推察される 3) 有機物施用が土壌微生物性に及ぼす影響微生物バイオマスの形成に大きな影響を及ぼすのは土壌への炭素源の供給量である ( 丸本,1996) そのため 有機物施用は一般的に微生物バイオマスを増加させる (Hasebe etal.,1984; 青山 杉浦,1991; 新妻 吉田,1991, 坂本 大羽, 1995;Azmaletal.,1996; 高橋ら,1999;Starketal.,2007) し -6-

9 かし 施用する有機物によって増加効果は異なり 易分解性画分 ( 熱水可溶性有機物 + セルロース ヘミセルロース + 粗タンパク質 ) の多い有機物がバイオマスを増加させる効果が高い (SakamotoandOba,1991) 堀ら (2011a) も 数種の有機物を施用した培養試験で クロタラリア葉施用区のバイオマス増加量が最も大きく クロタラリア茎や牛ふん堆肥施用区でもバイオマスは増加したが バーク堆肥施用区ではバイオマス増加はほとんどみられなかったと報告している 有機物施用による微生物バイオマスの増加と共に土壌呼吸活性も増加することが報告されているが (Hasebeetal., 1985;Kanazawaetal.,1988;SakamotoandOba,1991) 両者に正の相関がない場合もある (SakamotoandOba,1994) そのような場合は 全バイオマス量がほぼ同量でも 糸状菌バイオマス / 細菌バイオマス比が土壌によって異なり 細菌バイオマスの割合が高い土壌では 土壌呼吸活性が高かった (SakamotoandOba,1994) このことは 2) で述べたように 同量の基質を利用した場合 糸状菌より細菌の方が多くの二酸化炭素を発生する ( 丸本ら,1990) ことによると推察される 坂本 大羽 (1995) によると 炭水化物含量が多く粗タンパク含量が少ない資材 ( 青刈りコーン 麦わら 稲わら堆肥 ) は 糸状菌バイオマスを増加させることで糸状菌バイオマス / 細菌バイオマス比を増大させ 逆に粗タンパク含量が多く炭水化物含量が少ない資材 ( 豚ぷん 牛ふん 牛ふん堆肥 汚泥堆肥 ) は 糸状菌と細菌バイオマスの両方を増加させることで両者の比をあまり変化させない また 微生物バイオマスと同様に 施用した有機物の種類によって土壌呼吸活性の増加量は異なり クロタラリア葉が最も二酸化炭素発生量を増加させ 次いでクロタラリア茎 牛ふん堆肥の順であったが バーク堆肥では二酸化炭素発生量はほとんど増加しなかった ( 堀ら, 2011a) 土壌酵素活性についても有機物施用によって増加したという例が多数報告されている 典型例をいくつか紹介する 稲わら堆肥や家畜ふん堆肥施用によるセルラーゼ活性 プロテナーゼ活性の増加 ( 山田ら,1985) 牛ふん堆肥施用による α- グルコシダーゼ活性の増加 ( 奥村ら,1998) 鶏ふん施用によるプロテナーゼ活性の増加 ( 高橋ら, 1999) 牛ふん堆肥施用によるセルラーゼ活性等の各種酵素活性の増加 ( 金澤 田角,2006) ルーピン施用によるデヒドロゲナーゼ活性の増加 (Starketal.,2007) が報告されている 施用する有機物の種類による影響の違いについては 培養試験で同量 ( 現物 ) の稲わらと熟度の異なる稲わら堆肥 ( 未熟 中熟 完熟 ) を添加した場合 セルラーゼ活性は稲わら添加によって最も増加し 稲わらの熟度が上がるに伴って増加量は低下した ( 山田ら,1985) このことは 堆肥化過程で セルラーゼによって分解されやすい易分解性画分が減少することによる つまり 現物量としては同じでも易分解性画分量が減少したために 完熟稲わら堆肥のセルラーゼ活性増加効果が小さくなったと考えられる また 3 種の土壌 ( 灰色低地土 細粒黄色土 黒ボク土 ) を用いた枠試験によって 稲わら堆肥と豚ぷんオガクズ堆肥の施用効果を比較したところ セルラーゼ活性は全土壌で豚ぷんオガクズ堆肥施用でより増加した ( 山田 沖野,1989) この結果より 供試した稲わら堆肥より 豚ぷんオガクズ堆肥の易分解性画分量が多かったと推察される このように 有機物施用は微生物バイオマスおよび活性 を増加させるが その効果は有機物の種類 すなわち易分解性画分含量や炭水化物 粗タンパクの割合等によって異なる 堀ら (2001a) は 有機物を 主としてバイオマスを増加させる有機物 バイオマスと呼吸活性の両者を増加させる有機物 またそれらのいずれをもほとんど増加させない有機物に区分している 効果的に有機物施用をおこなうためには 土壌物理性や化学性ばかりでなく 土壌微生物性に及ぼす影響から有機物を分類することも重要であると考えられる 微生物相については 上述のように施用した有機物の種類によって 糸状菌バイオマス / 細菌バイオマス比が変化する ( 坂本 大羽,1995) 希釈平板法による解析では 牛ふんの多量施用 (100~ 1,000Mghā 1 ) によって 施用 1 年後の大腸菌群数 亜硝酸酸化菌数にはほとんど変化はなかったが 細菌 放線菌 糸状菌および嫌気性菌は 化学肥料区に比べて増加した ( 加藤ら,1978) 連作障害が出やすいテンサイやマメ類では 連作によって根圏の糸状菌相の多様性指数が明らかに低下すること ( 松口 新田,1987) 堆きゅう肥の施用によって連作に伴う糸状菌相の単純化が軽減され 糸状菌の多様性指数と根重におおむね正の相関がみられたことが報告されている ( 松口 新田,1988) 培養を経ずに微生物相を解析した事例では 呼吸鎖キノンの多様性は 牛ふん堆肥連用区では化学肥料区より高かった (Katayamaetal.,1998) 同様な結果は 金澤 田角 (2006) によっても報告されている 土壌から直接抽出した DNA を解析する PCR-DGGE 法では エンバク野生種の鋤込みによって細菌相が多様化し このことがトマト半身萎凋病抑制の一因であろうと考察されている ( 小長井ら,2005) 以上のように 有機物施用が微生物相に及ぼす影響については 養分供給との関連ばかりでなく 連作障害や病害との関連にも着目されている 5. 沖縄県の土壌微生物性に関する既存の研究沖縄県内には 母材および理化学性が大きく異なる土壌 ( 国頭マージ 島尻マージ ジャーガル 大東マージ ) が分布するため 土壌微生物性についても土壌毎に異なることが想定される 外間 (1998) は 国頭マージ 37 ヶ所 島尻マージ 39 ヶ所 ジャーガル 51 ヶ所の畑圃場から表層 0~ 10cm の作土を採取し 希釈平板法で細菌 放線菌 糸状菌数を調査した 供試した土壌の ph は 国頭マージが強酸性 ~ 微酸性 島尻マージは酸性 ~ アルカリ性 ジャーガルは中性 ~ アルカリ性であった 細菌数は ジャーガルで cfuḡ 1 と最も多く 国頭マージ 島尻マージの約 3 倍であった ( 表 Ⅰ-3) 石沢 豊田 (1964) による沖縄県を除く国内各地の畑土壌表層土の細菌数と比較しても ジャーガルの細菌数は火山性および非火山性土壌の約 3 倍と多い 放線菌数は 国頭マージ 島尻マージは県外の非火山性土壌の値とほぼ同等で 火山性土壌の約 1/2 であった ジャーガルは 放線菌数も cfuḡ 1 と県内土壌の中では最も多く 火山性土壌に比べても多かった 一方 糸状菌数は 国頭マージが cfuḡ 1 ジャーガルが cfuḡ 1 島尻マージが cfuḡ 1 であり 細菌数や放線菌数と大きく傾向が異なった 特に 島尻マージの糸状菌数は 県外土壌と比較しても約 1/2 と少ない 外間 (1999) は 土壌微生物の垂直分布についても希釈平板法で調査をおこなった 国頭マージ 島尻マージ ジャーガルのそれぞれ 4 圃場の結果から 糸状菌数 細菌数はおおむね 20~ 30cm 以下で激減した 県内畑土壌の -7-

10 表 Ⅰ-3 沖縄県内畑土壌と県外畑土壌の微生物数 * の比較 (/g 乾土 ) 作土深は 20~ 30cm であるため 作土と心土では微生物数が大きく異なることが推察された 上記以外に県内土壌の微生物性については ネコブセンチュウ防除に関する試験の一部として 米ぬか混和と太陽熱処理が土壌微生物性に及ぼす影響や ( 田場ら,2003; 田場 諸見里,2007) アワユキセンダングサ煮沸抽出液施用が土壌微生物性に及ぼす影響 ( 田場ら,2010) について希釈平板法で解析されているが 土壌理化学性や作物生産性との関連については解析されていない このように 沖縄県の土壌微生物性に関する研究は 希釈平板法による知見が数例あるのみで これまでほとんどおこなわれていない 土壌微生物は土壌肥沃度の維持 増進に不可欠であり ( 丸本,1996;Congetal.,2006) 県内土壌の肥沃度改善のためには 土壌物理性 化学性と併せて 微生物性に関する研究が必要である 6. 本研究の目的本研究は 沖縄県の低生産性土壌改良について 残された重要な課題である酸性矯正と有機物施用が土壌微生物性 に与える影響を評価することを目的としておこなった 酸性矯正については 第 Ⅱ 章で 強酸性土壌が広く分布する南北大東島の普通畑における有機物分解および養分供給能の実態を解明するために 南北大東島と県内他地域の普通畑土壌における易分解性有機物含量の比較および土壌化学性との関連を解析した 第 Ⅲ 章では 持続性の高い酸性矯正技術を確立するために 南大東島の強酸性土壌 ( 大東マージ ) において炭カルと粗砕石灰岩による酸性矯正がサトウキビ収量 土壌化学性および生物性 ( 微生物バイオマス 土壌呼吸活性 ) に与える影響を比較検討した 有機物施用については 第 Ⅳ 章で ジャーガル ( 陸成未熟土 ) の有機物長期連用試験圃場において 緑肥と堆肥の連用が作物収量と土壌の各種性質 ( 物理性 化学性 生物性 ) に及ぼす影響を比較検討した 土壌生物性については 微生物バイオマス 土壌呼吸活性 微生物相の解析をおこなった 第 Ⅴ 章では 緑肥鋤込み後の微生物バイオマスおよび微生物相の変動を解析し これらの微生物性解析による播種適期評価の可能性を検討した -8-

11 Ⅱ. 南北大東島土壌における有機物分解の制限要因および改善対策 1. 目的南北大東島は 沖縄本島の東方約 360km に位置している珊瑚礁が隆起した島である 基幹作物はサトウキビであり ほとんど単一栽培である (Ueno,2004) 土壌は酸性で肥沃度の低い赤黄色土が農耕地面積の約 82% を占める ( 沖縄県農業試験場,1979) 1984 年 ~ 2002 年のサトウキビ平均単収は 沖縄県全体の平均 64Mghā 1 に対して 南北大東島の平均は 51Mghā 1 と低い ( 杉本ら,2003) 南北大東島では土壌肥沃度改善のために有機物施用の重要性が高いが 島内に畜産業がほとんどなく 堆肥生産量が乏しい また 離島であるため島外からの堆肥供給も困難な状況にある そのため クロタラリア等の緑肥やバガス ( サトウキビ搾汁後の残渣 ) 等の製糖副産物が有機物として投入されている ( 金城ら,2009) 有機物は土壌微生物によって分解され 作物への養分供給源となる (Fayes, 2006) しかし 南北大東島では 施用された有機物が数ヶ月後でも土壌中に肉眼で観察されることがあり 沖縄県内他地域に比べて有機物分解が遅いのではないか との声が農業関係者から上がっている このことがサトウキビ低収の一因となっている可能性があるため 南北大東島における有機物分解の実態解明およびその改善を図ることは サトウキビ増収に有益であると思われる 本章では 南北大東島の普通畑における有機物分解の実態を解明する目的で 南北大東島と県内他地域の普通畑土壌における易分解性有機物含量の比較および土壌化学性との関連を解析した 2. 材料および方法沖縄県内の主要土壌は 土壌化学性を特性値とした主成分分析によって 大きく 4 つの土壌型に分けられる ( 久場, 1993) すなわち 国頭マージ ( 赤黄色土 ) 島尻マージ ( 暗赤色土 ) ジャーガル ( 陸成未熟土 ) と南北大東島の石灰岩上に分布する赤黄色土 ( 以下 大東マージ ) である 大東マージは 土色が赤黄色であること 大部分が強酸性であること 交換性カルシウムに乏しいこと以外は 宮古島等の石灰岩上に分布する島尻マージと同様な理化学性を示す ( 久場,1993; 渡嘉敷,1993) 本研究では この 4 種類の沖縄県の主要土壌を対象に試験をおこなった 1) 供試土壌大東マージを南北大東島の 25 農家圃場 ( 普通畑 ) から採取した 同様に 国頭マージは沖縄本島および石垣島 島尻マージは沖縄本島および宮古島 ジャーガルは沖縄本島のそれぞれ 25 農家圃場から採取し 合計 100 試料を供試土壌とした 化学肥料や有機物施用の影響が少ない作物栽培跡 または栽培後期におよそ 5~ 15cm の深さの作土を採取した 採取後 礫や植物残さ等を除去して風乾し ルクヒア式土壌調整器 (RK-4, 大起理化 ) で 2mm 以下に粉砕した また 有機炭素および全窒素分析用として 上記試料の一部を遊星型ボールミル (Pulverisete7,Fritch) で微粉砕した 2) 土壌化学性分析供試土壌について ph(h2o) はガラス電極法 EC は 1:5 水浸出法 有機炭素はチューリン法 全窒素は NC アナライザー (NC-22F, 住化分析センター ) による乾式燃焼法 可 給態リン酸はトルオーグ法 可給態窒素は保温静置法で測定した ( 土壌標準分析 測定法委員会,1986; 土壌環境分析法編集委員会,1997) 土壌有機物含量の指標として 乾式燃焼法による全炭素が一般的である しかし 沖縄県内のアルカリ性土壌 ( ジャーガルや礫質な島尻マージ ) は炭酸カルシウムに富み ( 永塚,1985; 渡嘉敷,1993) 乾式燃焼法による全炭素では無機炭素も測定されてしまうため 国頭マージや大東マージと単純に比較できない そこで チューリン法による有機炭素を測定した また 易分解性炭素含量をリン酸緩衝液抽出法 (Sanoet al.,2006) によって測定した 風乾土 20g を 100mL のポリ容器に取り 1/15molL -1 リン酸緩衝液 (ph7.0) を 100 ml 加え 1 時間振とう後 ろ過し ろ液中の有機炭素を全有機炭素計 (TOC-V, 島津製作所 ) で分析し 易分解性炭素とした 3) 大東マージの有機物分解能と土壌化学性の関係上記の大東マージ 25 試料を供試土壌 南北大東島で緑肥としてよく利用されているクロタラリア (Crotalariajuncea) を施用有機物として培養試験をおこない 大東マージの有機物分解能と土壌化学性の関係を解析した 生育盛期のクロタラリア地上部を採取し 70 で乾燥後 ウイレー型粉砕機 (1029-JBS, 吉田製作所 ) で 1mm 以下に粉砕した クロタラリアの C/N 比は 18.4 であった 風乾土 20g に炭素換算で乾土あたり 1% のクロタラリア (0.43g) を添加し 100mL の UM サンプル瓶に入れて混合後 水分条件を最大容水量の 60% として 30 の暗所で 4 週間培養を 2 連でおこなった その後 UM サンプル瓶から土壌を取り出し 風乾後微粉砕して 全炭素含量を乾式燃焼法で測定した 同様に 有機物を添加せずに培養した土壌の全炭素含量を測定し 差引くことによってクロタラリアの分解率を測定した その後 クロタラリア分解率と土壌化学性 (ph(h2o) EC 有機炭素 全窒素 可給態リン酸 可給態窒素 ) の関係を解析した 4) 大東マージにおける酸性矯正が有機物分解能に及ぼす影響有機物分解能を改善する対策として 酸性矯正が大東マージの有機物分解能に及ぼす影響を明らかにするために 3) と同様に培養試験をおこなった 3) で供試した大東マージのうち 強酸性土壌を 3 試料選んで供試土壌とした 風乾土 20g に炭酸カルシウム 100mg と炭素換算で乾土あたり 1% の 3) で供試したクロタラリアを添加し 100 ml の UM サンプル瓶に入れて混合後 上記の条件で 4 週間 2 連で培養した 対照として 炭酸カルシウムを添加せずにクロタラリアのみを添加して同様に培養した 炭酸カルシウムの添加によって供試土壌が酸性矯正されたことを確認するため 培養前後に ph(h2o) を測定した 4 週間の培養後に 3) と同様にクロタラリアの炭素分解率を測定し 酸性矯正の有無による炭素分解率を比較した 5) 酸性矯正がサトウキビ生育に与える効果南大東島のサトウキビ畑作土 (ph4.4) を採取し 水分条件を最大容水量の 45% として室温で 14 日間前培養をおこなった その後 土壌を 2 分して 一方には炭酸カルシウムを乾土 1kg あたり 6g 混合し 5 日間室温で静置した -9-

12 炭酸カルシウム量は ph6.5 に酸性矯正するための必要量を中和緩衝曲線法 ( 土壌環境分析法編集委員会,1997) により求めた 試験区は 酸性矯正なし + 標準施肥区 (-Ca1 区 ) 酸性矯正あり + 標準施肥区 (+Ca1 区 ) 酸性矯正なし + 窒素 2 倍区 (-Ca2 区 ) 酸性矯正あり + 窒素 2 倍区 (+Ca2 区 ) の 4 試験区 3 反復とした ( 表 Ⅱ-1) -Ca1 -Ca2 区には炭酸カルシウムを混合しなかった土壌を +Ca1 +Ca2 区には炭酸カルシウムを混合した土壌を 1/5000a ワグネルポットに乾土換算で 2.2kg ずつ充填した -Ca1 +Ca1 区にはさとうきび栽培指針 ( 沖縄県農林水産部,2006a) に基づき 面積から換算したサトウキビ夏植えの元肥施用量を -Ca2 +Ca2 区には窒素を倍量になるように硫安で追加して施用した サトウキビは 農林 8 号の 1 芽苗を 1 ポットあたり 3 本ずつ植付け 屋外で適宜かん水し 85 日間栽培した (2011 年 6 月 7 日 ~ 8 月 31 日 ) 植付け 30 日後には サトウキビを 1 ポットあたり 1 本に調整した 栽培後に地上部を採取し 乾物重を測定した また 地上部窒素量を NC アナライザー (NC-22F, 住化分析センター ) による乾式燃焼法で測定した ( 植物栄養実験法編集委員会,1990) 3. 結果 1) 土壌化学性 ph(h2o) は土壌型によって有意な差があった ( 表 Ⅱ-2) 大東マージは平均で 5.4 と低く ほとんどが酸性であった 次いで 国頭マージ 5.9 島尻マージ 6.6 の順であった ジャーガルは平均 8.1 で供試したすべての土壌がアルカリ性であった EC は全体的に低かった 有機炭素は 国頭マージが 6.3gkḡ 1 と他の土壌に比べて有意に低く 全窒素も 0.9gkḡ 1 と一番低かった 可給態窒素は ジャーガルが 45.8mgkḡ 1 と他の土壌と比べて有意に高かった 国頭マージと島尻マージはそれぞれ 27.6mgkḡ mgkḡ 1 であり 大東マージは 15.3mgkḡ 1 で一番低かった 可給態リン酸は 試料毎のバラツキが大きく 土壌型による有意な差はなかった 1/15molL -1 リン酸緩衝液 (ph7.0) で抽出した易分解性炭素含量は 土壌型によって有意な差があった ( 図 Ⅱ-1A) 大東マージが 0.88gkḡ 1 と一番多く 次いで島尻マージが 0.68gkḡ 1 国頭マージが 0.44gkḡ 1 ジャーガルが 0.33 gkḡ 1 であった 易分解性炭素が有機炭素に占める割合も 土壌型によって有意な差があった ( 図 Ⅱ-1B) 大東マージが 9.1% と一番高く 次いで国頭マージと島尻マージがそ 表 Ⅱ-1 試験区の構成 表 Ⅱ-2 供試土壌の化学性 図 Ⅱ-1 土壌型による易分解性炭素含量 (A) と易分解性炭素が有機炭素に占める割合 (B) ( 異符号間に 5% 水準で有意差あり ) -10-

13 れぞれ 7.1% 7.4% であり ジャーガルが 3.9% と一番低かった ジャーガルの易分解性炭素含量と可給態窒素には 有意な正の相関があった ( 図 Ⅱ-2) しかし それ以外の土壌については両者に有意な相関はなかった 易分解性炭素が有機炭素に占める割合は 全供試土壌を対象とした場合も 大東マージだけを対象とした場合も 土壌 ph(h2o) と有意な強い負の相関があった ( 図 Ⅱ-3) 大東マージの易分解性炭素が有機炭素に占める割合とその他 の土壌化学性 (EC 有機炭素 全窒素 可給態窒素 可給態リン酸 ) には有意な相関はなかった 2) 大東マージの有機物分解能と土壌化学性の関係大東マージを供試土壌とした培養試験によるクロタラリアの培養 4 週間後の炭素分解率は 土壌 ph(h2o) と有意な相関があった ( 図 Ⅱ-4) ph(h2o) に伴って炭素分解率は増加し およそ ph6.5 以上で頭打ちとなった その他の土壌化学性 (EC 有機炭素 全窒素 可給態窒素 可給態リン 図 Ⅱ-2 易分解性炭素と可給態窒素の関係 (***:0.1% 水準で有意 ) 図 Ⅱ-3 土壌 ph と易分解性炭素が有機炭素に占める割合の関係 (***:0.1% 水準で有意 ) 図 Ⅱ-4 大東マージにおける土壌 ph とクロタラリアの炭素分解率 (***:0.1% 水準で有意 ) -11-

14 酸 ) とは有意な相関はなかった 3) 大東マージにおける酸性矯正が有機物分解能に及ぼす影響 3 種類の強酸性の大東マージを炭酸カルシウムで酸性矯正し 培養試験をおこなった どの土壌も培養前後の ph は約 6 であった ( 表 Ⅱ-3) 酸性矯正しない対照土壌は どの土壌も培養前後の ph は約 4 であった 培養 4 週間後のクロタラリアの炭素分解率は どの土壌でも酸性矯正した場合に有意に増加していた ( 表 Ⅱ-3) 酸性矯正によってクロタラリアの炭素分解率が 土壌 A では 14.5% 土壌 B では 13.3% 土壌 C では 4.9% 増加した 4) 酸性矯正がサトウキビ生育に与える効果 ph(h2o) EC 交換性カルシウム以外は炭酸カルシウムによる酸性矯正の有無によって 栽培前土壌の化学性に大きな差はなかった ( 表 Ⅱ-4) 85 日間のポット栽培後のサトウキビ地上部乾物重は 窒素施用量が等しい場合には 有意な差ではなかったが 酸性矯正によって約 15% 増加した ( 表 Ⅱ-5) また 酸性矯正ありで窒素を標準量施用した +Ca1 区と酸性矯正なしで窒素を 2 倍量施用した -Ca2 区との間に有意な差はなかった 地上部窒素量についても地上 部乾物重と同様な結果であり 窒素施用量が等しい場合には 有意な差ではなかったが 酸性矯正によって約 30% 増加した 4. 考察 1) 供試土壌の ph 沖縄県内の主要土壌である大東マージ 国頭マージ 島尻マージ ジャーガルは 土壌型毎に ph が大きく異なる 大東マージと国頭マージは大部分が酸性 島尻マージは酸性 ~ アルカリ性のものが含まれるがほぼ中性 ジャーガルはアルカリ性である ( 久場,1993; 渡嘉敷,1993) 本研究で供試した土壌も ph(h2o) の平均値が土壌型毎に大きく異なり 大東マージと国頭マージが酸性 島尻マージがほぼ中性 ジャーガルがアルカリ性とそれぞれの土壌の特徴をよく反映していた ( 表 Ⅱ-2) 供試した大東マージの 72% は ph5.5 以下の強酸性土壌であった ph が中性 ~ アルカリ性のものも一部含まれていたが それらは石灰質資材施用の影響であると考えられた 2) 大東マージの易分解性炭素含量と可給態窒素大東マージは他の土壌に比べて易分解性炭素含量が高かった ( 図 Ⅱ-1A) 土壌中の易分解性有機物は作物に対す 表 Ⅱ-3 酸性矯正がクロタラリアの炭素分解率に及ぼす影響 表 Ⅱ-4 栽培前土壌の化学性 表 Ⅱ-5 酸性矯正および窒素施用量がサトウキビに及ぼす影響 -12-

15 る窒素の給源であり (Matsumotoetal.,2000) 易分解性炭素含量と可給態窒素に正の相関があることがこれまでに数多く報告されている (Jenkinson,1968;Manguiatetal., 1996; 村田ら,1997;Ghanietal.,2003;Sanoetal.,2006) そのため 大東マージは他の土壌に比べて可給態窒素も高いことが想定されたが 可給態窒素は大東マージが一番低く ( 表 Ⅱ-2) 易分解性炭素含量と可給態窒素に有意な相関もなかった ( 図 Ⅱ-2) 可給態窒素は易分解性有機物の分解 無機化によるものであり 微生物バイオマスや微生物活性の影響を受ける ( 関ら,1996;Zamanetal.,1999;Tuet al.,2006) 大東マージにおいて 易分解性有機物の多寡が可給態窒素と関連していない原因として 易分解性有機物の分解が何らかの要因によって抑制されているためではないかと考えられた 3) 易分解性炭素が有機炭素に占める割合易分解性炭素と有機炭素に高い正の相関があることが報告されており (Manguiatetal.,1996;Ghanietal.,2003) 易分解性炭素が有機炭素に占める割合は地域や土地利用形態が同じであれば ほぼ一定であると考えられる しかし 本研究ではその割合は土壌型によって有意に異なり 大東マージが一番高く 次いで国頭マージと島尻マージであり ジャーガルが一番低かった ( 図 Ⅱ-1B) このことは 大東マージで易分解性有機物の分解活性が低く ジャーガルで高いことを示唆している Sanoetal.(2006) の報告によると 全国の非火山灰土畑 (n=20) におけるリン酸バッファー抽出による易分解性炭素が全炭素に占める割合は 4.8% であった ジャーガルはこの値よりやや低く 国頭マージ 島尻マージは約 6% と高く 大東マージは約 2 倍の値であった また 金城ら (2009) は 大東マージの腐植酸は元の植物遺体の有機物組成の特徴を多く有している未熟な Rp 型腐植酸がほとんどであると報告している これらのことから 大東マージでは有機物の分解活性が低く 腐植化が進行しにくいことが推察された 易分解性炭素が有機炭素に占める割合は 全供試土壌を対象とした場合も 大東マージだけを対象とした場合も 土壌 ph(h2o) と有意な強い負の相関があった ( 図 Ⅱ-3) Adeboyeetal.(2006) は 土壌中の易分解性有機炭素含量と ph に負の相関があることを報告している 同様に 塩田ら (1985) の研究では 低 ph によって微生物活動が抑制され その結果 易分解性炭素含量が増加した これらのことから 大東マージでは土壌 ph が微生物の分解能を制限している可能性が考えられた 4) 大東マージにおける土壌 ph が有機物分解に及ぼす影響土壌 ph が大東マージの有機物分解に及ぼす影響を明らかにするため 大東マージを供試土壌としてクロタラリアの分解試験を培養法でおこなった クロタラリアの炭素分解率は土壌 ph と有意な強い正の相関があり ( 図 Ⅱ-4) 低 ph によって有機物分解が抑制されていることが示された また 酸性矯正によって クロタラリアの分解は促進された ( 表 Ⅱ-3) これまでに 酸性土壌で有機物分解が遅いこと (AmatoandLadd,1992;Motavalietal.,1995) 酸性矯正によって有機物分解が促進されること (Powlsonand Jenkinson,1976;Condronetal.,1993;Motavalietal.,1995) が報告されている 本研究でも これらの報告と同様な結果が得られた 大東マージでは 低 ph が有機物分解および窒素の無機化を阻害しており それが可給態窒素の低さ につながっていると考えられた また 大東マージの有機物分解能はおよそ ph6.5 以上で頭打ちになっているため ( 図 Ⅱ-4) 過度な酸性矯正は無用であり かえって微量要素の欠乏等を引き起こす懸念がある 対照的に ジャーガルでは易分解性炭素含量と可給態窒素に有意な正の相関がみられた ( 図 Ⅱ-2) 供試したジャーガルの平均 ph は 8.1±0.3 であり ( 表 Ⅱ-2) このような中性 ~ アルカリ性の土壌では有機物分解の阻害がなく 既報と同様に易分解性炭素含量が高い土壌で可給態窒素が高いことが示された 5) 酸性矯正がサトウキビ生育に与える効果 Borden(1949) は ハワイの酸性土壌 (ph5.3) で 硫安および硝酸ナトリウムの増施試験をおこなった 硫安を増施した試験区の ph は 4.4 に低下したが 硝酸ナトリウムを増施した試験区の ph は 6.4 に上昇した この ph の違いにより 供試した 15 種類の作物のうち 14 種類では生育に大きな差がみられたが サトウキビではほとんど差がなく サトウキビは酸性土壌に強い作物であると報告されている 今回のポット試験の結果 ph4.4 の強酸性土壌でも窒素を 2 倍量に増施することによってサトウキビの地上部乾物重は増加し ( 表 Ⅱ-5) ph6.6 に酸性矯正して窒素を標準施用した試験区との間に有意な差がなかった Borden (1949) の試験と同様に 十分な窒素供給があれば強酸性土壌でもサトウキビ生育は阻害されないことが確認された そのため 大東マージにおけるサトウキビ低収は 低 ph が直接サトウキビ生育を阻害しているのではなく 低 ph によって土壌からの養分供給が抑制されていることが主な原因であると考えられた 以上の結果から 大東マージでは低 ph が土壌微生物による有機物分解を阻害し 土壌からの養分供給が抑制されていることが明らかとなった また 酸性矯正によって有機物分解が促進された サトウキビ生育も酸性矯正によって促進され その原因は土壌からの養分供給が増加したためであると推察された これらのことから 大東マージでは土壌肥沃度向上のために 酸性矯正によって土壌からの養分供給を促進することが有効であると考えられた 5. 要約南北大東島では 肥沃度の低い酸性土壌 ( 大東マージ ) が広く分布し 基幹作物であるサトウキビ単収が他地域に比べて低い その原因として 土壌中の有機物分解が遅く 有機物からの養分供給が抑制されている可能性が考えられた 本章では 南北大東島の普通畑における有機物分解の実態を解明するため 大東マージと県内他地域の普通畑土壌 ( 国頭マージ 島尻マージ ジャーガル ) における易分解性有機物含量の比較および土壌化学性との関係を解析した 易分解性炭素含量は土壌型によって異なり 大東マージが他の土壌に比べて有意に高かった 易分解性炭素が有機炭素に占める割合も大東マージで高く その割合と土壌 ph に負の相関があっため 低 ph が土壌微生物の分解活性を制限している可能性が考えられた そこで 大東マージを供試土壌 クロタラリアを施用有機物として培養試験をおこない 有機物分解能と土壌化学性の関係を解析した その結果 培養 4 週間後の炭素分解率は土壌 ph と有意な正の相関があり ph 増加に伴って分 -13-

16 解率は増加し およそ ph6.5 以上で頭打ちとなった 他の土壌化学性とは有意な相関はなく 有機物分解に土壌 ph が大きく影響していると考えられた また 強酸性の大東マージを酸性矯正して同様に培養試験をおこなったところ クロタラリアの炭素分解率が酸性矯正によって 5~ 15% 増加した 土壌 ph がサトウキビ生育に及ぼす影響を明らかにするため ポット試験をおこなったところ ph4.4 の大東マージでも窒素を増施すればサトウキビ生育は抑制されなかった また 酸性矯正によって サトウキビ地上部乾物重 地上部窒素量はそれぞれ約 15% 約 30% 増加した これらの結果から 大東マージでは低 ph が土壌微生物による有機物分解を阻害し 土壌からの養分供給が抑制されていること 酸性矯正によって有機物分解が促進されることが明らかとなった サトウキビ生育も酸性矯正によって促進され 大東マージでは土壌肥沃度の向上のために 酸性矯正によって土壌からの養分供給を促進することが有効であると考えられた -14-

17 Ⅲ. 粗砕石灰岩による酸性矯正がサトウキビ収量と土壌化学性 微生物性に及ぼす影響 1. 目的作物によって土壌の好適 ph は異なるが その範囲は概ね 5.5~ 6.5 である それ以下の酸性土壌では アルミニウム 鉄 マンガンなどの可溶化 リン酸の難溶化 カルシウムやマグネシウムの不足 微量要素の欠乏 微生物活性の低下等がおこり 作物生育に悪影響が生じる ( 松中, 2003) 沖縄県内の普通畑では 酸性土壌が 32.9% を占めるため 酸性土壌による作物生産性の低下は大きな問題である ( 沖縄県農業試験場,1979) 南大東島は 沖縄本島の東方約 360km に位置している珊瑚礁が隆起した島であり 農業産出額の約 80% は基幹作物のサトウキビである ( 沖縄県農林水産部,2009) 1967/68 ~ 2001/2002 年期までの 18 年間のサトウキビ収量は 鹿児島県および沖縄県の全地域平均 61Mghā 1 に対して 南大東島の平均は 54Mghā 1 と低い ( 杉本,2003) 南大東島では酸性土壌が農耕地面積の 83% を占めており ( 沖縄県農業試験場,1979) これが低収の一因であると考えられる 一般的な酸性矯正資材は石灰岩を原料とする炭酸カルシウム ( 炭カル ) である 形状はパウダー状で 土壌に混和後 酸性矯正効果が速やかに現れる しかし 効果の持続性が低いことが指摘されている 石垣島における試験では 強酸性土壌を炭カルで ph に酸性矯正しても サトウキビ収穫時 ( 約 1 年半後 ) にはそれぞれ ph に低下しており 土壌診断基準 ( 案 ) である ph5.5 ~ 6.5 を下回った ( 砂川 我那覇,1969) 同様に 石垣島の牧草地における酸性矯正試験でも 炭カルで ph6.5 に酸性矯正した後ローズグラスを栽培したところ 1 年後に ph は 4.9 に低下していた ( 吉野ら,1986) サトウキビの栽培期間は 春植え栽培は約 1 年 (1 月 ~ 3 月に植付け 翌年 2~ 3 月に収穫 ) 夏植え栽培は約 1 年半 (8 月 ~ 10 月に植付け 翌々年 1~ 3 月に収穫 ) 株出し栽培は約 1 年 ( 春植え または夏植え栽培収穫後に再生芽を栽培し 翌年 1 月 ~ 3 月に収穫 ) と長いため ( 沖縄県農林水産部,2006) 炭カルでは十分な酸性矯正効果を期待できない 青森県では 草地において酸性矯正効果の持続性を高めるため 粗砕石灰岩 ( 石灰岩を粗粉砕したもの ) による酸性矯正試験がおこなわれた ( 蛸島ら,1992) その結果 矯正 1 年目の ph より 4 年目の ph が高く 粗砕石灰岩による酸性矯正効果の持続性が高いことが認められた 石灰岩は沖縄県内でも豊富に産出され ( 中村ら,2009a) 採石工場も各地に存在するため 酸性矯正資材として粗砕石灰岩の入手は容易である 本章では 持続性の高い酸性矯正技術を確立するために 南大東島の強酸性土壌 ( 大東マージ ) において炭カルと粗砕石灰岩による酸性矯正がサトウキビ収量 土壌化学性および微生物性 ( 微生物バイオマス 土壌呼吸活性 ) に与える影響を比較検討した 2. 材料および方法南大東島のサトウキビ圃場 ( 大東マージ ph4.1) にて 沖縄県内で市販されている炭カルと南大東島産の粗砕石灰岩 ( 販売名 : 砕砂, 大進鉱業 ) による酸性矯正効果を比較した 供試した炭カルは沖縄本島本部半島の古生代石灰岩を原料としたものであり 粗砕石灰岩は南大東島の古大東石灰岩を粗粉砕した後 5.5mm のふるいを通したものである それぞれの化学組成について表 Ⅲ-1 に示した ( 中村ら, 2009a; 中村ら,2009b) 1) 炭カルと粗砕石灰岩の粒径分布の比較供試した炭カルと粗砕石灰岩について ふるい分けによって粒径分布を調査した 使用したふるいの目開きは 2.0,1.0,0.5,0.25,0.105mm であった 2) 酸性矯正がサトウキビ収量に及ぼす影響南大東島のサトウキビ圃場にて 炭カルと粗砕石灰岩によって酸性矯正した後にサトウキビを栽培し 酸性矯正効果の比較をおこなった 試験区は 対照区 ( 酸性矯正なし ) 炭カル区 ( 炭カル 12Mghā 1 施用 ) 石灰岩区 ( 粗砕石灰岩 12Mghā 1 施用 ) 石灰岩 5 倍区 ( 粗砕石灰岩 60Mghā 1 施用 ) 石灰岩 10 倍区 ( 粗砕石灰岩 120Mghā 1 施用 ) の 5 試験区 1 区 100m 2 の 2 反復とした ( 表 Ⅲ-2) 炭カル区の炭カル施用量は 供試圃場の作土 ( 深さ 0~ 25cm) を ph6.5 に酸性矯正するための必要量を緩衝曲線法によって算出した ( 土壌環境分析法編集委員会,1997) 2007 年 9 月に酸性矯正資材を散布し ロータリで混合して酸性矯正をおこなった 対照区はロータリ耕のみをおこなった 2007 年 10 月にサトウキビ (Ni15) を植付けて夏植え栽培し 2009 年 1 月に収穫 その後再生芽を栽培する株出し栽培をおこなって 2010 年 2 月に収穫した 栽培管理は農家慣行とした 2009 年 1 月 ( 酸性矯正 16 ヶ月後 ) と 2010 年 2 月 ( 酸性矯正 29 ヶ月後 ) に 1 区あたり 4 畝 5m のサトウキビを刈取り 収穫茎重を測定した また 収穫茎の中央部から蔗汁を採取し 直ちに手持ち屈折計で圃場ブリックス ( 糖度 ) を測定した 3) 炭カルと粗砕石灰岩が土壌化学性に及ぼす影響の比較酸性矯正直前 資材施用 0.5,2,6,12,16,23,29 ヶ月後に 試験区内の 6 ヶ所から 表面の 1~ 2cm を取り除いた後に 作土をスコップで採取し混合した 礫や植物残さを除去して風乾し ルクヒア式土壌調整器 (RK-4, 大起理化 ) で 2mm 以下に粉砕したものを供試土壌とした 表 Ⅲ-2 各試験区の酸性矯正資材施用量 表 Ⅲ-1 酸性矯正資材の化学組成 (%)* -15-

18 採取したすべての土壌について ph(h2o) 交換性カルシウムおよび交換性マグネシウム 可給態リン酸 ( トルオーグ法 ) を分析し サトウキビ生育盛期 ( 酸性矯正 12,23 ヶ月後 ) および収穫後 ( 酸性矯正 16,29 ヶ月後 ) の土壌について保温静置法によって可給態窒素を分析した ( 土壌環境分析法編集委員会,1997) 4) 粗砕石灰岩による酸性矯正が土壌微生物性に及ぼす影響酸性矯正資材施用 12,29 ヶ月後に 対照区と石灰岩 5 倍区の作土を採取し 乾燥させないように植物残さや礫を除去し 5mm のふるいを通して当日中にクロロホルムくん蒸 - 抽出法でバイオマス炭素を分析した ( 土壌環境分析法編集委員会,1997) 抽出液中の有機炭素の定量は全有機炭素計 (TOC-V, 島津製作所 ) によりおこなった また 上記土壌を 20g 採取し 0.5molL -1 硫酸カリウム 50mL を加えて 30 分振とうした後にろ過し ろ液中の有機炭素を同様に測定して水溶性有機物とした 土壌呼吸活性を測定するため 上記の土壌採取時に 100 ml の採土管を用いて各区 6 ヶ所 (3 ヶ所 2 反復 ) から作土を採取した 採取当日中に 採土管の上部のフタを開けて 直ちに 500mL のスチロール棒ビンに入れて密栓し 石沢らの方法 ( 土壌標準分析 測定法委員会,1986) に準じて 24 時間土壌呼吸量 ( 二酸化炭素発生量 ) を測定した 3. 結果 1) 炭カルと粗砕石灰岩の粒径分布の比較炭カルは 0.105mm 未満の粒子が 100% でありパウダー状であったが 粗砕石灰岩は 0.105mm 未満の粒子が 5% 2 mm 以上の粒子が 44.8% であり 様々な粒径の粒子が含まれていた ( 表 Ⅲ-3) 2) 酸性矯正がサトウキビ収量に及ぼす影響対照区のサトウキビ収量は夏植え栽培で 80Mghā 1 株出し栽培で 39Mghā 1 であった ( 表 Ⅲ-4) 試験区間に 5% 水準で有意な差はなかったが 炭カル区では対照区に比べて夏植え栽培で 9% 株出し栽培で 6% 増収し 株出し栽培において増収量が低くなった 石灰岩区は 2 作とも 11% 増収した 石灰岩 5,10 倍区でも 2 作の平均でそれぞれ 15, 14% 増収したが 炭カル区と異なり 株出し栽培の方がより増収した 圃場ブリックスについては 試験区間に大きな差はみられず 夏植え栽培でも株出し栽培でも約 22% であった ( データ省略 ) 3) 炭カルと粗砕石灰岩が土壌化学性に及ぼす影響の比較酸性矯正資材施用後の作土 ph(h2o) は 対照区では試験期間を通して平均 4.1 と低く推移した ( 図 Ⅲ-1) 炭カル区では 施用 0.5 ヶ月後には ph5.9 であったが 12 ヶ月後には ph4.9 に低下しており さらに 29 ヶ月後には ph4.6 に低下した 粗砕石灰岩を炭カルと同量施用した石灰岩区では 試験期間の平均 ph は 4.4 であり 酸性矯正効果は低かった 粗砕石灰岩を炭カルの 5 倍量施用した石灰岩 5 倍区と 10 倍量施用した石灰岩 10 倍区では 試験期間を通して ph が高く保たれた 石灰岩 5 倍区では 施用 0.5 ヶ月後は ph5.5 と炭カル区より劣ったが 6 ヶ月後には ph6.0 に上昇しており その後も ph6.3~ 7.0 で推移した 試験期間の平均 ph は 6.2 であった 石灰岩 10 倍区では 施用 0.5 ヶ月後に ph5.9 と炭カル区と同等であり 施用 12 ヶ月以降は ph7.0 以上で推移し 29 ヶ月後の ph は 7.7 試験期間の平均 ph は 6.6 であった 交換性カルシウムは 酸性矯正前はすべての試験区で 0.5~ 0.7cmolckḡ 1 と低かった ( 図 Ⅲ-2) 炭カル区では施用 0.5 ヶ月後には 12.4cmolckḡ 1 と大きく上昇したが 施用 6 ヶ月後には 6.2cmolckḡ 1 と半減した 一方 粗砕石灰岩を施用したすべての試験区で 炭カル区のような急激な減少はみられず 試験期間を通して増加傾向であった また 粗砕石灰岩の施用量に伴って増加量は大きくなった 交換性マグネシウムは 炭カル区では試験期間を通じて対照区と大きな差はなく 0.5~ 0.8cmolckḡ 1 と低く推移した ( 図 Ⅲ-3) 一方 粗砕石灰岩を施用したすべての試験区で 施用後に交換性マグネシウムが増加した また 交換性カルシウムと同様に 試験期間を通して増加傾向であった 石灰苦土比は 酸性矯正前はどの試験区も約 1 であったが 炭カル区では施用 0.5 ヶ月後に 17.0 と非常に高くなった ( 表 Ⅲ-5) その後 徐々に低下したが 施用 29 ヶ月後でも 7.0 であった 石灰岩区では 1.1~ 1.4 石灰岩 5,10 倍区では 1.4~ 1.7 と対照区に比べてやや高く推移した 可給態リン酸は 酸性矯正前はどの試験区も約 100mg kḡ 1 であり 施用 2 ヶ月後には全体的に 70~ 80mgkḡ 1 に減少した ( 図 Ⅲ-4) 対照区 炭カル区 石灰岩区では その後大きな変化はなかったが 石灰岩 5,10 倍区では増加した 施用 29 ヶ月後には 石灰岩 5 倍区は 106mgkḡ 1 石灰岩 10 倍区は 132mgkḡ 1 であり その他の試験区に比べて高かった 可給態窒素は 炭カル区と石灰岩区は対照区と大きな差はなかったが 石灰岩 5,10 倍区は他の試験区に比べて高 表 Ⅲ-3 炭カルと粗砕石灰岩の粒径分布 (%) 表 Ⅲ-4 サトウキビ収量および収量指数 * -16-

19 い傾向にあった ( 図 Ⅲ-5) 試験期間の平均は 対照区 15 mgkḡ 1 に対して 石灰岩 5,10 倍区はどちらも 21mgkḡ 1 であった 4) 粗砕石灰岩による酸性矯正が土壌微生物性に及ぼす影響粗砕石灰岩施用 12 ヶ月後のバイオマス炭素は 石灰岩 5 倍区が対照区に比べて約 70% 高かった ( 図 Ⅲ-6A) しかし 29 ヶ月後には石灰岩 5 倍区の方が低かった バイオマス炭素と異なり 二酸化炭素発生量は 施用 12 ヶ月後も 29 ヶ月後も石灰岩 5 倍区が対照区に比べて高く 対照区に対してそれぞれ 2.6 倍 2.9 倍であった ( 図 Ⅲ-6B) 石灰岩 5 倍区の水溶性有機物は 施用 12 ヶ月後は対照区の約 2/3 施用 29 ヶ月後は約 1/2 であった ( 図 Ⅲ-6C) 4. 考察 1) 炭カルと粗砕石灰岩による酸性矯正効果の比較炭カルは パウダー状で酸性矯正効果が速やかに発現するが 効果の持続性が低いことが指摘されている そこで 本試験では酸性矯正効果の持続性を高めるために 石灰岩を粗粉砕して 5.5mm のふるいを通した粗砕石灰岩を供試した 炭カルと粗砕石灰岩の粒度分布を比較したところ 炭カルは 0.105mm 未満の粒子が 100% であったが 粗砕石灰岩の粒子は 0.105mm 未満 ~ 2mm 以上まで様々であった ( 表 Ⅲ-3) 中村ら (2009a) は 石灰岩の溶解試験において 石灰岩の粒子直径が小さくなれば溶解率が大 きくなり 特に直径 1mm 未満の粒子は速やかに溶解すると報告している 本試験で供試した粗砕石灰岩は 直径 1 mm 未満の粒子が 32.9% 1mm 以上の粒子が 67.1% であった そのため 炭カルとは異なり 土壌中で速やかに溶解する粒子と 緩やかに溶解する粒子が含まれると考えられた 南大東島のサトウキビ圃場 ( 大東マージ ph4.1) において 炭カルと粗砕石灰岩による酸性矯正効果の比較を夏植え栽培および収穫後の株出し栽培 (1 作 ) でおこなった 土壌 ph は 炭カル区では施用後徐々に低下し 夏植え栽培後 ( 施用 16 ヶ月後 ) には施用 0.5 ヶ月後に比べて 0.9 低下した ( 図 Ⅲ-1) 石垣島における試験でも 炭カルで酸性矯正をおこないサトウキビ夏植え栽培後に ph は 0.5~ 1.1 低下した ( 砂川 我那覇,1969) 石垣島の年平均降水量が 2,100 ~ 2,200mm と多く 溶脱作用や土壌浸食によって塩基成分が損失していることと 作物による塩基の吸収が原因とされた 本試験でも 炭カル区では夏植え栽培後の交換性カルシウムが施用 0.5 ヶ月後に比べて半減しており ( 図 Ⅲ- 2) ph 低下の主な原因はカルシウムの溶脱や作物による吸収であると考えられた 一方 粗砕石灰岩を施用した区では どの試験区でも試験期間に ph の低下はみられず 夏植え栽培後の交換性カルシウムは施用 0.5 ヶ月後に比べて増加した ( 図 Ⅲ-1,2) これらのことから 粗砕石灰岩は炭カルに比べて緩やかに溶解し 酸性矯正効果の持続性が高いことが明らかとなった しかし 炭カルと同量の粗砕石灰岩を施用した石灰岩区では試験期間の平均 ph は 4.4 であ 図 Ⅲ-1 酸性矯正資材施用後の土壌 ph 図 Ⅲ-2 酸性矯正資材施用後の交換性カルシウム -17-

20 図 Ⅲ-3 酸性矯正資材施用後の交換性マグネシウム 表 Ⅲ-5 酸性矯正資材施用後の石灰苦土比 図 Ⅲ-4 酸性矯正資材施用後の可給態リン酸 図 Ⅲ-5 酸性矯正資材施用後の可給態窒素 ( バーは標準偏差を示す ) -18-

21 図 Ⅲ-6 酸性矯正資材施用後のバイオマス (A) 呼吸活性 (B) 水溶性有機物 (C) ( バーは標準偏差を示す ) り 十分な酸性矯正効果は得られなかった また 粗砕石灰岩を炭カルの 5 倍量および 10 倍量施用した石灰岩 5,10 倍区では 施用 29 ヶ月後の ph は それぞれ 7.0,7.7 であった サトウキビ畑の土壌診断基準 ( 案 ) は ph5.5~ 6.5 であるため ( 沖縄県農業試験場,1979) 適正な粗砕石灰岩施用量については 今後 詳細に検討する必要がある 2) 粗砕石灰岩による酸性矯正が土壌化学性に及ぼす影響炭カル区では交換性マグネシウムの増加はみられなかったが 粗砕石灰岩を施用した区では 交換性カルシウムばかりでなく 交換性マグネシウムの増加もみられた ( 図 Ⅲ- 3) 大東諸島の石灰岩はドロマイト質のものが多く 沖縄諸島の中では特異な石灰岩である ( 中村ら 2009b) 供試した粗砕石灰岩は古大東石灰岩を原料とするもので CaCO3 を約 74%,MgCO3 を約 25% 含む ( 表 Ⅲ-1) 供試した炭カルは沖縄本島本部半島の古生代石灰岩を原料とするもので 鉱物組成はカルサイトのみであり 化学組成は CaCO3 が約 98% で MgCO3 をほとんど含まない ( 表 Ⅲ-1) このため 炭カル区と異なり 粗砕石灰岩を施用した区ではカル シウムばかりでなくマグネシウムも供給された また 土壌診断基準 ( 案 ) の石灰苦土比は 2.5~ 3.5 であるが ( 沖縄県農業試験場,1979) 炭カル区では施用 0.5 ヶ月後で ヶ月後でも 7.0 と基準値を大きく超えており ( 表 Ⅲ-5) 塩基バランスの偏りが懸念された 粗砕石灰岩を施用した石灰岩 5,10 倍区では 施用前は約 1 であったが施用後 1.4 ~ 1.7 であり 基準値の下限には届かないものの石灰苦土比の改善がみられた 粗砕石灰岩にリン酸はほとんど含まれないが ( 中村ら, 2009b) 石灰岩 5,10 倍区では他の試験区に比べて可給態リン酸が増加した ( 図 Ⅲ-4) 本試験では 可給態リン酸をトルオーグ法で測定したが トルオーグリン酸とカルシウム型リン酸には正の相関がある ( 津高ら,1984) 石灰岩 5, 10 倍区ではカルシウムの供給により カルシウム型リン酸が増加した可能性があり 今後 酸性矯正資材の施用による土壌中におけるリン酸形態の変化について明らかにする必要がある 言うまでもなく 窒素は作物に生育にとって重要な養分であり 可給態窒素は土壌からの窒素供給力の指標である -19-

22 ( 土壌環境分析法編集委員会,1997) 高間 廣澤 (2008) は 黒ボク土における試験で作物収量に対する影響が最も大きかったのは可給態窒素であると報告している 石灰岩 5, 10 倍区の試験期間の可給態窒素平均値は 対照区 15mg kḡ 1 に対してどちらも 21mgkḡ 1 と高く ( 図 Ⅲ-5) このことがサトウキビ増収の一因であると考えられた 3) 粗砕石灰岩による酸性矯正が土壌微生物性に及ぼす影響微生物バイオマスと土壌呼吸活性 ( 二酸化炭素発生量 ) には 正の相関があるという報告と (Rosetal.,1980; Sparling,1981;Hasebeetal.,1985) 相関がないという報告がある (FrankenbergerandDick,1983; 堀ら,2011a) 本試験では 対照区と石灰岩 5 倍区のバイオマス炭素と二酸化炭素発生量を比較した場合 酸性矯正資材施用 12 ヶ月後はどちらも石灰岩 5 倍区が対照区より大きかった しかし 29 ヶ月後には二酸化炭素発生量は石灰岩 5 倍区が対照区より大きいにもかかわらず バイオマス炭素は対照区が石灰岩 5 倍区より大きく ( 図 Ⅲ-6A,B) 両者の関係は 12 ヶ月後と 29 ヶ月後で異なった ところで 12 ヶ月後の石灰岩 5 倍区の二酸化炭素発生量は対照区の 2.6 倍 バイオマス炭素は 1.7 倍であり 酸性矯正の影響は二酸化炭素発生量により大きく現れていた 同量の基質を利用した場合 糸状菌より細菌の方がより多くの二酸化炭素を発生するため 細菌の割合が高くなるほど 土壌呼吸による二酸化炭素発生量は多くなる ( 丸本ら,1990) 酸性の草地土壌における試験では 酸性矯正した場合 くん蒸法によるバイオマス炭素は対照土壌より減少したが 土壌二酸化炭素発生量は増加した 加えて 酸性矯正によって直接検鏡法による糸状菌バイオマスは減少し 細菌バイオマスは増加した ( 丸本ら,1990) これらのことから 石灰岩 5 倍区では酸性矯正によって細菌バイオマスの割合が増加し その結果バイオマス当たりの呼吸活性が増加したと推察された 石灰岩 5 倍区の可給態窒素が対照区より高いこと ( 図 Ⅲ-5) 石灰岩 5 倍区は土壌微生物の基質となる水溶性有機物が対照区より低いことも ( 図 Ⅲ-6C) 上記の推察を支持している 施用 12 ヶ月後の石灰岩 5 倍区の ph は ヶ月後の ph は 7.0 であり ( 図 Ⅲ-1) 29 ヶ月後にはその傾向がより強く現れたと考えられた ハクサイ根圏土壌においても ph6.8 の土壌を ph7.4 に酸性矯正することによって 糸状菌バイオマス / 細菌バイオマス比が 1.0 から 0.3 に低下しており ( 西尾,1984) 中性付近の ph 変化でも土壌微生物相には大きく影響すると推察された 4) 酸性矯正がサトウキビ収量に及ぼす影響石垣島におけるサトウキビ夏植え栽培試験では 収穫茎重は植付け時に炭カルで ph6 以上に酸性矯正することによって 7~ 8% 増収した ( 砂川 我那覇,1969) 今回の試験では サトウキビ収量は酸性矯正によって増加する傾向がみられた ( 表 Ⅲ-4) 炭カル区では対照区に比べて夏植え栽培で 9% 株出し栽培で 6% の増収であったが 株出し栽培において増収量が低くなっており 酸性矯正効果の低下が推察された 一方 石灰岩 5,10 倍区では株出し栽培においてより増収となっており 酸性矯正効果の持続性がうかがわれた また 南大東島では近年カボチャ栽培が増加しているが 宮古島における酸性矯正でカボチャが 18% 増収したという報告があることから ( 小禄,1989) 酸性矯正によってカボチャの増収も期待できる 5) 炭カルと粗砕石灰岩の資材コストの比較資材コストについては 炭カルは 400 円 /20kg の袋詰めで販売されており 1t あたりの価格は 20,000 円である 一方 粗砕石灰岩は道路の路盤材を製造するときに副次的に生産されるもので 海砂等の代替品としてトン単位で販売されている 県内の採石工場によって価格は異なるが おおむね 1t あたり 1,000~ 4,000 円である 販売形態が異なるため単純に比較できないが 粗砕石灰岩による酸性矯正の資材コストは 必要施用量が多いことを考慮しても炭カルより小さいと考えられる 本試験では ph の持続性や作物の収量性およびコスト等を勘案すると 粗砕石灰岩を炭カルの 5 倍量施用した石灰岩 5 倍区が優れていた ただし 炭カルと同量の粗砕石灰岩を施用した場合には 十分な酸性矯正効果が得られないこと 逆に 5 倍量では試験後半に ph の土壌診断基準値を超過するなど 今後 適正な粗砕石灰岩の施用量について詳細に検討する必要がある また 酸性矯正によって微生物活性が増加し 土壌中の水溶性有機物が減少したため 酸性矯正と併せて有機物施用をおこなう必要があると推察された 5. 要約持続性の高い酸性矯正技術を確立するために 南大東島の強酸性土壌 ( 大東マージ ) において炭カルと粗砕石灰岩による酸性矯正がサトウキビ収量 土壌化学性および微生物性に与える影響を比較検討した 炭カルと粗砕石灰岩の粒度分布を比較したところ 炭カルは 0.105mm 未満の粒子が 100% であったが 粗砕石灰岩の粒子は 0.105mm 未満 ~ 2mm 以上まで様々であり 粗砕石灰岩には土壌中で速やかに溶解する粒子と 緩やかに溶解する粒子が含まれると考えられた 炭カル区では 施用 0.5 ヶ月後には ph5.9 であったが その後速やかに低下し 29 ヶ月後には ph4.6 であった 粗砕石灰岩を施用した区では ph は施用後徐々に上昇し 粗砕石灰岩を炭カルの 5 倍量 10 倍量施用した区では 試験期間の ph はそれぞれ ph5.5~ 7.0 ph5.9~ 7.7 で推移した 原料の石灰岩がドロマイト質であったため 粗砕石灰岩を施用した区ではカルシウムばかりでなくマグネシウムも供給され 石灰苦土比の改善がみられた また トルオーグ法による可給態リン酸は 他の試験区に比べて石灰岩 5, 10 倍区で増加がみられ 粗砕石灰岩からのカルシウム供給によりカルシウム型リン酸が増加した可能性が考えられた 可給態窒素も石灰岩 5,10 倍区が他の試験区より高い傾向にあり 試験期間の平均は 対照区 15mgkḡ 1 に対して 石灰岩 5,10 倍区はどちらも 21mgkḡ 1 であった 酸性矯正によって 石灰岩 5 倍区の土壌呼吸活性は対照区に比べて施用 12 ヶ月後は 2.6 倍 29 ヶ月後は 2.9 倍となった 呼吸活性と異なり 同時期のバイオマス炭素は それぞれ 1.7 倍 0.7 倍であった これらのことから 石灰岩 5 倍区では 酸性矯正により細菌バイオマスの割合が増加し その結果バイオマス当たりの呼吸活性が増加したと推察された 土壌微生物の基質となる水溶性有機物は対照区に比べて石灰岩 5 倍区が低くなっており 酸性矯正と同時に有機物施用が必要であると考えられた サトウキビ収量は酸性矯正によって増加する傾向がみられ 炭カル区では対照区に比べて夏植えで 9% 株出しで 6% の増収であったが 石灰岩 5,10 倍区では株出し栽培に -20-

23 おいてより増収となり 対照区に比べて 平均でそれぞれ 15,14% 増収した このように 粗砕石灰岩による酸性矯正は炭カルに比べ て持続性が高く 有効であることが明らかとなった ただし 適正な粗砕石灰岩施用量および有機物施用について 今後検討する必要がある -21-

24 Ⅳ. 緑肥と堆肥の連用がジャーガルの各種性質に及ぼす影響 1. 目的沖縄県では有機物施用において 堆肥ばかりでなく緑肥も広く利用されている ( 宮丸,2004) 離島県であるため堆肥を安価に入手することが困難な地域があること 台風被害を避けるため春から夏にかけて休閑期となり 緑肥を栽培しやすいことがその主な理由である また 緑肥栽培による土壌流出防止効果が報告されており (Nagumoetal., 2006; 宮丸ら,2008a) 本県土壌の地力維持増進において緑肥の重要性は高い しかし 有機物の種類により作物収量や土壌の理化学性に及ぼす影響は異なるため ( 高橋 河合,1983; 北村 久保田,1985; 上沢,1991; 神谷ら,1994; 村田ら,1997) 本県における緑肥と堆肥の連用効果も異なることが想定される 後藤 永田 (2000) は島尻マージ ( 暗赤色土 ) における緑肥の長期連用で カルシウムやマグネシウムの補給やカリウムの減肥などの必要性を指摘している 緑肥利用を推進するためには 本県土壌でも緑肥の連用効果や注意点を明らかにする必要がある また 有機物施用が土壌生物性に及ぼす影響については物理性および化学性に比較して知見が少なく ( 堀ら,2011a) 有機物の長期連用が土壌生物性へ及ぼす影響を明らかにすることは 有機物施用の意義を明らかにする上で重要である 本章では 緑肥連用による効果や注意点を明らかにすることを目的として ジャーガル ( 陸成未熟土 ) の有機物連用試験圃場において 緑肥と堆肥の連用が作物収量と土壌の各種性質 ( 物理性 化学性 生物性 ) に及ぼす影響を比較検討した 土壌生物性については 堀 (1994) の提唱に基づき クロロホルムくん蒸 - 抽出法による微生物バイオマス 土壌呼吸活性 PCR-DGGE 法による微生物相 ( フロラ ) の解析をおこなった 試験は 化学肥料区 ( 以下 化肥区 ) 緑肥区 堆肥区の 3 試験区 3 反復 移設前は 1 区 30m 2 移設後は 1 区 20m 2 作物はスイートコーンで試験をおこなった 緑肥はマメ科のセスバニア (Sesbaniacannabina) 堆肥は沖縄県内で販売量が多い市販の牛ふん堆肥 ( 商品名 : 有機肥料みのり, 北中有機肥料 ) を毎年購入し供試した ( 表 Ⅳ-1) 化肥区の化学肥料施用量は地域慣行に準じ 1ha あたり 280 kg 窒素とし 緑肥区および堆肥区では有機物からの窒素供給量を勘案して 化学肥料窒素を化肥区の 3 割減とした リン酸およびカリについては すべての試験区に化肥区と同量を施用した 5 月に 緑肥区にはセスバニアを播種し 無施肥で栽培した この間 化肥区および堆肥区は裸地状態とし 適宜除草した セスバニアは 9 月に 現物重で 25Mghā 1 ( セスバニアの平均的な収量 ) になるように調整してロータリ耕で鋤込んだ 同時期に 堆肥区には牛ふん堆肥を現物重で 25Mghā 1 ロータリ耕で鋤込んだ 10 月にスイートコーン (2001~ 2006 年はキャンベラ ~ 2010 年はカクテル 600) を播種し マルチ栽培で翌年の 1 月 ~ 2 月に収穫した スイートコーンの収穫残さは それぞれの試験区にロータリ耕で鋤込んだ 2) 有機物の成分分析セスバニアおよび牛ふん堆肥を鋤込み時に採取し 70 で乾燥後 ウイレー型粉砕機 (1029-JBS, 吉田製作所 ) で 1mm 以下に粉砕して 炭素および窒素は NC アナライザー (NC-22F, 住化分析センター ) による乾式燃焼法で その他無機成分は硝酸 - 過塩素酸法で分解後 ICP 発光分析法 (Vista-MPX, セイコーインスツル ) で分析した ( 植物栄養実験法編集委員会,1990) 2. 材料および方法 1) 試験区および栽培概要沖縄県那覇市の沖縄県農業試験場 ( 現沖縄県農業研究センター 糸満市 ) で 1986 年に試験を開始した有機物連用試験圃場を対象として試験をおこなった 本圃場では 1986 年 ~ 1995 年の 10 年間はサトウキビ栽培で試験をおこない その詳細は比嘉ら (2011) によって報告されている 1996 年からは作物をスイートコーンに変更し 試験を継続中である 本章では 2001 年 ~ 2010 年の 10 年間を対象とした 土壌はジャーガル ( 陸成未熟土 ) で 島尻層群の泥灰岩を母材とする重粘質でカルシウムを豊富に含むアルカリ性土壌である ( 渡嘉敷,1993) 2005 年には農業試験場の移転に伴って 作土 (0~ 20cm) を那覇市から糸満市の農業研究センター内ジャーガル圃場 ( 作土を除去した圃場 ) へ移設した 本地域の年平均気温は 23.2 年間平均降水量は 1,995mm である ( 亀谷,2006) 3) 土壌分析土壌物理性については 2009 年 9 月に 100mL の採土管を用いて各区 3 ヶ所 3 反復で作土を採取し 容積重 -3.1 kpa における三相分布 有効水分 (-3.1kPa と -49kPa における水分差 ) 定水位法による飽和透水係数を分析した ( 土壌環境分析法編集員会,1997) 土壌化学性については スイートコーン収穫後 試験区内の 5 ヶ所から作土 ( 深さ 0~ 20cm) を採取し 混合して供試した 植物残さや礫を除去して 風乾後 ルクヒア式土壌調整器 (RK-4, 大起理化 ) で 2mm 以下に粉砕した また 有機炭素および全窒素分析用として 上記試料の一部を遊星型ボールミル (Pulverisete7,Fritch) で微粉砕した ph(h2o) はガラス電極法 EC は 1:5 水浸出法 有機炭素はチューリン法 全窒素は NC アナライザーによる乾式燃焼法 可給態リン酸はトルオーグ法 可給態窒素は保温静置法 CEC および交換性塩基は吸引ろ過法で抽出後 それぞ 表 Ⅳ-1 試験区の構成 -22-

25 れ蒸留法および ICP 発光分析法で定量した ( 土壌養分測定法委員会,1970; 土壌標準分析 測定法委員会,1986; 土壌環境分析法編集委員会,1997) 土壌生物性については,2006 年から 2010 年に土壌化学性分析用に採取した試料の一部を生土のまま供試し 微生物バイオマスを測定した 土壌採取後 乾燥させないように 2~ 3 時間内に植物残さや礫を除去し 5mm のふるいを通して直ちにクロロホルムくん蒸 - 抽出法でバイオマス炭素および窒素を分析した ( 土壌環境分析法編集委員会, 1997) 抽出液中の有機炭素および窒素の定量は全有機炭素計 (TOC-VTNM-1, 島津製作所 ) によりおこなった 2008 年には 土壌呼吸活性を測定するため 上記の土壌採取時に 100mL の採土管を用いて各区 2 ヶ所 3 反復で作土を採取した 採取後 採土管の上部のフタを開けて 直ちに 500mL のスチロール棒ビンに入れて密栓し 石沢らの方法 ( 土壌標準分析 測定法委員会,1986) に準じて 24 時間土壌呼吸量 ( 二酸化炭素発生量 ) を測定した また 2009 年にはバイオマス測定用に採取した試料の一部を用いて PCR-DGGE 法 ( 森本 星野,2008) により土壌糸状菌相を分析し DGGE バンドパターンからクラスター解析 (Ward 法 ) および多様性指数 (H, ) の算出をおこなった 3. 結果 1) 有機物による土壌への成分投入量乾物投入量は, セスバニアが 8.6Mghā 1 yr -1 牛ふん堆肥が 11.8Mghā 1 yr -1 と牛ふん堆肥の方が多かった ( 表 Ⅳ- 2) C/N 比はセスバニアが 30.5 牛ふん堆肥が 17.7 であった 成分投入量については 炭素投入量はセスバニアが牛 ふん堆肥よりやや多かったが それ以外はすべてセスバニアの方が少なかった 窒素はセスバニアが 138kghā 1 yr -1 牛ふん堆肥が 209kghā 1 yr -1 リンはセスバニアが 21kg hā 1 yr -1 牛ふん堆肥が 151kghā 1 yr -1 であった 塩基類についても セスバニアの投入量は牛ふん堆肥よりすべて少なく カリウムは約 1/3 カルシウムは約 1/6 マグネシウムは約 1/20 であった 2) 有機物連用が作物収量に及ぼす影響スイートコーンの平均収量に有意な差はなかったが 化肥区に比べて化学肥料窒素を 3 割減肥しても 緑肥区は 11% 堆肥区は 7% 増収した ( 表 Ⅳ-3) 3) 有機物連用が土壌に及ぼす影響茨土壌物理性容積重は 緑肥や堆肥の連用によって若干であるが有意に低下したが 三相分布 有効水分 飽和透水係数は 試験区間に有意な差はなかった ( 表 Ⅳ-4) 芋土壌化学性 ph(h2o) EC CEC 交換性カルシウムは すべての試験区で試験経過年数との間に有意な相関はなかった ( 表 Ⅳ- 5) また 年次間の変動も小さく 各試験区とも ph(h2o) は 8 前後 EC は 18mSm -1 前後 CEC は 28cmolckḡ 1 前後 交換性カルシウムは 36cmolckḡ 1 前後で推移していた 有機炭素 全窒素は有機物の連用に伴って有意に増加したが ( 表 Ⅳ-5) 緑肥区も堆肥区もその増加量はわずかであった ( 図 Ⅳ-1,2) 有機炭素の回帰直線の傾きはどちらも 0.08gkḡ 1 yr -1 であり 両者に差はなかった ( 図 Ⅳ-1) 化肥 表 Ⅳ-2 セスバニアと牛ふん堆肥の乾物投入量 C/N 比 成分含有率および成分投入量 ( 試験期間の平均値 ) 表 Ⅳ-3 試験期間のスイートコーン平均収量と指数 表 Ⅳ-4 有機物施用がジャーガル作土の土壌物理性に及ぼす影響 -23-

26 表 Ⅳ-5 試験経過年数と土壌化学性の相関係数 図 Ⅳ-1 栽培跡作土の有機炭素の推移 図 Ⅳ-2 栽培跡作土の全窒素の推移 図 Ⅳ-3 栽培跡作土の可給態窒素の推移 図 Ⅳ-4 栽培跡作土の可給態リン酸の推移 図 Ⅳ-5 栽培跡作土の交換性マグネシウムの推移 図 Ⅳ-6 栽培跡作土の交換性カリウムの推移 -24-

27 区は 試験期間を通してほとんど変化はなかった 可給態窒素はすべての試験区で試験経過年数に伴って有意に増加した ( 表 Ⅳ-5, 図 Ⅳ-3) 緑肥区と堆肥区の回帰直線の傾きは 化肥区に比べて約 1.5 倍であり 他の土壌化学性項目に比べて有機物施用の有無による差が大きかった 可給態リン酸も すべての試験区において試験経過年数に伴って有意に増加した ( 表 Ⅳ-5, 図 Ⅳ-4) 増加量は 化肥区と緑肥区は等しく 堆肥区は他の試験区に比べて回帰直線の傾きが 0.017gkḡ 1 yr -1 と大きかった 交換性カルシウムは 試験経過年数との間に有意な差はなかったが 交換性マグネシウムと交換性カリウムは 試験経過年数に伴って有意に増加した ( 表 Ⅳ-5, 図 Ⅳ-5,6) 交換性マグネシウムの増加量は すべての試験区でほぼ等しかった 交換性カリウムの増加量は 堆肥区が他の試験区に比べてやや高い傾向であった 鰯土壌生物性微生物バイオマス炭素とバイオマス窒素は 5 年間 (2006 ~ 2010 年 ) をとおして緑肥区および堆肥区で化肥区より有意に高かった ( 図 Ⅳ-7,8) 緑肥区と堆肥区の間には有意な差はなかった また バイオマス炭素 窒素と可給態窒素の間に 0.1% 水準で有意な正の相関があった ( 図 Ⅳ-9,10) 2008 年栽培跡作土の土壌呼吸活性は バイオマスと同様に 緑肥区および堆肥区が化肥区に比べて有意に高かった ( 図 Ⅳ-11) 糸状菌 18SrDNA の DGGE パターンは試験区間に違いが みられた ( 図 Ⅳ-12) DGGE パターンに基づくクラスター解析を Ward 法でおこなった結果 化肥区および緑肥区と堆肥区でクラスターが分かれた ( 図 Ⅳ-13) DGGE パターンから算出した多様性指数 (H, ) は 化肥区は 2.4 緑肥区は 2.6 堆肥区は 2.5 であったが 試験区間に有意な差はなかった 4. 考察 1) 有機物連用が作物収量に及ぼす影響スイートコーン収量は 緑肥や堆肥の連用によって 化学肥料窒素を 3 割減肥しても化肥区に比べて緑肥区は約 11% 堆肥区は約 7% 増収した ( 表 Ⅳ-3) 一般に C/N 比が高い有機物を施用した場合には窒素の有機化がおこるため ( 志賀ら,1985; 西尾ら,1988) 窒素飢餓による減収が懸念される 本研究の有機物連用試験圃場においても 有機物としてサトウキビ枯葉 (C/N 比 :112) を鋤込む試験区を設けていた連用試験開始後 10 年間においては サトウキビ収量は化学肥料単用区より減収した ( 比嘉ら,2011) 今回施用した有機物の C/N 比は セスバニアは 30.5 牛ふん堆肥は 17.7( 表 Ⅳ-2) と低かったので窒素飢餓はおこらず 増収効果があったと考えられた 緑肥として 沖縄県ではソルゴーもよく利用されているが C/N 比は 70~ 100 である ( 宮丸ら,2008b) ソルゴーのように C/N 比が高い緑肥を鋤込む場合には 窒素飢餓に注意する必要があると思われる 図 Ⅳ-7 栽培跡作土のバイオマス炭素 ( 同一年次の異符号間に 5% 水準で有意差あり ) 図 Ⅳ-8 栽培跡作土のバイオマス窒素 ( 同一年次の異符号間に 5% 水準で有意差あり ) 図 Ⅳ-9 バイオマス炭素と可給態窒素の関係 (***:0.1% 水準で有意 ) 図 Ⅳ-10 バイオマス窒素と可給態窒素の関係 (***:0.1% 水準で有意 ) -25-

28 図 Ⅳ 年栽培跡作土の土壌呼吸活性 ( 異符号間に 5% 水準で有意差あり ) 図 Ⅳ-12 栽培跡作土の糸状菌 18S の DGGE パターン ( 数字は各試験区の反復を示す ) 図 Ⅳ-13 糸状菌 18S の DGGE パターンに基づくクラスター解析 ( 試験区の後の数字は反復を示す ) 有機物由来の平均窒素投入量は 緑肥区が 138kghā 1 yr -1 堆肥区が 209kghā 1 yr -1 と堆肥区の方が多かった ( 表 Ⅳ-2) しかし 両試験区間で有意な差はないものの スイートコーン収量は緑肥区の方がやや高い傾向であった 高間 廣澤 (2008) は 黒ボク土畑における有機物連用試験で 収量に対する影響が最も大きかったのは可給態窒素であると報告している 土壌の可給態窒素は 10 年間を通して緑肥区が堆肥区よりやや高く維持されており ( 図 Ⅳ-3) 本研究でも可給態窒素の影響が大きかったのではないかと考えられた 2) 可給態窒素と微生物バイオマス 呼吸活性の関係既報 ( 坂本 大羽,1993; 関ら,1996; 村田ら,1997) と同様に 可給態窒素とバイオマス窒素には有意な正の相関が認められた ( 図 Ⅳ-10) バイオマス窒素について試験区毎に比較すると 緑肥区と堆肥区は化肥区に比べて 5 年間の平均でそれぞれ約 70% 約 60% 高かった ( 図 Ⅳ-8) バイオマス炭素についても同様であった ( 図 Ⅳ-7) 一方 全窒素は同じ 5 年間の平均で 緑肥区と堆肥区は化肥区に比べてそれぞれ約 20% 約 30% 高かった ( 図 Ⅳ-2) 有機炭素は 緑肥区と堆肥区は化肥区に比べてそれぞれ約 40% 約 50% 高かった ( 図 Ⅳ-1) これらのことから ジャーガルに -26-

29 おける有機物施用は 有機炭素や全窒素の増加よりも微生物バイオマスの増加に非常に有効であり その結果 可給態窒素が増加すると推察された 緑肥区と堆肥区の微生物バイオマスには有意な差はなかった ( 図 Ⅳ-7,8) 丸本 (1996) は 微生物バイオマス形成に最も大きな影響を及ぼすのは土壌への炭素源の供給量であると報告している セスバニアと牛ふん堆肥による炭素投入量は それぞれ kghā 1 yr -1 とほぼ等しかったため ( 表 Ⅳ-2) バイオマスにも有意な差がなかったと考えられた 金澤 田角 (2006) は 堆肥施用によって微生物バイオマスおよび土壌酵素活性が増加することを報告している 本試験において 有機物連用によってバイオマスと同様に土壌呼吸活性も約 3 割増加し ( 図 Ⅳ-11) 緑肥区および堆肥区で土壌有機物の無機化による作物への養分供給力が増加していることが推察された これらのことから 矢内ら (2011) の灰色低地土における有機物連用試験の結果と同様に ジャーガルにおいても有機物連用は可給態窒素の増加効果が非常に高いことが実証された また 緑肥 ( セスバニア ) の連用は 牛ふん堆肥の連用と同様に微生物バイオマス 活性の維持増進に有効であり 作物への養分供給力の指標である可給態窒素を高めることが明らかとなった 3) 有機物連用が土壌微生物相に及ぼす影響有機物長期連用試験圃場における土壌微生物相の変化は これまでに希釈平板法 ( 清水 藤本,1983) 直接検鏡法による糸状菌バイオマス / 細菌バイオマス比の解析 (SakamotoandOba,1994; 坂本 大羽,1995) リン脂質脂肪酸組成の解析 ( 荒尾ら,1998) 呼吸鎖キノン組成の解析 (Katayamaetal.,1998; 金澤 田角,2006) によって報告されている 本研究では PCR-DGGE 法で有機物長期連用が糸状菌相に及ぼす影響を解析した PCR-DGGE 法では 培養過程を経ずに土壌から直接抽出した DNA を解析することによって 培養できない微生物も含めた微生物相を簡易に解析できる ( 對馬,2010) 畑土壌では微生物バイオマスの 70% は糸状菌であるため ( 西尾,1986) 糸状菌相について解析をおこなった 糸状菌 18SrDNA の DGGE パターンに基づくクラスター解析の結果 試験区毎にクラスターが分かれ ( 図 Ⅳ-12) 有機物施用によって糸状菌相が変化することが認められた 特に 堆肥区は他の試験区とクラスターが分かれたため 堆肥中の糸状菌の影響が考えられた 多様性指数については試験区間に有意な差はなく それぞれの試験区に特有で同程度多様な微生物相が形成されていると考えられた 以上のように ジャーガルにおける緑肥や堆肥の連用が土壌糸状菌相に影響を与えることは明らかとなった しかし 有機物連用による土壌微生物相の変化と作物生産性との関連を解明することは 今後の課題である 4) 有機物連用が土壌化学性に及ぼす影響一定量の有機物を毎年連用していくと 土壌中に集積する有機物量は年々増大し ついには極限値に到達し その水準での平衡状態あるいはそれに近い状態となる ( 出井, 1975) 有機炭素および全窒素は 試験経過年数に伴って緑肥区および堆肥区で増加していたが その増加量はわずかであり ( 図 Ⅳ-1,2) 極限値に近い状態で維持されていたと推察された 中津 田村 (2008) は 現物で 25Mghā 1 程度の有機物が投入されれば 全炭素 全窒素はほぼ維持されると報告しており 本試験でも同様な結果が得られた また 土壌での有機物の分解率が小さいほど極限値は大きくなる ( 出井,1975) 2010 年の有機炭素は 緑肥区の 9.4gkḡ 1 に対して堆肥区では 10.5gkḡ 1 と高くなっており ( 図 Ⅳ-1) この差は新鮮有機物であるセスバニアと牛ふん堆肥の土壌中での分解率を反映していると考えられた 本試験の有機物施用量は 沖縄県の露地野菜栽培における平均的な施用量であり ( 沖縄県農林水産部,2006b) 長期連用試験の結果であることから ジャーガル露地野菜畑の有機炭素は この程度の有機物投入量の場合は 10gkḡ 1 程度が極限値と見積もられた 沖縄県のジャーガル露地野菜畑の土壌診断基準 ( 案 ) は 有機炭素で 12~ 17gkḡ 1 である ( 沖縄県農業試験場,1979) 本試験の結果と比較すると高く設定されており 今後 再検討する必要がある 奄美地域の島尻マージ ( 暗赤色土 ) における緑肥の連用試験において 交換性カルシウムとマグネシウムは溶脱によって漸減傾向を示したため 緑肥の長期連用の際にはカルシウムやマグネシウムの補給が必要とされる ( 後藤 永田,2000) 本試験の緑肥区では 交換性カルシウムは試験期間を通してほぼ一定であり 交換性マグネシウムは試験経過年数に伴って微増した ( 表 Ⅳ-5, 図 Ⅳ-5) 化肥区 堆肥区も同様であり この結果はジャーガルと島尻マージの土壌特性の違いによると考えられた ジャーガルは島尻マージより CEC が高く 島尻層群の泥灰岩が母材であるためカルシウムを豊富に含んでいる ( 渡嘉敷,1993) 前述の島尻マージ圃場の CEC は 16cmolckḡ 1 であったが 本試験圃場の CEC は 28cmolckḡ 1 と高かったため 交換性カルシウムおよびマグネシウムの溶脱が少なかったと推察された また ジャーガルでは施肥による供給量に比べて 土壌からの天然供給量も多いのではないかと推察される 緑肥区の交換性カリウムについては 後藤 永田 (2000) の結果と同様に試験経過年数に伴って増加していたが 増加量は化肥区と同程度であり堆肥区より少なかった ( 図 Ⅳ-6) 以上のことから 後藤 永田 (2000) の島尻マージにおける報告と異なり ジャーガルにおける緑肥連用では交換性塩基類に格別に注意する必要はないと考えられた しかし 作物栽培全般において 安定生産のためには土壌診断に基づく施肥管理が重要である 可給態リン酸は すべての試験区において試験経過年数に伴って有意に増加したが ( 表 Ⅳ-5) 緑肥区の増加量は化肥区と等しく 緑肥施用による可給態リン酸の増加効果はみられなかった ( 図 Ⅳ-4) 一方 堆肥区では化肥区より増加量が大きく 堆肥施用による増加効果がみられた 可給態リン酸の沖縄県土壌診断基準案は 0.1gkḡ 1 以上であり ( 沖縄県農業試験場,1979) それを下回る土壌では 可給態リン酸増加のために施用する有機物として緑肥より堆肥が望ましいと考えられた 5) 有機物連用が土壌物理性に及ぼす影響有機物連用によって畑土壌の物理性が改善することは 中粒灰色低地土 ( 香西 川根,1995) や中粗粒黄色土 ( 黒柳ら,1997) 黒ボク土 ( 加藤 米田,2001) で報告されている 本試験では 牛ふん堆肥や緑肥の連用による物理性改善効果はほとんどみられなかった ( 表 Ⅳ-4) 後藤 永田 (2008) も 奄美地域の島尻マージ ( 暗赤色土 ) において サトウキビの枯葉を原料とした堆肥の連用 (100Mghā 1 yr -1 ) で物理性改善効果がみられなかったことを報告している 原 -27-