JP6995386B2

JP6995386B2 - 木質系素材を原料とする土壌改良材の製造法及び土壌改良方法

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Publication number: JP6995386B2
Application number: JP2019200002A
Authority: JP
Inventors: 秀樹山口
Original assignee: 宮崎みどり製薬株式会社
Priority date: 2019-01-18
Filing date: 2019-11-01
Publication date: 2022-01-14
Anticipated expiration: 2039-11-01
Also published as: JP2020117684A

Description

特許法第３０条第２項適用平成３０年１１月７日ホテルメトロポリタン（東京都豊島区西池袋１－６－１）において開催された第４１回全国ネッカリッチ研修会で発表

本発明は、土壌の保水性、排水性等を改善するとともに、地温の安定性等を向上して土壌微生物の安定的な生存を可能とし土壌呼吸を促進する土壌改良材の製造法及びこれを使用した土壌改良方法に関する。

作物の生育に適さない土壌を改良し、生産性を向上させるため、従来から土壌改良材が使用されてきた。このような土壌改良材としては、例えば、木炭、バーミキュライト、泥炭、パーライトなどが挙げられ、これらを土壌に施用することによって保水性や透水性の改善が図られている。

その他にも様々な検討がなされており、例えば、特許文献１には、杉又は檜の皮を繊維状、チップ状等にして発酵させることで、土壌のｐＨを調整できる土壌改良材が開示されている。また特許文献２には、微細化したモンモリロナイトをココナッツピートなどの植物性担体に担持させた土壌改良材が記載されている。

特開２０１６－４４２３５号公報特開２０１５－２２９７０９号公報

本発明は、土壌の保水性、排水性等を向上させるとともに、低温時期の地温を上昇させ土壌微生物の生育環境を保持し得る土壌改良材の製造方法を提供することを課題とする。

本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究を行った結果、木質系素材のチップ原料を特定の条件下で蒸煮処理し繊維状にした繊維状物を土壌に加えることで、地温が安定的に維持されるため、土壌微生物の生育が促進され、かつ、土壌の排水性、保水性及び保肥性等が改善されることを見出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち本発明は、木質系素材より得られるチップ原料を圧力３～６気圧、温度１２０～１６０℃で６０～１２０分間蒸煮し、次いで得られた蒸煮物を擂り潰し、繊維状とすることを特徴とする土壌改良材の製造方法である。

本発明の土壌改良材を土壌に加えることで、地温の変動が抑制され、安定的に維持されるため、土壌微生物の生育が促進され、望ましい土壌微生物叢が形成され得る。また土壌の排水性、保水性及び保肥性等を向上することが可能である。

本発明の製造方法で使用する製造プラントを模式的に示す図面である。製造プラントで用いる蒸煮缶の正面図である。蒸煮缶の右側面図である。試験例１における各試料の吸水量を示すグラフである。試験例１における各試料の水分の排出量を示すグラフである。試験例２における水分添加後の質量の経時変化を示すグラフである。実施例２における午前８時の地温の変化を示すグラフである。実施例２における午後５時の地温の変化を示すグラフである。実施例４におけるｐＦ値の変化を示すグラフである。

本発明の土壌改良材は、木質系素材からのチップ原料を蒸煮し、この蒸煮物を擂り潰し、繊維状としたものである。

原料となるチップは、チッパー等の装置を用い、木質系素材を、６から１６ｃｍ²程度の大きさ、２から３ｍｍ程度の厚みとしたものである。チップを得るための木質系素材としては、特に制約はないが、古材でなく、生の木質系素材を利用することが好ましい。木質系原料の樹種は特に限定されるものではなく、例えば、杉、檜、松等の針葉樹類や樫、桐、楠等の広葉樹類等が挙げられるが、土壌の排水性や保水性の改善効果等の点で杉が好適である。

このチップ原料の蒸煮は、３～６気圧、好ましくは、４～５気圧程度の圧力下、１２０～１６０℃、好ましくは１３０～１６０℃、より好ましくは１５０～１６０℃程度の温度で、６０～１８０分間、好ましくは６０～１２０分間、より好ましくは９０～１２０分間程度行われる。

このように蒸煮されたチップ原料（以下、「蒸煮チップ」という）は、次に擂り潰し、繊維状とされる。

この擂り潰しは、例えば、リファイナー（解繊機）の固定刃と回転刃の刃間を２ｍｍ程度として擂り潰すことにより行われる（刃先が磨り減った場合は０.８５ｍｍ程度まで許容される）。

この擂り潰しにより、繊維状物が得られ、放冷されて土壌改良材として使用できる。

本発明においては、上記のように、例えば６気圧以下の圧力、１５０℃程度の温度で蒸煮されるため、木材が柔軟化するとともに、木材中のセルロースや、ヘミセルロースが軟化し、腐朽、食害への抵抗性を有し、白色腐朽菌にしか分解できないリグニンの結合を壊す。そして、リファイナー等の作用により繊維状に解繊される。この資材は、有害物質のフルフラールをほとんど含んでおらず（多くとも２ｐｐｍ以下）、安全性の高いものである。

次に、本発明の土壌改良材を製造するために用いる製造プラントの一例について説明する。

図１は、発明の土壌改良材を製造するために用いる製造プラントを模式的に示した図面であり、図２は、この製造プラントで用いる蒸煮缶の正面図、図３は、その右側面図である。図中、１は蒸煮缶、２は台車レール、３はホイストコンベア、４はホイストクレーン、５は収納網篭、６はレシプロサイロを示す。また、７はスクリューコンベア、８は搬送コンベア、９はリファイナー入口、１０はリファイナー、１１はスロートスクリュー、１２は回転刃物・固定刃物部、１３はリファイナー出口である。

このプラントで用いる蒸煮缶１の中に収納網篭５が３個収納される。この蒸煮缶１は、正面から見ると図２に示すように開閉扉が取り付けられた状態になっている。この蒸煮缶１の側面には、図３に示すように圧力計１９、温度計２０を供え、圧力・温度を一定に保つ機能を供えている。また、ボイラーからの蒸気を導入するための蒸気入口１８も設けられている。

また、収納網篭５の出し入れは、着脱可能な台車レール２上を電動式で行なわれ、ホイストクレーン４で収納網篭５を吊り上げ、ホイストコンベア３でレシプロサイロ６まで搬送する。

このレシプロサイロ６は、蒸煮チップを受納して、センサーにより自動的に作動する内蔵のレーキで蒸煮チップをスクリューコンベア７に送り、スクリューコンベア７は蒸煮チップを定時定量で搬送コンベア８に送る自動式操作サイロである。

更に搬送コンベア８はチップを定時定量でリファイナー１０に搬送する設備である。

リファイナー１０は、その入口９より蒸煮チップを受け入れ、スロートスクリュー１１により蒸煮チップを擂り潰す回転刃物・固定刃物部１２に送り、ここで擂り潰され、出口１３より繊維状の資材として排出される。排出された資材は空送ファン１４で風送管１５を通り、サイクロン１６を介して集積室１７にいたる。

図１に示す製造プラントで資材を調製するには、次のようにすればよい。すなわち、まず、蒸煮缶１の開閉扉を開け、中に収納されている収納網篭５を台車レール２の上を転がし外に出す。フォークリフトで収納網篭５を持ち上げ、チップサイロでチップを受け、台車レール２に乗せ、再度蒸煮缶１の中に収用する。耐圧性の扉を閉めて、ボイラーからの蒸気を蒸気入口１８より取り入れ蒸気加圧する。この工程は、チップのセルロース、ヘミセルロースを軟化し木質の柔軟化を図るためのものである。

この様にして蒸煮の工程が終了したら、次に蒸煮缶１の扉を開け、収納網篭５を、台車レール２を使って取り出し、ホイストクレーン４で吊り上げ、ホイストコンベア３を移動してレシプロサイロ６に投入する。その場合、収納網篭５をレシプロサイロ６の上部に到着すると自動的に収納網篭５の底板が開き、蒸煮チップがレシプロサイロ６に投入される。

このレシプロサイロ６は、蒸煮チップを受納して、センサーにより自動的に作動する内蔵のレーキで蒸煮チップをスクリューコンベア７に送り、スクリューコンベア７は蒸煮チップを定時定量で搬送コンベア８に送り、搬送コンベア８は蒸煮チップを定時定量でリファイナー１０に搬送する。

このリファイナー１０では、その入口９で受けた蒸煮チップがスロートスクリュー１１により回転刃物・固定刃物部１２まで送られ、擂り潰され、資材として出口１３から排出される。この排出された資材は、風送ファン１４により風送管１５を通り、サイクロン１６で空気と資材に分離され集積室１７に集積される。

このようにして得られた土壌改良材を土壌に散布、添加、混合するなどして施用することにより、保水性、排水性の改善効果等が得られる。施用量は特に制限されない。

以下、実施例を挙げ、本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

実施例１
土壌改良材の製造：
国産杉材を、チッパーを用い、厚さ約３ｍｍ程度のチップとした。この原料チップ２，０００ｋｇを、図１で示した装置の蒸煮缶（直径２ｍ、長さ４．５ｍ）の中の収納網篭に入れ、４気圧、１５０℃で１８０分間、１時間当たり１，６９０ｋｇの水蒸気を用いて蒸煮した。次にこの蒸煮チップ１，０００ｋｇをリファイナーにより、３，３００Ｖ、１３２ｋＷの力で６０分間かけて擂り潰し、繊維状物を得た。外観は茶褐色であり、握るとフンワリとした繊維状を呈し、かすかに芳香性を有するものであった。また、下記条件により製品５点についてフルフラールを分析したところ、フルフラールの含量は最大２μｇ／ｇ（ｐｐｍ）、最小は検出限界（１μｇ／ｇ）以下であり、試料中３点が検出限界以下であった。

（フルフラール分析条件）
試薬及び装置：
フルフラール（2-furaldehyde)：和光純薬工業（株）製
その他の試薬はすべて和光純薬工業（株）製残留農薬試験用を用いた。
バキュームコントローラー：ＥＹＥＬＡ社製ＮＶＣ－１１００型
ガスクロマトグラフ：ヒューレットパッカード社製ＨＰ５８９０ＳＥＲＩＥＳ II
データ処理装置：同上ＨＰ３３９６Ａ

ガスクロマトグラフ操作条件：
検出器：水素炎イオン化検出器(ＤＩＤ)
分離カラム：Ｊ＆ＷＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃ社製ＤＢ－２１０
(０.２５ｍｍＩ.Ｄ.×３０ｍ、膜厚０.２５μｍ)
キャリアガス：ヘリウム
メイクアップガス：ヘリウム
水素ガス：１.２ｋｇ／ｃｍ²
乾燥空気：３.２ｋｇ／ｃｍ²
カラムオーブン温度：６０℃(１分)～昇温５℃／分～１６０℃(１分)～昇温３０℃／分～２５０℃(５分)
注入口温度：２５０℃
検出器温度：２６０℃
注入量：２μＬ
試料導入方法：スプリットレス

試験例１
水分の吸収効果：
実施例１の土壌改良材について水分の吸排出効果を確認した。実施例１の土壌改良材を１０５℃に設定した乾燥恒温器内で４０時間乾燥させ、１０．０ｇずつをポリエステルのネットに入れ、２４時間水道水に浸した。吸水スピードを見るために、３０分後、６０分後、１８０分後、３６０分後に取り出し、５分間放置（金網の上）後の質量を測定し、土壌改良材１ｇ当たりの吸水量（ｇ）を算出した。製造過程における原料チップ、蒸煮チップについても同様にして試料の乾燥質量１ｇ当たりの吸水量（ｇ）を求めた。結果を下記表１及び図４に示す。

水分の保持効果：
実施例１の土壌改良材を２４時間水道水に浸漬した後、湿度７５％の環境下に置き、所定時間経過後に質量を測定して、乾燥質量１ｇ当たりの水分の保持量の経時的な変化を調べた。原料チップ、蒸煮チップも同様にして求めた。結果を表２に示す。

水分の排出効果：
試験例２において湿度７５％下で１６８時間経過後の各試料を取りだし、湿度２５％の環境下に置き、所定時間経過後に質量を測定して、乾燥質量１ｇ当たりの水分の排出量を求めた。結果を表３及び図５に示す。

以上より、実施例１の土壌改良材は、原料チップ及び蒸煮チップと比較して、多量の水分を環境に応じて吸収、保持、排出することができ、優れた水分の吸排出能を有することが示された。

試験例２
海砂に対する保水性向上効果：
実施例１の土壌改良材を十分に風乾させた後、１０５℃に設定した乾燥恒温器内で２時間乾燥した。また海砂を十分に風乾させた後、２ｍｍメッシュの網で振るい、１０５℃に設定した乾燥恒温器内で２時間乾燥した。実施例１の土壌改良材と海砂を質量比０：１００（試験区I）、１：９９（試験区II）又は５：９５（試験区III）で全体が１００ｇとなるように混合し試料とした。各試料をポリエステルのネットに入れ、水分が抜けるように穴をあけた容器に設置し、各３０ｇの水道水を加えた。１０分後、１、１２、２４、４８、１２０時間後に各試料の質量を測定した。結果を表４及び図６に示す。

水分添加直後より実施例１の土壌改良材を混合した試験区では吸水力が高くなる傾向がみられた。吸水・保水力の少ない海砂のような粒子の大きい土壌において、本発明の土壌改良材を混合することにより、雨や潅水による水分を無駄なく土壌中に保つ効果が生まれるものと推察される。

実施例２
土壌に、実施例１で得られた土壌改良材を２，８５７ｋｇ／１０ａの施用量で堆肥散布機を用い均等に散布した後、トラクターで攪拌した（試験区）。何も加えていない土壌を対照区とした。それぞれの地表から１５ｃｍの深さの地温を午前８時及び午後５時に測定した。測定は１か月間にわたって毎日行った。その結果を図７及び８に示す。

対照区と比べ、試験区の方が午前８時で平均約１℃、午後５時で平均約０．６℃地温が高かった。試験区では、寒さの厳しい時期における地温の急激な低下を防ぐ傾向が認められた。

実施例３
試験管内に、圃場より採取した土１０ｇ及び実施例１の土壌改良材０．１ｇを加え、土壌試料を調製した。最初の２週間は２０ｍｌ／日の水で洗浄し、電気伝導度を測定しながら塩基類の流出を確認した。その後１６日間、土量に対し２質量％の水を１回／日及び液肥を数滴添加した。それから純水で軽く湿らせた待ち針を土壌に３回深さ２ｃｍまで差し、差した部分を１ｍｌの生理食塩水中に入れて撹拌した後、標準寒天培地で３７℃、２４時間培養し、デジタルカメラでコロニー数をカウントした（１６日後の菌数）。土壌改良材無添加を対照とし、それぞれについて初日の菌数（０日の菌数）に対する増加率を下記式により求めた。結果を表５に示す。
［数１］
増加率（％）＝｛（１６日後の菌数）×１００｝／（０日の菌数）

表５に示すとおり、試験区では、対照区と比べて明らかな微生物の増加が認められた。なお、各区の培地よりコロニーを４つずつ採取し、飛行時間型質量分析計（ＭＡＬＤＩ－ＴＯＦ－ＭＳ、ＢＲＵＫＥＲ社製、microflex LT/SH (Bruker Daltonik GmbH))で測定後、MBT Compass 4.1により、ライブラリ(MBT Compass Library Ver.7.0.0.0(7311))で微生物同定を行ったところ、全てBacillus megaterium（バチルス・メガテリウム）であった。バチルス・メガテリウムは広く存在している好気性菌であり、この微生物が増加していたことから、好気性菌の生育に適した環境が形成されていたといえる。

さらに上記土壌試料を１７９日間、水と液肥を添加し続け、低温時（平均気温１０℃）の菌数測定を行った。結果を表６に示す。

同様の方法で微生物同定を行ったところ検出した菌はすべてBacillus megateriumであった。Bacillus megateriumは低温環境下では活性が弱まるが、試験区においては、対照区と比べて明らかに菌の活性が維持されていた。

実施例４
土壌改良材を施用した圃場におけるｐＦ値の推移：
宮崎県串間市の甘藷圃場（２３ａ）において実施例１の土壌改良材の施用による土壌水分の維持・安定化（透水性・保水性）効果を調べるためにｐＦ値測定用のデータロガーを設置し、ｐＦ値について測定・記録をした。データロガーを対照区と試験区（実施例１の土壌改良材施用１，５００ｋｇ／１０ａ）の東側から約５メートルの位置、畝の上部から１５ｃｍ地点に設置し記録した。その結果を図９に示す。

植物の生育には排水性（透水性）が良く、保水性の高い土壌が求められる。土壌水分の状態を評価するための指標としてｐＦ値がある。ｐＦ値は土壌中に保持された水を作物が利用するため、その土壌から水を引き離す力を表すものである。２０１９年６月１４日未明から６月１５日にかけては大雨であったため、ｐＦ値は急激に下がったが、試験区のｐＦ値の下がり方は対照区よりも遅かった。さらに、その後のｐＦ値回復を見た場合、対照区に比べ試験区の方が速やかに回復した。この結果は、本発明の土壌改良材を施用することにより、土壌の保水性を維持しながら排水性を高めたことを示しており、土壌水分の維持・安定化対策に本発明の土壌改良材が有用であることが明らかになった。

本発明により得られる土壌改良材は、地温が安定的に維持されるため、土壌微生物の生育が促進されるとともに、土壌の排水性及び保水性を向上することが可能であるため、土壌の生産性向上に対して有効である。

１……蒸煮缶
２……台車レール
３……ホイストコンベア
４……ホイストクレーン
５……収納網篭
６……レシプロサイロ
７……スクリューコンベア
８……搬送コンベア
９……リファイナー入口
１０……リファイナー
１１……スロートスクリュー
１２……回転刃物・固定刃物部
１３……リファイナー出口
１４……風送ファン
１５……風送管
１６……サイクロン
１７……集積室
１８……蒸気入口
１９……圧力計
２０……温度計

Claims

木質系素材より得られるチップ原料を圧力３～６気圧、温度１２０～１６０℃で６０～１２０分間蒸煮し、次いで得られた蒸煮物を擂り潰し、繊維状とすることを特徴とする土壌改良材の製造方法（但し、蒸煮がアンモニア又はアンモニア発生剤の存在下で行われるものを除く）。
木質系素材より得られるチップ原料を圧力３～６気圧、温度１２０～１６０℃で６０～１２０分間蒸煮し、次いで得られた蒸煮物を擂り潰して得られる繊維状物を土壌に添加することを特徴とする土壌改良方法（但し、蒸煮がアンモニア又はアンモニア発生剤の存在下で行われるものを除く）。