WO2014103919A1 - 人工土壌団粒体、及び人工土壌培地 - Google Patents
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Abstract
Description
サブnmオーダー乃至サブμmオーダーの細孔を有するフィラーが複数集合してなり、前記フィラーの間にサブμmオーダー乃至サブmmオーダーの連通孔が形成された人工土壌粒子を団粒化した人工土壌団粒体であって、
pF1.7~2.3の範囲における体積含水率が10~40%であり、且つ、pF1.5における気相率が20~80%であることにある。
前記人工土壌粒子の間に、μmオーダー乃至mmオーダーの一次間隙が形成されていることが好ましい。
前記一次間隙のサイズは、5~100μmであることが好ましい。
0.2~10mmのサイズを有することが好ましい。
前記人工土壌粒子は、5~1000μmの粒径分布を有することが好ましい。
前記細孔にイオン交換能を付与してあることが好ましい。
保水性材料を含むことが好ましい。
前記何れか一つに記載の人工土壌団粒体を使用したことにある。
図1は、本発明の人工土壌団粒体を構成する人工土壌粒子10の模式図である。同図では、人工土壌粒子10を概念的に示している。図1(a)は、フィラー12として、多孔質天然鉱物であるゼオライト12aを使用した人工土壌粒子10を例示したものである。図1(b)は、フィラー12として、層状天然鉱物であるハイドロタルサイト12bを使用した人工土壌粒子10を例示したものである。なお、図1中に示す記号x、y及びzは、後述する細孔11、連通孔13及び人工土壌粒子10のサイズを夫々表しているが、図面上でのx、y及びzの関係は、実際のサイズ関係を反映したものではない。
フィラー12が図1に示すゼオライト12aやハイドロタルサイト12bのような無機鉱物である場合、複数のフィラー12を集合して粒状物(人工土壌粒子10)を構成するために、バインダーを用いて粒状化を行うことができる。バインダーを用いた人工土壌粒子10の形成は、フィラー12にバインダーや溶媒等を加えて混合し、混合物を造粒機に導入し、転動造粒、流動層造粒、攪拌造粒、圧縮造粒、押出造粒、破砕造粒、溶融造粒、噴霧造粒等の公知の造粒法により行うことができる。得られた造粒体は、必要に応じて乾燥及び分級が行われ、人工土壌粒子10が完成する。また、フィラー12にバインダーを加え、さらに必要に応じて溶媒等を加えて混練し、これを乾燥してブロック状にしたものを、乳鉢及び乳棒、ハンマーミル、ロールクラッシャー等の粉砕手段で適宜粉砕して粒状物とすることも可能である。この粒状物は、そのまま人工土壌粒子10として用いることもできるが、篩にかけて所望の粒径に調整することが好ましい。
図2は、本発明の人工土壌団粒体1の模式図である。同図では、人工土壌団粒体1を概念的に示している。本発明の人工土壌団粒体1は、人工土壌粒子10を団粒化したものである。人工土壌団粒体1は、プランター等の容器に充填した形態で使用される。
土壌は、様々な大きさの土壌粒子により構成され、土壌粒子間に形成される隙間に、毛管現象等により水分が保持されている。土壌が水分を保持する力は、pF値として表される。pF値とは、水柱の高さで表した土壌水分の吸引圧の常用対数値のことであり、土壌中の水分が土壌の毛管力によって引き付けられている強さの程度を表す値である。pF値が2.0のとき、水柱100cmの圧力に相当する。pF値は土壌と水分の吸着の強さを表すものでもあり、土壌と水分の吸着力が弱いとpF値は低くなり、植物の根が水分を吸収し易い状態となる。一方、土壌と水分の吸着力が強いとpF値は高くなり、植物の根が水分を吸収するためには大きな力を要する。土壌中の隙間に空気が存在せず、全て水で充たされているときの状態がpF値0であり、100℃の熱乾状態の土壌であり、土壌と化合した水しか存在しない状態がpF値7となる。植物が根から吸収できる土壌中の水分は、降雨又は灌水後、通常24時間後に土壌中に残っている水分(pF1.7)から、植物が萎れ始める初期萎れ点(pF3.8)までの水分である。一般の土壌の場合、植物を栽培可能なpF値、所謂易効水の範囲は1.7~2.7である。しかし、本発明者らが実際に植物の栽培を行うと、pF値が2.3を超える場合、植物の生育性が低下する傾向があることが明らかとなった。そこで、本発明においては、人工土壌培地の易効水の範囲を1.7~2.3に規定する。pF値は、pFメータ(テンシオメーター)を用いて測定することができる。
VWC1.7~2.3(%) = 〔(W2.3-Wd)/100-(W1.7-Wd)/100〕 × 100 ・・・ (1)
この式において、例えば、右辺の(W2.3-Wd)は人工土壌団粒体1に含まれるpF2.3のときの保水量を重量(mg)で表しているが、水の比重は1であるため、(W2.3-Wd)の値(mg)はそのままpF2.3のときの保水量の体積(ml)と見なすことができる。本発明の人工土壌団粒体1では、pF1.7~2.3の範囲における体積含水率(%)が10~40%、好ましくは13~30%、より好ましくは20~30%に調整されている。
フィラーとしてゼオライト及びハイドロタルサイトを使用し、アルギン酸塩としてアルギン酸ナトリウムを使用し、多価金属イオン水溶液として5%塩化カルシウム水溶液を使用した。和光純薬工業株式会社製の試薬アルギン酸ナトリウムを水に溶解させて濃度0.5%の水溶液を調製し、アルギン酸ナトリウム0.5%水溶液100重量部に株式会社エコウェル製の人工ゼオライト「琉球ライト600」10重量部、及び和光純薬工業株式会社製の試薬ハイドロタルサイト10重量部を添加して混合した。混合液を5%塩化カルシウム水溶液中に1滴/秒の速度で滴下した。滴下した液滴が粒子状にゲル化した後、粒子状ゲルを回収して水洗し、55℃に設定した乾燥機で24時間乾燥させた。乾燥を終えた粒子状ゲルを乳鉢で粉砕し、粉砕したものを篩にかけて、75μmオーバー、106μmアンダーの粒径に分級し、人工土壌粒子を得た。この人工土壌粒子は、サブnmオーダー乃至サブμmオーダーの細孔を有するフィラーが複数集合し、フィラーの間にサブμmオーダー乃至サブmmオーダーの連通孔が形成されたものであった。
人工土壌粒子100mlに20%酢酸ビニルエマルジョン水溶液(酢酸ビニルエマルジョン:コニシ株式会社製ボンド木工用)50mlを加え、酢酸ビニルエマルジョン水溶液を人工土壌粒子全体に、浸透させ、80℃、48時間で乾燥させて固化させた。固化してブロック状になった人工土壌粒子の塊を乳鉢で粉砕し、粉砕したものを篩にかけて、0.25mmオーバー、2mmアンダーの粒径に分級し、人工土壌団粒体を得た。得られた人工土壌団粒体は、人工土壌団粒体を構成する人工土壌粒子間にμmオーダー乃至mmオーダーの空隙を有していた。
pF1.7~2.3の範囲における人工土壌団粒体の体積含有率を、上述の「人工土壌団粒体の保水性及び通気性」の項目で説明した式(1)から求めた。
また、pF1.5における人工土壌団粒体の気相率を、以下の手順で求めた。人工土壌団粒体からなる人工土壌培地を水道水に24時間浸漬して飽和含水状態にした試料を作成し、この試料をさらに1時間静置した。試料の重量水を流下させ、pFメータ(テンシオメ-タ)により試料のpF値が1.5を示したのを確認後、試料の形状を出来るだけ維持しながら100mL試料用円筒に採取し、大起理化工業株式会社製のデジタル実容積測定装置「DIK-1150」にセットして測定した値を、pF1.5における人工土壌団粒体の気相率とした。
測定の結果、人工土壌団粒体のpF1.7~2.3の範囲における体積含水率は14%であり、pF1.5における気相率は40%であった。この体積含水率及び気相率は、本発明の範囲に含まれるものであった。
人工土壌粒子及び人工土壌団粒体の作製手順、並びに人工土壌団粒体の一次間隙について、以下に説明する。
フィラーとしてゼオライトを使用し、アルギン酸塩としてアルギン酸ナトリウムを使用し、多価金属イオン水溶液として5%塩化カルシウム水溶液を使用した。和光純薬工業株式会社製の試薬アルギン酸ナトリウムを水に溶解させて濃度0.5%の水溶液を調製し、アルギン酸ナトリウム0.5%水溶液100重量部に株式会社エコウェル製の人工ゼオライト「琉球ライト600」20重量部を添加して混合した。混合液を5%塩化カルシウム水溶液中に1滴/秒の速度で滴下した。滴下した液滴が粒子状にゲル化した後、粒子状ゲルを回収して水洗し、55℃に設定した乾燥機で24時間乾燥させた。乾燥を終えた粒子状ゲルを乳鉢で粉砕し、粉砕したものを篩にかけて、0.1mmオーバー、0.25mmアンダーの粒径に分級し、人工土壌粒子を得た。
人工土壌粒子を水に浸漬して飽和含水状態にした後、1時間放置して重力水を流下させた。この含水させた人工土壌粒子100mlを、20%酢酸ビニルエマルジョン水溶液(酢酸ビニルエマルジョン:コニシ株式会社製ボンド木工用)50mlに混合し、80℃、48時間で乾燥させて固化させた。固化してブロック状になった人工土壌粒子の塊を乳鉢で粉砕し、粉砕したものを篩により分級して約3mmの粒径の人工土壌団粒体を作製した。
本発明の人工土壌団粒体が多孔質構造を備えていることを確認するため、水銀圧入法による孔径分布の測定を行った。図3は、水銀圧入法による本発明の人工土壌団粒体の孔径分布の測定結果を示すグラフである。本発明の人工土壌団粒体においては、図3に示す3つのピークが確認された。約30nm付近のピークはフィラーどうしの間に形成される微少な間隙であると推測され、約700nm付近のピークは連通孔であると推測され、約20μm付近のピークは一次間隙であると推測される。このように、本発明の人工土壌団粒体は、サブμmオーダー乃至サブmmオーダーの連通孔と、μmオーダー乃至mmオーダーの一次間隙を有しており、フィラーが有するサブnmオーダー乃至サブμmオーダーの細孔と合わせて、少なくとも三次のサイズ分布を備えた独特の多孔質構造を有することが確認された。
本発明の人工土壌団粒体を用いてラディシュの生育性を評価する試験を実施した。
下記の表1~3に記載される配合(重量部)に従って、フィラーとして陽イオン交換能が付与された材料(陽イオン交換材料)であるゼオライト(琉球ライトCEC600、株式会社エコウェル製)、ベントナイト(カサネン工業株式会社製)、及び陽イオン交換性樹脂(オルガノ株式会社製)のうちの少なくとも一つと、陰イオン交換能が付与された材料(陰イオン交換材料)であるハイドロタルサイト(和光純薬工業株式会社製)、及び陰イオン交換性樹脂(オルガノ株式会社製)のうちの少なくとも一つとをバインダーにより固めて実施例1~23、並びに比較例1~6に使用する人工土壌粒子を作製した。バインダーには、アルギン酸ナトリウム(和光純薬工業株式会社製)、アルギン酸カリウム(株式会社キミカ製)、寒天(和光純薬工業株式会社製)又はキサンタンガム(ソアキサン(登録商標)XG550、エムアールシー ポリサッカライド株式会社製)とローカストビーンガム(ソアローカスト(登録商標)A120、エムアールシー ポリサッカライド株式会社製)との混合剤を使用した。
<人工土壌団粒体の作製>
(1)人工土壌粒子又は人工土壌団粒体のサイズ
人工土壌粒子又は人工土壌団粒体を篩によって予め所定のサイズに分級し、分級したものについて画像処理を用いた測定法でサイズを測定し、これを試料として使用した。
人工土壌粒子及び人工土壌団粒体のサイズは、上述の「人工土壌団粒体」の項目で説明した光学顕微鏡観察及び画像処理法を用いて測定した。
(2)陽イオン交換容量
富士平工業株式会社製の汎用抽出・ろ過装置「CEC-10 Ver.2」を用いて人工土壌粒子の抽出液を作製し、これを陽イオン交換容量測定用試料とした。そして、富士平工業株式会社製の土壌・作物体総合分析装置「SFP-3」を用いて、人工土壌粒子の陽イオン交換容量(CEC)を測定した。
(3)陰イオン交換容量
人工土壌粒子2gに0.05M硝酸カルシウム溶液20mLを添加し、1時間攪拌した。溶液を室温で1分間遠心分離(10,000rpm)し、上清を測定用試料とした。測定用試料について、紫外可視分光光度計を用いて波長410nmの吸光度を測定し、硝酸カルシウム濃度を求めた。求めた硝酸カルシウム濃度とブランクの硝酸カルシウム濃度との差から、硝酸態窒素の重量当たりの吸着量を算出し、これを比重で換算し、容積当たりの陰イオン交換容量(AEC)とした。
(4)易効水の体積含水率
テンシオメ-タにより各試料のpF値を測定し、pF値1.7からpF値2.3に変化する易効水量を計測した。pF1.7~2.3の範囲における体積含水率は、「人工土壌団粒体の保水性及び通気性」の項目で説明した式(1)から求められる。
(5)pF値1.5における気相率
試料である人工土壌団粒体の重量水を流下させ、pFメータ(テンシオメ-タ)により試料のpF値が1.5を示したのを確認後、試料の形状をできるだけ維持しながら100mL試料用円筒に採取し、大起理化工業株式会社製のデジタル実容積測定装置「DIK-1150」にセットして測定した値をpF値1.5における気相率とした。
(6)ラディシュの生育性
ラディッシュの種を上層表面に播種して上面灌水(1回/日)を行い、ラディシュの生育性を評価した。ラディシュの生育性は、目視により観察し、良好なものを○、不良なものを△、発芽しなかったものを×とした。
表1~3に示すように、実施例1~23の人工土壌団粒体は、pF1.7~2.3の範囲における体積含水率が10~40%の範囲に調整され、且つ、pF1.5における気相率が20~80%の範囲に調整されていることから、ラディシュの生育性は良好であった。これに対して、比較例1~6の人工土壌団粒体は、pF1.7~2.3の範囲における体積含水率及びpF1.5における気相率の少なくとも何れかが上記適正範囲から外れているため、ラディシュの生育性は不良となり、特に、比較例1は、体積含水率及び気相率の範囲が何れも上記適正範囲から外れているため、発芽さえしなかった。また、本発明の人工土壌団粒体は、連通孔及び一次間隙を備えているため、pF1.7~2.3の範囲における体積含水率及びpF1.5における気相率を上記範囲に容易に調整することができ、また品質的にも安定していた。このように、本発明の人工土壌団粒体は、体積含水率及び気相率が高い次元でバランスされており、植物工場等で利用可能な付加価値の高い製品となり得ることが示された。
2 一次間隙
10 人工土壌粒子
11 細孔
12 フィラー
13 連通孔
Claims (8)
- サブnmオーダー乃至サブμmオーダーの細孔を有するフィラーが複数集合してなり、前記フィラーの間にサブμmオーダー乃至サブmmオーダーの連通孔が形成された人工土壌粒子を団粒化した人工土壌団粒体であって、
pF1.7~2.3の範囲における体積含水率が10~40%であり、且つ、pF1.5における気相率が20~80%である人工土壌団粒体。 - 前記人工土壌粒子の間に、μmオーダー乃至mmオーダーの一次間隙が形成されている請求項1に記載の人工土壌団粒体。
- 前記一次間隙のサイズは、5~100μmである請求項2に記載の人工土壌団粒体。
- 0.2~10mmのサイズを有する請求項1~3の何れか一項に記載の人工土壌団粒体。
- 前記人工土壌粒子は、5~1000μmの粒径分布を有する請求項1~4の何れか一項に記載の人工土壌団粒体。
- 前記細孔にイオン交換能を付与してある請求項1~5の何れか一項に記載の人工土壌団粒体。
- 保水性材料を含む請求項1~6の何れか一項に記載の人工土壌団粒体。
- 請求項1~7の何れか一項に記載の人工土壌団粒体を使用した人工土壌培地。
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