腐植の成り立ちと機能

腐植は、土壌を構成する大きな要素の一つである。腐植の重要性をはじめて提唱したのは、ドイツのアルブレヒト・テーア(1752-1828)であり、テーアは植物の栄養は腐植(フミン)に由来すると考えた(腐植栄養説)。テーアの弟子のシュプリンゲルは、植物の栄養は窒素、リン、カリウム、カルシウムなど鉱物に由来することを突き止め、無機栄養説を創始した。その後、無機栄養説の普及と化学肥料の登場によって、腐植の研究はあまり行われなくなってしまった。

土壌は、地殻の鉱物と土壌有機物からなる。土壌有機物は、植物や土壌動物など生きている有機物と死んだ有機物からなる。死んだ有機物は植物の茎、葉、木質などの粗大有機物と腐植からなる(図)。腐植を調べるには、さらにこれを要素に分解していかなければならない。

腐植

腐植の理化学的な分析にはじめて取り組んだのは、ソ連のM.M.コノノワである。コノノワは、チェルノーゼムの理化学的分析を進めるなかで、腐植の解析を行い、腐植の概念を提示した。日本で腐植の研究を行っている研究者は多くないが、熊田恭一氏(東京大学)、筒木潔氏(帯広畜産大学)らの研究がある。近年では、青山正和氏(弘前大学)が、腐植と土壌団粒について報告している。

有機物を土壌微生物が完全に分解すれば、有機物のもとの元素である、水素、酸素、炭素、窒素、リン、カリウム、カルシウム、亜鉛などに還元されてしまう。しかし、草原や森林では、有機物があとからあとから供給されるので、分解途中の有機物が少しずつ蓄積する。腐植が蓄積する量は、供給される有機物の量から、微生物に分解される量をひいたものである。供給される量は、一般には温度と水分量に依存し、分解される量も温度と水分量に左右される。熱帯地方では供給量は多いがそれ以上に分解される量も多いので、腐植はほとんど蓄積しない。腐植が多く蓄積するのは、適度に雨が降る冷涼な気候で、草原やブッシュが形成されるようなところである。

腐植は、有機物が分解される過程の生成物が複雑に縮合したもので、その詳細な構造を明らかにすることは困難である。もとの有機物の多くは草、葉、樹木で、セルロースと木質からできている。木質は、セルロース、ヘミセルロース、リグニンが、コンクリートのような構造になったものである。セルロースも木質も、有機物のなかでは非常に分解しにくい物質である。哺乳類は、自分の消化酵素ではセルロースを分解することができず、ウシなどの反芻動物は、胃の中に共生するルーメン微生物にセルロースを分解してもらっている。シロアリは、腸内原生生物によってセルロースを分解利用するもの、担子菌類(キノコ)を栽培してセルロース分解を行うもの、また、シロアリ自身がもつセルラーゼによってセルロース消化をしているものがいる。

木質を構成するリグニンを分解するのはきわめて難しく、一部のキノコ(白色腐朽菌)だけが、これを分解できる。このことから、腐植物質の多くは、地球上の有機物のなかで最も分解するのが難しい、リグニンに由来すると考えるのが自然である。木質が毎年供給されて、白色腐朽菌が活発に活動できないような環境なら、リグニン由来の物質が大量に蓄積するはずだ。腐植酸とリグニンの元素組成は似ていることがわかっており(熊田恭一、1981)、腐植酸はリグニンが完全に分解されずに変成した物質と思われる。フルボ酸のほうは木材、樹皮、イネ科植物遺体と元素組成がやや似ており、これらの有機物が分解する過程で生成すると思われる。腐植酸とフルボ酸では、腐植酸のほうが分子量が大きく、単位重量当たりのカルボキシル基は、フルボ酸の方が多いとされている。

腐植物質は、カルボキシル基(-COOH)やフェノール性水酸基(C6H5-OH)を多く含み、これらと金属イオンが錯体(金属と非金属の原子が結合した構造を持つ化合物)を形成するため、水に溶解しにくく安定化している。結合しやすい金属は、アルミニウム、鉄、カルシウム、マグネシウム、カリウム、銅、亜鉛などの陽イオンである。アンモニウムイオン(NH4+)や硝酸イオン(NO3)の保持力は大きくない。

腐植物質は、土壌中で金属イオンと結びついて安定な状態にある「古い腐植物質」と、堆厩肥を製造したときにできる「新しい腐植物質」とにわけて見る必要がある。古い腐植物質は、雨が降っても土壌から溶け出すことはなく、陽イオン交換容量(CEC)を高める機能が強い。一方、新しい腐植物質は水に溶解し、溶存腐植酸、溶存フルボ酸と呼ばれる。堆厩肥を1年ほど堆積して腐植化が進んだ溶存腐植酸には、ごく薄い濃度のときに、植物の根の生長を促進する効果があることが知られている。

一般的な、腐植の機能として考えられているのは、以下のとおりである。

養分の貯蔵庫 腐植には、有機物として窒素、リンなどの養分が蓄えられている。有機物は土壌微生物によってゆっくりと無機化され、養分が植物に吸収、利用される。

土壌団粒の形成 腐植物質には、金属イオンや粘土粒子を結合させる働きがあり、壊れにくいミクロ団粒を形成する。さらに、ミクロ団粒と粗大有機物が、菌類や放線菌の菌糸や微生物が生産する多糖類によって結びつけられて、マクロ団粒が形成される。

陽イオン交換容量(CEC) 上記のように腐植は粘土鉱物と同様に陽イオン交換を行ない、各種の金属イオンと錯体を形成して陽イオン交換容量(CEC)を高める。CECは、土壌の養分保持力や緩衝力の目安となる。

文献

西尾道徳、No.273 植物の無機栄養説と最小律の発見者はリービッヒではなかった:その2

http://lib.ruralnet.or.jp/nisio/?p=3274

M.M.コノノワ、1964、土壌有機物、農山漁村文化協会

熊田恭一、1981、土壌有機物の化学、学会出版センター

筒木潔ほか、1994、土壌生化学、朝倉書店

青山正和、2010、土壌団粒、農山漁村文化協会

リグニン分解酵素の進化が石炭紀の終焉を引き起こした

http://www.a.u-tokyo.ac.jp/topics/2012/20120702-1.html

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車のエアコンのブロアモーターをPWM制御に換える

車のエアコンのブロアモーター(送風ファンのモーター)が壊れた。それ自体は経年劣化なのでしょうがないのだが、だましだまし使っているうちに、モーターの回転を制御するヒーターレジスター(熱抵抗器)も焼けて壊れてしまった。

ヒーターレジスターを使ったモーター制御は、室温の自動設定には便利なのかもしれないが、電力消費やバッテリーの負担の面では効率が悪い(最近の車は使っていないと思う)。ふつう、エアコンの風を弱くすれば、バッテリーの電気や燃費の節約になると誰でも思うだろうが、ヒーターレジスターの場合、モーターの電流量を下げるために抵抗値を大きくして電力を熱に変えるので、全体としてはむしろ電力効率が悪くなる。暖房時なら発生した熱を暖房に利用できるのでまだよいが、冷房時だと、発生した熱をエアコンの冷たい風で冷やさなければならないので、きわめて無駄だ。真夏に熱々の鍋焼きうどんを食べながら、クーラーをガンガン浴びて、身体を冷やしているような状態だ。

ヒターレジスタ

エアコンのブロアモーターは、車の安全にはあまり関係がないし、簡単な回路なので、部品を買って自分で交換することにした。海外の通販サイトでは、モーターもヒーターレジスターも豊富に扱っているが(手数料は高い)、日本の通販サイトでは、当該のレジスターは販売していないし、ブロアモーターもファンケースと一体になっている。

どうせ修理するなら、ヒーターレジスターはやめて、一般的な直流モーターの制御方式である、PWM制御に換えることにした。PWM制御とは、電源を一定の周期でオン⇆オフにすることで、直流モーターの回転を制御する方式で、パルス幅変調法(Pulse Width Modulation)と呼ばれる。PWM制御なら、電力消費を抑えてモーター制御ができるので、バッテリーの負担も小さくなる。ただ、温度の自動設定ができなくなるが、もともと自動設定はほとんど使っていなかった。

電圧2

部品の通販サイトからブロアモーターが届いたが、部品番号が違ったようで、ケースの形状が微妙に違う。そこで、モーターを取り外して、ケースはもとの古いケースを使うことにした。

このモーターとケースは、強くはまり込んでいるだけなので、軟らかい木をあてて金づちで軽くたたけば、少しずつモーターがはずれてくる。はずれたら、モーターを古いファンケースに手で押し込んではめる。このブロアファンケースは、車体から取り外すのがきわめてやっかいで、無理やり外したらツメが何本か折れてしまった。そこで、ケースをはめ込んだあとで、結束ベルトで縛りつけた。

pwm3

PWM回路は、最初は800円くらいの安いものを使用してみた。モーターの制御にとくに問題はないのだが、放熱板が小さいので、回路がかなり熱くなる。そこで、より放熱効率のよさそうな回路に変更した。ここで、注意しなければならないのは、回路の周波数である。パルス周波数の低い回路を使用すると、モーターの回転と同調してモーターから異音が発生することがある。モーターの回転数に比べて、周波数が十分に高い回路を使用する。

pwm2

pwm1

ブロアモーターの回路はバッテリーからくる直流回路なので、単純な回路だ。テスターで電圧と極を確認して、モーターとバッテリーの間にPWM回路を直列に入れる。バッテリーは、電圧は低いが電流量は高いので、導線はなるべく太いものにする。念のために、PWM回路の近くに15Aのヒューズをつけた。なお、モーター故障時に、車のヒューズボックス内のヒューズが切れているはずなので交換する。

pwm10

pwm6

使用してみて、今のところ何の問題もないが、PWM回路から熱が少しでるので、夏はエアコンの冷たい風が出るポケットの中に回路を入れている。逆に冬は、ポケットから温かい空気が出てくるので、ポケットから出して使用している。やはりPWM制御は環境にもよい(かなり無理やり)。

注意!

自分の車のブロアモーターをPWM制御に換えようとする人は、自己責任でおこなってください。また、作業時には感電事故に十分に注意して、感電防止のゴム手袋をはめ、テスターで確認しながら作業しましょう。

植物の複雑な繁殖様式

植物の繁殖様式を知っていないと、せっかく果樹の苗木を買ってきて庭に植えても、いっこうに実がならないということがよくおきる。たとえば、バラ科など自家不和合の植物では、異なる品種の受粉樹を一緒に植えないと、結実しない。

植物は一般に有性生殖である。植物や動物などの真核生物では、減数分裂によって2倍体の細胞から1倍体の細胞(配偶子)が生じる。その際、相同染色体の一部を交換する「組換え」が起きる。有性生殖によって、世代のたびに遺伝子の交換と組換えが行われる。

植物の有性生殖には、他家交配と自家交配がある。自家交配する植物は1個体でも繁殖できるので、河川の氾濫原などニッチへの進出に有利である。他家交配の植物は、競合者や寄生者との競争に有利なので、安定した生態系での生存に有利である。なお、他家交配と自家交配は完全に分かれているわけではなく、自家交配の植物は他家交配もするし、自家不和合による他家交配とされる植物でも、老化した花などでは自家交配が可能になる。

さらに植物には、受精なしで種子ができる無性生殖や、子芋、ランナー、地下茎などで栄養繁殖するものがある。

被子植物(一部裸子植物)の生殖器官を、「花」と定義している。多くの被子植物の花には、雄しべと雌しべの両方があり、これを両性花という。雄しべだけのものを雄花、雌しべだけを雌花という(単性花)。雄しべも雌しべもない無性花もある。また、形態上は両性花であっても、花粉に発芽能力のない雄性不稔や、雌しべに受精能力のないものがある。さらに、高温などの環境条件によって、両性花が雄花になったりすることが知られている。

個体の花の雌雄性

植物は、一つの個体(株)に複数の花を咲かせることが多いので、これらの組合せが多くある。一般的には、①両性花のみ、②雌花のみ、③雄花のみ、④雌花+雄花、⑤両性花+雌花、⑥両性花+雄花、⑦両性花+雌花+雄花であるが、上のように花の雌雄性は固定的でないためにより複雑である。

集団内の性の組合せ

次に、同一種の集団内での個体の性の組合わせは、①両性株のみ、②雌株+雄株、③両性株+雌株、④両性株+雄株、⑤両性株+雌株+雄株であるが、じっさいにはより多様で複雑である。

知られている代表的な性型には以下のようなものがある。

両全性…両性花のみの両性株のみ。被子植物にもっとも多い性型。

雌雄異花同株…雌花+雄花の両性株のみ。ブナ科、ウリ科、クルミ科、アケビ科、バショウ科など。

雌性両全性同株…両性花+雌花の両性株のみ。キク科の一部など。

雄性両全性同株…両性花+雄花の両性株のみ。ツユクサ科、ムクロジ科など。

三性同株…両性花+雌花+雄花の両性株のみ。レイシ(ムクロジ科)など。

雌雄異株…雌株+雄株。ブドウ科、モチノキ科、ウルシ科、ヤマモモ科、キウイフルーツ(マタタビ科)、イチョウなど。野生ブドウは雌雄異株だが、両全型の栽培ブドウが出現した。

雌性両性異株‥両性株+雌株。イチジク(クワ科)、クワなど。

雄性両性異株…両性株+雄株。マタタビ科など。ただしマタタビやサルナシの両性花の雄しべは偽花粉であり、両性株だけでは実を着けない。

三性異株…両性株+雄株+雌株。パパイアは、雌株、雄株、両性株、両性雄花(両性花+雄花)株、雌雄同株が存在する。

交配

一般には受粉と呼ばれるが、より詳細には、送粉→受精→交配という経過をたどる。自家受粉では、自家送粉→自家受精→自家交配となり、他家受粉では、他家送粉→他家受精→他家交配となる。

送粉の方法は、昆虫、鳥、コウモリ、風、水などであり、花粉が自動的に柱頭に着く自動同花送粉もある。

自家交配を防ぐ機構

自動同花送粉+自家交配という方法が、もっとも確実に種子ができるが、多くの植物が、以下のような機構を組合せて自家交配を防いでいる。

自家不和合…同じ株の花粉が柱頭についても、花粉の発芽や花粉管の伸長が正常に進まず、受精に至らない。かなり高い確率で自家交配を阻止できる。バラ科、ナス科、アブラナ科、イネ科、マメ科、キク科、ケシ科、ヒルガオ科、サクラソウ科、カタバミ科、タデ科、ブナ科など。被子植物種のうち、おおよそ50%が自家不和合性と考えられている。なお、栽培イネや栽培ダイズなどの作物では、自家交配する種類が選抜されてきた。

雌雄異花…雌花と雄花が分かれている。

雌雄異株…雌株と雄株に分かれている。

雌雄異熟…一つの両性花や一つの雌雄同株で、雄しべから花粉が放出される時期と、雌しべの柱頭が受精しやすい時期がずれている。雌性先熟、雄性先熟、異型雌雄異熟などがある。クルミ科、クスノキ科、バンレイシ科、トケイソウ科、ムクロジ科など。

雌雄離熟…両性花だが、雌しべの柱頭と雄しべの葯が離れている。ユリなど。

順次開花…同じ株の花が同時に開花しないで、順次開花する。昆虫などを引き寄せる効果が弱まるので、大花になるものが多い。

参考

渡邊嘉典 減数分裂 多様さを生み出す厳格なしくみ

http://www.brh.co.jp/seimeishi/journal/060/research_21.html

福原達人 植物形態学

https://ww1.fukuoka-edu.ac.jp/~fukuhara/keitai/index.html

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薪を割るときの注意、「チャールズ・ブロンソン割り」は危険

薪を割るときに、チャールズ・ブロンソンが映画(『荒野の七人』だと思う)の中で薪を割る姿をまねていた。それは、斧をまず背中側に回し、肩でかつぐようにして、後方からぐるりと前に回転させる方法だ(図)。このやり方だと確かに、バックスイングの距離が長くなるので、斧が薪にぶつかるときのスピードが速い。これを「チャールズ・ブロンソン割り」と呼ぶことにする。

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何より、自分がチャールズ(呼び捨てかよ)になったようで、かっこいい(じっさいは危ないのでいつも一人で作業しており誰も見ていない)。このやり方で10年以上、毎年2トンくらいの薪を割ってきたのだが、今年になって、とうとう右手首の筋を傷めてしまった。「チャールズ・ブロンソン割り」は、手首を大きくひねるので、手首への負担が大きいようだ。手首が痛くて、重いものを持つのがとても苦痛だ。

しかし、代わりに薪を割ってくれる人もいないので、手首サポーターを装着して、斧を体の前方からそろりそろりと頭上に持ち上げ、頭上から振り下ろすやり方に変えた。農家の爺さんたちが薪を割るときの形だ。これを「農家の爺さん割り」または「古老の知恵割り」と呼ぶことにする(図)。

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若くて、落合博満のようにリストが強い人は、「チャールズ・ブロンソン割り」がかっこいいが、中年以上でリストがあまり強くない人には「農家の爺さん割り」をおすすめする。手首を壊してしまうと、元も子もない。

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炭と微生物、炭と植物の謎

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炭を田畑に入れると、作物の生育によい影響があることは、昔から経験的に知られている。農家は、堆肥づくりに炭を混ぜたり、もみ殻をくん炭に焼いて苗代に撒いたり、発芽床や育苗床の培土にくん炭を混ぜたりして炭を利用してきた。

ただ、どうして炭を入れると、植物の生育によい影響がでるのかは、わかっていない。一般的には、炭は微生物のすみ家になるとか、有害成分を吸着するなどといわれているが、松橋通生氏(東京大学名誉教授・元東海大学教授)は、これらの説を否定している。松橋氏は、炭を好み、その周囲に繁殖する好炭素菌の存在を発見し、さらに下図のような実験によって、炭には細菌を増やす働きがあることを解明した。

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炭と菌が接触していないのに、菌が増殖するのは、炭やグラファイト(黒鉛)が、超音波(細胞音波またはバイオソニックス)を出しているからである。炭には、赤外線などの電磁波を浴びると、そのエネルギーを超音波に変えて発信する性質がある。ある種の細菌は、炭が出す超音波を好み、適度な強さの超音波があると元気になる。また、細菌自身も超音波を自由に発信することができ、細菌どうしで交信している。松橋氏と共同研究を行った大谷杉郎氏(元群馬大学名誉教授・元東海大学教授)によれば、グラファイトの結晶に赤外線レーザーを当てると、カスミ菌(最初に空気中から分離された好炭素細菌)の増殖促進にちょうどよい波長の超音波が出るという。さらに、細菌だけでなく、植物や樹木も、さまざまな音波を発信していることがわかっている。

炭が出す超音波には、細菌や細胞を活性化する働きがあるとすると、炭によって植物の発芽や生育がよくなるのは、この超音波のせいではないかと想像することができる。さらに、この超音波には、樹木の花芽分化を促進する働きもあるのではないだろうか。

それは、生物の進化から考えても、理にかなっている。生物種どうしが激しい生存競争をくり広げているような環境で、あるとき山火事が発生したとする。すると、そこには広範囲のニッチ(すき間)が生じることになるので、周辺の植物たちは、少しでも早くこのニッチに進出しようとするであろう。植物は土壌や日照を求めて競争するので、相手より少しでも早く進出したほうが有利である。土壌中で休眠していた種子はより早く発芽しようとするし、球根や塊茎はより早く根を伸ばそうとするし、樹木はより早く実を着けようとする(花芽分化する)であろう。その活動を開始するサインが、山火事でできた炭が発信する超音波と考えれば、つじつまはあう。

試験場でも、大学でも、民間機関でもよいので、どなたかこの超音波と種子発芽の関係、超音波と花芽分化の関係を解明してくれる研究者の方はいないでしょうか?もし、これらの謎が解明されれば、より安定した作物の発芽や、果樹の隔年結果の軽減に利用できるのではないだろうか。

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草木灰の成分と使い方

薪ストーブから、けっこうな量の灰がでる。

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有機物を構成する元素は、水素H、酸素O、炭素C、窒素N、リンP、カリウムK、カルシウムCa、マグネシウムMg、亜鉛Zn、硫黄Sなどである。有機物を燃やすと、H、O、C、Nは大気中に拡散してしまうので、P、K、Ca、Mg、Zn、S、微量要素などの金属元素が残る。この金属元素が灰となる。
草木灰(そうもくばい)のおもな成分は、炭酸カリウム(K2CO3)である。うち5%ほどが水溶性のカリウムとされている。植物体の中では、リンは果実や葉に多く含まれるので、枯れ草や木材を燃やしてできる灰に含まれるリン酸は1~2%とされている。ただし、植物の種類や、植物の部位によって、灰に含まれる成分はかなり異なる。塩基が多いので強いアルカリ性を示す。
昔から灰は貴重な肥料で、日本でも、平安朝時代に草木灰を利用した記録がある。江戸時代には、灰集め、灰問屋が灰を都市からすべて回収し、農家に販売していた。
施用法の基本は、うね立ての前に植溝に施しすぐに混和する。こうすれば風に飛ばされず、雨でもあまり流亡しない。元肥時の施用量は反当たり200kg以上(1㎡当たり200g以上)とされる。
アルカリ性が強いため、堆肥と混ぜると、堆肥中のアンモニアが揮散しやすくなるので、混用をさける。追肥で使うときは、溝に施すか、土寄せのときに土といっしょに株元へ寄せる。追肥時の施用量は、反当たり100kg以上(1㎡当たり100g以上)施すと効果が高い。
成分含量が原料などにより変動することから、肥料取締法では、特殊肥料として扱われている。
http://www.famic.go.jp/ffis/fert/kokuji/25k0177.htm

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材料費0円なのに、たくさん積める一輪車のつくり方

自転車が老朽化で壊れてしまったのだが、粗大ごみに出すとお金がかかるし、環境にもよくないので、一輪車を作った。

①まず、ハンドルの上のネジをゆるめて、ハンドルを自転車の車体から抜く。フロントフォークも車体からはずす。

②はずしたハンドルとフロントフォークを再び組み立てる。

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③裏山に行って、長さ1mくらい(適当)のまっすぐな木を2本切ってくる。太さはスコップの柄くらい。これが一輪車の柄になる。

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④柄の太いほうの一端を、自転車のブレーキゴムを固定する部品の穴に、そこら辺にあったネジクギで留める(裏側から見たところ)。

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⑤こちらは、もう10年くらい使っているので、ブレーキ固定部が折れてしまった。そこで、とりあえず太い番線で縛って急場をしのぐ。

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⑥そこら辺にぶんなげてあった廃材の板を拾ってきて、箱を作る。箱の大きさは縦50cm、横70cm、高さ25cmくらい(適当)。薪や石のような重いもの運ぶと、箱が壊れてくるので、四隅に適当な細い角材をはめてネジクギで留めると丈夫になる。

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⑦どっかに転がっていた適当な角材を、箱の大きさにあうように組んで、ネジクギで留める。

⑧ハンドルと柄を、拾ってきた番線で縛る。ハンドルのT字部分を左右から番線で縛ると、ハンドルが左右にずれない。

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⑨箱は横に置いてもいいし、狭いところを通るときは、縦に置いてもよい。

⑩重たいものを長い距離運ぶときは、あまった細いロープを柄に結んで、肩に斜めに掛けると手が疲れない。

⑪ここまでにかかった材料費は0円で、環境にもよい(かなり無理やり)。