Unlocking the Sheet and Splash Erosion Mitigation Effects of Engineered Porous Biochar Across Slope Gradients in an Agricultural Loess Soil
本研究は、改質多孔質炭素（MGPC）バイオチャーの適用、特に重量濃度5%での適用が、模擬降雨下における黄土のシート侵食およびスプラッシュ侵食を大幅に軽減すること、ならびにその効果がより高い適用率および緩やかな斜面勾配において増加することを実証している。
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土壌は地球の薄く、生きている皮膚であり、私たちの食べ物の根を支え、私たちが飲む水をろ過する、壊れやすい層である。世界の多くの地域において、この皮膚はレス（黄土）でできており、それは非常に肥沃である一方で、極めて脆いという性質を持つ、風によって運ばれてきた微細な堆積物である。裸のレスに激しい雨が当たると、個々の雨粒の衝撃が土壌の構造を粉砕し、固まった地面を、流れ去ってしまう泥状の物質へと変えてしまう。シート侵食として知られるこのプロセスは、最も栄養豊かな表土を剥ぎ取り、また雨粒の跳ね返りが微細な粒子を空気中や水中に放り出し、河川を詰まらせ、土地を劣化させる。農家や土地管理者にとっての課題は、環境を害する可能性のある重機や高価な化学処理を使用することなく、この土壌を繋ぎ止める方法を見つけ出すことである。
イランと中国の研究チームは最近、廃棄物を保護へと変える解決策をテストするために、ある研究に着手した。彼らは「エンジニアリングされた多孔質バイオ炭」と呼ばれる材料に注目した。これがどのようなものかを理解するために、収穫された小麦の茎、製材所からの木屑、あるいはパームやブドウの枝の剪定枝といった植物の残りカスを、酸素のない特別なオーブンで焼く様子を想像してみてほしい。熱分解と呼ばれるこのプロセスにより、植物体は黒い炭のような物質へと変化する。研究者たちはここからさらに一歩進み、この炭を水酸化カリウムで化学的に活性化させ、非常に高温で加熱した。これにより、微細で相互に連結した穴に満ちた材料が作られ、スポンジのように水を吸収する高い多孔性を備えることとなった。目的は、このエンジニアリングされた材料を土壌に混ぜ合わせることで、破壊的な雨の力に対する盾として機能するかどうかを確認することであった。
科学者たちは、侵食に対して脆弱なことで知られるイランの一地域のレス土壌を収集し、制御された実験室環境で調査を行った。彼らは、エンジニアリングされたバイオ炭を、軽い散布から大量の混入まで異なる割合で混ぜ合わせた土壌を準備し、さらに化学的に活性化させていないティッシュペーパー廃棄物から作られたバージョンもテストした。これらの区画を、緩やかな傾斜、中程度の傾斜、そして急な傾斜の地形を模して、3つの異なる角度に設置した。そして、レインシミュレーターを用い、30分間にわたり毎時70ミリメートルの一定かつ強烈な豪雨を浴びせた。この強度は、その地域で起こりうる激しい嵐に匹敵するものである。雨が降る間、彼らは区画から流れ出る水と、地表のすぐ上に設置された水路に跳ね上がった土壌粒子を注意深く回収し、土壌がどれだけ失われたかを正確に測定できるようにした。
結果は驚くべきものであった。エンジニアリングされた多孔質バイオ炭を混合した区画では、未処理の対照区と比較して、洗い流された土壌の量が劇的に減少した。最も効果的だったのは、重量比で5パーセントのバイオ炭を含む混合物であり、最も緩やかな傾斜における麦わら由来のバイオ炭の場合、土壌の損失を最大91パーセント減少させた。最も急な傾斜でテストされた場合でも、バイオ炭処理された土壌は、裸の土壌よりもはるかに良く保持されていた。研究者たちは、この材料が単に毛布のように地面の上に載っているのではなく、土壌の中に混ぜ込まれているため、土壌と水の相互作用を変えていることを発見した。バイオ炭の多孔質な構造が水を吸収し、土壌のマトリックス内に保持することで、地表を駆け抜け、堆積物を運び去る水の量を減少させたのである。また、それは土壌粒子を結合させる助けともなり、降る雨の衝撃によって粒子が叩き落とされることへの耐性を高めた。
しかし、すべての種類のバイオ炭が全く同じように機能したわけではない。麦わらや木屑から作られた材料は特に強い結果を示したが、ティッシュペーパー廃棄物から作られたバイオ炭は効果が低く、特に急な傾斜では不安定になることもあった。これは、元の植物材料のソースが非常に重要であることを示唆している。炭の具体的な構造、例えばその孔のサイズや保水能力は、それがどの植物に由来するか、そしてどのように加工されたかによって決まるのである。研究はまた、適用されるバイオ炭の量も重要であることを明らかにした。一般的に、投入量が多いほど保護効果は高まったが、投入を増やしてもさらなる利益が得られない限界点も存在した。水の力が最も強い急斜面において、バイオ炭は依然として機能したが、土壌損失の減少率は緩やかな傾斜に比べるとわずかに低くなっており、この材料が強力である一方で、土地の傾斜が依然として重要な要因であることを示していた。
研究者たちは、これらの知見は長期的なフィールド試験ではなく、実験室でのシミュレーションによるものであることに注意深く言及した。実験はわずか30分間であり、それは激しい嵐に対する土壌の即時的な反応を捉えたものであり、バイオ炭が経年変化したり土壌が沈着したりする数ヶ月、あるいは数年後の挙動を示すものではない。また、水の移動速度や土壌化学の長期的な変化といった、土壌で起きているあらゆる物理的変化を測定したわけでもない。それらの制限にもかかわらず、本研究は、エンジニアリングされた多孔質バイオ炭が土壌侵食を管理するための実行可能なツールであるという強い証拠を提供している。農業廃棄物や産業廃棄物を土壌改良材へと変えることで、農家は貴重なトップソイルを雨の猛威から守ると同時に、埋立地に送られる廃棄物の量をも削減できる可能性がある。この研究は、適切なタイプのバイオ炭と適切な量を用いることで、土壌の損失を大幅に遅らせることが可能であり、脆弱な丘陵地帯における農業への持続可能な道筋を提示している。
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