粘土鉱物一覧と種類や構造｜農業の土壌と保肥力の特徴

粘土鉱物一覧の基礎知識

農業において「土作り」は基本中の基本ですが、その土の性質を決定づけている「粘土鉱物」について深く理解している生産者は意外と多くありません。単に「粘土質の土」や「砂っぽい土」といった感触だけでなく、ミクロな視点で粘土鉱物の種類を特定し、その性質を理解することは、施肥設計や土壌改良の効率を劇的に向上させるカギとなります。本記事では、農業従事者が知っておくべき粘土鉱物を一覧化し、それぞれの構造や特徴、そして栽培への影響を網羅的に解説します。

土壌は岩石が風化して生成された無機物と、動植物の遺体が分解された有機物から成り立っています。このうち、岩石が微細に砕かれ、化学的な変化を受けて生成された二次鉱物が「粘土鉱物」です。粘土鉱物は直径が2ミクロン（0.002mm）以下という非常に微細な粒子でありながら、その表面積の大きさから、土壌の化学反応の主役を担っています。

なぜ粘土鉱物の種類を知る必要があるのでしょうか？それは、粘土鉱物の種類によって「肥料を捕まえる力（保肥力）」や「水持ち（保水性）」、「物理的な改善のしやすさ」が全く異なるからです。例えば、同じように見える粘土質の畑でも、モンモリロナイトが主体の畑とカオリナイトが主体の畑では、窒素肥料の効き方も、土壌改良資材の選び方も正反対になることさえあります。自分の圃場の粘土鉱物の特性を知らずに、教科書通りの施肥を行っても期待通りの成果が出ないのは、このミクロな構造の違いに原因があることが多いのです。

ここではまず、粘土鉱物の基本構造である「ケイ酸四面体シート」と「アルミナ八面体シート」の組み合わせによる分類を理解し、それぞれのタイプが農業生産にどのようなメリット・デメリットをもたらすのかを深掘りしていきます。

土壌鉱物の粒径分類や土性についての基礎的な解説があります。

参考）https://www.yanmar.com/jp/agri/agri_plus/soil/articles/04.html

粘土鉱物の構造分類である1:1型と2:1型の違い

粘土鉱物を理解する上で避けて通れないのが、結晶構造による分類です。粘土鉱物は、ケイ素（Si）を中心とした「ケイ酸四面体シート」と、アルミニウム（Al）を中心とした「アルミナ八面体シート」が重なり合って層状の結晶を作っています。この重なり方のパターンによって、大きく「1:1型」と「2:1型」に分類されます。

1:1型粘土鉱物（カオリナイトなど）
1:1型は、ケイ酸シート1枚とアルミナシート1枚がセットになって重なっている構造です。この2枚のシートは「水素結合」という比較的強い力で結びついています。

特徴: 層と層の結合が強いため、水分子や肥料成分が層の間に入り込む隙間がほとんどありません。
農業的性質: 膨張・収縮が少なく、耕運などの物理的な扱いが比較的容易です。しかし、肥料成分を吸着できる表面積が粒子の外側だけに限られるため、後述するCEC（塩基置換容量）は低くなり、保肥力はあまり高くありません。日本の赤土など、古い土壌に多く見られます。

2:1型粘土鉱物（モンモリロナイト、バーミキュライトなど）
2:1型は、アルミナシート1枚を、2枚のケイ酸シートでサンドイッチのように挟み込んだ構造をしています。これが基本単位となり、積み重なっています。

特徴: 層と層の結合力（ファンデルワールス力など）が弱く、水分を含むと層の間が容易に広がります。この層間に水や、カリウム、カルシウム、マグネシウムなどの陽イオン（肥料成分）を大量に取り込むことができます。
農業的性質: 保肥力が非常に高く、肥料持ちが良いのが最大の特徴です。しかし、水分を含むと大きく膨張し、乾燥すると激しく収縮してひび割れを起こすなど、物理的な管理が難しい側面があります。乾くとカチカチになり、濡れるとドロドロになる田んぼの土などが典型です。

この構造の違いは、そのまま「土の性格」の違いに直結します。1:1型主体の土壌では、有機物を投入して物理的な団粒構造を作ることが重要になり、2:1型主体の土壌では、排水対策や有機物による物理性の改善が重要になりますが、肥料持ち自体は良いため、追肥の回数を減らせる可能性があります。

1:1型と2:1型のシート構造の図解と、それぞれの代表的な鉱物についての詳細な説明があります。

参考）一次鉱物・二次鉱物

粘土鉱物の代表種カオリナイトとモンモリロナイト

前述の構造分類に基づき、農業の現場で特によく耳にする2つの代表的な粘土鉱物、「カオリナイト」と「モンモリロナイト」について、さらに詳しく比較します。これらは対照的な性質を持っており、どちらが優勢かによって栽培管理のポイントがガラリと変わります。

カオリナイト（Kaolinite）

分類: 1:1型
主な分布: 温暖湿潤気候で風化が進んだ土壌（赤黄色土など）、西日本の丘陵地帯など。
農業的メリット: 粘り気が少なく、サラサラとしていて耕しやすい（耕起などの作業性が良い）。透水性が比較的良い。
農業的デメリット: 保肥力（CEC）が低い（3〜15 cmol(+)/kg程度）。肥料を保持する力が弱いため、一度に大量に施肥すると流亡しやすい。
対策: 腐植（堆肥）を積極的に投入してCECを補うこと。肥料は「少量を回数多く」与える分施管理が基本となります。

モンモリロナイト（Montmorillonite）

分類: 2:1型（スメクタイトグループ）
主な分布: 沖積平野の田んぼ、一部の重粘土など。ベントナイトの主成分でもあります。
農業的メリット: 圧倒的な保肥力（CEC）を持つ（80〜150 cmol(+)/kg程度）。肥料成分をガッチリと捕まえ、作物の要求に合わせて徐々に放出する能力が高い。
農業的デメリット: 粘着性が極めて強く、濡れると重くなり作業性が悪い。排水性が悪くなりやすく、根腐れのリスクがある。乾くとコンクリートのように硬くなる。
対策: もみ殻くん炭や粗大有機物などを投入して、水はけと通気性を確保すること。土壌改良資材として「ゼオライト」や「パーライト」などを混ぜ込み、物理性を改善するのが効果的です。

この2つの中間的な性質を持つものや、これらが混合している土壌も多く存在します。また、「バーミキュライト」や「雲母粘土鉱物（イライト）」は2:1型に属しますが、モンモリロナイトほど膨張せず、特にカリウムやアンモニウムを層間に強く固定する（あるいは供給する）特殊な性質を持っています。

カオリナイトとモンモリロナイトの保肥力の違いや、土壌改良材としての利用法について解説されています。

参考）土壌改良用の鉱物系肥料のモンモリロナイトとゼオライト

粘土鉱物が決める土壌のCECと保肥力の仕組み

農業技術書や土壌分析診断書で必ず目にする「CEC（塩基置換容量）」という数値。これは、土壌がどれだけプラスの電気を帯びた肥料成分（陽イオン）を蓄えられるかを示す「土の胃袋の大きさ」と言い換えられます。このCECの数値を決定づけている主要因こそが、粘土鉱物の種類と量です。

粘土鉱物は、微細な結晶構造の中で、マイナス（－）の電気を帯びています。これは「同形置換」という現象によるものです。例えば、ケイ酸四面体シートの中のケイ素（Si⁴⁺）がアルミニウム（Al³⁺）に置き換わったり、アルミナ八面体シートの中のアルミニウム（Al³⁺）がマグネシウム（Mg²⁺）に置き換わったりします。プラスの価数が少ない元素に置き換わることで、鉱物全体としてマイナスの電気が過剰になります。このマイナスの電気が、土壌水に含まれるプラスの電気を持つ肥料成分（Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺、NH₄⁺など）を磁石のように引き寄せ、吸着します。これが「保肥力」の正体です。

粘土鉱物ごとのCECの目安（単位: cmol(+)/kg）

カオリナイト: 3 〜 15 （低い）
イライト（雲母粘土）: 20 〜 40 （中程度）
バーミキュライト: 100 〜 150 （非常に高い）
モンモリロナイト: 80 〜 150 （非常に高い）
アロフェン（後述）: pHにより大きく変動（変異荷電）

腐植（腐食）も非常に高いCECを持っていますが、鉱物質の土壌においては粘土鉱物がベースラインのCECを決めています。もしあなたの畑のCECが極端に低い（例えば10以下）場合、それは砂質土壌であるか、カオリナイト主体の風化土壌である可能性が高いです。この場合、化学肥料だけに頼ると、雨が降るたびに肥料が流れてしまい、作物が肥料切れ（ガス欠）を起こしやすくなります。逆にCECが高すぎる場合（例えば30以上）、一度バランスを崩すと（例えばカリウム過剰など）、それを矯正するのに大量の資材と時間がかかる「緩衝能の高さ」が裏目に出ることもあります。

重要なのは、自分の畑の粘土鉱物が持つ「固定電荷（永久電荷）」と、pHによって変化する「pH依存電荷（変異荷電）」のバランスを理解することです。特に日本の土壌では、pHを適正（6.0〜6.5）に保つことで、粘土鉱物や腐植のマイナス電荷を活性化させ、保肥力を最大化させることができます。

粘土鉱物が電荷を持つ仕組み（同形置換）と、それによる陽イオン吸着メカニズムが詳しく解説されています。

参考）土壌の生成と粘土鉱物(肥料養分吸着）

粘土鉱物の中でも特殊なアロフェンとリン酸固定

ここで、日本の農業において極めて重要でありながら、教科書的な「1:1型」「2:1型」の分類には当てはまらない特殊な粘土鉱物について解説します。それが「アロフェン」と「イモゴライト」です。これらは結晶構造が整っていない「非晶質粘土鉱物」と呼ばれ、日本の耕地面積の約半分を占める火山灰土壌（黒ボク土）の主要な構成成分です。

アロフェンの特徴
アロフェンは、中空のボール状のような構造をした非常に微細な鉱物です。最大の特徴は、アルミニウムを多く含み、極めて高い「リン酸吸着係数」を持っていることです。

農業上の大問題：リン酸固定
アロフェンに含まれる活性アルミニウムは、肥料として与えたリン酸と瞬時に、かつ強固に結びついてしまいます。これを「リン酸固定」と呼びます。一度結合すると、水に溶けない形（難溶性リン酸アルミニウム）になり、作物はそのリン酸を吸収できなくなってしまいます。「黒ボク土の畑ではリン酸を多めにやれ」と昔から言われるのは、このアロフェンがリン酸を横取りしてしまうため、作物に行き渡る分を確保するには過剰投入が必要だったからです。

アロフェンのもう一つの顔：pH依存性
一般的な結晶性粘土鉱物は常にマイナスの電気を帯びていますが、アロフェンは土壌のpHによって電気的な性質がコロコロ変わります。

酸性時: プラスの電気を帯びやすく、硝酸イオン（NO₃⁻）などの陰イオンを吸着したり、リン酸をより強く固定したりします。
中性〜アルカリ性時: マイナスの電気を帯び、陽イオン（Ca, Mg, K）を保持するCECが発現します。

つまり、黒ボク土（アロフェン質土壌）において酸性改良（石灰施用）をサボると、単に酸性害が出るだけでなく、保肥力（CEC）そのものが低下してしまうのです。逆に言えば、適切なpH管理を行えば、アロフェンは高い保肥力を発揮する優秀な粘土鉱物になります。

対策

石灰によるpH矯正: アロフェンのマイナス電荷を増やし、保肥力を高める。
堆肥の投入: 有機物がアルミニウムと結合（キレート化）し、リン酸との結合を邪魔してくれるため、リン酸の効きが良くなります。
局所施肥: 肥料を土全体に混ぜるとアロフェンとの接触面積が増えて固定されてしまうため、根の近くに筋状に施肥するなどの工夫が有効です。

アロフェンやイモゴライトといった非晶質粘土鉱物の構造と、日本土壌における重要性が記述されています。

参考）https://www.jstage.jst.go.jp/article/kakyoshi/68/9/68_356/_pdf

粘土鉱物の特性を活かした土壌改良資材の選び方

ここまで見てきた粘土鉱物の特性を踏まえ、実際の農業現場でどのように土壌改良資材を選定すべきかをまとめます。単に「粘土を入れる」のではなく、目的に応じた鉱物資材を選ぶことが「精密農業」への第一歩です。

1. 保肥力（CEC）を上げたい場合

推奨資材: ゼオライト、ベントナイト
解説: これらは2:1型粘土鉱物やそれに類似した構造を持ち、非常に高いCECを持っています。特に砂質土壌や、老朽化した畑地での保肥力増強に劇的な効果があります。ただし、ベントナイトは水を吸うと非常に粘りが出るため、入れすぎると水はけが悪化します。砂地にはベントナイト、ある程度粘土がある場所には粒状ゼオライト、といった使い分けが必要です。

2. 物理性（水はけ・通気性）を改善したい場合

推奨資材: パーライト、バーミキュライト（焼成）、多孔質セラミックス
解説: 粘土質の畑（特にモンモリロナイト系）で水はけが悪い場合、さらに粘土を足すのは厳禁です。高温で焼成して発泡させたパーライトやバーミキュライトは、土の中に空気の隙間（気相）を作り出し、重い粘土土壌をフカフカにします。バーミキュライトは高いCECも併せ持つため、保肥力と物理性の両方を改善できる「一石二鳥」の資材ですが、長期間使用すると潰れて単なる粘土に戻ることもあるため、定期的な投入が必要です。

3. リン酸の効きを良くしたい場合（黒ボク土など）

推奨資材: 腐植酸資材、溶リン、ケイ酸資材
解説: アロフェンによるリン酸固定を緩和するには、粘土鉱物そのものを変えるよりも、その働きを抑制するアプローチが有効です。腐植酸はアルミニウムをマスクしてリン酸固定を防ぎます。また、ケイ酸資材を施用すると、ケイ酸がリン酸の代わりに土壌に吸着され、吸着されていたリン酸が追い出されて作物に利用されやすくなる「脱着効果」が期待できます。

4. カリウム欠乏やマグネシウム欠乏が出やすい場合

推奨資材: 2:1型粘土鉱物を含む資材（モンモリロナイト等）
解説: 1:1型粘土鉱物が主体の土壌では、カリウムやマグネシウムなどの塩基類が流亡しやすいため、これらをしっかり捕まえておける2:1型粘土鉱物を「客土」として混ぜ込むことが根本的な解決策になります。いわゆる「粘土客土」は、単に土を足すだけでなく、このミネラルバランスの是正を目的として行われます。

粘土鉱物は一度畑に入れると、取り除くことは事実上不可能です。だからこそ、安易に投入せず、「自分の畑の粘土鉱物は何タイプか？」「不足している機能は保肥力か、物理性か？」をしっかり見極めてから、適切な資材を選択してください。

粘土鉱物ごとのイオン吸着特性の違いと、それが肥料効率に与える影響についての詳細資料です。

参考）https://www.cssj2.org/wp-content/uploads/2clay_property20220421.pdf

粘土鉱物と農業のポイントまとめ

🧱

1:1型（カオリナイト）

扱いやすいが保肥力は低め。堆肥でCECを補い、肥料は「少量多回数」が鉄則。

🧽

2:1型（モンモリロナイト）

保肥力抜群だが水はけに注意。物理性改善資材と組み合わせて「最強の土」へ。

🌋

非晶質（アロフェン）