(57)【要約】【課題】汚染物質が蓄積されやすい土壌表層の凍結を抑制し、土壌が凍結しやすい冬期においても、確実かつ安定に汚染土壌表層を除去する工法を提供する。【解決手段】土壌表層を耕起し、土壌表層に団粒構造を含む耕起層を形成する工程と、耕起層よりも下層の不耕起層の土壌が凍結した後、耕起層を除去する工程とを含む冬期の汚染土壌表層の除去工法である。冬期の土壌表層の除去工法は、有機質素材、無機質素材及び土壌改良資材からなる群より選ばれる少なくとも１つの素材又は資材を、耕起層に混合する工程を含むことが好ましい。さらに冬期の土壌表層の除去工法は、耕起層上に水溶性ポリマーを含有するゲル化剤を散布する工程を含むことが好ましい。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
土壌表層を耕起し、土壌表層に団粒構造を含む耕起層を形成する工程と、耕起層よりも下層の不耕起層の土壌が凍結した後、耕起層を除去する工程とを含むことを特徴とする冬期の汚染土壌表層の除去工法。
【請求項２】
有機質素材、無機質素材及び土壌改良資材からなる群より選ばれる少なくとも１つの素材又は資材を、耕起層に混合する工程を含む、請求項１記載の冬期の汚染土壌表層の除去工法。
【請求項３】
耕起層上に水溶性ポリマーを含有するゲル化剤を散布する工程を含む、請求項１又は２記載の冬期の汚染土壌表層の除去工法。
【請求項４】
耕起層の厚さが１５ｃｍ以下である、請求項１〜３のいずれか１項記載の冬期の汚染土壌表層の除去工法。
【請求項５】
土壌表層を耕起する、土壌表面からの深さが１５ｃｍ以下である、請求項１〜４のいずれか１項記載の冬期の汚染土壌表層の除去工法。
【請求項６】
有機質素材が、おがくず、木材チップ、もみがら及び切断した草類からなる群より選ばれる少なくとも１種である、請求項２〜５のいずれか１項記載の冬期の汚染土壌表層の除去工法。
【請求項７】
無機質素材が、細砂、粗砂、礫、固化材及び石灰からなる群より選ばれる少なくとも１種である、請求項２〜６のいずれか１項記載の冬期の汚染土壌表層の除去工法。
【請求項８】
土壌改良資材が、泥炭、バークたい肥、腐植酸質資材、木炭、けいそう土焼成粒、ゼオライト、バーミキュライト、パーライト、ベントナイト、ＶＡ菌根菌資材、ポリエチレンイミン系資材及びポリビニルアルコール系資材からなる群より選ばれる少なくとも１つの土壌改良資材である、請求項２〜７のいずれか１項記載の冬期の汚染土壌表層の除去工法
【請求項９】
水溶性ポリマーが、アルギン酸マグネシウム、アルギン酸カルシウム、カラギーナン、マンナン、寒天、ポリアクリル酸エステル、ポリ酢酸ビニル、エチレン酢酸ビニル、ポリ塩化ビニル及びポリビニルアルコールからなる群より選ばれる少なくとも１種である、請求項３〜８のいずれか１項記載の冬期の汚染土壌表層の除去工法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、汚染土壌表層を除去する工法に関し、特に冬期において、重金属類や放射性物質等によって、土壌表面から深さ約１５ｃｍ以内の薄い層幅で表層が汚染された汚染土壌表層を除去するのに適した工法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、亜鉛、銅、カドミウム、鉛、水銀又は六価クロム等の重金属類；セレン、砒素、フッ素又はホウ素等の有害物質；放射性汚染物質（以下、これらの物質を「汚染物質」と総称する場合もある）による農地や校庭（グラウンド）等の土壌表層の汚染が問題となっている。例えば、灌漑用水として使用する河川中に含まれている鉱山等から流出した重金属類や、原子力発電所の事故等に伴い大気中に放出された放射性物質は、降下して、農地（水田及び畑）、牧草地又は校庭等の地表面に達する。放射性物質のうち、特に半減期の長い放射性セシウム（１３７Ｃｓの半減期は約３０年、１３４Ｃｓの半減期は約２年）で汚染された農地（水田及び畑）は、土壌中の放射性セシウムが作物に移行するため、長期間にわたり作物の栽培が困難となる。図１に示すように、放射性セシウムは、土壌中の粘土分に強く吸着され、地表面から深さ約５ｃｍ以下、より具体的には地表面から深さ約２〜３ｃｍ以下の土壌表層に留まる。
【０００３】
汚染された土壌、特に放射性物質で汚染された土壌の除染は、汚染された土壌の表面から深さ約２〜３ｃｍ以下の土壌表層を除去することが、根本的な問題の解決につながる、最も確実な処理方法である。土壌の表面から深さ約２〜３ｃｍ以下の土壌表層を確実に除去するためには、自走式の建設機械若しくは農業機械、例えば一般的なブルドーザー、ローダー又はグレーダー等のバケット等の作業部を用いて、又は、表土剥ぎ装置（特許文献１）を用いて、土壌の表層に近い部分の土を分離させて、分離させた土をすくいあげるか、進行方向に押し運ぶか、左右何れかの一方向に押し出し、ローダー又は油圧ショベル等で集積して搬出する方法が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−５２５９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、原子力発電所の事故に伴い、放射性物質で汚染された地域の多くは、冬期になると気温が零度以下となり、土壌が凍土となり、汚染された土壌の表面から深さ約１５ｃｍ以内の表層を剥ぎ取ることが困難となる問題がある。ここで、凍土とは、土中の間隙水が氷結して土粒子が相互に凍着し、固結状態となった土層又は土塊をいう。凍土は、非常に硬く、砂、粘土、シルト等の土性にもよるが、凍土の硬度は、約５０〜１００ｋｇｆ／ｃｍ２（４９０Ｎ／ｍ２〜９８０Ｎ／ｍ２）である。凍土の硬度は、例えば、「凍土の圧縮強度と動的性質」、木村誠一著、低温科学、物理編（Low temperature science. Series A, Physical sciences,33:243-253）、１９７６−０３−３０に記載されている方法（以下、「凍土の圧縮強度と動的性質」による方法という）によって、測定することができる。この測定方法において試料は、直径５ｃｍ、長さ１０ｃｍの円筒形に形成した後、岩石カッター（ダイヤモンドのブレードつき）を用いて両端面を整形し、さらに両端面にヤスリをかけ、両面の平行性に留意した凍土の試料を準備する。試料は、土質、含水比、温度の条件の同一のものを常に２つずつ作って測定する。試料は、所定の温度の低温室に２４時間放置し、試料内の温度が十分に一様になってから、油圧式の万能試験機（容量１０トン）を用いて、一軸圧縮試験を行い、硬度を測定する。万能試験機（容量１０トン）は、ストレンペーサーを用いて試験中の圧縮速度を一定に保つことができ、荷重と変位とを同時に記録するため、ロードセル（容量５トン）とダイアルゲージ（最大２ｃｍ）を設置し、直流増幅器を通して、Ｘ−Ｙレコーダ等に結果を記録することができる。この方法の他に、前記測定方法と同様にして、直径５ｃｍ、高さ１０ｃｍの円柱状のサンプルを形成し、地盤工学会基準のＪＳＦ  Ｔ−５１１に準じて、凍土の一軸圧縮強度を測定することもできる。また、ＪＩＳ  Ａ  １２１６「土の一軸圧縮試験方法」に準じて測定することもできる。
【０００６】
凍土は、土壌の表層から徐々に地中の深い部分に向けて形成される。凍土となった土壌表層を剥ぎ取るためには、一般的な自走式の建設機械又は農業機械、例えばブルドーザー、ローダー又は油圧ショベルのバケット部を凍土の表面に打ち付けて、硬度が一般的に１０〜２５ｋｇｆ／ｃｍ２程度である凍結していない下層土まで割れ目が達するように、表層の凍土をたたき割ってから破砕された凍土を回収するか、バケット部の爪部を凍土となった地表面に押し当てて、少しずつ削りとる方法が用いられる。
【０００７】
凍土をたたき割って回収する方法や、凍土を削りとる方法では、作業に時間がかかり、凍土ではない通常の土壌の表層を除去する方法と比較して、作業効率が著しく低下するという問題がある。さらに、凍土は、気温や風向、日陰等の環境条件によって厚さが変化し、凍土の厚さが２０〜３０ｃｍに達する場合もある。凍土の厚さは、自然環境によって変化するため、正確に凍土の厚さを予測することは困難である。したがって、凍土をたたき割る方法であっても、凍土を削り取る方法であっても、もっとも汚染物質が蓄積されやすい土壌の表面から深さ１５ｃｍ以下、好ましくは深さ１０ｃｍ以下の土壌表層を正確に除去することは困難であり、排土量が増加し、汚染された土壌表層の取り残しを生じる危険性がある。
【０００８】
このように冬期の汚染土壌の除去作業は困難であるため、例えば１２月中旬〜３月下旬の約４か月の間、汚染土壌の除去作業を停止せざるを得ないという問題がある。しかしながら、放射性物質で汚染された地域においては、一刻も早い除染が望まれている。
【０００９】
本発明は、重金属類や放射性物質等によって、特に大気中の放射性物質等によって汚染された汚染土壌表層の除去工法に関し、汚染物質が蓄積されやすい土壌表層の凍結を抑制し、凍結しやすい冬期においても、確実かつ安定に汚染土壌表層を除去する工法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、前記課題を解決すべく検討を重ねた結果、土壌が凍結して凍土となるメカニズムに着目し、土壌表層の凍結を抑制することによって、特に冬期において、汚染物質が蓄積されやすい土壌表層を確実かつ安全に除去可能となる汚染土壌表層の除去工法を見出した。
【００１１】
本発明１は、土壌表層を耕起し、土壌表層に団粒構造を含む耕起層を形成する工程と、耕起層よりも下層の不耕起層の土壌が凍結した後、耕起層を除去する工程とを含む冬期の汚染土壌表層の除去工法に関する。
本発明２は、有機質素材、無機質素材及び土壌改良資材からなる群より選ばれる少なくとも１つの素材又は資材を、耕起層に混合する工程を含む、本発明１の冬期の汚染土壌表層の除去工法に関する。
本発明３は、耕起層上に水溶性ポリマーを含有するゲル化剤を散布する工程を含む、本発明１又は２の冬期の汚染土壌表層の除去工法に関する。
本発明４は、耕起層の厚さが１５ｃｍ以下である、本発明１〜３のいずれかに記載の冬期の汚染土壌表層の除去工法に関する。
本発明５は、土壌表層を耕起する、土壌表面からの深さが１５ｃｍ以下である、本発明１〜４のいずれかに記載の冬期の汚染土壌表層の除去工法に関する。
本発明６は、有機質素材が、おがくず、木材チップ、もみがら及び切断した草類からなる群より選ばれる少なくとも１種である、本発明２〜５のいずれかに記載の冬期の汚染土壌表層の除去工法に関する。
本発明７は、無機質素材が、細砂、粗砂、礫、固化材及び石灰からなる群より選ばれる少なくとも１種である、本発明２〜６のいずれかに記載の冬期の汚染土壌表層の除去工法に関する。
本発明８は、土壌改良資材が、泥炭、バークたい肥、腐植酸質資材、木炭、けいそう土焼成粒、ゼオライト、バーミキュライト、パーライト、ベントナイト、ＶＡ菌根菌資材、ポリエチレンイミン系資材及びポリビニルアルコール系資材からなる群より選ばれる少なくとも１つの土壌改良資材である、請求項２〜７のいずれか１項記載の冬期の汚染土壌表層の除去工法に関する。
本発明９は、水溶性ポリマーが、アルギン酸マグネシウム、アルギン酸カルシウム、カラギーナン、マンナン、寒天、ポリアクリル酸エステル、ポリ酢酸ビニル、エチレン酢酸ビニル、ポリ塩化ビニル及びポリビニルアルコールからなる群より選ばれる少なくとも１種である、本発明３〜８のいずれかに記載の冬期の汚染土壌表層の除去工法に関する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、汚染物質が蓄積しやすい土壌表層を耕起し、土壌表層に団粒構造を含む耕起層を形成することによって、細かい土粒子の間隙によって形成される毛管構造を破壊して、土壌中の水分が毛管現象により土壌表層に吸い上げられて土粒子の間隙で凍結することを抑制することができる。さらに、本発明によれば、団粒構造を含む耕起層よりも下層の不耕起層の土壌が凍結した後、硬く凍結した不耕起層よりも上層の団粒構造を含む耕起層のみを除去することができ、土壌が凍結する冬期においても、汚染物質が蓄積しやすい土壌表層のみを確実かつ安定に除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】土壌における深さ（ｃｍ）と放射性セシウム濃度（Ｂｑ／ｋｇ）の関係を示すグラフである。
【図２】従来の土壌が凍結して凍土が形成されるメカニズムを示す説明図であり、（ａ）は凍結前の土壌を示し、（ｂ）は凍結後の土壌を示す。
【図３】本発明の実施態様１を示し、土壌表層に団粒構造を含む不耕起層を形成した土壌の状態を説明する図であり、（ａ）は不耕起層が凍結する前の土壌を示し、（ｂ）は不耕起層が凍結した後の土壌を示す。
【図４】山中式土壌硬度計の構造を示し、（ａ）は硬度計の外部、（ｂ）は硬度計の内部を示す。
【図５】本発明の実施態様２を示し、切断した草類を耕起層に混合した状態を説明する図であり、（ａ）は不耕起層が凍結する前の土壌を示し、（ｂ）は不耕起層が凍結した後の土壌を示す。
【図６】ロータリーハローによって土壌表層に団粒構造を含む耕起層を形成している状態を示す写真である。
【図７】土壌表層を耕起した後の団粒構造を含む耕起層の深さを示す写真である。
【図８】土壌表層を耕起後の団粒構造が形成された耕起層の表面を示す写真である。
【図９】耕起土壌と不耕起土壌の圧密定圧一面せん断試験により一面せん断応力と水平変位との関係を示すグラフである。
【図１０】（ａ）不耕起土壌（不撹乱土壌）の供試体を示す写真であり、（ｂ）供試体について圧密定圧一面せん断試験を行っている状態を示す写真である。
【図１１】（ａ）耕起土壌の供試体を示す写真であり、（ｂ）供試体について圧密定圧一面せん断試験を行っている状態を示す写真である。
【図１２】区画１（団粒構造を含む耕起層）、区画２（無機質素材と、団粒構造とを含む耕起層）、区画３（有機質素材と、団粒構造とを含む耕起層）の３つの調整した区画を示す写真である。
【図１３】２０１３年２月８日において、土壌表層を剥ぎ取る前の状態を示す写真である。
【図１４】区画１の団粒構造を含む耕起層を油圧ショベルのバケットで剥ぎ取っている状態（２０１３年２月８日）を示す写真である。
【図１５】未処理（区画４）の凍結した不耕起層（土壌表層：凍土）を油圧ショベルのバケットで剥ぎ取っている状態（２０１３年２月８日）を示す写真である。
【図１６】剥ぎ取った不耕起層の凍土厚を測定している状態を示す写真である。
【図１７】剥ぎ取った後の約１０〜５０ｃｍの土塊を含む、不耕起層である土壌表層の状態を示す写真である。
【図１８】区画２の団粒構造を含む耕起層を油圧ショベルのバケットで剥ぎ取っている状態（２０１３年２月１９日）を示す写真である。
【図１９】団粒構造を含む耕起層を剥ぎ取った後の区画２の状態（２０１３年２月１９日）を示す写真である。
【図２０】剥ぎ取った後の約５〜２０ｃｍの土塊を含む、団粒構造を含む耕起層を示す写真である。
【図２１】未処理（区画４）の凍結した不耕起層（土壌表層：凍土）を油圧ショベルのバケットで剥ぎ取っている状態（２０１３年２月１９日）を示す写真である。
【図２２】剥ぎ取られた土壌表層（不耕起層）の凍土の厚さを測定している状態を示す写真である。
【図２３】剥ぎ取った不耕起層の凍土厚を測定している状態を示す写真である。
【図２４】剥ぎ取った後の約１０〜５０ｃｍの土塊を含む、不耕起層である土壌表層の状態を示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明は、土壌表層を耕起し、土壌表層に団粒構造を含む耕起層を形成する工程と、団粒構造を含む耕起層よりも下層の不耕起層の土壌が凍結した後、耕起層を除去する工程とを含む冬期の汚染土壌表層の除去工法に関する。
【００１５】
本発明者は、自然現象により凍土が形成されるメカニズムに着目し、このメカニズムと気象条件を利用して、冬期であっても、重金属類や放射性汚染物質が蓄積されやすい土壌表面から１５ｃｍ以下の厚さの土壌表層を、確実かつ安定に除去することができる工法を見出した。以下に本発明の好適な実施態様を説明する。本発明は、以下に説明する好適な実施態様に制限されない。
【００１６】
凍土は、例えば零度以下の低温下において、土壌中の水分が凍結することによって形成される。図２は、土壌が凍結して凍土が形成されるメカニズムを示す説明図であり、（ａ）は凍結する前の表層付近の土壌を示し、（ｂ）は凍結した後の表層付近の土壌を示す。図２（ａ）に示すように、土壌１は、単粒構造の細かい土粒子２よって形成されている。単粒構造の土粒子２の平均直径は０．００２〜１ｍｍ程度である。図２（ｂ）に示すように、土壌は、土粒子２の間隙が毛管構造を形成し、この毛管構造によって土壌中の水分（図中、矢印は水分を示す）が上方に吸い上げられ、零度前後の低温になると、土壌の表面の土粒子の間隙に存在する水分が凍結して凍土６Ａが形成される。土壌表層が凍結すると、土壌表層よりも下層の土壌に水分が吸い上げられて、この水分が凍結し、徐々に凍結が下方に広がって凍結前線３が下方に進行し、凍土６Ａが下方に発達する。凍土６Ａの硬度は、例えば「凍土の圧縮強度と動的性質」による方法、地盤工学会基準のＪＳＦ  Ｔ−５１１の一軸圧縮強度の測定方法、又は、ＪＩＳ  Ａ  １２１６「土の一軸圧縮試験方法」のいずれかの方法に準じて測定すると、５０〜１００ｋｇｆ／ｃｍ２（４９０Ｎ／ｍ２〜９８０Ｎ／ｍ２）である。
【００１７】
本発明の好適な実施態様によれば、凍土形成のメカニズムに着目し、重金属類や放射性物質、特に放射性物質（例えば放射性セシウム１３７Ｃｓ、１３４Ｃｓ）によって汚染された土壌において、土壌を耕起して、土壌表層に団粒構造を含む耕起層を形成し、土粒子によって形成されていた毛管構造を壊すことによって、汚染物質が蓄積しやすい土壌表層の凍結を抑制することができる。本明細書において、団粒構造とは、土壌の耕起によって、土壌を構成している細かい土粒子が結合し、多孔質の小粒（例えば、平均直径約１０ｍｍ）や土塊（例えば、平均直径約５０ｍｍ）となることをいう。土壌表層を耕起した後の団粒構造を形成した土塊の大きさは、特に限定されないが、例えば、平均直径１ｃｍ程度の小粒から平均直径５〜２０ｃｍ程度の土塊である。
【００１８】
図３は、本発明の好適な実施態様１を示し、土壌表層に団粒構造を含む耕起層５を形成した土壌が凍結するメカニズムを説明する図であり、（ａ）は耕起層５の下層の不耕起層６が凍結する前の土壌を示し、（ｂ）は耕起層５の下層の不耕起層６が凍結した後の土壌を示す。
【００１９】
本発明の好適な実施態様１は、図３（ａ）に示すように、土壌表層を耕起して、単粒構造である細かい土粒子２を結合させて多孔質の小粒又は土塊４を多数形成したものを団粒構造という。土壌表層を耕起することによって、多孔質の小粒又は土塊４が多数形成された団粒構造を含む耕起層５を形成する。図３（ｂ）に示すように、団粒構造を含む耕起層５の形成によって、土壌表層の毛管構造が破壊され、土壌表層まで土壌中の水分が吸い上げられず、耕起層５の凍結を抑制することができる。耕起層５よりも下層の不耕起層６の土壌は、零度前後の低温下において、土粒子の間隙の毛管構造によって吸い上げられ水分（図中、矢印は水分を示す）が凍結し、不耕起層６に凍土６Ａが形成される。さらに不耕起層６の凍結が進行すると、凍結前線３がさらに下方に進行し、凍土６Ａが厚くなる。
【００２０】
本発明の好適な実施態様によれば、耕起層５よりも下層の不耕起層６の土壌が凍結して凍土６Ａが形成された後、耕起層５を除去する工程を含む。本発明の好適な実施態様によれば、冬期において、耕起層５よりも下層の不耕起層６の土壌が凍結した後に、耕起層５とした土壌表層を除去することができる。冬期には、耕起層５よりも下層の不耕起層６が凍土６Ａとなって一定の硬度を有し、一般的な自走式の建設機械又は農業機械を用いて、下層の凍土６Ａとなった不耕起層６の土壌を崩すことなく、汚染された土壌表層のみを確実に安定して除去することができる。また、本発明の好適な実施態様によれば、汚染された土壌表層のみに、団粒構造を含む耕起層５を形成し、汚染された土壌表層のみを除去するので、排土量を極力少なくすることができる。一般的な自走式の建設機械としては、例えばブルドーザー、ローダー又は油圧ショベルのバケット部等が挙げられる。また、一般的な農業機械としては、トラクターの先端部に設けたバーチカルハロー、ロータリーハロー又はスタブルカルチ等が挙げられる。
【００２１】
団粒構造を含む耕起層を除去する工程においては、一般的な自走式の建設機械又は農業機械を用いて、これらの機械の通常の使用態様によって団粒構造を含む耕起層を除去することが可能である。例えば、油圧ショベルを使用する場合には、アームを油圧シリンダの前後又は上下に操作することにより、バケットを土壌表層の５〜１０ｃｍ程度の深さに差し込み、前方側又は手前側に平衡移動させることで、団粒構造を含む耕起層を土壌表面から５〜７ｃｍの厚さで剥ぎ取ることができる。その他に、団粒構造を含む耕起層を除去する工程において、左右旋回可能な自走式建設機械に取り付けられたバケットを用いて、バケットを左右旋回させることによって、バケットを土壌表面に並行に摺動させて、すなわち、バケットを土壌表面と並行に、水平方向にワイパーのように左右にスイングさせることによって、団粒構造を含む耕起層を除去してもよい。団粒構造を含む耕起層は、一般的な土壌よりも土粒子が結合した小粒又は土塊の間隙が大きく、耕起層の硬度が小さい。一方、耕起層よりも下層の不耕起層の土壌は凍結して凍土となり、硬度が大きい。したがって、バケットを左右に旋回させる場合であっても、汚染物質が蓄積されやすい土壌表層のみを、硬度が小さい耕起層として確実に除去することができる。
【００２２】
自走式の建設機械又は農業機械には、バケット部に真空吸引装置（又はバキュームカー）に接続されたパイプ等の搬出手段が接続されたものを用いてもよい。この搬出手段によって、バケットの中に誘導された土は、そのまま遅滞なく搬出手段内に排出され、搬出手段内を移動し、土壌回収容器まで搬送され、効率的に耕起層である土壌表層を回収することができる。
【００２３】
土壌表層を剥ぎ取った後の団粒構造を含む耕起層は、比較的細かい土塊、例えば直径約１ｃｍ程度の土塊から直径約５〜２０ｃｍの土塊である。そのため、汚染土壌表層を含む剥ぎ取り後の団粒構造を含む耕起土壌は、回収時に、フレキシブルコンテナバック（以下、「フレコン」ともいう。）等の容器に充填しやすくなり、作業効率が著しく向上する。土壌表層を耕起せず、不撹乱土のまま凍結した不耕起層（凍結した土壌表層）を剥ぎ取ると、剥ぎ取り後の不耕起土壌は、比較的大きな土塊、例えば直径約１０〜５０ｃｍの大きな土塊となる。そのため、大きな土塊となった剥ぎ取り後の不耕起層は、フレコン等の容器に充填しにくく、剥ぎ取り後の団粒構造を含む耕起土壌と比較して、回収時の作業効率が著しく低下する。また、土壌表層を耕起せず、不撹乱土のまま凍結して剥ぎ取られた不耕起層は、直径約１０〜５０ｃｍ程度の大きな土塊となり、フレコン等の回収容器に収容した際に、嵩高くなるため、収容するフレコン等の回収容器の個数も必要となり、保管場所も拡大する場合がある。
【００２４】
さらに本発明の好適な実施態様によれば、耕起層よりも下層の不耕起層の土壌が凍結した後、耕起層を除去するため、放射性物質等の汚染物質で汚染された地域の気温、風向や日陰等の自然環境によって、耕起層よりも下層の不耕起層の凍土の厚さが場所によって変化する場合であっても、耕起層である土壌表層のみを確実に除去することができる。
【００２５】
団粒構造を含む耕起層の硬度は、一般的な土壌よりも土粒子が結合した小粒又は土塊の間隙が大きく、凍土よりも下層の土壌の硬度は、一般的に１０〜２５ｋｇｆ／ｃｍ２であることから、凍土よりも下層の土壌の硬度と同等又はそれよりも小さい硬度になると考えられる。凍土よりも下層の土壌の硬度は、例えば「凍土の圧縮強度と動的性質」による方法、地盤工学会基準のＪＳＦ  Ｔ−５１１の一軸圧縮強度の測定方法、又は、ＪＩＳ  Ａ  １２１６「土の一軸圧縮試験方法」のいずれかの方法に準じて測定することができる。一方、不耕起層が凍結した凍土の硬度は、上記いずれかの方法によって測定した硬度が５０〜１００ｋｇｆ／ｃｍ２である。団粒構造を含む耕起層の硬度と、耕起層よりも下層の不耕起層が凍結した凍土の硬度に差があることによって、土粒又は土塊の間隙の大きい団粒構造を含む耕起層とした汚染された土壌表層を、一般的な自走式の建設機械又は農業機械を用いて、確実かつ比較的容易に除去することができる。
【００２６】
凍土の硬度は、天候によって左右され、凍結した土壌から削り取った凍土を種々の試験方法によって測定した場合であっても、凍土の保管状態や試験方法によって、硬度の測定値が異なる場合がある。例えば、凍土を充填した容器のサイズや、凍土を充填した後の保管状態（温度、湿度等）によって、硬度の測定値が異なる場合がある。そのため、本明細書において、土壌表面から１０ｃｍ以下の厚さで剥ぎ取った土壌について、以下の試験を行って、一定の数値を有するものを凍土という。土壌表面から１０ｃｍ以下の厚さで剥ぎ取った土壌は、縦２５ｃｍ×横２５ｃｍ×高さ２０ｃｍの木枠に充填し、−２０℃の恒温室で２４０時間保管した後、木枠から凍土サンプルを取り出して供試体とする。本明細書において、この供試体を「ＪＧＳ  ０５６１：２０００  土の圧密定圧一面せん断試験方法」に準拠して測定した一面せん断強度が、４２０ｋＮ／ｍ２以上のもの凍土という。
【００２７】
土壌表面から１０ｃｍ以下の厚さ、より好ましくは土壌表面から７ｃｍ以下の厚さで、剥ぎ取った後の団粒構造を含む耕起層は、山中式土壌硬度計による方法により、土壌硬度（ち密度）を測定する。図４に山中式硬度計の構造を示す。図４（ａ）は硬度計の外部を示し、図４（ｂ）は硬度計の内部を示す。山中式土壌硬度計は、高さ４０ｍｍ、底径１８ｍｍ、頂角１２°４０’の円錐部と、遊動指標と硬度目盛りのついた円筒形の胴体の中に４０ｍｍの縮小に対して正確に８ｋｇの圧力を示すバネが入っている。土壌断面を垂直かつ平滑に削り、硬度計を水平に持ち円錐部を土壌断面につばが密着するまでに確実に押し付ける。遊動指標が移動しないように静かに円錐部を引き抜き、硬度目盛（ｍｍ又はｋｇｆ／ｃｍ２）の値を読む。測定は同一層位に対し３回以上反復し、その平均を取る。本発明においては、土壌表層（耕起層又は不耕起層）を剥ぎ取る前の土壌表層（地表）の土壌硬度を「地表」の土壌硬度とし、土壌表面から土壌表層（耕起層又は不耕起層）を剥ぎ取った後の土壌表層直下の土壌硬度を、「地表より所定厚さ」の土壌硬度とした。土壌硬度は、対象となる区域の３点から土壌硬度を測定して、その平均値を土壌硬度とした。土壌表面からの耕起層又は不耕起層の剥ぎ取り厚さは、好ましくは土壌表面から１０ｃｍ以下、より好ましくは土壌表面から７ｃｍ以下である。
【００２８】
山中式土壌硬度計による方法により測定した、団粒構造を含む耕起層を剥ぎ取る前の土壌表層(地表)の硬度は４３ｋｇｆ／ｃｍ２以下であり、土壌表面から７ｃｍ以下の厚さで団粒構造を含む耕起層を剥ぎ取った後の土壌表層直下の土壌硬度は２０ｋｇｆ／ｃｍ２以下であることが好ましい。
【００２９】
山中式土壌硬度計による方法により、団粒構造を含む耕起層を剥ぎ取る前の土壌表層（地表）の硬度は、好ましくは４３ｋｇｆ／ｃｍ２以下、より好ましくは４２ｋｇｆ／ｃｍ２以下、さらに好ましくは４０ｋｇｆ／ｃｍ２以下、特に好ましくは３５ｋｇｆ／ｃｍ２、最も好ましくは１０〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２である。また、山中式土壌硬度計による方法により、土壌表面から１０ｃｍ以下（好ましくは７ｃｍ以下）の厚さで団粒構造を含む耕起層を剥ぎ取った後の土壌表層直下の土壌硬度は、好ましくは２０ｋｇｆ／ｃｍ２以下、より好ましくは１９ｋｇｆ／ｃｍ２以下、さらに好ましくは１８ｋｇｆ／ｃｍ２以下、特に好ましくは１０〜１８ｋｇｆ／ｃｍ２、最も好ましくは１０〜１５ｋｇｆ／ｃｍ２である。
【００３０】
従来、団粒構造は、植物の育成のために、土壌の土粒子間の間隙を大きくして、空気や水を十分に植物に供給するために形成される。従来技術において、本発明のように、除去する土壌表層にわざわざ団粒構造が形成されることはない。
【００３１】
土壌表層を耕起する方法としては、一般的な農作業機、例えばトラクタ等のリア作業機に、バーチカルハロー、ロータリーハロー又はスタブルカルチ等の装着具を装着して耕起することが好ましい。バーチカルハローは地表面と垂直となる縦軸方向に複数の爪が回転して土壌表層を耕起する。ロータリーハローは、地表面と並行にロータリー刃が回転し、土壌表層を耕起する。また、スタブルカルチは、土壌内部に差し込まれる爪部で、土壌を掘上げる土壌表層を耕起する。
【００３２】
本発明の好適な実施態様によれば、土壌表層を耕起する深さを調節することによって、団粒構造を含む耕起層の厚さを調整することができる。さらに、耕起層を形成するために耕起する土壌の深さは、土壌表面から１５ｃｍ以下であることが好ましい。バーチカルハロー、ロータリーハロー又はスタブルカルチ等の装着具を装着した農作業機では、精密な制御が困難であるため、耕起層を形成するために耕起する土壌の深さは、土壌表面からより好ましくは１２ｃｍ以下、さらに好ましくは１０ｃｍ以下、特に好ましくは２〜８ｃｍである。また、耕起層の厚さは、好ましくは１５ｃｍ以下、より好ましくは１２ｃｍ以下、さらに好ましくは１０ｃｍ以下、特に好ましくは２〜８ｃｍである。耕起層の厚さが、上記範囲であると、汚染物質が蓄積されやすい土壌表層に、確実に団粒構造を含む耕起層を形成することができる。
【００３３】
土壌表層の耕起は、作業効率の点から土壌表層が凍結する前に行うことが好ましく、例えば、零度前後の低温となる前の９〜１１月の時期に行うことが好ましい。土壌表層を耕起して、耕起層を形成した後、耕起層よりも下層の不耕起層の土壌が凍結するまでの期間は、汚染土壌が存在する地域によっても異なるが、零度前後の低温となるのが１２〜３月であることを考慮すると、１〜４月程度の期間を要する。この間に風雨や積雪等の自然現象によって、耕起層中の団粒構造が破壊されてしまう場合もある。特に汚染された土壌が火山灰を多く含む火山灰土系の土壌の場合は、耕起層中の団粒構造が破壊されやすくなる傾向がある。
【００３４】
本発明の好適な実施態様において、有機質素材、無機質素材及び土壌改良資材からなる群より選ばれる少なくとも１つの素材又は資材を、耕起層に混合する工程を含む。有機質素材、無機質素材及び土壌改良資材からなる群より選ばれる少なくとも１つの素材又は資材を、耕起層に混合する工程は、耕起層を形成する工程の前、同時又は後であって、耕起層を除去する工程の前に行うことが好ましい。有機質素材、無機質素材及び土壌改良資材からなる群より選ばれる少なくとも１つの素材又は資材を、団粒構造を含む耕起層に混合することによって、雨や積雪等の自然現象によっても耕起層に含まれる団粒構造を維持することができ、土粒子が結合した小粒の間隙を大きいまま維持することができ、土粒子の毛管現象によって水分が土壌表層に吸い上げられることがなく、耕起層の凍結を抑制することができる。
【００３５】
耕起層に混合する有機質素材は、おがくず、木材チップ、もみがら及び切断した草類からなる群より選ばれる少なくとも１種であることが好ましい。これらの中でも、農地内に繁茂している雑草をチョッパーで切断し、切断された草類を鋤き込みながら、土壌表層を耕起して耕起層に混合することが好ましい。この場合には、農地に繁茂している雑草を予め除草する手間がなくなり、汚染された雑草を予め廃棄する必要もない。また、切断された雑草等の草類を耕起層に鋤き込んで、混合することにより、土粒子が結合した多孔質の小粒又は土塊の比較的大きな間隙が維持され、耕起層の凍結を確実に抑制することができる。また、処理対象となる農地等に繁茂している雑草を切断して耕起層に鋤き込むため、排土量もそれほど増加することなく、耕起層の凍結を抑制して、効率よく汚染物質を含む土壌表層である耕起層を除去することができる。有機質素材を耕起層に混合する場合には、使用する有機質素材の種類によっても混合する量は異なり、その混合量は特に限定されないが、耕起層の土壌１００質量部に対して、好ましくは５〜５０質量部、より好ましくは５〜４０質量部、さらに好ましくは５〜３０質量部である。
【００３６】
図５は、本発明の実施態様２を示し、団粒構造を含む耕起層に切断した草類を混合した状態を示す説明図であり、（ａ）は耕起層よりも下層の不耕起層の土壌が凍結する前の土壌を示し、（ｂ）は耕起層よりも下層の不耕起層の土壌が凍結した後の土壌を示す。
【００３７】
本発明の好適な実施態様２は、図５（ａ）に示すように、土壌表層を耕起して、単粒構造である細かい土粒子２を結合させて、多孔質の小粒（例えば、平均直径約１０ｍｍ）又は土塊（例えば、平均直径約５〜２０ｃｍ）４を多数形成し、団粒構造を含む耕起層５を形成する。本発明の実施態様において、耕起層５を形成する工程と同時に、切断した草類７を土壌表層に鋤き込みながら混合した。図５（ａ）に示すように、団粒構造を構成する多孔質の小粒又は土塊４の間に切断した草類７が混合されている耕起層５は、土粒子２が結合した多孔質の小粒又は土塊４間の比較的大きな間隙が、切断した草類７によって維持され、毛管構造によって土壌中から水分が吸い上げられることなく、耕起層５の凍結を確実に抑制することができる。
【００３８】
図５（ｂ）に示すように、切断した草類７を含む、耕起層５よりも下層の不耕起層６の土壌は、零度前後の低温下において、土粒子２間の毛管構造によって吸い上げられた水分（図中、矢印は水分を示す）が凍結し、凍土６Ａが形成される。不耕起層６の凍結が進行すると、下方から吸い上げられた水分によってさらに凍結前線３が下方に進み、凍土が厚くなる。切断した草類７を含む耕起層５は、団粒構造を構成する多孔質の小粒又は土塊４の間の比較的大きな間隙が草類７によって維持され、耕起層５の凍結を確実に抑制し、小粒又は土塊４の間隙の大きい耕起層５を効率よく除去することができる。
【００３９】
耕起層には、無機質素材を混合してもよい。無機質素材を混合した場合には、剥ぎ取り後の土壌を回収し保管した際に、回収後の土壌の経時変化が少ないという利点がある。耕起層に混合する無機質素材としては、細砂、粗砂、礫及び固化剤からなる群より選ばれる少なくとも１種であることが好ましい。ここで、細砂は、平均直径が０．０２〜０．２ｍｍであり、粗砂は、平均直径が０．２〜２ｍｍであり、礫は、平均直径が２ｍｍである。なかでも、土粒子が結合した小粒同士の比較的大きな間隙を維持するために、平均直径が２ｍｍ程度の粗砂及び／又は礫を混合することが好ましい。粗砂及び／又は礫を土壌表層に混合する場合には、粗砂及び／又は礫の混合量は、土壌と粗砂及び／又は礫の合計１００質量％に対して、粗砂及び／又は礫が好ましくは１〜２０質量％、より好ましくは３〜１５質量％、さらに好ましくは５〜１０質量％混合する。
【００４０】
固化剤は、土壌の固化に使用できるものであれば特に限定されず、一般的に使用されている市販品の固化剤を使用することができる。固化剤としては、マグネシア系固化剤、セメント系固化剤、カルシウム系固化剤、石灰系固化剤及び石膏系固化剤からなる群より選ばれる少なくとも１種の固化材を使用することが好ましい。固化剤は１種を単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。固化剤を耕起層に混合することによって、単粒構造の土粒子が結合した団粒構造を構成する小粒が、固化剤によってコーティングされ、雨や積雪等の自然条件によっても、耕起層中の団粒構造を維持することができる。固化剤を耕起層に混合する場合には、固化剤の種類によっても混合する量は変化するが、耕起層を構成する土壌と固化剤の合計１００質量％に対して、好ましくは固化剤０．１〜１０質量％、より好ましくは０．３〜８質量％、さらに好ましくは０．５〜５質量％混合する。
【００４１】
マグネシア系固化剤は、酸化マグネシウムを含むものであり、マグネシア系固化剤１００質量％中、酸化マグネシウムの含有量が、好ましくは５〜９９質量％、より好ましくは１０〜９０質量％、さらに好ましくは１５〜８０質量％、特に好ましくは１５〜５５質量％である。マグネシア系固化剤には、その他に、例えば土壌硬化剤としてリン酸塩、石膏、オキシカルボン酸を含むものであってもよい。マグネシア系固化材は、耕起層を構成する土壌中の水分と結合して水酸化マグネシウムとなって、ゲル状となり、その後、土壌中のリン酸又は空気中の炭酸ガスと反応してリン酸マグネシウム又は塩基性炭酸マグネシウムとなって団粒構造を維持することができる。マグネシア系固化剤は、ブレーン比表面積が、好ましくは３，５００〜１０，０００ｃｍ２／ｇのものを用いることができる。
【００４２】
セメント系固化剤としては、ポルトランドセメント、高炉セメント、早強セメントを含む組成物が挙げられる。セメント系固化剤は、ポルトランドセメント等の他に無水石膏、二水石膏、半水石膏、消石灰、石灰等を含むものであってもよい。また、セメント系固化剤は、例えば減水剤や分散剤等として、リグニンスルホン酸塩類、ポリカルボン酸塩類、メラミンスルホン酸塩類等を組成物中に含むものであってもよい。カルシウム系固化剤は、主成分として生石灰（ＣａＯ）、消石灰（Ｃａ（ＯＨ）２）を含む組成物が挙げられる。また、石灰系固化剤は、主成分として炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）を含む組成物が挙げられる。石膏系固化剤は、主成分として、二水石膏、半水石膏及び無水石膏からなる群より選ばれる少なくとも１種を含む組成物が挙げられる。セメント系固化剤、カルシウム系固化剤、石灰系固化剤及び石膏系固化剤からなる群より選ばれる少なくとも１種の固化剤を用いる場合には、固化剤は、ブレーン比表面積が、好ましくは３，５００〜１１，０００ｃｍ２／ｇのものを用いることができる。
【００４３】
固化剤は、処理対象となる耕起層に均一に混合することが好ましく、粉体状、スラリー状、液体状等の固化剤を使用することができる。固化剤をスラリー状とするために使用する液体は、純水、水道水等を使用することができる。土壌固化用スラリー材の固化剤と液体との比率は、固化剤の種類等によって適宜調整が可能であり、固化剤のブレーン比表面積等によっても適宜調整が可能である。土壌固化用スラリー材の固化剤と液体との比率は、液体が水（水道水）である場合、固化剤１００質量部に対して、好ましくは水１００〜１，０００質量部、より好ましくは水２００〜９００質量部、更に好ましくは２００〜８００質量部、特に好ましくは２００〜６００質量部である。
【００４４】
耕起層には、土壌改良資材を混合してもよく、土壌改良資材としては、地力増進法（昭和５９年法律第３４号、最終改正平成２３年法律第１０５号）による政令指定土壌改良資材を用いることが好ましい。土壌改良資材は、具体的には、泥炭、バークたい肥、腐植酸質資材、木炭、けいそう土焼成粒、ゼオライト、バーミキュライト、パーライト、ベントナイト、ＶＡ菌根菌資材、ポリエチレンイミン系資材、ポリビニルアルコール系資材からなる群より選ばれる少なくとも１つのものが挙げられる。土壌改良資材を耕起層に混合する場合には、使用する土壌改良資材の種類によっても混合する量は異なり、その混合量は特に限定されないが、耕起層の土壌１００質量部に対して、好ましくは５〜５０質量部、より好ましくは５〜４０質量部、さらに好ましくは５〜３０質量部である。
【００４５】
さらに本発明の好適な実施態様において、土壌表層に団粒構造を含む耕起層を形成する工程の後、耕起層を除去する工程の前に、耕起層上に水溶性ポリマーを含有するゲル化剤を散布する工程を含むことが好ましい。土壌表層を耕起して、団粒構造を含む耕起層は、耕起する前の土壌よりも、降雨による流出や風による飛散が起こりやすい状態となる。本発明の好適な実施態様において、団粒構造を含む耕起層上に水溶性ポリマーを含有するゲル化剤を散布することによって、耕起層表面をマルチングし、耕起層の飛散を抑制することができる。本願明細書において、マルチングとは、耕起層上に散布されたゲル化剤で耕起層表面を覆うことをいう。
【００４６】
水溶性ポリマーは、天然物又は合成物を用いることができ、アルギン酸マグネシウム、アルギン酸カルシウム、カラギーナン、マンナン、寒天、ポリアクリル酸エステル、ポリ酢酸ビニル、エチレン酢酸ビニル、ポリ塩化ビニル及びポリビニルアルコールからなる群より選ばれる少なくとも１種を用いることが好ましく、２種以上を併用してもよい。これらの中でも、アルギン酸マグネシウム、アルギン酸カルシウム、カラギーナン、マンナン、寒天等の天然物は、生分解性に優れるため、好適に使用することができる。また、合成物のうち、ポリビニルアルコールは、例えば耕起層に含まれる団粒構造を維持するためにマグネシア系固剤を用いた場合、このマグネシア系固化剤と反応して、安定したゲルを形成し、確実に耕起層表面をマルチングすることができる。なお、ゲル化剤に含まれる水溶性ポリマーとしてのポリビニルアルコールは、地力増進法（昭和５９年法律第３４号、最終改正平成２３年法律第１０５号）による政令指定土壌改良資材のうち、ポリビニルアルコール系資材とは、異なるものであるが、同一のものを水溶性ポリマーとして用いてもよい。
【実施例】
【００４７】
以下、実施例によって、本発明を更に詳細に説明する。本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。
【００４８】
〔予備試験１〕
予備試験１として、団粒構造を含む耕起土からなる凍土と、耕起していない不撹乱土からなる凍土との硬さを調べるために、一般的な土壌を粒度ごとにふるい分けし、凍結させて一軸圧縮試験を行った。
まず、ＪＩＳ  Ａ１２０４：２０００による粒度試験と土性分類により砂壌土（ＳＬ）と分類される土壌と、リン酸吸収係数の分析によって火山灰土と分離される土壌を茨城県農村工学研究所内の圃場試験場において採取した。
採取した火山灰土と砂壌土をそれぞれ、「ＪＩＳ  Ｚ８８０１−１：２０００  試験用ふるい−第１部：金属製網ふるい」に準拠したふるい（ふるい目開き２．００ｍｍ、４．７６ｍｍ、９．５２ｍｍ）を用いて、「ＪＩＳ  Ａ１２０４：２０００  土の粒度試験法」に準拠して、以下の各粒度の土壌サンプルを２ずつ作製した。本試験において、４．７６ｍｍふるい通過分は粒径４．７５ｍｍ以下とし、９．５２ｍｍふるい通過分は、９．５ｍｍ以下とした。
【００４９】
〔予備試験１用：土壌１（火山灰系）〕
・不撹乱土
・２ｍｍふるい通過分：粒径２ｍｍ未満
・２ｍｍふるい残分４．７６ｍｍふるい通過分：粒径２ｍｍ〜４．７５ｍｍ
・３．６ふるい残分９．５２ｍｍふるい通過分：粒径４．７６〜９．５ｍｍ
【００５０】
〔予備試験１用：土壌２（砂土壌系）〕
・不撹乱土
・２ｍｍふるい残分４．７６ｍｍふるい通過分：粒径２ｍｍ〜４．７５ｍｍ
・３．６ふるい残分９．５２ｍｍふるい通過分：粒径４．７６〜９．５ｍｍ
【００５１】
〔一軸圧縮強度試験〕
土壌サンプルを直径５０ｍｍ、高さ５１ｍｍの円筒形の容器に充填した。容器に充填した各土壌サンプルを−２０℃の恒温室で７２時間凍結した。凍結後、容器から凍結した土壌サンプルを取り出し、一軸圧縮強度試験用の供試体とした。各供試体は、温度約２０℃（±５℃）の実験室において、５分以内に一軸圧縮強度を測定した。各供試体について、「ＪＩＳ  Ａ１２１６：２００９  土の一軸圧縮試験方法」に準拠して、一軸圧縮強度を測定した。結果を表１に示す。なお、含水比は、「ＪＩＳ  Ａ１２０３：２００９  土の含水比試験方法」に準拠して測定した。また、乾燥後の土壌質量、及び真比重を２．６５として乾燥密度、間隙量、水分量、飽和度を以下の計算式により算出した。
【００５２】
〔乾燥密度、間隙量、飽和度の測定〕
乾燥密度、間隙量、飽和度は、「ＪＩＳ  Ａ１２０２：２００９  土粒子の密度試験方法」、「ＪＩＳ  Ａ１２０３：２００９  土の含水比試験方法」、「「ＪＧＳ０１５１−２０００  土の保水性試験方法」に準拠して測定した数値に基づき、土壌の基礎物性測定に記載されている計算式に従って算出した。なお、乾燥密度、間隙量（間隙率）、飽和度は、以下の式により算出される。
乾燥密度（かさ密度、仮比重）：ρｄ＝Ｍｓ／Ｖｔ    ・・・（１）
（式中、ρｄは乾燥密度（かさ密度、仮比重）であり、Ｍｓは土粒子の質量、Ｖｔは空気（気相）、水（水相）及び土粒子（固相）を合計した体積である。）
空隙率(間隙率)：ｎ＝（Ｖａ／Ｖｗ）／Ｖｔ    ・・・（２）
（式中、ｎは空隙率（間隙量）であり、Ｖａは空気（気相）の体積であり、Ｖｗは水（水相）の体積であり、Ｖｔは空気(気相)、水（水相）及び土粒子(固相)を合計した体積である。）
飽和度（飽水度）：Ｓ＝Ｖｗ／（Ｖａ＋Ｖｗ）    ・・・（３）
（式中、Ｓは飽和度（飽水度）であり、Ｖｗは水（水相）の体積であり、Ｖａは空気（気相）の体積である。）
【００５３】
上述した試験により、土壌１（火山灰系）及び土壌２（砂壌土系）の各サンプルから導き出される乾燥密度、間隙量、飽和度、及び一軸圧縮強度を表１に示す。
【００５４】
【表１】
2014131793.tif 000003
【００５５】
表１に示すように、団粒構造を含む耕起層の一軸圧縮強度は、不撹乱土からなる不耕起層の一軸圧縮強度の２０分の１（１／２０）〜３０分の１（１／３０）の強度であった。この結果から、ふるい分けした土壌（団粒構造を含む耕起層を想定）は、凍結後においても、凍結した不撹乱土（不耕起層を想定）よりも強度が小さく、容易に除去可能となることが確認できた。ふるい分けした土壌と、不撹乱土との強度の違いは、ふるい分けした土壌は、ふるい分けにより、乾燥密度及び水分飽和度が小さくなったためと推測される。また、不撹乱土の一軸圧縮強度が、一般的な凍土の一軸圧縮強度５０〜１００ｋｇｆ／ｃｍ２よりも小さい数値であるのは、供試体を凍結させた場合であっても、供試体には下層から毛管構造によって吸い上げられる水分補給がないためと推測される。
【００５６】
〔予備試験２〕
予備試験２として、福島県飯舘村の現地圃場において、耕起していない不撹乱土壌と、団粒構造を含む耕起土壌を採取し、土の圧密低圧一面せん断試験を行った。
【００５７】
〔予備試験２用：耕起土壌〕
まず、２０１２年１２月１４日（最低気温：−１．８℃、最高気温：１１．５℃、降水量：０．０ｍｍ）、福島県飯舘村の圃場において、幅２ｍ、長さ１０ｍの区域において、ストローチョッパー（ニプロ社製）を用いて、雑草を裁断し、その後、雑草残差も除去した。その後、トラクター（クボタＭＳＺ７５（７５ＰＳ）、クボタ社製）に、ロータリーハロー（施工幅：２ｍ、ニプロ社製）を装着し、ロータリーハローによって、土壌表面から約５〜７ｃｍの深さの土壌表層を耕起して、団粒構造を含む耕起層を形成した。耕起する深さは、ロータリーハローに設けた制御輪で制御した。同日に耕起層から予備試験２用の耕起土壌サンプルを採取した。
【００５８】
図６は、ロータリーハローによって、福島県飯舘村の圃場において、土壌表層に団粒構造を含む耕起層を形成している状態を示す写真である。また、図７は、土壌表層を耕起した後の団粒構造を含む耕起層の深さを示す写真である。図７に示すように、団粒構造を含む耕起層は、土壌表面から５〜７ｃｍの深さとなるように形成した。さらに、図８は、土壌表層を耕起後の団粒構造が形成された耕起層の表面を示す写真である。図８に示すように、団粒構造を含む耕起層は、直径５〜２０ｃｍ程度の土塊が含まれていた。
【００５９】
〔予備試験２用：不撹乱土壌（不耕起土壌）〕
耕起していない不撹乱土壌は、２０１２年１２月１４日、福島県飯舘村の圃場から耕起していない、土壌表面から約１０ｃｍ以下の深さの土壌表層を採取した。
【００６０】
〔圧密定圧一面せん断試験〕
耕起土壌、不撹乱土壌（不耕起土壌）のそれぞれを縦２５ｃｍ×横２５ｃｍ×高さ２０ｃｍの木枠に充填し、各土壌について２個、合計４個のサンプルを作製した。−２０℃の恒温室で２４０時間凍結した。凍結後、木枠から凍結した土壌サンプルを取り出し、試験用の供試体とした。平成２５年１月１８日、恒温室から取り出した各供試体はドライアイスを充填した保冷容器に常時置き、温度約２０℃（±５℃）の実験室において、３０分以内に試験を行った。「ＪＧＳ  ０５６１：２０００  土の圧密定圧一面せん断試験方法」に準拠して、各供試体について、せん断強さを測定した。結果を表３に示す。図９に、耕起土壌と不耕起土壌の一面せん断応力と水平変位との関係を示すグラフを示す。また、図１０（ａ）は、不耕起土壌（不撹乱土壌）の供試体を示す写真であり、図１０（ｂ）は、供試体について圧密定圧一面せん断試験を行っている状態を示す写真である。また、図１１（ａ）は、耕起土壌の供試体を示す写真であり、図１１（ｂ）は、供試体について圧密定圧一面せん断試験を行っている状態を示す写真である。
【００６１】
【表２】
2014131793.tif 000004
【００６２】
表２及び図９に示す結果から、凍結後の不耕起土壌のせん断応力は約７００〜９００ｋＮ／ｍ２であり、凍結後の耕起土壌のせん断応力は約２００〜２５０ｋＮ／ｍ２であることが確認できた。すなわち、凍結後の耕起土壌のせん断応力は、凍結後の不耕起土壌のせん断応力よりも約７５％程度減少し、凍結後の不耕起土壌のせん断応力の約４分の１（約１／４）程度であり、団粒構造を含む耕起層は、凍結後も耕起層のみを比較的少ないエネルギーで剥がし取ることが可能であることを確認できた。
【００６３】
〔現地実証試験〕
福島県飯舘村の現地圃場において、現地実証試験を行った。
まず、現地圃場を以下の３つに区画した。図１２は、調整後の各区画の状態を示す写真である。
（区画１）：耕起処理（幅２ｍ×長さ１０ｍ）
（区画２）：耕起処理及び無機質素材混合（幅２ｍ×長さ１０ｍ）
（区画３）：耕起処理及び有機質素材混合（幅４ｍ×長さ１０ｍ）
（区画４）：未処理（不耕起）
【００６４】
〔区画１：処理区の調製〕
２０１２年１２月１４日（最低気温：−１．８℃、最高気温：１１．５℃、降水量：０．０ｍｍ）、福島県飯舘村の圃場において、幅２ｍ、長さ１０ｍの区域において、ストローチョッパー（ニプロ社製）を用いて、雑草を裁断し、その後、雑草残差も除去した。その後、トラクター（クボタＭＳＺ７５（７５ＰＳ）、クボタ社製）に、ロータリーハロー（施工幅：２ｍ、ニプロ社製）を装着し、ロータリーハローによって、土壌表面から約５〜７ｃｍの深さの土壌表層を耕起して、団粒構造を含む耕起層を形成した。耕起する深さは、ロータリーハローに設けた制御輪で制御した。団粒構造を含む耕起層は、直径１ｃｍ程度の小粒や、直径５〜２０ｃｍ程度の土塊が含まれていた。
【００６５】
〔区画２：無機質素材混合区の調製〕
上述の区画１と同様にして団粒構造を含む耕起層を形成した後、耕起層を形成した土壌表面にマグネシア系固化剤そのままを散布した。
マグネシア系固化剤：マグホワイトIII型（MgWIII）（粉末状）、ブレーン比表面積６，０００ｃｍ２／ｇ、東武化学社製
マグネシア系固化剤（１００質量％）中のマグネシウムの含有量：１５〜５５質量％
マグネシア系固化剤散布量：５ｋｇ／ｍ２（固形分量）
散布方法：試験区を２×２ｍに区分けして、各区に１体２０kgのマグネシア系固化剤を散布した。
【００６６】
〔区画３：有機質素材混合区の調製〕
上記の区画１と同様に、ストローチョッパー（ニプロ社製）を用いて、土壌表面の雑草を裁断した。その後、トラクター（クボタＭＳＺ７５（７５ＰＳ）、クボタ社製）に、ロータリーハロー（施工幅：２ｍ、ニプロ社製）を装着し、ロータリーハローによって、裁断された雑草とともに、土壌表面から約５〜７ｃｍの深さの土壌表層を雑草を鋤き込みながら耕起して、裁断された雑草と団粒構造とを含む耕起層を形成した。耕起する深さは、ロータリーハローに設けた制御輪で制御した。耕起層は、裁断された雑草、直径１ｃｍ程度の小粒及び直径５〜２０ｃｍ程度の土塊が含まれていた。
【００６７】
（実施例１）
２０１３年２月８日（最低気温：−２．１℃、最高気温：３．６℃、降水量：０．０ｍｍ）、福島県飯舘村の圃場の区画１（処理：耕起）において、油圧ショベル（ヤンマー社製）を使用し、アームを油圧シリンダで前後又は上下に操作することにより、バケットを土壌表層の５〜７ｃｍ程度の深さに差し込み、前方側又は手前側に平行移動させることで、団粒構造を含む耕起層を５〜７ｃｍの厚さで剥ぎ取った。油圧ショベルは、バケット容量が０．２８ｍ３であり、エンジン出力が５６．４ＰＳ、最大掘削力が５４．８ｋＮである。油圧ショベルを用いて、区画１の２ｍ×２ｍの範囲の耕起層を剥ぎ取るのに要した時間は約２．５分間であり、単位時間当たりの作業効率は、１０．４時間／１０ａ（アール）であった。
【００６８】
図１３は、土壌表層を剥ぎ取る前の各区画の状態を示す写真である。２０１３年２月８日において、土壌表面には約１０ｃｍ程度の積雪があった。
図１４は、区画１の団粒構造を含む耕起層を油圧ショベルのバケットで剥ぎ取っている状態を示す写真である。図１３及び図１４に示すように、土壌表面には約１０ｃｍ程度の積雪があったが、団粒構造を含む耕起層は、耕起層よりも下層の凍結した不耕起層から容易に剥ぎ取ることができた。剥ぎ取った団粒構造を含む耕起層には、直径１ｃｍ程度の小粒や、直径５〜２０ｃｍ程度の土塊が含まれていた。剥ぎ取る前の土壌表層の土壌硬度及び剥ぎ取り後の土壌表層直下の土壌硬度を測定した。結果を表３に示す。
【００６９】
（比較例１）
２０１３年２月８日、福島県飯舘村の圃場の未処理の区画において、実施例１と同様の油圧ショベルを使用し、アームを油圧シリンダで前後又は上下に操作することにより、バケットを土壌表層の５〜７ｃｍ程度の深さに差し込み、前方側又は手前側に平行移動させることで、凍結した土壌表層を剥ぎ取った。未処理の区画４の２ｍ×２ｍの範囲の耕起層を剥ぎ取るのに要した時間は約７分間であり、単位時間当たりの作業効率は、２９．２時間／１０ａであった。
【００７０】
図１５は、未処理の区画４の凍結した土壌表層(凍土）を油圧ショベルのバケットで剥ぎ取っている状態を示す写真である。２０１３年２月８日において、凍土前線はまだ下方に発達しておらず、凍土の厚さがそれほど厚くないことから、不耕起層である土壌表層を、比較的容易に剥ぎ取ることができた。図１６は、剥ぎ取られた不耕起層である土壌表層の凍土の厚さを測定している状態を示す写真である。図１６に示すように、剥ぎ取られた土壌表層の凍土厚は約５ｃｍ程度であった。また、図１７は、剥ぎ取られた不耕起層である土壌表層の状態を示す写真である。図１７に示すように、剥ぎ取られた土壌表層は、直径１０〜５０ｃｍ程度の大きな土塊が含まれていた。剥ぎ取る前の土壌表層の土壌硬度及び剥ぎ取り後の土壌表層直下の土壌硬度を測定した。結果を表３に示す。
【００７１】
（実施例２）
２０１３年２月１９日（最低気温：−１．１℃、最高気温：４．０℃、降水量：０．０ｍｍ）、福島県飯舘村の圃場の区画２（処理：耕起、無機質素材混合）において、実施例１と同様にして、団粒構造を含む耕起層を５〜７ｃｍの厚さで剥ぎ取った。２０１３年２月１９日において、凍土前線が下方に発達し、凍土が厚くなっていた。
【００７２】
図１８は、区画２の団粒構造を含む耕起層を油圧ショベルのバケットで剥ぎ取っている状態を示す写真である。２０１３年２月１９日において、凍土前線が下方に発達し、凍土が厚くなっていた。しかし、図１８に示すように、油圧ショベルのバケットを前方側又は手前側に平行移動させることで、団粒構造を含む耕起層を５〜７ｃｍの厚さで容易に剥ぎ取ることができた。図１９は、剥ぎ取り後の状態を示す写真である。図１９に示すように、凍土が発達した冬期においても、団粒構造を含む耕起層が、その下層の凍土となっている不耕起層から容易に剥ぎ取ることができた。
【００７３】
区画２において、２ｍ×２ｍの範囲の耕起層を剥ぎ取るのに要した時間は、約２．８分間であり、単位時間当たりの作業効率は、１１．７時間／１０ａであった。剥ぎ取る前の土壌表層の土壌硬度及び剥ぎ取り後の土壌表層直下の土壌硬度を測定した。結果を表３に示す。
【００７４】
図２０は、剥ぎ取った後の団粒構造を含む耕起層の状態を示す写真である。図２０に示すように、剥ぎ取った団粒構造を含む耕起層には、直径５〜２０ｃｍ程度の土塊が含まれていた。
【００７５】
（実施例３）
２０１３年２月１９日、福島県飯舘村の圃場の区画３（処理：耕起、有機質素材混合）において、実施例１と同様にして、団粒構造を含む耕起層を５〜７ｃｍの厚さで剥ぎ取った。２０１３年２月１９日において、凍土前線が下方に発達し、凍土が厚くなっていた。
【００７６】
区画３において、２ｍ×８ｍの範囲の耕起層を剥ぎ取るのに要した時間は、約８．７分間であり、単位時間当たりの作業効率は、９．１時間／１０ａであった。剥ぎ取る前の土壌表層の土壌硬度及び剥ぎ取り後の土壌表層直下の土壌硬度を測定した。結果を表３に示す。剥ぎ取った団粒構造を含む耕起層には、直径５〜２０ｃｍ程度の土塊が含まれていた。
【００７７】
（比較例２）
２０１３年２月１９日、福島県飯舘村の圃場の未処理の区画において、実施例１と同様の油圧ショベルを使用し、アームを油圧シリンダで前後又は上下に操作することにより、バケットを土壌表層に差し込もうとしたが、凍土が発達しており、バケットの先端が凍土によってはじかれてしまい、なかなか差し込むことができなかった。何度かバケットの先端を凍土に打ち付けて凍土をたたき割った後、バケットを前方側又は手前側に平行移動させることで、凍結した土壌表層を無理やり剥ぎ取った。未処理の区画４の２ｍ×２ｍの範囲の耕起層を剥ぎ取るのに要した時間は約７分間であり、単位時間当たりの作業効率は、２９．２時間／１０ａであった。剥ぎ取る前の土壌表層の土壌硬度及び剥ぎ取り後の土壌表層直下の土壌硬度を測定した。結果を表３に示す。
【００７８】
図２１は、未処理の区画４の凍結した土壌表層(不耕起層）を油圧ショベルのバケットでたたき割ってから剥ぎ取っている状態を示す写真である。２０１３年２月１９日において、図２２は、土壌表層を剥ぎ取った後の土壌を示す写真である。図２２に示すように、剥ぎ取った土壌表層の深さは土壌表面から１０ｃｍ程度であり、凍土前線が下方に発達し、凍土の厚さは土壌表面から１０ｃｍ程度に達していることが確認できた。図２３は、剥ぎ取られた土不耕起層（凍土）の厚さを測定している状態を示す写真である。図２３に示すように、剥ぎ取られた土壌表層の凍土厚は約１０ｃｍであった。
【００７９】
図２４は、剥ぎ取った不耕起層の状態を示す写真である。図２４に示すように、凍土から剥ぎ取った土壌表層は、直径１０〜５０ｃｍ程度の大きな土塊が含まれていた。
【００８０】
〔土壌硬度の測定〕
剥ぎ取る前の土壌表層の土壌硬度を、地表の土壌硬度とした。また、土壌表面から７ｃｍ以下の厚さ（土壌表層が凍結し、土壌表面から７ｃｍ以下の厚さで剥ぎ取れない場合には土壌表面から１０ｃｍ以下の厚さ）で耕起層又は不耕起層を剥ぎ取った後の土壌表層直下の土壌硬度を、地表より厚さ７ｃｍの土壌硬度とした。山中式土壌硬度計による方法は、上述したとおりであり、各サンプルについて、硬度計を水平に持ち円錐部を土壌断面につばが密着するまでに確実に押し付け、遊動指標が移動しないように静かに円錐部を引き抜き、硬度目盛（ｍｍ又はｋｇｆ／ｃｍ２）の値を測定した。対象となる区域の団粒構造を含む耕起層又は不耕起層（不撹乱土、凍土となっている土壌表層）は、対象となる区域の３点から採取した土壌表面の同一層位の土壌硬度を測定して、その平均値を耕起層又は不耕起層の土壌硬度とした。
【００８１】
【表３】
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【００８２】
実証実験を行った結果、実施例１〜３に示すように、本発明の方法によれば、土壌が凍結する冬期においても、汚染物質が蓄積しやすい土壌表層のみを不耕起層として確実かつ安定に除去することができることが確認できた。さらに、耕起層の深さ、すなわち、剥ぎ取られる団粒構造を含む耕起層の厚さを調整することによって、凍土が形成される冬期においても、好適な厚さの範囲で土壌表層を剥ぎ取ることができた。例えば、地表からの凍土の厚さが１０ｃｍ以上となる場合であっても、地表からの深さ約５〜７ｃｍ程度の団粒構造を含む耕起層を形成しておけば、約５〜７ｃｍ程度の団粒構造を含む耕起層を剥ぎ取ることができる。
【００８３】
山中式土壌硬度計による方法により測定した、団粒構造を含む耕起層（実施例１〜３）を剥ぎ取る前の土壌表層(地表)の硬度は４３ｋｇｆ／ｃｍ２以下であり、土壌表面から７ｃｍ以下の厚さで耕起層（実施例１〜３）を剥ぎ取った後の土壌表層直下の土壌硬度は２０ｋｇｆ／ｃｍ２以下であった。
【００８４】
また、団粒構造を含む耕起層は、土壌が凍結した後も、不耕起層と比較して、地表における圧密定圧一面せん断強度が小さくなり、油圧ショベル等の一般的な自走式機械を用いて容易に汚染土壌表層を除去できることが確認できた。なお、地表より厚さ７ｃｍ程度の剥ぎ取られた土壌は、不耕起層も、団粒構造を含む耕起層もほぼ同程度の圧密定圧一面せん断強度であった。さらに、団粒構造を含む耕起層の除去は、不耕起層の除去と比較して作業効率が約３倍以上となり、冬期においても効率よく除染作業を行うことができた。
【００８５】
剥ぎ取った後の団粒構造を含む耕起層は、比較的細かい土塊、例えば直径約１ｃｍ程度の土塊から直径約５〜２０ｃｍの土塊を含み、フレコンへの充填作業も容易であった。また、剥ぎ取った後の団粒構造を含む耕起層は、比較的細かい土塊を含むため、フレコンへの充填密度が良好な状態となり、耕起層を回収するためのフレコンの数も低減し、処理コストの低減が可能である。これに対して、剥ぎ取った後の不耕起層は、直径約１０〜５０ｃｍの大きな土塊を含み、フレコンへの充填が容易ではなかった。また、比較的大きな土塊を含む剥ぎ取った後の不耕起層は、嵩張るために、剥ぎ取り後の不耕起層を収容するためのフレコンの数も増加し、処理コストが増大することが予想された。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
カドミウム、銅等の重金属類や砒素等の有害物質によって、基準値以上の数値がでている地域は、約７，５００ヘクタール（ｈａ）である。また、原子力発電所の事故に伴い、５０００ベクレル／ｋｇ以上の放射性物質で汚染された農地の面積は約８，３００ヘクタール以上であり、この農地では稲の作付けが制限されている。本発明の冬期の汚染土壌表層の除去工法によれば、土壌表層が凍結する冬期においても除染作業を停滞することなく、汚染された土壌表層のみを確実かつ安定に除去することができ、産業上非常に有用である。さらに、本発明の冬期の汚染土壌表層の除去工法によれば、除染の作業効率が向上し、低コストかつ汎用性が高く、早期の処理が切望されている現状において、産業上非常に有用である。
【符号の説明】
【００８７】
１    土壌
２    土粒子
３    凍結前線
４    多孔質の小粒又は土塊
５    団粒構造を含む耕起層
６    耕起層よりも下層の不耕起層
６Ａ  凍土
７    切断した草類
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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