International Seminar 2024
International Expansion of Disaster Prevention and Mitigation Technologies Through Forests

Scientific Evaluation of Disaster Prevention and Mitigation Functions of Forest Root Systems
樹木根系による土砂災害防止・軽減機能の科学的評価

Nihon University
College of Bio-resource Sciences,
Forest Sciences Division
Kazutoki ABE
日本大学生物資源科学部
森林資源科学科
阿部和時

Contents(1)

Comprehensive Perspective on Sediment Disaster Prevention and
Mitigation Functions of Forests(1) -1(1) -2(1)

包括的にみた森林の持つ土砂災害に対する防災・減災機能について(1) -1(1) -2(2)

Relation between forest age and shallow land-slide in manmade forests
The landslide affected by forest function to prevent landslide
人工林における林齢と表層崩壊の関係
森林の崩壊防止機能が発揮される表層崩壊とは？

Preventing shallow landslide mechanism by tree roots(2)-1 Inferring the tree roots function of preventing shallow landslide by root
distribution survey data(2)-2 How does shallow landslide occur? “Shallow landslide experiment”(2)-3 Is tree root effective in preventing shallow landslide ?
“ In-situ direct shear tests”(2)

森林根系による崩壊防止メカニズム

(2)-1
(2)-2
(2)-3

根系の表層崩壊防止機能を根系分布調査結果から推察
表層崩壊はどのように崩れるか？ 崩壊実験
表層崩壊の発生抑止に根系は有効か？ 原位置せん断試験による検証

(1) Comprehensive Perspective on Sediment Disaster Prevention and Mitigation
Functions of Forests(1) -1

Relation between forest age and shallow land-slide in manmade
forests(1)

包括的にみた森林の持つ土砂災害に対する防災・減災機能について(1) -1

人工林における林齢と表層崩壊の関係

(1)-1

人工林における林齢と表層崩壊の関係（60～90年前と現在の森林における比較）

Relation between forest age and shallow land-slide in manmade forests (comparison now and past)
1982年

宮崎県市房山（砂防学会誌49(2)1996）

市房山（宮崎県）：1967年頃から天然性広葉樹林の皆伐が始まり、スギが植栽された。
1973年頃から崩壊地が発生し始め、1982年の豪雨で全山崩壊の様相を呈した。

Mt. Ichifusa (Miyazaki Pref.): Clear-cutting of natural secondary forest began around 1967,
and Sugi (Cryptomeria japonica) was planted. Around 1973, some landslides
started to occur, and heavy rainfall in 1982 caused many landslides.
日本では、以前より森林伐採後や若齢林で多数発生する崩壊が大きな問題になっていた。
1950～1980年の間には約750万haに及ぶ林齢20年生以下の若齢林人工林が存在した。
（日本の森林面積2,500万haの30%）

In Japan, large numbers of landslides occurring after clear cutting and in young forests havelong been a major problem. Approximately 7.5 million hectares of young forests, less than 20
years old, existed from 1950 to 1980. (30% of the total forest areas 25 million ha in Japan)

(1)-1

人工林における林齢と表層崩壊の関係（60～90年前と現在の森林における比較）

崩壊面積率の比Landslide area ratio

1
0.8
0.6
0.4
0.2
0

0

10

20

30
林

40
齢

50

60

70

Forest age
1934～1967年の間に全国14箇所で発生した土砂災害
データを使用した林齢と崩壊の関係（秋谷、1979）
Relation between forest age and landslide area using
sediment disaster data occurred in 14 locations nationwide,
1934 to 1967 (Akiya, 1979)2017年、九州北部豪雨災害時のデータを使用（村上、2018）
Landslide No./km2
2
LandslideNo.
Area km

Relation between forest age and shallow land-slide in manmade forests (comparison now and past)

Forest age
Relation of forest age and landslide area
based on Northern Kyusyu sedimentdisaster data 2017 (Murakami, 2018)20年生以下の若齢林：崩壊防止機能は低く、崩壊面積割合は多い。
20年生以上の壮齢林：崩壊防止機能は高く、崩壊面積割合は少ない。しかし、ゼロにならない。
Young forests under 20 years old: The preventing landslide function is lower, and the landslide area is larger.
Mature forests over 20 years old: The preventing landslide function is higher, and the landslide area is smaller.
But it does not become zero.
5(1) Comprehensive Perspective on Sediment Disaster Prevention and Mitigation
Functions of Forests(1) -2(1)

The landslide affected by forest function
to prevent landslide

包括的にみた森林の持つ土砂災害に対する防災・減災機能について(1)-2

森林の崩壊防止機能が発揮される表層崩壊とは

(1)-2森林の崩壊防止機能が発揮される表層崩壊とはThe landslide affected by forest function to prevent landslide (landslides in young forest)

1968年（S43年） 多数の表層崩壊が皆伐後に発生した事例（長野県飯田市）
Many shallow landslides occurred after clear-cutting ,1968 (Iida, Nagano Prefecture)

1983年島根県豪雨災害、中央部分の伐採跡地で多数の表層崩壊が集中的に発生した。
Numerous shallow landslides occurred intensively atclear cutting site, (Shimane Prefecture)

若齢林で発生する表層崩壊は土壌層が崩れる極めて薄い崩壊とみとみられる。

Shallow landslide that occurs in young forests seems to be extremely thin. It is assumed that only the top-soil collapses.

(1)-3森林の崩壊防止機能が発揮される表層崩壊とはThe landslide affected by forest function to prevent landslide (landslides in matured forest)2017年(H29年)九州北部豪雨災害
Northern Kyusyu disaster,2017

50年生を超える壮齢人工林内で表層崩壊と見えるような崩壊が多数発生した。
このため壮齢林でも森林の崩壊防止機能は発揮されないと思われる。
Many landslides that appeared to be shallow landslide occurred in mature forest, over 50 years old.
For this reason, even in mature forests, the preventing shallow landslide function is not expected.

(1)-3森林の崩壊防止機能が発揮される表層崩壊とはThe landslide affected by forest function to prevent landslide (landslides in matured forest)

Top-soil layer
滑落崖

Unconsolidated soil layer

Main scarp

約50年生のスギ人工林
Matured forest, 50 years old
・・

樹木根系が生育する土壌層下に未固結土層が存在し、その層から崩壊が発生している。
根系が生育する土壌層は薄く厚さは1m程度
An unconsolidated soil layer exists below top-soil layer in which a lot of tree roots grow.
The top-soil is about 1.0 meter thick, and the unconsolidated soil layer was collapsed.

10(1)-3森林の崩壊防止機能が発揮される表層崩壊とはThe landslide affected by forest function to prevent landslide (landslides in matured forest)

Top-soil layer

Weathered bedrock layer

花崗岩地帯のスギ壮齢林で発生した崩壊地
Landslide in matured SUGI forest, granite hillslope

土壌層は薄く、基岩風化層が厚く発達している
Top-soil layer is thin and weathered bedrock layer is thick

HINOKI: Chamaecyparis obtusa

Top-soil layer

花崗岩地帯のヒノキ壮齢林で発生した崩壊地
Landslide in matured HINOKI forest, granite hillslope

ヒノキ根系が多く生育する深さは50cm程度
Most of HINOKI roots grow within 50 cm deep

(1)-3(1)-3 森林の崩壊防止機能が発揮される表層崩壊とは
森林の崩壊防止機能が発揮される表層崩壊とは？

壮齢林内で発生した崩壊地
The landslide affected by forest function to prevent landslide ( Points )若齢林 Young forest

根系の生育が貧弱で森林の崩壊防止機能が弱く
土壌層崩壊が発生しやすくなる

土壌層崩壊
Top-soil layer
landslide

Growth of tree roots is not enough.
So, the function to prevent landslide is weak.
Top-soil layer landslide is more likely to occur.
Top-soil layer
Unconsolidated soil layer

bedrock

壮齢林 Matured forest

土壌層では根系の生育が旺盛で、森林の崩壊防止機能が強く発揮され土壌層崩壊は抑止される。

風化基盤層崩壊
unconsolidated soil
layer landslide

Growth of tree roots is enough.
So, the function to prevent landslide is strong.
Top-soil layer landslide may not occur.
森林の崩壊防止機能により土壌層崩壊は抑止されても、強風化層からの崩壊を抑止することは難しい
Top-soil layer landslide is suppressed by the forest function to prevent landslide, but the weathered bedrock
landslide or unconsolidated soil layer landslide may not prevent, even if forest is matured.

(2)Preventing shallow landslide mechanism by tree roots(2)

森林根系による崩壊防止メカニズム(2)森林根系による崩壊防止メカニズム （どのように発揮されるのか？）

Preventing shallow landslide mechanism by tree roots ( What is this mechanism ? )鉛直根･斜出根による杭効果
Pile effect by tap roots and sinker roots

水平根によるネット果
Net effect by lateral roots

土壌層 Top-soil layer
すべり面 Shear plain
基岩 Bed rock, or
風化基岩層 Weathered bed rock, or
未固結堆積物 Unconsolidated soil
基岩のクラックに根が侵入
Roots invade into crack of bed rock
土壌層
Top soil layer

水平根lateral roots
水平根lateral roots

Root
Movement of top-soil
すべり面 Shear plain
すべり面 Shear plain

拡大図
Expansion

基岩 Bed rock

崩壊域
Landslide area
平面図
Plane figure

立木 tree

森林根系による崩壊防止メカニズムとは何か ？
What is the mechanism to prevent shallow landslide by tree roots ?

(2)Preventing shallow landslide mechanism by tree roots(2)-1 Inferring the tree roots function of preventing shallow landslide by root
distribution survey data

(2)
(2)-1

森林根系による崩壊防止メカニズム

根系の表層崩壊防止機能を根系分布調査結果から推察

(2)-1

根系の表層崩壊防止機能を根系分布調査結果から推察

Inferring the tree roots function of preventing shallow landslide by root distribution survey data

調査本数
未間伐林 6本
間伐林
5本
Number of survey trees
In un-thinned forest 6
In thinned forest 5

間伐林
樹齢
樹高
胸高直径
立木密度

58年生
22.4m
23.6cm
800本/haThinned forest
Tree age
58
Height22.4m
Diameter B.H.
23.6cm15
Tree number/ha 800/ha

(2)-1

根系の表層崩壊防止機能を根系分布調査結果から推察

Inferring the tree roots function of preventing shallow landslide by root distribution survey data
間伐林
樹齢
樹高
胸高直径
立木密度

58年生
22.4m
23.6cm
800本/haThinned forest
Ground surface

Tree age
58
Height22.4m
Diameter B.H.
23.6cmTree number/ha 800/ha

1.0 meter deep surface

深さ約1.0mまでの根量は多い。水平根は少ない。
There are many roots up to a depth of about 1.0m.
There are a few lateral roots.

(2)-1

根系の表層崩壊防止機能を根系分布調査結果から推察

Inferring the tree roots function of preventing shallow landslide by root distribution survey data

Tree number
樹齢 Tree age
樹高 Height m
DBHcm
16～18 years old, in Wakayama prf.

32 years old, in Kanagawa prf.

Tree number
樹齢 Tree age
樹高 Height m
DBH
cm

No.1
32
15.1
17.2

No.1
16
11.6
13.4

No.2
16
12.8
14.0

No.3
18
13.0
15.3

No.4
18
12.8
13.0

Root volume ratio %

No.2
32
14.8
21.0

Depth
from ground surface cm

Depthfrom ground surface cm

Depthfrom ground surface cm

Root volume ratio %45 and 58 years old, in Kanagawa prf.

Tree number
樹齢 Tree age
樹高 Height m
DBH
cm

No.1
45
19.4
19.1

No.2
58
22.4
23.6

☆ 地表面から深さ50cmの間に根系材積の93.7～98.1%が生育している。
☆ 1.0mより深く成長する根は極めて少なく、細い。
93.7 to 98.1% of the root volume exists in top-soil from the ground surface to 50 cm in depth.
a few roots grow deeper than 1.0m and they are thin.

(2)-1

根系の表層崩壊防止機能を根系分布調査結果から推察

Inferring the tree roots function of preventing shallow landslide by root distribution survey data

強風化層
Weathered bedrock

基岩層 Bed rock
最深部50cmの根系量測定範囲
Roots volume measurement range

Depthfrom ground surface cm

Root volume ratio %崩壊防止機能に強く影響
最深部50cmの根系量
Roots volume in the deepest 50 cm

根系分布最深部50cmの根系材積 cm3

土壌層 Tpo-soil

Roots volume in the deepest 50 cm
thick layer of the root distribution cm3

杭効果の検証：根系が生育する最深部における土壌層厚さ50cm中の根系材積と樹齢の関係
Verification of the pile effect: Relation between tree age and roots volume in a 50 cm thick layer of the top-soilat the deepest part of the root distribution
1400
未間伐

1200

間伐

1000
800
600
400
200
0

0

20

40
樹

60

80

齢

Tree age
最深部50cmの根系量と樹齢の関係

Relation between tree age and roots volume
in the deepest 50 cm thick layer of the root distribution★ 最深部に生育する杭効果に関与する根は樹齢の増加とともに増えず、杭効果は期待できない。
★ The roots that grow in the deepest part do notincrease with the age of the tree, so it seems that no
pile effect can be expected.

(2)-1

根系の表層崩壊防止機能を根系分布調査結果から推察

Inferring the tree roots function of preventing shallow landslide by root distribution survey data

崩壊する土塊の周縁部（青線）は水平根が最も少な
いと考えられる立木間中央部に発生すると考えられる。
The periphery of the landslide (blue line) is thought to occur inthe center between trees, where lateral roots are thought tobe least present.

18
14

未間伐林分
Un-thinned trees

12
10

間伐林分
Thinned trees

8
6
4
2
58年生

齢

45年生

32年生

樹

32年生

18年生

32年生

0
16年生

根系断面積

(cm2/m)16

16年生

崩壊地の平面図 Plane figure of a landslide

立木中間点における単位長さ当たりのTotal root cross-section areas at the
midpoint of the tree trunks cm2/m

ネット効果の検証：立木中間地点における根系量と樹齢の関係
Verification of the net effect : Relation between tree age and total root cross-section areas at the midpoint of
the tree trunks

Tree age

立木中間地点における根系量と樹齢の関係
Relation between tree age and total root cross-section areasat the midpoint of the tree trunks★ 立木間中間点における水平根量は樹齢の増加とともに増えないので、ネット効果は期待できない。
★ Since the lateral roots at the midpoint between trees does not increase with increasing tree age, no net effectcan be expected.

(2)
(2)-2

Preventing shallow landslide mechanism by tree roots

How does top-soil landslide occur? “Landslide experiment”

(2)
(2)-2

森林根系による崩壊防止メカニズム

表層崩壊はどのように崩れるか？

崩壊実験

(2)-2土壌層崩壊はどのように崩れるか？ 崩壊実験
How does top-soil landslide occur?
“Landslide experiment”
崩壊実験装置と結果

3-1
実験の目的：土壌層の崩れ方を明らかにする。すべり面が形成されるか？
Purpose of the experiment: To clarify how soil layers collapse. Is a shear surface formed?

Water tank
Put sand softly as top-soil layer

高さ Height ： 690㎜
幅 Width： 200㎜
斜面長 Slope length：1380㎜
傾斜角 Slope angle：30°

(2)-2土壌層崩壊はどのように崩れるか？ 崩壊実験
How does top-soil landslide occur?
“Landslide experiment”

実験開始後 1 分
1 minute after starting the experiment

土中水
Supplied water

(2)-2土壌層崩壊はどのように崩れるか？ 崩壊実験
How does top-soil landslide occur?
“Landslide experiment”

実験開始後 6分
6 minutes after starting the experiment(2)-2土壌層崩壊はどのように崩れるか？ 崩壊実験
How does top-soil landslide occur?
“Landslide experiment”

実験開始後 7分40秒
7 minutes 40 seconds after starting the experiment(2)-2土壌層崩壊はどのように崩れるか？ 崩壊実験
How does top-soil landslide occur?
“Landslide experiment”

実験開始後 7分53.5秒
7 minutes 53.5 seconds after starting the experiment

飽和水帯
Saturated interflow

せん断域 Shear zone

(2)-2土壌層崩壊はどのように崩れるか？ 崩壊実験
How does top-soil landslide occur?
“Landslide experiment”

土層中に設置した白色の砂柱の動き
実験開始後
After the start

1分
1 min.

6分
6 min.

Movement of white sand pillars installed in the soil layer
7分40秒
7 min. 40 sec.

土層の歪速度は遅く、下部で歪みが大きい
この段階で根系による歪抑止が可能
The strain rate of the soil layer is slow, and the strainis larger at the bottom.
At this stage, strain can be suppressed by the roots.

実験の要点
Points ofthe experiment

☆
☆
★
★

7分53.5秒
7 min. 53.5 sec.

飽和水帯が形成され崩壊が始まる
この段階で根系による崩壊抑止は困難
A saturated interflow forms and landslide
begins. At this stage, it is difficult to control
landslide by roots.

砂層の下部に厚いせん断域が形成された。
根は土のせん断歪を抑止することで土壌層崩壊を抑止しているのでは？
A thick shear zone was formed at the bottom of the landslide.
Do roots prevent top-soil landslide by suppressing soil shear strain?

(2)-2土壌層崩壊はどのように崩れるか？ 崩壊実験
How does top-soil landslide occur?
“Landslide experiment”

土壌層崩壊に関する考察
Consideration regarding top-soil landslide

根は表層(0～50cm)に集中的に生育
Roots grow intensively in the surface layer(0-50cm)
根は表層より少ない
Roots are fewer than the surface layer
基岩 Bed rock

土壌層
Top-soil

多い
many
少ない
few
すべり面
Shear plane

根が多い表層Many roots
せん断域
Shear zone

せん断歪･亀裂
Shear strain･cracks
薄いすべり面が生じて発生する土壌層崩壊
Top-soil landslide on the thin shear plane

厚いせん断域が生じて発生する土壌層崩壊
Top-soil landslide caused by thick shear zone

根は厚いせん断域で土のせん断歪・亀裂を抑え、土壌層崩壊を抑止しているのでは？
Roots suppress shear strain and cracks in the shear zone, and prevent top-soil landslide

(2)
(2)-3

Preventing shallow landslide mechanism by tree roots
Is tree root effective in preventing shallow landslide ?
“ In-situ direct shear tests”

(2)
(2)-3

森林根系による崩壊防止メカニズムの詳細

土壌層崩壊の発生抑止に根系は有効か？

原位置せん断試験による検証

(2)-3土壌層崩壊の発生抑止に根系は有効か？

原位置せん断試験による検証

Is tree root effective in preventing top-soil landslide ? “In-situ direct shear tests”

実験の目的：特に、薄いせん断面と厚いせん断域で、根による崩壊防止機能の違いを明らかにする。

To clarify the difference in the landslide prevention function of roots between thin shear plane and thick shear zone.

原位置せん断試験模式図（土+根供試体）Schematic illustration of in-situ direct shear test (soil with growing roots)
薄いせん断面を生じさせる試験
Test that produces a thin shear plane

ジャッキ
Oil jack

変位量Displacement

鉄板
Iron plate
50cm

厚いせん断域を生じさせる試験
Test that produces a thick shear zone

地盤層
Ground layer
変位量Displacement

鉄板
ジャッキ Iron plate
Oil jack

薄いせん断面Thin shear plane

80cm
50cm
地盤層
Ground layer

厚いせん断域
Thick shear zone

(2)-3土壌層崩壊の発生抑止に根系は有効か？

原位置せん断試験による検証

Is tree root effective in preventing top-soil landslide ? “In-situ direct shear tests”

1.0 m
スギ根株

1.0 m

30cm

せん断域 50cm
Shear zone 50cm

土＋根（スギ）供試体の原位置せん断試験

せん断域厚さ50cm

30

(2)-3土壌層崩壊の発生抑止に根系は有効か？

原位置せん断試験による検証

Is tree root effective in preventing top-soil landslide ? “In-situ direct shear tests”

亀裂
cracks
せん断域 50cm
Shear zone 50cm

(2)-3土壌層崩壊の発生抑止に根系は有効か？

原位置せん断試験結果

Reinforcement of shear strength
by tree roots kN/m2

Is tree root effective in preventing top-soil landslide ? “In-situ direct shear tests”

Thinshear plane

薄いせん断面Thin shear plane
せん断域 30cm
Shear zone 30cm
せん断域 50cm
Shear zone 50cm

Shear zone
30cm
Shear zone
50cm

せん断域内の根系重量密度 kg/0.5m3
Roots weight density in the shear zone kg/0.5m3

せん断域の根系重量密度とせん断補強強度の関係
Relation between roots weight density in shear zone
and reinforcement of shear resistance・ せん断域が薄いほど根によるせん断補強強度は大きくなる。
The thinner the shear zone, the greater the reinforcing strength by roots.
・ しかし、せん断域が厚くても根による補強強度は発揮される。
But, even if the shear zone is thick, the reinforcing strength by the roots can be demonstrated.

(3)重要なポイント(3)

Keys of the presentation★ 森林の崩壊防止機能により土壌層崩壊は抑止される。
★ 未固結土層や強風化層からのやや深い崩壊を抑止することは難しい。
★ Top-soil layer landslide is suppressed by the forest function to prevent landslide,★ but the weathered bedrock landslide or unconsolidated soil layer landslide may notprevent, even if forest is matured.
★
★

杭効果･ネット効果による崩壊防止機能の評価は不適当ではないか？
Isn't it inappropriate to evaluate based on pile effect/net effect?

★ 土壌層中に厚みを持ったせん断域が生じ、せん断域内に歪みが増し亀裂が発達して崩壊に到る。
★ A thick shear zone is created in the soil layer, strain increases within the shear zone,
and cracks develop, leading to landslide.
★ せん断域中に生育する根が土のせん断補強強度を増加し、根による崩壊防止機能となる。
★ Roots growing in the shear zone increase soil shear reinforcement. This is the roots
functions to prevent landslide.

ご静聴、ありがとうございました。
Thank you very much for your attention.

34

(3)

まとめ
Some points of the presentation
若齢林 Young forest

根系の生育が貧弱で森林の崩壊防止機能が弱く
土壌層崩壊が発生しやすくなる

土壌層崩壊
Top-soil layer
landslide

Growth of tree roots is not enough.
So, the function to prevent landslide is weak.
Top-soil layer landslide is more likely to occur.
Top-soil layer
Unconsolidated soil layer

bedrock

壮齢林 Matured forest

土壌層では根系の生育が旺盛で、森林の崩壊防止機能が強く発揮され土壌層崩壊は抑止される。

風化基盤層崩壊
unconsolidated soil
layer landslide

Growth of tree roots is enough.
So, the function to prevent landslide is strong.
Top-soil layer landslide may not occur.
森林の崩壊防止機能により土壌層崩壊は抑止されても、強風化層からの崩壊を抑止することは難しい
Top-soil layer landslide is suppressed by the forest function to prevent landslide, but the weathered bedrock
landslide or unconsolidated soil layer landslide may not prevent, even if forest is matured.

(3)

まとめ
Some points of the presentation

崩壊地側面

崩壊底面
鉛直根･斜出根による杭効果
Pile effect by tap roots and sinker roots

水平根によるネット効果
Net effect by lateral roots

杭効果･ネット効果による評価は不適当ではないか。
Isn't it inappropriate to evaluate based on pile effect/net effect?

Top-soil depth cm

Roots volume ratio

土壌層中、或いはせん断域中に生育する根Roots growing in the soil layer or in
the shear zone

せん断域
Shear zone

土のせん断補強強度の増加
根による崩壊防止機能となる
Increased soil shear reinforcement
strength = Roots functions toprevent landslide.

土壌層中に厚みを持ったせん断域が生じ、せん断域内に歪みが増し、亀裂が発達して崩壊に到る。
A thick shear zone is created in the soil
layer, strain increases within the shear
zone, and cracks develop, leading tolandslide.