助成年度：平成 1 年度
[所属]
[役職]
[氏名]

京都大学 農学部教授
久馬 一剛 (他計３名)[課題]

開墾造成畑表土のクラスト形成に関する研究[内容]
クラスト（土壌皮殻）の形成による造成畑表土の物理性の不良化は、造成農地での畑作生産の不安定化要因となっている。本研究は、クラスト形成による物理性の不良化を回避、あるいは改良するような表土管理法の確立に寄与しうる基礎的な知見を得ることを目的として実施された。開墾造成畑表土のクラスト形成に関する研究を進める前提として、クラストの性状の定量評価法の確立が必要であるが、その手始めとして、人工降雨処理した土壌表層の孔隙の画像解析手法を試み、それを手順化した。次いで、丹後西部（京都府網野町・峰山町）の造成畑および北海道美瑛町の畑地から得た 11 点の土壌を用いて、人工降雨処理実験・形態観察・画像解析手法による定量評価などを行ない、クラストの形成機作の説明、クラスト形成傾向の評価とそれに影響を及ぼす土壌の性質の拾い出しをおこなった。
1.土壌採取地の概要
丹後西部の造成畑は、丹後地域国営農地開発事業の一環として 1984 年から造成が始まった。これらは、いわば地質的下層土が露出した状態にある未熟な土壌である。造成後の営農年数も比較的浅く、主としてタバ
コ・西瓜・馬鈴薯・南瓜・牧草などが作付されている。ここでは、クラストに原因する営農上の問題は特に聞かれなかったが、筆者らは、鳥取(2)地区の表土にクラストの発生、その他の幾つかの地区で侵食溝を認めており、土地利用の仕方によってはクラストなど土壌表層の性状の悪化に由来する問題が顕在化する可能性があると考えられる。美瑛町の畑地は、軽石流堆積物を母材とし褐色森林土に分類される土壌を持つ。開拓後 70 年から 90 年ほど経過しており、畑作物として、小麦・馬鈴薯・甜菜・大豆・小豆・野菜類などが作付されている。そのうち北瑛(1)・北瑛(2)地区は、クラスト形成による被害が顕著である。
2.人工降雨処理実験
人工降雨装置は、給水槽・貯水槽・雨滴発生ノズルで構成され、4.8mm/min.の降雨強度が得られる。降雨処理には、粒径 1-2mm の風乾粒団を容器に詰め、試料面が水平になるように装置下に置き、一律に 5 分間雨滴を作用させた。処理された試料は、実体顕微鏡による観察・薄片の調製と岩石顕微鏡による観察・画像解析などに、それぞれ供試された。
3.形態観察からのクラスト形成過程の説明
人工降雨下の土壌表面の状態変化や実体顕微鏡写真、薄片の写真とその二値化画像などの観察をもとに、クラスト形成過程の説明を試みる。なお、実際の畑地では、降雨の条件や複雑な微小地形によって、一筆の耕圃でも多様な形態のクラストが形成されると思われるので、今回のように人為的な条件下での実験からは、自然条件下での形成機作を説明し切ることは難しい。今回観察されたクラストは、形態的な特徴から大きく二つのタイプに分けられる。一つは、微細粒子の皮膜と、粒団が細粒化して密に充填された部分から成る構造を持つタイプ、もう一つは、粒団や粗砂粒子からなる疎な最表層の直下に、やや密な薄層を持つタイプである。前者には、矢田・三津・鳥取(1)・鳥取(2)・内記・島津・北瑛(1)・北瑛(2)が属し、土壌が雨滴の作用や濡れに対して不安定な粒団を持つ場合に形成される。その形勢機作は、次のように説明される。降雨処理の開始直後に、粒団が雨滴の衝撃かあるいはスレーキングによって急速に崩壊し、孔隙を塞ぎ、その後も更に細粒化が進み、小孔隙にまでも土壌粒子が密に充填する。そして透水性の低下に伴い雨水が表面に滞り、この段階では土壌に達する雨滴の衝撃は緩和されるが、表面水の攪拌によって細粒子が懸濁し、降雨後、懸濁粒子は土壌表面に沈積して、いわゆる“seal skin”と呼ばれる極めて薄い皮膜をつくる。後者には、向上・藤野(1)・藤野(2)が属し、土壌が雨滴の作用や濡れに対して比較的安定な粒団を持つ場合に形成される。その形成機作は、雨滴の作用により初期の粒団が徐々に崩壊するか削剥され小粒団となり、その下部の大きな孔隙を塞ぎ、降雨処理時間の経過につれて、さらに細粒化した粒子がその部位に洗い込まれ滞留する結果、孔隙率あるいは透水性は、それを形成する小粒団の大きさと細粒子の供給量に左右されると思われる。この薄層は、いわゆる“washed-in region”である。
4.土壌薄片‐画像解析法によるクラストの性状の定量評価
4-1 土壌薄片‐画像解析法(TS-IA 法)の概要
本研究で用いた画像解析装置は、ニレコ社製の LuzexⅢシステムを基本構成とし、画像入力系には光学顕微鏡とモノクロームテレビカメラの組み合わせを採用した。取り込まれる薄片の画像は、1024×1024 ピクセ
ルの画素（実寸法で約 12mm×12mm）で構成され、今回の入力条件（顕微鏡倍率×2.5）での解像度は 0.02mmとなり、これは、「ある程度細かい孔隙を測定し、なおかつクラスト部分を一度に取り組むのに可能な スケールの画像を得る」という条件を満たす。薄片試料の作成や、二値化画像中の無色鉱物部分の補正などに幾つかの改良の余地を残しているものの、数ミリ程度の厚さの土壌表層の性状を定量測定する方法として、TS-IA法は妥当かつ有効な方法と考えられる。取り込まれた画像は、孔隙部分と固相部分からなる二値化画像に変換され、若干の補正を受ける。
「見かけの孔隙率」は、0.5mm 幅のトランセクトフレーム画積に対する孔隙部分の面積の割合として測定され、これを下方に移動させつつ測定を繰り返して、表面から約 10mm の深さまでの垂直変化を得る。「見かけの」と呼ぶのは、二値化画像のもとになっている土壌薄片が、200μm 程度の厚さを持つため固相部分にあるべき微小な孔隙が隠れてしまい、必ずしも全孔隙を測定できないためである。とはいえ、二値化画像と見かけの孔隙率の分布とはよく対応しており、薄片試料の厚さをできるだけ同じに揃えれば、各土壌間のクラスト形成の程度を比較することが可能である。
4-2

クラスト形成傾向とそれに影響を及ぼす土壌の性質

前途のクラスト形成過程の説明で触れたように、自然条件下では、一筆の耕圃でも多様な形態のクラフトが形成される可能性がある。従って、畑地の表層から採取した試料で性状を測定し、その土壌のクラスト形成傾向を評価することは、試料間の変異が大きすぎ、また多くの試料点数と労力が必要となるので、実際には困難が多い。そこで本研究では、供試土壌と人工降雨処理条件を一定にして人為的にクラストを形成させ、その性状を定量評価し、それをその土壌の持つ潜在的なクラスト形成の程度を表す指標値と見なすことにした。すなわち、クラストを「5%以下の見かけの孔隙率の連続的な分布を持つ層」と操作的に定義して、見かけの孔隙率の垂直分布図から、その厚さ(T)と平均孔隙率(AP)の比(AP/T 比)で表される特性値を得た。そして、これが透水性(-logk 値)や降雨処理土壌の形成観察、採取地での聞き取りから知ることのできるクラスト形成傾向と良く一致することがわかった。本研究で用いた土壌は大きく三つに区分でき、丹後西部の造成畑と北瑛(1)・北瑛(2)は、クラスト形成能が大きく、次いで向上、そして藤野(1)・藤野(2)は、ほとんどクラストをつくらない土壌となった。また、AP/T 比と土壌の理化学的諸性質とを比較して、クラスト形成やその性状に影響を及ばしていると思われる幾つかの性質として、＞0.5mm 耐水性粒団率、TAMM 法抽出アルミニウム(Alo)、全炭素(T-C)を拾い出すことができた。これらは、粒団の安定性を表すかあるいはその安定化に関係する性質である。これらの性質がクラスト形成の機作に具体的にどう関与しているのかを明らかにするには、さらに詳細な実験と多くの種類の土壌を用いた検討が必要であるが、このことは、土壌の一般的性質の幾つかを指標値としてクラスト形成傾向を推定できる可能性を示唆するものである。