土壌の物理性 第 141 号 平成 31 年 3 月 20 日発行（年 3 回発行） 昭和 45 年 7 月 31 日 学術刊行物承認

ISSN 0387-6012

土壌の物理性Journal of the Japanese Society of Soil Physics

第 141 号

2019 年 3 月

土壌物理学会Japanese Society of Soil Physics

土壌の物理性
第 141 号目2019 年 3 月

次

巻頭言
論

吉田修一郞

...

1

文
Effects of soil amendments on pH and aggregate stability of saline sodic
soil and acid sulfate soil in Mekong delta, Viet Nam
C.T. NGUYEN, S. HAMAMOTO and T. NISHIMURA

...

3

...

19

石黒宗秀

...

31

土壌生産力の支配因子を求めて

水野直治

...

33

近年における水田土壌の変化と持続的水稲生産に向けた対応

金田吉弘

...

41

聖

...

49

池田成志

...

57

粕渕辰昭 · 荒生秀紀 · 安田弘法

...

65

第 60 回土壌物理学会シンポジウム総合討論
これからの持続的農業を考える；土壌中の物質循環 · 微生物 · 共生からの視点
柏木淳一 · 塚本康貴

...

71

2018 年度土壌物理学会大会講演会 ポスターセッション 発表要旨

...

75

寒冷地 · 凍土特集
総説

流域における溶存鉄生成および凍結融解の影響
大西健夫 · 田代悠人 · 楊 宗興 · 白岩孝行

シンポジウム特集
解説

直接分析から土壌や堆積物の微生物 – 元素 – 鉱物相互作用を観察する
光延
植物共生科学から考える農耕地生態系の物質循環と持続的農業

肥料や農薬に依存した現代農業への警鐘 — 江戸時代に開発された水田の多数回中耕除草法が意味するもの —

資

講

料

座
土壌中における溶質の吸着移動現象の基礎理論

II. ラングミュアの吸着式

石黒宗秀

...

85

かくて乾田直播に取り組みぬ

中野恵子

...

91

会務報告

........................................................................

93

編集後記

........................................................................

94

土粒子

表紙写真の説明水田の中耕除草を終えたあとの 2017 年 7 月 29 日の出穂直前の状況です．中央の数値は中耕除草回数を示します．それぞれの写真の右下角から左に向かって 8 列がその番号の区です．中耕除草回数の違いが一番よ
く分かる時期でもあります．今号掲載の「肥料や農薬に依存した現代農業への警鐘 — 江戸時代に開発された水田の多数回中耕除草法が意味するもの —」をご参照下さい．

4 月 1 日からの原稿投稿先が変わります
現学会事務局は，2019 年 3 月 31 日に任期満了を迎えました．これに伴い，4 月 1 日から「土壌の物理性」の編集委員長，編集幹事も交代となり，原稿の投稿先が下記のように変更になります．

〒 305-8604
茨城県つくば市観音台 3-1-3
農研機構農業環境変動研究センター

物質循環研究領域

内

土壌物理学会編集委員会
編集委員長

江口

定夫

Tel. 029-838-8326 Fax. 029-838-8199
E-mail kibyosi@ml.affrc.go.jp

4 月 1 日から土壌物理学会事務局の連絡先が変わります2019 年 4 月 1 日から土壌物理学会事務局は新体制になります．これに伴い，学会事務局への連絡先は下記のように変更になります．

〒 305-8572
茨城県つくば市天王台 1 丁目 1-1
筑波大学

生命環境系

事務局長

山下

環境コロイド界面工学研究室

内祐司

Tel. 029-853-6638 Fax 029-853-7198
E-mail spsyomu@ml.affrc.go.jp

4 月 1 日から土壌物理学会銀行口座が変わります2019 年 4 月 1 日から土壌物理学会事務局は新体制になります．これに伴い，学会事務局への銀行口座は下記のように変更になります．
銀行口座

常陽銀行阿見支店（店番 074）
普通

1674384

土壌物理学会会計

西脇淳子

J. Jpn. Soc. Soil Phys.
土壌の物理性No. 141, p.1 ∼ 2 (2019)

良い土の科学吉田修一郞 1

土壌は，無数の構成物の混ざり物である．いくつかの主要構成物を選んで高度にモデル化した「モデル土壌」を用いれば，再現性のある実験により普遍的な結果を得ることはできる．しかし，それだけでは土の面白い特徴の多くは失われてしまう，そこで，田んぼや畑の土を，その構造や化学 · 生物性を損なわないようにそのまま使って実験を行う．すると，実験がやりにくい上に，普遍性，再現性とはほど遠い結果が出る．また，普遍性，再現性が得られるス
ケールまで落とし込んで理解しようとすると，当初知りたかったマクロな現象から離れてしまったりもする．
基礎研究は，普遍的に成り立つ事象や法則の発見を重要視するのに対し，応用研究は，地域性や個々の特徴を重視
し，事例の蓄積やモノ作りを優先させる．いずれの立ち位置の研究においても，エビデンスに基づく客観的な分析を行うという基本に通常は従うので，科学であることに変わりはない．しかし，基礎的な研究分野の科学者が考える「科学」というものには，さらに普遍性や再現性に厳しい規準があるようだ．進化生物学者リチャード · ドーキンスの
講演 · エッセイ集「Science in the Soul（魂に息づく科学）」が，つくばの TSUTAYA に山積みされていたので，通勤時間を利用して読んでみた．この冒頭では，科学について，「ニューヨークで行われた実験をニューデリーの実験室でも再現することができ，地理的要因にも，科学者の文化的 · 歴史的先入観にも関係なく結論は同じであると予想される」とある．あるいは，「大陸化学」とか「生物学の東洋的伝統」とかは悪い冗談だと指摘する．さらに，（科学は）小惑星が地球に衝突するかどうかを予測し，地球か小惑星の軌道をわずかにそらすことで地球の危機を救うことができる，とも述べている．これらの意味するところは，もちろんよく理解できる．しかし，このように書かれると，私のこれまでに書いた論文のタイトルに多い「重粘土水田における · · ·」「北陸地域の · · ·」といった「場所」の絞り込みや，そこでしかできないようなフィールド実験を，「科学」と呼ぶことに若干のためらいを感じる．再現性や普遍性を犠牲にして，応用を重視していると主張できれば良いが，地球の大惨事の回避どころか，畑転換後の水田の水たまりの解消ですら攻めあぐんでいるようでは，それも詭弁かもしれない．
家庭菜園の雑誌に気になることが書いてあった．機械を使った耕作では，作土から石を除くのが常識であるが，手作業で行う菜園では，むしろ石が混ざっている方が野菜は「よく育つ」というのだ．砂利を 1 m2 あたり 4 kg 程度投入せよと勧めている．根の接触刺激によりエチレンなどの植物ホルモンが分泌され，細根の発生を促すというのが，その科学的根拠のようである．砂利を入れると本当に良いのかを明らかにするための実験は，簡単にできそうに思われる．しかし，いざ実験を行うとなると，結果がどうなれば「良かった」ことになるのか，検証すべき仮説が曖昧であることに気づく．野菜が「よく育つ」とはどういうことなのかを明確にしないと，実験で検証すべき目的変数が定まらない．科学には価値判断というものは本来なく，あることを行うとどうなるかという客観的な関係が提示されるだけである．何を客観的に評価すべきかは，客観的には決まらない．この農法が良いか悪いかを決めるには，何をもって良いとするのかを考えて，それを測ることが不可欠である．よく育つということは，根量が増えるということなのか，収量を高めるという意味なのか，病虫害抵抗性を高めるということなのか，あるいは味を良くするということなのか．無数の「元気さ」や「良さ」の指標がありえる．どんな指標を採用するかは，この収穫物を利用する側の目的によるので，科学的客観性にこだわるだけでは，何を測定すれば良いのか決められない．近年，網羅的なデータ取得とその解析が，勢いを持っている．しかし，ターゲットとしている量（目的変数）が何であるかが実験前に明確でなければ，説明変数がいくらたくさんあっても，長期的に役に立つ成果にはならず，実験のやり直しになるだろう．農業に関しては，収量が確保されれば良い時代から，品質あるいは環境影響を含めた持続性（ひょっとしたら，さらに別の未知の価値規準）が問われる時代にシフトしている．このような価値規準の遷移について想像を膨らませないと，将来に有用な知的財産を十分に残せないように思う．
前半の「土の実験」や「地域性の強い研究」の話に戻そう．ありのままの土を知るために不攪乱土での実験にこだ
わったり，現実の農地を知るために実際の現場での測定にこだわったりする姿勢は，おそらく間違っていないだろう．
しかし，「ありのまま」や「現実の農地」という抽象的で無限の広がりをもつ目的を掲げ，そのことに満足していても，視線が定まっていなければ，何も観察しないのと大差はない．基礎 · 応用どちらにしても，何を見ておくと後々意味
1 東京大学大学院農学生命科学研究科

2

土壌の物理性

第 141 号

(2019)がありそうか，そんなことを考えなければ研究は始まらない．そのヒントを得るためには，それぞれの時代の価値観（最適化したい目的量）やシステム（その実現のための方法の選択肢）の下で評価されてきた「良い」「悪い」を見直すことは有効と思う．たとえば，作土への砂利投入など非常識，とあっさり切り捨てず，とりあえず家庭菜園に採用してみると同時に，その農法の怪しい信奉者となるのではなく，その科学的な検証を厭わない．そんな柔軟で頑固な研究者でいられたら何よりではなかろうか．

J. Jpn. Soc. Soil Phys.
土壌の物理性No. 141 p.3 ∼ 18 (2019)

Effects of soil amendmentson pH and aggregate stability of saline sodic soil
and acid sulfate soil in Mekong delta, Viet Nam
Ca Thi NGUYEN1 , Shoichiro HAMAMOTO1 and Taku NISHIMURA1

Abstract: Acid sulfate soils and salt-affected soils arewidely distributed in the Mekong Delta of Viet Nam. As
well as the improvement of chemical properties, it is essential to minimize soil structural degradation. However,relatively little research has been conducted on behaviors
of aggregates in the Mekong Delta. In the present study,saline and sodic soil (SS), alluvial soil (AS), and acid sulfate soil (ASS) were collected from the Mekong Delta.
First, aggregate stability tests were conducted on them.
Base on the aggregate stability test, dry clods of 2–5 mm
in size under fast wetting process were used to evaluate
aggregate stability of the soils after incubation with soil
amendments. Chicken manure was used as a compostand eggshell-CaCO3 was an alternative for lime. Soil andamendments were mixed and incubated in a glass bottle for
45 days at a constant temperature of 25 ◦ C. During the incubation, CO2 concentration in the headspace of the glass
bottle was periodically measured. After incubation, soil
pH and aggregate stability were evaluated. Mean weight
diameter (MWD) was used to evaluate aggregate stability. Eggshell application increased the pH of all three soils.
Compost raised the pH of SS and AS but it was less effective at raising pH of ASS. The combination of compost andeggshell was the most effective at increasing soil pH. Rapid
increases in CO2 emission rate after eggshell applicationsuggested that the CaCO3 rapidly reacted with the H+ inthe soils. Correlations between soil pH and CO2 emission
suggested that microbial activity increased with increasing
in soil pH. Eggshell application alone destabilized soil aggregates, whereas the compost and the compost-eggshellcombination improved aggregate stability.
Key Words : soil improvement, soil structure, chicken manure compost, eggshell, soil deterioration

1. Introduction
Approximately 65 % of the land in the Mekong Delta of
1 Department of Biological and Environmental Engineering, Graduate
School of Agricultural and Life Sciences, The University of Tokyo, 11-1 Yayoi, Bunkyo-ku Tokyo 113-8657, Japan. Corresponding author:
Ca NGUYEN THI2018 年 6 月 27 日受稿 2018 年 11 月 30 日受理

Viet Nam is used for agriculture (General Statistics Officeof Vietnam, 2015). However, salt-affected soil and acidsulfate soil prevalent there are reducing crop yields. Saltaffected soil has increased from 0.7 million ha to 0.88 million ha between 1975 and 2005 (Duc and Dao, 2011) andincreased to 1.4 million ha in 2011 (Viet Nam-Netherlands
Cooperation, 2011). Acid sulfate soils (ASS) decreased
from 1.8 million ha to 1.5 million ha between 1975 and2005 (Duc and Dao, 2011) and further declined to 1 million
ha by 2011 (Viet Nam-Netherlands Cooperation, 2011). To
ensure food security for rapidly growing populations, it isimperative to sustain soil productivity through proper agricultural practices.
Acid sulfate soil (ASS) is formed by the oxidation of
pyrites (FeS2 ) in the soil. Sulfuric acid (H2 SO4 ) is oneof the end products in pyrite oxidation, and it lowers soil
pH (Attanandana and Vacharotayan, 1986). At a depth of
0–100 cm, the pH range of ASS is from 2 to 4 (Attanandana and Vacharotayan, 1986; Minh and Tri, 2006). Whenthe pH < 4.0, the soluble forms of aluminum ion (Al3+ )and ferric ion (Fe3+ ) are abundant in the soil. The release of hydron (hydrogen ion, H+ ) from soluble Al3+ andFe3+ hydrolysis reduces pH of ASS (Iqbal, 2012; Strawn etal., 2015; Stefansson, 2007).
Saline and sodic soils (SS) have both high salinity andsodicity. They are classified on the basis of the electrolyte conductivity of their saturation extracts (ECe) (>4 dS m−1 ), pH (< 8.5), and exchangeable sodium percentage (ESP) (> 15 %) (USSL Staff, 1954). The soil structure of SS is fragile and susceptible to structural degradation. High ESP increases clay dispersion (Abu-Sharar etal., 1987). Clay particles disperse by the expansion of the
diffuse double layer around the particles (Shainberg andLetey, 1984; Abu-Sharar et al., 1987). Dispersed clayplugs soil pores and reduces soil hydraulic conductivity(Frenkel et al., 1978; Farahani et al., 2018).
Soil productivity is also affected by aggregate stability.

4

土壌の物理性

Stable soil aggregates support nutrient cycles, water andgas movement, and root respiration. Aggregate stability
is influenced by aggregate breakdown processes like fast
wetting, slow wetting, and mechanical breakdown (Le Bissonnais, 1996). Slaking by entrapped air occurs when dry
soils exposing to the fast wetting process. It corresponds
to the cases of sudden water application such as border andfurrow irrigation to dry soils. In the slow wetting process, water is gradually supplied to the soil, differential
swelling and physicochemical dispersion predominate aggregate breakdown. Raindrop impact is a mechanical action which can contribute to aggregate breakdown.
To make a good seedbed, 2–4 mm clods are recommended to create by tillage (Braunack and Dexter, 1988).
However, farmers often tend to till too much to makesmooth seedbed surface. In the study of Legout et al.
(2005), aggregates were less stable in the initially < 3 mm
clods than in the initially 3–5 mm, 5–10 mm, and 10–20mm clods.
Aggregate stability is affected by initial soil moisture
conditions, too. Aggregate stability increases with increase
in initial soil water content prior to immersion to water(Kemper and Rosenau, 1984). Under fast wetting process,initially moist aggregates of 2–4.75 mm in diameter weremore stable than initially dry aggregates of the same size
(Almajmaie et al., 2017). The relatively smaller volumesof entrapped air in initially moist aggregates may produce
less compression force under fast wetting than in initiallydry aggregates (Kemper and Rosenau, 1984; Vermang etal., 2009). Therefore, breakdown processes and initial conditions must be considered for aggregate stability analysis.
Liming is a common measure to increase pH of acidsoils. The pH increased from 5.1 to 5.6, 5.9, 6.4, and 6.8 in
response to CaCO3 application rates of 0.75, 1.5, 3.0, and
4.0 g CaCO3 kg-soil−1 , respectively (Whalen et al., 2002).
When the CaCO3 application rate increased from 4.0 to
10.13 g CaCO3 kg-soil−1 , pH of the acid sulfate soil increased to 4.51 and 6.10, respectively, from its initial, 3.19
(Khoi et al., 2010). However, liming may have adverse effects on soil structure. Liming increased clay dispersion
and decreased the infiltration rate of a Brazilian Oxisol 6
weeks after application (Roth and Pavan, 1991). The effects of liming on aggregate stability of acid sulfate soil
are not clear.
Compost improves soil fertility (Dikinya and Mufwanzala, 2010), enhances soil pH (Whalen et al., 2002), andstabilizes soil aggregates (Wortmann and Shapiro, 2008).
Whalen et al. (2002) reported that the pH of an acidic soil
increased from 5.1 to 6.2 after compost was applied at therate of 40 g kg soil−1 as dry matter. The pH of an acidsulfate soil rose from 3.19 to 4.16 with the addition of 62.5
g compost kg soil−1 and to 6.42 when 62.5 g compost kg

第 141 号

(2019)

soil−1 with 10.13 g CaCO3 kg-soil−1 was applied (Khoiet al., 2010). The pH rise after compost application was
explained by Al-organic matter complexes (Naramabuyeand Haynes, 2006a). This leaded to a reduction of soluble
Al3+ concentration by adding compost (Khoi et al., 2010).
Yan et al. (1996) reported the role of decarboxylation oforganic anions on the pH rise. Khoi et al. (2010) reported
rise in NH4+ -N and NO−
3 -N was a contributor of microorganism activity after compost application with or without CaCO3 to the acid sulfate soil. However, they did nothave the evidence of increase in micro-organism activity inacid sulfate soils after the either compost or combinationsof compost and CaCO3 . In addition, they did not consider
aggregate stability of acid sulfate soil after the amendment
application, neither.
The beneficial effects of organic matter on aggregate stability of sodic soil were reported by Quirk and Murray(1991) and Nelson and Oades (1998). Aggregate stability of saline sodic soil was improved by adding compost at
75 t ha−1 (Chaganti et al., 2015). Products from decomposition of organic matter help to form stable aggregates.
Micro-organisms decompose organic matter and releasemonosaccharides and/or polysaccharides which bind soil
particles and re-form soil aggregates (Griffiths and Jones,
1965; Tisdall and Oades, 1982). Microbial activity during
this process can be evaluated by CO2 emission rate. Soilphysico-chemical properties and amendment inputs influenced microbial activity. After 17 weeks incubation, soil
CO2 respiration of acid soils subjected to a combinationof lime and litter was higher than that of acid soils addedwith either lime or litter (Condron et al.,1993). The risein pH of acid soil in response to liming increased carbon
mineralization from microbial activity and reduced aggregate stability in the long term (Karcauskiene et al., 2015).
It is unknown about the effects of compost and CaCO3 application on changes in CO2 emission associated with pH
and soil aggregate stability in acid sulfate soil. Our hypothesis was that the combined application of compost andCaCO3 is more effective in improving saline and sodic soil
and acid sulfate soil than the application of either compost
or CaCO3 alone. The objectives of this study were to (1)determine the effects of breakdown processes, initial clod
sizes, and initial soil moisture on soil aggregate stability ofthe soils, (2) discuss the effects of compost and CaCO3 application on pH, CO2 emission, and aggregate stability ofsaline sodic soil and acid sulfate soil in the Mekong Deltaof Viet Nam.

2. Materials and Methods
2.1 Soil sampling site
Soil samples were collected at three sites in the Mekong

論文：Effects of soil amendments on pH and aggregate stability of saline sodic soil and acid sulfate soil

Delta, Viet Nam. Alluvial soil (AS) (Epigleyic Fluvisols:
FLglp) (N: 10◦ 06’48.8”; E: 105◦ 30’39.5”) sampled at thefield has continuously been used for Luffa Gourd growing
during seven years. Saline and sodic soil (SS) (Episalic
Solonchaks: SCszp) (N: 08◦ 34’40.5”; E: 104◦ 49’10.8”)
sampled at the field has been no crop during 2 years after
soil accretion. Acid sulfate soil (ASS) (Epi OrthiThionicFluvisols: FLtiop) (N: 09◦ 43’20.3”; E: 105◦ 22’46.8”)
sampled at the field has been continuously used for pineapple growing during 50 years. They were taken at a depthof 0–20 cm. Soil types were defined according to the map
inventory of the Mekong Delta following the World Reference Base for Soil Resources-Food Agriculture Organization of the United Nations at scale of 1/250, 000 (Minhand Tri, 2006) and World Reference Base for soil resourcesclassification systems (ISSS/ISRIC/FAO, 1998). Surface
litters and vegetation were removed before the samples
were collected. Then, they were packed in plastic bags andtransported to the laboratory with minimum disturbance ofthe natural soil structure.
2.2 Analytic methods of soil properties
Soil samples were air-dried and ground to pass through a
2-mm sieve. Soil pH was determined from 1 : 5 soil/water
extracts (McLean, 1982) using a LAQUAtwin pH meter(Horiba, Kyoto, Japan). EC1:5 was determined from 1:5
soil/water extracts (Rhoades, 1996) using a LAQUAtwin
EC meter (Horiba, Kyoto, Japan). ECe was derived fromthe EC1:5 and water content at saturation. Percent organic carbon (% OC) and total nitrogen (% N) were determined by dry combustion of the soil at 950 ◦ C by a
CN Element analyzer (Vario EL cube, Elementar Analysensysteme GmbH, Langenselbold, Germany). Soluble
Ca2+ , Mg2+ , and Na+ were measured in 1 : 5 soil/water
extracts using ion chromatograph. To prepare these extracts, 1 g air-dried soil was weighed and mixed with 5 mL
distilled water in a 50-mL centrifuge tube. The tube wasshaken for 30 min and centrifuged for 10 min at 5600×g.
The supernatant was passed through a 0.45-µ m filter. The
ion chromatograph system consisted of DGU20A, LC20A,
LC20AD, SIL10Ai, SCL10A, CDD10A, and CTO20A(Shimadzu corporation, Tokyo, Japan). The columns wereShim-pack IC-A1 (100 mm × 4.6 mm i.d. and 12.5 µ m
particle size) (Shimadzu Corporation, Tokyo Japan) and
Shim-pack IC-GA1 (10 mm × 4.6 mm i.d.) (Shimadzu
Corporation, Tokyo, Japan). The sodium adsorption ratio(SAR) was calculated as follows:[Na+ ]SAR = √([Ca2+ ] + [Mg2+ ])/2

(1)

where SAR is expressed in (mmolc L−1 )0.5 . [Na+ ], [Ca2+ ],and [Mg2+ ] are the Na+ , Ca2+ , and Mg2+ concentrations

5

in soil solution, and are expressed in mmolc L−1 . The exchangeable sodium percentage (ESP) was determined fromthe Gapon formulae:
KG
SAR
ESR = √
1000

(2a)

100 × ESR
1 + ESR

(2b)

ESP =

where KG is the cation selectivity coefficient and KG = 0.5(mmolc L−1 )−0.5 (Gapon, 1933). ESR is exchangeablesodium ratio. The field capacity was determined by ahanging water table at −100 cm H2 O (ψ = −10.1 kPa)
(Klute, 1986). The cation exchangeable capacity (CEC)
was measured by the ammonium acetate method (Sumnerand Miller, 1996). The soil texture was measured by the
Robinson pipette method (Gee and Bauder, 1986). The
dry bulk density (g cm−3 ) was measured by the undisturbed core method (Grossman and Reinsch, 2002). The
pycnometer method was used to determine the soil particle
density (g cm−3 ) (Blake and Hartge, 1986). The saturated
hydraulic conductivity (Ksat ) (cm s−1 ) was measured in saturated soil packed in 100 cm3 columns using the fallinghead method with tap water (Klute and Dirksen, 1986).
2.3 Preparation for aggregate stability test
Soil blocks collected in the fields were cut into pieces
smaller than 5 cm in size and left them at room temperature to reduce soil moisture to be proper moisture for handling. All soil sections were cut into square clods of 1–
3 mm, 2–5 mm, and 5–10 mm. This process simulated
the production of clods by tillage harrowing. The clods
were adjusted to two levels of soil moisture, namely, moist
and air-dried with water content ∼ 50 % and ∼ 5 %, respectively. Field wetness and dryness affecting aggregatestability were simulated in the laboratory using moist andair-dried clods.
2.4 Aggregate stability test
Aggregate stability was evaluated by fast wetting,slow wetting, and mechanical breakdown (Le Bissonnais,
1996). The procedures are described in a schematic diagram (Fig. 1). Fast wetting simulates aggregate breakdown caused by rapid soil immersion in water corresponding to heavy rainfall or furrow or border irrigation. Clods
were rapidly submerged in 100 mL deionized water for 10
min. Slow wetting simulates aggregate breakdown caused
by low-intensity rainfall. Clods were left on a tension tableconnecting with Mariotte bottle to supply water with a constant pressure of −3 cmH2 O for 6 hours to get moist condition. Mechanical breakdown simulates aggregate breakdown by mechanical force. Arai et al. (2003) and Le
Bissonnais (1996) proposed the use of ethanol to exclude
slaking by entrapped air,differential swelling and physico-土壌の物理性

6

第 141 号

(2019)

Fig. 1 Schematic diagram procedures for aggregate test with three treatments: fast wetting; slow wetting and mechanical breakdown.

chemical dispersion before the mechanical treatment. The
ethanol reduces the thickness of diffuse double layers. Attraction forces between O-H bonds of ethanol and clay
particles enable adjacent clay platelets to approach eachother and reduce physico-chemical dispersion (Emerson,
1957) before the mechanical agitation. In the mechanical breakdown process, clods were submerged once in
50 mL ethanol (99.5 % v v−1 ) for 10 min. The clods
were then placed in 250 mL Erlenmeyer flasks containing
200 mL water. The flasks were shaken end over end
for 20 times. The samples were then passed through a
0.053-mm mesh sieve to be separated into fragments< 0.053 mm and > 0.053 mm. Fragments < 0.053 mm
were defined by the differences between their initial massand the sum of the mass of the other six size fractions.
Those > 0.053 mm were passed through six nested sieves:
2 mm, 1 mm, 0.500 mm, 0.25 mm, 0.125 mm, and 0.053
mm. They were sieved by the Yoder sieve (Yoder, 1936).
After the three treatments: fast wetting, slow wetting andmechanical breakdown, aliquot of ethanol was added to thesamples to prevent additional aggregate breakdown before
wet sieving by Yoder sieve. Fragments remaining on thesieves were oven-dried at 105 ◦ C for 24 h. Aggregate stability in each treatment was expressed using the size distribution of the three fragments: d > 2mm; 2 mm> d >0.25 mm; and d < 0.25 mm. The mean weight diameter (MWD) was calculated from the mass fractions of theoven-dried samples (g) remaining on each sieve (after sieving) multiplied by the mean diameter (mm) of the adjacent
mesh:
MWD =

∑i=n
i=1 mi × di
∑ mi

(3)

where mi is mass of aggregate fraction (i) of soil remaining

on each sieve (after sieving) (g), and di is mean diameterof the adjacent mesh (mm).
Changes in MWD indicate that the clod size has decreased as a consequence of the breakdown caused by thethree treatments.
2.5 Preparation for soil incubation
In the actual field, the soil must be plowed into smaller
fragments to increase the contact surface area between theamendments and the soil particles. In the laboratory, thisprocess was simulated by passing the soil blocks througha 2-mm mesh sieve before mixing them with the amendments. All samples were air-dried at room temperature toa constant mass before being mixed with the amendments.
Twenty grams of air-dried soil (∼ 4 % w w−1 ) was used ineach soil incubation.
2.6 Preparation and properties of amendments
Commercial chicken manure was obtained from the
Tosho Company, Shizuoka Prefecture, Japan, and used as

Table 1 Properties of amendments.
Characteristics

Unit

Total carbon%
Total nitrogen%
C/N ratio
Organic carbon%
pHEC
dS m−1
CaCO3%
Mass water content
%
P2 O5
%
K+
%
2+
Zn
mg kg−1

ChickenmanureChickeneggshell

38.7
3.6
10.7
38.1
8.2
8.5
5
13.3
2.3
2.1
200

16.4
1.9
8.7
4.7
9.9
0.13
97.8
1.7
-

論文：Effects of soil amendments on pH and aggregate stability of saline sodic soil and acid sulfate soil

7

Table 2 Treatments of soil incubation experiment. (LR: lime requirement).
Treatments

Explanation(1) Control(2) COM25(3) COM50(4) CaCO3 − 1/2 LR(5) CaCO3 − LR
(6) COM25 + CaCO3 − 1/2 LR(7) COM50 + CaCO3 − LR

No-amendment
25 g chicken manure kg-soil−1
50 g chicken manure kg-soil−1
50 % LR chicken eggshell
100 % LR chicken eggshell
25 g chicken manure kg-soil−1 + 50 % LR chicken eggshell
50 g chicken manure kg-soil−1 + 100 % LR chicken eggshell

compost. Chicken eggshell substituted for lime because it
contained 97.8 % CaCO3 (Table 1). Eggshells were collected from a canteen in the University of Tokyo. Chicken
manure and eggshell were employed in this study because
they are common wastes in the Mekong Delta region sincepoultry-raising is a popular farm management in the area.
The properties of chicken manure and eggshell are summarized in Table 1. The EC and pH of the chicken manure
were measured using a 1 : 5 solid/water suspension. The
EC and pH of the eggshell were measured using a 1 : 100
solid/water suspension. The CaCO3 content in the chicken
manure and the eggshell was determined from an empiricalstandard curve (Loeppert et al., 1984). The organic carbon
content in the chicken manure and the eggshell were determined using the following formula (Skjemstad and Baldock, 2006):
Organic carbon(%)(%CaCO3 × 12
= total carbon(%) −
100

)
(4)

where %CaCO3 is known percentage of CaCO3 , 12 is molar mass of carbon in CaCO3 (g mol−1 ), 100 is molar massof CaCO3 (g mol−1 ).

experiment was conducted for 45 days at a constant room
temperature (25 ◦ C). A 500 mL glass bottle with two threeway valves on its lid was used. This cap permitted gas
exchange between the outside and inside of the bottle (Dumale et al., 2009). A gas sampling port with an internal
septum was mounted on the lid to collect gas samples inside the bottles (Fig. 2). Before each bottle was sealed
airtight, a 20-g soil sample mixed with amendments wasadded to it. Sufficient water was added to increase soil
moisture to field capacity. Moist air was flushed head spaceof each bottle every two days. In this way, the air in thebottle could be replaced and replenished with outside air
during the incubation periods. Failure to perform this procedure would result in a rapid increase in pressure of CO2(pCO2 ) in the bottles and inhibition of microbial activity.
2.8 Gas sampling and gas analysis
Gas samples were drawn with a 10-mL plastic syringe(Nipro, Osaka, Japan) fitted with a 0.7 × 38.0 mm needle(Nipro, Osaka, Japan) to measure CO2 emission.The gas
samples were then transferred to a 5-mLvacuum glass vial
fitted with a rubber septum. The CO2 concentrations in
2-mL gas samples were measured by gas chromatograph(GC-2014, Shimadzu Corp., Kyoto, Japan).For homoge-

The compost was crushed and passed through a 1-mm
mesh screen. It was applied at rates of 25 and 50 g kgsoil−1 . This can be converted to 25 t ha−1 and 50 t ha−1with an assumption of incorporation into surface 10 cm
thick soil layer and dry bulk density of 1 g cm−3 . Eggshells
were rinsed with tap water and dried in an oven at 105 ◦ C
for 24 h. They were then crushed and passed through a
106-µ m mesh screen. Eggshell-CaCO3 application rates
were based on the results of the lime requirement test
(Sims, 1996). The amounts of CaCO3 required to adjust
the soil pH to 6.5 were set as the lime requirement (LR).
Eggshell-CaCO3 application rates of 50 % and 100 % of
the lime requirement (1/2 LR and LR, respectively) wereused.
2.7 Soil incubation
The incubation experiment consisted of seven treatments
and three replicates as shown in Table 2. The incubation
Fig. 2

Glass bottle used for soil incubation .

土壌の物理性

8neous sampling, a syringe was connected to the three-way
valve to mix the air inside the bottle 4–5 times before sampling. Gas samples were drawn at time zero (to ) of incubation and at the sampling times (ts ) on days 1, 2, 3, 5, 7, 10,
20, 30, and 45 of incubation. The sampling time interval(t) is the difference between ts and to . Since the moist air
was flushed every 2 day, the gas samples at to were collected after flushing and those at ts were collected before
the next flush. The CO2 emission rate was calculated using
the following equation:E=

V × (Cts −Cto ) × M × P × 1000
R × T × 100 × w × t(5)where, E is gas emission rate (mg CO2 g-soil−1 day−1 ),V is volume of bottle (L), Cts and Cto are concentrationof CO2 at ts and to (vol.%), t is sampling time interval
between ts and to (day), M is molar mass of CO2 (44 gmol−1 ), P is air pressure (1 atm), R is gas constant (0.082
L atm K−1 mol−1 ), T is temperature in Kevin (298K), andw is mass of air dry soil (g).

第 141 号

(2019)

ples after the halt of incubation were cut into 2–5 mmpieces. Based on the result of aggregate stability test,
air-dried clods subjected to fast wetting process were employed to evaluate aggregate stability because they suffered
the greatest aggregate deterioration. All samples were airdried at room temperature to a constant weight. Aggregatestability was determined in the same way as for the fast
wetting treatment (Le Bissonnais, 1996).
2.10 Statistical analysis
Means and standard deviations were reported for all
measured parameters. Differences in treatment means
were identified by one-way ANOVA at the 5 % significance level. Two-way ANOVA was used to determine theeffects of the treatments and the moisture conditions on
MWD. Differences between individual means were determined by the least significant difference (LSD) test at the
5 % significance level (LSD0.05 ). A linear regression wasapplied to demonstrate linear correlations between soil pH
and CO2 emission.

3. Results

2.9 Aggregate stability measurement
The field must be plowed to break up the soil blocks
into small fragments before adding the amendments. In
this study, the soil blocks were sieved through a 2-mm
mesh before being mixed with the amendments. During
soil incubation, smaller fragments aggregated into larger,
irregularly shaped blocks. For uniformity, all the soil sam-

Table 3

Soil physico-chemical properties.

Soil types

Unit

pHH2 OECedS m−1
Organic carbon%
Total nitrogen%
C/N ratio
Sand
%
Silt
%
Clay
%
Soil texture
Bulk densityg cm−3
Particle densityg cm−3Porosity%
Moisture at field capacity
m3 m−3Ksat
cm s−1+
Soluble Na (saturation extract)
mmolc L−1
2+
Soluble Ca (saturation extract)
mmolc L−1
Soluble Mg2+ (saturation extract)
mmolc L−1
CEC
cmolc kg−1
SARe(mmolc L−1 )0.5
ESPe%
Lime requirement (LR)g CaCO3 kg-soil−1∗ subscript e denotes values for saturation extract

3.1 Soil properties
The properties of SS, AS, and ASS are shown in Table
3. The soils were clayey. ASS had the highest organiccarbon content (5.7 %) followed by AS and SS (4.1 % and
2.4 %, respectively). Soil pH was lowest in ASS (2.7) andsomewhat higher in AS and SS (4.6 and 5.5, respectively).

Saline-sodic soil (SS) Alluvial soil (AS) Acid sulfate soil (ASS)
5.5
8.2
2.4
0.12
19.3
12.6
35.2
52.2
Clay
1.1
2.8
62.4
0.49
4.4×10−7
69.0
5.1
14.7
42.0
21.9
24.8
3.23

4.6
1.8
4.1
0.24
17.4
16.7
27.8
55.5
Clay
1.1
2.6
59.9
0.41
9.1×10−6
5.1
12.0
12.2
50.1
1.5
2.1
4.89

2.7
8.1
5.7
0.23
25.3
22.1
33.4
44.4
Clay
0.6
2.5
74.9
0.24
1.7×10−2
5.6
6.6
8.0
49.1
2.1
3.0
32.57

論文：Effects of soil amendments on pH and aggregate stability of saline sodic soil and acid sulfate soil

9

Table 4 Effects of initial moisture condition and breakdown processes on mean weight diameter (MWD) (mm) of
three soil types: saline-sodic soil (SS), alluvial soil (AS) and acid sulfate soil (ASS). Initial aggregate size was 2–5 mm
in diameter. Different lower case letters with a row show the significant difference in aggregate stability between initialconditions of soil moisture. Different upper case letters with a column show the significant difference in aggregatestability between breakdown processes at significance level of 5 % using LSD test. P value indicated the probability
for the interaction effect of breakdown processes and initial moisture.

XXX
InitialXXX
XXX moisture
XXX
Breakdown process
X

Saline-sodic soil(SS)

Alluvial soil
(AS)

Acid sulfate soil
(ASS)

Dry

Dry

Dry

Fast wetting
Slow wetting
Mechanical breakdown
Breakdown process × initial moisture

1.91aA
2.67bBaB
2.70
2.68aB
aB
2.57
2.55aAP = 9.31 × 10−5

Moist

Moist

2.37aA
2.69bBbC
2.74
2.70aBaB
2.59
2.50aAP = 8.6 × 10−7

Moist

2.36aA
2.68bBaB
2.65
2.71aBbB
2.65
2.58aAP = 0.00043

Table 5 Effects of initially dry clod sizes on fragment size distribution under the fast wetting
process. “d” expressed fragment size. Different letters show the significant difference at significance level of 5 % using LSD test .
Soils

Saline-sodic
soil (SS)d > 2 mm

1– 3 mm
2– 5 mm
5–10 mm21.61a43.63b
48.06b
14.71
0.01

58.24a46.96a47.03a16.87
0.25

20.15c
9.41b
4.91a
3.36
8.53 × 10−5

1– 3 mm
2– 5 mm
5–10 mm48.48a77.85b
68.99b
12.37
0.003

41.79b
20.56a26.76a11.44
0.01

11.14b
2.43a
4.25a
6.22
0.03

1– 3 mm
2– 5 mm
5–10 mm

74.61a79.70a87.50b
7.69
0.04

15.38ab16.92b
9.70a
6.51
0.08

10.01b
4.04a
2.80a
2.79
0.002

LSD0.05
P
Alluvial soil(AS)
LSD0.05
P
Acid sulfate
soil (ASS)
LSD0.05
P

Percentage of size fractions (%)
0.25 mm < d < 2 mm d < 0.25 mm

Initial clod sizes

Even the pH of SS was not optimum for plant growth, SS
had high sodicity (ESP = 24.8 %) and high salinity (ECe
= 8.2 dS m−1 ). ESP for ASS and AS was only 3.0 % and
2.1 %, respectively. ECe was high for ASS and low for AS(8.1 dS m−1 and 1.8 dS m−1 , respectively). Since the pH of
ASS was very low (2.7), it could have soluble Al (Tho andEgashira, 1976; Naramabuye and Haynes, 2006b; Khoi etal., 2010; Strawn et al., 2015) and soluble Fe (Stefansson,
2007; Strawn et al., 2015). In contrast, since the pH of AS
was 4.6, it probably had relatively less soluble Al and Fe(Strawn et al., 2015). Other soil properties are summarizedin Table 3.

3.2.1 Effects of initial soil moisture and breakdown processes on aggregate stability

3.2 Effects of initial soil moisture, breakdown
processes and clod sizes on soil aggregate stability

Table 5 shows the fragment size distribution of dry clods
after the fast wetting process for the three different initial
sizes. After fast wetting, the portion of fragments > 2 mm

The effects of initial soil moisture and breakdown processes on aggregate stability of 2–5 mm clods are shownin Table 4. The MWDs of the dry clods under fast wetting
were lower than those under slow wetting and mechanical breakdown, and the differences were significant (P <0.01). Under fast wetting, the MWDs were lower for dry
clods than moist clods, and the differences were significant(P < 0.05). Moist clods were less stable under mechanicalbreakdown than the slow and fast wetting treatments.
3.2.2 Effects of clod sizes on aggregate stability

10

土壌の物理性

第 141 号

(2019)

pH. Compost raised the pH of ASS to be 2.6 and 2.4
when it was applied at 25 and 50 g kg-soil−1 , respectively.
The combination of CaCO3 and compost increased soil pH
more than either CaCO3 or compost application. The combination raised soil pH to be 6.5, 6.7, and 3.9 in SS, AS,
and ASS, respectively, at the rate of 1/2 LR CaCO3 and 25
g compost g-soil−1 . The combined application at rates of
CaCO3 (LR) and compost (50 g kg-soil−1 ) could raise soil
pH to be 7.2, 7.1, and 5.8 for SS, AS, and ASS, respectively.

Fig. 3 Effects of compost and calcium carbonate application
on pH of the soils after 45 days soil incubation. Vertical error bars show the standard deviation. Different letters show
the significant differences between treatments at significancelevel of 5 % using LSD test: saline-sodic soil (SS) (LSD0.05 :0.21; P = 4.3 × 10−12 ); alluvial soil (AS) (LSD0.05 = 0.33;
P = 2.2 × 10−8 ) and acid sulfate soil (ASS) (LSD0.05 = 0.39;
P = 2.9 × 10−11 ). “COM” and “LR” refer to Table 2 and Table
3, respectively.

was significantly (P < 0.01) greater for the 2–5 mm and the
5–10 mm clod group than for the 1–3 mm clod group. In
contrast, the portion of fragments < 0.25 mm for the 1–3
mm size clods was twice of that of the two larger clod sizegroups. Dry clods of ASS showed that all three size groups
had high portions of fragments > 2 mm. In ASS, the proportion of fragments > 2 mm increased with increasing initial clod sizes. The dry clods of 2–5 mm and 5–10 mm insize were more durable under fast wetting (Mekong Delta
squall) than those 1–3 mm in diameter.
3.3 Effects of chicken manure-compost andeggshell-CaCO3 application on soil improvement
3.3.1 Effects of compost and eggshell-CaCO3
application on soil pH
Changes in soil pH after 45 days soil incubation with orwithout amendments are presented in Fig. 3. In this study,
the initial soil pH was relatively low (2.7 in ASS, 4.6 in
AS, and 5.5 in SS (Table 3)). After 45 days incubation, thepH of unamended ASS and SS decreased to 1.9 and 4.4, respectively whereas that of unamended AS rose slightly to
4.9. The pH of the amended soils was significantly higher(P < 0.001) than the unamended soils. When eggshellCaCO3 application increased from 1/2 LR to LR, the soil
pH increased from 5.6 to 6.0 in SS, from 5.8 to 6.6 in AS,
and from 3.5 to 4.9 in ASS. By definition, the lime requirement (LR) is the amount of calcium carbonate required toraise the soil pH to be 6.5. However, the pH of ASS and
SS after 45 days incubation was lower than this value.
Compost substantially increased soil pH from 5.8 to 6.5
in SS and from 5.8 to 6.2 in AS when the amount of compost increased from 25 g kg-soil−1 to 50 g kg-soil−1 . In
ASS, the compost was less effective for increasing soil

3.3.2 Effects of compost and eggshell-CaCO3
application on soil aggregate stability
MWD of the soils after 45 days incubation with or without amendments are shown in Table 6. The MWDs of theunamended soils and the soils amended with CaCO3 alone
were significantly (P < 0.001) smaller than those of thesoils amended with either compost or compost combinedwith CaCO3 . In SS, aggregate breakdown after CaCO3 -LR
application was greater than that observed after the application of CaCO3 -1/2 LR. In AS and ASS, there was no
significant difference in MWDs between the two CaCO3
doses. CaCO3 application increased soil pH and thus could
enhance clay dispersion by increasing negative charges on
the clay particles (Roth and Pavan, 1991).
Compost application significantly (P < 0.001) increased
MWDs for all the soils. Increasing compost from 25 g kgsoil−1 to 50 g kg-soil−1 significantly (P < 0.001) increased
MWD from 2.32 mm to 2.53 mm and from 2.39 mm to2.62 mm for SS and AS, respectively. The aggregate stability of ASS also increased significantly (P < 0.001) when
compost was applied. Nevertheless, there was no significant difference in MWD for ASS between the two compost doses. The relatively higher MWDs of the three soils
amended with combinations of compost and CaCO3 indicated that the combined application of CaCO3 and compost
increased soil aggregate stability. Compost decomposition
may have induced the production of microbial metabolites
which enhanced aggregate stability (Carrizo et al., 2015).
3.3.3 Effects of compost and eggshell-CaCO3
application on CO2 emission
The total CO2 emissions from the soils with or without
the amendments after 45 days of incubation are shown in
Fig. 4. Without the amendment, all the soils had low CO2
emission levels (< 0.8 mg CO2 -C g-soil−1 ). It was the initial soil pH rather than the soil organic carbon content responsible for the low CO2 emission rates in the unamended
soils. CaCO3 application increased soil pH and, by extension, total CO2 -C evolution. CaCO3 application significantly increased (P < 0.001) CO2 emission for 45 days. In
SS, the total CO2 emission was 1.42 mg CO2 -C g-soil−1
at the lower CaCO3 dose (1/2 LR) and 2.12 mg CO2 -C gsoil−1 at the higher CaCO3 dose (LR). In AS, the total CO2

論文：Effects of soil amendments on pH and aggregate stability of saline sodic soil and acid sulfate soil

emission was 2.01 mg CO2 -C g-soil−1 and 2.92 mg CO2 C g-soil−1 at the CaCO3 application rate of 1/2 LR andLR, respectively. The total CO2 emitted in response to the
CaCO3 treatment was highest for ASS. This soil had total
CO2 emission of 7.47 mg CO2 -C g-soil−1 and 11.42 mg
CO2 -C g-soil−1 at the 1/2 LR and LR doses, respectively.
Compost application enhanced total CO2 emission during the 45 days incubation (Fig. 4). There was a significant difference (P < 0.001) in total CO2 emission between
compost-amended soils and unamended soils. The total
CO2 emission increased significantly (P < 0.001) with increase in compost application rate. In compost-amended
SS, the total CO2 emission was 6.87 and 12.76 mg CO2 C g-soil−1 at the compost application rate of 25 and 50 g
kg-soil−1 , respectively. In compost-amended AS, the total
CO2 emission was 7.66 and 14.66 mg CO2 -C g-soil−1 atthe compost application rate of 25 and 50 g kg-soil−1 , respectively. However, the total CO2 emission of compostamended ASS was lower than those of the other soils.
Compost application rates of 25 and 50 g kg-soil−1 resulted in CO2 emission of 3.54 and 4.29 mg CO2 -C gsoil−1 , respectively. The extremely low pH of ASS could
restrict microbiological activity and could account for low
CO2 emission.
Fig. 4 indicates that the soils amended with both
eggshell-CaCO3 and compost emitted more CO2 thanthose treated with either CaCO3 or compost alone. The
total CO2 emitted from SS amended with a combination of
CaCO3 (1/2 LR) and compost (25 g kg-soil−1 ) was 7.99
mg CO2 -C g-soil−1 , which was higher than that for SS
treated with either CaCO3 or compost. The highest total
CO2 emission (14.11 mg CO2 -C g-soil−1 ) was recorded
for SS treated with the combination of CaCO3 (LR) andcompost (50 g kg-soil−1 ). The total CO2 emission for SS
amended with CaCO3 (LR) alone and compost (50 g kg-

soil−1 ) alone was 2.12 and 12.76 mg CO2 -C g-soil−1 , respectively. For AS, the total CO2 emission was also thehighest for the combination of CaCO3 and compost. In
ASS, the total CO2 emission from the soil amended with
CaCO3 and compost combination was 10.94 and 16.84 mg
CO2 -C g-soil−1 for the CaCO3 -1/2 LR and 25 g compost
kg-soil−1 , and the CaCO3 -LR and 50 g compost kg-soil−1
treatments, respectively. The differences in CO2 emission between the compost and CaCO3 combination andthe compost application alone were small for SS and AS.
On the other hand, the differences in CO2 emission between the compost and CaCO3 combination and the compost alone were significantly large for ASS. The increasein soil pH (Fig. 3) by the combined application of compost
and CaCO3 could enhance soil CO2 emission (Fig. 4).

Fig. 4 Total CO2 emission from compost and calcium carbonate application during 45 days soil incubation. Vertical error bars show standard deviation. Different letters show significant differences between treatments at the significance levelof 5 % using LSD test: saline-sodic soil (SS) (LSD0.05 =0.24; P = 1.9 × 10−22 ), alluvial soil (AS) (LSD0.05 = 0.16;
P = 1.6 × 10−25 ) and acid sulfate soil (ASS) (LSD0.05 = 0.52;
P = 9.6 × 10−18 ). “COM” and “LR” refer to Table 2 and Table
3, respectively.

Table 6 Effects of amounts of calcium carbonate and compost application on mean weight diameter (MWD)(mm) of soils after 45 days incubation. Aggregate analysis has been conducted on air dry soil having 2–5 mm indiameter. Aggregate analysis employed the fast wetting process. Different letters show significant differences
between treatments at significance level of 5 % using LSD test. Mean ± standard deviation is shown in thesame treatment of the same soil. “COM” and “LR” refer to Table 2 and Table 3, respectively.
Treatments
Control
CaCO3 -1/2 LR
CaCO3 -LR
COM25
COM50
COM25 + CaCO3 − 1/2 LR
COM50 + CaCO3 − LR
LSD0.05
P

Saline-sodic soil (SS)
0.57a ± 0.04
0.94 ± 0.13
0.59 ± 0.08
2.32cd ± 0.10
2.53e ± 0.05
2.25c ± 0.07
2.49de ± 0.04
0.169
1.04 × 10−13

11Alluvial soil (AS)0.77a ± 0.08
0.93a ± 0.08
0.79a ± 0.06
2.39b ± 0.09
2.62c ± 0.02
2.39b ± 0.14
2.51bc ± 0.08
0.183
5.9 × 10−13

Acid sulfate soil (ASS)
1.22b ± 0.07
0.78a ± 0.10
1.08ab ± 0.28
1.96c ± 0.09
1.99c ± 0.14
2.22c ± 0.14
2.20c ± 0.14
0.324
2.8 × 10−7

12土壌の物理性

第 141 号

(2019)

ASS, low CO2 emission rates were recorded for the first 3
days after compost application (< 0.3 mg CO2 -C g-soil−1
day−1 ). The CO2 emission rate started to increase at the
5th day (0.88 mg CO2 -C g-soil−1 day−1 ) and rose to 1.09
mg CO2 -C g-soil−1 day−1 by day 7. Thereafter, the CO2
emission rates gradually declined until the 20th day.
The daily CO2 emission rates of SS and AS amended
with compost and CaCO3 combination during 45 days soil
incubation resembled to those obtained for SS and AS
treated with compost alone (Fig. 5). The maximum CO2
emission rate was recorded at 3rd day (3.78 and 3.84 mg
CO2 -C g-soil−1 day−1 for SS and AS, respectively). For
ASS, the daily CO2 emission rate with the amendment
combination was similar to those obtained with CaCO3
alone within the first 2 days. The CO2 emission rate thenrose to be maximal, with 1.94 mg CO2 -C g-soil−1 day−1by day 7. The rapid increase and decrease in daily CO2emission rate within the first 2 days may have been caused
by CaCO3 reactions. The subsequent increase in daily CO2emission rate between day 5 and day 20 could be explainedby the microbial activity in compost disintegration.

4. Discussion
4.1 Effect of eggshell-CaCO3 and compost
application on soil pH

Temporal changes in daily CO2 emission rates during
45 days soil incubation are shown in Fig. 5. ASS witheggshell-CaCO3 application showed the maximum CO2
emission rate of 5.83 mg CO2 -C g-soil−1 day−1 at thefirst day after the application. For SS and AS, CO2 emission also rose rapidly in the first day after CaCO3 application (0.86 and 1.28 mg CO2 -C g-soil−1 day−1 for SS and
AS, respectively) but its CO2 emission rate was lower thanthat of ASS. The CO2 emission rates abruptly ascended
then descended for all three soils over the first 2 days after
CaCO3 application.

CaCO3 is commonly used to alleviate low pH soils. After CaCO3 application, pH of the soils was significantly
improved (Fig. 3). The CaCO3 application at the rate oflime requirement (LR) expected to raise the soil pH to be
6.5. However, the pH of SS and ASS remained < 6.5 after 45 days incubation. While the pH of SS was raised
to be 6.0 by the eggshell-CaCO3 application at the rateof LR, the pH of ASS was raised to be 4.9. A possible explanation for low pH of ASS is gradual oxidationof pyrite, which was not considered when lime requirement test was conducted. In pyrite oxidation process, sulfuric acid (H2 SO4 ) is produced and lowers pH of ASS(Attanandana and Vacharotayan, 1986). As Jayalath et al.
(2016) suggested that pyrite oxidation process might continue over 70 days incubation. Besides, in lime requirement test, pH of the soil with CaCO3 was evaluated after
24 hours incubation, and the pH of the soil with eggshellCaCO3 at the rate of LR was measured after 45 days incubation.

After compost application, the CO2 emission rates
rapidly increased for SS and AS over the first 5 days (Fig.
5). The highest CO2 emission rate was observed at the
3rd day after compost application (4.35 and 5.04 mg CO2 C g-soil−1 day−1 for SS and AS, respectively). Gradualdeclines in CO2 emission rate occurred from the 5th day
to the 20th day after amendment application. However, inApplication of compost could also raise soil pH. There
were substantial rises in the pH of both SS and AS when
the compost application rates increased from 25 g kgsoil−1 to 50 g kg-soil−1 (Fig. 3). On the other hand, thepH of ASS rose less in response to compost application.
The addition of 50 g compost kg-soil−1 increased the pH
of ASS from 1.9 as control treatment to 2.4. The CaCO3

Fig. 5 Effect of calcium carbonate and compost on daily
CO2 emission rate during 45 days incubation: (a) salinesodic soil (SS), (b) alluvial soil (AS) and (c) acid sulfate soil
(ASS). Vertical error bars show standard deviation. “COM”
and “LR” refer to Table 2 and Table 3, respectively.

論文：Effects of soil amendments on pH and aggregate stability of saline sodic soil and acid sulfate soil

13

ter complexes could not affect the pH of ASS after compost
application.

Fig. 6 Correlation between soil pH and CO2 emission after
application of compost with or without CaCO3 , where CO2
emission from CaCO3 was subtracted. The soil incubation was
conducted at 25 ◦ C, moisture at field capacity for 45 days.

in the chicken manure compost might contribute to raisesoil pH. In this study, the chicken manure contained 5 %CaCO3 (Table 1). The application of 25 and 50 g chicken
manure kg-soil−1 equaled the 1.25 and 2.5 g CaCO3 kgsoil−1 through chicken manure application. The eggshellCaCO3 application at the rate of 1/2 LR and LR corresponded to 1.6 and 3.2 g CaCO3 kg-soil−1 , respectively in
SS and 2.45 and 4.9 g CaCO3 kg-soil−1 , respectively in
AS. The amount of CaCO3 in the applied chicken manure
at the rates of 25 and 50 g kg-soil−1 could help to rise pH of
SS. Similar pH of AS was shown between the 25 g chicken
manure kg-soil−1 and 1/2 LR CaCO3 although amount of
CaCO3 in the application rate of 25 g chicken manure kgsoil−1 was less a half than the amount of CaCO3 at rateof 10/2 LR. This suggested alternative process other than
the reaction of CaCO3 was responsible for rise in pH of
AS. In ASS, the eggshell-CaCO3 application at the 1/2 LR
and LR corresponded to 16.3 and 32.6 g CaCO3 kg-soil−1 ,respectively. The amount of CaCO3 in applied chicken
manure was minor and negligible. Therefore, CaCO3 inchicken manure could contribute less on the rise in pH of
ASS.
Aluminum-organic matter complexes are also expected
to raise soil pH after compost addition (Naramabuye andHaynes, 2006a; Hue and Amien, 1989). Hydrolysis of soluble Al species may depress soil pH (Strawn et al., 2015),
and Al-organic matter complexes depress soluble Al concentration. AS which had the initial pH of 4.6 may contain
Al(OH)2+ and Al3+ as Al species. Following to the application of organic matter, the rise in pH might be caused by
Al-organic matter complexes (Naramabuye and Haynes,
2006a). In SS, since the initial pH was 5.5, it could containan abundance of insoluble Al which may not complex withthe organic matter. In contrast, ASS which had an original pH of 2.7 or less may have high concentrations of Al3+
(Khoi el al., 2010). Increase in the compost application did
not increase the pH of ASS suggesting that Al-organic mat-During compost decomposition by micro-organisms, hydron consumption by soluble organic anions in decarboxylation processes is expected to rise in soil pH (Yan et al.,
1996; Naramabuye and Haynes, 2006b). Yan et al. (1996)
used malate and citrate to discuss the role of biological decarboxylation of soluble organic anions on soil pH. They
concluded that in aerobic conditions, neither denitrification
nor reduction of Mn and Fe was responsible for soil pH
rise. Naramabuye and Haynes (2006b) suggested that the
decarboxylation of organic anions raised pH during manure decomposition. The biological decarboxylation ofsoluble organic anions may account for the rise in pH in
addition to being a source of CO2 . In the decarboxylation
process, hydron (H+ ) is consumed by organic anions andreleases CO2 as the following equation:
R − CO − COO− + H+ → R − CHO + CO2(6)This process simultaneously raises soil pH and produces
CO2 . Fig. 6 shows positive linear relationships (r = 0.83
for SS and AS, r = 0.82 for ASS) between soil pH and
CO2 emission for 45 days incubation with either compost or compost with eggshell-CaCO3 . In this figure, CO2
emission was derived by subtracting CO2 emission of the
CaCO3 applied soil from the total CO2 emissions. It represents CO2 emission from organic matter decomposition
by microbiologies. Although quantitative discussion of
pH and CO2 production relationship requires soil buffering characteristic (Yan et al., 1996), the rise in both pH
and CO2 emission (Fig. 6) qualitatively suggested that therise in soil pH following compost application was caused
by decomposition of compost and subsequent decarboxylation (Yan et al., 1996). At least in the present study, bothsoil pH and CO2 emission increased after adding either
compost or compost with eggshell-CaCO3 (Fig. 6).
4.2 Effect of eggshell-CaCO3 and compost application on CO2 emission
CaCO3 application increased CO2 emission rates. Rapid
increase in CO2 emission rates for all the soils occurred
within the first 2 days after the CaCO3 adding (Fig. 5). It
could be a reaction between CaCO3 and hydron in the soil
solution. Dumale et al. (2011) reported a rapid increase in
CO2 -C evolution within 2 days after CaCO3 application in
an Ultisol. They suggested that the CaCO3 was promptly
solubilized in low-pH soils like Ultisols. In this study, themaximum CO2 emission rate was found at first day after
CaCO3 amendment followed by an abrupt decline thereafter. For the soils amended with CaCO3 , the CO2 emission rates were high in ASS and low in both SS and AS.
The differences in the initial soil pH may account for the14

土壌の物理性differences in CO2 emission rates among the soils following CaCO3 application. In the present study, ASS had thelowest pH (Table 3). Much hydron in ASS reacted with theapplied CaCO3 , and released CO2 much faster than SS and
AS whose pH was comparatively higher.
Changes in CO2 emission rates suggested that the soils
with compost had higher microbiological activity, andthus, higher CO2 emission rates. However, the CO2 emission rates in response to compost application varied among
soil types. A substantial increase in CO2 emission rate occurred within the first 5 days in compost-amended SS andAS (Fig. 5a and 5b). In ASS, a gradual rise in CO2 emission rate began on day 5 and continued until day 20 (Fig.
5c). The changes in CO2 emission in the latter stage ofincubation after compost application relied to the activityof micro-organisms. The extremely low pH of ASS could
inhibit microbiological activity. A suitable pH range formicrobial growth is 5-7 (Pietri and Brookes, 2008). AS
and SS with compost application had relatively higher initial pH and showed quick increase in CO2 emission rate in
the early stage of incubation (Fig. 5a and 5b). In contrast,
extremely acidic ASS could have limited microbial activity and gradually increased CO2 emission rates in the latterstage of soil incubation with compost application (Fig. 5c).
There were similar trends of CO2 emission rates of SS
and AS in response to compost application and combination of compost and CaCO3 application (Fig. 5a and 5b).
For both AS and SS, the CO2 emission rates increased
within the first 5 days after application of either compost or
combination of compost and CaCO3 . In case of the CaCO3
application alone, there was a small increase in CO2 emission rate induced by CaCO3 reactions within the first 2
days. Therefore, CO2 emission rate of AS and SS proceeded more than 2 days after the combined application ofcompost and CaCO3 could be responsible for an increasein microbial decomposition activity (Fig. 5a and 5b). In
strongly acidic ASS, there were similar temporal changes
in CO2 emission rate within the first 2 days after CaCO3
application and the combined application of compost andCaCO3 . The second increase in CO2 emission rate between day 5 and day 20 in response to the application of
the combination of compost and CaCO3 was twice of thatfor the compost alone (Fig. 5c). This second rise in CO2emission rate could be the result of the enhancement of microbial activity. It implied that the rise in pH induced by
CaCO3 in combination with compost could produce more
CO2 by microbiological activity in compost decompositionin the latter stage of incubation. It showed that the combined application of eggshell-CaCO3 and compost could
increase soil CO2 emission rate more than either eggshellCaCO3 or compost alone. The rise in soil pH caused by
the application of compost and CaCO3 (Fig. 3) could en-

第 141 号

(2019)

hance soil CO2 production (Fig. 4). Condron et al. (1993)
reported that soil CO2 respiration in acid soils (pH 4.43)
with addition of lime and litter was much more than thatwith addition of either lime or litter for 17 weeks of incubation. However, Condron et al. (1993) showed weekly CO2emission which was from the first week to the 17th week.
As Dumale et al. (2011) suggested that CO2 emission following lime application occurred within a few days. Thus,
weekly CO2 emission rate cannot separate sources of CO2 ,i.e. CaCO3 and organic matter. In the present study, therapid increase in daily CO2 emission rate occurred within
the first two days. It was due to eggshell-CaCO3 reaction.
CO2 emission proceeded more than 2 days and later wasfrom chicken manure compost decomposition by microbiological activity. Xue et al. (2010) reported an increasein soil microbiological population following the additionof CaCO3 to acidic tea orchard soils. Pietri and Brookes(2008) stated that soil CO2 evolution from microbiologicalactivity increased with pH. The relatively higher CO2 evolution rates from the combined application of CaCO3 andcompost suggested that CaCO3 in the combination could
be highly effective at promoting microbiological activity
in very acidic soils.
4.3 Effect of eggshell-CaCO3 and compost application on aggregate stability
Tillage is conducted to prepare the seedbed to support
seedling germination and plant growth. Aggregate stability
is influenced by the clod size produced by tillage. Under
fast wetting condition, dry clods 2–5 mm and 5–10 mmin size were more durable than those 1–3 mm in diameter (Table 5). Dry clods subjecting to fast wetting process
were less stable in the three soils. In tropical areas like
Mekong Delta region, dry soils are exposed to prolonged
sunny days. Furrow irrigation, border irrigation or heavy
rainfall may cause fast wetting. In the present study, this
scenario was simulated by dry clods subjecting to fast wetting process. Fast wetting of air-dried 2–5 mm clods was
employed to assess aggregate stability after incubation of
the soils with the amendments.
The smaller MWDs of the unamended soils and thoseamended with eggshell-CaCO3 showed aggregate deterioration. According to Roth and Pavan (1991), liming increased soil pH and enhanced clay dispersion by increasing negative charges of clay particles. The amounts of applied CaCO3 used in this study did not significantly affect MWD. Higher MWDs were observed in soils addedwith compost and combinations of compost and eggshellCaCO3 . The aggregate stability of AS and SS was statistically greater at the higher amendment dose than thelower dose. The aggregate stability of ASS significantly increased with the addition of compost. Nevertheless, there
was no significant difference in MWD of ASS between the論文：Effects of soil amendments on pH and aggregate stability of saline sodic soil and acid sulfate soil

two compost doses. The increase in MWD in response tocompost amendment implied that compost played an important role in stabilizing soil aggregates. Organic amendments may help stabilize aggregates by inducing microbiological decomposition of organic matter (Griffiths andJones, 1965). Organic products from the microbiological decomposition of organic residues may act as binding
agents and enhance aggregate stability by resisting the effects of slaking under fast wetting (Carrizo et al., 2015).
Earlier studies have discussed the roles of organic binding
agents, clay-polyvalent cations-organic matter, and clayorganic matter in stabilizing aggregates against slaking andclay dispersion in soils (Tisdall and Oades, 1982; Nelson
and Oades, 1998). In this study, chicken manure was used
as a compost. It is an easily decomposable organic carbon source with a low C/N ratio (Table 1). The organic
compounds released by decomposing process may bindsoil particles and enhance aggregation. The amendment
consisting of compost and CaCO3 was highly effective atincreasing pH and stabilizing the aggregates of the threesoils.

5. Conclusions
In the results of the aggregate stability test, mean weight
diameter (MWDs) was the lowest for dry clods subjected
to fast wetting. MWDs also suggested that saline sodic
soil (SS) had the most fragile aggregates, followed by alluvial soil (AS) and acid sulfate soil (ASS). In the actual
field, surface soils become dry when they are exposed toprolonged sunny days. Substantially lower MWD suggests
heavy rainfall events or abrupt irrigation on dry soil surfaces may degrade aggregates.
In the Mekong Delta region, there is a great deal of interest in soil pH amelioration. CaCO3 is commonly used
to raise soil pH. The pH of SS and AS was improved byadding either CaCO3 or compost or both. The only exception was for compost-amended ASS, where compost
application could not raise pH. Only eggshell-CaCO3 or
eggshell-CaCO3 with compost was effective to raise pH of
ASS. Improving soil pH as well as aggregate stability isdesirable to intensify soil productivity. The present study
showed that although the physicochemical properties of
the three soils differed, their aggregates deteriorated witheggshell-CaCO3 application while soils amended with either chicken manure compost or chicken manure compost
with eggshell-CaCO3 presented greater aggregate stability. Relationships between soil pH and CO2 emission fromcompost applied soils suggested that microbiological activity was affected by soil pH. Upon compost application
to the three soils, CO2 emission was more in SS and AS
that had slightly low pH than ASS that had extremely low

15

pH. In slightly acidic soils like SS and AS, the highest
CO2 emission rates were measured within the first 5 days
after compost application, while ASS took more time toshow peak CO2 emission rate. The combination of compost and CaCO3 increased soil pH and CO2 emission in
all three soils. This suggested that microbiological activity
was enhanced by an increase in soil pH by CaCO3 in combination of chicken manure compost and eggshell-CaCO3 .
The rise in soil pH induced by the CaCO3 in the compostand eggshell-CaCO3 combination could create a suitableenvironment for microorganism growth and promote compost decomposition. The organic by-products of microbial
compost decomposition may enhance aggregate stability.
The results of this study indicated that the combinationof eggshell-CaCO3 and chicken manure compost that arecommon agricultural wastes in Mekong delta region improved soil pH and sustain aggregate stability. This information may help farmers to improve quality of low pH
soils.

Acknowledgments
This study was partly supported by Kakenhi(15H02467). The author would like to express sincerely thanks Japanese Government who supported
MEXT scholarship for PhD research. Many sincerely
thanks would like to send Mr. Hiromi Imoto because of his
enthusiastic helps to fulfill experiments. The authors thankto all members of the Laboratory of Soil Physics and Soil
Hydrology, Department of Biological and Environmental
Engineering of the University of Tokyo for their assistancein soil sampling.

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18

土壌の物理性

第 141 号要(2019)

旨

メコンデルタには硫酸酸性土壌や塩類土壌が広く分布する．土壌の化学性の改良の際には，物理性の劣化を最小限にすることも重要である．また，メコンデルタの土壌団粒については，よくわかっていない．
そこで本研究では, 塩性 Na 土（SS，pH= 5.5），硫酸酸性土 (ASS，pH= 2.7) と沖積土（AS，pH= 4.6)に卵殻（CaCO3 の代替）ならびに鶏ふん堆肥（以下鶏ふん）を施用した後，土壌 pH と団粒安定性の変化を調べた．培養は，土壌と鶏ふん，卵殻を混合した後，室温 25 ◦ C の下，圃場容水量で適宜換気，CO2
測定をしながら 45 日間実施した．団粒安定性評価は予め行った団粒安定性試験を参考に培養後の土壌から 2 ∼ 5 mm サイズの風乾試料を調製し，これを急速に漬水した後の平均重量直径で行った．CO2 発
生量から，鶏ふん施用 SS，AS では，鶏ふんの分解が示唆されたが，ASS ではほとんど分解しなかった．鶏ふん · 卵殻混合物施用の場合，ASS では，初期に卵殻の炭酸 Ca の反応，その後は鶏ふん等有機物の分解が，SS と AS ではいずれも鶏ふん等有機物の分解が CO2 発生の主因であると考えられた．鶏ふんは，施用量に応じて SS と AS の pH を改善したが ASS では pH 改善効果がなかった．鶏ふん · 卵殻混合物を施用すると ASS において卵殻のみの場合よりも有意に pH が上昇し，有機物の分解も pH 改善に寄与していることが示唆された．鶏ふんならびに鶏ふん · 卵殻混合物の施用後，団粒安定性が向上した．特に pH が非常に低い ASS において，卵殻の炭酸 Ca による pH 上昇が鶏ふん等有機物分解による，団粒安定性向上促進に寄与したと考えられる．
キーワード：土壌改良，土壌構造，鶏ふん堆肥，卵殻，土壌劣化

J. Jpn. Soc. Soil Phys.
土壌の物理性No. 141 p.19 ∼ 29 (2019)

流域における溶存鉄生成および凍結融解の影響
大西健夫 1 · 田代悠人 2 · 楊 宗興 2 · 白岩孝行 3

Mechanism of dissolved iron production in a watershed and the eﬀect of soil freezing and thawing
Takeo ONISHI1 , Yuto TASHIRO2 , Muneoki YOH2 and Takayuki SHIRAIWA3

Abstract: Iron, one of the essential elements, is a very
common element, since the total weight of the iron is approximately 30 % of the weight of the Earth. However,concentration of iron in oceans is less than nmol, whichis extremely low. Thus, iron supply from the terrestrial
area through air dusts and river flows is significantly important for ocean ecosystems. In this sense, understanding
the mechanism of iron behavior on lands is essential.
Reviewing published articles on dissolved iron generation mechanisms suggests that soil organic matter and ironin the soil particles are behaving simultaneously. Under
the condition that freezing and thawing processes is important, thawing depth might be the key factor to determine
dissolved iron concentration. In addition, analysis on abnormal dissolved iron concentration peak in the late 1990s’in the Amur River is indicating that the eﬀect of thawing of
permafrost have a significant eﬀect on dissolved iron production mechanisms. Based on this hypothesis, we conducted field observations combined with the analysis of
long-term evaluation of thawing depths. The result indirectly supports the hypothesis. For the further understanding, classification of organic matter contributing the chelation with iron, and the monitoring of iron and dissolved
organic matters during freezing and thawing processes are
critical.
Key Words : dissolved iron, soil organic matter, permafrost, Amur River

い．地球ではその全重量の約 30 ∼ 35 % を鉄が占めていると見積もられており，地球上の生命にとっても微量必
須元素の一つとなっている．植物では光合成における電子伝達系のシトクロムなど，動物では血液中のヘモグロ
ビンや酵素を構成している．植物の鉄欠乏症（Lindsay

and Schwab, 1982）がある一方で，鉄過剰により発癌性増大も報告されている（Akatsuka et al., 2012）．
地球誕生後から大気中の酸素濃度が急上昇する酸素事
変以前までは，Fe は海洋中に二価鉄の形態で溶存鉄として豊富に存在し，原始生命の代謝を担う物質として入手が容易であった．Fe が地球生命の必須元素のひとつになった由来はここにあると考えられる．しかし，光合成を行う生物の登場による酸素事変による大気中への大量の酸素蓄積と相前後して，二価鉄は酸素により酸化され，現在では縞状鉄鉱床などで観察することのできる鉄酸化物として海洋から海底に取り除かれていったと考えられている（Holland, 2006）．現代の海洋では鉄濃度は著しく低く，ことに外洋においては窒素やリンなどの栄養塩が豊富であっても植物プランクトンの生育が乏しい
鉄律速の海域，すなわち High Nutrient Low Chlorophyll（HNLC）海域と呼ばれる海域が存在する（Martin and

Fitzwater, 1988）．別言すれば，HNLC 海域に何らかの理由により鉄供給があった場合，植物プランクトンが著し
く増殖しうる．実際に HNLC 海域における鉄散布実験

1. はじめに鉄元素（Fe）は，ビッグバンによる宇宙誕生後の核融合反応による連鎖的な元素形成の最後に生成された元素と考えられており，宇宙における存在量が他の金属と比べて特異的に多い（Clayton, 1983）．太陽系では太陽に比較的近い惑星のひとつである地球等において惑星の核を中心にして惑星の全重量に占める割合は極めて大き
1 Faculty of Applied Biological Sciences, Gifu University, 1-1 Yanagido,
Gifu city, Gifu 501-1193, Japan, Corresponding author:大西健夫, 岐阜大
学応用生物科学部.
2 Institute of Agriculture, Tokyo University of Agriculture and Technology, 3-5-8 Saiwaicho, Fuchu city, Tokyo 183-8509, Japan.
3 Institute of Low Temperature Science, Hokkaido University, Kita-19,
Nishi-8, Kita-ku, Sapporo 060-0819, Japan.
2018 年 9 月 14 日受稿 2019 年 1 月 28 日受理

がなされこのことが確認されている（Martin et al., 1994;

Boyd et al., 2000）．
このように鉄不足がその海域の基礎生産を律速している海域が多いのに対して，陸域においては土粒子を構成する主要元素のひとつであり存在量そのものは 20 ∼ 40

g Kg−1 と多い（Cornell and Schwertmann, 2003）．しかし世界の河川の平均的な溶存鉄濃度は 0.01 mg L−1 程度（Maidment, 1993），海洋中では，さらに 3 オーダー低い
0.01 µg Kg−1 程度となる（Johnson et al., 1997）．つまり，総体としてみると，巨大な鉄のプールである土壌や岩盤から僅かに可溶化した鉄が溶出し，河川 · 湖沼を介して徐々に海洋へ移行しているとみなすことができる（夏目ら, 2016）．また仮に河口域まで可溶性の鉄が輸送されたとしても，汽水域における凝集沈殿反応により大部分の鉄が河床あるいは沿岸域や陸棚に沈殿する．その除去率

20

土壌の物理性

第 141 号

(2019)

は地点によってもばらつきがあるが，50 ∼ 90 % 程度としたがって土粒子に見出される鉄は，酸化水酸化鉄や見積もられている例が多い（Boyle et al., 1977; 長尾ら,

酸化鉄の形態で存在しており（Brady and Weil, 2008），

2012）．そのため，水域における鉄の循環は，一度は，海ヘマタイト（Hematite: Fe2 O3 ）やゲータイト（Goethite:

洋辺縁部で停止すると一般的には考えられてきた．
しかし，例えばアムール川が流入するオホーツク海で

α-FeOOH），フェリハイドライト（Ferrihydrite：一例として Fe5 O3 (OH)9 ）が典型であり，いずれも三価鉄の形態

は，海氷生成と潮汐混合により，陸棚の堆積物が巻き上である．なお，ヘマタイトやゲータイトは結晶性である

げられると同時に海洋中層水に発生する海流を介して遥のに対して，フェリハイドライトは非晶質であり，粒子

か千島列島付近にまで鉄が輸送されうることが示されてサイズもより小さいため，比表面積も大きくなり（たといる（Nishioka et al., 2013）．またカムチャツカ東岸やえば，ヘマタイト：18 m2 g−1 ，ゲータイト：96 m2 g−1 ，赤道域でも陸棚の堆積物輸送メカニズムが報告されていフェリハイドライト：660 m2 g−1 （Roden, 2008））反応る（Mackey et al., 2002; Lam and Bishop, 2008）．また，活性も高まると考えられている．

海洋における鉄のソースを全球で評価した例では，陸棚一 般 に ，水 は け の 良 い 土 壌 で は 結 晶 性 の 鉄 が 卓 越起源と大気起源とが拮抗しており（Moore and Braucher,

し，逆に水はけの悪い土壌では非晶質の鉄が卓越する

2008），海洋に供給される鉄のソースに関しては活発な（Colombo et al., 2013）．アムール川流域内の土壌化学性

議論が続いている．いずれにしても，河川を介して大量の調査結果からは，微地形に応じて形成される微高地のの鉄が海洋にもたらされていることは事実であり，陸域

森林植生と，低地の湿地とでは，両者が隣接していて地における生物地球化学的な鉄挙動を理解することは重要

質環境は同じとみなせる場合でも，土壌中における非晶な研究課題である．そこで本論文では，最初に土壌にお質の鉄の全鉄に占める割合が，湿地において大きくなる

ける鉄の挙動に関する既往の知見を整理する．次に凍結ことが確認されている（Kawahigashi et al., 2009）．

融解過程が鉄挙動に及ぼす影響に触れ未解明の課題があ

鉄の鉱物種とそれらの溶解性の関係を pH と Eh（酸化ることに言及し，今後の研究課題を明らかにすることを還元電位）の関数で示した図（プールベダイアグラム）

目的とする．

からは，通常の陸水が有する酸化還元電位の範囲（−300

2. 土壌における溶存鉄生成と凍結融解過程

mV ∼ 500 mV）および pH の範囲（pH 6–8 程度）では，不溶解性水酸化鉄（Fe(OH)3 ）が卓越し，低 pH，酸化還元電位低下時に可溶性の Fe2+ も安定して存在しうるこ

陸域土壌中における鉄の挙動は，古くて新しい問題でとがわかる．しかし，実際の液相中には熱力学的に算出ある．土壌生成過程における鉄の溶脱と集積（Birkeland,

される濃度を大きく超える溶存鉄が見出される．たとえ

1974; De Coninck, 1980），水田土壌におけるグライ層の形成と斑鉄の形成（Brinkman, 1970; 松浦ら, 1972），鉄ば，Rakshit et al.（2009）は Ultisol を用いて有機酸の添欠乏土壌における植物根による能動的な有機酸の生成と述するように溶存鉄の生成には，有機物や微生物の活動

鉄錯体の形成（Takagi, 1976）など，異なる視点から研究が深く関与している．

加により溶存鉄濃度が上昇することを確かめており，後対象とされてきた．近年では，地球上での鉄循環という

2.2 土壌中における鉄の形態変化

視点から，既存の知見にもとづいたより包括的な研究が土壌中における鉄は，酸化還元反応により二価鉄と三志向されるようになってきている．なお，水域に存在す

価鉄との間で変化する．この変化には多様な生物学的反る鉄には溶存態と粒子態とがあるが，ここでは，一般に応および非生物学的反応が関与し，酸素，有機物，窒素，

生物利用が比較的容易であると考えられる溶存鉄の生成メカニズムに焦点を当てる．また，0.45 µm を溶存態と粒子態とを操作的に区分する境界とする．以下 2.1 節および 2.2 節で見ていく溶存鉄生成メカニズムを Fig. 1 にまとめた．固相，液相，気相の 3 相からなる土壌における溶存鉄生成には多数の生物地球化学的過程が関わって
おり，中でも主要な 6 過程を図示している．

2.1 土壌中における鉄の存在形態
鉄が取り得る酸化数は，+2, +3, +6 であるが，+6 は
ごくまれにしか見られないため，実質 +2（二価鉄）あ
るいは +3（三価鉄）をとる（Pauling, 1988）．鉄は，土粒子の主要元素のひとつであり，元素の組成比では約 4% と 4 番目に多い元素である．また，金属元素としてはアルミニウムに次いで 2 番目に多い（Brady and Weil,
2008）．鉄は母岩中ではケイ酸塩鉱物中に安定して結合しており，二次的風化の過程でケイ酸塩鉱物から二価鉄として解離したのち酸素と反応し鉄酸化物を形成する．

Fig. 1 溶存鉄生成に関わる過程の模式図．酸素の有無が鉄の反応に大きく影響をするため，中央点線により土壌が飽和している場合と不飽和な場合とを区別した．

総説：流域における溶存鉄生成および凍結融解の影響
マンガン，硫黄と共役した酸化還元反応により変化する（Melton et al., 2014）．この鉄の形態変化に関わる多種の21れており，環境条件次第では結晶性の鉄も考慮の対象としなければならない（Roden, 2008）．

生化学的反応の中でも，溶存鉄生成という視点からは，

以上まとめると，土壌の飽和による嫌気性微生物によ土壌有機物（Soil Organic Matter: SOM）と微生物が中る酸化還元反応の進行により，鉄還元微生物による遊離心的役割を果たすためこの過程に焦点を当てる．なお，の二価鉄の放出，有機物の脱着反応が発生し，溶液中にSOM は「土壌中に存在する生物（根や土壌生物）以外のすべての有機物」（和穎, 2016）と定義する．SOM は，約20 % が落葉 · 落枝，30 % が同定可能な分子構造をもつ
成分，残りの 50 % が構造同定困難な物質，総称して腐植様物質とされる．なお，腐植様物質は，酸 · アルカリへ存在するフルボ酸などの有機物と鉄との間に錯形成反応の溶不溶により，ヒューミン（アルカリ不溶），フミン酸と収着するとともに，錯形成していた鉄にも収着するも（酸不溶），フルボ酸（酸 · アルカリ可溶）に操作的に区分のがあるものと考えられる．このように鉄と有機物とがされる（石渡ら, 2011）．また SOM の約 90 % が団粒構

微生物などの生物活動の作用を介して液相と固相との間造内に存在し炭素プールを形成し，この土壌炭素プールを行き来しながら環境中を移動しているという描像が得から溶存有機物（Dissolved Organic Matter: DOM）としられる．

て系外へ移行する過程に鉄動態が密接に関わっている．
主として 2 つの溶存鉄形成メカニズムがある．ひとつは，生物分解性の DOM が鉄還元微生物による鉄酸化物の酸化還元反応の電子給与体として機能し，三価鉄が還元され二価鉄に可溶化する過程である（Lovley andPhillips, 1988）．土壌中では多種の酸化還元反応が発生するが，Gibbs の自由エネルギーが高い化学種から順番に電子受容体として機能する．鉄酸化物は酸素，硝酸，
マンガンについで微生物による酸化還元反応の対象となる（Lovley, 1991）．
もうひとつのメカニズムが，腐植様物質のうち生物分解性が低く分子サイズも小さいフルボ酸などが二価鉄や三価鉄と配位結合により鉄–有機物錯体を形成する過程である．この錯形成により鉄は液相中に安定的に存在しうる形態となる．ただし，錯形成をしている有機物の種類によって安定度が異なることを示す報告もあり（櫻庭ら, 2015），土壌から河川等へ移行および水域環境輸送中にも，鉄の形態は常に変質しうると考えられる．また，植物遺体を主たる起源とする腐植様物質だけでなく，植物根などが分泌するムギネ酸（Takagi, 1976），植物，菌類，微生物が分泌するシデロフォア（Awad et al., 1988;

Höfte, 1993）などの有機酸も直接の生物由来キレートとが起こり可溶化する一方で，有機物や錯形成した鉄の土粒子への収着も同時に進行しているものと考えられる．
土壌中の水移動により土壌が不飽和になると，侵入してきた酸素によって遊離の二価鉄は直ちに酸化され土壌へ

2.3 凍結融解過程と鉄の挙動
凍土の凍結融解過程は，上述の鉄と有機物との連成的な挙動にどのような影響を及ぼしうるだろうか．永久凍土の活動層における物質循環研究は，温室効果ガスであるメタンや二酸化炭素，つまり炭素循環の定量化に焦点が当てられてきた（Zimov et al., 2006; Knoblauch, 2018）
こともあり，鉄を含む金属類に焦点をあてた研究は極めて少ない．しかし前節で見たように，近年，SOM と鉄動態との共役的な挙動が明らかになるにつれて，鉄の挙動にも注目が集まっている．
凍土の凍結融解現象の特徴は，夏季の凍土融解による
土壌水の含水率増加とそれにともなう酸化還元反応の進行にある．たとえば，Street et al.（2016）は，カナダのツンドラ地帯の斜面に沿って酸化還元電位を経時的に計測し，凍土融解に応じて凍結面近傍に還元層が形成され，同時にメタン発生量が大きくなることを報告している．

Lipson et al.（2013）や Jessen et al.（2014）による研究から， メタン同様に溶存鉄も凍土融解にともないその生成量が増加することが示唆されているが，溶存鉄に関してはスナップショット的なデータである．
また，夏季融解層厚が最大となる時期に河川水，土壌の際，非晶質の鉄が代謝されやすいことが報告されて

水，土壌コアの鉄濃度を測定した例（Pokrovsky et al.,2005; Ilina et al., 2013）もあり，DOM と Fe との錯形成の重要性，易分解性の DOM との錯形成，地下水面付近

いる（Lovley and Phillips, 1986; Roden, 2008）．同時にで確認される高濃度の溶存鉄など，従来の知見を追認す

SOM のうち炭素量に換算して約 30 % がフェリハイド
ライトに結合しているとの報告もあるため（Wagai andMayer, 2007; Zhao et al., 2016），非晶質の鉄が微生物代る報告がされている．

謝と有機物固定の双方に果たす役割が大きいことが示唆

Herndon et al.（2015; 2017）は，アラスカの永久凍土地

される．一方，鉄還元細菌によるフェリハイドライトの帯を対象として，夏季の永久凍土融解層拡大にともなう還元で遊離の二価鉄が生成されると同時に，収着してい

二価鉄，三価鉄と有機物の鉛直プロファイルの季節的変た有機物も溶液中に放出されるとの報告もあり（Pan et

動特性を計測した．有機物に富む表層の厚い泥炭層からal., 2016; Zhao et al., 2017），非晶質の鉄の還元が有機物

DOM が供給され，凍土の融解が下層の鉱質土壌にまでの動態にも深く関与していることが示唆される．なお，到達すると，当該層の還元により生成される二価鉄と上結晶性の鉄を還元する微生物も存在することが確かめら部からの DOM が錯形成をするようになり，より多くのして機能する．
鉄還元微生物が可溶性の二価鉄形成を触媒するが，そいずれにしても，融雪後の夏季における凍土融解層厚
拡大にともなう鉄挙動を詳細に検討した例は数少ない．

溶存鉄が形成される概念モデルを提起しており，凍土地

土壌の物理性

22

第 141 号

帯ならでは特徴と考えられる．

(2019)

件や地温の検討により，流域内に不連続に存在する永久2.4 アムール川流域における溶存鉄生成と凍土形成

凍土が溶存鉄生成量の長期的変動を支配する重要な要因

アムール川は，流域面積約 210 万 km2 ，河川延長約ではないか，という仮説を提起した．次章ではこの仮説

4,400 km の世界有数の国際河川である．流域の平均降水量は約 490 mm（Asian Precipitation - Highly -Resolved
Observational Data Integration Towards Evaluation of Water Resources: APHRODITE Water Resources にもとづき1981 年 ∼ 1990 年の期間で算出）であり，上流のモンゴ
ル高原周辺における 200 mm から中流 ∼ 下流のウスリー川流域や本流沿いの 700 mm まで変動する（Fig. 2）（Simonov and Dahmer 2008）．また，年平均気温も南部の 6◦ C から北部の −7◦ C まで変動し，アムール川本流は 11
月末から翌年 4 月初旬まで結氷する．2000 年における流域の土地利用 · 土地被覆は，森林（59.5 %），農地（18.3%），草地（12.2 %），湿地（6.9 %）である（Yermoshin
et al. 2007）．森林は針葉樹や針広混交林であり，大部分がアムール川を境にした北側のロシア国内に広がっている．これとは対照的にアムール川を境にした南側の中国国内には農地が広がっており，溶存鉄の重要な供給源である湿地は流域中下流域に広がっている．このアムー
ル川流域全域を対象として Onishi et al.（2010）は，溶存鉄生成を組み込んだ水文モデルを開発した．水文モデ
ルには，標高データから算出される地形指標（任意の地点の湿潤度をあらわす指標）と流域の溶存鉄濃度との間に見出せる統計的関係式を用いた溶存鉄生成曲線を組みにもとづいて実施した研究成果の一部を紹介する．

3. 長期的な気温変動による融解層厚の変動評価
3.1 対象地の概要
対象地は，アムール川の支流ブレア川のさらに支流に相当するティルマ川流域内の小流域ソフロン川流域である．ソフロン川と周辺地形の概要を Fig. 3 に示す．流
域内の河畔帯には泥炭土壌が形成され，不連続ではあるが永久凍土とみなせる土壌が存在する．2016 年 ∼ 2017年にかけて実施した広域の土壌調査からは，ロシア語でмарь（発音は Mari に近いため，以下，Mari と呼ぶ）と呼ばれる植生景観（沖津, 2002）において，活動層厚が 50cm 程度の永久凍土を見出すことができることがわかった．Mari はカラマツ（Larix gmelinii）が点在する湿性植物により特徴づけられ，下層植生はクロマメノキ（Vaccinium uliginosum）やバグーリニク（Ledum decumbens），
コケモモ（Vaccinium vitis-idaea L.）などが典型的である．
また，地表面にはミズゴケ（Sphagnum spp.）が絨毯状に存在している．

込むことで，溶存鉄生成過程が考慮されている（大西,

別途実施したランドサットデータを用いた衛星画像解析から，この Mari は，河畔帯に広く分布している可能性2012）．開発したモデルは，1990 年代前半までの期間にが示唆されている（久保ら, 2018）．形成の要因について

おいては，概ね溶存鉄濃度の月変動程度は表現可能であの十分な論証はできていないが，河畔域の河川水と隣接ることが確かめられている．しかし，モデルの開発後，した地帯では，地下水位が高く土壌水分量も相対的に飽

アムール川本流のハバロフスク付近における溶存鉄濃度和に近いため有機物の分解が遅い．その結果，有機物がの長期変動データを検討したところ，1990 年代後半に異豊富な泥炭質の土壌が形成される．泥炭質土壌は一般に常なピークが確認され，モデルによる計算値は実際の変熱伝導率が低く熱を遮断するため相対的に地温が低く保動から大きくかい離してしまうこともわかった（大西ら,

たれることにより，永久凍土が形成されやすいと推察し2016）．Shamov et al.（2014）は，流域内の長期の気象条ている．河畔帯に隣接した斜面および尾根部は，トウヒ

Fig. 2 アムール川流域の概要．等雨量線をあわせて表示した．また，本論文で対象とするソフロン川の位置を示した．

総説：流域における溶存鉄生成および凍結融解の影響

23（Picea a janensis）やシラカバ（ Betula Platyphylla）が優先した森林となっている．

3.2 土壌の基本特性
Fig. 3 中に示す No. 1 ∼ No. 7 における泥炭層厚，土
壌炭素量，飽和透水係数を Table 1 にまとめた．泥炭層の下には硬質土壌が観察され，両層の境界は目視判別によった．土壌炭素量は，試料土壌を採取後速やかに分析
までの間は冷凍保存し，チューリン法（二クロム酸酸化法）により測定した．また飽和透水係数は，現場にてピエゾメータを用いた回復法から推定した．ピエゾメータには直径 60 mm の塩ビパイプの底部より 20 cm 高の区間に直径 7 mm の穴が 20 個程度等間隔に開けられ，底部は塞がれている．
泥炭層の厚さは概して谷部の傾斜の緩やかな地点で厚く，尾根部の傾斜の急な地点では浅くなる傾向にある．
この傾向にあわせて含水率の大小が見られる．興味深いのは尾根付近にも局所的には比較的平坦で泥炭が発達する場所もある（No. 6 など）点である．また測定数は少ないが，泥炭層の透水係数はおおむね 10−3 cm s−1 のオーダーであるのに対して，下部の鉱質土壌の透水係数は 10−4 cm s−1 のオーダーであると推察された．

3.3 溶存鉄濃度の時系列変化
No. 1, No. 4, No. 6 における 2017 年 5 月 ∼ 10 月にかけての溶存鉄濃度の時系列変化を Fig. 4 に示す．あわせFig. 3 ソフロン川流域の横断面図．ソフロン川河畔域に立地する Mari の内部と周辺に観測点 No.1 ∼ 4 が位置し，No.5∼ 7 は斜面に位置する．

Fig. 4 土壌の溶存鉄濃度プロファイルの時系列変化．地温より推定した融解層厚を各図に併記した．また日降水量を最下端の図に示した．

Table 1 各地点の泥炭層厚，有機物含量および飽和透水係数.
地点

1
2
3
4
5
6
7

地形
谷部
谷部
谷部
谷部
斜面上
尾根部
尾根部

有機物含量（gC/kg）
泥炭層厚
飽和透水係数
2 日目の（cm） 0–10 cm 10–20 cm 20–30 cm （ cm s−1 ）

40
100
90 以上
12
7
42
30

405
478
411
358
142
355
331

451
403
311
143
62
262
162

331
474
100
29
61
197
52

3.1×104
1.4×104-

24

土壌の物理性

第 141 号

(2019)て地温プロファイルの日平均値を日ごとに線形外挿し，を決めるために，Degree-Day 法により積雪融雪過程をモ

外挿線が 0 ◦ C となる深度をその日の融解前線とみなしデル化した．Degree-Day 法は，融雪に関わる諸要因を気て融解層厚の時系列変化を推定した．その結果を，溶存温に代表させる方法であり，融雪量は次式で表される．

鉄濃度データに重ねて表記している．また降水量（調査S M = K ·T

地点より約 20 km のティルマ村の観測点）も併記した．
地温は地温ロガー U22-001（Onset 社）を深度 10 cm, 25

cm, 50 cm に埋設し，1 時間間隔で計測した．また溶存鉄
濃度は，ポーラスカップを複数深度に埋設しシリンジを(1)

ここで，S M：融雪量 [mm day−1 ]，K：融雪係数 [mm day−1◦ C−1 ]，T ：0 ◦ C を上回るときの日平均気温 [◦ C] である．

用いた吸引法により，あらかじめ 1 % HNO3 で 24 時間

簡便ながら比較的精度良く積雪融雪を再現できる．その酸浴したポリプロピレン製容器（50 mL）に保存後，試水ため，データが十分にない場合や，広域に積雪融雪を再に HNO3 を 2 ∼ 3 滴添加し pH < 2 としたうえで ICP-MS

現したい場合に頻繁に用いられる（Hock, 2003）．

（Agilent 7500cx）により計測した．なお，2 年間の定期

積雪融雪計算では，最初に気温により降水の雨雪判

的な凍土面の確認により，No. 1 と No. 4 には永久凍土，

別がされ，降雪量に相当する水量が積雪水等量（SnowNo. 6 には季節凍土が形成されることがわかっている．

Water Equivalent: S WE ）として前日の S WE に加算されると同時に，式（1）で算出された融雪量が差し引かれ，
S WE の値が更新される．雨雪判別には次式を用いた．

No. 1 における最大濃度が 3 地点の中でも大きく，同地点における深度による濃度変動も特徴的である．夏季の気温上昇にともなう融解層厚の深化にともない溶存鉄が形成され，より深い地点での溶存鉄生成がさらにPs = 0,Pr = P,Ps = P − Pr ,Pr = PTa ≥ Ts(2)Ts > Ta ≥ 0(3)

Ta < 0(4)

進行していると推察される．地点数が十分でなく十分に普遍的と言える一般則が得られたわけではないが，先のHerndon et al.（2015; 2017）の概念モデルとも整合する．

Ta
,
Ts

3.4 融解層厚の長期変動の推定
過去の長期の気温変動がどの程度，融解層厚の季節的変動に影響し得たのかを評価するために，積算暖度と融Ps = P,Pr = 0,解層厚との間の関係式を求めた（Watanabe et al., 2003）．
積算暖度の算出を開始する起点は，積雪がなくなり 2 日
連続して気温が 0 ◦ C 以上となった日とした．積算暖度

DD [ ◦ C day] と融解層厚 Z [cm] との間には Z = aDDbの関係が成立するとし（ここで a，b はフィッティングパ
ラメータ），b の値が 0.5 のとき，融解層厚を与える解析
解のひとつである Stefan 解（Hinkel and Nicholas, 1995）と一致するため，b = 0.5 に固定したときに最適な a を非線形最小二乗法により求めた．ここで，Stefan 解は永久凍土に対して適用可能な式であるため，永久凍土が確認されている No. 1 および No. 4 に対して Stefan 解を求めた．得られた式とともに，結果を Fig. 5 に示す．各曲
線の決定係数 R2 ，0.81，0.82，標準誤差は，8.1 cm および 8.8 cm であった．高い精度の近似とは言い難いが，融解層厚の全体的な変化傾向は再現していると言える．一方，融解層厚が深くなる夏季には地温の変動が大きくなり，その結果融解層厚の推定値も変動するため，近似曲線による再現精度が低下する傾向にある．
次に，得られた式と長期の気温データを用いて当該地における融解層厚の長期的な変動特性の評価を試みた．
気温データには APHRODITE シリーズの APHRO-MA-

V1204R1 を用いた（Yatagai et al., 2009）．本データセッ
トは，地上観測データにもとづき統計的な内挿補間により作成されたグリッド形式のデータセットであり，日単位，空間解像度 0.25 ◦ ，1961 年 ∼ 2007 年の期間でデータが得られる．当該地を含むグリッドのデータを抽出し，毎年の融解層厚の時系列データを作成した．この計算に先立ち，積雪がなくなり凍土融解が開始するタイミング

Fig. 5 積算暖度と融解深との関係．地温より推定した融解
深および非線形最小二乗法によりこの融解深にフィッティグ
した曲線を示した．

総説：流域における溶存鉄生成および凍結融解の影響




0.04,



0.0667+ 0.0133T a ,ρs = 




0.08,

25

T a < −2.0
− 2.0 ≤ T a < 1.0
T a ≥ 1.0

(8)

ここで，雨雪判別に用いる上限気温 T s と融雪係数 K とをフィッティングパラメータとして，降水量と気温の実測値から Degree-Day 法により算出した積雪深が積雪深の実測値を最もよく表すパラメータを 1000 回の試行によるモンテカルロ法により求めた．得られた結果を Fig.

6 に示す．積雪融雪の傾向はおおむねよく表していると考えられるが，実測値と計算値とに乖離が見られるときもある．もっともらしい要因に積雪の空間的分布がある
Fig. 6 ティルマにおける積雪深の観測値および Degree-Day
法により算定した積雪深の計算値．

が，より詳細な検討を要する．
永久凍土が確認されている地点 No. 1 に対して，得られた積算暖度と融解層厚との関係式，降水量データ，および気温データを用いて 1961 年 ∼ 2007 年の期間における融解層厚の長期変動特性を推定した．なお，降水量デー
タには，気温データと同様に APHRODITE シリーズのAPHRO-MA-V1204R1 を用いた（Yatagai et al., 2009）．
Fig. 7 は，活動層厚を深度帯に区分し，各深度帯に融解前線があった積算時間を集計し，その時系列変化を示している．過去にも深度が 60 cm を超える融解層厚の累計時間が長い時期（1975 年前後）もあったことが示唆されるが，特に 1990 年代後半には，この累計時間が長い
年が多いことがわかる．あわせて，深度が 80 cm 以上に達した時間も長いことも読み取れる．No. 1 の泥炭層厚Fig. 7 深度帯ごとに融解前線が存在した積算時間を集計し長期（1961〜2006 年）で評価した結果．

が 40 cm 程度であることを考慮すると，鉄の供給源となる鉱質土壌まで融解が進みより多くの溶存鉄生成が進んだ可能性が間接的にではあるが示唆される．

ここで，P：降水量 [mm day−1 ]，Ps：降雪量 [mm day−1 ]，Pr ：降雨量 [mm day−1 ], T a ：日平均気温，T s :雨雪判別の
上限気温 [◦ C] である．
日ごとに更新される S WE は，積雪密度を用いて積雪深に換算されるが，この換算には全層積雪密度推定モデル（泉ら, 2005）を用いた．モデルでは各日の全層積雪密度 ρd が同日の積雪深 S D [cm] と前日の全層積雪密度 ρ′dとパラメータ β により関係づけられる次式で表される．

ρd =
{
β=

(
)
S WE
+ β 0.55 − ρ′ dSD

(5)

4. 考察と展望
土壌における鉄の挙動に関する一般的な知見の整理および凍結融解過程が鉄挙動に及ぼす影響に言及した．そのうえで，凍土の融解層厚の長期変動を算定し，溶存鉄生成量が影響を受けうることを示した例を紹介した．ただし紹介した例は間接的な推察にとどまる．そのため，
今後は凍土の物理的環境と溶存鉄生成の生物化学的過程との関係を実験，観測，数値シミュレーションを通して直接 · 間接に検証する必要がある．ここでは，そのための課題を整理する．

T a ≤ 1.0
T a > 1.0

0.002,
0.002T a ,(6)

また当該日の S D は，前日の積雪深 S D′ [cm]， ρ′d ，降雪密度 ρs などと関連づけられて次式により表される．

S D = S D′ −0.284P s
ρ′ d

(

)0.43
S D′
10

+

Ps
ρs

4.1 錯形成する有機物の類型化
既述のように，土壌中において鉄と SOM とは連成して変化する（2.2 節および 2.3 節）．SOM のうち特に腐植様物質は，酸化水酸化鉄の溶解に寄与することも報告されており（Cesco et al., 2000），鉄は固相への有機物保持の機能を果たすとともに，有機物により液相中に可溶化(7)もされる．土壌中の SOM は分解，収脱着を繰り返す過程で構造を変化させつつ，鉄と錯体を形成して系外へ輸送されると考えられる．したがって，土壌中における溶土壌の物理性

26

第 141 号

(2019)

存鉄の移動性を理解するためには，有機物の年齢や分解

hashi, T., Nakagama, H. and Toyokuni, S. (2012): Fentonの程度と対応させて鉄錯体形成に関する知見が不可欠で

reaction induced cancer in wild type rats recapitulates ge-

ある．そのためには，鉄と錯形成をする有機物，特に腐nomic alterations observed in human cancer. PLoS ONE 7(8),

植様物質のより詳細な区分，類型化が必要と考えられる．

4.2 凍結融解過程と SOM および Fe の移動集積
次に凍土の凍結融解過程との関係において重要と考え

e43403. doi:10.1371/journal.pone.0043403.
Awad, F., Romheld, V. and Marschner, H. (1988): Mobilizationof ferric iron from a calcareous soil by plant-borne chelators

られるのは，凍結融解にともなう SOM および鉄の移動，(phytosiderophores). Journal of Plant Nutrition, 11: 701–713.

集積，変質過程に関する知見である．一般には，凍結にBirkeland, P.W. (1974): Pedology, weathering and geomorpho-

伴い溶質が凍結面付近に集積することが知られているが，著者の知る限りでは，鉄錯体，SOM，遊離の二価鉄が冬季に凍結が進むとき，どのような挙動を示すのかに関しては十分な知見が得られていない．冬季の凍結中には生物学的反応は緩慢になるとしても，凍土の融解に伴う溶存鉄形成の過程を理解する際の初期条件を与えるためにも必要不可欠な知見であると考えられる．

4.3 鉄–炭素共役動態モデル
鉄動態に関連する有機物のうち分子構造が既知の有logical research, p. 300. Oxford University Press.
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機物に限定すれば Hydrus-1D-HP といった既存のモデル

neberger, K., Turner, S., Waite, A. and Zeldis, J. (2000):と NICA-DONNAN モデルといった錯体形成モデルとを

A mesoscale phytoplankton bloom in the polar Southern

組み合わせて，土壌中の鉛直一次元の鉄動態を部分的

Ocean stimulated by iron fertilization. Nature, 407: 695–702,には再現可能であると考えられる（Tipping et al., 1998;

Kinniburgh et al., 1999; Šimůnek et al., 2006; Weber et al.,2006）．しかし，現時点ではその適用対象は限定されるとともに，鉛直一次元のカラム程度にスケールも限定されるであろう．

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づいた詳細なモデリングとは別のアプローチが求められ

Cesco, S., Römheld, V., Varanini, Z. and Pinton, R. (2000): Solu-

る．鉄と錯体を形成する有機物の種類が明瞭に区分されbilization of iron by water-extractable humic substances. Jour-ていない現状では，コンパートメントモデルと親和性がnal of Plant Nutrition and Soil Science, 163: 285–290.

高いと考えられる．また鉄動態は炭素動態と密接な関係

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う意味でも，コンパートメントモデルが適していると考Colombo C., Palumbo, G., He, J.Z., Pinton, R. and Cesco, S.

えられる．近年，多様なソースを考慮した海洋の鉄循環(2013): Review on iron availability in soil: interaction of

モデルの発達は著しく（三角 · 津旨, 2017），海洋モデル

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謝辞

Herndon, E.M., Yang, Z., Bargar, J., Janot, N., Regier, T., Graham, D., Wullschleger S, Gu, B and Liang, L. (2015): Geo-

本研究の一部は，JSPS 科研費（15H05208）により実施しました．また，APHRODITE データシリーズの利用にあたり本データセットの作成者には大変にお世話になりました．ここに記して謝辞を申し上げます．

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Street, L.E., Dean, J.F., Billett, M.F., Baxter, R., Dinsmore, K.J.,

Zimov, S.A., Schuur, E.A.G. and Chapin, F.S. (2006): Per-

Lessels, J.S., Subke, J.-A., Tetzlaﬀ, D. and Wookey, P.A.

mafrost and the global carbon budget. Science, 312: 1612–(2016): Redox dynamics in the active layer of an Arctic head-

1613, doi:10.1126/science.1128908

water catchment; examining the potential for transfer of dis-

総説：流域における溶存鉄生成および凍結融解の影響

要

旨

必須元素の鉄は地球全重量の 30 % 程度とありふれた物質でありながら，海洋ではサブ nmol レベルでしか存在せず，大気および河川を介して陸域から供給されている．そのため，陸域の鉄動態、殊に土壌中での挙動を理解することは極めて重要な研究課題である．土壌における溶存鉄生成メカニズムおよび凍結融解が溶存鉄生成に及ぼす影響に関する既往知見より，(1) SOM（Soil Organic Matter）と土粒子を構成する鉄とが連成的に挙動すること，(2) 特に凍土の凍結融解下では，融解層厚が溶存鉄生成量に影響を及ぼしうることがわかる．また，アムール川流域においては，1990 年代後半における溶存鉄濃度の異常な上昇が観測され，凍土融解がその要因の一つである可能性がある．現場観測と長期の凍土融解層厚の変動解析はその可能性を支持している．既往の研究を踏まえて、鉄と錯形成する有機物の類型化，
凍結融解時の鉄，溶存有機物の挙動把握が重要であることを示した．
キーワード：溶存鉄，土壌有機物，永久凍土，アムール川

29

型式︓WDR-1-3WET 型

主な特徴● 現場で瞬時に⼟壌⽔分/EC/温度を測定可能● ハウス栽培、露地栽培・植物⼯場等、あらゆる環境に適します● 従来では難しかった体積⽔分率 40%以上の測定も可能● ⼤型カラー液晶搭載による⾼い視認性と、タッチパネルによる直感的な操作性● 計測データはメモリーカードに記録され、1 測定当たり最⼤ 65,000 件の記録が可能

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J. Jpn. Soc. Soil Phys.
土壌の物理性PrefaceNo. 141, p.31 (2019)第 60 回土壌物理学会シンポジウム「これからの持続的農業を考える；
土壌中の物質循環 · 微生物 · 共生からの視点」について
第 29 期土壌物理学会会長

石黒宗秀

2018 年 10 月 27 日，北海道大学農学部大講堂におい

元酪農学園大学の水野直治さんと秋田県立大学の金田吉て，上記のテーマでシンポジウムを開催しました．その弘さんにご講演いただきました．水野さんは，若いころ

開催趣旨と内容に関して，簡単にご紹介します．

農業に従事され苦学された後，農業研究の道に進まれ，農薬と化学肥料を用いた現代農業は，作物収穫量の増

北海道において数々の農業上の諸問題を解決してこら大をもたらし，世界中で食糧を安定供給できるようになれました．「土壌生産力の支配因子を求めて」と題して，りました．革命的な成果と言えます．しかし，その一方

長年の研究活動の蓄積をお話しいただきました．次の講で，現代農業は，赤とんぼやドジョウ · タニシ · メダカ

演者の金田さんは，長年水田土壌における物理性と窒素などの農村を彩る普通の生物を絶滅の危機に追いやっての有効利用法に関する研究を進めて来られました．「近います．土壌の劣化も進んでいます．地球規模の環境破年における水田土壌の変化と持続的水稲生産に向けた対壊の一因になっているとも指摘されています．近年の人

応」と題して，土壌物理性にも関連しながらご講演いたの健康科学は，100 兆匹ほどの腸内細菌の活動が，我々だきました．作物の健康に欠かせないと考えられる土壌の健康を支えていることを明らかにしてきました．医学

微生物に関しては，愛媛大学の光延聖さんと北海道農業

は，人の健康維持のためには，細菌を殺すのみの対象か

研究センターの池田成志さんにご講演いただきました．

ら，共生のための大切な対象として捉えるように変化し土壌微生物は，土壌中の酸化還元電位差を巧みに利用ています．土壌科学の分野でも，土壌微生物と植物の共して活動しています．光延さんには，微生物の酸化還元

生関係が見直されてきています。土壌生物は，土壌をめ

反応と元素 · 鉱物相互作用についての基礎的な研究をおぐる物質循環のかなめの重要な役割を担っています．農

話しいただき，土壌物理系研究者があまり得意としない薬で土壌生物を殺してしまう現代農業のありかたが疑問けれど重要な，土壌中における微生物活動と有害元素の視されてもいます。残念ながら，科学は，持続的な農業

反応や動態についてご講演いただきました．池田さんにに対して明確な指針を与えるほど進歩していないようでは，このところ重視され始めている土壌微生物と植物のす。環境中の微生物が，集団を作って生活を営み，異な共生関係の専門家として「植物共生科学から考える農耕

る種類の微生物同士も情報をやり取りして共生している地生態系の物質循環と持続的農業」について話していた

ことが，つい最近明らかにされたばかりです。科学が分

だき，今後の持続的農業について科学的視点からご提言

析的に作物生育の全貌を明らかにするようになるのは，

いただきました．最後に，山形大学名誉教授の粕渕辰昭

長い年月が必要かもしれません。科学は未だ非力です

さんに，無農薬無肥料で慣行農法と同程度の収穫量を挙が，我々の命を支える農業の持続的な在り方を，ここでげている稲作技術についてご講演いただきました．これ

見直してみたいと思い，今回のシンポジウムを企画しま

は，山形大学農場で，10 年以上にわたって実証された農した。

法で，これからの農の在り方の一つの方向を示していた

作物の生育は，気象 · 土壌 · 水分 · 養分 · 生態系などのだきました．

複雑多様な環境条件に左右されるため，農学研究は，総基礎的な研究成果と共に，世界中の増大する人口を養合的な視点が重要になります．そこで，まず最初に，土えるだけの食糧を供給しながら，人の健康や土の健康，壌科学の分野で総合的な農学研究に取り組んでこられたそして地球環境を保全するためにはどうすればよいかを考える貴重な機会を，演者の皆さんにご提供していただ

1 北海道大学大学院農学研究院

2019 年 1 月 25 日受稿

2019 年 1 月 25 日受理

きました．

シンポジウム特集

J. Jpn. Soc. Soil Phys.

ゎࠉㄝ

土壌の物理性LecturesNo. 141 p.33 ∼ 39 (2019)

土壌生産力の支配因子を求めて
水野直治 1The exploration of factors that determine soil productivity
Naoharu MIZUNO1

1. はじめに本研究に至るきっかけは少年期に遡る．日本の敗戦後，多くの人が開拓農業に従事したときである．開拓地には農業に不適なところも多く，場所によってはいく
ら土壌改良をしてもよくならない土壌まで散在した．一方，中学校卒業後牧夫となって働いた石狩川沖積地帯は豊かな生産が認められた．このように同じ管理をしてもなぜ生産力に差が生じるのか興味を持ったのが始まりである．
北海道立農業試験場に赴任して最初に携わったのが蛇紋岩地帯のニッケル過剰障害対策であった．現在のように原子吸光光度計や ICP もない時代で分析法の開発からの出発であった（水野 · 林, 1967）．このようにして重金属の過剰および欠乏と作物の関係の研究に携わりはじめた．

ベツはさらにニッケル抵抗力がなく，5 mg kg−1 あたりから障害症状が発現する．もちろん，同じ交換性ニッケ
ル濃度でも同じに症状が発現するとは限らない．植物体内における鉄または銅含有率によってその症状は変わってくる（Mizuno, 1968; Mizuno and Nosaka, 1992）．したがって，蛇紋岩質土壌地帯に発生するニッケル過剰障害
は土壌中の全ニッケルの高い蛇紋岩体の上ではなく，可溶性の交換性ニッケルの高い土壌で発生する．そして交換性ニッケルは土壌 pH の低下によって高まる（Fig. 1）．
それゆえ，植物のニッケル過剰障害は pH の高い蛇紋岩上の地帯ではほとんど見られない．なぜなら蛇紋岩そのものはマグネシウム含有率が著しく高く，pH は 7 以上の高い値を示すためである．障害の発生する土壌は蛇紋岩が風化して母岩から流出し，再堆積して長い年月の間にマグネシウムが流亡し，pH が低下した土壌である（水野, 1979）．
蛇紋岩を粉砕し，ガラス管につめ，上から炭酸飽和水

2. ニッケル過剰障害対策
2.1 超塩基性岩はマグマの岩石を流し，溶出してくるイオンや pH がどのように変化するか調べた．その結果， pH が 8 以上の初期の段階では
Ni はほとんど溶出せず，Ca や Mg が溶出し，溶液の pH

カンラン岩や蛇紋岩は超塩基性岩に入る．カンラン岩
が水の作用を受けてできたのが蛇紋岩である．ケイ酸含有率が低く比重の重いこの岩石はニッケルやクロム含有率が一般の安山岩や花崗岩の 100 倍もある．そのためこの岩石の風化土壌では植生が著しく悪く，古くから注目されてきた（Brooks, 1987）．そしてその主要な原因がMg と Ni の過剰であることが 20 世紀の中ごろに明らかにされた．

2.2 植物のニッケル過剰障害は土壌中の全ニッケルではなく交換性ニッケルによって支配される

Photo 1 には北海道における蛇紋岩質土壌で発生する
ニッケル過剰障害の症例を示した．上の段に並ぶエンバ
クはムギ類の中でも過剰障害に弱く，交換性ニッケルで10 mg kg−1 付近から症状が現れる．アブラナ科のキャ
1 4-157-3, Chuo, Kuriyama, Yubari, Hokkaido 069-1511, Japan. Corresponding Author: 水野直治.
2019 年 1 月 10 日受稿 2019 年 2 月 10 日受理

Fig. 1 土壌 pH と交換性ニッケルの関係．

34

土壌の物理性

第 141 号

(2019)

Photo 1 蛇紋岩と作物のニッケル過剰症が低下してくると徐々に Ni の溶出が始まる．蛇紋岩はNi が 0.2 ∼ 0.3 % （ 2000 ∼ 3000 mg kg−1 ），Mg が 20 ∼30 % ほど存在する．すなわち Ni は Mg の約 1/100 程度である．ニッケル過剰障害の発生する土壌では Mg が岩石の 1/10 程度に減少した土壌で，全ニッケル含有率
は 300 ∼ 1000 mg kg−1 の範囲にある．このように土壌
中元素の溶出や固定はその要素含有率単独のみで変動す
るのではなく，他の要素の存在形態と密接に関係して変動する．

界の蛇紋岩植生や生態学に関しては Brooks（1987）とRoberts and Proctor 編（1992）に詳しく述べられている．
Photo 2 はカリフォルニアのデイビスで大会があったときの蛇紋岩生態学の著者らの記念写真である．Dr.
Brooks（ニュージーランド · マセイ大学）, Dr. Kruckeberg（ワシントン州立大学），Dr. Robrts（カナダ林野庁）はい
ずれも国際的な研究者であるが，3 人とも北海道の蛇紋岩地帯を訪れている. Dr. Vergnano は小柄な女性研究者であるが，1950 年代の蛇紋岩地帯植物のニッケル障害が一方，植物のニッケル過剰障害程度も植物体内のニッ

明らかになった初期の研究で世界をリードしてきた．現

ケル濃度のみでは決定されない．さきにも述べたよう

在イタリアでは日本の猿橋賞のようにすぐれた女性科学に，そこには植物体内の Fe/Ni 比と密接な関係があり，者には彼女の名前を冠した賞が贈られている．

Fe/Ni 比が 5 ∼ 10 以下になると障害が発生する（Mizuno,
1968）．そのため鉄含有率の高いイネは自然界で障害発生が観察されない．また近年，植物の鉄とニッケルの輸送体が同じであり，ニッケル処理をすると鉄欠乏がさらに助長されることが明らかになっている（Nishida et al. ,2012）．
蛇紋岩土壌ではニッケル過剰障害が発生しなくても，土壌中の元素組成はアンバランスであることから，一般の植物は生育できない．そのため蛇紋岩土壌では超塩基性岩地帯のみに生育する特生植物が国内で 46 種も確認されている（堀江, 2002）．このように極端な土壌は地質的な環境が隣接地と大きく異なることから，まるで大海の中の小島のように周りと隔絶された状態となる．北海道のある蛇紋岩地帯のアキノキリンソウの例を挙げると，花を訪れる昆虫は同じ系統の花粉しか運べないので，早咲きと遅咲きの系統の間で遺伝的な変化が起きるという．まるでガラパゴス諸島のように多くの種が誕生する原因であろう（Sakaguchi et al., 2017）．なお，さらに世Photo 2 The Ecology of Areas with Serpentinized Rocks 出版の著者たちの記念写真．カリフォルニアの蛇紋岩地帯．左端が著者．その右前隣が Dr. R.R. Brooks, Dr. A.R. Kruckeberg,

Dr. O. Vergnano Gambi, Dr. B.A. Roberts, DR. J. Proctor and
DR. W.G. Lee（後列）．

解説：土壌生産力の支配因子を求めて35ても効果はない．一方，葉面散布の場合は毎年実施する

3. コムギの銅欠乏必要があるが経済的でかつ安全である．この方法は幼穂形成期までに実施すればその効果が期待できる．葉面散

3.1 コムギ銅欠乏の症状
ムギ類の銅欠乏の発生は最初オランダやデンマークの泥炭土で確認されたが，国内では黒ボク土で報告された（黒澤ら, 1965；長谷部 · 水野, 1969）．その後ムギ作の衰退が著しく，これらの研究は停滞したが，米余り対策として水田の畑転換に伴い，ムギの作付が急増し，各地でコムギの銅欠乏が頻発するようになった（水野ら,1981）．
銅欠乏の発生したほ場のコムギは登熟期になっても黄化せず，穂の形はほとんど正常でも子実は入っていない（Photo 3）．これらは枯熟期に入ると急激に枯れ上がり，
汚い色となる．さらに激しくなると根元から枯れ上がり，消えていく．
銅欠乏のコムギは光合成能力が低いため，根元の茎のブリックス糖度を計ると，正常なコムギのブリックス糖

Photo 3 コムギの銅欠乏．緑のところは不稔．右側の写真
はさらに激しい欠乏症である．

度は 25 % にもなるが，銅欠乏の場合は正常なコムギの1/2 以下の 10 % と低い．そのため水分とチッソ含有率は高く組織が弱く浸透圧が低いため，曇天と晴天を繰り返すと葉先がよじれてくる．ただし，この症状は必ずしも銅欠乏でのみ発生するのではない（水野 · 土橋, 1982；

Mizuno and Kameda, 1982；水野ら, 2018）．Photo 4 には銅の施用でコムギの葉は直立し，よじれのなくなることを示した．また，銅欠乏では正常な花粉にならず，花粉内デンプンが欠乏し，形も小さく歪になる（海野ら,

1984）．銅の施用で花粉はきれいな円形となり，花粉内にはデンプンがびっしりつまり，花粉の生殖核と栄養核がはっきり確認される（Photo 5）．
コムギの銅欠乏は植物体の銅の含有率で判定できな
い．なぜなら Fig. 2 にも示したように，銅の含有率が0.8 mg kg−1 （ppm）でも結実する一方で，1.5 mg kg−1（ppm）でも不稔なる場合がある．したがって植物体のPhoto 4 コムギの銅欠乏による体内糖含有率の変化．右側のコムギは銅の欠乏で充分光合成ができず，水分が高く糖の含有率は低い．左側は銅の施用で正常になり，糖含有率は 2倍ほどになり，乾燥にも強くなった．

銅含有率は不稔になる判定基準にはならないのである．
しかし Fig. 2 にも示したように，植物体内の銅と鉄の比，すなわち Cu/Fe 比が 0.008 を境に不稔と結実の個体が明瞭に分かれることが明らかになった（Mizuno et al.,1983）．Cu が Fe の 0.8 % 以下になると不稔になるのである．なお，正常なコムギでは Cu は Fe の 2〜4 % の範囲にある．
このような Cu と Fe の関係はさきに述べた蛇紋岩にニッケル過剰の Fe：Ni と反対の関係にあり，興味の引かれるところである．

3.2 対策法
対策法はほ場に直接硫酸銅を施用（4 ∼ 8 kg / 10 a, Cu
として 1 ∼ 2 kg）するか，硫酸銅の溶液（硫酸銅 20 ∼ 50
g 程度を 100 L / 10a の水に溶かす）を葉面散布する．一作で吸収する Cu は 2 ∼ 4 g / 10a 程度である．一方，土壌に施用した場合は少なくとも 30 ∼ 40 年は効果がある（40 年前の対策地では再発が認められていない）．ただし多量要素のように必要とする分を肥料に混ぜて施用しPhoto 5 コムギ花粉のいろいろ．上の段はヨード · ヨードカ
リ染色．不良花粉はデンプンが少ないかない．下段はカーミ
ン染色．正常な花粉（左端）は丸く，大きく中には生殖核 2本と丸い栄養核が見える．不良花粉は小さく変形していて核がない．

土壌の物理性36

第 141 号

(2019)

た．それほど激しいジャガイモそうか病を見たことがなかったからである．しかし植物病理研究者でない自分には関係のない問題だと思っていた．その後，本病の抑制因子が何であるかの究明の依頼を受けたとき，最初に頭にうかんだのがアルミニウムイオンである．

1980 年代にヨーロッパを中心に発生した酸性雨の影
響で土壌のアルミニウムが溶け出し，森林破壊や湖沼の生物の絶滅が起こっていたからである．土壌微生物も生物である以上この影響を受けないはずがないとの確信があった．そこでこの時点で土壌のアルミニウム活性の尺度である交換酸度 y1 に注目した．
ジャガイモそうか病の病原菌は 19 世紀の中ころには判明していた．しかし，土壌によって発生度合いは異なるにも関わらず，その抑制因子は不明のままであっFig. 2 コムギ不稔に対する植物体中 Cu 含有率と植物体中
Cu/Fe 値の関係．銅欠乏の発生は Cu 含有率では判定できず，
Cu/Fe 値が明瞭な判定基準となる．

た．これが明らかになったのは 1993 年である（Mizuno

and Yoshida, 1993）．ジャガイモそうか病の抑止土壌では「pH 5.3 以下で抑制される」ことが明らかにされて布に濃い溶液を使うと薬害を起こすので注意を要する．

いた．
交換酸度 y1 は当初置換酸度 y1 と述べていたが，この銅欠乏はムギ類にのみ発生するのではない．これは方法は大工原銀太郎（1910）によって開発された優れた動物にも発生する（Shorrocks and Alloway, 1985）．1983

土壌中アルミニウム活性の測定法である．そのため土壌

年頃，ロンドン大学のクイーン · メリーカレッジの Dr.

調査報告書（畑土壌）には必ず記載されている．残念なAlloway 教授から手紙をもらった．そこには「ここの大がら本研究を始めた 1992 年頃はあまり注目されるデー学院の卒業生は世界中の現場に赴く．そこで使える銅

タではなかった．われわれはこれに目をつけ，研究を開欠乏に関するデータと写真を送ってくれ」というもので始した．

あった．幾つかのデータと写真を送ったが，冊子には三4.2 ジャガイモそうか病の多発地帯

笠市丘陵地帯で大規模に発生したコムギ銅欠乏の写真がジャガイモそうか病は瘡蓋病とも書き，塊茎の表皮に掲載されている．銅欠乏にはムギ類だけでなく，敏感な

カサブタのできる土壌病害である．

作物としてニンジン，アルファルファ，ホウレンソウな

本研究の依頼を受けた 20 世紀末の段階では，植物のどもあげられている．しかし日本ではムギ以外の他の作必須要素と本病との関係はすでに明らかにされ，いずれ物の研究はない．

の必須要素とも関係のないことがわかっていた（Keinath

銅欠乏の発生土壌は各国でおおむね 1 割は存在するよand Loria, 1989）．しかしながら、それらの研究では必須うである．日本国内は当時まだ把握していなかったので元素でなかったこともあるが、アルミニウムイオンと本報告していない．しかし，北海道の土壌（水野ら, 1977）

病との研究は欠落していた．長い間環境に関わる研究にで見ると，黒ボク土の 50 % は欠乏土壌と推定される．

従事してきた者にとってこれには疑問を感じた．なぜな

銅欠乏土壌は黒ボク土のみでないので，かなりの面積がら酸性雨が世界的に騒がれ，また多くの地帯で生物が酸存在するであろう．日本では昭和 45 年の公害国会のあ性雨によるダメージを受けており，病原菌（放線菌）もと重金属の過剰問題のみに敏感になり，欠乏問題は蔑ろ

この一つであることによる．

にされてきた．

当時，在籍していた東京農大の網走寒冷地農場はジャ

銅は人間を含む動物にも重要な元素であり，アメリカ

ガイモそうか病の多発地帯にランクされていた．しかし（NRC）飼養標準では牛馬とも乾物飼料中 Cu は 10 mg

はじめはアルミニウムイオンと断定するのに躊躇した．

kg−1 と示されている．これまで多くの植物体の分析を

なぜならこの地帯はアロフェン土壌地帯であった．当時行なってきたが，この基準を満たす飼料はきわめて少なの土壌学の教科書には，「アロフェン土壌地帯はアルミニ

いであろう．現在，牧草生産は量の生産に重点が置かれウム活性の高い土壌」である旨記載されていた．しかしているが，質に重点が移ると銅の含有率だけでなく，嗜念のために交換酸度 y1 を測定して驚く結果に遭遇した．

好に影響する糖の含有率でも問題になるであろう．

これらの多発土壌ではまったく交換酸度 y1 が上がらな
かった．このことはこれまで間違った土壌学を信じてい4. ジャガイモそうか病たことになる．

4.3 アルミニウムイオン活性とジャガイモそうか病の4.1 ジャガイモそうか病の抑制因子

関係1990 年に東京農大網走寒冷地農場に赴任して，最初

そこで道立農試から全道の土壌調査報告書を借り出にほ場でジャガイモそうか病を見たときはさすがに驚いし，畑土壌の pH と交換酸度 y1 の関係を多発土壌と抑止解説：土壌生産力の支配因子を求めて土壌にわけて求めた．結果は Fig. 3 のとおりである．植37

4.5 アロフェンの高い土壌は農地の勾配修正で拡大

物病理学者たちが抑止土壌と示したジャガイモそうか病したが抑制される土壌 pH（5.3）の交換酸度 y1 は 7 ∼ 8 で古老に聞いても昭和 40 年代までそうか病は多発しなあり，多発土壌で同じ交換酸度 y1 にするには土壌 pH

かったという．なぜ現在のようになったか，それはアロを 4.5 まで下げなくてはならないことがわかった．あとフェンが高い土壌が下層から入ったためである．

はそれをほ場実験で証明するだけであった（Mizuno andそこで作土と下層土で土壌成分にどのような変化が生

Yoshida, 1993）.

じるのか，過去の土壌として人手の加わっていない林地

4.4 アロフェンの分析データがない

土壌の A 層を当時の作土とみなし比較して調べた．そのなぜこのようなことになったか，それは北海道におけ結果が Fig. 4 である．土壌 pH はむしろ下層土の方が高る火山灰土のアロフェンの分析データもなく，それまでい．さらにアロフェンは現在の作土が 5 % 以上もあるの

アルミニウムイオン活性の検討もされていなかった．網に，林地の A 層は 3 % 程度である．しかし，B 層では走地方の東南部は 34,000 年前に膨大な量の屈斜路湖の10 % 以上に達した．そして水溶性アルミニウムはアロ
フェンと正反対になることが明らかになった（Mizuno etal., 1998a; Mizuno et al., 1998b）．

火砕流（Kpfl）が堆積している．そしてこの火砕流は長い年月でガリ侵食をうけ，高低差の大きい農地になっていった．これらの傾斜地はトラクタ運行には危険であっアロフェンが高いとなぜアルミニウムが溶けないか，たため，昭和の後期になってから勾配修正の工事が行わ

アルミニウムはケイ酸ともっとも安定な化合物を作り，れてきた．その結果，アロフェンの高い下層土が表面に

アロフェン質土壌は可溶性ケイ酸が高いためである．

出てきたのである．そこでアロフェンと水溶性アルミニ

4.6 ジャガイモそうか病の抑制は施肥法改善でウムがどのような関係があるか Table 1 に示した．これ

どのように本病を抑制するか，これまで農薬で抑制しからも明らかなように，非アロフェン質黒ボク土の水溶ていたがそれらの多くは使用禁止となった．そこでイ性 Al の濃度は平均では 0.2 mg L−1 であるが，これはアオン交換を利用して土壌中の水素イオンを引き出し，土ロフェン質黒ボク土の 4 倍近い値であった．このように

壌 pH を一時的に下げる方法を考え出した．この方法にジャガイモそうか病の多発性土壌であるアロフェン質黒

よって限られた期間のみ pH を下げるのである．詳しく

ぼく土と抑止土壌である非アロフェン質黒ボク土の大きは過去の報告を参考にされたい（水野ら, 1995; 水野ら,な違いは水溶性 Al 濃度の違いであることがわかった．

1997）．

5. おわりに少年の時期に経験した開拓地の土壌は道内の火山性土の中でもっとも水溶性アルミニウムイオンが高い値を示すことが 21 世紀になってからわかってきた．アルミニ
ウムイオンの他にニッケルや銅，その他の元素でも平均的な含有率より高すぎても低すぎても弊害が発生する．
また，一部の研究者だけかもしれないが，病原菌は環境が悪いと発生すると考えている方もいるが，土壌病原菌
も生物であるため，土壌中の金属イオンの影響を植物と同様に受けていることがジャガイモそうか病の研究などから明らかになってきた．これらの問題は粘土鉱物の研究と併せて行うことでより明瞭になってくるものと推察している．そのため農学の研究はそれぞれの分野に細分

Fig. 3 ジャガイモそうか病の多発土壌と抑制土壌の土壌 pHと交換酸度 y1 の関係の比較．

化するだけでなく，統合して見ていく必要があろう．

Table 1 各地点の泥炭層厚，有機物含量および飽和透水係数.
区分
アロフェン質黒ボク土
非アロフェン質黒ボク土（Us 含む）
非アロフェン質黒ボク土（Us 含まず）

点数 アロフェン（%） 水溶性 Al（mg L−1 ）

69
98
94

10.0 ± 5.1
1.5 ± 0.9
1.8 ± 1.0

0.05 ± 0.06
0.18 ± 0.34
0.20 ± 0.39

注：ここでアロフェン質黒ボク土はアロフェン 5 % 以上とし、それ以下を非アロフェン質黒ボク土とした．

土壌の物理性38

第 141 号

(2019)㻌㐣ཤ㻌ഴᩳᆅ䛾ᯘᆅ㻌ษᅵ㻌⌧ᅾ䛾㎰ᆅ㻌

┒ᅵ㻌

Fig. 4 土壌はこの 40 年でどのように変わったか．作土：現在の作土，A 層：昔の作土を想定し，隣地の A 層の pH も低くない．昔は pH が低かったのでそうか病がでなかったのでない．

Proctor (eds.) The ecology of areas with serpentinized rocks

引用文献

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要旨

これまで土壌の生産力制限因子を追求してきてつぎのことが明らかになってきた．1）ニッケル過剰ではニッケルに対して鉄が 10 倍以下になるとニッケルの過剰が現れ，コムギの銅欠乏では銅が鉄の 0.8% 以下になると欠乏が発現する．2) 有害または有効の成分は土壌に存在する全元素含有率でなく，溶け出すイオン濃度で決まる．害作用はその平均元素濃度の 5 ∼10 倍以上で発現し，欠乏は反対に平均値の 1/5 ∼ 1/10 以下で発生する．3) 土壌成分の溶解度は全含有率の大小の他に，土壌の pH と酸化還元
電位，粘土鉱物の種類および有機物含有率で変化する． 4) アルミニウムイオンは作物の抑制にも土壌病害菌の抑制にも働く．
キーワード：ニッケル過剰障害，超塩基性岩，銅欠乏土壌，ジャガイモそうか病，土壌中アロフェン含有率39

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シンポジウム特集

J. Jpn. Soc. Soil Phys.

ゎࠉㄝ

土壌の物理性LecturesNo. 141 p.41 ∼ 48 (2019)

近年における水田土壌の変化と持続的水稲生産に向けた対応
金田吉弘 1

Recent changes in paddy soils and strategy for sustainable rice production
Yoshihiro KANETA1

Abstract: Recently, large scale farmland consolidation
and upsizing of farming machinery have been progressingin the rice cultivation. In addition to the rice for staple
food, various rice cultivations such as forage rice using ahigh-yield variety are conducted. On the other hand, the airtemperature in summer has been increasing and it has great
influence on the quality of rice. In this paper, the improvement of plowing practice and introduction of the underground irrigation system (FOEAS) mitigated the decline
in quality of rice under high air temperature condition by
maintaining the favorable rhizosphere environment. Moreover, the nutrient balance of the soil was clarified. The silicic acid balance was negative in all cultivation. Silicic acidwas effective for improvement of rice quality under highair temperature. Besides, this paper showed the measures
to promote the aerobic decomposition of rice straw derived
from cultivation of high-yield rice varieties. Finally, thispaper proposed that the way of “soil-making” is not limited to the application of soil amendments and soil-making
fertilizers, but also comprehensive management including
the machine work for the purpose of improving the rhizosphere environment.
Key Words : plowing, rhizosphere environment, nutrientbalance, high air temperature, high quality rice

1. はじめに
我が国の水稲栽培においては，担い手への農地集積や作業の効率化，低コスト化を目指し，大区画水田の整備が進められている．2016 年における 30 a 以上の区画に整備済みの圃場は 157 万 ha と全体の 64.7 % を，50 a 以上の大区画に整備済みの圃場は 24 万 ha と全体の 9.9 % を占めている（農林水産省, 2018）．また ，トラクターなどの作業機械の大型化も進み，作業能率は飛躍的に向上した．栽培面では，主食用米の消費量が減少する中，米を家畜の飼料とする多収の飼料用米や米の他，葉や茎も密封して発酵させ，粗飼料として利用する稲 WCS（ホールクロップサイレージ）など多様な水稲栽培が各地において展開されている．
1 Faculty of Bioresource Science, Akita Prefectural University, 241-438
Aza Kaidobata-Nishi, Shimoshinjo-Nakano, Akita 010-0195, Japan. Corresponding author:金田吉弘，秋田県立大学生物資源科学部．
2018 年 12 月 26 日受稿 2019 年 2 月 17 日受理

一方，水稲栽培に大きく影響する気象についてみると，我が国では夏期の気温が上昇傾向にあり，1994 年以降，１等米比率は低下傾向にあることが認められている（河津ら, 2007）．登熟期の高温による品質低下の要因には，
乳白粒，背白粒などの白未熟粒があげられる（長戸 · 江
幡, 1965）．また，これまで登熟後期における玄米の吸水や乾燥により生じるとされてきた胴割れ粒についても，出穂後 10 日間の最高気温が高いほど発生が多くなることが報告されている（長田ら, 2004)．ここでは，機械の大型化や多様な栽培方式が展開する生産現場において，変動気象条件の下でも水稲の持続的な安定生産を可能にする土壌の役割と今後の対応について述べる．

2. 近年の大型機械化農業における根圏環境と今後の対応
2.1 機械作業の違いが作土の土壌物理性に及ぼす影響
1951 年にわずか 70 台であった我が国のトラクター
は，2000 年代には 200 万台と急激に増加し，より大型化している（藤原, 2017）．トラクターの利用により，かつて家畜を利用していた耕起作業の能率は飛躍的に向上した．農林水産省の統計によれば，1960 年の水稲栽培での直接労働時間は１ ha 当たり 1739 時間であったのに対して，2015 年は 230 時間と，この 55 年間で約 1500 時間も短縮された（農林水産省, 2017）．しかし，この大型機
械作業は根圏環境に影響を及ぼすことが知られている．
本来，耕起作業は，表土と下層土を反転させる耕起と耕起された土壌を細かく砕く砕土の 2 行程からなる．
Fig. 1 に示すように，反転と砕土の 2 行程の耕起作業後の作土は，表層土のみが細かくなり下層には大土塊が存在する．一方，現在では，耕起，砕土ともトラクター駆動のロータリにより行うのが一般的である．しかし，過度なロータリ作業は，作土を細粒化し田面水の縦浸透を低下させやすい．また，トラクターの走行によって踏圧が繰り返されると作土直下の耕盤層が硬くなり，透水性を低下させる場合も多い．さらに，耕起深についても，佐賀県
における調査の結果から土壌タイプによって収量への影響が異なることが報告されている．すなわち，600 g m−2以上の収量を確保した水田の耕起深は粘土質で 10 ∼14 cm，壌土質で 14 ∼ 16 cm，砂質では 16 cm 以上と粗粒タイプの土壌ほど深い耕起深での事例が多かった（吉野, 1986）．この結果は，根圏環境を良好に維持するため

42

土壌の物理性

第 141 号

(2019)

Fig. 1 反転 · 砕土と耕起 · 砕土後の土壌イメージ．
Schematic image of soil after upside down plowing and harrowing or plowing and harrowing.

には，土壌タイプに応じた適正な耕起深を確保する必要があることを示している．

品質に及ぼす影響を検討した（金田ら, 2012）．対照は，代かきを行った慣行水田である．高温区には，出穂期から成熟期までビニールハウスを設置した．出穂期から成熟期の日平均気温は，常温区 23.3 ◦ C，高温区 25.2 ◦ C であった．

次に，代かき作業は，土壌を泥状化することにより漏水を防止するとともに有機物の分解による窒素の無機化と土壌の還元化を促進する．窒素の無機化が促進すると水稲の生育にとっては有利になるものの土壌は還元的になりやすい．特に，ロータリ耕により腐熟が進まない稲わらを作土にすき込む栽培では土壌還元の進行は早い．
還元が過度に進行した場合には根腐れなどの生理的障害が発生し，水稲にとっては悪影響を及ぼすことになる．
そのため，粘土の多少など土壌の特性を踏まえて代かきの回数や深さなどを判断する必要がある．

の水稲根は，代かき水田に比べて下層まで多く分布し根活性も高く，下葉の枯れ上がりも少なかった．

我が国では，1949 年から 1968 年までの 20 年間，米作日本一表彰事業が実施され，延べ約 40 万戸の農家が参加し多収穫を競った記録が残されている（朝日新聞社農業賞事務局, 1971）．例えば，1959 年に 959 g m−2 で日本一を受賞した秋田県の加藤金吉氏は，代かきは上層を泥状に下層は粒状になるように意識して作業したことが記載されている．また，多収穫土壌を調査した結果，多収穫土壌は低湿地ではなく，むしろ畑土に近く肥沃でありながら酸化的であることが明らかにされている（本谷,1989）．これらの記録からは，かつての多収穫農家は，作
土を土層と見なし，作土の表層と次層を意識しながら作業を行っていることがわかる．現代の大型機械作業においても，作業の効率性とともにかつてのように根圏環境を重視した作業が求められる．

登熟期における代かき水田高温区における気孔コンダ
クタンスは最も低かったのに対して，無代かき水田の高温区は代かき水田の高温区より明らかに高くなり両水田の常温区と有意な違いは認められなかった．また，代かき水田高温区の穂温は他区に比べて最も高かったのに対して無代かき水田の高温区では低く，代かき水田の常温区と有意な違いは認められなかった．無代かき水田の高温区における乳白粒の発生率は 1.2 % であり，代かき水田の 5.4 % に比べて有意に低下した．このことは，土壌が酸化的で酸素が多く含まれ，根活性が高く維持されている根圏環境を有する水田では，高温下でも品質低下が軽減されることを示している．以上は無代かき栽培での事例であるが，慣行栽培においても耕起深や代かき程度などを考慮することで同様な効果が期待できる．

2.2 耕起方法の改善による品質向上
乾田タイプの水田では 15 cm 程度耕起することにより
作土深 10 cm 以下に分布する根量が増え，収量が増加するとともに背白 · 基白粒などの発生軽減による玄米品質の向上が報告されている（山口, 2006）．このように乾田

2.3 品質向上に及ぼす地下灌漑システム （FOEAS）の効果

タイプでは，比較的酸素が供給されやすいことから根域確保を優先する必要があり，作土深 15 cm を目標とした耕起が必要になる．
一方，土性が CL，LiC，HC 等の細粒質の水田は透水性が低く，酸素の供給が少ないことから，過剰な代かきによる土壌還元の進行を避けることが重要である．筆者らは，2010 年に強粘質細粒強グライ土水田の作土（15 cm）
を水田プラウで反転し，作土の上層（5 cm）を砕土した
後に移植した無代かき水田において登熟期の高温が外観

無代かき水田は作土下部に大きな土塊が存在し，深さ5 cm 程度の上部だけが細かに砕土されていた．一方，代かき水田は代かきにより作土全体が泥状であった（Fig.
2）．また，無代かき水田は代かき水田に比べて，土壌は酸化的に推移していた．Fig. 3 のように，無代かき水田

近年開発された地下水位制御システム「Farm Oriented
Enhancing Aquatic System」（以下，FOEAS）は，暗渠排水による地下排水機能と地下灌漑の両方の機能を備えており，短時間の水位上昇と排水が可能になることが特長である（藤森, 2007）．ここでは，登熟期にビニールハウ
スにより高温条件を設定した FOEAS 導入水田における水稲の外観品質（金田ら, 2018）について紹介する．土壌は，田川統に属する粘土含量が 50 % 程度の強粘質細粒
強グライ土である．登熟期間全体における高温区の平均
気温は，2015 年，2016 年それぞれ 24.9 ∼ 25.2 ◦ C，26.2∼ 26.5 ◦ C の範囲にあり，常温区に比べて 3.4 ∼ 3.5 ◦ C，
3.1 ∼ 3.5 ◦ C 上昇した．登熟期における作土と下層土に

解説：近年における水田土壌の変化と持続的水稲生産に向けた対応

Fig. 2 移植時の代かき水田と無代かき水田．
Surface of paddy fields with puddling or non-puddling at thetransplantation.

43

重粘土大区画水田の生産現場では，大型機械による収穫作業が優先される場合が多く，適切な水管理を実施できない事例が多く見られるが，FOEAS 水田では登熟期に地下灌漑を行っても田面の貫入抵抗値はコンバイン走行が可能とされる値を確保した．このことは，湛水により表層が軟弱になりやすい重粘土水田においても，地下灌漑により根圏の土壌水分環境が改善されることにより，高温気象下における安定生産が可能になることを示唆している．

3. 多様な水稲栽培での養分収支と今後の対応
3.1 多様な水稲栽培での養分収支多収を目指す飼料用米と稲 WCS では，それぞれ多量の稲わらをすき込むことや稲わらの全量を持ち出すことが特徴である．生産現場では，①多収栽培や稲わらの全量持ち出しによる地力の低下，②多量の稲わらをすき込んだ水田での翌年の水稲への影響が課題となる．そのため，主食用米や飼料用米，稲 WCS の栽培に伴う養分収支や土壌管理が重要となる．

Fig. 3 成熟期における代かきと無代かき水稲．
Rice plants of puddling and non-puddling paddy fields at thematuring stage.

伸張した水稲根による出液速度についてみると，FOEAS
水田における作土由来の出液速度は慣行水田とほぼ同等であった．また，FOEAS 水田における深さ 12 cm 以下の下層土に伸張した水稲根による出液速度は，慣行水田に比べて有意に増加した．その結果，FOEAS 水田の全出液速度は慣行水田に比べて有意に増加した．また，高温区の穂温は，両水田とも常温区に比べて上昇したが，FOEAS 水田高温区における穂温は，両年とも慣行水田高
温区に比べて有意に低下した．FOEAS 水田において穂温が低下した理由としては，慣行水田に比べて下層土の土壌水分が維持されたことから，出液速度が上昇し穂の蒸散量が増加したことが推察された．FOEAS 水田高温区における胴割れ粒，乳白粒，基白粒の発生率は，それぞれ 2.1 %，3.7 %，1.3 % であり，慣行水田高温区の 7.0 %，5.5 %，2.3 % に比べて有意に減少した．また，常温区においても FOEAS 水田では胴割れ粒，乳白粒の発生率は，それぞれ 0.1 %，0.4 % であり，慣行水田の 0.8 %，0.5 %に比べて低かった．さらに，FOEAS 水田の登熟歩合，千粒重は慣行水田に比べて高まり増収した．FOEAS 水田の品質や収量が優った要因としては，慣行水田に比べて登熟期の水分吸収量が優ったことにより，高温下でも葉身の光合成能や糖の転流機能が高く維持されていたことが考えられた．

水田への養分は，肥料と前年の稲わらの他，雨水，灌漑水から供給される．一方，支出は稲体による吸収，田面水
や浸透水からの流出がある．また，窒素については，窒素固定による供給と脱窒による流出がある．これまでの知見（関矢, 1996）や筆者のデータをもとに主食用米と飼料
用米，稲 WCS を想定した水稲栽培での養分収支を Table
1 に示した．主食用米の収量を 550 g m−2 とすると，窒素は 17.02 g m−2 の供給に対して支出は 15.75 g m−2となり，収支は 1.27 g m−2 のプラスとなる．また，飼料用米の収量を 700 g m−2 とすると，主食用米に比べて減少するが収支は 0.34 g m−2 のプラスになる．一方，稲わらの全量を持ち出す稲 WCS の窒素収支は 5.21 g m−2のマイナスになる．同様に，主食用米のリン酸収支は1.09 g m−2 ，飼料用米は 0.24 g m−2 のプラス，稲 WCS
では 1.71 g m−2 のマイナスとなる．カリ収支は，主食用
米 1.91 g m−2 ，飼料米 1.36 g m−2 のプラス，稲 WCS では 12.71 g m−2 のマイナスとなる．ケイ酸においては，いずれの栽培でも収支はマイナスとなり，特に，稲 WCS
では 109.5 g m−2 と大幅なマイナスとなる．このように，多収を目指す飼料米では主食用米に比べて，窒素，リン酸，カリの各収支はプラスに維持されるものの，土壌残存量は減少しやすい傾向にある．また，稲 WCS では，
圃場に稲わらの還元がなく，土壌中の窒素，リン酸，カリが不足し，長期の継続は地力低下をもたらすことが懸念される．したがって，飼料用米や稲 WCS では，耕畜連携などによる有機物施用が必要となる．さらに，ケイ酸は，いずれの栽培でも収支はマイナスになることから，土壌の可給態ケイ酸量の変化に注目する必要がある．

3.2 土壌の可給態ケイ酸の変化とその要因
我が国では，水稲に対するケイ酸の効果に関する多くの知見がある．例えば，耐倒伏性の向上，水稲葉身の光合成促進（間藤ら, 1991），食味に大きな影響を及ぼす米
粒中タンパク含有量の改善（宮森, 1996; 藤井, 2002）の他，苗いもち病の発病抑制効果（早坂ら, 2000; 前川ら,

土壌の物理性

44

第 141 号

2002; Hayasaka et al., 2005），本田での葉いもち病や穂いもち病などの耐病性強化（竹内, 1997）やカメムシによる斑点米被害の軽減（安田 · 永田, 2005）などが報告されている．また，気象変動に対するケイ酸の効果については，日照不足条件における収量向上に対する効果（藤井ら, 2008），冷温による不稔発生軽減効果（後藤ら, 2005;
後藤, 2007），台風による潮風害軽減効果（金田ら, 2006;
森ら, 2009a; 森ら, 2009b），登熟期の高温条件における増収効果や品質低下の抑制効果（森 · 藤井, 2013）などが明らかにされている．水稲が吸収するケイ酸は窒素の約10 倍と多く，約 70 % は土壌からの吸収であり，農業用
水からの供給量も多い．そのため，土壌の可給態ケイ酸
および農業用水からのケイ酸供給は水稲の収量や品質向上にとって大きな役割を果たす．
これまで，各地において土壌の可給態ケイ酸の変化が解析され，北海道（後藤ら, 2003），岩手県（高橋ら,2003），山形県（長沢ら, 2006），宮城県（若嶋ら, 2010），
福井県（伊森ら, 2002），兵庫県（青山 · 津高, 2003），広島県（谷本 · 上原, 2003），長崎県（井上ら, 1999）などでは，近年減少していることが報告されている．その要因としては，ケイ酸質肥料の施用量が減少したことを指摘している事例が多い．
農業用水については，山形県内においてケイ酸濃度を調査した結果，1996 年におけるケイ酸の県平均値は1956 年を 100 とすると 35 ∼ 52 % の値であり，農業用
水中のケイ酸量は減少していることが明らかにされている（熊谷ら, 1998）．その要因として，酸性河川の改良とダムやコンクリート水路の増加，貯水池の減少などに伴い農業用水の pH が高まったことなどが推定されている．
さらに，近年の農業機械の大型化による圧密化は日減水
深を 10 mm 以下まで下げ，灌漑水量そのものが減少し(2019)ていることが指摘されている（三枝, 2013）．松森 · 郡司
掛（2013）は，水稲のケイ酸吸収に対しては土壌の可給態ケイ酸が大きく寄与すること，可給態ケイ酸の少ない
土壌では灌漑水由来のケイ酸の利用率が高まることを報告している．以上のことから，近年における水稲栽培では，土壌や農業用水からのケイ酸供給量は減少傾向にあり，水稲のケイ酸吸収量への影響が懸念される．

3.3 品質向上に及ぼすケイ酸の効果
これまで，水稲のケイ酸吸収量は水温が低すぎたり高すぎたりした場合，リン酸やカリ以上に低下することが知られている．すなわち，水温が 29 ∼ 32 ◦ C の適温区に対して，24 ∼ 25 ◦ C の低温区，37 ∼ 39 ◦ C の高温区のケイ酸吸収量はそれぞれ 40 %，30 % 程度減少することが示されている（高橋, 2007）．そのため，高温気象条
件は水稲のケイ酸吸収に影響を及ぼすと考えられる．こ
こでは，屋外型人工気象室において穂揃期から成熟期まで高温条件（気温 8:00 ∼ 18:00 : 32 ◦ C，18:00 ∼ 8:00 :24 ◦ C）と常温条件（気温 8:00 ∼ 18:00 : 28 ◦ C，18:00 ∼8:00 : 20 ◦ C）を設定してポット試験を行った結果から，
高温条件下におけるケイ酸施用の効果を述べる（金田ら,2010）．高温条件における葉温の推移を比較すると，ケ
イ酸施用区では無施用区に比べて低く推移した．ケイ酸
施用区では高温条件でも水稲根の活性が高く維持された．さらに，高温条件におけるケイ酸施用区の気孔コン
ダクタンスは無施用区に比べて高く推移した．
これまで，軽微な水分ストレスでも登熟を一時的に停滞させ，玄米の肥大に影響を及ぼすことが述べられている（井上 · 山口, 2007）．それに関連して，稲体からの蒸散に関しては，以下のような知見がある．平沢ら（1987）
は，水稲は吸水が蒸散に追いつかず葉身の水ポテンシャ
ルが低下すると，気孔を閉じて蒸散を抑制することを報

Table 1 各栽培における養分収支．
Nutrient balances in various cultivation.
N (g m−2 ）（関矢：1996 年を基に作成）

P2 O5 (g m−2 ）K2 O (g m−2 ）SiO2 (g m−2 ）主食用米 飼料用米 稲 WCS 主食用米 飼料用米 稲 WCS 主食用米 飼料用米 稲 WCS 主食用米 飼料用米 稲 WCS

550
700
700
550
700
700
550
700
700
550
700
700
−2
−2
−2
−2
−2
−2
−2
−2
−2
−2
−2
(g m ） (g m ）(g m ）(g m ） (g m ）(g m ）(g m ） (g m ）(g m ）(g m ） (g m ）(g m−2 ）
インプット
灌漑水

窒素固定

0.48
9.00
4.20
1.34
2.00

0.48
11.00
5.55
1.34
2.00

0.48
11.00
×
1.34
2.00

0.03
5.00
1.22
0.27
–

0.03
5.00
1.95
0.27
–

0.03
5.00
×
0.27
–

2.79
5.00
11.71
0.34
–

2.79
5.00
14.07
0.34
–

2.79
5.00
×
0.34
–

30.5
–
70
–
–

30.5
–
77
–
–

30.5
–
×
–
–

計

17.02

20.37

14.82

6.52

7.25

5.30

19.84

22.20

8.13

100.5

107.5

30.5

0.53
浸透水
1.50
稲体（籾 + わら） 11.02
脱窒
2.70

0.53
1.50
14.70
3.30

0.53
1.50
14.70
3.30

0.06
0.15
5.22
–

0.06
0.15
6.80
–

0.06
0.15
6.80
–

0.44
3.75
13.74
–

0.44
3.75
16.65
–

0.44
3.75
16.65
–

–
30
100
–

–
30
110
–

–
30
110
–

20.84

130

140

140

肥料
稲わら
雨水

アウトプット
田面水

計

15.75

20.03

20.03

5.43

7.01

7.01

17.93

20.84

収支（in–out）

+1.27

+0.34

−5.21

+1.09

+0.24

−1.71

+1.91

+1.36 −12.71 −29.5−32.5 −109.5

解説：近年における水田土壌の変化と持続的水稲生産に向けた対応
告している．間藤ら（1991）は，ケイ酸を多く含む葉身では，気孔以外からの蒸散が少ないため，葉身の水ポテ
ンシャルを維持することで気孔開度を高く保つことが可能であることを明らかにしている．藤井（2002）は，ケ
イ酸含有率の高い水稲では葉身中の水分量が多く保持され，気孔の開放程度が大きく，二酸化炭素の取込みが抑制されないことにより，止葉のみかけの光合成速度は日中高く維持されることを報告している．このことは，ケイ酸施用による稲体ケイ酸濃度の増加は，葉身の水分を維持することに有効であり気孔コンダクタンスの上昇に効果を及ぼしたことを示唆している．
次に，外観品質への影響についてみると乳白米の発生率は，常温に比べて高温条件で増加するものの，ケイ酸
施用区では 4.9 % と無施用区の 7.7 % に比べると有意に低下した．森 · 藤井（2013）は，出穂 1 ∼ 6 日に高温条件を設定したポット試験により，高温条件では常温条件に比べて品質（整粒歩合）は低下したが，ケイ酸施用により低下程度は軽減されたことを報告している．以上のことから，高温条件のケイ酸施用区において外観品質の低下が抑制された理由として，水稲根の活性が高く維持され水分吸収が旺盛となり，葉温の上昇も少なく葉身の光合成能力が高く維持されたことが推察された．一方，生産現場において重要なことは，ケイ酸資材 · 肥料を施用しても圃場管理が不適切だとケイ酸吸収が抑制されやすいことである．そのため，以下のような管理が求められる．①前年収穫後，浅い明渠により田面停滞水を排除
し，土壌の乾燥を進める，②稲わらが多量に分布している地点では，異常還元による根腐れが発生しやすくなる
ことから，田面の稲わらは秋の降雪前に均一にする，③
土壌の異常還元を進行させないために，適期に中干しを実施する，④ケイ酸吸収が始まる幼穂形成期以降の土壌の過乾燥はケイ酸吸収を抑制するので間断灌漑などを実施する，⑤間断灌漑は，登熟期（出穂 35 日後）まで継続する．
将来的に，地球規模で大気中の CO2 濃度が上昇することが想定される．東北農業研究センターの開放系大気CO2 増加（FACE）実験の結果，大気中の CO2 濃度が上昇すると水稲では気孔閉鎖が起こり，蒸散が減少する
ことにより稲体のケイ酸含量が低下し，葉いもちに罹病しやすくなったことが報告されている（Kobayashi et al.,2006）．このことから，温暖化の進行により，これまで
以上に水稲におけるケイ酸の重要性が増すことが予測される．

3.4 多収栽培における有機物管理
飼料用米の多収栽培では，主食用米の栽培に比べて収穫後の稲わら量が増加する．多量の稲わらがすき込まれた水田は，微生物の分解で土中が酸欠状態になりやすく，還元障害が発生しやすい．特に，排水性が低い灰色低地
土およびグライ土水田を中心に，多量の稲わらすき込み
は水稲の生育に悪影響を及ぼすことが知られている．そのため，収穫後の田面排水を徹底するとともに，翌年の移植時までに稲わらの分解を進めることが重要になる．
これまで，収穫後の稲わらを秋に耕起して土壌に混和す
ると地表面散布に比べて分解が進むことが報告されてい45

る（三浦, 2003; 後藤ら, 2004; 塩野ら, 2016）．また，積雪の多い寒冷地では秋浅耕（耕深 5 ∼ 8cm）が秋通常耕（耕深 18 ∼ 20cm）に比べて土壌水分が低く推移し翌年の水稲生育改善効果が高いことが示されている（塩野ら,2016）．さらに，稲わらの秋散布時に窒素肥料を添加することで稲わらの分解が促進されることが明らかにされている（三浦, 2003; 後藤ら, 2004）．窒素肥料による稲わらの分解促進については，石灰窒素添加による秋混和が最も効果が高いが，秋に石灰窒素を土壌表面に散布するだけでも稲わらの分解が促進された（千葉ら, 1980）．
重窒素を含む肥料により，稲わらの分解促進のために前年の秋に施用した肥料由来窒素の分配率が検討された．
その結果，石灰窒素は硫安に比べて翌年の水稲吸収率が高く，土壌残存割合も多いことから稲わらの分解に伴う土壌微生物への窒素の取り込みが促進され地力維持効果が高いことが明らかになった（Takakai et al., 2018）さらに，稲わらの分解促進は，土壌ケイ酸の溶出を増加させることが報告されており（高橋, 2007），窒素のみならず
水稲のケイ酸吸収を増加させる効果も期待できる．

4. 今後の土づくりに向けて
気象変動下において大型機械作業により良食味 · 高品
質米の持続的生産を実現するための土壌要因を Fig. 4 に示した．稲体栄養を維持する養分の他，大型機械作業を支える適正な硬さや排水性を高める土壌構造，水稲根活性を持続させる酸素保持などが期待される土壌要因となる．それにより，ケイ酸吸収量が増加すると病害 · 風害 ·高温に対する抵抗性が向上する．適正な可給態ケイ酸とともに水稲の窒素吸収に有効な可給態窒素は，ケイ酸吸収量の増加や葉身窒素濃度の維持により光合成能力を持続するために重要である．また，土壌構造が形成され適
正な耕盤硬度を保つことが重要である．耕盤硬度としては，山中式硬度計値で 15 ∼ 20 mm，貫入抵抗値で 0.5 ∼1.5 MPa が望ましい．さらに，透水性が良好で異常還元がない根圏環境は，根量を増加させ根活性が向上する．
そのため，初期生育が良好となり適正な籾数を確保しやすくなる．登熟期においても水分吸収が持続し穂温の上昇が抑制されることにより，籾への転流が促進されるとともに籾のデンプン合成能力が高まる．このように，ケイ酸や窒素などの養分が適正に保持されていること，良好な透水性により異常還元の発生がみられない物理的要件の両方が維持された根圏環境を有する水田において，高温気象下での良食味 · 高品質米の持続的生産が実現する．加えて，地下灌漑のような新たな水管理システムを導入することにより，地耐力を維持しながら生育後期までの水分供給が可能になり，品質が向上する．
土壌中のケイ酸や窒素さらにその吸収を支える根圏
環境を良好にするには土づくりが欠かせない．土づくり
は，単に土壌改良資材や土づくり肥料の施用に限定されたものではなく，根圏環境改善を目的とした機械作業も含む総合管理である．今後は，経営的評価を踏まえながら，作物の持続的安定生産を支える基本技術として土づくりの全国的な展開を期待したい．

土壌の物理性

46

第 141 号

(2019)

Fig. 4 良食味 · 高品質米の持続的生産を支える土壌要因．
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48

土壌の物理性

第 141 号要(2019)

旨

近年，我が国の水稲栽培においては，大区画圃場整備や機械の大型化が進んでいる．また，主食用米の他，多収を目指す飼料用米など多様な水稲栽培が展開されている．一方，夏期の気温が上昇傾向にあり，品質への影響が大きい．本報告では，耕起方法の改善や地下灌漑システム（FOEAS）により，根圏環境が良好になるため，高温下において品質の低下が軽減されることを示した．また，土壌の養分収支を明らかにした．ケイ酸収支は，すべての栽培においてもマイナスであった．ケイ酸は高温下において品質向上に有効であった．次に，多収栽培における稲わらの腐熟促進方策を示した．最後に，土づくりは，
単に土壌改良資材や土づくり肥料の施用に限定されたものではなく，根圏環境改善を目的とした機械作業も含む総合管理であることを提案した．
キーワード：耕起，根圏環境，養分収支，高温，高品質シンポジウム特集

J. Jpn. Soc. Soil Phys.

ゎࠉㄝ

土壌の物理性LecturesNo. 141 p.49 ∼ 55 (2019)

直接分析から土壌や堆積物の微生物 – 元素 – 鉱物相互作用を観察する
光延

聖1

Direct observation of microbe-element-mineral interaction in soils and sediments
Satoshi MITSUNOBU1

1. はじめに肥沃な土壌 1 グラムには数千種，数億個の微生物（バクテリア，アーキア，真菌など）が存在しているといわれる（西尾, 1989 など）．これらの微生物は動物にはな
い多様な代謝反応を駆使することで，有機物分解の機能や環境保全能を土壌システムに発現させている．微生物
は酵素反応で反応を進行させるため，反応速度が無機的な反応と比べてきわめて大きい．このため微生物は土壌中で起きる物質循環へ大きな影響を与えると考えられている．例えば，微生物による鉄（Fe）やマンガン（Mn）などの土壌主要金属の酸化反応速度は無菌状態の数十倍∼ 数万倍に達することが知られる（Olson, 1991; Vera etal., 2009）．また，微生物によって生成された二次鉱物
は，無機合成鉱物に比べて微小な粒径のナノ鉱物になりやすい．ナノ鉱物は高い物質吸着能をもち反応場として機能するため，様々な物質の環境動態に影響を与える鉱物となり得る（Hochella et al., 2008）．
しかし，環境微生物の大半は難培養性であり，また微
生物自体のサイズが数 µ m 程度と小さく，直接観察が難しい点から，土壌や堆積物など表層環境における微生物，元素，鉱物間の相互作用には未解明な点が多い．土壌中では化学条件およびそれに呼応する微生物群集がマ
イクロスケールで変化するため，バルク試料の分析だけ
では，土壌中での微生物反応を解析することが難しい．
したがって，土壌における微生物 – 元素 – 鉱物相互作用を詳細に理解するためには，新しい in situ（原位置）微小領域観察法が必要とされる．

ベルまでビームを細くすることも可能である（Tsuji etal., 2012）．したがって，ビームを絞った X 線顕微鏡をうまく利用すれば，土壌のような複雑な組成をもつ試料であっても，または土壌濃度が数十 ppm と微量な元素であっても，標的とする（微生物 – ）元素 – 鉱物相互作
用を直接観察できる．放射光源 X 線を利用する X 線顕微鏡では，試料に照射する X 線のエネルギーをモノクロ
メーターによって自在に変えられるため，X 線吸収スペ
クトルである X 線吸収微細構造（XAFS）を得ることで，元素の化学状態を知ることができる．ここでいう化学状態とは，主として価数，配位環境，鉱物種を指す．XAFS
は，X 線吸収端近傍構造（XANES）と広域 X 線吸収微細構造（EXAFS）から構成される（Fig. 1a）．Fig. 1b の
XANES スペクトルに示すように元素の内殻電子が励起されるエネルギーは，酸化数（価数）が大きいと数 eV 高
くなるため，酸化数の違いによって収端エネルギーが異なる．内殻電子が励起されるとその電子を受け入れる空軌道，バンドの位置，電子密度が変化することに起因す
る．この現象を利用して，試料中の対象元素の酸化数を

我々はこれまで，放射光源 X 線を利用した X 線顕微鏡を用いて，高い空間分解能で元素の化学種を決定する手法を確立し，それを土壌や堆積物など環境試料に応用して研究を進めてきた（Mitsunobu et al., 2010; 2011など）．SPring-8 などの放射光施設では X 線管球方式に比べて数万 ∼ 百万倍も強い X 線が得られる．また得られた X 線をミラーなどで集光することで，µ m ∼ nm レ
1 Graduate School of Agriculture, Ehime University. Corresponding author: 光延 聖，愛媛大学大学院農学研究科．
2019 年 1 月 28 日受稿 2019 年 2 月 25 日受理

Fig. 1 （a）XAFS スペクトル, （b）XANES スペクトル,（c）EXAFS スペクトル,（d）フーリエ変換後の動径構造関数.

50

土壌の物理性

第 141 号

定量的に決定することが可能である．また，EXAFS 領
域の解析から，価数だけでなく X 線を吸収した原子の電子構造，対象原子に配位する隣接原子の配置に関する情報も得ることができる（Fig. 1d）．EXAFS 領域の振動
は，吸収原子から放出された内殻電子が隣接原子により散乱され X 線吸収係数が変化することで形成される．し
たがって，対象原子に隣接する原子の種類，配位数，原子間距離の情報が得られるため，EXAFS を解析することで土壌中において対象元素が取り込まれているホスト
鉱物相や吸着状態（内圏 / 外圏）などを推定することが可能となる（Mitsunobu et al., 2006 など）．
また，X 線顕微鏡を利用した局所 XAFS 分析だけでな
く，微生物の遺伝子可視化法や機能遺伝子定量法などの分子生物学的手法も併用することで，土壌中に存在する
微生物の種類をマイクロスケールで決定することが可能となる．これらの情報を組み合わせることで，土壌中で微生物が何をしているのか（どのような反応に関与しているのか）に迫ることができると考えている．本記事では，最近の我々の研究成果 2 つを紹介しながら，直接観察に基づいて土壌中の微生物 – 元素 – 鉱物相互作用を解き明かす試みについて解説させていただく．

(2019)

鉄酸化バクテリアが生成する鉱物の特徴を明らかにすることを試みた．鉱物中の Fe の配位環境の情報を得ることができる EXAFS スペクトルおよびその解析結果をFig. 4b と Table 1 にそれぞれ示す．無機的に合成した水
酸化鉄鉱物の EXAFS スペクトルと比較すると，微生物
由来の水酸化鉄鉱物のスペクトルには k = 7 − 8 Å 付近にピークが観察されず Fe 配位環境が異なることを示す．
EXAFS から Fe 配位環境を定量解析した結果，バクテ
リアによって生成された水酸化鉄鉱物の構造は，結合距
離 3.1 Å の Fe-Fe1 結合（edge-sharing）を有する Fe-O6八面体から主に構成されおり，無機合成水酸化鉄鉱物に通常観察される結合距離 3.4 Å の Fe-Fe2 結合（cornersharing）を有する Fe-O6 八面体の割合はきわめて低い．
この特徴的な Fe 配位環境は，バクテリアによって生成された水酸化鉄鉱物が，無機合成物とは異なり平面的な構造によって構成されていることを示している．この知2. µ XAFS 法と FISH 法を組み合わせた環境
試料中のバイオミネラリゼーションの観察

まず，分子生物学的手法の 1 種である蛍光 in situ ハイ
ブリダイゼーション（FISH）法と X 線顕微鏡（マイクロX 線吸収微細構造法：µ XAFS 法）を組み合わせ，堆積物や土壌などの環境試料中において特定の微生物反応を高いマイクロスケールで観察する新規手法（Mitsunobu
et al., 2012）について紹介する．
筆者らの研究では、この手法を土壌環境や堆積物環境
でよく観察される鉄酸化バクテリアによる生物鉱化作用（バイオミネラリゼーション）へ適用した．Fig. 2a は，対象とした鉄酸化物を多く含む温泉堆積物の写真であり，Fig. 2b-c は，堆積物の 16S rRNA 遺伝子解析に基づいたバクテリア群集解析結果を示している．堆積物中には，門レベルで β -proteobacteria が優先しており（Fig.
2b），その中では独立栄養性の鉄酸化バクテリアである
Gallionella 属が支配的であった（Fig. 2c）．次に，群集
解析 の結果を踏まえ，FISH 法を用いて薄切した堆積物
中の鉄酸化バクテリアの空間分布を調べることを試み
た．FISH 法の適用には，生息する微生物の遺伝子（本研究では rRNA）情報を壊さずに薄片を作成する必要がある．筆者らの研究では，生物学分野で使われる手法を応用し，rRNA を壊さず，かつ現場の堆積環境や化学状態も保持した薄片試料作成法を確立し，この堆積物にも適用した．Fig. 3 は，鉄酸化バクテリア（Gallionella 属）
のみを選択的に染色する核酸プローブをもちいて FISH
解析をおこなった結果を示している（Fig. 3a: 明視野像，Fig. 3b: FISH 像）．FISH 像である Fig. 3b に示すように，鉄堆積物において，ごく表面（5 – 10 µ m）に鉄酸化
細菌は濃集しており，微生物による鉄酸化反応は局在して存在することがわかった．
さらに，この鉄酸化バクテリア濃集領域の Fe の化学
状態分析を µ XAFS 法により解析し，同一試料分析からFig. 2 （a）堆積物鉄マットの写真, （b）16S リボソーマル
RNA 遺伝子解析に基づく温泉堆積物の微生物 （バクテリア）
群集解析（c）検出された鉄酸化バクテリア（Gallionella sp.）の系統樹. （Mitsunobu et al., 2012）．

解説：直接分析から土壌や堆積物の微生物 – 元素 – 鉱物相互作用を観察する

Fig. 3 （a）可視光観察による顕微鏡 （明視野）像,（b）蛍光観察による蛍光 in situ ハイブリダイゼーショ
ン （FISH）像．倍率 1000 倍での観察．鉄酸化バクテリアの細胞のみ蛍光色素 （黄色）で染色されている （Mitsunobu
et al., 2012）．

見は，鉄酸化微生物によるバイオミネラリゼーションのメカニズムを解明する上で重要な知見であり，また結晶構造が biotic/abiotic な鉱物生成を区別する指標として利用可能だと考えている．
ご紹介した研究は堆積物中のバイオミネラリゼーションに関するものであるが，この手法を土壌へ応用すれば，標的とする土壌微生物の空間分布と土壌元素の化学状態の分布をミクロスケールで直接決定することが可能とな
り，不明な点が多い土壌微生物 – 元素 – 鉱物相互作用を明らかにできると考えている．現在，この µ XAFS-FISH
法を応用して湛水時の水田土壌に形成される酸化還元境
界での微生物 – 有害元素 – 鉱物相互作用に対して研究を進めている．

3. µ XAFS 法と機能遺伝子解析法を組み合わせた水田における有害元素（ヒ素）– 元素 – 鉱物
相互作用の観察アジア稲作地域では水田土壌のヒ素（As）汚染が多数報告されており（Dittmar et al., 2007; Roberts et al., 2010;
Saha and Ali, 2007），水田における As 挙動の理解が重要な研究課題とされる．我々のグループでも水田土壌における As 挙動についてこれまで研究を進めてきた．最近では，µ XAFS 法と機能遺伝子解析法を組み合わせて，

51

Fig. 4 （a）FISH 像 （Fig. 3b の拡大図）, （b）鉄鉱物の標準
試料と堆積物試料 （バルク試料を含む）の Fe K 端 EXAFS ス
ペクトル． （Mitsunobu et al., 2012）．
Table 1 EXAFS シミュレーションの結果．
（CN：配位数, R：結合距離, ∆E0 ：EXAFS 振動の原点補正エ
ネルギー, σ ：温度因子）
sample

shell

CN

R(Å)

∆E0 (eV) σ 2 (Å2 )Fe-O1 3.0 ± 0.3 1.93 ± 0.01
2-lineFe-O2
6-N
2.07 ± 0.02
ferrihydrite Fe-Fe1 3.1 ± 0.3 3.04 ± 0.01
Fe-Fe2 1.3 ± 0.2 3.43 ± 0.01

−4.10
-

0.007
0.006
0.014
0.007

Fe-O1 3.5 ± 0.3 1.97 ± 0.01
Fe-O2
6-N
2.06 ± 0.02
Fe-Fe1 1.5 ± 0.2 3.05 ± 0.01

−4.47
-

0.009
0.006
0.011

spot 1

土壌中の As 化学種と As 関連微生物の局在性や空間的な相関解析に基づいて研究を進めており，その研究についてご紹介する．土壌中で As は無機体のヒ酸（As（V））と亜ヒ酸（As（III））として主に存在し，それぞれ水溶解性，移行挙動，さらには毒性も異なる（Yamaguchi etal., 2011; Yu et al., 2003）．また，水田土壌は湛水期に表層で酸化層と還元層に分化する特徴を有するため，これらの層では局所的に異なる反応が起きていると予想される．しかし，数 mm 程度の酸化層を詳細に観察すること
は，従来法では困難であり，これまで研究が進んでいない．そこで筆者らの研究では，µ XAFS 法，微小電極法，

52

土壌の物理性

第 141 号

Fig. 5 微小電極測定に基づく土壌中の酸化還元電位（Eh）の深度分布．電極径 （= 測定の空間分解能）は100 µ m．測定インターバルは 200 µ m．未発表データ．

深度別機能遺伝子解析を組み合わせ，土壌中の As の酸化還元反応およびその微生物影響を高い空間分解能で調
べ，微生物反応を含め水田土壌系における As 挙動を考察した．実験では，As に汚染された水田土壌を湛水環境
でインキュベーションすることで模擬的に水田環境を再現した．
湛水 10 日目以降，酸化還元電位の深度分布には深度
2 – 3 mm 付近に大きな低下が観察され，酸化還元境界が形成されたことが示唆された（Fig. 5a）．土壌間隙水中の As 濃度は湛水期間とともに増加したが，表面水中濃度は速やかに減少した（Fig. 6）．この溶存 As 濃度の相違は，何らかの As 吸着媒体が土壌表面に存在し，間隙水中の As が捕捉されたことを示唆する．実際に，土壌薄片の µ XRF 解析をおこない表層土壌中の元素分布をマイ
クロスケールで調べた結果，時間経過とともに数 mm の
土壌表面層に As が濃集する様子が観察され，土壌表面層が As の吸着バリアとして機能していることが示された（Fig. 7）．湛水 15 日目の As 濃集部における As と Feの分布には高い相関がみられた（相関係数 r = 0.60）．また，本稿ではデータを示さないが，Fe µ XAFS 分析から，
濃集部で Fe は As と親和性の高い水酸化鉄（III）鉱物として存在していることがわかっており，As が土壌表面層に含まれる水酸化鉄鉱物に取り込まれていることが推測される．この推測については，As 濃集部の As EXAFS(2019)

Fig. 6 （a）表面水 （土壌 – 水境界面より上層部）中の溶存元素濃度, （b）土壌間隙水中の溶存元素濃度．
土壌厚：約 8.5 cm，湛水深：約 5 cm．未発表データ．

解析からも調和的な結果が得られている．
As µ XANES に基づく As 酸化数の解析結果から，土壌深部では As（III）の割合が高いが，表層の As 濃集層
では全 As の約 80-90 % が As（V）であることが示唆され（Fig. 8），酸化的な表層土壌（3 mm 以浅）においてAs が酸化されていることを示す．As（V）は水酸化鉄鉱
物などの土壌鉱物と内圏型の強い吸着錯体を形成し，外圏型の吸着錯体を形成する As（III）よりも土壌固相へ取り込まれやすい（Tufano et al., 2008 など）．この As（V）の特異的性質は，As 濃集部で As（V）が支配的であることと調和的であり，表層部（As 濃集部）での As 酸化反応が As 濃集を促進するトリガーとなることを示唆する．
つまり，As は土壌深部で水溶解性の高い亜ヒ酸へ還元され上部へ拡散し，表面酸化層で鉱物親和性の高いヒ酸へ再度酸化されることで，土壌中に存在する水酸化鉄鉱物
によって収着除去されると考えられる．
さらに，この As 酸化反応の生物性 / 非生物性を考察するために，微生物由来の As 酸化酵素遺伝子（aioA）を
定量 PCR 法で土壌深度別に定量した．土壌中の aioA 遺伝子量を定量することで，As 酸化微生物の存在度を決定できる（Quemeneur et al., 2010）．顕著な As 濃集が観察された湛水 10 日目以降において，As 酸化酵素遺伝子濃度（=As 酸化微生物の割合）は As 濃集層の土壌表面で解説：直接分析から土壌や堆積物の微生物 – 元素 – 鉱物相互作用を観察する

Fig. 7µ XRF 分析による水田土壌薄片中の元素イメージング．未発表データ．

Fig. 8 （a）µ XAFS 分析による土壌深度別の As K 端 XANES スペクトル, （b）標準試料を用いた XANES の最小二乗フィッティング解析に基づく深度別 As（V）/Astotal 比．未発表データ．

53

土壌の物理性

54

第 141 号

(2019)

成をもつ試料であっても直接観察できるため，土壌中の微生物 – 元素 – 鉱物相互作用について新しい知見を得ることが期待される．紹介した µ XAFS 法以外にも，ナノスケールの超高空間分解能を有する透過型走査 X 線顕微鏡（STXM）が近年開発され，日本の放射光施設にも設置が進んでいる．STXM は約 50 nm の超高空間分解で局所 XAFS 分析をおこなうことができるため，微小な微生物を分析するのに魅力的な手法である（光延ら,2016）．今後も X 線顕微鏡の空間分解能の向上が見込まれ，X 線顕微鏡による微生物や土壌粒子の 1 細胞 / 粒子
分析が現実的に可能となる．X 線顕微鏡を駆使し，さらに紹介した分子生物学的手法の併用も進めながら，土壌における微生物の役割や機能を明らかにしていきたいと考えている．

謝辞

Fig. 9 定量 PCR （ポリメラーゼ連鎖反応）法による As（III）酸化酵素遺伝子 （aioA）遺伝子の深度別
存在度．16S rRNA 遺伝子量でノーマライズすることで，全バクテリアに占める As（III）酸化バクテリア

本解説をまとめるにあたり，多くの方からご助言をいただいた．X 線顕微鏡測定では高エネルギー加速器研究機構 BL4A および SPring-8 BL37XU のビームラインサ
イエンティストの方々にご協力をいただいた．なおデー
タの一部は科学研究費助成金課題（課題 25610164）の支援によって取得した．ここに記して謝意を表す．

引用文献の相対量を示す．未発表データ．

Dittmar, J., Voegelin, A., Roberts, L.C., Hug, S.J., Saha, G.C.,

最も高い値を示し，土壌深度が深くなるにつれて減少した（Fig. 9）．As（V）が多く観察された表層の As 濃集部では，As 酸化微生物の存在割合も増加しており，表面酸化層における As の酸化反応，さらに As 酸化反応によって促進される As 濃集現象には微生物反応が寄与している可能性が高いことが示唆された．
筆者らの研究は，厚さ数 mm の土壌表面層が As 溶出をせき止める吸着バリアとして機能することを示しており，土壌全体の As 挙動における表面層の重要性だけでなく，土壌システムに備わる高い As 浄化能を示す興味深い結果といえる．µ XAFS 法を利用した土壌中の元素
化学種の局所分析に加えて，微生物由来の As 酸化酵素
遺伝子解析による As 関連微生物の深度別解析を組み合わせることで，これまで未解明な点が多い土壌中の酸化
還元境界層における微生物 – 元素 – 鉱物相互作用を分子レベルの情報に基づき理解できる．

Ali, M.A., Badruzzaman, A.B.M. and Kretzschmar, R. (2007):
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4. おわりにFe(III) (oxyhydr)oxides characterized by synchrotron microprobe coupled with spatially-resolved phylogenetic analy-

以上のように，放射光源 X 線顕微鏡を土壌や堆積物
試料へ応用した 2 つの研究例を紹介した．X 線顕微鏡（µ XAFS）は，非破壊分析，高い空間分解能，高い元素選択性によって，元素の化学状態（酸化数，鉱物種，配位環境など）を決定できるという他手法にはない優れた利点をもつ．土壌は固相だけみても大小さまざまな無機
物，有機物，微生物等から構成されており，複雑な組成をもつ．X 線顕微鏡を利用すれば，そのような複雑な組

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解説：直接分析から土壌や堆積物の微生物 – 元素 – 鉱物相互作用を観察する

55

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要旨

微生物は土壌や堆積物などの表層環境に普遍的に存在しており，様々な物質の環境動態に影響を与えている．環境微生物の大半は難培養性であり，また微生物自体のサイズが微小で直接観察が難しいことな
どから，土壌など表層環境における微生物，元素，鉱物間の相互作用には未解明な点が多い．そのため，土壌における微生物 – 元素 – 鉱物相互作用を詳細に理解するためには，新しい in situ（原位置）微小領域観察法が必要とされる．本稿では，最近の我々の研究成果を紹介しながら，マイクロスケールの高い空間分解能で元素化学種の決定が可能な X 線顕微鏡（マイクロ X 線吸収微細構造法），遺伝子可視化法
や微小電極法などを組み合わせ，土壌中の微生物 – 元素 – 鉱物反応を直接観察に基づいて解き明かす試
みについて解説する．
キーワード：X 線顕微鏡，微生物，XAFS

バイアル瓶脱気装置セット（アクリル製）
EN-1004

特徴・100mLまでのバイアル瓶を素早く容易に減圧状態にする事ができます（例：15mLバイアル瓶だと、約30本を同時に処理できます）
・消耗品はほとんど無く、破損時も部品交換ができます
セット内容
・バイアル瓶脱気装置本体（真空ゲージ・ミニボールバルブ×2付）
・真空ポンプセット（真空ホース・オイル・オイルミストトラップ付）

ディスクパーミアメーター（負圧浸入計）
EN-2002
ディスクパーミアメーターは、土壌表面に負圧をかけ、フィールドの浸入現象を明らかにする装置です。測定原理に忠実に、持ち運びが容易で安価な製品を提供します。
ディスクパーミアメーターの特長
・亀裂の影響のない浸入現象を測定できる
・短時間、少量の水で測定が終わる
・飽和近くの不飽和透水係数が予測できる製造・販売元（有）エンドウ理化〒001-0910 北海道札幌市北区新琴似10条7丁目3-16☎（011）763-1088
FAX (011) 763-1667
Mail：endo-rika@mb.infosnow.ne.jp

シンポジウム特集

J. Jpn. Soc. Soil Phys.

ゎࠉㄝ

土壌の物理性LecturesNo. 141 p.57 ∼ 63 (2019)

植物共生科学から考える農耕地生態系の物質循環と持続的農業
池田成志 1

Geochemical cycles and sustainability of agricultural ecosystems
from a view point of plant microbiology
Seishi IKEDA1

Abstract: Diverse microorganisms are living as endophytes in plant tissues and as epiphytes on plant surfaces
in nature. Analytical methods for plant associated bacterial
community have been advanced by combining a bacterialcell enrichment procedure and culture-independent analyses in microbial ecology. In the present review, the ecological significance of plant microbiomes is briefly summarized. Then, the results for interdisciplinary works on the
global diversity of bacteria associated with rice plants withdifferent nitrogen application levels and symbiotic genotypes are discussed. A subpopulation of Alphaproteobacteria, such as Rhizobiales bacteria, was likely to be regulated through both the regulation systems for the nitrogen and the symbiosis signaling pathways, suggesting thateach of crops accommodate a taxonomically characteristic microbial community through unknown plant-microbe
communications. The significance and perspectives ofcommunity-based approaches are discussed to achieve sustainable agricultural system by a better understanding ofplant-microbe interactions.
Key Words : microbial community analysis, geochemical
cycles, phytosphere, rice paddy field, symbiosis

も問題視されている（秋山 · 八木, 2010）．
植物共生科学は植物と共生微生物（群）の相互作用の解明を研究目的とするが，腸内細菌に代表されるヒトの共生細菌群集の研究によりヒトの健康科学が大きく変貌したように，近年の植物共生科学研究の新しい展開は従来の農学研究や農業のあり方を大きく変える可能性がある．筆者らの研究グループは，イネ（Ikeda et al., 2014a;
Okubo et al., 2014），ダイズ（Ikeda et al., 2010b），テン
サイ（Tsurumaru et al., 2015）等の作物について群集レ
ベルでの微生物生態的研究を行い，植物と細菌群集の相互作用や共生細菌が物質循環に果たす役割を明らかにしてきた．本稿では，最初に植物共生の生態学的意義を簡単に整理して示したい．次に，筆者らのグループによって開発した植物共生微生物分析法の概略と，当該手法を適用した実例として，水田生態系の物質循環において重要な役割を持つと考えられるイネ共生細菌群集の研究を紹介する．最後にそれらの知見を活用した持続的農業の構築のための問題解決や技術開発等への可能性について
私見を紹介したい．

2. 共生微生物研究の農学的意義と1. はじめに

農業微生物研究の現状

農業の生産性向上のために土壌に施用された化学肥料
は全てが植物に吸収されるわけではなく，一部は環境中に流出する．結果として，農耕地のリン酸蓄積問題のように多くの化学物質について必要以上の過剰な施用が行われやすく，生産者への労力とコストの増大，資源やエネ
ルギーの枯渇 · 浪費，地球規模での環境破壊等の多面的問題を引き起こしている．既に，窒素やリン酸の化学肥
料の大量消費は地球全体の物質循環能力を明らかに超えていると指摘されており（Steffen et al., 2015），これらの化学肥料の利用削減は喫緊の課題である．特に大量の化
学窒素肥料に支えられた現代農業は温室効果ガスである
メタンや一酸化二窒素の主要な発生源であり（Montzka
et al., 2011），海外と比較して多くの化学窒素肥料を施用する日本の水田はメタンの大きな発生源として国際的に農業生産における共生微生物の存在意義（機能）を大きく要約すると以下の 4 点になる．1 番目は，共生微生物を通した土壌から植物への養分吸収の促進機能が挙げられる．数億年前に植物が水域から離れて乾燥した陸地に進出した時点では，植物が容易に根を通して養分を吸収することができる現在のような土壌は地球上に存在しなかったと考えられており，土壌から養分を吸収するためには根において微生物との共生が必須だったと考えられている（Redecker et al., 2000）．

1 Hokkaido Agricultural Research Center, NARO. Corresponding author:

池田成志，農研機構 北海道農業研究センター．
2019 年 1 月 27 日受稿 2019 年 3 月 xx 日受理

2 番目は共生微生物の存在を介した植物における病虫
害に対する防御 · 軽減機能である．この機能は，植物組織という場を巡って病原微生物と生態的に競合する有用共生微生物の能力と位置付けることができる．3 番目は宿主植物が受ける理化学的な各種の非生物的なストレスを軽減する機能である．微生物との共生を通して，植物が有害な理化学的ストレス（温度，塩濃度，浸透圧，各種の重金属や化学物質等）に対する適応性を強化できる
ことは良く知られている．

58

土壌の物理性

第 141 号

4 番目は共生微生物の機能を介して農産物の品質 · 経
済価値を向上させる機能である．このような機能についての報告例はまだ少ないが，微生物との共生により農産物の香りや色，薬用植物等の生理活性成分の増加等の効果が得られることが知られている．
以上のように，従来の基礎科学的な知見から植物と微生物との共生により宿主植物の環境適応力を高めたり，宿主植物に多様な有用機能を付与したりすることは可能であると考えられるが，Bt 剤のような一部の例外を除いて農業現場での微生物利用は化学肥料や化学農薬と比べて信頼のある技術とはなり得ていない（池田, 2016）．このような農業微生物研究の現状の大きな原因の 1 つとしては，従来までの農業微生物の研究成果の多くが室内や温室等の実験的環境の結果に基づいたもので，農業現場とかけ離れた研究の形にあると考えられる．即ち，有用微生物を農業現場で安定的かつ効果的に活用するためには，基盤的な情報として農耕地での土壌微生物や植物共生微生物の全貌や，多様な環境要因と微生物群集との相互作用を解明することが必須であると思われる．

3. 植物共生微生物群集の網羅的解析技術
医学研究としてヒト共生細菌の多様性や機能 性 の 重 要 性 が Human Microbiome Project（HMP）（http://commonfund.nih.gov/hmp/）で明らかにされたよ
うに，農学分野においても「Plant Microbiome Project」を今後展開するべき段階に来ている．国際的にも 2015 年に植物圏生態系（Phytobiome）の学際的な農業研究の重要性と推進が提示され（http://www.phytobiomes.org/），
国内においても 2017 年に戦略プロポーザルとして「植物と微生物叢の相互作用の研究開発戦略」が発行され（CRDS-FY2016-SP-01），植物共生微生物について群集
レベルでの研究の機運が高まっている．
一方で，最近まで植物共生微生物群集の多様性や機能性を培養せずに分析することは非常に困難であった．このような問題解決のため，筆者らは約 10 年前に植物共生細菌群集を解析するための手法を考案し（Ikeda et al.,2009; 池田ら, 2016），世界に先駆けて植物共生微生物群

Fig. 1 植物共生微生物分析法の概略.

(2019)

集について自在に DNA レベルでの解析を行うことを可能とした（Fig. 1）．本法はリボソーマル遺伝子のような
特定の系統情報遺伝子の解析に基づいた単純な多様性解
析だけではなく，メタゲノム解析（Ikeda et al., 2014a）
やプロテオミクス解析（Bao et al., 2014a），細菌細胞濃縮画分からの分離培養（Anda et al., 2011）等にも利用できる．慎重に実験を行えば共生微生物群集のメタトラン
スクリプトームやメタボローム解析も可能であろう．また，研究当初に細菌細胞濃縮法と命名したが，実際には植物共生糸状菌類の多様性解析にも利用可能であることも確認している（筆者，未発表データ）．一方で，本法の問題点として，微生物細胞を物理的に回収するために比較的大量の植物組織が必要であること，実験操作が比較的複雑かつ長時間になること，植物組織に強固に付着している微生物細胞の濃縮が困難な可能性等が挙げられる．なお，ここで紹介した筆者らの手法の技術譲渡により，植物共生微生物群集の DNA 調製，多様性解析，メ
タゲノム解析等の一連の作業についての委託サービスを
国内の遺伝子分析受託企業（株式会社生物技研，神奈川県厚木市）との共同研究を通して開発中である．さらに，
多検体の迅速な解析に対応可能な共生微生物細胞濃縮法の簡易版の開発も検討中である．
上述のような非培養法に基づいた群集レベルでの共生
微生物の解析が可能になることの農業 · 食品分野における研究上の意義は大変大きい（池田ら, 2013）．なお，さらに近年になり人工核酸を用いた特異的なプライマーと
PCR の利用により植物由来 DNA の増幅を抑制した植物
共生微生物の多様性解析法が提案されている（Lundberg
et al., 2013; 池永ら, 2016）．特に，Lundberg らの方法は実験の手間とコストの負担が小さいことから系統情報に基づいた単純な多様性解析の場合は有用性が高いと思われる．

4. イネ根圏共生細菌群集の解析による水田の物質循環系の解明
水田は，強力な温室効果を持つメタンの主要な発生源であり，人類活動に由来するメタン放出量の約 20 % に解説：植物共生科学から考える農耕地生態系の物質循環と持続的農業
達する可能性があることから，水田からのメタン発生量の削減技術の開発は温暖化問題における主要な課題となっている（Montzka et al., 2011）．特に日本の水田は開発途上国と比べて大量の窒素肥料の施肥が行われているが，化学窒素肥料の施肥はイネの収量を向上させるだけ
でなく，水田から放出されるメタン発生量を増加させる
ことから（Banger et al., 2012），高収量と低環境負荷の両立を実現する適切な施肥管理の必要性が指摘されている（Ju et al., 2009）．現時点では水田からのメタン生成を微生物学的に制御することは困難と考えられている．一方，メタン酸化に関与する細菌群は施肥管理や宿主植物の遺伝子型の影響を強く受けることが筆者らによる一連の研究で近年明らかにされ，メタン酸化細菌群の制御を通したメタン発生量の削減の可能性が見えてきた．

59

をコードする mcr 遺伝子は低窒素施肥条件より高窒素施肥条件で高い頻度で検出され（2.8 倍），窒素施肥量が多いとイネ根圏でのメタンの生成量が多くなることが示唆された．一方，メタン酸化に関わる酵素をコードする
遺伝子 pmo（particulate methane monooxygenase），mmo（soluble cytoplasmic methane monooxygenase）の頻度は慣行の窒素施肥条件よりも低窒素施肥条件で高く（それぞれ 28.8 倍と 27.5 倍），低窒素施肥条件の根圏では慣行の窒素施肥条件よりも活発にメタン酸化が起きていることが示唆された．さらに 13 C 標識メタン投与法で測定した結果からも低窒素施肥条件のイネ根圏において活発に窒素固定やメタン酸化が起きていることを支持する結果が得られた．以上の結果から，II 型メタン酸化細菌は水田土壌中でメタンを酸化するだけでなく，メタン酸化にリンクした形で窒素固定も行っていることから，II 型メ
タン酸化細菌群は水田土壌における炭素と窒素の循環に関与し，持続的農業を考える上で大変重要な生態的役割を担っていると考えられた．

窒素施肥量により病虫害の発生が大きく変わることはよく知られているが，筆者らのグループは窒素施肥量により植物共生微生物の群集構造も大きく変化することを明らかにした．即ち，窒素施肥量の多い条件では γ proteobacteria の割合が増加し，逆に窒素施肥量の少な
窒素の施肥レベルが共生微生物の多様性に影響を与えい条件では α -proteobacteria の割合が増加するという現る第二の要因として，CSP（Common Symbiosis Pathway）
象をダイズの地上部やイネ根など大きく異なる作物種やのような植物による有用微生物制御系の発現レベルが組織で見出した（Ikeda et al., 2010a; Ikeda et al., 2014a）． 土壌の養分状態に依存して変動することが考えられる窒素の施肥レベルの違いで上記の 2 つの菌群が競合する （Ikeda et al., 2010a）（Fig. 2）．大変興味深いことに，イ第一の要因としては窒素栄養分に対する植物や微生物間
ネで CSP 中の OsCCaMK 遺伝子が破壊されると，共生の競合が考えられる．高栄養要求性（Copiotrophic な性
微生物群集内で α -proteobacteria，特に Methylosinus 属や Bradyrhizobium 属が含まれる Rhizobiales 目全体の菌質）の細菌群が多く属する γ -proteobacteria は高窒素施
肥条件の窒素含量が高く養分も豊富にある植物組織で速群の割合が大きく減少し，これらの菌群が CSP の遺伝
く増殖できる能力を持つことで生態的に有利になると考的制御下にある可能性が示唆された（Ikeda et al., 2011）．
えられる．一方，低栄養要求性（Oligotrophic な性質）の
そこで，水田から放出されるメタンの量を測定したとこ
α -proteobacteria は低窒素施肥条件の窒素含量が低く養ろ，低窒素施肥条件下で野生型イネと比較して変異ホモ分が少ない植物組織に適応していると考えられる．
型個体からのメタン発生量が多いことが判明した（Baoet al., 2014b）．
詳 細 な 多 様 性 解 析 の 結 果 ，低 窒 素 施 肥 条 件 下 の 水
田 で は メ タ ン 酸 化 や メ タ ノ ー ル 酸 化 等 の C1 化 合
同時に，低窒素施肥条件の根共生細菌群集と根圏土壌物の代謝に関与すると考えられる Methylosinus 属やのメタゲノムについて methane monooxygenase 遺伝子のBradyrhizobium 属，Burkholderia 属等の特定の種の割ひとつである pmoA のコピー数を調べた結果，OsCCaMK
合がイネ根圏で大きく増加することが判明し，水田生態
遺伝子の変異ホモ型個体よりも野生型個体で多く検出さ系における窒素施肥レベルがメタン発生に大きな影響をれた． pmoA 遺伝子のクローンライブラリー解析の結果，与える可能性が示唆された（Ikeda et al., 2014a）．これら
I 型と II 型のそれぞれのメタン酸化細菌群において根圏の菌群は低栄養条件に適応しているが故に高窒素施肥条に特異的な未知の菌群由来と思われる種レベルの OTU件においては，増殖速度が遅く，窒素固定活性も阻害さ （Operational Taxonomic Unit，操作的分類単位）を多数れる．
検出した．I 型メタン酸化細菌が根組織や根圏土壌にも水 田 土 壌 中 に お け る メ タ ン 酸 化 細 菌 に は γ多く共生することや，II 型メタン酸化細菌群よりも未proteobacteria 綱に属する I 型と α -proteobacteria 綱
知の I 型メタン酸化細菌群がイネの OsCCaMK の遺伝に属する II 型の 2 種類のメタン酸化細菌群が存在する． 子型の影響をより強く受けることが示唆されたことはメタン酸化細菌は一般的にメタンを酸化して得られるメ
予想外の大変興味深い結果であった．また，13 C 標識メ
タノールを資化する能力も持つが，高いメタノール濃度
タン投与法によるイネへのメタン由来の炭素の取り込には耐えることはできない．そのため，イネ根圏では一み活性の測定の結果からも，変異ホモ型個体よりも野定量以上のメタノールを除去するためにメタノール酸化
生型個体の方においてメタン酸化が活発に起きている能を持つ Bradyrhizobium 属，Burkholderia 属等と共生ことが示された．さらに，低窒素施肥条件で栽培されたしていると考えられた．
OsCCaMK 遺伝子の野生型個体の根共生細菌群集のメ
タプロテオーム解析では，Methylosinus，Methylocystis
上述したようなイネ根圏の多様性解析の結果を受けて属 細 菌 の methane monooxygenase や Methylosinus，
メタゲノム配列中の窒素固定や，メタンの生成，酸化に関わる遺伝子の頻度が調べられた（Ikeda et al., 2014a）． Methylocystis，Bradyrhizobium 属細菌の methanol dehydrogenase と類似度の高いタンパク質が検出され，上その結果，窒素固定遺伝子は高窒素施肥条件よりも低窒
述したような C1 化合物の代謝に関与する微生物遺伝子
素施肥条件で多く検出される傾向にあった（1.5 倍）．メ
タン生成に関わる酵素（methyl-coenzyme M reductase） 群がイネ根圏において実際に発現していることが示され

土壌の物理性60

第 141 号

(2019)

Fig. 2 ダイズにおける根粒菌制御系の概略．NFR1，CLE，GmNARK はそれぞれ根粒菌制御に関わるダイズ遺伝子，CSP は複数の遺伝子からなる根粒菌と菌根菌の両方の共生に必須の情報伝達系（Common Symbiosis Pathway）を示す．NFR1 と GmNARKが変異すると，それぞれ根粒非着生（Nod-）と根粒超着生（Nod++）の表現型になる．根粒菌や菌根菌のような有用微生物の根への感染が一定数に達すると，それ以上の共生を抑制するために根粒菌や菌根菌の感染を制御する物質（SDF）が葉で生合成され，根に移行して有用菌の感染を阻害すると考えられている．一方，過剰な施肥等により土壌溶液中の硝酸態窒素が一定以上の濃度になると，制御系の途中の CLE 以下の情報伝達が活性化され，根粒菌の感染レベルに関係なく共生を阻害する．

た．以上の結果から，低窒素施肥条件での OsCCaMK 遺伝子の野生型個体のメタン放出量が少なくなる理由のひ
とつは，根圏細菌群集内における細菌群集の多様性が高まるとともに，メタン酸化細菌群の存在割合が増加した
結果，メタン酸化量が多くなったことにあると結論づけられた．

合成により固定した炭素である（Tokida et al., 2011）．生成されたメタンは，大気中に放出される過程でイネ根を通り，一部が C1 化合物資化性細菌の菌体成分へと代謝される．さらに，C1 化合物資化性細菌は C1 化合物代謝で得たエネルギーを用いて窒素固定を行い，固定された窒素の一部がイネに吸収される．このような炭素や窒素の循環サイクルを促進することにより，農耕地生態系外
また，上記の低窒素施肥条件で栽培された OsCCaMKへの炭素，窒素の流出が抑えられる．その結果，流出分
遺伝子の野生型と変異ホモ個体の地上部の窒素安定同位15の窒素を肥料で補う必要が少なくなり，窒素施肥量の削体自然存在比（δ N）を測定したところ，野生型個体の減，環境汚染の低減化が期待できるはずである（Fig. 3）
方が小さい値を示し（Bao et al., 2014a），OsCCaMK 遺伝（大久保ら, 2016）．しかし現実には，単純に窒素施肥を子野生型個体はホモ変異個体よりも空中窒素固定量が多減らすだけでは現在のイネの生産性を維持することは困いと推定された．そこで，低窒素施肥条件の OsCCaMK難であり，生産性の維持と窒素施肥の削減を両立するた遺伝子の野生型個体の根共生細菌のメタプロテオーム
解析も行ったところ，メタン酸化細菌 Methylosinus， めには，有用細菌の共生を阻害しない栽培技術の構築が必要である．
Methylocystis 由来のニトロゲナーゼ（ni f HDK ）が最も多く検出された（Bao et al., 2014a）．
以上の OsCCaMK 遺伝子の変異体を利用した一連の実験結果は，低窒素施肥条件のイネ根圏では OsCCaMK
遺伝子を介した C1 化合物代謝微生物群との共生を通してメタン酸化や窒素固定が積極的に起こっていることを示唆している．我々の実験では，I 型メタン酸化細菌群
は宿主の OsCCaMK 遺伝子の情報伝達系を介した制御を強く受けたが，土壌窒素の影響は見えなかったことから Fig. 2 以外の微生物制御機構があるのかもしれない．
一方，主に α -proteobacteria 綱に属する II 型メタン酸化
細菌群は窒素施肥の影響を強く受けていると考えられることから，Fig. 2 のマメ科作物と類似した情報伝達系を介してイネからの制御を受けている可能性がある．

5. 共生微生物群集構造の形成に及ぼす環境要因の解明
水田で生成されるメタンの主要な炭素源は，イネが光Fig. 3 有用微生物を利用した持続的農業の概念図.

解説：植物共生科学から考える農耕地生態系の物質循環と持続的農業

61

報であることも強調しておきたい．
以上のような多様な環境要因下における植物と共生微生物群集の相互作用の解明は近年まで非常に困難な課題であったが，本稿で紹介したような植物共生微生物の分析法やフィールドモニタリング技術の組み合わせにより比較的容易に検討可能な段階に達しつつある（Fukatsu
and Hirafuji, 2005；平藤, 2014）．野外においてもモニタリングされた環境データや植物の生育状態から，有用微生物（群）との共生を阻害しない持続的農業に適した栽
培条件を導きだすための数理的手法の構築も検討可能な時代になりつつあると考えられる．

6. おわりにFig. 4 共生微生物研究の複雑性の概念図．物理的環境（気温，湿度，光条件等）と化学的環境（肥料，資材，農薬等）は植物の生理状態に影響を与えるだけでなく，土壌微生物や共生微生物の多様性や機能性にも強い影響を及ぼす．したがって，多様な理化学的な環境要因の下で植物と微生物群集の相互作用は固定的なものではなく，「揺らぎがある」ことを認識する必要がある．

植物共生系全体への CSP や Fig. 2 のような情報伝達系の関与を結論づけるには更なる検証が必要であるが，上述したようにイネに共生する α -proteobacteria が窒素施肥と CSP 中の OsCCaMK 遺伝子の両方から強い影響を受けることは全く異なる栽培環境で生育するイネとマメ科作物との間に類似した微生物制御機構が存在することを示唆しており，基礎科学的にも大変興味深い（Minamisawa et al., 2016）．このような推察が正しけれ
ば，有機物の施用による地力窒素の強化や，分肥や緩効性肥料等を利用した肥料ストレスの軽減等の栽培管理によって共生系の有用機能を最大限に活用することで収量の確保とメタン発生量の削減の両立の可能性があると考えられる．また，そのような栽培条件で窒素固定やイネへの生育促進等に積極的に関与する有用微生物群の選抜· 利用や，それら有用微生物との共生能力，有機物利用能力等を強化した植物育種等を今後検討することも持続的農業の構築のために重要であると思われる．
本稿では詳しくは述べないが，窒素肥料の施用量の違いだけではなく，窒素肥料の化学構造も共生細菌の群
集構造に大きな影響を与える可能性がある（Ikeda et al.,2014b）．また，イネ共生細菌群集の多様性や機能性は施肥管理だけでなく水温や土壌の種類等の環境条件の変化にも敏感に反応する（Edwards et al., 2015; Ikeda et al.,2015, Okubo et al., 2014）．これらのことから，土壌への有機物や土壌改良資材の施用を通して土壌の理化学性を改変し，土壌微生物や共生微生物の多様性や機能性を制御することにより合理的に化学肥料や化学農薬の施用量を削減することは可能であると考えられる（Fig. 4）．実際に筆者の研究グループでは米ぬかや液体肥料のような有機物施用による根圏土壌微生物相の制御を介した土壌病害の防除に成功している（富濵ら, 2018; Tomihama etal., 2016）．大変残念ながら国内での研究は非常に少ないが，農薬が共生系に及ぼす影響の評価なども有用微生物の安定的かつ効果的な利用のために大変重要な基盤的情

持続的農業の実現には，農耕地生態系内であらゆる物
質をできるだけ循環させることが必要であり，物質循環を担う微生物，特に根圏微生物の共生系を壊さない栽培
管理法の構築が重要であると考えられる（Fig. 3）．植物
は，物質循環を担う微生物と共生する能力を進化的に獲得してきたと考えられるが，それらの進化的背景は現代農業において活用されていない．しかしながら，本稿で述べたように有用微生物群との共生を促進する栽培 · 環
境制御技術の開発，そのような持続的農業のための技術革新の余地は十分にあると筆者は考える．農業現場において有用微生物を人間の都合の良い形で安定的かつ効果的に利用するためには，それらの微生物が積極的に定着し，有用機能を発揮してくれるような物理的，化学的，そして生物的環境条件を人間が整えることが重要であると思われる．そのような環境条件の解明に土壌物理学関係者からも今後数多く参加されることを期待したい．

謝辞
本研究の一部は科研費基盤研究（A）「植物共生微生物のメタゲノム解析による物質循環機能の解明」（23248052），
重要形質領域研究「イネと微生物の遺伝子ネットワークの解明（PMI − 0002）」，内閣府戦略的イノベーション創造プログラム（SIP）「次世代農林水産業創造技術」（管理
法人：生研支援センター），および本研究は，JST, CREST,JPMJCR1512（フィールドセンシング時系列データを主体とした農業ビッグデータの構築と新知見の発見）の支援を受けたものである．東北大学の南澤究教授には植物共生研究についてのご指導を頂き深く感謝致します．また，研究にご協力を頂いた東北大学南澤研の諸氏，特に大量の配列データの解析に協力を頂いた大久保卓博士，
つくばみらい FACE（Free Air CO2 Enrichment）の関係者の皆様に深く感謝申し上げます．

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要旨

農業に起因した環境汚染やエネルギーの浪費を抑制するための手段として有用微生物の活用は以前から長く期待されてきた．しかしながら，効果が不安定であることから農業現場での利用は停滞している．
このような現状を打破し，有用微生物の機能を利用した持続的な農業体系を構築するためには，それら微生物が根圏土壌や植物組織に積極的に定着し，有用機能を発揮するような環境条件を人間が整えることが重要である．そのために，物質循環を通した宿主植物と共生微生物（群集）の相互作用を解明する
こと，関係する代謝機能や代謝物質等の研究を進めること，それら相互作用に影響を及ぼす環境因子を特定することが必要である．以上のような知見を活用し，微生物群集の制御 · 利用技術の開発をすることが持続的農業の構築に寄与すると期待される．
キーワード：共生，植物圏，水田，地球化学的物質循環，微生物群集構造解析

ATOMOS-41

複合型気象計測ユニット

ZL6
データロガー

1つチャンネルで14の気象観測項⽬を同時測定しますZL6データロガーは、すべてのMETER社
製センサーとの接続が可能です[技術仕様］◎ 測定項目・雷の回数
・日射量
・雷からの距離・降雨量
・傾き
・最大降雨量・コンパス方向
・気温
・気圧
◎ 寸法
・水蒸気圧
直径: 10 cm 高さ: 34 cm
・相対湿度
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シンポジウム特集

J. Jpn. Soc. Soil Phys.

ゎࠉㄝ

土壌の物理性LecturesNo. 141 p.65 ∼ 69 (2019）

肥料や農薬に依存した現代農業への警鐘– 江戸時代に開発された水田の多数回中耕除草法が意味するもの –粕渕辰昭 1 · 荒生秀紀 2 · 安田弘法 1

Warning for modern agriculture depending on chemical fertilizers and agricultural chemicals— Significance of the multiple-intertillage-weeding method developed in Edo-era —Tatsuaki KASUBUCHI1 ,Hideki ARAO2 and Hironori YASUDA1

Abstract: Multiple-intertillage-weeding method for the
paddy cultivation described in agricultural books publishedin Edo-era was tried under present-day cultivating system.
Seedlings were grown in the pool-floating system underopen air. “Mini-culti” machine with “chain-weeder” wasused to intertillage. The number of times of intertillage was
0–16. Almost the same yield to the customary practice wasgot for more than four times of intertillage. The quality of
the rice was ranked as the first grade and “the taste value”
was more than 85. These show that the method of agricultural books published in Edo-era was true. The essenceof this method is the stirring of the surface soil. The stirring takes place to uniform the soil physically, to promote
the decomposition chemically, to increase the nitrogen fixation biologically and to form the stable ecological system
ecologically. This method is useful for the cultivation for
the resource saving, low input and harmony with the environment.
Key Words : multiple-intertillage-weeding method, Edoera, agricultural books, paddy, soil stirring

計測用に長年使っていた小さな区画の水田圃場で試してみることにした．この区画は肥料や農薬を使用していな
かった．
除草機は農場の倉庫にあった古い田車を使った．田植えを始めたのが周辺の圃場よりかなり遅かったが，7 月上旬までに 7 回の除草を行うことができた．対照として圃場の半分は除草を行わなかった． 2007 年のことである．
結果は，多数回除草したところが，除草しなかったところに比べて約 3 倍の収量が得られ，記述の正しかったことを確認した（Fig. 1）．
そのとき，このような事実が「なぜこれまで知られて来なかったのだろうか」という素朴な疑問をもった．多数回除草を記した専門書や技術書を私たちは目にしたことがなかったからである．そして，「ひょっとして江戸時代にはすでに知られていたのではないだろうか」という考えがよぎった．そこで手元にあった日本農書全集（全73 巻，1977 年から 2001 年にかけて農文協から出版され

1. はじめにた）の何冊かに当たってみた．その結果，多数回中耕除草についての記載が数多くあることを見出した．

イネの無肥料 · 無農薬栽培を始めようとしたのは，片野学の「自然農法のコメつくり」（片野, 1990）に「熊本
県天草郡新和町で 4 月移植の早期栽培に取り組む山角和
好氏は除草機押しを道楽にしている．氏は活着後 2，3
日おきに合計 10 回以上押している．収量は新和町平均
単収を常に上回る好成績を残している」を見出したことにはじまる．手取り除草あるいは機械的中耕除草は，ふつう 3 回程度行われる．これは現在，無農薬栽培を行っている農家でも，江戸時代の農家でもあまり違いはな
い．これに対し上記の例はその 3 倍の 10 回以上も中耕除草作業をすると収穫量が増すという．そこで，物理の1 Faculty of Agriculture, Yamagata University. Tsuruoka Yamagata prefecture, Japan. Corresponding author: 粕渕辰昭 山形大学農学部（客員教員）.
2 Sakata Yamagata prefecture, Japan. Arao-Kanshiro Farm.
2019 年 1 月 10 日受稿 2019 年 2 月 11 日受理

Fig. 1 7 回中耕除草区（左）と無除草区（右）の比較．
7 times (left) and no (right) intertillage-weeding.

土壌の物理性

66

第 141 号

江戸時代に開発された水田の多数回中耕除草法は江戸(2019）

3.1 苗づくり

時代末に近づくに従い頻出していた（Table 1）（粕渕ら,

苗づくりは，江戸時代のように露地で行うことにし2016）．しかし，明治以降この方法はほとんど顧みられた．最終的にポット苗を筏（いかだ）方式で栽培し，1 株

なくなっている．そこで，この方法を再現してみること1 ∼ 3 本になるよう調整した．筏方式は水を貯めるプールのために 15 cm ほどの深さに土を掘り，プラスチックのシートで被い，10 cm ほどの深さに水を張る．発泡ス

を試みた．
結果に入る前に江戸時代の農書に出ている内容を簡単

チロールの板をプールに浮かべ，この上に苗箱を載せる．

に紹介する．

苗箱の底に水が接するように発泡スチロールの厚さは2. 江戸時代に見る多数回中耕除草

15 mm になっている（Fig. 2）．こうすることで，プールの水位が変動しても常にポットの中は水分飽和状態が保日本農書全集に所収の農書に中耕除草回数 5 回以上の多数回中耕除草についての記載が 21 巻あった．このう
ち最初に記載されていたのは 17 世紀末から 18 世紀初めである．その後時代が進むにつれて増加し，明治に近いたれている．露地のためスズメ除けの網（防風ネット）の上に割布を掛けただけで開始し，苗が 1 葉半程度になってからは割布を外して育てた．種まきから田植えのできる 10 cm 程度まで育つのに約 1.5 ヵ月を要した．

1810 年以降で半数以上の 13 巻に出ている．このことから，江戸時代を通じてこの方法が全国的に広まっていったことがうかがえる．内容は，中耕除草回数とともに収量が増し，コメの質も良くなることなどが書かれている．
また，除草でなく「子供を田んぼに入れるだけでいい」，「百回の中耕除草を行うと百万石とれる」という記述にも興味をひかれた．

3. 多数回中耕除草法の適用
江戸時代の中耕除草は，簡単な農具（雁爪など）を使
い人力で行われていた．これを現在の機械化が進む圃
場で行うにはいくつかの工夫が必要であった．そこで，

1. 苗づくり，2. 中耕除草方法，3. 中耕除草期間，4. 中耕
除草回数などについて検討しつつ実施した．

Fig. 2 プール筏育苗．
Pool-floating of seedling-raising.

Table 1 日本農書全集にある中耕除草回数 5 回以上の事例.
List of the cases of more than 5 times of “multiple-intertillage-weeding” in agricultural books published in Edo-era.
著作年代

著者

書

名

除草回数

1688–1703 大畑才蔵
地方の聞き書き
7∼8
1697
宮崎安貞
農業全書
5（8）?
1707
土屋又三郎
耕稼春秋
7
1709
鹿野小四郎
農事遺書
5
1717
土屋又三郎
農業図絵
5
1760
渡辺綱任
農業日用集
5
1786
川合忠蔵
1 粒万倍 穂に穂
6<
1789
宮永正運
私家農業談
7
1798–1818 児島如水 · 徳重
農稼業事
5
1819
著者未詳
合志郡大津手永田畑諸作時候之考
5
1818–1830 著者未詳
久住近在耕作仕法略覚
71834
細木庵常 · 奥田之昭 耕耘録
5
1837
久下金七郎
農業稼仕様
5
1837
伊藤正作
耕作早指南種稽歌
4+α
1841
百姓伊兵衛
農業巧者へ御問下げ 10 ヶ条
5
1842
加藤尚秀
勧農和訓抄
8
1842
木下清左衛門家業伝
7
1848–1853 安居院庄七
報徳作大益細伝記
7
1849
著者未詳
自家業事日記51851
大元権右衛門農業年中行事51857 頃
郷保与吉
田家すきはい袋
5

国（県）

全集の巻

ページ

紀伊（和歌山）

28
12
2
5
26
33
29
6
7
33
33
30
28
5
29
62
8
63
29
29
37

27
88, 134-136
55–56
64–68
91,92,105,109
23
52–55
60–61
24–28
217
165
76
320
224–225236
272
71, 73–82
311–313138
279
319–320筑前（福岡）
加賀（石川）
加賀（石川）
加賀（石川）
豊前（大分）
備中（岡山）
越中（富山）
近江（滋賀）
肥後（熊本）
肥後（熊本）
土佐（高知）
丹波（兵庫）
若狭（福井）
周防（山口）
甲斐（山梨）
河内（大阪）
駿河（静岡）
印旛（鳥取）
周防（山口）
岩代（福島）

解説：肥料や農薬に依存した現代農業への警鐘

67

3.2 中耕除草方法

た．例えば 8 回の中耕除草を行うと 48 日間で 6 日間隔

中耕除草は機械的な方法をいくつか試み，最終的に歩になる．

行型の水田用カルチを用いることにした．ガソリンエン
ジンによってカルチの爪付き車輪が回転し，株間が攪拌

3.4 中耕除草期間
回数は 0 ∼ 16 回まで行った．結果を Fig. 5 に示す．4· 除草できる．これだけでは直交する株間が除草できな回以上は収量的に大きな差はなかった．しかし，回数がいためフロート付きのチェーン除草機を手作りし，カル

多くなるにしたがい収量の変動係数が小さくなるため，

チにつなげて使用した（Fig. 3，4）
．苗もチェーンによっ

回数を最大で 8 回程度にして試験している．

て抑えられるが，根が活着しているため，ほどなく立ち上がる．

4. 多数回中耕除草法による収量，品質3.3 中耕除草期間
中耕除草の開始は田植え後できるだけ早く行うよう圃場は赤川水系に属し，土は灰色低地土に分類されてにした．これは田植え直前の代かきから時間を経るに従いる．作土直下から砂礫層が分布し，浅いところは作土

い，発芽した雑草が伸びてくるからである．ポット苗は層が 10 cm 程度である．暗渠は入っていない．用排水は根の活着が早く，田植え後 3 日程度で中耕除草に入るこ

分離していて，用水は赤川本流から用水路を経て直接水とができる．中耕除草の終了は，一般には最高分げつ期

田に取り込まれている．EC は 40 µ S cm−1 程度で水道ないし幼穂形成期までとされている．私たちは幼穂形成

水より低い．品種は当初よりササニシキを用いている．

期後も引き続き中耕除草を行ったことがあるが，収量増

圃場は 2009 年から同一圃場を継続して使用している．

が認められなかった．そのため中耕除草は通常行われて前項で示した育苗，中耕除草方法は 2013 年から継続しいる幼穂形成期ごろまでとした．

ている．

最初の除草は，田植え後 3 日目に 0 回区以外の全区

Fig. 6 に最近 5 か年の結果を示す．中耕除草回数が 4を一斉に行うようにした．田植えから幼穂形成期まで

回と 8 回とでは両者に大きな差はなかった．また，最近の約 50 日間で回数に応じて間隔を均等にするようにし5 年間でも大きな変化は認められない．

Fig. 5 中耕除草回数と収量（2015 年）．
Intertillage-weeding time and yield.
Fig. 3 中耕除草に用いたミニカルチとチェーン除草装置．
“Mini-culti” with chain-weeder.

Fig. 4 チェーン除草装置．
Chain-weeder.

Fig. 6 最近 5 年間の中耕除草回数 4 回と 8 回の収量．
Yield of 4 and 8 times intertillage for 5 years.

土壌の物理性

68

第 141 号

(2019）

品質は無肥料 · 無農薬栽培を始めてから 1 等米であり，る．収穫作業を考慮しなければ，中干をしない方が収量

食味値は 2015 年のみの測定であるが平均 85 以上であった（Fig. 7）．中耕除草回数を多くすると食味値はやや低的にはいい場合がある．
イネは水分の多い環境で育つにも関わらず，無肥料条下する傾向にあった．

件下では病虫害の被害が出ない．これは生態的なヒエラ
ルキーが形成されるためと，イネが病虫害に強い抵抗性

5. 無肥料で収量が減少しない理由を有しているからであり，その最大の理由は多量のケイ酸を含むからと考えられる（高橋, 2007）．

10 年続けても収量が変わらないのは，養分が自給できていることを示している．最も重要な窒素は表層の光合成細菌群による窒素固定が大きく寄与していると考えられる（荒生ら, 2015）．
湛水した水田土壌に太陽光を当てた区と当てない区との比較では，当てた区の 0–2 mm で全窒素が増加した．
（Fig. 8）
そのほか，イネが養分の限定されている条件の中で効率的に種子生産をしていると考えられる．水落ら（2017）の報告や，窒素の玄米生産効率が 80 kg kg−1 N−1 に近いことからもそのことはうかがえる（Table 2）．
なお，無肥料 · 無農薬栽培を始めてから，イネへの病
虫害は 1 度も経験していない．隣接する慣行栽培圃場でイモチが出たときも私たちの圃場では発症しなかった．

fig. 7 中耕除草回数と食味値（2015）．
Intertillage time and “taste value” of rice.

6. なぜ中耕除草か
土壌撹拌という単純な作業がもつ「多機能性」である．
水田土の物理的な攪拌は混合，均一化，膨軟，透水性の改良，根の切断などを伴う．化学的には分解作用の促進，
生物的には除草，光合成細菌群などの表層フローラが攪拌により土中へ導入され，その一方で新たな表面の形成が行われる．この結果，窒素固定量が増大する．生態学
的には除草によるイネの優占化が進むとともに，無農薬による動物生態的なヒエラルキーの形成とそれによる虫害の低下などが考えられる．
なお，無農薬栽培を始めて 5 年ほど経過した時点でヒエなどが一斉に芽吹き始めた．これはそれ以前に使われていた除草剤の残効が消失したからと考えられた．

7. イネのもつ特異性
イネの低濃度の養分要求性（岡島, 1962）にも注目する必要を感じた．畑作物のムギに比べてイネは非常に薄Fig. 8 露光区および暗黒区における全窒素量の分布（荒生ら，2015）．
The distribution of total nitrogen of surface soil under exposed and shield conditions. (Arao et.al., 2015）.

い濃度で栽培が可能である．イネの流動水耕の場合，流動速度にも影響されるが，窒素濃度が 50 ppm 程度ではほとんど分げつせず，数 ppm にすると 1 個体当たり 110
本の分げつが見られた．これに対し，コムギの流動水耕では 1 個体あたり 200 本以上の分げつがイネの 20 倍以

Table 2 窒素の玄米生産効率（2016）.
Efficiency of nitrogen for brown rice production．
中耕除草回数上の窒素濃度（210 ppm）で得られている（水落, 1990）．
イネは湿地で進化してきた植物であり，乾燥条件にはきわめて弱い．養液栽培で養液を入れ替えるしばらくの間，根を水からあげるだけで葉が巻くなどの萎凋が始ま

0
4
8

玄米収量

窒素吸収量

玄米生産効率（kg 10 a−1 ） （kg 10 a−1 ） （kg kg-N−1 ）

97
489
491

4.4
6.2
6.5

22.0
78.9
76.1

解説：肥料や農薬に依存した現代農業への警鐘

69

これらの諸作用 · 反応が総合的に作用し収量の増大に

さらに「畑は人工系，水田は人工共生系である」とのつながったと考えられる．中耕除草は除草が目的と考え

指摘（栗原, 1998）は重要である．水田ではイネと何とがちである．しかし，それ以外の作用も無視することはが共生しているのかについては，これまで見てきたようできない．

に基本は光合成細菌類と考えることができる．

なお，除草剤に関しては，除草だけでなく水面下の微

省資源，低投入，持続的社会，安全 · 安心，健康，環境

生物の殺菌効果が大きいことも上げなければならないとの調和など農業 · 農学が直面している課題は大きい．

（蒲田ら, 1987; Usui et al., 2011）．雑草はなくなったが，共生と循環という生態学的な視点を持ちつつ農学の中

同時に窒素固定する光合成細菌類まで抑えてしまうことの土壌物理学は展開していく必要があると思う．

になるからである．

引用文献

8. 明治以降の中耕除草作業
江戸時代にかなり広まっていた多数回中耕除草法がなぜ明治以降顧みられなくなったのか，という点は注目に値する．これには様々な理由が考えられる．明治維新以降の過度の西洋農学偏重により江戸時代までの伝統的な農業に注目しなかったこと，持ち出したものは戻さなけ
ればならないという単純な考え方，増産こそが重要という施策のもとに肥料 · 農薬による周辺環境への影響が軽視されたこと，地力窒素を固定的であると考えてしまっ
たこと，生態的視点の欠如から多肥が病害虫の原因の 1

荒生秀紀, 粕渕辰昭, 安田弘法 (2015): 湛水下の水田表層土における太陽光の透過性と全窒素の変動. 土壌の物理性, 131:

23–27．
Usui, Y., Kasubuchi, T. and Mowjood, M.I.M. (2011): Effectsof herbicide application on carbon dioxide, dissolved oxygen,
pH, and RpH in paddy-field ponded water. SSPN, 57: 1–6.
岡島秀夫 (1962): イネの栄養生理, pp. 39–46. 農文協．
粕渕辰昭, 荒生秀紀, 安田弘法 (2016): 江戸時代の農書における水田の多数回中耕除草とその効果. 土壌の物理性, 132:

55–59.

つになっているとの理解が不足していたこと，などをあ片野 学 (1990): 自然農法のコメつくり, pp. 196–197. 農文協．

げることができよう．

蒲田昌治, 甲斐秀昭, 河口定生, 河内埜一之 (1987): 除草剤施用による水田土壌の遊離窒素固定微生物草と窒素固定能の変動.

9. 終わりに — これからどうするか —土肥誌, 58: 517–526．
栗原 康 (1998): 共生の生態学, pp. 146–151. 岩波書店.

「湿原の一次生産力が森林など他の生態系の 1.5 ∼ 2倍」という指摘がある．人工の湿原である水田では植物生育に不可欠な水が 100 % 保証されていること，水には上流からの様々な養分が含まれていること，水があるこ

高橋英一 (2007): 作物にとってケイ酸とは何か, pp. 88–95. 農
文協．
水落勁美 (1990): コムギ多収穫に関する作物栄養学的研究. 肥料
科学, 13: 71–105．

とにより安定した温度環境が形成されること，何よりも水落勁美, 粕渕辰昭, 荒生秀紀, 君和田健二 (2017): 無肥料 · 無農

イネの栽培条件が湿地に適していることなど水田稲作の薬水田における高収稲の養分利用には無駄がない. 日本土壌

メリットは大きい．

肥料学会北海道支部講演要旨集．

要旨

江戸時代に開発された水田の多数回中耕除草法を現在の農法のなかで再現することを試みた．具体的には，苗は露地でプール筏育苗を行い，中耕除草はチェーン除草装置付きのミニカルチを用い，中耕除草
回数は 0 ∼ 16 回まで行った．その結果，中耕除草回数が 4 回以上で慣行農法に近い収量が得られただ
けでなく，食味値 85 以上で 1 等級に格付けされる高品質となった．このことは多数回中耕除草法により土壌撹拌を繰り返すことで，除草と同時に土の攪拌により，物理的には均一化 · 膨軟化 · 透水性の改良，化学的には分解作用の促進，生物的には光合成微生物群による窒素固定量の増加，生態的には水田生態系の成立と病虫害の低下が考えられた．多数回中耕除草法はイネと水田の機能を生かし，省資源 ·低投入 · 環境との調和を目指す新たな水田農法の可能性を示した．
キーワード：多数回中耕除草，江戸時代，農書，水田，土壌撹拌true TDR 土壌水分センサ

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シンポジウム特集

J. Jpn. Soc. Soil Phys.

㈨ࠉᩱ

土壌の物理性

Miscellaneous

No. 141, p.71 ∼ 74 (2019)第 60 回土壌物理学会シンポジウム総合討論
これからの持続的農業を考える；
土壌中の物質循環 · 微生物 · 共生からの視点
柏木淳一 · 塚本康貴（シンポジウム事務局）

Discussion at the 60th symposium: The sustainable agriculture system evaluatedfrom the viewpoint of nutrients cycle, microbiology and symbiosis in soil
Junichi KASHIWAGI and Yasutaka TSUKAMOTO

本稿では，5 名の講師による講演の後に行われた総合討論（座長：石黒宗秀氏，竹内晴信氏）の模様を，
今後の学会活動の資料として掲載する. なお，討論の概略の記録を目的としたため，事務局の判断により，発言内容の一部を省略または要約させて頂いたことをご了承願いたい.

竹内（座長）：
総合討論を始める．まずは会場からの質問に対する発表者からの応答をお願いする．その後，本日のテーマに沿った総括を行う．
横井（和寒町）：
作物の制限要因について説明をいただいたが，その中にもあった蛇紋岩質土壌に関する質問．現在でも作物にニッケル過剰障害が発生しており，その生育障害は酸性矯正で軽減されるが，ニッケルを含む作物を食べることによる人体への影響はあるのか．ピアスやカカオ含有量が高いチョコレートが人体へ及ぼす影響もあると聞くが．
水野（元酪農学園大学）：
蛇紋岩地帯における植物のニッケル含有率のレベルでは，経口摂取の場合は無害である．ラットやサルを対象とした実験で確かめられており，食餌中ニッケルの吸収率は非常に低く 3 ∼ 6% 程度でほとんどが吸収されずに糞として体外に排出されることがアメリカの実験でも確認されている．一方で，ニッケル精錬所における暴露した労働者には呼吸器系腫瘍やニッケル皮膚炎を発症することが報告されている．ただし，ニッケル精錬所のニッ
ケルレベルは桁違いに高いことを考慮する必要がある．
オランダのデータではカカオやココナッツの木の葉の分析値もあり，断然高い値となっており，チョコレート
のニッケル含有率の高いことも想定される．しかしながら，食品中のニッケル含有率の規制値は現在のところ，国際的にも国内的にも見当たらない．いずれにしてもアレルギーになるケースもあり注意は必要だろう．
竹内（座長）：
実際に北海道でも夕張川の下流地帯で，ニッケル過剰
障害によってキャベツが枯れることが一時期問題になっており，今でも現場において重要な問題であると認識している．

岩田（農研機構 農村工学研究部門）：
水田の土層構造を変えることで生産性に変化が現れるとのことだった．酸素濃度が変わるとのことだったが，酸素濃度，Eh が具体的にどう変わるのか教えて頂きたい．
金田（秋田県立大学）：
データは示さなかったが，代かきでは −200 mV 以下に下がる一方で，無代かきではプラスの値での推移がみられた。
長谷川（元北海道大学）：
水稲は土中の酸素を吸収しない，吸収するほど土の中に含まれていないとのことだったが，作土に酸素があることで水稲が高い気孔コンダクタンスを保っているのはなぜか．無代かき水田では酸化層の厚さは慣行田に比べて厚いのか．
金田（秋田県立大学）：
水稲葉身の気孔コンダクタンスが高い要因として，水稲根活性が高く維持されることを推定している．水稲根
活性が高く維持される圃場は，土壌の酸化還元電位が高く保たれていることが特徴である．土壌酸素は水稲根活性を高く維持し，土壌水分の吸収が多くなることから気孔コンダクタンスを上昇させると考えている．通常，無代かき水田の酸化層は代かきを伴う慣行田に比べて厚くなる．無代かき水田では作土の土壌構造が維持され透水性が向上することから酸素の供給が多くなることが考えられ，特に粘土含量が多い重粘土水田において顕著に認められる．また，慣行田においても代かきの強度や作業深度の工夫により酸化的な作土を保つことが期待できる．
吉田（東京大学）：
気温の高温条件が増えてくる中で，高温で気孔コンダ
クタンスの低下が観測されたと聞いたが，湛水条件だったのか落水条件だったのか．

72

土壌の物理性

第 141 号

金田（秋田県立大）：気孔コンダクタンスは湛水条件で測定した．
取出（三重大学）：
無代かき水田で酸素供給が増えるという話だった．湛水後に封入空気量に違いがあったと考えられるが，量的には僅かであり酸素供給には影響しないのではと考える．中干しの際の地表からの酸素供給の違いが大きいのではないか．
金田（秋田県立大）：影響はあると思うがそこまでの詳細なデータは持っていない．酸素の多い条件下では，根の活性，つまり根の水分や養分吸収の増大につながるのではないかと考えている．指摘のことは重要であるので今後取り組んでいきたい．
石黒（座長）：
酸化還元電位を測定していたが，何を対象に測ったのか．表面の水について測定したのか．
光延（愛媛大学）：
土壌水，つまり間隙水の Eh を測定した．
石黒（座長）：
酸化還元電位の基本について解説していただきたい．
光延（愛媛大学）：
酸化還元電位は簡単に言うと酸化剤と還元剤の割合
で，間隙水中でのそれらの割合を測っている．
石黒（座長）：
微生物反応に関わると思うが，微生物反応が生じている場所や生じていない場所で酸化還元電位に違いはあるのか．
光延（愛媛大学）：
水田には有機物が多く含まれるため，微生物がこれを好気的に分解できる場所では酸素が多く存在するので酸化的になり，酸素が消費された深部では還元的になる．
石黒（座長）：
光延さんのケースでは，測定値は平均的なものとして見なして良いのか．
光延（愛媛大学）：
高い空間分解能で測定しており，それぞれの部位の平均値を示しているだろうと考える．
取出（三重大学）：
ヒ素が表層で 3 価から 5 価に酸化され，水酸化鉄に吸着されるという反応の微生物との関わりについて詳しく聞きたい．5 価のヒ素はどのような形で吸着するのか．
光延（愛媛大学）：
微生物の機能遺伝子を見ている．硝酸還元でヒ素を酸化する菌も存在するが，酸素を使う酸素還元での好気性
ヒ素酸化菌のものを見ている．その働きにより 5 価のヒ素が生成される．
取出（三重大学）：
ヒ素が酸化されるのは微生物の働きか．ヒ素が 3 価から 5 価になるのは微生物の働きか，それとも表層の酸化還元電位の影響か．
光延（愛媛大学）：
微生物の酵素による触媒反応である．
石黒（座長）：
5 価のヒ素というのは，ヒ素のみが裸で存在するのか．
光延（愛媛大学）：
オキシアニオンで存在する．pH にもよるが，水素がいくつか外れたアニオン状態である．

(2019)

無記名：
FISH 法に関して，微生物だけでなく植物や土壌有機物に対して使用した場合十分な蛍光強度は得られるのか．
光延（愛媛大学）：
通常 FISH 法で細胞を染める際には，土壌，堆積物を取り除いてから操作するが，土壌鉱物が存在する状態で行う場合，土壌鉱物に蛍光プローブが付きやすいためマ
スキング剤等を使って，蛍光プローグが非特異的な吸着をしないようしてから染める必要がある．土壌鉱物以外の植物や有機物であってもマスキング剤を使えば可能と考える．
岩田（農研機構 農村工学研究部門）：
共生というテーマの中で植物体の中にいる微生物群集
がどこにどれだけいるのかという探索と，それがどうい
う働きをしているのかというのはまだまだ手のついていない部分があるというのは面白かった．窒素肥料を多く与えると悪玉菌が増えるという結果が興味深かったが，例えば具体的にどういった被害が生じるのか．植物の日持ちが悪くなるなどの知見があれば知りたい．
池田（農研機構 北海道農業研究センター）：
他の研究例として挙げると，有機栽培による農産物では腸内細菌科の割合が少なくなり，化学肥料だと多くなることで食中毒のリスクが高くなることがアメリカの植物病理学会で報告された．農産物の保存中にガンマプロ
テオバクテリアが増殖し，作物の品質劣化に繋がると言うように微生物叢には強い相関がある．腐敗や食中毒リ
スクも栽培した畑の微生物レベルに影響を受けると考えられる．
竹内（座長）：
共生に関する知見を用いて何かを評価しようとする場
合，例えば品種改良や，生産性を高めるための改善策を作ろうとしたとき，我々の知見を使ってどのようなアクションをすればいいのか．
池田（農研機構 北海道農業研究センター）：
品種改良においてはもっと植物側に興味持ってほしい．現代農業の育種では化学肥料を多く利用することを前提にパフォーマンスを強化しているが，堆肥など有機物を利用する農業で，有機物を施用した際にパフォーマ
ンスのいいもの，有機物の施用に対しレスポンスのいい，生産性の高まるものを作るという視点での育種に取り組んでほしい．
竹内（座長）：
これまでに有機栽培のシンポジウムで実際に有機栽培をしている生産者から指摘された点だが，今の品種で有機栽培してもなかなかうまくいかない．有機栽培に合った品種を作ってほしいという意見も挙がっている．こういった観点から技術的に貢献できるのではないか．
池田（農研機構 北海道農業研究センター）：
付け加えますが，植物は基本的に窒素吸収に対するブ
レーキがない．いろいろな元素に対しては一定濃度を超えると吸収を抑制するが，窒素に関しては生理的に抑制
する反応は見られない．従って人間が窒素をコントロー
ルする必要がある．
石黒（座長）：
普通土づくりには 5 年ほどかかるといわれる．粕渕さんは 10 年ほどの経験をお持ちだが，どれくらいになったら変化を感じられるようになったか．
粕渕（山形大学）：
初年度はものすごく取れて，俵だと 11 俵半ほどであっ資料：第 60 回土壌物理学会シンポジウム総合討論
た．雑草が生えないことが一因であり，5 年ほど経つとかなり雑草が生えてしまう．つまり，除草剤の効果が 1
年くらいでなくなってしまうと言われているが 5 年は維持されると思っている．またカルチ以外の機械を導入したり，栽植本数を変えて試したが，5 ∼ 6 年前に今のやり方に最終的に落ち着いた．なおそれまでの試行錯誤段
階でも全く取れなかったわけではない．
長谷川（元北海道大学）：
水耕栽培でアンモニア態窒素が 10 ppm あると生育が旺盛だが，実際に水田土中のアンモニア態窒素はどれほどか．水耕と土耕の違いは水の移動性によるのではな
いか．
粕渕（山形大学）：
実際に土壌溶液を採取し測定したところ，無肥料，無農薬の水田でアンモニアが 2 ppm くらい．循環するス
ピードを速くすれば 2 ppm でもイネは生長する．濃度とフラックスの積が窒素供給を規定するが，特にフラックスが効いており，濃度に関しては 2 ppm から 10 ppm く
らいが適当であると思っている．実際にはもっと大きなスケールで，高頻度でモニターする必要がある．さらに
ムギとイネでは全く異なり，イネは薄い窒素濃度でも 10倍以上の濃度変化があってもよく育つ．今後の研究課題であり若手研究者に期待する．
竹内（座長）：
薄い溶液を維持するというやり方は，施肥として考えた場合，緩効性肥料を使って養分を少しずつ供給するのが，実は最も良いというように捉えられる．北海道の稲作では，全量を移植前に基肥で施肥することが指導されているが，本州では何度か追肥の実施が指導されている．
地域による施肥パターンの相違についてはどの様に考えるか．
粕渕（山形大学）：
松島省三氏の V 字理論という施肥理論では窒素を初期に切らして徐々に増やすのがよいとされる．北海道でも徐々に施肥量を増やしてよく穫れたという研究結果はある．ただイネに関してはこれしかないということではな
く，実際にいろいろと試してみても，イネは大抵のことは耐えてくれる．乾燥しても通年湛水しても大丈夫であり，イネは環境条件に対して適応性が強い生き物であると理解しておくことが重要と考える．
吉田（東京大学）：
窒素の供給が増えるのはかく乱によるシアノバクテリアのための光条件の改善と，酸化層直下の弱還元層の深化による脱窒量の減少などが考えられるが，どう考えるか．
粕渕（山形大学）：
おそらくそういうことだと考える．私は 12 年間この方法でたくさんコメが作れることを実証してきた．他の人にさらに発展させてほしいと考えている．
柏木（北海道大学）：
粕渕さんはポット試験で表層の窒素量が高まりそれは光合成細菌によるものと説明した．それに対して池田さんは低窒素栽培の方が窒素固定菌の量が上がると述べていた．これは共生菌によるものだから根圏土壌だけの話
か．表面の土壌，根圏土壌，それ以外の土壌で窒素固定量に大きな差はあるのか．
池田（農研機構 北海道農業研究センター）：
無農薬栽培では表層土に除草剤は撒いていない．除草剤は草だけでなく，ほぼ例外なく微生物にも影響を与える．環境中の微生物に大きな影響のない除草剤はないと73

されている．表層土ではシアノバクテリア，光合成細菌
が炭素や窒素固定に影響を与える．さらに根圏で共生している菌類が窒素固定を行っていると考える．また最近の土壌肥料学会では鉄還元細菌の窒素固定も報告されている．田面水と根圏だけではなく，非根圏土壌の嫌気性細菌による窒素固定を考えると，化学肥料や農薬の施用量や種類が微生物に与える影響について研究する必要がある．アウトプットがイメージできないという質問があったが，化学肥料に頼る現代の農業は賢いといえるのか再考すべき．例えば，化学肥料や農薬に依存したダイ
ズ栽培では菌根菌の機能が弱まり病虫害に対する耐性も弱まるだろう．過度に依存することで，この様な負のスパイラルからは容易に抜け出せなくなる．もっと生態的な機能を活かすような研究をすべき．肥料を使った研究は喜ばれるが，それは持続的ではない．勇気をもって，持続的農業の方向に向かないといけない．
粕渕（山形大学）：
学生の頃は窒素 1 kg で 50 kg，つまり 10 kg で 500
kg/10 a 取れることになりその内の 6 kg は肥料によるものと教育されてきた．窒素 1 kg の玄米生産効率が 80 kgに上がっている中で，イネには窒素肥料は必要ないのではないか．なぜなら 10 kg 程度の窒素は様々な形態で固定されている．より窒素を固定する方法，さらに有効利用する方法を探すべき．
水野（元酪農学園大学）：
光延先生からヒ素についてミクロな世界の話を頂いた．自分は長い間環境問題について勉強しており，北海
道のヒ素の問題についての話を披露したい．北海道は中山峠を挟んで両側で非常にヒ素の高い地帯がある．札幌
も含め，土壌のヒ素が 50 ppb を超えた地域がある．全道の平均は 5 前後なのでその 10 倍はあり，時々，飲料水
基準値 10 ppb を超える井戸水などが出るだろう．十勝岳の泥流地帯でも，基準値より高くなる．10 年ほど前イ
ンドの北のガンジス川の支流の内の井戸水のヒ素を調べたら，時々とんでもなく高い数値が示され，500 ppb ほどになった．そういった水を酸化鉄に通すとヒ素濃度はストンと落ちる．5 価のヒ素は鉄と結合して溶解しない．
リン酸吸収係数が 700 くらいの低地土を用いるとヒ素を加えていっても，50 ppb を越えることはない．また，リン酸吸収係数が 1500 を越える黒ボク土を使うとその 3倍くらいヒ素が入っても溶液中に出てこないことが実験により確かめられている．土壌によって結果は相当異なる．pH が 6 前後の条件下で，酸化還元電位が 100 ∼ 200
mV より高いと 5 価になって溶けにくいが，低くなるとヒ素は簡単に溶ける．したがって水田の土壌管理では酸化還元電位の管理が非常に大事となる．
石黒（座長）：
北海道大学の波多野さんにコメントをお願いする．
波多野（北海道大学）：
今日の 5 名の演者のお話を伺って，リービッヒ · テー
アの論争，それに引き続く窒素固定菌の発見とその後の化学肥料の技術の確立などが思い浮かんだ．テーアは腐植栄養説に基づく総合的な農業管理を提唱し，それから必須元素を利用しようとする技術的な進展があり，窒素固定菌の発見，化学肥料へと進展してきた．そこにないのが化学量論的なバランスの話．例えば水野さんのニッ
ケルと鉄の話，金田さんのケイ素と窒素のバランスの話，池田さんも悪玉菌の話を窒素とのバランスの観点で話をされた．珪藻類に関しては窒素の他にケイ素を要求するが，鞭毛藻類は必要としない．そういった遷移元素バラ

74

土壌の物理性

第 141 号ンスが重要ということについて，歴史を思い出しながら聞いていた．粕渕先生の話で，有機物の鋤込みが微生物を作る原動力にならないといけないのだろうと思うが，入れすぎると還元が進む．中耕除草ではわずかしか有機物が入っていないのではないかと思われるがどうなっているだろうか．基本的に，窒素はいらないというより十分貯めたからいらないのか．微生物の窒素固定が進む仕組みがあるのだろうか．金田先生のお話しでは気孔コン
ダクタンスを上げることがイネの収量を高めることに直結しており，窒素を最小限にする土壌管理が炭素をたくさん固定することにつながることを知った．このような研究は日本人がタンパクの少ないコメを好むことにより進展させてきたのだと思われる．中国では逆にタンパクを貯めるための品種改良をしている．世界的にも日本のような流れにはなっていなかったのではなかろうか？しかし，教室のゼミでエネルギークロップの話を取り上げた学生がいたが，エネルギークロップでは窒素に対する炭素の固定量をできるだけ多くしたいということがコン
セプトになっている．このことは日本の米作りの技術がそのまま使えることを意味している．本日のお話しは，
今後どのような土壌管理技術を作っていくか改めて考えさせられた．
未回答の質問への回答
横井（和寒町）：
現場で土壌診断すると，可給態ケイ酸は低く，下限の基準値からケイカルの施用量は 240 kg/10 a 程度と多くなる．１回に施用できる農家への現実的なケイカルなどの施用量はどの程度か．
金田（秋田県立大学）：
ケイ酸資材 · 肥料の施用量は，土壌診断に基づいて決めることが基本になり，秋田県の事例では 100 ∼ 120
kg/10 a を上限として奨励している．
山形県の事例（土壌診断の読み方と肥料ケイ酸（農文協））：① 酢酸緩衝液抽出法による有効態ケイ酸が 30 mg/100 g
以上，80 mg/100 g 未満
ケイカル基準施用量は 60 kg/10 a② 有効態ケイ酸が 30 mg/100 g 以下〔算出式〕【（30(1) − 有効態ケイ酸量）×100/30(2) 】+60(3)（10 a、10 cm 耕起深）30(1) ：ケイカルの基準目標値 mg/100 g
30(2) ：ケイカルのケイ酸含有率 %60(3) ：ケイカルの基準施用量 kg/10 a③ 有効態ケイ酸が 80 mg/100 g 以上
ケイ酸資材は不要
ここで，重要なことはケイ酸資材 · 肥料を施用しても圃場管理が不適切だとケイ酸吸収が抑制されやすいことである．農家には，以下のような土壌 · 水管理を踏まえた資材 · 肥料の施用を奨励している．
① 前年収穫後，浅い明渠により田面停滞水を排除する．
② 稲わらが多量に分布している地点では，異常還元による根腐れが発生しやすくなることから，田面の稲わらは
秋の降雪前に均一にする．
③ 土壌の異常還元を進行させないために，中干しを実施する．

(2019)④ ケイ酸吸収が始まる幼穂形成期以降の土壌の過乾燥はケイ酸吸収を抑制するので間断灌漑などを実施する．
⑤ 間断灌漑は，登熟期（出穂 35 日後）まで継続する．
足立（筑波大学）：
持続可能にするための圃場整備を考える上で，微生物の機能や物理性の視点などからコメントをいただきたい．
金田（秋田県立大学）：
近年の大規模圃場整備を見ると，土壌物理性に配慮しているとはいいがたい現状にある．例えば，粘土が多い
土壌において土壌水分が多い場合でも重機が走行して圧密負荷が大きくなる事例がある．土壌孔隙は，土壌微
生物の住みかとして重要な役割を持つことが知られており，圃場整備田では，良好な土壌物理性を復活させるために土壌タイプに応じた耕起方法の導入や有機物施用などが重要になる．
足立（筑波大学）：
ダイズは窒素を収奪すると指摘されていたが，窒素固定菌を持っているのになぜそうなるのか．
金田（秋田県立大学）：
ダイズは窒素固定を行うが，同時に土壌窒素も吸収する（固定窒素の寄与率は 50 % 程度）．また，ダイズでは
収穫子実による窒素の持ち出し量が極めて大きく，固定
窒素量を上回ることから窒素収支はマイナスになる．具
体的には，収量 300 kg/10 a レベルのダイズ子実窒素量は 20 kg/10 a 程度であり，収量 600 kg/10 a レベルの
水稲収穫籾窒素量の 5 kg/10 a に比べると明らかに多くなる．
松岡（三重大学）：µ XAFS-FISH 法は，不飽和土中にも適用可能か．試料の水分状態に関わらず測定が可能か．不飽和土中にも適用可能であれば，団粒土中の微生物分布等も調べることができて幅が広がりそうだ．
光延（愛媛大学）：可能である．むしろ水分が少ないほうが，FISH 実験
時の乾燥による土壌収縮の影響を受けずに観察が可能だと思う．µ XAFS については，水の存在によって X 線減
衰が大きくなる軟 X 線領域 （4 keV 以下、µ XAFS の適
用外エネルギー領域） に吸収端が存在する元素群 （炭素, 硫黄, 窒素など） が対象でなければ，土壌の不飽和，飽和状態は分析にはほとんど影響がないと思う．土壌団
粒は端から中心に向けて酸素濃度（≒酸化還元状態）や
生元素濃度の勾配があるはずで，その環境変化に対応して微生物群集が変化すると考えられる．例えば，勾配に応じた好気性微生物から嫌気性微生物への移り変わり，それに対応する土壌元素の濃集 / 溶脱など面白い結果が得られるのではないだろうか．
岩田（農研機構 農村工学研究部門）：
ヒ素が表層 3 mm くらいのところに濃縮される現象を明らかにしたのが面白いと思う．これをヒ素の除去に応用できるかもしれないとのことだったが，量的にはどの程度集積するのか．土壌中のヒ素をかなり減らせるぐら
いなのか．知見があれば教えてほしい．
光延（愛媛大学）：
条件によっても変わるが，私達の実験では約 100 ppm
程度の汚染土壌で全体の 40% 程度のヒ素が表層に濃集することが確かめられている．濃集現象を応用して，土壌修復に応用する研究を現在進めている．

J. Jpn. Soc. Soil Phys.
土壌の物理性No. 141, p.75 ∼ 84 (2019)2018 年度土壌物理学会大会講演会
ポスターセッション

発表要旨

平成 30 年 10 月 27 日，第 60 回土壌物理学会大会が北海道大学において開催された．ポスターセッションは 51 課題の発表が行われ，熱心な討論が交わされた．ポスターセッション発表要旨の概要を資料としてここに掲載する．なお，発表要旨の全容は学会ホームページ上で閲覧可能である．

2 層モデルを用いた

飼料用水稲栽培水田における畑地の土中水分 · 熱移動予測モデルの構築

土中の還元の進行と窒素の挙動

坂井 勝 1 ，高橋由奈 1 ，丸山篤志 2 ，取出伸夫 1

渡辺晋生 1 ，山田亜香里 2 ，太田怜奈 1 ，関谷信人 1

1 三重大学大学院生物資源学研究科

1 三重大学大学院生物資源学研究科

2 農研機構農業環境変動研究センター

2 三重大学生物資源学部

植被層と土壌面における熱収支を計算する 2 層モデル

水田土中の還元や NH＋
4 の挙動の検討を目的に，5 月を HYDRUS-1D に組込むことで，気象データから 植生

および 6 月に飼料イネを移植した水田で観測を行った．

下の土中水分 · 地温変化を予測するモデルを構築した．

冠水初期の還元の進行に，前作や耕転履歴による易分解

ここでは，土壌の水分条件が熱収支各成分や蒸発 · 蒸散

性有機物量の違いの影響がみられた． また，土中の溶存速度，土壌面温度等の計算結果に与える影響について示

NH＋
4 濃度とイネの分げつ数の変化に強い相関がみられた．分げつ数が増加すると，土中に NO−
3 が生じた．根した．
キーワード：土中水分 · 熱移動，地表面熱収支，2 層モデル，HYDRUS-1Dの増加が土中への酸素供給を促し硝化が生じたと考えられる．根の吸収により土中の溶存 NH＋4 濃度が低下すると，分げつ数は低下し，SPAD 値も低下した．
キーワード：酸化還元電位，間断灌漑，アンモニア態窒素，分げつ，SPAD

2 層モデルの放射透過率と気孔コンダクタンスが畑地の地表面熱収支に与える影響
高橋由奈 1 ，坂井 勝 1 ，丸山篤志 2 ，取出伸夫 1

生長阻害水分点付近における加圧板法の測定誤差の検討

1 三重大学大学院生物資源学研究科

岩田幸良 1 ，亀山幸司 1 ，稲葉 智 2 ，宮本輝仁 12 農研機構農業環境変動研究センター

1 農研機構農村工学研究部門
2 筑波大学大学院生命環境科学研究科

地表面熱収支の 2 層モデルに含まれるパラメータである，群落の日射透過率 τ と気孔コンダクタンス gsmax の加圧板法で得られたマトリックポテンシャル（pF）と感度を検証することを目的とした．様々な τ と gsmax に

土壌水分量（θ ）の関係の妥当性を検討するため，4 種類

ついて，畑地の気象データと植物の生育データを用いての土壌と園芸培地用ヤシガラの試料について加圧板法で土中水分 · 熱移動の数値計算を行い，蒸発散速度 E と地水分を調整し，露点計測法で pF を測定した．得られた

中熱フラックス Gs ，地温を実測値と比較した．τ が小さ

結果を比較した結果，ほとんどの土壌では両計測法で得くなると，蒸散速度 Ec は小さくなるが，E への影響はあられた θ と pF がほぼ一致したが，ヤシガラでは毛管がまりなかった． また Gs はピーク時の差が大きく，その切れて試料内に水分勾配ができたことにより，豊浦砂で差は地温にも影響を与えた．gsmax が大きくなると，Ecは試験中に水分が蒸発したことにより，両測定法で得らの増加に伴い，E も増加した．

れた θ と pF の関係が異なった．

キーワード：地表面熱収支，蒸発散速度，地中熱フラッ

キーワード：水分特性曲線，露点計測法，園芸培地，豊クス，2 層モデル，HYDRUS-1D

浦砂，土壌

土壌の物理性76

第 141 号

(2019)

Cd 共存と土壌水分量の違いがコマツナによる堆肥の施用による土壌の通気性の変化

Cu と Pb の吸収に与える影響

深田耕太郎，山本翔也，佐藤邦明，林 昌平

原 百花 1 ，中村公人 1 ，烏 英格 1 ，櫻井伸治 2 ，

島根大学生物資源科学部

堀野治彦 2 ，川島茂人 1
1 京都大学大学院農学研究科
2 大阪府立大学大学院生命環境科学研究科

堆肥を施用した土壌には乾燥密度の低下や透水性の増加が見られる．しかし投入量と物理性の変化量の関係は明確ではない．そこで異なる割合で堆肥と土壌を混合し砂質土壌でのコマツナ栽培試験を実施し，カドミウム

た試料を用いて通気試験を行った．体積比（堆肥：土壌）（Cd） との共存による土壌中の銅（Cu） と鉛（Pb） の1 : 4 程度の堆肥施用区から採取した土壌と，1 : 1 で混合した真砂土を用いた．その結果，1 : 1 の混合によって体化学形態と植物への吸収の影響に着目した． その結果，

Cu は Cd との共存によって 土壌中のイオン交換態濃度が増加するが，葉への吸収量は Cu 単一と同程度で，Cdも吸収されて 生長は同様に阻害される． Pb は Cd との共存によって非可給態が増加するが，葉への吸収量は Pb
単一と同様に低く， Cd が吸収されることによって，Pb

積含水率と通気係数の関係が変化したことから，堆肥の影響が明確になる閾値は体積比 1 : 1 から 1 : 4 の間にあると推定した．
キーワード：堆肥，通気係数，保水，混合割合

単一に比べて大きく生長が阻害される．
キーワード：重金属，コマツナ，土壌水分管理，重金属
共存，化学形態

層流中におけるモンモリロナイトフロックの強度測定

過湿条件下における水田転換ダイズ畑の土壌水分変動

Di Chuan1 ，足立泰久 2

加藤千尋 · 佐々木長市 · 遠藤 明 · 松山信彦

1 筑波大学大学院生命環境科学研究科

弘前大学農学生命科学部

2 筑波大学 生命環境系

水田転換ダイズ畑において，生育初期の過湿条件がダ

Size of montmorillonite flocs coagulated with NaC1 wasmeasured in a Couette chamber as a function of shear rate.
This relation clearly demonstrated the validity of our previously proposed equation to predict the floe size obtainedin a turbulent mixing for PSL floes. In addition, it is clearly
demonstrated the adhesive strength between montmorillonite particles monotonously increases in the region of
sufficiently high salt concentration. The flowing behaviorof montmorillonite flocs were clearly captured with highspeed camera demonstrating the alignment of longer principal ax to principal ax of stress field.
キーワード：sodium montmorillonite，coagulation，floc
strength，shear field，floc orientation

イズの土壌水分消費形態に及ぼす影響を検討した．生育
初期に過湿条件下にあった場合，地下水位 40 cm に制御した場合と比較して，土壌水分消費速度のピークが遅れる傾向があった．また，収穫期に近づくにつれて根の吸水速度は低くなり，粘質土では土壌水分が増加する一方，砂質土では土壌水分量の増加は見られなかった．
キーワード：水田転換畑，ダイズ，土壌水分，数値計算

砂浜にすむ絶滅危惧種イ力リモンハンミョウ幼虫の水没回避行動から学んだ土壌物理学

集落排水処理水とバイオ炭の施用が水田陽斗 1 ，百瀬年彦 2 ，上田哲行 2

粘質土壌の物理性に与える影響

1 石川県立大学大学院生物資源環境学研究科

亀山幸司，濱田康治，宮本輝仁，岩田幸良

2 石川県立大学生物資源環境学部

農研機構農村工学研究部門

石川県羽咋市には，イカリモンハンミョウが生息する

本報告では，集落排水処理水の施用が粘質土壌の物理

砂浜海岸がある．成虫が見られるのは夏の 2 か月程度性に与える影響をバイオ炭がある場合とない場合で比較であり，残り期間の多くを幼虫で過ごす．幼虫は，砂浜した．今回の実験では総灌水量が 80 mm と少ないため，に縦穴を掘り，そこに身を隠して頭上に獲物が来るのを処理水の灌水による交換性ナトリウム割合（ESP）や EC

じっと待つ．そこは餌生物が多いという利点があるものの増加は僅かであった．一方，処理水に含まれる有機物の，高波や大雨時には冠水してしまう．冠水状態の砂浜等が土壌に添加されることにより土壌の団粒構造が安定で幼虫はどのように生き延びているのだろうか．本研究化される可能性が考えられた．

では，幼虫の水没回避行動を観察し，その行動の意味をキーワード：集落排水処理水，バイオ炭，平均重量直径，

土壌物理の面から明らかにする．

透水係数キーワード：ハンミョウ幼虫，砂浜，冠水，保水性

資料：2018 年度土壌物理学会大会講演会ポスターセッション

発表要旨

気相率を指標とした

ELPIS-JP を用いた畑地土壌水分の将来予測

チゼルプラウ耕の湿害緩和効果の評価

辻 卓弥 1 ，坂口 敦 277

1 山口大学農学部

藤井理樹 1 ，平田英輝 1 ，坂口 敦 2

2 山口大学大学院創成科学研究科

1 山口大学農学部 · 2 山口大学大学院創成科学研究科

山口県の水田における麦作や大豆作の問題として湿害

山口県山口市の畑地土壌水分を 2 年間観測し，観測結がある．湿害対策としては暗渠排水が有名であるが，山果に基づき HYDRUS-1D による畑地の土壌水移動のモ

口県では作付け前のチゼルプラウを用いた耕起による湿デル化を行い，さらに ELPIS-JP の日単位気象データを害対策が試行されており，その有効性を畝の土壌水分の利用して現在から 2091 年までの畑地土壌水分状態を予観測と気相率推定値によって評価した．また，比較的容測した．予測結果として，将来の山口市の畑地では夏以易に行える高畝を同圃場に設け，湿害対策技術としての外の時期において pF 2.7 以上の乾燥状態を示す日が増加

有効性を比較した．

するものと推定された．

キーワード：水田，チゼルプラウ，気相率

キーワード：気候変動，土壌水分，将来予測，干ばつ，

HYDRUS

団粒土中の有機物の好気的 · 嫌気的分解過程について
松岡健介，取出伸夫

溶存有機物が放射性セシウムの移動に与える影響

三重大学大学院生物資源学研究科

辰野宇大，濱本昌一郎，二瓶直登，西村 拓

微生物呼吸の酸化還元反応を考慮した有機物分解モデ
ルを HP1 により動相 · 不動相モデル（MIM）と連結し，東京大学大学院農学生命科学研究科
土壌有機物は放射性セシウム（Cs）の移動に寄与する

団粒土中の好気的 · 嫌気的分解をモデル化した．団粒内可能性があると報告されている．本研究では溶存有機物の不動相では，溶質交換係数 α が小さいほど酸素供給速（DOM）が放射性セシウムの移動に与える影響を調べる

度が小さく Eh が低下した．不動相内の有機物量が多いことを目的に室内実験を行った．その結果，DOM が Cs

ほど酸素消費速度が大きく Eh は長期間低下した．好気の移動担体として作用する，または DOM が土壌に吸着的な動相から不動相への酸素供給が有機物の酸化速度にすることで Cs の固定を阻害し，Cs の移動を促進させる

対して小さい場合，酸素呼吸に加え硝酸，鉄，炭酸呼吸可能性があることを示した．

の順に電子受容体の不足分を補填する還元反応が進行しキーワード：放射性セシウム，溶存有機物

た．
キーワード：酸化還元反応，有機物分解，動相 · 不動相モデル，呼吸，団粒

表面錯体モデルによるゲータイトの表面荷電モデリング
粘土鉱物がダイズ根近傍域のイオン動態に与える影響

小杉重順 1 ，福士圭介 2 ，石黒宗秀 3

濱本昌一郎 1 ，相山貴昭 2 ，二瓶直登 1 ，

1 北海道大学大学院農学院

小暮敏博 3 ，西村 拓 1

2 金沢大学環日本海域環境研究センター

1 東京大学大学院農学生命科学研究科

3 北海道大学大学院農学研究院

2 東京大学農学部 · 3 東京大学大学院理学研究科

土壌中の粘土の溶質吸着特性や分散凝集動態を理解す

本研究では，粘土鉱物がダイズ根近傍域でのイオン動るためにはその表面荷電特性の理解が重要となる．本研

態に与える影響を調べるため，豊浦砂を用いて根箱実験

究では溶液条件，特にリン酸吸着による表面荷電特性のを実施した．粘土鉱物を添加しない場合，8 日間の栽培変化を予測する目的で，ゲータイトを対象鉱物とし，表後，根から 30 mm 範囲に渡って土壌中セシウム（Cs），

面錯体モデルによる電位のモデリングを試みた．本研究カリウム（K）濃度の低下が見られた．一方で，粘土鉱で用いたモデルにより計算されたゲータイトの拡散層電物としてバーミキュライトを添加した場合では，根近傍

位は，pH，支持電解質濃度，リン酸イオンの吸着によるの土壌中の Cs や K 濃度の低下が見られず，粘土鉱物に

実測ゼータ電位の変化を効果的に予測した．

強く吸着されダイズに吸収されないことが分かった．

キーワード：ゲータイト，リン酸吸着，表面電位，表面

キーワード：根域，セシウム，カリウム，根箱実験

錯体モデル

土壌の物理性78

第 141 号

(2019)

Study of inter-tillage weeding in paddy field

Phosphorus availability of acid soil

without fertilizer and agricultural chemical:

in Mozambique
Luis Casimiro Savanguane1 ，Ieyasu Tokumoto1 ，Ricardo Maria2 ，Tsutomu Sato3 ，Hiroyuki Cho1
1 Saga University
2 Agricultural Research Institute of Mozambique
3 Hokkaido University

2. Nitrogen dynamics
Zhou, P.1 ，M. Ishiguro2 ，J. Kashiwagi2 ，Y. Tsukakubo1 ，V. Soluttanavong1 ，S. Kobayashi1
1 Graduate School of Agriculture Hokkaido University
2 Research Faculty of Agriculture Hokkaido University
In order to study the effect of inter-tillage weeding in
paddy field on nitrogen, we measured the nitrogen dynam−−
ics, including NH+
4 , NO2 , NO3 , total N in soil solutions
and ponded water, and investigated the influence of intertillage weeding by comparing the result among different
time inter-tillage weeding rice fields and conventional rice
field. Some data showed that the many times inter-tillage
increased the nitrogen amount. However, further researchis needed to confirm the good effect of inter-tillage.
Keywords：paddy field, nitrogen, soil solution, ponded
water, inter-tillage

Soil acidity is a common problem around the world particularly in tropical areas. It decreases agricultural production and productivity. Phosphorus deficiency is the main
problem in many acid soils in Mozambique. To understand and mitigate the availability of phosphorus in acidsoil, field survey was carried out. Additionally, speciationand solubility of phosphorus was calculated based on geochemical modeling.
Key words：soil acidity，phosphorus，chemical species，
solubility

放射線教育を目的とした
子供向けアプリケーションソフトの改良
スマートフィールドライシメータを用いたダイズ栽培圃場の蒸発散量の測定
鈴木萌香 1 ，坂井 勝 1 ，取出伸夫 1 ，三石正一 2

國崎恒成 1 ，徳本家康 1 ，坂井 勝 2 ，廣住豊一 3 ，
西脇淳子 4 ，加藤千尋 5 ，渡辺晋生 2 ，溝口 勝 6
1 佐賀大学農学部 · 2 三重大学大学院生物資源学研究科
3 四日市大学環境情報学部 · 4 茨城大学農学部

1 三重大学大学院生物資源学研究科

5 弘前大学農学生命科学部

2 アイネクス株式会社

6 東京大学大学院生命科学研究科

ライシメータ下端圧力が圃場と同一となるよう制御す

3 カ年における福島の「復興農学」に関する科学技術

るスマートフィールドライシメータ（SFL） を用い，ダ

コミュニケーション事業の推進により，小学校の義務教

イズ栽培圃場の蒸発散量 ETlys を測定した．ETlys の計算

育機関では放射線教育の教材や情報のニーズが高いことに必要な重量の差分間隔は，蒸発散量の日変化を捉えるが明らかとなった．事業の一環として放射線教育のためことができる 60 分とした．そして，ペンマン式で求めの子供向け絵本や，絵本に基づくアプリケーションソフ

た可能蒸発散量との比較から，およそ h = −3000 cm 以トを開発した．本稿では，絵本の更新やアンケートの結下で，土壌の乾燥による ETlys の低下が見られた．

果に伴うアプリケーションソフトの改良について報告すキーワード：水分移動，スマートフィールドライシメー

る．

タ，蒸発散量，ペンマン式

キーワード：アプリケーション開発，放射線教育，アウトリーチ活動，復興農学

メコンデルタの酸性土壌の改良と団粒安定性の変化

線状型マクロポア導入による

Ngyuen Thi Ca，濱本昌一郎，西村 拓

国頭マージの表面流出の削減効果

東京大学大学院農学生命科学研究科

清広真輝 1 ，森也寸志 1 ，大澤和敏 2 ，干川 明 3

ベトナム南部メコンデルタの土壌の多くは pH の低い
酸性土壌であり，農業生産性が低い．酸性土壌の改良に多用される炭酸 Ca は，土壌団粒の劣化のリスクがある

1 岡山大学大学院環境生命科学研究科
2 宇都宮大学農学部
3 石西礁湖サンゴ礁基金

ことが報告されている．本研究では，炭酸 Ca に加え有

沖縄県石垣島ではサトウキビ圃場からの土壌流亡が問機資材を用いることで酸性改良と土壌団粒安定性の両立

題となっており，本研究ではその対策として線状型マクを試みた．

ロポアの下方浸透促進による表面流出削減を提案した．

キーワード：酸性土壌，石灰施用，鶏ふん堆肥

ライシメータを用いた室内降雨実験でその効果を検討し資料：2018 年度土壌物理学会大会講演会ポスターセッション

発表要旨

79

たところ，中空の溝は膨潤によって崩壊して下方浸透機

重力で沈降する能を失い，一方，構造を維持した線状型マクロポアでは

モンモリロナイトフロックの映像の統計解析

表面流の削減効果が継続することが示された．また圃場戴 徳霖 1 ，足立泰久 2に線状型マクロポアを設置した場合の表面流出，流亡土

1 筑波大学生命環境科学研究科 · 2 筑波大学生命環境系

砂量のデータとの比較を行い，溝構造の崩壊も示唆されるなど同様の傾向を得ることが出来た．

重力場で沈降するモンモリロナイトフロックの映像をキーワード：赤土，土壌流亡，マクロポア，サトウキビ，

用いて沈降速度とフロック径の関係を解析した．二次元

表面流出

的に投影されるフロックの映像を楕円で近似すると長軸と短軸の比がほぼ 1.77 となることが示された．しかし，沈降方向に対する配向性は見出されなかった．一方，Arduino を用いた地中熱フラックスの安価な測定
丹野真衣 1 ，平嶋雄太 1 ，宮本英揮 2
1 佐賀大学大学院農学研究科
2 佐賀大学農学部

安価な地中熱フラックス測定法を検討するために，101

データのバラツキを減らす目的で，沈降するフロックを同時に直交する二つの方向から撮影し，その平均径が精度向上に資する可否を検討した．その結果，フロックの投影面積を指標とする方法が最もバラツキを減らすことを示された．
キーワード：フロック，直径，投影面積，沈降速度倍の出力増幅回路を備えた 2 組のサーモモジュールとArduino を組合せて，室内 · 野外においてフラックス計測を行った．増幅回路を実装すれば測定精度が大幅に向上し，市販の熱流板と同等の性能を示すことが確認された．
キーワード：Arduino，サーモモジュール，地中熱フラッ径の異なる土塊土壌からの蒸発と見かけの拡散係数
松本宜大，吉田修一郎，西田和弘，塩沢 昌
東京大学大学院農学生命科学研究科

クス

人工的に作成した球形の大土塊（直径約 3 cm）と小土塊（直径約 1 cm）を規則的に充填した土塊層からの蒸発
安価なセンサを活用した蒸発散量の推定実験を行った．その結果，作土が十分乾燥したのちには

丹野真衣 1，大山正巳 2 ，平嶋雄太 3 ，宮本英揮 3

大土塊を充填したポットの方が小土塊を充填したポット

1 佐賀大学大学院農学研究科と比べて，各深さの水分量が少なくなった．その一方で

2 スマートロジック株式会社 · 3 佐賀大学農学部

蒸発量は多くなった．この結果から各ポットの見かけの安 価 な セ ン サ を 接 続 し た IoT シ ス テ ム を 用 い て ，Bowen 比法により蒸発散量（ET ）を推定し，一 般的な気象観測装置によるそれと比較した．一部の温湿度
センサに不具合が認められたものの，両システムによる拡散係数を求めたところ，大土塊ポットでは分子拡散係数の約 7 倍，小土塊ポットでは約 4 倍となっていた．
キーワード：粘土質転換畑，土塊，マクロポア，蒸発，拡散係数

ET は概ね類似した経日変化を示したが，大きな差異が生じる期間が認められたため，ET の推定精度の向上のための誤差データの排除法や補正方法を検討する必要が

土壌中 CO2 濃度観測によるある．

地すべり地帯の地下水位上昇予測

キーワード：IoT，蒸発散量，Bowen 比山田百合子，伊藤 洋，早川 茜
北九州市立大学

Arduino を活用した水位計測

現在，全国に土砂災害指定区域は数多くあるものの，

藏座隆寛，平嶋雄太，宮本英揮

実際に地下水位の観測が行われている地点は非常に少な

佐賀大学農学部

い．現在，著者らは，こうした地下水位変動を簡易に予

Arduino とテープ式水位センサを活用した安価な水位
計測システムの有効性を検討するために，水田の湛水深
および地下水位の計測を行った．計測した水位は，降水や灌水のタイミングや，落水後の土壌の含水比の変化等測できる方法として，地中 CO2 濃度の連続観測システムを研究開発中であり，地下水位変動に伴う CO2 濃度の挙動を捉えることに成功している．本報では，実際の地すべり地帯に本システムを設置し，地中 CO2 濃度と地下水
位変動の関係を解明するための連続測定を試みたのでそと連動した増減を示したことから，本システムは土壌水の概要を述べる．

分動態の有力な研究ツールに なり得ると考える．

キーワード：地すべり，二酸化炭素，地下水位，モニタ

キーワード： テープ式水位センサ，水位，Arduino

リング

土壌の物理性80

第 141 号

(2019)

Influence of contact time on anionic surfactant

千里浜にたどり着くはずの砂の行方を追う(Sodium dodecylbenzensulfonate) transport in

百瀬年彦

highly humic soil under different water flux
Ailin Li, Munehide Ishiguro, Shigeyori Kosugi
Graduate School of Agriculture Hokkaido University
Although a repulsive force is generated electrostaticallybetween anionic surfactant, sodium dodecylbenzenesulfonate (DBS), and the highly humic soil due to their negative charges, DBS adsorbs in the soil because of the hydrophobic interaction. Therefore, DBS transport delaysin the soil due to adsorption. In this research, we examined the influence of contact time on DBS transport andadsorption in the highly humic soil. DBS transport indicated by pore volume became faster and the adsorption
amount was smaller with faster water flux when the soilcolumn length was smaller. The transport and the adsorption amount showed almost the same value between different water flux when the soil column length was longer
and the contact time was longer. The result indicated thatthe surfactant requires enough time to reach adsorption anddesorption equilibrium for hydrophobic effect.
Key words: anionic surfactant，transport，highly humic
soil，contact time，water flux

石川県立大学生物資源環境学部
石川県のお宝ともいえる，千里浜なぎさドライブウェ
イ（以下，千里浜）は，砂浜侵食が問題となっている．千里浜が侵食されつつあるなかで，その土砂供給河川とされる手取川の上流域で大規模土砂崩壊が生じた．手取川
河口から放出された土砂は，千里浜回復に貢献する可能性があるものの，その兆しは全く見られない．本研究では，手取川河口から放出された土砂の行方を追うことにした．
キーワード：砂浜侵食，砂浜形成，粒度試験

浸潤に伴う凍土中の浸潤速度と水分量の変化
佐藤郁弥，渡辺晋生
三重大学大学院生物資源学研究科−10 ◦ C の凍土と 3 ◦ C の未凍土一次元カラムに 10 ◦ Cの水を滴下し，浸潤実験を行った．凍土の温度は浸潤前
線通過後，0 ◦ C を維持した．−10 ◦ C の成層土の場合，浸潤速度は層境界で遅延し，上層の液状水量の減少を引き

森林小流域における起こした．液状水量が等しい場合，凍土中の浸潤速度は

土壌流亡のモデル計算と現地調査の比較

未凍土よりも速くなった．滴下速度が等しい場合，凍土

山崎琢平 · 濱本昌一郎 · 西村 拓の浸潤速度と液状水量の積が未凍土より小さくなった．

東京大学大学院農学生命科学研究科

キーワード：凍土，成層土，地温，浸潤速度，透水性

森林に沈着した放射性セシウムの河川への流出量を間接的に推定することを目的にしてモデル計算した土壌侵食マップを流域内の現地調査から得られた侵食域と比較した．マップの河川は実際の河川領域とほぼ一致した．
マップ上の侵食の多い領域は実際に集中的な表面流が発生して裸地化，または間欠河川であり，モデルは定性的に流域の侵食を再現していた．
キーワード：土壌侵食，GeoWEPP，モデル計算，現地調
査

線状型マクロポアを用いた
サトウキビ畑からの土壌流亡抑制に対する最適管理
森岡瑛世 1 ，森也寸志 1 ，大澤和敏 2 ，干川 明 3
1 岡山大学大学院環境生命科学研究科
2 宇都宮大学農学部
3 石西礁湖サンゴ礁基金

Rosetta による黄土の土壌水分特性の推定と評価
竹下修司，田川堅太，徳本家康，長 裕幸

沖縄県石垣島では，農地からの土壌流亡が大きな問題

佐賀大学農学部となっている．本研究では，線状型マクロポア導入を提案し，土壌水分量，流出土砂量，収量等を評価すること

Rosetta は，土壌水分特性のパラメータ推定が可能であ

により，土壌流亡抑制に対する最適圃場管理を検討した．

り，乾燥密度の違いが及ぼす影響の評価を可能とする．

結果，線状型マクロポアによる下方浸透効果が見られ，

中国乾燥地の黄土は，根域層で乾燥密度が約 1.2 ∼ 1.6 g
cm−3 において変化し，Rosetta を用いた黄土の水分特性の推定は重要である．本研究では，Rosetta による土壌水

土砂流出抑制に働くことが示唆された．また，植物残渣

分特性のパラメータ推定値の妥当性について検証した．

なる検証が必要であると考える．

キーワード：Rosetta，土壌水分特性，乾燥地

キーワード：赤土，土壌流亡，マクロポア，サトウキビ被覆による流亡抑制効果も大きかった．マルチングと線状型マクロポアを組み合わせた対策も視野に入れ，さら資料：2018 年度土壌物理学会大会講演会ポスターセッション
凍結実験に基づく数値解析の地表面熱境界条件の検討

発表要旨

81

奥田涼太，渡辺晋生

ネの吸水深度の推定を行なった．移植後 35 日の吸水深度は約 3 cm 付近であると推定できた．しかし，δ D のみ

三重大学大学院生物資源学研究科

を使うと移植後 63，84 日では植物内と土壌中の水安定

凍結を考慮した不飽和土中の水分 · 熱移動方程式を解

同位体比の合致が見受けられなかったが，δ 18 O を使うと移植後 6，63，84 日の吸水深度は約 15 cm 付近である

くために，熱境界条件として測定容易な気温を用いること推定できた．

とが出来れば有益である．この際，熱交換係数を与える

キーワード：水安定同位体比，吸水深度必要があり，熱交換係数は含水率依存性を持つ．本研究では含水率が不均一な土壌の凍結を考える際の熱交換係数の与え方を検討するためにカラム凍結実験と数値解析

単一間隙内の水分挙動に対するを行った．熱交換係数は地表面の含水率に依存すること

間隙形状および接触角の影響が分かった．また，空気層と土層の間で水蒸気の交換が佐藤直人 1 ，長沼菜摘 1 ，野川健人 2 ，生じていると示唆された．
キーワード：凍土，境界条件，熱交換係数，HYDRUS-1D

丸尾裕一 1 ，登尾浩助 2
1 明治大学大学院農学研究科 · 2 明治大学農学部

微小重力下における多孔質体中の水分移動が地上に比FTIR を用いた土壌有機物の特徴抽出と含有量推定

べて低下する原因を明らかにするため，水分挙動に対す

岩崎正義，森也寸志

る間隙形状や接触角の影響を検討した．

岡山大学大学院環境生命科学研究科

キーワード：微少重力，接触角，毛管力

土壌中の有機物量を知る主な方法としては燃焼法による TC （Total Carbon）の測定が挙げられる．しかし，重力の変化と粘性の関係

これは総量の測定であり，測定した炭素が最近生成され野川健人 1 ，佐藤直人 2 ，長沼菜摘 2 ，た物か古くに生成された物かの区別がつかない．そこで

FTIR （Fourier transform infrared spectrometer） を用いた赤外光による分析によって詳細な有機物分析を行う事

丸尾裕一 2 ，登尾浩助 1
1 明治大学農学部 · 2 明治大学大学院農学研究科とした．その結果，土粒子のうち粘土鉱物との波形の重微小重力下における毛管上昇速度の低下が報告されなりがあり，遠心分離を用いて土粒子を除いて分析するている．粘性の変化が毛管上昇速度の低下をもたらしたことが望まれることがわかった．さらに，重液を用いて可能性が考えられる．本研究では放物線飛行実験により

水以外の比重分画を行うと，さらに詳細な分析が期待でµ G， 1/6 G， 1/3 G 環境を獲得し，音叉型振動式粘度計

きることがわかった．

により粘性と重力の関係を評価した．その結果，粘度とキーワード：FTIR，土壌有機物，比重分画

重力には負の相関が見られた．また 1 G 条件下で毛細管粘度計を用いた粘度測定を行ない比較した．

土壌耕盤上下層における土壌物理特性と CO2 ガス発生

キーワード：粘性，微小重力，毛管上昇

西脇淳子 1 ，小松崎将一 1 ，溝口勝 2
1 茨城大学農学部 · 2 東京大学大学院農学生命科学研究科

地表で燃焼する泥炭地の燃焼シミュレーション

土壌耕盤の存在により土中炭素貯留が影響を受けると完山陽秀 1 ，益永章裕 1 ，上江洲一也 2 ，川原貴佳 1

考え，茨城県阿見町と福島県飯舘村の畑地にて，土壌耕1 シャボン玉石けん株式会社 · 2 北九大国際環境盤の有無と土壌 CO2 ガス発生量との関係を調べた．阿
見地区では耕盤の存在で炭素分解が抑制されたと考えられるデータが得られたが，飯舘地区では認められなかった．今後詳細な研究を重ね，土壌耕盤が炭素貯留に影響を与えるのか，検討していく必要がある．
キーワード：土壌耕盤上下層，土壌物理性，二酸化炭素

インドネシアにおいて発生する泥炭火災は，経済面 ·環境面で国際的な問題となっている．泥炭火災は，地中で燃焼するために水による消火では浸透しにくく，消火が困難であることが知られており，有効な消火方法を開発することが求められている．我々のグループでは，石けん系消火剤を用いた消火方法を開発し，その有効性をガス濃度定量的に評価するために消火に必要な水量を算出することを検討している．本研究では，泥炭の熱分解に関する
水安定同位体比を利用したイネの吸水深度の推定解析により，泥炭火災での泥炭地の燃焼シミュレーショ

石井佑磨 1 ，國保 凜 1 ，登尾浩助 2ンの構築を行い，ピートモス燃焼における消火水量を算

1 明治大学大学院農学研究科 · 2 明治大学農学部出した．

水安定同位体比（δ 18 O, δ D）を用いて水田におけるイモス，消火キーワード：泥炭火災，燃焼シミュレーション，ピート

土壌の物理性

82

TDR 法による MNB の相対量推定青木伸輔 1 ，玉置雅彦 2 ，登尾浩助 2
1 明治大学大学院農学研究科
2 明治大学農学部

マイクロナノバブルは土壌浄化や養殖の現場など，さまざまな分野での利用が報告されている．今後の活用を促進するためには，経時的にマイクロナノバブル濃度をモニターできる必要がある．本研究では TDR 法による
比誘電率の測定から，MNB の相対量の見積もりを試みたので，報告する．
キーワード：マイクロナノバブル，TDR 法，比誘電率

自動養液土耕栽培システムを導入したビニールハウスにおける環境条件に対する可能蒸発散量の感度解析
伊東雄樹 1 ，菅野宗夫 2 ，竹迫 紘 3 ，小沢 聖 4 ，
喜多英司 5 ，登尾浩助 6
1 明治大学大学院農学研究科
2 NPO 法人福島再生の会
3 明治大学研究 · 知財戦略機構
4 明治大学黒川農場
5 株式会社ルートレック · ネットワークス
6 明治大学農学部

ビニールハウス内において自動養液土耕栽培を用いた
ピーマン栽培土壌における環境要因に対する Penman-

第 141 号

(2019)

Effect of tied ridge with drainage furrowon the reduction of resalinization in a newly
reclaimed tidal flat soils
Lee, Kyo S.1 ，Jin-Hee, Ryu2 ，Dong-Sung Lee3 ，Beong-Deuk Hong4 ，Doug Y. Chung1
1 Chungnam National University
2 National inst. of Crop Sci. RDA
3 National Agricultural Cooprative Federation
4 Technical Review & Quality Management Institute,
Korea Rural Community
The aim of this investigation was to identify the effectof tied ridge system with drainage furrow on the reductionof resalinization in newly reclaimed tidal flat soils. For
the experiment, we used soil blocks with three simulatedrows of ridge and furrow. The results indicate that tiedridging enhanced the infiltration rate and hydraulic conductivity directly proportional to its ash size filling the furrow, leading to reducing EC of the soils in the ridge. Also,
the height and the rates of capillary rises from the watertable were significantly reduced with increasing ash size
filling the furrow. For drainage, EC and amount of waterleached from the furrow were slowly increased until the infiltration rate was decreased to half of the initial infiltration
rate. Therefore, we concluded that the porous granule bottom ash was effective in controlling the upward movementof salts by capillary rise.
Key words: drainage，furrow，resalinization，reclaimed
tidal flat soils

Monteith 法で推定された可能蒸発散量の感度解析を行った．その結果，飽差および植生上の水蒸気輸送に対する空気力学的抵抗の感度は小さく，純放射量および地中熱流量の感度が大きいことが明らかになった．
キーワード：可能蒸発散量，Penman-Monteith 法，感度解析，自動養液土耕栽培
湛水の直接観測手法の開発と湛水を生じさせうる
降雨の長期変動傾向の検討
鈴木伸治 1 ，青木将人 1,2 ，渡邉文雄 1
1 東京農業大学地域環境科学部生産環境工学科

鳥取砂丘砂と庄内砂丘砂の現場飽和透水係数の比較
登尾浩助 1,3 ，伊東雄樹 2 ，井上光弘 3 ，
藤巻晴行 3 ，小沢 聖 4
1 明治大学農学部 · 2 明治大学大学院農学研究科
3 鳥取大学乾燥地研究センター
4 明治大学黒川農場

2 基礎地盤コンサルタンツ株式会社

強度の強い雨によって湛水し，表面流去が生じると，土壌侵食や水質負荷の流亡の引き金となる．誘電土壌水分センサを用いて湛水の直接的な観測を試みたところ，目視による観察とよく一致した．また，土壌の吸水度を用いたモデルによる判定ともよく一致した．そこでモデ近年開発された現位置測定法を使って，鳥取県と山形

ルを用い，土壌水分量によらずに湛水が生じる強度の降

県の砂丘畑の現場飽和透水係数の測定値の比較を行っ

雨の頻度を調べたところ，有意な増加傾向にあることがた．両方の砂丘畑の透水係数は 10−2 cm s−1 のオーダー

明らかになった．

であった．

キーワード：気候変動，吸水度，降雨強度，湛水，誘電キーワード：透水係数，変水位法，レーザー距離計

土壌水分センサ

資料：2018 年度土壌物理学会大会講演会ポスターセッション
力ーブした共鳴筒と共鳴曲線面積の導入による音響測定法の改良
小浦心充，釜瀬諒太，深田耕太郎
島根大学生物資源科学部
音波の共鳴現象を利用した土壌の物理性の研究では，共鳴曲線からピーク周波数や最大音波強度という指標を求め気相率との関係を調べてきた．しかし，これらの指標では共鳴曲線を十分に評価できていない可能性があ

発表要旨

83

in the number of stems and the dry weight of plant riceamong all fields, the soil solution at the lower layer in CField and 5-Time inter-tillage were largest at the later stage
after final inter-tillage weeding. This result is the first yearof the field experiment. Several years will be needed to geta good influence of inter-tillage weeding. The result of rice
yield will be shown in the poster.
Key words: rice growth，rice yield，inter-tillage weeding，
no fertilizer，no agricultural chemical

る．そこで本研究では，共鳴曲線全体を評価する指標として共鳴曲線の面積を導入した．また，装置の高さを抑えるためカーブした共鳴筒を導入した．その結果，気相率との相関関係が改善された．

不織布を用いた底面灌水システムからの蒸発量と人工軽量土壌の水分量の日変化

キーワード：音響測定，共鳴曲線，真砂土，黒ボク土

畑野憲人，深田耕太郎，喜多威知郎
島根大学生物資源科学部
宮城県の津波被災水田における土壌溶液の屋上緑化を目的に作られた底面灌水システムでは，不電気伝導度の推定

織布を通して軽量土壌へ水分が供給される．しかし不織賀村敬介，徳本家康

布の給水能力に関する検討が不十分である．そこで本研

佐賀大学農学部

究では小型のポットを用いて底面灌水システムのモデルを作り，蒸発量と土壌水分の日変化を測定した．その結

津波被災農地において除塩量を計測することは重要で

果，今回の不織布の条件（幅 1 cm，接触面積 4 cm2 ，受あり，その指標である土壌バルクの電気伝導度 ECb は体持ち土壌面積 38 cm2 ，水面から土壌底面までの距離 8 ∼

積含水率 θ への依存が高い．したがって θ の影響を受け

20 cm）では，体積含水率を維持できるだけの十分な水にくい土壌溶液の電気伝導度 ECw に着目して，Rhoades,

供給を行えることが分かった．

Hilhorst の 2 つのモデルを用いて ECw の推定を行った．
ECw の実測値により近い値を示したのは Hilhorst の推定

キーワード：屋上緑化，不織布，体積含水率，蒸発値であったが，高い水分領域において過小評価される可能性もみられた．

水田の酸化還元電位変化及び窒素循環へのキーワード：土壌溶液の電気伝導度，Rhoades モデル，

中耕除草の影響

Hilhorst モデル

小林静紗 1 ，石黒宗秀 2 ，柏木淳一 2 ，
荒木Study of inter-tillage weeding in paddy field

肇 3 ，塚窪裕梨 1 ，VhanKham Soluttanavong1 ，Peiyang Zhou1
1 北海道大学大学院農学院

without fertilizer and agricultural chemical:

2 北海道大学大学院農学研究院

Rice growth and yield
Vanhkham. S1 ，M. Ishiguro2 ，J. Kashiwagi2 ，H. Araki3 ，Y. Tsukakubo1 ，P. Zhou1 ，S. Kobayashi1
1 Graduate School of Agriculture Hokkaido University
2 Research Faculty of Agriculture Hokkaido University
3 Field Science Center for Northern Biosphere
Hokkaido University

3 北海道大学フィールド科学センター

The rice growth and soil water conditions were compared in the field of inter-tillage weeding without fertilizer and agricultural chemical and the conventional field.
Inter-tillage was set 0, 2 and 5 times in order to investigate the influence. No significant difference was observed
in rice plant height among the fields with different intertillage times. However, the height was shorter in the conventional field. No significant differences were observed

中耕除草による土壌中の窒素循環への影響を明らかにするため，無肥料 · 無農薬区と慣行区を 別々の水田に設け，さらに無肥料 · 無農薬区では中耕除草の回数，0，

2，5 回によって区分けし， 実験を行った．初年度の無肥料 · 無農薬区では中耕回数による収量差は明らかではな
かったが，この年の石狩地域平均収量の約 7 割の収量を得た．水田の酸化還元電位，pH や電気伝導度も中耕回数による違いは明らかではなかったが，玄米中のタンパ
ク質含量は中耕除草回数が多いほど大きい値となり，窒素供給能力の相違を示唆した．初年度は，中耕除草 0 回区においても雑草の繁茂が無く，農薬 · 化学肥料の影響が消失する土壌環境となった後に中耕除草回数の影響が現れるものと思われる．
キーワード：水田，中耕除草，窒素循環，酸化還元電位

84

土壌の物理性

第 141 号

(2019)

ポスター賞受賞者と学会長（左から P-24：丹野真衣氏，P-31：竹下修司氏，石黒学会長，P-35：奥田
涼太氏，P-27：松本宜大氏，P-10：水田陽斗氏）．

J. Jpn. Soc. Soil Phys.

ㅮᗙ

土壌の物理性LecturesNo. 141 p.85 ∼ 90(2019)

土壌中における溶質の吸着移動現象の基礎理論

II. ラングミュアの吸着式
石黒宗秀 1

Basic theories of solute transport and adsorption in soils,
II．Langmuir’s adsorption isotherm
Munehide ISHIGURO1

1. はじめに積を総和することを以て，媒体の実効吸着率を表す式を導出できる．この実効吸着率を表す式が，ラングミュア

米国の物理学者 · 化学者のアーヴィング · ラングミュ· フロインドリッヒ式と呼ばれる式である．

アは，1932 年に「界面化学の研究」でノーベル化学賞を

吸着分子が電荷の影響を受ける場合には，電気ポテン受賞した．その研究の重要な部分が，ここに紹介するラシャルを組み入れたラングミュア式を適用できる．このングミュア式である．ラングミュアの式は，吸着の基礎

場合については，負電荷を持つ多腐植質土へのアニオン理論として最も重要である．全ての吸着サイトが均質で性界面活性剤の吸着に適用した例を示す．ラングミュア

同じ吸着エネルギーを持つ単純な固体表面に適用できる

式の考え方は，多成分の吸着へも拡張可能であり，その式であるため，複雑多様な土壌へ適用する際には，注意

展開式を紹介する．

が必要である．しかし，種々の複雑な吸着現象も，この理論に立ち返ることにより理解を深めることができる．

2. ラングミュアの式

ここでは，カオリナイトへのストロンチウムイオンの吸着への適用例を紹介するとともに，3 種類のラングミュ

2.1 ラングミュアの式の適用例

ア式の導き方を示す．

ラングミュアの式は，次式で表される．

最初に，ラングミュアが求めた吸脱着速度による平衡式による展開を示す．次に，化学反応式を用いた質量作用の法則による方法について述べる．そして，ポテン
シャルエネルギーによって状態を決定するボルツマン分布を用いた方法について記し，ラングミュア式の理解を
深める．

θ
= KC
1−θ

or θ =

KC
1 + KC(1)

ここで，θ は吸着率（最大吸着量に対する吸着量の割合）．

K は吸着定数，C は吸着物質の溶液中濃度．
ラングミュアの吸着式は，全ての吸着サイトが同じ均

ラングミュア式を土壌のイオン吸着現象に適用する際

質な吸着反応場を持つ固体表面に対する吸着理論式であには，溶液条件が重要になる．その理由は，pH や電解る．最も単純な理論式であるため，土壌の複雑な吸着に

質濃度といった溶液条件が変わると，土壌の表面電位，は適合しないことが多いが，この式を出発点にして現象

ひいては吸着サイトの吸着エネルギーが変化し，ラングを理論的に解釈することが可能となる．

ミュア式の成立要件が揺らぐからである．

吸着サイトが均質な粘土鉱物には，ラングミュア式がラングミュア式は，硫酸イオンに対して強い吸着サイ

よく一致することが報告されている（Ning et al., 2017,

トと弱い吸着サイトのあるアロフェン質火山灰土にも適用できる．均質でない多種類の吸着サイトを備えた媒体

2018）．カオリナイトへのストロンチウム（Sr2+ ）の吸着に対する適用例を，Fig. 1 に示す．図中に点線で示しに対しても，ラングミュア式を援用できる．具体的には，たラングミュア式による計算値は，吸着定数と最大吸着

様々な吸着エネルギーを持った吸着サイトのそれぞれに量を未知数として，各実測吸着等温線に良く一致するよ

対し，ラングミュア式に基づく吸着率を求め，その吸着うに調整して求めた．広い濃度範囲の結果を検討するた率と全吸着サイト数に対する当該吸着サイト数の割合のめ，両対数目盛を用いている．NaCl 濃度が，Sr2+ と比較

1 Hokkaido University, Kita 9, Nishi 9, Sapporo, 600-8589, Japan. Corre-

sponding author: 石黒宗秀，北海道大学．
2018 年 7 月 27 日受稿 2018 年 10 月 8 日受理

して高濃度かつ一定で，一定の pH 条件において，ラングミュア式が良く適合することがわかる．つまり，Na+
濃度が高くなれば，あるいは pH が低くなれば，Sr2+ 吸

土壌の物理性86

第 141 号

(2019)

Vb = kb Qθ(3)となる．ここで，kb は比例定数．吸着平衡にあるときは，吸着速度 Va と脱着速度 Vb が等しいから，（2）式と（3）式から，K = kb /ka と置けば，先述のラングミュアの吸着式（1）を得る．

2.3 質量作用の法則によるラングミュア式
ラングミュアの式は，質量作用の法則からも導ける．
これは，質量作用の法則が，前節の吸着速度と脱着速度を用いた平衡関係と類似の考え方の法則だからである．
吸着反応を式で表すと，

S + A ⇌ SA
Fig. 1 カオリナイトへのストロンチウムの吸着等温線の実測値（△□〇◇）とラングミュア式による計算値（Ninget al., 2017 の図を改変）．

(4)となる．ここで，S は空いている吸着サイト，A は吸着
分子，SA は A を吸着したサイトだから，それぞれ吸着

着量が減少する．この場合，Sr2+ はカオリナイトに静電率と濃度に対応させて，S = 1 − θ，A = C ，SA = θ である．従って，質量作用の法則により，この反応の熱力学

気力で吸着している．カオリナイトの主要な電荷は変異的平衡定数は，次式で表せる．

電荷で，pH によって電荷密度が変化し，最大吸着量が変化する．また，同じカチオンの Na+ と競合吸着を起こす

K=ため，pH とイオン濃度を一定にし，競合する Na+ 濃度

θ(1 − θ)C(5)

を Sr2+ 濃度より相対的に大きくして，Sr2+ 以外の溶液

これは，（1）式のラングミュアの式と同じである．質量条件を一定にした条件で適用可能となる．つまり，異な作用の法則においては，標準反応ギブスエネルギー ∆G0

る pH やイオン濃度で測定した吸着量を，全て同じランを用いて，グミュア式の曲線に乗せることはできない．また，Sr2+
濃度と Na+ 濃度が同程度になれば，Sr2+ 濃度が相対的に小さい場合と比べて，両者の価数の相違によって，粘土

kB T ln K = −∆G0 = −(µSA0 − µS0 − µA0 )(6)表面近傍の電位分布が多量の Sr2+ の影響で変化してラの関係式となる（アトキンス，2001）．ここで，kB はボングミュア式から離れると考えられる．このように，ラルツマン定数，µ0 はそれぞれの分子の標準化学ポテン

ングミュア式を適用する際には，pH およびイオン組成

シャルである．∆G0 は，I 章で説明した吸着エネルギーやイオン濃度のような溶液条件を揃えて適用する必要がε に対応するから，ある．それを考慮せずに，とにかく当てはめている発表

kB T ln K = −εを見かけることがある．現象の持つ意味を理解して適用(7)

したいものである．

2.2 ラングミュアの式の物理的意味（吸着平衡）であり，ラングミュアの吸着式を，吸着エネルギーで表アーヴィング · ラングミュアは，金属表面への分子吸現できる．

着の式を，吸着速度と脱着速度の平衡関係から導いた．

吸着反応式（4）では，完全な空きサイトに分子 A が吸着速度は，空き吸着サイト数と，空間中の分子の個数

吸着する場合を示しているが，土壌溶液中では，別の分あるいは濃度に比例する．これは，ランダム運動をする

子 B が吸着しているサイトに，分子 A が置き換わる，次分子拡散で吸着確率が決まるためである．つまり，空いの反応であることが多い．

ている吸着サイトの数が 2 倍になれば，その場に分子拡散で衝突して吸着する確率が 2 倍になり，空間中の分子数が 2 倍になれば，空いている吸着サイトに分子拡散で衝突して吸着する確率が 2 倍になる．従って，吸着速度

Va は，

SB + A ⇌ SA + B(8)

この場合も， SB を吸着可能サイトと考えて吸着前後の
吸着エネルギー差 ε を用いて同様に考えることができる．この反応の平衡定数は，

Va = kaCQ(1 − θ)

(2)となる．ここで ka は比例定数，C は分子の空間中濃度，

Q は全吸着サイト数，θ は吸着率．吸着している分子の脱着速度 Vb は，吸着分子数に比例するから，

K′ =

θCB
(1 − θ)CA(9)

ここで，CA は A の濃度，CB は B の濃度．分子 B の溶

講座：土壌中における溶質の吸着移動現象の基礎理論 II. ラングミュアの吸着式

2.5 分配係数

液中濃度が，反応前後でほとんど一定の場合は，′

K = K /CB = const.

(10)

濃度が小さく，KC ≪ 1 になると，ラングミュア式と置くと，先述と同じラングミュアの式となる．

K=

θ
(1 − θ)C

87

θ=
(11)

B が溶液中で圧倒的に A よりも多い条件の様な場合で
ある．

(1)

は，次の式に近似できる．

θ = KC分子 B の溶液中濃度が，反応前後でほとんど一定になるのは，B が溶媒であったり，2.1 で示した例のように，

KC
1 + KC(15)

吸着率を吸着量 q に変更すると，I 章で紹介した次の線形吸着式になる．

q = KdC

2.4 ボルツマン分布によるラングミュア式(16)

ボルツマン分布を用いてラングミュア式を導くこともできる．ボルツマン分布は，平衡状態で熱運動している

ここで Kd は，分配係数である．低濃度では，吸着量が大気の気体分子や土壌の表面近傍のイオンなどの分布状

濃度に比例するもっとも単純な関係となることが，ラン態を表すことができる．外部ポテンシャルを u とする

グミュア式からわかる．低濃度の場合は，ほとんどの吸と，exp (−u/kB T ) がボルツマン分布である．大気中の気着サイトが空いており，吸着量は，分子拡散による衝突

体分子がポテンシャルエネルギーの小さい地表面近傍に回数の確率に比例する濃度だけで決まることを示してい集まり，高度が上がるに従い希薄になることからわかる

る．環境中に微量に存在する汚染物質の吸着において，

ように，分子の分布は外部ポテンシャルの低い位置に多この式と分配係数が良く使われる．Fig. 1 の 4 本の曲線く分布する．ボルツマン分布を用いると，自然の平衡状の例においても，低濃度領域で吸着等温線が直線関係に態を，エネルギーの大きさによる確率分布で表せる．

なっていることがわかる．

分子が溶液相から吸着相に移動して吸着し，それに伴2.6 ラングミュア式の制約条件

い分子のエネルギーが δ になる場合を考えよう．溶液相

ラングミュア式は，先述したように，均一な吸着サイで分子は化学ポテンシャル µ を持っているとすれば，吸トを持ち，固体の単位量当たりの最大吸着量が決まって着相と溶液相の分子のエネルギーの差は δ − µ である．

いる場合に適用できる理論式である．異なる吸着エネル

これをボルツマン分布を用いて表すと，次式となる．

ギーサイトを持つ固体表面への吸着には，単一のラング
ミュア吸着式は適用できない．また，2.1 のカオリナイ
トへのストロンチウムの吸着例で示したように，電荷を吸着する確率吸着したサイト数=
吸着しない確率空きサイト数()θδ−µ== exp −1−θkB T

持つ固体表面の電場は，支持電解質の濃度で変化するた(12)の吸着エネルギーが変化してしまう．変異電荷を持つ固体表面の電場も，pH によって電場が変化する．永久電式（12）は，δ = µ であれば 50 % の吸着率，δ < µ であれば 50 % を超える吸着率になることを示している．化
学ポテンシャル µ と濃度 C の関係は，µ = µ0 + kB T lnC

め，支持電解質濃度を一定にしておかないと吸着サイト

荷が卓越する粘土への吸着においても，pH が低くなると，プロトン濃度が高くなり，吸着するカチオンとの競合関係に変化が生じる．ストロンチウムは支持電解質のナトリウムより吸着の選択性が高く，よって，ストロン(13)チウムの濃度が支持電解質であるナトリウムの濃度に近づいて来ると，ストロンチウムの吸着が吸着サイト近傍

である．ここで，µ0 は標準化学ポテンシャル．厳密にの電場に影響し，ラングミュア式が適用できなくなるとは，濃度は活量とすべきだが，簡略化して，濃度が小さ考えられる．ラングミュア式が適用できるのは，吸着サ

く活量と等しいとしておく．この式を用いると，（12）式

イトの吸着エネルギーが均一であることが条件である．

は，次のラングミュアの式となる（大井ら，2000a）．

よって，静電気力によるイオン吸着の場合，支持電解質

(
)
(
)
δ−µ
δ − µ0 µ0 − µθ= exp −
= exp −
−
1−θ
kB T
kB T
kB T
)
(
δ − µ0= exp −
+ lnC
kB T
)
(
δ − µ0= exp −
C = KCkB T))((
δ − µ0ε= exp −
K = exp −
kB T
kB T

濃度および pH が一定であるような条件に限られる．また，支持電解質と吸着イオンに吸着力の相違がある場合
は，適用範囲は，支持電解質が支配的な吸着イオンの低濃度領域に限られる．

(14)

3. 均質でない吸着サイトの場合
3.1 2 段階ラングミュア式

土壌の物理性88

第 141 号

土壌表面に，強い吸着サイトと弱い吸着サイトの 2 種(2019)

次の式となる．

類の吸着サイトがある場合，2 段階のラングミュア式を適用できる（大井ら，2000b）．全吸着サイトに占める強い吸着サイトの割合が f1 ，弱い吸着サイトの割合が f2

θ=

∫ ∞
−∞

θL f (ln K)d(ln K)の場合を考えると，吸着率 θ は，次式で示される．

θL =θ = f1 θ1 + f2 θ2

(17)

KC
1 + KC(23)(24)

吸着エネルギーの分布関数 f (ln K) に，ガウス分布に近

θ1 =

K1C
1 + K1 C

(18)

θ2 =

K2C
1 + K2 C(19)

f1 + f2 = 1(20)

いシップス分布を用いると，（23）式から次のラングミュ
ア · フロインドリッヒ式が導かれる（Sips, 1948）．

ここで，θ1 は強い吸着サイトの吸着率，θ2 は弱い吸着サ
イトの吸着率，K1 は強い吸着サイトの吸着定数，K2 は弱い吸着サイトの吸着定数で，K1 > K2 ． f1 = f2 = 0.5 の場合の（17）式を片対数グラフに描くと，Fig. 2 の様になる．低濃度で強い吸着サイトへの吸着が進み，更に濃度が上昇すると弱い吸着サイトへの吸着が進行することがわかる．

Fig. 3 に，硫酸イオンのアロフェン質火山灰土への吸着の実測値と，2 段階ラングミュア式による計算値を示
す．この計算モデルでは，2 つの吸着定数 K1 ，K2 および強い吸着サイト量と全吸着サイト量が未知数であり，Fig. 2 2 段階ラングミュア吸着式による吸着等温線．図中の左側の点線は強い吸着サイトへの吸着等温線（K1 =60），右側の点線は弱い吸着サイトへの吸着等温線（K2 =0.6）を表す．

実測値と合うように計算値をフィッティングにより求めた．計算値が，実測吸着等温線に良く一致している．硫酸イオンは，内圏錯体と外圏錯体として表面に直接吸着
し，拡散電気二重層中に存在する割合は少ないことが知られている（Ishiguro and Makino, 2011）．強い吸着サイ
トは内圏錯体，弱い吸着サイトは外圏錯体に対応すると考えられる．硫酸イオン濃度が高濃度側で，２段階ラン
グミュア式と実測値のずれが見られるが，これは，高濃度領域において硫酸ナトリウムの表面沈殿が形成され始めた影響と考えられる（Ishiguro et al., 2006）．

3.2 ラングミュア · フロインドリッヒ式
異なる吸着エネルギーを持つ吸着サイトが多数ある場合についても，ラングミュアの吸着式を用いて，次の式
で考えることができる．

θ=

∑

fi θi

(21)

fi = 1

(22)

i

∑
i

ここで， fi は吸着エネルギーが均質な吸着サイト i の割合，θi は吸着サイト i の吸着率．これを，吸着エネルギーが連続分布していると考えて積分で記述すると，式（7）等により f (ε)dε ∝ f (ln K)d(ln K) と考えられることから，

Fig. 3 アロフェン質火山灰土の硫酸イオン吸着等温線．
実測値と 2 段階ラングミュア吸着式による計算値との比
較．太線は，強い吸着サイトの計算値，細線は強い吸着サ
イトと弱い吸着サイトの合計値．（Ishiguro et al., 2006 を改変）

講座：土壌中における溶質の吸着移動現象の基礎理論 II. ラングミュアの吸着式

89用した計算結果を実線で示している．その際に求めた吸θ=K f Cn1 + K f Cn

着サイトの電位も図示している（Fig. 4b）．電位の項を(25)加えたラングミュア式は，電解質濃度が高くなると，遮蔽効果により吸着サイトの電位の絶対値が小さくなり，

ここで，K f ，n は正の定数で，n ≤ 1．低濃度で，K f C n ≪ 1

そのために吸着量が減少する様子を示している．実測のであれば，次のフロインドリッヒ式となる．

吸着等温線の低濃度側は協同吸着の領域，高濃度側は界面活性剤のミセル形成領域でラングミュア式が適用できθ = K f Cn

(26)

ないため，その中間の部分のみに適用している（Ahmed

and Ishiguro, 2015）．
フロインドリッヒ式が経験式として土壌への吸着に良く用いられているが，この様に，多種類の吸着サイトを持

5. 競合吸着の場合

つ場合と考えれば，ラングミュア式を用いて理論的な説
明が可能である（大井ら，2000b）．

吸着サイトは均一で，吸着分子が多成分の場合について，ラングミュア式を拡張してみよう．各吸着サイトが4. 電気ポテンシャルの影響がある場合独立に溶液相と平衡関係にあるとき，吸着確率は，吸着した時のエネルギー状態のみで決まる．分子 i が溶液相

吸着物質が電荷を持つ場合，吸着量は，吸着サイトの
電気ポテンシャルの影響を受ける．（1）式のラングミュ
ア式においてこの影響を考慮すると，（7）式の K は， 次式の様に拡張される．

()()
ε1 + ε2zeφ
K = exp −= κ exp −
kB T
kB T

で µi の化学ポテンシャルを持ち，吸着して δi のエネルギーとなる場合，2.4 で示したように差し引き δi − µi のエネルギーを得る．このエネルギー差によって，分子 iの吸着率が決まる．ただし，他種の分子の吸着している(27)

サイトは存在しないとみなして，空きサイトとの関係で，次式で表される．

()
θi
δi − µi= exp −= Ki C iθrefkB T

ここで，ε1 は電気エネルギー以外の吸着エネルギー，ε2は電位による吸着エネルギー = zeφ，κ は電位の影響を除いた固有定数 = exp(−ε1 /kB T )，φ は吸着サイトの電位，z は電荷符号を含む吸着イオンの価数，e は電気素量．
（27）式を用いたラングミュア式を適用した例を Fig.

4 に示す．これは，アニオン性界面活性剤の厚層多腐植
質黒ぼく土への吸着実験の結果である．界面活性剤も黒(28)

ここで θi は全サイトに対する分子 i の吸着したサイトの割合，θref は全サイトに対する空きサイトの割合，Ki は分子 i の吸着定数，Ci は分子 i の平衡濃度である．θrefは次式で表せる．

ぼく土も負電荷を持つため，電気的には反発力が働くが，

θref = 1 −

互いの疎水基表面間に働く疎水性相互作用によって吸着∑iθi = 1 − (∑KiCi )θref

(29)

i

している．電解質濃度が高くなると，電場の遮蔽効果に
より電気的相互作用が弱くなって，吸着量が増大してい（28）式，（29）式の関係を用いて次式を得る（大井ら，ることがわかる（Fig. 4a）．測定値にラングミュア式を適

2000b）．

Fig. 4 多腐植質黒ぼく土へのアニオン性界面活性剤の吸着．（a）実測吸着量とラングミュ
ア吸着式による計算値の比較.（b) ラングミュア吸着式による吸着サイト電位の計算値．
（Ahmed and Ishiguro, 2015）

土壌の物理性

90

θi =Ki C i∑
1 + Ki C i

第 141 号

(2019)

JP18H03963 の助成を受けたものです．
(30)

i

引用文献

競合する分子が A と B の 2 種類の場合，分子 A の吸
Ahmed, F. and Ishiguro, M. (2015): Eﬀect of adsorption site po-

着率は，（30）式を用いて次式で表せる．

tential on adsorption of sodium dodecylbenzenesulfonate inhighly humic volcanic ash soil. Soil Sci. Plant Nutr., 61: 432–

KA C A
θA =1 + KACA + KBCB
KA
KCBCA
1+K C C A
= 1+K C B B K
=
B B
A
1
+
KCBCA
1+KB CB + 1+KB CB C A

439. doi:10.1080/00380768.2014.1003144
アトキンス (2001): 9. 化学平衡. P.W.Atkins 著, 千原秀昭 · 中村(31)

亘男訳 物理化学（上）第 6 版, pp. 227–257, 東京化学同人,
東京.

Ishiguro, M., Makino, T. and Hattori, Y. (2006): Sulfate adsorption and surface precipitation on a volcanic ash soil (Allo-

KCB =

KA
1 + KB C B

phanic Andisol). J. Colloid Interface Sci., 300: 504–510. doi:(32)

10.1016/j.jcis.2006.04.032
Ishiguro, M. and Makino, T. (2011): Sulfate adsorption on

競合する分子 B の濃度を一定にした場合，KCB が一定と

a volcanic ash soil (allophanic Andisol) under low pH

なるため，（31）式の右辺を見ると，あたかも分子 A のみのラングミュア式で表現できるように見えるが，その吸着定数 KCB は，分子 B の吸着定数と濃度の関数となることがわかる．
上述の様に，複数の競合吸着物質がある場合に拡張した吸着式を示した．この吸着式は，式（28）に示したよ
うに，分子の溶液相における化学ポテンシャル µi と，分子の吸着サイトにおけるエネルギー δi によって決まる．
しかし，土壌科学で対象となることの多い拡散二重相中を漂う吸着イオンの場合は，固体表面からの距離が一定ではない．その場合の適用は，上述のような単純化が許容できる狭い条件下に制限されると考えられるが，適用が制限される場合においても，基本的な考え方は，吸着現象を理解する上で有用であろう．

conditions. Colloids Surf. A, 384: 121–125. doi:10.1016/
j.colsurfa.2011.03.040
Ning, Z, Ishiguro, M., Koopal, L.K., Sato, T. and Kashiwagi,
J.(2017): Strontium adsorption and penetration in kaolinite at
low Sr2+ concentration. Soil Sci. Plant Nutr., 63:14–17, doi:
10.1080/00380768.2016.1277435
Ning, Z, Ishiguro, M., Koopal, L.K., Sato, T. and Kashiwagi,
J.(2018): Comparison of strontium retardation for kaolinite, illite, vermiculite and allophane. J. Radioanalytical and Nuclear
Chemistry, 317:409–419, doi: 10.1007/s10967-018-5870-9
大井節男, 足立泰久, 原口暢朗, ルーク · コパル (2000a): 土のコ
ロイド現象の基礎と応用 (その 17), 吸着現象の物理的基礎.
農業土木学会誌, 68：351–361.
大井節男, 足立泰久, 原口暢朗, ルーク · コパル (2000b): 土のコ
ロイド現象の基礎と応用 (その 18), 吸着現象の物理的基礎.
農業土木学会誌, 68：479–486.

謝辞

Sips, R. (1948): On the structure of a catalyst surface. J. Chem.
Phys., 16: 490–495.

関 連 す る 研 究 は ，JSPS 科 研 費 JP25252042,

要旨ラングミュアの式は，吸着の基礎理論として最も重要であり，種々の複雑な吸着現象も，この理論に立ち返ることにより理解を深めることができる．ここでは，適用例を紹介するとともに，3 種類のラング
ミュア式の導き方を示す．最初に，ラングミュアが求めた吸脱着速度による平衡式を示し，質量作用の法則による方法とボルツマン分布を用いた方法についても記す．そして，土壌への吸着現象に適用する際の注意点を述べる．ラングミュア式は，拡張して利用することができる．均質でない吸着サイトにもラングミュア式が適用され，ラングミュア式を用いてフロインドリッヒ式を求めることができる．吸着
分子が電荷の影響を受ける場合には，電気ポテンシャルを組み入れたラングミュア式を適用できる．ラングミュア式の考え方は，多成分の吸着へも拡張可能であることを示す．
キーワード：ラングミュア・フロインドリッヒの吸着式，吸脱着速度，ボルツマン分布，質量作用の法
則，多成分の吸着

J. Jpn. Soc. Soil Phys.
土壌の物理性No. 141, p.91 ∼ 92 (2019)

かくて乾田直播に取り組みぬ
中野恵子 1

光栄にも土壌物理学会賞（論文賞）を頂戴し，土粒子

い透水性は冬作のために用意されたものと実感しましを書くことになりました．何を書くか悩みましたが，論た．乾田直播をしているという情報が入った場合にも，文の背景である「乾田直播」の取り組み経緯にしてはど調査に行きました．圃場の特殊な条件や注意深い観察を

うかと周囲の人がテーマを授けてくれました．始めに概もとに成り立っている事例ばかりで，広い面積に展開で略を言ってしまうと，「乾田直播は北部九州（二毛作地）

きるとは思えず，「乾田直播は無理」という気持ちは強くで展開する技術ではない」と思っていた人間が，「乾田直なりました．

播に取り組んでいる」と言うようになるまでの話です．
「北部九州で乾田直播は無理でしょう」期(2008 ∼ 2010 年)

現場に行くことは多くなりましたが，同僚や普及員さんの大きな背中に隠れて「ちょっと測らせてください（興味があるのは土です）」という態度でしたので，軽労

ご飯を食べながら，移植で作られたお米か，直播で作られたお米かと思いをはせたことがあるでしょうか．私化が必要だという生産者さんの差し迫った状況を私が感じとることはありませんでした．

はありません．沢山採れるとか美味しいものを作るといった技術への関心に比べて，作る人の疲れを減らす技術（収量や味は横ばいで可）に対する関心はあまり持っていませんでした．「農家人口の急激な減少は問題だ」などと口ではいいながら，その実情を真に想像できてはいなかったということでしょう．また，水稲作には圧倒的で完成された移植技術があり，根本的な栽培技術には困っていないと認識していました．
乾田直播では，畑状態に播種し，芽が出てから入水します．苗づくり，苗の運搬，代かき等を省けます．ただし，湛水維持に大きく貢献する代かきがなくなることにPhoto 1 漏水対策をしなかった乾田直播圃場（雑草だらけ）.

はリスクがあります．漏水すると，肥料や除草剤の効きが悪くなるからです．代かきにかわる漏水対策を行う時「取組は避けられない」期 (2011 ∼ 2013 年)

間は，二毛作体系ではほとんどとれません．特に暖地で乾田直播についての問い合わせの間隔は狭くなり，やある九州では雑草の勢いは猛烈です（Photo 1）．失敗しがて「透水性を抑えるのは難しいという黒ボク土でも漏たら大変なダメージとなる取り組みです．

水防止に成功している生産者さんがいる」と見学が組ま

水田作部門のリーダーから「北部九州で乾田直播はでれ，また，別方面から九州外での調査をサポートするときるか」と聞かれることはありましたが，「できない理由

いう話が来て，二毛作地での乾田直播は「難しい」ではを資料で示して」という方向のものであり，田畑輪換にすまない「実現すべき喫緊の課題」になったのだと思い

よる下層の透水性変化等の既往の研究をまとめるなどしいたりました．

て「難しい」と回答していました．

見学した事例は，最大 4 トンの自作ローラで何度か鎮「乾田直播はできるか」という問い合わせは一度きり圧するというものでした．確かに水は止まりますが，重ではありませんでした．過去でなく今のデータが必要だ

いために危険を感じたり，移動困難で使える圃場が限らと考え，現地圃場に調査に行くようになりました．代かれたりすることも聞きました．これまでの調査も合わせき用の水もたまりにくい事例も聞きましたし，下層の高て，①ローラ自重には上限を設け，②冬作の麦に必要な下層の透水性を低下させない，③短期間で作業できる，

1 農研機構九州沖縄農業研究センター

2019 年 1 月 31 日受稿

2019 年 2 月 4 日受理④ 多くの生産者さんが持っている機械サイズに合った土壌の物理性

92

第 141 号

(2019)

Photo 2 検討ローラの変遷（現在は，市販の振動ローラ SV2-T で技術を構築中）.

（設備投資はローラだけ）漏水対策の検討にはいりましに湛水できたときは本当に嬉しかったですし，我々の技た．機械担当者は，土に強いインパクトを与えるように術の強度を計ることができました．もしかすると（確認

ドラム缶に砂を詰めて重くしたローラ，それに耐久性をしたことはありませんが），最初の圃場提案は，生産者さつけたもの，油圧でさらに圧をかけるもの（Photo 2 左）んからの計画的アシストだったのかもしれません．

などを作り，私はそれらで踏まれた土を調べて効果を見るということを繰り返しました．

今は，事例を積み上げながら技術のブラッシュアップに努めています．取り組む生産者さんが増え，圃場の条

この時期，研究員たちの目標は，「現場で失敗しない技

件はどんどん幅広になってきました．技術の弱点は，生術導入ラインを引くこと」（要するに乾田直播ができな

産者さんの提案で補強されることもしばしばあります．

い圃場ではしない）でした．何しろ甘い見積もりをする

例えば， 適正な水分で踏む というのは，乾きすぎていと草だらけ（Photo 1）になるのですから．リーダーかられば雨待ちになるので，不安定な部分でしたが，「播種では「乾直可能地のマップを描くように」と言われていま起こしたあとにすぐ踏めばいいのでは」と条件を適えやした．目標としては似ているけれども，マップ化するとすい方法を提案 · 実証してくれました．一緒に研究を進

ダメ色で塗りつぶされそうだと不安に思っていました．

めているのだと実感しています．

やがて，機械担当者が振動ローラに行きつきました

現場で試験をするのは怖くてたまりませんが，まだ見（Photo 2 中央．もともとは土をほぐすために作られた作

ぬ展開への期待を励みに取り組みを続けるつもりです．

業機の振動機構を活用したもの）．振動式を使うことで，おわりにこれまでよりも効率的に漏水防止効果を得られるようにこれを書いていて，「北部九州で乾田直播は無理でしょなりました．どのような条件でも漏水防止効果を発揮す

う」期にお会いした生産者さんの言葉を思い出しました．

るために，間隙の連続性をより破壊できるだろうと表面“一般にはできないと思っていることをするのが，ウデに凹凸をつける改良もしました (Photo 2 右)．この時期，だ．コツを発見できるというのが，ウデだな．”

漏水防止効果について生産者圃場で試すこともありまし

まだ見つかっていない事象を見つけるというのが研究たが，今思い出してもぞっとする怖ろしいトラブルもあだと思い，そういう発見をして成果を上げることに憧れりました．生産者さんと同僚との確固たる信頼関係，生を持っていましたし，今も持っています．乾田直播の取産者さん自身の研究マインドに救われながら，2013 年ご

り組みでは，二毛作水田の下層の透水性が高いことも，ろ，“漏水防止” に使う道具は，振動ローラ（平滑面）と鎮圧したら間隙が潰れることも，土が変形しやすい水分

定まりました．ダメ色マップに違う色が入る希望が見えがあることも，とっくに知られていた事象で，自分がしてきました．

ていることは何だろうかとしばしば思いました．でも，「役に立つ技術にしたい」期とこれから (2014 年 ∼)既往の知見の組み合わせであっても，難しいと思われて圃場を選ばず実施できる技術の構築に努めましたが，いた技術を多くの人が確実にできるようにするポイント

圃場がどのような状態にあっても効果を発揮するというを見つけるのも発見で，憧れの形と似たところがあると，のは難しくて，土壌の水分状態を確認して鎮圧すること

今は思います．10 年近くも前にそのヒントをもらってになりました．

いたのだなと気が付きました．ちょっと残念な鈍さです

生産者圃場での失敗は，即ち生産者さんへの迷惑，技けれど，気づけたことにひとまず安堵し，話を終わりに術への落第評価です．「どうぞ」と言われた圃場の下層

します．

を事前調査したところ，ずぬけて透水性が高く，慌てて∗ 注意

もう一筆借りたこともありました．どちらの圃場も無事「期」の分け方 · 変遷 · 途中の見解は私個人のものです．関係者それぞれに，異なるだろうと思います．

会 務 報 告I. 2018（H30）年度 第 2 回評議員会
月日：2019 年 1 月 22 日 ∼ 31 日

III. 会員消息（2019 年 3 月 8 日まで，敬称略）
退会 正 会 員

饗庭

開催形式：メール会議

正 会 員

太田

健

出席委員：中辻敏朗，塚本康貴，安中武幸，冠 秀昭，

正 会 員

奥山

武彦

宮本輝仁，北川 巌，江口定夫，小林政広，

正 会 員

橋本

昌司

吉川省子，吉田修一郎，渡辺晋生，小杉賢

正 会 員

福原

道一

一朗，中村公人，望月秀俊，中野恵子，波

学生会員

奥田

涼太

多野隆介，足立泰久，牧野知之（委員 18

学生会員

國崎

恒成

名中 18 名参加：成立）

学生会員

前川

健太朗

学生会員

森岡

瑛世

審議事項：

1. 次期会長、副会長、編集委員長について
会長

足立

泰久

副会長

小林

政広

編集委員長

江口

購読

農研機構中央農業研究センター

入会 正 会 員佐藤II. 2018（H30）年度 第 4 回編集委員会
月日：2019 年 2 月 12 日 ∼ 2 月 20 日

太郎

新潟県農業総合研究所

定夫

上記、事務局案が全会一致で承認された。

直樹

学生会員

安永
寿
サレジオ工業高等専門学校

会員種別変更
正 会 員 → シニア会員

開催形式：メール会議

石川

重雄

井本

由香利

出席委員：澤本卓治，飯山一平，岩田幸良，北川 巌，
小林幹佳，三枝俊哉，清水真理子，鈴木伸治，中川進平，中野恵子，中村和正，丹羽

議事内容

現在会員数（2019 年 3 月 8 日現在）

勝久，笛木伸彦，渡辺晋生

正会員

：

234

（委員 14 名中 14 名参加：成立）

シニア会員 ：

21

学生会員

69

1. 議題
1）編集委員長より「土壌の物理性 141 号」の発行計画が提案され，全会一致で承認された．

2. 報告
1）編集幹事より，現在の閲読進捗状況について報告がなされた．

：

賛助会員
：
8
—————————————
小 計
：
332
購読会員
：
36
—————————————
合 計
：
368

94

—編 集 後 記—
所属大学で授業「土壌学」を担当している．授業回ごとに，学生から任意のコメントを受け付け，そのいくつになろうよ」という示唆や励ましを与えられているようにも感じている．

かに対しての回答をプリントで配付している．ごくまれ

この二年間，編集委員長を担当した．任が重すぎるとに面白い（奇妙な）質問がある．例えば，土壌分類のは感じて一度はお断りしたが，担当することになった．何なしをすると「先生はどんな土壌が好きですか？その理か決め手があったという記憶はないが，要請されたのな

由は何ですか？」，あるいは，土壌の骨格や構成成分のはら社会的役割を果たさなくてはならないのかもしれないなしをすると「先生は土壌の中にある何が好きですか？」と考え，「柔軟運動」になるかもしれないとも感じて，おである．

受けしたような気もする．

「好き」の価値観を連想でひろげると好感（雰囲気が実際のところ，不十分な点や不手際もあったことと思

よい，メリットがある），親近感（親しい，お近づきになうが，年 3 回の発行ができた．執筆いただいたみなさま，りたい），大切（ないと困る，肝要）等，となるだろう．

および，編集委員のご尽力による賜物である．この場をこのような連想を，授業のポイントにからめて回答する

借りてお礼申し上げる．

こともある．次年度の授業時のネタに使うこともある．

編集委員長としての二年間の経験がどのような「柔軟科学的方法や論理的思考は省けないが，多様である若運動」なったのか，あるいは，私自身の新しい「構成成い学生には，好き嫌いといった価値観や擬人化といっ分」になったのかは，いまこの時点ではよくわからない．

た切り口もなかなか有効なのではないか，と思うよう

しかし，漠然としつつも肯定的な気持ちがあることも事になった．人間は感情を持ち，各々が社会的役割を持っ実である．

ていることを考えると，これはあたりまえなのかもしれない．

末筆になるが，編集委員長の任を要請してくださった
学会長，要の役割を担っていただいた編集幹事に深く感上記のような学生の質問とそれに対する回答作成であ謝する．

れこれ考えさせられることは，結果として，凝り固まってしまいそうな中年の私（今年，年男）へ「もっと柔軟澤本卓治（編集委員長）

土壌物理学会
事務局構成

会
長
副 会 長
事務局長
編集幹事
会計幹事
会計監査

編集委員会

委 員 長
委
員

石黒
宗秀
竹内
晴信
柏木
淳一
塚本
康貴
倉持
寛太
志賀
弘行
横濱
充宏
澤本
卓治
飯山
一平
岩田
幸良
北川
巌
小林
幹佳
三枝
俊哉
清水 真理子
鈴木
伸治
中川
進平
中野
恵子
中村
和正
勝久
丹羽
笛木
伸彦
渡辺
晋生

（北海道大学）（北海道立総合研究機構）（北海道大学）（北海道立総合研究機構）（北海道大学）（ホクレン農業協同組合連合会）（土木研究所寒地土木研究所）（酪農学園大学）（宇都宮大学）（農業 · 食品産業技術総合研究機構）（農業 · 食品産業技術総合研究機構）（筑波大学）（酪農学園大学）（土木研究所寒地土木研究所）（東京農業大学）（秋田県農業試験場）（農業 · 食品産業技術総合研究機構）（土木研究所寒地土木研究所）（（株）ズコーシャ）（北海道立総合研究機構）（三重大学）

土壌物理学会会則

2）シニア会員への変更は，資格を有する会員からの申告を受け，事務局が承認する．原則として申告された年度か
第 1 条 本学会は土壌物理学会（Japanese Society of Soil Physics）
ら適応するが，当該年度中に有資格となった場合は，次年度から適応する．
と称する．
第 2 条 本学会は土壌物理に関する研究の進歩と普及を図り，農業 3）シニア会員の権利は正会員に準ずる．ただし，会則第 6条で定める役員および第 9 条で定める委員会委員に就く
技術および環境科学の発展に貢献することを目的とする．
ことはできない．
第 3 条 本学会はその目的を達成するために次の事業を行う.
（2011.10.28 制定 2017.10.14 改正）（1）研究発表会，討論会および見学会などの開催（2）学会誌「土壌の物理性（Journal of the Japanese Society「土壌の物理性」投稿規定
of Soil Physics）」並びにその他の印刷物の発行
1. 筆頭著者は本学会会員であること．
（3）内外の研究，技術の交流および他の学会，諸団体との協力
2. 投稿原稿の区分と規定ページは下記による．
（4）優れた論文に対する表彰
1）「論文」（Original papers）：独創性があり，土壌（5）その他，本学会の目的を達成するために必要な事業
第 4 条 本学会の会員は，正会員，シニア会員（これまで正会員の物理性に関する研究および技術の進歩に寄与するであって 60 歳以上の常勤職に就いていない者），学生会と見なされるもの．一編ごとに論文としての構成を
員および賛助会員，購読会員の 5 種とする．学会への入整えていて，他誌に未発表のものに限る．規定ペー会または退会の際は，本学会に届け出なければならない．
ジを刷り上がり 8 ページ以内とする．
第 5 条 会員は次の会費を所定の期日までに納めるものとする．
2）「研究ノート」（Notes）：土壌の物理性に関する新
しい事実や研究方法の改良などの短い報告で，独創
正会員
年額
5,500 円性があり他誌に未発表のもの．規定ページを刷り上
シニア会員
年額
3,000 円がり 6 ページ以内とする．
学生会員
年額
3,000 円3）「総説」（Reviews）：土壌の物理性に関する主題に（大学院生を含む）
ついて，それまでの研究を総括し，今後の発展方向
賛助会員
一口年額
22,500 円を展望するもの．規定ページを刷り上がり 10 ペー
購読会員
会誌年額
7,500 円ジ以内とする．
4）「解説」（Lectures）：土壌の物理性に関する諸事項
広告料賛助会員
15,000 円の理解を計るための平易な解説，ならびに研究技術賛助会員以外22,500 円の普及交換を進めるための紹介など．規定ページを
第 6 条 本学会に次の役員をおく．任期は 2 年とする．ただし，刷り上がり 8 ページ以内とする．
3 期連続の重任は認めない．選出方法は次による．
5）「研究紹介」（My research）：現在行っている研究，（1）会長 1 名，副会長 1 名，編集委員長 1 名
他の学会誌等に掲載された論文，研究上の工夫など
正会員の中から評議員会によって選出される．
についての平易な紹介．規定ページを刷り上がり 6（2）評議員
ページ以内とする．
イ 15 名 正会員の中から選挙によって選出される．
6）「資料」（Miscellaneous）：広く会員の参考となる
ロ 3 名以内を会長が正会員の中から委嘱する．
報告や情報．規定ページを刷り上がり 6 ページ以内（3）会計監査 2 名とする．
正会員の中から評議員会によって選出される．
7）「土粒子」（Readers’ column）：「土壌の物理性」（4）事務局長および幹事若干名
周辺のことについての随想や意見など．規定ページ
事務局長および若干名の庶務，会計，編集の幹事を会長を刷り上がり 2 ページ以内とする．
が委嘱する．
8）「講座」（Lecture series）：「解説」と本質的な違い
第 7 条 会長は毎年 1 回以上総会並びに評議員会を招集する．
はないが，特に編集委員会が企画して複数回にわ（1）総会は本学会の最高議決機関であって，事業計画，予算 ·たって行うものを指す．規定ページを刷り上がり 8
決算，会則の変更等を決定する．総会は正会員，シニア
ページ以内とする．
会員および学生会員で構成される．
9）「特集」（Topics）
：
「解説」
，
「総説」
，
「論文」
，
「研究
（2）評議員会は，会員の選挙によらない役員の選出，総会議
ノート」が混在したもので，特に編集委員会が企画案，その他の重要事項を検討する．評議員会の議長は会して複数回にわたって行うものを指す．規定ページ
長がこれにあたる．
は上記 1) ∼ 4) に同じ．
（3）総会および評議員会の議決は委任状を含む多数決とする．
10）「書評」（Book reviews）：規定ページを刷り上がただし，会則の変更は，総会出席者の 3 分の 2 以上の賛
り 2 ページ以内とする．
成を要する．
11）「巻頭言」（Foreword）：規定ページを刷り上がり
第 8 条 本学会の会務は，評議員会および総会の議を経て，会長，
2 ページ以内とする．
副会長，編集委員長および幹事がこれを執行する．会務
なお，上記区分において，編集委員会が会員または執行に必要な規程は別に定める．
会員以外に投稿依頼することがある．
第 9 条 本学会に次の委員会をおく．
3. 原稿の採否は編集委員会が決定する．編集委員会は，「論（1）選挙管理委員会
文」および「研究ノート」については 2 名，その他の投稿
正会員の中から評議員会によって選出され，本学会の評原稿には 1 名の閲読者を選んで閲読を依頼する．ただし，議員選挙を管理する．
「土粒子」
，
「書評」
，
「巻頭言」については，この限りでない．
（2）編集委員会
4. 投稿原稿が 2．に記す規定ページを越える場合には，1
正会員の中から評議員会によって選出される委員によっページあたり 10,000 円を著者負担とする．ただし，編て構成され，学会誌その他の印刷物の編集に当たる．
集委員会が会員または会員以外に投稿依頼した原稿の場（3）学会賞選考委員会
合はこの限りでない．また，カラー印刷の場合は実費を
正会員の中から評議員会によって選出される委員によっ著者負担とする．
て構成され，学会賞を選考する．
5. 投稿する場合は、投稿原稿（本文，図表含む）および原
第 10 条 本学会の経費は会費その他の収入を持ってあてる．本学稿送り状（別紙書式）の PDF ファイルを編集委員長宛会の会計年度は毎年 4 月 1 日に始まり翌年 3 月 31 日に提出する．ただし、編集委員会が別途指示した場合はに終わる．
この限りではない．
附則
6. 投稿原稿を受け付けた場合，編集委員会は速やかに受付番（1）本学会の連絡先は，これを当分の間次に置く．
号と受付日付を明示した電子メールまたは書状を投稿者に〒060-8589 北海道札幌市北区北 9 条西 9 丁目
送る．また，投稿原稿の掲載を決定した場合，最終原稿を北海道大学大学院農学研究院 生物環境工学分野受領したのちに受理日付を明示した書状を著者に送付する．
土壌保全学研究室内（2017.10.14 改正） 7. 著者に対して修正を求めた原稿が，特別な事情なく 6 ヶ月以内に再提出されないときは取り下げと見なす．
細則
8.
著者校正は初校のみとする．また，特に申し出がない限（1）シニア会員
り印刷ずみの原稿は返さない．
1）シニア会員は，これまで正会員であって 60 歳以上の常9.
掲載された論文等の PDF ファイルを著者に贈呈する．ま勤職に就いていない者
た，著者は別刷りを印刷業者から購入することができる．

10. 掲載された論文等は土壌物理学会ホームページ上にも掲

引用文献載する．論文，研究ノート，総説，解説，資料，講座に 24. 本文中で文献を引用する場合は，著者名（西暦），まついては，掲載誌発行後一年間は土壌物理学会員のみがたは（著者名，西暦）とする（例：Tanaka（1994），
閲覧できる．ただし，著者はオープンアクセス（50,000（Nakamura and Suzuki, 1981））．著者が 3 名以上の場
円：ページ制限なし）を選択することで，ホームページ
合は第 1 著者名のあとに—ら，または et al. をつける
掲載直後から誰もが閲覧可能な状態とすることができる．
（例：山田ら（1978），（Tayler et al., 1945））．
11. 本誌に掲載された論文等の著作権は土壌物理学会に帰属する． 25. 引用文献は，本文のあとに著者名の ABC 順に書く．未発表，私信は引用文献として記載しない．
（2017.10.14 改正）
26. 引用文献の書き方は以下のようにする．
「土壌の物理性」原稿執筆要領< 雑誌 >
森本 聡, 永田 修, 川本 健, 長谷川周一 (2009): 泥炭
全般的事項
林土壌の温室効果ガスの生成と消失．土壌の物理性，
1. 原稿は，日本語または英語で執筆する．
113: 3-12.
2. 日本語の原稿は，A4 判，25 字，26 行とし，上下左右Fujimaki, H., Ando, Y., Cui, Y. and Inoue, M. (2008):に 30 mm 以上の余白をとる（4 枚で 1 ページになる）．
Parameter estimation of root water uptake model
3. 日本語の投稿原稿（ただし，書評は除く）は，はじめに
under salinity stress. Vadose Zone Journal, 7: 31日本語で表題，著者名を書き，そのあとに英語で表題と38.
著者名（フルネーム）を書いてから本文を書き始める．
Millington, R.J. and Quirk, J.P. (1959): Permeabil英語の表題は，冒頭の単語の頭文字のみを大文字とし，
ity of porous media. Nature, 183: 387-388, doi:
それ以降は固有名詞等，特に大文字が必要な場合を除き，10.1038/183387a0.
全て小文字とする．英語の著者名は名の 1 文字目およびBitteli, M., Flury, M. and Campbell, G.S. (2003): A
姓の全てを大文字で記す．また，第 1 ページ下の脚注
thermo dielectric analyzer to measure the freezに，著者の所属機関と所在地を英語で，Corresponding
ing and moisture characteristic of porous meAuthor とする著者の氏名と所属を日本語で記す．
dia. Water Resour. Res., 39(2): W1041, doi:
4. 日本語の論文および研究ノートは，英語による表題 · 著
10.1029/2001WR000930.
者名と本文との間に英語で 300 words 程度の Abstract< 単行本 >と 5 個以内の Key words を入れる．
Tinker, P.B. and Nye, P.H. (2000): Solute movement
5. 日本語の投稿原稿（ただし，資料と土粒子，書評を除く）
in the rhizosphere, p.308. Oxford University Press,
は，引用文献の後に日本語で 350 字程度の要旨，およびNew York.
5 個以内のキーワードを書く．
土壌環境分析法編集委員会編 (1997): 土壌環境分析法,
6. 英語の原稿は，A4 判，ダブルスペースで作成する（約pp.129-138. 博友社, 東京.
600 words で 1 ページになる）．
松森堅治 (2005): 地理情報システムを用いた窒素負荷予7. 英語の投稿原稿（ただし，書評は除く）は，Manuscript
測モデル. 波夛野隆介 · 犬伏和之編 続 · 環境負荷を
title，Full name of authors を書いてから本文を書き始予測する, pp. 60-79. 博友社, 東京.
める．著者名は First name の 1 文字目および Family
Jury, W.A. (1996): Stochastic solute transport modname の全てを大文字で記す．また，第 1 ページ下
eling trends and their potential compatibility withの脚注に，Address of institutions of authors およびGIS. In Corwin, D.L. and Loague, K. (ed.) AppliCorresponding author を記す．
cation of GIS to the modeling of non-point source
8. 英語の論文および研究ノートは，Full name of authors
pollutants in the vadose zone, pp.57-67. SSSA Speと本文の間に 300 words 以内の英文 Abstract と 5 個
cial Publication No. 48, Madison.
以内の英語の Key words を入れる．
<Web ページ >9. 英語の投稿原稿（ただし，資料と土粒子，書評は除く）
FAO-AGL (2000): Global extent and location of sodic
は，引用文献の後に，日本語で表題と著者名，所属機関，
soils. Available at http://www.fao.org/ag/AGL
所在地，350 字程度の要旨，5 個以内のキーワードをつ/agll/prosoil/sodic.html.（確認年月日）
ける．なお，著者が外国人のみのために日本語部分の作
野菜茶業研究所 (2006): 野菜の硝酸イオン低減化マ
成が困難な場合，英語部分からの和訳により，編集委員
ニュアル. http://vegetea.naro.affrc.go.jp/joho/manual会の責任でこれらを作成する．
/shousan/index.html.（確認年月日）
10. 英語の適正化はすべて著者の責任において行うこと．自（雑誌のページには
p. や pp. をつけない．本の単数
然科学論文の執筆や校正に経験のある英語のネイティブ
ページを示す場合には
p.，複数ページを示す場合にはスピーカーによってチェックされている事が望ましい．
pp. をつける）
11. 閲読終了後に最終原稿を提出するときには，編集委員会
その他が指示する形式の電子ファイルを送付する．
27. 本要項のほか，科学技術情報流通技術基準（SIST）に準
本文
拠する．
12. 原稿には，閲読作業の効率化を図るため，本文に行番号（2012.12.20 改正）
を 5 行毎に書き入れる．
13. 章の見出しは 1.，2.，3.，節の見出しは 1.1，1.2，1.3，[土壌物理分野の SI 使用例]
項の見出しは 1.1.1，1.1.2，1.1.3 のようにし，字体は国際単位系（SI）については多くの出版物で解説されてゴシック体とする．
いるので，ここには，土壌物理に特に関連の深い単位の使
14. 略語，略号を使うときには，はじめにそれが出たときに正用例を示す．
式名称とともに示す（例：陽イオン交換容量（CEC））．
推奨される単位認められる単位15. 単位の使い方は，国際単位系（SI）による．
含水比
kg kg−1*
図表
体積含水率
m3 m−3
16. 日本語および英語の原稿ともに，図または写真の番号は
体積
m3
L, cm3 , mL
Fig. 1，表は Table 2 のように書く．
密度kg m−3 , Mg m−3
17. 日本語の論文，研究ノートの場合，図，表，写真の題名
濃度kg m−3 , Mg m−3
g L−1 , mg L−1には英語を併記する．
モル濃度
mol m−3
mol L−1
18. 図，表，写真は必要最小限度とし，同一事項を表と図に
力N重複して表示する事は避ける．
水分ポテンシャル J kg−1
kPa, m, cm, **19. 図，表，写真は 1 ページに 1 つずつ貼り付け，余白に図
透水係数
m s−1
cm s−1−1−1
イオン交換容量 molc kg , cmolc kg
表等の番号を記す．
s−1
min−1
20. 図と写真はそのまま製版されるので，鮮明なものを提出する． 回転数
収量kg m−2kg ha−1, Mg ha−1, t ha−1
21. 図は 1/2 倍などとおよその縮小率を指定し，2 倍くらい
* % 表示は，原則として分母と分子の内容が同じものの場に大きく書く．図の線の太さや文字の大きさは，刷り上合にだけ用いる．
がりの大きさを考慮して決める．
22. 地図や顕微鏡写真には定尺をつけ，縮尺や倍率はつけない． ** cm H2 O は使わない．
23. 図，表，写真の番号と題名は，別紙にまとめて一覧表とする．

その他，疑問のあるものについては意見を聞いて編集委
員会で検討する．

（2000. 3.10 改正）「土壌の物理性」投稿案内

1. 投稿原稿に対する基本方針

編集委員会は常に会員からの自主投稿を歓迎すると共に，投稿された原稿をなるべく早く，できるだけ掲載する方向で処理したいと考えています．ただし，「土壌の物理性」に掲載する原稿は読者にとって有益かつ完成したものであることが必要です．編集委員会は，投稿原稿が「土壌の物理性」に掲載するのにふさわしい内容を持つ原稿であるかどうかを基準として，掲載の可否を判断します．なお，他誌との二重投稿は認められません．
2. 投稿原稿に求められるもの
投稿に当たっては，「投稿案内」と共に「投稿規定」「原稿執筆要領」をよく読んでそれに従うと共に，閲読者が多忙な中で時間を割くことをよく理解して最大限に努力して完成した原稿としてから投稿して下さい．投稿原稿に求められるものは下の通りです．
（1） 内容について
1）オリジナリティーがあること（論文，研究ノートの場合）．
2）本誌の読者にとって有益であること．
3）導入，研究手法から結論に至る過程に論理性がある
こと．
（2） 表現について
1）原稿全体の構成が整っていること．
2）表題が適切であること．
3）文章表現が適切であること．
4）英文アブストラクトや和文要旨が適切であること．
5）SI 単位や記号の使い方が適切であること．
6）キーワードが適切であること．
7）英語の表現が適切であること．
3. 投稿原稿の受付
編集委員会は投稿原稿が体裁上最小限必要とする条件を満たしていることを確認した後，原稿を受け付けます．
条件を満たしていない場合には，著者への問い合わせ，もしくは原稿を受け付けずそのまま返稿する場合があります．
4. 閲読の目的と姿勢
編集委員会は受け付けた投稿原稿が「土壌の物理性」
へ掲載するのにふさわしいかどうかを判定する資料を得るために閲読を行います．編集委員会は適任の閲読者を選定し，閲読を依頼します． 編集委員会は閲読者に対して特に次の点について注意をお願いしています．
1）原稿の内容に対する責任は著者にあること．また，原稿の価値は読者が判断するものであること．
2）閲読は内容の批判や討議を行うものではないこと．
従って，見解の相違は掲載不適の理由にならないこと．
3）閲読者は投稿者に対して研究指導する立場にないこと．従って，新たな実験や計算の追加要求などは極力避けること．
4）閲読依頼期限を厳守すること．
閲読者から出された問題点について，編集委員会
は原稿が投稿原稿に求められるものを満たすために
必要に応じて著者に修正を求めます．ただし，これは著者に対する指導や助言ではありません．原稿の内容に対する責任はあくまで著者にあります．
5. 閲読の手順と投稿原稿の採否（1） 編集委員会は論文，研究ノートについては 2 人，その他の区分の投稿原稿については 1 人の適任者へ閲読を依頼します．
（2） 閲読者は「2」の投稿原稿に求められる各項目について投稿原稿を評価し，閲読結果を全体意見および個別指摘事項と共に編集委員会へ報告します．
（3） 編集委員会は閲読結果を審議し，投稿原稿の採否を決定します．この際，論文・研究ノートについては原則として下のように取り扱います．
1）閲読者 2 名とも総合判定が A（このまま掲載可）の場合には，閲読結果を受け取った日付で原稿を受理（掲載決定）します．
2）1 名の総合判定は A ，もう 1 名は B（指摘の点が修正されれば掲載可）の場合，または 2 名とも Bの場合には，指摘事項について著者に比較的小さな修正を求めます．修正原稿が提出され，編集委員会
が修正内容を確認した時点で受理します．

3）1 名の総合判定は B ，もう 1 名は C（指摘の点が修正された後，再閲読する必要あり）の場合，または 2 名とも C の場合には，指摘事項について著者にやや大きな修正を求めます．提出された修正原稿
は再び閲読を行います．
4）1 名の総合判定が D（掲載不適）の場合には，第 3の閲読者に判定を依頼することを含め，編集委員会
が対応を判断します．
5）2 名の総合判定とも D の場合には，その理由を付けて著者へ返稿します．
6）閲読は 2 回までとし，再閲読においても C または
D の判定がある場合には，編集委員会が対応を判断します．
（4）閲読結果の総合判定を D とする理由は次のようなものです．
1）既発表とみなされるもの．
2）重要な部分に根本的な誤りがあるもの．
3）事実に基づいた内容ではなく，単なる主観が述べられているに過ぎないもの（論文，研究ノートの場合）．
4）通説が述べられているだけで，新しい知見が全くな
いもの（論文，研究ノートの場合）．
5）修正を要する根本的な指摘事項を多く含んでいるもの．
6）連載形式で構成されており，1 編ごとに独立したものと認めがたいもの．
7）全体構成や文章が粗雑で，内容の判定ができないもの．
8）内容が本誌の趣旨に合わないもの．
9）その他，本誌に掲載する原稿としてふさわしくない
もの．
6. その他
1）共著者は全員が原稿に責任を負って下さい．共著者がいるにもかかわらず，その共著者が原稿を読んでないと判断されるような基本的なミスがある場合には，閲読を中止して返稿することがあります．
2）修正原稿を返送する場合には，修正結果がすぐに分かるような回答書（指摘事項に対応した修正箇所・内容一覧）を作成し，添付して下さい．
3）原稿は一度印刷公表されると末永く評価と批判の対象になります．閲読意見に対しては極力冷静かつ慎重に対処して下さい．誤解があった場合には，その誤解を解くだけでなく，誤解を受けないような書き方に改める努力が求められます．
4）「掲載不適」で返稿された原稿を再投稿する場合は新規投稿扱いとなります．「掲載不適」とした理由を十分に確認・検討の上，再投稿して下さい．
（2004. 6.29 改正）「土壌の物理性」閲読の手引き

1. 閲読依頼期限の厳守をお願い致します．万一，期限内に閲読が困難な場合には，速やかに編集委員会事務局へ連絡して下さい．
2. 「投稿案内」において，下のものを投稿原稿に求めています．閲読においても，これらをその基準とします．
（1）内容について
1）オリジナリティーがあること（論文，研究ノートの場合）．
2）本誌の読者にとって有益であること．
3）導入，研究手法から結論に至る過程に論理性がある
こと．
（2）表現について
1）原稿全体の構成が整っていること．
2）文章表現が適切であること．
3）表題が適切であること．
4）英文アブストラクトや和文要旨が適切であること．
5）SI 単位や記号の使い方が適切であること．
6）キーワードが適切であること．
7）英語の表現が適切であること．
3. 「掲載不適」とする理由としては，下のようなものが挙げられます．
1）既発表とみなされるもの．
2）重要な部分に根本的な誤りがあるもの．
3）事実に基づいた内容ではなく，単なる主観が述べられているに過ぎないもの（論文，研究ノートの場合）．
4）通説が述べられているだけで，新しい知見が全くな
いもの（論文，研究ノートの場合）．
5）修正を要する根本的な指摘事項を多く含んでいるもの．

6）連載形式で構成されており，1 編ごとに独立したものと認めがたいもの．
7）全体構成や文章が粗雑で，内容の判定ができないもの．
8）内容が本誌の趣旨に合わないもの．
9）その他，本誌に掲載する原稿としてふさわしくない
もの．
4. 原稿の内容に対する責任はあくまで著者にあります．また，原稿の価値は読者が判断するものです．
5. 閲読は内容の批判や討議を行うものではありません．
従って，見解の相違は掲載不適の理由にはなりません．
6. 閲読者は投稿者に対して研究指導する立場にありません．
よって，新たな実験や計算の追加要求などは極力避けて下さい．
7. 閲読者は著者と直接折衝をしないで下さい．著者との交渉はすべて編集委員会の責任で行います．
8. 閲読者として知り得た印刷前の原稿の内容はいかなる形でも利用・引用等出来ません．厳にご注意下さい．
9. 著者に修正を求めた後に再閲読で総合判定を D（掲載不適）とすることは，閲読者にとっても著者にとっても非生産的です．完成度の低い原稿などにおいては，修正を求め再閲読を行うよりも「掲載不適」として練り直してから新たに投稿するよう促した方がよい場合があります．
その場合には，「掲載不適」の理由（「3」参照）を明示して下さい．個別指摘事項への意見は不要です．
10. 閲読者から編集委員会へ意見等がある場合は，必ず「編集委員会への意見」として別紙への記入をお願いします．
（2003. 5.28 改正）
土壌物理学会学会賞規定

1. 種類

学会賞に論文賞と優秀ポスター賞をおく．

2. 論文賞の選考

論文賞は，年 1 回、以下の手順により論文賞選考委員会「以下，選考委員会」で審査し，評議員会で決定する．
（1）賞の対象とする論文は，「土壌の物理性」に，原則として前年度（前年 4 月 1 日から翌年の 3 月 31 日まで）に掲載された原著「論文」とする．
（2）正会員（1 名以上）は, 学会賞受賞候補として（1）に該当する論文を自薦もしくは他薦することができる.
（3）（2）に記す論文の推薦は，学会誌「土壌の物理性」に公示された募集を受け，所定の書類を必要部数揃え，

期日までに学会事務局に提出しなければならない．
（4）選考委員会では，（1）に該当する論文の中から，（2）の推薦も考慮して受賞候補論文（以下，候補論文）を審査 · 選考し，評議員会へ付議する．
（5）評議員会では，候補論文が受賞に適格かどうかを判定する．
3. 優秀ポスター賞の選考
優秀ポスター賞（以下，ポスター賞）は年 1 回，以下の手順により決定する．
（1）選考の対象は，当該年度の土壌物理学会大会において発表されたポスターであって，筆頭者は会員とする．
ただし，ポスターの筆頭者が学生の場合に限り，会員外であっても選考の対象に含める．
（2）ポスター賞は（1）に該当するポスターの中から，選考委員会および会員の投票により選考する．（5 件以下）
4. 表彰
（1）論文賞は，通常総会において表彰を行う．また会誌上に公表する．
（2）ポスター賞は，土壌物理学会大会において表彰を行う．また，会誌上に公表する．
（2002.11.23 制定 2013.10.26 改正）
土壌物理学会学会賞選考委員会規定

1. 目的

学会賞選考委員会（以下委員会という）は，論文賞および優秀ポスター賞の選考を行うことを目的とする．
2. 業務
委員会はつぎの業務を行う．
（1）学会賞規定に基づく論文賞および優秀ポスター賞の選考．
（2）土壌物理学会学会賞選考に関するその他の事項．
3. 構成
委員会は委員長 1 名および委員 5 程度を持って構成する．
（1）委員会は正会員より構成される．
（2）委員は評議員会の推薦に基づき総会で決定する．
（3）任期は 2 年とする．ただし，再任はさまたげない．
（4）委員長は委員の互選により選出する．
（5） 若干名の専門委員をおくことを認める．
4. 開催
委員会は年 3 回程度開催する．
（2002.11.23 制定 2003.11.22 改正）

原 稿 送 り 状
受付番号（本会で記入）：
発送年月日

年

区 分

論文

月

日

研究ノート

受付年月日（本会で記入）
総説

解説

資料

年

研究紹介

土粒子

月

日

書評

表題（和文）

表題（英文）

キーワード（日本語：５語以内）

キーワード（英語：５語以内）

著者名 1
ローマ字 ∗

所属

本会

会員 · 非会員

著者名 2
ローマ字 ∗

所属

本会

会員 · 非会員

著者名 3
ローマ字 ∗

所属

本会

会員 · 非会員

著者名 4
ローマ字 ∗

所属

本会

会員 · 非会員

著者名 5
ローマ字 ∗

所属

本会

会員 · 非会員

Corresponding
author の〒住 所・氏 名
電話 ·FAX 番号

TEL. ：

E-mailE-mail ：本文原稿枚数
表
別刷

FAX.：

A4：（
枚

図
（カラー図番号．

枚）
枚

希望しない · 希望する（）

写真（カラー写真番号．
部）

付記：投稿の宛先は土壌物理学会ホームページを参照のこと（http://js-soilphysics.com/）
著者には pdf ファイルを贈呈します．別刷を希望する方は印刷業者から購入することになります．
*著者名は漢字とローマ字の両方を記入してください．

枚）土壌物理学会会員登録用紙 [入会 · 退会 · 登録事項変更]
必要事項をご記入の上，このまま下記宛先に（郵便，FAX，E-mail の添付ファイルなどで）お送
りください。
届出内容

入会

申込年月日

西暦
正 ·

会員種別

· 退会 · 登録事項変更
年

シニア

月

日

· 学生 ·

購読 ·

賛助

氏名
同上ローマ字読み性別

男

生年月（西暦年 · 月）

· 女

西暦

年

勤務先

· 自宅

月

勤務先
勤務先所在地〒

勤務先電話番号 / FAX 番号
勤務先 e-mail自宅住所〒

自宅電話番号 / FAX 番号
自宅 e-mail
会誌の送付先本学会以外の主な所属学会
学生会員のみ記載（本人に連絡が取れないときの連絡先として）指導教官名指導教官 e-mail

本会記入
受付年月日：
承認年月日：
送付先 · 問い合わせ先
土壌物理学会事務局（事務局長）〒 305-8572 茨城県つくば市天王台 1 丁目 1-1
筑波大学 生命環境系 環境コロイド界面工学研究室内

Tel. 029-853-6638 Fax 029-853-7198
E-mail spsyomu@ml.affrc.go.jp

山下祐司

宛

複写される方に本誌に掲載された著作物を複写したい方は，（社）日本複写権センターと包括複写許諾契約を締結されている企業の従業員以外は，著作権者から複写権等の行使の委託を受けている次の団体から許諾を受けて下さい．著作物の転載 · 翻訳のような複写以外の許諾は，直接本会へご連絡下さい．

〒 107-0052

東京都港区赤坂 9-6-41

TEL：03-3475-5618

乃木坂ビル

FAX：03-3475-5619

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E-mail：kammori@msh.biglobe.ne.jp

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FAX：81-3-3475-5619

E-mail：kammori@msh.biglobe.ne.jp

土壌の物理性 第 141 号（会員配布）
発行 土 壌 物 理 学 会

2019 年 3 月 20 日発行〒 060-8589

北海道札幌市北区北 9 条西 9 丁目 北海道大学大学院農学研究院
生物環境工学分野 土壌保全学研究室内 柏木淳一 宛

電011-706-3641
FAX 011-706-2494
spsyomu ＠ ml.affrc.go.jp
http://js-soilphysics.com/ent
北洋銀行北七条支店（店番 312）
普通 4093179 土壌物理学会 会計 倉持寛太
口座番号：01350-2-40943

話

E-mail
URL
銀行口座
郵便振替

加入者名：土壌物理学会
編集委員会事務局（投稿原稿送付先）
所在地はホームページ（http://js-soilphysics.com/ent）で最新の物を確認して下さい．

E-mail印

kibyosi@ml.affrc.go.jp
刷

創文印刷工業株式会社〒 116-0011 東京都荒川区西尾久 7-12-16

ISSN 0387-6012

Journal of the Japanese Society of Soil Physics
No. 141

March, 2019

Contents
S. YOSHIDA...

1

C.T. NGUYEN, S. HAMAMOTO and T. NISHIMURA...

3

Mechanism of dissolved iron production in a watershed and the effect of soil freezing and thawing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . T. ONISHI, Y. TASHIRO, M. YOH and T. SHIRAIWA

...

19

M. ISHIGURO

...

31

The exploration of factors that determine soil productivity..........................................................................

N. MIZUNO...

33

Recent changes in paddy soils and strategy for sustainable rice production..........................................................................

Y. KANETA...

41

S. MITSUNOBU

...

49

S. IKEDA...

57

T. KASUBUCHI, H. ARAO and H. YASUDA

...

65

...

71

....................................................................................
Abstract of poster session
Lectures
Basic theories of solute transport and adsorption in soils, II．Langmuir’s adsorption isotherm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . M. ISHIGURO . . .

75

85

Readers’ Column.........................................................................

...

91

Announcements...............................................................................................

93

Editor’s Postscript...............................................................................................

94

Foreword..........................................................................

Original Papers
Effects of soil amendments on pH and aggregate stability of saline sodic soil and acid sulfate soilin Mekong delta, Viet Nam....................................
Special section for Cold Regions Research and Engineering
Reviews

Symposium reviews
Preface........................................................................

Direct observation of microbe-element-mineral interaction in soils and sediments......................................................................

Geochemical cycles and sustainability of agricultural ecosystems from a view point of plant microbiology.............................................................................
Warning for modern agriculture depending on chemical fertilizers and agricultural chemicals— Significance of the multiple-intertillage-weeding method developed in Edo-era —............................................

Discussion at the 60th symposium: The sustainable agriculture system evaluated from the viewpointof nutrients cycle, microbiology and symbiosis in soil...................................................

J. KASHIWAGI and Y. TSUKAMOTO

K. NAKANO

Published by

Japanese Society of Soil Physics
Research Faculty of Agriculture, Hokkaido University
Kita 9, Nishi 9, Kita-ku, Sapporo, Hokkaido 060-8589 Japan

http://js-soilphysics.com/