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第 150 号

2022 年 3 月

目

次

巻頭言

丸山利輔

...

1

宮本輝仁

...

3

Clarke Topp...

5

Rien van Genuchten...

7

Dani Or

...

11

登尾浩助

...

15

...

23

...

85

...

93

東陸太郎 · 濱本昌一郎 · 西村 拓

...

105

熱収支ボーエン比法による蒸発散量算定への Arduino と CMOS 温湿度センサーの適用伊藤祐二 · 平嶋雄太 · 宮本英揮 · 籾井和朗

...

115

...

125

会務報告

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

129

編集後記

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

131

150 号記念特集
土壌の物理性 150 号の企画についてメッセージ
How to approach research — what research in TDR taught me
The evolving world of soil physics
Soil structure dynamics — a journey to discovery

解説

論文再訪（Noborio, K., McInnes, K.J. and Heilman, J.L. (1996):

Measurements of soil water content, heat capacity, and thermal
conductivity with a single TDR probe. Soil Science, 161: 22–28.）

資料

みんなのミニレビュー
みんなのミニレビューを分析してみると溝口 勝 · 杉野弘明

JpGU 特集
論文

不耕起栽培と人工マクロポア導入が石垣島サトウキビ畑における土壌保水と有機物蓄積へ与える効果
岡香菜子 · Bui Thanh Long · 森也寸志 · 大澤和敏 · 干川 明
陽イオン交換反応が飽和多孔質媒体中のコロイド輸送に与える影響

Arduino 特集
研究ノート

資 料
Arduino の概要と私の応用例の紹介

坂口

敦

①

③a ③
b

②a
②b

表紙写真の説明①②③「地表流と土壌流亡削減の取り組み」
地表流をパーシャルフリュームで，土壌流亡量を濁度計で計測する．実際に農家が取り組める試みとして，植物残渣を残した不耕起栽培では土壌表面を保護し，また人工マクロポアでは下方浸透の促進を試みた．初期の取り組みとして土壌水の保水状況と有機物の蓄積 · 消失について特に言及した．詳しくは，今号掲載の論文「不耕起栽培と人工マクロポア導入が石垣島サトウキビ畑における土壌保水と有機物蓄積へ与える効果」をご参照下さい．
「実験試料：多孔質媒体（豊浦砂）とコロイド粒子（カルボキシラテックス）」
a. 飽和豊浦砂を充填した直径 5 cm，高さ 6 cm のアクリル製カラムである．実験では，写真のカラム下端から上端に向けて飽和を維持しながら溶液を通水し，多孔質媒体（豊浦砂）に対するコロイド粒子の挙動を観察した．b. ゼータ電位測定装置（ZEECOM）を用いて取得したコロイド粒子（カルボキシラ
テックス）の画像．粒子の平均粒径は 500 µ m である．電解質水溶液（50 mol m−3 NaCl 水溶液）中で電気泳動するコロイド粒子を追尾し，各粒子の泳動度からゼータ電位を算出した．詳しくは，今号掲載の論文「陽イオン交換反応が飽和多孔質媒体中のコロイド輸送に与える影響」をご参照下さい．
「温湿度センサーの器差検定」
a. 高額 · 高性能センサー（手前）と安価な CMOS センサー（奥）による温湿度測定値の比較実験．
b. ラジエーションシールドが CMOS センサーの温湿度測定値に及ぼす影響を評価するための室内実験．
詳しくは，今号掲載の研究ノート「熱収支ボーエン比法による蒸発散量算定への Arduino と CMOS 温
湿度センサーの適用」をご参照下さい．

2022 年度土壌物理学会大会のご案内

日時：10 月 29 日（土） 9:00 ∼ 18:00（予定）場

所：三重大学（シンポジウムはオンライン配信）（予定）（状況によってはオンライン開催のみとなる場合があります）

参加費：無料
要旨集：電子版無料（紙面版は希望者のみ有料配布）

1. 第 64 回シンポジウム
テーマ：不飽和帯–地下水間の水分 · 化学物質移動のモデル化— 土壌物理学に求められるもの —（仮）」陸域水循環において不飽和帯からの地下水涵養は，地下水流動に対しては上端境界，土中の水分移動に対しては下端境界を与える重要な要因です．土壌物理学の分野では，地表面から
地下水面までの不飽和帯や根群域における水収支を不飽和水分移動の視点から取り組んできました．しかし，下端境界の観察や下方への水分 · 溶質フラックスの推定は難しく，不飽和帯−地下水間の水分 · 化学物質移動の評価は長年の課題です．一方，豪雨時の不飽和帯から地下水への浸透や不飽和帯から地下水への汚染物質の移動など，周辺分野からの関心も高まっています．そこで今回のシンポジウムでは，不飽和水分 · 化学物質移動モデルが陸域水循環モデルにおける不飽和帯−地下水間の水分 · 化学物質移動の推定にどのように貢献できるのか，また課題は何かなどについて議論を深めたいと思います．

2. ポスター · セッション「土壌物理研究の最前線」とシンポジウムテーマと関連した「不飽和帯における下方への水分 · 化学物質移動」のセッションを設けます．
不飽和帯や根群域における下方浸透は，土中水圧力や水分量測定に基づく推定，フラックス
測定装置の開発など取り組まれてきましたが，研究としても取りまとめにくいテーマなので，今後の課題としてお蔵入りしていることも多いのではないでしょうか．シンポジウムとも関連させて，改めて下方浸透について議論しませんか?
申し込み等の詳細は，次号および学会ホームページ（７月頃より）に掲載予定．

3. 企業展示
4. 土壌物理学会総会
シンポジウム会場において，土壌物理学会総会を開催する予定です．総会では，土壌物理学会賞（論文賞）の授与を行います．
農業農村工学会土壌物理研究部会の研究集会も，対面開催の場合は前日 13:00 から三重大学での開催を検討しています。ホームページ等で最新の情報をご確認の上、ご興味のある方は是非ご参加ください。

新年度の異動 · 転居等に伴う会員登録情報変更についてのお願い
土壌物理学会事務局
学会員のみなさまには，平素より当学会運営へのご理解とご協力をいただき，まことにありがとうございます．
さて，新年度を迎えて，異動や卒業等に伴う会員情報（所属，住所，学会誌送付先，会員種別等）の変更が生じる方もいらっしゃるかと思います．登録内容に変更が生じた場合には，速やかにご変更のお手続きをお願いします．
会員情報の変更や退会の申請等のお手続きは，土壌物理学会公式ウェブサイトの「マイページ」
から行ってください．ウェブサイトをご利用になれない方，マイページのご使用方法が分からな
い方は，以下の学会事務局にお問い合わせください．
例年，大学卒業 · 大学院修了時に，会員情報の変更忘れがございます．指導教員の先生方につきましては，ご確認の程よろしくお願いいたします．

問い合わせ先土壌物理学会事務局（会計幹事）坂井 勝

E-mail：spsyomu@ml.affrc.go.jp
Tel：059-231-9251
学会 HP：https://js-soilphysics.com/

J. Jpn. Soc. Soil Phys.
土壌の物理性No. 150, p.1 ∼ 2 (2022)

土壌物理学会の今後の発展に向けて
丸山利輔 1

土壌物理学会機関誌「土壌の物理性」の編集委員長から巻頭言への執筆依頼があった．私は学会員ではあるが近年土壌物理に関する研究から遠ざかっていたので，お受けするべきかどうかと迷ったが，本学会の周辺にいる 1 会員，
あるいは外部に近いところにいる者として，学会の発展はどうすべきかと考え，感じていることを述べて責務を果た
したい．

1. 学会員の減少に歯止めをかけ増加に転向するために
土壌物理学会は，現在会員 316 名（正会員 207 名），取出伸夫現会長によると限界集落に近い危機的状態であるとのことである．どの学会でも同じことであるが，会員になるメリットがあれば会員は増加するし，なければ減少の憂
き目にあうことは世の習いである．会員が減少するのは残念ながら会員になるメリットが少ないという点は認めなければならないであろう．では，なぜ少ないのか．
土壌物理学会誌，土壌の物理性を拝見した限りでは，科学論文に限定されすぎてはいないだろうか？ 学会であるから科学論文に徹するのは当然であり，学会の進むべき当然の方向ではあるが，これでは土壌の物理性を課題としている研究者周辺の実務者には，敷居が高すぎて入会できないのではないか．私共の研究は，真理の探求は勿論のこと，
それを超えて，実際の社会に役立つことを目的としている．研究の成果を社会に還元する視点が弱いのではないか．
この弱点を克服するためには，大学の土壌物理研究者のみでは荷が重すぎる．各県に設置されている農業研究セン
タ−，日頃，自分の水田や畑で問題を抱えている農業の実体験を持つ人達（実務者 · 農家）との協同作業が必要ではないか．大学 · 研究所の基礎的な研究をかみ砕いて，実社会で利用して頂くと同時に，大学 · 研究所の人たちの気付
かない課題を実社会の経験者から頂戴する仕組みが不足していないか．両者の関心がどんどん乖離しているのが，最近の動向ではないだろうか．
現代は，IoT 時代である．このような理念のもとに，研究者と実務者との接近の場を用意する必要があるように思われる．たとえば，Web 上で課題を決めて講演会を開催し，研究者と実務者の直接簡明な具体的意見の交換と問題解
決，研究課題の発掘が必要ではないか．そしてその成果は IoT を通じて実社会に還元するなどの活動をすれば，土壌物理学会の存在意義も高まり，会員の増加にもつながると思われる. しかし，これには，現会員の努力が必要であり，その制度設計が基本であろう.

2. 新領域 · 新手法の開発に向けてSDGs（持続可能な開発目標：Sustainable Development Goals）は，貧困の撲滅と持続可能な社会を構築するために2015 年に国連総会で決議された 2030 年度までに達成すべき開発目標である. ここに掲げられた貧困の撲滅には食料生産と水問題が大きな位置を占めており，また，環境問題には土壌の役割が極めて大きい. 土壌は，生産者である植物の生育，消費者である動物の生活，そして分解者としての微生物活動の役割を併せ持っており，土壌は極めて小さな単位でも地球と同じ問題を抱えていると思う. このような重要な役割を担っている土壌の基本的な性質を研究する土壌学，その一部である土壌物理学の研究は，単に農学研究者のみに任せて置いて良いのだろうか. 広く，環境に関心のある研究者がこぞって研究すべき分野ではないか. まだまだ，解明されていない興味ある課題が山積しているように思うのだが.
土壌物理の研究の中には，これまであまり注目されなかった安定同位体の利用による土壌の起源に関する研究，スペクトル（色）に注目して発生源を探求する研究，地中熱を効率的に利用する熱ポンプ，地熱発電などの研究も展開されている. また，土壌の中には，これまで利用されていない無数の有用な微生物が生息していると考えられ，その発掘が重要課題である. 農業分野に限っても，メタン発酵，ごみの資源化，ビニ−ルの分解，堆肥の効率的生産などの研究はすでに展開している. これらの多くは水分や温度の点で土壌の物理性と深くかかわっている. これらの研究の中から，めぼしい研究を見つけて，投稿依頼をするのも一案ではないか. 私のところに国際誌からこのようなメールがしばしば舞い込んでくる. 学会誌が互いに競争しているようだ. 編集委員会のみが苦悶することなく，学会大会時を利用して，拡大編集委員会でも企画し，広く会員の意見を聞き，会員の協力が得られる体制を構築する必要はないだろうか.
1 石川県立大学

土壌の物理性

2

第 150 号

(2022)

3. 大学 · 研究所と行政機関との連携
社会に役立つ研究を行うためには大学 · 研究所と行政機関（各県の農業農村工学部門）との連携が極めて大切である. 土壌物理分野ではこの点十分な連携ができているであろうか. 具体的な連携の形としては，行政機関が主唱する各種審議会，専門技術検討会，あるいは農業土木技術連盟が行う研修会等への参加などであり，逆に大学 · 研究機関が行う研究会，講習会等への行政機関の参加などである. 私の感覚では，このような相互の連携は土壌物理分野では，必ずしも活発には行われていないように考える. 医学の分野でいえば，大学 · 研究所などの基礎医学を担当する部門と市· 町の開業医との関係にも似ているが，開業医の人たちは，専門ごとに関係学会に出席し，出席回数によって専門医の資格が承認されていると聞いている. また，大学の基礎医学を研究している教員は，週に 1 回は大学病院で実際の診療にあたっている. さらに，大学で医学を研究している教員も，関係の病院との人事交流を行い，常に，社会で実際に起こっている病気と向き合い，研究課題が社会の要望と乖離しないように心掛けている. わが農業農村工学会，土壌物理学会は，実際に社会の問題に常に向き合っているだろうか. この点が改良されれば，役に立たない学会との汚名を少しは返上できるのではないだろうか.
4. 大学院への社会人入学
私の勤務する石川県立大学では，開学以来，石川県農林部の技術者を大学院博士課程の社会人学生として受け入れている. 行政機関の人事の都合もあり，3 年間に 1 人の学生である. 学生は，3 年間の在学中に博士論文を完成させ，博士の学位を得て，行政機関に戻る. この制度でこれまで 5 人の学生が石川県立大学の博士課程で学び，4 人は卒業
し，1 人が在学中である. 石川県では農業農村工学の分野では，総合土木職で採用しているので，上記の学生のうち 3人は金沢大学工学部土木工学科の卒業生，1 人は九州大学，1 人は山形大学農業工学科の卒業生である. 行政機関から
は，研究意欲があり，かつ，現場の問題点を把握した 30 歳から 40 歳までの中堅技術者を送って頂いている. この制度によって，大学と行政機関の距離は著しく近接し，双方に良好な結果をもたらしている. ただし，行政機関としては，重要な働き盛りのスタッフを欠くことになり，大学としては，3 年間に博士論文を完成させる義務を生ずる. 指導教員は，これまで以上に努力し，論文作成に当たらなければならない. したがって，教員は相当努力する覚悟が必要である. しかし，この緊張感は教員の資質向上に資することになり，大学としては大いに歓迎である. 県立大学は勿論のこと，国立大学をはじめ各大学も是非とも採用していただきたい制度である.

5. 日本学士院の会員として思うこと
私は 2019 年 1 月から日本学士院に会員として参加させていただいている. 例年 7 月，8 月を除いて，毎月例会が開催される. 例会当日，第二部 · 理系の会議が午後 1 時に開かれ 3 時過ぎまで行われる. この会議には通常，理系の会員

50 ∼ 60 名が出席する.
そこでは，学士院紀要の編集委員会，隔月ごとの談話会等がもたれる. この談話会が私にとっては大変刺激になる.
この談話会では，専門を超えた広い範囲のしかも一流の先生から専門分野ごとのまとまったお話が聞ける. 例えば，遺伝子の話からヒッグス粒子，宇宙の誕生，スバル望遠鏡による 100 億光年かなたの星の話まで，きわめて広範にわたる課題が取り上げられ，その研究手法，研究組織，研究の到達点，残された研究課題などを聞かせてもらえる. 編集委
員会は，理系の全会員で構成され，単に紀要編集の事務的な話でなく，すでに，閲読の終わった論文内容の説明と質疑応答である. 論文内容は，大部分がレヴュ−でその分野の研究の進展状況がまとめられているので参考になる. そのほかに年に 2 回程度の会員全体を対象にした合同談話会が開かれる. 文系の先生からは，理系の研究とは全く異なる研究手法について，示唆に富む話が聞かせて頂ける. 勿論，内容を十分理解することはできないが，学問の雰囲気だけは分かる.
このような他分野の世界的な研究の話は，私にとっては大変に新鮮で，もっと早い時点で聞かせていただければ，私の人生は大きく変わっていただろうと思う. 同時に私の大学時代の研究室の学生たち，現在では多くの大学教員の方々に十分な相談に乗ることができず，大変申し訳なかったと反省しきりである. このような経験を今後どのように生かすか，時に触れて考えているところである．土壌物理学の分野では，地球上の物質 · エネルギ−循環に果たす土壌の役割の明確化，特に地球温暖化の関連など，地球科学の一翼を担う気概があっても良いのではないだろうか．今年度，真鍋淑郎氏がノ−ベル物理学賞を授与されたのは我々の研究分野に大きな力を与えてくれた．独創的研究には，
思いつき，研究に対する根性，自分の考え，仲間の意見交換がことのほか重要なことは間違いない. 論文の読み過ぎは，場合によっては独創的研究に障害になることさえある.
理学部系の研究者は真理の探究を最終目的に置くのに対し，医学，工学，農学系の研究者は社会に貢献する研究を最終目的に置くべきと考えている. そのために，今後の社会の在り方に注意し，そこから予想される課題に焦点を当て，研究課題を選ぶ必要がると考える. その上で，われわれ多くの研究者は，常に現象の把握，研究手法のさらなる工夫が必要である. また，研究者相互に意見を交換し，腹を割った相互に遠慮しない討論の場を設定し，学問の進展を加速させる必要があると思われる. 一方では，大学を超える共同研究を組織し，真に力を合わせた研究を加速させることも大切である. 共同研究には，人間相互の信頼関係が基本であることを再認識する今日この頃である.

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J. Jpn. Soc. Soil Phys.
土壌の物理性No. 150, p. 3 (2022)

土壌の物理性 150 号の企画について
編集委員長

宮本

輝仁

1959 年に学会誌「土壌の物理性」が創刊されて以来，63 年目にして第 150 号を発刊することになりました．この
栄えある第 150 号の発刊に際して，編集委員長として関わらせていただいたことに大変感謝しております．
「土壌の物理性」では，これまでに第 50 号，第 100 号において「土壌物理研究のレビュー」や土壌物理研究の今後の方向性を示すような企画がなされ，学会としても大変盛況であったことと思われます．ただ，その当時を知る学会
員の方々が少なくなる中で，これまで諸先輩方が築き上げてきたものを次の世代にどのように引き継いでいくかが大きな課題となっていると感じます．第 150 号では「受け継がれていくもの」をテーマに次の世代に何を引き継げるのかを検討し，3 つの企画を考えました．

1 つ目は，世界的に著名な研究者から若い研究者に向けたメッセージを頂くことです．本企画では，TDR を使った
土壌水分計測の創始者である Topp 氏と水分特性曲線−不飽和透水係数連結モデルで有名な van Genuchten 氏，土壌
物理現象のモデル化が得意な Or 氏にメッセージを寄せていただきました．彼らの語る一言一言が若い研究者だけでなく，学会員の皆様の心に響くものがあると思います．Topp 氏と van Genuchten 氏の主要業績については「古典を読む」でも取り上げていますので，この機会にご一読いただければ幸いです．

2 つ目は，土壌物理学の新しい手法を作った日本人研究者に，自らの研究について語っていただくことです．本企
画では，マルチセンサーの先駆けといえる thermo-TDR について登尾氏に着想から研究開発と今後の展望等について語っていただきました．この企画を通じて，若い研究者が独創的な研究を行うためのヒントが得られることを期待しております．

3 つ目は，「みんなのミニレビュー」と称して広く学会員の皆さんに，これからの土壌物理学の展開について書いていただくことです．ホームページ等を通じて公募したところ，72 名の学会員の方々から原稿を寄せていただきました．寄せられたミニレビューを拝見し，改めて土壌物理研究者の研究テーマの多様性を感じました．どのミニレ
ビューも一気に読める興味深いものとなっておりますので，気になったものから読んでいただくとよいように思います．また，溝口氏と杉野氏には，集まりましたミニレビューについて，テキストマイニングという手法を使って，現在の学会員の研究動向を探っていただきました．
「みんなのミニレビュー」の後に分析結果を示しましたので，ミニレ
ビューと併せてお楽しみください．集まったミニレビューの研究テーマが，次代を担う研究者や他の関連分野の研究者にとっても参考資料となれば，望外の喜びです．
最後に，本企画の立案から編集まで，様々な形でご協力いただきました，取出会長，諸泉副会長はじめ事務局，編集委員会の皆様と本企画に賛同してご協力いただきました全ての学会員の皆様にお礼申し上げます．

ӻӿӺ ஼ၟആJ. Jpn. Soc. Soil Phys.
土壌の物理性No. 150, p.5 ∼ 6 (2022)

How to approach research— what research in TDR taught me

Clarke TOPP

Developing your Own Frame of Reference is Important
When one begins a research assignment early in their career, the choice is usually dependent on a job description written
for the outcome expectations of the employer along with the level of ﬁnancial compensation available. If it appears that a
speciﬁc research project might lead to future possibilities, each person is recommended to consider:− Is this research inspiring to me?
− Do I see additional innovative research possibilities here beyond meeting employer expectations?
− Can I achieve my science aspirations here?
From those considerations you can then develop a sketchy but realistic framework or plan for your personal researchsatisfaction beyond that of what your employer expects.
My research experience in bringing Time Domain Reﬂectometry (TDR) from radio frequency communication technology to soil water content measurement will serve as an example of this process. In 1974 two geophysicists, Les Davisand Peter Annan, with considerable TDR experience, realized that TDR had the potential to provide a reliable measureof water content in soil. The research question they put to me, a soil physicist specializing in soil water, was — how
do we validate that TDR measures soil water content and with what accuracy? Their challenging question offered many
research possibilities, which ﬁtted my hopes perfectly for developing a ﬁeld method for measuring soil water content.
Such a project was also quite acceptable to my employer, Agriculture and Agri-Food Canada (AAFC) Research.
The personal story of this research team is given in Topp et al. (2003). This TDR research project offered numerous
dimensions of research possibilities. In soil there are the effects of soil texture which was expected to limit where it
was possible to use TDR. We showed, however, that a wide range of soil textures did not cause much deviation fromthe observed relationship between apparent dielectric constant and volumetric water content. Developing ﬁeld probes forusing TDR became a major research and development opportunity by which our team learned a great deal of valuable
information about propagation of radio frequency waves in soil.
Do Not Be Afraid of Mistakes
Although mistakes are unavoidable in innovative research, it is advisable to look for the learning opportunities that canbe drawn from a mistaken venture. Good planning is important for avoiding mistakes, but research inevitably involves
risk with uncertain outcomes. Often a seemingly undesirable outcome uncovers or stimulates other initiatives that may
lead to greater research options. In 1980, Ottawa experienced a relatively dry August and the soil proﬁles at our ﬁeld sites
with vertical TDR installations showed quite dry proﬁles in the TDR reading of Sept. 15.
Before the next weekly TDR reading, 35.9 mm of rainfall had occurred. The TDR readings after the rainfall showeddiscernable wetting fronts at the 20 cm depth.
Although this was not replicated research with valid conclusions, our team considered this to be a signiﬁcant ﬁnding
from which to develop subsequent TDR research. When I presented these ﬁndings at the 1983 Advances in Inﬁltration(Topp et al., 1983), I sensed that there was little interest. A colleague at the conference told me that our paper was notsuited to that conference — a kind way of telling me I had made a mistake in presenting unsubstantiated research. Being
convinced that I had blundered an opportunity to promote TDR effectively to hydrologists, I was pleased to learn that Ian

土壌の物理性

6

第 150 号

(2022)White, who was in the audience that day, saw the potential in TDR.
Shortly, thereafter he and I arranged for my collaboration with the CSIRO team in Australia which produced importantresearch that broadened the potential for TDR (Topp et al., 2000) and added to the world-wide interest in TDR for
measuring soil water content and electrical conductivity then occurring all round the world.
Colleagues are Your Most Valuable Source of Good Ideas
In the 1980s the acceptance of TDR was much slower than I and my team had expected. To help scientists understand
TDR, I developed the habit of taking a TDR cable tester and a hand held probe to soil conferences. With a ﬂower
pot or a waste can of soil I would invite scientists to my hotel room to show how easily TDR measurements could bemade including the calculation of soil water content. Often scientists who had experienced such simple demonstrations
would invite me to their laboratory to discuss TDR and show others how TDR works. From Frank Dalton I ﬁrst learned
about using TDR to measure soil electrical conductivity. After some productive collaboration, Frank and I both took thatexperience in our own directions for additional research, in my case as given in Topp et al. (2000).
In the early 1990s Ty Ferré and I met and discussed a few things and decided we should keep in touch. Later, theUniversity of Waterloo invited me to serve as external examiner of Ty’s PhD thesis, which I was pleased to do. Ty became
one of my most valued colleagues, as we wrote numerous papers together with Ferré and Topp (2002) being representative.
Concluding Thoughts
Planning for one’s own science goals can provide incentives for improved research, which will bring you much gratiﬁcation especially as you collaborate with colleagues.
Signiﬁcant research results may also encourage your employer to offer increased funding to continue on your chosen
path. Very few researchers can escape some regrettable or unconvincing outcomes but very often more favourable results
occur with deeper investigations of the limiting factors. Sharing one’s research widely and openly encourages a fertile
exchange of ideas, from which arise opportunities for productive research collaboration.

References

Topp, G.C., Davis, J.L. and Chinnick, J.H. (1983): Using TDR water content measurements for inﬁltration studies, pp. 231–240. In
Advances in Inﬁltration: Proc. of the Natl. Conf. on Advances in Inﬁltration, Chicago, IL. 12–13 Dec. 1983. ASAE Publ. 11–83.
Am. Soc. Agric. Engineers, St. Joseph, MI.
Topp, G.C., Zegelin, S.J. and White, I. (2000): Impacts of the real and imaginary components of relative permittivity on time domain
reﬂectometry measurements in soils. Soil Science Society of America Journal, 64(4): 1244–1252,
doi:10.2136/sssaj2000.6441244x
Topp, G.C., Davis, J.L. and Annan, A.P. (2003): The early development of TDR for soil measurements. Vadose Zone Journal, 2:
492–499, doi:10.2136/vzj2003.4920
Ferré, P.A. (Ty) and Topp, G.C. (2002): 3.1.3.4 Time domain reﬂectometry. In J.H. Dane and G.C. Topp (ed.), Methods of Soil
Analysis Part 4 Physical Methods, SSSA Book Series No. 5: 434–446. Soil Sci. Soc. Amer., Madison, WI.

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J. Jpn. Soc. Soil Phys.
土壌の物理性No. 150, p.7 ∼ 10 (2022)

The evolving world of soil physics
Rien van Genuchten

This short essay is about the discipline of soil physics, how I became part of it, and where I think we are heading.
First, let us look at the term “Soil Physics”, which has been deﬁned in different ways. One standard (but circular)deﬁnition refers to soil physics as the application of physical principles to soils, while others suggest that soil physics
should refer to the state and transport of matter and energy in soils (e.g., Hillel, 1971). Whatever the exact deﬁnition,different topics have been associated with soil physics, starting with the early view that soil physics is an inherent part of
the agricultural curriculum with a focus on both laboratory and especially practical ﬁeld-scale applications. This would
include soil textural analysis, soil density and permeability measurements, water retention, and horizontal or vertical waterﬂow (including capillary rise). This early focus certainly is understandable since soil management, crop production andirrigation were the initial themes when agricultural operations started several thousand years ago. Excellent overviews ofearly soil physics from the 18th century and later are by Philip (1974) and Swartzendruber (1977). While the initial focus
was on agricultural issues, starting in the 1960s and 70s the focus broadened increasingly to more environmental issues
involving protection of our soil and water resources and global climate. This included then also more emphasis on thephysics part of “soil physics”, leading to more fundamental descriptions of soil as a living porous medium in which water,
heat and solutes operate, with or without vegetation (e.g., Sposito, 1986; Raats, 2001; Raats and van Genuchten, 2006).
Several textbooks at that time very much inﬂuenced my work, the most important being books by Kirkham and Powers(1972), Nielsen et al. (1972), and Taylor and Ashcroft (1972).
My own involvement with soil physics started in the late 1960s when I attended Wageningen University in the Netherlands to study irrigation and drainage, leading to a MS research report on drip irrigation (van Genuchten, 1971). I remember being very proud about that report and still refuse to delete it from my publication list, even though I do not have a copy
anymore. The report documented some drip (trickle) irrigation experiments carried our using a ﬁne- and a coarse-textured
soil, along with analyses of the developing moisture distributions using analytical solutions of the Richards equation as
derived by Philip. Not sure what to do next, I went to Las Cruces, New Mexico, where Peter Wierenga convinced me to
do a PhD with him in soil physics. There I learned about chloride, pesticide, boron and pesticide transport processes inlaboratory soil columns, and how physical (e.g., aggregation) and chemical (e.g., kinetic sorption) nonequilibrium processes affect observed breakthrough curves. The PhD work resulted in several papers published in SSSAJ, the leading
soil physics outlet at the time (e.g., van Genuchten and Wierenga, 1976; van Genuchten et al., 1977).
After graduating in 1975, I spent 3 years as a postdoc with George Pinder at Princeton University looking at ﬁnite
element solutions of the Richards equation using Hermitian (smooth cubic) ﬁnite element basis functions. There I initiallystruggled with the numerical solutions when using Brooks and Corey (1964) type formulations of the unsaturated soil
hydraulic functions, which were not ﬁrst-order continuous at the air entry value. This caused me to look at alternative
formulations, leading to a Princeton research report (van Genuchten, 1978). I thought that that report was the end of it. But
I had shared a card-deck copy of the optimization program (SOHYP) I used for this work with several, including Jacob
Dane which was impressed and urged me to publish a paper about it. I initially hesitated, but ﬁnally submitted a paper
to SSSAJ in 1980 when I had accepted a position at the U.S. Salinity Laboratory in Riverside, California. The paper was
returned by SSSAJ for major revisions: they told me the material was marginal, and that even the title was not original.
I nearly gave up, but in the end still revised things and resubmitted. The resulting paper (van Genuchten, 1980) becamevery popular later on, and very much changed my career; I became the presumed expert about multiphase soil hydraulicproperties, Pc-S curves, residual water contents, pore-size distribution models, and so-on (which I never felt relative to the
Department of Earth Sciences, Utrecht University, Utrecht, Netherlands.
Department of Nuclear Engineering, Federal University of Rio de Janeiro, Brazil.

8

土壌の物理性第 150 号

(2022)

pesticide transport work I did for my PhD). In any case, the hydraulic functions are now used in many unsaturated ﬂow
studies, in environmental and global climate research, in studies about fuel cells, fabrics, bio-membranes, ink inﬁltration
processes, and other studies, gathering some 30,000 citations or more at present. My goodness!!
I am reﬂecting on all this in that one never knows (at least I did not) how well one’s research may ﬁt into the broader
picture. In that sense soil physics has changed tremendously the last 30 or 40 years. Change has come in several aspects,
especially the need to address environmental challenges, soil and groundwater pollution, the lack of fresh water, soil
salinization, climate change, and many other issues. Contaminants include a range of agricultural and industrial pollutants, pollutants generated by mining and milling operations (including radioactive materials), viruses and bacteria, anda suite of emerging chemicals (pharmaceuticals, disinfection byproducts, nanomaterials, microplastics, PFAS, personalcare products, microplastics, and more). This has caused soil physicists to focus on a much broader array of problems than
the narrow ﬁeld of “soil physics”. The soil physics ﬁeld certainly has become much more multidisciplinary. Moreover,research includes now spatial scales covering molecular scales, pore scales, core scales, plot scales, ﬁeld scales, regional
scales and even global scales. I have certainly seen this in my own activities. In that sense I am not sure anymore if I
should call myself a soil physicist, a soil scientist, a soil hydrologist, an agricultural or civil engineer, or maybe just ahydrologist.
Publications by soil physicists now also appear in a much broader set of outlets, changing from mostly soil sciencejournals (e.g., SSSAJ, Soil Science) to journals organized by other societies (AGU, GSA, EGU, ASCE, ACS, …), andjournals operated independently by such publication companies as Elsevier and Wiley, including to me far too many new
open-access journals outside the publication mainstream. The number of papers now being published is truly astonishing,
and to me nearly depressive. So many papers are now being published each year that you must be a full-time reader of
thousands of papers in hundreds of journals, or you have to limit yourself to only a few and concentrate on doing yourwork and writing it up. It seems that one cannot be both (reader and writer). In that sense everything is accelerating,the bad versus the good: the environmental problems this planet faces, versus the number of scientists that work on the
problems, their creativity and their enormous output. Still, one thing that worries me is the stress that all this causes onespecially young scientist in the academic world. When I started my career, one good peer-reviewed publication per year
was thought to be sufﬁcient in many places. Now researchers are expected to have several (three, four, ﬁve, ...) papers
to be published in high-impact journals, with the publications needing to have many citations. Beginning academicians
are at the same time often pressured to submit research proposals and have them approved. This even though the successrate at present is often less than 25 %, while the proposal sometimes also needs to include enormous overhead costs.
Additionally, beginning scientists often are expected to serve as editor or associate editor of one or more journals, serve
on a range of internal and/or external committees, and show activities across disciplinary, cultural and socio-economic
boundaries (with which I actually agree), all this often at a time in their life when many start a new family. Clearly thepressure to perform must be overwhelming.
Because our planet is faced with so many environmental problems, which area is best to address in one’s research? I
regularly get questions about this: what topics should I study to have impact; where to begin? My answer is simple: Do
the things you enjoy most, albeit of course within the structural boundaries of your department of employer. And interact
with your friends and colleagues that pursue the same topics and possible solutions. In this sense I was extremely fortunate
in that I could work nearly always on the conceptual-mathematical part of things, with lots of help from others. I enjoyedthings so much that there was no difference for me in working and studying a particular topic at work, or playing with the
problems at home on my free time. There were no boundaries in this. For example, I could work on analytical solutions,alone or with my friends and colleagues (e.g., Leij and van Genuchten, 2002; Toride et al., 1999; van Genuchten andWagenet, 1989; van Genuchten et al., 2012, 2013), or do the same for numerical solutions addressing variably-saturated
ﬂow and contaminant or heat transport problems (van Genuchten et al., 1977; Šimůnek et al., 2008, 2009, 2016), The
latter included documentation of the codes into user-friendly software, notably the RETC, STANMOD and HYDRUS
codes (https://www.pc-progress.com/en/Default.aspx).
Looking back now on these publications, it may seem to have all been relatively straightforward; but they were not!
Last month I scanned through some of my old notes on deriving the analytical solutions. I would not have the patience
anymore to do this again. For example, some of the solutions contained unusual functions, such as complementary error(erfc) functions with complex arguments (van Genuchten, 1985) or modiﬁed Bessel (K0 , I0 , K1 , etc.) and Kelvin (Ber, Bei,
Ker, Kei, etc) functions (van Genuchten et al., 1984). I remember needing a lot of time and patience to mathematicallyverify and program those functions correctly. This since I noticed that several standard textbooks at the time, such as
the popular text by Abramowitz and Stegun (1970) I often used, sometimes contained small errors or misprints. Lots

メッセージ9of patience and persistence were indeed needed to derive the solutions and associated computer programs. But then,patience and resilience are generally needed with any research project, whether mathematically as I always enjoyed, or
experimentally, or otherwise.
To conclude, I want to thank the many giants in the ﬁeld with who I could work and interact over the years. My ultimate
advice to beginning scientists and engineers: Do the research you enjoy most within the conﬁnes of your assignment asa student or scientist in your department, or as a professional at work, collaborate as much as possible with others, andfreely share your work if possible. But if you do not enjoy your work, give it up and change to another path in life.

References
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Hillel, D. (1971): Soil and water: Physical principles and processes. Academic Press, Inc , New York and London.
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Leij, F.J., and van Genuchten, M.Th. (2002): Solute transport. In: A.W. Warrick (ed.), Soil Physics Companion, pp. 189–248. CRC
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Šimůnek, J., Jacques, D., Twarakavi, N.K.C. and van Genuchten, M.Th. (2009): Selected HYDRUS modules for modeling subsurface ﬂow and contaminant transport as inﬂuenced by biological processes at various scales, Biologia, 64(3): 465–469,
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Šimůnek, J., van Genuchten, M.Th., and Šejna, M. (2016): Recent developments and applications of the HYDRUS computer
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van Genuchten, M.Th. (1985): Convective dispersive transport of solutes involved in sequential ﬁrst order decay reactions. Computers & Geosciences, 11(2): 129–147.
van Genuchten, M.Th. and Wierenga, P.J. (1976): Mass transfer studies in sorbing porous media: I. Analytical solutions. Soil Sci.
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van Genuchten, M.Th. and Wagenet, R.J. (1989): Two site/two region models for pesticide transport and degradation: Theoreticaldevelopment and analytical solutions. Soil Sci. Soc. Am. J., 53(5): 1303–1310.
van Genuchten, M.Th., Wierenga, P.J. and O’Connor, G.A. (1977): Mass transfer studies in sorbing porous media: III. Experimental
evaluation with 2,4,5 T. Soil Sci. Soc. Am. J., 41(2): 278–285.
van Genuchten, M.Th., Pinder, G.F. and Frind, E.O. (1977): Simulation of two dimensional contaminant transport with isoparametric
Hermitian ﬁnite elements. Water Resour. Res., 13(2): 451–458.
van Genuchten, M.Th., Tang, D.H. and Guennelon, R. (1984): Some exact solutions for solute transport through soils containing
large cylindrical macropores. Water Resour. Res., 20(3): 335–346.

土壌の物理性

10

第 150 号

(2022)

van Genuchten, M.Th., Šimůnek, J., Leij, F.J., Toride, N. and Šejna, M. (2012): STANMOD: Model use, calibration and validation.
Trans., ASABE, 55(4): 1353–1366.
van Genuchten, M.Th., Leij, F.J., Skaggs, T.H., Toride, N., Bradford, S.A. and Pontedeiro, E.M. (2013): Exact analytical solutions
for contaminant transport in rivers. 2. Transient storage and decay chain solutions. J. Hydrol. Hydromech., 61, 2013, 3, 250–259,
doi:10.2478/johh-2013-0032.

(Most of our papers can be downloaded from the personal pages on the HYDRUS website, http://www.pc-progress.com/
en/Default.aspx?rien-van-genuchten)ӻӿӺ ஼ၟആ

J. Jpn. Soc. Soil Phys.
土壌の物理性No. 150, p.11 ∼ 13 (2022)

Soil structure dynamics — a journey to discovery
Dani OR

Prologue
The path to discovery is seldom clear and never straight. Answers to long standing questions in one discipline may lie
in neighboring scientiﬁc ﬁelds, hence ability to recognize, translate and adapt “foreign” concepts to the original problem
make discovery such a rewarding endeavor (albeit frustrating at times). Here, I would like to share a journey to quantify
soil structure dynamics via coalescence of aggregates or fragments formed by tillage induced by the action of wetting
and drying cycles. The adapted models for representing these processes were derived from liquid phase sintering wellknown in material science using analogies with soil processes and parameters. Remarkably, it was a humble graduate
student (Teamrat Ghezzehei) that transformed the physical modelling framework well beyond what I imagined possible.
No one could have anticipated this is part of the journey, which reinforces the surprising and exciting path to discovery.
Soil physics is at a cusp of a new era in understanding and representing soil structure for traditional arable lands andfor natural landscapes (most terrestrial surfaces). The interactions among biophysical processes, land cover and climate
give rise to feedbacks from which magically this illusive soil trait emerges and shapes soil ecological and hydrological
functioning at all scales (root zones to continents).
Observations and a puzzle:
Early in my career at Utah State University I was investigating the effects of the so-called surge ﬂow irrigation on water
advance over soil surfaces. The method uses pulses of water at the head of the ﬁeld that with less amount of water relative
to continues application achieves more rapid advance (per amount of irrigation applied) and results in more uniform
surface irrigation (Or and Silva, 1996). The key ingredient (well known for a while) was that with each wetting pulse andsubsequent inﬁltration the friable surface consolidates a bit, and the inﬁltration capacity is reduced. Consequently, thenext pulse of water travels over reduced permeability surface (with some entrapped air) enhances the advance per applied
water amount. I became intrigued by the rapid and irreversible settlement and fusion of soil aggregates and quickly wasable to deduce (the obvious) ramiﬁcations for the soil structure modiﬁcation of tilled soils and seedbed with applicationof water. In other words, it became apparent that it is not the passage of time that changes the seedbed and require tillage
again next season, but the action of water in “melting” or softening the soil combined by capillary forces exerted on theseweaker aggregates that fuse or coalesce them into less microporous and more mechanically and structurally coherent soil
surface. But what are the physical laws that govern such coalesce?
Liquid phase sintering analogue:
Here begins the second part of the journey, looking at analogue processes in neighboring scientiﬁc ﬁelds (via theliterature) to develop a modeling framework for soil coalescence. It was the theory of sintering of powder compacts(Scherer, 1977) that appears to offer a framework for representing soil aggregate fusion under wetting-drying cycles.
When powders of metal or glass are heated close to their melting temperatures, they tend to fuse at their contacts while
maintaining the original shape of the grains. In Or (1996) an analogy was proposed composed of the following ingredients:(1) The softening of soil aggregates by wetting is analogous to the effect of high temperature on particles in sintering;(2) the welding of individual particles and reduction in pore space and surface area in sintering is analogous to thecoalescence of individual aggregates at their contacts; (3) the coalescence process is spontaneous and driven by similar
forces as sintering: surface tension, capillarity, and overburden load (Frenkel,1945; Heady and Cahn, 1970; Scherer,1986). Application of the theory to the model of Scherer (1984) yielded prediction of changes in measured soil bulk
density with wet soil viscosity as the only ﬁtting parameter (values in the range of 1–20 MPa*s). We had to wait a few
1 Soil and Terrestrial Environmental Physics, Department of Environmental Systems Science, ETH Zürich, Switzerland; and Div. Hydrologic Sciences,

Desert Research Institute, Reno, NV, USA.

12

土壌の物理性第 150 号

Fig. 1 (a) Conceptual model for aggregate coalescence
under wetting and drying cycles considering a hierarchy ofscales and simpliﬁed unit cells as model building blocks(an image of separated and coalesced Millville silt loam
aggregates is shown) (Ghezzehei and Or, 2000; Or andGhezzehei, 2001; Ghezzehei and Or, 2003).

(2022)

Fig. 2 (a) Parallel plate rotational rheometer (HAAKE
RS75) used for measurement of soil rheological properties(b) measurements of Millville silt-loam strain rate vsshearing stress for different gravimetric water contents (c)derived coefﬁcients of plastic viscosity and yield stress asfunctions of soil matric potential; for Millville silt loam soil
(Ghezzehei and Or, 2001).

years to conﬁrm these ridiculously high values of viscosity.
A model for wetting-drying effects on soil structure:
The theory had to wait a few years for a bright young student from Eritrea that joined our group. Teamrat Ghezzehei
brought new skills and insights that enabled him to quickly assemble the pieces together and transformed the framework
via new sets of differential equations that link aggregate size, soil type and water content (or matric potential) into a
coherent energy-based framework (Ghezzehei and Or, 2001, see Fig. 1). Only one critical piece remained missing in thisstory, the direct measurement of soil rheological properties necessary for parameterizing the model (and explaining the
speculative soil viscosity results of Or, 1996). Here again, Teamrat has shown his capabilities and foresight by reachingout to the Food Science Engineering at USU for using their Haake rotational rheometer to measure soil viscosity andyield stress under different water contents. Needless to say, that they were not overly excited to have their rheometer(used primarily for mayonnaise or chocolate paste characterization) be dirtied with ﬁeld soil. We had to make manyassurances and provide various services to gain access to the rheometer and determine the rheological properties of soils
for a range of soil water contents (see example, Fig. 2). With the theoretical framework in place and soil rheologicalparameters available (BTW these nicely conﬁrmed the speculative postulates made in Or, 1996) we were able to complete
the cycle and offer physically-based predictions for soil structural changes following tillage (Ghezzehei and Or, 2000; Orメッセージ

13

and Ghezzehei, 2001 and follow up studies). The unique aspect of the modeling framework was a departure from the staticand macroscopic depiction of soil structure change offered by standard and static Geomechanical engineering theories.
Simply because they focus of predicting stable foundations and roads and not dynamically evolving soil structure we seek
to describe.
Aggregates to fragments and mature understanding of soil structure:
Over the years we were able to inject additional quantitative tools into modeling soil structure evolution including recent
work on the mechanics of bioturbation by earthworms and growing plant roots (Ruiz et al., 2021) as well as how soil
structure affects inﬁltration runoff at basin and global scales (Bonetti et al., 2021; Fatichi et al., 2020). More recently, we
have proposed a framework for differentiating natural and managed soil structure that ﬁnally made a distinction between
tillage induced soil fragments and naturally forming soil aggregates (Or et al., 2021). These are but a few drops in theocean of unknowns that we must cross to better quantify this important and fragile soil trait.

References
Bonetti, S., Wei, Z. and Or, D. (2021): A framework for quantifying hydrologic effects of soil structure across scales. Comm. Earth& Environ., 2(1): 1–10.
Fatichi, S., Or, D., Walko, R., Vereecken, H., Young, M.H., Ghezzehei, T.A., Hengl, T., Kollet, S., Agam, N., Avissar, R. (2020):
Soil structure is an important omission in Earth System Models. Nature Comm., 11: 1–11.
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Ghezzehei, T.A. and Or, D. (2000): Dynamics of soil aggregate coalescence governed by capillary and rheological processes. Water
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Or, D. (1996): Wetting-induced soil structural changes: The theory of liquid phase sintering. Water Resour. Res., 32: 3041–3049.
Or, D. and Ghezzehei, T.A. (2001): Modeling post-tillage structural dynamics in aggregated soil: A review. Soil Tillage Res., 1651:
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Or, D., Keller, T. and Schlesinger, W.H. (2021): Natural and managed soil structure: On the fragile scaffolding for soil functioning.
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Or, D. and Silva, H.R. (1996) Prediction of surface irrigation advance trajectories using soil intake properties. Irrig. Sci., 16: 159–
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Ruiz, S.A., Bickel, S. and Or, D. (2021): Global earthworm distribution and activity windows based on soil hydromechanicalconstraints. Comm. Biol., 4 (1): 1–9.
Scherer, G.W. (1977): Sintering of low-density glasses, I, Theory. J. Am. Ceram. Soc., 60: 236–239.
Scherer, G.W. (1984): Viscous sintering of a bimodal pore-size distribution. J. Am. Ceram. Soc., 67(11): 709–715.
Scherer, G.W. (1986): Viscous sintering under uniaxial load, J. Am. Ceram. Soc., 69(9): C206–C207.

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No. 150, p.15 ∼ 22 (2022)

論文再訪（Noborio, K., McInnes, K.J. and Heilman, J.L. (1996):

Measurements of soil water content, heat capacity,and thermal conductivity with a single TDR probe.
Soil Science, 161: 22–28.）
登尾浩助 1

Revisiting an article:
Measurements of soil water content, heat capacity, and thermal conductivity with a single TDR
probe. Soil Science, 161: 22–28 by Noborio, K., McInnes, K.J. and Heilman, J.L. (1996)
Kosuke NOBORIO1

Abstract: We developed a prototype of the now-called“thermo-time domain reﬂectometry probe” in 1996. We
revisited the article describing the prototype and explained
how we thought at those moments. Let us start our visit;
ﬁrst met a soil water sensor at college. Later year at
Texas A&M University as a graduate student, Jim Heilman and Kevin McInnes became my supervisors. They
inspired me to make a multipurpose time domain reﬂectometry (TDR) probe by combining TDR and dual-probeheat-pulse (DPHP) sensors. Our new TDR-DPHP sensor
owed the hard work of Clerk Topp, Gaylon Campbell andKeith Bristow. When we published an article on the new
TDR-DPHP sensor in 1996, Robert Horton of Iowa State
University might be the only one who truly understood thepotential of the new probe in the world. He and his research group named our sensor a “thermo-time domain reﬂectometry probe” and have been pushing its limit sincethen.
Key Words : time domain reﬂectometry, heat pulse sensor,
soil water content, thermal properties, combined sensorの原型となったセンサーを開発したので（Noborio et al.,1996），着想から開発に至る経緯を紹介する．
土壌水分量の測定に初めて関わったのは 1980 年の夏に愛媛大学で行った卒業研究の際であった．テンシオ
メーターに繋いだ 20 数本の水銀マノメーターの値を毎朝読み取るのが日課であった．現在の SRI（system ofrice intensiﬁcation）農法に繋がる研究は，指導教授であった佐藤晃一が乾燥地農業に興味があるコースケが担当しなさいと言ってくれて始めた（木村 · 登尾, 2011）．そん
な折，橋本 康の授業（環境計測学）で耳にした自動計
測可能な静電容量式水分計が夢のようなセンサーに思えた．卒業後，太陽コンサルタンツ（現 NTC コンサルタン
ツ）に入社して札幌支社勤務となった．余市町のリンゴ園での環境調査でもテンシオメーターを使い続けたが，この時はテンシオメーターの圧力は圧力計で読み取ってデータロガーに記録した．この調査は，園内にスプリンクラーで冷たい水を散水すると園内微気象がどのように変化するかを調査する内容で，同期入社で東京本社勤

1. はじめに務だった岩本 彰（後に NTC インターナショナル社長）が中心となって進めた．彼には余市の旅館で夜遅くまで

これまで様々な種類の土壌センサーが開発され，多熱電対の作り方からデータロガーの操作法，そして微気

くは市販されている（de Vries, 1952; Topp et al., 1980;

象学のいろはまで丁寧に教えてもらった．この時の経験

Malicki and Skierucha, 1989; Campbell et al., 1991; Tarara
and Ham, 1997; Campbell and Anderson, 1998; Noborio
and Kubo, 2017）．その中でも，現在「サーモ TDR プ
ローブ（thermo-TDR probe）」と呼ばれる土壌センサー

が，微気象学と土壌物理学の境界領域に興味を持つ契機

1 School of Agriculture, Meiji University, 1-1-1 Higashimita, Tama-ku,
Kawasaki, Kanagawa 214-8571, Japan , Corresponding author: 登尾浩助
明治大学農学部, 〒700-8530 214-8571 神奈川県川崎市多摩区東三田
1-1-1
2021 年 12 月 7 日受稿 2022 年 1 月 18 日受理になった．当時（1983 年頃）はまだこの境界領域を開拓していた Gaylon Campbell の存在は知らなかった．
乾燥地農業に関わる研究に対する願望が抑えられなくなったので，1985 年に太陽コンサルタンツを退職して鳥取大学大学院に入学した．所属した農学部附属砂丘利用
研究施設水文学研究室に何と学部生の時に橋本 康の講義で聞いた夢の静電容量式水分計があった．土壌水分移動土壌の物理性

16

第 150 号

（2022）を把握する実験に使えるのではないかと大喜びしたが，チプレクサーから TDR 制御プログラム，TDR 波形解

大きな図体の上に温度依存性が大きくて自分の実験に析プログラムまで全て自分で作る必要があった（登尾使えるセンサーでないことが分かった．実験室の片隅にら, 1997）．Baker and Allmaras（1990）を参考にして同埃をかぶって放置してあったわけである．水銀マノメー

軸マルチプレクサーと TDR 波形解析プログラム，そしターに繋いだテンシオメーターを使って土壌水分と溶質て TDR 制御プログラムを試行錯誤で完成させるために移動の研究をすることにした（矢野ら, 1988）．この研究

約 1 年間を要した．圃場実験では，3 線式 TDR プロー

室で使っていた水銀マノメーターは，全て手作りで極め

ブの外側の電極の一本に熱電対を挿入して，体積含水率，て機能的であった．当時の農学部教員（井上光弘，筑紫

電気伝導度，地温を同一場所で測定することに成功し二郎，山本太平，矢野友久，小谷佳人）と学生らの何年た（Noborio et al., 1994）（Fig. 1）．子供の頃に独学で学にも渡る改良の賜物であることがよく分かった．

んだアマチュア無線の知識が活かされた：高周波は導線そんなある日，研究室でアメリカ土壌科学会誌（SS-の表面を伝播する．ということは，導線内に異物を入れSAJ）をめくっていたら，Dasberg and Dalton（1985）の論ても高周波伝播には影響がないはずである．実際，同軸文が目に留まった．当時は研究室や図書館が購入していケーブルの編み線に接続した中空ロッド内に熱電対を挿る学会誌を含む科学雑誌の最新号やバックナンバーを一入しても TDR 波形はほとんど乱れなかった．この成功

日中読み漁るのが文献検索法の主流であった．Dasberg

が TDR プローブと他の機能を融合したセンサーを開発

and Dalton（1985）の論文は，TDR（time domain reﬂectometry）法を使うと体積含水率と電気伝導度を 1 本のするきっかけとなった．後に，同軸ケーブルの芯線に接プローブで独立に測定できるというとんでもない内容

るが，信号の反射位置はほぼ変化しないことが分かった．

続した中空ロッドに異物を挿入すると TDR 波形が乱れであった．引用文献を見てみると G.C. Topp らが 1980
年に発表した電磁波を使った測定法が元になっていた．

3. 熱的性質測定

Topp et al.（1980）は，TDR 法による土壌水分量測定には，地温，塩分の存在，センサーと土壌の接触具合がほ塩分の熱伝導率への影響に関する研究は，McInnes がとんど影響を与えないと報告していた．これこそずっと担当した大学院講義の Advanced Soil Physics を私が受探していた土壌水分測定用のセンサーであった．早速，講した際に提出したレポートが元になって始まった．こ

大阪のジャンク屋に出かけて中古の交流発信器（上限がの McInnes の講義で使った教科書は，もちろん，Soil

数百 Hz 程度）と交流電圧計を購入した．アクリルカラ

Physics with BASIC であった．この教科書では熱伝導方

ムに 4 電極を外側から挿入して，その中に水を入れて発程式を差分法で解く方法が丁寧に解説されている．熱信器の電源を入れたが，電圧計には何も変化が無かった．
発信器の出力電圧を上げると電極から気泡が発生し始めた．電気と TDR に関する知識が無いままに無謀に挑んだ実験は大失敗に終わった．しかし，テキサス A&M 大学に進学の際の推薦書に，指導教授だった小谷佳人は，

TDR 装置を自作した学生であると話を大盛してくれた
ことは後年になって知った．

1988 年にテキサス A&M 大学 Ph.D. 課程に進学後は，
1 年間ほど紆余曲折の後，期せずして微気象学の Jim
Heilman と土壌物理学の Kevin McInnes がいる Environmental Physics Laboratory に所属することになった．彼らはカンザス州立大学の Evapotranspiration Laboratory
で Ed Kanemasu から Ph.D. を取得した中堅と若手の研究者であった．特に，McInnes はワシントン州立大学の Gaylon Campbell のもとで修士課程を修了したので，当時の土壌物理学の新刊書であった Soil Physics withBASIC（Campbell, 1985）の内容を熟知していた．

2． 土壌水分 · 電気伝導度 · 地温測定
Ph.D. 研究の圃場実験に TDR 装置が必須だと McInnesに言ったら，学科長から資金を調達して 1 台購入してくれた．長年の夢であった念願の TDR 装置をやっと手にすることができた．しかし当時は，同軸ケーブルマル

Fig. 1 外側電極に熱電対を挿入した最初の複合式 TDR プ
ローブ（Noborio et al., 1994 の Fig. 1A を一部改変）．
The ﬁrst combined TDR probe with a thermocouple inserted in
the outer electrode (partly modiﬁed Fig. 1A of Noborio et al.,1994).

解説：論文再訪

17

伝導率の測定には，熱伝導率測定の常道であった単一プ

た注射針は，Campbell の熱パルス法センサー（21 gauge,

ローブではなく，シリンダー法を使った（Noborio and

外径 0.81 mm）より長くする必要があるので，1 ゲージ

McInnes, 1993）．シリンダー法で得たデータの差分法による解析（Riha et al., 1980）は，McInnes の元指導教授であった Campbell らが開発した方法である．McInnes は
Riha et al.（1980）の論文では 2 番目の著者として名を連ねているので，実際に多くの実験をしたのではないかと推察される．ただ，Noborio and McInnes（1993）では

Riha et al.（1980）と異なり，Parikh et al.（1979）と同様に充填した土壌試料の中心部に熱電対温度計を挿入し，シリンダー全体を 30 ◦ C 程度のお湯に浸けて中心部の温度変化を記録した．この時の経験から，後年 Carslaw and

Jaeger（1959）の解析解を使った論文（登尾ら, 2005）を出すことになった．
熱的性質には，熱伝導率（λ ），体積熱容量（ρc ）と熱拡散係数（κ ）が含まれ，それぞれは λ = κρc で関係付けられる．1990 年当時，λ は単一プローブ法（de Vries, 1952;

Shiozawa and Campbell, 1990）で，ρc はカロリメーター
法（Taylor and Jackson, 1986）で測定するのが一般的であり，恐らく唯一であった．カロリメーター法では，お湯を入れた魔法瓶に土壌試料を投入してお湯の温度変化を測定するので，原位置での測定ができない特徴がある．そんな時代に現れた画期的な測定法が熱パルス法（heat-pulse method）であった（Campbell et al., 1991）．
この熱パルス法センサーは，直径 0.8 mm，長さ 28 mmの注射針 2 本で構成されていた．片方の注射針にヒー
ターを，もう片方の注射針に熱電対温度計を封入して

6 mm 間隔で固定した斬新なデザインのセンサーであった．この論文を見た瞬間に，外見が TDR プローブとよFig. 2 多目的 TDR プローブを描いた 1991 年 9 月 19 日付研究ノートの一部.
Part of a research note depicting a multipurpose TDR probe
dated on September 19, 1991.

く似ていることに気がついた．

4. 多目的 TDR プローブの開発
1991 年 1 月頃に Campbell et al.（1991）の熱パルス法が掲載されたアメリカ土壌科学会（SSSAJ）誌の最新号が届いてからほどなくして，熱パルス法センサーと TDR
プローブの機能を同時に満たす多目的 TDR プローブを作ることにした．土壌の熱的性質の体積含水率依存デー
タを一本の 3 線式 TDR プローブで測定できたら良いな…程度の動機であったので，この多目的 TDR プロー
ブが持つ潜在能力に思いが至るはずもなかった．Fig. 2に当時の研究ノートの一部を示す．構想から約半年後の1991 年 9 月に試作プローブを使った実験に到達したことがうかがえる．
熱パルス法センサーのオリジナルロッド寸法（長さ 28mm，間隔 6 mm）を TDR プローブとして使用するには，ロッド長が短すぎるし，ロッド間隔が狭すぎる．当時，既に TDR プローブの制限寸法に関する論文が出ていたので，それらを参考にして，ロッド長さ 75 mm，ロッド
間隔 10 mm と決定した（Fig. 3）．中空ロッドに使用しFig. 3 完成した多目的 TDR プローブ（Noborio et al., 1996の Fig. 1 を一部改変）.
Completed multipurpose TDR probe (partly modiﬁed Fig. 1 ofNoborio et al., 1996).

18

土壌の物理性第 150 号

（2022）

Fig. 4 1992 年 11 月 4 日付の研究ノートには，単一プローブ法による熱伝導率測定（式 1）と DPHP 法による体積熱容量測定（式 3）が書いてある．
A research note, dated November 4, 1999, described the thermal conductivity measurement by the single probe
method (Eq. 1) and the volumetric heat capacity measurement by the DPHP method (Eq. 3).

小さい 20 gauge（外径 0.91 mm）にしたが，結果的にはなのでヒーター線と熱電対の両方を一本の中空ロッド内

もっと太い，例えば 16 gauge（外径 1.65 mm）程度の注射に挿入するのに苦労した．熱電対の先端をエポキシ接着

針にすべきであった．Campbell が使ったと同じサイズ剤で絶縁して挿入するのが精一杯であった．従って，こ（直径 75 µ m）で同じ材質（Evanohm）のヒーター線が研のロッド内部にこれ以上熱伝導エポキシなど余分なもの

究室に残っていたので使うことにした．温度計には極細を均一に注入することができなかった．ヒーターの発熱の T 型（銅 · コンスタンタン）熱電対を使った．設計当をロッド全体に均一に伝導させる必要があったが，この初は，熱伝導率は単一プローブ法で，体積熱容量は熱パせいで適わなかったのかどうかは不明である．

ルス法で測定する計画であったので，温度計はヒーター

Fig. 4 に当時同じ研究室の先輩であった Jay Ham（現線を入れた真ん中の中空ロッドと外側の 1 本の中空ロッ

コロラド州立大学教授）がやっていたことを真似て書い

ドにのみ挿入した．20 gauge 注射針の内径が 0.60 mm

た多目的 TDR プローブに関する研究ノートの一部を示

解説：論文再訪

19Fig. 5 テキサス A&M 大学土壌及び作物科学科の定例セミナーで発表した CSRIO の Bristow 博士の講演に出席した 1992 年 9 月 23 日付研究ノート．この時に，DPHP 法を使って熱拡散係数（Dt ），体積熱容量（ρc ）の測定から
熱伝導率（λ ）を求められることを知った．
A research note, dated September 23, 1992, describing the presentation of Dr. Bristow, CSRIO, at the regular seminarof the Department of Soil and Crop Sciences, Texas A&M University. With his presentation, it was apparent that thethermal conductivity (λ ) could be determined from measurements of the thermal diffusivity (Dt ) and volumetric heat
capacity (ρC ) using the DPHP method.

す．Ham は小さな予備実験から大きな研究に至るまで，とされるヒーターの上昇温度が異なるので，2 回に分け彼が行った全ての研究を 1 件ずつこのような研究ノートて昇温する必要があった．これでは，いかにも間抜けなにまとめて整理していた．これは良い考えだと思って真センサーである．熱伝導率測定へのヒーター昇温温度の似をすることにした．Fig. 2 の研究ノートから Fig. 4 の影響はその後登尾ら（2002）の Fig. 4 にまとめた．

研究ノート作成まで 1 年以上の時間が経過したのは，こそんなある日，所属する土壌及び作物科学科の大学院の間に圃場実験をしたせいだと思われる．Fig. 4 の研究セミナーで CSRIO の Keith Bristow の発表を聞く機会にノートでは，熱伝導率は単一プローブ法で，体積熱容量恵まれた（Fig. 5）．この時に初めて，熱パルスセンサー

は熱パルス法で測定することが書かれている．当時はこのみで熱的性質の全てを測定可能なことを知った．これ

れで論文原稿につなげようと考えていたが，問題が一つで間抜けなセンサーから抜け出せると思った．Campbell

あった．それは，単一プローブ法と熱パルス法では必要の熱パルス法を DPHP（dual-probe heat-pulse technique）

土壌の物理性

20

第 150 号

（2022）法と呼んだ Bristow et al.（1994）の論文が出るのを待っ的性質の測定結果が変動するのはロッド間隔 r が変化てデータ解析をやり直した結果，何とか論文にできそうするせいであることは既に論文中でも述べていたので，な結果を得られた．この時 TDR プローブと単一プロー

ロッド直径を 1.3 mm，ロッド長さを 40 mm にすること

ブを組み合わせた複合プローブが既に発表されていたで，r の変化を極力抑えた（Fig. 6）．Ren の丁寧な実験を（Baker and Goodrich, 1987）が，多目的 TDR プローブの目の当たりにして，実験ではかなわないと痛感した．テ

投稿原稿をまとめている時に初めてこの事実を知った．

キサス A&M 大学在学中に開発した Macintosh 用 TDR

どの雑誌に出すかを McInnes と Heilman に相談したと

波形解析プログラムを Ren に渡すと，彼は DOS 上のMS Basic に移植して使った．いよいよ新 TDR センサーの原稿を SSSAJ に投稿する手筈が整った時，Horton が多くの研究者に覚えてもらい易い “thermo-time domain
reﬂectometry probe” と呼ぶのはどうだと我々に提案した．Ren と私は素晴らしい名前だと賛同して，Ren は1998 年の年明け早々に SSSAJ 誌へ投稿した．この論文が世に出た 1999 年 5 月以降，サーモ TDR プローブの名
前は，Horton と Ren の研究グループの精力的な研究と論文投稿のおかげで徐々に定着し，その用途は Noborioら（1996）が考えてもいなかった方向にも大きく拡大して現在に至っている（例えば， Ocshner et al., 2001; Renet al., 2003; Heitman et al., 2010; Tokumoto et al., 2010;
Kojima et al., 2014; He et al., 2018; Tian et al., 2018）．

ころ，当時毎月出版していた Soil Science 誌が早く出版できて良いだろうとの助言だった．出版回数が 2 ヶ月に一度の SSSAJ 誌では，誰かに先を越される恐れがあると彼らも私も考えた．
論文執筆の大部分は私が担当した．McInnes は，ヒー
ターの温度上昇がヒーターロッド周囲の土壌水を蒸発させることによる接触不良が熱パルス法による熱的性質
測定に与える影響をシミュレーションモデルを作って解析して，その部分と熱パルス法による体積含水率測定の部分を加筆してくれた（Noborio et al., 1996）．同様の解
析はアイオワ州立大学の Robert Horton の Ph.D. 課程学生であった Jim Bilskie（1994）もやっていて，ほぼ同じ結果を得ていたことを後年 Horton のポスドクになって知った．ヒーターの温度上昇に起因する土壌とヒーター
ロッドの接触不良問題は単一プローブ法による測定誤差として良く知られていた．ところが，熱パルス法ではこ6. おわりにの種の問題が発生しないことが実験でもシミュレーショ
ンでも実証されたことは意義深い．

多くの研究者が関わって TDR 法と DPHP 法の可能論文が Soil Science 誌 1996 年 1 月号に掲載されたの性を広げる時代が 2000 年初頭まで続いた．TDR 法とは，テキサス A&M 大学を卒業してカナダ · グエルフ大

DPHP 法の黎明期と呼べる眩しい時代であった．私がこ

学でポスドクをしていた時であった．掲載から 1 ヶ月ほの時代に遭遇できたことは誠に幸運であった．最後に特どで 100 部注文していた別刷りが全て無くなったと，日ごろは表情を余り表さない McInnes が，翌年会った時に嬉しそうに話したことは印象深い．インターネットがそれほど発達していなかった当時は，論文の別刷を郵便で要求することが一般的であった．

5. サーモ TDR プローブへの進化
別刷の要求人数から人々が大きな関心を持っていることが分かった．その中の一人がアイオワ州立大学のRobert Horton であった．カナダでのポスドク生活が終わりに近づいた 1997 年のある日，岩を絞るようにしてお金を工面したので，君の新しい TDR センサーに関する研究をやるからアイオワに来ないかという内容のメー
ルが Horton から届いた．次の行き先を探していたので二つ返事で承諾した．1997 年 5 月にアイオワ州立大学に着いた時には，数ヶ月前にカナダ · アルバータ大学から到着した Tusheng Ren（現中国農業大学教授）が既にポスドクとして新 TDR センサーの研究を開始していた．

Horton，Ren，そして私の三人は週 1 回の定例会を開
いて新 TDR センサーについて話し合った．先ず，センサーの大きさを再検討した．Noborio et al.（1996）の熱

Fig. 6 サーモ TDR プローブと呼ばれるようになった多目的
TDR プローブ（Ren et al., 1999 の Fig. 1 を一部改変）．
A multipurpose TDR probe, which have come to be called athermo-TDR probe (partly modiﬁed Fig. 1 of Ren et al., 1999).

解説：論文再訪21

記しておきたいのは，サーモ TDR プローブの潜在能力に

Heitman, J.L., Horton, R., Sauer, T.J., Ren, T.S. and Xiao, X.

いち早く目をつけたアイオワ州立大学の Robert Horton(2010): Latent heat in soil heat ﬂux measurements. Agri-が居なければ，この論文も多くの論文と同様に幾多の論

culture and Forest Meteorology, 150:1147–1153.

文の山の中に埋もれて忘れ去られる運命にあったことで木村園子ドロテア, 登尾浩助 (2011):第 12 章 SRI と土壌環ある．サーモ TDR プローブとして更に発展させて世に境, pp. 110–120. In J-SRI 研究会（編） 稲作革命 SRI. 日

広めてくれた Robert Horton と彼の研究グループに改め

本経済新聞出版社.

Kojima, K., Heitman, J.L., Flerchinger, G.N., Ren, T., Ewing,て感謝したい．

R.P. and Horton, R. (2014): Field test and sensitivity anal-

謝辞
原稿執筆の機会をいただいた編集委員会に深謝いたします．

ysis of a sensible heat balance method to determine soil ice
contents. Vadose Zone J., doi: 10.2136/vzj2014.04.0036
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土壌の物理性

22

第 150 号

（2022）

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キーワード：時間領域反射法，熱パルスセンサー，土壌水分量，熱的性質，複合センサー

ӻӿӺ ஼ၟആ㈨ࠉᩱ

J. Jpn. Soc. Soil Phys.
土壌の物理性

Miscellaneous

No. 150, p.23 ∼ 83 (2022)

みんなのミニレビュー
Table 1

執筆者氏名 · タイトル一覧．

掲載順

執筆者氏名

タイトル

1

粟生田忠雄

地下灌漑

2

赤羽幾子

土の機能を理解するために必要なこととは？ 〜初等 · 中等教育における土壌教育の実践〜

3

朝田

食料生産 · 消費がもたらす反応性窒素による環境負荷

4

足立泰久

出会い，国際会議と研究環境

5

飯山一平

野外における含水率 – マトリックヘッド関係

6

石川奈緒

土壌中の物質の動き — 粘土鉱物，土壌有機物とセシウムの関係 —

7

石黒宗秀

土と物質循環について

8

石﨑武志

土の凍上現象，文化財の劣化と水分移動

9伊藤

土壌中の CO2 濃度から地すべり予測へ

10

猪迫耕二

塩害水田の修復に関する研究

11

井本由香利

改正土壌汚染対策法における移流分散解析の利用

12

岩田幸良

土壌水分計の測定誤差要因について

13

岩間憲治

土壌中の物質移動あれこれ

14

大貫靖浩

森林土壌の厚さと堅さ — 30 年に亘る測定で何がわかったか —

15

長田友里恵

凍土とのこれまで

16

甲斐貴光

圃場の排水性17

柏木淳一

醸造用ブドウ園土壌における物質循環

18

亀山幸司

バイオ炭による土壌物理性の改良

19

木原康孝

土壌の移動現象あれこれ

20

久保寺秀夫

有機物資材と土壌物理性

21

小島悠揮

土壌の熱特性測定技術を活用する

22

小杉賢一朗

森林水文学 · 砂防学における土壌物理の研究

23

小林政広

森林土壌の保水性 · 透水性について

24

小林幹佳

私的史的フロック25

近藤文義

軟弱地盤改良土のスレーキングについて

26

齊藤忠臣

一貫性のない私の雑多な研究

27

齋藤龍司

野菜畑から見た水田土壌の奥深さ

28

斎藤広隆

アレイアンテナ地中レーダーによる土中水分移動過程の可視化について

29

坂口

ダイズやムギの深度別根密度調査の方法

30

佐藤泰一郎

景

洋

敦

風蝕の予測と抑制のために

土壌の物理性

24
Table 1
掲載順

31

第 150 号

（2022）

執筆者氏名 · タイトル一覧（つづき）．
執筆者氏名
佐藤直人 · 丸尾裕一
野川健人 · 登尾浩助

タイトル

多孔質体中の浸潤現象に対する重力の影響

32

澤本卓治

これまでの研究活動を振り返って

33

篠宮佳樹

森林での極端に大きな出水時の栄養塩動態

34

小路

敦

草原の生物多様性保全に向けた土壌物理学的観点からの取り組み

35

末継

淳

不均一流下での土壌微生物の活動と物質循環

36

杉本卓也

ヘテロなコロイド輸送現象に向けて

37

鈴木克拓

北陸地方の粘土質圃場における懸濁物質の暗渠流出

38

鈴木伸治

気候変動に伴う降雨パターンの変化が農地と作物に与える影響の評価と適応農法の確立

39

関

線形和水分保持関数からの不飽和透水係数計算法

40

髙橋智紀

湿害を分割してみる

41

竹内晴信

農耕地の土壌物理性改善を夢見て

42

田村憲司

土壌微細形態学の重要性

43

塚本康貴

私の研究紹介44

辻本久美子

土壌水分の衛星広域観測と湿潤土壌誘電率

45

徳本家康

不撹乱土中の水分 · 溶質移動

46

取出伸夫

動相不動相モデルによる土中の溶質移動

47

中尾誠司

農用地の土壌侵食と出会って

48

中川

啓

地震 · 津波と地下水汚染

49

中島

亨

炭素貯留と Soil Health

50

中嶋美幸

秋浅耕による水田からのメタンガス放出抑制51

永田

泥炭地における研究を振り返って

52

中辻敏朗

土壌凍結深制御による畑の生産性向上

53

中野恵子

素材と機械と出来上がり54

中村

水管理による玄米中 As·Cd 低減技術の開発

に向けて
勝寿

修

乾

55

中村公人 · 吉岡有美

56

西田和弘

水管理に伴う水田の窒素環境の変化

57

西村

水食を予測する58

西脇淳子

土壌構造と水移動について

59

丹羽勝久

大規模畑作地帯におけるリモートセンシング技術の利用について

60

濱本昌一郎

土壌中における微細気泡挙動について

61

笛木伸彦

有機農業と土壌物理性

62

藤川智紀

間隙構造と土壌物理性の関係

63

宮本輝仁

転換畑における水移動について

64

武藤由子

畑地土壌中における水分移動と窒素動態65

森

草地の温室効果ガス収支について

拓昭憲

水の安定同位体を用いた地域の水循環評価

資料みんなのミニレビュー
Table 1

執筆者氏名 · タイトル一覧（つづき）．

掲載順

執筆者氏名

タイトル

66

森塚直樹

色彩計による土色の測定

67

柳井洋介

土の構造が酸化還元反応を制御する

68

柳川亜季

土壌劣化から生態系機能評価まで

69

山下祐司

イモゴライトのコロイド界面化学特性と有機高分子の吸着

70

弓削こずえ

畑地の消費水量の定量化を目指して

71

吉田修一郎

構造が目まぐるしく変化する水田土壌

72

渡辺晋生

凍結 · 融解に伴う土中の水分 · 熱 · 溶質移動25

土壌の物理性

26

第 150 号

(2022)

福本ら (1992): 土壌の物理性, 64: 11–20.

地下灌漑

金田ら (2018): 日本土壌肥料学雑誌, 89 (3): 197–203.
古檜山ら (2014): 農業農村工学会論文集, 290: 23–32.

粟生田忠雄
新潟大学農学部

越山ら (2017): 農業農村工学会論文集, 304: I 7–I 14.
松原ら (1985): 土壌の物理性, 52: 18–29.
中村 · 越山 (2018): 土壌の物理性, 140: 15–22.

キーワード: 暗渠，汎用化水田，排水性

中野ら (2014): 園芸学研究, 13 (2): 125–133.

土壌物理を志したのは，紛れもない指導教授陣の人間

吉田 (1960): 農業土木研究 別冊, 1: 19–26.

坂田ら (2017): 農業農村工学会論文集, 304: I 129–I 135.

性にある．彼らの指導は，個性的で飾らないが常に熱を帯びていた．こうして，土壌物理の面白さにのめり込ん

土の機能を理解するために必要なこととは？

だ．ただし，その足跡（たとえば吉田, 1960）は大きく，∼ 初等 · 中等教育における土壌教育の実践 ∼著者のもがきは止らない．地下灌漑は，こうしたもがきから生じた研究の種である．
地下灌漑は，水田の汎用化などの高度利用に不可欠な

赤羽幾子
農研機構企画戦略本部

技術．また，夏の高温やフェーン現象による水稲収量減や等級低下への対策は，喫緊の課題である．今日，地下灌漑は，様々な様式が提案されている．松原ら（1985）

キーワード: 土壌教育，学習指導要領，表土，落ち葉め
くり，持続可能な社会の創り手

は地下灌漑黎明期の技術開発を述べた．調節水路の水位制御で圃場へ地下灌漑させる．福本ら（1992）は，粘質

私が土壌教育活動に取り組むようになったのは，2014

土壌畑における地下灌漑を検討し，亀裂を含めた心土の年に（一社）日本土壌肥料学会の土壌教育委員会（以下，
透水性評価の重要性を指摘している．古檜山ら（2014） 「委員会」と記す）委員になったことがきっかけである．
は，地下灌漑装置による地下水位制御が水稲のタンパ
国際土壌年の 2015 年，委員会は全国の小学生 ∼ 大学生
ク質吸収を抑制する可能性を示唆した．中野ら（2014）を対象とした土に関するアンケート調査を立案 · 実行しは，地下灌漑装置による地下水位制御が大豆収量の増，た．このアンケート調査では，児童の「土の必要性へのおよび秋まきキャベツの過湿害回避に寄与することを示

意識」および「土への関心」に影響する要因について，興した．越山ら（2017）は，北海道の大区画水田において味深い結果を得ることができた（平井ら, 2017; 藤間ら,異なる栽培方式での用水量を検討した．直播栽培の普及2017）．「土の必要性への意識」や「土への関心」に対し，で中干し後の再取水の用水需要のピークが緩和されるこ

周囲に土のある場所が多いこと，土の知識や土に触れるとを明らかにした．坂田ら（2018）は地下灌漑による水機会が増えることはプラスに働き，学年の進行はマイナ

稲栽培が，土壌の温度環境を均一にする傾向を示した．

スに働く要因になることが示された．

粟生田（2020）は地下灌漑が夏季高温条件下において水アンケート調査の結果を受け，わが国の学校教育にお田の土壌温度を抑制しうることを示唆した．また金田ら

いて「土 · 土壌」がどのように取り扱われているかを把握（2018）は，地下灌漑が高温条件下でも水稲の品質を維するため，学習指導要領理科に記載された「土 · 土壌」の持することなどを解明した．

内容を調査した．学習指導要領小学校理科において「土用に耐える農業インフラである．このため施工コストや· 土壌」が登場する回数は，学習指導要領の改訂に伴い減少した（平井ら, 2011）．昭和 52 年の改訂以降，「土 · 土取扱方法など導入には慎重な検討を要する．Aoda et al.

壌」に関する記述は，土は流れる水で運搬され堆積する

地下灌漑システムは消耗品ではなく，20 年 30 年の使（2013）は，技術者への普及のため，エクセルを用いた浸自然物である．平成 20 年の改訂で 1 回まで減少した登透流解析で地下灌漑する際の圃場内の流線，および等ポ

場回数は，平成 29 年 3 月に告示された新学習指導要領

テンシャル分布を表す数値モデル開発した．中村 · 越山

では 4 回まで増えたが，「水のしみ込み方は，土の粒の大（2018）は，地下灌漑による用水の動きを 3 次元的に動きさによって違いがあること」を理解させ，自然災害と画で表し農家の情報提供ツールを開発した．

の関連を図ることを目的とする内容であった．学習指導

このように地下灌漑の研究は，作物生育管理の観点で

要領中学校理科では，「生物の生活は，光 · 温度 · 水 · 土は解明すべき課題が残されているが，農業者や技術者へなどの環境要素に支配されること」，「土は，岩石が風化の普及も進んでいる．

してできたものであること，その成分や粒度などによって性質が違うこと，およびその違いが植物の生育に影響

引用文献
Aoda et al. (2013): Procedia Environmental Science, 19: 465–473.
粟生田 (2020): 開発学研究, 13 (2): 69–76.

すること」のように，土を環境要因の一つと位置付ける
内容で取り上げていた．
「土 · 土壌」の記述は平成元年の改訂で消滅し，平成 10 年の改訂では「土壌動物」の記載はあったものの，環境要因に触れる内容が削除された．
学習指導要領理科における「土 · 土壌」の取り扱われ資料：みんなのミニレビュー方を調査した結果，土を系統的に学習する内容になっておらず，断片的に扱われていることが伺えた．児童 · 生
徒は小学校理科で学習する「岩石が砕けてできた，大小27

食料生産 · 消費がもたらす反応性窒素による環境負荷

様々な大きさの石や砂や粘土の粒の堆積物」として土を認識し，そのイメージのまま学年が進行してしまう可能性が高い．星（2018）による大学生の土に対する意識調

朝田景

農研機構 農業環境研究部門

査では，学生の多くが土と砕屑物の違いを理解していな
いことが示唆された．星（2018）は，この結果と初等 ·中等教育における土の扱いとの関係性を指摘している．

キーワード: 窒素利用効率，窒素カスケード，環境フットプリント，エシカル消費

理科，生活科，社会科，技術 · 家庭科の教科書に土の記の性質や機能などはほとんど説明されていないことが報食料生産 · 消費過程で排出される反応性窒素（Nr:Reactive Nitrogen，窒素ガス以外の窒素）による環境負告されている（福田, 2006）．

荷を減らすため，私たちは持続可能なフードシステムへ載があるが，その取り扱いは付随的であり，土そのもの

私は土の機能を理解する大前提として，生物や有機物の転換を確実に図っていく必要がある．そのためには，を豊富に含む，森林の地面の表層に形成する「表土」の姿

農地 ∼ 家庭の食卓，国 · 地域に至るまで，分野を超えたをイメージできることが肝要だと考える．学習指導要領

問題意識の共有と相互理解が求められている．

に記載された指導内容の範囲でそのイメージを構築する

豊富で不活性な大気中の窒素を Nr に変換する人工ならば，近隣の雑木林を利用して，地面の落ち葉をめく固定化技術は食料の生産性を飛躍的に向上させた．一る活動が有効であろう．落ち葉をめくっていくと，落ち方，このわずか１世紀の間に増大した Nr の循環量は既葉の形が徐々に無くなり，細かく砕かれていく様子が観に地球の持続可能である限界を超えたとみられている

察できる．細かく砕かれたもの（落ち葉の分解物）を注（Campbell et al., 2017）．Nr は形態を変化させながら大意深く観察すると，岩石が砕けてできた小石，砂，粘土

気 · 陸域 · 水域で複雑にカスケードし，各段階で深刻ななどの自然物や生物が混じりあっていることに気づく．

環境汚染を引き起こしている（UNEP, 2019）．

そして，それが「土」であると知ったとき，自然物の堆窒素負荷の少ない食料生産 · 消費には，窒素利用効率

積物以外の「土」が認識されるだろう．さらに地面を掘（NUE: Nitrogen Use Efﬁciency，投入窒素に対する持出り進めていくと，表層と次表層の「土」の違い（硬度，土窒素の割合）を向上させ，窒素肥料の使用量を削減する

色，手触り，匂い，湿り，植物根の有無，等）を体感す

等の Nr 管理の適正化が必要である（Zhang et al., 2015）．

る．このような経験と段階的な学びが「表土」の感受にしかし，世界の平均 NUE（作物栽培: 約 46 %，作物栽培

繋がると考える．

から食品の流通 · 加工 · 消費まで: 約 29 %）は過去数十

福田（2004）は，児童 · 生徒の土に対する知識 · 関心が乏しく，土の理解が進んでいない要因として，環境や年低いままである（Sutton et al., 2013 等）．

に学校現場に働きかけることが重要である．新学習指導

NUE 向上に向けて，起源の異なる窒素の投入から持出 · 排出までのフローを定量化し，改善すべき箇所を特定する手法に窒素収支解析がある（Shindo et al., 2009;
松本ら, 2017 等）．Hayashi et al.（2021）は，2000 年から 2015 年における日本でのあらゆる人間活動の窒素収支を明らかにし，社会的 · 経済的背景を考慮しながら適正な Nr 管理に向けた課題を抽出した（窒素収支の算定

要領の前文には「持続可能な社会の創り手」の育成が明に用いた全てのデータは論文の補足情報から入手可能）．

記された．生命の基盤となる「土」の理解はこれに寄与

その結果，環境への Nr 負荷量はこれまでの施策等によするものである．土壌教育に取り組む際はなぜ「土」をり経年的に減少したが，発生源としての食料生産の割合

学ばなければならないのか，その理由も丁寧に伝えていは微増傾向にあった．食料生産による Nr 負荷量は農地

きたい．今後も微力ながら土壌教育活動を続けていこうの余剰 Nr 量（投入窒素と持出窒素の差）に直結するが，と思う．教育関係者と交流し，落ち葉めくりの実践とそ

欧州各国と比べて日本の余剰 Nr 量は高く，長年改善さの有効性について議論を進めたい．

れていない．江口ら（2021）はその要因の１つに，窒素

生活が様変わりしたこと，加えて教育現場での土の取り扱いが消極的であることをあげている．この状況は土に携わる者として改善したいと思う．委員会が各地で開催する土壌断面観察会や土壌教育教材の開発を進めるとともに，土壌物理学会に所属する研究者や技術者が積極的肥料に頼る耕種農家と輸入飼料に頼る畜産農家との分業

引用文献化があるとして，余剰 Nr の適正な管理 · リサイクルの藤間ら（2017): 日本土壌肥料学雑誌, 88: 527–537.

ための両者を繋ぐ仕組みやインセンティブのある環境整

福田（2004): ペドロジスト, 48: 109-116.

備が必要であるとした．

福田（2006): 日本土壌肥料学会雑誌, 77: 597–605.

これまでの Nr 負荷の低減対策は主に生産者が対象で平井ら（2011): 日本土壌肥料学雑誌, 82: 52–57.

あったが，消費者による判断や食品の選択行動が食料生

平井ら（2017): 日本土壌肥料学雑誌, 88: 205–212.

産パターンを変えるとして，消費者に働きかける手法が星（2018): 愛知教育大学研究報告（自然科学）, 67: 53–60.

近年開発されている．「食品の窒素フットプリント」は，

土壌の物理性28

第 150 号

(2022)

食品の消費によって一人当たりが環境に放出する Nr を考えなさいというようなノリで学科共通の大部屋（大学生産 · 流通 · 加工にまで遡って定量化した指標である（種院生室）に入れられ（ある意味ほったらからし）ていま

田ら, 2018）．日本では，私たちが口にするコメに含まれした．最初のゼミの順番が回ってきたとき，話すネタがる Nr の 1.7–3.3 倍（NUE 23–37 %，Hayashi et al., 2021

ないので，指導教授のマネをして生態学と農業水利のよ等），牛肉では 26.3 倍（NUE 3.7 %，Mori et al., 2020）の

うなおおざっぱな内容で，神安土地改良区の 2 次処理水

Nr が消費以前に無駄となる．さらに，Clark et al.（2019）の農業用水還元の話や明治用水の地域管理用水としてのは，様々な食品に対する「継続的な摂取（食習慣）によ

水質浄化の考えかたについて報告しました．その直後，るり患リスク」と「その生産に起因する環境負荷リスク」

教授室に呼ばれ，水質は重要だけど物の見方はもっと重を多面的に解析し，健康状態の改善に効果のある食品は要だということで農業土木試験場の大井さんを紹介いた

環境負荷が小さいことを示した．環境 · 健康 · 食習慣をだきました．数か月間紆余曲折はあったものの，修士論繋ぐこれらの研究は，環境に配慮した食習慣への移行と文は大井さんにお世話になりました．

フードシステムへの転換を消費者自らの問題として意識させると考える．

前置きが長くなりましたが，その大井さんの隣の研究室で農環研から異動してきた岩田さんが室長をされていました．当時，岩田さんは粕淵さん，長谷川さん，宮崎

引用文献

さんなど錚々たるメンバーによる熱い雰囲気のゼミを定Campbell et al. (2017): Ecol. Soc., 22: 8.

期的に開催されておりました．1，2 度のぞかせていただ

Clark et al. (2019): PNAS, 116: 23357–23362.

いたのですが，そのダイレクトでフランクな雰囲気に大江口ら（2021): 土肥誌, 92: 208–288．

きなカルチャーショックを受けました．おそらく，今会

Hayashi et al. (2021): Environ. Pollut., 286: 117559.

長をされている取出さんも元会長の溝口さん，石黒さん

松本ら（2017): 土肥誌, 88: 1–11.

も同じような影響をうけ，ある種の共感世代が形成されMori et al. (2020): Environ. Res. Lett., 15: 125007.

ていました．岩田さんから学んだことは，基礎研究の重種田ら（2018): 日本 LCA 学会誌, 14: 120–133.

要性には違いないのですが，それ以上に研究環境は自分

Shindo et al. (2009): Soil Sci. Plant Nutr., 55: 532–545.

で作るんだという研究に取り組む姿勢への気づきだった

Sutton et al. (2013): Our Nutrient World: The challenge to pro-といえます．ただ，その気づきによって，私も大井さん

duce more food and energy with less pollution.

も土壌物理とは一線を隔している何かを作ろうと無意識

UNEP (2019): Frontiers 2018/2019. The Nitrogen Fix: Fromに意識していたのだと思います．以下に紹介する国際会

Nitrogen Cycle Pollution to Nitrogen Circular Economy

議における出会いは “作ろうとしていた何か” が少しず

（日本語訳あり）．

つ具現化していくきっかけになっていると思います．

Zhang et al. (2015): Nature, 528: 51–59.

世界化学工学会議
最初に出席した国際会議は 1986 年に東京で開催され出会い，国際会議と研究環境

た第 3 回世界化学工学会議でした．この会議は日本の化学工学会が総力を挙げて日本に誘致したもので，成功す足立泰久

れば化学工学のレベルがグーッと上がるはずだと，大井筑波大学 生命環境系

さんのサジェスチョンが有リ，張り切ってろ過（固液分離）の白戸紋平先生のセッションに発表参加しました．

キーワード: 世界化学工学会議，IACIS，IAP，ELKIN

あまり土壌物理では知られていませんが，白戸の式は本質的にテルツアギの圧密理論と同じ問題ととることがで私の研究室は現在コロイド界面を中心に展開していまきます．会議開催は博士課程の 2 年目でしたが，何もかすが，編集担当の方からは，「テクニカルな内容についてもが新鮮で，その情景は昨日のように思い出されます．

というよりは，どうしてこのような環境ができたかとい

わたしの発表はピンポン玉で作ったフロックの模型からうあたりを説明できないでしょうか」と伺いましたので，

フロックのクラスター間接点数がフロックの構造を記述

大学院から学位を取得した前後とその後の国際会議でのする上で本質的に重要だと指摘した内容でした（Adachi

出会いを中心にミニレビューしてみることにしました．

and Ooi, 1990）．ところが，私の隣には凝集工学のホープ

今回の企画には「土壌物理を志したきっかけ」とありの東谷公先生が，ペレット凝集のポスターを張り，既にますが，土壌物理という限定があれば，大学院の時に研投稿論文を書きあげており A4 判のタイプ原稿を 30 セ

究指導をお世話になった農業土木試験場の大井節男さん

ンチぐらい束に積み上げそれを配りながら集客力抜群のの隣の研究室に岩田進午さんの存在だと答えることがで発表をされていました（Higashitani and Kubota, 1987）．

きます．私は元々農業水利（水）の研究室に進学してお東谷先生の発表内容は私のそれを大きく包含しており，り，指導教授の志村先生は，卒業研究のテーマ設定で水その勢いには “圧倒される” の一言でした．私の発表に理学ではなく水利学をやって欲しいということで「矢作くるお客さんはそれほど多くなかったので，その分隣の川の流域管理」について卒業論文を書きました．その後

東谷先生の発表内容をしっかり勉強することができまし

修士課程に進学したものの，1 年ぐらいかけてテーマをた．我々のポスターには後に北大総長をされた丹保憲仁

資料：みんなのミニレビュー

29

先生も現れ，「あなたが発表しているようなフロックの仕係構築が非常にスムーズで上り調子だったと思います．

事はもう大体方がついているが，強いて挙げるなら東谷先生のようなペレット凝集はまだやる価値がある．
」と発IAP の 2 回目のハンガリーの会議では，懇親会での酔った勢いで Koopal 先生から，「次は日本だ．」と宿題ももせられました．その言葉に内心は「そうじゃない，こっらってしまいましたが，この宿題については，以前学会

ちもやることが残ってる」と思いながらも，この日から，長の挨拶のところで書かせていただきましたが，「可能私の高分子を用いた凝集の研究が始まったといえます．

と思うしやる価値がある」と大井さんが賛同してくださ

IACIS

り，その後 Julich（ドイツ），アルハンブラ神殿のグラナ

博士課程在籍中に国際コロイド連盟（International As-ダ（スペイン）を経て，アルハンブラに対抗するには京都

sociation of Colloid and Interface Scientist 以下 IACIS）のしかないということで 2008 年の 6 月に大勢の方の協力

会議が箱根で行われる情報を，筑波大の古澤先生からいのもと京都大学の時計台で開くことができました．IAP

ただき博士論文の中から，凝集速度とフロックの構造形

は国際会議でしたが，国内においても様々な分野に分散

成のイオン強度依存性について abstract を送って参加ししていた界面科学の研究者が環境の名のもと一同に会す

ました．この会議は 3 年ごとに行われ第 6 回の会議を日るたいへん貴重な機会になりました．その結果，吸着や本化学会コロイド界面部会が総力を挙げて日本に誘致しコロイドの凝集を中心に界面化学の大筋が実感できた気たもので，デリアギン博士など歴史上の研究者を目の当がします．

たりに見る機会にもなりました．IACIS についてはそのELKIN

3 年後にフランスのコンペーニュで開催された第 7 回会
議も私にとっては重要で，留学先の Wageningen から参行動原理は京都の IAP を単なるお祭りにしないために加した私は駆け出しの研究者であったにも関わらず，プはどうしたらよいのかということになったかもしれませ

ログラム上はたいへんいい場所で発表させていただいたん．その行動原理は今も続いていますが，「細々と長く続

上にチェアマンに抜擢されるなど，破格の待遇を受けまけること．
」と言える気がします．IAP の Chair はこの人した．この会議では，ノーベル賞を受賞する直前の Deしかいないと東京理科大学の大島広行先生のところに大Gennes がプレナリーレクチャーをされましたが，講演で高分子吸着のダイナミクスに触れ bare surface への吸

井さん，石黒さんとお願いに行った時，界面動電現象に

着緩和の重要性を指摘したとき，化学工学会議の隣のポ流れが作られ，筑波は Almost 東京ということで 2012 年

スターの東谷先生の発表から考えてやっていた実験のアに ELKIN を開催する路線が示されました．IAP の反省

イディアが整合していることを確認しました．

点はお祭りの世話に一生けん命になりすぎて，自分達のIAP研究活動がおろそかになったこと，国内委員会を継続さ

IAP2008 の準備は本当に大変でしたが，その後の私の関する国際シンポジウム（ELKIN）とセットで開催する

オランダから帰国し，理学的なコロイド界面の仕事とせる形で組織化しなかったので，IAP のあと何も残らな

農業土木には大きなギャップ（溝）を感じてたのですが，いようになってしまったことなどを痛切に感じたので，

運よく 4 人もの学生さんが卒業研究を私の研究室でス

ELKIN の方はそうならないように，国内には界面動電タートすることになり，フロックの破壊（Kobayashi et現象研究会の発足を呼びかけ，学内的には研究推進の形

al., 1999），沈降速度（Adachi and Tanaka, 1997），高分子
電解質による凝集（Matsumoto and Adachi, 1998），粘土のレオロジー (Miyahara et al., 1998) と並列的にテーマ態として生物資源コロイド工学リサーチユニットを組織をたて，その溝を埋めるべく本格的に研究室を立ち上げ

は東日本大震災を被災しました．東日本大震災の復興のることができました．しばらくしてから Wageningen の中，本当に開催できるかも不透明なまま ELKIN の開催

Koopal 先生から，環境汚染と界面科学をテーマにした国際会議（Interface Against Pollution）のサーキュラーがの準備が進みましたが，困難な状況ではあったものの，届きました．私にとって渡りに船のように感じられ，運原和江先生，IACIS 会長の Prieve 先生，Wageningen で良く定員 1 の茨城県の国際会議参加の若手助成も get しお世話になった Lylema 先生，凝集研究のライバルでもたので大手を振って出張参加することができました．まあった東谷先生，さらには福島で開催された復興のシンた，丁度同じころ農業土木学会誌で岩田さん，大井さん，

ポジウムに訪れたモスクワ大の Zezin 先生，またプレコ

前述の共感世代を中心に多くの方々に協力いただき連載

ンファレンスで一緒に被災した内外の研究者など世界中

講座「土のコロイド現象」の企画を編集委員をされていの方々の友情に支えられ本会議自体は比較的スムーズにた中石さんが会議で企画をうまく通していただき，大井

開催することができました．

さんが招聘してくださった Koopal 先生の集中講義の内ロシアとの交流

し，その準備にあたりました．ところが会議開催の前年の 2011 年 3 月 11 日，プレコンファレンスの初日，我々直前に仙台で開催された IACIS の会議を組織された栗容も加えずるずる引き延ばして計 20 回の連載企画が実

ELKIN 後，土壌物理として特筆すべき交流がモスク現しました．さらに最終的には科研費の企画調査研究な

ワ大学と開始されました．モスクワ大学のカバノフ教授

ども組み込んで総勢 28 名の執筆者からなる単行本の形

は高分子電解質の研究で先駆者の 1 人に数えられる研までまとめる機会にも恵まれました（足立 · 岩田, 2003）．

究者ですが，チェルノブイリの事故の際，自ら陣頭指揮

このように研究者の駆け出しの頃は，土とコロイドの関しヘリコプターで高分子電解質複合体（PIC）を散布し，

30

土壌の物理性第 150 号

(2022)

放射能の拡散を防いだことでロシアの科学アカデミーの抗生物質耐性菌と界面の関係を浮き彫りにするような素名を世界に馳せた方です（現代化学, 1999）．前述したと晴らしい会議を開催しました．次回は来年の 9 月にベル

おり ELKIN の開催と東日本大震災からの復興が重なっギ―の古都アントワーペン，そして 2024 年がイタリアたことで，我々はモスクワ大学のカバノフ教授が切り開のアルプスの麓トリノで実施されることが決まりそうないた高分子電解質の分野研究室と交流を持つようになり気配です．地球規模の環境問題認識の追い風もあります

ました．ELKIN の翌年には高分子ミクロゲルを研究さが，踏み外さないよう立派な会議に成長できればと思っれている小川和義先生と極寒のモスクワを訪問し，環境ています．

コロイドと高分子電解質のセミナーを行い，その翌年の謝辞

2014 年には TGSW（筑波グローバルサイエンスウィーク）で，セッションを組み，その特集号を Advance inColloid and Interface Science に組みました．また 2016

盤に差し掛かってきたかなと思いますが，今後の展開は年には再びモスクワで開かれた高分子電解質に関する国

ロイド凝集に関する基礎を追求しつつ，それを踏まえた

際会議（Polyelecrolyte 10）へ参加し，その翌年には若干視点で生態系に関わるような工学的問題を土の世界にも19 歳で名門モスクワ大学の学士課程を卒業したピカ一の留学生（Ilyasov 君）を半年間受け入れ，ミクロゲルによる凝集を指南し共同研究を開始しました（Ilyasov et al.,2020）．彼はそのミクロゲルをロシアに持ち帰り，砂質

水の世界にも示せたらと思い，数年後を目標にもう一頑土に混入させクラスト形成による耐食性の向上，水分保によります．また，これまで研究室運営を支えていただ

持特性の改善などを報告するにいたりました（Panova et

いています准教授の小林幹佳先生，助教の山下裕司先生，

al., 2021）．土壌物理の視点では水分保持のモデル（vanGenuchten, 1980）の座標軸に高分子化学の視点を組み込

杉本卓也先生，技術職員の櫻井進氏にお礼申し上げます．

んだプロットを行ったことは今後の展開の方向性として

その時々の慣例を尊重いたしました．私の研究は多くをも重要な指摘ができたと思っています．このやり方はペ科研費に依存していますが，最近はデータベースが充実

レットを形成する他の系にも適用できるはずなので今後していますので，そちらを参考にしていただければと思も続けて検討したい課題になりました．さらに進めればいます．

職場での定年が近づき自分の研究者人生もそろそろ終初心に回帰することを意識しながら，一周回ってきたコ張りできたらいいなと考えております．また，このようにかなり自由に研究を展開してこれたことは研究室にて卒業論文，修士論文，博士論文を仕上げた卒業生の努力

尚，人名の敬称に統一がありませんが，その場所場所，

高分子と水界面の濡れ性の視点で土壌の保水性，不飽和
土の透水性などが記述できる可能性が出てきます．ここまで来ると Van’t Hoff や van der Waals などのオランダのコロイド界面化学の発祥が土壌物理とつながっていることなどが見えてくる気もします（塚原東吾, 2000）．

IAP のその後
最後に京都の会議では多くの土壌物理学会の方にお世

引用文献
足立 · 岩田編著（2003): 土のコロイド現象, p. 451. 学会出版センター, 東京．

Adachi and Ooi (1990): J. Colloid and Interface Sci., 135: 374–
384.
Adachi and Tanaka (1997): Water Res., 31: 449–457.

話になったので IAP のその後について報告します．京現代化学（1999): チェルノブイリ原子力発電所事故の化学処

都の会議は飛躍的な大成功は次の開催の大きなプレッ

理 – 放射能汚染拡大を防ぐためにロシアの化学者はどう

シャーになりました．しかし，程なく北京の中国科学院

対処したのか – Alexxander B. Zezin 聞き手: 熊沢紀之．

生態研究センターが名乗りを挙げ，2010 年北京（水環Higashitani and Kubota (1987): Powder Technology, 51: 61–69.

境）で行われました．その後，ヨーロッパに戻り 2112 年

Kobayashi et al. (1999): Langmuir,15: 4351–4356.

Nancy（フランス），2014 年（オランダ），2016 年（スペイン），モンペリエ 2018（フランス）と旅をし，2020 年

Matsumoto and Adachi (1998): J. Colloid and Interface Sci.,

は再び武漢（中国）と来るはずでしたが，コロナウィル

Miyahara et al. (1998): Colloids and Surfaces A: Physicochem-

スがタイミング良く武漢の市場で発生し 1 年延期され本年の 5 月にオンラインで実施されました．ホストを務めた華中農業大学の土壌の研究室の Wengfeng Tan 先生は最近の地球環境問題の中での趨勢を捉え，バイオフィル
ム，マイクロプラスチック，ヒ素汚染，バイオチャー，

204: 328–335.
ical and Engineering Aspects, 131: 69–75.
Panova (2021): Colloids and Surfaces A: Physicochemical andEngineering Aspects, 610: 125635.
van Berkel（塚原東吾訳）(2000): オランダ科学史, 科学史ライ
ブラリー, 朝倉書店, 東京．

van Genuchten (1980): Soil Sci. Soc. Am. J., 44: 892–898.

資料：みんなのミニレビュー

31

野外における含水率–マトリックヘッド関係きたようであり，ヒステリシス挙動に関して室内試験結
果と野外観測結果との直接比較を許すような事例は，少飯山一平

ないように見受けられる．野外 h–θ 関係についても，そ宇都宮大学のヒステリシス挙動を無視しがたいとした見解（Royer

キーワード: 野外土壌水分特性，土壌水分ヒステリシ

and Vachaud, 1975）もあれば，野外 h–θ 関係にはほとん
どヒステリシス挙動を認めることがなかった（Li et al.,2005）との報告も見られるなど，実態をとらえる必要がス，植物利用可能水分，土壌間隙径分布

大きく残るようでもある．
ある土壌の体積含水率（θ ）とその土壌の水分のもつ観測を続けた結果，野外 h–θ 関係の日常的な様態

マトリックヘッド（h）との関係を表した曲線は，土壌は，h–θ 図上の限られた範囲を往来する傾向が強かっ

水分特性曲線（soil moisture characteristic curve, SMCC）

た（Iiyama, 2016）．また，この研究事例で得られた野外や土壌水分保持曲線などと呼ばれ，当該土壌の抱えうる植物利用可能水分量の見積もりや，その土壌の間隙径分

h–θ 関係の多くが，その観測地点 · 深度に対応した室内
SMCC に比べ，h–θ 図上において 0.1 程度，低い θ 領域

布の推察，野外の土壌水分様態の解析，等に活用される．

を辿る傾向を示したことから，先述の仮説の成立する可SMCC は，大抵，室内試験により，飽和状態からの乾能性は，高いように思われる．同時に，何年かに一度の燥過程を以て，得られているようである．一方，「乾燥強い乾燥条件を経験した観測地点 · 深度の中には，野外状態からの吸水過程を以て SMCC を描けば，乾燥過程

h–θ 関係の h–θ 図上に描く領域が従前よりも低い θ 領

を以て描かれたそれと比べ，より低い θ の領域に描かれ域へと明瞭に遷移するものが見られた．その遷移に併せる」との履歴挙動（ヒステリシス挙動）もまた，知られて，野外 h–θ 関係の勾配 d θ /dh の大きさが増加する傾ている．

向も見られた．

これらのことは，「野外における h–θ 関係の変遷は乾これらのことからは，室内 SMCC を直接に野外土壌

湿履歴そのものに違いなく，また，野外の土層が相当の水分様態の解釈に適用するならば土壌水分量の見積もり

厚さにわたって飽和に至ることは稀なことのはずであるに相応のずれを生じるであろうこと，および，一方では，から，野外で h と θ とを併せて観測し続けるならば，得野外 h–θ 関係をあるひとつの数学関数 θ (h) として表し，られる h–θ 関係（野外 h–θ 関係）は，乾燥過程を用いた

その θ (h) を用いて解析する際の解析対象期間を直近の 1

室内試験に由来する SMCC（室内 SMCC）に比べ，より年間程度とするならば，解析結果が実態からそれほど遠低い θ の領域を辿るはず」との仮説を想起させる．

くならずに済むであろうことが，示唆される．野外 h–θ

野外 h–θ 関係を得ようとするとき，観測は長期に亘関係の遷移に伴う d θ /dh の大きさの変化については，発りがち，と思われる．観察対象とする野外土壌の水分様生事象数が少なく，その傾向の一般性の程度を見積もる態として自然に近いものを求めようとするならば，対象

迄には至っていない．d θ /dh の大きさの変化からは，ま地に出入りする水分の量を天候その他に任せたい．する

た，土壌の間隙径分布の変化が疑われるものの，その実と，観測結果としての h や θ の範囲の広がっていくこと

態解明は不十分であり，課題として残っている．

を，なかなか，期待できない．例えば，室内 SMCC と野

現状では，野外 h–θ 関係の遷移の繰り返しとの遭遇を

外 h–θ 関係とが互いに異なる可能性について，従来，こはじめ，遷移の特徴を見出していくことや，遷移の発生れを指摘してはいても，扱った土性が限定的である事例

機構についての考察と整理，といった課題が残る．h–θ

（Morgan et al., 2001）や，観測対象とした h や θ の範囲

関係の野外的実態に関し，多様な，そして気の長い，実が限られる事例（Inoue et al., 1998; Al-Yahyai, 2006）が測知見の積み上げが望まれる一方，観測を継続するばか見られることからは，何事かを結論付けるに足るだけのりでも展開は難しいように思われる．

観測結果を得ることのないままに観測期間だけが長じていった事例は現れないまま，といった事情が推察される．

引用文献

野外 h–θ 関係と室内 SMCC とを比較した事例は，近Al-Yahyai et al. (2006): Soil Sci., 171: 85–93.

年，見られつつある（Pirone et al., 2014; Iiyama, 2016;

Bordoni et al. (2017): J. Hydrol., 552: 283–305.

Bordoni et al., 2017; Yu et al., 2021）ものの，まだ少ない

Iiyama (2016): Soil Sci. Plant Nutr., 62: 416–422.

ようであり，両者の間の違いの一般的な特徴を検討する

Inoue et al. (1998): Water Resour. Res., 34: 1035–1050.

うえで必要な実測知見は，十分量に至っていないようで

Li et al. (2005): J. Geotech. Geoenviron. Eng., 131: 1176–1180.

ある．

Morgan et al. (2001): Plant and Soil, 234: 153–157.

両者の違いの要因のひとつと思われるヒステリシス挙動については，室内 SMCC を得ればヒステリシス挙動が認められる一方，古典的なヒステリシス現象研究事例
では，供試体として，砂やガラスビーズなどの，粒径の比較的大きく，かつ，均一に近い材料が多く用いられてPirone et al. (2014): Proc. Earth Planetary Sci., 9: 163–170.
Royer and Vachaud (1975): Soil Sci. Soc. Am. Proc., 39: 221–
223.
Yu et al. (2021): J. Hydrol., 603: 126829.

土壌の物理性

32

第 150 号

(2022)

土と物質循環について

土壌中の物質の動き— 粘土鉱物，土壌有機物とセシウムの関係 —石黒宗秀
北海道大学大学院農学研究院

石川奈緒
岩手大学理工学部

キーワード: 溶質移動，電荷，有機物，物質循環

キーワード: 放射性セシウム, フミン酸, フルボ酸
私が高校生のころ，有吉佐和子の「複合汚染」が出版
中学生の頃，当時盛んに報道されていた環境問題に興されました．人の健康の基本になる農の問題を指摘した味を持ち，研究者を志した．土壌中の物質の動きに関す

センセーショナルなベストセラーです．公害問題や環境る研究は，高レベル放射性廃棄物処分の環境影響評価に問題が深刻な時代背景でしたので，農業と環境について係わるプロジェクトの博士研究員となったことがきっか

何かしたいと漠然と思っていました．学生時代は，造成けだった．高レベル放射性廃棄物の地層処分後，放射性

農地の水質を調べていました．農地から流出する成分に核種が処分場から地下水とともに地表へ到達する可能性

よって，流出パターンが随分と異なるので，いったい土がある．放射性核種を含む河川水等が農地に使用されたのなかでどんなことが起こっているのだろうと思いつつ際の放射性核種の移行評価のため，土壌中での放射性核測定していました．農業土木試験場に就職し，当時土壌種の収着性や収着メカニズム，収着性に影響を及ぼす土物理学分野で活躍していた岩田進午さんの研究室に配属

壌中の構成要素の特定について研究を行った．研究対象された縁で，土壌物理学の研究をするようになりました．

元素の中でも，Cs は特殊な収着メカニズムを持っておつくばは，他の研究所や大学との交流が盛んで，ゼミ活り，例えば雲母鉱物に存在する Frayed Edge Site に強く固定する．土壌中のイライト含有量と Cs 固定率には有動を通して物理学の美しさや楽しさを学びました．
土の中の溶質移動研究を始めましたが，そうするうち意な相関が見られる（石川ら, 2007）．

に土の電荷特性を軸に，物質移動，土壌構造変化，透水2011 年には福島第一原子力発電所の事故により，放射性 Cs に汚染された廃棄物が大量に発生した．比較的放射性 Cs 濃度が低い廃棄物は既存の管理型最終処分場に性を扱うようになりました．条件を単純化して実験をしていましたが，腐植物質を無視できないので，有機物の吸着移動も扱うようになりました（石黒, 2018）．そうす処分されているが，廃棄物の周囲に土壌層を設置するこると，静電気力とは異なる疎水性相互作用が重要になりとで放射性 Cs の漏出を防いでいる．そこで，土壌に鉱ます．有機物に関しては，微生物による分解反応もある物を混合することで土壌層の Cs 保持能を向上させることを検討した．イライトやゼオライトを混合することでので，さらに複雑になります．自然の物質循環を扱う際に，微生物や酸化還元反応も興味深い対象です．

土壌の Cs 保持能は向上するが，一方で土壌有機物が鉱

空中窒素固定技術を開発したハーバーは，「細菌は，物に吸着し Cs 固定サイトの入口を覆うことで Cs 固定を我々が真似することができない巧みな方法で窒素固定し阻害すると考えられている（Dumat and Staunton, 1999;ている．」（干鯛, 2014）と語っています．健康科学が多千葉ら, 2019）．土壌有機物であるフミン酸とフルボ酸で数の腸内細菌との共生関係で人の健康が維持されることはフルボ酸の方がゼオライトとイライトには比較的多くを明らかにしたように，土や作物の健康にとって微生物

吸着し，Cs 固定阻害に寄与することが示唆されているが重要な働きを担うため，農法の見直しが指摘されてい（Tameta et al., 2021）．

ます（モントゴメリー · ビクレー, 2016; 陽, 2020）．ダー

現在は放射性物質だけでなく抗菌剤も研究対象とし，ウィンは土壌形成にミミズが大切な役割を果たすことを

土壌中での挙動やその影響因子の解明を目的に研究を研究しています（ダーウィン, 1994）．そのような自然の行っており，これらの物質が環境中に存在することでの巧みさを理解し活用する方向に，土をめぐる物質循環と影響評価など，環境保全に役立つ知見を出していきたい．

土壌物理学の研究が貢献したいものです．

引用文献

引用文献

千葉ら (2019): Radioisotopes, 68: 293–303.

ダーウィン (1994): ミミズと土, 渡辺訳, 平凡社, 東京.

Dumat and Staunton (1999): J. Environ. Radioact., 46:187–200.

干鯛 (2014): 窒素固定の科学, p. 97. 裳華房, 東京.

石川ら (2007): Radioisotopes, 56: 519–528.

石黒 (2018): 日本土壌肥料学雑誌 89(5): 349–352.

Tameta et al. (2021): J. Environ. Manage., 289: 112477.

陽 (2020): 伊豆の国だより, 26: 20–22,

https://iame.or.jp/manage/wp-content/uploads/2020/01/
IzuNoKuni-Dayori-26.pdf
モントゴメリー · ビクレー (2016): 土と内臓, 築地書館, 東京．

資料：みんなのミニレビュー

土の凍上現象，文化財の劣化と水分移動

33

シュ教授（Dash, 1991）やウェットラウファー教授がいました．極低温物理の研究では，多孔質体内の液体ヘリュ

石﨑武志
東北芸術工科大学文化財保存修復研究センター

ウムの凝固の際にも，同じ凍上圧が生ずるため（Hiroi,1989），凍上現象は，理論的には多孔質体内の凝固に関する一般的な物理現象であることが分かります．

キーワード: 凍上現象，文化財の劣化，土壌物理，水分移動，ハイドラス

低温科学研究所では，岩石の凍結劣化の研究を東京文化財研究所の研究者と共同で行っていました．凍上部門の福田教授が東京文化財研究所の三浦氏と岩石の凍結

私は，北海道大学低温科学研究所の凍上部門という所

融解の際の超音波速度と岩石の劣化に関する共同研究をで，土の凍上現象に関する研究をしていました．凍上現行っておりました．文化財保存に私の研究がつながるの象とは，土が凍結する際に，凍結面へ水が吸い寄せられではと思い，東京文化財研究所に移り，この分野に関わてきて，氷晶として析出し膨張する現象です．なぜ，土るようになりました．

が凍結する際に水が凍結面へ吸い寄せられるのか大変興

そこでのタイのアユタヤやスコータイの歴史的レンガ味がありました．また，氷が析出するときの圧力と温度

建造物の保存に関するプロジェクトへの参加は，その後の関係は，実験的にクラペイロン式という熱力学の式との研究のテーマを見つけるものになりました．この場所良く合うということからも，これは土壌物理学のテーマ

でのレンガの劣化の主な要因は「塩類風化現象」です．

であると考えました．私が大学生の時に，日本は海外か

これは乾季にレンガの水が蒸発する際，水に溶けている

ら液化天然ガス（LNG）を輸入して都市ガスや電力源と塩類は蒸発出来ず濃度が高くなり塩として析出します．

して利用する様になりました．そこで，LNG 地下タンク

その析出圧によりレンガを劣化させるというものです．

が東京湾周辺に建設されました．LNG の温度は −162◦ C

一方，寒冷地での石の凍結劣化は，寒さにより石材の表という低温ですから，LNG 地下タンクの周辺地盤が凍結

面が凍結し，そこへ水が吸い寄せられてきて氷晶としてします．その凍結による膨張圧によりタンク周囲が変位析出することにより，その圧力で石を破壊します．環境

するなど色々な問題がありました．そこで大学を卒業しは違っていても，劣化の物理的メカニズムはかなり類似

た後，東京ガスの技術研究所に就職しました．この時期しています．そこで，環境変化による，レンガ建造物中は，LNG 地下タンクの建設や，地盤凍結工法などが行わの水分移動解析が重要だと考えました．

れた時代でしたので，土の凍上現象のメカニズムに関す

東大農学部溝口教授より，米国農務省塩類研究所シる研究は，今以上に行われていました．私は，東京ガス

ムネック博士が，多孔質体中の水の流れに関するシュの留学制度を使って，凍上現象の理論的な研究を行ってミレーションプログラムの開発を行っている（Šimůnek,

いたカナダのゲルフ大学に１年間留学しました．そこには，ケイ教授や熱力学が専門のグローネンベルト教授がいました．地盤凍結工法などでは，土が凍結した時に，どれくらい膨張するのか実験による経験式があります．
日本では，高志ら（1974）の研究によるもの，海外では，

Konrad（1981）の研究によるもので，工事の設計の際の式が日本と海外とで異なります．これは，いまだに凍上現象のメカニズムが明確には分かっていないことによるものです．

1996）との情報を得て，タイの歴史的レンガ建造物中の水分移動解析を共同で進めることができました（石﨑ら,
1999; 2000）．この研究を基に，日本壁作製時の土壁内の水分量変化や土遺構内の水分移動に関する研究を行ってきました．
今まで，色々なテーマで研究を進めてきましたが，その基礎となっているのは土壌物理学であったと思います．また本分野の皆様と一緒に研究できたことを感謝しております．

その後，東京ガスの技術研究所から北海道大学の低温科学研究所に移りました．そこに，現在の三重大の渡辺先生や岩手大の武藤先生らが，大学院生として来られて，顕微鏡ステージを用いた土やガラスビーズの凍結実験を行いました．これは，凍上現象のメカニズムを理解するには，凍結面での状況を詳細に観察することが必要と考えたからです．また，土は複雑なので，ガラスビーズを用いることで対象をシンプルなものにしようと考えたからです．
ここでは，大学の研修制度を使いまして，米国シアト
ルにあるワシントン大学物理学教室に 6 ヶ月いました．
そこには，結晶成長に関する理論の研究をしていたダッ

引用文献
Dash (1991): In Phase Transition in Surface Films, 74(1): 339–
356.
Hiroi et. al (1989): Phys. Rev., B40: 6581–6590.
石﨑ら (1999): 保存科学, 38: 154–163.
石﨑ら (2000): 保存科学, 39: 43–50.

Konrad et.al (1981): Can. Geotech. J., 18: 482–491.
Šimůnek et. al (1996): IGWMC–TPS–53, 167.
高志ら (1974): 雪氷, 36(2): 1–20.

土壌の物理性

34

第 150 号

土壌中の CO2 濃度から地すべり予測へ(2022)

上昇することになる．
その後，大学構内のフィールドで土壌中の CO2 連続伊藤洋

北九州市立大学国際環境工学部
キーワード: 二酸化炭素，地下水位，地すべり

観測システムの検証を行い，実際の地すべり防止区域で観測を実施した．その結果，豪雨時における地下水位上昇に連動して地表面の CO2 濃度が上昇し，地下水位の低下に伴ってそれが減少することを実証することができた（山田ら, 2019）．このシステムには，太陽光パネルと私が土壌中の二酸化炭素濃度に興味をもったのは，某

バッテリーを有しており，データは自動送信されリアル電力会社から CCS（Carbon dioxide Capture and Storage）

タイムで PC やスマートホンで確認することができる．

における CO2 漏洩のモニタリング手法で相談を受けた

また，このシステムの設置は，人力のみで十分可能であことに始まる．地下深部に貯留された CO2 が漏洩した

る．その後，河川堤防でも試験的に観測を行ったが（山場合，大気中ではなく土壌中で CO2 濃度をリアルタイム

田ら, 2020），地すべり地帯の方が適用性は大きい．

で連続して測定する必要があるが，そうした技術は世界的にも見当たらなかった．

これまで，類似の研究を目にしたことがないこともあり，この技術の理解者は少ないと感じている．今後は，そこで，事前情報として特殊な膜素材（ガスは通過す

当方も大学の定年が迫っており残された時間は少ないるが水を通さない）と海外にて食物倉庫で使用する超小が，その後も折に触れて技術紹介をしていきたいと思っ型の CO2 センサー（0 ∼ 30 % 濃度測定）の存在を得てている．

いたのでこれらを組み合わせて円筒型の土壌埋設型のCO2 観測装置を試作した．この装置を用いて，大学構内のフィールドで地中 GL −1 ｍから地表面（大気）GL+40 m まで連続測定を行ったのがスタートラインである（伊藤ら, 2010）．その後改良を重ねて，土壌中での CO2
濃度をリアルタイムで連続測定することができるようになった（三宮ら, 2013）．併せて，気象観測（温湿度，日
射量，風速）と土壌水分，地下水位の観測を行った．こ

引用文献
伊藤ら (2010): 第 65 回土木学会年次学術講演会, 179–180.
三宮ら (2013): 第 68 回土木学会年次学術講演会, 83–84.
山田ら (2017): 第 52 回地盤工学研究発表会, 1811–1812.
山田ら (2019): 第 54 回地盤工学研究発表会, 1773–1774.
山田ら (2020): 第 55 回地盤工学研究発表会, 21–12–3–01.

れによって，CCS（地下深部）から万一 CO2 が漏洩した
場合の土壌中での CO2 濃度モニタリングが実現できる

塩害水田の修復に関する研究目途がたった（山田ら, 2017）．
しかし，2011 年に発生した東日本大震災による原発

猪迫耕二

事故の影響でこの共同研究は中止となってしまった．土

鳥取大学農学部

壌中の CO2 濃度の自動連続測定を可能にしたこの技術
は，おそらく世界でも画期的な（唯一かもしれない）もキーワード: 除塩，暗渠，籾殻，数値実験のであると思っている．この技術を何とか生かせないかとフィールドデータを再度見ていた時に土壌中の CO2

30 年以上前の話になるが，大学に入学後すぐに開催さ濃度と地下水位の変動に強い相関関係があることに気がれた学科説明会で，灌漑利水工学教室の教授によるイラついた．小生は，元々地下水理を専門としており，大規

ンの砂漠緑化研究の紹介があった．青い空の下に広がる模な地すべり（円弧すべり）の解析 · 検討をした経験も砂漠のスライドとそれを緑に変えるという話に魅了されあった．地すべりの主な原因の一つとして，豪雨期の地

た私は，砂漠の緑化に携わるべく農業土木分野に進んだ．

下水位の急激な上昇に伴う有効応力の減少がある．こうこの分野の基礎科目として土壌物理学を学んだのがした地すべりの予知観測方法として，地下水位の観測や私と土壌物理学との出会いである．面白いが，難しいと地表面のひずみの測定などがあるものの，たとえば，F思った．それ以来，四苦八苦しながら土壌物理学の諸課

県では約２万ヶ所近くの地すべり防止区域の内，地下水

題に取り組んでいる．

位の観測を行っているのはわずか 0.1 % 程度である．こ大学院博士課程を中退して鳥取大学農学部助手に着任

れは，急峻な山岳地帯では数十 m の地下水位観測孔を施したが，当初は少し異なる分野でのキャリアスタートと工するのが困難であることやコストの問題がある．

なり，数年間，土壌物理学から離れた生活を送った（例えそこで土壌中の表層数十 cm 程度の位置で CO2 濃度をば，吉田ら, 1997; Inosako et al., 2006），その後，曲折を連続測定することができれば，地下水位の上昇を予測す

経て再び土壌物理 · 灌漑排水学のグランドに戻ってきた．

ることができると考えた．土壌中の CO2 濃度は，0.1 ∼その様な矢先に，JICA がアフリカ · タンザニアの内陸

20 % 程度と大気中におけるそれより 2 桁程度大きい濃部の塩害水田を修復してくれる短期専門家を探している度であり，かつ深部ほど大きくなっている．地下水面がとの話が流れ流れて私の所に舞い込んできた．

かりに GL −20 ｍにあって，それが上昇すると土壌中に私が招聘されたプロジェクトは，JICA がタンザニア

蓄積された CO2 が押し上げられて地表面の CO2 濃度もで展開していたキリマンジャロ農業技術訓練センター計資料：みんなのミニレビュー

35

画フェーズⅡという人材養成事業であり，タンザニア全るが，排水口から排出されるのと同時に心土層へ浸透す

土で 6 つのモデルサイトを選定し，それぞれの地域の実る量も多いことがわかり，籾殻層はある程度狭い方が効情に即した研修を実施して各地区のキーパーソンの育成

率的に系外に塩を排出できることが明らかとなった．まと農業技術の普及を図るものであった．私に課された使た，勾配が大きい方が除塩量は大きいが，その差は僅か

命は「現地に適合する塩害水田の修復方法を現地のカウであり，タンザニアにように，農家が人力で施工するこンターパートに指導する」というものであった．

とを考慮すると実用上は勾配を考慮する必要はないこと

塩害水田の問題が発生していたのは，6 つのモデルサが示唆された (Inosako et al., 2020)．

イトの一つのモンボ地区である．モンボ地区では，220

この問題に取り組み始めて随分と時間が経ってしまっ

ha の水稲栽培が営まれており，そのうちの 10 % に当たたが，未だに最適な設計方法に関する結論は出ていない．

る区画で塩の集積によりイネが生育できない部分が発生

今後も，地道に研究を継続していきたいと考えている．

していた．イネが生育できない部分の土壌塩濃度は全層的に高く，土壌ピットを掘ると深さ 1.2 m あたりで 34

引用文献

dS m−1 もの電気伝導度を示す地下水面が現れた．土壌

Inosako et al. (2006): Agric. Water Manage., 82: 411–420.

は粘土質で透水性は低く，降下浸透による除塩は不可能

Inosako et al. (2012): Journal of Arid Land Studies, 22–1: 143–と思われた．
そこで，暗渠排水による除塩を試みることになった．
その際に JICA から提示された条件は，①現地の農家が自力で敷設し，維持管理できること，②現地の農家が入146.
Inosako et al. (2019): Paddy and Water Environment, 17: 211–219.
吉田ら (1997): 農土論集, 192: 885–890．

手可能な資材のみを使用すること，であった．このこと
は，吸水渠を用いる通常の暗渠システムは導入できないことを意味していた．結局，籾殻以外に使える資材はな

改正土壌汚染対策法におけるいという結論に達し，籾殻のみを用いた簡易暗渠を本暗移流分散解析の利用

渠とするシステムでの除塩を試みることとなった．設計に当たっては，日本の暗渠の設計基準を準用した．施工

井本由香利

はもちろん人力である．

産業技術総合研究所地圏資源環境研究部門

性能評価のために 1 本だけ籾殻暗渠を敷設した．対照実験としてコルゲートパイプを吸水渠として利用した通キーワード: 有害物質，溶出量基準，健康リスク管理

常の暗渠排水も 1 本敷設した．施工期間は 1 週間程度であった．私の滞在期間の関係で性能評価試験を 1 日だ

卒業研究では手作りの導電率センサーを取り付けたカけ実施した結果，籾殻暗渠では排水速度は小さいが高濃ラムでトレーサー試験を繰り返して破過曲線を観察し，度の塩水が排出され，除塩は可能と結論した．帰国後，間隙構造との関連を考えた．当時持ち歩いていた文献のJICA 専門家と現地カウンタ―パートの指導の下，このシステムを用いた除塩を行い，7 年ぶりにコメの収穫がコピーには，境界条件が異なる一次元移流分散方程式の可能になったとの報告を受けた．

してからはしばらくの間土壌物理そのものとも離れて解析解が 4 つ紹介されていた（Klute (ed.), 1986）．就職

貢献できたことに喜びを感じたものの，塩害水田の土

いたが，土壌汚染対策法に係る研究をする中で思いがけ壌が本システムでどのように除塩されるのか．設計は適ず移流分散方程式の解析解を利用する機会に恵まれ，再切だったのかといった疑問が私の中に生じた．

び勉強することになった．本稿では，近年改正された土

そこで，この点について私なりの解答を得るべく，籾
殻暗渠による除塩の研究に着手した．タンザニアで行った除塩実験を日本の圃場で行うのは困難であったため，
数値実験を主な研究手法に採用した．

壌汚染対策法における移流分散解析の利用事例を紹介したい．
土壌汚染対策法では，土壌に含まれる有害物質による健康リスクを管理するため，土壌汚染の調査や措置に関まず，高さ 60 cm，幅 50 cm，厚さ 15 cm の 2 次元土する方法を定めている．2019 年の改正ではサイト毎の槽に現地圃場を模擬した土壌断面を作成して除塩実験をリスクに応じた規制を推進するため，いくつかの措置等行い，数値モデルでの再現を試みた．次いで，耕耘厚さの方法が新たに認められた．その一つとして，自然由来や籾殻層の高さなどの条件を変えた数値実験を行った．

の有害物質を含む土壌の道路盛土等構造物での利用があ

その結果，除塩されるのは耕耘層のみであること，また，る．土壌からの有害物質の溶出量もしくは含有量が規制

除塩のためには耕耘層と籾殻層の接続が必須であること

基準を超える場合，当該土壌は基準不適合土壌として管などを確認した（Inosako et al., 2012）．

理される．自然由来の基準不適合土壌を構造物で利用す

次に，3 次元場での籾殻暗渠による除塩に関する数値

る際には，土壌に含まれる有害物質の種類とその溶出量実験を行った．数値実験では籾殻層の幅や勾配等を変えに応じて，有害物質の地下浸透による地下水汚染を防止て除塩に及ぼす影響を評価した．その結果，籾殻層の幅が大きい方が耕耘層から多くの塩水を集めることができする対策方法が決まる．例えば，鉛に関しては溶出量が0.3 mg L−1 未満であるとき，カドミウムに関しては溶出36

土壌の物理性第 150 号

(2022)

量が 0.044 mg L−1 未満かつ構造物を設置する土地の土等においても，物質移動モデル等を活用した評価手法の壌 pH が 5 以上であるときは，地下水汚染を防止する措開発及び社会実装が今後望まれる．

置としては，盛土と帯水層の間を 50 cm 以上離すこととされており，地下浸透を防止する遮水工等の設置の必要

引用文献はない（令和 3 年（2021 年）環境省告示第 21 号）（なDomenico (1987): J. Hydrol., 91: 49–58.

お，カドミウムについては 2019 年の改正時は 0.075 mg

環境省（2021): https://www.env.go.jp/water/dojo/law/tool3 gl3

L−1 であったが，2021 年に溶出量の規制基準が強化されたことに伴い 0.044 mg L−1 に変更された）．それでは，
この 0.044 mg L−1 等の値はどのようにして決められたのか？ この値の算定には一次元移流分散方程式の解析解が使用されている．汚染源（ここでは自然由来基準不適合土壌を利用した盛土の下端）から直下の帯水層まで

APP12.pdf
環境省（2019):

https://www.env.go.jp/water/dojo/law/kaisei2009/
tool man.pdf
Klute (Ed.) (1986): Methods of soil analysis, Part 1, Physicaland mineralogical methods, Madison, WI, USA.

の間の非汚染地盤中の汚染物質の移動に関して，そのサ
イトの年間降雨量，分配係数，非汚染地盤の厚さ等を入力パラメータとして移流分散解析を行い，非汚染地盤下

土壌水分計の測定誤差要因について

端（つまり地下水面）における汚染物質の濃度が規制基
準（カドミウムでは 0.003 mg L−1 ）に適合するように盛土の溶出量の許容値を逆算して求めている．なお，ここ

岩田幸良
農研機構

農村工学研究部門で採用された解析解の境界条件は，上端境界でフラック
ス一定，下端境界は無限遠で濃度勾配ゼロである．ふっ素，砒素，セレン，六価クロム，ほう素に関しては，同キーワード: キャパシタンスセンサー，キャリブレー
ション，乾燥密度，地温，電気伝導度

じ計算方法に基づき，環境省が提供する計算ツールを使用してサイト毎に許容値を求め，遮水工等の要不要を判定することになっている（環境省, 2021）．

2013 年 4 月に十勝平野の中部に位置する北海道農業研究センターからつくばの農村工学研究部門に転勤に基準不適合となった土壌は直ちに汚染の除去等の措置なった．新しい配属先は畑地工学担当という部署で，私が必要になるわけではなく，周辺に飲用井戸が存在するも含めて研究室の 3 人全員の専門が土壌物理だった．こか等の摂取経路の有無を考慮して措置の必要性が判断れまで所属した研究室はいずれも土壌物理が専門の研究される．改正前の法律では，土壌汚染に起因して生じた者が一人もいなかったので，これまでのキャリアで経験

地下水汚染が飲用井戸に到達するかどうかに関して一することがなかった，専門家同士の議論が毎日できる恵

般的な地下水の実流速に基づいて到達距離が判断されまれた環境に数年間身を置くことができた．

ていたが，改正後はサイト毎の条件に応じて到達距離を研究室の中では日常的に，雑談レベルで専門的な議論求めることになり，到達距離の設定方法の合理化が図らがおこなわれた．当時，研究室の統括だった宮本輝仁された．到達距離の算定のために環境省から計算ツールがんがある日，投稿論文の査読者のコメントか学会発表の公開されており，移流分散方程式の三次元解析解である

質疑応答で，土壌水分計の校正式が既往の文献と違うの

Domenico（1987）の式を平面二次元に変形した式が用いられている（環境省, 2019）．

は何故か，というようなことを指摘された，という話を基準不適合土壌となり汚染物質の摂取経路があると判はセンサーの周囲に土を詰めるのに対して，野外ではセ断された場合は，要措置区域として指定され，汚染の除ンサーを土壌断面に挿入するのが一般的だから，補正式

去等の措置が必要となる．措置の完了条件としては，従が異なるのではないか，と語った．

した．そして，室内でキャリブレーションをするときに来は土壌溶出量基準及び地下水基準が設定されていた

例えば，TDR で水分量を測定する場合に，一般的なが，今回の改正では，評価地点の設定，目標土壌溶出量や土壌でよく使われている Topp 式（Topp et al., 1980）が目標地下水濃度を設定する形に変更された．これら目標

黒ボク土や粘土では適合しないことはよく知られている値の設定に関しても環境省より計算ツールが公開されてし（Miyamoto et al., 2001; Topp et al., 1980），その時話おり，到達距離の算定方法と同様に，Domenico（1987）

題になったキャパシタンスセンサー（Meter 社の EC-5）の式を変形した平面二次元解析解が使用されている（環について温度依存性の補正方法も提案されている（Saito

境省, 2019）．

et al., 2009）．しかし，センサーの設置方法によって土壌

本ミニレビューで紹介した土壌汚染に係る法規制にお水分計の出力値が異なるという話は聞いたことがないの

ける移流分散解析の利用は，安全側に設定した入力パラで，本当だったら面白いので実験してみたい，と提案しメータと組み合わせて簡易な解析をすることで，現場のた．そして，当時アルバイトで実験を手伝ってくれていリスクに応じた合理的な管理や措置を選択できるよう図た筑波大の学生の西谷（現，杉本）麻菜美さんと共に実られたものである．現実に即した管理 · 対策を促進する

験をしてみると， 特に黒ボク土のように団粒構造が発達ため，例えば汚染土壌からの有害物質の溶出挙動の予測した土壌では，センサーの周囲に土を詰めた場合と土を

資料：みんなのミニレビュー
詰めてからセンサーを挿した場合とでは水分計の出力結果が異なることが確認された．
そこで実験結果をまとめて米国のある雑誌に投稿した
ところ，査読結果は Major revision だった．細部にわたる 200 以上のコメントを修正し，再投稿することを 2 度

37

引用文献
Dirksen and Dasberg (1993): Soil Science Society of America
Journal, 57: 660–667.
Iwata et al. (2017): European Journal of Soil Science, 68(6):817–828.

ほど繰り返したが，結局掲載不可になってしまった．掲

三石 · 溝口 (2014): 土壌の物理性, 126: 63–70.

載不可の主な原因は，反復間で乾燥密度をそろえていな

Miyamoto et al. (2001): Soil and Tillage Research, 60: 90–99.

い点にあった．乾燥密度が計測値に与える影響があるこ

Rosenbaum et al. (2011): Vadose Zone Journal, 10: 582–593.

とは知っていたが（Dirksen and Dasberg, 1993），事実上Saito et al. (2009): Soil Science Society of America Journal, 73:

その影響は無視しても問題ないという先行研究（三石 ·溝口, 2014）があったため，今回の実験の乾燥密度の範

1931–1937.
Topp et al. (1980): Water Resources Research, 16: 574–582.

囲では問題ないことを主張した．しかし，査読者からは納得してもらえず，Editor からそんなに言うなら根拠となる論文を見せろ，と言われたので，三石 · 溝口（2014）

土壌中の物質移動あれこれを送ったが，掲載不可になってしまった．
実験の作法として乾燥密度をそろえておいた方が良岩間憲治

かったと今は思う．そういえば，西谷さんに実験のやり

滋賀県立大学環境科学部

方を説明したときに，乾燥密度はそろえなくてよいのですか？ と聞かれた．そのときは先行研究があるから大丈夫と自信満々に答えたが，乾燥密度はそろえておくに越したことはなかった．結局，乾燥密度をそろえて再実験して，リジェクトされた雑誌に再投稿するのも悔しいので，ヨーロッパの雑誌に投稿して，最初の論文投稿から 3 年後にようやく日の目を見ることができた（Iwata etal., 2017）．
再試験しても，得られた結果は予想通り何も変わらなかったが，実験の姿勢を問われていたのだとしたら，リ
ジェクトも仕方ないかと今なら思える．しかし，当時は大量のコメントに時間をかけて対応した後だったので，大きな精神的なダメージを受けた．乾燥密度を考慮しなくても良い根拠となる上記の論文は，私は素晴らしい論文だと思うし，Editor への返信で根拠となる図を示したのでわかってもらえると思ったが，米国人の Editor からしたら「日本語なんて読めないから妥当性など判断できるわけないだろ！」と思ったのかもしれない．例えば自分が Editor でスペイン語や中国語の論文を根拠として提示されたと考えると，その気持ちもわからない訳でもない．
なんでも英語で論文を書けば良いというものではもちろんないし，英語の論文の価値が高いという風潮には個
人的には反対だ．あたりまえだが，英語でも日本語でも素晴らしい論文は素晴らしい．しかし，こうしたことがあると，内容によっては英語で書いておいた方が良いものもあるのではないか，と考えてしまう．
以上，私の論文執筆の思い出と共に，土壌水分計の誤差要因について紹介させていただいた．最後に，上記の他，土壌の電気伝導度も代表的な誤差要因であることを付け加えておく（Rosenbaum et al., 2011）．

キーワード: 物質移動，乾燥地農業，地中灌漑，消防用ホース，畑地灌漑
物理は好きではあったが何故か農学部に入った私として，指導教官から与えられたテーマに淡々と取り組んでいるうちに現在の研究に行き着いたのが正直な振り返りとなる．とは言え，博士論文で取り組んだ軟 X 線非破壊検査技術を用いた土壌間隙構造の定量化に端を発して，1995 年の滋賀県立大学発足当初から所属する私として
少しでも土壌中の物質移動に関わることであれば，請われれば何でも取り組むことを研究方針としてきた．実際に取り組んだ研究テーマは幾つもあるが，ここでは乾燥
地農業の一助となるように取り組んだ地中灌漑技術開発について述べてみたい．
滋賀県立大学発足当時に赴任された矢部勝彦名誉教授が長年テーマとしてきた研究である地中灌漑技術は，内径 5 cm 程の素焼き管をつなげる形で作物の根群域の深さに埋設して給水するものである．管内水圧とマトリッ
クポテンシャルの差違を利用し，作物の水需要に応じて自律的に給水でき，根群域に直接給水するため地表面蒸発を抑制できる．また，電源無しで安価にシステムを構築出来るため，資金や水資源に乏しい乾燥地 · 半乾燥地域に有用である．ただし，素焼き管自体可搬性が低く，設置に手間もかかる．そこで，巻き取り式のホースに置き換えて実用化できないかと研究を継続し，私もそのお手伝いすることとなった．
この研究ではホース性能，特に材質が重要である．最初は軟質ポリ塩化ビニールに直径 2 cm の穴を開けて不織布を接着剤で貼り付けたものを作成し，雨よけハウス
内で 10 m の長さで栽培試験を行った．その後，ホース自体を透水性のあるテキスタイルで作成することとし，様々な材質のものを取り寄せて接着剤で貼り合わせてホースを作成し，栽培試験を行った（岩間ら, 2006）．ナ
ス，トマト，メロンからコマツナなど様々な作物を試し

土壌の物理性38

第 150 号

(2022)

たが，管内が負圧時に空気が侵入してホース内で断水す

森林土壌の厚さと堅さるなど様々な課題に直面した．特に頭を悩ませたのは，— 30 年に亘る測定で何がわかったか —ホース接着部の水漏れである．テキスタイルの材質を換
え，接着剤を変えるなど様々試みたが，繰り返し使用に

大貫靖浩

耐えれないなど，安定した性能が発揮できなかった．そ森林総合研究所東北支所の後矢部先生が退職され，この研究は低調な状況が続いた．

キーワード: 土層厚，貫入抵抗値，微地形，保水機能

時は過ぎて 5 年ほど前，異業種交流会の懇親会に参加した折，ある繊維メーカーに透水性不織布で自作した

私は元々農学出身ではなく，理学部の自然地理学の中

ホースの土壌中での不安定さをポロリと語ったところ，の地形学を専攻していた人間である．国家公務員試験

消防用ホースぐらいしか耐久性が保てないのではとヒン（砂防職）を 3 回目の挑戦で何とかパスし，森林総研に入トを頂いた．これは全く思いもしなかった材料であり，所後森林土壌に関わることになった．これから何を飯の滞っていた研究を発展させる予感を感じた．実際に消防タネにしようかと考え，真っ先に浮かんだのは，山の地形用ホースを入手して，何とか透水性が生じるよう，物理によって大きく変動しそうな土の厚さと堅さであった．

的 · 化学的手法で試みたが，これまでのところミシン針

森林土壌の厚さと堅さについては，過去に数多く実施で穿孔するのが手軽で適切な手法である．研究を担当すされてきた土壌断面調査の報告書を参照すれば，調査地

る 4 回生や大学院生の COVID 19 の影響による行動制限

点の土壌の厚さや，層位毎の土壌硬度は把握できる．しにもめげず，作期の短い葉菜類を中心にプランターで栽かしながら，土壌断面調査の下限が本当にその地点の土培試験を現在検証中である（岡ら, 2021）．

壌の厚さなのか，またその地点で得られたデータが斜面

栽培試験では，マリオットタンクからホースに給水すのどのくらいの範囲に当てはまるのかは判断できない．

るが，タンク下部に電子天秤にロガーを付けて設置し，つまり，森林土壌の研究者が，わかっているようで実はテンシオメータや温湿度計など様々は測定器を用いる．

ほとんど誰もわかっていない研究分野と言えた．

更に 3 km 離れた彦根気象台のデータも入手して，目にそこで私は，災害調査で良く使用されている「土研式

見ることの出来ない土壌中の水分挙動を評価すること

簡易貫入試験機」を使用して（吉永 · 大貫, 1995），茨城もある．これらのデータは数値の羅列ではあるが，グラ

県，熊本県，沖縄県内のいくつかの小流域内で土層の厚さ

フ化し，何らかの計算することで，作物の生長や昼夜別と堅さの多点調査を行った（例えば Ohnuki et al., 1997;

でのホースの給水能の変化があぶり出され，土壌水分ポ
データを加工する際に，VBA や Python などを用いて試Ohnuki et al., 1999）．本試験機は，5 kg の錘を 50 cm の高さから落下させ，ロッドが 10 cm 入るまでの回数（Nc値）を測定するもので，Nc 値が 5 以下（沖縄県内では 8

行錯誤するが，現場での栽培試験管理とともに研究の醍以下）を表層土層（土壌層とほぼ同義），それより大きい醐味と感じる瞬間である．

範囲を風化層と判定した．その結果，火山灰の堆積の有テンシャルを安定させる仕組みが見えてくる．これらの思わぬところからヒントを貰い目から鱗が落ちる状態

無により，小流域内の表層土層の平均厚さが約 2 m 対約であったが，お陰で自作ホースの水漏れから解消され，

1 m と倍程度異なることや，微地形的には傾斜 20 度付

栽培試験を滞りなく進められるようになった．一方，消近の斜面に表層土層厚の最大値が認められることが明ら

防用ホースの耐用年数は 6 ∼ 7 年である．廃棄ホースをかになった（大貫, 2016）．

活用することで，低コストで実用的な節水灌漑技術を確

海外のサイトにおいては，主にカンボジアの平地林に立可能と考えている．この研究は，本学学生 · 院生の協おいて，簡易貫入試験による土層厚測定を実施した．カ力が不可欠である．昨今の研究は何れも様々な観測デー

ンボジアは熱帯モンスーン気候下に位置するが，常緑樹

タのロギングとそのプログラム処理を通して，あるいは林がかなり広く分布している．雨季と乾季がはっきり分HYDRUS などのシミュレーションソフトも利用しながかれている気候で，なぜ常緑樹が生育できるのか？ そら進めることが多い．彼らが情報処理技術に躊躇せずにの答えは，シルト質の厚い土層に蓄えられた水であった

使いこなし，旧来の目視や手作業での測定では見えてこ（Ohnuki et al., 2008; 大貫ら, 2009）．このシルト質土壌

ない新たな挙動を発見する喜びを感じ取って欲しい．

には，含水率の違いによって土壌硬度が変化するという引用文献

ユニークな性質があり，体積含水率が 10 % を割ると風化層並みに硬くなる．乾季における樹木の蒸散による水消岩間ら (2006): 農業土木学会論文集, 245: 707–712.

費の程度が，貫入抵抗値の深度方向への連続測定によっ

岡ら (2021): 2021 年度農業農村工学会大会講演会講演要旨集,て現地で毎年確かめられたのは，まさに幸運であった．

92–93.

簡易貫入試験機は錘，ロッドともに重いため，50 歳を超えてからは，土木研究所で開発された「土層強度検査棒」（佐々木, 2010）による土層厚測定に切り替えた．
本製品は検土杖に似た形態だが，土壌試料を採取できる資料：みんなのミニレビュー
溝は付いておらず，ロッドを何本も継ぎ足すことによっ39

凍土とのこれまでて，表層土層と風化層の境界までの厚さを測定できるものである．これを使用して，北東北の岩手県安比高原，
同胆沢川上流部，秋田県森吉高原で，従来保水力が高い

長田友里恵と考えられてきた，ブナ林土壌の保水機能を評価するた

ケミカルグラウト株式会社

めの多点調査を実施した．土層強度検査棒は簡易貫入試
験機の 1/4 程度の重量で，且つ一人で測定できるため，測定効率は 4 ∼ 5 倍であった．但し，簡易貫入試験で得られる連続的な貫入抵抗値は測定できないので，大起理化工業製の貫入式土壌硬度計（大貫, 2010）も併用した．

400 地点を超える表層土層厚の測定値と，土壌断面調査
によって採取した不撹乱土壌円筒試料を用いた土壌物理性（透水性 · 保水性）分析により，安比高原のブナ林土
壌は，土壌中に水を保持する能力（保水力）は高いものの，大雨や融雪の際に水を貯えられる容量（貯水能）は大きくないことが明らかになった（大貫ら, 2020）．
森林土壌の厚さと堅さを測り始めて，早 30 年の歳月が流れた．これまでに紹介した内容の他にも，貫入式土壌硬度計を使用した，世界自然遺産選定後の屋久島登山
道の路面圧密状況調査（大貫ら, 1999）等が思い起こされるが，30 年間も測り続けてこの程度しかわからなかったのか…，というのが正直なところである．特に，数 haの小流域レベルでは微地形と土層厚の対応関係は何とか説明できるが，少しスケールアップすると途端に精度が低くなる．高精度 DEM や機械学習を用いた土層厚推定
モデル（水資源量や炭素蓄積量推定の精緻化には不可欠）の構築は端緒についたばかりであるが，今後も高密度の土層厚教師データの供給者として，微力ながら貢献して
いきたい．

引用文献

キーワード: 凍土，地盤凍結工法，不飽和土「凍土に興味ある？」
大学生だった私は恩師にそう聞かれ，その場ではあまりピンとこなかったことをよく覚えている．そのころ
は，企業との共同研究における特殊材料や卒業論文執筆に向けて全国各地の土壌の水分保持曲線（水分特性曲線）を作成するために水分量などを測っていた．当時，土壌中の現象については何でも興味があったこともあり，大学院進学とともに凍土の研究がスタートした．凍土の透水係数や不凍水量を測定していたが，難しいテーマに対し常に悩んでいた記憶がある．こうした学生時代の経験もあり，地盤凍結工法を扱うケミカルグラウトに入社した．
入社後は工事部に配属になり，地盤凍結工法に限らず，
地盤改良工事に広く携わった．工事部での経験によって，普段何気なく使っているインフラが多くの人の手によって作り上げられていることを実感した．工事部経験
後は地盤凍結工法の技術開発に携わることになった．学生時代とは異なる視点から凍土について向き合うことは
難しいことも多かったが，楽しくもあった．学生時代の研究とも工事とも違った経験で新たに学ぶことが山ほどあった．凍土と地中構造物間の凍着強さの試験方法について（辻ら, 2017）の実験を行ったときは，土壌物理を学
ぶ上ではほとんど触れてこなかった土質力学の知識が全く足りず，教科書とにらめっこする毎日だった．

大貫ら (1999): 地形, 20: 541–550．
大貫ら (2009): 水利科学, 305: 1–16．
大貫 (2010): 土層深度調査法. 森林立地調査法編集委員会編 改訂版森林立地調査法, pp16–19. 博友社, 東京．
大貫 (2016): 微地形分類に基づいた森林土壌の物理特性の推定と類型化．藤本 潔 · 宮城豊彦 · 西城 潔 · 竹内裕希子編
著 微地形学, pp. 50–79. 古今書院, 東京．
大貫ら (2020): 森林立地, 62: 91–100．

Ohnuki et al. (1997): Geoderma, 80: 75–93.
Ohnuki et al. (1999): Journal of Forest Research, 4: 207–215.
Ohnuki et al. (2008): Geoderma, 146: 94–101.

その後、技術開発に関わった環境にやさしい地盤凍結工法（ICECRETE）が実用化された．凍結設備や配管がコンパクトであることから，これまでに事例のないテー
ルアルメの補修に適用し，壁面材の背面の盛土を一時的に凍結する実証実験を行った（長田ら, 2019）．この取り組みでは不飽和土における凍土の特性という新たな課題
に対し，再び土壌物理学の側面から現象を考えることとなった．飽和土とは違った難しさを実感するとともに地盤凍結工法の可能性が広がるように感じた．
現在は技術営業部門に所属しているため，凍土の研究

佐々木 (2010): 土木研究所資料 4176, 土木研究所, つくば．

開発からは少し離れているが，今後も地盤凍結工法の普吉永 · 大貫 (1995): 新砂防, 48: 22–28．

及と発展に貢献できればと思う．
末筆ではございますが，土壌の物理性 150 号という記念となる機会に執筆させていただき大変光栄に存じます．ありがとうございました．

引用文献
長田ら (2019): 土壌の物理性, 143: 17–23．
辻ら (2017): 第 52 回地盤工学研究発表会発表講演集, 731–

732．

土壌の物理性40

第 150 号

(2022)

圃場の排水性

醸造用ブドウ園土壌における物質循環

甲斐貴光

柏木淳一

明治大学黒川農場

北海道大学大学院農学研究院所属

キーワード: 管状孔隙，亀裂，排水性キーワード: 傾斜地，暗渠排水，根系分布，土壌侵食，
物質収支

日本の土地利用型農業は高い生産性，安定した経営を持続可能とするため，機械化営農や高度利用に即した大傾斜畑における土壌の空間変動性の解明が大学におい区画圃場や用排水路等の生産基盤の整備や拡充を行い，て与えられた研究テーマであった．北海道における大規

収量向上と圃場の多目的利用による作付け選択の拡大を模畑地で土壌断面観察を行える機会に恵まれ，地点格差

目指している．そこで問題になるのが圃場の排水性であが甚だしいことに驚かされた．そして傾斜畑における土る．迅速な地下排水促進のためには，たとえば暗渠排水

壌に関する特性値の多くは地形解析によってその分布をの効果が大区画圃場の整備や水田の汎用化を進める上で推定できること（柏木, 2004），またその原因である土壌

必要不可欠となる．とくに湿田での排水改良を目的とし侵食に関して 137 Cs をトレーサーに用いて侵食速度を評た暗渠排水は急務といえる．

価できることを確認した（柏木, 1995）．

わが国では，排水改良に関する様々な研究が行われてこの研究を通じて，現地での調査や測定における代表いる．たとえば，田渕（1959）は代掻きを行った粘質土水要素（REV）や空間変動の重要性を実感することができ

田で，暗渠を埋設しても作土層と心土層に亀裂が発生した．それらに配慮しつつ，畑圃場における組合せ暗渠のない限り，降下浸透は大きくならないと指摘したうえで，効果，草地における低コスト地形改修，焼畑での土壌肥

小排水溝，亀裂，暗渠部の透水性，圃場の均平および十沃度低下とその対策など，様々な農地における物質移動

分な落水期間が重要であると述べている．井上（1987）

に関する測定をおこなってきたが，最近は醸造用ブドウや佐藤ら（1990）は，重粘土水田での亀裂はとくに重要園での調査に傾注している．ブドウの生理特性や栽培のであると述べている．

特徴について紹介し，土壌物理における課題について言

また，管状孔隙や亀裂といったマクロポアの土壌構造

及する．

と機能を解明する手がかりのひとつとして，田渕（1959），

醸造用ブドウ栽培では，作業性の観点から垣根仕立て

成岡（1993）は，飽和した土を脱水したときに開放されが主流であり，特に光環境が重視され南向きの斜面が適る限界間隙が透水性に影響があることを明らかにしてい地とされている．その仕立て方には長梢 · 短梢剪定など

る．長谷川ら（1977）は，土壌が不均一であることにふがあり，摘芯や摘葉等により地上部を制御することで量れ，不飽和浸透流について追究した．長田（1963）は，

よりもブドウの質に重点をおいた栽培が実践されてい孔隙の果たす役割が通気経路や通水経路と異なっている

る．また耐乾性のみならず耐水性に優れているが，過湿ことを示唆した．今後，SDGs，みどりの食料システム戦な条件においては生理障害や病害のため良質なブドウ

略といった環境を重視する国内外の動きが加速していくの収穫は期待できない．そこでブドウ園の開設にあたっと見込まれ，持続可能な食料供給システムを構築していて圃場の排水改良が不可欠となる．ブドウは永年作物でくことが急務となると考える．化学肥料や化学合成農薬

あり成木の根系は台木や土性の影響を受けるが，その深の過剰散布による環境負荷の軽減のために，土壌内の粗さは 1 m にまで及ぶことが報告されている（Nagarajah,

孔隙を経路とする水や熱，ガス移動の仕組みなどから，
土壌中の排水性がなぜ良好になるのかについて解明した

1987）．暗渠は圃場排水の有力な手段の一つであるが，北川（2005）が指摘するような機能低下を回避する方策

いと考えている．

を取り入れた暗渠を敷設しその効果を検証している．園外からの流入や集水面積を縮小するための暗渠配置と耕引用文献

作道としての利用（埋め戻しに現状土を用いないため耕長谷川ら (1997): 農業土木学会論文集, 70: 13–19．

盤層による通水阻害は生じない），掃流力を維持するた井上 (1987): 農業土木学会論文集, 132: 111–120．

め平滑管（底部のみ）の使用，管内の酸化鉄による通水成岡 (1993): 土壌肥料学会誌, 64: 90–97．

阻害を抑制するために石灰岩による管の被覆，さらに根長田 (1963): 農業土木研究別冊, 7: 37–42．

の侵入を避けるため敷設深を 1 m 以上とした．ブドウ根

佐藤ら (1990): 土壌の物理性, 60: 24–27．

の機能は，単に養水分の吸収と地上部への経路だけでな

田渕 (1959): 農業土木研究別冊, 7: 32–37．

く，同化養分の貯留に加えて各種ホルモンの合成とその供給を担っている（農文協編, 2017）．またブドウにおいても吉川（2017）が解説している様な Hydraulic lift が生じており乾燥時における樹体の維持に貢献していると思われる．したがって根域の拡大はブドウの生理代謝において重要であり，また環境に対する適応性を高めている資料：みんなのミニレビュー

41

国のブドウ主産地（北海道）のブドウ園における根の分2007 年にバイオ炭の国際研究集会が初めて開催されるなど世界的に急速な盛り上がりをみせ始め，CO2 削減

布に関する研究が乏しく，併せて根系分布の実態と制限技術としてバイオ炭を認めさせようという動きが活発化

要因について研究に取り組んでいるところである．

した．しかし，科学的根拠が不足しているなどの理由にと考えられる．しかしながら湿潤な気候条件にある我がさらにブドウ栽培は傾斜地の農地利用として土壌保より，その時点で認められることはなかった．

全の観点からも優れていると推察される．この点に関し

その後，世界中で数多くの研究が行われ，バイオ炭て，ブドウ園では一般に草生栽培（下草の生育と刈り払（Biochar）をキーワードとして検索される論文は 2021 年い）が取り入れられており，乾燥化と過度の養分吸収（強10 月現在 16,000 を超える（Web of Science 調べ）．そのい樹勢）を抑制し，栄養生長から生殖生長への速やかな甲斐もあり，2019 年に IPCC 国別温室効果ガスインベン

移行に貢献している．これは同時に地表面を被覆するこトリガイドラインに Biochar の農業利用に伴う土壌炭素とから土壌侵食を抑制する効果が期待できる（Novara et

隔離量の算定方法が採用された（IPCC, 2019）．そして，

al., 2011）．また養分収支においてマイナスに相当する主な項はブドウの収穫（1000 kg / 10 a 以下）であり，窒素分としては 0.8 kg / 10 a（Khalsa et al., 2018）にすぎな

国内においてもバイオ炭による土壌炭素隔離量（CO2 削

い．剪定枝は持ち出される場合もあるが除葉や下草は土

炭素隔離の実装に向けた動きが急加速している．

減量）を J-クレジット制度の中で算定できるように整理が行われ（農林水産省, 2020)，現在バイオ炭による土壌壌に還元されるため緩やかな物質循環速度となり負荷のバイオ炭の農地施用により乾燥密度，保水性，通気性，発生源とはなりにくい．加えて有機質肥料への指向性が団粒安定度，塑性 · 液性限界，剪断強度等の物理性が改強いため炭素の貯留となることが予見される．レビュー

良することが報告されている（例えば，Kameyama et al.,と題しているが，ブドウ園での調査を進めるにつれて，2016; Obia et al., 2018; Yang and Lu, 2021）．このため，多くの課題に行き当たっており，ブドウ園のフィールド

バイオ炭の農地施用は作物の生育環境や農業機械の作業

スケールにおける物質動態の解明に関して諸兄のご協力

性等を改善する可能性を有している．

をお願いしたい．

ただし，バイオ炭は原料や生成方法によって物性が異なる上，施用される側の土壌の土性や理化学性によって引用文献

も施用効果が異なる．このため，組み合わせが異なれば，

柏木 (1995): 土壌の物理性, 71: 57–62．

異なる効果が予想される．また，地域で発生して余剰化

柏木 (2004): 土壌の物理性, 96: 71–81．

するバイオマス資源はその地域によって異なり，作物生

Khalsa et al. (2018): https://ciwr.ucanr.edu/ﬁles/283983.pdf

育の観点から問題となるような土壌特性も地域によって

北川 (2005): 土壌の物理性, 100: 43–53．

異なる．また，バイオ炭による物理性（特に，保水性 · 透

Nagarajah (1987): Am. J. Enol. Vitic., 38: 54–58.

水性 · 通気性）の改良には，バイオ炭の粒径や施用量と農文協編 (2017): ブドウ大辞典, 農山漁村文化協会, 東京．

施用される側の土壌の土性も大きく影響する．施用量がNovara et al. (2011): Soil & Tillage Research, 117: 140–147.

多いほど効果が大きくなるため，一定の効果を出すため

吉川 (2017): 海外の森林と林業, 98: 60–64．

には多量のバイオ炭施用が必要となる．バイオ炭は比較的高価な資材であるため，土壌の空隙構造が変わるほどバイオ炭による土壌物理性の改良
亀山幸司
農研機構農村工学研究部門
キーワード: バイオ炭，炭素隔離，土壌改良，経済的合理性
就職した所に炭化装置が設置されていた．大学院時代，土中の溶質移動について研究していたので，熱分解によって未利用バイオマスから吸着機能を持つ炭化物を作成し，炭化物を用いた土壌改良により窒素溶脱の抑制や重金属の不溶化などに貢献できるのではないかと考えたのが，私のバイオ炭研究の始まりである．バイオ炭による土壌炭素隔離については，当時から数人の方が主張されていたものの，大きな盛り上がりとなることはな
かった．

多量施用することは経済的側面から難しいことが多い．
以上のことから，バイオ炭を用いた土壌物理性改良技術を地域において実装していくためには，①地域内において土壌物理性が作物生育の制限因子となっている事例を対象に，②地域内で余剰化しているバイオマス資源から生成されるバイオ炭の施用が土壌の物理性改善や作物生育の増進に効果があることを実証した上で，③経済的合理性が確保される必要がある．この条件が満たされる
地域はかなり少なくなる可能性が高いが，バイオ炭が合理的かつ持続的に活用されるためには重要な条件と考えている．
最後に，降雨量が多い日本では，土壌の物理性が作物生育の制限因子となる事例としては排水不良が多い．このような圃場では排水性の改良が必要となるが，排水改良のためにバイオ炭が活用された報告は極めて少ない．
このため，バイオ炭を用いた排水改良技術に関する研究や少量でも改良効果の高い施用技術に関する研究の進展が非常に重要と考えている．

土壌の物理性

42

第 150 号

引用文献

(2022)

思いついた瞬間とそれを検証する実験を行って密度流の

IPCC (2019): https://www.ipcc-nggip.iges.or.jp/public/2019rf/
pdf/4 Volume4/19R V4 Ch02 Ap4 Biochar.pdf
Kameyama et al. (2016): Soil Sci., 181(1): 20-28.
農林水産省（2020):

発生を確認した瞬間は今でも鮮明に覚えており研究生活
で最も閃いた瞬間であったと思う．その後は密度流をなんとか可視化したいと様々な方法を試みてきた．3 次元での可視化にこだわり，カラムに金属棒を数多く差し込

https://www.maff.go.jp/j/press/kanbo/kankyo/attach/pdf/

んで 3 次元で EC を測ろうと試みたり，数勝負とばかり

201021-1.pdfに同一深さで 300 個土壌サンプルを採取して可視化しよObia et al. (2018): PLOS ONE, 13: e0196794.
Yang and Lu (2021): Soil and Tillage Research, 205: 104798.

うとしたりしたが結局うまくいかず，3 次元を諦めて 2次元での可視化を試みた．ヘル · ショウ型の装置で可視化できた時のうれしさも格別であった．今は再びなんとか 3 次元で可視化できないかと悪戦苦闘しており，三つ

土壌の移動現象あれこれ

子の魂百までを地で行ってしまっている．
終わりに土壌物理学の研究の中で移動現象と同様にこ木原康孝

だわってきたテーマについても言及したい．それはバラ

島根大学生物資源科学部

ツキとスケールである．バラツキについては多くの人がキーワード: 水分移動，塩類集積，密度流，バラツキ
土壌物理学には多くのテーマがあるが自分が関わった

経験していると思うが同じ場所で同じ深さから同じようにサンプリングしても水分量，塩分量などの測定値は必ずバラついている（例えば，中村, 2018）．もちろんバラ
ツキの程度に大きい小さいはあるがバラつきがないとい研究を振り返ってみるとその多くは土壌中での移動現うことは経験したことがない．最近ではこれが土の本質象に関係するものであった．学部の講義で土壌物理学をだと思うようになってきた．

学んだ際，田舎の農家出身の学生としては土の中での水の移動などということはもう詳しくわかっているはずと思ったが，結局その後の研究でも明らかにならず，よくわからない何かと 40 年間悪戦苦闘してきたような気がする．
学部 3 回生のとき「土壌物理学」の講義を受けて興味を持ち，卒業論文の「不飽和透水係数の測定法とシミュ
レーション」というタイトルは今にして思えば若気の至もう一つがスケールの問題である．島根大学の演習林との共同研究として 20 年近く中国山地の 6 ha の流域で観測を行っている．流域の様々な地点でサンプリングした土を実験室に持ち帰って透水性や保水性の実験を行い
なんとか流域の水移動を説明できないかとチャレンジしている．6 ha の流域と直径 5 cm のカラムそれぞれでそれらしい話はしているが 6 ha の流域と直径 5cm のカラ
ムというまったく異なるスケールで話が本当につながる

りと言わざるを得ない．修士では研究室で行っていた笠のかということである．我々の使命は最終的には実際の岡湾干拓の除塩をテーマにして「土壌中における Na·Ca

自然あるいは現場での現象を明らかにすることであるがの吸着特性と除塩の促進に関する研究」を行った．ただ，現在の理論あるいは考え方では実験室での結果が流域ス

その後は方向転換して畑地用水計画における下層からのケールに適用できるとは思えない．

毛管補給についての計算シミュレーションを手伝って，
それが最初の論文となった（木原ら, 1991）．島根大学に就職したのちもあれこれとやっていたが山陰つながりということで鳥取大学との共同研究に参加させてもらって
長い間お世話になった．
その間も鳥取県の東伯地域のスイカ畑や芝畑での土壌水分観測とファームポンド容量の計算，徳島県吉野川下流域における地下水の塩水化による農地の除塩用水に関筆者も定年退職を視野に入れる年齢となり少ない時間
ではあるがこれらの成果をまとめてささやかながら土壌物理学の発展に貢献したいと考えている．

引用文献
木原ら（1991): 農土論集, 155: 61-67.
中村（2018): 土壌の物理性, 138: 53-54

する委員会などの仕事に携わり，現場での観測の難しさを痛感してきた．

有機物資材と土壌物理性

乾燥地での物質移動に興味を持ったのは鳥取大学乾燥地研究センター（その当時は砂丘研）の共同研究に誘わ久保寺秀夫

れたのが最初である．実験室で塩類集積の実験を行った

農研機構農業環境研究部門

が土壌溶液の初期濃度によって土壌カラムの塩分プロファイルが大きく異なることが謎であった．拡散係数はキーワード: 堆肥，物理性改良，ペレット，微細形態

濃度に無関係なはずなので濃度が違ったとしても塩分プ
ロファイルは同じような形状になるはずなのにこれがな

筆者が土壌物理性研究に関わったきっかけは，30 年前

らないのである．
「重い水が落ちているのではないか」す

に農水省に採用され着任した九州農業試験場（現 農研機

なわち密度流が発生しているのではないかという考えが構九州沖縄農業研究センター）で，室長に「ニガ土」の

資料：みんなのミニレビュー

43

研究課題を与えられたことである．ニガ土は乾燥すると体積減少に伴って粗孔隙が形成され，その量は経時的に収縮して硬い土塊になる特殊な黒ボク土だが，九州には増大した．これは非成型の堆肥にはない，ペレット特有

他にも物理性に問題がある種々の土壌が分布しており，の機能である．

ニガ土を入り口にそれらの特性解明と改良に取り組むこととなった．

2050 年までに有機農業の取組面積 25 % を目指す「みどりの食料システム戦略」など，農業への有機物資材の南九州は日本の代表的な畜産地帯であり，家畜ふん堆活用促進の動きが国内外で加速している．有機物資材が肥の活用が求められている．教科書的には土壌物理性の

土壌物理性に及ぼす影響を把握し，適正な施用技術を構改良手段として，堆肥など有機物資材の施用は王道であ築することはこの時代の要請と言える．

る．しかし南西諸島に分布するマージ土壌（赤黄色土の国頭マージ，暗赤色土の島尻マージ）に家畜ふん堆肥を

引用文献

10 t/10 a 混和すると，半年から一年後に乾燥時の強硬化の問題が助長される現象が見られた（久保寺, 2007）．その原因を解明することはできなかったが，10 t/10 a とい

久保寺 (2007): 土肥誌, 78: 587–590．

うのは相当の多投であり，極端な土壌管理をすると予想

久保寺 · 山田 (1997): ペドロジスト, 41: 32–41．

Kubotera et al. (2016) : 土壌の物理性, 134: 5–13．
久保寺ら (2009): 土肥誌, 80: 522–525．

できないことが起きると感じた．またこれをきっかけに

松本 (1980): 土肥誌, 51: 175–178．

文献を新たな目で眺めると，有機物施用が様々な面で土

南條 · 山田 (2005): 土壌の物理性, 99: 45–54．

壌物理性の悪化につながった研究事例も散見された．例

大橋 · 岡本 (1985): 土肥誌, 56: 373–377．

えば粗孔隙の増大による表土の乾燥（松本, 1980），下層
土の亀裂に有機物が詰まり地下水を毛管上昇させたための湿害や固相率の低下に伴う干害（大橋 · 岡本, 1985），

土壌の熱特性測定技術を活用する

水浸透性の低下（南條 · 山田, 2005）などである．土づくりという言葉の曖昧さと，有機物資材の「なんとなく良

小島悠揮さそう」というイメージが結びつくと，有機物資材の施

岐阜大学工学部

用 = 土壌物理性改善と思われそうだが，上記のような事例もあることは十分に認識されるべきである．
堆肥の活用を促進する技術として，数 mm 径の粒状にキーワード: 土壌の熱特性，双子プローブ熱パルス，
サーモ TDR

圧縮成型するペレット化がある．堆肥ペレットは汎用の管理機で散布できるなど扱いが容易で，保存性や運搬コ「センサは買うものではなく作るものだよ．
」

ストの面でも非成型の堆肥に比べて優れている．九州沖

学部 3 年生で研究室配属された際，当時の指導教員

縄農業研究センターでも何人もの研究者が堆肥ペレット

登尾浩助先生から聞かされた言葉である．土壌センサな特有の肥効や環境影響の研究に取り組んでいた．堆肥ペんてハイテクなものを自分で作れるのか，と興奮したの

レットの化学的な組成は原料の堆肥と変わらないが肥効を覚えている．実際に TDR プローブや茎内流量計などなどの特性が異なる理由は，成型という物理的な要因とを作り，それらを使って卒論を書いた．その後も様々な考え，ペレットの構造を顕微鏡で観察したくなった．筆測定器を自作し，自分が作ったものでデータが得られる

者は，土壌を樹脂で固めて薄片を作り微細構造を観察し楽しさが研究を進めるモチベーションの一つになっていた経験（久保寺 · 山田, 1997）から，この手法を準用してた．特に Ph.D. 課程では土壌の熱特性を測定する双子プ

ペレットの薄片を作成した（久保寺ら, 2009）．この方法

ローブ熱パルス（DPHP）やそれを TDR と組み合わせたで牛ふん堆肥ペレットの微細構造を観察すると，施用前

サーモ TDR プローブを作るようになり，以降土壌の熱のペレットは内部に孔隙が少なく，畑に施用すると数日特性測定に関する研究が私の中心的なテーマとなった．

のうちに固相を構成する繊維間の密着が緩んで面状孔隙

今回はその DPHP とサーモ TDR の発展について執筆すが増え，1 月後には固相内に不定形の孔隙（バグ）や団粒ることにした．

の分離による孔隙（パッキング孔隙）が形成されていた．

DPHP の始まりは Campbell et al.（1991）がヒーター

次はペレット自体に加え，ペレットが施用された土壌も線と温度計を内装した一対のステンレスチューブを持つ合わせて観察しようと考え，数 cm の長さに切った塩ビセンサを開発し，短時間のヒーター加熱と一定距離離れ管に土壌とペレットを詰めて圃場に埋設し，1 ∼ 18 月後

た温度計の温度変化を解析して土壌の体積熱容量を決定に回収して塩ビ管ごと樹脂で固めて薄片を作った．固化したことである．Bristow et al.（1994）は同様のセンサした樹脂を切断する回転ブレードが柔らかい塩ビ管には形状で土壌の熱伝導率，熱拡散係数も決定できることを効かなかったり，ペレットの中心軸を含む断面を出すの明らかし，その後 Noborio et al.（1996）によってサーモに難儀したりしたが，なんとか薄片を作成し観察するこ細構造は施用から 18 月後でも 1 月後と大差はないのにTDR が開発され，単一のプローブによる土壌の熱特性と電気特性の同時決定が実現した．以降 DPHP とサーモ
TDR に関する研究はアイオワ州立大学の Robert Horton

対し，ペレットの外縁と土壌の間にはペレットの分解と先生のグループを中心に精力的に進められてきたが，そとができた（Kubotera et al., 2016）．ペレット内部の微44

土壌の物理性第 150 号

(2022)

れらは大きく分けて 3 種類に分類され，いずれの分類も執筆しているのでそちらをご参照いただきたい（He et

関連する論文が現在でも出版されている．
関するもので，温度変化の解析方法に係るものが多い．

al., 2018）．現在も様々な研究が進められ，発展を続ける
DPHP とサーモ TDR だが，特に Horton 先生の元でポスドクを経験し，現在は中国農業大学教授の Tusheng Ren

例えば DPHP の温度変化の解析は当初は Pulsed Inﬁnite

先生のグループを中心とした中国人研究者の勢いが凄Line Source Solution と呼ばれる式が用いられていたが，い．私も Horton グループの一員として負けられないとこの式は無限の線状発熱体と一定距離離れた点の温度変ころだが，仕事量やスピードでは到底かなわないので独化を想定しており，ステンレスチューブの存在を考慮し自性の高い研究で勝負したいと思っている．また，サーていない．Knight et al.（2012）はステンレスチューブのモ TDR に関する研究は，センサの発展に注力する内容

存在を考慮した準解析解を提案し，近年では彼らの方法が多く，現象解明に活かされた研究はあまり多くないよが解析に用いられることが多い．

うに感じる．これは現場でのセンサの脆弱性や，測定回分類の一つ目は DPHP による熱特性決定精度の改善に

二つ目はプローブ形状に関するものである．DPHP で路の作成やデータロガーの設定が難解かつ煩雑であるこは 2 本のステンレスチューブの間隔が体積熱容量の決定

とも原因かもしれない（実際に私も苦労して圃場に設置

精度に影響するため，その変化は誤差となる．複数本のしたサーモ TDR が直ぐに故障した経験が何度もある）．

温度計を内装することで間隔の変化を原位置校正できる

大きなポテンシャルを持つ DPHP/ サーモ TDR が実現

ものや，径の大きい強固なステンレスチューブを用いて象の解明に貢献できるよう，私も努力していきたい．

間隔変化を防ぐものが開発されている．最新の Peng et引用文献

al.（2019）のサーモ TDR プローブは，外径 2 ∼ 2.4 mm，
長さ 70 mm の比較的大きいステンレスチューブと 3 本の温度計の内装によって測定範囲の拡大や TDR の精度

Bristow et al. (1994): Soil Sci. Soc. Am. J., 58: 1288–1294.

向上を実現している．ただし，こうしたプローブ構造のHe et al. (2018): Rev. Geophys., 56:567–620.

複雑化には製作の難易度や使用時の脆弱性の増加という

Knight et al. (2012): Vadose Zone J., 11(2),

課題が併存することを述べておきたい．

Campbell et al. (1991): Soil Sci. Soc. Am. J., 55: 291–293.

doi: 10.2136/vzj2011.0112

三つ目は熱特性や電気特性からそれら以外の土壌特

Kojima et al. (2016): Vadose Zone J., 15(5),性の推定を試みる研究で，私がこれまで推し進めてきた

doi: 10.2136/vzj2015.10.0134

研究はこの分類に当てはまる．DPHP やサーモ TDR で

Kojima et al. (2020): Cold Reg. Sci. Technol., 174:103060.

は複数の電気 · 熱特性を測定できるため，それらを組みKojima et al. (2021): Compt. Electron. Agr., 188:106331.

合わせることで様々な土壌特性が定量可能となる．例えLu et al. (2016): Soil Sci. Soc. Am. J., 80(1): 48–54.

ば，サーモ TDR を用いて土壌の比誘電率から体積含水率

Noborio et al. (1996): Soil Sci., 161:22–28.

を予め決定しておくことで，体積熱容量または熱伝導率

Peng et al. (2019): Vadose Zone J., 18(1),から土壌の乾燥密度が推定できる（Lu et al., 2016）．乾

doi: 10.2136/vzj2019.03.0026

燥密度以外にも凍土の体積含氷率，油汚染土壌中の油濃度などが同様の方法で推定がされている．また，DPHP
では土中の温度分布と熱伝導率が決定されるため，土中

森林水文学 · 砂防学における土壌物理の研究の各種熱輸送量の計算が可能となる．それを活用して地中熱流量や定常水フラックス，地中蒸発量の推定がされ小杉賢一朗ている．私は Ph.D. 課程から凍土の体積含氷率の推定に

京都大学農学研究科

取り組んでおり，DPHP の測定値と地中の潜熱熱輸送量
解析から推定する手法（Kojima et al., 2016）やヒーター

キーワード: 森林土壌，風化基岩，水源涵養，土砂災害

加熱によって凍土を完全に融解し，TDR で測定した水分量から氷量を決定する手法などを開発してきた（Kojima

学生の頃，森林の水源涵養機能や洪水緩和機能がどの

et al., 2020）．凍土以外にも，土壌の熱特性とマトリック
ポテンシャルを同時に決定できる DPHP センサの開発なども行った（Kojima et al., 2021）．最近ではサーモ TDR

ようにして発揮されるのかに興味を持ち，山地斜面におを用いた原位置での乾燥密度変化定量化に関する取り組

り始めたきっかけである．

ける雨水の貯留に直接関与する森林土壌の保水性と透水性を研究してみたいと考えた．これが土壌物理学に関わみが多いようである．土壌物理学の長年の課題である乾初めは，どのような森林土壌が大きな雨水貯留能力を

燥密度変化時の熱 · 物質輸送の解明実現に向けた動きだ

持つのかを明らかにしたいと考えて研究を進めた（Ko-と思う．

sugi, 1997）が，森林流域での水文観測を進めるうちに，

以上，今回はミニレビューということで DPHP とサー

雨水を長期間蓄えて河川の基底流を涵養するのは，土壌

モ TDR に関する大まかな研究の流れを紹介したが，よの下にある風化基岩の役割ではないかと考えるようにり詳しく知りたい方は私の友人でもある中国西北農林科なった（Kosugi et al., 2011）．そして森林土壌は，雨水を技大学の Hailong He 先生が素晴らしいレビュー論文を一時的に蓄えて風化基岩への浸透量を増やすバッファー資料：みんなのミニレビュー

45の役割を果たしているのだとの考えに至っている（小杉,される変化に対する応答の予測には，数値モデルによる2007）．

解析が広く用いられる．森林流域における地中の水移動水の発生や水位変動にも深く関与している．豪雨時に地の解析には，生物の影響による特有の孔隙構造を有する
森林土壌の保水性，透水性を解析に反映させる必要があ

下水位が大きく上昇すると，斜面崩壊が発生して土砂災る（小杉, 2004）．土壌の孔隙分布を対数正規分布で表害を引き起こすことがある．斜面崩壊発生を予測する数

すことにより幅広い森林土壌の保水性を表せるモデル

値シミュレーションモデルを開発したいと考えて，六甲が開発され（Kosugi, 1996），代表的な地中水移動モデル

山の流域で土壌の保水性と透水性を集中的に計測したこである Hydrus にも標準搭載されている（Šimůnek et al.,とがあった．一応モデルは完成したが，土壌の保水性や2013）．

森林土壌の保水性と透水性は，山地斜面における地下

透水性，それから土質強度（内部摩擦角や粘着力）の与モデリングが進歩し，計算機の能力が飛躍的に向上しえ方次第で予測結果は大きく変わってしまう（小杉ら,たことにより，様々な空間，時間スケールの解析が可能

2012）．さらに実際の斜面ではこれらの特性は大きな不になったが，日本の森林土壌については保水性，透水性

均質性を示し，その計測は容易ではない．全国でおよそデータの集約，データベース化が追い付いていないのが67 万箇所に及ぶとされる土砂災害警戒区域を対象とし現状である．農耕地分野では，農研機構のデータベースて，どうやれば有効な予測が行えるのか，現在の最大の「日本土壌インベントリー」（農研機構, 2021）に，日本

関心事である．降雨データを使って土砂災害警戒情報を

全国の農耕地土壌の飽和透水係数および飽和から永久し出す現行の経験的手法に，土壌物理学や森林水文学の考

おれ点までの含水率の実測データが格納されており，誰え方を組み込むことが答えになると考えて研究を進めてでもダウンロードすることが可能になっている．森林分いる（小杉, 2015）．

野において最近，気候変動がスギ林の一次生産量に及ぼす影響を日本全国１㎞メッシュの解像度で予測する解析

引用文献が行われた（Toriyama et al.,2021）．この解析では土壌タ

Kosugi (1997): J. Jpn. Soc. Hydrol. & Water Resour., 10: 226–237.
小杉 (2007): 水文 · 水資源学会誌, 20: 201–213．

イプごとの保水性を，既往実測データを用いた地質統計学的手法により 1 km メッシュで推定し，独立したデー
タセットとして公開された（Yamashita et al., 2021）．こ小杉 (2015): 砂防学会誌, 67(5): 12–23.

の成果は森林分野における大きな進展と言える．しかしKosugi et al. (2011): Water Resour. Res., 47,

ながら，日本の森林分野では旧来から保水性の測定を pF

doi: 10.1029/2010WR009884

3.2 までの範囲で行っており，永久しおれ点のデータが小杉ら (2012): 砂防学会誌, 65(1): 27–38.

ほとんど取得されていない．造林樹種の成長の評価に限らず，山地の森林に生育する樹木の水利用と土壌中の水分動態とを一体的に明らかにすることは今後も重要な課題である．乾燥域までの保水性の実測データを新規に蓄森林土壌の保水性 · 透水性について積するとともに，過去に測定した試料の保存試料を用いてデータの範囲を拡張する取り組みが求められる．

小林政広
森林研究 · 整備機構

森林総合研究所

キーワード: 森林土壌，水移動，保水性，透水性
森林における水と物質の循環を通じて発現する水源涵
養，環境調節などの機能に対する期待は大きい．これら
機能の評価のためには，森林に降った雨が流出するまでの過程における樹木と森林土壌の役割を明らかにする必要がある．森林土壌が降水を一時的に蓄え，緩やかに排水する機能を解明すること，これが筆者の研究のスター
トからの，そして現在まで続くテーマであり，その基礎に土壌物理学がある．
近年の気候変動がもたらす豪雨や渇水が機能に及ぼす影響，また，森林や農地などを含む流域における土地利用変化の影響の評価予測の必要性が高まっている．想定

引用文献
小杉賢一朗 (2004): 砂防学会誌, 57: 71–79．

Kosugi (1996): Water Resources Research, 32(9), 2697-2703.
Šimůnek et al. (2013): The HYDRUS-1D Software Package
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Toriyama et al. (2021): PLoS ONE, 16(2): e0247165,
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Yamashita et al. (2021): Zenodo. http://doi.org/10.5281/zenodo.
4505671

土壌の物理性

46

第 150 号

私的史的フロック(2022)

術者の父からはこれが理系の論文かとダメ出しを食らい，足立さんからは何でもっとやりきらないの，と言わ小林幹佳

れたように思う．少しはましな結果を出すまではと思い

筑波大学生命環境系

直し，修士課程で実験をやり直し，博士課程でその解釈に日々頭をひねった．

キーワード: 凝集，強度，破壊，腐植

ある日，マイクロピペットを使った独自の装置により，多種の材料で構成されたフロックの破壊に要する筑波大生として卒業研究のために研究室を選ぶ前，将力を測定し，その力が大きさによらないことを報告し来は高校で柔道部の顧問をしながら理科の先生でもできた論文（Yeung and Pelton, 1996）を知った．何度も読ないかと漠然と考えていた．それもあって，理科（物理

み直し，書き込みでボロボロになっていた Sonntag andや化学）的な実験をしてそうだった足立さん（当時助手，

Russel（1986）の論文コピーをあらためて眺めてみると，前学会長）の研究室を希望した．提示された研究テーマ

１つのグラフがフロックの大きさは粒子間力で決まるこの１つ「マイクロフロー可視化装置を用いたフロックのとを主張していることにやっと気付いた．結局，フロッ

破壊強度に関する研究」に妙に魅力を感じた．多分，海ク強度は大きさによらず粒子間接点力で決まり，フロッに近い島育ちで，流れに興味があったからだろう．これ

クが大きくなる，もしくは局所的な剪断速度が増すこがフロックとの出会いで，1993 年のことになる．

とで，フロックを壊そうとする流体力がフロック強度

研究室に配属後，足立さんと 1 対１でいくつかの論文を超え，破壊が生じるという考えがまとまった．この考を読むことになった．まず，水処理の大家である丹保ら

え方はフロック径と撹拌速度とのべき乗関係を説明でき（1970）の論文を読み，フロックが粘土や有機物などの（Kobayashi et al., 1999），凝集性懸濁液の非ニュートン粘コロイド粒子の凝集体であること，フロックは凝集沈殿性のモデルにも拡張された（Kobayashi et al., 2000）．たによる固液分離において主役であること，フロックの強だし，フロック強度の絶対値は自分の手で得られなかっさは有限なので撹拌により壊れて径は小さくなることをた．撹拌乱流では局所的な剪断速度の評価が難しかった

知った．現象に理論的なメスを入れる凄味と面白さを感からである．

じたが，フロック構造を考慮に入れた強度モデルと局所

2000 年に学位取得後，東大水利研で学振のポスドク

等方性乱流理論を使った破壊モデルには，未知の係数がとしてお世話になった．寛大な田中先生の計らいで自由多用され，エッセンスをすぐには掴めなかった．

に研究させていただいた．その頃，Blaser（1998）の学

次に，フロック強度には，水中での油滴形成（乳化）位論文を元にした一連の論文が目に留まった．マイクロと同様に，界面張力に似た力が関係する，と盛んに主張

フロー可視化装置を使うことで，よく定義された流れ場

する足立さんの見込みで，Shinnar（1961）の撹拌乳化

でのフロックの振る舞いを調べていた．楕円体で近似しについての論文を読んだ．この論文では，乳化という複たフロックを壊そうとする流体力が計算され，凝集剤で雑な現象に対して流体力学的に切り込んでいて，局所等作られたフロックの強度が見積もられていた．この一連

方性乱流理論に加えて次元解析と G.I. Taylor の層流場の論文の成果を拝借すれば，もっと簡単な仕組みで，自での乳化理論が骨子だった．フロックの界面張力なる概分でもフロック強度を出せそうだった．早速，実験に必念をイメージできなかったが，油滴径と撹拌速度との理要なパーツを廃棄処分待ちのガラクタから寄せ集めて実論的な関係式を出す次元解析の威力は強烈な印象として験系を作り，モデル粒子や畑の土で形成したフロックを残った．

壊しては強度を求めた（Kobayashi, 2004; 2005）．かく

以上の論文を一応読んだ後，Sonntag and Russel（1986;

して得られた強度は数 nN であり，高度な技術の必要な1987a; b）による，モデル球粒子を用いたフロック破壊

原子間力顕微鏡で得られたモデル粒子の付着力と同程度の研究論文に移った．後々，透水を含む流体力学，弾塑であった．水質条件がフロック強度に与える影響も確認

性力学，統計物理，粒子間相互作用を記述する DLVO 理

できた．顕微鏡観察でフロックの識別が可能でさえあれ

論，凝集速度論，光散乱，フラクタル幾何学を駆使してば，モデル粒子に限らず，あらゆるフロックに適用できいることは伺い知れたが，当時，2 人で読んでも殆ど内容る点も有望だと思った．

を理解できなかった．大学教員でもわからないことがあ

フロックの破壊と並行して，フロックの形成過程もることを知り，自分の学力不足を痛感した．これらに気テーマの 1 つで，モデル粒子の凝集速度に及ぼす流れ

付かせることが足立さんの狙いだったのかもしれない．

の効果を研究していた．ブラウン運動による凝集速度

とにかく勉強して自分で考えるしかないと思い，有志での相対値である安定度比やその DLVO 理論による解釈

集まって数学や物理，化学の勉強会を続ける動機になっなど終わった研究だと思い込んでいた．ところがモデた．自主的な勉強会では，なぜそうなるのか，を納得す

ル粒子の安定度比と帯電挙動の徹底した実験と解析にるまで議論する雰囲気があった．

基づき，DLVO 理論の矛盾に挑んだ Borkovec らの論文

既往研究を表面的に真似て実験し，フロックの大きさ（Behrens et al., 2000）に頭をカチ割られるような衝撃をと撹拌速度の関係を求めて，ジャンクな卒業論文を書い受け，自分の浅はかさを思い知った．ジュネーヴ大学にた．面白いデータもまともな理論もない卒論で，電気技移った Borkovec 研究室が，水環境におけるコロイド凝資料：みんなのミニレビュー

47

集の研究を主課題にした研究センターの一部門だった

Shinnar (1961): J. Fluid Mech., 10: 259–275.

こともあり，2003 年からそこで学振のポスドクとなっ

Sonntag and Russel (1986, 1987ab): J. Colloid Interf. Sci., 113:

た．ジュネーヴ滞在中，コロイドの基礎科学と研究の厳399–413 and 115: 389–399, 390–395.

しさについて多くのことを学んだ．ジュネーヴでの仕事

丹保ら（1970): 水道協会雑誌, 427: 4–15．

であるケイ酸微粒子の帯電と凝集速度に関して，国際会

Yeung and Pelton (1996): J. Colloid Interf. Sci., 184: 579–585.

議 Interface Against Pollution 2004 での keynote lectureを依頼されたことは大きな自信になった．また，スイス
連邦工科大チューリッヒ校の Morbidelli 研究室を訪問した際，論文についてあれこれ聞かれたり，論文で描いた

軟弱地盤改良土のスレーキングについて

図と似た装置が置いてあったりして，論文は読まれるものなのだな，と当たり前のことを再認識した．その後，

近藤文義

幸運にも 2005 年に岩手大で職を得て，2011 年に母校に佐賀大学全学教育機構

戻ってからも，コロイド粒子の帯電や凝集速度の測定およびそれらの理論解析が研究の柱になっている．
そんな中，母国で土壌学科の講師をしている留学生を研究指導する機会を得た．より土に近い研究をと思案していた時，腐植凝集体の顕微鏡写真を載せた Kloster ら（2013）の論文を見つけた．普通の顕微鏡では腐植は見えないと思っていたので，驚くと同時にワクワクした．
これならまだ誰も報告していない腐植フロックの強度を求められると思った．二価イオンや界面活性剤，タンパ
ク質を使って腐植凝集体を作っては壊してもらい，帯電状態と強度を関連付けて議論した（Hakim et al., 2019;

Hakim and Kobayashi, 2019）．フロック強度は等電点付
近で最大となること，共存イオン種や pH によって腐植
フロックの強度は変わること，疎水性に関連する成分中の炭素量や芳香族の含量が増えると強度は数 nN から数
十 nN にも高くなることがわかった．これらの傾向は，表面修飾する分子を制御して行われた，原子間力顕微鏡で得られた付着力とも類似していた．
以上でこれまでの私的なフロック研究史の稿を終える．フロック強度は輸送単位としてのフロックの大きさを決めるので，有機物や炭素の輸送制御を通して，炭素貯留や汚染物質の不動化に繋がるのではと考えている．
それで現在もフロックの研究を少しずつ進めている．最後に，研究の継続には，これまで（これからも）お世話になった（なる）先生方や同僚さん，学生さんの支援，科研費（19H03070）をはじめとする研究助成が必要不可欠であった（である）．記してここに感謝申し上げる．なお，記憶に基づく記述もあり，誤りがありうる点をご容
赦願う．

引用文献

キーワード: 土水路斜面，軟弱粘土，地盤改良，スレー
キング
この研究は，九州農政局筑後川下流左岸農地防災事業所が完工（平成 31 年 3 月）する約 1 年前に，これまで同事業所が長年取り組んできた事業評価の検証依頼として資金提供を受け，実施したテーマである．内容的には，
石灰やセメントで改良した軟弱粘土の土水路斜面改良土が，未改良土の場合よりもスレーキング（乾湿繰り返し）に対する抵抗性を有することを証明して頂きたいとのことであった．
北部九州の筑後川下流地域に広がる水田農業地帯において，「クリーク」と呼ばれる農業用の水路は貯水機能や用排水兼用機能を有し，用水の安定供給や洪水調節機能など重要な役割を担ってきた．しかし，近年の温暖化や局所的豪雨などの気象特性や当地区の軟弱な粘土質地盤
特性が相まって，土水路部分では斜面の劣化が随所で見受けられる（例えば，金山ら, 2010；木原ら, 2007）ため，事前の防止対策や事後の補修対策を講ずるための基礎研究が重要となる．
スレーキングに関する先行研究はもともと岩石（特に軟岩）を対象として行われてきた経緯があり，石灰やセメントなどによって改良した土質材料のスレーキング特性についてはほとんど明らかにされていない状況であった．しかし，単なるスレーキングの現象論だけでは事業評価報告書としては十分であるかも知れないが，原著論文としては不十分である．関連する既往の研究においては，例えばスレーキングに伴う塩類集積土壌のイオン溶出特性（Shamim and Akae, 2011）や土壌の物理化学特性の変化（西村ら, 2016）などが明らかにされており，何らかのオリジナリティーを付加した研究が重要となる．

Behrens et al. (2000): Langmuir, 16: 2566–2575.

拙著（近藤ら, 2021）は，スレーキングに伴う改良土のBlaser (1998): doi: 10.3929/ethz-a-001989880

等級改善（建設発生土基準）と一軸圧縮強さの変化とを

Hakim and Kobayashi (2019): Colloids Surf. A, 577: 175–184.

関連づけて取り纏めたものである．本論文では，石灰とHakim et al. (2019): ACS Omega, 4: 8559–8567.
Kloster et al. (2013): Colloids Surf. A, 427: 76–82.
Kobayashi et al. (1999): Langmuir, 15: 4351–4356.
Kobayashi et al. (2000): Nihon Reoroji Gakkaishi, 28: 143–144.
Kobayashi (2004): Colloids Surf. A, 235: 73–78.
Kobayashi (2005): Water Research, 39: 3273–3278.

セメントの改良効果の違いやスレーキング抵抗性の違いなどについて，一応の成果が得られている．しかし，研究の実施および論文取り纏めの過程において，改良土の養生条件や型枠の有無，強度とスレーキングの関係，硬化過程での供試体内部の間隙分布の変化など，様々な問題が未解明であることも明らかとなった．引き続き，こ土壌の物理性48

第 150 号

れらの課題に取り組んでいきたいと考えている．

引用文献(2022)

al., 2009）．また，これらの研究を通じて土壌水分の測定技術自体にも興味がわき，最近では，GNSS 衛星信号の反射波を利用した表層土壌水分の面的推定手法の開発な金山ら (2010): 平成 22 年度農業農村工学会大会講演会講演要

どにも取り組んでいる．
土壌水分の量がわかると，「植物」がその土壌水分をど

旨集: 384–385.
木原ら (2007): 第 88 回農業農村工学会九州支部講演会要旨のように利用するのかも知りたくなってくる．特に乾燥地の環境下などでは，土壌水分と植生との間に直接的な集: 76–79.
近藤ら (2021): 農業農村工学会論文集, 313: Ⅱ 61–Ⅱ 67.

関係が見出だせることがあり，西オーストラリアや中国

西村ら (2016): 農業農村工学会論文集, 303: Ⅱ 45–Ⅱ 50.

· 黄土高原において土壌 · 植生 · 地形の関係性を解明した

Shamim and Akae (2011): 土壌の物理性, 118: 3–11.

り，その関係性を用いて植生量から土壌の広域情報を推定する研究などを行ってきた（Saito et al., 2016a）．さらに，より直接的に植物が土壌水分をどう利用するのかを調べるために，アメリカやスーダンの在来種 · 外来種の一貫性のない私の雑多な研究

樹木に誘電率水分計を刺して，樹体水分 · 塩分をモニタリングする研究に取り組んだ（Saito et al., 2016b）
．植物

齊藤忠臣

にセンサを設置して得られるデータは大変興味深いもの

鳥取大学農学部が多く，さらにもっと多くの樹体の水分状態指標を測定したくなる．近年では日本の自生樹木や果樹（ニホンナキーワード: 土壌水分，植物，同位体，UAVシ）を対象に，樹体水分 · 塩分，樹液流速，水ポテンシャ
ル，幹直径，葉の膨圧など，あらゆる項目をセンサ群で

私は学生時代に「物理的なアプローチを用いて環境問

自動計測しては，そのデータの解釈に悪戦苦闘している．

題に貢献したい」という漠然とした思いを持っていた．

国内の中でも，特に地域に根差した研究としては，鳥しかし，どの分野もそれぞれに面白そうで，研究室決め

取砂丘で発生消滅を繰り返すオアシスの水がどこから来にあたり色々な研究室を周ろうと思っていたのだが，手てどこへ行くのか？ というテーマに取り組んでいる．こ始めに土壌の研究室を訪問したところ「うちは先着順でのオアシスの水源調査において効果的だったのが，3 つ決めていて，今年は人気でもう後一人しか入れないよ？」

目のキーワードに挙げた「同位体」分析である．水文観と言われ，思わずその場で「じゃあ入ります！」と決め測に加え，オアシスの水や湧水，地下水，雨水等の水の安てしまった．もし研究室への訪問のタイミングがもう少

定同位体分析を実施した結果，オアシス発生消滅の様々し前か後だったら，土壌物理の道へは進んでいなかったなメカニズムが解明されることとなった．また，先述しかもしれない．研究室が特に乾燥地の研究に特化していたアメリカやスーダンのセンサによる樹体水分モニタリた事もあり，乾燥地の土壌問題を中心として研究のキャングについても，樹木水 · 土壌水 · 地下水などの同位体分

リアをスタートさせることとなった．

析結果を組み合わせることにより，樹体の利用する水源

さて，今回はレビューという事で，自分の研究に関するに関する新たな知見が得られた（Saito et al., 2014）．そ系統だった取りまとめをすべきところであるが，大変おの他，モンゴルで美味しい馬乳酒を生産するウマの食べ恥ずかしい話，私の研究テーマは全く系統立っておらず，る草や飲む水の水源調査にも同位体分析を利用した．い面白そうと思った内容や，人から誘われるがまま，次々ずれにせよ，同位体分析は計測器ベースでの観測と組みとテーマを変えながら研究を進めている状況である．そ合わせることにより強力なツールと成りうると感じておこで，系統立った研究紹介は諦め，これまで取り組んでり，今後とも機会を見て利用したいと考えている．

きた雑多な研究を振り返ってひねり出したキーワード４

キーワードの最後に挙げた「UAV（ドローン）」も，元々つ「土壌水分」「植物」「同位体」「UAV」に従って，とりは鳥取砂丘オアシスの調査に導入したものであるが，近とめもなく研究内容を紹介させて頂こうと思う．

年の私の研究には欠かせないツールの一つとなりつつあ

冒頭に記した通り，学生時代に乾燥地の研究に取り組る．当初，砂丘では UAV を用いた空中写真測量の結果んだことを手始めに，学位取得後は鳥取大学乾燥地研と地中レーダー探査の結果を組み合わせて，広域の地下究センター，その後鳥取大学農学部と渡り歩き，現在も水 · 地中構造の解明に利用したが，RTK-GNSS ドローン

乾燥地を対象とした研究を継続している．乾燥地では何の登場により測量精度が飛躍的に向上したことも相まっといっても「土壌水分」が重要な要素であり，これまでて，鳥取砂丘全体の砂移動解析，そして今後は圃場の土

様々な海外の現場で土壌水分の観測を行ってきた．しか壌侵食の推定に利用したいと考えている．さらに，測量

し，乾燥地の環境では土壌中の温度と塩濃度の変動が大結果と同時に生成される高精度 3 次元モデルも利用価値きいため，これらが誘電率水分計による正確な水分測定が高く，現在はゲーム開発エンジンを使って鳥取砂丘のを妨げることになる．そこで，誘電率水分計の温度 · 塩

VR システムの開発を進めている．VR の中では鳥取砂の影響評価，理論的背景の解明，校正手法の開発といっ丘が非常にリアルに再現されており，没入感があるのでた一連の研究に取り組むこととなった（例えば Saito et

砂丘の雄大さをそのまま感じつつ，各地に散らばる見ど資料：みんなのミニレビュー

49

ころや上空に設置した展望台からの景色を堪能できる．

ち密度の高い 5 cm くらいの層が観察された．土壌断面

そして，ヴァーチャル掲示板などを通じて，研究成果を自体も全体的に乾燥気味で，どこで滞水が起こるのか分

展示することにより，利用者と研究者をつなぐツールとからなかったが，これまでの感覚により，ち密度が一番もなるため，砂丘のみならず，今後の様々なプロジェク

高い層かと当りを付けた．そして，降雨後に滞水がみら

ト成果の紹介の一手段として VR が利用できるのではとれたら呼んで欲しいと依頼した．

考えている．

10 月になり「滞水したので見に来て欲しい」と連絡が以上，これまでの研究を取りまとめてはみたものの，あって調査をした．滞水層は，スコップで掘るまでもな

一貫した方向性が無く内容がどんどん発散しており，自く，表層から 15 cm 程度の深さで厚さ 1 cm にも満たな分でも本当に酷い有様だと思う．ただ，一貫性無く，むい薄層であった．移植小手で突ついてみると，少しだけやみにやっているからこそ，見つかる新しいアイディア

黒変した柔らかい層であり，これまでの感覚では不透水も何かあるのかもしれない，とも淡く期待している．そ層は硬い耕盤と先入観があったので驚いた．水稲担当者

んなわけで，芯の通った骨のある研究は才能ある皆様にに聞いたところ，毎年，代掻きをして床作りをする部分

お任せして，もう少しこんなスタンスで興味関心の向くではないかと説明を受けた．この薄層は，排水対策にもままとりとめもない研究をしてみようと思っている．

影響していると考えられた．これまで野菜畑の排水対策
は，サブソイラーなどにより硬い耕盤を破砕して改善を引用文献

図る認識であったが，この薄層は柔らかいがゆえに，今

Saito et al. (2009): Soil Science Society of America Journal, 73:

までとは違った対策の必要がと思われる．
この一件を機に改めて，自分の未熟さと水田土壌の奥1931–1937.
Saito et al. (2014): Journal of Arid Land Studies, 24: 29–32.

深さに思いをはせて，専門家と交流を図る重要性を痛感

Saito et al. (2016a): Water, 8: 96.

し，土壌物理学会に参加させて頂くこととした．

Saito et al. (2016b): Vadose Zone Journal, 15,doi: 10.2136/vzj2015.04.0061

アレイアンテナ地中レーダーによる
土中水分移動過程の可視化について
野菜畑から見た水田土壌の奥深さ
斎藤広隆
齋藤龍司

東京農工大学大学院農学研究院

長野県野菜花き試験場
キーワード: 地中レーダー（GPR），アレイアンテナ，
キーワード: 県農業試験場，水田土壌，排水対策

不飽和水分移動，電磁波速度

土壌物理学については，昔から関心はあったが，敷居

そもそも土の水分移動特性の空間的ばらつきが水分移を高く感じて参加に至らなかった．本学会は，大学，独動にあたえる影響を知りたく，物理探査技術を利用し，法研究者が多く，県農試の会員が比較的少ないとの印象

広域を高速でかつ非破壊 · 非侵襲で不飽和水分移動過程があり，今回の投稿によせて，本学会で口頭発表もしたを測定する方法に興味を持った．物理探査技術を水文過事の無い「私」でも，入会の動機を知って頂くことは価程に応用する学問分野はハイドロジオフィジックスと値があると思い直した．

呼ばれ，1990 年代から現在にかけて多くの研究が進め

私は現在，長野県で野菜と花類の土壌肥料関係の仕事られている．物理探査方法の利点は，広域の地下情報ををしている．野菜畑での生産安定を図るには，根張りが比較的短時間に非破壊かつ非侵襲で取得することがで良く，排水性の良好な圃場であることが求められる．そきることである．多くの物理探査技術のなかで，ここでのため，土壌を試掘して断面調査をしたり，採土管をは土の比誘電率と水分量との関係を利用する地中レー

採取して三相分布，飽和透水係数を調べたり，バケツリ

ダー（Ground Penetrating Radar または GPR）に着目しレーをしながらインテークレートの測定をして，土壌のた．GPR には，坑井間 GPR，地表型 GPR など様々な種

排水性などを評価したりしていた．

類が存在するが，多くは送信アンテナより高周波のパル

そんな私が，次のような体験から水田土壌の奥深さにス電磁波を放射し，反射 · 屈折などして土中を伝播して関心を持つようになった．それは，とある灰色低地土のきた電磁波を受信アンテナによって捉え，地下構造の可

水田転換畑で，タマネギが春先の雪解けで湿害により視化や土中水分量を推定し（Huisman et al., 2003 など），

収穫皆無になったことである．実際に現地へ出向いたのその結果を用いて土の水分移動パラメータの推定などには，夏の圃場が乾燥している時期であり，状況を見るた

利用する（例えば，Léger et al., 2014）．ここでは，使いめ土壌断面調査をした．下層 50cm には，大きさ 30 cm

やすさなどの観点から送受信アンテナを地表に置く，地にもなる礫がごろごろしており，深さ 30 cm 付近には，

表型 GPR を対象とする．

土壌の物理性50

第 150 号

一般に，地表型 GPR では，送受信アンテナの間隔（オ(2022)

on Ground Penetrating Radar, 785–790.

フセット）を一定に保ちながらアンテナ位置を変え，コ

Huisman et al. (2003): Vadose Zone Journal, 2(4), 476–491.

モンオフセットギャザー（COG）を収集し，地下構造を

Iwasaki et al. (2016): Agricultural and Environmental Letters,

可視化する．一方，土中水分量の定量的評価に不可欠な，電磁波伝播速度を決定するためには，オフセットを変えながらマルチオフセットギャザー（MOG）を収集することが有効である．近年，土壌水分マップのような，面的，空間的な情報を取得すること以外に，浸潤などの動的な現象の測定に GPR を用いることへの注目が集まっている．浸潤過程への応用としては，Vellidis et al. (1990)
が，地表型 GPR を用いて砂質土中の浸潤前線の移動を可視化した先駆的な研究があげられる．ここでは既知の1: 160002.
Léger et al. (2014): Water Resources Research, 50(7): 5459–
5474.
Mangel et al. (2012): Hydrology and Earth System Sciences,
16: 4009–4022.
Mangel et al. (2020): Hydrology and Earth System Sciences,
24: 159–167.
Pan et al. (2012): Hydrology and Earth System Sciences, 16:
4361–4372.

埋設物からの反射を用いて平均電磁波伝播速度を求め，Saintenoy et al. (2008): Vadose Zone Journal, 7(1): 208–214.

湿潤前線の深さを推定した．以降多くの研究で，既知のSaito et al. (2021): Geophysics, 86(5): WB109–WB117.

反射点を利用しているが（Saintenoy et al., 2008 など)，

Vellidis et al. (1990): Transactions of the ASAE, 33(6): 1867–

フィールドで行う調査では，この方法の適用には限界が

1874.

ある．
土中の浸透過程の測定において，既知の反射点を用いない場合，湿潤前線の移動速度に比べて十分に速い時間
間隔で MOG を収集する必要がある．しかし，一般的な地表型 GPR では，オフセットごとにアンテナを移動させ，MOG の収集には時間がかかる．MOG の収集手順を短縮するために，複数の送受信アンテナを使用する方法もあるが（Pan et al., 2012 など)，アンテナの数が限ら

ダイズやムギの深度別根密度調査の方法
坂口敦

山口大学大学院創成科学研究科農学系学域
キーワード: 根密度分布，ダイズ，ムギれるため，標準的な速度解析に用いることには限界がある．Mangel et al. (2012) および Manget et al. (2020) は，途上国の干ばつによる飢餓に関心を寄せていた私は畑数十の異なるオフセットからなる MOG を数秒程度で取地の灌漑効率，降雨の有効利用，節水灌漑などに興味を得できるシステムを開発し，砂箱内の浸潤前線を追跡し持って土壌物理学を志しました．現在は根域土壌の乾燥た．この方法は実験室では有効だが，大掛かりなシステや過湿と作物の水ストレス状態の関係，水ストレス状態

ムが必要で，フィールドでの測定には不向きである．

の把握方法，暗渠排水のシミュレーション，露地栽培野

近年，10 前後の送信アンテナと 10 前後の受信アンテ

菜の点滴灌漑のための気象観測に基づく自動灌漑装置おナから構成され，十数ミリ秒間隔と非常に高速で MOG

よび複数地点土壌水分観測に基づく自動灌漑装置の開発の収集を可能にするアレイアンテナ GPR が開発されたと両者の比較を行っております．

（例えば，Eide, et al., 2014）．送受信アンテナの組み合わその過程で，根の分布を調べる必要が生じました．皆せを電気的に切替えて，最小限の労力で地下をスキャン

様も 10 cm 深，20 cm 深，30 cm 深と根があり得る深度のし，地下の三次元画像を高速で得ることができ，インフ土壌の含水率や吸引圧を深度別に経時観測している事とラ検査（Eide and Hjelmstad, 2002 など）などに用いられ思いますが，作物の水ストレス状態と土壌水分状態を比てきた．このような GPR システムを一定の場所に設置較するためには作物の根域を把握する必要があります．

することで，浸潤などの動的な地下過程を測定すること

また，任意深度での根の分布と根の吸水量が一致するわができると考えた．Iwasaki et al. (2016) および Saito et

けではありませんが，多くの根が分布する深度ほど多くal. (2021) は砂丘砂を用いた浸潤実験を実施し，アレイア
ンテナ GPR を用いて約 1.5 秒ごとに MOG を収集し，連の吸水が行われると大雑把に考えた場合，深度別の根の続的に下降する湿潤前線の位置を連続的に推定した．一

どの利用者も増えていますが，作物による土壌水分の吸方，アレイ GPR システムによる MOG は，通常の MOG

水と蒸散過程を再現するためには根の分布割合を深度別と比べて空間的解像度が低く，速度解析への応用例が少に入力する必要があります．

ない．今後，さらなる研究が必要であり，MOG の補間方法の開発などに取り組んでいきたい．

引用文献
Eide and Hjelmstad (2002): Proceedings of GPR 2002, 192–
196.
Eide et al. (2014): Proceedings of 15th International Conference

密度分布データが必要となります．最近は HYDRUS な根の専門誌として有名な「根の研究」では，特に森田ら（2013）が根系調査方法を体系的に纏めております．
当研究及び金井ら（2017）では根系調査方法の標準化を目的として，改良土壌断面法が提案されています．本手法は塹壕を掘り土壌断面に採土用円筒を定間隔で面的に打ち込む手法であり，円筒による採土時に根を得る事が出来る為，その後に根長や根重を実測する事ができます．

資料：みんなのミニレビュー
しかし，塹壕を掘り土壌断面を設けるには土が乾いている必要があるため，生育初期が梅雨や秋雨にあたるダイズやムギの湿害対策を目的とした根系調査には不向きです．土が乾いている時期であっても，塹壕を掘るのは体力的負担と撹乱面積が広い点から，根の生長に伴う深度別根密度の経時観測には向いていないものと思われます．村上（2003）の根系調査方法ではステンレス板を鉛
直方向および水平方向に打ち込み，土壌を深さ 10 cm×
幅 10 cm× 奥行 10 cm の立方体として採土して内部に含まれる根を採取しており，畝や耕起深度以浅においては土壌が柔らかい為に根が採土用円筒で切断されにくく円
筒内部に入ってゆき難い点を考えると良い採根方法と考51

風蝕の予測と抑制のために佐藤泰一郎
高知大学農林海洋科学部
キーワード: 風蝕，保全耕法，風蝕予測

20 年以上前に ISTRO 2000 の会議前に参加したツアー
で，米国中西部をバスで約 3000 km を旅行した．このとき，移動中に 1930 年代に発生した “Dust bowel” による災害の説明が USDA-ARS の研究者からあり，この言葉がその後何度も繰り返された．Dust bowel は，中西部大平原地帯で発生した大規模な砂嵐であり，耕耘された農えられますが，採土箇所周囲の掘削作業と撹乱面積の点地の表土が強い風によって侵蝕された土埃を表現したもでは改良土壌断面法と同様であります．

のである．この原因を作ったのは，農地を過度に耕耘しそこで，当方がダイズやムギの経時的な深度別根密度

た農民にあり，表土損失による肥沃度が低下して離農す

調査用に自作し，6 年間使い続けている器具を紹介致しる被害を受けたのも農民であった．そして，風蝕を抑制

ます．経時観測の為に体力的に楽であり，撹乱面積も狭する農地保全耕法についての知見を得たが，乾燥地特有い事を重視しました．

の問題として考えていた（Bergtold et al., 2020）．
当時，私は中四国の有志によるセミナに参加し Lal etal.（1997）編集の土壌劣化について勉強会を行っていた．しかし，自分自身の興味は，土壌劣化問題の中の固結化にあり，侵蝕は水蝕が主で風蝕にはほとんど興味を示さずに過ぎてしまった．ところが，その後，学校の校庭で発生する土埃が，周辺住宅の生活に影響を与えているために対策方法を考えてほしいとの依頼を受け，現地に行った．そこでは，広い校庭の向こうには，住宅と農地が混在していた．そのときに，校庭の次は，農地からの土埃の問題が訴えられるのではないかと考えた．これが，風蝕について研究を始めるきっかけになった．
一般に風蝕は，水蝕とともに表土損失による農地の肥沃度低下，作物の生育障害，水路を含む農業施設の損傷や管理負担増加の問題が発生する．加えて，住宅地 · 商
業地 · 工業地と農地の混在が進む地域では，風蝕による地域環境や生活環境の悪化，健康被害が懸念される．そこで，ホリーの “侵食”（岡村 · 春山訳, 1983）を読み進めることで，風による土粒子の運搬には転動（岡村 · 春山
は “匍行” と訳している），跳躍，浮遊に分類され，粒径によって運搬形態が異なることを学んだ．一方では，風蝕の研究について文献調査を行った．
風蝕に関する研究は，モニタリングにより実態把握が進められながら，1960 年代に年間の土壌損失を評価す
る経験的な風食方程式（WEQ）が Chepil（1959）によって提案され，Woodruff and Siddoway（1965）により風洞実験と現地での計測により，確固としたものになった．
その後，コンピュータの使用により，WEQ が高度化して引用文献
金井ら (2017): 根の研究, 26: 25–33．
村上 (2003): 根系調査法 v1.3,

http://www7b.biglobe.ne.jp/∼kufukufu/manual.pdf
森田ら (2013): 根の研究, 22: 9–17．

利用範囲を広げながら（Blanco-Canqui and Lal., 2008a;
Fisher and Skidmore, 1970），改良を加えながら，日単位での土壌損失が推定できる改良風蝕方程式（RWEQ）
が Fryrear et al.（1998）によって提案された．しかし，
WEQ，RWEQ は米国中西部大平原地帯を対象としたものであり，利用範囲が限られていた．そのため，適応範
囲が広く，精度の高い風蝕予測システム（WEPS）モデル

土壌の物理性

52

第 150 号が USDA-ARS によって 1985 年に開発された（Hagen,(2022)

多孔質体中の浸潤現象に対する重力の影響

1991）．
WEPS は，モジュール方式を採用し，物理量保存の関佐藤直人, 丸尾裕一, 野川健人, 登尾浩助

係を組み込むプログラムである．このプログラムは，サ明治大学農学部

イエンスモデル中心として，必要情報をユーザーイン
ターフェースに入力し，データベースを利用して計算をキーワード: 宇宙農業, 水分移動, 浸潤, 低重力行う．WEPS の特徴は，サイエンスモデルにサブモデルを組み込むことで，発展性を含めた利用価値の高い風食

私がこのテーマに興味を持ったのは，当時，明治大学

予測のモデルになっている．そして，1 回の強風に対す

農学部の２年生であった私が，登尾教授の研究室紹介をる土壌損失や PM10 に代表される微小粒子径の風蝕を求聞いていた時であった．登尾教授は，教授の研究室に在めることができる SWEEP などにも発展している．

籍する学生の提案が宇宙航空研究開発機構（JAXA）の日本における風蝕の研究は，地域の課題として調査 ·実験 · 観測が行われ改善法が提案されてものが主であったが，屋代ら（2019）により現地観測結果と WEPS を主催する「航空機による学生無重力実験コンテスト」に採択され，パラボリックフライトによる微小重力下において多孔質体中の水分挙動を観察する実験を行う予定で使った数値との比較が行われるようになった．しかし，あることを紹介した．この紹介に興味を持った私は登尾

わが国は，気候 · 風土，広大な農地面積，大型機械による教授の研究室に入室し，研究を引き継ぐこととなった．

農耕，栽培管理など米国とは異なる．そのため，WEPS

研究室へ入室後に文献を調べてみると，1990 年代以をわが国の風蝕予測に適用するためには，多くの研究成降に宇宙ステーションにおける作物栽培実験が行われる

果をデータベースに蓄積して充実をはかるばかりでなようになってから，低重力下における多孔質体中の水分く，サイエンスモデル，サブモデルの内容について精査，挙動の制御の困難さが指摘されるようになったことがわ検討する必要性がある．そして，わが国に適応可能な風かった．たとえば 1996 年に宇宙ステーション Mir で行

蝕予測と抑制方法が開発されることが望まれる．

われた小麦の栽培実験ではポンプと電磁弁による給水シ
ステムを採用していたが，微小重力下で多孔質体が吸水

引用文献

せず，自動の水分量制御が不可能になった（Bingham et

Bergtold et al. (2020): In conservation tillage systems in theal., 2000）．また，国際宇宙ステーション ISS で行われた植物栽培実験 VEGGIE-01 においても多孔質培地が吸水

southeast, pp. 9–18. SARE.
Blanco-Canqui and Lal (2008): In Principles of Soil Conservation and Management, pp. 1–19. Springer, Netherlands.
Chepil (1959): Wind erodibility of farm ﬁelds. J. Soil. Water
Conserv., 14: 214–219.

せずに低水分状態となったためロメインレタスの発芽に失敗した事が報告されている（Massa et al., 2017）．
宇宙空間において多孔質培地が吸水し難くなったことから，低重力下では浸潤速度が低下する可能性がある．

Fisher and Skidmore (1970): WEROS: a Fortran IV Program to

Yendler et al.（1996）が粒径 1.5 mm のガラスビーズを用

solve the wind–erosion equation. USDA-ARS 41–174.

いて浸潤実験を実施したところ，その浸潤速度は理論値

Fryrear et al. (1998): Revised wind erosion equation (RWEQ).

と比較して 68 % も低下した（Jones and Or, 1999）．またWind Erosion and Water Conservation Research Unit,

Mohamed et al.（2002）は粒径 0.2 mm のガラスビーズ

USDA-ARS, Southern Plains Area Cropping Systems Re-を用いて浸潤実験を実施し，浸潤の初期では浸潤速度のsearch Laboratory. Technical Bulletin 1.

理論値と実測値が一致するものの，浸潤の進行に伴ってHagen (1991): A wind erosion prediction system to meet userneeds. J. Soil Water Conserv., 46, 106–111.
岡村 · 春山（訳） (1983): ミロス · ホリー『侵食 — 理論と環境対策 —』. 森北出版, 東京．

Woodruff and Siddoway (1965): A wind erosion equation. Soil
Sci. Soc. Am. J., 29: 602–608.
屋代ら（2019): 農業農村工学会大会講演会講演要旨集: 337–

338．

実測値が理論値よりも小さくなることを報告した．したがって，地上で観測された保水力や透水係数が微小重力下で適用できない可能性がある（Mohamed et al., 2002）．
一方で，Heinse et al.（2007）は，粒径 0.25–1 mm の多孔質体中の水分分布を低重力下において観察し，水分分布の変化が理論値と一致したと報告しており，現在の不飽和多孔質体中の水分移動理論が低重力下において適用可能であるかどうかについては議論が分かれている．
不飽和多孔質体中の水分移動は，粘性，表面張力，接触角などの浸潤溶液の物性と，固相成分や間隙形状などの固相の物理特性に支配される．我々の研究グループは
これらの要因に対する重力の影響を明らかにすることを目的としてパラボリックフライトや落下塔による低重力実験を実施した．
まず，浸潤溶液の物性に対する重力の影響について，

資料：みんなのミニレビュー53

水の表面張力を最大泡圧法により，接触角を液滴法によいった物理的手法で解析を進め，考察を深めることをでり測定した．その結果，水の表面張力に重力依存性は無きた（澤本ら, 2000; Kusa et al., 2010）．この経験は私のく，接触角についても液滴半径が 1 mm 以下の小さい液研究の基盤をつくってくれたと感じている．

滴では重力に依存しないことが明らかになった（長沼ら,

大学院を修了した後は，畑地からの N2 O 発生予測モデ

2020）．また，空隙に水分が保持される様子を観察した

ルの検討（澤本, 2005），排水中に溶存する N2 O の動態実験では，微小重力下で水分は粒子間に液架橋を形成す（Sawamoto et al., 2005），家畜排せつ物貯留から発生するるように保持され，粒子の凸部を移動し難くなることがメタン（CH4 ）の特徴（Sawamoto et al., 2016）といった温明らかになった（Nagura et al., 2019）．その後，浸潤の進室効果ガスに関連する研究を行ってきた．さらに，除雪

行方向に向かって径が大きくなるような形状の間隙が微が土壌凍結深と土壌物理性に与える影響（澤本ら, 2019）

小重力下において浸潤を阻害することを明らかにし（丸や大面積農場で土壌有機物含量を高める要因について探尾ら, 2019），低重力下において浸潤速度が低下する場合

るようなことにも取り組んできた（石田ら, 2021）．これと，低下せず理論値と一致する場合があることが明らか

らの研究は土壌物理の中心的テーマではないかもしれなになってきている．

いが，土壌物理に多かれ少なかれ関係があると考えてい多孔質体中の水分挙動に対する重力の影響を明らかにすることは，月や火星などの低重力環境で実現が期待さる．土壌物理学会に参加し，最先端の研究や学際的な研究に触れることから多くの刺激をいただいている．

れる宇宙農業における栽培培地の設計に不可欠である．

上記のようにこれまでの研究テーマを書いてみると，

ところが，宇宙ステーションの利用や航空機実験の実施

手広く多くの研究成果が出ているように見えてしまうが等の低重力実験の機会は非常に限られたものであり，こそうではない．なんとか細々と研究を続けているというのことが重力依存性の解明を遅らせている原因の一つのが実状である．勤務している大学は教育を軸としておである．そこで我々は，サンプルを無作為に回転させる

り，この 19 年間で研究室に所属した大学院生はわずか 1ことにより模擬微小重力を作出する 3D クリノスタット

名と寂しいものである．それでも，意欲のある学生と卒の浸潤実験に対する適用可能性などについても検討を行論研究を一緒に取り組むことで，彼らの成長と研究成果なっている（佐藤ら, 2019）．今後より多くの低重力実験を目指すこと，すなわち，「教育と研究の両立」を目指しを行うことでデータを蓄積し，多孔質体中の浸潤現象にて，日々悪戦苦闘している．

対して重力が果たす役割を明らかにしていきたい．

引用文献
引用文献

石田ら (2021): 酪農学園大学紀要, 46: 21–31．

Bingham et al. (2000): Acta Astronautica, 47(11): 839–848.

Kusa et al. (2010): Soil Sci. Plant Nutr., 56: 186–199.

Heinse et al. (2007): Vadose Zone J., 6(4): 713–724.

澤本 (2005): 畑土壌からの N2 O 排出予測 — DNDC モデルのJones and Or. (1999): Water Resour. Res., 35(4): 929–942.
丸尾ら (2019): Int. J. Microgravity Sci. Appl., 36(2): 360206.

適用と改良 —. 波多野隆介 · 犬伏和之編 続 · 環境負荷を予測する, pp. 221–242. 博友社, 東京．

Massa et al. (2017): Open Agriculture, 2(1): 33–41.

澤本ら (2000): 土肥誌, 71: 659–665．

Mohamed et al. (2002): J. Geotech. Geoenviron. Eng., 128(10):

Sawamoto et al. (2005): Geophys. Res. Lett., 32: L03403.

814–823.

Sawamoto et al. (2016): Anim. Sci. J., 87: 827–834.

長沼ら (2020): 明治大学農学部研究報告, 69(2): 73–79．

澤本ら (2019): 酪農学園大学紀要, 44: 91–102．

Nagura et al. (2019): Adv. Space Res., 63(1): 589–597.
佐藤ら (2019): 明治大学農学部研究報告, 69(1): 33–39．

Yendler et al. (1996): Adv. Space Res., 18(4/5): 233–237.

森林での極端に大きな出水時の栄養塩動態
篠宮佳樹

これまでの研究活動を振り返って
澤本卓治

森林研究 · 整備機構 森林総合研究所
キーワード: 森林，渓流水，全窒素，溶存態窒素

酪農学園大学
土壌物理学会への入会がいつだったかは明確には覚え
キーワード: 物質収支，物質循環，温室効果ガスていないのだけれど，おそらく 30 年くらい前だと思う．
森林土壌の透水性，保水性が卒論，修論のテーマだった

土壌物理にはじめて触れたのは大学院修士課程であっ関係で，入会したと思う．卒業して，森林総合研究所にた．当時，畑地土壌からの一酸化二窒素（N2 O）の発生

就職できた．しかし，何を研究すればよいか定まらず，をテーマに研究していたが，土壌中のガス濃度勾配とガ本当に路頭に迷っていた．高知県高知市にある四国支

ス拡散係数でフラックスを計算できることや物質収支と所に転勤になった際，渓流水質に関連する仕事が配属先

土壌の物理性

54

第 150 号

(2022)の業務とも合致し，自分自身も興味をもって取り組めそ

篠宮 · 横山 (2019): 水環境学会誌, 42: 219–229.

うであった．御存じの通り，四国太平洋側地域は年雨量

Tsai et al. (2009): Journal of Hydrology, 378: 290–298.

2,000 mm を超す多雨が特徴だ．総雨量 100 mm を超す
降雨イベントは毎年 2，3 度は起こっていた．ただし，総雨量 100 mm を超す降雨イベントの渓流水質の観測や解析は Muraoka and Hirata（1988），大類ら（1992）に存在
し，渓流水質の形成機構も京都大が先行していた（勝山

草原の生物多様性保全に向けた
土壌物理学的観点からの取り組み

ら, 2004 など）．海外では台風が渓流水質に及ぼす影響

小路が検討されていたが（Tsai et al., 2009），総雨量 100 mm
を少し超える規模で，大雨時の渓流水質に関する海外の研究は思っていたほど存在しなかった．河川や湖沼の水質汚濁を防止するため，窒素やリンなどの原単位が水環
境分野（工学部の衛生工学分野）で求められていた．國松 · 須戸（1997）により森林の原単位の問題点として，出水時の流出負荷量を正確に把握することの重要性が指摘されていたものの，取り組みは進んでいなかった．活路を見出せそうな気がした．さらに，地球温暖化で台風が大型化し，大きな降雨イベントの発生頻度が上昇する
可能性が指摘されていた（鬼頭, 2005）．大きな降雨イベ
ント時の渓流水の採取で失敗を繰り返しながらも，将来増えるであろう極端に大きな出水は，栄養塩の動態にどのような影響を及ぼすか，研究できないかと思うようになった．
物事は本当に自分の思うようには進まない．このアイ
デイアで科研に応募し，運よく採択されたものの，転勤となった．当時の高知大学の大年先生のおかげで，（株）
四電技術コンサルタントの協力が得られた．その結果，2011 年 7 月に総雨量 742 mm の降雨イベントの出水（以降，“極端出水” と記す）の渓流水の採取に成功した．この降雨イベントで同じ高知県の魚梁瀬では日雨量 851.5mm を観測した．これは全国のアメダスの日雨量で歴代2 位の記録である．分析，解析を進めると，総雨量 300
mm 以下の降雨イベントでは 1 回の降雨イベントの流出
負荷量について，TN（全窒素）に占める溶存態窒素の割合は 77 % 以上あったのに対し，“極端出水” になると 5% と，“極端出水” の窒素流出は懸濁態が圧倒的になることがわかった（篠宮 · 横山, 2019）．極端に大きな出水が発生した場合，窒素については溶存態より懸濁態の影響のほうが大きそうである．そうなると，これまでは溶存態のみ着目していれば良かったが，懸濁態にも目を向けておく必要があることが示唆される．ただし，高知県の森林流域で得られた結果が国内のどこの森林流域にもあてはまるかまだ保証はない．このことも今後の課題だと思っている．

引用文献
勝山ら (2004): 日本林学会誌, 86: 27–36．
鬼頭 (2005): 科学, 75: 1155–1158.
國松 · 須戸 (1997): 水環境学会誌, 20: 810–815．

Muraoka and Hirata (1988): Journal of Hydrology, 102: 235–
253.
大類ら (1992): 日本林学会誌, 74: 203–212.

敦

農研機構農業環境研究部門
キーワード: 保水性，通気性，水文環境，生態的地位，
半自然草地
物心ついた頃，自宅トイレの窓から見える隣家の屋根瓦の一部が苔むしていた．本来湿った場所に生えるコケが，このような乾燥した場所で生育していることが不思議でならなかった．今思い起こすと，これが自身の土壌
物理学的発想のはじまりだったのかもしれない．
その後，猫の額ほどの自宅の花壇に様々な植物を植栽
し，「土壌物理性の改善」に努めていたが，実際に「土壌物理学」を履修するのは，大学で農業土木学専攻課程に進んでからであった．このような学問分野の存在に，たいへん驚いたことを覚えている．卒論研究で高分子吸水材を用いた土壌物理性の改善に取り組んだ経験を活かして，大学院修士課程は植物生態学分野に進学し，森林を含む植生と土壌の物理性について，調査 · 研究を行った．
その際，森林と草地との土壌物理性の大きな違いに気付き，草地土壌の特殊な保水性や通気性などの土壌物理環
境が，草本植生から森林植生への遷移を抑制しているのではないかと考えるようになった．
修士課程修了後，研究職として採用され，「草地立地研究室」という研究室に本配属となり，森林と草地の土壌
物理性の違いについて調査する機会を得た．その結果，ススキ草原やシバ草原など，半自然草地の土壌は森林土
壌と比較して緻密であり，透水性が低いことを示した．
草地から森林へと植生が遷移してゆくのに伴い，土壌が膨軟化するとともに透水性が増大し，表面流去水酒養型の池沼の湛水面積が減少するひとつの要因であることが示唆された（小路ら, 2004）.
また，北海道東部のウマの放牧地において土壌の物理性と植生とを調査する機会を得た．ここでは，半自然草地の土壌がウマの踏圧による圧縮を受け，通気性や透水性が著しく低下していた．放牧により湿性な土壌環境が創出されることで，湿潤な土壌を好む草本植物が生育可能となり，美しい花々の咲き乱れる半自然草地が維持されているであろうことを示した（Shoji et al., 2011）.
さらに，熊本県阿蘇地方の半自然草地では，放牧ならびに火入れの中止が土壌の物理性と植生に及ぼす影響について，調査を行った．その結果，放牧により，固相率
ならびに土壌硬度が増大するとともに，飽和透水係数ならびに気相率が低下するのに対し，火入れにより，有効水分量（厳密には有効水分を保持する土壌の間隙量）が

資料：みんなのミニレビュー
低下することを示し，放牧ならびに火入れによって様々

55

ている．

な草原性植物の生育が可能となり，多様な植物相が維持されているであろうことを示した（Shoji, 2014）．しか引用文献

し，上述の自身の調査 · 研究では，草地の特殊な土壌環

小路 (2001): 国際景観生態学会日本支部会報, 6 (1): 63–67.

境が森林への植生遷移を妨げていることまでは言及する

小路 (2002): 国際景観生態学会日本支部会報, 7(2): 35–40.

ことができなかった．

小路ら (2004): 農業土木学会誌, 72: 33–36．

これらの調査とちょうど時期を同じくして，英国の小路 (2010): 水土の知, 78: 563–566.

Silvertown らにより，半自然草地土壌の水文環境によっ

Shoji et al. (2011): Grassland Science, 57: 1–8.

て規定される生態的地位が多様化することで，草地におShoji et al. (2014): Grassland Science, 60: 15–23.

ける植物の種の多様性が維持されるといった内容の論文

Silvertown et al. (1999): Nature, 400: 61–63.

が Nature に公表された（Silvertown et al., 1999）．土壌
物理学的な観点からの生物多様性についての研究が，世界的な一流紙に掲載されたことに驚いたのは言うまでもなく，個体群生態学の教科書の著者などとして有名な

不均一流下での土壌微生物の活動と物質循環

Silvertown 氏が，群集生態学の研究成果を公表したことにもたいへん驚いた．一方で，自身が進めてきた土壌物
理性と植生との関連解明に関する研究の方向性に大きな

末継淳

秋田県立大学 生物資源科学部

誤りはなく，世界的な研究と関連性のあることに自信を深めることができた．

キーワード: 不均一流，土壌微生物，物質循環

その後，日本において急速に減少している半自然草地の保全や植生修復という観点から，土壌物理性や放牧，

私は環境系学科で教育を受け，大学院から土壌物理を火入れが植生に及ぼす効果だけではなく，土壌の化学性

本格的に学んだため，土壌物理学の裾野を広げる研究をや刈り払いが植生に及ぼす効果についても検討を始め志しました．なかでも，土壌中で複雑に発展する不均一

た．前述の北海道東部における半自然草地では，放牧地

流は土壌物理学の難問ですが，私は先達の知見を踏まえ，

内にフェンスで囲った禁牧区を設けるとともに，施肥区

不均一流と微生物の関係を探ってみようと考えました．

（N, P, 双方）ならびに刈り払い区（7 月刈り，9 月刈り）

不均一流を構成する流れには，亀裂中などを高速で移を設け，放牧，施肥，刈り払いの効果を検討した．その動するバイパス流や，撥水性 · 乾燥密度のばらつきなど

結果，禁牧試験開始後わずか 2 ケ月で土壌の物理的特性に起因するフィンガー流などがあります．これらの不均や植物群落内の光環境が変化したことなどから，放牧の一流が土壌中で発達することで，平均含水比からは予想

中止後，比較的早い時期に草原性の植物にとって好ましできないような微生物が活動し，物質循環に影響を与えくない物理環境となる可能性が示された（小路, 2001）．

る可能性があります．このような現象は，古くから水道

また，放牧，刈り払いとも，イネ科植物の優占度低下と水の供給上の問題として注目され，病原性のある微生物

保全対象種であるヒオウギアヤメの相対優占度向上に効の土壌亀裂中の移動などが研究されてきました．近年で果的である一方，施肥によってイネ科植物の優占度が極は，土壌断面調査による不均一流内外での微生物群集構端に増大することから，施肥は，草原性植物の多様性維

造解析（Bundt et al., 2001）や，バイパス流を抑制する

持には逆効果であると考えられた（小路, 2002）.

ことで微生物による油汚染浄化を促進する研究（Mori et

熊本県阿蘇地方の半自然草地では，草原性希少植物がal., 2013）などが行われています．また，不均一流への生育する土壌の化学的特性について調査した．その結微生物の密集によるクォラムセンシング（菌体密度を微果，春先の火入れ終了後，急速に成長する種（ミチノクフ

生物集団が検知することによる活動変化）に対する指摘

クジュソウ，サクラソウ）や，夏季に優占種であるスス（Morales et al., 2010）もされています．

キを上回る高さまで花茎を伸ばし多くの花を咲かせる種

上記のような研究成果の多くは，メタゲノム解析によ（ツクシマツモト）など，急速な成長のために多くの養分り実現しています．しかし，この解析手法はまだ草創期を必要とすると考えられる種群の生育地の土壌は，これにあるため，データの解釈には注意が必要です．例えば，

らの種群が生育しない土壌と比較して，塩基に富む肥沃

新型コロナウイルス感染症の流行で PCR（ポリメラーゼな土壌であった（小路, 2010）．このような結果から，半連鎖反応）が検査法として注目を集めましたが，PCR の自然草地の保全あるいは植生修復には，土壌の物理性，出発点となる遺伝子の人工合成物（プライマー）の純度

化学性双方の観点からの調査やデータの解析が必要であは良くても 95 % 程度で，大腸菌の生体内での遺伝子のると痛感した．

純度（エラー率で約 10 億塩基につき 1 塩基）には遠く

現在，研究推進業務専属のため，これまでのような現及びません．そのため，様々な研究者が生体内のエラー

地調査に基づく試験研究に携わることはできないが，研チェック機能を借用したり，PCR を用いずに高感度な塩究現場に戻った際には，密かに（？）温めている企みを，

基配列解析を行うなどして，精度を向上させています．

草原を彩る花々のように，思う存分開花させたいと考え

メタゲノム解析の精度上の課題に加え，不均一流の発土壌の物理性

56

第 150 号

(2022)

生条件をふまえた微生物活動や物質循環の予測モデル構

明することができた（Sugimoto et al., 2014）．同様の計算築などは未解決の課題です．このような課題は農学 · 地を異なる粒子同士のヘテロ凝集にも適用し（Sugimoto et

球化学 · 衛生工学などにも関わるため，様々な形で関連

al., 2015），その結果を博士課程 1 年の時に欧州コロイド
学会で発表した．ここに，Behrens et al.（2000）の論文を出した Borkovec 研究室で講師をしていた Gregor Trefalt

研究が展開されていくものと考えられます．

引用文献

さんが聞きにきてくれて，私の研究を好きだといってく

Bundt et al. (2001): Soil Biol. Biochem., 33: 729–738.

れたことが記憶に残っている．学振 DC1 の支援もあっMorales et al. (2010): J. Hydrol., 393: 29–36.

て，博士 2 年のときには小林先生の紹介で Borkovec 研

Mori et al. (2013): Ecol. Eng., 183: 237–243.

究室に滞在できることになり，Gregor さんと一緒に仕事をできたことは幸運だった．テーマは，流れのないブ
ラウン運動によって凝集する場合の，多価イオンやリン酸イオンといった吸着性イオンの存在下におけるヘテロ

ヘテロなコロイド輸送現象に向けて凝集であった．特に，異符号に帯電した粒子の一方がイオンの過剰吸着で電荷の符合が反転する際に正味で同符

杉本卓也

号に帯電した粒子間の反発的なヘテロ凝集を実験で測定

筑波大学生命環境系

し，DLVO 理論に基づいて解析するというものだった．
実験を手伝ってくれた先輩と協力し研究を進め，電気泳キーワード: 流れ凝集，ヘテロ凝集，多価イオン，輸送動で測定した帯電量を計算に用いると，DLVO 理論に基づいて実験データをよく説明できることを示すことがで筑波大学生物資源学類にあって，数物系科目が好き

きた（Cao et al., 2017）．

だった私にとって，講義を担当していた足立泰久教授

平行してヘテロ凝集で使ったものと同じ粒子を使い，の研究室を志望するのは自然なことだった．しかし，い価数が同じで異なるイオン種が凝集に与える影響に関す

ざ入るときになって，同じグループに着任して間もないる研究を進めた．測定した帯電量を用いると，異なるイ

小林幹佳准教授がいらっしゃることに気付いた．優秀なオン種でも臨界凝集濃度におけるイオン強度（臨界凝集

同期が皆，足立先生に師事するという中で，素直に疑問

イオン強度）と帯電量の関係が DLVO 理論の予測と一致に思った私はお世話になっていた研究室の先輩方に相するという結果が得られた（Sugimoto et al., 2018）．こ談し，先輩方の鶴の一声で小林先生に師事することを決の結果を発展させ，ヘテロ凝集について対応する理論式

めた．

を導出し，ヘテロ凝集では臨界凝集イオン強度と凝集に研究室に入って足立先生，小林先生，研究室の同期た関わる各粒子の帯電量の積の関係が DLVO 理論の予測

ちと一緒に論文を読み始めた．まず，凝集体の沈降にと良好に一致することを示した（Sugimoto et al., 2020）．

関する論文を読んだ後に，粒子間の物理化学的相互作

学位取得後は，東大地水研の西村先生と濱本先生の元用を記述する DLVO 理論の限界について真正面から挑で学振 PD としてお世話になった．自由に研究させてもんだ Behrens らの論文（2000）を読んだ．彼らが用いた

らいつつ，コロイドとナノバブル共存系でのコロイド輸

DLVO 相互作用の理論式，光散乱を用いた凝集速度の測送の研究に取り組んだ（Sugimoto et al,. 2021）．これま定原理，それらをフルに活用した実験と理論の不整合にで単一のコロイドの輸送研究が多かった中で，共存する関する考察を同期たちと頭を悩ませつつ，小林先生にもコロイドとナノバブルを区別して計数できる共振式質量説明を加えてもらいながら，徹底的に読み込んだ．そう

分析計を活用し，両者を区別して測定したコロイド輸送

こうするうちに，私の卒論テーマは，読み込んだ Behrens

研究という，ヘテロなコロイド輸送研究への展開の第一ら（2000） の追試とそこに流れの効果を加えた実験と歩を踏み出せたのではと考えている．この期間にスイスなった．

· ローザンヌ大学にて，マイクロ流路を活用した研究に取実験データを解析するための課題として，既存の流れ
凝集の理論計算がコロイド粒子の帯電量が低いことを仮り組む機会をいただき，そこで取り組んだ内容を元にして，現在実験系の設置や研究の立ち上げに奮闘している．

定した DLVO 相互作用力を使っており，帯電量の高い

幸いにも学振 PD 終了間際に，2021 年 1 月より母校

粒子を使った実験データには適用できないことがあったに戻ることができた．今後はヘテロなコロイド輸送の理（van de Ven et al., 1977; Zeichner et al., 1977）．これは解に向けて，着実に研究を進めていきたい．これまでおDLVO 理論の流れ凝集における検証が進んでいなかった
要因の 1 つでもある．そこで，Behrens らが用いていたコロイド粒子の帯電量が大きい場合にも使える DLVO 相

世話になった（議論やご助言をいただいた）先生方や同僚，先輩や後輩に，この場を借りて改めて感謝申し上げます．今後ともご指導ご鞭撻のほどお願いいたします．

互作用の理論式を用いた数値計算を実装して，流れ場中の同種粒子同士のホモ凝集の実験データと定量的に比較し，流れが強くなると電気的な斥力の影響が消失する塩濃度条件（臨界凝集濃度）が高くなるという実験結果を説

引用文献
Behrens et al. (2000): Langmuir, 16: 2566–2575.

資料：みんなのミニレビュー
Cao et al. (2017): Phys. Chem. Chem. Phys., 19: 15160–15171.
Sugimoto et al. (2014): J. App. Mech., JSCE, 70: I 475–I 482.
Sugimoto et al. (2015): Theo. App. Mech. Japan, 63: 133–145.
Sugimoto et al. (2018): J. Coll. Interf. Sci., 524: 456–464.
Sugimoto et al. (2020): Colloids Surf. A, 603: 125234.
Sugimoto et al. (2021): J. Cont. Hyd., 242: 103854.
van de Ven and Mason (1977): Coll. Poly. Sci., 255: 468–479.

57

引用文献
de Jonge et al. (2004): Vadose Zone Journal, 3: 321–325.
農林水産省（2021): https://www.maff.go.jp/j/wpaper/w maff/

r2/pdf/zentaiban.pdf.
鈴木ら（2005): 日本土壌肥料学雑誌, 76: 43–47．
鈴木ら（2016): 日本土壌肥料学雑誌, 84: 422–429．
高橋ら（2008): 日本土壌肥料学雑誌, 79: 1–7．

Zeichner and Schowalter (1977): AIChE Journal, 23: 243–254.

北陸地方の粘土質圃場における気候変動に伴う降雨パターンの変化が農地と作物に与える影響の評価と懸濁物質の暗渠流出

適応農法の確立に向けて

鈴木克拓

鈴木伸治

農研機構 中日本農業研究センター
キーワード: 粘土質土壌，水田転換畑，粗孔隙，コロイ
ド担体輸送，暗渠流出
私が粘土質圃場における懸濁物質の暗渠流出に関わることになったのは，21 年前に農環研で，当時問題だった環境ホルモンの動態に関わるプロジェクトにおいて難水溶性物質のコロイド担体輸送（Colloid-facilitated transport）
を扱ったことに始まる．その後，2003 年から転換畑におけるリンの暗渠流出の実態を農研機構 中央農研 北陸
研究センター（当時）で測定することになり，農業土木分野を中心に，同センターの方々には大変お世話になった．2009 年に，ついに自らがこの地に異動することになった．
懸濁態での環境負荷物質の土層内移動については，欧米を中心に関心が向けられ，リン，重金属，難水溶性物質などの移動における重要性が指摘されてきた（de Jongeet al., 2004）．北陸地方に広く分布する粘土質土壌では，
土壌マトリクスの透水性が低いため，水田を畑利用する
場合は，暗渠の埋め戻し部や乾燥に伴って生成する亀裂等の粗孔隙を通じて，懸濁物質や懸濁態リンが土層で濾別されることなく暗渠流出する（鈴木ら, 2005）．これまでの転換畑の作物は大豆や麦類が多かったが，近年，政府が水田への園芸作物の導入を推進している（農林水産省, 2021）ことから，施肥量の増加などにより，養分の暗渠流出がさらに懸念される時代に入りつつある．
私が当地に赴任してから，世の中の情勢も当拠点の状況も変わったが，この地方の粘土質土壌が抱える本質的問題は変わらない．当地では自ら作物栽培をすることがあり，越冬後の干ばつによる大麦の収量低下（鈴木ら,2016）や，高橋ら（2008）が指摘する播種後の少雨に因る
大豆の発芽不良などのような，粘土質土壌特有の問題の一つである有効水分の少なさにも気付くことになった．
前述の通り，粘土質圃場における養分の暗渠流出の懸念が増しているが，加えて畑作物の生産性向上など，今後も当地方での土壌物理分野の貢献が重要と感じている．

東京農業大学地域環境科学部
キーワード: 短時間強雨，連続無降雨日，浸潤速度，土壌侵食，水ストレス
筆者はこれまでに，気候変動が土壌凍結期の水分環境に及ぼす影響を解明する研究に参加する機会があり（広田, 2013），凍結を伴う寒冷地の農地土壌を対象に，数年間にわたる土壌水分の変化の特徴について検討した（鈴木ら, 2014; 鈴木ら, 2019）．これをきっかけに現在は，作物の栽培時期である春 ∼ 夏 ∼ 秋に焦点を移し，降雨パターンの変化が農地や作物に及ぼす影響に着目している．
我が国において，大雨や短時間強雨の頻度が増加傾向にある一方で，雨が降らない日も増加しており，降雨パ
ターンの極端化が懸念されている（文部科学省 · 気象庁,

2020）．世界的にも今後，大雨と干ばつの頻度がそれぞれ増加する可能性があると改めて強調されるようになった（IPCC, 2021）．降雨強度が表層土壌の浸潤速度を超えると，傾斜がある農地では土壌中に浸透しきれなかった
余剰な雨が流去するため，土壌侵食や水質負荷の流亡を引き起こす．土壌の移動が圃場内で収まる程度であっても，種子の移動などが生じ，生産者の悩みの種となっている．どの程度の降雨強度で表面流（およびそれに続く土壌侵食）が起こるのかについて，従来は，流出量や侵食量との比較で評価されていた．しかし，表面流（土壌侵食）の直接的な引き金となる表面湛水の発生（降雨強度
が土壌の浸透能を超える瞬間）を直接観測する方法がな
かった．そこで筆者らは，誘電土壌水分センサを組み合わせて表面水発生の観測を試みている（鈴木ら, 2018）．
1

土壌の浸潤速度 i（mm s−1 ）は，吸水度 S（mm s(− 2 ) ）と飽和透水係数 ks （mm s−1 ），および時間 t （s）を用いて以下の式で表される（宮崎ら, 2005）．
1
1
i = St − 2 + ks · · ·
2

(1)

58

土壌の物理性第 150 号

(2022)

これによると，i は t の − 12 乗に比例する．つまり，時間は高くとも，1 時間よりも短い時間解像度での雨に対すの経過とともに浸潤速度は低下する．t が小さい浸潤初る観測や予測，評価が課題となろう．

期では，ks に比べて S の寄与が相対的に大きい．ks が支配的なのであれば，粗間隙の割合や空間的な配列が大きく影響するであろう．さらに S は定数ではなく，実際には体積含水率と負の相関があるため，降雨によって土壌

引用文献
Clothier et al. (1981): Soil Science Society of America Journal,
45(2): 245–249.

表面の水分量が増加すると，S は低下する．S および ks

広田（2013): 生物と気象, 13: F1–15.

をもとにした考え方としては，一定の降雨強度であれば，IPCC (2021): Climate Change 2021. The Physical Science Ba-

湛水が起こる時間（time to ponding）を表す式が提案さ

sis. Cambridge University Press.

れている（Parlange and Smith, 1976; Clothier et al.,1981;

宮崎ら（2005): 土壌物理学, pp. 18–53. 朝倉書店, 東京．

Perroux et al., 1981）．どの程度の降雨強度で地表面湛水

文部科学省 · 気象庁（2020): 日本の気候変動 2020 ̶大気と陸や表面流出，あるいはそれに伴う土壌侵食が生じるのか· 海洋に関する観測 · 予測評価報告書̶（詳細版） .

を明らかにするためには，実際の雨水の浸潤や湛水の発Parlange et al. (1976): Canadian Journal of Soil Science, 56:

生に対して，S と ks について詳細に吟味し，それぞれの寄与の程度について明らかにする必要があると考えられる．
強度の大きい降雨が増えることによって，土壌内の溶質の移動形態の変化する可能性についても検討する必要もあるであろう．
一方で地表面湛水や表面流出に伴う土壌侵食は，雨滴

121–123.
Perroux et al. (1981): Soil Science Society of America Journal,
45(2): 237–240.
鈴木ら（2018): 2018 年度土壌物理学会大会講演要旨集, 106–107.
鈴木ら（2014): 土壌の物理性, 126: 51–62.
鈴木ら（2019): 土壌の物理性, 142: 5–11.

の衝撃によって飛散 · 分散した土粒子が間隙の目詰まりを起こし（クラストの形成），透水性が低下することによって生じるためと説明されることが多い．クラストの形成による飽和透水係数の低下と関連付けられている．

線形和水分保持関数からのクラストが形成されない場合でも，上記のように降雨後不飽和透水係数計算法の時間経過に伴って浸潤強度は低下するため，地表面湛水や表面流出に伴う土壌侵食に対して，クラストの形成が必要条件であるのか否かについても吟味が必要である

関勝寿

東洋大学自然科学研究室と考えられる．
灌漑期間における無降雨日の増加は，作物の品質と収キーワード: 水分保持，透水係数，線形和量の低下，あるいは畑地灌漑の頻度と用水量の増加を招く恐れがある．作物の生育と土壌水の関係は，栽培時期

本稿では Seki et al. (2021) を紹介する．水分特性モデや土壌の条件，作物の種類やその年の天候等，影響するルについてまとめた解説（関，2017）に対して，三重大

要因が多様であり，説明が複雑になりがちだが，生産者学の取出さんから質問のメールをもらったことをきっかや市民の観点では，どの程度の連続した無降雨日数で作けとして議論が深まり，得られた知見をまとめて共著と物がストレスを受けるのかという単純な疑問が生じるもして Vadose Zone Journal に発表した論文である．

のと予想される．このような疑問に答えられるような取水を土壌の表層で貯留するのではなく，下層での貯留をVG（van Genuchten）の水分保持関数の線形和によって複雑な水分保持関数をあらわす Durner モデルは広く用いられている．Durner モデルから Mualem 式による
不飽和透水係数の閉形式解を求める手法は，Priesack andDurner（2006）が示している．Priesack らの計算手法は小杉モデルや BC（Brooks and Corey）モデルにも応用可能である．そこで Durner モデルを拡張し，3 つのサブモ
デル（BC，VG，小杉）を自由に組み合わせた線形和関数に対する不飽和透水係数の式（一般化 Mualem 式の閉促し，さらに，作物根の根を下層に発達させることによ形式解）をまとめたものがこの論文である．

り組みが必要と考えられる．この問題は，これまでの畑
地灌漑の研究の延長線上にある．作物が受ける水ストレスについて観測事例を蓄積するとともに，既往の成果の精査，整理と，気候変動を見据えた畑地灌漑研究の発展が望まれる．
短時間強雨と連続無降雨ともに，これらの長期予測には不確実性を含むものではあるが，営農レベルでは，雨り干害のリスクが低減できると考えられる．同時に，表この論文では，日本の黒ボク土と砂丘砂における計算

面流出や土壌流亡を防ぐためにも，より積極的な雨水例が示されている．また基本式からの 3 つの変形が示さの浸透を促すことが望ましい．圃場整備レベルでは承水れている．変形を使うことで，パラメータを減らしたり，路の設置や，深耕あるいは心土破砕等の必要性がより一式を簡単にしたり，透水性関数の自由度を上げたりする

層高まると考えられる．短時間強雨に対する土壌の応答ことができる．土壌の特性や解析の目的に応じてサブモ

は，降雨強度が穏やかな場合とは大きく異なる．難易度

デルの数と種類，そして変形の組み合わせを選ぶことが資料：みんなのミニレビュー

59

可能となる．このミニレビューでは詳細を省くので，関ら, 2020），栄養生長期の湿害と生育後半の乾燥害は裏心のある方は原著を参照していただきたい．
今後は，このモデルを実際にさまざまな土壌に対し表の関係にあるようである．乾燥ストレスによる気孔の閉鎖は乾物生産だけでなく，マスフローによって獲得さて適用して水分移動解析をする，といった展開が考えれる養分の吸収量にも影響を与えるに違いない．また根られる．まずは，この研究成果をふまえたミニではない

量が少ない場合，いわゆる光合成の昼寝現象（midday

レビューを『土壌の物理性』に投稿するところから考え

depression）が早期に発生することもヒレルによって論たい．

述されている．しかし，昼寝現象のようなマイルドな乾燥ストレスが，転換畑での作物生産に与える影響は，十

引用文献

分には定量化されていないようである．気孔の開閉は即Priesack and Durner (2006): Vadose Zone Journal, 5: 121–124.
関 (2017): 東洋大学紀要自然科学篇, 65: 41–61．

Seki et al. (2021): Vadose Zone Journal,
doi: 10.1002/vzj2.20168

時的な現象で定量的な把握が難しい．根の性状と気孔の開閉を関連付けることが簡単ではないのは容易に想像がつく．容易ではないが，本質的な問題の一部がここにあるように思う．
根の生長阻害以外の湿害について考える際も，土壌の酸素濃度は鍵となる環境因子である．酸素環境はガス拡散係数（遅沢, 1998；高橋ら, 2021）といった土壌の物

湿害を分割してみる

理的性質と，土壌呼吸のような土壌の生化学的な性質によって決定される．幸田（1983）や橋爪ら（1975）をも

髙橋智紀とに春作と夏作のニンジンの湿害程度を比較すると，夏農研機構東北農業研究センター

作の方が過湿に敏感だ．これは夏作の方が地温が高いた
めに土壌呼吸が大きく，酸素消費が湿害程度を決定づけ

キーワード: 湿害，水田輪作，土壌構造，根，酸化還元ることを示しているのだろう．酸素が消費されて土壌の嫌気性が高まると，脱窒，マンガンの還元，鉄の還元，硫生活が豊かになると，ヒトは充実した食生活を求める．

化水素の発生，の順で化学反応が生じる．鶴田ら（2020）

ひらたく言えば，もっと肉や油や野菜を消費したい，とは気相率が小さな条件では無機化された地力窒素が脱窒いうことである．日本では食の多様化を契機に少子化以してしまい，たとえ地力窒素が高い土壌でも植物に供給

前からコメの消費が減少を続けている．水田は優れた食される窒素が減じてしまう可能性を示している．藤井ら

料生産システムではあるが，コメ以外の作物の栽培には（1982）は還元溶解したマンガンによる大豆へのマンガ

向いていない．多様化する食を満たすために水田をどの

ン過剰症を報告している．さらに還元が進むと硫化水素ように進化させるべきか．日本は他のアジア諸国に先駆が発生し，根を直接損傷させる．いずれも発生すれば強けて豊かになり，最初にこの問題にぶつかった．現在選

い減収要因になる．しかし，生産現場での実態は捉えら択されている水田輪作という手法は歴史的な社会実験だ

れていない．

といえる．転作作物の最大の減収要因は湿害である．し私の力では，湿害をストーリーとして語ろうとすると，かし残念なことに湿害には乾燥害のように整然と記述さ

このように物語の断片がところどころに見つかるだけでれた専門書や教科書がほとんどない（例えば Glinski andある．いつの日か湿害の全体像を展望したい，とは常々Stepniewski, 1986）．考えてみれば，これはとても不思議考えているのだが．

なことだ．
湿害は根の生長阻害，過湿による養分環境の変化，嫌気的条件下での有害物質の発生，土壌病害の蔓延等が複合的に生じる現象である．私は，近年の「湿害対策＝排水対策」とする考え方は，湿害の理解に対する解像度を甘くしているように感じる．もちろん，排水対策は重要な技術開発項目であるが，湿害の理解ではない．排水対策の効果があらかじめ推定できない理由の１つがここにある．
例えば，湿害は土壌中の酸素不足を引き起こし根量を

引用文献
藤井ら (1982): 山形農試研報, 16: 31–48.

Glinski and Stepniewski, (1986): Soil aeration and its role forplants, CRC Press Inc., Florida.
橋爪ら (1975): 千葉農試特報, 6: 1–78．
ヒレル (1998): 環境土壌物理学

耕地生産力の向上と地球環境の保全 II 耕地の土壌物理, 農林統計協会, 東京.
今野ら (2020）:日作紀，89: 337–345.
幸田 (1983): 茨城農試研報, 22: 25–63.

顕著に低下させる．根量の低下が植物の吸水量を減少さ

遅澤 (1998): 農業環境技術研究所報告, 15: 1–64.

せることは良く知られた事実である（ヒレル, 1998）．全髙橋ら (2021): 土肥誌, 92: 11–18.

国を対象とした転作大豆の収量解析でも，生育後半にお鶴田ら (2020):土肥学会講演要旨集, 66: 81.

いて乾燥害による有意な収量減が示唆されており（今野土壌の物理性60

農耕地の土壌物理性改善を夢見て竹内晴信
北海道立総合研究機構上川農業試験場
キーワード: 生産性向上，圃場排水技術，透排水性，機作解明，研究コラボ

第 150 号

(2022)

本的改善」に照準を合わせ，大学等の研究者と現場技術者のコラボにより研究を進めていくことが効果的なのではないだろうか．

引用文献
北海道農政部（2020): 北海道施肥ガイド 2020．
北海道農政部（2010a): 土層改良計画指針（案）．
北海道農政部（2010b): 暗きょ排水計画指針．

昭和末期のバブルの時代に地元北海道の農試に迎えら

塚本（2013): 水土の知, 81(5): 359–362．

れ，与えられた課題が小麦の施肥法に加え，畑地灌漑の塚本ら（2016): 土肥誌, 87(5): 368–372．

利用技術と客土による土地生産性の向上であった．端から土壌の物理性分野の担当として期待を受け，試行錯誤
で技術開発に楽しく取り組んできた．
ここ 100 余年の北海道における農耕地の生産性向上に

土壌微細形態学の重要性

は，養分環境の改善や酸性改良に加え，地下水位の低下や余剰水の迅速排除（明暗渠，かさ上げ，透水性改善，均

田村憲司

平化，穿孔，維持管理手法），耕起法や土層改良による土筑波大学生命環境系

壌の物理的構造の改変，異種土壌の客土による土壌構成
物質自体の改変などの技術開発が重層的に影響してきたものである（塚本, 2013）．この過程で得られた成果の多キーワード: 土壌微細形態，土壌生成，土壌品質，生態系管理，炭素循環農法

くは，現在も個別技術として現場で活用されてきた．また土壌診断基準値（北海道農政部, 2020）として改善目

土壌微細形態学に出会ったのは，私が大学院博士課程標となり，基盤整備工事での対策や指標（北海道農政部,からである．大学院時代の指導教官であった，今は亡き

2010a; 2010b）に取り込まれて活用されている．

永塚鎭男先生から自主ゼミの時に初めて土壌の微細な形

一方，公設試では個々の研究者が特定の土壌物理性改態を把握することの重要性について学んだ．また，博士

善を長期的な研究テーマとして取り組むには限度があ

論文執筆中に，同じく永塚先生より，Bullock et al. (1985)

り，営農指導や基盤整備の技術者と共に，個別のテーマの Handbook for Soil Thin Section Description の日本語毎に現場で実証的な施工や環境調査を行い, 多くの現象の訳本を久馬一剛先生と八木久義先生の訳監修（久馬 ·面データを基に技術対策の策定を進めている．逆に言う

八木, 1989）で出版する計画があるので，分担訳をするよと，実験室でのモデル的な解析試験はどうしても不十分

うに仰せつかったのが，土壌微細形態学に足を踏み入れとなり，理論的な根拠を与えるのは後回し，といった風るきっかけとなった．土壌微細形態学の用語が非常に特潮になっていたのは否めない．

異であったため，その訳は困難を極め，土壌薄片の記載

土壌物理性に起因した生産阻害要因には，まだまだ未法を理解するまでに長い時間を必要とした．おかげで，解決の問題が多いと感じている．僅かな例を挙げる中で博士論文の提出が半年遅れてしまった．ただ，そのこと

は，降水量が多い我が国で作物生産を行う上で，やはりを機に，博士論文研究の中で，植生遷移に伴い土壌の微

余剰水の迅速排除が依然として大きな課題となってい細形態が変化する（田村ら, 1993）ことと，土壌の微細る．今や当たり前となった機械営農による不適切な（必構造が土壌の物理性と密接な関係にある（田村ら, 1991;

然的な？）土壌管理で，土壌の堅密化や土壌構造消失な

Tamura et al., 1990）ことを深く理解することができた．

どの問題を生じ，対処療法的に開発された圃場排水技術

私の博士課程での主指導の指導教官であった，故大羽が機能しない場面（例えば, 地下水位が上昇しないよう

裕先生の退官記念出版物として，その当時から継続してな圃場での暗きょ排水による表層余剰水の排除不良）もいた実習である「土壌調査法実習」の行程を記した「十散見される（塚本ら,2016）．さらに，温暖化に伴う降水

文字峠への道」（十文字峠への道編集委員会編, 1992）の量の変動拡大（無降雨日数の拡大とイベント毎の降水量

中で，ポドゾル，褐色森林土，黒ボク土等，日本の主要な増加）は，さらなる土壌の透排水性改善の要求へと繋が土壌の微細形態を記載した．そこで得た最大の知見は，るであろう．

土壌生成過程を土壌微細形態レベルでは非常に深く論究

こうした背景から，複雑系にある土壌の様々な条件のできるということであった．例えば，ポドゾルの溶脱層

うち何を変えれば，中長期的な透排水性向上にもっともから集積層にかけて三二酸化物粒子のような土壌物質が寄与するのか，といった基礎的な知見に基づいた対策を移動する様子を追うことができ，集積層では一次鉱物粒

明らかにすることが必要と感じている．例えば，効率的子の周りを移動集積物質が沈積する状態を詳細に観察す

な灌漑手法の開発分野で利用が広がっている HYDRUS-ることができることである．また，ポドゾルの生成要因

1D，2D を用いた土壌水分の移動シミュレーションを活の重要な点である非常に厚いＯ層の微細形態を観察（永用し，出口として「土壌条件毎の農耕地の排水機能の抜塚 · 田村, 1986）したことにより，Ｏ層中の有機物の変質

資料：みんなのミニレビュー

61

過程を理解できた．顕微 FT-IR 等の顕微分析によって，Nakatsuka and Tamura (2016): SpringerPlus, 5: 283.

土壌有機物の変化が見て取れる．

Tamura et al. (1990): Pedologist, 35: 104–116.

土壌構造の複雑さの指標の一つとして土壌薄片中の田村ら (1991): 森林立地, 33: 86–91．

ペッド（土壌の複合体）粒子のフラクタル次元が上げら

田村ら (1993): 土壌肥料学雑誌, 64: 183–189．

れる．ペッド性の程度の発達とともにペッド粒子表面のYamanaka et al. (2018): Rangeland Ecosystems of Mongolia,

フラクタル次元が高くなり，それに伴い，孔隙率の増加

Munkhiin Useg, Ulaanbaatar.

等の土壌物理性が変化する．不撹乱土壌中での微細形態の変化は土壌の諸性質に複雑に影響を与える．上記の博士論文では，植生遷移に伴い，マクロな土壌構造と土壌

私の研究紹介微細形態が変化し，その変化の数値化としてフラクタル
次元の増加を示すことができた．

塚本康貴

海外の研究として，20 年ほどモンゴルの放牧地生態系

道総研中央農業試験場（Yamanaka et al., 2018）の退行と保全の研究に従事してきたが，その中で，モンゴルフスタイ国立公園において，放牧地の生態系管理が放牧地の植生の生育に影響し，さキーワード: 転換畑，転作作物，水稲，土壌物理性，醸
造用ブドウ

らに，土壌の微細構造に影響を及ぼし，その結果，土壌の透水性が増加することを明らかにした（Isa et al., 2012）．

私は学部卒業時に結婚し，修士課程の 2 年間は嫁さん

最近，無施肥圃場（自然栽培圃場）や高 C/N 有機質に働いてもらう，いわゆる「ヒモ」生活を送っていた．

資材施用圃場の土壌の微細形態を調査した．日本の黒学部，修士課程では土の凍結時の水や溶質移動に関する

ボク土の自然栽培圃場では，数十年，継続することによ研究を行っていたが，博士課程に進む考えよりも，早くり，土壌の物理性が下層土まで影響を及ぼしうることが就職したい気持ちが強く，北海道職員の試験を受けた．

明らかとなった（Nakatsuka and Tamura, 2016）．その要

面接時に研究職を希望したが根室支庁（現在の根室振興

因を追究するため，中塚博子氏は微細形態学的手法を用局）に配属となり，4 年間，農業農村整備事業の実施担当

い，下層土壌の微細形態を土壌菌類の菌糸が変化させ，その結果，土壌の物理性に影響を及ぼしていることを示した．土壌の構造がスポンジ状構造となることによって，下層土まで緻密度が低下し，貫入抵抗が著しく低下することが明らかとなったのである．また，ブラジルの
高 C/N 資材である廃菌床の施用圃場では，たった数年の連用によって，土壌菌類の菌糸が下層土の土壌構造発達に寄与することが示された（Nakatsuka et al., 2016）．
どちらの圃場の土壌も下層土の土壌物理性の向上が土壌
品質（Soil Quality）向上に大きく貢献することが明らかとなった．
土壌品質評価は，従来，表層土だけの評価であったり，
土壌の化学性に重点を置いた評価であったりしたが，上記の研究等によって，下層土の評価，特に，下層土の物
理性や微細形態の評価をも視野に入れたものである必要性を感じる．今後は，さまざまな土壌管理や生態系管理が土壌微細形態に及ぼす影響について論究したいと考え
ている．

引用文献
Bullock et al. (1985): Handbook for Soil Thin Section Description. Waine Research, England．

者として働いた．その後念願の農業試験場に異動でき，現在に至っている．
農業試験場に配属されてから 3 年間は，現地農家圃場
で栽培されているダイズの生育収量調査と土壌調査に明け暮れた．ダイズという作物がどういうものか全く知らない状態だったので，枝豆がダイズと同じ作物であることを初めて知り，皆に笑われた．研究計画は私が担当する前に既に決められていたため，研究計画に沿って室内試験や現地調査を行いながら勉強し，3 年後になんとか
農業試験場の研究成果としてとりまとめることができた（塚本ら, 2012; 塚本ら, 2020a）．この 3 年間に，他の大きな研究課題を持つことなく，一つの研究課題に打ち込めたことはとても幸せだった．
その後，稲の育種と栽培を実施している試験場に異動となったのだが，その試験場ではこれまで本格的に転作
作物の栽培試験を行ったことがなく，アップカットロー
タリやダイズ，ムギの播種機，防除機がない状態で，当時の場長からは現地農家の圃場で試験を行えば良いと言われていた．しかし，現象を詳しく観察し，調査解析するにはできるだけ栽培法や土壌，気象条件などをそろえて行う必要性を感じ，また農家圃場では実施不可能な思い切った処理を行いたかったので，他場で使用しない古Isa et al. (2012): Tahi, 10: 26–50．

い播種機や防除機を貰ってきたり，機械メーカーから借十文字峠への道編集委員会編 (1992): 十文字峠への道, 大羽裕用したりするなどして対応した．

教授退官記念事業会, つくば．
久馬 · 八木 (訳監修） (1989): 土壌薄片記載ハンドブック. 博
友社, 東京．
永塚 · 田村 (1986): 日本生態学会誌, 36: 163–168．

Nakatsuka et al. (2016): Geoderma, 269: 54–60.

研究員としての年数が 5 年ほどになる頃には，複数の研究課題を担当するようになったが，一時期は水稲，ダイズ，秋まきコムギ，緑肥の栽培試験をする状況になり，
春から秋まで日中はほぼ外作業となった時はさすがに辛
かった．

62

土壌の物理性ダイズへの菌根菌利用に関する研究課題（大友ら,第 150 号

(2022)

土壌水分の衛星広域観測と湿潤土壌誘電率2015）では，菌根菌の宿主，非宿主作物をダイズの前作
として栽培して，ダイズの生育収量とダイズの根に着生

辻本久美子

する菌根菌の感染率を調査した．文献（例えば大場ら,

岡山大学学術研究院環境生命科学学域

2006）を調べてプレパラートで感染状況を調べる作業はかなり目が疲れたが，土壌乾燥時に地下灌漑を実施した

キーワード: 土壌水分，誘電率，マイクロ波，衛星観測圃場において，未実施の圃場に比べて感染率が高い傾向を示すデータが得られた時は少々興奮した．

私が学部生だった際，卒業論文にと頂いたテーマが泥炭土水田の米粒タンパク質低減化を狙った研究（塚「気候変動と地球規模水循環変動」だった．具体的に何本ら, 2009）では，作土下に透水性の良好な砂質土を埋をしようかと模索して論文を読む日々の中で，温暖化に設することで根域を制限する技術を検討した．先輩の斬伴って雨の降り方が変化するという気候システムに興味

新なアイデアを引き継いで行った研究で，埋設する砂質をもち，世界の農業 · 食料に係る諸問題に対して「雨の土をどの深さに設定すれば，生育に負の影響を与えずに予測精度向上」という観点から研究者として貢献したい，

コメのタンパク質含有率が低減できるかを試験場内で実との思いを抱くようになった．大学院生になって特に熱施した．埋設した砂質土層により水稲根の下層への伸長

中して読んだのが Roger A. Pielke の論文（Pielke et al.,を制限していることを確かめるため，埋設した砂質土を

2001; 2005 など）で，彼は，土壌水分や植生といった地

採取して根量を測定し，また水稲生育期間に埋設土層以表面の状態の分布特性が地域の気候や降水に与える影響

深にルビジウム溶液を注入し，水稲のルビジウム吸収量について気象モデルを用いて数々の先駆的研究を行ってを確認する作業は作業自体も面白かったし，予想した通いた．「水辺や緑地では涼しい」「都市でヒートアイラン

りの結果が得られて嬉しかった．そのほか，行政職時代

ドが起こる」といった現象を超えて，土壌水分の分布がの先輩や上司からの相談対応で実施した暗渠排水の機能

雲や降水の時空間分布にまで影響を及ぼす現象とそのメ低下要因に関する研究（塚本ら, 2016）や，灌漑排水技

カニズムを示していた点が面白く，むさぼるように彼の術（塚本ら, 2020b），水田の炭素貯留（Kitagawa et al.,

論文を読んだ．これらの現象は地表面からの潜熱 · 顕熱2014），や田んぼダムに関するプロジェクト研究など，多フラックスの配分によって決まるため，地域の気象に影くの研究課題に関わらせていただいた．これら研究内容

響を及ぼす数 10 ∼ 100 km の空間スケールで土壌水分は一見全く関連してないように思われるが，転換畑や転をモニタリングして気象モデルに与えることが重要で，作作物，土壌の物理性といった共通のキーワードが存在

ひとたび気象モデル内で降水量の推定値に誤差が生じる

する．たまたまそうであったものもあるが，自分の得意と，それは土壌への降水浸潤過程を経て，次の時刻の土とする土壌物理や作物生育の視点で問題を解決するよう

壌水分量の推定誤差を拡大させる．その結果は，その次研究を進めた．仕事上行わなくてはならない多様な研究の時刻の潜熱 · 顕熱フラックス，そして降水の推定誤差

テーマに対して，自分の有する知識や技術を武器に取り拡大へと伝播されていく．したがって，より確かな降水

組むことの重要性は今でもお世話になっている先輩が教予測のためには，気象モデル内で土壌水分量の推定誤差えてくれた．

が伝播 · 拡大しないよう，随時観測値を反映させる等の現在私は，醸造用ブドウ栽培圃場での土壌と樹の生育との関係，ならびに生育不良箇所への対策に関する研究

工夫が必要となる．私はこの点に研究者が解くべき課題を見出し，たいへん興味をそそられた．

課題を実施している．生育不良箇所では概して土壌が浅

土壌水分の広域観測には，人工衛星によるリモートセ

くから堅密であるため，ブドウの畝間へ心土破砕を行いンシングが効果的と考えられる一方，雲があると地表面効果が得られている．大きな馬力のトラクタを所有しては見えない，という思い込みが当初の私にはあった．大いない農家が多く施工に苦労したが，皆熱心に話を聞い

学院でマイクロ波リモートセンシングについて学び，雲てくれ，喜んでくれることが素直に嬉しい．これが自分を透過して天候にとらわれずに地表面を観測する技術がの Life work なのだろうと思う今日この頃である．

あることに，たいへん興味をもった．土壌水分の場合，
リモートセンシング手法は様々にあり（Babaeian et al.,

引用文献
Kitagawa et al. (2014): Paddy Water Environ., 12: 287–294.

2019），たとえば，可視光センサーによって土壌のアルベ
ドや色を観測することで，湿っている（暗い色）/ 乾いて大場ら（2006): 土と微生物, 60(1): 53–56．

いる（明るい色）を判別したり，赤外センサーによって温大友ら（2015): 土肥誌, 86(6): 549–552．

度を観測することで，その日較差から水分量を判定した

塚本ら（2009): 農業農村工学会誌, 77(11): 900–901．

りする手法もある．一方マイクロ波センサーによる観測

塚本ら（2012): 土壌の物理性, 121: 3–8．

では，水を含んだ土壌から放射 · 吸収 · 散乱される電磁波

塚本ら（2016): 土肥誌, 87(5): 368–372．

を解析し，水と固相土壌との誘電率の違いを手掛かりに，塚本ら（2020a): 農業農村工学会論文集, 310: I 1–I 9．

土壌中の水分量を推定する．可視 · 赤外センサーによる

塚本ら（2020b): 農業農村工学会誌, 88(10): 801–804．

観測に比べて直感的な理解はし難いが，観測に用いる波長が長いため，大気中の雲粒 · 雨粒を透過することがで資料：みんなのミニレビュー
きる．世界各地に対する土壌水分量推定値は，宇宙航空研究開発機構（JAXA）からも公開されている（Kaihotsu

63を精度よく推定する）を達成するためには，もしかすると，昨今進化が目覚ましい人工知能（AI）やデータ駆動

et al., 2019）が，さらなる推定精度向上が必要である．米
国航空宇宙局（NASA）や欧州宇宙機関（ESA）も世界

科学の力を用いる方が良いこともあるかもしれないが，全体を対象とした土壌水分衛星観測プロジェクトを進め深化させてそれを定式化していくというモデル化の方向ており，観測技術の高度化に向けて国際的にも切磋琢磨にこだわりたいと考えている．そうする過程で，「目的」

私自身は，あくまで，物理現象の素過程に関する理解をが続けられているところである（Mialon et al., 2015）．

を達成することに加えて，関連する自然科学 · 基礎科学

私は大学院生時代より長く水工学 · 水文気象学分野の（この場合は湿潤土壌の誘電特性）の継承や発展につなげ研究室に在籍して研究を行ってきたが，2017 年 4 月に縁

たい，という思いを強くもっているからである．たとえあって現職場に異動し，それを契機に本学会にも入会しば誘電率の場合，土壌水の中でも，自由水と吸着水とでた．それ以降，土壌の誘電率に関する研究が日本の土壌は誘電率が大きく異なるとされているが，その「自由水」

物理学分野で盛んに行われてきたこと，現場土壌水分観「吸着水」の定義が，土壌中の水移動に係る議論とどう測に用いる TDR には Topp 式（Topp et al., 1980）が広関連づけられるのか（どのマトリックポテンシャル値にく用いられているが，日本の土壌には Topp 式の適合性

対応するのか）は，明らかにされておらず，実験結果かが低いものも多くあること，等々を学び知った．リモー

ら同定されたパラメータを用いて経験的に定めるしかな

トセンシング分野では Dobson 式（Dobson et al., 1985）

い．モデル構築に関連する一つ一つの素過程に着目し，が誘電率モデルとして広く用いられており，私は Topp

こうした未知の現象を解明していきながら，データサイ式のことは知らなかった．日本の土壌に Topp 式が合わ

エンスのみでなく土壌や水，植生等に関する基礎科学のない，という話に興味をもち，Topp 式と同様に米国で開継承と発展を意識して研究を進めたいと考えている．

発された Dobson 式はどうなのだろうか，と疑問を抱いて，その頃から，土壌の誘電率，および，それを用いた

引用文献

マイクロ波土壌水分量推定手法に係る研究を行うように

Babaeian et al. (2019): Reviews of Geophysics, 57(2): 530–616.

なった．

Dobson et al. (1985): IEEE T. Geosci. Remote, GE–23(1): 35–

2020 年 1 月に，岡山県内の水田で採取した土壌の誘46.

電率の計測結果と，それを用いたマイクロ波土壌水分量

Kaihotsu et al. (2019): SN Applied Sciences, 1(11): 1477.

推定モデルについて，ある国際会議で発表したところ，

Mialon et al. (2015): IEEE T. Geosci. Remote, 53(6): 3084–

NASA の研究者が興味をもって議論に訪れてくれた．そ3094.

の際の最初の一言は，「この間隙率と誘電率の値は本当にPielke et al. (2001): Reviews of Geophysics, 39(2): 151–177.

実験結果なのか，誤りではないのか」とのことで，間隙

Pielke et al. (2005): Science, 310(5754): 1625–1626.

率が高いこと，体積含水率に対して誘電率が低いことへ

Topp et al. (1980): Water Resources Research, 16(3): 574–582.

の確認だった．一方で，日本の土壌物理学の分野で欧米とは異なる誘電特性の土壌の存在が指摘されていることは以前より認識しているとのことで，「だから日本語で書

不撹乱土中の水分 · 溶質移動

かれたこの分野の論文の情報は我々のアルゴリズム改良
にとって重要なんだ，最近は Google 翻訳がよくなって徳本家康きたので助かっているよ」と仰っていたのが印象的で，

佐賀大学農学部

衝撃でもあった．翻訳機にかけてまで読みたいと思われている日本国内での研究成果の蓄積…！ せっかくであれ

キーワード: ライシメータ，下端境界条件，土壌構造

ば，翻訳機にかけて読まれる前に，自分たちで国際発信をしたいし，世界に通ずる技術に活かしたい，とも思っ

私が土中の水分 · 溶質移動予測に興味を持ったのは，た．最近の私の研究は，それが原動力の一つとなってい農地における硝酸態窒素の地下水汚染が懸念されていた

る．その際に，私がこだわりたい点は二つある．

2000 年頃からである．当時，TDR による水分 · 溶質移

まず，観測アルゴリズムにせよ，数値モデルにせよ，

動の野外計測が比較的容易になり，土壌物理分野では溶その開発 · 適用方針には，分野や目的によって，対象地

質移動モデル（van Genuchten and Wierenga, 1976; Jury

域ごとに推定式やモデルを開発したりパラメータをキャand Roth, 1990）による予測の関心が高まった．しかし，リブレーションしたりする方法もあれば，世界全体に対

緻密な室内実験によるローカルスケールと圃場スケール

して統一アルゴリズムで開発する方法もある．私は，日の水分 · 溶質移動にはギャップがあり（取出, 1997），そ

本の土壌には…として日本固有のモデルを作るのではな

れを埋めるための中間的規模のライシメータを用いた

く，世界全体に適用できるモデルとして，日本の知見を水分 · 溶質移動の観測 · 解析は今もなお，重要と考えら反映する形でモデル改良ができればと思っている．

れる．

また，目的（マイクロ波による観測値から土壌水分量

水分 · 溶質移動の研究目的や対象に応じて，利用す土壌の物理性

64

第 150 号

(2022)

るライシメータの種類や大きさは様々である（Singh et

みると，上下端の境界条件，溶質の非平衡吸着モデルとのal., 2017）．近年のライシメータを用いた研究について，
Vadose Zone Journal の特集号（Pütz et al., 2018）が組ま類似性，解析解，無次元式の有用性，パラメータの推定のれ，圃場埋設型のウェイングライシメータや今後の展望に議論されているのに驚かされた．van Genuchten 博士が述べられている．とくに，圃場の水分 · 溶質移動を予は，博士論文の研究の中で Coats and Smith (1964) を詳測する上で，下端の境界条件の設定や仮定が最も悩まし

細に検討し，MIM を幅広く利用出来る形に発展させた．

い点である．自然条件により近い状態の水分 · 溶質移動

その取り組み方は，その後の van Genuchten-Mualem 式の把握には，ライシメータ外部と同じになるように，ライの導出にも相通じる van Genuchten 博士らしい丁寧さをシメータ下端の吸引圧を制御することが必要であろう．

感じさせられる．

最適化手法，実験データの解析結果などが盛りだくさん

他方で，土壌は団粒構造，亀裂や植物根のように様々

Coats and Smith (1964) は，結論の最後に MIM は自由な間隙構造を有するため，撹乱土から不撹乱土までに至度が高く様々な非対称なブレークスルーカーブを表現でる段階的な溶質移動メカニズムの解明が必要不可欠であきるが，それは不動相の存在を証明することではないとる．その場合，温度や水分フラックスを調節可能な室内述べている．MIM は，動相の割合と動相と不動相の交実験において，不撹乱土における溶質移動モデルの適用

換係数を独立して測定（推定）することができない欠点の可否など検討すべき課題も未だに多い．

を持つが，その二つのパラメータ値の組み合わせで非常

今後，我が国の気候に適した圃場埋設型ライシメータに高い自由度を持つ何とも不思議なモデルである．

の構築やノウハウの蓄積を目指すとともに，圃場計測と私の研究を振り返ると，Coats and Smith (1964) に導併せて室内における不撹乱土中の溶質移動モデルの検証

かれた路線であった気にもさせられたが，最小限のパなどに貢献できれば幸いである．

ラメータで自由度の高い MIM は，土壌物理学の永遠のテーマである不均一な流れのモデル化に対するヒント

引用文献を与えてくれるモデルと再認識している次第である．まJury and Roth (1990): Transfer functions and solute movement

た，時代を超えて生き残る論文のアイデアは風化しない

through soil: theory and applications. Birkhauser Verlag.

ことも改めて感じ，しばらく休眠状態である「古典を読Pütz et al. (2018): Vadose Zone Journal, 17:doi: 10.2136/vzj2018.02.0035
Singh et al. (2018): Vadose Zone Journal, 17:doi: 10.2136/vzj2016.07.0058
取出（1997): 水文 · 水資源学会誌, 10(5): 485–497.

van Genuchten and Wierenga (1976): Soil Science Society ofAmerica Journal, 40: 473–481.

む」を再開させたいと思っている．

引用文献
Coats and Smith (1964): Society of Petroleum Engineers Journal, 4: 73–84.
Toride et al. (1993): Water Resources Research, 29: 2167-2182.
Toride et al. (1995): U.S. Salinity laboratory Research Report137: 1-121.
van Genuchten and Wierenga (1976): Soil Science Society of

動相不動相モデルによる土中の溶質移動

America Journal, 40: 473-481.

取出伸夫
三重大学大学院生物資源学研究科

農用地の土壌侵食と出会ってキーワード: 動相不動相モデル，溶質移動，不均一

中尾誠司
農研機構畜産研究部門

私は U.S. Salinity laboratory において van Genuchten
博士のポスドクとして溶質移動パラメータの推定プロ

キーワード: 土壌侵食，土壌流亡，予測モデル

グラム CXTFIT（Toride et al., 1995）に取り組み，動相
不動相モデル（MIM, mobile-immobile model）の解析解

農林水産省に入り，最初の試験場勤務は中国農業試験

を様々な初期境界条件に対して整理した（Toride et al.,場（広島県福山市）であった．管内（近畿 · 中国地域）に

1993）．その後，CXTFIT を用いた共同研究も含めて不均一な溶質移動に対する MIM による検討を行ってきた．

は多くの農地開発地があり，わずかながら国営農地開発事業が行われていた時代である．事業地区の多くはマサ

移流分散式（CDE）に対して不動相の吸い込み項を一

土（花崗岩風化土壌）地帯にあり，農地保全管理の研究

次反応式で与える MIM を提案したのは Coats and Smithが盛んな時期で，筆者が土壌侵食（水食）研究と出会う(1964) である．van Genuchten and Wierenga (1976) は，MIM に溶質の吸着項を加えた解析解を示して感度解析を行った．改めて Coats and Smith (1964) を読み返してきっかけとなった．
開発農地の土壌保全というテーマの中で，特に大規模
傾斜畑圃場での土壌侵食 · 流亡量予測の研究に携わるこ資料：みんなのミニレビュー

65ととなった．当時の土壌流亡量予測には，汎用土壌流亡

度は，研究対象としている島原半島では降雨による希釈式（USLE: Universal Soil Loss Equation）が広く利用さが大きく効くこと，すなわち降雨浸透が重要であることれていた．一方で，侵食や流亡のメカニズムを反映した，が分かりました．そのため地下水位とともに土壌水分のいわゆる物理モデルの構築が盛んに行われた時期でも連続観測を継続して実施しています．現在も研究対象はあった．筆者は，畝立て圃場からの土壌流亡量予測につ

主に地下水ですが，今も昔も，土壌物理の現象とは密接いて侵食理論等を組み込んだモデルを構築し，圃場試験に関係していると考えています．とはいえ，土壌物理学

等によりその有効性を実証した（中尾ら, 1996; 2003）．

会へは，数年前の京都大会以降，参加しておらず，編集

これらの研究をする中で素朴な疑問に直面した．モデ

委員を終えてからも学会誌をただ受け取るだけのあまり

ルによる侵食量などの予測では，土性や粒径などのいわ

アクティブではない会員となっておりました．今回こうゆる土壌物理性のファクターが必要となる．普通畑の土した機会が与えられましたので，最近 10 年の自分の主層は通常，作土（耕土）と心土に分かれている．土壌のな活動を振り返ってみたいと思います．

侵食の受けやすさを受食性と呼ぶが，心土は作土より緻

2 度の大地震について: 現職に着任直前（2011 年 3 月）

密（乾燥密度が大きい）であるため，その受食性は，一に東日本大震災が起こりました．私は，水文 · 水資源学

般的に作土に比べて低い．現状のモデルでは作土の受食会と日本地下水学会の合同調査チームの一員として地性パラメータを用いて予測するため，実際に侵食が心土震による津波の被害を受けた水源井戸の調査を行い，地に達した状況であっても作土と同じ条件で計算されてし下水中の塩分濃度が津波の影響で上昇したものが低減しまう．このため，短期の予測には適しているが，長期のていく過程を観測し（Kaihotsu et al., 2017），土壌や津

予測では過大評価となってしまうことが懸念される．し波堆積物中の重金属濃度や放射線濃度の調査などを行いたがって，より精確な予測を実現するためには，侵食やました（中川ら, 2014）．数年後，2016 年には再び大規流亡の過程において作土と心土のように受食性が異なる

模な地震が熊本で発生しましたが，この時は熊本大学と土層の状況等を反映した理論を組み込んだモデルを考え

地下水学会の研究グループの一員として，地下水位や地る必要がある．筆者はいまだ，このような視点でのモデ

下水質が地震によって受けた影響について，主に自己組

ルにお目にかかったことがない（筆者の勉強不足で知ら織化マップ（Self-Organizing Map: SOM）という手法をないだけかもしれないが ···）．

用いて検討を加えました（Nakagawa et al., 2019a; 2020;

土壌侵食や土壌流亡現象において，土層構造や土壌の2021a）．

物理性はきわめて重要なファクターである．今後，研究

地下水汚染について: 硝酸性窒素による地下水汚染は，の進展により，土壌の受食性評価の高度化や，ここで記述

古くから知られている汚染ですが，いまだに深刻な地した課題が少しずつでも解決されることを願っている．

域が国内外に多数存在しています．島原半島においても以前からこの問題は知られていましたが，汚染の現状

引用文献を明らかにするとともに（Nakagawa et al., 2016; 2021b;

中尾ら (1996): 農業土木学会論文集, 184: 1–12．

Amano et al., 2016），これまで同位体比によって判別さ中尾ら (2003): 農業土木学会論文集, 226: 89–95．

れてきた汚染原因の推定手法では，判別が困難な場面に直面したため，新しい方法を提案しました（Nakagawa etal., 2017）. しかしながら，この方法で用いるコプロス
タノールの濃度は，河川と地下水で大きく異なっていて地震 · 津波と地下水汚染（Nakagawa et al., 2019b），河床や河畔域の堆積物，河川底質などに吸着することが予想されました．そこで，そ中川啓

長崎大学総合生産科学域

うしたメカニズムを解明するため，現在は，室内実験で吸着等温線を評価することや，堆積物や土壌を充填した
カラムを用いた実験に着手し始めたところです．こうしキーワード: 地震，津波，硝酸性窒素，地下水汚染て，だいぶ土壌物理学の研究に戻ってきたような気がしています．この先，何か興味深い結果が得られ，ご報告

私の大学時の卒業研究は，沖縄の島嶼部における塩水できると良いなと思っています．

侵入と地下ダムに関する数値計算でした．帯水層中の塩
水侵入状態を知るには淡水と塩水の境界面が重要であり，その境界面の位置を決めるガイベン · ヘルツベルグの式によれば，その位置が地下水位に依存するため，降雨による地下水変動や地下水涵養を考えたときに，土壌物理の現象だと考えたので，その頃，何冊かの土壌学や土壌物理学に関するテキストで勉強しました．こうしたことは現在も興味の対象であって，たとえば，後に示すような地下水汚染においても，地下水中の硝酸性窒素濃

引用文献
Amano et al. (2016): Environmental Earth Sciences, 75: 1145.
Kaihotsu et al. (2017): Environmental Earth Sciences, 76: 250.
中川ら (2014): 地下水学会誌, 56(2): 107–119.

Nakagawa et al. (2016): Environmental Earth Sciences, 75: 234.
Nakagawa et al. (2017): Journal of Hydrology, 550: 663–668.
Nakagawa et al. (2019a): Environmental Earth Sciences, 78:455.

土壌の物理性66

第 150 号

Nakagawa et al. (2019b): Ecological Indicators, 107: 105534.

(2022)

秋浅耕による水田からのメタンガス放出抑制

Nakagawa et al. (2020): Journal of Hydrology, 582: 124519.

中嶋美幸

Nakagawa et al. (2021a): Minerals, 11: 43.

農研機構東北研

Nakagawa et al. (2021b): Scientiﬁc Reports, 11: 2598.

キーワード: 水田，有機物分解，メタン，耕起深

炭素貯留と Soil Health

東北地方の単作水田において，コンバインでの収穫後に地表に残される稲わらなどの粗大有機物は，休耕期間

中島亨

東京農業大学
キーワード: 炭素貯留, 気候変動, Soil Healthである冬季期間中に好気分解されずに残存すると翌年水田からの主要な温室効果ガス · メタン（CH4 ）の生成基質となり，CH4 放出量を増加させる．稲わらを堆肥化して水田に還元すると CH4 放出量は著しく抑えられるが，堆肥化にかかる手間とコストが無視できないため，現地

東京農工大学大学院で博士号取得以来，多くの方々の導入のハードルが高い．現場では，圃場から粗大有機物

導きで土壌学の研究に打ち込むことができ，非常に幸運を移動させずに分解促進を行う手法が求められている．

であった．その中で様々な場所や場面で研究課題に取り

冬季期間中，有機物の分解速度には温度と水分が大き組んできたが，筆者が今後重要であると考えるテーマをく影響する．地表面に残された稲わらは水分の不足およ

いくつか紹介したいと思う．

び土壌との接触不足で分解が進まない．一方過湿気味の

1 つ目は炭素貯留（Carbon Sequestration）である．農

土壌にすき込まれた（15–20 cm 深）稲わらは酸素不足と地の管理方法（例えば，不耕起栽培，輪作，緑肥，堆肥

低温により，やはり分解が遅れる傾向がある．そこで秋

施用，エネルギー作物栽培）によって土壌中の有機物に稲わらを地表面近くにすき込む管理法（秋浅耕）が考

炭素量がどのように変化するかを研究する内容である案された（松本ら, 2002）．秋浅耕は耕起によって毛管上（Nakajima et al., 2018）．ポスドクとして 3 年間オハイオ昇を切断し，さらに大気と接触する蒸発面を増加させる

州立大学の炭素管理 · 隔離センターで働いていた時の研ことで耕起層の気相率を増大させる．また地温の日変動

究テーマである．センター長の Dr. Rattan Lal はこの炭は表層に近いほど振幅が大きく，寒冷な東北地域の冬季

素貯留に関連する研究を長年にわたり詳細に研究して，であっても晴天日中の土壌表層においてはある程度の地

その内容を昇華して気候変動の緩和 · 適応策や食料安全

温上昇が期待できる．秋浅耕のねらいは，低温過湿な土

保障に関連付けて，世界的に非常にインパクトのある研壌の表層近くに，耕起管理によって比較的暖かく好気的究を展開されている（Lal., 2004）．

で有機物分解に好適な環境を作成し，その位置に稲わら

2 つ目は Soil Health に関する研究である（Nakajima
et al., 2016）．Soil Health とは土壌の物理性，化学性，生物性を統合的に評価し，1 つの指標として示し農地土壌を配置することである．即ち有機物分解好適性という指等を評価する研究手法である．これまでややもすれば，浅耕を圃場で実施したところ，山形県の低地土水田圃場

土壌評価は個別的にもしくは特定の側面や条件にフォーでは翌年 CH4 放出量に対する削減効果が現れた（塩野カスして展開されてきた印象がある．しかし，農地や生ら, 2016）が，排水性のよい岩手県の黒ボク土水田圃場

態系の中で土壌を評価する際には物理性，化学性，生物では現れなかった（Nakajima et al., 2017）ことから，秋性のそれぞれの要素が複合的に作用して様々な現象が浅耕の CH4 削減効果は土壌水分過多条件の改善を通じ起こっていると理解するのが理想である．まさに Soilて発揮されたと考えられた．

Health はそのことに真正面から挑戦している研究であると言える．
最後に，執筆の機会を与えてくださった編集委員会には心から感謝する．

引用文献

標に対し，土壌内で深さ方向の不均一を人為的に作成し利用することがこの管理法の要点となる．なお，この秋

大気に接し連動する地表境界面から鉛直下方に土壌環
境は変化する．平面的な不均一性だけではなく作土中に生じる深さ方向の不均一性に着目し，その効果を検討していく必要があると考えられる．

引用文献

Lal (2004): Science, 304: 1623–1627.

松本ら (2002): 土肥誌, 73(3): 315–318.

Nakajima et al. (2016): Soil Sci. Soc. Am. J., 80: 1020–1026.

Nakajima et al., (2017): J. Agri. Meteorol., 73: 91–98.

Nakajima et al. (2018): Carbon Management, 9: 415–423.

塩野ら (2016): 土肥誌, 87(2): 101–109.

資料：みんなのミニレビュー

泥炭地における研究を振り返って

67

場としての機能に終わりを告げようとしている．しかし，今もなお，泥炭地は，開発された農地の客土の下に，

修

莫大な有機物を貯留している．地球温暖化が人類の大き

農研機構

な課題となってしまった現在，研究者と生産者が一体と永田なって，温室効果ガスの排出量削減および、地球温暖化
キーワード: 泥炭地，湿原，温室効果ガス，地球温暖化，美唄
私が，2002 年，大学を出て，最初に赴任した地は，「美唄」であった．農研機構北海道農業研究センターの本所の影響に適応した農業生産技術の確立を目指さなければ
ならない．

引用文献
飯山ら (2006): 農業土木学会誌, 74: 591–594.

ではないことは分かっていたが，美唄がどういう場所な伊藤ら (2001): 北海道農業試験場研究報告, 173: 1–36．

のか，全く理解しないまま着任の日を迎えた．研究室は，森本ら (2009): 土壌の物理性, 113: 3–12.

水田土壌管理研究室，この研究室は，1919 年美唄泥炭地

Nagata et al. (2005): Phyton (Hom, Austria), 45:299–307.

試験地として設置された歴史ある研究室だった．試験地

Nagata et al. (2010): Journal of Agricultural Meteorology. 66:

開設当初から，三要素試験，窒素とリン酸の肥効比較試

23–30.

験，砂や壌土，粘土を一寸 ∼ 三寸まで客土する客土試験

永田 (2006): 新しい研究成果北海道地域 2006 年度, 115–121．

などが実施され，様々な作物について泥炭地への栽培適

Takakai et al. (2005): Phyton (Hom, Austria), 45: 319–326.

否試験も行われた．

常田ら (2004): 土壌の物理性, 96: 97–100.

1950 年に北海道総合開発計画が策定され，石狩川総合開発事業が計画された．1954 年には，排水，客土等の事

常田ら (2006): 農業土木学会誌, 74: 595–598.

業が始まり，事業は年々拡大，その結果，広闊な泥炭地は瞬く間に蕩尽され，昭和 30 年代には美唄試験地の敷地が，「高層湿原」としてかろうじて残るだけになった．

素材と機械と出来上がり

しかし，この残された高層湿原も水位の低下による乾燥化がササ植生の侵入を招き，本来のミズゴケを中心とし

中野恵子

た植生が失われていった．これまでの開発から一転，湿農研機構九州沖縄農業研究センター

原保護に向けた調査が開始された．敷地内の高層湿原を保全するために，1994 年には，1.2 m 幅の遮水シートがキーワード: 作業性，含水比，コンシステンシー

約 1500 m にわたって敷設され，シート内側の水位を高く保つ試みが実施された（伊藤ら, 2001）．湿原保全に関最近，“スマート農機” をそばで見る機会が増えた．田

する研究は，その後も続き，湿原外部から農業用水を引植え機，トラクタ，コンバイン等々．これらは，人がハ

水し，水位を高く保つ手法（飯山ら, 2006）などが検討さンドルを握らずとも，まっすぐに，時にターンもしながれ，一定の効果が認められた．

ら動いていく．農業機械を運転する技術はなく何の評価

湿原は，高層湿原と表されるように，生態的な特徴を軸ももたないので，ただ感心して眺め，オペレータや機有する一方，有機物が大量に貯蔵され，また，水位が高械関係者のやりとりを傍らで聞いている．その中で，オい環境下でもあることから，温室効果ガスの発生源としペレータの総合的な判断力と選択にも感心するばかりでて，地球環境的見地からも注目される場であった．常田

ある．現段階では，機械の速度，作業機の設定 ，ほ場端ら（2004）は，湿原の地下水面下からのガス採取法を考でのターンの種類など，また，どのほ場で作業するのか

案し，湿原におけるメタンバブルの存在，さらにその挙も，オペレータが選択している．デフォルトがあるもの

動と役割を明らかにした（常田 2006）．森本ら（2009）もあるが，それで良しとして機械運転をスタートさせる．

は，泥炭林土壌内の温室効果ガスの生成と消失を詳細にその決定のカギは，土壌との関係であることが多いよう調査した．温室効果ガスに関しては，高層湿原からの発に（土壌をいじってきた私には）見える．オペレータに生だけでなく，湿原の植生変化や泥炭地の土地利用変化

理由を尋ねると，“土が重いから”，“土が痛むから” などに着目した研究が進められた．湿原の植生変化においての回答が多いからである（質問者が他の回答を覚えていは，ササが侵入することで，二酸化炭素の発生量が多くられないだけかもしれないが）．

なること，それが，地球温暖化を促進する要因となるこ

これまで，米麦二毛作を行う水田を対象として仕事にとが示された（Nagata et al., 2005; Takakai et al., 2005）．

取り組んでおり，どのような土であっても，作物がより

また，土地利用変化については，排水や客土が，一酸化二

よく生育するためには，種をまいた土壌が適度な透水性，窒素発生量に影響をおよぼすこと（Nagata et al., 2010），

通気性，硬さの場となっていることが重要であり，何を農地化が地球温暖化を促進させていること（永田, 2006）“適度” とするのかが共有すべき情報と考え，不撹乱状態が明らかになった．

を重視した調査等々おこなってきた．しかし，考えてみ美唄試験地は，開設から一世紀の歳月を経て，研究のれば，その “場” の骨格は，耕うんを筆頭に機械作業に

土壌の物理性

68

第 150 号

(2022)

よって創出されることが多い．素材である各種土壌に対

折しも十勝で土壌凍結深を制御できる上記技術が開発さして，適切な判断のもと機械の作業設定がなされた場合れたため，先進的な生産者はこれを応用して「雪踏み（トに，作業者が期待する作物の生育場が出来上がる．

ラクタに装着したタイヤローラーによる圧雪＝雪密度増

機械作業と砕土の関係を見た論文に久津那ら（1974），

加による熱伝導率向上）」で土壌凍結促進に取り組み始

久津那 · 新村（1975）のものがある．結果の整理に使わめた．ただし，砕土率向上や窒素切れ防止に凍結促進がれているのは，土性，含水比，コンシステンシーである．

本当に効果的か，効果があるなら適切な凍結深はどのく

これらは，その後の砕土性に関する論文でも重要項目とらいか等は不明であった．そこで，地元の生産者，農協，

して出てくる．多湿のときに作業をすると，機体に土が農業改良普及センター，農研機構北農研センター，道総

ついて難渋するが，土壌付着について検討した世良田ら研が参集し，共同研究を開始することとなった．

（1986）でも，含水比で整理している．また，練り返し

足かけ 5 カ年の研究により，雪踏みや雪割りで最大凍による “場” の悪化（透水性低下）を述べている国分ら

結深を 30cm 程度に制御すると，低地土，台地土，黒ボク（1969) も，作業時の含水比（コンシステンシー指数）に土のいずれでも，春期の砕土性改善と無機態窒素残存率

注意を払って考察している．含水比は土壌の重さがベーの向上（Iwata et al., 2013），時には保水性の改善などにスであるし，コンシステンシーは練り返して測定するもより，タマネギ，ダイズ，バレイショなどの収量が高まのである．土性を含めて，素材と素材の性状として撹乱ることを明らかにした．また既存の土壌凍結深推定シス

土壌から得られる情報である．不撹乱ではない．

テムを改良 · 拡張して農協の情報システムに搭載し，生きまった道具で一定の出来上がり（不撹乱）を目指す

産者自らが雪踏みや雪割りで凍結深を適切に制御できる

なら，素材（撹乱）をよく理解しなければならないとい体制を構築した．成果の概要は北見農試（2018; 2020），

うことを肝に銘じて，今後は，オペレータが現場で “素北農研（2020）を参照されたい．

材をよく理解する” ことの支援につながるような取り組
みも考えていきたい．

以降は楽しかったこの研究の思い出話を．とにかく，生産者，農協職員，普及指導員のノリの良さが際立っていた．どちらかというと慎重に事を進めがちな我々研究

引用文献者だが，いい感じの途中結果を彼らに見せると「それ，う国分ら (1969): 日本土壌肥料学雑誌, 40: 276–280.

ちでやってみよう，畑は用意するから」と生産者はノリ久津那ら (1974): 日本土壌肥料学雑誌, 45: 37–41.

ノリ．「まだはっきりした結果じゃないけれど大丈夫？」

久津那 · 新村 (1975): 日本土壌肥料学雑誌, 46: 447–452.

と私たち．そうこうしているうちに農協職員と普及指導

世良田ら (1986): 農業機械学会誌, 47: 493–498.

員が生産者と調整して現地試験の段取りを整えてくれ
る．雪踏み作業とメチレンブルー凍結管による凍結深モ
ニタリングも進んでやってくれる．まさに「あ · うん」の呼吸で研究はスムースに進んだ．もちろん彼らの熱意

土壌凍結深制御による畑の生産性向上に応えるべく，私たちはしっかりデータを取った．
開発する技術のユーザー（生産者）や現場の指導者（農中辻敏朗

協，普及センター）と最初から一緒に取り組んだことで，北海道立総合研究機構

得られた成果は急速に普及した．当該農協管内の雪踏み実施面積は，2013 年に 30 ha だったのが 2018 年にはキーワード: 土壌凍結，畑，生産性，社会実装

2,200 ha と 70 倍以上に急増したのである．冬の通勤路の周辺で雪踏み畑が年々確実に増えていくのをこの目で冬の寒さが厳しくかつ積雪が（道内では）少ない道東

見た．職場から約 100 km 離れた知床半島の付け根の町の十勝 · オホーツク地域では冬季に土壌が凍結する．しで雪踏み畑を見つけたときは感慨深いものがあった．多かし，1980 年代後半以降は初冬の積雪量が増え，雪の断くの仲間と一緒に作り込んだ成果が社会実装されていく

熱作用により土壌凍結深は年々減少傾向にある（Hirota

過程を実感できたことは，私の貴重な財産である．

et al., 2006; 中辻ら, 2016）．これに伴い、かつては土壌

現職ではこのような研究を楽しむことは叶わない．若凍結により死滅していた掘り残しの土中のバレイショが手や中堅がこういった楽しい研究を経験できるよう，人

翌年萌芽し雑草化（野良イモ）する現象が十勝地域で多と人が巡り会う場や環境作りに尽力していきたい．

発するようになった。その対応として，「雪割り（トラク
タに装着した排雪板による除雪）」で土壌凍結深を制御

引用文献

し野良イモを死滅させる技術が開発され（矢崎ら, 2012;

Hirota et al., (2006): Journal of the Meteorological Society of

北農研, 2013），野良イモ問題は解決されつつある．
一方，オホーツク地域では，土壌凍結深の年々減少に伴い，春耕時の砕土性の低下や特産であるタマネギ畑での生育後半の窒素切れが目立ち始め，「これは凍結が浅くなってきたせい？」との声が生産者から上がっていた．

Japan, 84: 821–833.
北 農 研 (2013):

https://www.naro.go.jp/project/results/

laboratory/harc/2012/210a3 01 44.html
北 農 研 (2020):

https://www.naro.go.jp/project/results/4thlaboratory/harc/2019/19 012.html

資料：みんなのミニレビュー
Iwata et al., (2013): Annals of Glaciology, 54: 157–165.
北 見 農 試 (2018): http://www.hro.or.jp/list/agricultural/result

pdf/result pdf2018/2018212.pdf
北 見 農 試 (2020): http://www.hro.or.jp/list/agricultural/center/kenkyuseika/gaiyosho/r2/f2/12.pdf

69の関係を調べた．その結果は，落水期における土壌中のAs 不溶化と Cd 可溶化が直接的には異なるメカニズムで起こることを示すものであった．すなわち，溶存 As 濃度が高いのは気相率が 0.04–0.10 m3 m− 3 以下の時に限られるのに対し，溶存 Cd 濃度と気相率の間には，ほぼ中辻ら (2016): 土肥要旨集, 62: 247．

原点を通る直線で近似される正の相関関係があった．両

矢崎ら (2012): 生物と気象, 12: 12–20．

溶存濃度の関係を気相率の階級別に示すと，Cd 濃度が高い試料は As 濃度が低く，As 濃度が高ければ Cd 濃度が低くなる傾向が見られる一方で，気相率が As 不溶化の閾値（前述の値）より僅かに高い場合には両者が共に水管理による玄米中 As·Cd 低減技術の開発低い傾向があった．このことから適切な水管理により土壌の気相率を制御すれば溶存 As および Cd 濃度を共に中村 乾
農研機構 農業環境研究部門

低く抑えられると考えられた（Nakamura et al., 2018）．
玄米中 As および Cd 濃度を同時に抑制するための水管理の開発では，4 圃場に出穂前後各 3 週間湛水区およキーワード: 水田土壌，ヒ素，カドミウム，気相率，稲び間断灌漑区（3 ∼ 4 日間の湛水と期間の異なる落水を繰り返す）を設け，体積含水率と Eh を連続測定し，気私が水田土壌における重金属の動態に興味を持ったの

相率を体積含水率の変化から推定した．また，溶存 As

は，“農産物におけるヒ素およびカドミウムのリスク低減

および Cd 濃度の推移を調査し，収穫した玄米中無機 As技術の開発” というプロジェクトへの参加が発端である．

および Cd 濃度を測定した．3 湛 3 落区（湛水 3 日と落

そこではそれまで接点がなかった重金属が身近に存在し水 3 日を繰り返す間断灌漑区．以下同様の略称），3 湛

うること，食品を介して自分達も摂取しうること，研究課題である．玄米中の As および Cd 濃度はそれぞれ，出4 落区および 3 湛 5 落区では，いずれも落水後に気相率と Eh が明瞭に上昇したが，これらのうち，溶存 As および Cd がともに低濃度に保たれ，玄米中の無機 As および Cd がともに比較的低濃度に抑えられたのは 3 湛 4 落区であった．すなわち，間断灌漑 3 湛 4 落が玄米中無機
As および Cd 濃度の同時低減に有効な水管理であることが示された（中村ら, 2016）．

穂後 3 週間の土壌中の平均溶存 As および Cd 濃度と相上述の結果をもとに，間断灌漑 3 湛 4 落が玄米の無機関があり（Honma et al., 2016），玄米中濃度の低減には，し，As は逆の傾向を示す．そのため両者にはトレードオ

As および Cd 濃度，収量および品質に及ぼす影響を気象· 土壌条件が異なる 23 圃場で検証した．各圃場に出穂前
後各 3 週間の水管理区として湛水区と 3 湛 4 落区を設けて試験した．玄米中無機 As 濃度は 3 湛 4 落区で湛水

フ関係があるとされる（Arao et al., 2009）．土壌の還元区に比べて有意に低下し，低減効果は湛水区の玄米中濃状態を発達させて水稲の Cd 吸収抑制に効果的な長めの度が高い試験地で大きい傾向があった．玄米中 Cd 濃度

湛水は，一方で As 可溶化を促進するため，水稲の As 吸収増加が懸念される．この様に水管理は土壌の酸化還元

は 3 湛 4 落区で高い傾向があったが，試験地の多くでは0.1 mg kg− 1 以下であった．精玄米重は 3 湛 4 落区で僅状態を介して土壌中の As および Cd の不溶化に影響をかに低下する年もあったが，整粒歩合は両区で同程度で及ぼすが，研究開始当初，玄米中の両元素を同時に低濃あった．これらの結果から，気象 · 土壌条件の違いによ度にする技術はなく，それを実現する水管理が求められらず，間断灌漑 3 湛 4 落が，収量 · 品質にさしたる影響ていた．

を与えることなく，玄米中無機 As および Cd 濃度をと者としてそれらの摂取を抑制する方法の開発に寄与できることを知ることができた．そこでの研究対象は，重金属の中でもヒ素（As）とカドミウム（Cd）であった．

As と Cd は摂取による健康被害が報告される有毒元素であり，コメ中濃度の低減はコメを主食とする国の重要

土壌中溶存濃度の抑制が重要となる．土壌中の Cd は還元的条件下で不溶化，酸化的条件下で可溶化するのに対そこで溶存 As および Cd 濃度と気相率の関係解明，玄
米中 As および Cd を同時に低減する水管理の開発，そもに比較的低濃度に抑えることが可能な水管理であることが明らかになった（中村ら, 2018）．

の効果の気象 · 土壌条件が異なる水田での検証，さらに間断灌漑 3 湛 4 落の問題点として，慣行的な水管理

それと同程度の効果を持つ省力化した水管理の開発へとに比べて要する労力が多大になる点がある．現場実行性研究を進めてきた．

を高めるには，より省力的な水管理法を開発する必要が

溶存 As および Cd 濃度と気相率の関係解明では，土壌ある．そのための水管理法として，出穂前後計 6 週間にの溶存 As および Cd 濃度を支配する酸化還元状態が，酸行う 4 日間の落水回数を 3 回に減らした水管理（落水 3

素拡散を通じて気相率の影響を受けると考えられること回）による玄米中無機 As 濃度低減効果を 15 圃場で検証から，3 圃場に長め湛水区および節水区を設け，各区内した．その結果，落水 3 回区においても 3 湛 4 落区とほ多地点から土壌試料を採取し，中干し期，出穂期およびぼ同等の，湛水区と比較して有意な玄米中無機 As 濃度

収穫前落水期において気相率と溶存 As および Cd 濃度低減効果が認められた（中村ら, 2019）．

土壌の物理性70

第 150 号

(2022)

今後は玄米中 As·Cd を低減する水管理の省力化を目的

Iwasaki et al., 2014）と並行して，水の安定同位体を調に，自動水管理の導入や制御の研究を進める予定である．

査してきた．本地域の水田用水は手取川から取水されるが，田面水は蒸発の影響を受け，同位体分別により重い

引用文献

水分子が濃縮し，δ 2 H，δ 18 O の値が手取川河川水より

Arao et al. (2009): Environ. Sci. Technol., 43: 9361–9367.
Honma et al. (2016): Environ. Sci. Technol., 50: 4178–4185.

も高くなる．河川水と田面水は主要な地下水涵養源であり，時空間的に河川水と田面水，そして地下水の δ 2 H，中村ら (2016): 日本土壌肥料学会講演要旨集, 62 : 5

δ 18 O を測定することにより，地下水に対する河川水と田Nakamura et al. (2018): J. Environ. Qual., 47: 496–503.

面水の寄与を時空間的に推定することができる．主要イ

中村ら (2018): 日本土壌肥料学会講演要旨集, 64 : 2.

オン濃度などの結果とも合わせ，河川から地下に涵養さ中村ら (2019): 日本土壌肥料学会講演要旨集, 65 : 2.

れた水はとくに右岸に向かって流動し，その過程で降水と田面水の影響を受けていることを示した（Yoshioka et

水の安定同位体を用いた地域の水循環評価

al., 2016）．また，手取川源流域で生じた地すべり性斜面
崩壊によって 2015 年 5 年から濁水流下が発生し，2015，2016 年に扇央部河川両岸周辺で急激な地下水位低下が生じた際の地下水涵養機構の変化を同様に検討し，土砂中村公人 ∗ · 吉岡有美 ∗∗∗ 京都大学農学研究科∗∗ 島根大学自然科学研究科

キーワード: 水の安定同位体，同位体分別，地下水，田面水，灌漑排水堆積による河床と水田からの浸透量減少の程度が右岸側と左岸側で異なることを示した（吉岡ら, 2018；Yoshioka

et al., 2020）．
このように水の安定同位体は，水田地域での地下水涵
養機構の定性的評価においては極めて有効であるが，高精度な定量化には課題がある．その一要因が田面水の安定同位体が時間的に変化することである．田面への入力

水文学の分野では，水循環の追跡のために水の安定同位体が用いられて久しい．筆者らは地下水涵養機構の解明のために，地下水とその涵養源となる様々な地表水の安定同位体を測定してきたが，今後，土壌中の水 · 物質

成分である降雨と用水自体の値は変化し得る．また，田面水が蒸発を受ける程度は，取水 · 排水管理に影響される．さらに，田面水が地下水に到達するまでの時間も問題となる．さらなる要因は，土壌内で蒸発の影響を受け移動と連結させることによって，その精緻化に加え，灌る時期があることである．つまり，浸透過程で安定同位漑排水管理の評価への応用ができないかと考えている．

体の値が変化する可能性もある．これらを土壌物理学的

水分子を構成する酸素には 16 O に対して質量数が異なる 17 O と 18 O の安定同位体が存在し，水素には 1 H に対して 2 H の安定同位体と 3 H の放射性同位体が存在する．よって，様々な組み合わせの水分子が存在する．ト
レーサーとしては 1 H2 H16 O と 1 H2 18 O がよく利用され，大部分を占める 1 H2 16 O に対する存在割合を国際標準試料のそれとの相対差で示したもの（千分率）がそれぞれ

δ 2 H，δ 18 O と表される．これらの値が高いほど，2 H や
18 O を含む「重い水分子」をより多く含むとみなすことができる．

視点から明らかにしたい．

HYDRUS 開 発 者 の Šimůnek ら の グ ル ー プ は ，
HYDRUS-1D の溶質移動計算を修正して水の安定同位体解析を行った論文を発表している．Stumpp et al.（2012）
は，一般の溶質と異なり，水の蒸発によって同位体が同時に失われるように修正し，Zhou et al.（2020）はこれに同位体分別を組み込んでいる．これらを参考にしつつ進めていきたい．
また，こうした取組みにより灌漑排水管理の評価ができないであろうかと考えている．たとえば，掛流し灌漑

水循環評価における水の安定同位体の利用に関してはが行われる場合には排水の値は用水に近いであろうし，

山中（2020），Sprenger（2016）に詳しい．これをトレー反復利用が行われる地域では，下流域ほど用水の値は高サーとして用いる利点は，他のトレーサーは土壌に吸着くなると予想できる．浸透性の高低も考慮しながら，水

したり，水蒸気での移動ができなかったりといった問題の有効利用につながる農業地域の水管理の診断が可能ながあるのに対し，水そのものを目印としていることであ水の安定同位体を用いた手段を構築したい．

る．また，分子のわずかな質量差に起因して引き起こされる「同位体分別」を利用すると水循環過程の情報を得ることができる．同位体分別とは，反応（たとえば蒸発）

引用文献の前後で，重い水分子が軽い水分子よりも飽和水蒸気圧

岩﨑ら (2013）: 水文 · 水資源学会誌, 26(2): 99–113．

が低いこと，また分子拡散速度が小さいことによって，

Iwasaki et al. (2014) : Hydrogeology Journal, 22(8): 1841–

同位体組成に偏りが生じることをいう．
これまで，石川県手取川扇状地の地下水涵養機構の解明を通して地下水保全に必要な事項を明らかにすることを目的に，地下水流動の定常 · 非定常解析（岩﨑ら, 2013;

1855.
Sprenger et al. (2016) : Reviews of Geophysics, 54(3): 674–
704.
Stumpp et al. (2012) : Vadose Zone Journal, 11(1): 14.

資料：みんなのミニレビュー
山中 (2020）: 環境同位体による水循環トレーシング, 共立出

71

入量の変化，②土壌環境（地温，水分等）の変化に伴う土壌中の窒素動態（移動 · 形態変化）の変化を介して生じ

版，東京．

Yoshioka et al. (2016) : Hydrological Processes, 30: 2804–

ると考えられる．灌漑による水田への窒素供給量は，灌漑水の窒素濃度と水量に比例する．そのため，灌漑水の2816.
吉岡ら (2018）: 地下水学会誌, 60(2): 205–221．

窒素濃度が高いほど，灌漑による稲や玄米の窒素吸収量

Yoshioka et al. (2020) : Hydrological Processes, 34: 3539–

への影響は大きくなる．また，水田の窒素収支，稲の窒素吸収は，微生物活動（硝化 · 脱窒，無機化 · 有機化）に

3554.
Zhou et al. (2021) : Environmental Modeling and Software, 143:
105–118.

伴う土壌中の窒素の形態変化に大きく影響される．そのため，水管理はこれらへの影響を介しても水田の窒素環境に影響する．例えば，窒素の無機化は地温が高いほど促進される（土壌環境分析法編集委員会編, 1997）ため，水管理に伴う水田の窒素環境の変化
西田和弘
農研機構農村工学研究部門
キーワード: 水管理，水田，窒素，温度
私が，水管理に伴う水田土壌の窒素環境の変化について研究を開始したきっかけは，農業生産の気候変動適応策に関するプロジェクト研究に参加したことである．この中で，水稲の高温登熟障害（登熟期の高気温に伴う米の外観品質低下）（森田, 2011）を抑制するための水管理法の研究を担当することとなった．
研究当初は，水管理による高温障害抑制効果は，水温低下に伴う稲体（穂，葉，根）の温度低下によって生じると考えていたため，低温の用水を用いたかけ流し灌漑試験等に基づく，水管理の条件（水量 · 水深 · 時間帯等）と水温低下の関係，および，水温低下と稲体温度 · 地温低下の関係の定量化 · モデル化（西田ら, 2014: Nishida

et al., 2021）に取り組んだ．一方で，多量の用水を用いた灌漑により，水田水温や地温を大幅に低下させたにも関わらず，米の外観品質が悪化する結果が得られる（西田ら, 2019）など，当初期待した水温低下に伴う米の外観品質向上効果は認められなかった．
この原因として，水管理変更に伴う稲体の窒素状態の変化（悪化）が米の品質を悪化させた可能性を考えた．
これまでの肥培管理の研究により，稲体や玄米の窒素状
態が米の外観品質に影響すること（追肥による外観品質向上など）が明らかにされている（森田, 2011）．そこで，玄米の窒素濃度（タンパク質含有率）を調べたところ，
水温が低い地点ほど玄米の窒素濃度は低くなることが明らかになった（西田ら, 2019）．
このように水管理は，水田の窒素環境を介して稲体や玄米の窒素状態に影響に与える可能性がある．水稲の窒水管理による地温変化は窒素の無機化量を増減させる．
また，水田中の窒素は，水田内を移動する過程で脱窒によって失われる（江口, 2012）が，脱窒による窒素除去効
果は地温が高いほど大きくなる（田渕ら 2005）．水田内の微生物活動は，地温，水分量，pH，酸化還元電位，炭素量，酸素濃度などの土壌環境の変化に依存するが，これらはいずれも水管理によって変化する．そのため，水管理が水田の窒素環境および水稲の窒素吸収に与える影
響は，複数の要因の変化によって起こりうる．
このような水管理に伴う水田の窒素環境変化の評価 ·予測には，土壌物理学が得意とする土壌中の水 · 熱 · 物
質移動 · 動態の測定やモデル化 · シミュレーションの技術が不可欠である．水田環境や水管理の多様性を踏まえて水管理−水田の窒素環境の関係を理解するためには，
灌漑水，土壌，気象条件が異なる様々な現場の窒素収支· 動態に関する実測データを蓄積することが必要となる．
また，水田の窒素環境を最適化する水管理法を明らかにするためには，水管理が影響する様々な要因を考慮した予測モデルによる研究が不可欠になる．窒素の形態変化を考慮した水田の窒素移動モデルによる水田の窒素環境· 窒素収支のシミュレーション（中村 · 取出, 2007；Tan
et al., 2015）は，水管理−水田窒素環境のさらなる理解，
最適な水管理条件の解明にとって有益な情報を提供すると考える．
これまでの水管理−水田窒素環境の研究は，窒素流出（Peng et al., 2011）や窒素除去機能（田渕ら, 2005）に着目した研究が主流であるが，水稲栽培への影響に関しても重要な役割を持つと考える．今後，このような観点に基づいて，様々な条件下の水田の窒素環境，土壌の物理 ·化学性の測定，数値シミュレーションを行うことで，水管理が水田の窒素環境に与える影響の解明，窒素環境を最適化する水管理法の開発に貢献したいと考えている．

引用文献

素状態は外観品質だけでなく収量 · 食味にも影響するが，

江口 (2012): 土壌の物理性, 120: 29–38．

我が国の水稲作ではこれらの全てが重視される．そのた

森田 (2011): イネの高温障害と対策, 農文協, 東京.

め，肥培管理だけでなく水管理に関しても，水稲の窒素

中村 · 取出 (2007): 土壌の物理性, 105: 83–97．

状態を最適に制御できる緻密な管理が必要だと考える．

日本土壌肥料学会編 (2005): 水田土壌の窒素無機化と施肥, 博

水管理が水田の窒素環境に与える影響は，①水収支（灌漑水の流入，田面水の流出）の変化に伴う窒素の流出

友社, 東京．
西田ら (2014): 農業農村工学会論文集, 294: 25–33．

土壌の物理性72

第 150 号

(2022)

西田ら (2019): 農業農村工学会論文集, 87(2): I 219–I 226．

た，土壌パラメータ K についても，土壌の性質は地域性

Nishida et al. (2021): Agric Water Manage., 245: 106553.

が強く，米国内の土壌パラメータを国内で適用すること

Peng et al. (2011): Paddy Water Environ. 9: 333–342.

には問題が指摘されている（種田, 1976）．谷山（2003）

田渕ら (2005): 土壌の物理性, 99: 65–72．

は，火山灰土を対象に，日本国内の土壌データを使って，Tan et al. (2015): Agric Water Manage., 150: 67–80.

モノグラフの土壌パラメータ K を推定する手法を提案したが報告書に留まっている．1980 年代後半に国内数か所で枠試験を行い，そのデータを使って設計基準「改良山成工」の改訂を行ったとされるが，そのデータはサイ

水食を予測する

エンス的に使われてはいない．

USLE は一年間の水食量を推定する統計モデルである
西村

拓

東京大学大学院農学生命科学研究科
キーワード: 水食，農地保全，気候変動，プロセスモデ
ル，USLE
令和 2 年 3 月閣議決定の食料 · 農業 · 農村基本計画
や令和 3 年 3 月閣議決定の土地改良長期計画では水田の汎用化 · 畑地化, 畑地の高機能化や中山間地など条件
不利地における生産農地の選択と集中などが挙げられてが，一方で大雨の時の水食量を把握したいという需要がある．そこで，別個のモデルで降雨時の地表面流出水量を予測し，これと組み合わせることで個々の降雨イベン
トの水食量を予測する研究（Modiﬁed USLE）がある．また，上述の放射性 Cs 動態予測モデルや SWAT∗ も同様に
水文モデルで地表面流去水を算定し，侵食を予測する部
分に USLE を適用している．多くの場合，降雨による侵食性を表す係数に地表面流出水の寄与を加算することで降雨イベント毎の水食量を表現する（たとえば，Kinnell

and Risse, 1998）が，降雨による侵食能力を表す R パラ

いる．その結果，水田主体であった過去に比べて，畑地

メータが年間侵食量をターゲットとした統計モデルであや草地，場合によっては条件不利地に分布する不耕作地

ることを考慮すると，一年と一降雨中という時間スケーの保全について真剣に取り組む必要が生じる．土壌保全

ルがまったく異なる二つの要因を一つのパラメータにまは，土壌，地形，気象条件によって保全対策のコストやとめることは，論理的に疑問が残る．

効果が大きく異なるため，侵食量の予測や対策の評価を適切にすることが今まで以上に求められるようになると考えられる．

圃場から流域における懸濁物質の流出にスケールを拡大すると，予測された年間水食量と河川，湖沼で観測される水の濁度との間に相関がない例も多い．これは，降水食を予測する手法として，1930 年代から米国で行

雨の性質，無降雨期間など降雨流出と水食量を左右する

われてきた圃場枠試験データを用いて 1970 年代に提案

条件が降雨イベント毎に異なるためである．加えて日本された，農地からの年間水食量を推定する統計モデル

独特の条件として，緩急様々な傾斜地に展開する農地，

Universal Soil Loss Equation（以下 USLE）が事実上，最

特に水田や田畑輪換圃場は懸濁物質の流出に大きく影響も普及している．その後，いくつかの改良があり，現在するが，この要因は欧米では一般的で無く，水田地形をは 2005 年に発表された Rivised USLE2∗ が主流である．
また近年，GIS と組み合わせて広域の生態系サービスや土地の劣化リスクを評価するツール（PESERA∗ ）として使われることもある．東日本大震災時の原子力発電所事故で放出された放射性物質の動態予測モデルでも複数のモデルにおいて，侵食に関するサブルーチンとして，USLE が使われた（たとえば，Kitamura et al., 2014）．
USLE は，観測もしくは経験式で決める降雨パラメー
タ R と土壌パラメータ K の積に斜面長 (L)，傾斜 (S)，植生 · 作物種 (C)，実施した土壌保全対策 (P) を反映する無次元のパラメータ L，S，C，P を乗じて水食量を予測するものである．

考慮した圃場から流域スケールの水食モデルが必要と考えられる．
近年，ゲリラ豪雨の頻度増加等，温暖化に伴う降雨の物理性の変化が指摘されている．同じ日降雨量，月降雨量であっても，降雨イベント中の降雨強度（短間降雨強度）が大きくなれば降雨の地表面流出やそれに伴う土砂流亡のリスクが大きくなる．また，降雨中の表層クラス
トの形成は一時的に地表面流出を促進するが，乾燥に伴う亀裂発生や耕起によってクラストが壊れるとその影響は見えなくなる．こういった，USLE では想定していない現象や時間的に不均一な現象に対する USLE 系モデルの予測能力の限界に対して，より多くの素過程を考

年間水食量 A ＝ R × K × L × S × C × P

慮しながら降雨毎の水食を予測するモデルが検討されて（米国内慣行単位，SI 単位系等複数の単位系があるた

きた．特に 1980 年代後半からパソコンの能力が向上す

め，ここでは単位は省略する）

ることと平行して，いくつものツールが開発されてきた

R，K，L，S，C，P は，米国内の圃場実験と気象観測（WEPP∗ ，KINEROS∗ ，EUROSEM∗ 等）．これらは，上

データから統計的に得た経験的パラメータである．パ

述の SWAT や Modiﬁed USLE とは異なり，明示的にリラメータの値を決めるために，モノグラフと呼ばれるマ

ル侵食，インターリル侵食を分けて土砂流亡を考えるとニュアルがある，一方，米国内と比べて日本国内の降雨

共に降雨の浸入 · 流出，土砂の剥離や運搬，堆積についの性質が異なることが報告されている（三原, 1951)．まてもモデル化を試みることが特徴である．

資料：みんなのミニレビュー
インターリル · リル，土壌の剥離 · 運搬 · 堆積や上述の73

クラストの形成といった素過程を分離，モデル化しても，

PASERA
https://www.isric.org/projects/
pan-european-soil-erosion-risk-assessment-pesera

それぞれのモデルが物理的であるかどうかはまた別の話

RUSLE2

http://www.rusle2.org/

である．リル内を流れる水による侵食 · 土砂輸送についSWAT

https://swat.tamu.edu/ては，河川における浮遊砂の動態を対象とした物理モデ
ルが使われることが多いが，インターリルの侵食や土壌の剥離（uptake）の部分は，メカニズムの理解が及ばず，

WEPP
https://www.ars.usda.gov/midwest-area/
west-lafayette-in/national-soil-erosion-research/docs/
wepp/research/

物理的な表現が困難であるため，素過程について経験モ
デルを使用していることがある．その意味で，いくつかの既往の論文で上記のモデルを「物理モデル」と呼んでいるが，実際には物理モデルと経験モデルの組み合わせ
でできている「プロセス（過程）モデル」と理解すべきである．対象とする素過程によっては，要素実験でパラメータを求める必要がある．この時，要素実験の時空間
スケールにも留意が必要である（Polyakov and Nearing,2003）．
プロセスモデルの課題として，対象とする素過程の数

引用文献
Kinnell and Risse (1998): Soil Sci. Soc. Am. J. 62(6), 1667–
1672.
Kitamura et al. (2015): Anthropocene, 5: 22–31.
三原義秋 (1951): 農業技術研究所報告 A 物理統計 (1): 1–58.

Polyakov and Nearing (2003): CATENA, 51, 33–43.
種田一郎 (1976): 農業土木学会論文集，65: 15–19.
谷山一郎 (2003): 農林水産業及び農林水産物貿易と資源 · 環境に関する総合研究, 414: 1–307.

を増やして現象の表現力を高くすると必要なパラメータが増えてしまうことと，ユーザーの教育が不可欠である
ことがある．USLE を水文モデルと結合した AGNAPS∗
では 22 パラメータ程度だが，EUROSEM では 60 程度，

土壌構造と水移動について

WEPP では，多くの要因を考慮すると入力を要するパラメータが 100 を超える場合がある．また，結果として

西脇淳子

出力する数値も多種にわたるため，これらを適切に理解茨城大学農学部

し，矛盾なく考察することは初心者にとっては容易ではキーワード: 土壌構造，間隙連続性，X 線 CT，負圧浸ない．

20 世紀前半の USLE から 20 世紀後半以降に開発された WEPP，EUROSEM といったプロセスモデルまで，

潤計，リビングマルチ

多く労力，コストをかけてモデルが作られてきた．ここ

わたしが土壌構造の重要性を再認識したのは，米国ででは，侵食に関わる観測データとそれを裏付ける土壌ののサバティカル時に圃場で現場透水試験を行ったときで物理化学性データの蓄積量がモデルの性能を左右する．

ある．耕起圃場の土壌は降雨で締め固められ，時間経過

日本においては，米国のような大規模で系統的な侵食試とともに透水係数が下がると予測していた．しかし，耕験データはない．土壌の物理化学性データについて，農起後の早い段階では減少した透水係数が，時間経過とと水省で実施した過去の土壌環境基礎調査，土壌機能実態

もにあがることがあった．さらに，初期にはすぐに一定

モニタリング調査等で一定量のデータの蓄積を行ってい値となった負圧浸潤計での浸潤速度が，日が経つにつれ，ることを考慮すると，残念ながら，一からモデルを構築

なかなか一定にならないという事態に陥った．

するよりは，既存のモデルのローカライズと適用検証に何が起きているのかと，試験終了後に地表面を観察す

よって現場に実装可能なものにしていくことが現実的なると，ミミズの巣穴が観測され，周辺にミミズの糞塚が対応となるように思われる．

あることに気づいた．試験前には地表面に穴など確認で水食に関する研究や技術開発，普及が土壌物理学であきなかった場所で，水を流すと穴が露出することがあっるかどうかは議論の余地があるが，土壌物理学が活躍でた．また，降雨イベント後にできたクラスト状表層を少きる場であることは疑いがない．その観点でこの拙文をしはがしてみると，そこにはミミズの巣穴が出てくるこ

書いた．皆様からの批判，アドバイス等いただければ幸とがあった．土壌表面とその下層では，間隙構造，間隙いである．

の連結性が異なることを目の当たりにした．浸潤速度が安定しなかった原因はこれだけではないのかもしれない*モデルの参照先（2021 年 11 月時点）
AGNPS
https://www.nrcs.usda.gov/wps/portal/nrcs/
detailfull/null/?cid=stelprdb1042468
EUROSEMhttps://www.lorenzo-borselli.eu/eurosem/
downloads.html
KINEROShttps://www.tucson.ars.ag.gov/kineros/

が，土壌構造と水移動，特に，生物活動に起因した土壌
間隙構造とその連結性の変化による水移動の変化を再認識した．地表面からはわからない状態が存在している。
土壌構造と水移動は古くから研究され，さまざまな角度から議論されてきたテーマであるが，土壌中での水，熱，溶質などの移動を理解するにはやはり重要なテーマであると考えさせられた．

74

土壌の物理性第 150 号

土壌間隙構造の可視化は，土壌物理学分野で以前より

X 線を用いた画像撮影と水移動に関する研究が行われてきた．徳永ら（1985）によるマクロポアと透水性の関係，
成岡ら（1988）によるマクロポアに起因する透水性の定量評価，Mori et al.（1999）による構造化された不攪乱土を用いたマクロポアと排水性に関する研究など，貴重なデータや手法が報告されている．
原位置では，水移動から土壌間隙構造を検討する方法として，負圧浸潤計を用いた通水可能なマクロポア(2022)

引用文献
Bastardie et al. (2003): Applied Soil Ecology, 24: 3–16．
小杉 · 大手 (1992): 日本林学会誌，75: 373–382．
三浦 (2009): 東北農研研報, 110: 129–175．

Mori et al. (1999): Soil Science Society of America Journal，63:733–740.
成岡ら (1988): 土壌の物理性, 56: 2–14．

Timms et al. (2018): Water Resources Research, 54: 3122–
3138.

およびメソポア率の計算が行われている（Watson and徳永ら (1985): 土壌の物理性, 51: 49–62．

Luxmoore, 1986，Wilson and Luxmoore, 1988）．また，小杉 · 大手（1992）は，室内で森林土壌を用いた透水試験

Watson and Luxmoore (1986): Soil Science Society of America

を行い，個々の土壌間隙の透水性を意味する間隙のコン

Wilson and Luxmoore (1988): Soil Science Society of America

ダクタンスを円管のコンダクタンスと比較することで，

Journal, 50: 578–582.
Journal, 52: 329–335.

土壌間隙の連結特性を解析する手法を検討した．
このように，さまざまな視点で検討されてきた土壌間隙構造と水移動に関して，現在は，生物的な側面からの検討も多くみられる．生物が作る間隙，バイオポアと水

大規模畑作地帯における移動に関して，Bastardie et al.（2003）は，コアサンプル

リモートセンシング技術の利用についての X 線撮影からミミズの巣穴画像を取得して巣穴の全長や数，分岐率，連続性などを測定し，飽和透水係数結果

丹羽勝久と結びつけて，ミミズ種間の水理特性の違いが，主に巣株式会社ズコーシャ穴の連続性の違い，土壌表面の開口部の存在，および巣穴の深さに起因することを示している．また，Timms et

キーワード: リモートセンシング，可変施肥，排水不良

al.（2018）は，粘土質帯水層の粒径分布，顕微鏡写真，
トレーサーテスト，および µ CT 画像の調査結果より，選私の所属する株式会社ズコーシャは大規模畑作地帯の択流が古い根の跡によって形成された連続マクロポアや帯広市に本社を置く建設コンサルタント会社であり，土埋没マクロポア内で生じていることを確認した．

地改良事業に関わる調査 · 設計が主な業務である. 私はを用いた栽培体系の研究に携わっている．リビングマル

1996 年の入社以来，一貫して調査業務を担当してきた．
そのような中，1999 年に高解像度衛星イコノスが打ち上

チとは，主作物の栽培期間を通して，または一部の期間にがることとなり，会社の新たな商材としてリモートセン

栽培することで，雑草防除や主作物への有機物供給など

シング技術の大規模畑作地帯への活用を検討するようにに利用される作物である（三浦, 2009）．生物的，化学的命を受けた．それがタイトルにあるリモートセンシング

現在，大学では県からの委託研究で，リビングマルチ

な有用性をもつとして現場で利用されているが，物理的との出会いである．初めて見る高解像度衛星の画像は一な効果はないのかと考えた．もちろん，地表面被覆によ筆圃場内の作物生育のむらや土色のばらつき等を鮮明にる地温の上昇抑制はメリットであるが，さらなるメリッ

捉えており，何とかそれらの情報を圃場管理に活用できトはないかと考えた．根張りの状況や枯死後のマクロポ

ないのかと考えた．

ア形成が，土壌水の移動や保水形態に影響して主作物の

しかし中々実利用化は難しく，「ドローン画像を活用し生育に好条件となれば，リビングマルチの土壌物理性かた窒素可変施肥システム」が商材として出来上がるまでらの利点として挙げられる．この点を，これまでに述べに 10 年以上の月日を費やした．この技術は，リモート

たさまざまな視点で検討していきたいと思っている．

センシング技術で推定可能な圃場内の土壌腐植含量のば透水性や保水性などの物理性は，測定に時間や労力をらつきが，相対的に窒素肥沃度の高低を反映することに要するため，実際の農作業現場では生物性や化学性と着目したものである（丹羽ら, 2016）．亀の歩みではある

比較してなかなか重視されない．しかし，土壌の特性評

が，少しずつユーザーも獲得していくことができた．し価，農業の活性化には，物理的な測定や指標を含めた総かし，そのシステムの導入効果には圃場間差が大きく，合的な土壌評価が重要と考えられる．以前からの流れを作物生育のバラツキが窒素肥沃度以外の要因，特に排水汲み，新たな視点を取り入れて地道に調査研究を積み上不良等の土壌物理性に影響を受けている圃場では効果がげることで，農業における土壌物理の重要性を広めてい発揮しづらいことを確認した（丹羽ら, 2018）．当然と言きたい．

えば当然であるが，やはり可変施肥等，スマート農業の実現のためには基盤となる土壌の物理条件が良好でなけ
ればいけないことを改めて感じた．

資料：みんなのミニレビュー

75以上のことから現在，衛星画像を活用した可変施肥のる影響を調べた．これらの研究では，FB の流出挙動に

適地圃場の判定（丹羽ら, 2021a），さらには圃場の作物

対して，FB の充填粒子への可逆的な付着 · 脱離と非可逆

生育が局所的に排水不良に影響を受けている圃場の抽的な付着を考慮した移流分散方程式を適用している．ま出（丹羽ら, 2021b）等に取り組んでいる．今後はさらにた Hamamoto ら（2019）は，充填粒子表面の粗度が FB

リモートセンシング技術を活用し，土壌物理に関係するの沈着に与える影響について，FB と固体表面間の相互

農業情報収集の取り組みを強化していきたいと考えて作用エネルギから考察した．

いる．

FB の土壌（多孔質媒体）内移動特性に関する実験的研
究はいくつか見られるものの，固体コロイド粒子の多孔

引用文献

質体内移動特性に比べて FB 挙動に関する研究例は極め

丹羽ら (2016): 農業農村工学会誌, 84(9): 749–752．

て少なく，より一層の基礎的知見の蓄積が必要である．

丹羽ら (2018): 土肥誌, 89: 544–551．

実験データの蓄積とともに，より精度の高い FB 移動モ

丹羽ら (2021a): 土肥誌, 92: 249–254.

デルの構築が，FB を土壌環境に応用する上で必要不可

丹羽ら (2021b): 土肥誌, 92: 459–464.

欠と思われる．特に，土粒子と FB との相互作用の理解に加え，土壌環境に FB を応用する際には，土壌内に内在する無機 · 有機物由来のコロイド粒子との相互作用ならびにこれらコロイド粒子と FB との同時輸送現象を扱

土壌中における微細気泡挙動についてう必要がある．共振式質量分析計など，微粒子と FB を区別しそれぞれを定量的に評価する装置を用いて，より

濱本昌一郎
東京大学大学院農学生命科学研究科
キーワード: 微細気泡，コロイド輸送
前職の埼玉大学時代に，地震工学分野の岩下和義 教授
から封入空気の存在によって地盤の液状化強度が大きく異なるという実験結果を見せて頂いた．岩下教授と液状化対策として気泡水を地盤に注入する工法について共同研究をはじめたことが，私が土壌内の微細気泡挙動に興味を持ったきっかけである．

2017 年に ISO（国際標準化機構）で微細気泡（水中

複雑な系での FB 移動現象を解明していく試みが求めら
れる．

引用文献
Hamamoto et al. (2018): J. Contaminant Hydrology, 208: 61–
67.
Hamamoto et al. (2019): Langmuir, 35: 6853–6860.
Iijima et al. (2020): Plant Production Science, 23 366–173.
Jenkins et al. (1993): Biotechnol. Prog., 9: 394–400.
Liu et al. (2016): Langmuir, 32:11295–11302.
Rothmel et al. (1998): Environ. Sci. Technol., 32: 1667–1675.
Wan et al. (2001): Water Resour. Res., 37: 1173–1182.

で極微細化した気泡）に関する用語が統一され，気泡径

100 µ m 未満の泡がファインバブル（FB）と名称され，FB のうち気泡径 1 ∼ 100 µ m がマイクロバブル，気泡径
1 µ m 以下をウルトラファインバブルと分類された．

有機農業と土壌物理性

FB は，液体中での分散性に優れ，気液界面での高い物
理 · 化学的吸着効果を有する．近年，FB の理化学的特性

笛木伸彦

を活用した応用技術が様々な分野で検討されている．農北海道立総合研究機構農業研究本部

業生産の場では，種子の発芽率向上，植物の生育促進などにおいて効果があることが報告されている（例えば，

Liu et al., 2016; Iijima et al., 2020）．他にも，石炭系炭化キーワード: インテークレート，雑草，粗孔隙，ミミズ，有機農業

水素（油分）等の有害物質による土壌汚染サイトでは，

FB を含む気泡水を注入することで，FB への汚染物質の吸着作用や FB による汚染物質成分の剥離効果を利用した浄化効果が報告されている（例えば，Jenkins et al.,
1993; Rothmel et al., 1998）．

我が国の農林水産省は 2021 年 5 月 12 日，「みどりの食料システム戦略」を打ち出した．同戦略は，「2050 年までに耕地面積に占める有機農業の取組面積割合を 25%（100 万 ha）に拡大」を目指すとした．現状が 0.5 %土壌環境に FB を利用する際には，FB の土壌内移動（2.4 万 ha, 2018 年）であるから，よほどの所得保障がなとその運命予測が重要な鍵を握る．FB は水と気体とのい限り途方もなく高いハードルと言えよう．このことを界面を有するコロイド態物質の一種であり，多孔質体内

目の当たりにし，久しぶりに体内で熱が疼いた．

におけるコロイド挙動と考えることができる．Wan ら

今から約 15 年前，有機農業の是非を問う機会に多く(2001) や Hamamoto ら（2018; 2019）は，FB 水を用いたカラム通水実験を実施し，FB 水の化学的特性（pH や
イオン強度など）や充填粒子径が FB の移動特性に与え遭遇し，土壌学者の端くれとして意見を持てるだけの経験が欲しいと痛感した．当時の勤務地場内に有機農業圃
場を造成し，コムギ · バレイショ · 大豆による輪作試験

土壌の物理性76

第 150 号を行い，慣行農業と比較した（十勝農試, 2011）．無化学(2022)

間隙構造と土壌物理性の関係

肥料による緩慢な養分供給も作物生育を遅延させたが，病虫害による減収はすさまじく，特にマメシンクイガは

藤川智紀

大豆の製品収量をほぼゼロにした．データで表しきれな

東京農業大学

かったが，作期中は朝から晩まで毎日ホー除草に没頭した．それでも雑草の発生力は日に日に勢いを増し，土とキーワード: 透水性，保水性，土壌改良材，緑化資材「もやし」をかき混ぜているような錯覚と徒労感に襲われた．土壌の空気孔隙が増したのは（十勝農試, 2011），
この「雑草根もやし」が主因と思っている．

東京農業大学に勤務するようになってから，学生やOB，OG，その知り合いの方などから農地土壌の理化学

ほぼ同時期，ポーランド留学の経験をいただいた（笛木,性に関する相談を受けることが多い．対象は畑（転換畑2021）．現地の有機農業−慣行農業長期連用試験（ポーランド農業省の研究所，Eutric Fluvisol，土性 SiL）の有機農業区 · 慣行農業区土壌の物理性を比較する好機に恵まれた．有機農業土壌は慣行農業土壌よりも現地測定 ·含む），樹園地が多いが，相談に訪れるほとんどの農家の方が自分の農地の「排水不良」を問題視している．排水不良の対策としては，土壌改良材などの資材の混合による排水改良がすぐに思いつくが，用いる資材や手法の特室内測定ともに明らかにインテークレートが大きく，ま徴については教科書的な知識でその場を取り繕えても，た深さ 8 cm 以浅での粗孔隙率が有意に大きかった．こ

相談者が最も知りたい「どれをどれだけ入れればいいか」の理由は，有機農業土壌においてはミミズが多く生息し，という質問に対しては答えを持ち合わせていないのが現

また雑草繁茂に伴う植物根量の増加により粗孔隙が増加状である．次の機会には有益な情報を提供しようと思いするためと思われた（Fueki et al., 2012）．

ながらも，毎回それに必要な勉強の時間を取れず同じ思

ただし，この結果を単純に「有機農業は土壌の物理性をいをするのが情けない限りである．

改善する」というように捉えるべきではないことを申し

大学院生時代は土壌中のガス挙動を研究テーマとして上げたい．まずミミズについて，実験を手がけた張本人

おり，ガスの拡散移動と土壌の乾燥密度や撹乱について

は，確かに有機農業土壌においてより多くのミミズを目測定した経験がある（Fujikawa and Miyazaki, 2005）．土

撃した．この理由は，主に有機農業区にミミズのエサと壌のガス拡散係数は気相率に依存することが知られていなる有機物（肥料として投入された「ぼかし」や繁茂したるが同じ土性，同じ気相率で比べると，乾燥密度が高い

雑草の遺体）が多かったことによるものであり（Pﬁffner

方が，また不撹乱土の方が撹乱土を再充填したものより

and Luka, 2007），ミミズに悪影響を及ぼすのは一部の殺虫剤に限定されている（Siegrist et al., 1998）．さらに言も拡散係数は大きくなる．間隙中のガス移動の効率を考うなら，雑草根が粗孔隙を増やすとしても，雑草繁茂をかれ，行き止まりといった間隙の形状が移動現象に与え容認できる農業生産などあり得ない．他にも，有機農業

る影響に興味を持った．将来，耕耘や資材の混合によるが化学肥料と化学農薬を「禁じ手」とする限り，解決不間隙構造の変化をモデル化して，様々な移動の係数の変可能な問題が明らかに残る．冷静な議論と理解が進むこ化を予測する研究ができれば面白いなと思ったが，同時とを，心から望む．

に高度な数学的センスの必要性も痛感していた．

える中で，間隙径分布同様，間隙の途中の膨らみや枝分

日本においても以前より，間隙構造をモデル化し土壌

引用文献
Fueki et al. (2012): Soil Sci. Plant Nutr., 58: 65–69.
笛木 (2021): 北農，88: 165–177.

Pﬁffner and Luka (2007): Appl. Soil Ecol., 37: 184–191.
Siegrist et al. (1998): Agric. Ecosystems Environ., 69: 253–264.
十勝農試 (2011): 畑輪作条件下での有機栽培における地力
推移 · 作物収量 · 病害虫発生の特徴と雑草抑制対策,の物理性を表現することを試みる研究（例えば，原口,

2000）や，間隙構造を可視化して物理性と関連づける研究（例えば，岩間ら, 1992）が進められてきた．これらの研究を発展させ，土壌改良材の種類や量をパラメータとして間隙構造の変化，さらに物理性の変化を表すようなモデルができればより効率的な排水改良が可能になると期待される．特にコンピューターによる画像処理や各種

https://www.hro.or.jp/list/agricultural/center/kenkyuseika/

計算の速度は急激に上昇しており，うまく応用できればgaiyosho/23/f2/20.pdf

今後の研究に貢献すると思われる．一方，それぞれの移
動係数，さらには現場での物質移動を正確に予測しようとすると，モデルは複雑化せざるを得ない．そのため，現場での適応に耐えられるようなアバウトな，ブラック
ボックス型のモデルの構築も必要になるかも知れない．
もっとも，現場で求められる「十分な排水性」を数値化するということのハードルの高さも感じている．
現在の研究室では水分特性と飽和透水係数の測定装置
が主力選手であるが，室内実験での基礎的なデータの蓄積ならできるかと思い，少し実験をしてみた（藤川ら,資料：みんなのミニレビュー

772013）．当たり前の結果ではあるが，土壌と混合する資で，現象をモデル化して一般化を図るような研究は少な

材の形状や硬さなどが間隙構造に影響を与えることは確いようだ．

認できた．なかなか続いて発表する成果は蓄積できてい海外では，主として節水の観点から地中に灌水チュー

ないが，現場からの排水改良の相談も続いており，もうブを埋設した潅漑方法の研究や暗渠排水口の高さを制御

少し土性や資材の幅を拡げて実験して何かが見いだせれして地下灌漑や暗渠排水の水質改善に関する研究が行わばと思う．また大学の組織改編で新学科に異動後，同じれた．しかし，対象とする土層は亀裂の少ない畑の土壌学科の所属になった教員から，特殊緑化（屋上緑化，壁面が多いため，これまでの不飽和流モデルで解析が行える緑化）の資材の保水性，透水性についての問い合わせをような条件であった．

受けた．土層圧は数 cm ∼ 30 cm であり，pF も 2 を超え

今後，水田転換畑の作土層内で生じる粗間隙流と耕盤

ることはまずない領域での話であるが，統一した基準で層の存在による複雑な水 · 溶質移動のモデル化を行うこ評価されてはいないとのことで，土壌同様の測定法で得とにより，これまで得られている観測結果の解釈や水田られた水分特性や飽和透水係数が評価の基準になるかど

転換畑で野菜栽培を行う際の適切な養水分管理技術の確うかを検討している．発泡により間隙を作っている資材立に貢献したいと考えている．

や繊維を重ねて間隙を作る資材など，間隙形状もまちまちであり，測定で得られた物理性と間隙構造の関係には興味深いと共に手強さを感じる．特殊緑化業界に貢献とまではいかないが，これまでの研究で得た知識が少しでも役に立ったり，逆に土壌の間隙構造の解析にも援用できるアイデアに繋がったりするといいなと思っている．

引用文献
長谷川 (1986): 土壌の物理性, 53: 13–19．
波多野 (1984): 土壌の物理性, 49: 9–22．
井上 (1992): 農業工学研究所報告, 31: 77–119．
井上ら (1994): 農業土木学会誌, 62: 845–852．
望月ら (2016): 農業農村工学会論文集, 303: I 373–I 380．

引用文献

中野ら (2014): 園芸学研究, 13(2): 125–133．

Fujikawa and Miyazaki (2005): Soil Sci., 170(11): 892–901.

坂田ら (2017): 農業農村工学会論文集, 304: I 129–I 135．

藤川ら（2013） : 東京農大農学集報, 57(4): 267–274.
原口（2000): 農業土木学会論文集, 209: 15–25．
岩間ら（1992): 土壌の物理性, 66: 11–18．

畑地土壌中における水分移動と窒素動態
転換畑における水移動について

武藤由子
岩手大学農学部

宮本輝仁
農研機構農村工学研究部門

キーワード: 土中水分移動，窒素動態，土壌微生物，根系分布キーワード: 亀裂，粗間隙流，耕盤層，FOEAS
子供のころ，春になると祖母の畑でイチゴが取り放題
私が転換畑の水移動に興味を持ったのは，“農地フルだった．食べごろはアリがよく知っていたので競争だっ活用” というプロジェクトに参加した時である．暗渠にた．イチゴの他にも季節ごとの野菜を採りに畑にでかけ立ち上げ管をつけて地下水位を制御することにより窒た．その後の様々な成り行きを経て現在に至るが，この素負荷を削減する研究を行ったのがきっかけである．以

幼少期の畑での遊びが無意識に影響していたのだと思前，サイフォン式暗渠排水が提案されており（井上ら,う．博士課程修了後，農業高校に勤務して資源循環型の1994），試してみたが，素人には難しかった．

庭造りに関わったこと，また，COE 研究員として水稲栽

これを機に，転換畑の水移動について調べてみると，

培での有機性廃棄物の利活用に関わったことをきっかけ

わが国では粘土質転換畑では主に土層内の亀裂等を通じに，土壌中での窒素動態に着目した研究に取り組むことて地下排水が行われることが知られていること（例えば，となった．現在，対象としている主な現象は，水分移動

長谷川, 1986; 井上, 1992），そして，波多野（1984）や井過程おける硝化を考慮した窒素動態である．

上（1992）は亀裂を通じた水移動の卓越した土層からの

近年，温暖化が原因と考えられる気象災害により世界

排水量や溶質移動の変化を予測するモデルを構築してい中で人命が脅かされており，作物生産によって発生する

るが，作土層の土壌水分変化を予測するまでには至って温室効果ガス（亜酸化窒素 · メタン）もその一因として問いないこと等がわかった．近年，地下水位制御システム

題となっている．土壌からの温室効果ガスの発生は土壌（FOEAS）を施工した圃場で転換畑利用時の土壌水分量

微生物活動によるもので，土壌の水分量や温度，酸素濃の変動について検討されている（中野ら, 2014; 望月ら,

度，pH，基質量などと関係しており，これらの条件は常2016; 坂田ら, 2017）．しかし，野外観測結果の解析のみに変化しながら相互に関わりあっている．例えば，土壌

土壌の物理性78

第 150 号

中での水分移動は単に土壌水分量を変化させるだけでな(2022)

草地の温室効果ガス収支について

く，酸素濃度を変化させることでも土壌微生物活性に影響する．土壌の水分量は降雨や地表面蒸発，植物の根に

森

よる吸水によって刻々と変化しているので，土壌中での昭憲

農研機構畜産研究部門

窒素炭素動態のメカニズムを解明するためには，水分移動過程での土壌微生物活動について考える必要がある．

キーワード: 一酸化二窒素，堆肥，炭素収支，メタン

渡辺ら（2019）は，一次元カラム不飽和浸透過程でアンモニア態窒素の吸着態の硝化反応速度定数を溶存態より

私が土に興味を持ったのは，大学に入学した春に放送も小さく仮定したときに，アンモニア態窒素と硝酸態窒された市民大学 “「土」を科学する（岩田, 1989）” の視聴

素の挙動をよく再現できたとした．また，武藤ら（2019）がきっかけである．カルシウムが加わると白濁する溶液

は一次元カラム蒸発実験を行い，硝化反応速度定数を水をフラスコの中に入れておき，濾紙上の土に硫安の水溶分量の関数として与えるとアンモニア態窒素と硝酸態液を注ぎ，したたり落ちる液滴をフラスコに導くと，フ窒素の分布の変化の再現性が向上することを明らかにしラスコの中の溶液が白濁した．この映像に感銘を受け，た．また，多くの要因に影響される硝化反応速度定数を

卒論は「粘土質土壌の土壌構造と濾過機能」に取り組み，

ATP 量で簡易的に予測できる可能性を示した．

土壌の物理性の大切さを学んだ．

農地での作物の根による吸水に関しては，蒸発散によ

現在は，様々な草地管理と温室効果ガス収支の関係をる土中の水分量分布の変化予測について，近年様々な研調べている．黒ボク土に含まれる有機物が，草地植生と究が行われている（中村ら, 2016; 弓削 · 阿南, 2016）．坂

密接な関係を持つことは広く知られている（小椋, 2014）．

井ら（2020）は，群落熱収支モデルと HYDRUS-1D のまた，草地には堆肥などの有機物が散布され，根から多連結プログラムを用いて，作物の生育に伴う放射透過率量の有機物が供給される（三枝 · 鈴木, 2005）．一方，生の変化と土壌の乾燥による蒸発散速度の低下を考慮した産性を維持するための管理は，一酸化二窒素の発生を

土壌水分量と地温変化の予測プログラムを構築した．そ

促進し，メタンの吸収を抑制する（Dalal et al., 2003; Leの結果，ダイズ栽培圃場での観測結果が概ね再現された

Mer and Roger, 2001）．このため，或る管理が温室効果

が，根圏土壌の水分移動特性や根の吸水特性の理解が課

ガス発生量に及ぼす影響を理解するには，炭素収支，一題とされた．今後は，根の伸長の評価，根系分布と吸水

酸化二窒素の発生，メタンの吸収の全てを把握すること

強度分布の関係等が取り組まれるべき課題である．小田が不可欠だが，このような研究は少ないようだ．

ら（2021）はサーモ TDR センサを用いて，植物根によ

そこで，草種（イネ · マメ科），有機物管理（堆肥 · ス

る土壌の熱特性の変化から根群密度を推定することに取ラリー · メタン発酵消化液），放牧（糞 · 尿パッチ），更新

り組んでいる．

法（完全 · 簡易更新）と温室効果ガス発生量の関係を調根群域内での吸水強度分布の評価はさらに難しい問題だと思う．この数年，トマトやコマツナの根に興味を持

べた．今後は，バイオ炭施用やメタン発酵消化液等の土中施用による飼料生産にも取り組む予定である．

ちながらも，その厄介さから真剣に向き合う覚悟を持て

日本の畜産業は輸入飼料に依存し，種々の環境問題にずに来ているが，なぜだか “くっついたり離れたり” で結対峙している．これらを解決するには草地畜産の評価を果的に実験を続けている．それは蒸散速度が生長阻害水

高めることが大切である．家畜の排せつ物を上手に利用

分点付近で実際に低下すると嬉しくなってしまうからだ

する飼料生産が，温室効果ガスの削減に寄与することをろうか．また，地上部よりも根の伸長に生命力を感じる

人々に知ってもらい，持続的な飼料生産に少しでも寄与からだろうか．学生と一緒に，腰や首が痛いと文句を言できるよう微力を尽くしたいと思っている．

いながらピンセットで根を摘まんでいるうちに，何か面白いことが見つけられれば運がいいくらいの気持ちで付き合っていきたい．

引用文献

引用文献
Dalal et al. (2003): Soil Res. 41: 165–195.
岩田 (1989): NHK 市民大学「土」を科学する, 日本放送出版
協会, 東京．

武藤ら (2019): 農業農村工学会論文集, 309: I 281–I 288．

Le Mer and Roger (2001): Eur. J. Soil Biol. 37: 25–50.

中村ら (2016): 土壌の物理性, 134: 25–40．

三枝 · 鈴木 (2005): 草地における炭素循環とルート · マット

小田ら (2021): 2021 年度農業農村工学会大会講演会講演要旨
集: 260–261．
坂井ら (2020): 土壌の物理性, 146: 3–16.
渡辺ら (2019): 農業農村工学会論文集, 308: I 1–I 8．
弓削 · 阿南 (2016): 土壌の物理性, 134: 17–24．

形成．木村眞人 · 波多野隆介編 土壌圏と地球温暖化, pp.

105–121．名古屋大学出版, 名古屋．
小椋 (2014): 森と草原の歴史 — 日本の植生景観はどのように移り変わってきたのか —, 古今書院, 東京．

資料：みんなのミニレビュー

79

色彩計による土色の測定

土の構造が酸化還元反応を制御する

森塚直樹

柳井洋介

高知大学農林海洋科学部

農研機構野菜花き研究部門

キーワード: 色彩計，水田，土色，非破壊測定

キーワード: 脱窒，温暖化，湛水，潅水，水田転換畑

粒径組成の分析の前処理で試料の有機物除去処理と分

学生の頃，土の培養実験で脱窒酵素群の活性制御要因

散処理を行い，振とうビン代わりの 500 mL 容メスシリを調べていた（Yanai et al., 2008）．その応用として土へ

ンダーに土壌懸濁液を入れて静置していた時，同じ水田

炭化物とその灰をすき込むと亜酸化窒素排出挙動に差から採取した表層土壌でも懸濁液の色が明らかに異なる

異があり，物理性の効果を強く認識した（Yanai et al.,

ことに気づいた．そこで元の風乾細土の色を見比べてみ2007）．

ると，やはり微妙に色が違っていた．「これは面白い！」

季節凍土の融解に伴う亜酸化窒素の短期集中的な排出と思って，わずかな土色の違いを評価するために始めたを観測するべく行った圃場試験は，土壌ガス採取器（柳のが色彩計による土色の測定である．

井 · 常田, 2009）を用いた予備検討を含め 3 年に渡った．

微妙な色の違いはマンセル土色帖では区別できない

本試験 1 年目の結果で土壌凍結が発達するほど解ける時ほど小さかった．そこで土色計（SPAD-503）を購入し期に亜酸化窒素排出量が大きくなると考えたが（Yanai etて，土壌試料の乾色と湿色の測定，微粉砕処理の有無

al., 2011），土壌ガス中の酸素分圧が低下し亜酸化窒素がなどを試した．そして 2 グラムの風乾細土を 3 分間微蓄積することが鍵でそれは積雪による地表面の保温と融粉砕した後に，試料を分光光度計用のプラスチックセ

雪水の湛水に依存する，というパスが同 2 年目の試験でルに充填し，試料の色をセルの透過面から測定するこ示唆された．この他，たとえ土壌凍結が発達して融解時とに決めた．試料をセルに充填するという方法は，土に亜酸化窒素の大量排出が起きたとしても融雪材に炭化色計を携帯型比色計として利用した板井ら（2005）の物を選ぶことで地球温暖化ポテンシャルベースで相殺す

学会発表を参考にした．また “Soil Color” という本の中るアイデア（Yanai et al., 2014）や，望ましい土壌凍結深に “Spectrophotometric determinations of soil color haveのデザイン（Yanai et al., 2017）について議論を深めた．

been mostly carried out on dry samples.” を見つけた時，その後，野菜生産の現場における高土壌水分状態を酸現場で行われてきた湿色の測定にこだわる必要がないこ

素分圧低下事象と位置づけ研究を再開した．減反政策でとに気づいた．

全国の水田転換畑に栽培が広がった多年生野菜のアスパ得られた知見を土色の高感度測定法という趣旨で投ラガスに注目した．根腐れや株腐れが問題となる現場で稿した時，土色の圃場内変異を評価する意義はどこにあ

は案の定水はけが悪いことが確認された（柳井ら, 2013）．

るのかという指摘を査読者から頂いた．調査圃場は大学

その際，水はけの評価方法に固執せず改善策を提示するの附属農場の水田であり，私には身近で貴重な圃場だっよう指摘があり，結果として畝立てに特化した技術開発

たが，一筆の圃場内で土の色が違っていたという事例をに取り組み始めた．イノベーション創出強化研究推進事

公表する意義を査読者にうまく説明できなかった．そこ

業（NARO-BRAIN, 2020）では，香川県発の技術であるで，京都府立大学の矢内先生にお願いして，日本各地の枠板式高畝栽培（既存株埋没栽培法の発展版）をわが国

農耕地表層土壌の色を上記の手法で測定させていただの主要な産地で検証し技術として確立することを目指し

き，全国と圃場という 2 種類の空間スケールでの測色結ている．水はけが改善されると現場の関心は直ちに潅水

果と色と関連する土壌特性値の推定結果をまとめること管理に移る．高畝内の養水分動態の制御が課題である．

によって論文として公表できた（Moritsuka et al., 2014）．
その後も色彩計を用いた土色の測定を続けてきた．現
在は，乾湿に応じて変化する現場の土色をどのように測

引用文献
NARO–BRAIN (2020）: https://www.naro.go.jp/laboratory/

定するべきなのか，そして室内測定値はどのくらい現場

brain/innovation/20 inov saiyou R02 kaihatsu02

での観察結果や測定結果と対応するのかということに興02019C.pdf

味を持って実験を進めようとしている．

Yanai et al. (2007): Soil Sci Plant Nutr., 53: 181–188.
Yanai et al. (2008): Geoderma, 146: 269–276.

引用文献
板井ら (2005）: 日本地球惑星科学連合 2005 年大会予稿集,

H060–P003.
Moritsuka et al. (2014): Soil Sci. Plant Nutr., 60: 475–485.

柳井 · 常田 (2009）: 土と微生物, 63: 26–31．

Yanai et al. (2011): Soil Biol Biochem., 43: 1779–1786.
柳井ら (2013）: 園学研, 12: 75–82．

Yanai et al. (2014): Ecol. Res., 29: 535–545.
Yanai et al. (2017): Sci. Rep., 7: 1–8.

土壌の物理性80

第 150 号

土壌劣化から生態系機能評価まで(2022)

させ，生態系機能の評価をしていきたいと考えている．
そのために，「土壌の物理性」の特集「水分 · 溶質移動モ

柳川亜季

デル」（取出, 2006）のウェブページ等を参考に応用も検

明星大学理工学部

討していきたい．

キーワード: 不飽和透水係数，乾燥地，給水モデル，植

引用文献

生指数

Fujimaki et al., (2004): Geoderma, 120: 177–185.
Isbell et al., (2015): Nature, 526: 574–577.

土壌物理学会の誌面で持続的な土地利用という言葉をMontzka et al., (2017): Earth Syst. Sci. Data Discuss. 1–25.

軽々しく使うことははばかられるが，私の研究の目的は

佐藤 (2021): ARDEC, 64.

持続的な土地利用の実現である．ここでは，持続的土地取出 (2006): 土壌の物理性, 104: 61–62. https://soilphys.bio.

利用の原点ではないかと勝手に考えている土壌の持続的

mie-u.ac.jp/model/

な利用から，現在研究している生態系機能評価のテーマに至るまでのミニレビューをする．
私の研究は，モンゴルの砂漠化した耕作放棄地からスタートした．当初，砂漠化は土壌の塩類化による土壌劣イモゴライトのコロイド界面化学特性と化と想定していたが，6 年程度研究して分かったことは，有機高分子の吸着想定とは異なった．土壌劣化も原因であるが，それ以上に乾燥地の競争排除によって成立する多年生の草本群落

山下祐司

が乾燥にしか適応していないということであった．多年

筑波大学 生命環境系

生草本が生育できない理由は耕作放棄地の土壌水分のサクションが低すぎるためであった．これは，現地の土壌の不飽和透水係数を測定したり（Fujimaki et al., 2004），

キーワード: イモゴライト，腐植物質，吸着，電気二重層，電気泳動移動度

多年生草本のポット試験の結果を Feddes の給水モデルで解析したりすることで明らかになった．

本誌コラム「土粒子」にて，これまでの私の歩みを紹

その後，対象地をエジプトに移す機会をいただいた．

介した（山下, 2016）．詳しくは前書に委ねるが，土壌を大学入学時からお世話になっていた佐藤政良先生の用いた汚濁物質の濾過に関する研究を端緒に，現在ではSATREPS プロジェクトに雇っていただけたのだ．こ

土壌有機物と無機鉱物の相互作用，特に，わが国の火山れまでの先生のご講義の内容が身に染みた．佐藤先生の

灰土壌を特徴づける主要な粘土鉱物であるイモゴライト

エジプトに関する文書をご一読いただければ幸いであと腐植物質の複合体形成，およびその複合体が示すコロ

る（佐藤, 2021）．エジプトでは，水資源に関する位置づイド界面化学的特性に興味をもっている．

けが同じ乾燥地のモンゴルとは全く異なり，その危機的イモゴライト（(OH)3 Al2 O3 SiOH）は九州の土「いも状況や様々な利権やそれに関わる人々の暮らしを目のご」から発見された中空繊維状の粘土鉱物（Yoshinaga and

当たりにした．それは，頭の中にいろいろな色の粘土を

Aomine, 1962）で，九大の吉永や和田らのグループと英国まぜた球を埋め込まれたような，新鮮な感覚で，一つもマコーレー土壌研究所のグループとによって化学構造のレビューがないのであるが，要するに，水資源（がない同定がおこなわれた（Cradwick et al., 1972）．土壌から精こと）を中心に複数の自然条件や社会条件を考慮してそ製したイモゴライトの電気泳動移動度（EPM）（Horikawa,1975）とコロイド安定性（Horikawa and Hirose, 1975）が高知大の堀川らによって調べられ，EPM は酸性条件で正れぞれの地域の状況を把握したい，という強い思いが沸いた．
そこで，そのような研究をされている（と当時の私はの値，中性およびアルカリ性条件でゼロ，これに対応し考えた）鼎信次郎先生にお世話になった．そこでは，全て，酸性条件で分散，中性以上の pH で塩濃度によらず球の乾燥地のみならず，陸面を対象に世の中にあるグ

凝集することが示された．これら荷電特性と化学構造とリッドベースのデータはなるべく取り込み，地域の生態の照合から，イモゴライトは外径 2 nm，内径 1 nm，長系機能（脆弱性）評価を行うことをした．特に生物多様さ数 µ m の中空繊維状（ナノチューブ状）で，外側にア

性と気象の極端現象との関係については草原地域での研ルミノシリケートに由来する pH 依存の正電荷，内側に究が中心となっていたため（Isbell et al., 2015），衛星かシラノール基に由来する pH 依存の負電荷を有する特異ら取得した植生指数をつかって，全球スケールで明らかな構造の粘土鉱物として知られるようになった．

にしたいと考えた．また，乾燥地で研究してきたこともイモゴライトの合成方法の確立（Farmer et al., 1983）

あり，土壌中の不飽和な水の移動についてグリッドベーと と も に 物 性 研 究 が 盛 ん に な る ．Clark and McBrideスで示したデータ（Montzka et al., 2017）を解析に組み(1984）はリンなどの栄養塩や銅などの金属イオンの吸着量，CEC · AEC を測定した．京大の梶原や呑海ら（例えば，Donkai et al., 1985）は希薄懸濁液の粘度や沈込みたいと思ったが現在もできずにいる．
今後は，衛星データと土壌の様々なパラメータを連携資料：みんなのミニレビュー

81

降特性，光散乱特性などを系統的に調べあげ，屈曲棒状山下 (2016): 土壌の物理性, 134: 61–62.

高分子としてイモゴライトの拡散係数やサイズを推定

山下ら (2018): 農業農村工学会論文集, 86: I 291–I 296.

した．Harsh らによる一連の系統的な研究（例えば，SuYoshinaga and Aomine (1962): Soil Sci. Plant Nutr., 8: 22–29.

and Harsh, 1993）では，EPM の pH · イオン濃度 · イオ

Yuan, Thill and Bergaya (2016): Nanosized tubular clay miner-

ン種依存性，多価アニオンの特異吸着が詳細に示され，

als: halloysite and imogolite, Elsevier, Amsterdam.

堀川の研究を更新した．一方，茨城大学の軽部や中石らは EPM と粘度の値のイモゴライト濃度依存性を指摘した上で，チキソトロピーを呈さない十分希薄な懸濁液ではアルカリ条件で負の EPM が測定されうることを示した（Karube et al., 1992）．これにより，アルカリ領域でのEPM の報告値が論文によって大きく異なることの一つの回答が与えられた．つくばの大井や足立ら（Tsuchida
et al., 2005）は，表面電気伝導度の測定から，外表面の電気二重層の構造やチューブ内の対イオンの不動性を示した．他方，化学構造モデル（Gustafsson, 2001）や DFT
計算（Guimarães et al., 2007）では分子構造による（同型置換由来ではない）永久電荷の存在が予測されているが，実験的に実証されていない．イモゴライトの帯電機
構と電気二重層構造の全容解明は今なおチャレンジングな課題である．
近年では，水溶液に容易に分散するナノチューブ素材
として，イモゴライトは材料科学分野からも関心を集め，触媒（Bonelli, 2009）や吸着剤，無機有機複合材料としての応用が期待されている．有機高分子のイモゴライトへの吸着とその複合体の特性に関する研究は，DNA の吸着と複合体ゲルの粘弾性（Jiravanichanun, 2012），タン
パク質の吸着と複合体の生物毒性（Rotoli et al., 2014），
アミノ酸系界面活性剤の吸着と複合体の薬剤保持特性（Bonini et al., 2017），腐植物質の吸着と複合体膜の濡れ性（山下ら, 2018）などが挙げられる．
イモゴライトは時代に応じて，ときに火山灰土壌の構成成分として，ときに新規化学素材として，多くの研究者を魅きつけてきた．半世紀にわたる研究成果は 2016年に成書として発刊（Yuan, Thill and Bergaya, 2016）され，今後ますます発展と応用が期待されている．

引用文献

畑地の消費水量の定量化を目指して
弓削こずえ
佐賀大学農学部
キーワード: 蒸発散，土壌水分，畑地灌漑
私は畑地において灌漑水を節減しつつも作物に水ストレスを与えないような水管理手法の確立を目指して，消費水量を精度よく定量化するための研究に取り組んでいる．もともと植物が好きであり，植物の生育に欠かせない「水」の魅力に惹かれて現在まで研究を行ってきた．
研究をスタートした頃は，畑地の水消費に関わる日射や風況など，畑地の土壌面上の気象環境に興味を持っていた．作物体の陰によって形成される日射環境の不均一性や作物体によって生じる風の乱れを明らかにするために，実験圃場や風洞で実験するとともに数値解析を行ってきた．複雑な気象条件を考慮に入れることで，土壌面から失われる水分量を精緻に求めることができることを確認し，興味は次第に土壌中に広がっていった．
現在は，実際の畑作物の栽培現場に研究対象を広げ，
土壌水分動態を明らかにして消費水量を定量化するための研究を行っている．栽培条件を制御しやすい実験圃
場とは異なり，実際の畑地では気象や土壌水分を精度良く観測することが難しいため，消費水量を算定する際には現地観測結果のみをベースにすることには限界があると感じている．近年では数値解析によって畑地の土壌水
分動態を明らかにしたり，畑地灌漑計画の諸元を求める事例が増えている（岩田ら, 2016; 中村ら, 2016; 宮本ら,

2017; 坂井ら, 2020）．これらの研究のように，実際の現Bonelli et al. (2009): J. Catal., 264: 15–30.

場で消費水量を求める際には，現地観測に加えて数値解

Bonini et al. (2017): Langmuir, 33: 2411–2419.

析も援用することが有効であると思われる．

Clark and McBride (1984): Clays Clay Miner., 32: 291–299.

既往の研究事例を参考にしつつ，消費水量を精度良くCradwick et al. (1972): Nat. Phys. Sci., 240: 187–189.

見積もって過不足のない灌漑を行うにはどうすればよい

Donkai et al. (1985): Makromol. Chem., 12: 2623–2638.

のか四苦八苦しているが，実際の作物栽培の現場では耕Farmer et al. (1983): Clay Minerals, 18: 459–472.

作者の熟練の水管理の技に驚かされる．高価なセンサー

Guimarães et al. (2007): ACS Nano, 1: 362–368.
Gustafsson (2001): Clays Clay Miner., 49: 73–80.
Horikawa (1975): Clay Sci., 4: 255–263.
Horikawa and Hirose (1975): Clay Sci., 4: 271–280.
Jiravanichanun et al. (2012): Biomacromolecules, 13: 276–281.
Karube et al. (1992): Clays Clay Miner., 40: 625–628.
Su and Harsh (1993): Clays Clay Miner., 41: 461–471.
Tsuchida et al., (2005): Colloids Surf, A, 265: 131–134.
Rotoli et al. (2014) Chem. Res. Toxicol., 27: 1142–1154.

を用いた観測や数値解析に頼ることなく，作物の状態，
畑地内の気象，土壌水分などの環境因子の変化を敏感に読み取り，絶妙なタイミングで過不足のない灌漑を行っている．今後は，現場において耕作者が行っている熟練の水管理の手法を解明し，農業の現場に貢献するような知見を得るために一層研究に励みたいと考えている．

土壌の物理性82

第 150 号

引用文献
岩田ら (2016): 農業農村工学会論文集, 302: I 175–I 183．
宮本ら (2017): 土壌の物理性, 136: 3–14．
中村ら (2016): 土壌の物理性, 134: 25–40．
坂井ら (2020): 土壌の物理性, 146: 3–16．

(2022)

細粒土の場合には 200 kPa 付近までは等価であるという実験結果（e.g. Blight, 1966）によって支持されている．
この事実は，水田における亀裂形成過程の圧密理論を用いた解析（Yoshida and Adachi, 2004）に応用された．膨
潤 · 収縮挙動を考える際に，圧密理論のうちで重要な点は，過去の最大圧縮履歴（降伏応力）を境にして，過圧密領域と正規圧密領域が存在し，それぞれ弾性的（小さ構造が目まぐるしく変化する水田土壌

く可逆的），塑性的（大きく不可逆的）な変形を起こすという点である．乾燥収縮後の吸水膨潤は，弾性域でのサ吉田修一郎
東京大学大学院

農学生命科学研究科

クションの開放による変形であるため，塑性域で起こる収縮に比べ変形量は小さくなる．収穫時の地耐力を確保するために，中干しや早めの落水が有効なのは，（塑性的キーワード: 収縮，膨潤，畑地化，圧密，土壌構造

な）収縮により増加した固相率が，その後の湛水や降雨による膨潤ではもとに戻らないという特徴によるもので水田土壌では，収縮 · 膨潤といった体積変化が，畑地ある．

に比べはっきり観察される．土壌の体積変化は，排水性

ただ，さらに長い期間で観察すると，水田における収縮を支配する亀裂の消長に影響するだけではなく，保水性· 膨潤挙動は，サクションの変化と圧密履歴だけで決まるの変化や，易耕性，地耐力といった力学性にも関わる．
研究者になりたての私が，10 年以上を過ごした新潟県上越市は，膨潤性の水田土壌が広がっている地域である．

ような単純な弾塑性モデルには従わず，時間の経過に伴いゆっくり進行する脱水 · 吸水も同時に起こる（Yoshida

et al., 2014）．連続して転換畑作物を栽培したり，逆に水そのため，土壌の収縮や膨潤は，現場の土壌の物理性を稲を連作したりすると，土壌の構造や物理性は，時間を考える上で無視しえない日常的な現象であった．時間とかけて変化（畑地化 · 水田化）することが古くから知らともに変化する土壌の物理的状態を，水分だけを独立変れており（e.g. 中野, 1978），その原因として，好気 · 嫌数とするのではなく，固相率も加えて定義する考え方は，

気環境による土壌中の鉄や有機物の変化が採り上げられ水田の畑転換や火山灰土の造成などが研究された 1960てきた（e.g. 斎藤 · 川口, 1971）．このような化学性の変年代から 1980 年代頃には本誌でも多く取り上げられている．しかし，水移動や溶質移動の解析において，土壌の変形や構造変化を連成的に考慮することは，多くの場
合現実的ではなく，さらに水移動の汎用解析ソフトウエ
アの普及も相まって，このようなテーマは土壌物理の表化に伴う挙動は，粘土鉱物の膨潤性に起因するミクロなスケールでの膨潤 · 収縮メカニズムの説明と関連付けて部分的には理解できる．一方で，個々の粘土鉱物の膨潤· 収縮が，直接マクロスケールの変形につながっている
わけではなく，階層的な土壌構造の変形が関与している

舞台からは遠ざかっているようにも見える．ただ，極端（e.g. Tuller and Or, 2003）．そのため，化学性の変化によ現象の増加に伴い，農地の排水の問題は，再び関心を持る時間依存的な構造変化を，実用的な出口を踏まえて理

たれつつあり，その鍵を握る水田土壌の物理性の経時的解するためには，メソスケールの構造変化に対する鉄や変化や不均一性とその制御に関する基礎研究の必要性

有機物の動態の影響を定量 · 比較することが必要と考えは，再び高まりつつあるとも言えよう．

ており，現在は，その糸口を実験的に探索している．

水分状態の変化に伴う土の体積変化は，「収縮」および「膨潤」と呼ばれる．このうち，収縮挙動を定量的に評価する上で欠かせない収縮曲線は，Tempany（1917）が，水分損失と体積減少との関わりに着目したことに始まる．Haines（1923）は，この関係が，土壌の乾燥に伴い，引用文献
Blight, G.E. (1966): Proc. ASCE, SM6: 19–37.
Haines, W.B. (1923): J. Agric. Sci., 13: 296–310.
中野 (1978): 北陸農試報, 21: 63 − 94．

Normal shrinkage，Residual shrinkage，Zero shrinkage の
3 段階に分けられることを示した．のちに，Stirk（1954）
が，Structural shrinkage を加え，収縮過程は，これら 4

斎藤, 川口 (1971): 土肥誌，42(1): 1–6.

つの段階に分類されている．その後，土壌水分と間隙比

Stirk, G.B. (1954): Aust. J. Agric. Res., 5: 279–290.

の関係（収縮曲線）を近似するモデルは，多く提案されTempany, H.A. (1917): J. Agric. Sci., 8: 312–330.

てきたが，近年では，van Genuchten 式と同じかたちのTuller, M. and Or, D. (2003): Journal of Hydrology, 272(1–4):関数で表した Peng and Horn（2005）によるモデルが，よく知られている．
一方，力学的には，土壌の収縮（特に normal shrinkage）
は，サクションによる弾塑性的な圧密挙動に他ならない．
これは，外力による圧密と，サクションによる収縮が，Peng, X. and Horn, R. (2005): Soil Sci. Soc. Am. J., 69: 584–
592.

50–71.
Yoshida, S and Adachi, K., (2004): Geoderma, 120(1–2): 63–
74.
Yoshida et al. (2014): Geoderma, 228–229: 104–113.

資料：みんなのミニレビュー

凍結 · 融解に伴う土中の水分 · 熱 · 溶質移動

83

飽和土が凍結する際，未凍土から凍結面に水が引き寄せられ，アイスレンズと呼ばれる氷塊が析出することが渡辺晋生ある．この際の土の体積膨張を凍上という．地盤の凍上

三重大学大学院生物資源学研究科

は構造物や農地，道路などに多大な被害を及ぼす．また，

キーワード: 凍土，凍上，不凍水，融雪水の浸潤

凍土の強度や遮水性を利用するためには凍上を制御する必要がある．それゆえ，凍上については古くから研究が進められてきた（Taber, 1929; 渡辺ら, 1997）．現在では，

雪．スキー．氷柱でチャンバラ．そもそも夏より冬が凍上機構については未だ諸説があるものの，比較的単純好きだった．卒論のテーマを決める際，「極端なのが面な一次元の凍上については実用レベルで予測可能である

白いよね．暑いのと寒いのとどっちがよい？」そんな指（高志ら, 1974）．しかしながら，地下水流のある現場や導教員との会話の中から土の凍結現象に惹かれたのは構造物が複雑に埋設されている現場などへの凍土の工学

自然の成り行きだったと思う．暑寒の両極端が凍結と蒸的利用の機会が増加するにつれ，解決が求められる現場発だとすると，凍結過程は蒸発も伴う一方，蒸発過程に的課題も湧出している．人工凍土の造成に必要なエネル

凍結の考慮が必要とは限らない．最も面倒な終わりなき

ギーの低減や精度よい造成技術などの開発とあわせ，研テーマの一つを選んだのかもとも思いつつ，コツコツ続

究すべき課題は多く残されている．

けて 30 年近くになる．当初はバブルがはじけたばかり

凍土は水を通さないと考えられがちであるが，飽和凍であったこともあり，比較的コストのかかりがちな凍土

土と異なり，不飽和土は凍結しても通水する．浸透水がの研究はマイナーな分野で，ニッチを狙うような雰囲気

次第に凍結することで凍土中の空隙を埋め遮水性が増すもあった．しかし，気候変動や異常気象が寒冷圏に及ぼのか，通水が熱を運び凍土の融解が促進するのかを明らす影響は甚大であり，気がつけば土の凍結現象は有名各かにすることは，地盤が凍結に晒される地域の水循環や誌で特集が組まれるホットでメジャーな分野となってい凍土下の酸化還元や微生物活性，農地の水分 · 施肥管理

た．せっかくなので，もう少し頑張りたいところである．

の視点からも重要である．そこで，不飽和凍土の透水係

土の凍結に関連するトピックは様々あるが，飽和凍土数の変化（Watanabe and Osada, 2016）や，不飽和凍土への強度や凍上現象，不飽和凍土の通水現象，凍土の物性の水の浸潤に及ぼす凍結前の水分量やマクロポア，溶質や物質移動を決定づける不凍水について，に大別できる．

の影響などが近年次々に明らかになっている（Watanabe

0 ◦ C 以下の土中に存在する液状水を不凍水という．不and Kugisaki, 2017）．こうした知見を斜面スケールや流凍水がなぜ存在するのか（Dash et al., 1995; 渡辺, 2009）

域スケールにいかに広げるか，凍結によって運ばれた溶や不凍水の水ポテンシャルと温度の関係（Schoﬁled et

質の析出現象をいかに評価するかなどが次に取り組む

al., 1938）については既に概ね理解されている．後者のべき課題である．また，不飽和土の凍結過程の水分 · 熱

文献は本誌の「古典を読む」でも上げてみたい文献でも移動は HYDRUS などでも概ね再現できる（Kurylyk andある．一方，現実の多くの凍土では不凍水の量や水ポテ

Watanabe, 2013）．しかし，温度が 0 ◦ C 近傍で停滞する

ンシャルが，土中の間隙氷の成長速度や，不凍水中の溶期間や融解過程についての数値解析は未だ難しく，現在

質濃度の時間変化，局所的な温度ムラなどにより，理論も取り組んでいる次第である．

的に推定される値より凍結過程では高く，融解過程では低くなりがちである．こうした理論と実際の違いをいか

引用文献に定量的に評価するかはこのトピックの一つの大きな課

Dash et al. (1995): Rep. Prog. Phys., 58: 115–167.

題である．また，不凍水量を TDR など誘電率測定に基Kurylyk and Watanabe (2013): Adv. Water Resour. 60: 160–

づき推定するのも今や珍しくなくなった（Watanabe and177.

Wake, 2009）．しかし，不凍水量の推定精度を向上する

Schoﬁeld et al., (1938): Agric.Science, 28: 645–653.

ためには，不凍水とバルクの水の誘電率の違い，土全体

Taber (1929): J. Geology, 37: 428–461.

の誘電率に対する誘電率が高くてもわずかしか存在しな

高志ら (1974): 雪氷，36: 49–68.

い不凍水と誘電率が低くても大量に存在する氷のそれぞ渡辺 (2009): 土壌水分ワークショップ論文集: 21.1–21.8.

れの影響などをいかに適切に扱うかに解を得る必要があ

Watanabe and Kugisaki (2017): Hydrol. Process., 31: 270–278

る．さらに，凍土の物性や凍土中の移動現象を考えるた

Watanabe and Osada (2016): Vadose Zone J.,

めには，不凍水量だけでなく氷量を同時かつ非破壊で測

doi: 10.2136/ vzj2015.11.0154

定できると有益である．そのため，様々な測定技術の併

Watanabe and Wake (2009): Cold Reg. Sci. Tech., 59: 34–41.

用や転用を模索しているのも現状である．

渡辺ら (1997): 農土論集, 191: 51–58.

true TDR 土壌水分センサ
CACC-SEN-TDR315H ¥45,000(税抜)

ブレークスルーテクノロジーにより、従来大型のシステムでしか可能ではなかった真のTDR測定方式
を小型なセンサーの中に凝縮しました。事実、このコンパクトなセンサーから生の波形データを取得(*)できます。

計測項目

出力

サイズ・重量

体積含水率(0-100%)
土壌バルクEC(0-5dS/m)
地温(-20-50℃)
比誘電率

デジタル(SDI-12)

本体200Ｌ＊553Ｗ＊19Hｍｍ
150mmロッド
440g(10m cable)

宇宙線式 土壌水分測定システム
CHI-CRS-1000B
COSMOS(COsmic-ray Soil Moisture Observing System)は、専用検出器を用いて宇宙線中性子数を測定することにより、それと負の相関性を示す土壌水分を計測するシステムです。半径約300m内の表層土壌水分を非破壊的に計測することができます。また、従来の土壌水分センサ
による点測定ではなく，面スケールの計測となりますので，空間的なばらつきを伴うサイトの面代表値を得ることができます。

計測項目

出力

プローブサイズ・重量

中性子カウント(個/min)

デジタル(RS232)

122.5 cmL x 11.5cmφ
10.4kg(mod) 4.5kg(bare)*システム構築、多チャンネル計測にはCampbell社データロガーをおすすめします

シンプルロガーC-CR1000X ¥398,000(税抜)
自然計測のシステムインテグレータ

クリマテック株式会社
http://www.weather.co.jp

本社：東京都豊島区池袋4-2-11 ＣＴビル6F
TEL 03-3988-6616 FAX 03-3988-6613

札幌営業所：札幌市東区北２２条東８丁目４－５

TEL 011-711-9921 FAX 011-711-9922

ӻӿӺ ஼ၟആ㈨ࠉᩱ

J. Jpn. Soc. Soil Phys.
土壌の物理性

Miscellaneous

No. 150, p.85 ∼ 91 (2022)

みんなのミニレビューを分析してみると溝口 勝 1 · 杉野弘明 1

1. はじめにマイニングとは，テキストと呼ばれる言語データを対象とするデータマイニングの理論および技術の総称であり1959 年に創刊した土壌の物理性の 150 号発刊の記念に「みんなのミニレビュー」が企画された．今回の企画
では土壌物理を志したきっかけや取り上げた研究テーマに興味を持った経緯等を 140 字程度 （ツイッターと同じ）で書くことが求められた．私（溝口, 2015）は国際土（小林, 2017），心理学や医療，マーケティングなど幅広い分野において研究が蓄積されてきている（例えば、木村ら, 2005; 磯島, 2006）．本研究では全 72 件，本文内容は

61,026 語が構成する大量の言語データであるため，テキストマイングが適していると考えられる．

壌年特集で「私の土壌物理履歴書」を書いてしまってい本研究では，「内容」，「タイトル」および「キーワード」

たので今更ミニレビューを書くこともないと思っていたを分析対象とした．「内容」データは頻度が 25 以上の頻が，記念号に関与しないのも寂しいので最近話題のテキ出語を，「タイトル」データは頻度が 2 以上の頻出語を，ストマイニングの手法で「みんなのミニレビュー」を分「キーワード」データは重複の無い 254 語を利用した．

析することにした．今回集まったレビューは必ずしも土

まず「内容」データを対象に頻出語同士の共起度合い

壌物理学会員全員ではないものの 72 件のレビューを分を隣接行列（Table 1）により表現し，それを基にグラフ析することで見えてきたことがある．本論文では分析の理論により算出した共起ネットワークを用いて，単語の方法と結果について紹介しながら次の 50 号に向けた期

グルーピングを行うことで，頻出単語の共起の塊を視覚

待について述べたい．

化し，トピック構造を捉えることを試みた．また，同様の分析を「タイトル」データを対象に実施した．

2． 分析手法
まず 2022 年 1 月までに「土壌の物理性」に投稿され次に，「内容」データの頻出語を利用した文書（各レビュー）× 頻出語の頻度行列（須賀ら, 1993; 大井, 1994）
を作成し，各レビューに紐づいた「所属」のデータを結たミニレビュー 72 件の電子データを分析可能な形にするため，いくつかの事前処理を施した．すなわち，1）タTable 1 単語同士の隣接行列の例 （表中の数字は共起数）．

イトル，著者名，所属，キーワード，本文，引用文献の各セクションへの分解，2）所属について機構名以降の細かい所属を切ったデータの準備，3）データ全体における重複の無いキーワードのリスト化，4）プレーンテキスト

土壌
研究
土

化に伴い生じた本文データの修正したものを分析データ

行う

とした．

考える

本研究で扱うテキストデータの分析方法としては KJ

水

土壌

研究

土

行う

考える

水

–
124
50
27
85
139

124
–
67
24
38
98

50
67
–
13
22
51

27
24
13
–
77
85

85
38
22
77
–
34

139
98
51
85
34
–

法（川喜多, 2006）や GTA（Glaser and Strauss, 1967）といった質的アプローチが広く知られている．しかし，手作業での分類はデータ量の多さに比例して効率が低下す

Table 2 文書 × 頻出語の頻度行列の例．

るため，多量テキストデータに対しては量的アプローチ

ID

所属

土壌

研究

土

行う

水

も望まれる．近年ではコンピュータの処理能力の向上と

1
2
3
4
5
6

新潟大学

2
4
0
1
3
5

3
6
0
0
2
1

2
2
1
1
0
0

0
3
0
1
0
0

1
3
5
0
3
2

分析に用いるためのソフトウェアの開発 · 発展に伴い，分析の客観性保持と恣意性排除が叶う定量的な分析手法
としてテキストマイニングが注目されている．テキスト
1 Graduate School of Agricultural and Life Sciences, The University ofTokyo, 1-1-1 Yayoi, Bunkyo-ku, Tokyo 113-8657, JAPAN. Corresponding Author: 溝口 勝, 東京大学大学院農学生命科学研究科.

農研機構
筑波大学
宇都宮大学
岩手大学
北海道大学

土壌の物理性

86

Fig. 1

第 150 号 (2022)

レビュー内容における頻出語の共起ネットワーク．

合させた上で（Table 2），所属と頻出単語の 2 種類のノー3． 分析結果

ドから成る 2 部グラフを描画した．2 部グラフとは，グ
ラフ内の集合を 2 つに分割し，全ての辺が各集合に所属

レビュー内容のデータから作成した頻出語の上位 150

するノードを結ぶようにして作成されるグラフ（ネット

語を Table 3 に示す．「土壌」や「研究」，「土」，「水」とワーク）である（Krebs, 2002）．これにより，キーワー

いったどのレビュー文章にも入る単語が上位に入った上ドを介した所属組織同士の繋がりを見ることができる．

で，「モデル」や「実験」，「水田」，「土壌水分」など多

最後に，上記で使用した「内容」データの文書 × 頻

く扱われたテーマに関連する単語が続く形となった．ま出語の頻度行列に，タイトルとキーワードの頻度行列をた，レビュー内容の頻出語を使った隣接行列から作成し結合させたものを利用し，クラスター分析を行うことにた共起ネットワークを Fig. 1 に示す．描画されたネット

よってレビュー同士の類似度を算出し，可視化した．分

ワーク中，複数の頻出語によって形成された下位グルー

析を実施する際には，各データに含まれる共通単語が占プは 11 個見られた．「研究」という単語を中心に形成さめる割合から算出する Jaccard 係数を距離として用い，れた一番大きなグループには，「土壌物理」，「実験」，「物

また結合法にはグループ内の分散に対するグループ間の

理」
，
「評価」
，
「課題」などの単語が含まれた．
「研究」を

分散を最大化する Ward 法（金, 2007）を利用した．

中心としたグループに繋がる形で，「水」，「技術」，「開なお，分析には，統計解析ソフトウェアである R Ver.
4.1.0 を使用し，TM が可能なパッケージ「RMeCab」とネットワーク分析用パッケージ「igraph」を主に用いた．

発」，「結果」，「データ」といった単語群で形成されたグループが示された．また再頻出語の「土壌」を中心に作られたグループでは，「農業」や「問題」といった単語が資料：みんなのミニレビューを分析してみると87

Table 3 レビュー内容の頻出上位 150 語．
抽出語

出現回数

土壌

464
434
130
122
118
114
109
100
97
96
94
93
92
88
88
88
87
85
79
79
78
77
77
74
74
73
73
71
71
71
69
66
64
63
62
62
62
59
58
57
56
56
55
55
54
53
53
53
52
52

研究
土
行う
考える
水
モデル
変化
影響
用いる
土壌物理
環境
窒素
思う
実験
測定
根
結果
解析
必要
濃度
水分
圃場
物理
利用
関係
技術
観測
水田
論文
大きい
調査
開発
地下水
現象
作物
評価
高い
降雨
農業
構造
試験
異なる
可能
先生
データ
栽培
問題
土壌水分
得る

抽出語

出現回数

抽出語

出現回数

特性

52
52
51
51
51
51
51
51
50
50
50
49
48
48
48
47
47
47
47
47
46
46
45
44
44
44
42
42
41
41
41
41
40
40
40
40
40
40
40
39
39
38
38
38
38
38
37
36
36
36

地域

36
36
36
35
35
35
35
34
34
34
34
34
33
33
33
33
32
32
32
32
32
32
31
31
31
31
30
29
29
29
29
28
28
28
28
27
27
27
27
27
27
27
27
27
27
26
26
26
26
26

明らか
重要
条件
畑
発生
様々
灌漑
現在
取り組む
予測
多く
課題
効果
示す
過程
推定
低下
日本
伴う
その後
方法
テーマ
移動
水管理
生育
強度
現場
フロック
進める
速度
多い
化学
間隙
手法
森林
凍結
農地
理論
今後
生産
改良
管理
対象
分野
粒子
汚染
興味
検討
大学

地表
有機物
解明
凝集
透水性
理解
稲
地下
排水
与える
要因
持つ
受ける
深い
分布
実施
場合
状態
植物
浸潤
存在

As
暗渠
知る
飽和
凍土
システム
感じる
挙動
向上
コロイド
乾燥
機能
吸着

Cd
パラメータ
会議
改善
経験
使う
生じる
特に
内容
流出

FB
温度
及ぼす
求める
植生

土壌の物理性88

第 150 号 (2022)

Table 4 タイトルの頻出上位 30 語．
抽出語

出現回数

抽出語

出現回数

抽出語

出現回数

土壌

14
7
7
5
4
4
4
4
4
3

関係

3
3
3
3
3
3
3
3
2
2

向ける

2
2
2
2
2
2
2
2
2
2

研究
土壌物理
畑
現象
森林
水田
測定
土中
環境

Fig. 2

技術
水分移動
窒素
土
物質循環
予測
溶質移動
汚染
活動

構造
出会う
消費
振り返る
水移動
水管理
水分
制御
土壌水分

タイトルにおける頻出語の共起ネットワーク.

含まれた．また，「水分」，「飽和」，「観測」，「影響」な

タと同様に「土壌」や「研究」，「土壌物理」といった単

どといった単語が含まれたグループも「土壌」を中心と語が頻出しており，「畑」や「森林」
，
「水田」
，
「土中」と

したグループからの繋がりを持つ形で示された．他にもいった研究対象を示す単語が続く結果が見て取れる．ま「暗渠」と「排水」の 2 語で形成されたグループや，「フ

た，
「向ける」
（
「〇〇に向けて」等）
，
「出会う」
（
「〇〇と

ロック」，
「凝集」，
「コロイド」といった語で形成されたの出会い」等），「振り返る」（「〇〇を振り返る」等）とグループ，そして「栽培」，「作物」，「低下」，「要因」ないった単語もタイトルのデータを特徴づけるものであっどの語で形成されたグループも存在した．

た．タイトルの頻出語を使った共起ネットワークを Fig.

同様に，タイトルのデータにおける頻出語の上位 302 に示す．ネットワークには 7 個の下位グループが示さ

語を Table 4 に示す．表を見ると，レビュー内容のデー

れた．一番大きい下位グループ（図中右）には「窒素」，

資料：みんなのミニレビューを分析してみるとFig. 389

レビュー内容における頻出語と所属の 2 部グラフ．

「動態」，「水分移動」，「環境」，「反応」といった単語が含たグループが形成されており，「博士」や「理論」といっまれた．「窒素」を軸として「水管理」，
「技術」，
「変化」

た単語を介して「岩手大学」や「島根大学」に対して繋といった語で構成されたグループが繋がっており，さらがり，その周辺には「地表」や「濃度」，「挙動」といっに「影響」や「評価」，「現象」，「機能」で構成されたグた単語が繋がっていた．また「岡山大学」，「東洋大学」，

ループへと接続していた．また，周辺の下位グループと「高知大学」，「明治大学」などには「会議」や「パラメー

して「有機物」，「物質」，「粘土」が構成するもの，「水タ」，「植生」，「浸潤」といった単語を媒介してグループ

分」，「溶質移動」，「土中」が構成するもの等が示された．

が広がっていた．「高知大学」の先には「推定」や「径」

次に，レビュー内容の頻出語を所属のデータと結合さが，「東洋大学」の先には「汚染」や「秋田県立大学」が，せた頻度行列から，所属と頻出単語の 2 種類のノードか「鳥取大学」の先に「地下水」や「実施」が，「間隙」やら成る 2 部グラフを描画した（Fig. 3）．図中右下を見る「農地」というキーワードの周りに「東京農業大学」，「浸と，「農研機構」を中心とし，「土壌」，「水田」，「圃場」，

潤」の先に「明治大学」や「茨城大学」，「東京農工大学」，「環境」，「技術」などのキーワードを含んだ大きなグルー「三重大学」が繋がっていた．また「凍土」がハブのキープが形成されていることが分かる．また，「農研機構」に

ワードとなって「三重大学」，「ケミカルグラウト株式会繋がった単語群に対して「北海道大学」と「北海道立総社」，「岐阜大学」と繋いでおり，その先には「凍結」や合研究機構」が繋がっていた．この大きなグループに対

「稲」
，
「地下」
，
「暗渠」といったキーワードにより「長野して，「理解」という単語で「東京大学」に繋がっており，

県野菜花き試験場」，「道総研中央農業試験場」，「東北芸

そこから「降雨」や「流出」で「京都大学」や「森林研究術工科大学」，「新潟大学」や「長崎大学」，「北九州市立· 整備機構森林総合研究所」，「佐賀大学」に繋がり，周大学」，「山口大学」を繋げたグループが存在した．

辺には「水管理」や「森林」，「植物」といった単語が付

最後に，レビュー内容から作成した頻度行列を基に実置された．また，図中中央には「筑波大学」を中心とし施したクラスター分析の結果として，併合過程を樹形図

90

土壌の物理性෈֩ཛྷౖ஦͹ਭ෾ʀ༻࣯Ңಊրਜ਼ౖৗԜઝଲࡨ๑Ͷ͕͜ΖҢླྀ෾ࢆմੵ͹ཤ༽೸༽ஏ͹ౖৗ৷ৱͳड़ճͮͱ
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‫ޫـ‬รಊͶ൒͑߳ӏϏνʖϱ͹รԿ͗೸ஏͳࡠ෼Ͷ༫͓ΖӪ‫ڻ‬͹඲ՃͳనԢ೸๑͹ཱི֮Ͷ޴͜ͱ໼ ֐ Ͷ ͕ ͜ Ζ ‫ ؜‬ਭ ི Ϝ φ Ϩ ρ έ ϖ ρ χ ‫ܐ ؖ‬ଡ޺࣯ର஦͹ਃ७‫ݳ‬েͶଲͤΖ॑ྙ͹Ӫ‫ڻ‬ϖτϫ͵αϫ΢χ༎ૻ‫ݳ‬েͶ޴͜ͱड़ճ͏ɾࠅࡏճ٠ͳ‫ڧ؂ڂݜ‬ࢴద࢛దϓϫρέ
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ౖ͹౜৏‫ݳ‬েɾชԿࡔ͹྾Կͳਭ෾ҢಊΠϪ΢Πϱτψஏ஦ϪʖξʖͶΓΖౖ஦ਭ෾Ңಊգఖ͹ՆࢻԿͶͯ͏ͱ౜݃ʀ༧մͶ൒ౖ͑஦͹ਭ෾ʀ೦ʀ༻࣯Ңಊౖৗඏࡋ‫ܙ‬ସָ͹॑གྷ੓ౖৗ஦͹෼࣯Ңಊ͍Η͞ΗౖৗߑଆͳਭҢಊͶͯ͏ͱؔ伳ߑଆͳౖৗ෼ཀྵ੓͹‫ܐؖ‬ߑଆ͗໪Ή͛Ζ͚͢รԿͤΖਭీౖৗౖৗਭ෾͹Ӷ੗߁Ү؏଎ͳ࣬७ౖৗ༢ుི
ਭৱΝ༩଎ͤΖౖৗ͹೦ಝ੓଎ఈٗढ़Ν‫ͤ༽׈‬Ζ
Ҳؑ੓͹͵͏ࢴ͹ࡸଡ͵‫ڂݜ‬ਁྜྷౖৗ͹ฯਭ੓ʀಃਭ੓Ͷͯ͏ͱਁ ྜྷ ౖ ৗ ͹ ޲ ͠ ͳ ‫ ͠ ݐ‬ʖ ೧ Ͷ ࿳ Ζ ଎ ఈ Ͳ Ձ ͗ Κ ͖ ͮ ͪ ͖ ʖౖৗ྾Կ͖Δਫ਼ସ‫ؽܧ‬೵඲ՃΉͲಊ૮෈ಊ૮ϠυϩͶΓΖౖ஦͹༻࣯Ңಊ৯࠾‫ܯ‬ͶΓΖౖ৯͹଎ఈ࣬֒Ν෾ׄ͢ͱΊΖৱྋਫ਼ࢊʀভඇ͗΍ͪΔͤൕԢ੓஢ોͶΓΖ‫ڧ؂‬ෝ՛డ୺ஏͶ͕͜Ζ‫ڂݜ‬Ν৾Εศͮͱ૴‫ݬ‬͹ਫ਼෼ଡ༹੓ฯસͶ޴ౖͪ͜ৗ෼ཀྵָద؏఼͖Δ͹खΕૌΊౖ͹‫ؽ‬೵ΝཀྵմͤΖͪΌͶචགྷ͵͞ͳͳͺʃʛॵ౵ʀ஦౵‫گ‬үͶ͕͜Ζౖৗ‫گ‬ү͹ࣰભʛਭ͹҈ఈಋҒରΝ༽͏ͪஏҮ͹ਭ१‫؂‬඲Ճਭ ؇ ཀྵ Ͷ Γ Ζ ‫ ݲ‬ธ ஦ $Vʀ &G ఁ ‫ ٗ ݰ‬ढ़ ͹ ֋ ൅ਭ؇ཀྵͶ൒͑ਭీ͹஢ો‫ڧ؂‬͹รԿౖৗ౜݃਄੏‫ޜ‬ͶΓΖീ͹ਫ਼ࢊ੓޴৏
༙‫ؽ‬೸‫ౖͳۂ‬ৗ෼ཀྵ੓वછߠͶΓΖਭీ͖Δ͹ϟνϱΪη๎ड़ཊ੏ౖ͹ߑଆ͗࢐Կؒ‫ݫ‬ൕԢΝ੏‫ͤޜ‬Ζೊओஏ൭րྒྷౖ͹ηϪʖΫϱήͶͯ͏ͱา৖͹ഋਭ੓
ώ΢Ψ୺ͶΓΖౖৗ෼ཀྵ੓͹րྒྷ୉‫و‬ໝീࡠஏଵͶ͕͜ΖϨϠʖφιϱεϱήٗढ़͹ཤ༽Ͷͯ͏ͱஏԾᕴᕳ༙‫ؽ‬෼ࣁࡒͳౖৗ෼ཀྵ੓໼ࡌീ͖Δ‫ͪݡ‬ਭీౖৗ͹Ԡ਄͠Ԛ֒ਭీ͹र෰Ͷ‫ͤؖ‬Ζ‫ڂݜ‬ࢴ͹‫়ڂݜ‬ղ৤ଆ༽ϔχΤԄౖৗͶ͕͜Ζ෼࣯१‫؂‬೸ߠஏ͹ౖৗ෼ཀྵ੓րવΝໂ‫ͱݡ‬ξ΢θΏϞά͹਄ౕพࠞືౕ௒ࠬ͹๏๑෫ḟ͹༩଎ͳཊ੏͹ͪΌͶౖৗ஦͹෼࣯͹ಊ͘ ʷ೬ౖ߯෼ɾౖৗ༙‫ؽ‬෼ͳιεΤϞ͹‫ܐؖ‬ʷ
૴ஏ͹Ի࣪ްՎΪηफࢩͶͯ͏ͱ୺ ો ஹ ཻ ͳ 6RLO +HDOWK͞ΗΉͲ͹‫׈ڂݜ‬ಊΝ৾Εศͮͱ෈‫ۋ‬ҲླྀԾͲ͹ౖৗඏਫ਼෼͹‫׈‬ಊͳ෼࣯१‫؂‬ોࡒͳ‫ؽ‬փͳड़པ৏͗Εౖͳ෼࣯१‫؂‬Ͷͯ͏ͱ๼཰ஏ๏͹೬ౖ࣯า৖Ͷ͕͜Ζ‫ݔ‬୛෼࣯͹ҋ‫ླྀڐ‬ड़ત‫ܙ‬࿪ਭ෾ฯ࣍‫਼͖ؖ‬Δ͹෈๠࿪ಃਭ‫ࢋܯ਼ܐ‬๑ౖৗਭ෾‫ܯ‬͹଎ఈ‫ࠫޣ‬གྷҾͶͯ͏ͱ౜ౖͳ͹͞ΗΉͲ

Fig. 4

レビューのデンドログラム （クラスター分析）．

第 150 号 (2022)

資料：みんなのミニレビューを分析してみると

91（デンドログラム）状に描画したものを Fig. 4 に示す．図ロイドやフロック，④森林での土壌物理と移動現象，⑤中，タイトル同士の距離はそれらから延びている線が連

土壌と水，⑥湿害と水管理，⑦有機と反応，⑧研究紹介

結するまでの高さで示されており，短い方が似ていると解釈する（金, 2007）．全データは 10 個のクラスターにと将来展望，⑨土壌と物質循環，⑩土壌水分と計算．これらは必ずしも学会の論文や研究発表会におけるテーマ

分けられ，一番大きなクラスターには 17 のレビューが，別と符合するものではないが，各レビュワーが自身の専最小のクラスターには 3 つのレビューが所属する結果と門分野からあるテーマをその歴史から将来展望にかけてなった．最大のクラスターには，「土の凍上現象，文化

広く紹介している傾向が見て取れる．

財の劣化と水分移動」や「凍結 · 融解に伴う土中の水分 ·
熱 · 溶質移動」，「土壌水分の衛星広域観測と湿潤土壌誘

5． おわりに電率」，「森林土壌の厚さと堅さ — 30 年に亘る測定で何がわかったか —」といったタイトルのレビューが含まれテキストマイニングはデータサイエンスの分野で定性た．また，次に大きなクラスターには，「大規模畑作地帯

的なビックデータを可視化する手法として使われ始めてにおけるリモートセンシング技術の利用について」，「圃

いる．今回は 72 件のレビューをこの手法を使って分析場の排水性」，「地下灌漑」，「農耕地の土壌物理性改善をしてみた．72 件は全正会員の 35 % に過ぎずとてもビッ

夢見て」といったレビューが含まれた．他にも，「湿害をクデータとは言えないが，現役で活躍する土壌物理学会

分割してみる」，「草原の生物多様性保全に向けた土壌物

員の傾向をそれなりに可視化できたように思う．

理学的観点からの取り組み」，「水の安定同位体を用いた土壌の物理性 50 号にはテーマを予め設定した「土壌物地域の水循環評価」，「水管理に伴う水田の窒素環境の変理研究レビュー」と座談会「土壌物理の歴史とその展望」

化」といったタイトルのレビューが形成するクラスターが掲載されている．私（溝口）は 50 号が発行された１かや，「有機農業と土壌物理性」，「秋浅耕による水田からの月後に博士課程を中退して三重大学の助手になった．そメタンガス放出抑制」，「土の構造が酸化還元反応を制御の時から 100 号分の歳月を経て 50 号で議論された展望する」といったレビューのクラスターが確認された．

がどれくらい開けたのだろうか？ 結局のところ土壌物理が扱う領域は何も変わっていないような気もする．

4． 考察
引用文献

レビュー内容を対象とした頻出語の分析結果を概観す
ると，ミニレビューは大きく 1）土壌物理にまつわる諸課題を紹介したもの，2）各課題に対して詳しい分析手法

Glaser, B. and Strauss, A. (1967): The discovery of groundedなどを紹介したもの，3）各テーマの歴史的背景を探った

theory: strategies for qualitative research. Aldine Pub. Co.,もの，4）諸テーマに関する現状紹介と将来的課題を示したもの，に分類することができる．また扱われる課題やテーマに関しては，灌漑や暗渠排水，作物栽培，土壌中の水分移動，乾燥問題など多岐に渡っており，関連するキーワードが頻出語として挙げられている．加えて，タイトル中に含まれる頻出語の分析結果を見ると，物質循
環や水管理，溶質移動や粘土，窒素，動態といったより具体的なキーワードを確認することができる．

2 部グラフの結果からは，農研機構や筑波大学のミニレビュー執筆における中心的な役割がネットワーク上にも表れていると言える．また，キーワードを介した所属機関の繋がりは，表面上はレビュワー同士の繋がりを意

Chicago.
磯島昭代 (2006): テキストマイニングを用いた米に関する消費者アンケートの解析, 農業情報研究, 15(1): 49–60.
川喜田二郎 (2006): 発想法, 中央公論新社, 東京.
木村昌臣, 古川裕之, 塚本 均, 田崎久夫, 空閑正浩, 大倉典子, 土屋文人 (2005): 医薬品使用の安全性に関するアンケートの解析 テキストマイニング手法の適用, 人間工学,

41(5): 297–305.
金 明哲 (2007): R によるデータサイエンス. 森北出版, 東京
小林雄一郎 (2017): R によるやさしいテキストマイニング,
オーム社, 東京．

Krebs, V. (2002): Uncloaking terrorist networks. First Monday, 7(4). https://doi.org/10.5210/fm.v7i4.941

味しないが，例えば三重大学を中心として広がる凍土に

溝口 勝 (2015): 土壌の物理性, 130: 35–37.

関する研究など，研究テーマの系譜や機関間における伝大井 紘（編）(1994): 自由記述法による生活環境に関する地

播の足跡を知ることができる．
クラスター分析の結果では，頻度行列から自動的に分域住民の意識の調査と分析, 国立環境研究所研究報告 第132 号.

類を行っていることから必ずしも綺麗な分類となってい須賀伸介, 大井 紘, 原沢英夫 (1993): 自由連想調査とクラスないところもあるが，概ね下記のような分類を見出すこ

ター分析による水辺に対する住民意識の研究, 土木学会とができる：①土壌汚染 · 土壌侵食，②畑地と作物，③コ

論文集 No. 458/IV-18: 91–100.

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J. Jpn. Soc. Soil Phys.
土壌の物理性No. 150, p.93 ∼103 (2022)

不耕起栽培と人工マクロポア導入が石垣島サトウキビ畑における土壌保水と有機物蓄積へ与える効果
岡香菜子 1 ·Bui Thanh Long1 · 森也寸志 1 · 大澤和敏 2 · 干川 明 3

Artiﬁcial macropore installation and no-tillage practice in subtropical sugarcane ﬁeld
to conserve water and organic matter in soils
Kanako OKA1 , Thanh Long BUI1 , Yasushi MORI1 , Kazutoshi OSAWA2 and Akira HOSHIKAWA3

Abstract: Artiﬁcial macropore introduction and no-tillpractices were conducted in the subtropical red soil of asugarcane ﬁeld on Ishigakijima Island, Japan, to increase
the storage of soil water and carbon. The examined ﬁelds
were suffering from heavy rain, typical of the subtropicalclimate, the intensity of which is increasing because of climate change. Heavy rain causes surface runoff and soil
erosion, which decreases sugarcane ﬁeld. Soil particles
were being delivered directly into the sea, potentially affecting coral reefs. Therefore, the storage of soil water andsoil carbon is crucial for protecting the natural subtropical environment. Artiﬁcial macropores with bamboo ﬁbers
were installed at 1 m intervals to enhance vertical inﬁltration. In addition, no-tillage agriculture with the retentionof plant residues was conducted to protect the surface soil
from the impact of heavy rain. Field management trials
were conducted under no-tillage with/without macropores(NT-M and NT-X, respectively) and conventional tillage
with/without macropores (CT-M and CT-X, respectively).
Rainfall, surface runoff, soil erosion, soil moisture, and total soil carbon were measured. As a result, the macropore installation ﬁelds (CT-M and NT-M) had greater soil
moisture contents than the ﬁelds without macropore installation (CT-X and NT-X). The average soil moisture valuesof each proﬁle revealed that NT-M retained more soil water than CT-X (p < 0.01). Moreover, the calculated soil
proﬁle total carbon decreased under NT-X, CT-M, and CTX. This is normal for a tropical climate with a relatively
high temperature. However, the NT-M treatment showed
an increase in soil carbon by +0.45 t-C·ha− 1 ·yr− 1 . Thisvalue corresponded well with that of conservative practices
in such agriculture ﬁelds. This result indicates that macropore installation in combination with no-tillage practices
increases the total carbon in the soil proﬁle, even in tropical climates. We recommend macropore installation with
1 Graduate School of Environmental and Life Science, Okayama University, 3-1-1 Tsushimanaka, Okayama 700-8530, Japan, Corresponding
author: 森 也寸志 岡山大学大学院環境生命科学研究科, 〒700-8530 岡
山市津島中 3-1-1, yasushim@cc.okayama-u.ac.jp
2 Faculty of Agriculture, Utsunomiya University, 350 Minemachi, Utsunomiya 321-8505, Japan.
3 Sekiseishouko Coral Reef Fund, 221 Ishigaki, Ishigaki 907-0023, Japan.
2021 年 9 月 13 日受稿 2021 年 12 月 27 日受理

no-tillage practices with plant residue retention as an effective measure for enhancing the retention of soil water andsoil carbon.
Key Words : artiﬁcial macropore, no-tillage, surface
runoff, soil erosion, soil carbon

1. はじめに
現在，世界各地で土地荒廃が進行し，世界の耕作地の 20 %，森林の 30 %，草地の 10 % が劣化しており，
また 15 億人がそこで生活しているとされている（FAO,

2008）．特に強い降雨による水食は，環境及び農業上の重大な問題であり，土壌劣化の中でも大きな割合を占めている（Pimentel et al., 1995）．耕地において表層土壌を失うことは生産性の低下を引き起こし，大きな課題となっている．例えば，米国の土壌保全試験地において長期耕作試験を行うと，10 年間で約 15 cm の表土が失われ，土壌有機炭素量が 1/4 に低下し，それに伴いトウモ
ロコシの収量は 2.7 Mg ha−1 y−1 減少した（Borst et al.,1945）．また，フィリピンでは侵食によって 15 年間でトウモロコシの生産性が 80 % 減少したという報告がある（Dregne, 1992）．環境的側面から見れば，1600 Mha もの農地が土壌流亡に曝されており，それに伴って陸域から失われる炭素相当量は 24.9 Pg にもなり（Lal, 2001），
農地というレベルだけでなく，陸域レベルでの喫緊の課題と言える．
沖縄県石垣島でも，陸域から海域への赤黄色の土壌
（以下，
「赤土」
）の流出が大きな問題となっており，栄養塩の動態も含めた包括的な考察がされている（池田 · 菅,2014）．赤土流出は，農地における肥沃な土壌の流出による生産性の低下だけでなく，海域における微細な土砂によるサンゴ礁の死滅 · 劣化を引き起こす．サンゴは貧栄養場での生育を好み，また海底に堆積した赤土はサンゴと共生する褐虫藻の光合成を阻害するため，赤土流出はサンゴの生育環境を劣化させる（山里, 1991）．石垣島

94

土壌の物理性第 150 号

（2022）

周辺のサンゴ礁は 363 種類にのぼり，世界屈指のサンゴと考えられる．不耕起栽培で一定の効果が観察されるの礁海域を形成している（石西礁湖自然再生協議会, 2007）

は，植物残渣が雨滴の衝撃を和らげ，不透水膜の形成を防ため，重要な観光資源でもある．

止することによると考える．そこで本研究では，土壌間石垣島では 1950 年代から圃場整備事業や各種インフ

隙構造を疑似的に作る人工マクロポア（Mori et al., 2014）

ラ事業等が顕著になり，土地利用が森林から畑地等へ大を土壌に設置して透水性を改善し，表面流の発生を軽減

幅に改変された．石垣島には高い受食性を持つ赤土等のすることを考えた．人工マクロポアとは，自然中の土壌

熱帯性土壌が広く分布しており，雨で容易に分散し流出構造である粗大間隙を人工的に作り，構造維持のためにする（翁長 · 宜保, 1984）．亜熱帯性気候がもたらす降雨

竹繊維などを挿入したものである．これまでの研究で，強度の強い雨は土壌に衝撃を与え，流出を助長させる．

浸透時の目詰まりを回避しつつ（Mori et al., 2013），下

また石垣島では傾斜 3 % 以上の急勾配圃場が農地全体

方浸透が促進されること（Mori and Hirai, 2014），表面流の 5 割を占めている（沖縄県八重山支庁農林水産整備課,が発生しがちな貧栄養土壌で下方浸透を改善し，根群域

2008）．これら土壌，降雨，地形条件が加わり土壌侵食が増大したため，沖縄県は 1994 年に「赤土等流出防止条例」を制定し，各種開発に伴う排水基準を最大 200 mg
L−1 と規定した．その結果各種開発による赤土流出は減での水分を増加させることで植物バイオマスと土壌有機

少したものの，主な発生源である農地からの流出は規制の保全的農地管理に非常に有効である．よって，本研究されていないため，栄養塩を含む土砂が流亡する課題がでは，技術開発の初期段階として土壌水分と土壌有機物

報告されており，農林地管理のあり方が議論されているを保全することを目的とし，沖縄県石垣島において実際（大澤ら, 2004a; 大澤ら, 2004b）．

に営農活動が行われているさとうきび畑に不耕起栽培と物量が増加する成果が得られている（Mori et al., 2014）．
農家の事情によって不耕起栽培が実施しにくい場合，もし慣行農法に代わる選択肢を示すことができれば今後

一方，沖縄県では，石垣島の主要作物であるサトウキ

人工マクロポア導入を実施しその効果を調べた．具体的

ビの栽培における具体的な営農的流出抑制対策として，には，土壌水分，雨量，表面流量，土壌流亡量，土壌有畑面被覆や圃場周辺部の保護，裸地期間の短縮，斜面長

機物量を計測し，不耕起栽培の効果と人工マクロポア導の短縮，心土破砕，不耕起栽培の回数を増やすなどを挙入の効果を比較，検証した．

げている他，沈砂池を設けるなどの対策が行われている（沖縄県農林水産部, 2014）．圃場での赤土流出量削減率

2． 試験方法

を不耕起栽培，間作作物による被覆，植生帯の設置の 3
つで比較すると，植生帯の設置，間作作物による被覆，不2.1 試験地の概要と人工マクロポアの設置

耕起栽培の順に効果が大きくなった（大澤 · 池田, 2007a;

石垣島南西部に位置するサトウキビ畑（北緯 24◦ 21’

大澤 · 池田, 2007b; 乃田ら, 2009）．
不耕起栽培とは，通常行われる耕耘を行わず，作物の刈り株，わらなどの作物残渣を畑地表面に残した状態
で次の作物を栽培する方法である．作物残渣が雨滴の衝撃を弱め，降雨時の土壌クラストの形成を抑制し，雨水の土壌中への浸透を維持するため，土壌流出抑制対策

56”，東経 124◦ 07’ 34”）を試験圃場とした．1981 ∼ 2010
年の年平均気温は 24.3 ◦ C，年平均降水量は 2106.8 mm（気象庁, 2011）であった．試験期間の 2013 年は 2161.0
mm で平年通りだが, 2014 年は 1300.5 mm と非常に少なかった（気象庁, 2021）．

出は，土壌の透水性を越えて強雨が降る，または土壌表

試験地の概要図を Fig. 1 に，営農スケジュールを
Table 1 に示す．土壌は礫質黄色土（カーラ岳系）（沖縄県, 2021）または風化変質赤黄色土（農研機構, 2021）で，試験圃場は，斜面長約 80 m，畝幅は約 1.4 m で 8 列，図の上から下方向（西から東）へ 3 % の傾斜があり，石垣島では標準的に見られる圃場であった．2013 年 2 月から畝 4 列分を不耕起区，畝 4 列分を耕起区として栽培を行った．2014 年 3 月に耕起 · 不耕起それぞれの区の畝間 1 列に人工マクロポアを設置し（マクロポア区），隣接
する畝間 1 列を対象区（無処理区）とし，不耕起マクロ
ポア区（No-Tillage with Macropore, NT-M），不耕起無処理区（No-Tillage without Macropore, NT-X），耕起マク
ロポア区（Conventional Tillage with Macropore, CT-M），
耕起無処理区（Conventional Tillage without Macropore,CT-X）の 4 つの試験区を設けた．人工マクロポアの設計

層に不透水膜ができて浸透が抑制されることが原因と考については次の項で説明する．

として効果があるとされている（Tebrügge and Düring,1999）．海外では，一つには重機の転圧による土壌の締め固めを軽減するために（Richard et al., 2001）, また地
球温暖化の軽減という意味から，土壌団粒を破壊し，酸素との接触を増大させ，有機物分解を促進しがちな耕耘
ではなく，不耕起で栽培する技術が普及しつつある（Sixet al., 2000）．先に述べたように，不耕起栽培は赤土流出抑制に効果があり，その実施が望まれるが，実際に不耕起栽培を行う営農農家は通常栽培を行う農家よりも少ない（石垣市, 2016）．理由として，雑草が生えやすい状態になること，また，農家としては放置に見える管理をあ
まり望まないなどがあげられる．
亜熱帯における表面流の発生そしてそれに伴う赤土流えられる．従って，透水性の改善または透水性を維持す

不耕起区は 2013 年 2 月から耕起を行わず，前作のサる工夫ができれば表面流の発生や赤土流出を軽減できる

トウキビの株を栽培し，2014 年 2 月に収穫した．さらに

論文：不耕起栽培と人工マクロポア導入が石垣島サトウキビ畑における土壌保水と有機物蓄積へ与える効果 95
株を残し栽培を行い，1 年経過した 2015 年 3 月に再度収穫した．耕起区では夏植え栽培を行い，2013 年 7 月に耕起，8 月にサトウキビを植え付け，2015 年 3 月に収穫した．夏植え栽培では苗の植え付けを 7–9 月に行うため，栽培期間は 1 年半となる．

2.2 人工マクロポアの設計
Fig. 2 に人工マクロポアの模式図を示した．人工マク
ロポアは，サトウキビの畝間に畝に沿って 1 m 間隔で 10カ所設置した．検土杖で直径 1 cm 深さ 40 cm の穴を設け，その穴に竹繊維を埋設した．竹繊維は直径 1 cm の束にし，長さ 50 cm，密度 0.3 g cm−3 のものを埋設し，地上に竹繊維が突出するようにした．これは地上部に先端を出すことで，後にクラストが形成されたり，土砂がFig. 1 試験地概要図．
Schematic design of the ﬁeld.

流れ込んでも小孔としての構造を維持し下方浸透機能を維持するためである（Mori et al., 2014）．なお，人工マ
クロポアの水平方向の影響範囲はおよそ半径 50 cm であTable 1 営農スケジュール．
Cultivating schedules.

る（﨑川, 2016）．

2.3 調査方法

不耕起
作業日

内容

2013/2
2013/6

前年の株から栽培

2013/8
2014/2
2014/3
2014/3
2014/92015/3
2015/4

耕起区，不耕起区の下端にパーシャルフリューム（3

耕起
作業日

内容

2013/7
2013/82013/11

耕起

フリューム下部には濁度計（COMPACT-CLW，JFE アド

苗植付, 施肥 B

バンテック）を設置し，流量と濁度から流出土砂量を計

施肥 A，培土測できるようにした．

収穫，植物残渣
土壌採取，人工マクロポア · 水分センサー設置
前年の株から栽培

2014/3高培土

2015/3

収穫調査，データ回収
収穫ウイジン）を設置し，2 つの畝間から流れ出る表面流出量の水位を計測し，流量に換算した．また，パーシャル

施肥 A
施肥 B

インチ型，ウイジン）とフロート式水位計（UNZ-GY30，

土壌採取，データ回収
施肥 A: BB877, 施肥 B: 世美がえり

4 つの処理区それぞれのパーシャルフリュームから上流側 6 m 地点に，土壌水分センサー（プローブ長さ
12.4 cm，センサー基盤部の直径 4.2 cm，HydraProbe II,
Stevens）を埋設した．深さは 10 cm，30 cm であり，畝間の中央（人工マクロポア設置部分）とサトウキビの株の中央に，合計 8 本設置し，体積含水率を 1 時間ごとに計測，24 時間平均水分量を解析に用いた．

2014 年 3 月時点の現地の様子は Photo 1 のようであり，不耕起区は植物残渣で圃場が覆われており，耕起区
は地面が露出していた．
畝間の中央で，深さ 0 cm（表層），30 cm においてFig. 2 人工マクロポアのモデル図.
Schematic representation of artiﬁcial macropore.

Photo 1 不耕起区（左）と耕起区（右）の外観（2014. 3）．
Field view of no-tillage (left) and tillage (right) management.

土壌の物理性96

第 150 号

（2022）

Table 2 試験地の土壌物理特性.
Soil physical characteristics of examined ﬁeld.
Management

No tillage

Depth（cm）
0
Sand （%）
42.4
Silt （%）
32.6
Clay （%）
25.0
TC （%）
1.16
TN （%）
0.14
Bulk density（g cm−3 ）
1.44−1
Ks （cm s ） 1.35 × 10−4

10
47.8
26.9
25.3
0.798
0.110

Tillage
30
50.6
21.5
27.9
0.935
0.110
1.46
1.50 × 10−3

0
43.0
32.8
24.2
1.305
0.120
1.45
8.30 × 10−5

10
49.6
20.3
30.1
1.41
0.10

30
50.5
18.8
30.7
0.928
0.120
1.49
1.34 × 10−3

Table 3 シミュレーションに使用したパラメータ.
Input parameters for simulation.
No tillage

Management
Initial water content （mm3 mm−3 ）Rainfall intensity （mm h−1 ）Evaporation （mm d−1 ）van Genuchten parameters
Bulk soil∗
Macropore∗∗
Plant residue
Air∗∗

0.20
20.0
10.0
θr
0.050
0.037
0.045
0.001

θs
0.448
0.832
0.430
1

Tillage

α
0.015
0.154
0.145
24

n
1.233
2.103
2.68
3

Ks （cm d−1 ）
l
33.5
0.5
222912
0.5
712.8
0.5
23846.4−3.0∗ : characteristics of bulk soil was estimated from measured data in Fig. 3∗∗ : referred from Sakikawa (2016)

100 mL コアサンプラーで不攪乱土壌を採取した．表層から採取する試料とは 0–5 cm，また深さ 30 cm の試料とは 27.5–32.5 cm の試料である．透水性は変水位透水試験法で，保水性は加圧板法（0, 50, 100, 200, 500, 1000
cmH2 O）とサイクロメータ法で調べた．

あるものとした．植物残渣層は降雨時には浸透性が高また，攪乱土を深さ 0 cm（表層，0–5.0 cm），10 cm

排水と 10 mm d−1 の蒸発の影響を受けた 1 週間の水分（7.5–12.5 cm），30 cm（27.5–32.5 cm）から採取し，粒度移動を計算した．初期水分量は観測地を参考に 0.20 cm3

分析（SALD-3100，島津）と全炭素 · 全窒素分析（2400II,

cm−3 とした．なお，土壌の直上に空気の層を設け，強PerkinElmer）に供した．

い降雨で湛水した場合は領域からこれを速やかに排除し粒度分析，全炭素 · 全窒素，乾燥密度，飽和透水係数

く，乾燥時には蒸発遮断層になる特性があり，実際に植物残渣を円筒カラムに入れて試験をすると砂の特性値に近かった．亜熱帯の強い雨が降ってからの一週間を想定して，20 mm h−1 の降雨を 6 時間降らせ，その後重力た（﨑川, 2016）．

については Table 2 に示した．

2.4 Hydrus2D による浸透現象の推定
本研究では，植物残渣を残した不耕起栽培，鉛直管状孔隙であるマクロポアを圃場に導入し，その効果を評価している．土壌水分センサーで水分計測を行うが，浸透の形態については詳細が明らかにならないため，二次元シミュレーション（Hydrus2D，PC-PROGRESS）によって浸透現象を評価した．まず，100 cm × 100 cm の土壌領域を設定し，実測された土壌水分特性曲線（Fig. 3）から van Genuchten パラメータ（van Genuchten, 1980;

Mualem, 1976）を取得し，土壌の水分移動特性値とした（Table 3）．マクロポア区では，領域の中央に直径 10 mm
長さ 40 cm の透水性が高いパラメータを持つ繊維材料が挿入されており，人工マクロポア（Mori et al., 2014）とした．不耕起栽培区では植物残渣層が土壌表層に 5 cm

Fig. 3 試験圃場の土壌水分特性曲線.
Soil water retention curve for examined ﬁeld.

論文：不耕起栽培と人工マクロポア導入が石垣島サトウキビ畑における土壌保水と有機物蓄積へ与える効果 97

Fig. 4 降雨強度に対する表面流と土壌流亡の発生.
Surface ﬂow and soil erosion related to rainfall intensity.

土壌の物理性98

第 150 号

（2022）

Fig. 5 不耕起栽培区における土壌水分.
Soil moisture at no-tillage management.

Fig. 6 耕起栽培区における土壌水分.
Soil moisture at conventional tillage management.

測されたが，3 月を境に大きく減少している． 2014 年 3

3. 結果と考察

月はまだ地面がかなり露出しているため（Photo 1 右），人工マクロポア設置によってある程度の下方浸透促進が3.1 降雨強度と表面流出，土壌流亡

行われ，表面流と土壌流亡の抑制が見られたものと判断はじめにで示したように，表面流出や土壌流亡には降した．

雨強度が影響するため，Fig. 4 では試験期間全体をおよ
そ 3，4 ヶ月毎に分け，降雨強度に対する表面流と土壌流

3.2 不耕起およびマクロポア設置が土壌水分の変動に与える影響亡を示した．なお，2014 年 9 月から 2015 年 3 月の期間

4 管理の違いを精査するために，比較的雨量が多く，は非常に数値が小さいため半年をまとめた．また，Fig.

管理の違いがわかりやすい 2014 年 4 月 ∼ 8 月の土壌水

1 に示したように，パーシャルフリュームに流れ込む地
表流と流亡土砂は，マクロポア処理 · 未処理が混在して分の変動について考察する．Fig. 5 に不耕起栽培管理のおり，限定した考察を行う．

を示した．管理区の略号については調査方法に示したと土壌水分の変動を，Fig. 6 に耕起栽培の土壌水分の変動グラフを見ると，不耕起区は表面流 · 土壌流亡ともにおりである．なお，センサーを設置した時点での土層断

小さく，これは植物残渣が土壌表面を覆っているから面の平均土壌水分は不耕起区では 26.9 %（n = 4），耕起（Photo 1 左）と推測された．従ってマクロポアの導入の区では 23.9%（n = 4）であり，植物残渣で覆われている

効果は限定的である．一方，耕起区は，2014 年 3 月を境

不耕起区の水分がわずかに多かった．

に表面流 · 土壌流亡に減少が見られる．作物の生育によFig. 5 を見ると NT-X 区では，深さ 10 cm では降雨にる被覆度増加の影響ならばもう少し徐々に減少すると推対する素早い水分上昇と素早い下降が見られる．一方深論文：不耕起栽培と人工マクロポア導入が石垣島サトウキビ畑における土壌保水と有機物蓄積へ与える効果 99
さ 30 cm ではピークを見せた後，緩やかに減少をしていのかを考察するために，Fig. 8 に Hydrus2D で行った降る．NT-X 区では植物残渣が表層にあるためこれが雨水

雨 7 日後の水分分布を示した．

をとらえ，表層での一時的な保水と，深部への浸透，そFig. 8 の右半分が表層処理の違いを示している．不耕して緩やかな水分減少が観察されたものと考えられる．

起栽培（Fig. 8 上）では，表層に植物残渣をおいており，

これが結果的に Fig. 4 で観察された表面流と土壌流亡の浸透性が高く，蒸発遮断として働く．図から観察される少なさにつながっていると考えられた．

ように短時間でも表層で水を保全できる不耕起栽培の方

一方，NT-M 区では，同様のピークを見せた後，深さ10 cm も 30 cm も類似した水分減少傾向が観察できる．

が耕起栽培（Fig. 8 下）に対して保水量が多く，水分到

マクロポア区で断面の水分が異なる深さでも類似するのは Mori and Hirai（2014）の報告と一致し，植物残渣
からの土壌深部への緩やかな水供給と下方浸透促進の効果，そして植物残渣による蒸発遮断による保水の効果（Derpsch et al., 1986）が断面で平均化しやすいからだと推測された．ちょうど NT-X 区の中間の水分が観察されており，土壌断面における保水量は類似するが，浸透の形が異なると考えられる．
一方 Fig. 6 では，降雨に対する反応は，CT-M 区，CT-X
区ともに深さ 10 cm は変動が大きく，深さ 30 cm では緩やかに排水され，両者は類似した排水傾向を見せている．

CT-M 区，CT-X 区の大きな違いは，深さ 10 cm, 30 cm
それぞれの深さのピーク後の水分の減少幅にある．深さ

10 cm においては降雨後の最大値が同じ水分量であっても減少幅はマクロポア区の方が小さく，未処理区の方が大きい．また深さ 30 cm においては減少が緩やかであるが，未処理区の方が傾斜が大きく，マクロポア区の方が小さいことがグラフから観察される．耕起区は土地被覆が小さく，雨滴の衝撃を和らげるものがないため，表面Fig. 7 管理区毎の試験期間の土壌断面の平均水分量（深さ10，30 cm のセンサー計測による．∗∗ は Tukey 法による 1 %有意水準，n = 154）.
Averaged soil water content for each management. (sensor measurement for 10 and 30 cm, ∗∗ means 1 % signiﬁcance by Tukey
test, n = 154).

流が発生しやすく，雨水を土壌内にとらえきれないこと
が水分の増減の特徴として現れていると考えられた．一方，マクロポア区は，下方浸透機構を持つため，深部土
壌が雨水をとらえており，深さ 10，30 cm 両深度で，未処理区と比較してゆっくりとした排水をしていると考察できる．なお，マクロポア区は土壌断面の上部と下部の水分が異なり，NT-M で考察したような均等分布ではない．これは表層に植物残渣のように雨水をとらえるものがなく，表面流として流れてしまうために上部と下部の差を緩やかに埋めていくプロセスが存在しないからだと考えられた．
ここでセンサーで計測している 24 時間毎の土壌水分量をまとめると Fig. 7 のようになった（2014/3/15–

2014/8/16, n = 154）．深さ 10，30 cm の平均値を計算して Tukey 法による多重比較を行うと，NT-M 区，NT-X区，CT-M 区では土壌水分が違うとはいえず，CT-X 区
は他の管理に比べて土壌水分が有意に少ないという結果（ p < 0.01）になった．耕起という管理形態は不耕起より土壌水分の保持が少ない（CT-X<NT-X）が，耕起でもマクロポア構造を持つと耕起だけの畝より水分が多く（CT-M>CT-X），これは不耕起と変わらない水分を維持できると説明できる．

3.3 土壌間隙構造が雨水貯留に与える影響の推定
前項で考察した水分分布の違いがどのように発現するFig. 8 シミュレーションによる降雨後 7 日の土壌水分分
布（100 cm × 100 cm 断面）.
Simulated soil moisture distribution for 7th day after therainfall (100 cm by 100 cm proﬁle).

100

土壌の物理性第 150 号

（2022）

達深度も大きいことがわかる．Fig. 5，6 では不耕起栽培

3.4 土壌中の全炭素量の方が水分減少は緩やかであるが，この様子は Fig. 7 で最後に，人工マクロポアの導入を行った 2014 年 3 月

は不耕起の方が水分が多い図として観察できる．

から収穫後の 2015 年 4 月の間の 4 管理の土壌中の全炭

Fig. 8 の左右の違いはマクロポアの有無を示しており，
不耕起 · 耕起共に下方浸透促進の結果として紡錘状に広素量を分析し，2015 年 4 月の結果を Fig. 10 に示した．

がる水分分布が水浸透に加わり，土壌深部まで水が到達

プを経て，10，30 cm と全炭素量は減っていく．この傾していることがわかる．これは不耕起 · 耕起という表層

向は 4 管理区で変わることはなかった．栽培期間中，耕処理の違いによらず観察され，圃場内への水分保全とい起区では高培土が行われ，土が乱されていることによるう目的ではどちらの圃場でもマクロポア導入は水分保全

影響が考えられたが，収穫後の 2015 年 4 月の全炭素分に効果的に働くことがわかる．

布にはこの影響は現れていないように見えた．

どの管理区も地表の有機物が最も多く，大きなギャッ

Fig. 8 の左半分は表層処理の違いがある上でのマクロここで Table 2 に示した 2014 年 3 月の全炭素量を減

ポア導入の効果を示している．紡錘状の水分浸透が深い

算し，年間の増減を Fig. 11 にまとめた．不耕起区ではところまで見られることは前述の通りだが，植物残渣層の水分保持量が不耕起栽培で大きかった（Fig. 8 上右）ため，マクロポアを導入したときの土壌断面は不耕起処理の方が濃い色の部分の広がりが大きく，効果的な保水になっていることがわかる．
ここでシミュレーション領域の中に中央から左右に10，30 cm，土壌表層から 20，40，60，80 cm，計 16 点の観測ポイントを置いてシミュレーション結果としての水分を抽出した．計算上ではあるがこの地点でサンプリングを行えば 16 地点の空間分布上の水分ととらえられる．そこで土壌断面としての水分の平均を算出す
ると，7 日後の断面平均水分量は，NT-M 区，NT-X 区，

CT-M 区，CT-X 区の順に 0.292，0.261，0.256，0.234 cm3
cm−3 となった（Fig. 9）．Tukey 法による多重比較をす
ると NT-M 区は CT-X 区より水分が多い（ p < 0.01）という結果になった．NT-M が NT-X に比べて水分が多めであり，CT-M は NT-X とあまり変わらない水分量になり，CT-X が最も水分が少ない傾向は，先の Fig. 7 の傾向と一致する．
不耕起栽培はシミュレーション上は植物残渣の層が雨Fig. 9 シミュレーションによる土壌断面の平均水分量（20mm h−1 の降雨 7 日後，断面 100 cm × 100 cm，∗∗ は Tukey
法による 1 % 有意水準，n = 16）.
Simulated soil water proﬁle for each management. (7 days after
20mm h−1 rainfall, 100 cm by 100 cm proﬁle, ∗∗ means 1 %signiﬁcance by Tukey test, n = 16) .

水を一時的にとどめる層として機能しており，それが水分増加につながっていると考えられた．そしてマクロポ
ア導入は浸透形態の違いとして現れた．一方，耕起栽培
は雨水が深さ 30 cm 以下に充分に届いておらず，表面流の影響が大きいと推測できる．そこにマクロポア構造を導入すると深さ 30 cm 以下の水分にも増加が見られ，
プロファイルとしての水分増加は不耕起栽培と差が無くなってくることがわかった．不耕起区は植物残渣が土地被覆として，雨滴の衝撃を和らげ，土壌流亡を防止するだけでなく，水分保全的であり，耕起区もそのままでは地表面流が発生するために土壌水分について保全的ではないが，下方浸透を促進するマクロポア構造を有すると土壌断面に水分保持ができることを示している．
農地を放置しているように見えることから不耕起栽培を望まない農家があったときに，代替の方法として土壌中に疑似孔隙を作るという方法が提案できる可能性があると考えられた．今後，畝ごとに表面流出量や土壌流亡を計測できるようにすればより的確な考察が可能になると考えられた．

Fig. 10 管理 1 年後の土壌炭素量（n = 5）.
Total soil carbon after one-year management.

論文：不耕起栽培と人工マクロポア導入が石垣島サトウキビ畑における土壌保水と有機物蓄積へ与える効果 101
深さ 0，10 cm で増加が見られ，30 cm では減少してい

4. 結論

る．また耕起区では表層 0 cm では増加が見られるものの，深さ 10，30 cm では減少が見られる．深さ 10 cm で大きく炭素量が減っているが，これは Table 2 に示した

本研究では，表面流出，また表面土砂流出が激しい石

炭素量が深さ 10 cm で多いためである．耕起栽培では新垣島サトウキビ農地において，まず雨水を効果的に浸透鮮有機物が表層土壌にすきこまれ，かえって有機物が分させ，有機物を保全するために，不耕起栽培と人工マク解されてしまうこと（Fontaine et al., 2007）が大きな減

ロポアを施し，その効果を検証した．結果として以下の少の原因のひとつであると考えられた．

ことが明らかになった．

ここで各数値に 5 cm，15 cm，20 cm の厚さをかけて，

1. 表面流と土壌流亡について耕起区と不耕起区の比較

深さ 40 cm までのプロファイルの土壌炭素量として計算

により，植物残渣による雨滴の衝撃の軽減の効果がすると，0.0075，−0.005，−0.16，−0.17 g-C/100-g-soil と非常に大きいことがわかった．また，マクロポアのなった．耕起区で大きく土壌炭素が減ずる結果となり，設置も表面流と土壌流亡の抑制に有効であることが不耕起マクロポア区で土壌炭素量がわずかに増加する結わかった．

果となった．現地は亜熱帯気候で多くの期間が 25 ◦ C 以

2. 土壌水分の観測と二次元シミュレーションから，植上なので有機物は分解基調になり，そのままでは有機物

物残渣は雨水を短時間でもとどめるために水分保全が増加することはない．そのため慣行農法である耕起区に効果的で特に深部の水分増加に貢献した．また，では有機物は減少している．一方，不耕起とマクロポア

マクロポアも下方浸透を促進することで水分増加にを組み合わせると一年で 0.0075 g-C·（100g-soil）−1 の増加となった．これは 0.45 t-C·ha− 1 ·yr− 1 と計算され，農地で可能とされる炭素増加量 0.1 ∼ 0.7 t-C·ha− 1 ·yr− 1

貢献した．

3. 不耕起マクロポア，不耕起無処理，耕起マクロポア
区は，耕起無処理区より有意に土壌水分が多かっ（Hillel and Rozenzweig, 2009）に良く合致する．不耕起

た．すなわち，不耕起処理をするかマクロポア処理

区はこれまでの考察から表面流や土壌流亡抑制についてを施すことで水分増加に貢献することが明らかと成果が見られ，環境保全的であると言える．不耕起栽培なった．

を実践するだけでも亜熱帯においても有機物の損失がほ

4. 土壌の全炭素量を計測すると亜熱帯性気候ゆえにぼゼロであるが，さらに，人工マクロポアと組み合わせ

ほとんどの管理区で土壌断面の全炭素量は減少した

ると土壌有機物について効果的な保全が可能になると考が，不耕起でかつマクロポアを導入した管理では，えられた．これには，土壌を必要以上に空気にさらさな保全的管理をした農地で得られる数値に近い炭素増いこと（不耕起）と，下方浸透の改善で，水分 · 養分 ·加量が見込めた．

有機物など多くの物質を，表面流とともに流亡させずにその断面に残すことができる（人工マクロポア，例えば

すなわち，不耕起管理の効果の大きさを示すことがでFig. 8 の左半分）ことが関わっていると考えられた．

き，かつ人工マクロポアの導入も一つの選択肢になりうることを示すことができた．さらに温暖化影響軽減な
ど，土壌の有機質化を考えるならば，不耕起とマクロポ
ア技術を組み合わせるとさらに効果的であることを示唆する結果が得られた．

謝辞
現地の実験 · 調査では，池原吉剋氏のさとうきび畑を使用させていただいた．また，岡山大学の学生である﨑
川和起氏，守分秀一氏，那須遥子さんの協力を得た．深
く感謝する次第である．
なお，本研究の一部は，日本学術振興会「最先端 · 次世
代研究開発支援プログラム（森 GS021，2010-2013）」，科学研究費補助金 基盤 B（森 26292127，2014-2016），基盤 A（森 17H01496，2017-2020），基盤 A（森 21H04747，

2021-2024），基盤 C（大澤 16K07938, 2016-2019），まFig. 11 土壌炭素量の増減.
Annual ﬂuctuation of total soil carbon.

た，ABRESO プロジェクト（JST）（ベルモント · フォーラム）の補助を受けて行われた．

C/N 分析は，岡山大学自然生命科学研究支援センター
分析計測 · 極低温部門 分析計測分野 小林元成さん，小坂土壌の物理性102

第 150 号

恵さんに分析を依頼した．併せて感謝する次第である．

（2022）

乃田啓吾, 大澤和敏, 池田駿介, 小沢 聖 (2009): サトウキビ畑
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論文：不耕起栽培と人工マクロポア導入が石垣島サトウキビ畑における土壌保水と有機物蓄積へ与える効果 103

要旨

石垣島サトウキビ畑では，強い雨が降り，表面流出とそれに続く土壌流亡が発生している．そこで不耕起栽培また人工マクロポアを施し，土壌水分と有機物の増減に与える効果を評価した．人工マクロポア
を 1 m 間隔で設置し，垂直浸透を促進した．また，強い降雨から表層土壌を保護するために，植物残渣を利用した不耕起栽培を行った．不耕起栽培と慣行耕起栽培にマクロポア区と無処理区（NT-M，NT-X，

CT-M，CT-X）をそれぞれ設け，降雨量，表面流出量，土壌流亡量，土壌水分，土壌全炭素量を測定した．各プロファイルの平均土壌水分は，NT-M が CT-X より多くの水分を保持しており（ p < 0.01），マ
クロポアの設置で CT-M は NT-X に近い水分になった．土壌断面における全炭素の変動は，NT-X でほぼゼロ，CT-M，CT-X で減少したが，NT-M では +0.45 t-C·ha−1 ·yr−1 の増加が見られた．つまり，マクロポアと不耕起を組み合わせると，熱帯気候であっても水分を保持し，土壌中の全炭素量が増加する
可能性を示した．
キーワード：人工マクロポア，不耕起，表面流，土壌流亡，土壌炭素

J. Jpn. Soc. Soil Phys.
土壌の物理性No. 150, p.105∼113 (2022)

陽イオン交換反応が飽和多孔質媒体中のコロイド輸送に与える影響
東陸太郎 1 · 濱本昌一郎 1 · 西村 拓 1

Effect of cation exchange on colloid transport in saturated porous media
Rikutaro HIGASHI1 , Shoichiro HAMAMOTO1 and Taku NISHIMURA1

Abstract: Since colloidal particles in soils are known to
act as a carrier of contaminants, understanding the transport behavior of colloidal particles in the soil is an important issue. This study investigates the transport behavior
of colloidal particles during the cation exchange reaction
between Ca2+ and Na+ at the surface of porous media.
One-dimensional column experiments were conducted using Toyoura sand as the repacked porous media and carboxyl latex particles as the model colloid, respectively. It
was found that colloidal particles deposited on the surfaceof the Toyoura sand during the cation exchange reaction,
regardless of the amount of exchanged cation and the particle size of the applied colloids. The deposited colloidal
particles were released when the ionic strength of the porewater decreased after the cation exchange reaction. The interaction energies between the latex particles and the sandsurface were calculated based on the DLVO theory, suggesting the contribution of the attraction in the secondary
minimum to the colloid deposition during cation exchange
reaction.
Key Words : colloid transport, saturated porous media,
cation exchange, DLVO theory

よって重金属イオン（Cu2+ ，Zhou et al., 2016 や Pb2+ ま
たは Cd2+ ，Jiang et al., 2018; Yin et al., 2019）を捕捉したのち多孔質体表面に沈着し，担体として輸送を促進す
る．また，フェナントレン（C14 H10 ）などの有機物態汚
染物質が，ファンデルワールス力や双極子力，水和力などによって土壌コロイド粒子と結合し，汚染物質の輸送を促進することが報告されている（Ling et al., 2021; Liuet al., 2019）．汚染土壌の原位置浄化のため，人為的にコロイド粒子を環境中に注入することもある．ゼロ価鉄ナ
ノ粒子は，塩素系有機溶媒やポリ塩化ビフェニルなどの有機物，ヒ素，鉛，銅，クロムなどの金属イオンを還元するため，土壌浄化に用いられており（Karn et al., 2009），
ゼロ価鉄ナノ粒子を注入することにより土壌のヒ素汚染が改善された報告がある（Gil-Dı́as et al., 2016）．このように，コロイド粒子をもちいた土壌汚染浄化を最適化す
る上でも，土壌内におけるコロイド粒子の輸送特性の理解が必要となる．
多孔質媒体中におけるコロイド粒子の輸送を考える
上で，コロイド粒子の沈着 · 脱離プロセスが重要である（Shen et al., 2012; Torkzaban et al., 2013）．コロイド

1. はじめに土壌を構成する粒子のうち，粒径 1 nm から 10 µ m の粒子は，コロイド粒子として分類される（足立 · 岩田,2003）．土壌中のコロイド粒子には，粘土鉱物だけでな
く，腐植，鉄やアルミニウムなどの金属の酸化物や水酸化物が含まれる．また，ウイルスやバクテリアといった微生物もコロイド態物質としてみなされる（藤縄, 2010）．
コロイド粒子は比表面積が大きく，表面錯体反応やイオン交換反応によってイオン吸着能を示すため，コロイド粒子が汚染物質（重金属，農薬，放射性物質など）の担体（キャリアー）として働くことが知られている（足立· 岩田, 2003; McCarthy and Zachara, 1989）．例えば酸化グラフェンは，表面の官能基（COOH や OH など）にの沈着 · 脱離に寄与する要因に関しては数多くの既往の研究がある．例えば，充填粒子やコロイド粒子の粒径（Bradford and Bettahar, 2006），間隙水の流速（Torkzaban

et al., 2015），間隙水の化学的特性，すなわち pH やイオ
ン強度（IS）（Liu et al., 2018; Wu et al., 2020），コロイ
ド粒子の表面粗度や電気的な不均一性（Torkzaban and
Bradford, 2016）などが挙げられる．特に，間隙水の ISが低下すると，コロイド粒子と多孔質媒体表面との静電
気的な反発が強まり，コロイド粒子の沈着が抑制または，脱離が促進されるという報告がある（Zhou et al., 2011）．
地下水中には Ca2+ や Mg2+ などの 2 価の陽イオンとNa+ などの 1 価の陽イオンが混在しており（Atekwana
and Richardson, 2004），時間的なイオン濃度及びイオン組成の変化が生じることがある．間隙水のイオン組成を変化させることによって，多孔質媒体表面において

1 Graduate School of Agricultural and life sciences, The University of

陽イオン交換反応が生じることもあり，これがコロイド

Tokyo, 1-1-1 Bunkyo-ku, Yayoi, Tokyo 113-8657, Japan. Corresponding
author: 東陸太郎, 東京大学大学院農学生命科学研究科
2021 年 9 月 1 日受稿 2022 年 1 月 4 日受理

粒子の脱離に与える影響についても研究例がある（Royand Dzombak, 1996; Bradford and Kim, 2010; Torkzaban

土壌の物理性

106

第 150 号

et al., 2013; He et al., 2019）．Torkzaban et al.（2013）は，平均粒径 270 µ m の砂を充填した飽和多孔質媒体中に，粒径 1–10 nm の量子ドット粒子を注入する実験を行った．
CaCl2 水溶液にポリアクリル酸で表面加工した CdTe コ
ロイド粒子を添加してコロイド懸濁液を作成し，コロイ
ド懸濁液，純水，NaCl 水溶液の順にカラムに通水した．

（2022）

用いた．コロイド粒子の粒径については，0.468 µ m のポ
リスチレンラテックスを用いてカラム通水実験を行なった Roy and Dzombak（1996）を参考にし，分光光度計によって安定して吸光度が測定可能な範囲で選定した．

2.3 ゼータ電位測定が弱くなった結果コロイド粒子が流出したと考察した．

流動電位方式のゼータ電位測定装置（ZetaCAD, CAD
Instruments）を用いて，豊浦砂表面の流動電位を測定した．ここでは Helmholtz-Smoluchowski の式を仮定し，豊浦砂表面のゼータ電位を算出した．2 mol m−3 ，1 mol
m−3 ，0.5 mol m−3 の CaCl2 水溶液または，15 mol m−3 ，10 mol m−3 ，5 mol m−3 の NaCl 水溶液を用いて測定した．それぞれの水溶液は 0.4 mol m−3 の NaHCO3 を添加して pH 7.8 に調整した．

同様な実験として，Bradford and Kim（2010）は，平均電気泳動式ゼータ電位測定装置（ZEECOM ZC-M1

その結果，CaCl2 を含むコロイド懸濁液及び続く純水通
水中にはコロイド粒子の流出は見られなかった．一方で，その後の NaCl 水溶液通水中に顕著なコロイド粒子の流出が見られた．彼らは，NaCl 水溶液通水中に，多孔質媒体内で Na+ と Ca2+ の陽イオン交換が生じ，Ca2+を介したコロイド粒子と充填粒子表面間の陽イオン架橋

粒径 360 µ m の石英砂充填カラムからの粘土コロイド粒子（粒径 0.76–2.39 µ m）の流出実験を実施した．彼らのseries, マイクロテック · ニチオン）を用いて，CL の電気泳動速度を測定した．今回の測定条件において粒子半径

実験では，Ca2+ 存在下で沈着していたコロイド粒子は，は電気二重層の厚さに比べて大きいと考えられるため，続く純水及び NaCl 水溶液通水下でも流出しなかった．

Smoluchowski の式を仮定して CL のゼータ電位を算出した．2 mol m−3 ，1 mol m−3 の CaCl2 水溶液または，50 mol m−3 , 20 mol m−3 , 10 mol m−3 の NaCl 水溶液を用いて CL の懸濁液を作成（濃度 10.25 mg L−1 ）し測定した．それぞれの懸濁液は，0.4 mol m−3 の NaHCO3 を添加して pH 7.8 に調整した．以上の測定は 25 ◦ C の恒温室において 3 反復で行った．

このように，陽イオン交換反応に伴うコロイド粒子の挙動については一貫した結果が得られておらず，更なる実験的研究が必要である．例えば，陽イオン交換量とコロイド粒子の脱離挙動の関係や，コロイド粒子径による脱離挙動の違いなどについては十分検討されていない．
そこで本研究では, 豊浦砂を充填したカラムを用いたコロイド輸送実験を行い, 通水溶液の陽イオン濃度及びコ

2.4 カラム通水実験

ロイド粒子の粒径の違いが陽イオン交換反応を伴うコロ

直径 5 cm，高さ 6 cm のアクリル製カラムに，豊浦砂

イド粒子の流出挙動に与える影響を明らかにすることを目的とした．

を間隙率が 0.38 となるように水中充填した．カラムの上端及び下端には，豊浦砂の流出を防ぐために，目開き

2． 実験方法

70 µ m のナイロンメッシュを設けた．ペリスタポンプ（AC-2120，ATTO）を用いて，カラムの下端から上端の方向に一定の流束 6.0×10−3 cm s−1 で通水した．本実験

2.1 多孔質媒体における通水速度は豊浦砂の飽和透水係数を基準に，間模擬多孔質媒体として平均粒径 200 µ m の豊浦砂（豊隙量と流出液のサンプリング間隔を考慮して決定した．

浦硅石工業株式会社）を用いた．金属酸化物の除去のた

Table 1 に示すように，CL 懸濁液または電解質溶液をめ，白鳥ら（2008）及び Bradford and Kim（2010）の方法

用いて，4 条件でカラム通水実験を行った．カラム通水を参考に，試料の洗浄を行った．まず，豊浦砂 300 g を実験開始前の処理として，豊浦砂に含まれるアルカリ成

6 % の過酸化水素水 3 L に浸漬し,70 ◦ C に維持して 5 日間静置した．過酸化水素水を除去した後，55 ◦ C で 500
mol m−3 の NaCl 水溶液に浸漬し，60 分間の超音波洗浄

分を中和するため 1 mol m−3 の HCl 水溶液を 1–2 時間
カラムに通水した（Litton and Olson, 1993）．その後，流を行った．その後懸濁した上澄みを除去し，脱イオン水液，バックグラウンド水溶液（BG 水溶液）を 15.5–17.5

で洗浄した．超音波洗浄及び脱イオン水による洗浄は上

時間通水した．続いて豊浦砂表面に CL を沈着させるた

澄み液の電気伝導度（EC）が 1 mS m−1 を下回り，濁度が 1 NTU 以下になるまで繰り返した（EC 計：LAQUA

twin B-711，HORIBA，濁度計：HI93414，HANNA）．洗浄後の豊浦砂は脱イオン水に浸漬させて保管した．

2.2 コロイド粒子及び懸濁液
コ ロ イ ド 粒 子 と し て ，平 均 粒 径 500±17 nm ま た
は 200±12 nm の カ ル ボ キ シ ラ テ ッ ク ス 粒 子（CL）（C37269/C37486, Thermo Fisher）を用いた． 2 mol m−3
または 0.5 mol m−3 の CaCl2 水溶液で希釈し，濃度 10.25

mg L−1 のコロイド懸濁液（CL 懸濁液）を作成し実験に出液の pH が安定するまで，CL を含まない電解質水溶め， 緩衝剤として 0.4 mol m−3 の NaHCO3 を添加し，pH 7.8 に調整した CL 懸濁液を 8 ポアボリューム（PV：
累積通水量 / 間隙量）カラムに通水した（Phase 1）．なお，pH 条件は，コロイド粒子の凝集と，炭酸カルシウムの沈澱反応を抑える値となるよう決定した．続く Phase
2 では，Phase 1 の CL 懸濁液と等しい pH 及び IS とな
るように調整した，2 mol m−3 または 0.5 mol m−3 のCaBr2 水溶液（BG 水溶液）をカラムに通水した．続けて間隙水の IS を下げるため，6-9 PV の純水（IS ≈ 0 mSm−1 ）を通水した（Phase 3）．その後，豊浦砂表面におい論文：陽イオン交換反応が飽和多孔質媒体中のコロイド輸送に与える影響

107

Table 1 カラム通水実験条件．
Conditions for column experiments.
実験条件

CL 粒径

Phase 1

Phase 2Exp. 1
Exp. 2Exp. 3
Exp. 4500 nm
500 nm
500 nm
200 nm10.25 mg L−1 CL + 2 mM CaCl2
10.25 mg L−1 CL + 2 mM CaCl2
10.25 mg L−1 CL + 0.5 mM CaCl2
10.25 mg L−1 CL + 2 mM CaCl22 mM CaBr2
2 mM CaBr2
0.5 mM CaBr2
2 mM CaBr2

Phase 3Phase 4Phase 5

純水

10 mM NaCl
50 mM NaCl
10 mM NaCl
10 mM NaCl

純水

純水
純水
純水

純水
純水
純水

て Ca2+ と Na+ の陽イオン交換反応を生じさせるため，

コレクター粒子の粒径の比，NPe は移流と拡散の比を表

10 mol m−3 または 50 mol m−3 の NaCl 水溶液を 6 PV

すペクレ数，NvDW はファンデルワールス相互作用エネ

カラムに通水した（Phase 4）．最後に Phase 5 として，純

ルギーと熱運動エネルギーの比，NAt はファンデルワー

水を 10–16 PV 通水した．

ルス引力と流体力の比，NG は粒子の沈降速度と流速の各実験ではフラクションコレクター（SF-2120, アドバ
ンテック東洋）を用いて流出液を 2 分ごとにサンプリン
グし，pH，EC，CL 濃度，イオン濃度の測定を行った．流出
液の CL 濃度は分光光度計（UVmini-1240, SHIMADZU）
を用いて，波長 420 nm（粒径 500 nm の CL）または波長比である．各パラメータの値は Tufenkji and Elimelech（2004）に従い算出した．

2.5 DLVO 理論
DLVO 理論は Derjaguin と Landau（1941），Verwey とOverbeek（1948）によって確立されたコロイド溶液の安350 nm（粒径 200 nm の CL）における吸光度を測定することによって求めた．予備実験を行い，CL 濃度と各定性に関する理論である．彼らは，コロイド系における波長における吸光度の線形性を確認した．また流出液の引力と静電気的斥力の和として表現した（Masliyah and

イオン濃度はイオンクロマトグラフィー（CDD-10AVp,

Bhattacharjee, 2006）．この DLVO 理論を用いて， CL とSHIMADZU）を用いて，Ca2+ ，Na+ ，Cl− ，Br− 濃度を豊浦砂表面との相互作用エネルギーを種々の溶液条件で

測定した．

計算した．

粒子間の相互作用エネルギーを，ファンデルワールス

Phase 3 までに沈着した CL のうち，Phase 4–5 におい

まず，球と平板表面間に働くファンデルワールス力て流出した割合（FRE45（The Fraction of Mass Recovery

によるエネルギー（UvDW ）を次式で算出した（Gregory,of the Retained Colloids））を以下の式で算出した．

1981）．

FRE45 =

MR45
× 100
100 − MR12 − MR3(1)

AUvDW = −
6

(

a
a
d
+
+ ln
d d + 2ad + 2a)(4)

ここで MR（Mass Recovery）[%] とは，Phase 1 においてここで d は粒子間距離 [m]，a [m] はコロイド粒子の半カラムに通水した 6 PV の CL 懸濁液に含まれる CL 粒径，A [J] はハマカー定数である．本研究においては，ハ子の総質量に対する，任意の通水段階で流出した CL 粒

マカー定数 A は文献値（Prieve and Russel, 1988）より

子の質量比であり，MR12 ，MR3 ，MR45 はそれぞれ Phase

1.37×10−20 J とした．

1–2，3，4–5 において流出した CL の割合を表す．
濾過理論に基づき，沈着効率 αexp を以下の式によって

次に，静電的相互作用エネルギー（UEL ）を次式から算出した（Hogg et al., 1966）．

算出した（Harvey and Garabedian, 1991）．

αexp = −2dln(MR12 )
3 (1 − f )Lη0(2)

ここで d [m] は豊浦砂の粒径， f は間隙率，L [m] はカラ
ム長を表す．η0 は電気的な斥力を無視した場合の単一

UEL = πεε0 a{}
1 + exp(−κ d)2ζ ζ2 ln
+ (ζ1 2 + ζ2 2 ) ln(1 − exp(−2κ d))
1 − exp(−κ d)(5)

コレクター粒子に対する捕捉効率であり，次式から求め

ここで ζ1 [V] は半径 a [m] のコロイド粒子表面のゼータ

た（Tufenkji and Elimelech, 2004）．

電位，ζ2 [V] は多孔質体粒子表面のゼータ電位，ε は媒質の比誘電率，ε0 は真空の誘電率，κ は電気二重層の厚η0 = 2.4AS

1/3

NR

−0.081NPe−0.715NvDWさの尺度であるデバイ長の逆数 [m−1 ] であり，以下の式

0.052+0.55AS NR 1.675 NAt 0.125(3)+0.22NR −0.24 NG 1.11 NvDW 0.053
AS は間隙率に依存する係数で，NR はコロイド粒子とで定義される．

√κ=

2000NA e2 I
εε0 kT(6)

土壌の物理性

108

第 150 号

（2022）

Fig. 1 （a）豊浦砂，（b）CL 粒子表面のゼータ電位とイオン強度の関係．
Relationship between ionic strength and zeta potentials of (a) Toyoura sand and (b) CL particle surfaces.

Fig. 2 実験 1 における CL 濃度と Ca2+ 濃度の流出濃度曲線（a）Phase 1–2，（b）Phase 3，（c）Phase 4–5．Ca2+ 濃度はPhase 4–5 のみ結果を示す（Fig. 2（c））．
Breakthrough curves of relative concentration of CL and Ca2+ concentration in Exp. 1 during (a) Phase 1–2, (b) Phase 3, and(c) Phase 4–5. It is noted that the results of Ca2+ are shown only during Phase 4–5 (Fig. 2(c)).

ここで NA はアボガドロ定数 [moL−1 ]，e は電気素量 [C]，面のゼータ電位についても同様であった．IS が高く，多I はイオン強度 [mol L−1 ]，k はボルツマン定数 [J K−1 ]，価イオンが存在することで，荷電表面近傍のイオン雰囲

T は絶対温度 [K] を表す．UvDW と UEL の和を DLVO 相

気が圧縮したためと考えられ，既往の研究報告と一致す

互作用エネルギーとした．

る（Zhou et al., 2011）．粒径 500 nm と 200 nm の CL で相互作用エネルギー計算から得られる二次極小の深さから，Bradford et al.（2012）に基づき，二次極小へのコ
ロイド粒子の沈着確率 αsec を以下の式で算出した．

√
αsec = er f ( |Φsec |) −√4 |Φsec |exp(Φsec )π(7)

ここで，Φsec は二次極小における相互作用エネルギー[kT] である（k はボルツマン定数，T は絶対温度）．

3. 結果と考察
3.1 粒子表面のゼータ電位
Fig. 1（a）のように，溶液の陽イオンの価数が同じであれば，IS が低いほど豊浦砂表面のゼータ電位の絶対値は大きくなる傾向が見られた．また 2 価の Ca2+ に比べて 1 価の Na+ が存在する条件でゼータ電位の絶対値が大きくなった．これらの傾向は Fig. 1（b）の CL 粒子表

は，ゼータ電位に顕著な差は見られなかった．

3.2 CL の輸送特性
Fig. 2 に Exp. 1 で得られた CL の相対濃度（流出液のCL 濃度 /CL 懸濁液の CL 濃度）流出曲線を示す．Fig.
2（a）及び Table 2 に示すように，Phase 1 中の最大相対濃度が 0.04，αexp の値が 0.82 であったことから，Phase
1–2 では添加した CL の多くが豊浦砂表面に強く沈着したことがわかる．続いて Phase 3 において純水を通水したところ，一部の CL が豊浦砂表面から脱離し，流出曲線に相対濃度 0.53 のピークが生じた（Fig. 2（b））
．純水
通水中に CL の脱離が見られたのは，間隙水の IS の低下に伴い CL 及び豊浦砂表面のゼータ電位の絶対値が大きくなり（Fig. 1），静電気的な反発が強まったことによると考えられる （Zhou et al., 2011）．
Phase 4 で NaCl 水溶液を通水した際，流出液の Ca2+
濃度は 1.45 mol m−3 まで上昇した（Fig. 2（c））．Phase
3 の純水通水中では，Ca2+ は流出していなかったため（データ非掲載），Phase 4 以降に流出する Ca2+ は豊浦砂

論文：陽イオン交換反応が飽和多孔質媒体中のコロイド輸送に与える影響

109

Table 2 各フェーズにおけるコロイド質量回収率，沈着コロイドの流出割合，粒子の沈着効率，及び陽イオン交換割合.
Colloid mass recovery, fraction of mass recovery of the deposited colloids, collision efﬁciencyof the colloids, and cation exchange ratio for each phase of Exp. 1-4.

Exp. 1
Exp. 2Exp. 3
Exp. 4

MR12 [%]

MR3 [%]

MR45 [%]

MRtotal [%]FRE45 [%]

αexp

Ca2+ [%]

2.7
3.0
61.0
1.8

4.4
5.8
4.4
9.1

37.1
48.4
7.9
41.0

44.2
57.2
73.3
52.0

40.0
53.1
22.8
46.1

0.82
0.79
0.11
0.91

10
20
9.4
12.1

Fig. 3 実験 2–4 における CL 濃度の流出濃度曲線 （a）Phase 1–2，（b）Phase 3，（c）Phase 4–5.
Breakthrough curves of relative concentration of CL in Exp. 2–4 (a) Phase 1–2, (b) Phase 3, and (c) Phase 4–5.

表面に吸着していたものであり，Phase 4 において豊浦

1 と同様に，添加した CL のおよそ半分は実験終了後も砂表面で Ca2+ と Na+ との陽イオン交換反応が生じたと

豊浦砂表面に沈着したままであった．

考えられる．青木 · 嘉門（1986）によれば，間隙水の pH

Phase 1 でコロイド懸濁液中の Ca 濃度を低下させた場
合（0.5 mol m−3 ，Exp. 3），流出液の CL 相対濃度は 0.50
から 0.60 まで増加し（Fig. 3（a））
，Exp. 1，2，4 と比較して多くの CL が流出した（αexp = 0.11，Table 2）．間隙水の Ca 濃度が低下することでコロイド粒子及びコレが 5.4–5.8 の豊浦砂の陽イオン交換容量（CEC）は 9.82

cmolc kg−1 である．Phase 1 下でカラム内部の豊浦砂表
面が全て Ca2+ で飽和していたと仮定した場合，流出した Ca2+ の CEC に対する割合は 10 % であった（Table2）．一方で Phase 4 の間 CL の脱離は確認されず，陽イオン交換反応の進行中，CL は豊浦砂表面に沈着していた．
その後 Phase 5 において純水を通水すると相対濃度

クター粒子表面のゼータ電位の絶対値が大きくなったことから（Fig. 1），コロイド粒子と充填粒子表面間の斥力が増し，コロイド粒子の沈着が阻害されたと考えられる

3.40 をピークとする CL の流出が起こった．その結果， （Zhou et al., 2011）．Phase 3 までに添加した CL の 65 %MR45 は 37.1 % と高い値を示した．最終的に MRtotal（添以上が流出しており，陽イオン交換反応前に豊浦砂表面
加した CL の質量に対する実験全体で流出した CL の質に沈着していた CL の量は，Exp. 1，2 と比較して半分量割合）は 44.2 %，FRE45 は 40.0 % となり，実験終了後程度であったことになる．このように，Exp. 1，2 と比も添加した CL の 50 % 以上がカラム内に沈着していた． 較して Phase 1–2 の粒子間斥力が強い条件でも Phase 4において CL の流出は確認されなかった（Fig. 3（c））．
3.3 陽イオン交換量及び粒径がコロイド輸送に与える
Exp. 3 での Ca2+ 交換量は豊浦砂の最大吸着量の 9.4 %影響であり，Exp. 1 と同程度であった．対して MR45 は 7.9
Fig. 3 に Exp. 2–4 で得られた CL の相対濃度流出曲%，FRE45 は 22.8 % と他の実験より小さな値を示した．
線を示す．Exp. 2 において Phase 4 で 50 nm の NaCl 水
また MRtotal については MR12 の寄与が大きく，73.3 %溶液を通水した場合，陽イオン交換反応によって Na+と他の実験より大きな値を示した（Table 2）．
に置換された Ca2+ の割合は，CEC の 20 % であった
（Table 2）．陽イオン交換量は Exp. 1 と比較して約 2 倍
粒径 200 nm の CL を用いた Exp .4 では，Phase 1–2増加した一方で，Fig. 3（c）が示すように，Phase 4 での CL の流出量は Exp. 1，2 よりも僅かに小さくなっては流出液中に CL の流出が確認されなかった．Exp. 1 同おり（MR12 が 1.8 %），Phase 3 の CL の流出量が Exp.
様，Phase 5 で純水を通水し間隙水の IS を下げると，相1，2 より大きくなっていた（MR3 が 9.1 %）（Table 2）．
対濃度 4.19 をピークとする CL の流出が確認された．最Phase 1 において多く沈着した分 Phase 3 の脱離量が増終的な MRtotal は 57.2 %，FRE45 は 53.1 % であり，Exp.
えたことが考えられる．一方 Phase 4 においては，CEC

土壌の物理性

110

第 150 号

（2022）

Fig. 4 間隙水の化学性に応じた CL と豊浦砂表面間距離と DLVO 相互作用エネルギーの関係 （a） 0–20 nm，（b）
5–50 nm.
Relationship between distance between CL and Toyoura sand surface and DLVO interaction energy with variable porewater chemistry at the distance for (a) 0–20 nm and (b) 5–50 nm.

Table 3 各溶液条件におけるエネルギー障壁の値，二次極小の値と距離，及び二次極小への粒子の沈着確率.
The value of the energy barrier, the value and location of the secondary minima, and theprobability of particle deposition to the secondary minima for each solution condition.
ΦsecΦmax [kT]

αsec

深さ [kT]

距離 [nm]

500 nm

2 mM CaCl2
10 mM NaCl
50 mM NaCl

9.07
559.46144.84

−3.51
−2.79
−9.34

17,4
23.5
7.9

0.93
0.87
1.00

200 nm

2 mM CaCl2
10 mM NaCl

15.13
201.58

−0.88
−0.82

21.1
23.8

0.38
0.35

の 12.1 % の Ca2+ の流出が確認されたものの CL は豊浦

きい場合，コロイド粒子は一次極小領域に沈着できない

砂表面に沈着したままであった（Fig. 3（c）及び Tableとしている．Table 3 より，Exp. 1 の Phase 1 で，500 nm

2）．
3.4 DLVO 相互作用エネルギーの CL が 2 mol m−3 の Ca 水溶液中で豊浦砂表面に接近

Fig. 4 は Phase 1，2 を想定した Ca 水溶液と Phase
4 を想定した Na 水溶液下におけるコロイド粒子と豊浦砂表面との相互作用エネルギーを示す．ただし，50
mol m−3 NaCl 水溶液条件では，豊浦砂のゼータ電位測定において安定した結果が得られなかったため，15 mol
m−3 NaCl 水溶液条件の測定結果を利用した．Fig. 4（a）

は豊浦砂表面の一次極小領域に沈着できたと考えられするとき，∆Φ = 5.56 kT < 10 kT であることから，CLる．またこの時 αsec の値も 0.93 と大きく，二次極小領域においても CL は捕捉されていることが示唆される．

3）．この結果は Fig. 1 に示すように，Ca2+ の存在下より Na+ の存在下で豊浦砂及び CL 表面のゼータ電位のPhase 4 では Φmax が非常に大きな値を示した一方で，二次極小は Ca 水溶液条件と同等の深さを保持しており，
αsec の値も 0.87 と高かった．したがって Phase 4 で，豊浦砂表面において Ca2+ と Na+ との陽イオン交換反応が生じた際 CL は二次極小領域に沈着していたことが考えられた．Exp. 3 の Phase 4 において 50 mol m−3 の NaCl
水溶液を用いて実験を行った際も，Φsec = −9.34 kT と二次極小の存在がみられ，CL は豊浦砂表面に沈着でき

絶対値が大きく，コロイド粒子と豊浦砂表面間におけるたと考えられる．

から，各条件で一次極小及びエネルギー障壁の存在が確認できる．エネルギー障壁の高さは，Na 水溶液条件の方が Ca 水溶液より 10 倍以上大きな値を示した（Table

斥力が大きくなったことに起因する．

Fig. 4（b）に示すように，各水溶液条件において二次極小が存在することが確認できた．Shen et al.（2007）によれば，エネルギー障壁の高さ（Φmax ）と二次極小の深さ（|Φsec |）の差（∆Φ = Φmax + |Φsec |）が 10 kT より大以上のように DLVO 理論から，Na 水溶液通水時（Ca2+と Na+ の陽イオン交換反応時）に，二次極小下での CLの沈着が考えられた．一方で，Na 水溶液通水（Phase 4）
後，純水通水時（Phase 5）に再度 CL が流出する点や，一連の通水（Phase 3–5）でも全ての CL が流出しない点

論文：陽イオン交換反応が飽和多孔質媒体中のコロイド輸送に与える影響

111

引用文献

については，DLVO 理論では説明が困難であり今後の検討課題である．
粒径 200 nm の CL を用いた場合（Exp. 4），500 nm の

CL を用いた場合と比較して Ca 水溶液条件，Na 水溶液
条件ともに二次極小の深さが浅くなった（Table 3）．これは式（4）に示したように，分子間力 UvDW が半径 a の減少に伴って小さくなったことによる影響であると考えられる．Shen et al. （2007）は，コロイド粒子の粒径が小さいほど αsec の値が小さくなるという結果を報告しており，本研究の結果と一致する．また，ナノサイズの粒青木一男, 嘉門雅史 (1986): 地下水の塩水化に伴う吸脱着現象について. 土木学会論文集, 370: 133–141.
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子は，マイクロサイズの粒子に比べてコロイド粒子と充Bradford, S.A. and Bettahar, M. (2006): Concentration de-

填粒子表面間との相互作用エネルギーでみられる一次極

pendent transport of colloids in saturated porous media.

小域に沈着しやすく，間隙水の流体力学的作用や化学的

Journal of Contaminant Hydrology, 82(1–2): 99–117.

な変化の影響を受けにくいという報告がある（Petosa etal., 2010; Wang et al., 2019）．今回の実験条件では陽イオン交換反応に伴った CL の脱離は確認できなかったもの

Bradford, S.A. and Kim, H. (2010): Implications of cationの，より小さな粒径のコロイド粒子を用いた実験では，コロイド粒子が脱離する可能性が示唆された．

exchange on clay release and colloid-facilitated transportin porous media. Journal of Environmental Quality, 39:
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Bradford, S.A., Torkzaban, S., Kim, H. and Šimůnek, J.
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4. おわりに

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Derjaguin, B.V. and Landau, L. (1941): Theory of the stabil-

本研究では陽イオン交換反応時の多孔質体中のコロイ

ity of strongly charged lyophobic sols and the adhesion of

ド粒子の輸送特性を明らかにすることを目的とし室内カ

strongly charged particles in solutions of electrolytes, Acta

ラム実験を行った．その結果，本実験条件では豊浦砂表面における Ca2+ から Na+ への陽イオン交換反応に伴った CL の流出は確認できなかった．本実験条件の範囲内
では，豊浦砂表面における Ca2+ と Na+ の陽イオン交換
反応進行中，陽イオン濃度やコロイド粒子の粒径によらPhysicochim. URSS, 14, 633–662.
藤縄克之 (2010): 環境地下水学. 共立出版, 東京.

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ず CL は豊浦砂表面に沈着することがわかった．一方，Gregory. J (1981): Approximate expressions for retarded van

カラムに純水を通水した場合，間隙水の IS 減少に伴い

der Waals interaction. Journal of Colloid and Interface Sci-

CL の流出が確認できた．DLVO 理論に基づく相互作用
エネルギーから，間隙水が Ca 水溶液系の時，豊浦砂表面において CL は一次極小及び二次極小に沈着していることが示唆された．また，その後 Na 水溶液を通水した
場合（陽イオン交換反応時）でも，CL は二次極小に沈

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He, J., Wang, D., Zhang, W. and Zhou, D. (2019): Deposition

交換量が増加した場合や，CL の粒径が小さい場合でもand release of carboxylated graphene in saturated porous

同様にみられた．しかし，Na 水溶液系での二次極小のmedia: Effect of transient solution chemistry. Chemo-

深さはコロイド粒径が小さいほど浅かった．今後，原子sphere, 235: 643–650.

間力顕微鏡（AFM）を活用したコロイド粒子と充填粒子

Hogg, R.I., Healy, T.W. and Fuerstenau, D.W. (1966): Mutual

表面間との相互作用力の測定や，マイクロ流路を用いた

coagulation of colloidal dispersions, Trans. Faraday Soc.,

CL 挙動の直接観察から，通水溶液の化学的条件の変化
が CL の沈着 · 脱離挙動に与える影響についてさらなる

Jiang, Y., Zhang, X., Yin, X., Sun, H. and Wang, N. (2018):

実験的研究が必要と考えられる．

62: 1638–1651.
Graphene oxide-facilitated transport of Pb2+ and Cd2+ insaturated porous media. Science of the Total Environment,

謝辞

631–632: 369–376.
Karn, B., Kuiken, T. and Otto, M. (2009): Nanotechnology

本研究は文科省卓越研究員事業，JSPS 科学研究費補助金（18H01530）の補助を受けました．ここに記してお礼申し上げます．

and in situ remediation: A review of beneﬁts and potential
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土壌の物理性112

第 150 号

（2022）

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論文：陽イオン交換反応が飽和多孔質媒体中のコロイド輸送に与える影響

要

113

旨

コロイド粒子は汚染物質の輸送担体として働くことが知られており，土壌中のコロイド粒子の輸送特性を理解することは重要である．本研究では，多孔質体内の Ca2+ と Na+ との陽イオン交換反応がコロイド粒子の輸送挙動に与える影響を明らかにすることを目的とした．模擬多孔質媒体として豊浦砂を，モ
デルコロイド粒子にカルボキシルラテックス粒子を用いて一次元カラム通水実験を行った．その結果，
陽イオン交換量やコロイド粒子の粒径によらず，陽イオン交換反応進行中の沈着コロイド粒子の脱離 ·流出は見られなかった．沈着していたコロイド粒子は，陽イオン交換終了後，間隙水のイオン強度が低下すると脱離した．DLVO 理論に基づく相互作用エネルギーの計算の結果，二次極小領域の存在が，陽イオン交換反応時におけるコロイド沈着に寄与することが示唆された．

キーワード：コロイド輸送，飽和多孔質媒体，陽イオン交換，DLVO 理論

データロガー ＦＴＪｒ（エフティージュニア）『ワンタイム測定機能』搭載で、フィールドを移動しながら多点測定
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圃場を移動しながら、土壌水分の多点計測を行う場合の例▲
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ENTERボタンを押すだけで簡単記録【ワンタイム測定機能】● 本体のボタン操作で測定実行、測定値をメモリに記録● 測定値以外に日付、時刻、測定番号も記録● 直前の測定値をキャンセルできるので、不要データの取り消しが簡単● 記録データはＵＳＢメモリで簡単回収(データファイルはＣＳＶ形式)● ワンタイム測定データと通常の測定データは回収後に識別可能

設置中の土壌水分計

例えば土壌水分計測では、標準のアルカリ乾電池４本利用時において、IMKO社TRIME-PICOの場合で約1,100回、Delta-T社SM150Tで約1,400回、A･R･P社WD-3シリーズで約800回の測定が可能です。
※ 内蔵電池での測定回数は、１回の測定及び表示時間を１分間としたときの計算上の回数です。
動作間隔、周囲温度などにより測定回数は大きく変動しますので目安としてください。
ワンタイム測定機能は、土壌水分計測に限った機能ではなく、他のセンサとの組み合わせにおいても利用できます。
また、SDI-12出力タイプのMETER社5TE（旧Decagon Devices社）やA･R･P社WD5など、RS232C、RS485、SDI-12のシリ
アル出力タイプのデジタルセンサに対応する FTJr-Digital （エフティージュニア デジタル）にもワンタイム測定機能が搭載されています。
お手持ちのセンサとの接続の可否など、お気軽にお問い合わせください。

詳しくはFTJr ワンタイム で 検索
〒060-0063 札幌市中央区南３条西８丁目７番地４ 遠藤ビル５Ｆ
TEL011-596-0201 FAX 011-596-0234
E-mail info@mcs-fs.com URL http://www.mcs-fs.com

J. Jpn. Soc. Soil Phys.
土壌の物理性No. 150, p.115∼123 (2022)

熱収支ボーエン比法による蒸発散量算定へのArduino と CMOS 温湿度センサーの適用
伊藤祐二 1 · 平嶋雄太 2 · 宮本英揮 2 · 籾井和朗 1

Application of Arduino and CMOS temperature-humidity sensor to evapotranspiration calculation
by Bowen ratio energy budget method
Yuji ITO1 , Yuta HIRASHIMA2 , Hideki MIYAMOTO2 and Kazuro MOMII1

Abstract: A case study of measurements using Arduino
was conducted to examine its applicability in evaluating
the evapotranspiration (ET) from an upland ﬁeld. A system to control an inexpensive CMOS sensor was assembled and used to measure air temperature and relative humidity. Assuming a light user, the basis of the system andits handling when using Arduino as a data logger were introduced. The minimal customization required to build atemperature-humidity measurement system was also described. The results show that the constructed system hada lower ET calculation accuracy than the conventional expensive and high-performance system, and that this wasdue not only to the sensor performance but also to thehardware customization. However, the analyses demonstrate that all operations of selecting and removing sensors
with large individual speciﬁcity, setting appropriate conditions for removing undesirable data in the ET calculation
method, averaging the data, or bias correction for individual speciﬁcity were effective at attaining acceptable accuracy as compared with that of the conventional system. The
accumulation of information on such measurements is essential for promoting the utilization of a low-cost opensource system.
Key Words : Open source, low-cost system, bias correction, sensor speciﬁcity, elimination of undesirable data

1. はじめにArduino は，ハードウェアのマイコンボード（Arduinoボード）とソフトウェアの統合開発環境（IDE）から構成
され，2005 年にイタリアで開発されたシステムである．
その特徴は，安価で，システムの開発や構築に関する十分な専門知識がなくても比較的容易に使用でき，オープ

ンソースのため，開発に関する情報（接続方法，入出力
結果，ソフトウェアなど）が多くのユーザーから公開され，無償で利用できることである．そのため，現在では，
電子工学などの専門分野に加え，教育業界や企業でも使用され，世界で広く普及している（高本, 2014）．こうした背景から，工学系分野に限らず様々な学術分野で利用が期待される．
とりわけ農学分野では，屋内外の様々な測定，モニタ
リング，機器の制御などで Arduino の使用機会が想定される．たとえば，農地における環境計測技術としてセンサーネットワークやフィールドサーバーの研究 · 開発が進み（溝口 · 伊藤, 2015），こうしたシステムの中枢を担う制御用マイコンとして Arduino が使用されている（深津 · 平藤, 2020）．同様の環境計測システムは施設園芸においても開発が進み，その制御に Arduino が用いられている（安場ら, 2013）．また，ロボットへの活用事例として，用水路の自走式水草刈機の制御基板にも利用されている（山岡ら, 2020）．これまで培われてきた様々なセンサー，測定，ロボットなどの技術を基礎とし，無線化やネットワーク化を実現した ICT · IoT システムの自作がArduino の高いユーザビリティーによって可能になったと言える．
こうしたシステム開発への適用事例に比べて，Arduinoの最も根本的な活用方法である計測を中心に論じた報告は少ない．Arduino は，その汎用性や拡張性の高さから，様々な入出力装置やセンサーを制御することができる．
最近，1 台数百円 ∼ 数千円程度の安価なセンサーが流通し，安ければ Arduino を含めて 2,000 円以内で様々な測定システムを構築することができる．そうした多様なセンサーの接続や制御に関する情報は web 上で容易に入手

1 Faculty of Agriculture, Kagoshima University, 1-21-24 Korimoto,

できるが，その多くは趣味や教育目的にとどまり，測定

Kagoshima 890-0065, Japan. Corresponding author: 伊藤祐二, 鹿児島大
学農学部.
2 Faculty of Agriculture, Saga University, 1 Honjo-machi, Saga 840-8502,
Japan.
2021 年 8 月 31 日受稿 2021 年 2 月 15 日受理

結果を含めて学術レベルで整理した内容は少ない．
本稿では，Arduino を活用した計測事例として，安価な温湿度センサーを制御するシステムおよびその測定デー

土壌の物理性

116

第 150 号

（2022）

タに基づく畑地の蒸発散量（ET）の算定について紹介すmonth−1 ; 製造元不明）を用いた．いずれも一般に広く利る．ライトユーザーを想定し，Arduino ボードをデータ用されており，使用方法やトラブルシューティングの情

ロガーとして使用する場合の基本的なシステムとその扱報が得やすいこと，1 台数百円程度の低価格で Amazonい方を可能な限り詳細に説明した．その際，最低限必要

等の web サイトでも購入可能であることから，入手しやなハードおよびソフトウェアのカスタマイズについても

すく取り扱いが容易なモジュールである．

言及した．ET 算定法には熱収支ボーエン比（BREB）法

これらの機器の結線は，専用のジャンパーワイヤとブを用い，温湿度センサーの性能が ET 算定精度に及ぼす

レッドボードを用いて行った（Fig. 1a, b）．Keyestudio

影響を中心に整理した．

Mega の電源は，7 ∼ 12 V に対応する丸形 DC ジャックまたは Arduino 標準のピンタイプ端子，5 V の USB（Bタイプ）から入力できるが，今回は Campbell Scientiﬁc
製のバッテリー（PS100）からピン端子を介して 12 Vで給電した．Keyestudio Mega と各機器の接続と配線を
整理 · 集約するためにブレッドボードを利用し，バッテ

つまり，同法では，2 高度間の温湿度差の測定精度がET 算定精度に影響を及ぼすため，使用する 2 台のセンサーの器差に着目して結果を整理した．この点を踏まえ，検討するセンサーとして，コンピューター（PC）のCPU にも利用される相補型金属酸化膜半導体（CMOS）を内蔵する Sensirion 製 SHT71 センサー（以下，SHT71と表記）を用い，研究用として定評のある高額 · 高性能のVaisala 製 HMP110 センサー（以下，HMP110 と表記）と温湿度測定精度および器差を比較した．Arduino の最大の魅力である低コストを重視し，安価な Arduino-SHT71
温湿度測定システムによる ET の算定精度および誤差補

リーやボード間の結線にはジャンパーワイヤを用いた．

Arduino 規格に対応したピン端子を備える SD カードとRTC の両モジュールはブレッドボードに直接接続した．
Keyestudio Mega との結線の詳細は，参考書（たとえば，
神崎, 2012）や web サイトに譲り，ここでは割愛する．

正について検討した．

2． 実験材料および方法
2.1 Arduino 測定システム
Arduino ボードには，フラッシュメモリーや ROM の
容量，CPU の処理速度，入出力端子数の違いによって，複数のタイプがある（高本, 2014）．Arduino Uno は，デジタル端子数：14，アナログ端子数：6，フラッシュメモ
リー：32 KB，ROM：1 KB，CPU 処理速度：16 MHz を備え，シリーズの中で標準のタイプである．本研究では，

Arduino Uno の上位モデルである Arduino Mega 2560 R3の互換機 Keyestudio Mega 2560 R3（Keyestudio; 以下，
Keyestudio Mega と表記）を使用した．Keyestudio Mega
は，デジタル端子数：54，アナログ端子数：16，フラッシュメモリー：256 KB，ROM：4 KB，CPU 処理速度：16
MHz を備える．サイズは，Arduino Uno よりも長辺が約3 cm 長く，長辺 10.8 cm，短辺 5.3 cm，高さ 1.3 cm であり，web サイト（たとえば，https://www.amazon.co.jp/）
から 1 台 1,500 円程度で購入することができる．仕様はArduino Mega 2560 R3 と同じであり，Arduino Uno とは異なるものの，3 者の基本的な取り扱い方は同じである．
Arduino ボードは，多くの入出力に対応するが，数値データの記録装置と正確な内部時計を備えていないた
め，データロガーとして直接利用することはできない．
たとえば，気温の時間変化を測定する場合，時系列データを得るためには，SD カードモジュールと RTC（Realtime clock）モジュールを接続し，各機能を追加する必要がある．本研究では，SDSC（最大容量 2 GB）と SDHC
（最大容量 32 GB）の規格に対応する Catalex 製 microSD
カードモジュール（v1.0 11/01/2013）および時間測定
精度が比較的高い DS3231RTC モジュール（誤差 5 sec

Fig. 1 Arduino 互 換 ボ ー ド Keyestudio Mega と SHT71
CMOS センサーを用いた温湿度測定システム（（a）写真，（b）模式図，（c）センサー接続の模式図）．
Temperature-humidity measurement system using Keyestudio
Mega (Arduino-compatible board) and SHT71 CMOS sensor((a) photograph, (b) schematic diagram, and (c) schematic diagram of sensor wiring).

研究ノート：熱収支ボーエン比法による蒸発散量算定への Arduino と CMOS 温湿度センサーの適用

SHT71 は，1 台 3,000 円以下（2017 年当時 ※ ）で購入可能なデジタル温湿度センサーであるが，Arduino 用に開発されていないためカスタマイズを要した（Fig. 1c）．
まず，端子が規格外のため，はんだ付けした 4 芯のモ

117

ただし，予備実験において，SHT71 をシールド内に直接設置すると，塵埃や水滴による腐食によってセンサーが故障したため，以下の保護フィルターを自作して防食加工を施した．まず，接続ケーブルの一部を含む SHT71

ジュラーケーブルを利用してブレッドボードと接続し全体を直径 1.2 cm のポリプロピレン製円筒に入れ，シリた．また，SHT71 にはデジタルデータ通信用のプルアッ

コン接着剤で固定した．次に，円筒の側面にあらかじめ

プ抵抗（10 kΩ）が必要なため，回路をブレッドボード

設けた通気用スリットをろ紙（PHWP02500，Merck）で上に組み，それを介して Keyestudio Mega と接続した．

内側から塞いだ．最後に，それ以外の通気穴をシリコン

なお，回路やボードとの結線にはジャンパーワイヤを用接着剤で塞いで，全体を小型シールド内に固定した．

いた．

各センサーによるデータは，温湿度センサーの器差測定システムは，PC 上で作成するプログラムで制御

評価と BREB 法による ET の算定のために，それぞれすることができる（Fig. 2）．Arduino ボードの制御用プ

期間を分けて取得した．まず，器差を評価するために，

ログラムは，基本的にスケッチ（拡張子が「ino」のファ本研究でも，制御プログラムを可能な限り web サイ

HMP110 と SHT71 のすべてを高さ 1 m の位置に併設
し，2018 年 10 月 23 日 ∼ 2019 年 1 月 16 日まで（欠測日を除く 86 日間）測定した．その後，ET 算定のため，HMP110 のセンサー 1（HMP110-1）と SHT71 のセ
ンサー 1 と 3（SHT71-1 と-3）を高さ 0.2 m，他を 2 mに移設し，2019 年 1 月 22 日 ∼ 4 月 15 日まで（欠測日を除く 88 日間）測定した．ただし，地表面側（蒸発面側）に設置した 3 台の各センサーは，クリムゾンクロー
バーの草丈（平均草丈と最大草丈は約 0.35 m と約 0.5m）に応じて，4 月 3 日以降の設置高度を 0.5 m とした．
Keyestudio Mega に接続した SHT71 以外のセンサーを
データロガー CR1000（Campbell Scientiﬁc）に接続し，SHT71 を含めた全データの測定間隔を 5 分とした．

トから入手し，稼働までのプロセスを省力化した．ま本研究における吹送距離（測点から風上側に広がる同ず，web サイトからダウロードした SHT シリーズのセ一植生面の水平距離）の取り扱いについて付記する．上

ンサー制御用プログラムを基礎とし，スケッチとヘッ

述の温湿度測定高度に対し，吹送距離は少なくとも 20 倍

ダーファイルのみ若干の修正を加えた．前者はモジューの長さに設定する必要があるが（Heilman et al., 1989），

イル）とライブラリー（拡張子が「h」のヘッダーファイ
ルと拡張子が「cpp」のソースファイル）から構成され，C 言語と C++ 言語をベースにした Arduino 特有のプロ
グラミング言語で記述される．プログラムは統合開発環境（IDE）で作成することができ，IDE は Arduino の公式 web サイト（https://www.arduino.cc/）から無料でダウ
ンロードすることができる．制御プログラムは必ずしもすべて自作する必要はなく，カスタマイズは必要であるが，大部分を基礎プログラムとして web サイト（たとえば，GitHub: https://github.com/）から無料で入手できる場合が多い．

ル等の必要なヘッダーファイルの読込みと測定時間イン
ターバルのステートメントおよび入出力端子の番号，後者はセンサー出力値（デジタル値）の温湿度換算係数を

SHT71 用にカスタマイズした．測定の際は，USB ケー
ブルでノート PC と Keyestudio Mega を接続し，IDEを立ち上げて両者の接続を認識させた．作成したプロ
グラムを IDE 内でコンパイルした後，ノート PC から

Keyestudio Mega のフラッシュメモリーに書き込み，設定した時間インターバルで測定を開始した．

2.2 熱収支観測
鹿児島大学農学部郡元キャンパス内のクリムゾンク
ローバー畑（長辺 57 m，短辺 22 m）の中央に，SHT71，

HMP110，純放射計（Q7.1, REBS），地中熱流板（HFT3L, Hukseﬂux），風向風速計（03001, Young）から成る観測ステーションを構築した．純放射計は地表面から 1.5m の位置に設置し，熱流板は地下約 2 cm に埋設した．
HMP110 は 2 台，SHT71 は 4 台を用い，それぞれラジ
エーションシールド内に固定してステーションに設置した．HMP110 については専用のセンサー保護フィルターとシールド（YG-41003, Young）を使用したが，SHT71
では専用のシールドが市販されていないため，Onset 製の小型シールド（RS3-B）を代用した．

Fig. 2 コンピューター上の統合開発環境（IDE）で作成した温湿度測定用プログラム（スケッチ）．
Programs (sketch) for temperature-humidity measurement described using Integrated development environment (IDE) on acomputer.

118

土壌の物理性第 150 号

（2022）

本研究では十分な距離を確保することができなかった．

同じ 0.08 ◦ C を採用した（3.3 節参照）．εe は，T と RH

しかし，この問題は，HMP110 と SHT71 を同じステーの測定値から求めた e(T, RH) と e(T + εT , RH+εRH ) のションの同一高度に設置したため，両センサーに基づい差として 5 分間隔でセンサー別に算出した．

て評価した ET を比較する目的において無視できると考3. 結果と考察

えた．

2.3 BREB 法による蒸発散量の算定
BREB 法による ET（kg m−2 s−1 ）は，ボーエン比（β ）および熱収支要素の純放射量（Rn ; W m−2 ）と地中熱流量（G; W m−2 ）を用いて次式で計算することができる（Bowen, 1926; Brutsaert, 1982; ASCE, 1996）．

3.1 温湿度測定差

HMP110 に対する SHT71 の測定差は大きく，差異はT と RH の変動が大きい時間帯で特に拡大した（Fig. 3）．
T の測定差（Fig. 3a, b）は，夜間は概ね −1.0 ◦ C ∼ 0.3◦ C の範囲内であったが，日の出頃（7 時頃）から急増
Rn − G
し，T が最高となる日中（たとえば，14 時頃）にかけET =(1)
l (1 + β )て 2 ◦ C ∼ 3 ◦ C で最大となり，それ以降，日没頃（17 時頃）に急減する変動パターンを示した．検討した 10 月
ここで，l は水の気化潜熱（J kg−1 ）である．BREB 法で23 日 ∼ 1 月 16 日の HMP110-1 と HMP110-2 の平均値
は，残りの熱収支要素である潜熱輸送量と顕熱輸送量は（HMP110ave）に対する SHT71-1 ∼ SHT71-4 の T の二それぞれ lET（W m−2 ）と β lET（W m−2 ）で与えられ，乗平均平方根残差（RMSD）はそれぞれ 0.93 ◦ C，0.80
すなわち β は両者の比として次式で定義される．
◦ C，0.90 ◦ C，0.82 ◦ C であり，残差の平均値（Bias）は0.45 ◦ C，0.67 ◦ C，0.61 ◦ C，0.56 ◦ C であった．一方，RH
H
T1 − T2β==γ(2)の測定差（Fig. 3c, d）は，T が上昇する日中に負，T がlET
e1 − e2低下する夜間に正となり，概ね −8 % ∼ 10 % で推移し
−2
た．センサー 1 ∼ 4 の RH の RMSD はそれぞれ 2.9 %，ここで，H は顕熱輸送量（W m ），γ は乾湿計定数（0.667◦−1◦
2.2 %，2.5 %，2.0 % であり，Bias は 2.2 %，3.7 %，3.8
hPa C ），T は温度（ C），e は水蒸気圧（hPa）であ%，1.9 % であった．これらの結果から，SHT71 は一般る．また，添え字の 1 は蒸発面側，2 はそれよりも高いに RH を過大評価し，高温ほど T を過大および RH を過位置の地表面高度をそれぞれ示す．Rn と G は純放射計
小に評価することが分かった．
と地中熱流板によって，β は温湿度センサーによる T お
よび T と相対湿度（RH；%）から計算される e（Ham,
測定差の原因を調べるために，別途，両センサーの比2005）を式（2）に代入することによってそれぞれ得ら
較実験を行った．6 台の SHT71 と 2 台の HMP110 をれ，ET はこれらを式（1）に代入して求められる．
シールドを外して室内の実験台に固定し，17.5 ◦ C ∼ 27.0
◦ C および 43.5 % ∼ 72.5 % の温湿度条件で両センサー
本研究では，Keyestudio Mega と SHT71 を組み合わせの測定値を比較した（Fig. 4）．温湿度条件が特に不安定た測定システムが ET 算定精度に及ぼす影響を以下の手となった空調による冷却開始時と冷却終了時の時間帯を順で評価した．まず，CR1000 に接続した HMP110 の T
除けば，SHT71 の T の測定差は 25 ◦ C ∼ 27 ◦ C の高温と RH から ET を算定し，これを SHT71 の T と RH か
帯で概ね ±0.5 ◦ C 以内，18 ◦ C 付近で概ね ±1 ◦ C 以内でら算定した ET の比較の基準とした．両システムで ETあり（Fig. 4a），RH の測定差は条件に関係なく 2 % ∼ 6を求める際，Rn と G にはいずれも上述の同じ測定値を%（全センサー平均
3.6 %）であった（Fig. 4b）．この測用いた．各 ET は 5 分間隔で計算し，それらを算術平均
定差をシールドを用いた野外の結果と比べると，RH をして求めた日単位の ET で比較した．ただし，BREB 法
過大評価する点は一致し，他は異なった．ちなみに，標では，使用した測定機器の誤差により，算定した ET が準的な温度帯（たとえば，25 ◦ C 付近）における T と RH
異常値となる問題があり（Irmak et al., 2014），この問題のメーカー公称の測定精度は，HMP110 の ±0.2 ◦ C とに対処する必要がある．本研究では，5 分間隔で計算し±1.5 %（Vaisala, 2020）に対し，SHT71 では ±0.4 ◦ C とた ET が異常値であるかどうかを Ohmura（1982）が提±3 %（Sensirion, 2011）であり，上記の測定差は公称精案した評価基準によって判定し，異常値と判定された場
度と概ね整合した．
合は算術平均のデータから除去した（伊藤ら, 2008）．
よって，野外の T の測定差は，センサーの保護フィ
この評価基準では使用する温湿度センサーの T と RH
およびそれらの関数である e の測定分解能（εT ，εRH ，εe ） ルターとラジエーションシールドのカスタマイズに起因し得る．室内実験とメーカー公称精度のデータから，のデータを要する．HMP110 では，出力電圧分解能 0.12
◦ C mV−1 と 0.1 % mV−1 および CR1000 の A/D 変換分
SHT71 の T センサーの性能は HMP110 と比べて実用
上遜色はなく，T の測定差が両センサーの性能差のみ
解能（0.667 mV）より εT = 0.08 ◦ C と εRH = 0.07 % とによって生じたとは考えにくい．これに対し，ラジエー
した．SHT71 では，データシート（Sensirion, 2011）よ
ションシールドが T に及ぼす影響として，日中に T をり εT = 0.01 ◦ C と εRH = 0.03 % としたが，ET を適切に過大評価し測定差が増大することが知られており（浜田,
算定することができなかったため，εT のみ HMP110 と研究ノート：熱収支ボーエン比法による蒸発散量算定への Arduino と CMOS 温湿度センサーの適用

Fig. 3 高度 1 m に設置した 2 台の HMP110 センサーの平均値（HMP110ave）に対する 4 台の SHT71 センサー
（たとえば，センサー 1 は SHT71-1 と表記）の温湿度測定差．
Differences between temperature-humidity measurement by four SHT71 sensors (e.g., SHT71-1 denotes sensor 1) andmean values (HMP110ave) by two HMP110 sensors.

Fig. 4 2 台の HMP110 センサーの平均値（HMP110ave）に対する 6 台の SHT71 センサーの実験室内における最大の温湿度測定差．
Maximum differences between temperature-humidity measurement by six SHT71 sensors and mean values(HMP110ave) by two HMP110 sensors in laboratory.

119

土壌の物理性120

第 150 号

（2022）

Fig. 5 高度 1 m に設置した HMP110 センサーおよび SHT71 センサーの器差．HMP110 と SHT71 の器差は，それぞれ 2 台と 4 台の測定値の平均値に対する各センサーの測定差として評価される．ハイフンの番号はセンサー番号，σ は標準偏差を表す．
Individual speciﬁcities of HMP110 and SHT71 sensors. Speciﬁcities of HMP110 and SHT71 sensors are calculated
as differences between each measurement and averages of two and four sensors, respectively. Hyphen numbers and σrepresent sensor numbers and standard deviation, respectively.

2000），今回生じた測定差（Fig. 3a, b）はその特徴と一致する．2.2 節で述べたように，SHT71 には自作の円筒フィルターと市販の汎用シールドを用いたが，通風 · 通
気条件が比較的悪かった可能性がある．つまり，T の過メーカー公称精度と同等であった（Fig. 5a, b）．HMP110の器差を，使用した 2 台のセンサーの平均出力値と各出力値の差として評価した結果，T の器差は約 ±0.1 ◦ C であり，器差の標準偏差（σ ）と Bias は 0.03 ◦ C と ±0.04

大評価は，高温となる日中に円筒内に熱が滞留したこと◦ C であった（Fig. 5a）．RH では，器差は約 ±1 %，器差が主な原因である．

の σ と Bias は 0.19 % と ±0.02 % であった（Fig. 5b）．

一方，RH の測定差は，T の測定差および RH センサー

これらの結果をメーカー公称精度（前節参照）と比較すの性能の違いによって生じた可能性が高い．野外および

ると，T と RH の器差は各公称精度の範囲内にあった．

室内実験のデータより，SHT71 で得られる RH は一般によって，検討したセンサーは 2 台に限定されるものの，過大となる．よって，T の影響が小さい夜間では RH セ

HMP110 から出力される T と RH には高い再現性があり，ET 算定では高い精度が期待された．

ンサー自体の性能差によって測定差は 4 % 前後であった（Fig. 3c, d）．これに対し，高温条件の日中では円筒フィルター内の飽和水蒸気圧が高くなるため RH が低下
し，測定差が縮小または負になった．このように，ラジ
エーションシールド内に設置した SHT71 の温湿度測定
差は同センサーの公称精度と比べると大きかったが，本論の冒頭で述べたように，ET の算定を目的とするうえで，BREB 法では 2 高度間の温湿度差の測定精度が重要であるため，以下ではセンサーの器差を比較 · 検討する．

3.2 温湿度センサーの器差基準として用いた HMP110 の器差は比較的小さく，

HMP110 に比べ，SHT71 の器差は大きく，特に RH の
器差の Bias は極めて大きかった（Fig. 5c–f）．HMP110と同様に，SHT71 の器差も 4 台のセンサーの平均出力
値と各出力値の差としてそれぞれ評価した．全器差の σの平均値および Bias の絶対値の平均値をそれぞれ求め，
HMP110 のそれらと比較すると，T では 3.4 倍と 1.7 倍，
RH では 3.2 倍と 39 倍ほど大きかった．前節で記した
メーカー公称精度より，SHT71 の T と RH の測定誤差は理論上 HMP110 の 2 倍になるが，器差もこれと同様に SHT71 の方が大きく，RH の器差の Bias については

研究ノート：熱収支ボーエン比法による蒸発散量算定への Arduino と CMOS 温湿度センサーの適用

121

理論値を大きく超過した．以上より，SHT71 を用いて可能な限り精度よく ET を算定する方法を考察する．まBREB 法で ET を算定した場合，HMP110 を用いた場合

ず，センサー購入後に複数のセンサーを比較し，極端にに比べて精度が劣る可能性が高い．

性能の低い粗悪なセンサーを排除することを考える．こ3.3 ET の算定誤差とその補正の要点は，ET を算定する野外の設置状況と可能な限り同じ条件でセンサーの器差を調べることである．検討した
SHT71 では，2 高度に設置するセンサーの組み合わせ
4 台の SHT71 の場合，SHT71-34 による ET 算定精度がによって ET の算定精度が異なった（Fig. 6a）．センサー
最も低く，SHT71-32 と SHT71-34 による ET 計算値にの組み合わせの中で，センサー 1 と 4（SHT71-14）に対するBias 補正の効果は低かった．よって，両方で共通
よって求めた ET の精度は最も高く，RMSD = 0.43 mm−1−1
する SHT71-3 を最も性能の低いセンサーとしてあらか
day および Bias = 0.16 mm day であった．センサー
じめ排除したいところであるが，先述の器差の σ や Bias
1 と 2（SHT71-12）およびセンサー 3 と 2（SHT71-32）にの統計値（Fig. 5c–f）から SHT71-3 を排除する根拠は不よる ET は，RMSD と Bias は拡大したが HMP110 の ET明確である．ただし，原因は不明であるが，SHT71-3 のに対する線形性は高く（R = 0.93 と 0.98），1 : 1 線近辺
器差は 1 時間程度の間に急変する状況が多く認められたに分布した．センサー 3 と 4（SHT71-34）では，RMSD−1−1（
Fig. 5e, f）．こうした原因不明の出力値の大きな変化は= 1.14 mm day および Bias = 0.42 mm day であり，補正するのも困難であるため，そうした状況があらかじ
ET 算定精度が低かった．式（1）で ET を求める際，Rn
め確認されるセンサーは使用しない方がよい．
と G には同じデータを使用しているため，ET 算定精度
他の方法として，データの平均が考えられる．SHT71の差異は，各センサー間の器差，すなわち各センサーのによる ET 算定では，Bias 補正前後のいずれにおいても温湿度測定誤差に伴う β 計算値の差異に起因する．し使用するセンサーによって ET 算定値にばらつきが見らかしながら，3.1 節と 3.2 節で明らかにした T と RH の測定差および比較的大きな器差の問題にもかかわらず，センサーの組み合わせによっては SHT71 によって ETをある程度の精度で算定することが可能であることがわ
かった．

ET の算定精度を改善するために，T と RH の Bias 補正を検討した．器差の 1 つの指標として評価した SHT71の各センサーの Bias を，ET 算定時の T と RH のデータから減じてそれぞれ補正し，各補正値を用いて ET を再計算した．Bias 補正前後の ET 算定精度を比較した結果（Fig. 6b），SHT71-32 と SHT71-34 に対する ET 算定精
度はさほど変わらなかったが，SHT71-12 と SHT71-14の算定誤差はそれぞれ RMSD で 53 % と 28 %，Bias で47 % と 81 % の改善が認められた．ちなみに，T と RHの器差と T ，RH，Rn ，風速，日射量（約 2 km 離れた気象台より入手）の関係を回帰分析に基づいてそれぞれ検討したが，効果的な σ /Bias 補正は見出せなかった．
よって，ここで適用した Bias 補正法は，センサー器差の特性にもよるが，以下の仮定の下では有効である．つまり，4 台のセンサー測定値の平均値は測定時の T または RH の最確値を表し，Bias は様々な T - RH 条件で一定と仮定する．こうした仮定が成立すれば，上述の Bias
補正によって，ET 算定時の各高度の温湿度測定値は，理論上，それぞれの最確値に近似するため，ET 算定値は補正される．提示した Bias 補正法は，野外の ET 算定時と同じ機器を利用でき，かつ単純な算術平均値として Biasを評価できる利点がある．複数組の温湿度センサーから算定した ET の偏差を軽減するために，ここで示した Tと RH の Bias 補正法を簡便な ET 補正法として提案する．なお，高額であっても HMP110 のような高性能のセンサーが利用できる場合は，その測定値をより正確な温湿度の最確値として用いることを推奨する．
性能が不十分な複数のセンサーを使用したとしても，Fig. 6 HMP110 センサーと SHT71 センサーを用いた
BREB 法による蒸発散量（ET）算定値の比較．ハイフンの番号は 2 高度に設置した 2 台のセンサーの組み合わせを表す（たとえば，センサー 1 と 2 の組み合わせは SHT71-12と表記）．(b) と (d) は SHT71 センサーの器差補正後の結果を示す．(c) と (d) は (a) と (b) の各 4 組の SHT71 セン
サーによる ET を平均した結果を示す．
Comparison of evapotranspiration (ET) estimated by BREB
method using HMP110 sensors and SHT71 sensors. Hyphen
numbers represent couples of two sensors installed at different heights (e.g., SHT71-12 denotes a couple of sensors 1 and
2). (b) and (d) show results corrected for individual speciﬁcities of SHT71 sensors. (c) and (d) show results averaged for
ET by four couples of SHT71 sensors in (a) and (b), respectively.

土壌の物理性

122

第 150 号

（2022）れた（Fig. 6a, b）．そこで，日単位の各 ET 算定値を算術事前に排除し，ET の異常値判定率 45 ∼ 50 % を目安に平均してみると，補正前後の両 ET 平均値は，精度が比較的高かった Bias 補正後の SHT71-12 または SHT71-14

BREB 法の異常値判定条件である温湿度測定分解能を調整すれば，従来と同等の水準で ET を算定し得ることをによる ET 算定値と同等の精度を示した（Fig. 6c, d）．ま確認した．また，器差の大きいセンサーを使用したとし

た，2 台の SHT71 による T および RH のデータをそれても，データの平均や野外で評価可能な器差の Bias 補正

ぞれ高度別に算術平均して 2 高度間の温湿度差を求め，によって精度を改善できることを明らかにした．

それらを用いて ET を計算した結果（図示していない），

今日，高速データ通信や AI などの技術を基にした新RMSD = 0.41 mm day−1 および Bias = 0.32 mm day−1

たなデータサイエンス時代の黎明期を迎え，本稿の冒頭となり，この場合もある程度良好な精度を示した．植生で述べたようなセンサーネットワークやフィールドサー

や気象などの蒸発条件，センサーの設置高度やラジエーバーの技術は今後益々重視され活用され得る．こうしたションシールドの性能などの測定条件の違いについて更技術をより効率的 · 効果的に発展させ社会に実装するう

なる検討は必要であるものの，上記の 3 パターンの平均

えで，販売 · 開発企業の専門家，研究者，専門外の利用法は，いずれも SHT71 と同程度の性能を有する 4 台の者の各業界間で共通の測定用プラットフォームは必須でセンサーからより精度の高い ET を得る手法として有効あり，Arduino をはじめとする低コストオープンソースである．なお，器差が極端に大きいセンサーをあらかじ

システムはその有力なツールである．最近，その利点をめ取り除いたうえでデータを平均すれば，さらに高い精生かした各業界ユーザーによる積極的な利用とシステム度で ET を算定することができる．

自作の重要性が指摘されている（深津 · 平藤, 2020; 岡山,

最後に，異常値の処理の違いが ET 算定値の比較に

2020）．こうした理念に沿って，社会の多様なニーズへ及ぼす影響について考察する．HMP110 を用いた場合，の対応が求められる農学のような研究分野では，今後，Ohmura（1982）の評価基準で判定した ET の異常値の多くが日の出と日没近傍を含む夜間に集中し，全 ET デー
タの 45.3 % を異常値と判定して ET の算定から除去した．SHT71 でも同様の異常値の発生状況が確認され，その除去率は 48.3±2.0 % であった．方法は異なるものの，類似の概念に基づく丸山 · 伊藤（2019）の評価基準でも，異常値は夜間に集中し，その除去率は 46.7 % であったことが報告されており，本研究結果と一致する．HMP110と SHT71 の異常値の発生条件は概ね一致していたため，
異常値の処理の違いが両センサーによる ET 算定値の比較に及ぼす影響は小さい．ただし，SHT71 では，εT に
実際のセンサー分解能である 0.01 ◦ C を使用すると，異常値の除去率がすべて 30 % 台まで低下し，ET を適切に

オープンソースシステムの積極的な活用ならびにそれに算定することができなかった．この原因として，まず適用した評価基準では異常値の数が εT に敏感に応答する特徴を示し，加えて 3.1 節で論じた通風 · 通気条件の悪化が εT に影響を及ぼしたため，より条件の厳しい本来の εT が適用できなかったと考える．

4. おわりに
本稿では，CMOS 温湿度センサー SHT71 を Arduino
互換ボード Keyestudio Mega で制御するシステムを構築
し，畑地の蒸発散量（ET）算定への有効性を検討した．
システムは数千円程度で構築できる安価なものであっ伴う計測に関する情報の公開と蓄積が望まれる．
※

SHT71 は生産を終了しており，現在はより高精度のセンサー（たとえば SHT85）が販売されている．

引用文献
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深津時広 · 平藤雅之 (2020): 個人によるモノづくりの視点から見た農業センサネットワークの課題と改善手法の提案. 農業情報研究, 29: 1–13.

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浜田 崇 (2000): 第 1 部観測編 1.1 気温. 牛山素行編 身近な気
象 · 気候調査の基礎, pp. 7–13. 古今書院, 東京.

たが，野外で使用した約半年間で異常や破損は生じず，

Heilman, J.L., Brittin, C.L. and Neale, C.M.U. (1989): Fetch

耐久性はそれなりに高かった．従来の高額 · 高性能のrequirements for Bowen ratio measurements of latent andVaisala 製センサー HMP110 で構成したシステムよりもsensible heat ﬂuxes. Agricultural and Forest Meteorology,

温湿度測定精度は劣るのに加え，保護フィルターとラジ

44: 261–273.

エーションシールドのカスタマイズにより測定差とセンIrmak, S., Skaggs, K.E., and Chatterjee, S. (2014): A re-

サー間の器差は拡大した．しかし，SHT71 のような安価

view of the Bowen ratio surface energy balance method

なセンサーでも複数を比較して器差の大きいセンサーを

for quantifying evapotranspiration and other energy ﬂuxes.

研究ノート：熱収支ボーエン比法による蒸発散量算定への Arduino と CMOS 温湿度センサーの適用
Transactions of American Society of Agricultural and Bi-

123

岡山 毅 (2020): 低コストオープンソースハードウェアを用いたスマート農業推進の提言. 農作業研究, 55: 169–172.

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Sensirion (2011): データシート: SHT7x （SHT71, SHT75）,

doi: 10.13031/trans.57.10686
伊藤祐二, 籾井和朗, 吉満由佳, 面髙みさき, 中川 啓, 竹内真
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高本孝頼 (2014): みんなの Arduino 入門, p. 181. リックテレ
コム, 東京.

神崎康宏 (2012): Arduino で計る，測る，量る, p. 263. CQ

Vaisala (2020): Vaisala カタログ Humicap HMP110 温湿度
プローブ, p. 2. Vaisala, 東京.

出版, 東京.
丸山利輔 · 伊藤浩三 (2019): 蒸発散推定のための逆解析法と

山岡 賢, 高野粋史, 嶺田拓也, 吉永育生, 渡部恵司 (2020):

ボーエン比法及び渦相関法との比較. 農業農村工学会論

用水路内での水草刈機の簡易な自律航行方法の開発 —文集, 309: I 169–I 178.

模型実験による検証 —. 農業農村工学会論文集, 311:

溝口 勝 · 伊藤 哲 (2015): 農業 · 農村を変えるフィールドモ

I 323–I 331.

ニタリング技術. 水土の知. 農業農村工学会誌, 38: 93–96.

安場健一郎, 星 岳彦, 金子 壮, 東出忠桐, 大森弘美, 中野明正

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Bowen ratio ﬂux calculations. Journal of Applied Meteo-

測ノードの構築. 農業情報研究, 22: 247–255.

rology, 21: 595–598.

要

旨Arduino を用いた計測事例として，安価な CMOS 温湿度センサーを制御するシステムを構築し，畑地の蒸発散量（ET）算定への有効性を検討した．ライトユーザーを想定し，Arduino をデータロガーとして利用する場合の基本的なシステムやその取り扱い方を紹介し，温湿度測定システムを構築するうえで最低限必要なカスタマイズについても記した．従来の高額 · 高性能システムと比べて，構築したシステム
は ET 算定精度が低く，それはセンサー性能に加え，ハードウェアのカスタマイズにも起因することを示した．しかし，器差の大きいセンサーの選別，ET 算定法の異常値判定条件の適切な設定，データの平均，器差の Bias 補正のいずれもが従来と同水準の ET を算定し得る有効策であることを論じた．こうした計測情報の蓄積は，低コストのオープンソースシステムの利活用を進めるうえで重要である．
キーワード：オープンソース, 低コストシステム, Bias 補正, センサー器差, 異常値除去

'ULOO 'URS%OXHWRRWK

スマートフォン、タブレット対応土壌水分プロファイルプローブ

特長

1 本のプローブで 3～12深度のVWC、地温、塩分濃度を計測
Androidスマホ、タブレットでBluetooth経由のデータ回収
これ1本で計測と記録が完結するため大幅にコストを抑えることが可能に
専門知識がなくても設置が容易

仕様

計測項目
電源
電池寿命
プローブ長
センサ深度
内部メモリ
動作環境
水分値精度
温度精度
I/F

温度・体積含水率・塩分濃度（オプション）
3.6Vリチウムイオン電池内蔵
2～3年（使用環境により異なります）
30cm、60cm、90cm、120cmの4モデル
全モデル5cmから10cm間隔
2000データ保存-20～60℃±0.03％±2℃ ＠25℃
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SoilVUE10

TDR土壌水分プロファイルセンサー

特長
1 本のプローブで 6または9深度のVWC、EC、Permittivity、温度を計測
ねじ込み形状により土壌との密着性をより高め安定した計測が可能
長期間の屋外計測に適した堅牢なプローブ
ノイズに強いデジタル出力、最大ケーブル長304.8ｍ対応

仕様
計測項目
電源
消費電流
計測深度
出力

体積含水率、EC、Permittivity、温度
9～36Vdc
Active: 64ｍA Quiescent: 1.5mA
0.5mモデル 5,10,20,30,40,50(cm)5,10,20,30,40,50,60,75,100(cm)1ｍモデル
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J. Jpn. Soc. Soil Phys.
土壌の物理性No. 150, p.125∼128 (2022)

Arduino の概要と私の応用例の紹介
坂口

1. はじめに

敦1

環境計測用シールドおよびモジュールの利用価値が高いです．シールドを何層にも重ねて使用する場合は同じデジタル端子もしくはアナログ端子を別のシールド同士でArduino は 2005 年にイタリアで開発が始まり，わかりやすい標準化された入出力ポートや Arduino IDE と呼ばれる手軽に始めることができるプログラムの開発環境が共有して誤動作する事があるので，シールドと端子番号の関係を把握しておくと良いです．

Arduino 用に販売されているものではない一般的な温用意されているため，電子工学やコンピュータの専門家

度センサー，日射センサー，流量センサーなどや，土壌以外にも広く利用されるようになりました．本項では，

水分センサーなども用いる事ができますが，世の中のセ

Arduino を使用して自動採水装置等を作製した経験をもンサーの殆どは観測値を電圧またはパルスとして出力とに，これらの応用例も紹介したいと思います．

しています．出力値が電圧のセンサーの場合は Arduino

2．Arduino の使用に際しての工夫等についてのアナログ端子にセンサーの出力端子を，Arduino の
GND 端子にセンサーの GND 端子を接続し，そしてセンサーの印加電圧端子は常時通電していて良いのであればArduino には多種類のタイプが存在し，また純正品以Arduino の 5.0 V 端子か 3.3 V 端子，50 ミリ秒などの短外も販売されているのでどれを買うか迷いますが，初時間しか通電させたくない場合はデジタル端子に接続しめは Arduino Uno（2,940 円，以降も含めて価格は全てます．その時に注意すべきはセンサーの出力電圧のレン

2021 年 4 月現在）の試用をお勧めします．私は Arduino
Mega（5,800 円）もよく用います．

ジで，Arduino は 0 ∼ 5.0 V と 0 ∼ 1.1 V の 2 種類のレン

Arduino を動かすにはスケッチを書いて Arduino に送電圧の最大値が数百 mV のセンサーでは 0 ∼ 1.1 V のレ

信する必要がありますが，パソコン上でスケッチを書ンジで計測した方が 0 ∼ 5.0 V のレンジで計測するより

くソフトウエアを Arduino IDE と言います．よく更新

も計測精度が向上します．一方で，出力電圧の最大値が版がリリースされますが，更新しないとコンパイルで1.1 V を超えるセンサーでは 0 ∼ 5.0 V のレンジで計測きないライブラリもあるのでご注意ください．そのラしなければなりません．アナログ端子で計測する電圧のイブラリとは特定の処理をさせるためのプログラムで，レンジはスケッチ内で指定します．出力値がパルス回数

Arduino にシールドやモジュールと呼ばれるハードウエのセンサーの場合は Arduino のデジタル端子にセンサー

ジで電圧を計測できますが，日射センサーのように出力アを接続した場合に必要になる事が多い他，特殊な計の出力端子を，Arduino の GND 端子にセンサーの GND算をさせたい場合に使用する事もあります．殆どのラ端子を接続し，そしてセンサーの印加電圧端子は出力値

イブラリはインターネット上の Arduino Library List かが電圧のセンサーの場合と同様です．

らダウンロードできます．スケッチを書く際の辞書とし出力値がパルス回数のセンサーは風速計や流量計などてはインターネット上の Arduino 日本語リファレンスの回転体に多いですが，例えば 1 分間の単位時間内に何（http://www.musashinodenpa.com/arduino/ref/）が便利で回のパルスをカウントしたかで値に変換できます．出力

す．原本は英語ですが，日本語に翻訳してくれています．

値がパルスの到達時間のセンサーの場合は Arduino のデ

Arduino 用の多様なシールドやモジュールを秋月電子

ジタル端子を 2 個用いる事で到達時間を計測できます．

通商やスイッチサイエンスから購入する事ができ，我々交流の印加電圧が必要なセンサーの場合もデジタル端子の分野では記憶媒体としての SD シールド，観測時刻を

を 2 個用いれば作りたい周波数の交流電流を流せます．

得るための RTC モジュール，観測値を液晶画面に表示

今まで私たちの分野で使われていた測定機器は順次するための LCD シールド，100 V や 12 V で作動する機

Arduino への対応をしており，例えば米国 IRROMETER
社製の Watermark 吸引圧センサーは IRROMETER 社の
ウェブサイト内で Arduino への配線方法とスケッチが公器を制御するためのリレーモジュール，その他に様々な
1 山口大学大学院創成科学研究科.

2021 年 9 月 13 日受稿

2022 年 1 月 26 日受理開されています．

土壌の物理性

126#include <DS3232RTC.h>ﬂoat v1=0;

第 150 号

(2021)←ライブラリの使用の宣言←変数の宣言void setup(void){
Serial.begin(9600);
analogReference(INTERNAL);
pinMode(5, OUTPUT);}（A）関数に属さない領域（B）SETUP関数

void loop(void){（C）LOOP関数t = now();←（C1）現在時刻を得る
if (second(t) == 0) {File dataFile = SD.open(“datalog.txt”, FILE_WRITE);（C2）1分間隔
if (dataFile) {
SDカード
の処理
dataFile.print(v1);
への書きdataFile.println(",");
込み
dataFile.close();}else {}}
digitalWrite(5, LOW);（C3）常に行い}たい処理
void abc(t){digitalWrite(5, HIGH);}
Fig. 1

サブルーチン（D）自作した関数

スケッチの例.

しかし，100 V や 12 V の電源を要する機器を制御する

LOOP 関数の冒頭で RTC モジュールから現在時刻を得ます（Fig. 1-C1）．そして IF 文を用い，時刻の秒の単位
が 0 ならば以下の作業をせよと書けば 1 分間隔の処理が行えます（Fig. 1-C2）．同様に，時刻の分の単位が 0 な
らば以下の作業をせよと書けば 1 時間間隔の処理が行えには，まずデジタル端子とリレーをつなぎ，Arduino がます．常に計測し続けたい事，条件の成立時に即時実行

リレーを ON にする事で機器に 100 V などの電流を供給したい事，常に入力可能にしたい事は LOOP 関数内の上して制御します．

記の IF 文以外のところに記述します（Fig. 1-C3）．定間

次に，センサーを用いて観測を行ったら，その観測値に応じて機器の制御を行う事が多いです．例えば LEDのように 5 V の微弱電流で作動する機器は Arduino のデジタル端子を正極，GND 端子を負極として配線します．

次にスケッチの書き方ですが，Fig. 1 に示すようにス隔で行いたい処理としては，SD カードへの時刻と観測

ケッチは関数に属さない領域（Fig. 1-A），SETUP 関数

値の書き込み，同内容のパソコンのシリアルモニターへ（Fig. 1-B），LOOP 関数（Fig. 1-C），それ以外の自作しの送信，定間隔で作動させたい機器への電源供給などがた関数（Fig. 1-D）に区分されます．関数に属さない領挙げられます．

域にはライブラリの使用や変数の宣言などのコンパイ
ラへの指示，SETUP 関数内には起動時に一度だけ行う

3．Arduino を使った自動採水機の作製

作業，LOOP 関数内には起動中に延々と行い続ける作業を記入します．自作した関数内はサブルーチンと考えて次に自動採水機の解説を致します．まず，Arduino

下さい．LOOP 関数内で私が多用する手法があるのですが，私たちの分野では 1 分間隔や 1 時間間隔などの定Mega が RTC モジュール（270 円）から現在時刻を得て，分の単位が 0 ならば三角堰に取り付けた水圧計（2,100間隔で行いたい処理が多いのではないでしょうか．そこ円）の電圧を読みます．電圧から水位を求めて，越流がでまず，Arduino に RTC モジュールを取り付けた上で，生じている場合は 16 ch リレーモジュール（2,200 円）の

資料：Arduino の概要と私の応用例の紹介

127

後に，次は蠕動ポンプ３番がボトル２本目に表流水を注水し，SD カードに採水時刻と注水したボトルの番号と三角堰の水位を記録します．以降，全ポンプが T 型チュー
ブ継ぎ手でつながっているので，1 時間ごとに越流が生じている時刻にはボトルへの注水を繰り返します．降雨中でも越流が生じていなければ採水しないので，空のボトルは発生しません．重要な事として，ポンプは蠕動ポンプである必要があります．試作 1 号機では水中ポンプで揚水後に電磁弁でボトルに配水したところ，表流水中の土粒子が電磁弁の開閉部に詰まって作動しなくなりました．２号機には吸水力を重視してダイヤフラムポンプを使いましたが，やはり土粒子がダイヤフラムポンプの逆止弁に詰まりました．蠕動ポンプなら土粒子で詰まる事もなく，また水面下に揚水ポンプを付けなくても高低差 1 m 程度なら吸水できます．木片などのチューブ内への侵入を防ぐために，2 mm メッシュのフィルター（125円）を吸水口に付けています．尚，降雨日までの間に無駄な待機電力を消費させないために，水位から越流が生Fig. 2

自動採水機の模式図.

じていないと判断された場合には Arduino Mega のデジ
タル端子からタイマーリレー（1,000 円）にトリガー電流が流れて 59 分 55 秒間のカウントダウンが開始され，その間はタイマーリレーが電池からの全電力供給を遮断し

2.5

120

ます．降雨翌日に採水したボトルを回収しに行く際に，
80
SS
⁐Ꮡែ䝸䞁
ᠱ⃮ែ䝸䞁

60

1.5

1.0
40
0.5

20

0
1:00

ポンプの作動に電力を消費するので電池も交換します．

2.0䝸䞁⃰ᗘ(mg L-1)

SS⃰ᗘ(mg L-1)

100

0.0
2:00

3:00

4:00

5:00
6:00
᫬้

7:00

8:00

9:00

そして SD カードのデータも回収します．その後，ボト
ルごとに水質を分析すると共に，時刻毎の水位を三角堰の公式で流量に換算します．
観測例の多い畑地ではなく，水田の高度利用化に伴い増えつつある畑作利用時の水田で本機を使用したところ，Fig. 3 に示す通り畑地の降雨流出水と同様に SS は
表面流出の初期で高濃度でしたが，リンと窒素の濃度は畑地に比して溶存態の割合が多い事が分かりました（１

本自動採水機による水田の畑作利用時の降雨流出水の濃度観測値.

Fig. 3

圃場での結果に過ぎません）．

4．Arduino を使った自動灌漑機の作成
リレー 1 番とつながったデジタル端子 1 番を HIGH にして，リレー 1 番とつながった INTLLAB 12 V 蠕動ポン

次に，露地野菜の点滴灌漑用に自動灌漑機を作製してプ（1,300 円）を回転させます．Fig. 2 に示す通り 1 番の栽培実験に試用しております．まず，自動灌漑機は施設

蠕動ポンプは現在時刻の表流水を吸水して，チューブ内

園芸で発達致しましたが，露地圃場は施設に比して土壌に溜まっている前時刻に吸水した表流水を排水します．

水分の面的不均一性が大きいという特徴があります．そ

1 分が経過してチューブ内が現在時刻の表流水に入れ替わったら，デジタル端子 1 番を LOW にして蠕動ポンプ
1 番を停止させ，引き続きリレー 2 番とつながったデジ
タル端子 2 番を HIGH にして，リレー 2 番とつながった
蠕動ポンプ 2 番を回転させます．蠕動ポンプ 2 番はボト
ル 1 本目に現在時刻の表流水を注水し，注水後にデジタ
ル端子 2 番を LOW にして蠕動ポンプ 2 番を停止させます．そして，SD カードに採水時刻と注水したボトルの番号と三角堰の水位を記録します．この 1 時間後にまだ越こで自動灌漑を行うには圃場の土壌水分の平均値を把握流が生じている場合には，また蠕動ポンプ１番がチュー

浸透量，１単位時間前の灌水量）を計算し，水収支から

ブ内に溜まっている前時刻に吸水した表流水を排水した

求められた根域土壌の含水率を水分特性曲線により吸引する必要がありますが，圃場での気象観測値から圃場の
土壌水分の平均値を推定する方式と，圃場内に複数の土壌水分観測地点を設けて観測値を平均する方式の２方式の自動灌漑機を作製し，その性能を点滴灌漑で栽培中の野菜に掛かった水ストレスをリーフポロメータで計測する事で評価しています．
まず，気象観測型自動灌漑機については根域土壌における水収支（蒸発量，蒸散量，降雨量，表面流出量，深部

128

土壌の物理性第 150 号

(2021)TEROS-21（51,700 円），IRROMETER 社製 Watermark
るために必要な灌水量を 10 分間 ∼ 1 時間単位で算出し （13,200 円），オーストラリア政府 CSIRO 製 Chameleonて（深部浸透損失を防ぐために単位時間は土壌により異 （1,400 円），自作テンシオメータ（圧力センサーはセン
シズ社製），ならびに含水率センサーである DFROBOTなる），単位時間毎に灌水用電磁弁を開閉する事で不足
水量を根域土壌に供給しています．自動灌漑機は日射， 社製 SEN0193（960 円）を併用しました．Arduino に接圧に変換する事で，土壌の吸引圧を管理目標値で維持す温度，湿度，風速，雨量，流量センサーから構成されていますが，日射，温度，湿度センサーは出力値が電圧な

続して使用するとテンシオメータ以外はどのセンサーも観測開始２週間後程度から異常値を出力し始めたため，

ので Arduino のアナログ端子に，風速，雨量，流量セン

1 日 1 回，24 時に 30 秒間 Arduino が自身の電源を落と

サーは出力値がパルスなので Arduino のデジタル端子にす仕組みとし，異常値を回避しました．SEN0193 は地表接続しています．また，灌水用電磁弁にはリレーを介しに挿して使用するセンサーであり埋設はできませんが，て給電しており，Arduino のデジタル端子がリレーをコ

回路部分をエポキシ樹脂で被覆して埋設しました．そのントロールする事で電磁弁を開閉しています．尚，灌漑結果，EC-5 と SEN0193 は同程度の含水率を示し，また

圃場は山口大学附属農場内にあり商用電源を使用してい動時に一時的に大電力が消費されて数ミリ秒間の停電がWatermark と Chameleon は同程度の吸引圧を示しまし
た．TEROS-21 とテンシオメータの吸引圧を正解と考えた場合，EC-5 と SEN0193 の含水率を水分特性曲線で吸生じるため，スマートフォン用のモバイルバッテリーを引圧に変換した値は正解よりも常に大きな値（乾燥側）

経由して Arduino に給電する事で Arduino がリセットさを示し，Watermark と Chameleon の吸引圧は正解よりれてしまう事態を防止しています．

も常に小さな値（飽和側）を示しました．Watermark とますが，附属農場内の各種設備（大型換気扇など）の起続いて，複数地点土壌水分観測型自動灌漑機について

Chameleon は電気抵抗を吸引圧に換算しているために土は，HYDRUS-2D を用いて円筒形領域内での土壌の吸壌水中の塩分が誤差の原因と思われ，EC-5 と SEN0193

引圧の経時変化を数値予測し，根域全体の吸引圧が灌水は METER 社製 HYPROP で圃場内の１地点の土壌試料

開始吸引圧に達した時の土壌水分観測位置における吸引を計測して得た水分特性曲線が誤差の原因と思われま

圧，および根域全体の吸引圧が灌水停止吸引圧に達した

す．適当な水分特性曲線が得られた場合，複数地点土壌時の土壌水分観測位置における吸引圧を推定して，土壌

水分観測型の自動灌漑機は多数のセンサーを使用する事

水分観測値がそれぞれの値に達した時点で電磁弁を開閉から価格面で SEN0193 が有利と考えています．

しています．土壌水分観測には METER 社製 EC-5 を使用し，Arduino のデジタル端子からの出力を電圧レギュ5． おわりにレータ（50 円）で 3.3 V に降圧して EC-5 に給電しています．土壌水分観測位置は点滴灌漑のエミッターから側オーストラリア政府 CSIRO は途上国の農家に彼らが方 5 cm，深度 5 cm の位置としましたが，それはエミッ開発した Chameleon センサーと称する吸引圧センサー

ターに可能な限り近づける事で灌水が土壌水分観測位（IRROMETER 社製 Watermark センサーに近い原理）を置にまで浸潤するのに要する時間に起因する灌水制御の配布して現地農家の灌漑管理下での圃場土壌の吸引圧経

タイムラグを減らして根域の吸引圧が管理目標値から外時変化データを収集し，無駄な灌漑水使用量の把握に努れる事を防ぎつつも，灌水中に飽和含水率に達して指標めているが，その吸引圧計測からデータ回収までの一連とならなくなる事も防げる位置であったためです．数値の装置を VIA システムと称している．VIA システムの解析においては点滴灌漑栽培下での根の 2 次元密度分

開発は Arduino によって行われ，製品版の VIA システム

布，点滴灌水量，蒸発散量を設定し，根域全体の吸引圧

も中身は Arduino による装置の開発時に書いたスケッチ

は根域全体の吸引圧の根密度分布に応じた加重平均値とを Arduino の基幹部の ATMEGA に書き込んで使っていしました．土壌水分観測の地点数は，山口大学附属農場

るだけである．Arduino を用いると手軽に創意工夫を試

内の露地圃場における土壌水分観測地点数とその全観測す事ができるが，良い装置が作製出来た後には Arduino

値の平均値の関係から，観測地点数の増加が平均値に殆を使う必要はなくなり，スケッチをそのまま ATMEGA

ど影響しなくなる観測地点数としました．そして，各地等に書き込めば VIA システムのような製品も作れる．

点で観測された含水率の平均値を水分特性曲線で吸引圧

創意工夫が大好きな皆さんのアイデアを実際に試してみに変換し，電磁弁制御の指標としています．また，EC-5

る段階で Arduino を活用する事により，皆さんのアイデ（17,300 円）と共に吸引圧センサーである METER 社製

アを実現してみませんか．

会 務 報 告I. 2021 年度 第 5 回事務局会議日：2021 年 12 月 1 日

月

開催形式：オンライン会議
出席委員：取出（会長），諸泉（副会長），宮本（編集委員長），渡辺（事務局長），廣住（庶務幹事），坂井（会計幹事），亀山（編集幹事），
岩間（会計監査）議題：

1. 2021 年度学会大会 · シンポジウムについて（1）参加人数、会計等概要報告（2）次年度に向けての検討
2. 編集委員会報告
3. 会誌「土壌の物理性」について（1）ペーパレス試行について（2）出版料金の見直しについて
4. 企画について（1）電子用語集
5. 庶務幹事報告
6. 会計幹事報告（1）HP の改修について（2）土壌の物理性 150 号について（3）バックナンバーの J-Stage 登載について
7. その他· 日本地球惑星科学連合 学協会長会議報告· IUSS 役員選挙について· World Soil Day について
II. 2021 年度 第 9 回編集委員会
月日：2022 年 1 月 26 日

議題：

1. 2022 年度学会大会 · シンポジウムについて
2. 編集委員会報告（1）編集状況報告（2）出版料金について
3. 刊行物のペーパレス化について
4. 企画について（1）電子用語集
5. 庶務幹事報告（1）J-Stage のアクセス統計について
6. 会計幹事報告
7. その他· 日本学術振興会賞受賞候補者· 持続可能な発展のための国際基礎科学年· 協賛イベントについて

IV. 2021 年度 第 10 回編集委員会
月日：2022 年 2 月 22 日 ∼ 25 日
開催形式：メール会議
出席委員：宮本（編集委員長），朝田，岩田，小林，
坂口，千葉，常田，濱本，中野，亀山（編
集幹事）
審議事項：

1. 土壌の物理性 150 号の発行計画について

開催形式：オンライン会議
出席委員：宮本（編集委員長），岩田，坂口，千葉，
濱本，中野，亀山（編集幹事）
報告事項：

1. 土壌の物理性 150 号の発行予定について
2. 次年度の新たな特集について
3. その他

V. 2021 年度 第 4 回評議員会
日：2022 年 2 月 24 日

月

開催形式：オンライン会議
出席：取出伸夫，石黒宗秀，柏木淳一，高橋智紀，武藤由子，飯山一平，岩田幸良，斎藤広隆，渡辺晋生，小杉賢一朗，徳本家康，
宮本英揮，溝口 勝，長 裕幸（委員 17 名
中 13 名参加；成立）

議III. 2021 年度 第 6 回事務局会議
月日：2021 年 2 月 14 日
開催形式：オンライン会議
出席委員：取出（会長），諸泉（副会長），宮本（編集委員長），渡辺（事務局長），廣住（庶務幹事），坂井（会計幹事），小島（庶務幹事），
亀山（編集幹事）

題：

1. 2022 年度土壌物理学会大会 · シンポジウム開催計画（案）

2. 刊行物のペーパレス化とそれにともなう会費の考え方について

3. 日本学術振興会賞候補者の推薦について
4. 国際基礎科学年への参加について
5. その他

土壌の物理性

130

XII. 会員消息（2022 年 2 月 8 日まで，敬称略）

第 150 号

(2022)

現在会員数（2022 年 2 月 8 日現在）
正会員

退会

入会

：

206

学生会員

西尾

拓哉

シニア会員 ：

25

学生会員

中原

麻衣

学生会員

51

正 会 員

瑞慶村

知佳

農研機構

正 会 員

岡

香菜子

岡山大学

：

賛助会員 ：
7—————————————
小 計 ：
289
購読会員 ：
40—————————————
合 計 ：
329

131

—編 集 後 記—

今 回 は 150 号 記 念 特 集 号 を お 届 け し ま す ．van
Genuchten 博士，Topp 博士，Dani Or 博士，登尾博士，

いうか懐かしいというか，複雑な気持ちになりました．

溝口博士に加え，巻頭言は丸山博士に執筆いただき，私入され，当時の委員長や事務局の先生方，編集委員の努が学生時代や若い研究者だった頃によく名前を聞いた先力もあり，土壌の物理性への投稿論文が増え，冊子もか

生方の原稿を掲載することができました．一編集委員となり厚いものでした．その後，Open Access をはじめ，して，本誌の 150 号記念にふさわしい内容になったの

土壌物理の論文を投稿できる雑誌が海外でも増え，ハゲではないかと嬉しく思っています．また，この特集号のタカジャーナルではなくても土壌の物理性よりも査読の目玉として宮本編集委員長が企画した「みんなのミニレ

基準が緩い英文誌も出てきたこともあり，なかなか投稿ビュー」も，多くの会員の文章を一度に読むことができが集まらない期間がしばらく続きました。しかし，こうる，面白い資料になったと思います．斜め読みするだけした冬の時代にも頑張ってこられた事務局や編集委員，

でも，土壌物理の研究対象が多義にわたっていることが会員の方々の地道な努力もあり，最近かなり冊子が厚く実感できるのではないかと思います．この企画が成立しなってきました．内容的にも，昔の活気が戻ってきたよ

たのは，宮本編集委員長の呼びかけに答え，執筆いただ

うに思います。100 号が発刊された 16 年前とは，海外もいた会員の皆様のおかげです．本当にありがとうござい

含め，土壌物理をとりまく状況は変わりました．海外のました．

雑誌に論文を投稿するのが当たり前になった現在におい

当時は大学や私が勤務する農研機構でも業績評価が導

たまたまこの記念すべき 150 号の編集後記を執筆するて，この雑誌を投稿先に選んでもらえるということは，ことになりましたが，宮本編集委員長から「100 号も岩

この雑誌を含めて本学会の活動がそれだけ魅力のあるも田さんが執筆しているねえ」と教えてもらいました．執のになってきたことを反映しているのかもしれません．

筆したことも忘れていたので改めて読み返してみました

編集委員としてはもちろん，一会員としても，これからが，100 号は私が初めて編集幹事として本誌の出版に携の本誌の発展が楽しみです．

わった冊子でした．もう 16 年前になりますが，そこに岩田幸良（編集委員）

書かれている文章を読むと，あのころはまだ若くて，実力はなかったけれど夢はあったなあ，と，恥ずかしいと

土壌物理学会
事務局構成

会
長
副 会 長
事務局長
庶務幹事
庶務幹事
編集幹事
会計幹事
会計監査

編集委員会

委 員 長
委
員

取出
諸泉
渡辺
小島
廣住
亀山
坂井
岩間
水谷
宮本
朝田
岩田
小林
坂口
千葉
常田
中野
濱本

伸夫
利嗣
晋生
悠揮
豊一
幸司
勝
憲治
嘉之
輝仁
景
幸良
政広
敦
克己
岳志
恵子
昌一郎

三重大学 大学院生物資源学研究科
岡山大学 大学院環境生命科学研究科
三重大学 大学院生物資源学研究科
岐阜大学 工学部
四日市大学 環境情報学部
農研機構 農村工学研究部門
三重大学 大学院生物資源学研究科
滋賀県立大学 環境科学部
三重県 農業研究所
農研機構 農村工学研究部門
農研機構 農業環境研究部門
農研機構 農村工学研究部門
森林研究・整備機構 森林総合研究所
山口大学 大学院創成科学研究科
宮城大学 事業構想学群
農研機構 農業環境研究部門
農研機構 九州沖縄農業研究センター
東京大学 大学院農学生命科学研究科

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：info@endo-rika.co.jp

土壌物理学会会則（1）退会したとき（2）3 年以上会費を滞納したとき
第 1 条 本 学 会 は 土 壌 物 理 学 会（Japanese Society of Soil （3）死亡したとき
Physics）と称する．
附則
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， （1）本学会の連絡先は，これを当分の間次に置く．
農業技術および環境科学の発展に貢献することを目的〒514-8507 三重県津市栗真町屋町 1577とし，1958 年 3 月 1 日設立する．
三重大学大学院生物資源学研究科
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.
土壌圏循環学研究室 内（1）研究発表会，討論会および見学会などの開催（2021.10.30 改正）（2）学会誌「土壌の物理性（Journal of the Japanese Society 細則
of Soil Physics）」並びにその他の印刷物の発行（1）シニア会員
1）シニア会員は，これまで正会員であって 60 歳以上の（3）内外の研究，技術の交流および他の学会，諸団体との常勤職に就いていない者
協力
2）シニア会員への変更は，資格を有する会員からの申告（4）優れた論文に対する表彰を受け，事務局が承認する．原則として申告された年（5）その他，本学会の目的を達成するために必要な事業度から適応するが，当該年度中に有資格となった場合
第 4 条 本学会の会員は，正会員，シニア会員（これまで正会
は，次年度から適応する．
員であって 60 歳以上の常勤職に就いていない者），学
3）シニア会員の権利は正会員に準ずる．ただし，会則第生会員および賛助会員，購読会員の 5 種とする．学会
6 条で定める役員および第 9 条で定める委員会委員にへの入会または退会の際は，本学会に届け出なければ就くことはできない．
ならない．
（2011.10.28 制定 2017.10.14 改正）
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．
正会員
年額
5,500 円「土壌の物理性」投稿規定
シニア会員
年額
3,000 円
1. 筆頭著者は本学会会員であること．
学生会員
年額
3,000 円
2. 投稿原稿の区分と規定ページは下記による．
（大学院生を含む）
1）「論文」（Original papers）：独創性があり，土壌
賛助会員
一口年額
22,500 円の物理性に関する研究および技術の進歩に寄与す
購読会員
会誌年額
7,500 円ると見なされるもの．一編ごとに論文としての構
広告料成を整えていて，他誌に未発表のものに限る．規賛助会員
定ページを刷り上がり 8 ページ以内とする．
土壌の物理性各号
1 ページ無料
2）「研究ノート」（Notes）：土壌の物理性に関する新2 ページ目以降は10,000 円 / ページ
しい事実や研究方法の改良などの短い報告で，独賛助会員以外22,500 円 / ページ
創性があり他誌に未発表のもの．規定ページを刷り上がり 6 ページ以内とする．
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，
3）「総説」（Reviews）：土壌の物理性に関する主題
3 期連続の重任は認めない．選出方法は次による．
について，それまでの研究を総括し，今後の発展（1）会長 1 名，副会長 1 名，編集委員長 1 名
方向を展望するもの．規定ページを刷り上がり
正会員の中から評議員会によって選出される．
10 ページ以内とする．
（2）評議員4）「解説」（Lectures）：土壌の物理性に関する諸事
イ 15 名 正会員の中から選挙によって選出される．
項の理解を計るための平易な解説，ならびに研究
ロ 3 名以内を会長が正会員の中から委嘱する．
技術の普及交換を進めるための紹介など．規定（3）会計監査 2 名
ページを刷り上がり 8 ページ以内とする．
正会員の中から評議員会によって選出される．
5）「研究紹介」（My research）：現在行っている研（4）事務局長および幹事若干名
事務局長および若干名の庶務，会計，編集の幹事を会
究，他の学会誌等に掲載された論文，研究上の工長が委嘱する．
夫などについての平易な紹介．規定ページを刷り
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．
上がり 6 ページ以内とする．
（1）総会は本学会の最高議決機関であって，事業計画，予6）「資料」（Miscellaneous）：広く会員の参考となる
算 · 決算，会則の変更等を決定する．総会は正会員，
報告や情報．規定ページを刷り上がり 6 ページ
シニア会員および学生会員で構成される．
以内とする．
（2）評議員会は，会員の選挙によらない役員の選出，総会
7）「土粒子」（Readers’ column）：「土壌の物理性」
議案，その他の重要事項を検討する．評議員会の議長周辺のことについての随想や意見など．規定ペーは会長がこれにあたる．
ジを刷り上がり 2 ページ以内とする．
（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
8）「講座」（Lecture series）：「解説」と本質的な違る．ただし，会則の変更は，総会出席者の 3 分の 2
いはないが，特に編集委員会が企画して複数回に以上の賛成を要する．
わたって行うものを指す．規定ページを刷り上が第 8 条 本学会の会務は，評議員会および総会の議を経て，会り 8 ページ以内とする．
長，副会長，編集委員長および幹事がこれを執行す
9）「特集」（Topics）
：
「解説」
，
「総説」
，
「論文」
，
「研
る．会務執行に必要な規程は別に定める．
究ノート」が混在したもので，特に編集委員会が第 9 条 本学会に次の委員会をおく．
企画して複数回にわたって行うものを指す．規定（1）選挙管理委員会
ページは上記 1) ∼ 4) に同じ．
正会員の中から評議員会によって選出され，本学会の10）「書評」（Book reviews）：規定ページを刷り上が評議員選挙を管理する．
り 2 ページ以内とする．
（2）編集委員会
11）「巻頭言」（Foreword）：規定ページを刷り上がり
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
2 ページ以内とする．
て構成され，学会誌その他の印刷物の編集に当たる．
なお，上記区分において，編集委員会が会員また（3）学会賞選考委員会
は会員以外に投稿依頼することがある．
正会員の中から評議員会によって選出される委員に
3. 原稿の採否は編集委員会が決定する．編集委員会は，よって構成され，学会賞を選考する．
「論文」および「研究ノート」については 2 名，その第 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
他の投稿原稿には 1 名の閲読者を選んで閲読を依頼す
学会の会計年度は毎年 4 月 1 日に始まり翌年 3 月 31
る．ただし，
「土粒子」
，
「書評」
，
「巻頭言」について日に終わる．
は，この限りでない．
第 11 条 会員が次のいずれかに該当する場合，その資格を喪失
4. 投稿原稿が 2．に記す規定ページを越える場合には，する．
1 ページあたり 10,000 円を著者負担とする．ただし，

編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合はこの限りでない．また，カラー印刷の場合は実費を著者負担とする．
5. 投稿する場合は、投稿原稿（本文，図表含む）および原稿送り状（別紙書式）の PDF ファイルを編集委員長宛に提出する．ただし、編集委員会が別途指示した場合はこの限りではない．
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送る．また，投稿原稿の掲載を決定した場
合，最終原稿を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．
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．
8. 著者校正は初校のみとする．また，特に申し出がない限り印刷ずみの原稿は返さない．
9. 掲載された論文等の PDF ファイルを著者に贈呈する．
また，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載する．論文，研究ノート，総説，解説，資料，講座については，掲載誌発行後一年間は土壌物理学会員
のみが閲覧できる．ただし，著者はオープンアクセ
ス（50,000 円：ページ制限なし）を選択することで，ホームページ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．
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．
（2017.10.14 改正）

ましい．

11. 閲読終了後に最終原稿を提出するときには，編集委員会が指示する形式の電子ファイルを送付する．
本文
12. 原稿には，閲読作業の効率化を図るため，本文に行番
号を 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，
項の見出しは 1.1.1，1.1.2，1.1.3 のようにし，字体はゴシック体とする．
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式名称とともに示す（例：陽イオン交換容量（CEC））．
15. 単位の使い方は，国際単位系（SI）による．
図表
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 Fig. 1，表は Table 2 のように書く．
17. 日本語の論文，研究ノートの場合，図，表，写真の題
名には英語を併記する．
18. 図，表，写真は必要最小限度とし，同一事項を表と図に重複して表示する事は避ける．
19. 図，表，写真は 1 ページに 1 つずつ貼り付け，余白に図表等の番号を記す．
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．
21. 図は 1/2 倍などとおよその縮小率を指定し，2 倍くらいに大きく書く．図の線の太さや文字の大きさは，刷り上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．
23. 図，表，写真の番号と題名は，別紙にまとめて一覧表「土壌の物理性」原稿執筆要領
とする．
全般的事項
引用文献
1. 原稿は，日本語または英語で執筆する．
24.
本文中で文献を引用する場合は，著者名（西暦），ま2. 日本語の原稿は，A4 判，25 字，26 行とし，上下左右たは（著者名，西暦）とする（例：Tanaka（1994），に 30 mm 以上の余白をとる（4 枚で 1 ページになる）．
（Nakamura and Suzuki, 1981））．著者が 3 名以上の3. 日本語の投稿原稿（ただし，書評は除く）は，はじめ場合は第 1 著者名のあとに—ら，または et al. をつけに日本語で表題，著者名を書き，そのあとに英語で表る（例：山田ら（1978），（Tayler et al., 1945））．
題と著者名（フルネーム）を書いてから本文を書き始める．英語の表題は，冒頭の単語の頭文字のみを大文 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．
字とし，それ以降は固有名詞等，特に大文字が必要な場合を除き，全て小文字とする．英語の著者名は名の 26. 引用文献の書き方は以下のようにする．
< 雑誌 >
1 文字目および姓の全てを大文字で記す．また，第 1
森本 聡, 永田 修, 川本 健, 長谷川周一 (2009):
ページ下の脚注に，著者の所属機関と所在地を英語
で，Corresponding Author とする著者の氏名と所属
泥炭林土壌の温室効果ガスの生成と消失．土壌の物理性，113: 3-12.
を日本語で記す．
Fujimaki, H., Ando, Y., Cui, Y. and Inoue, M.
4. 日本語の論文および研究ノートは，英語による表(2008): Parameter estimation of root water uptake
題 · 著者名と本文との間に英語で 300 words 程度のmodel under salinity stress. Vadose Zone Journal,
Abstract と 5 個以内の Key words を入れる．
7: 31-38.
5. 日本語の投稿原稿（ただし，資料と土粒子，書評を除Millington, R.J. and Quirk, J.P. (1959): Permeabilく）は，引用文献の後に日本語で 350 字程度の要旨，
ity of porous media. Nature, 183: 387-388, doi:
および 5 個以内のキーワードを書く．
10.1038/183387a0.
6. 英語の原稿は，A4 判，ダブルスペースで作成する
Bitteli, M., Flury, M. and Campbell, G.S. (2003): A（約 600 words で 1 ページになる）．
thermo dielectric analyzer to measure the freez7. 英語の投稿原稿（ただし，書評は除く）は，Manuscript
ing and moisture characteristic of porous metitle，Full name of authors を書いてから本文を書き始
dia. Water Resour. Res., 39(2): W1041, doi:
める．著者名は First name の 1 文字目および Family
10.1029/2001WR000930.
name の全てを大文字で記す．また，第 1 ページ下
< 単行本 >の脚注に，Address of institutions of authors およびTinker, P.B. and Nye, P.H. (2000): Solute moveCorresponding author を記す．
ment in the rhizosphere, p.308. Oxford University
Press, New York.
8. 英語の論文および研究ノートは，Full name of authors
土壌環境分析法編集委員会編 (1997): 土壌環境分析と本文の間に 300 words 以内の英文 Abstract と 5 個以内の英語の Key words を入れる．
法, pp.129-138. 博友社, 東京.
9. 英語の投稿原稿（ただし，資料と土粒子，書評は除松森堅治 (2005): 地理情報システムを用いた窒素負く）は，引用文献の後に，日本語で表題と著者名，所荷予測モデル. 波夛野隆介 · 犬伏和之編 続 · 環
属機関，所在地，350 字程度の要旨，5 個以内のキー
境負荷を予測する, pp. 60-79. 博友社, 東京.
Jury, W.A. (1996): Stochastic solute transport modワードをつける．なお，著者が外国人のみのために日eling trends and their potential compatibility with
本語部分の作成が困難な場合，英語部分からの和訳にGIS. In Corwin, D.L. and Loague, K. (ed.) Appliより，編集委員会の責任でこれらを作成する．
cation of GIS to the modeling of non-point source
10. 英語の適正化はすべて著者の責任において行うこと．
pollutants in the vadose zone, pp.57-67. SSSA
自然科学論文の執筆や校正に経験のある英語のネイ
Special Publication No. 48, Madison.
ティブスピーカーによってチェックされている事が望<Web ページ >FAO-AGL (2000): Global extent and location of
sodic soils. Available at http://www.fao.org/ag/
AGL/agll/prosoil/sodic.html.（確認年月日）
野菜茶業研究所 (2006): 野菜の硝酸イオン低減化
マ ニ ュ ア ル. http://vegetea.naro.affrc.go.jp/joho/manual/shousan/index.html.（確認年月日）（雑誌のページには p. や pp. をつけない．本の単数ページを示す場合には p.，複数ページを示す場合にはpp. をつける）
その他

27. 本要項のほか，科学技術情報流通技術基準（SIST）に準拠する．

（2012.12.20 改正）[土壌物理分野の SI 使用例]
国際単位系（SI）については多くの出版物で解説されているので，ここには，土壌物理に特に関連の深い単位の使用例を示す．
推奨される単位認められる単位

含水比
kg kg
*
体積含水率
m3 m−3
体積m3
L, cm3 , mL
密度kg m−3 , Mg m−3
濃度
kg m−3 , Mg m−3
g L−1 , mg L−1
モル濃度
mol m−3
mol L−1
力N
水分ポテンシャル J kg−1
kPa, m, cm, **
透水係数
m s−1
cm s−1
イオン交換容量 molc kg−1, cmolc kg−1
回転数
s−1
min−1
収量
kg m−2kg ha−1, Mg ha−1, t ha−1−1

* % 表示は，原則として分母と分子の内容が同じものの場
合にだけ用いる．

** cm H2 O は使わない．

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．

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」
者がいるにもかかわらず，その共著者が原稿を読ん参照）を明示して下さい．個別指摘事項への意見は不でないと判断されるような基本的なミスがある場
要です．
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 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
分かるような回答書（指摘事項に対応した修正箇します．
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（2003. 5.28 改正）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
土壌物理学会学会賞規定
ような書き方に改める努力が求められます．
1. 種類4）「掲載不適」で返稿された原稿を再投稿する場合は学会賞に論文賞と優秀ポスター賞をおく．
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． 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（2004. 6.29 改正）「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「土壌の物理性」閲読の手引きとして前年度（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．
1. 閲読依頼期限の厳守をお願い致します．万一，期限内（2）正会員（1 名以上）は, 学会賞受賞候補として（1）に閲読が困難な場合には，速やかに編集委員会事務局に該当する論文を自薦もしくは他薦することができる.
へ連絡して下さい．
（3）（2）に記す論文の推薦は，学会誌「土壌の物理性」
2.「投稿案内」において，下のものを投稿原稿に求めていに公示された募集を受け，所定の書類を必要部数揃え，ます．閲読においても，これらをその基準とします．
期日までに学会事務局に提出しなければならない．
（1）内容について（
4）選考委員会では，（1）に該当する論文の中から，
1）オリジナリティーがあること（論文，研究ノート（2）の推薦も考慮して受賞候補論文（以下，候補論の場合）．
文）を審査 · 選考し，評議員会へ付議する．
2）本誌の読者にとって有益であること．
（5）評議員会では，候補論文が受賞に適格かどうかを3）導入，研究手法から結論に至る過程に論理性があ
判定する．
ること．
3. 優秀ポスター賞の選考（2）表現について
優秀ポスター賞（以下，ポスター賞）は年 1 回，以下
1）原稿全体の構成が整っていること．
の手順により決定する．
2）文章表現が適切であること．
（1）選考の対象は，当該年度の土壌物理学会大会にお3）表題が適切であること．
いて発表されたポスターであって，筆頭者は会員と
4）英文アブストラクトや和文要旨が適切であること．
する．ただし，ポスターの筆頭者が学生の場合に限5）SI 単位や記号の使い方が適切であること．
り，会員外であっても選考の対象に含める．
6）キーワードが適切であること．
（2）ポスター賞は（1）に該当するポスターの中から，
7）英語の表現が適切であること．
選考委員会および会員の投票により選考する．（53.「掲載不適」とする理由としては，下のようなものが件以下）挙げられます．
4. 表彰
1）既発表とみなされるもの．
（1）論文賞は，通常総会において表彰を行う．また会
2）重要な部分に根本的な誤りがあるもの．
誌上に公表する．
3）事実に基づいた内容ではなく，単なる主観が述べ（
2）ポスター賞は，土壌物理学会大会において表彰をられているに過ぎないもの（論文，研究ノートの行う．また，会誌上に公表する．
場合）．
4）通説が述べられているだけで，新しい知見が全く（2002.11.23 制定 2013.10.26 改正）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．
土壌物理学会学会賞選考委員会規定
6）連載形式で構成されており，1 編ごとに独立した
1. 目的ものと認めがたいもの．
学会賞選考委員会（以下委員会という）は，論文賞お7）全体構成や文章が粗雑で，内容の判定ができない
よび優秀ポスター賞の選考を行うことを目的とする．
もの．
2. 業務
8）内容が本誌の趣旨に合わないもの．
委員会はつぎの業務を行う．
9）その他，本誌に掲載する原稿としてふさわしくな（1）学会賞規定に基づく論文賞および優秀ポスター賞
いもの．
の選考．
4. 原稿の内容に対する責任はあくまで著者にあります．
（2）土壌物理学会学会賞選考に関するその他の事項．
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． 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
従って，見解の相違は掲載不適の理由にはなりません．
する．
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（1）委員会は正会員より構成される．
ん．よって，新たな実験や計算の追加要求などは極力（2）委員は評議員会の推薦に基づき総会で決定する．
避けて下さい．
（3）任期は 2 年とする．ただし，再任はさまたげない．
7. 閲読者は著者と直接折衝をしないで下さい．著者との（4）委員長は委員の互選により選出する．
交渉はすべて編集委員会の責任で行います．
（5） 若干名の専門委員をおくことを認める．
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． 4. 開催
委員会は年 3 回程度開催する．
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（2002.11.23 制定 2003.11.22 改正）も非生産的です．完成度の低い原稿などにおいては，

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

原 稿 送 り 状
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発送年月日

年

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論文

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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．

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年月· シニア · 学生 ·

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同上ローマ字読み性別

男

生年月（西暦年 · 月）

· 女

西暦

年

月

勤務先

· 自宅

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

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承認年月日：
送付先 · 問い合わせ先
土壌物理学会事務局（会計幹事）〒 514-8507 三重県津市栗真町屋町 1577
三重大学大学院生物資源学研究科 土壌圏循環学研究室内

Tel. 059-231-9251 Fax 059-231-9634
E-mail spsyomu@ml.affrc.go.jp

坂井 勝

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：ir@jaacc.jp

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41-6 Akasaka 9-chome, Minato-ku, Tokyo 107-0052, Japan
TEL：81-3-3475-5618

FAX：81-3-3475-5619

E-mail：ir@jaacc.jp

土壌の物理性 第 150 号（会員配布）
発行 土 壌 物 理 学 会

2022 年 3 月 20 日発行〒 514-8507

三重県津市栗真町屋町 1577 三重大学
生物資源学研究科 土壌圏循環学研究室内

電059-231-9583
FAX 059-231-9634
spsyomu ＠ ml.affrc.go.jp
http://js-soilphysics.com/ent
百五銀行 白塚支店（店番 508）
普通 307841 土壌物理学会
口座番号：01350-2-40943

話

E-mail
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銀行口座
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渡辺 晋生

宛

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. 150

March, 2022

Contents
Foreword......................................................................

T. MARUYAMA...

1

T. MIYAMOTO...

3

C. TOPP...

5

R. VAN GENUCHTEN

...

7

D. OR

...

11

K. NOBORIO

...

15

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

23

Special section for 150th issue
Introduction....................................................................

Messages
How to approach research — what research in TDR taught me
The evolving world of soil physics..............................

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

Soil structure dynamics — a journey to discovery............................................

Lectures
Revisiting an article(Noborio, K., K.J. McInnes, and J.L. Heilman (1996): Measurements of soil watercontent, heat capacity, and thermal conductivity with a single TDR probe. Soil Science,
161: 22–28.)....................................................................

Miscellaneous
Everyone’s mini reviews

...

85

...

93

...

105

...

115

...

125

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

129

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

131

Analyzing everyone’s mini-reviews...................................

M. MIZOGUCI, H. SUGINO

Special section for JpGU2021
PapersArtiﬁcial macropore installation and no-tillage practice in subtropical sugarcane ﬁeld to conserve water andorganic matter in soils...........................

K. OKA, T.L. BUI, Y. MORI, K. OSAWA and A. HOSHIKAWA

Eﬀect of cation exchange on colloid transport in saturated porous media.....................................

R. HIGASHI, S. HAMAMOTO and T. NISHIMURA

Special section for Arduino
Notes
Application of Arduino and CMOS temperature-humidity sensor to evapotranspiration calculation by Bowen
ratio energy budget method................................

Y. ITO, Y. HIRASHIMA, H. MIYAMOTO and K. MOMII

Miscellaneous
An overview of Arduino and an introduction to my application......................

A. SAKAGUCHI

Published by

Japanese Society of Soil Physics
Faculty of Life and Environmental Sciences, University of Tsukuba
1‐1‐1 Tennodai, Tsukuba, Ibaraki 305‐8572 Japan
http://js‐soilphysics.com/