小麦作付ほ場における排水改良が土壌由来の温室効果ガス発生に及ぼす影響(株)ズコーシャ
農研機構○塩飽宏輔・丹羽勝久・中村

北海道農業研究センター

恵西村誠一・小南靖弘

十勝総合振興局

小林幸司

１．はじめに
十勝地域は国内有数の大規模畑作地帯だが、農耕期間中の降水量が蒸発散量を上回ることにより多くの水分余剰が生じる特徴を持つ(日本土壌肥料学会北海道支部,1999)。さらに、多湿黒ボク土や灰色低地土等の排水不良土壌が農耕地の 35%以上を占めており(北海道立中央農業試験場,2008)、これらの土壌が分布する区域では湿害が作物生産上の問題となる。
このことから、これまで排水不良土壌を対象として暗渠排水等の排水改良が実施されており、今後も排水改良による作物生産力の向上が必要とされている(Niwa et al.,2008)。
一方、気候変動に関する政府間パネル(IPCC)は、20 世紀半ば以降の地球温暖化は人為的影響による可能性が極めて高いとしており、気候変動の抑制に向けて温室効果ガス排出量の抜本的、持続的な削減が必要であることを示した(環境省,2014)。また、世界的にみると、農業部門における温室効果ガス排出量は全体の約 14%を占めており(国際農林業協働協会,2015)、この部門においても気候変動の抑制に対して積極的に取り組む必要がある。
畑地土壌から発生する主要な温室効果ガスは二酸化炭素(CO2)と一酸化二窒素(N2O)である。その中でも関谷(2010)は、十勝地域の多湿黒ボク土では排水改良による土壌水分の低下を主たる原因として、土壌からの CO2 発生量が増加傾向にあることを示した。一方、
Kusa et al.(2006)は土壌が高水分条件となった際に脱窒反応が促進され N2O 発生量が増加することを報告したことから、排水改良は N2O 発生量の減少につながる可能性がある。
しかし、現状において排水改良が温室効果ガス発生に与える影響については研究事例が乏しく、その削減ポテンシャルは未知数と報告されている(秋山ら,2011)。
以上のことから、今後、農業基盤整備において作物生産と環境との両立を考える場合、排水改良が温室効果ガス発生に及ぼす影響を明らかにすることは重要な課題である。そこで本報告では、一筆内に排水良好な区域と排水不良な区域を持つほ場を対象とし、排水不良区域に対してカットソイラによる土層改良を施工し、施工前後の温室効果ガス発生状況を比較することにより、排水改良が温室効果ガス発生に及ぼす影響を検討した。
２．調査方法(1)調査ほ場の概要
1)試験区の設定
十勝地域池田町において、一筆内で局所的に排水不良を呈しているほ場を調査ほ場として選定し、排水良好区、排水不良区を設定した。なお、農家聞き取り調査から、調査ほ場の排水不良区域では 1990 年代に暗渠排水を整備しているが、近年は排水不良の影響が大きく、排水良好区域に比べて作物収量が 20 %ほど減収することが報告された。
2)作付の変遷
図- 1 に示すように、調査ほ場では平成 26 年秋の菜豆収穫残渣すき込み後、2 作連続で秋まき小麦を作付し、各小麦の収穫後には刈株と根をすき込んでいた。

【平成26年6月上旬～】
作付作物：菜豆【平成26年9月下旬～】
作付作物：小麦【平成27年9月下旬～】
作付作物：小麦・平成26年9月上旬に収穫後、茎葉、刈株、根をすき込み

・平成27年7月下旬に収穫後、刈株と根のみをすき込み

・平成28年8月上旬に収穫後、刈株と根のみをすき込み

図- 1 調査ほ場における作付作物の変遷(2)調査ほ場の土壌断面調査
排水良好区、不良区、ならびに排水不良区近傍の暗渠排水施工箇所において、土壌を 1 mまで掘削し、それぞれの土壌断面形態を観察した。
(3)カットソイラによる土層改良
図- 1 に示した平成 26 年 9 月播種の小麦収穫後、平成 27 年 8 月に排水不良区を対象としてカットソイラによる土層改良を行った(写真- 1)。カットソイラとは、土壌を切断掘削して溝を作ると同時に、堆肥や収穫残渣をその溝に落とし込むことで心土に資材を埋設する工法であり、既存暗渠の疎水材と接続することにより補助暗渠としての効果を有する。
(4)温室効果ガス測定および土壌調査・分析

写真- 1 排水不良区におけるカットソイラの施工状況

1)対象作付と調査期間
調査期間は図- 1 に示した 2 作分の小麦作付期間であり、本報告では 1 作目の作付期間を「期間 1」、2 作目を「期間 2」とした。なお、期間 1 は非積雪期のうち 159 日間、期間2 は非積雪期のうち 172 日間を対象とし、1 週間に 1 回程度の頻度で下記の調査を行った。
2)温室効果ガスの測定
CO2 と N2O を対象として、クローズドチャンバー法によるフラックス(単位時間あたりに単位面積を通過するガス量)の測定を各試験区 3 反復で実施した。なお、CO2 では直径20 cm、高さ 29 cm の円筒形、N2O では縦 30 cm、横 30 cm、高さ 32 cm の直方形チャンバーを使用した。ガス採取後、CO2 は赤外線 CO2 コントローラ(富士電機システムズ株式会社製 ZFP9)、N2O はガスクロマトグラフ(株式会社島津製作所製 GC-2014)を用いて濃度分析し、各ガスフラックスを算出した。
3)土壌調査・分析
温室効果ガス測定と併せて、CO2 フラックス測定用チャンバーの近傍で、温度計を用いて深度 0-5 cm の地温を調査した。また、100 cc コアを用いて深度 0-20 cm の不撹乱土壌を採取し、WFPS(土壌の総孔隙に占める液相の割合)を求めた。さらに、各試験区で深度0-15 cm を対象に不撹乱土壌を採取し、ブレムナー法による硝酸態窒素の分析に供した。

３．調査結果(1)調査ほ場の土壌断面形態
写真- 2 には各試験区の土壌断面写真を示す。なお、ここには排水不良区近傍で確認した暗渠排水直上の土壌断面も示している。両試験区とも下層に難透水層を有するが、特に排水不良区はほ場内の地形的下部に位置するため余剰水が浸潤、集積しやすい条件にあり、作土直下からは一時過湿の痕跡である斑紋が明瞭に確認された。また、暗渠排水直上では、疎水材埋戻し部分の直上(深度 40-55 cm)が土壌硬度 25 mm 程度まで堅密化しており、本ほ場に見られる排水不良は、土層の不良化による暗渠機能の低下が主因と考えられた。

土壌硬度25 mm

写真- 2 調査ほ場の土壌断面形態(左：排水良好区、中：排水不良区、右：暗渠排水直上)(2)カットソイラによる土層改良結果

1010軟になっており、写真- 2 右に示した疎水材直上における土層の不良化が改善され、既存暗渠の機能回復が期待された。

40506050607000000000000000000000000011113135256223 13 45212711 10 34 22 14 9 207441000000 19 13 17 1912 11 5630212 13 24 26 18 26

16 15 9030

深度(cm)

深度 55 cm までの土壌が硬度 10 mm 以下と膨幅(cm)40020所の中心部(図中の幅 20～30 cm の部分)では、300排水不良区における土層改良の実施後、施工箇所の土壌硬度分布を確認した(図- 2)。施工箇

209201020 22 11 84443 14 22 18 23 20 244 24 29 21 2921 28 24 86533 10 21 23 25 30 26

27 27 26 19 20 18 13 22 18 26 27 27 27 2523 30 28 29 24 23 25 26 28 27 29 26 27 2870 25 30 28 25 26 28 26 28 29 28 29 28 29 28(3)温室効果ガス測定および土壌調査・分析結果
1)CO2 フラックス、地温、WFPS の推移
図- 3 には調査期間中における CO2 フラック
ス、地温および WFPS の推移に加え、調査ほ場

凡例(土壌硬度：単位mm)：0以上5未満：5以上10未満：10以上15未満：15以上20未満：20以上25未満：25以上

図- 2 施工後の土壌断面における硬度分布

近傍のアメダスにおける降水量のデータを示す。
WFPS の数値は、いずれの試験区でも調査期間を通して大きな降雨が観測された際に上昇し、比較的少雨の期間が続くと低下する傾向にあった。また、その平均値については、
期間 1 の排水良好区が 63.6 %であるのに対して不良区が 66.3 %、期間 2 では良好区の60.4 %に対して不良区が 62.0 %という結果であった。このように、WFPS の平均値は排水不良区におけるカットソイラ施工の有無に関わらず、ほぼ同等の数値となっていた。これは、今回の調査が表層(0-20 cm)を対象にしていたためであり、カットソイラによる土層改良効果は、さらに下層で現れているものと推察された。

次に、排水良好区の CO2 フラックスは、期間 1 および期間 2 のいずれにおいても 4 月から 6 月にかけて地温の上昇とともに大きくなっており、期間 1 では 9.8 mgC m-2 hr-1 から
172.3 mgC m-2 hr-1、期間 2 では 4.1 mgC m-2 hr-1 から 356.9 mgC m-2 hr-1 まで増加した。
一方で、地温の低下する 9 月～11 月にかけて、期間 1 の排水良好区では 85.1 mgC m-2 hr-1
から 44.2 mgC m-2 hr-1、期間 2 では 91.4 mgC m-2 hr-1 から 23.3 mgC m-2 hr-1 まで減少した。排水不良区における CO2 フラックスの挙動は、カットソイラ施工の有無に関わらず良好区と同様の傾向であった。
CO2 フラックスの平均値は、期間 1 の排水良好区が 94.3 mgC m-2 hr-1 に対して不良区が 107.0 mgC m-2 hr-1、期間 2 では良好区 119.5 mgC m-2 hr-1 に対して 126.4 mgC m-2 hr-1となっており、調査期間を通して試験区間差は不明瞭だった。
なお、期間 1 の 5 月下旬や 7 月上～中旬、または期間 2 の 7 月上～中旬など、WFPSが 30 %～50 %の条件では、地温が 20 ℃以上と高い場合でも、CO2 フラックスの数値は上昇傾向を示さなかった。このほか、期間 1 のうち、消雪直後である 4 月上旬には、地温が 10 ℃未満と低かったにも関わらず、排水良好区で 156.6 mgC m-2 hr-1、不良区で 178.0

CO2フラックス(mgC m-2 hr-1)

地温(℃)

WFPS

0-20 cm(％)

期間 1100908070605040302035302520151050500400

排水不良区でｶｯﾄｿｲﾗ施工

期間 2降水量良好区
不良区

010203040(a)5060(b)(c)

3002001000

図- 3 WFPS(a)、地温(b)、CO2 フラックス(c)の推移(図中のエラーバーは標準誤差、黒矢印は消雪直後に生じた CO2 フラックスのピークをれぞれ示す)

降水量(mm day-1)

mgC m-2 hr-1 と、CO2 フラックスの大きなピークが観測された(図- 3(c)黒矢印)。

2)N2O フラックス、WFPS および土壌無機態窒素の推移
図- 4 には調査期間中の N2O フラックス、WFPS および硝酸態窒素濃度の推移、アメダスの降水量データ、ならびに施肥作業の実施日を示す。
上述の通り、WFPS は降雨に伴って上下し、調査期間中、その平均値には明瞭な試験区間差がなかった。硝酸態窒素濃度は、調査期間を通して施肥作業の後に高まっていた。
排水不良区における N2O フラックスのピークは、期間 1 の 10 月下旬や 4 月中旬のように、硝酸態窒素が比較的高濃度であり、かつ降雨の影響で WFPS が上昇した直後に現れた(図- 4(c)黒実線矢印)。排水良好区でも不良区と同様の傾向であったが、この時のピークの大きさは、10 月下旬では排水良好区が 0.23 mgN m-2 hr-1 であったに対して不良区が 0.53
mgN m-2 hr-1、4 月中旬では良好区 0.12 mgN m-2 hr-1、不良区 0.35 mgN m-2 hr-1 と、いずれも不良区が良好区を大きく上回った。
また、期間 1 の 4 月上旬や期間 2 の 3 月下旬など、消雪直後で WFPS が 90 %前後と高土壌水分条件にある時には、施肥前で硝酸態窒素濃度が低い場合にも両試験区でフラックスのピークが生じた(図- 4(c)黒破線矢印)。この時のピークの大きさは、期間 1 の 4 月上旬
では排水不良区が 0.32 mgN m-2 hr-1 と良好区の 0.07 mgN m-2 hr-1 より明らかに大きかったのに対して、期間 2 の 3 月下旬では良好区および不良区がそれぞれ 0.59 mgN m-2 hr-1、0.56 mgN m-2 hr-1 と同程度だった。
一方、期間 1 の 5 月中旬～6 月中旬、もしくは期間 2 の 10 月中旬～11 月上旬や 4 月中旬～5 月上旬のように、硝酸態窒素が高濃度にある条件でも、WFPS が常時 70 %を下回っ

NO3-N-1(mg 100g 乾土 )

期間 1

F

100908070605040302065432101.2FF F

排水不良区でｶｯﾄｿｲﾗ施工
F

期間 2FF

降水量良好区
不良区
010203040(a)5060

降水量(mm day-1)

WFPS

0-20 cm(％)ている場合には、降雨後にもフラックスのピークは確認されなかった。

(b)

N2O フラックス(mgN m-2 hr-1)(c)0.90.60.30.0図- 4 WFPS(a)、硝酸態窒素濃度(b)、N2O フラックス(c)の推移(図中の“F”は施肥作業の実施日、エラーバーは標準誤差、黒実線矢印は降雨後の N2O フラックスのピーク、黒破線矢印は消雪直後の N2O フラックスのピークをそれぞれ示す)

(4)調査期間中の温室効果ガス発生量
図- 5 には期間 1、期間 2 における CO2 発生量、N2O 発生量、ならびにそれらの合計量を示す。なお、温室効果ガスの合計量を積算する際、N2O 発生量は地球温暖化係数(CO2を 1 とした場合の N2O の温室効果；298)を用いて CO2 相当量に換算した。
CO2 発生量は、期間 1 では排水良好区が 3.78 tC ha-1、不良区が 4.25 tC ha-1、期間 2 では良好区が 5.24 tC ha-1、不良区が 5.55 tC ha-1 であった。このように、CO2 発生量については排水不良区に対する土層改良実施前後で、明瞭な試験区間差がなかった。
一方、N2O 発生量は、期間 1 では排水不良区が 3.70 kgN ha-1 と良好区(1.58 kgN ha-1)の 2 倍以上であったのに対して、期間 2 では排水良好区が 1.17 kgN ha-1、不良区が 1.33kgN ha-1 と同程度であった。
調査期間中の各温室効果ガス発生量を合計すると、期間 1 の排水良好区および不良区でそれぞれ 14.59 tCO2 ha-1、17.30 tCO2 ha-1 であり、期間 2 ではそれぞれ 19.77 tCO2 ha-1、20.98 tCO2 ha-1 となった。また、温室効果ガス発生量の合計に占める N2O の割合を算出したところ、期間 1 の排水不良区が 10.0 %と良好区(5.1 %)の 2 倍程度であったのに対しCO2発生量(tC ha-1)

6.0
5.0(a)

4.0
3.0
2.0

3.78

4.25

5.245.551.00.0
良好区 不良区 良好区 不良区
期間 1改良前

期間 2改良後

N2O発生量(kgN ha-1)

5.0
4.025.0(c)

15.0

N2O

19.77

20.98

14.59

5.00.0良好区 不良区 良好区 不良区
期間 1改良前
5.110.0

期間 2改良後
2.83.0

図- 5 調査期間中の CO2 発生量(a)、N2O 発生量(b)、温室効果ガス発生量の合計と全体に占める N2O の割合(c) (図中のエラーバーは標準誤差を示す)

3.70
1.58

CO210.0(%)

2.0

17.30

20.0

N2Oの割合

(b)

3.0

1.0

温室効果ガス発生量の合計(tCO2 ha-1)て、期間 2 では 3.0 %となり良好区(2.8 %)と同等の数値になった。

1.171.330.0
良好区 不良区 良好区 不良区
期間 1改良前

期間 2改良後

４．考察
先述の調査結果が示すように、CO2 発生は地温や土壌水分、N2O 発生は土壌水分や土壌中の硝酸態窒素濃度等に影響を受ける。このことから、これら温室効果ガスの発生量は、その年の気温や降水量等の気象条件、施肥管理の状況等により年次変動する。そのため、排水不良区におけるカットソイラ施工前後のガス発生量の単純な変化から、土層改良が温室効果ガス発生に与える影響を評価することはできない。
そこで、排水良好区に対する不良区の各温室効果ガス発生量の比を期間 1 および 2 でそれぞれ算出し、その比の変化に基づき、気象や施肥管理条件の年次変動を棄却したうえで土層改良の影響を検討した。
図- 5 に示した各試験区の CO2 およびを 1 とした場合の不良区の各温室効果ガス発生量を期間 1、期間 2 のそれぞれで算出した(図- 6)。
その結果、CO2 発生量の比は期間 1、2でそれぞれ 1.12、1.06 と大きく変化しなかったのに対して、N2O 発生量の比は、土層改良前の期間 1 では 2.34 であったのが改良後の期間 2 では 1.14 となり、明らかに低下していた。このことから、排水不良区で実施したカットソイラによる土層改良は、主排水不良区／排水良好区の比N2O 発生量の積算値をもとに、排水良好区

CO2N2O3.0
2.5

2.34

2.01.51.141.12

1.00.51.060.0
期間 1期間2改良前
改良後
図- 6 期間 1 および期間 2 における排水不良区と良好区の温室効果ガス発生量の比に N2O 発生量の削減に寄与したと考えられた。
以上のように、1 ほ場における成果ではあるが、カットソイラを用いた土層改良は温室効果ガス削減につながる可能性が示唆された。しかし、図- 3 に示すように、表層(0-20 cm)における WFPS の数値は、カットソイラ施工の有無に関わらず両試験区においてほぼ同等の数値で推移した。このことから、土層改良による N2O 削減効果は、主に心土の排水改善によるものではないかと考えられた。
５．おわりに上述のとおり、排水不良区の良好区に対する温室効果ガス発生量の比は、CO2 では排水不良区の土層改良前後において同等であったのに対して、N2O では改良前から改良後にかけて半減した。このように、今回の調査においては、カットソイラによる土層改良が N2O発生量の削減に貢献しており、排水性の改善は作物生産性の向上と同時に地球温暖化の緩和にも寄与する可能性が示唆された。
ただし、本報告における N2O 発生は土壌からの直接排出のみに着目したものであり、排水性の改善が間接排出に与える影響については考慮していない。N2O の間接排出について
は、①排水中に過飽和で溶存している N2O が地表水として大気に触れた段階で脱ガスとなる時(暗渠排水や河川への流出)、②排水が河川を流下する間、②排水が河口域にある時、のそれぞれで発生するものとされている(Sawamoto et al.,2005)。このうち、暗渠排水等の排水改良は①の段階に影響する可能性が考えられる。つまり、余剰水に含まれる N2O がN2 に還元される前に暗渠排水を通してほ場外へと排出されるため、①の段階の排出係数が排水改良前よりも大きくなることが予想される。
以上のことから、今後は N2O 間接排出にも着目したうえで、排水改良が温室効果ガス発生に与える影響を検討していくことが重要と考えている。

参考文献
秋山博子・澤本卓治・八木一行(2011)：窒素循環と土壌からの N2O 発生，化学と生物，49，335-339.
北海道立中央農業試験場(2008)：北海道土壌区一覧(改訂版), 北海道立農試資料, 37, 159.
環境省(2014)：IPCC 第 5 次評価報告書の概要-第 1 次作業部会(自然科学的根拠)-.
国際農林業協働協会(2015)：世界食糧農業白書 2014 年報告, 30.
Kusa K, Hu R, Sawamoto T, Hatano R(2006)：Three years of nitrous oxide and nitricoxide emissions from silandic andosols cultivated with maize in Hokkaido, Japan.
Soil Sci. Plant Nutrition., 52, 103-113.
Niwa K, Yokobori J, Seino N, Kikuchi K, Hongo C(2008)：Effect of soil types on thetime-course of changes in sugar beet (Beta vulgaris L.) productivity in Tokachi
district, Hokkaido, Japan. Soil Sci. Plant Nutr., 54, 928–937.
Sawamoto T, Nakajima Y, Kasuya M, Tsuruta H and Yagi K (2005): Evaluation ofemission factors for indirect N2O emission due to nitrogen leaching inagro-ecosystems, GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS, VOL. 32, L03403,
doi:10.1029/2004GL021625.
関谷長昭(2010)：畑作地帯における多湿黒ボク土の土壌有機物動態, 1-67 北海道大学大学
院農学院

環境資源学専攻

地域環境学講座

土壌学分野

博士後期課程.