十勝地域における黒ボク土地帯の耕地化が土壌炭素変化に及ぼす影響○(株)ズコーシャ
農林水産省農林水産技術会議事務局（前 北海道農業研究センター）
北海道農業研究センター
千葉大学

丹羽勝久
永田

修

若林勝史
本郷千春

１．はじめに
土壌中の炭素量は植物の 3-4 倍とも言われ、世界全体で見た場合にその量は 1500-2000 Pg
C に及ぶと試算されている(Batjes 1996; Watson et al. 2000)。このことから、土壌は二酸化炭素の吸収や放出を考える上で非常に重要なファクターであり、土壌炭素の増減は地球温暖化に影響することが示されている(Schlesinger，2000)。また、これまで耕地化により、世界全体で 50Pg C もの土壌炭素が消失していることが報告されている(Paustian et al. 1998; Lal
1999, 2004)。このことから、各地域で耕地化による土壌炭素の増減を評価すると共に、その規定要因を明らかにした上で、土壌炭素の維持・増加のための対策を検討することが重要である。
北海道十勝地域は畑地帯であり、主要土壌は火山灰を母材とする黒ボク土である。当該地域では農耕期間の降水量が蒸発散量を上回ることから、特に排水不良が作物生産上の問題点とされており、排水不良区域に、これまで暗渠排水を中心とする排水改良が実施されてきた(Niwa et al., 2008)。関谷ら(2009)は十勝地域の黒ボク土地帯の主要土壌のうち、多腐
植質厚層多湿黒ボク土には膨大な土壌炭素量が蓄積しているが、排水改良を原因とし土壌
有機物の分解量が増大傾向にあることを示した。
以上のことから、十勝地域の黒ボク土地帯では耕地の土壌炭素減少が懸念される状況にある。そこで、耕地における土壌炭素量の実態を探るため、帯広市を対象として、以下の調査を行った。まず、地域内の未耕地と隣接耕地において土壌炭素量の評価・比較を行い、耕地化による土壌炭素の増減を明らかにした。その上で、土壌炭素増減が土壌タイプや営
農履歴(輪作体系や暗渠排水施工履歴等)といかなる関連性を有するかについて検討を行った。さらに、土壌タイプ別の土壌炭素増減を基に、調査区域の耕地化による土壌炭素の総増減量の試算を行った。

２．材料および方法(1) 調査区域
調査区域は帯広市の中でも黒ボク土地帯である中～高位段丘を対象とした。本区域の主要土壌は淡色黒ボク土と多腐植質厚層多湿黒ボク土である(北海道立中央農業試験場，2008)。
その区域には帯広市管轄の防風保安林が調査区域内を縦横に配置されている。このことから、未耕地として防風保安林に着目し、8 箇所の調査地点を選定した。また、その保安林と隣接する圃場を調査対象とし、以下の手順により土壌調査・分析を行った。
(2) 土壌調査・分析
調査区域においては複数の火山灰が積層しており、表層の有機物層(A 層)に加え、埋没A 層が出現する。そこで土壌炭素量を計算する範囲を表層から埋没 A 層の最下層までとして、未耕地および耕地の土壌を掘削した。土壌断面を整形後、層位区分を行い、各層位で100cc コアによる不攪乱試料と攪乱試料を採取した。その際、未耕地については表層の未分
解有機物層(O 層)を除去した。不攪乱試料については絶乾法により容積重の分析を、攪乱試料については風乾調整後、乾式燃焼法により全炭素含量を分析した。
(3) 土壌炭素量の算定
土壌炭素量は表層から埋没 A 層の最下層までを対象として、下記の式により算出し、未耕地と耕地の土壌炭素量、およびその増減を算出した。

n

土壌炭素量 (Mg C ha–1) = (L × B × C )× 10 ,
i

i

i

(1)

i =1

ただし、Li,：土層厚(m)、 Bi,：容積重(Mg m–3)、 Ci ：土壌炭素含量 (Mg m–3)、 i：層位番
号、 n：調査土壌の総層位数

その際、客土等により未耕地に比べて極端に土量が増加した耕地等では、土壌炭素量の比較が困難と考えられるため、未耕地と耕地で埋没 A 層までの総土量が変わらないことを比較の条件とした。

(4) 農家聞き取り調査
調査した耕地(8 圃場)を所有する農家に、輪作体系、作物残渣の取り扱い、堆肥施用の有
無、暗渠排水施工履歴等の営農実態について聞き取り調査を行った。

３．調査結果(1) 未耕地と耕地の土壌断面形態
写真 1 は調査区域の主要土壌である淡色黒ボク土、多腐植質厚層多湿黒ボク土の未耕地と耕地の代表土壌断面写真である。
両未耕地とも表層直下に白色の火山砂層(樽前-b 火山灰)が観察されたが、耕地では火山砂は目視では見られなかった。その理由として深耕による土層攪乱が挙げられる。
埋没 A 層の最下層までの深さを比較すると、淡色黒ボク土の未耕地では深さ 60cm まで確認されたのに対して、同一層位までの深さが 50cm に留まった。多腐植質厚層多湿黒ボク土の未耕地では深さ 90cm まで埋没 A 層が確認されたが、耕地では同一層位までの深さが 60cmに留まり、両土壌とも耕地化により埋没 A 層までの厚さが薄くなっていることを確認した。

写真-1 淡色黒ボク土、多腐植質厚層多湿黒ボク土の未耕地と耕地の代表土壌断面写真(2)未耕地と耕地の土壌炭素量
未耕地と耕地の土壌炭素量を比較するにあたり、前提条件となる表層から埋没 A 層の最下層までの総土量を計算した(表 1)。
その結果、総土量の未耕地に対する耕地の変化割合は各地点で 5%未満であり、未耕地と耕地の土量はほぼ同等であると判断した。このことから、各調査地点の未耕地と耕地の土壌炭素量の比較が可能と判断し、それぞれの土壌炭素量とその差を計算した(表 1)。なお、表中に示す変化量は未耕地の土壌炭素量から耕地の炭素量を差し引いたものであり、その値がマイナスを示す場合は耕地化により土壌炭素が集積したこと、プラスの場合は耕地化
により土壌炭素が減少したことを示す。
各調査地点の耕地化による土壌炭素増減は地点によって異なり、耕地化により土壌炭素が集積した地点(グループ 1)、変化のない地点(グループ 2)、減少した地点(グループ 3)に大別された。一方、土壌タイプに焦点をあてると、グループ 1 ではいずれの耕地も淡色黒ボ
ク土に分類されたが、グループ 2 の土壌は多腐植質普通黒ボク土、グループ 3 の土壌は多腐植質普通黒ボク土と多腐植質厚層多湿黒ボク土に該当した。したがって、耕地土壌は排水不良型の土壌タイプほど、耕地化による土壌炭素量減少が大きい傾向にあることが確認された。

表 1 各調査地点の未耕地および耕地の総土量、土壌炭素量および土壌タイプ-1

総土量(Mg ha )
未耕地
耕地
2909
2818
2981
2993
3410
3570
3130
3075
2897
2775
3327
3174
3486
3395
4781
4706

-1

土壌炭素量(MgC ha )土壌タイプ(耕地)**
未耕地
耕地
変化量*
91.6
123.5
-31.8 淡色黒ボク土
114.4
136.3
-21.9 淡色黒ボク土
132.8
160.1
-27.3 淡色黒ボク土
195.3
193.2
2.1 多腐植質普通黒ボク土
232.5
235.8
-3.4 多腐植質普通黒ボク土
305.6
198.0
107.6 多腐植質普通黒ボク土
361.5
217.3
144.2 多腐植質普通黒ボク土
477.7
327.9
149.8 多腐植質厚層多湿黒ボク土

地点1
グループ1 地点2
地点3
地点4
グループ2
地点5
地点6
グループ3 地点7
地点8
*変化量は未耕地から耕地の土壌炭素量を引いた値**土壌分類は農耕地土壌分類第3次改訂版に基づく(農耕地土壌分類委員会，1995)

搬出
搬出
搬出

-108 小麦→小麦(後作緑肥)→豆類→
豆類→豆類→テンサイ-144 小麦→小麦(後作緑肥)→テンサ
イ→馬鈴薯→豆類-150 小麦－小麦又は豆類－テンサイ
－馬鈴薯

地点6

地点7

地点8

搬出

-2 小麦－小麦（後作緑肥）－テン
サイ－豆類－馬鈴薯

地点43 小麦－小麦(後作緑肥）－テンサ
イ－豆類－馬鈴薯

搬出

27 小麦→小麦(後作緑肥)→テンサ
イ→豆類→馬鈴薯

地点3

地点5

搬出

22

搬出

搬出

小麦
残渣*

地点2

小麦－小麦(後作緑肥）－テンサ
イ－豆類－馬鈴薯

32 小麦(後作緑肥)→テンサイ→豆
類→馬鈴薯

輪作体型

鋤込

鋤込

－

鋤込

鋤込

鋤込

鋤込

鋤込

鋤込

鋤込

鋤込

鋤込

鋤込

鋤込

鋤込

鋤込

馬鈴薯 テンサ残渣 イ残渣

搬出又
は鋤込

搬出

鋤込

鋤込

鋤込

鋤込

鋤込

鋤込

豆類
残渣

*小麦残渣については搬出を基本とするが、刈株と根については各圃場とも鋤込みが行われている。

グループ3

グループ2

グループ1

地点1

(MgC ha )

-1

土壌炭素
増加量

25 t ha-1(2作目の小麦播種前)

排水不良

排水不良

排水不良

過去はテンサイ作付前に-1
20 t ha 、但し最近6～7年は堆肥未施用
20 t ha-1 (テンサイ作付前)

排水良好

排水良好

排水良好

排水良好

排水良好

土壌の乾湿

未施用(20年ほど)

30 t ha-1 (テンサイ作付前)

30 t ha-1 (テンサイ作付前)

未施用(20年ほど)

30 t ha-1 (テンサイ作付前)

堆肥施用

表 2 各調査圃場の輪作、作物残渣の取り扱い、堆肥施用の有無、土壌の乾湿および暗渠排水施工履歴

施工(何度も)施工(1990年)

施工(1992年、1995年)

施工(1980年頃)

無施工

施工(1980年頃)

施工(1983年)

無施工

暗渠排水

(3)農家聞き取り調査
各農家の聞き取り調査から、各圃場では小麦、テンサイ、豆類、馬鈴薯等、十勝地域を代表する作物が、4-6 年周期の輪作で作付されていることが確認された。また、全ての圃場において、小麦は刈株および根のみが鋤込まれ、茎葉は圃場外に搬出されていた。バレイ
ショおよびテンサイについては、全て圃場で茎葉等の全ての作物残渣が鋤込まれていたが、豆類については圃場によって作物残渣を搬出するケースも見られた。堆肥施用については、
各圃場で施用履歴が異なり、過去 20 年間、堆肥が施用されていない圃場が 2 圃場、過去 6-7
年間、堆肥が施用されていない圃場が 1 圃場確認された。それ以外の圃場ではテンサイ作
付前や、小麦収穫後に 4-5 年周期で、20-30 t ha-1 の堆肥が施用されていた(表 2)。
また、圃場の排水性や暗渠施工状況について聞き取り調査した結果、グループ 1、グルー
プ 2 の圃場は排水が良好で、暗渠排水が未施工、または 1980 年代前半頃の施工であった。
それに対して、耕地化により土壌炭素減少が顕著なグループ 3 は、いずれの圃場も排水不良で、暗渠排水は 1990 年以降に施工されていた。なお、そのうちの 2 圃場では、同じ場所に複数回、暗渠が施工されていた(表 2)。

４．考察(1)未耕地と耕地の土壌断面形態の違い
未耕地と耕地の土壌断面形態を比較した結果、本地域を代表する淡色黒ボク土、多腐植
質厚層多湿黒ボク土とも表層から埋没 A 層の最下層までの厚さが、耕地で薄くなっていた(写真 1)。それに対して、同一深度までの総土量を比較すると、未耕地と耕地で大きな差異が認められないことから(表 1)、土壌断面形態の違いは耕地化による土壌の圧縮に起因すると考えられる。土壌圧縮は大型農業機械の利用に伴い発生し、特に十勝地域では作土直下の堅密土層(耕盤層)生成が問題となっている(丹羽ら，1998)。このことから、今後も大型機
械による耕地の土壌圧縮の進行については注視していくことが必要である。

(2) 営農実態と耕地化による土壌炭素量増減の関係
関谷(2010)は、2007 年に十勝地域の淡色黒ボク土と多腐植質厚層多湿黒ボク土の年間有機物分解量を実測すると共に、2007 年の十勝地域の小麦、テンサイ、大豆、小豆および馬鈴薯等の収量実績に基づいて残渣由来の圃場への炭素投入量を試算した(表 3)。ここではその計算結果(表 3)を利用し、本調査の各調査圃場の総炭素投入量を試算し、耕地化による土壌炭素の増減量と比較した。

表 3 関谷(2010)に基づく作物残渣由来の圃場への投入炭素量(2007 年実績)
作物

投入炭素量

鋤込部位

-1

小麦
刈株、根
テンサイ 茎葉
豆類*
茎葉、刈株、根
バレイショ 茎葉

(MgC ha )
1.90
3.88
0.59
1.16
-1

*豆類の投入炭素量は大豆(1.04 MgC ha )と小豆-1

(0.13 MgC ha )の平均値を利用

表 4 調査圃場の土壌炭素投入量
-1

輪作
期間

グループ1

グループ2

グループ3

炭素投入量(MgC ha )作物残渣由来*堆肥由来**
緑肥由来***
輪作期間
年間当たり
年間当たり
年間当たり
7.52
1.88
0.84
0.65
9.42
1.88
0.00
0.52
9.42
1.88
0.68
0.52

合計
年間当たり
3.37
2.40
3.08

地点1
地点2
地点3

(年)
4
5
5

地点4

5

9.42

1.88

0.68

0.52

3.08

地点5
地点6
地点7

5
6
5

9.42
9.43
8.83

1.88
1.57
1.77

0.00
0.00
0.45

0.52
0.43
0.52

2.40
2.00
2.73

地点8

4

8.03

2.01

0.70

0.00

2.71

*作物残渣由来の炭素投入量は関谷(2010)の2007年の作物収量実績値に基づく計算値を利用
残渣を搬出又は鋤込みと回答した場合は、鋤込み炭素量の炭素量の半数を計上
作付作物が○○又は○○と回答した場合は、各作物の平均炭素投入量を計上**堆肥は現在施用中であることを条件とし、水分75%、炭素割合0.45で炭素量投入量を算出-1***緑肥の炭素投入量はKoga et al . (2011)の十勝地域のエンバクの計算値(2.59 Mg C )を利用

表 3 の豆類の残渣由来炭素投入量については関谷(2010)の大豆、小豆の平均値を用いた。
表 4 では、農家聞き取り調査(表 2)で作物残渣の取り扱いを「搬出又は鋤込み」と回答した
場合は、その鋤込み量の半分が、「輪作作物が○○又は○○」と回答した場合には各作物の鋤込み量の平均量が圃場に還元されていると仮定した。また、堆肥については現在施用中

の調査圃場だけを対象とし、水分 75%、炭素係数 0.45 で炭素量投入量を算出、緑肥は Koga

at al. (2011)の十勝地域のエンバク由来の炭素投入量の計算値を利用した。
その結果、各調査地点の年間当たりの土壌炭素投入量は 2.00-3.37MgC ha-1 となり、各グループ間で明確な差がみられなかった。このことから、各グループ別に耕地化による土壌
炭素増減の傾向が異なったことには、炭素投入量以外の要因が大きく影響していることが示唆された。
表 1 から、グループ 1 は全ての圃場が淡色黒ボク土に分類され、耕地化により 21.9-31.8
MgC ha-1 の土壌炭素量の増加が確認された(表 1)。また、各圃場の年間当たりの炭素投入量は 2.40-3.37 MgC ha-1 と見積もられた(表 4)。関谷(2010)が、淡色黒ボク土における 2007
年の年間土壌有機物分解量を実測した結果、その総量は年間当たり 1.95 MgC ha-1 になることを示した。この結果と表 4 を比較すると、グループ 1 では有機物分解に伴い消失する炭素よりも多くの土壌炭素が圃場に投入されていた。つまり、各調査地点で、耕地化により淡色黒ボク土の土壌炭素量がより増加したのは、営農管理面から考えても妥当な結果であり、今後も同様の営農を継続していくことで、本土壌では、土壌炭素がよりいっそう蓄積される可能性が示された。
グループ 2 は、各圃場の土壌が多腐植質普通黒ボク土に分類された(表 1)。グループ 2 は、グループ 1 と異なり、未耕地と耕地の土壌炭素量にほとんど変化がなかった。その他、未耕地の土壌炭素量が異なり、グループ 1 では 91.6-132.8 MgC ha-1 であったのに対して、グ
ループ 2 では 195.3-252.5 MgC ha-1 であった(表 1）。一方、圃場への炭素投入量(表 4)、堆
肥施用、土壌の乾湿および暗渠排水施工履歴等(表 2)、他の要因については両グループで顕著な差が認められなかった。Bellamy at al.(2005)は、耕地化による畑地の土壌炭素量の変化は、初期土壌炭素量に依存し、初期土壌炭素量が多い土壌ほど、土壌炭素量の減少が顕著になることを示した。このことから、本調査で得られたグループ 1、2 の耕地化による土壌炭素変化量の違いは初期土壌炭素量に起因すると考えられた。
グループ 3 の圃場は多腐植質普通黒ボク土と多腐植質厚層多湿黒ボク土に分類され、耕地化により 107.6-149.8 MgC ha-1 の土壌炭素量が減少していた(表 1)。その要因の一つに、

未耕地の土壌炭素量(初期土壌炭素量)が 300 MgC ha-1 以上と他のグループに比べて高いことが挙げられた。また、その他、本グループではいずれの圃場も排水不良であること、暗渠排水が 1990 年以降に施工されており、そのうち 2 圃場では 2 度以上、同じ場所に暗渠を施工していること等、排水改良に積極的であることが、他グループとの相違点として挙げられた(表 2)。
一般的に、排水が良化すると、CO2 発生速度が高くなり、土壌有機物分解が促進される。
関谷(2010)は十勝地域の多腐植質厚層多湿黒ボク土では排水改良により、土壌有機物の年間分解量が増加し、2007 年の実測では 3.43 MgC ha-1 と淡色黒ボク土(1.95 MgC ha-1)の 1.5倍程度になることを示した(関谷，2010)。この分解量と、表 4 のグループ 3 の年間当たりの炭素投入量を同一土壌タイプ(多腐植質厚層多湿黒ボク土：地点 8)で比較すると、分解により消失する炭素量よりも投入炭素量が 0.72 MgC ha-1 不足していることが明らかになった。
以上のことから、グループ 3 では初期炭素量や排水改良に伴う有機物分解促進に起因す
る土壌炭素の消失が、現状の営農管理形態では補えない状況にあると考えられる。

(3)耕地化による土壌炭素量増減の広域評価
北海道土壌区一覧改訂版(北海道立中央農業試験場，2008)によると、調査区域である帯広
市の中～高位段丘の主要土壌は、淡色黒ボク土と多腐植質厚層多湿黒ボク土であり、それ
ぞれ 7211ha、6324ha の耕地に分布し、調査区域の圃場全体の 96%を占める。本調査では土壌炭素変化量に基づいて各調査地点を 3 グループに区分しているが(表 1)、グループ 1 の
圃場は全て淡色黒ボク土に分類され、グループ 3 の一部の圃場には多腐植質厚層多湿黒ボ
ク土が含まれていた。
以上のことから、北海道土壌区一覧改訂版に示されている淡色黒ボク土が本調査で区分したグループ 1 に、多腐植質厚層多湿黒ボク土がグループ 3 に対応すると仮定し、各グループの平均土壌炭素変化量と土壌別の耕地面積に基づいて、調査区域の耕地化による土壌
炭素の総変化量を試算した。

その結果、調査区域では 650000 MgC (-48Mg C ha-1)の土壌炭素が耕地化により減少していると見積もられた。なお、耕地化した後、100 年が経過したと仮定すると、その減少量は650 MgC year-1 (-0.48MgC ha-1 year-1)となる。
一方、調査区域の帯広市では経済活動に伴う CO2 排出量が、2000 年実績で約 400000 MgC
year-1 であることが示されており、耕地化に伴う炭素の年間減少量は経済活動に伴う年間炭素排出量の 0.2 %程度に留まることが明らかになった。

５．おわりに上述したように、十勝地域の黒ボク土地帯の耕地化による土壌炭素量の増減は、炭素の圃場還元、初期土壌炭素量および排水改良に影響を受け、地域全体で見た場合に土壌炭素量が減少していることが明らかになった。しかし、その減少量は経済活動に伴う炭素放出量に比べてかなり少ないことも、同時に試算された。
畑地が地球温暖化に与える影響としては、有機物分解に伴う炭素放出(CO2 発生)に加え、一酸化二窒素(N2O)も考慮することが重要である。N2O は窒素肥料等をソースとし、土壌が還元状態になるほど発生量が増大する特徴を持ち、CO2 とはトレードオフの関係にある。
つまり、排水改良を行うと N2O 発生量は減少することが期待される。
以上のことから、今後の展開として、畑地の土壌水分状態、CO2 と N2O 放出量を測定した上で、排水改良が温室効果ガス発生に与える影響を調査することが重要と考えている。
謝辞：本研究を行うにあたり，十勝農業協同組合連合会
同組合

郡谷純氏，平野英昭氏，帯広大正農業協同組合

梶孝幸氏，帯広市川西農業協
角田征男氏には，圃場調査において便宜を図って頂きました．また，防風保安林の調査では，帯広市

吉田 渡氏，伊藤育子氏に協力を頂きました．ここに，謝意を表します．本研究は JSPS 科研費 24380142 の助成を受けたものです．

文

献

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環境資源学専攻

地域環境学講座

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博士後期課程.

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