17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

TS5-1

Tracing nutrient sources contributing to harmful algal blooms andother ecological problems in aquatic systems using a multi-isotope
approach
Carol Kendall1
1

United States Geological Survey, Menlo Park, California, USA (emeritus)

Keywords: nutrients, isotopes, harmful algal blooms, water pollution, ecosystem health
ABSTRACT

Excess nutrients from anthropogenic sources to lakes and other water bodies can cause significant problems
for ecosystem health and for the usefulness of the water body for drinking water, recreation, and otherpurposes. Solutions for these environmental problems are difficult to determine because there are usually
many different land-uses that contribute nutrients and organic matter to the ecosystem. In recent years,
numerous studies have shown that stable isotopic techniques – particularly multi-isotope approaches
piggybacked onto routine monitoring programs -- are a powerful tool for determining sources of nutrients
contributing to ecological problems because different kinds of nutrients and kinds of dissolved andparticulate organic matter derived from different sources and land uses often have distinctively different
isotopic compositions.
The basis for using isotopes to determine the sources of nutrients and other solutes to algae and bacteria isthat autotrophic organisms preferentially assimilate the lower-mass isotopes of dissolved solutes. Hence,
a comparison of the isotopic compositions of the organisms and the solutes from different sources allows
estimation of the relative contributions of different specific nutrient and solute sources to the organisms.
And since different nutrient and other solute sources frequently have distinctive compositions, the relative
contributions from these different sources can often be reliably determined. This presentation will
present an overview of the "state of the science" regarding the ability of isotopes to distinguish point andnon-point anthropogenic impacts at various spatial scales, provide suggestions for successful pilot studies,and outline guidelines for future monitoring programs in biologically active and human-impacted
systems.

472

1

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

TS5-2

From leaves to lakes: Revealing the nitrogen dynamics in catchment
ecosystems using stable isotope techniques
Nobuhito Ohte1, Ken’ichi Osaka2, Kazuo Isobe3 and Ichiro Tayasu4
1

Kyoto University, 2The University of Shiga Prefecture, 3The University of Tokyo, 4Research Institute for Humanity andNatureKeywords: NO3- isotopes, microbial denitrifier method, terrestrial ecosystem, microbial ecology
ABSTRACTThe measurement of nitrogen (N) and oxygen (O) isotope values of dissolved nitrate (NO3-) has beenused for water quality surveys since 1980s. Isotope information of various origins of NO3- has been
compiled for many different ecosystems. In the beginning of 2000s, the development of the microbial
denitrifier method for this measurement has made its throughput higher dramatically. As this method
requires a tiny amount of sample volume, it allows us to execute spatiotemporally high resolution andsimultaneous measurements of N and O isotopes of NO3-. Using this technique, we have been able toreveal the details of transformation and movement of NO3- and related N compounds in various
ecosystems. We have applied this method to describe the transformation of N in the surface of plants,
litter layers, soils and groundwater zones, and used for identifying the origins of NO3- in river catchment.
Here, we described how we have approached to the N dynamics in various scales of ecosystems using thisisotope technique and discussed the future directions of this study area and associate methodologies
applicable to reveal the new insights of N dynamics in terrestrial ecosystems. Combined approach withmicrobial ecological investigations may provide synergetic effects for mechanistic understandings of N
dynamics of terrestrial ecosystems.
al.[6]) and oceans (e.g. Wankel et al.[7]). The Kendall plot
was updated by adding the NO3- data for atmosphericdepositions using the microbial denitrifier method[8].

1. INTRODUCTION
The measurement of nitrogen (N) and oxygen (O) isotope
values of dissolved nitrate (NO3-) has been used for water
quality surveys since 1980s. Isotope information ofvarious origins of NO3- has been compiled systematicallyfor many different ecosystems by Kendall [1]. The typicalranges of G15N and G18O of NO3- from various sources
was illustrated in her review chapter. This G15N-G 18O
plot, the so-called “Kendall Plot”, has been referred for
identifying origins of NO3- and for detecting the effect ofdenitrification in various case studies in past two decades.

The advantages of this method requiring a small amountof sample are not only to allow us to increase thespatiotemporal resolution, but also to allow us to apply
this method to small-scale phenomena in terrestrial
ecosystems. For example, we can measure the G15N and G
18
O of NO3- in throughfall, stem flow and soil waters,
which has usually been difficult to collect sufficient
sample volume for the previous method, such as thesilver nitrate method. Consequently, more detailed
understandings on N dynamics along the elementalhydrological processes has become possible (e.g. Osakaet al.[9]; Shi et al.[10],[11]).

In the beginning of 2000s, the microbial denitrifier
method was proposed for this measurement (Sigman et al.
[2]; Casciotti et al. [3]). This method has made its
throughput higher dramatically. As this method requires atiny amount of sample volume, it allows us to executespatiotemporally high resolution and simultaneous
measurements of N and O isotopes of NO3-. Using thistechnique, we have been able to reveal the details oftransformation and movement of NO3- and related N
compounds in various ecosystems. The new method has
been applied to understand the microbial and physicalmechanisms behind the spatiotemporal changes of NO3abundance in various ecosystems including rivers (e.g.
Ohte et al.[4]; Johannsen et al.[5]), lakes (e.g. Finlay etThis paper is aiming to describe usefulness of andapplicability to wide range of scales of N dynamics interrestrial ecosystems; from a small-scale plot in aforested ecosystem to river, lake and catchment
ecosystems. From a leaf surface to a lake, various Ntransformations and related biogeochemical phenomena
occur in a catchment ecosystem which consists ofmultiple ecosystems such as forests agricultural fields
and streams, and NO3- is one of the most important N
compounds for evaluating the nutrient status and linkages

1473

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

throughfall (TF), stem flow (SF), the organic horizon(OH), and soil water (SW; 10, 30, and 70 cm depths)
during the growing at the Cryptomeria japonica andQuercus acutissima stands. Box plots with different
lowercase letters indicate significant differencesamong sample types. (Shi et al.[10]).

of ecosystems. Additionally, we tried to propose new
approaches associated with isotope measurements of
NO3- to elucidate more insights of N dynamics interrestrial ecosystems.
2. IN THE FORESTED ECOSYSTEMS
NO3- is one of the most important bioavailable nutrientsin the temperate forest ecosystem. Its major sources areatmospheric deposition and microbial production. As
there is significant difference of the G18O value between
atmospheric and microbially produced NO3-, a G18O value
can be used for evaluating the relative contribution of
those two sources.

soil layer. In the same forest ecosystem, The N
transformations (mineralization, nitrification andimmobilization) were significantly more active in the OH
layer than the mineral soils underneath the OH layer (Shiet al.[11]). These implied that the NO3- replacement wasmade by co-occurrence of the immobilization of theatmospheric NO3- and the active nitrification in samelayer.

Shi et al.[10] have monitored NO3- isotope changes
during the processes that rain touches and passes
thorough a canopy, or flows on the surface of tree body,and then infiltrates into soil profile (Fig. 1). The G18O
values of rain, throughfall (TF), stem flow (SF) waters
were significantly higher than those of soil waters even atshallowest part. In the organic soil layer (OH), the G18O
was occasionally close to that of atmospheric depositionand close to that of soil waters. These suggest that theNO3- derived by the atmospheric deposition was quickly
replaced by the one produced by microbial activities

In addition to above, it is worthy to note that the G18O
of NO3- in stem flow waters was lower than those of rain
and throughfall waters especially in the Q. acutissima
stand. Considering that the stem flow water contacts withleaves and bark surface, the replace or addition of NO3by the microbial activities occurred on the tree surfaces.
In the groundwater body, denitrification may affect theisotope values of NO3-. Osaka et al.[9] demonstrated for asmall headwater catchment in central Japan that the G15N
of NO3- in the subsurface groundwater increased duringflowing from the slope side to the stream riparian zone,
while the G18O of NO3- did not change significantly. The
increase of G15N was explained by an isotope enrichmentwith the denitrification in the water-saturated soil layers.
On the not significant increase in the G18O, Osaka et al.[9]hypothesized the co-occurrence of nitrification anddenitrification within a similar hydrological zone in therelatively shallow part of the groundwater body.
3. IN THE RIVER CATCHMENTS
For the streams in headwater catchments, the major NO3sources are basically soil layers and groundwater aquifers.
Generally, the population density increases toward thedownstream regions in a lager river catchment.
Agricultural fields and industrial areas may also increase
from the mid-stream regions. This social situation
supplies multiple anthropogenic sources of NO3- load intorivers.
The riverine changes of the G15N and G18O of NO3- andNO3- concentration of two similar scale rivers (catchment
area: 300-400 km2) in the central Japan demonstrated thatthe isotope values of NO3- indicated the geographicalpoints where the anthropogenic NO3- input occurred andincreased (Fig. 2). In the case of the Yasu river in Fig. 2,
the parallel increase of G15N and NO3- concentration
begging from the midstream part indicated the NO3-

especially in the organic
Fig. 1 The G18O values of NO3- in rainfall (rain),474

2

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

analysis for the field samples can be provide moremechanistic understanding of N dynamics. These efforts
combined with N isotopic measurements should also
contribute to more realistic model predictions of the N
cycle.

originated from the septic wastewater was discharge fromthe residential areas of the midstream part of thecatchment, while G15N and NO3- concentration did notincrease with river flow through the midstream part of the
Ado river having no intensive residential areas (Ohte etal.[12]).

REFERENCES

4. TOWARDS NEW STRATEGIES[1]

Kendall, C. 1998. Isotope Tracers in Catchment Hydrology,
pp. 519-576, Elsevier, Amsterdam.

[2]

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[3]

Casciotti, K.L., Sigman, D.M., Hastings, M.G., Böhlke, J.K.
and Hilkert, A. 2002. Measurement of the Oxygen Isotopic
Composition of Nitrate in Seawater and Freshwater Using the
Denitrifier Method. Analytical Chemistry 74(19), 4905-4912,
doi:10.1021/ac020113w.

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Ohte, N., Sebestyen, S.D., Shanley, J.B., Doctor, D.H.,
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sources of nitrate in snowmelt runoff using a high-resolution
isotopic technique. Geophysical Research Letters 31(21),n/a-n/a, doi:10.1029/2004GL020908.

[5]

Johannsen, A., Dähnke, K. and Emeis, K. 2008. Isotopic
composition of nitrate in five German rivers discharging into
the North Sea. Organic Geochemistry 39(12), 1678-1689,
doi: 10.1016/j.orggeochem.2008.03.004.

[6]

Finlay, J.C., Sterner, R.W. and Kumar, S. 2007. Isotopic
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doi: 10.1890/07-0245.1.

[7]

Wankel, S.D., Kendall, C., Pennington, J.T., Chavez, F.P. andPaytan, A. 2007. Nitrification in the euphotic zone as
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[8]

Kendall, C., Elliott, E.M. and Wankel, S.D. 2008. Stable
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[9]

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LQIOXHQFHVRQVSDWLRWHPSRUDOYDULDWLRQVRIį1DQGį2RI
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Denitrification plays a critical role in groundwater. Journal ofGeophysical Research: Biogeosciences 115(G2), doi:
10.1029/2009JG000977.

-

The isotopic measurements of NO3 as a method to know
Fig. 2 Riverine distributions of G15N, G18O of NO3- andNO3- concentration in two rivers in central Japan(Ohte et al.[12]).
the origins of N for the river and lake ecosystems havealready well developed for a broad usage in research andoperational works. The applications for those needs willcontinue in the field of environmental sciences.
On the other hand, it will be possible that new targets
will be created in the field of the N dynamics in spatiallysmall-scale ecosystems using isotope techniques. This isbecause the denitrifier method can be applied to a small
volume samples as we mentioned in the introductory
section. For the spatially specific processes in theforested ecosystems as introduced in the chapter 2, both
qualitative and quantitative information on microbialactivities is highly useful for interpretation of the changes
in G15N and G18O of NO3- and NO3- abundance.

[10] Shi, J., Ohte, N., Tokuchi, N., Imamura, N., Nagayama, M.,
Oda, T. and Suzuki, M. 2014. Nitrate isotopic composition
reveals nitrogen deposition and transformation dynamics
along the canopy–soil continuum of a suburban forest inJapan. Rapid Communications in Mass Spectrometry 28(23),2539-2549, doi: 10.1002/rcm.7050.

The attempts to link microbiological community
dynamics with N biogeochemistry have performed in theseveral case studies in forest ecosystems (Isobe andOhte[13]). But, more detailed information on related
microbiological community dynamics are still neededfrom the in-situ condition. Not only the DNA presence,but also the information from RNA- or protein-based[11] Shi, J., Ohte, N., Tokuchi, N., Isobe, K., Urakawa, R.,
Imamura, N., Oda, T. and Suzuki, M. 2015. Soil nitrogentransformation dynamics in a suburban forest near Tokyo

3

475

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

Metropolitan Area under high nitrogen deposition: A casestudy using stable isotope tracer techniques. Bulletin of
University of Tokyo Forest 132, 17-34.
[12] Ohte, N., Tayasu, I., Kohzu, A., Yoshimizu, C., Osaka, K.i.,
Makabe, A., Koba, K., Yoshida, N. and Nagata, T. 2010.
Spatial distribution of nitrate sources of rivers in the Lake
Biwa watershed, Japan: Controlling factors revealed bynitrogen and oxygen isotope values. Water Resources
Research 46(7), doi: 10.1029/2009WR007871.
[13] Isobe, K. and Ohte, N. 2014. Ecological Perspectives on
Microbes Involved in N-Cycling. Microbes andEnvironments 29(1), 4-16, doi:10.1264/jsme2.ME13159.

476

417th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

O5-1

Identification of Nitrate Sources in Groundwaters of Silang-Sta. Rosa
Subwatershed: Towards the Watershed GovernanceOsbert Leo A. Privaldos1,2, Ken’ichi Osaka3, Yoshitoshi Uehara4, Satoshi Asano5, Lei Fujiyoshi4,
Chikage Yoshimizu4, Ichiro Tayasu4, Adelina C. Santos-Borja1, Maria Pythias B. Espino2, Noboru Okuda4
1

Laguna Lake Development Authority, National Ecology Center, East Avenue, Diliman, Quezon City 1100, Philippines

2

Institute of Chemistry, University of the Philippines, Diliman, Quezon City 1101, Philippines

3

The University of Shiga Prefecture, 2500 Hassakocho, Hikone, Shiga Prefecture P.O. Box 522-0057, Japan

4

Research Institute for Humanity and Nature, 457-4 Motoyama, Kamigamo, Kita-Ku, Kyoto P.O. Box 603-8047, Japan

5

Lake Biwa Environmental Research Institute, 5-34 Yanagasaki, Otsu, Shiga Prefecture P.O. Box 520-0022, Japan
Keywords: groundwater, nitrogen pollution, nitrate stable isotopes, denitrifier method, Silang-Sta. Rosa subwatershed
ABSTRACT

Water quality degradation caused by contamination of nitrate from various sources has become a worldwide environmental
problem. Stable isotopes of nitrate-nitrogen (d15N) and oxygen (d18O) have been used to trace nitrate sources in the hydrosphere. In Silang-Sta. Rosa subwatershed of Laguna de Bay, the Philippines, in which sewage systems have not yet developed well, groundwater nitrate pollution is a matter of great concern to the society. Here, we conducted nitrate d15N-d18O
stable isotope analysis with a denitrifier method to identify the source of nitrate pollution in the groundwaters during the
dry and wet seasons. Biplots of the nitrate d15N-d18O values suggest that the groundwater nitrate isotope signatures in a
hot spot of nitrate pollution are imprinted by those of fertilizers as well as manure/septic wastes. Principal component
analysis for groundwater trace element also reveals that groundwaters in the polluted area are derived from the upstream
cropland. These results suggest that chemical fertilizers can be one of the major sources of groundwater nitrate pollution
in this watershed. The use of this isotope technique aids for the practice of watershed governance, in which variety of
stakeholders are involved in mitigation of the nitrate pollution through the integration of local and scientific knowledge.

1. INTRODUCTION

western portion of the lake basin. The increasing demand

The water quality of groundwater, as one of thefor land use change to attain economic development in thesources for drinking water, is threatened by nitrate (NO3-)

subwatershed is due to its close proximity to Metro Manila

contamination. Nitrate in groundwater comes from several

and the abundance of quality groundwater in the area. In

sources such as agricultural activities and atmosphericSta. Rosa City, higher economic returns are achieved bydeposition. These NO3- sources have distinct stable isotope

conversion of farmland to non-agricultural uses. This neg-

N-NO3- and d18O-NO3-)[1]. Identifying theatively affects agricultural production. The headwaters ofsources of NO3- in groundwater is an initial step in the de-the subwatershed located in Silang, Cavite with its sloping

velopment of management practices to guarantee long-nature are threatened because of the on-going urban sprawl

term protection. This will prevent further deterioration ofin the uplands. This results in the occurrence of frequent

the quality of groundwater.

soil erosion and surface run-off[2].

signatures (d15

The ground waters in Silang-Sta. Rosa subwatershedThis research was supported by the project (D06-of Laguna de Bay watershed were studied. Silang-Sta.

14200119), Research Institute for Humanity and Nature

Rosa subwatershed (see Figure 1) is an urban ecosystem(RIHN).

with different land use types such as residential, commercial, and industrial. This subwatershed is located at the1477

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

Technologies 7500 Series), respectively.
3. RESULTS
Figure 2 shows the map of decreasing NO3- concentrations from upstream to downstream in the groundwatersof Silang-Sta. Rosa subwatershed.

Figure 1. Map of Silang-Sta. Rosa subwatershed

2. METHOD
Ground water samples in the Silang-Sta. Rosa subwatershed were collected from determined sites in September
2016 (wet season) and in March 2018 (dry season). In-situ
parameters such as pH, temperature, and electrical conduc-

Figure 2. Map of decreasing nitrate concentrations forthe groundwaters of Silang-Sta. Rosa subwatershed

tivity were measured using portable sensors. Samples were
filtered using 0.22 µm cellulose-acetate filter papers,

4. DISCUSSION

stored in pre-washed 100-mL polyethylene bottles, andThe groundwaters in Silang-Sta. Rosa subwatershedkept in the refrigerator at 4°C to minimize microbial activ-

have NO3- that originates from fertilizers and manure/sep-

ity. These were brought to RIHN in Kyoto, Japan and kept

tic wastes from the upstream/midstream and mid-frozen.

stream/downstream, respectively. This comes from the fer-

The identification of nitrate stable isotopes (d15N-

tilizers used in agriculture in the upstream area and in someNO3- and d18O-NO3-) was conducted using the denitrifier

downstream parts of the study site. The increasing land use

method that utilizes an aerobic bacterium with a denitrify-changes in the downstream from farmland to commercial

ing strain called Pseudomonas chlororaphis subsp. Aureo-

and industrial activities affects the natural cycling of nitro-

faciens ATCC 13985. 3,4 The nitrous oxide (N2O) gas pro-gen. The chemical contamination alters the biogeochemi-

duced was simultaneously measured for the (d15N-NO3-

cal processes from upstream to downstream.

and d18O-NO3- values using PAL-Precon-Gas Bench-Delta

The nitrate concentrations in the ground water sam-

PlusXP isotope ratio mass spectrometer at RIHN. The con-ples conformed to the Philippine National Standards forcentrations of the major ions and metals in the groundwa-

Drinking Water of 50 mg/L except for the sample collected

ter samples were analyzed in RIHN using an ion chromato-in Barangay Sto. Domingo during the wet season sampling.

graph (ThermoFisher Scientific Dionex ICS-3000) and an

Barangay Sto. Domingo is considered to be a hotspot be-

inductively coupled plasma – mass spectrometer (Agilent

478

217th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

cause of the high NO3- concentrations relative to the sur-nitrogen isotopic analysis of nitrate in seawater and freshwater,rounding area.

Analytical Chemistry, Volume 73(17), pp. 4145-4153, 2001.
[4] Casciotti, K. L., Sigman, D. M., Hastings, M. G., Bohlke, J. K.,
and Hilkert, A.: Measurement of the oxygen isotopic composi-

5. CONCLUSION
The ground waters in Silang-Sta. Rosa subwatershedtion of nitrate in seawater and freshwater using the denitrifier-

were assessed to identify the NO3 sources using the deni-method, Analytical Chemistry, Volume 74, pp. 4905-4912, 2002.

trifier method for the wet and dry seasons. The NO3sources for the study site are fertilizers and manure/septic
wastes.
This initial assessment of the groundwater for theidentification of NO3- sources in Silang-Sta. Rosa subwatershed using stable isotope analysis is important in understanding of the impacts of NO3- contamination and in thedevelopment of watershed governance to control NO3- pollution.
Understanding the sources and biogeochemical cycling of nitrate in the groundwater can throw light onproper eutrophication control measures. With this study, it
provides a scientific data that could help in developing policies in the implementation and pollution strategies to promote a more sustainable watershed management in Lagunade Bay.
Ions contamination specifically the nitrate cannot be
categorically defined due to the limited data. But by employing a new technique called stable isotope analysis that
requires less frequency of sampling, provides an avenue
for the regulatory agencies such as LLDA to have a better
understanding of the sources of nitrate.
REFERENCES[1] Stoewer, M. M., Knöller, K., and Stumpp, C.: Tracing freshwater
nitrate sources in pre-alpine groundwater catchments using environmental tracers, Journal of Hydrology, Volume 524, pp. 753767, 2015.
[2] Engay-Gutierrez, K. G.: Land cover change in the Silang-Santa
Rosa river subwatershed, Laguna, Philippines, Journal of Environmental Science and Management, Volume 18(1), pp. 34-46,
2015.
[3] Sigman, D. M., Casciotti, K. L., Andreani, M., Barford, C., Galanter, M., Bo, J. K., and Supe, Ä. N.: A bacterial method for the3479

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O5-2

硝酸イオンの窒素及び酸素安定同位体比を用いた茨城県鉾田川流域地下水の窒素負荷源の推定箭田佐衣子 1，中島泰弘 1,2，松森堅治 3，板橋 直 1,4，平野七恵 1，大内孝雄 5,6，吉川省子 1，江口定夫 1
1

農研機構 農業環境変動研究センター，2 農研機構 高度解析センター，3 農研機構 西日本農業研究センター，4 現 農林水産省 農林水産技術会議事務局，5 茨城県霞ケ浦環境科学センター，6 現 茨城県県民生活環境部環境対策課

キーワード：霞ヶ浦に係る水質保全計画（第７期），施設園芸，水田，堆肥，脱窒，養豚
抄録
2

霞ヶ浦北浦に流入する茨城県鉾田川流域（53 km ）は、畜産及び施設園芸が盛んで窒素負荷量が大きい。鉾田
川流域内の井戸（n = 60）を対象に硝酸イオン（NO3−）濃度を測定したところ、平均値±標準偏差は 9.4±4.2 mg N L−1
であった（NO3−等水質環境基準：10 mg N L−1）。地下水中 NO3−の窒素（δ15NNO3）及び酸素（δ18ONO3）安定同位体比（7.9±1.9‰及び 1.2±1.2‰）から、主な N 負荷源は化学肥料及び家畜排泄物の混合物と推定された。三区分したサブ流域毎の δ15NNO3−δ18ONO3 プロットの分布範囲は概ね一致し、流域全体で化学肥料と家畜排泄物が併用されている可能性が示唆された。全データの δ15NNO3−δ18ONO3 プロットの一次回帰直線の傾きは 0.42 であり、一部の NO3−は脱窒の影響を受けたものであることが示された。以上より、NO3−による地下水汚染を防止する上で、化学肥料と家畜排泄物の両方の削減の必要性が示された。
1. はじめに価に用いられている。霞ヶ浦流域では、筑波山麓水田「泳げる霞ヶ浦・遊べる河川」の実現に向け、霞ヶ浦

集 水 域 で の N 動 態 評 価 に 河 川 水 中 の δ15NNO3 とに係る水質保全計画（第 7 期）の水質保全目標値

δ18ONO3 値が用いられた [6] 。本研究は、鉾田川流域の（COD：7.8 mg L−1、全窒素：1.1 mg N L−1、全りん：0.090

地下水中 δ15NNO3 と δ18ONO3 値に基づき、家畜排泄物やmg P L−1）が策定された[1]。霞ヶ浦（220 km²）の主要流

化学肥料等の地下水への N 負荷源、ならびに硝化や入河川のうち、茨城県鉾田川は硝酸イオン（NO3−）等の脱窒等の N 動態が当流域内の NO3−による地下水汚染

窒素（N）濃度が最も高く、この 10 年間で水質環境基準に与える影響を評価することを目的とした。

−1（10 mg N L ）の超過がみられるようになった[2]。
この理由として、近年、鉾田川流域では畜産及び施設園芸の集約化が進み、流域内における 1 日あたり N
負荷量は畜産が 262 kg、畑地が 87.5 kg、生活排水が87.6 kg あり（平成 17 年）、とくに畜産排泄物の適正な管理と利用が推進されてきた [3]ことが挙げられる。これに関連し、鉾田川河川水中の N に着目した研究が多くある一方で、鉾田市の調査（平成 28 年）で NO3−等による地下水汚染例が報告されている [4]にもかかわらず、地下水についての知見が乏しい。鉾田川流域では、水田や施設畑の灌漑に主に地下水が使用されていることか
ら、安定的な農業生産の為には地下水中 N の実態把握と汚染対策は重要である。
地下水への NO3−汚染を論じる際には、科学的な根拠に基づく汚染源の特定が必要である。一般的に、Nの起源や脱窒・混合の度合いによって NO3−の酸素と Nの安定同位体比（δ15NNO3 と δ18ONO3）の値が異なることが知られており[5]、試験管から地球規模での N 動態評

480

図 1； 採水地点

1

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

2. 方法

負荷量は生活排水 N の約 3 倍あり、生活排水が汚水処
2茨城県鉾田川流域（53 km ）を 3 つのサブ流域（上流 1、理施設に集められて浄化されるのに対し、家畜排泄物

上流 2、下流）に区分し、計 60 箇所の井戸で地下水をは堆肥化されて農地等に面的に散布される。したがっ採取した（2014～2016 年）（図 1）。河川水は、2014 年にて、これらを考え併せると、化学肥料 N と畜産排泄物 N

鉾田川本流（下流部の飯名橋近傍）で採取した。水試の混合物に由来する N が鉾田川流域の地下水におけ料中の NO3− 濃度はイオンクロマトグラフ法で測定し、る主な N 負荷源と考えられる。また上流 1、上流 2 及び15

18

δ NNO3 と δ ONO3 値は脱窒菌法[5]により求めた。

下流の δ15NNO3−δ18ONO3 プロット分布範囲は概ね一致し、

3. 結果

全流域の地下水中 NO3−の起源は類似と考えられた。

全地下水（n = 60）の NO3−濃度は 9.4±4.2 mg N L−1、

全地下水の δ15NNO3 値のヒストグラムは、5.00±0.73‰

δ15NNO3 は 7.9±1.9‰、δ18ONO3 は 1.2±1.2‰で、河川水（n＝14、Group1）、7.14±0.57‰（n＝26、Group 2）、−1

10.7±2.40‰（n＝20、Group 3）に三分した（図 3）。Group（n = 1）は 6.5 mg N L 、3.4‰、4.4‰だった（図 2）。
各サブ流域の地下水の NO3− 濃度は、上流 1 が2（δ15NNO3 値 6～8‰）の度数が突出し、かつ δ18ONO3 値

9.8±5.2（n = 41）、上流 2 が 8.8±7.6（n = 8）、下流ががほぼ同じ（0.61±1.07‰）だったことから、鉾田川流域

8.5±5.1 mg N L−1（n = 11）で、水質環境基準超過率は全体で同様の肥培管理（化学肥料と家畜排泄物の併それぞれ 46%、25%、42%だった。δ15NNO3 は、上流 1 が用率）が実施されていると推察された。グループ別のδ15NNO3−δ18ONO3 プロットをみると、Group 3 では傾き8.3±2.3‰、上流 2 が 7.2±1.9‰、下流が 6.9±4.0‰で、0.59 の直線が得られ、脱窒に伴う同位体分別（δ15NNO3

δ18ONO3 はそれぞれ 1.4±1.4‰、0.5±1.4‰、1.2±3.0‰でと δ18ONO3 同位体比増加）の影響が示された（図 3(c)）。

あり､いずれも有意差は認められなかった。

しかし、NO3−濃度（10.6±7.2 mg N L−1）は有意差は無い

4. 考察

ものの他より高く、脱窒による地下水中 NO3−の浄化傾

4.1 鉾田川流域における N 負荷源

向は認められなかった。

地下水への N 負荷源には大気降下物、化学肥料、畜産排泄物や生活排水等があり、鉾田川流域では人4.2 鉾田川流域における N 循環

間活動の影響が明らかである。人為的な N 負荷源の

全地下水の δ15NNO3−δ18ONO3 プロットを一次回帰した結δ15NNO3 値は、化学肥料が−4～+4‰､畜産排泄物が+10

果、傾き 0.42 の直線が得られ、流域内における脱窒の～+20‰、生活排水が+8～+15‰とされる[7] [8]。鉾田川

傾向が示された（図 2）。サブ流域別にみると、上流 2 と15

流域の全地下水のうち、δ NNO3 値 4‰以下の値は 3 地点（NO3−濃度：0.1～9.6 mg N L−1）のみで検出され（図2）、NO3−の起源が化学肥料 N のみに由来するとは考えにくい。さらに、計 47 地点の地下水が、化学肥料 N と有機物（家畜排泄物と生活排水）N の間の範囲（δ 15NNO3：
4～10‰）に分布した。また、前述のように、畜産由来 N

図 3； 地下水の δ15NNO3 値のヒストグラム、及びグループ
別のδ15NNO3−δ18ONO3 プロット(a) Group1、(b) Group2
及び(c) Group3

図 2； 地下水の δ15NNO3−δ18ONO3 プロット2481

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

比較し上流 1 及び下流でより脱窒傾向が示され、各サ

うち、作物が吸収しきれなかった余剰の N が、地層

ブ流域の土地利用に占める水田面積率（上流 1：9.7%、

内で顕著な脱窒を受けること無く地下水面に到達す

上流 2：7.4%、下流：11.3%）と合致した。地下水を採水る場合が多くあると考えられた。また、霞ヶ浦（北した井戸の深さが判っているもの（n=19）について、浦）の周辺地域は地下 70m 深さで霞ヶ浦基底面の沖深さを海抜標高に換算すると−26m～+42m であり、積層と連続しており[9]、鉾田川流域の地下流動系に−21～+22m の広範囲に水環境基準値を超過する地到達した N は、霞ヶ浦湖盆の水頭圧を受けて地下水下水が分布した（図 4）。井戸の深さと NO3−濃度、なら帯に滞留する傾向があると考えられた。

15

18

5. 結論

びに δ NNO3 と δ ONO3 値との間には統計的に有意な相鉾田川流域の地下水の δ15NNO3 と δ18ONO3 値から、関関係は認められなかった。鉾田川流域は、砂層と粘N 負荷源は主に化学肥料と家畜排泄物の混合物であ土層で形成される鹿島台地と関東ローム層からなりると考えられた。水田等への地下水灌漑による N 浄

透水性が高い[9]。このため、土壌に負荷された N の化（脱窒）の可能性も示唆されたが、顕著な NO3−濃度低下は認められなかった。鉾田川流域における適切な肥培管理の重要性は従来から指摘されてきたが、本研究により、化学肥料と家畜排泄物の両方の削減が必要であることが安定同位体分析結果に基づき初めて明示された。
引用文献[1] 茨城県・栃木県・千葉県: 霞ヶ浦に係る湖沼水質保全計画（第７期）, pp.4-6, 2017[2] 茨城県: 公共用水域の水質等測定結果, 2017[3] 茨城県: 平成 18 年度流出水対策モデル計画策定調査事業, pp.31-32, 2006
[4] 鉾田市: 鉾田市環境基本計画, pp.37-37, 2016
[5] Carol Kendall: Tracing nitrogen sources and cycling incatchments, in Isotope Tracers in Catchment Hydrology,
pp.519-576, 1998
[6] Saeko Yada, Yasuhiro Nakajima, Sunao Itahashi, Kei Asada,
Seiko Yoshikawa and Sadao Eguchi: Procedure for rapid
determination of δ15N and δ18O values of nitrate:
development and application to an irrigated rice paddy
watershed, Water Science and Technology, 73(9), 2108-2118,
2016[7] Carol Kendall, Emily M. Elliott, and Scott D. Wankel:
Tracing anthropogenic inputs of nitrogen to ecosystems, In
Stable Isotopes in Ecology and Environmental Science, 2nd
Edition, pp.375-449, 2007
[8] 李 盛源, 保坂 亜紀子, 田瀬 則雄: 家畜排せつ物の素掘
り廃棄ピットが地下水水質に及ぼす影響, 地下水学会誌,
51(1), 3-14, 2009[9] 井内美郎, 斎藤文紀: 霞ヶ浦, 海跡湖の地史−3, Urban
Kubota, 32, 56-63, 1993

図４；井戸の水面標高別の地下水の(a) NO3−濃度、(b) δ15NNO3 及び(c) δ18ONO3

482

3

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

O5-3

čOåŎƜÃÂPŽŤũƎZ¸ƓƸƱƨƓÊužtPěÆ
RØ !C 1ƽØ Z 1ƽśØ ŋ 1ƽìj [Ĺ 2ƽĽ

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ƽ5 ¯«Ā9èòƙƺƷƺƧƾtPàZ¸ÔUžyőƽóúƹƍƒ|ÔƽËÉ2ƁŐÉº­łĭ°ƹÛÖøťƌ$ŬƏŲZ¸ƓƸƱƨƓƻNH3Ƽž¼æſƽ$Éž>ĮŽóúĥĎƑƉŲƌůŦƽŰžĥĎĿƑ
»ƈƎ NH3 ÊužěÆƥƺƢſH#Źſň`àŹŠƍƽÂPƃžóúžĥĎĿƑĝůƎŹêażĘEźżŵ
ŸšƎŝŪžŪźƑćŽƽ2017 r 6ťƌčOåŎƜÃÂPŽ%nůƎ 13 LËƑeĤŽƽNƩƤƞƫƝƸƬƳ

ƺźƕƗƸƚƶƮƦƛƳƪƔƺƑ×šŲ NH3 ÊužěÆÿžƑĵƈŸšƎŝěÆŬƏŲ qM NH3 ÊužZŧŬƊ
W*;ſLËūźŽÞżƍƽÏŽƽěÆLËžİŽÛċżŻž$ÉŦ`ŬƏƎTŹſƽÊužW*pŦZŧšŪźŦëŬƏŲŝzƽ¤èòžtPěÆƑýþůƎŪźŽƋŵŸƽNH3 ž¼æŦƉŲƌůŎƜÃÂPƊóúŕ
?ŦĨŪŵŸšƎõÀhž¯«ƃžóúĥĎĿžĝƑâůŝ
1. ſŮƈŽ
ĭ°Á*ŽŢąƊbÛƂƒgżŻťƌßÕůƎ

ƻŁØm}cƼƽMt. TsukubaƻHôÔUèò õÀh¯Z¸ƓƸƱƨƓƘƠƻNH3ƼſƽŇōŽ4ƍįƅƏŸĐ

OmitamaƻfĂÒmƼŝěÆLËƑķ`ůƎŹſƽůƎÈ¼æƊZ¸ÂŽƋƍƃīıŬƏ²¢ž:GŽëŭŲZ¸º­ÎħžĀ9$ƕƸƭƸƦƴƺ

đżŻƃźã=æůƎ¼æƑĲŮŸƽÏŽ$

EAGrid2000-Japan[2]ŽƋƎ 1 km Ĝ«ĠŘLƼƽChiyodaƻ¯«Ā9èò

[1]-ØĠŘLƼƽ

už NH3 žrńÉžİŽZĿžóúƑĥĎůƎ ŝ¼æĿž

$Ŀ%nƑ1ăŽŭŲŝEAGrid2000-Japan ŹſƽHĝŽſ NH3 ÊužƥƺƢŦĘŹŠƎŦƽ大気汚染物#ŹZĚ±ž$Éſĭ°ƹÛÖøÙ§ŹŠƎź質ではない NH3 には環境基準や監視体制が存在せず，ĝŬƏŸšƎŝ

データは限定的である。また，NH3 の発生源は局所的かつ広く分布しているため，その大気中の挙動を把握するためには流域への負荷を意識した広域的なIbarakiPrefectureNH3 Êuž観測網が必要である。

kg km−2 yr−1¤èòŹſƽĭ°ƹÛÖøßÕÉŦtŨ%nůƎč
OåŎƜÃÂPƑeĤŽƽNH3 ÊužYLËěÆƑa
ůƎŝ{ƌƏŲü¬Ƒ"ĔŬƏŸšƎ NH3 ž$ƕƸƭƸƦƴƥƺƢź¶ĪŭƽÊuW*žĘEƑĜªůƎŝ
SaitamaPrefecture

2. ¿
Figure 1 ſƽ¤èòŹaůƎeĤLPƑëůŝě

Chiba
Prefecture

Lake
KasumigauraÆLËſƽ´ž 13 LËŹŠƎƾAmiƻčOZ_ņęƙƲƸƩƠƼƽUshikuƻÍĉÌědž¯ƼƽKakiokaƻçim
®iƼƽItakoƻčOZ_tP¹IÔUî_Ćèòơ

Fig. 1 Ŝ Sampling locations of NH3 concentration inƸƢƺƼƽIKESCƻčOåŎƜÃÔUî_ơƸƢƺƼƽ

Kasumigaura basin in Ibaraki Prefecture, Japan. Shaded

TsuchiuraƻJÃƼƽNishiuraƻėÃÇ~ƼƽInashiki

areas show the 1-km resolution emission inventory ofƻð9:sċƼƽHokotaƻŁØ9:sċƼƽTokusyuku

NH3 from revised EAGrid2000-Japan[2].

1483

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

NH3 ÊužěÆŽſƽZ¸º­ÎħžěÆŽtŨ&ÉźŭŲ NH3 žŔ;ƃžŦăţƌƏƎŝaŊŽƽ

×ŬƏŸšƎNƩƤƞƫƝƸƬƳƺƻfkBĖƼJÃƓưƣƠžŔ;ƥƺƢťƌěÆLËŦlTžŔƑ×šŲŝŪžƝƸƬƳƺƑ 4 ĴńŤŧŽD3ŭŲzƽƐ

ŽżŵŲ'9ƑĝöůƎźƽŔ'9źÊuźžńŽſ

+ùŽ=æŭŲƓƸƱƨƖƯƻNH4 Ƽ%ƑƕƗƸƚƶƮƦ

xšµžäŅŦƆƌƏŲƻGÜƼŝƅŲ Ushiku žİŹƛƳƪƔƺƻThermoFisher Scientific Ė IntegrionƽCS16Ƽſ¶ĪàZŧšrń NH3 $Ŀƻ5000–10000 kg km–2ƼŹ%ªŭƽŏńźŰž¡ńžqM¸ÅƑ×šŸ

ƉĝŬƏŸŤƍƻNo. 2, Fig. 1ƼƽěÆLËƑ<Ƈ 130 m

NH3 ÊuŽöŭŲŝŏńžqM¸ÅſƽěÆ

÷FŹž NH3 žZ¸ĶïŦÊužûW*Ƒ»ËŽİš¸ĤsƓưƣƠƻŶŨƀŗľƽJÃƽŁØƽŚ

ƈŸšŲ7ĈŦŠƎŝjƼž 1 ńƑ×šŸĝöŭŲŝ

2017 r 8ŇƼƽUshikuƻ2017 r 7

Kakiokaƻ2017 r 8

Kakioka ŹſƽŪž>ĮŽ%nůƎ NH3 ž$ÉƻNo.

ŇƼƽŇƼŤƋƁ Itakoƻ2018 r 1

žXťƌíŽťũŸƽKakiokaž NH3 Êuſ Ami Ž¶ƄŸoŽřšƑëŭŲŝ

¤ñŹſƽFig. 1 ž Nos. 1–4 ŽŰƏűƏāůƎ Ami
ƻ2017 r 6

ťƌ 10

3, Fig. 1ƼťƌŭŲ NH3 žyőŽƋƍÊuŦV(ŭŲŇƼžěÆü¬ƑĜªŭŲŝŰžžLËƻNos. 5–13,

7ĈŦŠƎŝKakioka žİŨŽſƽ2018 r 4

Fig.1ƼŽſƽ2018 r 4ÆƑŃ]ŭŲ Mt. TsukubaƻNo. 11ƼŦŠƍƽŪž¯«Źſťƌ 5ŽťũŸŒ´ƝƸƬƳťƌěřšóúĥĎŽƋƍ½k¹žéļƕƗƸŦV(ŭŲÐƺžğā°ƑĒšƽěÆƑĵƈŸšƎŝ

ŦþŨŞóúŕ?ÓĤşŦ6ŨťƌěÆŬƏŸšƎ[3]ŝ
zƽŎƜÃÂPƊ Mt. Tsukuba Źž NH3 ÊužěÆ

3. ü¬źăd
Figure 2 ſƽAmiƽUshikuƽKakioka ŤƋƁ Itako ž 4źŰžü¬ŽQŷŨ¼æĿžĝƑĵƈƎĘŦLËŹěÆŭŲ NH3 ÊužûW+ŹŠƎŝůƄŸž
LËŹƥƺƢŦ&×7Ĉż 2018 r 1ŠƎŝŽŤũƎÊužZfŅſƽĞžƋŢŹŠŵŲƾUshikuƻ12 ppbƼǀ

ĢĬ

KakiokaƿAmiƻ3 ppbƼǀItakoƻ2 ppbƼŝ

EAGrid2000-Japan žƥƟƢƵƥƺƢſƽĝĿĝÚèò

NH3 concentration (ppbv)

1 Ami

2 Ushiku

3 Kakioka

4 Itakoſƽ¤_ēĊî_ē

15

ĩèò@

¥ĆĦĕ)ŀ ƻ.

°ƼżƌƁŽîèĦĕ)ŀQáèòƻǁƼ

ƻČƼƻġœÝ8 17H01868Ƽž)Ƒ5ũŸaŭŲŝ

10

5

w×Ñ
[1]

6/1

7/1

7/31

J. Shen, D. Chen, M. Bai, J. Sun, T. Coates, S.K. Lam, Y. Li:
Ammonia deposition in the neighbourhood of an intensive
cattle feedlot in Victoria, Australia, Scientific Reports, Vol. 6,
pp. 32793, 2016.
[2] 福井哲央，國領和夫，馬場剛，神成陽容: 大気汚染物質
排出インベントリーEAGrid2000-Japan の年次更新, 大気環境学会誌 Vol. 49, pp. 117–125, 2014.
[3] M. Watanabe, S. Miura, S. Hasegawa, M.K. Koshikawa, T.
Takamatsu, A. Kohzu, A. Imai, S. Hayashi: Coniferous
coverage as well as catchment steepness influences local
stream nitrate concentrations within a nitrogen-saturated forest
in central Japan, Science of The Total Environment, Vol. 636,
pp. 539–546, 2018.

8/30 9/29 10/29 11/28 12/28 1/27
Date in 2017 and 2018

Fig. 2 Ŝ Temporal changes in measured monthly NH3concentration at Nos. 1–4 in Fig. 1 from 1 June 2017 to 4
February 2018.

Itako ƑŉŨĞ 3 LËžŢŴƽUshiku Źſƽ ūźž
NH3 ÊuŦžLËƋƍtš÷Fƻ1–15 ppbƼŹW+ŭŸšŲŝŰž0EźŭŸƽUshiku žěÆLËťƌ/¨; 130Ŝ m ŌƏŲT ŽŠƎŖģƹSąĖĳlTƑßÕ

484

A\·ŽšŲųšŲŝÍĉÌěd¯ƃž³¥ğāžŊŽſƽĄ@žĕ)Ƒ¤èòžĺ

20

0

žì

2

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

O5-4

牛舎周辺のアンモニア濃度と負荷量の局所空間分布に関する調査久保田 智大 1，堅田 元喜 2，福島 慶太郎 3，黒田 久雄 41

茨城大学大学院農学研究科，2 茨城大学地球変動適応科学研究機関（ICAS），3 京都大学生態学研究センター，
4

茨城大学農学部

キーワード：大気アンモニア，アンモニア濃度，牛舎，揮散，パッシブ法，乾性沈着
抄録
大気中のアンモニアガス（NH3）は，大気乱流により下方へ輸送され樹木の葉などに直接吸着する乾性沈着によって流域へ窒素を負荷する。この量を推計することは，農業・畜産系の NH3 発生源が広く分布する茨城県霞ヶ浦流域への窒素負荷量を把握する上で重要である。本研究では，畜産由来の NH3 濃度と乾性沈着量の空間分布の傾向を調べるた
めに，茨城大学が所有する牛舎内およびその周辺でパッシブ法を用いた NH3 濃度の多点観測と降水採取によるアンモニウム（NH4+）の湿性沈着量の観測を行った。乾性沈着量は，気象データを用いた抵抗モデルにより計算した沈着速度と NH3 濃度との積によって推計した。風向と NH3 濃度の観測値の関係を解析した結果，観測地点が牛舎の風下になった割合に比例して NH3 濃度が増加することがわかった。また，NH3 の乾性沈着量は，降水に含まれる NH4+の湿性沈着量の 31%に達することが明らかとなった。
1. はじめに学センター（IFC）の牛舎周辺で NH3 濃度の多点観測を+人間活動に伴い生成するアンモニウムイオン（NH4 ）

実施し，その空間分布を定める要因を明らかにする。さ-や硝酸イオン（NO3 ）などの反応性の高い窒素（反応性らに，その結果に基づいて牛舎近傍の NH3 の乾性沈着窒素）は，河川を通じて湖沼へ流入し，世界各地で環境量を推計し，降水採取により観測した NH4+湿性沈着量

悪化を引き起こしている [1]。特に，反応性窒素が流域をと比較する。

通して湖沼や海に流入し，アオコや赤潮（大量の植物プ

2. 方法

ランクトン）を発生させる富栄養化が問題となっている[2]。

Fig.1 に，IFC での NH3 濃度と湿性沈着の観測地点を

茨城県では，霞ヶ浦（特に，北浦）で夏季を中心にアオ示す。牛舎内外の NH3 濃度の観測には，大気汚染物質

コの発生が観測されており，周辺地域の良好な環境やの観測に広く用いられている拡散型パッシブサンプラー

水質への悪影響が懸念されている[3]。

（小川商会製）を用いた。また，湿性沈着量の観測には，反応性窒素の一つである大気アンモニアガス（NH3 ）ポリエチレン製ボトルと漏斗を組み合わせて自作したバは，家畜やその排泄物などの発生源から大気へと放出

ルクサンプラーを用いた。パッシブサンプラーとバルクサ（揮散）する。そして，雨や雪に取り込まれて地表へ落下

ンプラーを用いた観測期間は，それぞれ 2017 年 5 月かする湿性沈着と大気乱流により下方へ輸送され樹木のら 2018 年 2 月および 2017 年 8 月から 2018 年 2 月であ葉などに直接吸着する乾性沈着を通じて流域に窒素をった。回収した大気および降水試料中の NH4+を，イオン負荷する。特に，NH3 は発生源の近傍（およそ 1 km 範

クロマトグラフィー（ThermoFisher Scientific 製 Integrion，囲）で高濃度となり，乾性沈着によって大量の窒素を負CS16）で分析した。

荷することが報告されているが [4][5]，NH3 濃度の観測例

NH3 濃度と風向の関係を調べるため，IFC で常時観は限られており，濃度の空間分布を決定づける気象要

測されている 16 方位の風向の１時間値を用いて，観測因も明らかにされていない。また，NH3 の乾性沈着量を期間内に発生源の風下に観測地点が含まれる割合を風推計することは，その発生源となる農業・畜産関係の施下割合（percentage of leeward）と定義した。発生源であ設が広く分布している霞ヶ浦流域への窒素負荷量を正る牛舎の形状が複雑であるため， Fig.2 に示すように，確に把握する上でも重要である。

発生源の大きさを直径 70 m（牛舎の南北方向 90 m，東本研究では，茨城大学農学部附属国際フィールド農1

485

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

3. 結果と考察

西方向 50 m の平均値）の円とみなし，風下方向の 2 本

観測期間中の全地点の NH3 濃度の時系列変化をの接線からそれぞれ 22.5°（16 方位の方位間隔）の範囲

Fig.3 に示す。牛舎内の NH3 濃度は 200–400 ppbv，そのに観測点が含まれる場合を風下に位置するとした。
乾性沈着量は，パッシブサンプラーによる NH3 濃度の他の地点では 2–10 ppbv で変動していた。牛舎内の観測値と，乾性沈着の速度を空気力学的抵抗，準層流NH3 濃度は，2017 年 10 月から 11 月に高かった。一

抵抗，表面抵抗の合成抵抗としてみなした抵抗モデル

方，D, E および F 地点の濃度は 1–5 ppbv であった。

[6]による NH3 の沈着速度との積で沈着量を計算する推A 地点では 2017 年 8 月から 11 月頃，B および C 地

計法（インファレンシャル法）から求めた。地表面状態を

点では 2018 年 1 月から 2 月に 5–10 ppbv まで増加し，表すパラメータには，典型的な農地の値を用いた。観測D, E および F 地点より高い時期があった。牛舎内の期間中の乾性沈着量は，観測した NH3 濃度と気象デー

NH3 濃度は，牛舎外の NH3 濃度の 60–120 倍であった。

タ，抵抗モデルにより 1 時間ごとの沈着量を積算して求パッシブ法を用いた野外における NH3 濃度の過去のめた。抵抗モデルの入力データには，日射量と気温・気観測では，都市部で 1.0–1.5 ppbv [7][8][9]，山間地で 0.2–

圧・風向および風速は，それぞれアメダス（つくば）と IFC

1.0 ppbv [7][8][9]，畜産地域で 1.5–5.5 ppbv [9]が報告されで観測された 1 時間値を用いた。

ている。本研究で観測された全期間全地点の NH3 濃度の変動範囲と平均値は 1–10 および 3.7 ppbv であり，上述した畜産地域の観測結果に近かった。また，牛舎から50 m 風下の A 地点の NH3 濃度は，牛舎を除くその他の地点よりも常に高く，牛舎から揮散した NH3 の影響を受けやすかったと考えられる。また，その影響は 50 m 以上
離れると低下し，NH3 が高濃度になる範囲は限定的であることがわかった。
Fig.4 に，牛舎から 580m 範囲の 6 地点で観測された
NH3 濃度とそれらが牛舎の風下になった割合（風下割合）の関係を示す。その結果，上述した範囲では，風下割合に比例して NH3 濃度が有意に増加する関係がみられた

Fig. 1 㻌 Sampling locations of NH3 concentration and（n=34, R2=0.621, p<0.001）。牛舎から最も離れた F 地点

bulk precipitation in IFC. The latter was measured at

では，直線関係を下回る値が 2 点観測された（Fig.4）。こtwo locations before and after 27 September 2017.

の原因としては，牛舎から風下方向に流れる NH3 ガスのBackground was obtained from © 2018 Google Map.

軌道が，建物の影響などにより F 地点に到達する手前で反れた可能性が考えられる。また，NH3 濃度に影響を及ぼす可能性のある他の気象要素（風速，気温，降雨期間）についても調べたが，相関は見られなかった（図略）。
このことから，牛舎近傍の月平均の NH3 濃度の局所的な空間分布は，風向によってほぼ説明できると考えられる。
NH3 濃度の観測値を用いて，牛舎の風下 50 m 地点の NH3 の乾性沈着量をインファレンシャル法で推計した

Fig.2㻌 An example when the observational point is

ところ，2017 年 8 月から 2018 年 2 月の NH3 の積算値はlocated downwind from the NH3 source, and squares are

0.64 kgN ha-1 であった。一方，同期間の NH4+の湿性沈

feedlot houses in IFC.

着量は 2.06 kgN ha-1 であり，乾性沈着による NH3 負荷486

2

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

量が湿性沈着量の 31％に達することが明らかになった。

謝辞㻌

この結果は，流域への窒素負荷量を推計するうえで

㻌 本研究を行うにあたり，茨城大学 IFC の小松崎 将一

NH3 の乾性沈着量は無視できないことを意味しており，教授，伊藤㻌 竜太郎氏，路川㻌 強氏，髙橋㻌 是成氏には，継続的な観測によって年間の乾性沈着量を推計する必観測機材の周辺環境の整備や農場の管理情報の提供

要がある。

に協力いただいた。ここに記して感謝の意を表します。
研究の一部は，日本学術振興会科学技術人材育成費
補助金 （卓越研究員事業）ならびに科研費補助金基盤研究（Ｂ）（一般）（課題番号 17H01868）の助成を受けて
実施した。
引用文献
[1]㻌 㻌 吉良竜夫：㻌 世界の湖の環境問題，人間環境科学 Vol.7，
pp. 1-15，1998.
[2]㻌 㻌 新藤純子：㻌 人間活動に伴う窒素負荷の増大と生態系影響，
地球環境 Vol.9 No.1，pp.3-10，2004.

Fig. 3㻌 Time series in measured monthly NH3[3]㻌 㻌 茨城県，栃木県，千葉県：㻌 霞ヶ浦に係る湖沼水質保全計

concentration in IFC from 23 May on 2017 to 21

画（第 7 期），pp.1-35，2017．

February 2018. Alphabets in the legend show the

http://www.pref.ibaraki.jp/seikatsukankyo/kantai/kasumigaura/lakesampling locations illustrated in Fig. 1.

/documents/7honbun.pdf㻌 （2018/4/19 アクセス確認済み）[4]㻌 㻌 寳示戸雅之，林健太郎，村野健太郎，森昭憲：㻌 集約的畜
産地帯における大気中アンモニア濃度の実態，日本土壌肥料学
雑誌 Vol.77 No.1，pp.53-57，2006．
[5]㻌 J. Shen, D. Chen, M. Bai, J. Sun, T. Coates, S.K. Lam, Y. Li:
Ammonia deposition in the neighbourhood of an intensive cattle
feedlot㻌 in Victoria, Australia, Scientific Reports, Vol. 6, pp. 32793,
2016.
[6]㻌 M.L. Wesely, B.B. Hicks： A review of the current status ofknowledge on dry deposition, Atmospheric Environment 34,

Fig. 4㻌 Relationship between the percentage of leeward

pp.2261-2282,2000.

and monthly NH3 concentration measured at all[7]㻌 㻌 北村洋子，佐久間隆，小泉俊一，木戸一博，加賀谷秀樹：

sampling locations in IFC.

パッシブサンプラーによる県内の大気汚染状況，宮城県保健4. 結論

環境センター年報 No.25，pp.84-87，2007.

拡散型パッシブサンプラーを用いて，茨城大学の保[8]㻌 㻌 高橋雅昭，武直子，大泉毅，家合浩明：㻌 パッシブ法を用い有する牛舎内外で月平均の NH3 濃度の多地点観測をた新潟県内における大気汚染物質濃度観測，新潟県保健環境行い，その局所的な空間分布を調べた。その結果，観科学研究所年報 Vol.23，pp.75-81，2008．

測期間中の牛舎の風下になった割合によって，発生源[9]㻌 㻌 横山新紀：㻌 千葉県における窒素化合物実態調査，全国環から 580 m 範囲の NH3 濃度の空間分布を説明できるこ

境研会誌 Vol.39 No.1，pp.31-38，2014.

とがわかった。また，牛舎の 50 m 風下での NH3 の乾性沈着量の推計値は，NH4+の湿性沈着量の 31％になることが明らかとなった。

3487

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

O5-5

巴川・鉾田川流域における地下水の硝酸態窒素による汚染状況
及びその要因菊地 哲郎 1，大内 孝雄 1, 2，高津 文人 3，福島 武彦 11

茨城県霞ケ浦環境科学センター，2（現）茨城県環境対策課，3 国立環境研究所
キーワード：窒素・りん循環，点源及び面源汚染，土地利用管理
抄録

畑地での野菜類の栽培並びに畜産が広く行われている巴川・鉾田川流域（茨城県）では，地下水の硝酸態窒素（NO3-N）及び亜硝酸態窒素（NO2-N）濃度が環境基準値（10 mg/L）を超える井戸の存在が 1998 年以降続けて認められている。本研究では，2016 年 11 月に同流域内にある 8 地点の井戸で地下水水質調査を実施
し，NO3-N による汚染状況及び要因について検討した。5 地点で NO3-N 及び NO2-N 濃度が環境基準値を上回り，特に巴川上流域の 2 地点では 20 mg/L 以上の高い値を示した。また，4 地点では 2009 年以降環境基準値を継続して超過しており，最近 2 年間ではほぼ横ばいあるいは上昇傾向で推移している。地下水の水質組成
並びに硝酸イオンの窒素安定同位体比の分析結果から，10 mg/L 以上の NO3-N が検出された地点では，いずれも畑地に施用された硫酸塩化成肥料や家畜排せつ物が NO3-N の主な汚染要因となっていると推定された。
1. はじめにW8

北浦（茨城県）の主要流入河川である巴川及び鉾田川の流域では，畑地での野菜類の栽培並びに畜産がW7広く行われている。一方，畑地に施用された化成肥料

W4 ~ W6

鉾田川や土壌に還元された家畜排せつ物（堆肥を含む）等に由来す硝酸態窒素（NO3-N）が溶脱し，地下水を汚染W1W3する問題が各地で顕在化している。[1] 巴川・鉾田川流

巴川域でも，NO3-N 及び亜硝酸態窒素（NO2-N）濃度が環W2

境基準値（10 mg/L）を超える井戸の存在が 1998 年以降続けて認められている。[2]北浦

本研究では，巴川・鉾田川流域内にある 8 地点の井図 1. 調査井戸戸を対象に地下水水質調査を実施し，その結果を元に
NO3-N による汚染状況及び要因について検討した。

濃度を，オートアナライザー（ビーエルテック，

2. 方法

QuAAtro）を用いて定量した。また，主要陽イオン（ナトリウム(Na+)，カリウム(K+)，カルシウム(Ca2+)，

2.1. 採水
調査井戸の位置を図 1 に，井戸のタイプ及び深さをマグネシウム(Mg2+)）及び陰イオン（塩化物(Cl-)，

表 1 にそれぞれ示す。W1 ~ W4 及び W7 では，NO3-N

硫酸(SO42-)）の各濃度を，イオンクロマトグラフィ

及び NO2-N 濃度が環境基準値を 2008 年以降継続してー（Dionex，ICS-2000）を用いて定量した。

超過している。また，W5 及び W6 は W4 の半径約 300

上記のろ液を孔径 0.22 μm のシリンジフィルター

m 以内に位置している。調査は 2016 年 11 月に実施しでさらにろ過した試料について，硝酸イオン（NO3-）た。採水した試料は実験室に持ち帰り，孔径 0.45 μm のの窒素安定同位体比（δ15N-NO3-）を脱窒菌法[3-5]にメンブランフィルターでろ過した後，次に示す水質分析より測定した。測定には，自動前処理ライン[6]を連に供した。

結させた同位体比質量分析計（Thermo Finnigan，

2.2. 水質分析

Delta plus Advantage）を用いた。

NO3-N，NO2-N 及びアンモニア態窒素（NH4-N）の各

488

1

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

表 1. 調査井戸のタイプ，深さ及び硝酸態窒素（NO3-N）
濃度
深さ

NO3-N

(m)

(mg/L)

井戸番号

タイプ

W1

打込

(不明)

15.44

W2

打込

(不明)

13.60

W3

打込

60

17.05

W4

掘抜

26

8.61

W5

打込

(不明)

8.80

W6

打込

(不明)

3.05

図 2. W1 ~ W4 及び W7 における硝酸態窒素及び亜硝酸

W7

打込

(不明)

22.30

態窒素（NO3-N + NO2-N）濃度の経年変化

W8

掘抜

20

20.41

＊井戸のタイプ及び深さは，茨城県環境対策課からの提供情報。

3. 結果及び考察
3.1. NO3-N 濃度の空間分布及び経年変化
各井戸における地下水中 NO3-N 濃度を，表 1 に示す。
W1 ~ W3，W7 及び W8 で 10 mg/L を超過し，最高濃度
は 22 mg/L（W7）であった。一方，W4 とそれに隣接する
2 つの井戸（W5，W6）においては，W4 と W5 で NO3-N
濃度がほぼ同じであったのに対し，W6 ではその半分以下（3.0 mg/L）であった。なお，いずれの井戸においても，
NO2-N 濃度は NO3-N 濃度の 0.07%以下と低かった。
W1 ~ W4 及び W7 における 2008 年以降の NO3-N
及び NO2-N 濃度の経年変化を，図 2 に示す。鉾田川流
域内の W1 並びに巴川中～下流域の左岸側に位置す
る W2 ~ W4 では，2011 ~ 2014 年にかけて濃度が低下したが，それ以降はほぼ横ばいまたは上昇傾向で推移している。一方，巴川上流域に位置する W7 では，2010~ 2011 年にかけて大きく上昇し，それ以降はほぼ横ばいで推移している。

＊炭酸水素イオン（HCO3-）の等量濃度は，主要陽イオン（Na+，K+ ，Ca2+，

3.2. ヘキサダイアグラムによる汚染要因の推定

Mg2+ ，アンモニウム(NH4+)）の等量濃度の和から主要陰イオン（Cl- ，各井戸における地下水のヘキサダイアグラムを，SO42-，NO3-）の等量濃度の和を差し引いた値に等しいと仮定して算出

図 3 に示す。

した。

NO3-N 濃度が最も低かった W6 はきれいな菱形に図 3. 各調査井戸における地下水のヘキサダイアグラム

近い Ca-HCO3 型の水質組成を示し，土壌・岩石由来のイオン成分が基本となっていると考えられる。[1]塩化成肥料や苦土石灰（土壌改良材）が施用された

一方，W6 に隣接する W4 及び W5 では Na+が他のイ場合，その影響を受ける地下水は自然状態のものとオン成分と比べて濃度が高く，Na-Cl 型と見なせる

比べて NO3-，SO42-，Ca2+及び Mg2+が増加すると考ことから，生活系（浄化槽）排水の影響が示唆される。

えられること[1, 7]から，これらの井戸における NO3-N[1]

汚染の要因の一つとして，畑地に施用された硫酸塩

NO3-N 濃度が 10 mg/L を超えた W1 ~ W3 及び W7
ではいずれも Ca-(SO4 + NO3)型の水質組成を示した。
一般に，畑地に硫酸アンモニウム（硫安）等の硫酸化学肥料が考えられる。また，これらの井戸ではHCO3-濃度も低いが，これは畑地に大量に施用された化成肥料や家畜排せつ物由来の NH4+の硝化によ2489

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

り消費されたためと考えられる[1]。これに対し，同
じく NO3-N 濃度が 10 mg/L を超えた W8 では，NO3濃度に対して SO42-濃度が低く，Ca-NO3 型となっていた。家畜排せつ物による汚染の場合，NO3-N 濃度の上昇に対して SO42-濃度の変化が小さいことが報告されていること[8]から，同地点における NO3-N の汚染要因として家畜排せつ物の寄与が大きいと推察される。
3.3. δ15N-NO3-に基づく NO3-N の起源の推定
各井戸における地下水の δ15N-NO3-を，NO3-N の起源となる化成肥料，土壌，家畜排せつ物並びにし尿・下水に含まれる窒素の安定同位体比（δ15N）の文献
値 [9, 10, 他 ] と併せて図 4 に示す。W1 及び W2 の
δ15N-NO3-は 3.3 ~ 3.8‰と低く，化成肥料（-6.1 ~ 3.6‰）
起源の寄与が大きいと考えられた。これに対し，W3，
W7 及び W8 では 7.7 ~ 15.5‰と高い値を示し，ヘキ＊各起源のエラーバーは δ15N の文献値[9, 10, 他]のとり得る範囲を，＊は中央値をそれぞれ表す。

図 4. 各調査井戸における硝酸イオンの窒素安定同位体比（δ15N-NO3-），並びに各起源の窒素安定同位体比

サダイアグラムからの知見を併せると，家畜排せつ物（3.1 ~ 23.2‰）起源の寄与が大きいと推定された。
一方，W4 及び W5 の δ15N-NO3-は 5.0 ~ 5.6‰と比引用文献

較的低く，ヘキサダイアグラムから示唆された生活系排水（し尿・下水：7.4 ~ 13.7‰）よりも低かった。
これらの井戸は畑地と住宅地とが混在する地域に位置することから，NO3-N の起源としては畑地に施用[1]

田瀬則雄: 硝酸・亜硝酸性窒素による地下水汚染の現状と動向, 環境管理 Vol. 40 No. 3, pp. 255-263, 2004.

[2]
[3]

茨城県: 公共用水域及び地下水の水質測定結果.
D. M. Sigman, K. L. Cascotti, M. Andrean, C. Barford, M.
Galanter, J. K. Böhlke: A bacterial method for the nitrogenisotopic analysis of nitrate in seawater and freshwater, Anal.
Chem. Vol. 73, pp. 4145-4153, 2001.
K. L. Cascotti, D. M. Sigman, M. Galanter, J. K. Böhlke, A.
Hilkert: Measurement of the oxygen isotopic composition of
nitrate in seawater and freshwater using the denitrifier
method, Anal. Chem. Vol. 74, pp. 4905-4912, 2002.
由水千景, 大手信人: 分析の自動化・高速化―硝酸イオン分析を例に―, 流域環境評価と安定同位体（永田俊,宮島利宏編）, 京都大学学術出版会, pp. 376-387, 2008.

された化成肥料の寄与がより大きいものと推察され
る。
[4]

4. 結論
畑作並びに畜産が盛んに行われている巴川・鉾田川[5]流域における地下水の NO3-N 汚染の状況及び要因について把握することを目的に，同流域内の 8 地点の井戸で地下水水質調査を行い，以下の結果を得た。

[6]・5 地点で NO3-N 及び NO2-N 濃度が環境基準値を上回り，特に巴川上流域の 2 地点では 20 mg/L 以上の高い値を示した。

[7]

環境省: 硝酸性窒素による地下水汚染対策マニュアル,
2016.
[8] 三上秀敏，高田雅之，三島啓雄: 地下水硝酸汚染に係わる汚染源簡易判定の手順, 北海道環境科学研究センタ
ー所報 Vol. 35, pp. 27-34, 2009.
[9] D. Xue, J. Botte, B. De Baets, F. Accoe, A. Nestler, P. Tayler,
O. Van Cleemput, M. Berglund, P. Boeckx: Present
limitation and future prospects of stable isotope methods fornitrate source identification in surface- and groundwater,
Water Res. Vol. 43, pp. 1159-1170, 2009.
[10] W. J. Choi, J. H. Kwak, S. S. Lim, H. J. Park, S. X. Chang, S.
M. Lee, M. A. Arshad, S. I. Yun, H. Y. Kim: Synthetic
fertilizer and livestock manure differently affect δ15N in the
agricultural landscape: A review, Agric. Ecosyst. Environ.
Vol. 237, pp. 1-15, 2017.

・地下水の水質組成及び δ15N-NO3-の分析結果から，10 mg/L 以上の NO3-N が検出された地点では，いずれも畑地に施用された硫酸塩化成肥料や家畜排せ
つ物が NO3-N の主な汚染要因となっていると推定された。
流域内の広い範囲で環境基準値を超える濃度のNO3-N 及び NO2-N が検出されたことから，今後より多くの地点で地下水を採取し，同様の水質分析を行うこと
により，地下水における NO3-N の濃度分布を詳細に把握するとともに，その汚染要因について検討する必
要がある。

490

高津文人, 今井章雄, 中島泰弘, 小松一弘, 川崎伸之,
佐藤貴之: 硝酸イオンの窒素・酸素安定同位体比測定のた め の自 作 によ る安 価 な自動 前 処理 ラ イン の開 発 ,RADIOISOTOPES Vol. 60, pp. 231-240, 2011.

3

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

O5-6

園芸品目における改善施肥技術適用時の窒素フットプリントの仮想窒素係数とその硝酸態窒素溶脱指標としての有効性
郷内

武 1・寺門 巌 1・江口定夫 21 茨城県農業総合センター園芸研究所，2 農研機構農業環境変動研究センター

キーワード：窒素フットプリント，窒素溶脱，仮想窒素係数
抄録
作物栽培において窒素は必須多量元素である一方で、多投入は環境負荷の原因となり得る。これまで茨城県では生産コスト削減と環境負荷低減の面から改善施肥技術を開発してきた。本研究では茨城県の園芸品目における施肥改
善技術ごとのデータベース化と、窒素フットプリント内の重要な指標値である仮想窒素係数（VNF）の計算を行った。
また、VNF が地下水への窒素負荷指標として有効かどうか検討するため、VNF と硝酸態窒素溶脱量との関係について検討した。その結果、葉菜類においては改善施肥により VNF と硝酸態窒素溶脱量が低下する傾向があり、両者には比例関係が認められた。一方、根菜類では改善施肥適用時にも硝酸態窒素溶脱量が低下しない事例も認められ、VNF との関係は判然としなかった。以上のように VNF を地下水への負荷指標として用いる際には品目ごとの特徴を把握することが重要と思われた。
1. はじめに

素動態に関する調査結果のデータベース化と VNF 等

作物栽培において窒素は最も重要な必須多量元素の算出を行った。また、窒素フットプリント計算で使用さである一方で、多投入は環境負荷の原因となり得る。肥

れる VNF が地下水への窒素負荷指標として有効である

料として投入される窒素はいわゆる反応性窒素（Nr：N2

か検討するために、VNF と硝酸態窒素溶脱量との関係を除く窒素化合物すべて）であり、大気圏内の窒素循環について検討した。

[1]の中において形態を変化させながら存在している 。施

2. 方法

肥窒素のうち作物に利用されなかった余剰窒素は、水（１）窒素動態に関する既往の調査データの収集、デー圏に対しては硝酸態窒素（NO3–-N）、大気圏に対して

タベース化

は温室効果ガスである一酸化二窒素（N2O）等の形態でVNF 算出等の窒素負荷指標の検討に資するため、茨環境に負荷を与える。

城県の園芸品目における過去の窒素動態に関する調

過去の農業研究において、施肥技術開発等により環査事例のデータベース化を行った。データベースの対境負荷を低減する試みが多く行われてきたが、多くの場

象文献は、日本土壌肥料学雑誌、茨城県園芸研究所

合これらの取組みは特定の形態の Nr を対象として研究

研究報告、茨城県園芸研究所試験成績書である。デーされており、事例を並列に検討することが困難であった。

タベースの内容は文献情報、負荷量情報、調査情報、窒素負荷がもたらす環境影響を評価する新たな指標と営農情報、各指標とし、各事例の VNF 計算シートに個して、窒素フットプリントがある。窒素フットプリントの定義

票として添付するとともに、総合した整理票を作成したは、「個人（または組織、国など）の資源消費の結果とし

（表１）。

[2]

て環境中に排出される反応性窒素の総量」である 。作（２）既往の調査データに対する窒素負荷指標の適用

物生産の窒素フットプリント（N-Calculator 法）は、食糧収集した窒素動態に関するデータベースを基に、慣消費窒素あたりの環境中への Nr ロス量を示す仮想窒

行および改善施肥を行った場合の VNF 等の各指標と素係数（VNF: Virtual Nitrogen Factor）に基づき算出さ

硝酸態窒素溶脱量の変化について評価した。評価のれる[2]。VNF は当該作物の生産から消費までのプロセ対象となる調査データは、施肥量および収穫物の窒素スにおいて環境中に放出される Nr 量を、消費 Nr 量で含量等の VNF 算出に必要な項目と、硝酸態窒素溶脱除した値であり[3]、各国への適用が進んでいる

量の両方が含まれる事例とした。慣行施肥と改善施肥

そこで本研究では、茨城県の園芸品目における窒素法実施時の VNF および硝酸態窒素溶脱量の違いにつフットプリント計算の適用性を評価するため、過去の窒

いては、データを葉菜類、根菜類、果樹類に区分して

1491

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

表1

指標

VNF

垂線は上端が第三四分位数＋1.5×四分位範囲の最大値、下端が第一四分位数－1.5×四分位範囲の最小値を示す。×は平均値、○は外れ値を示す。

溶脱量の変化について評価した（図１）。葉菜類の例では、各種改善施肥を実施すると VNF および硝酸態窒

2)

10

ネギ

9
8
7
6
5

：慣行
：改善

4
3
2

y = 0.6795x + 1.1464
R² = 0.7603

1
0

0

5

10

VNF

15

NO3-N溶脱量(kg NO3-N/10a/yr)

1)

NUE1 (施肥→吸収)
NUE2(吸収→収穫物)
NUE3(収穫物→流通)
NUE4(流通→摂食)

図１ 葉菜類における慣行および改善施肥法実施時のVNF と硝酸態窒素溶脱量の違い

NO3-N溶脱量(kg NO3-N/10a/yr)

データベースの内容
論文タイトル・資料名
公表年
著者名
文献情報
収録雑誌名
巻号
ページ
測定期間
硝酸態窒素溶脱量(kgN/期間)
負荷量情報
一酸化二窒素排出量(kgN/期間)
その他
調査場所
調査年・期間
調査頻度
調査情報
灌漑水調査
降水調査
浸透水調査
作物
慣行農法・改善農法の別
改善農法の種類
施肥量(化学肥料kgN/10a)
施肥量(堆肥kgN/10a)
施肥量(計kgN/10a)
営農情報
有機物の種類
収量(kg/10a)
窒素吸収量(kgN/10a)
調製物窒素含量(kgN/10a)
その他窒素情報
土壌の種類

18

キャベツ

16

y = 8.9403x - 14.545
R² = 0.791

14
12
10
8
6
4

：慣行
：改善

2
0

0

2

VNF

4

図２ ネギおよびキャベツにおける VNF と硝酸態窒
素溶脱量の関係

1)NUE(Nitrogen Use Efficiency)：窒素利用効率
2)VNF(Virtual Nitrogen Factor)：仮想窒素係数評価した。また、VNF と硝酸態窒素溶脱量との関係の素溶脱量が小さくなる傾向がみられた。また、キャベツと評価は品目ごとに行った。

ネギの場合、VNF と硝酸態窒素溶脱量の関係は比例

3. 結果する傾向がみられ、これらの品目においては VNF が地（１）窒素動態に関する既往の調査データの収集、デー

下水に対する影響指標として利用できる可能性が示唆

タベース化

された（図２）。ただし、この比例関係は同一試験条件（圃場、有機物の種類、施肥資材等）で成り立つため、現在までのところ、15 文献、83 事例を整備しており、引き続きデータベース作成を行っている。調査データと異なる品目および試験条件での利用にあたっては注意

既存の標準データ（日本食品標準成分表（文部科学する必要がある。

省）、バイオマス成分データベース（農研機構））を用い一方、根菜類においては、改善施肥により投入窒素ることで、窒素利用効率（NUE：吸収・利用窒素量／窒

量が減少するため VNF が低下するが、硝酸態窒素溶

素供給量）および VNF が算出可能な事例はそれぞれ脱量が低下する事例は少なかった（データ省略）。ナガ

71 事例、73 事例と、収集事例の多くを占めた。VNF のイモの事例では VNF と硝酸態窒素溶脱量との間に有算出にあたって、減肥や有機物の連用事例において投意な相関関係は認められず、地下水への窒素負荷指入窒素よりも作物吸収窒素が大きいことにより負値とな標として利用できないと考えられる。

る場合が 13 事例でみられた。

果樹類で VNF が算出可能な事例はニホンナシのみ（２）既往の調査データに対する窒素負荷指標の適用であった。ニホンナシの調査データは施肥、窒素吸収収集した窒素動態に関するデータベースを基に、慣量、硝酸態窒素溶脱、一酸化二窒素排出、土壌炭素含

行および改善施肥を行った場合の VNF と硝酸態窒素量など非常に詳細であり、VNF と硝酸態窒素溶脱量と492の間には高い相関関係が認められた（データ省略）。
217th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

4. 考察

測するモデルで、国内土壌への適用を目的に改良が本研究では、これまで個別の研究で評価されてきた

進められている[8,9]。現在のところ VNF 等の指標がカバ

窒素動態に関するデータを、VNF のような指標を用いーできない土壌窒素蓄積の動態などがモデルにより推て並列に評価するためのデータベース作成を行ってい

定できれば、その結果を窒素フットプリントや VNF の計る。収集した各事例は調査項目も様々であり、NUE およ

算にフィードバックすることで実態に近い窒素負荷指標

び VNF をこのデータのみで算出することは困難なケーを得ることができるものと思われる。

スが多い。これらについては既存の標準データを活用

5. 結論

して、指標の算出を行った。例えば、食品の廃棄率は茨城県における窒素動態に関する調査研究成果に

日本食品標準成分表（文部科学省）、植物体の窒素含

ついてデータベース化を実施し、VNF 等の窒素負荷指量はバイオマス成分データベース（農研機構）から引用

標の算出を行った。このデータベースに基づき、窒素負した。このように既存のデータを用いることで指標の算

荷指標と地下水への硝酸態窒素溶脱量との関係につ出が可能となる事例が多くあり、推定手法として有効といて検討した結果、葉菜類においては改善施肥により思われた。

VNF と硝酸態窒素溶脱量が共に低下する傾向が認め

VNF の算出にあたって負値となる事例がみられ、こられ、両者には比例関係が認められた。一方、根菜類

れらの多くが減肥や有機物連用により投入窒素を削減

では改善施肥適用時にも硝酸態窒素溶脱量が低下しする事例であった。現在用いている計算方法は土壌由ない事例も認められ、両者の関係は判然としなかった。

来窒素の変化を考慮しておらず、作物栽培におけるい引用文献

わゆる肥料成分の持越しが反映されないスキームとなっ[1]ている。堆肥の連用により施肥窒素の削減が可能な事
例は多くあり[4,5,6]、連作に対応した VNF の計算方法がGalloway, J.N., Aber, j. d., Erisman, J. W., Seitzinger, S. P.,
Howarth, R. W., Cowling, E. B., and Cosby, B. J.: The
nitrogen cascade, Bioscience, 53, 341-356, 2003.

Soil Mining Factor は作物の窒素吸収量のうち土壌由[2] 種田あずさ・柴田英明・江口定夫・廣野祐平・仁科一哉・
内田義崇, 地球規模での窒素循環管理に向けた窒素フットプリント研究の最新動向－国際ワークショップ参加報告－, 日本生態学会誌, 67, 189-196, 2017

来分（＝無窒素区における窒素吸収量）を食糧消費窒[3]

Leach, A. M., Galloway, J.N., Bleeker, A., Erisman, J. W.,
Khon, R., and Kitzes, J.: A nitrogen footprint model to help
consumers understand their role in nitrogen losses to theenvironment, Environ. Dev., 1, 40-66, 2012.

[4]

三好明宏・桑名健夫・西口真嗣・吉倉惇一郎, 施設軟弱
野菜に施用した牛糞堆肥由来窒素の吸収利用, 土肥誌,
72, 558-561, 2001.

[5]

徳永哲夫・木村靖, 雨よけトマト栽培における施用有機
物の肥効を考慮した施肥法, 山口農試研報 , 53, 30-34,2002.

必要である。食糧消費窒素に対する土壌蓄積窒素の寄与を評価する手法として Soil Mining Factor がある[7]。

素量で除した値である。VNF と合わせて Soil Mining
Factor のような指標を用いることで、土壌蓄積窒素の影
響を表現できる可能性がある。
今回収集した各事例は必ずしも環境負荷に関する調査データ（硝酸態窒素溶脱等）があるわけではなく、そのような場合において VNF 等の指標が負荷の指標として有効であるかどうかを検討した。収集データの範囲に[6] 林哲央・日笠裕治, 北海道の施設トマト栽培における牛糞堆肥連用時の窒素施肥量の削減, 土肥誌, 88, 234-237,
2017.

おいては、葉菜類は VNF が硝酸態窒素溶脱量をよく反映しており、指標として有効であった。しかし、根菜類においては有意な相関は見られなかった。これは、硝酸[7]

Hutton, M. O., Leach, A. M., Leip, A., Galloway, J.N.,
Bekunda, M., Sullivan, C., and Lesschen, J. P.: Toward anitrogen footprint calculator for Tanzania, Environ. Res. Lett.,
12, 034016, 2017.

[8]

Asada, K., Eguchi, S., Tsunekawa, A., Tsuji, M., Itahashi, S.,
and Katou, H.: Predicting nitrogen leaching with themodified LEACHM model: Validation in soils receiving
long-term application of animal manure composts, Nutr.
Cycl. Agroecosyst., 39, 209-225, 2015.

[9]

Asada, K., Eguchi, S., Urakawa, R., Itahashi, S., Matsumaru,T., Aoki, K., Nakamura, K., and Katou, H.: Modifying the
LEACHM model for process-based prediction of nitrateleaching from cropped Andosols, Plant Soil, 373, 609-625,
2013.

態窒素溶脱量が環境中への放出窒素に占める割合が異なることによるものと思われる。葉菜類は全体的に多肥傾向になりがちで改善施肥技術の効果が高いことが要因の一つと考えられる。一方根菜類は慣行施肥量が比較的少なく、改善施肥による窒素削減効果が小さい
ケースが多い。このように品目ごとの特徴を把握すること
で指標をより有効に活用できるものと思われた。
他の硝酸態窒素溶脱量の推定法として、数値モデル（例えば、LEACHM モデル）の利用が挙げられる。
LEACHM モデルは土壌中の水や窒素の動態を長期予

3493

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

O5-7

Utilization of cover crops for soil and water conservation
Yingting Gong1, Peiran Li1 and Masakazu Komatsuzaki2
1Graduate School of Agriculture, Ibaraki University, 2Center for International Field Agriculture Research and Education

Keywords: cover crop, carbon, Nitrogen, soil and water conservation
ABSTRACT

Residual fertilizer nitrogen (N) in soil represents a potential environmental contaminant because of the riskof nitrogen leaching into ground water. Winter cover crops can conserve residual soil N. Soil organic carbon(SOC) has various roles in producing crops and improving their environment. Cover crop is a potential
method for conserving or increasing SOC. However, the effectiveness of utilization of cover crops for soil
and water conservation has not been clear yet. This study compared dry matter (DM), N content, N
accumulation, soil organic C and N in different soil layers (0-2.5, 2.5-7.5, 7.5-15 and 15-30 cm) among
different cover crops, including fallow (native weeds), hairy vetch (legume cover crop) and rye (grass covercrop) in soybean production to investigate the effect of cover crops on C and N dynamics in agroecosystem.
The results showed that rye had significantly higher dry matter than fallow and hairy vetch, and it also had
the highest N accumulation. However N content in rye was significantly lowest, there was no significant
difference between fallow and hairy vetch. Soil organic C and N content were higher in rye and hairy vetch
compared to fallow in each depth. Soil organic C and N content were significantly higher in 0-2.5 and 2.57.5 in relative to 7.5-15 and 15-30 cm layers. These results indicated that cover crops can improve N
accumulation and increase soil organic C and N content, it should help inorganic fertilizer of farm.

1. INTRODUCTION

International Field Agriculture Research and Education,
Ibaraki University, Japan. This site was established in 2002
for research on tillage and cover crop systems. It was a
split plot design with 4 replication, consisting of twotillage methods, three cover crops (fallow, hairy vetch andrye) and two potassium fertilizer input levels. In this report,
only one of the factors-cover crop was discussed forcarbon and nitrogen problems. Cover crops in 2016 were
harvested on 27th may, 2017 by using 0.25 m2 quadrat
sampling, 2017. Oven-dried weight were measured as
biomass. Carbon and nitrogen content of cover crops were
measured by C/N corder (Samika chemical analysis
service, Ltd.NC 900). Soil samples were took in October
2016 by hand with a steel cylinder. The samples weredivided into 4 layers (0-2.5, 2.5-7.5, 7.5-15 and 15-30 cm)
for the measurement of soil organic carbon and nitrogenby C/N coder. Data were statistically by ANOVA(StateView, SAS Institute).

Lake Kasumigaura is a eutrophic lake in Japan. Because it
is important to reduce the N load from diffuse nonpoint
sources to improve water quality, the local government
encourages farmers in the Lake Kasumigaura basin to
reduce their use of inorganic fertilizers through a soil
nutrient management program called the “eco-friendly
farming system.” Cover crop is one of the management
method. Cover crops can reduce nonpoint source pollution
caused by nutrients and agricultural chemicals. In
particular, non-leguminous cover crops have been shown
to prevent leaching of nitrogen into groundwater by
accumulating excess soil N in upland dry fields. Nonleguminous cover crops grown in winter are an effective
tool for managing inorganic N in these soils in the spring
because these winter cover crops retain residual soil N
remaining after the summer crop harvest [1]. Legume covercrops fix both C and N in plant by increasing biomass
production. SOC can be increased by elevating biomass
production, practicing crop rotation including cover crops.
The objectives of this study were to (1) determine thedifference of soil organic C and N between with andwithout cover crop, (2) investigate the effect of cover crops
on N accumulation.

3. RESULTS
Dry matters were significantly different among three covercrops. Rye had the highest value, which was 5.8 times and3.3 times higher than fallow and hairy vetch, respectively(Fig.1). Fig.2 showed fallow and hairy vetch had higher N

2. METHOD

content, which were significantly higher than rye treatment.

The experiment was conducted at the Center for

As for N accumulation, rye and hairy vetch were superior494

1

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

to fallow treatment. They were 72.38% and 55.34% higher
than fallow (Fig.3). Soil organic C and N content gradually
decreased with the depths. Soil surface (0-2.5cm) had thehighest soil organic C and N content. Significant
differences were observed in 0-2.5 andhighest N accumulation. Even though fallow and hairy
vetch had significant higher N content than rye, actually,
the difference between biomass plays a more importantrole in N accumulation. Dry matter and N content of plantshould be took into consideration at the same time when
thinking about conserving residual soil N. Biomass
retention results in higher organic C and N content insurface soil (0-7.5cm). Rye and hairy vetch had no
significant difference in N accumulation and soil C, N
content of each depth. N accumulation amount may
closely connect to the effect of cover crops on soil C and
N enhancement. Soil C and N content were higher at each
depth in cover crop treatments compared to fallow (native
weeds).
5. CONCLUSION
Rye and hairy vetch had higher amount of N accumulation
than fallow. Moreover, soil organic C and N content werehigher at rye treatment and hairy vetch in each depth from
0-30 cm than fallow. Cover crops showed excellent ability
to scavenge soil nitrogen and improve soil nutrient to
reduce the addition of fertilizer input.
2.5-7.5 cm depth in relative to the other depths. Covercrops treatments showed higher soil organic C and N thanfallow in each depth. But no significant difference wasfound between rye and hairy vetch (Fig.4 and Fig.5).

REFERENCES[1]

M.Komatsuzaki and M.G.Wagger: Nitrogen recovery by covercrops in relation to time of plating and growth termination,
Soil and Water Conservation Society, Vol. 70, pp. 385-398,
2015.

4. DISCUSSION
Rye had the highest biomass, the lowest N content, and the2495

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

O5-8

Improvement of nitrogen removal rate estimation method for wetlands
focused on temperature factors
LIN Xiaolan1, KURODA Hisao2, YOSHIDA Koshi2 and MAEDA Shigeya2
1

The United Graduate School of Agricultural Science, Tokyo University of Agriculture and Technology,
2
College of Agriculture, Ibaraki University
Keywords: wetland, nitrogen removal rate, temperature factor
ABSTRACTThe nitrogen removal equation for paddy fields is that R = a*C. Where is the nitrogen removal rate(R),nitrate nitrogen concentration(C) and nitrogen removal coefficient (a). "a" is a = 0.00002*Temperature(T)2+ 0.005 under light condition. This equation is an empirical formula obtained under constant temperature
test. We investigated the temperature of nitrogen removal coefficient for practical applications. The
investigation was carried out almost every week from January 2015 to December 2016. Investigated items
are flow rates (inlet / outlet), T-N concentrations and water temperatures (inlet, center, outlet), and soil
temperatures (at central part, 1 cm interval in the depth direction to 10 cm). We also used AMeDAS(Automated Meteorological Data Acquisition System) temperature data about 10 km away from the site.
The results of the investigation showed that nitrogen removal rate was more related to soil temperature of
10 cm depth or the average integrated time temperature from AMeDAS temperature data than the watertemperature at the time of investigation. Calculating the nitrogen removal rate at this temperature will
reduce the error. Therefore, it was calculated by multiplying the average integrated time temperature of thenitrogen removal equation by the temperature factor. As a result, the best result was obtained when the
average integrated time temperature (light condition) and the temperature factor 1.3 are used.

1. INTRODUCTION

Tabuchi carried out experiments under two light
conditions in a temperature-controlled chamber. The
nitrogen removal equation shows that the nitrogen removal
rate has temperature and concentration dependence. When
we use this equation so far, we have substituted the watertemperature at the survey time into T. However, it was nota temperature considering the daily temperature change inthe field.

In Lake Kasumigaura basin, research on nitrogen load
calculation in paddy fields/wetlands has been carried out
for many years. Because paddy fields/wetlands havenitrogen removal capability, so examining the parametersof nitrogen removal function of paddy fields/wetlands
soils is indispensable for calculating environmental
impacts. Tabuchi (1993, 2005) and Hirano (2007)
proposed calculation equations for nitrogen removal rateof paddy soils as follows.

Therefore, the purpose of this study is to show theadapted temperature when using the nitrogen removal
equation in fields. We examined appropriate temperature
to use for the above equations and made the equation moregeneric.

R =F · P · a · X ͐(1)Where is, R is nitrogen removal rate (g m-2 d-1), F isvegetation factor (range: 1~4), P is water flow factor(range: 0~1), a is nitrogen removal coefficient, X isnitrogen concentration.

2. METHOD
2.1 Test plot description
This research was under taken at the O area in Ami town,
Ibaraki prefecture in Japan. In this study area, there are
upland fields and forests on the plateaus, and the lowlands
are paddy fields.

In addition, “a” is a function of temperature(T) as follow.

This study area has been maintained as an experimental
paddy field for studies of the nitrogen removal for morethan 20 years. The test plot is a non-vegetation plot underflooded in all year. The test plot size is 25 m * 1.4 m. Depth

Dark condition : a=0.000011 · T2+0.005 ͐(2)Light condition: a=0.000020 · T2+0.005 ͐(3)496

1

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

We collected 82 samples during two years. The average ofthe inflow nitrogen concentration in the test plot was 5.4(± 1.5) mg L-1 (Fig. 1), and the average of the nitrogen
removal rate was 0.095 (± 0.130) g m-2 d-1. The average ofwater temperature in the test plot was 21.2 (± 19.0) ℃ (Fig.
2). Also, the fluctuations in temperature and nitrogen
removal rate were similar.

of flooding is 5~ 6 cm. There is no subsurface infiltrationin this area.
2.2 Measurement item
The investigation was carried out almost every week fromJanuary 2015 to December 2016. Investigated items areflow rate (inlet / outlet), T-N (total nitrogen concentration)
and water temperatures (inlet, center, outlet), and soil
temperatures (at central part, 1 cm interval in the depth
direction to 10 cm). We measured water temperatures andsoil temperature by the Sanitary Thermo TP-100MR
waterproof handy thermometer. We used a measuringcylinder to measure the water amount. The inflow wateramount was the water amount per second.
We also used AMeDAS (Automated Meteorological Data
Acquisition System) temperature data about 10 km awayfrom this site. We calculated the average integrated time
temperature from the temperature data of AMeDAS.
Using these results, the nitrogen removal rate estimationby the nitrogen removal equation was analyzed. The
nitrogen removal rate was calculated by substituting theoutlet water temperature, the central water temperature,and the soil temperature every from 1 to 10 cm into thetemperature term in the nitrogen removal coefficient.

Fig. 1 Total nitrogen concentration of inflow and outflow.

Inflow load, outflow load and nitrogen removal rate were
calculated by following equations.
LIN = AIN · CIN ͐(4)LOUT = AOUT · COUT ͐(5)R = (LIN + LR – LOUT) / 35 / 1000 ͐(6)Fig. 2 Changes in water temperature and nitrogen
removal rate.

Where is, LIN is Inflow load (mg d-1), AIN is inflow
amount (L d-1), CIN is inflow T-N concentration (mg L-1),
LOUT is Outflow load (mg d-1), AOUT is outflow amount (Ld-1), COUT is outflow T-N concentration (mg L-1), LR israinfall load (mg d-1), and the study site area was 35 m2.

3.2 Analysis
3.2.1 The R2 value
Water temperatures (center), soil temperatures and theaverage integrated time temperatures were substituted into
Equation (2) and Equation (3). The correlation (R2 value)
between the calculated value of the nitrogen removal rate
and the observed value was compared at each temperature.

We calculated evapotranspiration by Penman-Monteithequation (Miura et al., 1993). We selected dates of dayaverage temperatures (℃), the highest and lowest
temperatures (℃), sunlight hours (h), wind speeds (m s -1)
from AMeDAS Tsuchiura. And we selected relative
humidity dates (%) from aero logical observatory.

When we used soil temperatures in both equations, it wasalmost the same R2 value at underground 10 cm. In
addition, when we used the average integrated time
temperatures, it was almost the same R2 value from 14hours ago. The correlation was the highest when using 10
cm depth soil temperature or the average integrated time
temperature from 40 hours ago (Fig. 3).

Tabuchi suggested the temperature range of nitrogen
removal formal was from 10 Υ to 40 Υ . Considering
practicality in field, we also used other temperatures foranalysis.
3. RESULTS
3.1 Field survey

2497

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

temperature of the nitrogen removal equation by thetemperature factor “D” (equations 7 and 8). As a result, thebest result was obtained when the temperature factor was
1.3.
R = (0.000011·(D·T)2+0.005)·X ͐(7)R = (0.00002·(D·T)2+0.005)·X ͐(8)5. CONCLUSION(a)

From this study, we found the following.
1) The observed nitrogen removal rate was more related tothe soil temperature at 10 cm depth or the AMeDAS
average integrated time temperatures than the watertemperature at the time of survey. From this result, it was
found that there is a possibility that estimation of
nitrogen removal rate can be well estimated using
meteorological observation data even if there is no
measured value.
2) It is better to use the nitrogen removal coefficient in thelight condition.

(b)3) When calculating the nitrogen removal rate using
weather observation data, a temperature factor isrequired. This value was in the range of about 1.2 to 1.3
from this result.

Fig. 3 (a) The R2 value between calculated values andobserved values of nitrogen removal rate when using 0 ~10 cm depth soil temperature. -1 cm was the watertemperature. (b) The R2 value between calculated values
and observed values when using average integrated time
temperatures.

REFERENCES

4. DISCUSSION[1]

Takeshi MIURA and Rintaro OKUNO: Detailed description of
calculation of potential evapotranspiration using the Penman
equation, Transactions of the Agricultural Engineering Society,Japan, 164, pp. 157-163, 1993.

[2]

Toshio TABUHI, Yasuji SHINODA and Hisao KURODA:
Experiment on nitrogen removal in the flooded paddy field,
Journal of the Agricultural Engineering Society, Japan, 61 (12),pp. 1123-1128, 1993.

[3]

Toshio TABUCHI, Hisao KURODA, Akiko IKENOBE andMayumi HIRANO: Influence of flow rate on nitrate removal
in flow process, Jpn. Soc. Soil Phys., 99, pp. 73-83, 2005.

[4]

Mayumi HIRANO: A study of light effects on nitrogen
removal capability of wetland soil, doctoral thesis, TUAT,
2007.

4.1 Applicable temperature
From the results, we considered the soil temperature andthe average integrated time temperature was moreaccurately for the nitrogen removal equation than watertemperature. Because the nitrogen removal equation was
obtained by a temperature-controlled experiment, it was
desirable to use a temperature with less fluctuation. The
value of soil temperatures (median: 18.6℃, maximum:
29.4℃) or the average integrated time temperatures (40hours ago, median: 17.5℃, maximum: 29.2℃) was lessscatter than Water temperatures (median: 21.7℃,
maximum: 40.2℃).
4.1 Temperature factor
The nitrogen removal equation was an expression made on
the premise of substituting the temperature at the time ofsurvey. The average integrated time temperature or the soil
temperature is lower than the water temperature at survey
time. Calculating the nitrogen removal rate at thistemperature will reduce the result. Therefore, it wascalculated by multiplying the average integrated time498

3

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

O5-9

Verification of a Simple Watershed Land-use model to estimate the Net
Nutrient Loads from Non-point Sources to Rivers
Seiko Yoshikawa, Yuta Shimizu, Kenji Matsumori
National Agriculture and Food Research Organization(NARO), Japan
Keywords: land-use model, specific load factor, non-point source, nitrogen, phosphorus
ABSTRACTThe aim of this study was to evaluate the impact of land-use on total-nitrogen and total-phosphorus concentrations in riverwater (R-N and R-P). The study area consisted of 13 watersheds covering about half of Hokkaido, and 12 watersheds
covering about half of Tohoku and those 12 sub basins in Japan. We estimated N and P specific load factors, which showed
the magnitude of the upland fields, paddy fields, forests and urban land-use contributions to R-N and R-P. The N and P
specific load factors were gained as partial regression coefficients using a multiple regression analysis of the R-N and RP concentrations and the land-use ratios in each of the watersheds. The results showed that The N specific load factor was-2.4, 2.4, 0.1, and 39.8 for the watersheds in Hokkaido, 2.9, 9.8**, 0.49, and -6.8 for the watersheds in Tohoku, and 1.2,
6.7, 0.4, 4.3 for the sub watersheds in Tohoku for paddy, upland, forest, building site, respectively. The P specific loadfactors were 0.08, 0.07, 0.02, and 1.4 for the Hokkaido watersheds, 0.20**, 0.23**, 0.00, and 0.01 for the Tohoku
watersheds, and 0.15, 0.10, 0.00,and 0.80* for the Tohoku sub watersheds for paddy, upland, forest, building site,
respectively (* 5% **, 1% significance). The surplus-N (nitrogen applied to cropland via fertilizer without being absorbed
by crops) was found to be gently correlated to R-N by a non-linear curve with a contribution rate R2 of 0.43 in spite of asimple calculation.
1. INTRODUCTION

2. METHODS

Increased nitrate levels in drinking water, eutrophicationof closed water bodies, and algal blooms are all major
environmental issues in the world[1][4]. It is therefore
important to quantify nutrient loads from both non-point
sources and point sources. The increasing proportion ofcropland area in drainage basins has been found to bestrongly correlated with the nitrogen concentration of riverwater[3]. Woli et al.[7] employed regression slope, or theincrease in NO3-N concentration in river water (mg L-1) vs.
the increase in the proportion of upland in the drainage
watersheds (%), as “the impact factor” to assess stream
water quality. They also found a correlation between
impact factor and watershed-mean surplus-N (N appliedby fertilizer without absorbed by crops), except inwatersheds with large point sources of nitrogen. This
impact factor can be employed as an index of the land-use
characteristics of a watershed. Jordan et al.[2] and Vitousek
et al.[4].found a significant correlation between surplus-Nand N concentration in river water. Here, we applied a
simple watershed land-use model to quantify the net
nutrient loads from non-point sources to rivers.
Furthermore, we investigated the relationships between
the surplus-N and river-nitrogen (R-N) concentration, andbetween the surplus-P (P applied by fertilizer withoutabsorbed by crops) and river-phosphorus (R-P)
concentrations.

The study area was 37 watersheds in Northeastern Japan.
It was consisted of 13 watersheds (37,966 km2, 45.5%) in
Hokkaido Island, and major 12 watersheds (34,047 km2,
50.9%) with 12 sub watersheds (3,777 km2, 5.6%) as thetributaries in the major watersheds in Tohoku district (Fig.
1). We estimated R-N and R-P specific load factors in fourland-use types (upland fields, paddy fields, forests andurban), which represents the magnitude of contribution to
R-N and R-P concentrations. The watersheds weredelineated based on the datasets of a 50 m digital elevation
data (Geospatial Information Authority of Japan, 2001),
and watershed/coastal area boundary data (National Land
Numerical Information, National Land Agency, 1977)
using a Geographic Information System (GIS) (Arc GIS,
ESRI Ltd.) (Fig.1). Land-use ratio in each watershed was
calculated using land-use subdivision mesh data (National
Land Numerical Information, National Land Agency1997) and boundaries of the delineated watersheds. Landuse was classified into the four categories. R-N and R-Pconcentrations were obtained from a database of the
Measurement Results of Water Quality in Public Watersfrom FY 2000 to 2009 (Ministry of the Environment,
2000-2009). R-N and R-P concentrations were simply
averaged as yearly mean concentrations since themeasurements were conducted once a month at each rivermouth.

499

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

We employed the model of Mochizuki et al. [3] to estimate
R-N and R-P specific load factors for each land use typeusing the following equation (1).
4
C=Σ ai xi(1)
i=1       Fig. 1

Table 1

500

Land-Use Specific Load Factors㻴㼛㼗㼗㼍㼕㼐㼛㻌㻝㻟㼣㼍㼠㼑㼞㼟㼔㼑㼐㼟㻺㼕㼠㼞㼛㼓㼑㼚
㻼㼍㼐㼐㼥㼁㼜㼘㼍㼚㼐
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㼁㼞㼎㼍㼚㻔㻮㼡㼕㼘㼐㼕㼚㼓㻕㼐㼑㼠㼑㼞㼙㼕㼚㼍㼠㼕㼛㼚㻌㼏㼛㼑㼒㼒㻚㻘㼟㼕㼓㼚㼕㼒㼕㼏㼍㼚㼏㼑㻔㻼㻌㼢㼍㼘㼡㼑㻕㼀㼛㼔㼛㼗㼡㻌㻝㻞㻌㼟㼡㼎㼣㼍㼠㼑㼞㼟㼔㼑㼐㼟㻞㻚㻥㻝㻥㻚㻣㻥 㻖㻖
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㻙㻢㻚㻣㻢

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㻜㻚㻣㻟 㻼㻨㻜㻚㻜㻝㻼㻨㻜㻚㻜㻝

㼀㼛㼔㼛㼗㼡㻌㻝㻞㼣㼍㼠㼑㼞㼟㼔㼑㼐㼟㻜㻚㻞㻜㻟 㻖㻖㻜㻚㻞㻟㻞 㻖㻖㻜㻚㻜㻜㻟㻙㻜㻚㻜㻝㻟

㻜㻚㻥㻝 㻼㻨㻜㻚㻜㻝㼀㼛㼔㼛㼗㼡㻌㻝㻞㻌㼟㼡㼎㼣㼍㼠㼑㼞㼟㼔㼑㼐㼟
㻜㻚㻝㻡㻣
㻜㻚㻝㻜㻠
㻜㻚㻜㻜㻝
㻜㻚㻣㻥㻤 㻖㻜㻚㻥㻤 㻼㻨㻜㻚㻜㻝㻜㻚㻤㻥 㻼㻨㻜㻚㻜㻝㻖㻡㻑㼟㼕㼓㼚㼕㼒㼕㼏㼍㼚㼏㼑㻘䚷㻖㻖㻝㻑㼟㼕㼓㼚㼕㼒㼕㼏㼍㼚㼏㼑䚷

3. RESULTS

Hokkaido watersheds P

Hokkaido watersheds N
y = 0.6946x + 0.2286
R² = 0.6963

1.6

0.06

1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0

0

0.5

1

1.5

y = 0.5574x + 0.0169
R² = 0.5579

0.07

Estimated P (mg L-1)

Estimated N (mg L-1)

1.4

0.05
0.04
0.03

0.02
0.01
0

2

0

Measured N (mg L )y = 0.6292x + 0.3979
R² = 0.6281

0.08

0

1

y = 0.9185x + 0.0034
R² = 0.9162

0.06

2

0.05

0.04
0.03
0.02
0.01
0

3

0

1.4
1.2
1

0.8
0.6
0.4
0.2
0

0.5

1

1.5

Measured N (mg L-1)

0.04

0.06

0.08

Tohoku sub watersheds P

y = 0.2943x + 0.621
R² = 0.2889

1.6

0.02

Measured P (mg L-1)

Tohoku sub watersheds N

Fig. 20.06

Tohoku watersheds P

Measured N (mg L-1)

0

0.04

0.07

Estimated P (mg L-1)

Estimated N (mg L-1)

Tohoku watersheds N
2
1.8
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0

0.02

Measured P (mg L-1)

-1

Estimated N (mg L-1)

The R-N specific load factors were -2.4, 2.4, 0.1, and 39.8
for the watersheds in Hokkaido island (n=13), 2.9, 9.8,
0.49, and -6.8 for the major watersheds in Tohoku district(n=12), and 1.2, 6.7, 0.4, 4.3 for the sub watersheds in
Tohoku district (n=12) for paddy field, upland field, forest,and urban, respectively (Table 1). The R-P specific loadfactors were 0.08, 0.07, 0.02, and 1.4 for the watersheds in
Hokkaido island, 0.20, 0.23, 0.00, and 0.01 for the majorwatersheds in Tohoku district, and 0.15, 0.10, 0.00, and0.80 for the sub watersheds in Tohoku district for paddy
field, upland field, forest, and urban, respectively. The RN and R-P load factors were highest for urban in Hokkaido
island. The highest factor was found in upland field in
Tohoku district. The dependencies of the R-N and R-P loadfactors to size of the watershed were not significant. The
estimated concentrations coincided relatively well with themeasured ones(Fig.2). The estimated breakdown of theapplied N and P as fertilizers for each crop are shown in
Fig. 3. Almost half or less amount of applied N, and only
small part of applied P were found to be absorbed by crops.
The surplus-N was gently correlated to the R-Nconcentration with a contribution rate R2=0.43 (Fig.4).
This result suggests that the N applied artificially infertilizer to croplands without being absorbed by crops
themselves could be an important contributor to the N
pollution in river water. However, poor relationship was
found between the surplus-P and R-P.

Investigated Watersheds

left: Hokkaido 13 watersheds
right: Tohoku 12 watersheds and 12 sub watersheds

Estimated P (mg L-1)

where C is the watershed-mean R-N or R-P, ai is the R-Nor R-P specific concentration for land-use type i, and xi isthe land-use ratio for the land-use type i. The ai wasestimated as partial regression coefficients for the multiple
regression analysis of the 13 or 12 R-N or R-P
concentrations and the land-use ratios of the watersheds.
Watershed-mean Surplus-N was estimated basedon a statistical table of cropping area that had been
prepared for each Prefecture for 72 main crops(MAFF Japanese food information, 2005),
application guidelines of fertilizer and manure formain crops and data about nitrogen uptake bycrops[5] for 12 watersheds in Tohoku district. The R-Nand  R-P  concentrations were analyzed inrelation to the watershed-mean surplus-N andsurplus-P by single regression analysis.

2

0.1
0.09
0.08
0.07
0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0

y = 0.7748x + 0.0081
R² = 0.7716

0

0.05

0.1

0.15

Measured P (mg L-1)

Measured and Estimated N and P Concentrations17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

Estimated Applied Nitrogen

700
600

N (kg N/ha)

500
400
300
200
100

y = 0.4316e0.1552x
R² = 0.4312

2
1.5
1
0.5

Tohoku R-N
Hokkaido R-N

0

0
2
4
6
8
10
12
Surplus-N of each watershed estimated from the statistics of its dominant
Prefecture (kg N ha-1)

0.07

y = 0.0015x + 0.0214
R² = 0.0526

0.06
0.05

0.04
0.03
0.02

Tohoku R-P

0.01
0

Hokkaido R-P
0

5

10

15

20

Surplus-P of each watershed estimated from the statistics of its dominant
Prefecture (kg P ha-1)

Relationship between Surplus-N, P and River-N, P

4. DISCUSSION
The minus values of the land-use specific load factor mean
“purification” type. The values without asterisk include
uncertainty. However, roughly speaking, N specific loadfactors for urban and upland were larger than those forpaddy and forest, and P specific load factors for urban werelarger than paddy and upland, and much larger than forest.
The N and P specific load factors for paddy and uplandwere larger in Tohoku district than in Hokkaido district.
The reason that the surplus-P was not correlated to R-P was
supposed to be reduced from the large phosphorus
adsorption ability of Andosols which spread widely in
Tohoku district. In this and the previous paper[3][8],we propose a simple method to determine thespecific load factors for different land-use types.
The model has a simple framework and does notneed special data. The model proposed here needs
at least the same number of watersheds as thenumber of land-use types, and its applicability
could be improved in cases where the loads frompoint sources are not large.
5. CONCLUSION

flowers

rice
barley & wheatsoybeanred beankidney bean
peanutsweet potato
pasturegreen cornsorghum
green oat
buckwheatteasugar beet

P in harvest (kg P2O5/ha)

Estimated Applied N and P as fertilizers for each cropRiver-P concentration (mg L-1)

2.5

orangeChinese citron
Hassaku orange
Iyo Kannanavel orange
apple
Japanese pear
pear
persimmon
loquat
peach
plum
peach
Japanese apricot
grapechestnut
pineapple
kiwi fruit

200
100
0

Fig. 3

River-N concentration (mg L-1)

flowers

Estimated Applied Phosphorus

800
700
600
500
400
300

P except in harvest (kg P2O5/ha)

Fig. 4rice
barley & wheatsoybeanred beankidney bean
peanutsweet potato
pasturegreen cornsorghum
green oat
buckwheatteasugar beet

N in harvest (kg N/ha)

Japanese radish
turnipcarrotburdock
lotus root
potatotaro
Japanese yam
Chinese cabbage
mustard spinachcabbagebok choyspinachbutterbur
Japanese honewort
crown daisy
celeryasparagus
cauliflower
broccoli
lettuce
Welsh onion
leek
onion
garliccucumberpumpkineggplant
tomatobell pepper
sweet corn
string bean
field pea
broad bean
green soybean
gingerstrawberrymelonwatermelon

P (kg P2O5/ha)

N except in harvest (kg N/ha)orangeChinese citron
Hassaku orange
Iyo Kannanavel orange
apple
Japanese pear
pear
persimmon
loquat
peach
plum
peach
Japanese apricot
grapechestnut
pineapple
kiwi fruit-200

Japanese radish
turnipcarrotburdock
lotus root
potatotaro
Japanese yam
Chinese cabbage
mustard spinachcabbagebok choyspinachbutterbur
Japanese honewort
crown daisy
celeryasparagus
cauliflower
broccoli
lettuce
Welsh onion
leek
onion
garliccucumberpumpkineggplant
tomatobell pepper
sweet corn
string bean
field pea
broad bean
green soybean
gingerstrawberrymelonwatermelon

0-100(based on [5] )We propose a simple method to determine the specific loadfactors for different land-use types. We applied the method
to evaluate the impact of land-use on total-nitrogen andtotal-phosphorus concentrations in river waterin
Hokkaido and Tohoku districts. The model was thought tobe useful to estimate the change in N and P concentrations
in river water resulted from land-use change.
REFERENCES[1] Burt TP, Heathwaite AL, Trudgill ST: Nitrate: Processes,
Patterns and Management. John Wiley & Sons Ltd, p.444, 1993.
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501

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

O5-10

Evaluation of Nutrient Load Reduction by Precision Water
Management from Paddy Field in Lake Inbanuma Watershed
Koshi Yoshida1, Toshiaki Iida2 Shigeya Maeda1 and Hisao Kuroda1
1

Ibaraki University, 2The University of Tokyo

Keywords: water environmental conservation, nitrogen runoff, phosphorus runoff, automatic irrigation
ABSTRACTIn this study, the impact of nutrient load reduction by precision water management was evaluated to improve
the water environment of Lake Inbanuma. Kashima district, which was managed by Inbanuma land
improvement district, was selected for the test site. Water, nitrogen and phosphorus concentration wasmonitored at Iino pumping station and paddy drainage. From the monitoring data, water balance andnutrients balance were estimated. As a result, precision water management by automatic irrigator can reduce
65% of irrigation water, 58% of nitrogen load and 43% of phosphorus load.
1. INTRODUCTION

2. STUDY AREA

Irrigation water is essential for food production especiallyin paddy rice, and much water was withdrawn from water
sources compare to other water use sector [1]. In Japan,
water delivery system for agriculture was highlydeveloped and managed by land improvement district [2].
The 1st priority of irrigation is water supply to avoid thewater stress, however, saving a labor input for agriculturalland management such as weed control also the importantfactor. Therefore, farmers want to input much water for
their paddy to save a labor cost [3]. However, much
irrigation water leads much energy consumption forpumping, as a result, water fee also increases. In addition,
increase of drainage water cause a much nutrient effluent
to downstream water environment[4][5]. Historically, water
delivery system in paddy agriculture has been supplyoriented system. However recent innovation of field
monitoring or automatic regulation system will change it
to demand-oriented system. In this study, the impact ofprecision water management by auto irrigator was
evaluated to improve the water management system inpaddy without the additional labor input.

For the test site, Kashima district was selected which wasmanaged by Inbanuma land improvement district andhaving 46.1 ha benefit area (Fig.1). Fig.2 shows themonitoring paddy fields having 6.48 ha. All of these paddy
fields were cultivated by same farmer group. Irrigationwater was pumped up from Inbanuma lake, and water frompaddy was drained to Inbanuma again flowing throughKashima river. In this paddy fields, open type drainage
canal was not existed, and subsurface drainage system wasinstalled in all paddies so that all drained water, which waspercolated through paddy soil layer and overflowed frompaddy outlet, gathers to drain pipe. Inbanuma lake isclosed water area and eutrophic lake [6][7]. Therefore,drainage water from paddy fields was one of the pollution
sources. Although drainage water from paddy haverelatively low nutrient concentration compare to that fromupland, drainage water amount is larger. Therefore,
nutrient load from paddy fields could not be negligible forthe conservation of lake water environment.
Iino Pump Station
Drain pipe
No.1

Kashima District

AWS

WLG

Kashima River

Iino Pump Station

P

No.3

No.2
Monitoring Paddy

Kashima riverFig.2 Monitoring paddy fields

Fig.1 Outline of study area

502

AWS: automatic water
sampler
WLG: water level gouge117th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

3. FIELD MEASUREMENT

4. RESULT AND DISCUSSION

To evaluate the water balance such as how much water was
irrigated, evaporated and drained, paddy water level wasmonitored in hourly basis at 3 paddies by using HOBO
U20 water level loggers (Onset Co. Ltd.). Water quality at
Iino pumping station and paddy drainage pipe wasmeasured in daily basis (at noon) such as soil sediment(SS), total nitrogen (TN), nitrate nitrogen (NO3-N),
ammonium nitrogen(NH4-N), chemical oxygen demand(COD) and total phosphorous (TP). Meteorological dataalso measured at Iino pumping station for calculating
evapotranspiration. Measured items were rainfall, solar
radiation, wind speed, air temperature, relative humidity
and atmospheric pressure. Rice variety was Momiroman
which was not for human food but for livestock feeding.
Observation period was from 4 /Jun/2012 to 22/Sep/2014
for 3 years, but only irrigation periods. A questionnaire to
the farmer also conducted to grasp the fertilizer input or
land management practices.
Fig.3 shows the variation of rainfall, paddy water depth,
TN and TP concentration of in and outflow at paddy field
during observation period. In 2012, paddy water depth wascontrolled relatively deep, so the amount of drained water
also became larger than 2013-2014. Much drained water
leads much TN and TP concentration in 2012.

The pollution load through surface runoff can be reducedby controlling the surface drainage water volume [8][9].
Such water management leads water and irrigation costsaving, and pollution load to downstream water
environment also can be reduced. For saving water andfarmer’s labor input, automatic irrigation system wasdeveloped and introduced in some irrigation district. Fig.
4 shows schematized description of float auto irrigator.
Farmers just set the target water level and auto irrigator
supply water until float level increase at target depth. In
this study, the effect of this auto irrigation system on watersaving and nutrient load reduction was estimated andcompared with conventional water management case.

Rainfall (mm)150

Fig.4 schematized description of float auto irrigator

non-irrigatedperiodnon-irrigatedperiod100

Rainfll500Depth (mm)

250
150
100
50

TN (mg/L)

001/05/2012
15

09/08/2012

17/11/2012 25/02/2013

05/06/2013

13/09/2013 22/12/2013

01/04/2014

10/07/2014
IN10

18/10/2014
OUT

5
0
01/05/2012
2

TP (mg/L)

Water Depth

200

09/08/2012

17/11/2012

25/02/2013

05/06/2013 13/09/2013

22/12/2013

01/04/2014 10/07/2014
IN

1.5

18/10/2014
OUT

1
0.5
0
01/05/2012

09/08/2012

17/11/2012

25/02/2013

05/06/2013

13/09/2013

22/12/2013

01/04/2014

10/07/2014

18/10/2014

Fig.3 Variation of rainfall, water depth, TN and TP concentration of observed paddy during irrigated period (2012-2014)2503

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

Table1 Annual averaged nitrogen and phosphorus balance in irrigation period during 2012-2014㻵㻺㻼㼁㼀㼞㼍㼕㼚㼒㼍㼘㼘
㼕㼞㼞㼕㼓㼍㼠㼕㼛㼚㼒㼑㼞㼠㼕㼘㼕㼦㼑㼞㼀㼛㼠㼍㼘㻻㼁㼀㻼㼁㼀
㼟㼡㼞㼒㼍㼏㼑㻌㼞㼡㼚㼛㼒㼒㼜㼑㼞㼏㼛㼘㼍㼠㼕㼛㼚㼔㼍㼞㼢㼑㼟㼠
㼞㼑㼙㼛㼢㼍㼘㻘㻌㼍㼎㼟㼛㼞㼎㼑㼐㻌㼀㼛㼠㼍㼘㻺㼕㼠㼞㼛㼓㼑㼚
㻯㼛㼚㼢㼑㼚㼠㼕㼛㼚㼍㼘㼣㼕㼠㼔㻌㻭㼡㼠㼛㻌㻵㼞㼞㼕㼓㼍㼠㼛㼞㻔㼗㼓㻛㼔㼍㻕
䠄䠂䠅㻔㼗㼓㻛㼔㼍㻕
䠄䠂䠅
㻣
㻠
㻣
㻠
㻟㻥
㻞㻜
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㻥
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㻣㻣
㻝㻡㻠
㻤㻤
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㻝㻜㻜
㻝㻣㻢
㻝㻜㻜
㻞㻢
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㻜
㻜
㻝㻜
㻡
㻝㻞
㻣
㻝㻜㻝
㻡㻝
㻝㻜㻝
㻡㻣
㻢㻟
㻟㻞
㻢㻟
㻟㻢
㻞㻜㻜
㻝㻜㻜
㻝㻣㻢
㻝㻜㻜

From observed data, water balance was estimated during
2012-2014. At the monitoring paddy fields, 2045mm/year
water was pumped up for irrigation and 53% of supplied
water was released by surface drainage from paddy outlet
in current situation. Therefore, there was still large
possibility to save water by introducing elaborated water
management system to reduce surface drainage water [8].
With installing auto irrigator case, the water saving effect
was about 1335mm (65%) and energy consumption forpumping also can be saved. As a result, farmer can savewater fee which farmer pay to land improvement district
for the maintenance and operation of water delivery
facilities.
Table1 shows annual averaged nitrogen and phosphorus
balance in irrigation period during 2012-2014. Generally,in the conventional paddy field, 90-120 kg/ha nitrogen wasrecommended in food rice cultivation. However, much
nitrogen was fertilized in this monitoring paddy comparedwith conventional one. Because, in feed rice cultivation,
farmers do not need to pay attention to a taste of rice,
therefore much amount of fertilizer was input to increase
the rice biomass. In addition, farmer can get manure in freefrom livestock sector by exchanging the rice straw.
Estimated nitrogen and phosphorus loads from paddy were
36 kgN/ha and 7 kgP/ha. In Inbanuma watershed, there are
7,370 ha paddy field so that about 265 ton nitrogen and 52
ton phosphorus were flow into the Inbanuma lake from all
paddy fields. With auto irrigator case, nitrogen andphosphorus load reduction were expected as 21
kgN/ha(58%) and 3 kgP/ha(43%).

paddy area is increasing under the governmental
regulation policy. Therefore, water pollution in closed typelake may become worse if feed rice paddy spread widely.
Auto irrigation system is effective to save irrigation water
input and pumping energy consumption and to conserve
the water environment without more farmer’s labor input
for water management.
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irrigation, Irrig. Drain. Syst., 16(4):261-277.

5. CONCLUSION
In this study, field monitoring was conducted to grasp thecurrent condition of water and nutrients balance in the
paddy field. Large amount of irrigation water and nutrient
fertilizer were inputted in monitoring paddy of Kashima
district, because feed rice was cultivated in this paddy. And
high input of water and nutrients leads much effluent load
to downstream water environment. Recently, feed rice504

㻼㼔㼛㼟㼜㼔㼛㼞㼡㼟㻯㼛㼚㼢㼑㼚㼠㼕㼛㼚㼍㼘㼣㼕㼠㼔㻌㻭㼡㼠㼛㻌㻵㼞㼞㼕㼓㼍㼠㼛㼞㻔㼗㼓㻛㼔㼍㻕
䠄䠂䠅㻔㼗㼓㻛㼔㼍㻕
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㻜
㻜
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㻥㻡
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㻝㻜㻜
㻠
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㻜
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㻞㻥
㻝㻥
㻟㻝
㻠㻜
㻢㻝
㻟㻥
㻢㻠
㻢㻢
㻝㻜㻜
㻢㻝
㻝㻜㻜

[9] Rice, R. C., D. J. Hunsaker, F. J. Adamsen, and A. J. Clemmens,
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3

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

O5-11

Analysis of Water and Nutrient Movement in a Cyclic Irrigation
System to Paddy Fields
TAKAHIRO ISHIKAWA1, TOSHIAKI IIDA1, MASAOMI KIMURA1, HIROKI MINAKAWA2, and
NARITAKA KUBO1
2

1
Graduate School of Agricultural and Life Sciences, The University of Tokyo,
Kanto Regional Agricultural Administration Office, Ministry of Agriculture, Forestry and Fisheries

Keywords: cyclic irrigation, paddy field, nutrient load, lake environment, drainage canal
ABSTRACT

Imbanuma at Chiba Prefecture has had a serious problem of water quality deterioration in recent years. In
order to improve the circumstances, cyclic irrigation is proposed to be one of feasible measures. In a cyclic
irrigation system, drainage water discharged from paddy fields is pumped and reused as irrigation water.
Cyclic irrigation is expected to decrease the nutrient load because it decreases the amount of water flowing
into the downstream lake, and because some of the nutrient in drainage water would be returned to the
paddy field. The purpose of this study is to evaluate quantitatively the effect of the cyclic irrigation systemon the nutrient load for Imbanuma. Three research approaches were conducted in this study. First, the recordof the main pump and the map of the drainage canal network were analyzed. It was revealed that fifty-one
percent of the total irrigation water was reused and that fifty-seven percent of paddy fields returned to themain pump. Second, a water movement model was developed which consists of tank models representing
the paddy fields and the background catchment and a drainage canal model. This model roughly reproduced
the observed water level in the downstream drainage canal, but further improvement seemed necessary.
Third, the relations between water quality and precipitation of farming activities were analyzed using water
quality data observed monthly. It was suggested that more frequent observation is necessary to clarify thewater and nutrient movement in the system.

1. INTRODUCTION
2. MATERIALS AND METHOD
2.1 Research field
To construct the new cyclic irrigation system, many old
pump stations are consolidated into new six pump stations.
Two of the pump stations have been already in operation,and the others are under or before construction. The area
whose irrigation water is supplied by one of the two pumpstations in operation was selected as the study area.

Imbanuma is located about 50 km east of the center ofTokyo. The total water surface is about 9.43 km2. The areaof Imbanuma basin is about 487 km2, most of which had
been covered by forest and agricultural land but is rapidly
urbanized recently to have population more than 780
thousand within the basin. The lake is well known by its
deterioration of water quality in recent years. As one of theoptions to improve the lake environment, cyclic irrigation
was adopted for irrigation to paddy fields surrounding thelake and started in 2015. In the cyclic irrigation system,
drainage water from paddy fields is pumped from thedownstream drainage canal and reused as irrigation water.
Cyclic irrigation is expected to decrease the nutrient loadto the lake because it decrease the amount of drainage
water to the lake, and because some of the nutrient load
may be consumed at paddy fields.

2.2 Analysis of irrigation water
The operation records of the main pump for thecyclic irrigation was analyzed, referring to theirrigation pipe network to each paddy field plot.
2.3 Making hydrological model
A model which represents the water movement in
the basin during the cyclic irrigation was proposed.
With pump operation data and meteorological data
as input to the model, the variation of the observed
water level at the downstream drainage canal was
acceptably reproduced by the model output.
2.4 Analysis of water quality

The purpose of this study is evaluation of the effect of thecyclic irrigation to paddy fields on variation in the
discharge and the nutrient load to the downstream drainage
canal

1

505

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018height of rainfall from sampling day to N day
before sampling day. For example from following
sample in Table1, each cumulative precipitation isdisplayed like Table2.

The relation between nutrient concentration variation in
the drainage canal and the occurrence of precipitation andfertilization was analyzed.
3. RESULTS and DISCUSSION
3.1 Analysis of irrigation water
It was found that the drainage water from 57 percent of
the paddy field area receiving the irrigation water fromthe pump returned to the pump again and that 51 percentof the total irrigation water returned to the pump to bereused as irrigation water again. To compare withformer study of cyclic irrigation in Japan [1] [2], this ratio
is higher in such irrigation system which is adopted forenvironmental improvement.
3.2 Making hydrological model
The 2 layered tank models for paddy fields and forbackground basins and the model of the downstream
drainage canal was adopted in the model.Figure1 shows
schematic diagram of this model and parameter values.
This model has two features. One is that height of hallof paddy-field-surface-tank is available according tofarmer’s water management. The other is that drainage
canal is connected with ground water tanks of both
paddy field and background. It interpret that water indrainage canal and groundwater has relationship, ifwater level in canal come down water will flow fromunder-ground by water level difference between canaland under-ground.
It is admitted, however, that there is still some room for
improvement in the model structure as well as the model
parameter values.

Table1, example data

Date
2017/5/4
2017/5/5
2017/5/6
2017/5/7
2017/5/8
2017/5/9
2017/5/10(Sampling Day)

Table2, Each day cumulative precipitation of
example data

N day

Three
Five
Seven

Cumulative
precipitation
(mm)
4
15.5
20.8

Figure2 shows that relationship between three,
five and seven day cumulative precipitation and TN concentration of the samples. One sample datais stacked with as day is increased. From thisfigure, we know that there is no point plotted atwhere both of T-N concentration and N day
cumulative precipitation are high. And point aregathered in where value of T-N concentration isnearly 1.5mg/L. So we discussed T-N concentration
is attenuated by rainfall.

3.3 Relation between T-N concentration ofdischarged water in drainage canal and rainfall
N day cumulative precipitation is cumulative

Paddy Field
Surface
Tank

0.4

0.6

5mm

Variable

Back ground
Surface
Tank

0.02
Paddy Field
Groundwater
Tank

0.05

Drainage
Canal

0.02

Back ground
Groundwater
Tank
0.01

0.00080.0003Fig1.Schematic diagram of the proposed model

506

Rainfall(mm)
0
5.3
11.5
0
4
0
0

2

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

3.4 A comparison between irrigation water anddischarged water about T-N concentration
To compare between irrigation water and discharged water,
T-N concentration of discharged water is lower than one ofirrigation water at most data.(Figure3) So it can be said
that paddy field in this area can reduce the T-Nconcentration of water. But at this analysis it is not considered

REFERENCES[1]

Kabin Kan, Akira Kudo, Mattashi Izumi: Experimental Studyof the Water Management and Outflow Load on Paddy Field
in Low-lying Area, Bull. Fac. Agric.& Life Sci. Hirosaki Univ.
No.10:1－11,2007

that there is time lag between flowing into paddy field and draining[2]

Ryoichi Kaneki, Masahisa Nakamura, Minekazu

off from paddy field.

Yasuhiko

4. CONCLUSION

Society, Japan 71(9), 829-834, 2003

Izumi,

Himeno., Journal of the Agricultural Engineering

This research’s conclusive purpose is to reveal movement of waterand to reveal movement of water quality.
But sampling in this research was done three times in amonth at most. For this purpose sampling should be done
more frequently.

cumulative precipitation(mm)

160
3day

140

5day

7day

120
100
80
60
40
20
0
0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

T-N concentration(mg/L)

3.00

3.50

4.00

Fig2, Relation between T-N concentration and N day cumulative precipitation

T-N concentration(mg/L)

3.50
Irrigation Water

3.00

Discharged Water

2.50
2.00
1.50
1.00
0.50

2017/6/1

2017/5/8

2017/4/21

2016/8/1

2016/7/4

2016/6/2

2016/5/9

2016/4/13

2015/8/4

2015/7/21

2015/7/14

2015/6/11

2015/6/1

2015/5/18

2015/5/7

2015/4/27

0.00

Fig3, Comparison between irrigation water and discharged water

3

507

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

O5-12

霞ヶ浦新利根川流域における湖沼と水田地帯の水環境保全に向けた
循環灌漑の適用可能性
加藤 亮 1，池田周平 1，直江次男 2
1

東京農工大学，2 農林水産省関東農政局

キーワード：水田，循環灌漑，水質浄化，シナリオ分析
抄録
霞ヶ浦に代表されるように，宅地と農業地域を流域内に持つ湖沼の水環境は，生活排水の対策が進んだことにより一時期改善が見られたが，その後，横ばい傾向を示している。これは，農地に施用された余剰肥料等の影響や，土壌に蓄積した窒素やリンなどの汚濁負荷の影響が長期に渡り継続しているためではないかと考えられている。したがって，
湖沼のさらなる水環境の改善のためには，農業排水の対策が期待されており，水田地帯における循環灌漑は，その対策の一つと考えられている。そこで，霞ヶ浦流域内の新利根川土地改良区を対象に，循環灌漑を導入した場合の，水質浄化効果と，ブロック内の負荷の蓄積がどの程度になるかを検討するため，１時間単位で水位と EC を測定し，それに基づき水収支と物質収支を明らかにし，循環灌漑を導入する場合のシナリオ分析を実施した。測定期間は 2017 年 1
月～12 月である。

1. はじめににすることを目的とする。この知見に基づき，本地区と霞ヶ浦流域への物質循環の適正化に資する，循環灌漑の新利根川沿岸地区は，霞ヶ浦流域南部，利根川左岸

水管理の効果について検討する。

に位置する低平地水田を中心とした灌漑地区である。灌漑用水，排水とも揚水機場を必要とする。また，排水においては，地区の常時排水機能も担っており，灌漑期，

2. 方法

非灌漑期を問わず洪水対策としての排水管理を用水管

新利根川沿岸地区は茨城県の南部に位置し，新利理と併せて土地改良区が実施しているのが特徴である。

根川沿岸に展開する農業地域であり，関係市町村は

特に，本地区は霞ヶ浦流域内に立地していることから，稲敷市（旧新利根村、旧東村、旧江戸崎町、旧桜川村）

水質保全（窒素，リン，有機物）が重要視されている。さ及び河内町からなる。受益面積は用水、排水改良を合らには、経年変化等による施設の老朽化が進んでおり，

わせて 7,030ha（水田 6,770ha、畑 260ha）である。

用排水機場等の施設の更新が待たれている状況である

今回調査対象とした金江津地区(Fig.1)は，用水源おが，施設の更新時には，農村周辺の環境保全や洪水対

よび排水先とも新利根川である。用水機場を通じて，パ策といった公益性をより考慮し，持続的な農村社会シス

イプラインで水田圃場へ直接水が配分され，新利根川とテムに寄与することが望まれている。
一般に水質保全や，農業からの汚濁負荷を軽減する手法として，農業用水の観点からは循環灌漑が提案されている[１]。すなわち，水田排水を灌漑用水として再利用し，水質保全や節水型の水利用となる循環灌漑シス
テムである[2][3]。ただし，水田排水が，灌漑用水として適当であるかどうか，水量はどの程度確保できるか，どの程度の浄化効果を期待することができるか等の検討が必要である。
以上から，本調査は，まずは水田灌漑における主排水路の水質を調査対象とし，水収支，物質収支を明らか

508

Fig.1 新利根川沿岸地区および測定地点

1

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

S R   In  ET  Out

利根川との間に位置する中央排水路(Fig.2)に水が集ま(1)り，排水機場(Fig.3)によって，新利根川に排水される。

ここで，ΔS は流域貯留の変動量，R は降雨量，In は太低平地の干拓地であることから，排水機場は周辺の洪田用水機場，十平用水機場の流入量（m3/d），ET は蒸

水排水のため，設定水位を超えると稼動することとなる。

発散量，Out は金江津排水機場量（m3/d）となる。降雨太田金江津用水機場は，揚水後，一度太田配水槽に量，蒸発散量は（ｍｍ）であるがブロック面積 980ha を乗じて，流量に換算した。

貯水され，その後重力で各水田圃場に配分していく。用
水はパイプライン化されており，揚水から配水の段階で上式の結果を用いて，EC 負荷（フラックス）の収支をの排水の混入はほぼ無い状態であり，新利根川の比較求めた。

的良好な水質が灌漑に利用可能である。また，土地改ECL ECLin  ECLout

良区内の土地利用はほぼ水田であり，一部，ハス田等（2）
ECLin R  ECrain   In  ECin  S  ECavr （3）が散在する。管内では，農家の住宅もあり，合併浄化槽

ECLout Out  ECout

または，集落排水，流域下水道が混在する。

（4）

図中の太田金江津用水機場，十平用水機場，金江津

ここで， ΔECL はブロック内の貯留量変化を， ECLin ，

排水機場にて，水位と EC の連続モニタリング装置を設置した。水位計（Onset 社, Hobo U20L 04），EC 計

ECLout は流入負荷，流出負荷の合計である。ECrain は
降雨の EC，ECin は各機場の測定された EC，ECavr は（Onset 社, Hobo U24-001）を太田金江津用水機場と金本来は上流ブロックからの流入 EC を表すが，測定機器

江津排水機場に，十平機場には EC 計のみを設置した。

の設置の制限上，今回は金江津の EC の期別平均値を補正用の大気圧計は，金江津排水機場に設置した。ま用いる。

た，ポンプ稼働量については，各機場の管理月報からま

3. 結果

とめた。

金江津排水機場の水位とＥＣの変動結果を示す。

金江津排水機場の排水面積全体は水田面積で

金江津排水機場は，洪水対策のため常時排水が行わ

1,670ha，流域としてみると 2,020ha を持っているが，太れており，水位設定でポンプの on/off 制御が行われ

田用水機場から金江津排水機場までのブロックは，そのている。そのため，頻繁にポンプが揚水を繰り返すたうちの 930ha である。流域としては Google Earth を用い

め，水位変動は常に上下を繰り返している状態であて面積を測定したところ，980ha であった。

る。なお，金江津排水機場における，EC の変動は，灌漑期に減少し，非灌漑期に増大する傾向があった。

気象データは，降雨量については気象庁の「江戸崎」特に，1 月期に EC が高い数値を示しているが，これ観測所，蒸発散量の推定のための項目については「筑は，降雨が少ないため流域から流出する EC 値を希波（館野）」のデータを利用した。

釈することができなかったためと考えられる。2016

他の水質項目については，窒素，リンについても 2 ヶ年 12 月から 2017 年 1 月にかけての EC の変動と降月に一回の頻度で測定した。どちらも各機場において，雨量の関係を見ると，降雨により希釈されている現マニュアルで採水し，本学の実験機器にて分析を行っ象が見受けられる（Fig.2）。

た。窒素については，全窒素，全リンについては
JISK102 に準拠した方法にて分光光度計（UVmini1240,

対象ブロックに対して，水収支式を適用した。入力にShimadzu 社）で測定した。硝酸態窒素，リン酸態リンはイ

は，2017 年の日降雨量，日蒸発散量（ペンマンモンティ

オンクロマトグラフ（HIC-SP, ShimPack A3, Shimadzu 社）
を用いて測定した。
金江津排水機場から太田用水機場までのブロックを一つの境界とし，水収支，物質収支を求める。灌漑期においては，降雨量，灌漑用水量を流入とし，蒸発散量，
排水揚水量を流出して求める。流入と流出の差は差分となり，ブロック内での貯留もしくは系外損失（地下浸透または横浸透）として扱う。物質収支は，各流入，流出項
目に水質項目を乗じて求める。本報告では，EC に着目

Fig.2 金江津機場の EC 変動と降雨（2016 年 12 月～2017 年 1 月）

して EC 負荷量（フラックス）の収支を求める。

2509

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

Fig.3 排水ブロックにおける年間水収支

Fig.4 循環灌漑による EC 負荷削減量ス式），太田，十平，金江津の揚水量をそれぞれ求めた。

ることが示された。

式の差分から，残渣項が残るが，低平地であり地下浸透としての損失は無視できると考え，上流からの流入量とし

5. 結論て考え，Fig.3 に示す結果が得られた。また，物質収支と以上から，循環灌漑による霞ヶ浦への EC の負荷削減

しては Table2 の結果が得られた。

量を示し，同時に，灌漑ブロック内でどの程度 EC が増

このことが示すのは，EC は，水中における溶存態

加するかについて示すことができた。実際の農家は，EC

イオンの含有量を概ね表す指標である。灌漑期に ECが高い場合，塩分濃度の上昇を懸念し，収量や品質低の排出フラックスが減少したのは，水田の灌漑排水

下につながると考えることから，EC が極端に上昇するよ

を通じて，イオンの総量が土壌に吸着し，また植生に
Table 2 EC 負荷収支の概要

通年
灌漑期（4月1日～9月15日）

非灌漑期（1月1日～3月30日）（9月16日～12月31日）

単位

流入（ECL in ）流出（ECL out ）
上流からの
金江津負荷
降雨負荷 用水負荷
流入負荷
357
5,659
9,989
18,815平均EC 30
122
5,643
4,230
11,090
平均EC 30
平均EC 529
235
15
5,758
7,725
平均EC 30

平均EC 661

うな循環灌漑の運用は，難しいと考える。循環強度を下（102 S m2）
残差（ΔECL )ブロック内貯留変化

げることにより，霞ヶ浦に対する浄化効果は小さくなるものの，水田の用水基準として受け入れられる EC 値で，循環灌漑を運用することは，実現可能である。

-2776-7.61（日当たり）-1059-6.92（日当たり）-1715

今後の課題として，循環強度と EC との間でのトレード
オフ関係を明示しながら，循環強度を提言することを考-8.09（日当たり）

よる吸収がすすんだためと考えられる。いわゆる，水えたい。また，EC に含まれるカチオンを特定し，塩害を田の浄化機能が発揮されたためと考えられる。

引き起こすレベルにあるかどうかを測定する必要がある。
EC は連続モニタリングが可能であるので，そのようなカチオンの挙動と EC の変動との間に関連性を特定すれ

4. シナリオ分析

ば，リアルタイムの制御にもつながることが期待できる。

物質収支解析を元に，循環強度を 100%と仮定し，循環灌漑を実施した際の削減負荷量と排水水質の汚引用文献

濁上昇率を算定した。つまり，用水機場からの供給量

[1]

金木亮一，
「小講座」循環灌漑, 農業農村工学会誌，Vol.
73, No..4, p297, 2005

[2]

中村 公人, 濱 武英, 三野 徹，木浜地区の循環灌漑シ
ステムによる水質保全効果，環境技術, Vol. 35, No. 8,
pp.558-563, 2006[3]

濱 武英, 中村 公人, 三野 徹, 循環灌漑を実施する水田
流域の窒素・リンの物質収支, 農業農村工学会論文集,
No. 250, pp.91-97, 2007

を，排水機場から分水することで全てまかなうとした。流域内の EC の流出状況が循環灌漑の適用前と同じであると仮定し，エクセルのソルバーを用いて排水の EC を求めた。削減できる EC 負荷量は，灌漑期には，循環灌漑が無い場合に新利根川に流出する 負 荷 量 の 約 64 ％ （ 20.3 × 105(Sm2) → 7.3 ×105(Sm2）)であった。通年で計算しても約 45％の効果が得られることが示された。一方，灌漑ブロックに負荷が還元されるため EC の上昇は，平均で 1.8 倍（灌漑期 EC, 528（μS/cm）→971（μS/cm））とな

510

317th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018O5-13

大潟村における GNSS 直進アシスト田植機を活用した水稲無落水移植による
八郎湖の環境改善 ①GNSS 直進アシスト田植機の無落水移植試験
長坂 善禎１，進藤 勇人２，加藤 雅也２，齋藤 雅憲２，近藤 正３，山本 聡史３, 藤原 行毅４，矢治 幸夫３
1

農研機構・東北農業研究センター，2 秋田県農業試験場，３秋田県立大学，４JA 大潟村
キーワード：GNSS，自動操舵，水稲，田植機，無落水
抄録

秋田県大潟村の八郎潟干拓地残存湖である八郎湖では八郎潟中央干拓地の営農などにより富栄養化が進み、環境負荷の軽減が課題となっている。代かき後の濁水を水田から排出しなければ環境負荷の低減が図られると考えられるため、大潟村に RTKGNSS の基準局を設置し、GNSS 直進アシスト田植機によりマーカーなしで、無落水で田植え作業を行った。条件のよいところでは直進精度±5cm を達成でき、熟練オペレータの作業精度に遜色のない結果を得られた、植付けの精度についても、代かき水 30、43mm を落水しない条件で欠株率、植付け深は慣行の落水移植と同等であった。また、慣行と比べて水稲生育に差はなく、収量や玄米品質の低下もなかった。
1. はじめに本研究では、GNSS 自動操舵装置を装着した田植機

54 年前に我が国第 2 の湖沼面積を持った八郎潟を（GNSS 直進アシスト田植機）の無落水移植での作業性

干拓して大潟村が誕生し、昭和 48 年から農地利用が始能を検討し、直進性、移植精度等を調査したので報告まった。八郎潟の残存湖である八郎湖は、面積がもとのする。

1/5 になり長年の干拓地の営農による肥料成分等の流入により富栄養化が進み、アオコの大量発生などの問題を

2. 方法

引き起こしている。

RTKGNSS の基準局を、秋田県大潟村にある秋田県

田植え前の代かき作業は、耕起後の水田で土塊を攪

立大学大潟キャンパス清新寮屋上（地上約 30m）に設置

拌し、土塊を細かくして地下浸透を防いで水をためやす

し、基準局からの補正信号を 5W 出力のデジタル簡易い状態にし、田植えに最適な土壌条件を実現するため無線装置で電波を送信した（図１）。GNSS 直進アシに実施する。代かき後の水田の上層の水（代かき水）に

スト田植機の移植作業については、基準局から直線距

は肥料成分等が含まれているが、これまでの田植え作

離で 2km 程度離れたほ場 A、5km 程度離れたほ場 B、業では次の作業行程の目印とするマーカー跡を田3km 程度離れたほ場 C で（図 2）、合計約 17ha の実証

面につける必要があり、作業前に代かき水を排出（落水）してマーカー跡をつけやすくしている。
この代かき水が 八郎湖へ流入することが富栄養化の原因の一つであると考えられており、代かき後に落水しなければ流入する肥料成分を抑制することができる。しかし、落水しないとマーカー跡をつけることはできないため、これまで落水しないで移植作業を行うことは想定されていなかった。

試験を行った。
GNSS 直進アシスト田植機（図 3）は、K 社製 8 条植田
植機に T 社製自動操舵装置を装着しており、基準局からの補正信号を受信して±2cm の精度で測位することができ、位置情報のほか進行方位や傾斜も同時に計測し、操舵ステアリング内蔵のモーターを駆動して自動操舵を行った。各ほ場毎に操舵のための各種パラメータを調整し、農家の運転で作業を行った。作業の直進部分は自近年になって測位衛星を利用して高精度に位置情報

動で、旋回および外周の枕地部分は手動で作業を行っを得ることができる RTKGNSS を利用した自動操舵装置

た。GNSS 受信機から出力される位置情報をロガーに記がわが国でも北海道を中心に普及しており、都府県の録し、作業後にデータ処理をして作業軌跡の精度を評

水田地帯でも一部導入されつつある。報告者らは、この価した。

GNSS 自動操舵装置を田植機に装着することで高精度

移植精度および水稲生育への影響は、大潟村現地に直進走行できることから、マーカー不要で落水するこの A、B ほ場で調査した。さらに、収穫後に収量、玄米品となく移植作業を可能とする技術開発を進めてきた[１]。

質などを解析した。供試水田は、いずれも重粘土（強グ1511

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

えない状況でも十分な精度が得られた[２]（表１）。

ライ土）であり、区画は A ほ場が 1.2ha、B ほ場が 2.5haの水田であった。

図1

RTKGNSS の基準局（清新寮屋上）

図4

GNSS 直進アシスト田植機の作業軌跡

図5

B ほ場の直進性が高い無落水移植作業

C

A

B

国土地理院地図を利用して作成

図2

試験ほ場の配置

しかし、耕盤の凹凸や明渠跡など土の状態が均一でないと蛇行することもあり、高精度作業のためには均一なほ場の準備が必要であると考えられた。ま図3

た、B ほ場では基準局からの無線信号が途切れて測GNSS 直進アシスト田植機

位精度が低下することがあり、田植機の補正信号受信アンテナの高さを約 1m 上昇させると、その後の3. 結果及び考察作業において信号の遮断はなくなった。

GNSS 直進アシスト田植機を利用した移植作業作

GNSS 自動操舵を利用したほ場 A およびほ場 B に業の、ほ場 B での往復作業の軌跡を図 4 に作業の状おける無落水移植の移植精度は、それぞれ落水しな

況を図 5 に示す。行程ごとの作業精度を検証したとい水深 43mm、30mm の条件で、欠株率 0.7%、
0.3%、

ころ、旋回後の作業開始直後 10m を除くと、直進作

植え付け深 33mm、38mm であった[３]。無落水移植

業精度は±5cm、目標経路からの偏差は二乗平均平は落水移植と同等の精度で移植作業が可能であった

方根（RMS）で 2cm であった。条件が悪いところで[３]（表 2、3）。

は±8cm 程度、RMS で 4cm であり、マーカーが見512

2

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

表1

B ほ場における直進アシスト田植機の直進精度評価（m）[２]

行程数

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

最大値

0.04

0.05

0.03

0.03

0.03

0.04

0.02

0.06

0.03

0.04

0.02

最小値

-0.05

-0.03

-0.03

-0.03

-0.03

-0.03

-0.03

-0.04

-0.02

-0.03

-0.03

平均

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

RMS

0.02

0.02

0.01

0.01

0.01

0.02

0.01

0.02

0.01

0.01

0.01

5cm 以内の割合

99%

100%

100%

100%

100%

100%

100%

97%

100%

100%

100%

表2

A ほ場における移植時の苗と植え付け精度[３]表3B ほ場における移植時の苗と植え付け精度[３]その後の無落水移植の生育は、落水移植と大きな収量や玄米品質の低下はみられず、良好な結果を得た。

差はなかった。また、無落水移植による坪刈収量は、代かき水を落水しない移植作業の環境負荷軽減効果はA ほ場 63.3kg/a（あきたこまち）、B ほ場 64.5kg/a

次報に示す。

（トキメキモチ）と慣行の落水移植に対する低下はなく、玄米品質も慣行と同等であった[３]。

引用文献
[1]

長坂善禎，玉城勝彦，齋藤正博: 農作業の自動化技術の現状と基盤整備への期待, 水地の知, 84(8), pp.681-684,
2016[2] 長坂善禎，進藤隼人, 齋藤雅憲, 加藤雅也, 山本聡史, 矢
治幸夫: 大潟村現地水田における GNSS 直進田植機の無落水移植時の作業性能について（仮題）, 農業食料工学会
大会講演, 2018.9.（公表予定）[3] 加藤雅也，進藤隼人、齊藤雅哉，長坂善禎, 矢治幸夫,
田植時の湛水の有無が水稲の植え付け精度と初期成育に及ぼす影響（仮題）, 日本作物学会第 246 回講演会,
2018.9.（公表予定）

４. 結論
大潟村内に RTKGNSS の基準局を設置し、基準局から 2~5km 離れた水田において農家の運転で GNSS 直進アシスト田植機による田植え作業を落水することなく行った。条件のよい場所では作業精度±5cm 以内で作業できた。耕盤の状態によっては作業精度が低下することがあった。基準局から離れた水田では、補正信号を受信するアンテナ位置を高くすることで安定して補正信号を受信することができた。

（本研究は生研支援センター「革新的技術開発・緊急展

無落水移植作業の作業精度は、水深 30、43mm では

開事業（うち地域戦略プロジェクト）」の支援を受けて行っ欠株率はそれぞれ 0.3%、0.7%でと慣行の落水移植と同ている。）

等であった。移植後の水稲生育は、慣行と比べ差はなく

3513

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018O5-14

大潟村における GNSS 直進アシスト田植機を活用した水稲無落水移植による八郎湖の環境改善 ②無落水移植による水田排出負荷削減効果
近藤 正 1，長坂 善禎 2，進藤 勇人 3，加藤 雅也 3，齋藤 雅憲 3，藤原 行毅４，矢治 幸夫 11

秋田県立大学，2 農研機構・東北農業研究センター，3 秋田県農業試験場， 4JA 大潟村
キーワード：水田、負荷削減，GNSS，田植機，無落水
抄録

八郎潟干拓地残存湖（八郎湖）は、主に農地負荷の影響で富栄養化が進行し毎年アオコが発生する水質汚濁問
題が慢性化している。湖へ排出される負荷は 5 月に大きく、主要因は田植え直前の強制落水による代かき濁水の流出で、有効な対策が求められてきた。本報では、田植機に GNSS による直進アシスト機能を装着することで可能となる
無落水移植で濁水負荷を軽減できることを報告する。GNSS 直進アシスト機能によりマーカーが不要となり、代かき濁水を田植前に落水せず湛水状態で移植でき、水田排出負荷の抑制になる。流出水対策地区に指定されている八郎潟中央干拓地の水田で、GNSS 直進アシスト田植機を用い無落水移植を行い、水田排出負荷の抑制効果を高精度に測定した。試験年の移植時の排出抑制水深は 25mm 程であったが、比負荷での比較から 5 月の干拓地差引排出
負荷量の窒素約 22％、リン約 19％、SS 約 18％の排出削減になると評価された。
1. はじめに八郎潟干拓地残存湖（八郎湖）は農地排水負荷の影
響などにより富栄養化が急速に進行し毎年アオコが発生する水 質汚濁問題が慢性化し指定湖沼に指定されている。流出水対策地区に指定されている八郎潟中央
干拓地（大潟村）の差引排出負荷量が測定され、1.0×102km2 の水田含む面積 1.564×102km2 の干拓地から、窒素（N）は約 3×105kg/y、リン(P)は約 6×104kg/y、懸濁物質（SS）2×107kg/y の排出があることが判明した[1]。

図 1 中央干拓地から八郎湖への濁水の流出

特に 5 月の代かきから田植時に集中した排出があり、（2004 年 5 月 秋田県八郎湖環境対策室撮影）

7 月、8 月のアオコの発生に大きく影響していることが懸2. 方法

念されている。除草剤散布や土粒子の沈降、乾燥硬化試験区として、2 区（4 ほ場）、1.25ha 区 2 ほ場（A ほ場

防止を目的に、代かき後に約 10cm の湛水状態で維持

落水区（慣行区）、無落水区）、2.5ha 区 2 ほ場（B ほ場

され、7〜10 日後の田植え前日に強制的に落水される。

落水区（慣行区）、無落水区）を設定した。各ほ場に水

強制落水の目的は移植時に次の走行線をマーカーに

位計、流量計、減水位計、データロガー、オートサンプ

より泥面に記しづけ田植機による移植を等間隔かつ直ラーを用い、水田取水および地表排水、田面水位変化

線的に行うことで移植密度を均一にして収量を安定化

等の水収支、および、流入・流出水に含まれる栄養塩することにある。この落水が大きな負荷発生要因となっ（窒素:T-N、リン:T-P）と懸濁物質（SS）の濃度を測定し、ていた（図 1）。

負荷量の出入りを求めた。負荷発生要因となる田植え

GNSS 直進アシスト[2]

前の強制落水は、オートサンプラーを用いて 10 秒〜30

田植機により、移植精度、作業[3]

性や収量の確保・向上が確認された が、加えてマーカ

分間隔で流量の変化に合わせて地表排水を採水し、ー不要で代かき濁水を田植前に落水せず湛水状態で

T-N、T-P、SS 濃度を JIS K0102 工業排水試験法により移植ができることから、水田排出負荷の抑制が期待でき測定し、流量との積から高精度に負荷量を求めた。

る。そこで八郎潟中央干拓地の水田ほ場で、実際に八郎潟中央干拓地からの負荷量を、用水取水地点とGNSS 直進アシスト田植機を用い無落水移植を行い、水排水地点で実測し、干拓地の差引排出負荷量（排出負田排出負荷量の抑制効果を高精度に測定した。

荷から農業用水などによる流入負荷を差引いた正味の514

1

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018排出量）を求めることで、水田の負荷抑制量の削減効

た （ 図 11 ） と こ ろ 2017 年 間 に お け る 中 央 干 拓 地

果について定量的に評価した。

(1.564×102km2) か ら の 差 引 排 出 負 荷 量 は 、 N ：3.54×105kg/y、P：6.06×104kg/y、SS：2.44×107kg/y となった。このうち 5 月が最も大きく、N：0.744×105kg/y (21.0%)、

3. 結果

P：1.62×104kg/y(26.7%)、SS：0.810×107kg/y (33.2%)で田植え直前の無落水管理により約 25mm（250m3/ha）あった。

の取水量と排水量の節水となった（図 2,3）。これに伴い
N 0.9〜2.0（平均 1.6）kg/ha、P 0.13〜0.37 （平均 0.30）
kg/ha、SS 45〜233（平均 147）kg/ha の汚濁負荷の排出が抑制されたと評価できる。 八郎潟中央干拓地から八郎湖に排出される負荷量を、毎日の排水量と濃度測定
値（図 9）との積から日毎に差引排出負荷量として求め

図 6 試験ほ場の流量測定

図2

図 7 水田落水の採水

無落水区の田面水位観測結果

図 8 八郎潟中央干拓地の負荷量観測点
南部排水 SS mg/L

図3

落水区（慣行区）の田面水位観測結果

15

200
100
0

5

5/15 12:00

5/16 0:00

5/16 12:00

5/17 0:00

5/17 12:00

図４ 田植え前の落水時の地表排水中の T-N 濃度

mg/L
SS濃度

1000
0

5/15 12:00

5/16 0:00

5/16 12:00

5/17 0:00

5月

6月

7月

8月

9 月 2017 年

1000

用水負荷

800

排出負荷

600
400
200
0

1月

図 10

3000
2000

4月

図 9 干拓地排水中の SS 濃度測定結果

100

北部排水 SS mg/L

300

A圃場 落水区 T-Nmg/L

SS負荷量 t/day

T-N濃度 mg/L

SS 濃度 mg/L

400

2月

3月

4月

5月

6月

7月

8月

9月

10月

11月

12月

SS 日流入負荷と干拓地日排水負荷：2017 年

5/17 12:00

2017 年

図 11 八郎潟中央干拓地からの SS 差引排出負荷量

図 5 田植え前の落水時の地表排水中の SS 濃度2515

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

T-N 負荷量 kg/ha/月

表1
8

田植え前の落水量、負荷量測定結果(2017 年)

月干拓地差引排出負荷
無落水 削減負荷量

6
4
2
0
4月

5月

6月

T-P 負荷量 kg/ha/月

2.0

7月

8月

9月

月干拓地差引排出負荷排出となった。無落水区の落水抑制量を 25mm とした場

無落水 削減負荷量

1.5

合にも、相応の抑制量と推定された（表１）。
単位ほ場の田植え前の強制落水による実測平均値

1.0

を無落水による削減量として、八郎潟中央干拓地の負荷量測定結果から求めた水田 1ha あたりの比流出負荷

0.5

量（単位面積当たりの流出負荷量）とで比較すると、削0.0

SS 負荷量 kg/ha/月

4月

5月

6月

7月

8月

減効果は 5 月期の差引排出負荷の N：22％、P：19％、

9月

1000

月干拓地差引排出負荷

800

無落水 削減負荷量

SS：18％に相当した （図 12）。本技術の普及により大きな負荷削減効果が期待できる。

5. 結論

600
400

浄化対策の指定湖沼、八郎湖の流出水対策地区に200おける排水と流入水の詳細な負荷量測定を行い、差引
排出負荷量を年間で求めるとともに、中央干拓地の水09月

田で、実際に GNSS 直進アシスト田植機を用い無落水

図 12 中央干拓地月別差引排出負荷量とほ場実移植を行い、水田排出負荷の抑制効果を定量的に評

4月

5月

6月

7月

8月

価した。試験年の移植時の排出抑制水深は 25mm 程で測汚濁負荷削減量の比較（上:N ,中:P, 下:SS, 2017 年）あったが、比負荷による比較から干拓地の 5 月の差引
排出負荷量の窒素（N）約 22％、リン（P）約 19％、懸濁4. 考察

物質（SS）約 18％の排出削減になると推定された。本技

慣行水田における水管理では、代かき後の湛水深が術の普及により大きな負荷削減効果が期待できるものと60〜100mm に維持され、7 日目に落水し、翌日田植え

結論づけられた。

時 5〜10mm 程度の地表水を残して移植が行われた。これに対し、無落水区では代かき後 6 日目以降は給水せ

引用文献

ず田面水の蒸発と浸透による減少後、40mm 程度の田

[1]

面水深を残して移植された。両調査区の差から少なく

近藤正:八郎湖の水文・水環境特性の変遷と課題,水環境学会
誌,33(9),2010

25mm の強制落水の抑制となったことになる。

[2] 長坂善禎，玉城勝彦，齋藤正博: 農作業の自動化技術の現状と基盤整備への期待, 水土の知, 84(8), pp.681-684, 2016

田植え前の田面水の強制落水では、水尻部の落水[3] 長坂善禎，進藤隼人, 齋藤雅憲, 加藤雅也, 山本聡史, 矢治幸夫:

枡への流れが表土を巻き上げで掃流し、高濃度の懸濁大潟村現地水田における GNSS 直進田植機の無落水移植時の作物質を伴って排出され、その濃度は水深の低下とともに業性能について（仮題）, 農業食料工学会大会講演,

減少する傾向を示した。流出過程での濃度の推移は

行毅,山本聡史:GNSS 直進アシスト田植機を用いた無落水移植に

N：14〜2mg/L、 P：3〜0.5mg/L、SS：2700〜170mg/L とよる水田排出負荷の抑制,農業農村工学会大会講演, 2018.9.

同時期の八郎湖水に比較し大幅に高濃度であった [4]。

（本研究は、生研支援センター「革新的技術開発・緊急展開事業（うち地域戦略プロジェクト）」の支援を受けて、また愛知時計電機株式会社の研究支援により実施している。）

落水区 A および B の田植え直前の強制落水による負荷量は、N：2kg/ha、P：0.34kg/ha、SS：115〜194 kg/ha の516

2018.9.

[4] 近藤正,矢治幸夫,長坂善禎,進藤勇人,加藤雅也,齋藤雅憲,藤原3

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

O5-15

琵琶湖の保全・再生の視点に立った森林整備指針の策定について㻌田中㻌 理 㻝㻌
㻝

滋賀県琵琶湖環境部森林政策課㻌

キーワード：水資源の保全，森林保全㻌
抄録㻌
滋賀県の森林は県土の約半分を占め、琵琶湖の水源林として大きな役割を果たしている。この森林では近年、シカの食害等による林床植生の消失やそれに伴う土壌流出、また、局地的な集中豪雨による山腹崩壊や流木・流出土
砂の発生、といった新たな問題が発生しており、閉鎖性水域である琵琶湖の環境に影響を及ぼしている。一方で、人工林は利用期を迎え森林資源として充実しつつある。この森林資源を適切に活用し、同時に新たな課題に対応した森林整備を行っていくため、これまでより一層、琵琶湖の環境に配慮する必要に迫られている。そこで今回、琵琶湖の保全・再生の視点に立ち、適切に林業生産活動を実施していくため、３つの視点（持続的な資源利用の視点、流木・流出土砂対策の視点、水源かん養機能維持の視点）に基づく、森林整備の指針を示すこととした。指針では、琵
琶湖の水源林の立地条件等を整理し、森林整備の基本的な考え方を示すとともに、これを実践していくため重視すべきことを記載した。
1. はじめに一方で、戦後植栽された人工林は、利用期を迎え充

滋賀県は中央に位置する琵琶湖とそれを取り囲む

実しつつある。しかしその資源は十分に活用されず、森山々から形成されており、降水はほぼすべて琵琶湖に林の高齢化が進行しているため（図 1）、持続的な資源注ぎ込む地勢となっているため、森林が、琵琶湖の環利用や森林吸収源対策のための適切な更新が課題と境維持に大きな役割を果たしている。

なっている。

かつては里山林周辺の住民等により活用され管理ささらに近年、森林では、ニホンジカの食害等による林れることにより、水源としての機能を発揮してきたが、林床植生の消失やそれに伴う土壌流出、生態系の破壊

業生産活動の低迷等により、適切に管理されずに放置や、局地的な集中豪雨による山腹崩壊や流木・流出土

され、荒廃した森林がみられるようになってきた。

砂の発生といった災害リスクの上昇など、新たな問題が顕在化しつつある。琵琶湖は閉鎖性水域であり、流木

滋賀県では平成 16 年 3 月に琵琶湖森林づくり条例をや流出土砂は、漁場環境の悪化など深刻な影響を及制定し、また、平成 18 年 3 月には県独自課税である琵

ぼす可能性がある（図 2）。

琶湖森林づくり県民税による事業を開始し、森林の持
つ多面的機能が持続的に発揮できるよう、手入れの進
まない人工林の間伐など、総合的な施策を行ってきたところである。

図 2

琵琶湖に流出した流木㻌

近年の課題に対応し、森林資源を適切に利用していくためには、行政だけでなく、森林面積の約 9 割を占める民有林の所有者や、林業技術者など林業に関わる主図㻌 㻝㻌 滋賀県の人工林齢級別面積配置㻌

体が、今後の森林づくりの手法について、理解し共有

1

517

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

法を選択する「適地適木」から成る。

する必要がある。
今回、有識者の助言を受け、琵琶湖の保全・再生のまた、適地適業を実践していくための判断基準として、視点に立ち、３つの視点（持続的な資源利用の視点、斜面単位で森林の状況を把握し、収益性と災害リスク

流木・流出土砂対策の視点、水源かん養機能維持の視の評価結果の組み合わせごとに、４つの象限に整理し点）に基づく森林づくりの指針を示すこととした。

た（図 2）。

2. 策定の方法

収益性

前述のように、多くの森林が民有林である滋賀県で（地位、地利、保育状態）

は、森林所有者の理解が不可欠あり、指針の基本的な考え方について、わかりやすく表現する必要がある。
害の履歴などの現状や課題を整理し、今後、林業生産活動を行う上での基本的な考え方について検討した。
次に、基本的な考え方を実務に適用するために、必要な情報の入手、評価方法、また、評価の区分毎に、



森林整備において重視すべきことについて検討した。



（
山保
地全災
の対
崩象害
れかリ
やら
すのス
さ距ク
）離
、

そこで、滋賀県の置かれた自然環境や森林立地、災

3. 結果と考察
滋賀県の自然環境等の現状や課題について、次のとおり整理した。

図㻌 㻟㻌 収益性と災害リスクを評価した四象限図㻌

 琵琶湖を中心として外側を分水嶺が取り囲む同心円

収益性や災害リスクの判断には複雑な要素があり、こ状の地勢で、河川は延長が短く急勾配、出水しやすの四象限図を実務に適用するためには、それぞれの軸

く渇水にも見舞われやすい。山に囲まれた地形条件

についてわかりやすい評価方法が必要となる。

などから局地的な集中豪雨が発生しやすい。

収益性については、立木の生育条件として「地位」、

 急峻な地形や花崗岩等の風化しやすい地質条件が作業効率として「地利」、保育状況として相対幹距比や相まって、多くの天井川を形成

形状比などを指標に用いた。

 地震発生と密接な関わりをもつ活断層の分布密度が災害リスクについては、人命への直接の影響として高い。

「保全対象からの距離」と、斜面の傾斜、地形や地質等

 土砂災害や水害などが発生しやすいだけでなく、閉から判断される「山地の崩れやすさ」を組み合わせて評

鎖性水域である琵琶湖の生態系や水質に影響しや価することとした。この際、インターネットから入手可能な

すい土地条件を備える。

地形図、地質図や CS 立体図（長野県林業総合センタ

 林業生産活動が低迷する中、森林資源の蓄積量はーが開発した立体判読図、G 空間センターよりダウンロ

増加しており、資源を循環利用（「植える→育てる→ード）、防災情報（ハザードマップ）、滋賀県で作成して使う→植える」サイクルのこと）し、持続的な森林整備いる水源涵養機能評価マップ[1] などを参考にすることを行っていく必要がある。

とした。

このような滋賀県の独特な地形や近年の豪雨など災

また、各象限において、重視するべき施業方法の例

害リスクの上昇を踏まえ、特に保安林のような伐採や開について整理した（表１）。

発の制限の少ない普通林において、“減災”の思想を次に、森林整備を実践するためのポイントを、３つの取り入れることとし、「適地適業」を、森林整備の基本的

森林づくりの視点ごとに、既存文献を元にまとめた。また、な考え方とした。

各視点における森林づくりの実践に向け、現地調査に「適地適業」は林業と県土保全とを両立する林地利

よる知見を反映することとした。

用を指し、森林資源の循環利用する中で、災害リスクを森林整備を実践するための調査として、持続的な資踏まえて伐採方法を選択する「適地適伐」と、その土地

源利用の視点において、再造林の低コスト化を目指しの土壌や水分、地形などの条件にあった樹種や植栽方た調査、水源かん養機能維持の視点では、森林植生衰

518

2

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

技術者の人材育成を重視するべきと考える。

退度調査（SDR 法）[2]を実施した。
表 1㻌 各象限における施業方法の例
象限

施業方法例

Ⅰ

皆伐を避ける。生長の良い木を残し、土壌緊縛

引用文献

力の維持を図る。植栽により確実に更新を行う。
Ⅱ

森林資源の循環利用を推進する。皆伐を行う際[1]

小島、谷、川島、岩崎(2014) 水源涵養機能評価手法の開発、滋賀県森林センター業務報告第 47 号；1-7[2]

藤木(2013) ニホンジカによる森林生態系被害の広域評
価手法マニュアル、兵庫ワイルドライフモノグラフ
４；2-16には伐採箇所の分散に配慮する。
Ⅲ

路網整備等により収益性改善を図ることが可能。

Ⅳ

適正な密度管理や林相転換により公益的機能を維持する。

再造林の低コスト化を目指した調査では、県内で 1 箇所モデル地区を設定し、県産コンテナ苗を用い、伐採と造林の一貫作業システムの工程調査を実施した。この調査では、伐採に用いた架線で資材運搬や地拵えを行うなど、工程の短縮等に向けた実証を行った。今後、様々な条件での知見を集積し、より滋賀県の実情に則した、森林の更新の手法を検討する必要がある。
また、森林植生衰退度調査では、5 年前と同地点 180
箇所で調査を行い、ニホンジカによる植生被害や回復状況を検証した（図 4）。地域により重点的な被害対策
や捕獲の推進に生かしていくこととしている。

図 4 平成 29 年度植生衰退度調査結果㻌

4. おわりに
今回の指針は、今後、市町村森林整備計画におけるゾーニング等に反映し、森林整備に生かされていくことを想定している。このためには、GIS を活用して、既存の情報を効率よく、正確に得ること、また現地で得られる情報を見る目が必要となる。考え方の普及啓発や林業

3519

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

O5-16

Soil Environmental Condition and Vegetation Recovery of the Abandoned
Cropland around Komado-Shitsugen Moor, Fukushima Prefecture
Nobuo Sakagami1, Yong Guo1, Yusuke Takashima1, Tomoyasu Nishizawa1, Kazuhiko Narisawa1 and Makiko
Watanabe2
College of Agriculture, Ibaraki University, 2Faculty of Urban Environmental Sciences, Tokyo Metropolitan University

1

Keywords: abandoned cropland, beech forest, Komado-Shitsugen moor, soil genesis, vegetation
management
ABSTRACTIn the area around Komado-Shitsugen moor, beech forest was reclaimed to be the agricultural fields toincreasing the vegetable productivity in 1950s and abandoned until 2000. Reforestation activities started
from 2000, however, in some area, planted beech trees shows poor growth, and the area is still covered by
Japanese pampas grass. In this study, we surveyed soil environmental condition in beech forest area,
abandoned cropland area and transit area to reveal the factors inhibit the growth of beech trees.
Topographical measurement, vegetation survey and soil sampling were carried out at 10×30 meter quadrat
containing forest area, transit area and grassland area. From the edge of forest to the edge of grassland, soil
profiles survey was examined in every 10m. At the profile 3, which might be affected by field grading, thetop soil under bamboo grass showed relatively brownish color and moderate carbon content. On the contrary,at the profile 4 under the grassland, organic A horizon was not detected and the top soil showed brown colorand low carbon content which resembles to the subsurface soil of beech forest. From these results, bamboo
grass in transit area was possibility related to the formation of surface A horizon, and naked subsurface soil
under the grassland supposedly inhibit the growth of planted young beech trees.
1. INTRODUCTION

soil profiles survey was examined in every 10m (totally 4
profiles).

In the area around Komado-Shitsugen moor, Fukushima
prefecture, Japan, beech forest was reclaimed to be theagricultural fields to increasing the vegetable productivity
in 1950s[1]. Deforestation continued until 1976, andsurface soil layer was lost by logging and field grading.
Komado-Shitsugen moor was designated as a national
natural treasure in 1970, and agricultural activities aroundthe moor was gradually decreased. The catchment area
was additionally designated as a national natural treasureby 2000, and the reclaimed cropland was eventually
abandoned. Then reforestation activities started inabandoned field. However, in some area, planted beech
trees shows poor growth, and the area is still covered by
Japanese pampas grass. In this study, we surveyed soil
environmental condition in beech forest area, abandoned
cropland (grassland) area and transit area (covered bybamboo grass) to reveal the factors inhibit the growth ofbeech trees.

Beech forestyx

・Profile 1

Transit area

・Profile 2

Grassland area

・Profile 3

5

10Profile 4・0

10

30 (m)

20

Fig. 1 Figure to describe a graph

2. METHOD
Topographical measurement, vegetation survey and soil
sampling were carried out at 10×30 meter quadrat
containing forest area, transit area and grassland area (Fig.
1). Fig. 2 shows the micro-topography of the quadrat
measured. From the edge of forest to the edge of grassland,

520

Forest area

0

Pampas grass

Bamboo grass

0 cm

地表面の高さ200 cmFig. 2 Micro-topography of the quadrat

1

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

Soil samples were collected from each soil horizons, andthen air-dried and sieved under a 2 mm sieve for the soil
analyses. Furthermore, the quadrat was subdivided to the
sub-quadrat (5×5 m), and the distribution of soil hardness
and carbon content at each depth (10cm, 20cm, 30cm) at
each nodes.

Deprh
cm

Soil
Color

pH
(H 2O)

T-C
%
24

A

A

0-11

10YR2/3

3.9

B

B

11-19

10YR3/3

4.6

13

C

C

19-50+

10YR4/6

4.7

1.5

Fig. 3 Soil profile under beech forest

3. RESULTS and DISCUSSION
Fig. 3-6 shows the soil profiles at the beech forest, transit
areas under bamboo grass (one near forest, and one near
grassland), and grassland. Organic A horizon (>10cm) was
detected at the profile 1 under the forest which was notaffected by reclamation. It showed typical forest soil withlow pH and high content of total carbon and nitrogen. At
the profile 2, surface A horizon was also detected but
higher pH comparing to profile 1 was possibly affected bydeforestation and vegetation change. At the profile 3,
which might be affected by field grading, the top soil underbamboo grass showed relatively brownish color andmoderate carbon content. On the contrary, at the profile 4
under the grassland, organic A horizon was not detected
and the top soil (BA horizon) showed brown color and low
carbon content (<5%) which resembles to the subsurface
soil of beech forest. From these results, bamboo grass intransit area was possibility related to the formation of
surface A horizon, and naked subsurface soil under thegrassland supposedly inhibit the growth of planted young
beech trees. We will obtain further information on forestand grassland ecosystem and biogeochemical process ofsoil formation and vegetation recovery.

Deprh
cm

Soil
Color

pH
(H 2O)A

0-12

10YR2/2

4.3

21

B

B

12-21

10YR3/3

4.8

8.5

C

C

21-50+

10YR4/6

4.8

3.4

A

T-C
%

Fig. 4 Soil profile in transit area (near forest)

A

Deprh
cm

Soil
Color

pH
(H 2O)

T-C
%

A

0-4

10YR2/3

5.0

15

C

4-30+

10YR4/6

5.5

4.0

C

Fig. 5 Soil profile in transit area (near grassland)
BA
B
C

Deprh
cm

Soil
Color

pH
(H 2O)

T-C
%

BA

0-11

10YR4/3

5.2

4.6

B

11-30

10YR4/6

5.4

3.8

C

30-50+

10YR4/6

5.5

1.8

Fig. 6 Soil profile under grassland

REFERENCES[1]

2

Investigation and Review Committee of Komado Shitsugen
Moor Protection: A Research Reports of Komado Shitsugen
Moor Protection, 2004. (in Japanese)521

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

O5-17

Phosphorus Runoff Loads from Paddy Fields and Forested Watersheds
in Sengari Reservoir Basin
Masayuki Fujihara1, Koichi Unami1, Junichiro Takeuchi1, Mayuko Ohishi1, Keiko Hashimoto1,
Hironobu Ueshiro2, Taketoshi Shimizu2, and Takuya Oda2
12

Graduate School of Agriculture, Kyoto University
Water Quality Examination Laboratory, Kobe City Water Works Bureau
Keywords: phosphorus, paddy, forest, and Sengari reservoir
ABSTRACTIn Sengari Reservoir supplying domestic water to Kobe City, Japan, total phosphorus (TP) concentration
remains higher than a prescribed environmental standard value. Field survey was conducted to estimate TP
loads emitted from a paddy field and from a forested watershed in the reservoir basin, measuring TP
concentration and discharge in an agricultural drainage canal as well as in a mountain stream. The two
measurement points were located 6.2 km apart in different sub-catchment basins of the reservoir. Water
samples were collected once a week during the irrigation season (from May to mid-September) and also
occasionally in rainy days during the non-irrigation season. Data loggers were operated to record water
depths with an interval of 10 minutes, to determine the discharges with relevant hydraulic methods. The
total TP loads from the paddy field were estimated at 6.0 kg/ha and at 6.2 kg/ha during the irrigation andthe non-irrigation seasons, respectively, while that from the forested watershed was estimated at 0.49 kg/ha.
As a result of hydrological analysis, it is concluded that less frequent heavy rainfall events cause significant
intensification of TP loads both from the paddy field and from the forested watershed.

1. INTRODUCTION

river. Total area of the paddy field is 1.6 ha and it drains
water into a drainage channel. A flow gauging weir was set
at the end of the drainage channel. Overflow depth at theweir was measured every 10 minutes using a pressuregauge and then the discharge was calculated from an H-Q
curve of the weir. Water in the channel and in the river was
sampled around 1 week interval during irrigation season,
which is from May to mid-September. In non-irrigationseason, drainage water was sampled in four rainfall events,
since water in the channel flows only when it rains.

Sengari Reservoir, whose storage volume is 11.6 millions
m3, was constructed for supplying domestic water to Kobe
City in 1919. The amount of water supplied from thereservoir is 0.119 millions m3 a day. Hatsuka River andHazu River, whose lengths are 26 km and 9 km,
respectively, are major rivers flowing into the reservoir.
Catchment area of the reservoir is 94.5 km2, extending to
4 cities (Kobe, Sanda, Sasayama, and Takarazuka) and 2
towns (Inagawa and Nose). Around 86% and 10% of thecatchment area are forest and paddy fields, respectively.

2.2 Forested Watershed
Study field for forested watershed is set in a part of
Sueyoshi River basin, which is a tributary of Hatsuka River.
The area is 111 ha. A pressure gauge was installed at a
ground sill in the river and water depth was measured
every 10 minutes by the gauge. Water was collected 25
times from May to December and 15 discharge
measurements were conducted to make an H-Q curve.

Total Phosphorus (TP) concentration in the reservoir has
been over an environmental standard figure (= 0.01 mg/L)
assigned to the reservoir in 2002. Phosphorus is thelimiting nutrient in the reservoir. As a first step to set up a
countermeasure against water quality degradation in thereservoir, TP runoff loads from a paddy field and a forested
watershed have been investigated for several years. This
paper presents temporal change of water discharge andphosphorus concentration, on the basis of the results in2017.

3. RESULTS
3.1 Paddy Field in irrigation season
Figure 1 shows daily discharge, TP, particulate
phosphorus (Particulate-P) and dissolved phosphorus(Dissolved-P) concentrations in the drainage channel and
TP in the river during irrigation season in 2017. As for thephosphorus concentration, Figure 1 illustrates that most

2. STUDY AREA AND METHOD
2.1 Paddy Field
Study field composed of 5 plots for paddy is located along
Hazu River and agricultural water is pumped up from the522

1

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

700

3.5

600

3.0

800

2.5

600

2.0

400

1.5
1.0

200

Particulate-P

Dissolved-P

0

50

100

150

200

250

Precipitation (mm)Fig.3 Relation between TP and precipitation

TP in river

daily loads, accounts for half of total loads in irrigationseason. Total TP load was 6.0 kg/ha, 91% of which was
Dissolved-P.
3.2 Paddy Field in non-irrigation season

1,200

In non-irrigation season, water and TP runoff from the
paddy field occur only when it rains. Thus, we conducted
intensive sampling of water during 4 rainfall events andthen proposed a relation between precipitation and TP load
for the paddy field, as shown in Fig.3. The regression
curve in Fig.3 is expressed as

1,000
800

g/ha/day300

0

Fig.1 Discharge and phosphorus concentration during
irrigation season

600
400

TPL 
214 ln( r )  454

200
0

400

100

0.0
TP

500

200

0.5

0
Discharge

800

4.0

TP (g/ha)

Discharge（m3/day）

1,000

4.5

Concentration(mg/L）

1,200

where TPL is TP load (g/ha) and
precipitation (mm) in a rainfall event.

5/13 5/23 6/2 6/12 6/22 7/2 7/12 7/22 8/1 8/11 8/21 8/31 9/10

Particulte-P( r  8.4)
r(1)
is total

Using Eq.(1), we calculated TP load in every rainfall eventas shown in Table 1 and estimated total TP load is 6.2
kg/ha, half of which was discharged in 6 rainy days.

Dissolved-P

Fig.2 Phosphorus runoff load during irrigation season

3.3 Forested watershedpart of TP consists of Dissolved-P. Figure 1 also shows theconcentration of TP seems gradually increasing from the
beginning of irrigation season to mid-July and then rapidly
decreasing toward the end of irrigation season. Average
concentration of TP in July is over 2 mg/L and it is reduced
to 0.5 mg/L at the end of irrigation season. Since theconcentration of TP in the river remains low, it is clear that
TP concentration increases during water flows throughpaddy fields. Maximum discharge was observed on June
10, it seemed to be caused by draining water for preparing
rice transplanting. Large discharges observed on July 4 - 5,
and September 12 were due to rainfall event. Another large
discharge observed on July 16 was caused by large amountof water pumped up from the river, since a pump worked
continuously for 8 hours. Total discharge of 5 days above
mentioned accounts for half of the total discharge inirrigation season.

Figure 4 shows a relation between river discharge and TP
concentration, obtained from 24 observations. A linear
regression gives the relation expressed below,
TP 0.0316Q  0.0071(2)

where TP is TP concentration (mg/L) and Q is riverdischarge (m3/s).
Using Eq. (2), we calculated TP runoff loads from May 8
to December 31, 2017 and illustrate daily TP load withriver discharge in Fig.5. Maximum river discharge andmaximum TP load were observed on October 21-22, whenthe 21st typhoon hit Sengari Reservoir basin. Half of total
TP load, which was 40 kg for about 8 months, wasdischarged during the flood caused by the typhoon, though
15% of total river discharge was observed at that time.
Total load of Particulate-P was about 85% of total TP load,
though most of the TP consists of Dissolved-P at a normal
flow rate. In addition to that, we estimated one third of the
TP runoff load originated from TP in rain, whose
concentration was about 0.008mg/L[1]. With additional
observations, we estimated yearly TP load from theDaily phosphorus runoff load calculated from discharge
and interpolated phosphorus concentration between
consecutive data is illustrated in Fig.2. Sum of the loads
on June 10, July 4, 5 and July 16, 17, which are the top 52523

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

Table 1 Precipitation and TP load in non-irrigationseason of 2017

0.12

Rain
Date in
TP(g)
2017
(mm)
Sep. 17
103
590

0.10

TP (mg/L）

0.08
0.06

Jan. 14-16

43

350

Sep. 28

15.5

133

Jan. 29

11.5

68.7

Oct. 270

455

Feb. 5

11.5

68.7

Oct. 631

280

Feb. 2010

38.8 Oct. 15-16

27.5

255

March 1518

166

Oct. 1715.5

133

March 2133

296

Oct. 1925

235

April 715

126 Oct. 21-23

243

722

0.0

16

April 1113

94.9 Oct. 24-25

11.5

68.7

0.2

14

April 1794

518

Oct. 28

14.5

118

April 26

41.5

343

Oct. 2963.5

434

Nov. 14

15

126

Nov. 22-23

12

77.8

Dec. 8-918165

Dec. 24

33.5

297

0.04
0.02
0.00

0

1

3

4

Fig.4 Relation between river discharge (Q) and TP

Discharge (m３/s)

0.4

12

0.6
0.8

10

1.0

8

1.2

6

1.4

4

1.6

2

1.8
2.0

forested watershed at 0.49 kg/ha.

5/8

6/8

7/8

8/8

9/8

10/8

Discharge

TP

11/8

12/8

0

Fig.5 TP load and river discharge

4. DISCUSSION
TP runoff load from the paddy field in irrigation season(134 days) is almost the same as that in non-irrigationseason (222 days). This indicates we have to pay attention
to reduce the runoff load from paddy field not only during
irrigation season, but also during non-irrigation season.
Around half of total TP load was discharged in 10 days.
This can be said TP load is negligible most of the year.
From Fig.2, relatively large runoff load was caused bypoor water management on June 10 and July 16, thenconducting proper water management could reduce theload in irrigation season. For non-irrigation season,
installing a low-height plate for controlling drainage at theoutlet of each plot could be a measure to reduce the runoff
load, which also lead to flood mitigation by paddy fieldponding.

5. CONCLUSION

As for TP runoff load from the forested watershed, it isdifficult to take an effective measure, since half of the load
was occurred during flood caused a typhoon. From Fig.4,
we could make the gradient of the regression line milder
by proper forest management to prevent from slope erosionin heavy rain, then it would lead to reduction of TP runoff
load.

[1]

524

2
Q (m3 /s)

TP (kg/day)

Date in
Rain
TP(g)
2017
(mm)
Jan. 89.5 27.8

0.14

To investigate water and TP runoff loads in the catchment
of Sengari Reservoir, where water quality does not satisfy
the environmental standard, we conducted fieldobservation in the paddy field and in the forested
watershed. Results from the observation revealed that highTP runoff loads both from paddy and forest did notfrequently occur but did only in several days a year when
it rained heavily. This indicates sum of TP load in several
days accounts for major part of the total load.
6. ACKNOWLEDGEMENT
This study was supported by JSPS KAKENHI Grant
Number 16K15007.
REFERENCES

3

S. Umemoto, Y. Komai and T. Inoue: Nitrogen and Phosphorus
Loads in Urban Area and Forested Area by Wet Deposition
from Every Rainy Event and Total Deposition, Journal ofJapan Society on Water Environment, Vol. 24, pp. 300-307,
2001.

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

O5-18

Observation and Modeling of
Phosphorus Runoff Loads from Sengari Reservoir Basin
Junichiro Takeuchi1, Keitaro Goto1, Baobab K. Kimengich1, and Masayuki Fujihara1
Graduate School of Agriculture, Kyoto University

1

Keywords: phosphorus runoff, landuse, linear multiple regression analysis
ABSTRACT

Sengari Reservoir basin, Hyogo Prefecture, Japan, is an agricultural watershed dominated by a mountainous
area, and has a problem of water quality, especially of phosphorus, in Sengari Reservoir. In the basin,
temporal and spatial distribution of phosphate-phosphorus (PO4-P) concentration along the rivers flowing
into the reservoir was investigated regularly. From the measured results, it was found that PO4-P is highduring the irrigation period specifically in sub-basins where domestic waste water is treated by septic tanks,
although PO4-P is low throughout the year in sub-basins where domestic waste water is treated in ruralsewages. With the measured data and GIS data of landuse and altitude, linear multiple regression models
whose explanatory variables are the area ratio of landuse type to the catchment area of a sampling point,
the area ratio of the catchment area of the sampling point to the whole area of the sub-basin, and a dummy
variable that distinguishes between rural sewage and septic tank sub-basins were formulated. The estimated
PO4-P distribution along rivers shows good agreement with the measured one except for some outliers, andthe obtained coefficients imply that Paddy Field and Residential Area are major source of PO4-P.
1. INTRODUCTION
Excessive nutrients inflow into closed water areas causes
water quality degradation and eutrophication, and thosecause environmental problems such as water-bloom andred tide. Especially in a case of reservoirs for domestic
water, the problem becomes serious because much cost isrequired to treat water contaminated by cyanobacterium.
Sengari Reservoir, which is one for drinking water and isclassified into Category II in the environmental standard
for lakes, is one of reservoirs having a eutrophic problem.
According to Fujiwara (2014)[1], phosphorus is thelimiting factor for reproduction of algae, and more than
90% of TP flowing into the reservoir is in a form ofphosphate-phosphorus (PO4-P). Various countermeasures
such as underwater aeration and purification by vegetation
has been conducted to reduce phosphorus in the reservoir.
However, regardless of the long-term countermeasures,
total phosphorus (TP) does not satisfy the standard value
0.01 mg/L.
In the Sengari Reservoir basin, there is no majorindustrial load source, and most part of environmental load
comes from non-point sources such as agricultural fields
and forests. Hence, it is difficult to grasp actual conditionof the load in the basin. In this study, a regular water
quality measurement along rivers flowing into thereservoir was conducted to ascertain the temporal andspatial distribution of PO4-P, and linear multiple regression
models were made to estimate phosphorus load fromdifferent items of landuse.

2. METHOD
2.1 Study area
Sengari Reservoir is located in the north of Kobe City,
Japan. It has 11.6 millions m3 water storage and supplies
0.119 millions m3 domestic water a day to Kobe City. Two
major rivers, Hatsuka River and Hazu River, flow into thereservoir, and total catchment area of the reservoir is 94.5
m2. In the present study, the basin is divided into seven

Hatsuka River(1 - 24)
Sueyoshi River(25 - 36)
Hazu River(37 - 50)
Sasori River(51 - 65)

Nagatani River(66 - 78)

Oharano River
(79 - 92)
Sengari Reservoir

0

1

2

3

4 km

: sampling point

Fig. 1

1

Sengari Reservoir basin525

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

Table 1

Landuse ratio of Sengari Reservoir basin (%)

Sub-basin

Area
(km2)

Forest

Paddy
Field

Residential
Area

Golf
CourseUpland
Field

Waste
Land

Hatsuka
Sueyoshi
Hazu
Sasori
Nagatani
Oharano

60.67
6.74
8.41
5.26
3.13
3.60

87.52
86.46
91.66
83.93
74.77
70.03

9.30
8.76
8.23
13.71
13.23
21.16

1.51
0.41
0.11
1.52
2.15
7.05

0.77
4.24
0.00
0.51
9.85
0.00

0.14
0.00
0.00
0.17
0.00
1.26

0.38
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00

Lake
Pond

Others

0.14
0.14
0.00
0.00
0.00
0.00

0.22
0.00
0.00
0.17
0.00
0.50

the one of the whole catchment area. Being divided by Q
sub-basins as shown in Fig. 1, and water samples werecollected in six sub-basins. The six sub-basins are referred
and an error term u is added, this model could be
regarded as a linear multiple regression model.
to as Hatsuka, Sueyoshi, Hazu, Sasori, Nagatani, andOharano sub-basins after the rivers passing through each (2)c  i X i  u
isub-basin. The ratio of the areas occupied by different
where  i (   i ci /  ) are the regression coefficients, andtypes of landuse to the whole area of each sub-basin is
X i (  Ai / A ) are the explanatory variables.
shown in Table 1. Forest is the dominant landuse, andpaddy field follows it. The six sub-basins are divided into
two groups in regards to domestic waste water treatment.
One is the treatment by rural sewages, and the other is one
by septic tanks. Hatsuka, Sueyoshi, and Hazu sub-basins
belong to a rural sewage group, and Sasori, Nagatani, andOharano sub-basins to a septic tank group.

In addition, other explanatory variables could beconsidered in the model. Here, the area ratio to the whole
sub-basin[2] and the dummy variable that represents typeof waste water treatment are considered.

0 rural sewage
X arearatio  A / Asub-basin and X dummy  (3)
1 septic tank

2.2 Field Observation

where Asub-basin is the area of the whole sub-basin to which
the objective sampling point belongs. In this study, eightmodels listed in Table 2 are tried. In Model 1 and 2 groups,
three and four major landuse types are used as the
explanatory variables, respectively. The performance ofthe models is evaluated by AIC (Akaike Information
Criteria).

Water samples were collected along the rivers in the six
sub-basins regularly, i.e., once a month in the irrigation
period and once in two months in the non-irrigation period.
Rainy days and days just after rainfall are avoided to obtaindata in an ordinary water level. The location of sampling
points is shown in Fig. 1, and the index for sampling points
is given from upstream to downstream in each sub-basin.
The concentration of PO4-P of the collected water samples
were measured with Digital Pack Test (DPM-PO4-PD,
Kyoritsu Chemical-Check Lab., Corp.) or Photometer(YSI 9500, xylem), and the measuring ranges are 0.03 –1.00 mg/L and 0.00 – 1.30 mg/L, respectively, with 0.01
mg/L resolution.

3. RESULTS AND DISCUSSION
3.1 Field Observation
Figure 2 shows the measured PO4-P concentration. Itshows that the concentration is high during the irrigation
period (from May to August) especially in the septic tanksub-basins, and that the concentration and the variance inthe rural sewage sub-basins are low.

2.3 Linear Multiple Regression ModelAt first, the following steady model that estimates thePO4-P concentration at a sampling point is assumed, basedon the unit value method.
cQ  R   i ci AiTable 2
Model

(1)

1-1
1-2
1-3
1-4
2-1
2-2
2-3
2-4

i

where c is the concentration of PO4-P in the river waterat a sampling point, Q (   RA ) is the discharge, R isthe amount of rainfall,  is the runoff ratio to the rainfall,
A is the catchment area of the sampling point, and thesubscript i (  {forest, paddy field,…}) means a memberof the landuse set. The variables without a subscript i is526

2

Multiple regression models
Explanatory variables

Forest, Paddy Field, Residential Area
Model 1-1 + area ratio
Model 1-1 + dummy variable
Model 1-1 + area ratio, dummy variable
Forest, Paddy Field, Residential Area, Golf Course
Model 2-1 + area ratio
Model 2-1 + dummy variable
Model 2-1 + area ratio, dummy variable17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

PO4-P (mg/L)

1.2

waste treatment site and there was a cowshed near 58 and78, respectively.

: Rural sewage sub-basins: Septic tank sub-basins

0.8

4. CONCLUSION
In this study, the temporal and spatial distribution of PO4P concentration was investigated in the Sengari Reservoir
basin, and linear multiple regression models based on theunit value method were formulated. The estimated PO4-P
distribution shows good agreement with the measured one
except for some outliers derived from livestock waste.

0.4
0.0

‘16/6 710

12 ‘17/2 4

5

6

7

11

Fig. 2 PO4-P concentration in Sengari Reservoir basin

3.2 Linear Multiple Regression Model
The obtained model performances (AIC) and coefficientsof the multiple regression model are shown in Table 3, andgenerally the model performance becomes good as thenumber of the explanatory variables increases. But inModel 2 the coefficient for Golf Course is negative, which
is an unrealistic result. The obtained coefficients imply
that Paddy Field and Residential Area are major sources ofPO4-P. The measured and estimated PO4-P concentrations
along the rivers are shown in Fig. 3. These figures show
relatively good estimation in the rural sewage sub-basins(from 1 to 50) compared with that in the septic tank subbasins (from 51 to 92). Especially, there are large
deviations around 58 and 78. Actually, there is a livestock
Table 3

PO4-P (mg/L)

0.5

T. Fujiwara: Phosphorus in Sengari Reservoir, Report of Civil
Society for Muko River, Vol. 2, pp. 20-22, 2014 (in Japanese).

[2]

H. Mochizuki, H. Takahashi, and S. Yoshikawa: Developmentof prediction model for water quality in watersheds based on
proportion of area by land use, Human and Environment, Vol.
39, pp. 2-8, 2013.

Model performance and coefficientsResidentialArea-298.2

0.034

0.373

0.414

-

-

1-2

-306.9

0.051

0.485

0.384

-

-0.048-1-3-312.0

0.027

0.251

0.185

-

-

0.043

1-1

Golf
Course

Area
Ratio

Dummy
Variable-

1-4-313.8

0.039

0.345

0.215

-

-0.0290.034

2-1-296.5

0.036

0.364

0.412

-0.005--2-2-305.4

0.053

0.475

0.382

0.002

-0.049-2-3-318.6

0.036

0.160

0.093

-0.178

-

0.059

3-4

-318.9

0.044

0.239

0.124

-0.151-0.0220.050

Model 1-2

Model 1-3

Model 1-4

0.2
0.1
0.0
0.5

PO4-P (mg/L)

[1]

Paddy
Field

AIC

: M easured PO4-P: Estimated PO 4-P

0.3

REFERENCES

ForestModel

Model 1-1

0.4

5. ACKNOWLEDGEMENT
The authors express their sincere gratitude to Water
Quality Examination Laboratory, Kobe City Water Works
Bureau for provision of data. This study was supported by
JSPS KAKENHI Grant Number 16K15007.

1

30

60

90

1

Model 2-1

0.4

30

60

90

1

Model 2-2

30

60

90

1

Model 2-3

30

60

90

Model 2-4

0.3
0.2
0.1
0.0

1

30
60
Sampling point

90

1

30
60
Sampling point

90

Fig. 3

Measured and estimated PO4-P concentration

3

1

30
60
90
Sampling point

1

30
60
Sampling point

90

527

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

O5-19

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1. 䛿䛨䜑䛻
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528

1

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018ᕪ)ࡣ, 2902±637㸪3178±1024㸪1789±360㸪1751±422

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2529

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018ࡿୗỈ㐨ࡢᬑཬ࡟ࡼࡾ㸪ㄶゼ†࡬ࡢࣜࣥ㈇Ⲵ㔞㸪†Ỉ୰ࡢࣜࣥ⃰ᗘࡀపୗࡋࡓ࡜⪃࠼ࡽࢀࡿࠋࡲࡓ㸪†Ỉ࡜ᗏ㉁࡛ࡢࣜࣥࡢᚠ⎔࡟㛵ࢃࡿ㠀࢔ࣃࢱ࢖ࢺࣜࣥࡢῶ
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193-208㸪2009[5] ㄶゼ†ὶᇦୗỈ㐨஦ົᡤ
https://www.pref.nagano.lg.jp/seikatsuhaisui/infra/suidodenki/gesuido/suwako/index.html㸪 (2018㸪5/7 㜀ぴ)[6] ⎔ቃ┬㸪ㄶゼ†࡟ಀࡿ†἟Ỉ㉁ಖ඲ィ⏬ ᖹᡂ 29㹼33
ᖺᗘ(➨ 7 ᮇ)https://www.env.go.jp/water/kosyou/keikaku/html/ind
ex.html㸪 (2018㸪5/7 㜀ぴ)530

317th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

O5-20

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1. 䛿䛨䜑䛻
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2.1. ㎰ᆅᅵተ⏤᮶䛾⢏Ꮚ≧ P 䛾໬Ꮫᙧែྜ䠈㎰ᆅ䛾ᅵተ䜢௓䛧䛯ேⅭⓗ䛺 P 䛾౪⤥䛻䜘䜛Ỉᇦ㎰ᆅᅵተ䛸䛧䛶Ỉ⏣䛾ᅵተ䜢⏝䛔䛯䠊⅊Ⰽపᆅᅵ䛚

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1531

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3.2. ㎰ᆅᅵተ⏤᮶䛾⢏Ꮚ≧ P 䛾໬Ꮫᙧែ㻌 2.2. 㓟໬㕲䛻྾╔䛧䛯 P 䜢⏝䛔䛯⸛⸴ᇵ㣴ヨ㦂⢏Ꮚ≧ P 䛾໬Ꮫᙧែ䛻㛵䛧䛶䠈X ⥺྾཰ᚤ⣽ᵓ㐀ᐇ㦂䛻⏝䛔䛯⸛⸴䛿䠈⊂❧⾜ᨻἲேᅜ❧⎔ቃ◊✲(XAFS)ศගἲ䜢⏝䛔䛶ヲ⣽䛺ศᯒ䜢⾜䛳䛯䠊௦⾲䛸䛧ᡤᚤ⏕≀⣔⤫ಖᏑ᪋タ䜘䜚㉎ධ䛧䛯↓⳦ᇵ㣴ᰴ䛶ᅵተ O 䛾⤖ᯝ䛻䛴䛔䛶♧䛧䠄ᅗ 1䠅䠈ᅵተ G 䛚䜘䜃 O

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3. ⤖ᯝ
3.1. ㎰ᆅᅵተ⏤᮶䛾⢏Ꮚ≧ P 䛾⃰ᗘ౪ヨᅵተ䛾඲ P ⃰ᗘ䛚䜘䜃⢏Ꮚ≧ P ⃰ᗘ䜢⾲ 1 䛻♧䛧䛯䠊
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2

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

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3.3. 㓟໬㕲䛻྾╔䛧䛯 P 䜢⏝䛔䛯⸛⸴ᇵ㣴ヨ㦂䛾್䜢♧䛧䛯䠊䛣䛾⤖ᯝ䛿䠈ferrihydrite ྾╔ែ P 䛾⏕≀㻌 ⸛⸴䛾ᇵ㣴ヨ㦂䛾⤖ᯝ䜢ᅗ 2 䛻♧䛧䛯䠊ᇵ㣴ᮇ㛫୰฼⏝ᛶ䛾ప䛥䜢⾲䛧䛶䛚䜚䠈᪤ሗ䛸୍⮴䛩䜛⤖ᯝ䛸䛺䛳䛾᭱኱ቑṪ㔞(䜽䝻䝻䝣䜱䝹 a ⃰ᗘ)䛿䠈+P ༊(868 μg L-1)

䛯[5]䠊> +1/2 FhP ༊(368 μg L-1) > -P ༊(351 μg L-1) > +FhP ༊

5. ⤖ㄽ

(190 μg L-1)䛾㡰䛻㧗್䜢♧䛧䛯䠊䛣䛾⤖ᯝ䛿䠈㓟໬㕲䛻㎰ᆅᅵተ⏤᮶䛾⢏Ꮚ≧ P 䛾ከ䛟䛿䠈㕲䜔䜰䝹䝭䝙䜴䝮྾╔䛧䛯 P 䛜Ꮡᅾ䛩䜛䛣䛸䛻䜘䛳䛶䠈⸛⸴䛾ቑṪ㔞䛜ప㖔≀䛻྾╔䛧䛯ᙧែ䛷Ꮡᅾ䛧䛯䠊䜎䛯䠈㕲䛾㓟໬≀䛻྾ୗ䛩䜛䛣䛸䜢♧䛧䛶䛔䜛䠊⁐ᾮ୰䛾 pH 䛿ྛฎ⌮༊䛻䜘䜛╔䛧䛯 P 䛾⸛⸴䛻䜘䜛▷ᮇ฼⏝ᛶ䛿䠈⁐Ꮡែ P 䛸ẚ㍑䛧㐪䛔䛜☜ㄆ䛥䜜䛯䠊ᇵ㣴㛤ጞ᫬䛾 pH 䛿䛭䜜䛮䜜䠈-P ༊䛶ప䛛䛳䛯䠊ᮏ◊✲䛻䜘䜚䠈Ỉ⏣ᅵተ䛛䜙Ἑᕝ䜈䛾ᚤ⢏(pH 8.1)䠈+P ༊(pH 7.6)䠈+1/2FhP ༊(pH 7.6)䠈+FhP ༊Ꮚ䛾ὶฟ䛻క䛔䠈P 䛜㕲䜔䜰䝹䝭䝙䜴䝮䛾㖔≀䛻྾╔䛧

(pH 6.7)䛷䛒䛳䛯䠊䛯ᙧ䛷ὶᇦ䜈ὶฟ䛩䜛䛣䛸䛜♧၀䛥䜜䛯䠊䛭䛾୰䛷䜒䠈௦⾲ⓗ䛺⢏Ꮚ≧ P 䛾ᙧែ䛸䛧䛶⪃䛘䜙䜜䜛㓟໬㕲㖔≀䛻྾╔䛧䛯 P 䛿䠈㐣๫䛻Ꮡᅾ䛩䜛䛣䛸䛻䜘䛳䛶⸛⸴䛾⏕⫱䜢ᢚไ䛩䜛䛣䛸䛜♧䛥䜜䛯䠊䛯䛰䛧䠈ᮏ◊✲䛾⤖ᯝ䛿
30 ᪥⛬ᗘ䛾▷ᮇ㛫䛷ᚓ䜙䜜䛯䜒䛾䛷䛒䜚䠈㛗ᮇⓗ䛻䛿䛣䛾 P 䛜⁐ฟ䛩䜛䛣䛸䜒⪃䛘䜙䜜䜛䛯䜑䠈᳨ド䛜ᚲせ䛷
䛒䜛䠊

ᘬ⏝ᩥ⊩
[1]
ᅗ 2. ᇵ㣴ᮇ㛫୰䛾ྛฎ⌮༊䛻䛚䛡䜛䜽䝻䝻䝣䜱䝹 a䠄Chl.a䠅⃰ᗘ

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4. ⪃ᐹ
ᅵተ⏤᮶䛾⢏Ꮚ≧ P 䛿䠈Fe 䜔 Al 㖔≀䛻྾╔䛧䛯≧ែ䛷Ꮡᅾ䛩䜛䛣䛸䛜ศ䛛䛳䛯䠄ᅗ 1䠅䠊ᅵተ O 䛻㛵䛧䛶䛿䠈[3]ᡭሯබ⿱䠈బ⸨ὒ୍䠈୰ᮧ⋞ṇ:ᐩᰤ㣴†䛾⸴㢮ቑṪ䛻ཬ䜌䛩ὶධᾋ㐟≀㉁䛛䜙䛾䝸䞁⁐ฟ䛾ᙳ㡪䠈Journal of Japan
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ᅵተ඲య䛾 P 䛸⢏Ꮚ≧ P 䛷ᙧែ䛻㐪䛔䛜䜏䜙䜜䛯䠊䛣䛾⤖ᯝ䛿䠈ᅵተ䛾 P 䛿䠈ᅵተ඲య䜢ᑐ㇟䛸䛧䛯ሙྜ䛸ᚤ⢏Ꮚ䛷䛿␗䛺䜛໬Ꮫᙧែ䛷Ꮡᅾ䛩䜛䛣䛸䜢ព࿡䛧䛶䛚䜚䠈≉䛻㕲㖔≀䛻྾╔䛧䛯 P 䛜Ỉᇦ䛷䛾⛣ື䛻䛚䛔䛶㔜せ䛷䛒䜛䛣䛸䛜♧၀䛥䜜䛯䠊⸛⸴䛾ᇵ㣴๓༙䛻䛚䛔䛶䠈ᇵ㣴ᾮ୰䛾䜽䝻䝻䝣䜱䝹 a⃰ᗘ䛿䠈᫬㛫䛾⤒㐣䛸䛸䜒䛻+P ༊䛷᫂䜙䛛䛻ቑຍ䛩䜛ഴྥ䛜ぢ䜙䜜䛯(ᅗ 2)䠊䛭䜜௨እ䛾ฎ⌮༊(-P ༊䠈+FhP
༊䠈+1/2FhP ༊)䛻䛚䛔䛶䜒䜽䝻䝻䝣䜱䝹 a ⃰ᗘ䛜ቑຍ䛩

3533

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

O5-21

Formulation of Multiple ‘Resources-from-Biowaste System’ Models
based on Subcritical Water Reactor
Jun Matsushita1, Saburo Matsui1, Norio Sugiura2, Tomonao Miyashiro3, Kazunari Yoshimura4, Naoko Nakagawa5,
Research and Development Initiative, Chuo University, 2University of Tsukuba

1

G-8 International Trading Co. Ltd., 4Global Water Japan, 5Rikkyo University

3

Keywords: resources-from-biowaste, subcritical water reactor, clean cycle. mitigating of eutrophication,
ABSTRACT

Massive biowaste generation causes serious environmental degradation due to low-cost landfill system for its
disposal commonly applied in most Asian countries. We assume that an appropriate solution would be formulationof multiple ‘resources-from-biowaste system’ as an appropriate alternative measures through the accelerated thermalhydrolysis processing based on a subcritical water reactor. Whereas, a wide range of socio-economic benefits could
be expected in our society, if well-linked with value-added organic farming, as follows: (1) production of functional
compost and recovery of ever-depleted phosphorus resources, (2) heightening of resource efficiency in malfunctioned
biowaste management and (3) contribution to mitigating eutrophication in the public waters and so forth. Hereupon,
we firstly analyzed functions of the subcritical water reactor, and secondly conducted actual project-based
feasibility study on the leading system models formulated by the subcritical water reactor.

INTRODUCTION
As economy grows rapidly in Asia, generation of biowaste
increases in every sector, agriculture, industrial andmunicipal, either. Total amount of the them is estimated asmuch as 2.6 billion tons a year in 2012, of which Japanaccounts for approximately 10% [1].
Whereas, the conventional sink for biomass waste disposal
relies majorly on low-cost landfill and partly on high-cost
incineration technology coupled with no proper clean
cycle neither.
In this study, we assume that this core reactor should
contribute reduction of pollutant discharge into the public
waters due to the current malfunctioned waste
management through formulation of multiple ‘resourcesfrom-biowaste system’ as shown in Fig,1, namely (1) highquality-cattle-feed-from-wood-residues, (2) probiotic/
functionalorganic-fertilizer-from-cattle-excreta,(3)
increased-biogas-production-from-sewage-sludge and soforth.
Hereupon, our previous study verified that the accelerated
thermal hydrolysis processing by using a subcritical water
reactor was quite workable in producing of functionalorganic fertilizer with affordable cost to formulate value-534

added probiotic agro-production model well in Taiwan and
China [2].
Hereupon, we conducted additional project-based study toverify the wide-ranged assumption mentioned-above.
[Massive Biowaste Generation]〇Mixed Urban Waste(Combustibles)
・Raw garbage
with vinyl bags
・Used paper, chop stics〇Sewage Sludge〇Cattle Manure andChicken Feces〇Wood Residues[Subcritical Water Reactor]〇Accelerated Thermal Hydrolysis Processing〇High-quality〇Soil Conditioner

Cattle Feed

〇Functional/probiotic

Organic Fertilizer

Supplementing/Replacing of Massive
Chemical Fertilizer Production〇Methane Fermentation(Increased Biogas Production)[Formulation of ‘Resources-from-Biowaste System’ Models]〇Reduction of Pollutant Discharge〇Mitigating of Eutrophication in the Public Waters

Fig.1 Multiple ‘Resources-from-Biowaste System’
based on Subcritical Water Reactor

1

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

1. Featuresof Capability
Subcritical
ReactorType)
2. Multipleof Water
Subcritical
Water(Batch
Reactor

MATERIALS AND METHODS
The method of this study is not laboratory-based, but actual
project-based and/or real machine based-experiment.
Firstly, an analysis was conducted on the functions of thesubcritical water reactor of batch type to enable accelerated
thermal hydrolysis processing, successfully utilized so far
to formulate leading ‘resources-from-biowaste system’
models in several Asian countries. Secondly, verification
was made, from technical and socio-economic views, on
the feasibility of those system models formulation. And
lastly, discussion followed on the appropriate way topromote those multiple systems in the region, where
biowaste recycling measures are required toward betteredlake environment conservation.

Accelerated Thermal Hydrolysis Reactor for ‘Resources-from-Biowaste’
Biomass/Bio-waste
recyclemachine1. MRMMulti-functional
亜臨界水反応装置（反応槽容量2m3）Simple to operate〇Acceptable of various types of biowaste〇Saturated steam from the boiler

Prototype of SCW
Reactor (2,6,10 m3)

・Processing time: 10-60 min.
〇Homogeneous processing of
biowaste by the agitator○燃焼処理によらないため、有害ガス（ダイオキシンなど）の発生がない。
○高温・高圧処理するので安全。バイオマスを無菌・無害化・低分子化。

〇Applicableto material/thermal
recycle1. Prototype
of Subcritical
Water
Reactor(2-m3
Vessel) ・100-200℃, 10-20 atm (1-2 MPa)
Full-scale SubCritical
Water Reactor(Multiple
RecycleMachine)
Inlet

High performance

MRM
Agitator
BoilerAutomated
Controller Panel

ReactorOutlet(Batch System)

International patent○Capacity
the Reactor: 2-10
m3/Unitsteel made) Ebara Corporation〇Maker:G-8ofInternational
TradingCo.(StainlessLtd., Manufacture:○Plant Size：WPatent:
7.55m×D
2.0m×Htype）Korea,○Weight：8,000Kg（
2 m3 type）EU〇International
Japan,
USA,3.7m（2China,m3
South
Hong Kong, Malaysia,
under way)
2.(India:
国内外特許取得／申請状況

6 Countries: Japan, USA, China, South
Korea, Hong Kong & EU / India under way

特許権者：G8 International Trading ㈱ g8inter.co.jp/index.php?

国際公開特許 Title of International Application: PCT/JP2005/009728
PatentInvention Patent No.
PatentIssue
Issue Ccountry
CountryJapan
No.4864884
China
No.ZL200580049929.2
Hongkong
No.1115836
The United States
No.8512573
South Korea
No.10-1313438
Malaysia
No.PI20072112
Application Country
Number Aassigned to the Application
India
No.4602/KOLNP/2007
EuropeNo.EP05743794.9(2014.09.11現在）
Date of Issue
November 18, 2011

〇2m3-Tank case・2m3＠10 batch/day=20m3/day=10 ton/day (0.5 ton/m3)=Equivalent to sewage sludge
generated from 100.000 persons〇Small energy consumption
・20-30 ℓ diesel oil/batch
・10-20 kWh/batch

May 12, 2010 Maker: G-8 International Trading Co. Ltd., JPN
R/D Initiatives of Chuo University,September
Tokyo,
24, 2010

Fig. 2 Technical Features of Subcritical Water
Reactor (Batch Type)
August 20, 2013
September 24, 2013
June 13, 2014
Date of Application
November 28, 2007
December 19, 2007

verified to be produced every 15-20min. operation of the
SCW rector per a batch. The product was quite functionalenough in stimulating the appetite of tested cattle greatly

RESULTS(1) Analysis on Functions of Subcritical Water Reactor
The subcritical water reactor is practically operated under
the subcritical water condition with temperature of 100200℃ and pressure of 1-2 MPa in the pressure vessel. Iron
product of ion becomes increased by as high as 30 times toaccelerate thermal hydrolysis processing[3], and todemonstrate useful effects in dissolving polymer structureof biowaste into low molecule materials for the wide rangeof biowaste within much shorter processing time of 10-60
min.
The types of reactors for such thermal hydrolysis
processing are classified into batch type and continuous
type, both already commercialized in Japan and spreadingto Asia [4]. Whereas, the batch type is judged to be muchsuperior in its flexible applicability to varied biowaste
properties including urban mixed waste against thecontinuous one, which is applicable only to liquid biowaste
such as raw sewage sludge.

and strengthening their digestibility as well, and therefore
helpful in promoting of high-quality Japanese Wagyu beef
production[5].
From socio-economic views, the product cost including thepurchase cost of wood residues was approximately 2030% cheaper, if compared to international market price of
cattle feeds. Therefore, it was clarified that this businessmodel contributed highly to bettered management of thelocal breeding industry and logging industry as well. In thewake, it was improving the low feed self-sufficiency in theprovince, which had been highly dependent on imported
feeds so far.
Probiotic/functional-organic-fertilizer-from-chicken-feces
A model plant has been operated since 2009 with two 2m3 reactor installation in Yilan Province, Taiwan.
From technical views, raw material was proved to beconverted speedily into low-molecular organic particulates
within 20 min. operation of the SCW reactor per a batch.
Then, it was observed that quick composting progressed(2) Feasibility of ‘Resources-from-Biowaste System’

within 2 weeks. Our bacteria flora analysis using a next

Model Formulation
Hereupon, our study focused on workability of thesubcritical water reactor of batch type, hereinafter simply
called SCW rector, to formulate the following three typesof system models. The technical features of the said reactor
are summarized in Fig. 2.
High-quality-cattle-feed-from–wood-residues

generation sequencer revealed that dominant bacterial
grope in the end product were almost crop-friendly good
micro-organism, such as Actinobacteria[2].
From socio-economic views, the operation company has
obtained the official certificate on its end product asqualified organic fertilizer by the governmental institution.
In addition, our hearing survey to local famers clarified

A model plant has been operated since 2016 with a 2-m3

that the end product worked successfully, with good micro-

reactor installation in Hokkaido Province, Japan.

organism effect combined, to suppress crop impediments

From technical views, wood-based coarse cattle feed wasdue to repeated cultivation in their farmlands, thus making

2535

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018itself more value-added and marketable with price as highas US$200/ton to well meet the operation cost.

thus
farIntegrationin Taiwan has
been transferred to China, where
cal
Total
in “Resources-from-Biowaste”
Model
Sustainable Useof Wood Resources
company has commenced
similaroperation since 2014 for

Herewith, similar operation has been commenced since

pig manure recycling in Jiansue Provinceof China.
Wood-based

2014 for pig manure recycling in Jiansue Province, China.
Enhanced-Biogas-Production-from-Sewage Sludge

SCW
Ranchers &Reactorinstallation cost for the SCW
reactor would be payable
theBreeders

In order to push thermal recycling rate for sewage sludge

sewage sector, because double merits are to be expected,

up more, streamlining of methane fermentation processing

Probioticsurplus from the increased biogas
namely incomeof Excreta

becomes the new target in Japan[6]. On this context, we(Biowaste Portion≒60%)
production
Enhanced Biogas and construction cost reduction for sludge

Carbon Field

Wood Residues【Core Tech.】Cattle Feed Hub

Barks

Multiple-functional
Recycling Machine

Promotion ofCollection

Organic Farming

Domestic Waste

Production

Separation
Bio-Waste
Creation ofdigestion tank dzaue to Recycle-oriented
shortened
acidification
phase.
・Urban Biowaste

conducted a comparative test to analyse the biogas
generation capability from sewage sludge with/without the

Sustainable

・Food Residues
・Animal Excreta
・Sewage Sludge

accelerated hydrolysis processing by the SCW reactor

Community
Material/
Recycling
ModelsThermal Recycle AND CONCLUSION Hub
DISCUSSION

prior to the methane fermentation.

Prevention of Water Contamination by Waste Landfill System
Hereupon, our actual
project-based study verified that the

Biomass Field

Fig. reactor
3 Totalized‘Resources-from-Biowaste
System’SCW
was workableenough as the core technology

From technical views, it was revealed that initialbased on Subcritical Water Reactor

acidification phase became quite shortened from around 7days to only one hour with the accelerated hydrolysis

totalizationof foodviews.
loops theon saidbusinessbasis
andaccelerate
pollutant(2)
From technicalreactorcould
discharge
reduction
towardmitigating
eutrophicationinhydrolysis
processing
effectively
to dissolve
biowasteprocessing. And such effect contributed to shortening of

the into
publicas particulates
well as shown
Fig. suitable
3. Further
lowwaters
molecule
whichinwere
for

total methane fermentation time of 30-60 days by around20-30%. In addition, biogas production was increased by

scrutinizingof this recycle
verification
test result
should be desired
either materialor thermal
recycle.
on anactualcase study basis
in lakebasinsreactor
in Asiacould
and
(3)
From
socio-economic
views,
the said

50% or more with the said processing[7].

otherregions formulationin the world. of multiple ‘resources-frompromotebasinsin Asiasystem’
and otherregionsin theworld.
biowastemodelswithsmaller
operation cost

From socio-economic views, it was implicated that
installation cost of the SCW reactor could be payable
enough, since double merits were to be expected, namely

As aandresult,it wasconcluded
as follows:
highereconomic
benefits.

construction cost reduction for sludge digestion tank due(1) The SCW reactor was proved to be capable enough as ato the shortened acidification phase and income surplus

chicken feces, and pig manure or thermal recycling of sewage
REFERENCES

from the increased biogas production.

[1]
New Energy Foundation: Estimation of Biomass Amount in Asia,
sludge.

DISCUSSION AND CONCLUSION[2] Hiroyuki Ishizaki, Jun Matsushita, Saburo Matsui, Tomonao(1) New Energy Foundation, Japan (in Japanese), 2012

Miyashiro, et al.: Multiple Biowaste Recycling System linked
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Social Management System 10. Vol. 1. sms15-9652. Issn:2432New Energy Foundation, Japan (in Japanese), 2012
552X, 2015[2] Hiroyuki Ishizaki, Jun Matsushita, Saburo Matsui, Tomonao[3] Hiroyuki Yoshida: Waste Refinery by Subcritical Water, CMC
Miyashiro, et al.: Multiple Biowaste Recycling System linked
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Batch Type. www.g8inter.co.jp/index.php?
Social Management System 10. Vol. 1. sms15-9652. Issn:2432Mitsubishi Nagasaki Kikou Co. ltd.: Subcritical Water Reactor
552X, 2015of Continuous Type. (in Japanese)[3] Hiroyuki Yoshida: Waste Refinery by Subcritical Water. CMC
www.mnm.co.jp/products/environment/sewage.html
Shuppan Inc. (in Japanese), 2005
[5] Cattle Journal of Japan: White Birch Feed Production by SCW

In accordance with our actual project-based study, it wasverified that the SCW reactor was workable enough as thecore technology to firmly drive formulation of 3 types ofmultiple ‘resources-from-biowaste system’ models forthcoupled with technical and/or socio-economic merits. If
integrated well, those system models could lead tototalization of food loops and reduction of pollutant
discharge as well to mitigate eutrophication in the public
waters as shown in Fig. 3.
Further scrutinizing of this verification result mentionedabove should be desired on an actual project-basis in lake

Reactor. Cattle Journal. No. 11. 23-27 (in Japanese), 2016
Subcritical
Reactor.
Cattle Journal.
No. 11. 23-27(in[6]
Ministry Waterof Land,
Infrastructure
and Transportationof Japan:basins in Asia and other regions in the world.

Japanese),2016 by Dynamic Approach in Sewage HighBreakthroughAs a result, it was concluded as follows:[6] Technology
Ministry of Project.
Land, Infrastructure(in Japanese) and Transportation of Japan:[4] G-8 International Trading Co. Ltd.: Subcritical Water Reactor of(1) The SCW reactor was proved to be capable enough as a

Batch Type, 2018

Breakthrough by Dynamic Approach in Sewage Highwww.nilim.go.jp/lab/bdash/bdash.html

www.g8inter.co.jp/index.php?

core technology to drive those biowaste recycle system

Mitsubishi Nagasaki Kikou Co. ltd.: Subcritical Water Reactor

Project.
(in2017[7] Technology
Tomonao Miyashiro,
Norio Sugiura
et. Japanese),
al: Highly Efficient

residues and chicken feces or thermal recycling of
www.mnm.co.jp/products/environment/sewage.html[7] Tomonao
Wang Que,Pre-treatment
Kazuya Shmizu,
NorioJapanese
Sugiura,SubcriticalMiyashiro,
Water Hydrolysis
Process,

forth,
material
ofmodelsContinuous
Type either(in Japanese), 2017recycling of woodwww.nilim.go.jp/lab/bdash/bdash.html
Anaerobic
Digestion of Refactory Organic Waste Usinget, al.: Highly
Efficient
Anaerobic
Digestionof Refactory
Journalof WaterTreatment
and Biology.
48. 23-27[5] Cattleof Japan: White Birch Feed Production by
sewageJournal
sludge.

536

3

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

O5-22

Water Quality Conservation by Circulative Use of Biomass
Yoshito Yuyama1, Masato Nakamura1, Fumiko Oritate1 and Masaru Yamaoka1
1National Agriculture and Food Research Organization

Keywords: biomass, nitrogen and phosphorus cycle, food production
ABSTRACT
Some rural areas have problems of water pollution in lake, pond, river and canal no good for human life, irrigation andecosystem. Most reasons come from insufficient recycle of nitrogen and phosphorus contained in various biomass andwater as well as fertilizing design. Authors have developed diagnosis tool for regional biomass use that show present andplanned material balance. Objective feedstock biomass is such as livestock wastes, residues of food and sludge. This study
dealt with methane fermentation technology. Katori city of Japan and Thai My village of Vietnam were chosen as casestudy area and the effect by plan with some scenarios were quantified. The results indicated how the use of chemicalfertilizer, disposal and influent load to water bodies decreased by circulative use of biomass. Appropriately designed andmanaged biomass use system can contribute to water quality conservation, sound material cycle, creation of value-added
food production and vitalization of regional economy throughout local production for local consumption.
1. INTRODUCTION
Some rural areas have problems ofwater pollution in lake, pond, riverand canal no good for human life,
irrigation and ecosystem. Most
reasons come from insufficient
recycle of nitrogen and phosphorus
contained in various biomass andwater as well as fertilizing design.
Biomass use has great potential for
prevention of global warming,
creation of a recycling-oriented
society, fostering of sound soil andfood production, vitalization ofagriculture and rural communities.
This paper clarifies effect of biomass
use focusing decrease of influent load
to water bodies.
2. METHOD
Authors have developed diagnosis
tool for regional biomass use [1] thatshow present and planned conditionof material balance as shown in Fig.1.
Main parameters are raw weight,
nitrogen, phosphorus and carbon.
Dynamics in farmland is analyzed
based previous studies and statistics
as shown in Fig.2. Objective
feedstock biomass is such as

Fig. 1 Basic diagnosis model of regional biomass use

1537

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

livestock wastes, residues of food and sludge. They are(presently, wastewater treatment and composting)often converted by composting or methane fermentation

3) 3,650t/y of domestic sewage sludge is provided fortechnology. This study deals with the latter because it canmethane fermentation (presently, disposal)

produce energy and information of methane fermented4) 1,825t/y of food industry garbage is provided fordigested slurry use is not so many. Nakamura et al.

methane fermentation (presently, disposal)

compared nitrogen balance for two years by lysimeter test
betweenammoniumsulfateanddigested5) 3,650t/y of household garbage is provided for methaneslurryfermentation (presently, disposal)

application and showed that the leaching ratios were

6) Produced digested slurry is used at farmland

almost same .

Using feedstock biomass shown in Table 2, 2,828 thousand

Two case study areas in Japan and Vietnam are chosen andNm3/y of biogas, 1,018 MWh/y of surplus power, 5,882

the effect by plan with some scenarios are quantified.

GJ/y of surplus heat and 71,462 t/y of digested slurry were[2]

estimated to produce. Table 3 indicated how use ofchemical fertilizer, disposal and influent load to water
bodies decreased [3].
Table 2 Feedstock biomass used for methane
fermentation in Katori city

Fig. 2 Material balance in farmland
Table 3 Effect of promotion of biomass use in Katori city

Table 1 Nitrogen balance by application of fertilizer (%)

3. RESULTS
Katori city, Japan was chosen as case study area where
agriculture and livestock industry is prosperous. Scenario
for promotion of methane fermentation system wasdesigned as follows:
1) 30% of milk cow waste is provided for methane

Thai My village located in Ho Chi Minh city, Vietnam wasfermentation (presently, composting)also chosen as case study area [4]. Livestock and rice2) 24% of pig waste is provided for methane fermentation

538

farming is popular there. 111 households have biogas

2

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

digesters with capacities of 7.8±1.2 m3 of fermentation

4.

tank volume. The main feedstock is pig and milk cow feces

The results of analysis in two study areas indicated how

and urine mixed with the washing water of livestock

the use of chemical fertilizer, disposal and influent load tofarming shed. Biogas is mainly used for cooking in thewater bodies decreased by circulative use of biomass.

homes. Most of the digested slurry is discharged to theMethane fermented digested slurry was useful as liquid

infiltration pits, river or canal although a little of them is

fertilizer. Diagnosis of soil and fertilizer design are key

used as fertilizer for plants in yards or non-paddy fields.

component. Its effect might come to conservation of

To overcome water pollution and realize desirable biomass

ecosystem, because the circulative use of biomass leads

use, the plan was designed as follows:

environmentally friendly agriculture. Moreover, it would

1) All unused livestock excreta are considered feedstock

lead mitigation of global warming. In conclusion, it can befor biogas digester. By increasing the number of biogas

said that appropriately designed and managed biomass use

digesters, excreta from 10,000 heads of pigs and 60

system contribute to water quality conservation, soundheads of milk cows becomes the target.

material cycle, creation of value-added food production

2) Digested slurry produced at the digesters is applied to

CONCLUSION

and vitalization of regional economy throughout local

paddy fields as liquid fertilizer.

production for local consumption. This kind of efforts in3) Half of the nitrogen contained in the slurry is consideredwatershed of a lake should be focused and promoted more

effective for a crop uptake, because the ratio ofstrongly. In a region level, systemization of organization,ammonia nitrogen to total nitrogen is approximately

technology, institution, fund and information are essential.

50%. This portion is assumed to replace the chemical

Judgement of promotion of the plan should be considerednitrogen fertilizer in paddy fields.

fromResults were summarized in Tables 4. Influent nitrogenlifecycle

profitability

amongorganizations

concerned and sustainability of land use.

load to water bodies decreased from 122 to 70 t/y.
Application rate of nitrogen fertilizer decreased from 250

REFERENCES

to 130 kg･ha-1･y-1 owing to application of digested slurry.

[1]

Yoshito Yuyama et al., Development of Diagnosis Tool on
Regional Biomass Use, Transactions of JSIDRE, Vol.266，
pp.57-62，2010[2]

Masato Nakamura et al., Impacts of Application of Methane
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and Nitrogen Leaching from Upland Field, Transactions of
JSIDRE, Vol. 246, pp.17-26, 2009[3]

Yoshito Yuyama et al., Support Tool for Development of
Biomass Town, Hitoshi Nakagawa ed. Agri-forestry Biomass
Resources and Regional Use, Yokendo, pp.313-323, 2018[4]

Fumiko Oritate et al., Regional Diagnosis of Biomass Use inThai My Village, Vietnam, Tech. Rep. Natl. Inst. Rural Eng.，
Vol.214, pp.135-162, 2013

Biogas generation rate increased to 330,000 Nm3/y, 8times larger than the present condition.
Table 4 Effect of promotion of biomass use
in Thai My village

3539

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O5-23

水草バイオマスを汚泥脱水助剤として活用するための基礎的研究
山﨑 廉予 1，岡安 祐司 1，重村 浩之 1
1

国立研究開発法人 土木研究所

キーワード：水草,下水汚泥，脱水助剤，バイオマス
抄録
河川、湖沼等の公共用水域において異常発生している、水草バイオマスの有効利用方法として、下水汚泥の脱水助剤としての活用に着目した。そこで本研究では、スズメノヒエおよびオニビシを下水汚泥と混合させた、実験室レベ
ルの脱水試験を行った。その結果、スズメノヒエは、汚泥の含水率低減に寄与しないが、脱水汚泥量をほぼ増加させずに、水草と汚泥を同時に処分できる可能性を示した。オニビシは、脱水助剤として汚泥の含水率低減に寄与し、脱水汚泥量を約 80%程度に削減できる可能性を示した。また、琵琶湖南湖で下水道部局により刈取られた水草を下水処理場で脱水助剤として受け入れた場合、数日以内に処分できる試算結果となった。湖沼等で発生する水草バイオマスを下水処理場で受け入れ、下水汚泥の脱水助剤として活用する技術は、水草バイオマスの有効利用、下水道事
業における未利用バイオマスの有効活用に資するものであり、かつ経済性で有用な技術である可能性が示唆された。
1. はじめになどの地域バイオマスを下水汚泥の脱水助剤として利近年、河川、湖沼等の公共用水域において、富栄養用する研究[6][7]も行なわれており、刈草と同じ植物系バ化などの原因により水草が異常発生しており[1]、水域のイオマスである水草においても、同様の効果があるので水質悪化、悪臭の発生、景観悪化、生物多様性の減少はないかと考え、実験室レベルでの検証を行った。

などに繋がるため、全国的に問題となっている。特に琵

2. 方法

琶湖南湖では、水草（沈水植物）が大量繁茂しており、脱水試験は、下水汚泥、凝集剤、および水草を混合[1]船の横行障害など、様々な悪影響をもたらしている 。

し、遠心分離機による脱水を行い、脱水後の固形物の琵琶湖で刈取られた水草は、一部堆肥化され、地域住含水率を測定する方法で行った。下水汚泥は、A 処理[2]

民に無料配布されている が、それ以外は焼却処分さ場の最初沈殿池の重力濃縮汚泥と、余剰汚泥の機械れているのが現状である。水草バイオマスの活用の研濃縮汚泥を 1 対 1 で混合したものを用いた。実験に用い究は、堆肥化、バイオエタノール化、メタン発酵によるエた濃縮汚泥の TS（全固形物量）は 2.3% であった。凝

ネルギー化などがあり、特にメタン発酵は含水率が高い

集剤は、カチオン系高分子を用いた。水草は、琵琶湖

水草バイオマスを、低エネルギーで、エネルギー回収で南湖において、B 処理場を管理する下水道部局によっきるため、有用な方法と考えられている[3][4]て、敷地の管理の一環として、敷地周縁部において表が、実用に層刈取りにより回収されたものを用いた。2016 年 12 月は至っていない。
本研究では、水草バイオバスの活用方法として、下に、主にスズメノヒエ、2017 年 7 月に、主にオニビシを採水汚泥の脱水時の脱水助剤としての利用に着目した。

取した。下水道部局で刈取られた水草は、下水処理場

本研究室では、河川等で発生するイネ科の刈草を、下内で 1 カ月程度天日干しされたのち、一般廃棄物として水汚泥の脱水助剤として有効利用する方法について検処分されている。実験には、1 カ月程度天日干しされた[5]証しており 、汚泥に刈草を混合することにより、脱水後水草を用いた。スズメノヒエは、ハサミで 10 ㎜程度に裁の汚泥の含水率の低下や、凝集剤添加量の削減の可断し、オニビシは、家庭用の小枝粉砕機（MGS-1510Si,

能性を見出している。また、河川事業における刈草処分ミナト）により、3～5 ㎝程度に裁断し（図-1）た。実験に用費や、下水道事業における脱水汚泥の処分費においいた水草の TS は、スズメノヒエが 92%、オニビシが 49%ても、削減可能な混合条件があることを試算により示し程度であった。脱水試験に供した凝集剤の添加率は、ている。脱水性向上の原理は、汚泥に固形物を投入す

汚泥 TS に対して、0%、0.5%、1.5%とし、水草 TS の混ることで、固形物が汚泥中の空隙を確保することで、汚合率は汚泥 TSに対して、0%、10%、30%とした。遠心分[6]

泥中に水分の通り道ができ、水分が抜けやすくなる た

離機の回転速度や運転時間等の脱水試験条件は、刈めだと考えられる。同様の原理で、繊維質や木質チップ

草の脱水試験と同様とした[5]。汚泥よりも TS が高い水草

540

1

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シでは 1.3 倍まで脱水汚泥量を減少させることができるとことがわかる。凝集剤添加率 1.5%では、スズメノヒエを30%混合した場合、脱水汚泥の汚泥量は、1.1 倍程度の増加であった。図-2 より、水草混合脱水汚泥の含水率の低減効果が約 4%あるため、脱水汚泥量をそれほ

スズメノヒエオニビシ(10 ㎜裁断) (粉砕機による粉砕)
図-1 脱水試験に用いた水草ど増やさず、スズメノヒエと汚泥を一緒に処分できる可能性が示された。オニビシを 30%混合した場合、凝集剤の混合により、含水率は物理的に減少するため、水草

添加率 0.5%の時、汚泥量を 96%、凝集剤 1.5%の時、の TS、水分量を差し引くことで、汚泥のみの含水率を試

汚泥量を 84%に削減できる可能性を示した。汚泥とオ算した。また、脱水汚泥量は、凝集剤添加率 1.5%、水ニビシを同時に処分でき、かつ汚泥量も減少可能となり、草混合率 0%での脱水汚泥量を 1 としたときの各混合条

処分費の削減効果も期待できることが示された。
上記の結果より、水草の種類や混合条件によって件での脱水汚泥量を試算し、相対値として示した。
3. 結果

は、水草を汚泥と混合して脱水することで、凝集剤

図-2 左図に脱水後の水草混合脱水汚泥の含水率の費の削減や、脱水汚泥量の低減化が見込まれる可能

結果、図-2 右図に刈草量を差し引いて試算した汚泥中性が示された。琵琶湖で刈取った水草を脱水助剤との含水率の結果を示す。図-2 左図より、TS が高い水草して利用する処理場として、琵琶湖南湖の湖周辺にを下水汚泥に混合することによって、水草混合脱水汚立地する、B（b 市）、C、D（c 市）、3 か所の下水処

泥の含水率が減少することが確認できた。図-2 右図より、理場を想定し、刈取った水草量に対して、処分に掛

凝集剤添加率 0%のとき、水草混合により、含水率が減少する傾向がみられ、水草混合割合が 30%までは、水草を増加させるほど、含水率の低減効果がみられることが示された。水草混合割合 0%と比較して、30%では、ス
ズメノヒエでは 3.4%、オニビシでは 4.5%、脱水汚泥のみの含水率が減少する試算結果であった。凝集剤を添加した場合、スズメノヒエでは脱水汚泥のみの含水率の低減化は、ほぼ見られなかった。これは、凝集剤による含水率の低減効果が大きいためである。オニビシでは、凝集剤を添加した場合、混合割合を増やすほど含水率が低下する結果となった。凝集剤 0.5%の時、水草 0%と比
較して、30%で含水率 4.9%の低減、凝集剤 1.5%の時
は、含水率 6.7%の低減がみられると試算され、水草混
合割合 30%までは、水草混合割合が高いほど、低減効
果も高くなる可能性が示唆された。例えば、凝集剤を0.5%に削減し、オニビシを 10%混合させることで、脱水
汚泥の含水率を変えずに、凝集剤費の削減および、水草と汚泥の両方を処分できる可能があることがわかる。

図-2 水草混合脱水汚泥と脱水汚泥のみ(試算値)の含水率

図-3 に、凝集剤 1.5%、水草混合 0%時の脱水汚泥量を 1 としたときの、各混合条件における脱水汚泥量の相対値を示した。これは、凝集剤 1.5%、水草混合 0%時の脱水汚泥量を、下水処理場での現状の脱水汚泥量と仮定して、水草を混合した場合の脱水汚泥量と比較することを目的としている。図-2 より凝集剤添加率 0%の時
は 1.5%の時と比較して含水率が 10%以上高いため、脱水汚泥量も 2 倍程度多いが、図-3 より、凝集剤 0%でも、図-3 凝集剤添加率 1.5%、水草混合割合 0%を1 とした時の脱水汚泥量の相対値()

水草を 30%混合すれば、スズメノヒエでは 1.8 倍、オニビ
2541

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

4. 結論

かる日数を試算した。水草刈取り量は、下水道部局
による刈取り分とし、湖の管理者によって実施され本研究では、バイオマスとしての活用が求められている刈取り分の 100 分の 1 と仮定した。B 処理場で受る水草に着目し、スズメノヒエ、オニビシの汚泥の脱水け入れ可能な水草量は、B 処理場が立地する自治体

助剤としての有用性を実験室レベルで検証した。そのb 市での下水道部局分とし、H29 年度の表層刈取り

結果、スズメノヒエは脱水助剤として、汚泥の含水率低[8]量の実績 より、約 3.5 t とした。C、D 処理場が立減にほぼ寄与しないが、脱水汚泥量を増やさずに、水地する自治体 c 市においても同様の考えにより試算

草と汚泥の処分が可能である可能性を示した。オニビ

し、約 13.2 t とした。脱水機への投入汚泥量は、平シは、脱水助剤として汚泥の含水率低減に寄与し、汚3

泥量も約 80%程度に削減できる可能性が示された。

成 27 年度実績より、B 処理場は 1,752 m /日（TS:3

2.8%）
、C 処理場は、172.1 m /日（TS:4%）、D 処理
3

また、琵琶湖南湖で刈取った水草量に対し、下水処[9]

場は、208.8m /日（TS:3.1%）とした 。これらに対理場において、どの程度の期間で処分可能か試算した。

し、水草を 10%混合すると仮定し、1 日に必要な水

琵琶湖南湖で刈取られた水草のうち、下水道部局によ草量を試算した。その結果、B 処理場では、水草がる刈取り分を脱水助剤（汚泥 TS に対して水草 TS10%

すべてスズメノヒエの場合、5.3 t－湿重量/日となり、混合）として活用する場合、10 日程度あるいはそれ以下

2/3 日で処分できると試算された。一方、水草がすで処分可能であり、湖管理者による刈取り分も受け入れ

べてオニビシの場合、10.0 t－湿重量/日となり、約る場合は、水草 30%混合により 1 年以内に処分できる試

1/3 日で処分できると試算された。C、D 処理場にお算結果となった。

いては、スズメノヒエの場合、それぞれの処理場で湖沼等で発生する水草を下水処理場で受け入れ、

0.70 t－湿重量/日、0.75 t－湿重量/日必要となり、約下水汚泥の脱水助剤として活用する技術は、水草バイ

9 日で処分でき、オニビシの場合、1.3 t－湿重量、オマスの有効利用のみならず、下水道事業においても、

1.4 t－湿重量/日必要となり、約 5 日で処分できる試

未利用バイオマスの有効活用および経済性の両面で、算結果であった。以上より、下水道部局による水草

有用な技術である可能性が示唆された。

刈取り量は、脱水助剤として活用することで、短期

水草バイオマスを有効利用するための課題は、水草間で処分ができる可能性が示された。仮に、湖管理と土壌やゴミとの分別、水草の破砕、運搬、また水草刈者による水草刈取り量を下水道部局で受け入れた場

取り量や水草の種類の変動など、いまだ多くあり、今後合、受け入れる水草量が約 100 倍となるため、B 処

は、これらも含めた活用検討が必要である。

理場では約 1~2 カ月で処分できる試算であった。一

謝辞：A 処理場には汚泥の採取、B 処理場には水草の方、C、D 処理場では、1 年半～2 年半かかると試算採取において、多大なるご協力を賜りました。ここに記しされ、水草混合割合を 30%に増やした場合、半年～て謝意を示します。

9 カ月程度で処分可能である試算となった。

引用文献

脱水汚泥の処分方法として、下水処理場内におい[1]て、焼却炉や炭化炉で処分する場合、焼却灰や燃料[2]

化物は、水草の投入により増加する。水草を 600℃の恒温炉で 1 時間加熱した時の灰分の割合は、スズ[3]メノヒエが 5.3%、オニビシが 29%であった。オニビ
シの灰分割合が高いのは、水草に土壌が付着してい[4]たためだと考えられる。汚泥の TS に対して水草を10%混合した場合、灰分は 1.1%程度、30%混合した[5]

場合は、1.2~1.4%程度増加する試算となった。燃料化の場合は、生成物を売却するため、収入量が増加[6]する可能性がある。焼却灰を処分する場合は、処分[7]費が増加する可能性があるが、水草により低位発熱量が上昇するため、補助燃料量の削減が見込まれる

[8]

[5]

可能性がある 。これらについては詳細に試算し、[9]検証する必要がある。

542

3

滋賀県琵琶湖環境科学研究センター:南湖生態系の順応的管理に関するサイエンスレポート, 2015
滋 賀 県 HP: http://www.pref.shiga.lg.jp/d/saisei/files/
mizukusa/files/yuukouriyou.pdf
Koyama et al.: Anaerobic digestion of submerged
macrophytes: Chemical composition and anaerobic
digestibility, Ecological Engineering, Vol.15, pp.85-97, 2014
岡安ら:水草と下水汚泥の混合嫌気性消化に関する基礎的研 究 , 第 54 回 下 水 道 研 究 発 表 会 講 演 集 , Vol. 54,
pp.1093-1095, 2017
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フォーラム論文集, Vol.73, No.7, pp.365-373, 2017
高橋ら:繊維状脱水助剤の適用事例報告, 第 51 回下水道研究発表会講演集 Vol.51, pp.979-981, 2014
加藤ら:脱水ケーキの低含水率化に関する研究, 第 50 回下水道研究発表会講演集 Vol.50, pp.982-984, 2013
滋賀県 HP:http://www.pref.shiga.lg.jp/d/biwako/mizukusa/
files/h29nobekaisuuzisseki.pdf, 2018
日本下水道協会, 下水道統計 (第 70 号), 2015

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O5-24

水田に施用した低温メタン発酵消化液の窒素無機化特性
中村 真人 1，日高 平 2，山岡 賢 1，折立 文子 1
1

農業・食品産業技術総合研究機構，2 京都大学大学院

キーワード：メタン発酵，消化液，液肥利用，施肥設計，窒素負荷
抄録
生活排水処理施設から排出される汚泥はメタン発酵の原料としての利用が期待されており，大規模下水処理場では利用されているが，小規模施設ではエネルギー効率が低いため利用が限定的である。発酵温度が通常（35℃）より低い低温メタン発酵と消化液の液肥利用は，エネルギー効率を改善できる有望な技術であるが，低温条件が消化液の肥料特性に及ぼす影響は未解明である。そこで本研究では，室内培養試験により，脱水汚泥を原料とする低温メタン
発酵消化液（15，25，30℃）の水田施用後の窒素無機化特性を調査した。その結果，消化液中の有機態窒素の無機化に伴うアンモニア態窒素の増加割合は発酵温度に関わらず小さかった（3～13%）ことから，消化液のアンモニア態窒
素分を考慮して施肥設計すればよく，そうすることで河川や湖沼への窒素負荷が増加する懸念が小さいことが示された。
1. はじめにア態窒素）がどの程度供給されるのか，を把握することがメタン発酵は家畜排せつ物，汚泥，食品廃棄物等を施肥設計のために不可欠である。

嫌気条件で処理し，メタン濃度約 60%のガスを取り出す

そこで本研究では，室内培養試験により，脱水汚泥を技術である。生活排水処理施設から排出される汚泥は，原料とする低温メタン発酵消化液（15，25，30℃）の水田

メタン発酵の原料としての利用が期待されており，大規

土壌施用後の窒素無機化特性を調査した。

模下水処理施設では利用されているが，小規模施設では，エネルギー効率が低いことや経済性の問題により，

2. 方法

利用が限定的な状況である。その対策として，発酵温度

培養試験は，南雲ら[1]を参考にした，中村ら[2]により行が通常（35℃）より低い低温メタン発酵と発酵残渣の消った。試験区として，発酵温度の異なる 3 種の消化液，化液の液肥利用は，エネルギー効率や経済性を改善で脱水汚泥をそれぞれ施用する試験区（消化液（15℃）区，

きる有望な技術である。

消化液（25℃）区，消化液（30℃）区，脱水汚泥区）と資材を施用しない無施用区を設定した。各資材の成分をしかしながら，低温条件が消化液の肥料特性に及ぼ

表１に示す。

す影響は未解明である。また，農地に肥料として施用さ

約 60 mL のバイアル瓶に，風乾後 2 mm のふるいを通れる窒素のうち，作物に利用されないものの一部は水域過させた，農村工学研究部門内の重粘土水田土壌（土への負荷となる。そのため，作物要求量に合わせて適正性，全炭素，全窒素，CEC，遊離酸化鉄含量は，それぞ量を施肥し，極力，作物の窒素利用率を高める対応がれ HC，17 g/kg，1.2 g/kg，15.4 cmolc/kg および 13.6 g

基本となる。消化汚泥等の有機性資材の場合には，含Fe/kg）を乾土あたり 5 g，各試験区に資材（脱水汚泥，消まれる有機態窒素が農地施用後にどの程度無機化し，化液）を VS 施用量が 0.2g となる量を施用し，脱気した脱作物が利用できる形態の窒素（水田の場合はアンモニ
表１

TS
（%）
脱水汚泥
18
消化液（15℃） 5.1
消化液（25℃） 5.5
消化液（30℃） 5.3

VS
（%）
15
3.7
4.0
3.7

イオン水を総量で 10mL になるように加えた後，ブチルゴ

各資材の成分

VS/TS
0.82
0.73
0.72
0.71

1

TC
（%）
39.0
-

TN
（%）
7.2
-

NH4-N
（mg/L）
1700
1100
1100
1300

pH
7.3
7.4
7.4

543

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

ム製の栓で密栓した。その後，気相部分を高純度窒素（純度 99.9995 %以上）で置換して試験管ミキサーで攪
土壌中のアンモニア態窒素量（mgN/kg 乾土）

拌する操作を 3 回繰り返し，その操作の終了を培養開始とした。培養期間中，バイアル瓶は，30 ℃に設定した恒温庫に静置した。培養開始前（バイアル瓶に土壌，脱イ
オン水，資材を入れた直後），および開始後 14，70 日後については，各資材から無機化した窒素量を把握するため，土壌中のアンモニア態窒素量を測定した。所定の培養期間経過後の各試験区の土壌に 10%塩化カリウム
溶液 50mL を加え，100rpm で 30 分間振とうした後，ろ過した。その後，ろ液のアンモニア態窒素濃度を吸光光度法[3]で分析して，土壌中のアンモニア態窒素量を求め，式(1)を用いて培養 70 日間における各資材由来のアン
モニア態窒素の増加率を算定した。この増加率は，70日間における各資材に含まれる有機態窒素の無機化に伴うアンモニア態窒素の増加割合を示し，消化液を用いた作物栽培における施肥設計のための参考情報となる

脱水汚泥区

消化液（15℃）区

消化液（25℃）区

消化液（30℃）区

350
300
250
200
150
100
50
0

0

10

20

30

40

50

60

70

培養開始からの経過時間（日）各資材由来のアンモニア態窒素の増加率(%)=（（各試験区の NH4-N 量（70 日後）－無施用区の NH4-N

図１

量（70 日後））/（（各試験区の NH4-N 量（培養前）－無施
用区の NH4-N 量（培養前））×100

無施用区

培養期間中の各試験区の土壌中のアンモニア態窒素の推移(1)

汚泥中の有機態窒素の大部分が無機化し，水田土壌
施用後の無機化量が少ないことが示された。このことは，

3. 結果および考察
培養期間中の各試験区の土壌中のアンモニア態窒

メタン発酵温度に関わらず，消化液には土壌施用後に素量の推移を図１に示す。培養開始後 2 週間までの土

遅れて効いてくる窒素（遅効性窒素）は少ないこと，土壌壌中のアンモニア態窒素の増加に着目すると，消化液施用後に無機化し供給されるアンモニア態窒素量が気を施用した試験区に比べて脱水汚泥区ではアンモニア

温等の気象条件により変動することがなく，施肥設計通態窒素量が急激に増加しており，脱水汚泥に含まれるりの肥効を見込めることを意味する。

易分解性有機物が施用直後に分解し，それに伴い有機
4. 結論

態窒素の無機化が生じたと考えられる。このことは，メタン発酵過程で分解が進み，原料の脱水汚泥に比べて消消化液中の有機態窒素の無機化に伴うアンモニア態

化液中の有機物は安定しているためであると考えられる。

窒素の増加割合は，発酵温度に関わらず少なかった

したがって，消化液を施用した場合には，たとえ 15℃程

（3~13%）ことから，消化液のアンモニア態窒素分を考慮

度の低温条件の消化液であっても，新鮮有機物の施用

して施肥設計すればよいことが示された。つまり，本研究に伴う土壌微生物による作物への害作用（作物の窒素の結果をもとに，適正な施肥設計を行うことにより，低温

飢餓，微生物による作物生育阻害物質の生成等）[4]を起メタン発酵消化液を化学肥料の代わりに使用しても，河こす懸念が小さいことが示唆された。

川や湖沼への窒素負荷が増加する懸念が小さいことが培養 70 日後の各試験区におけるアンモニア態窒素示された。

の増加率は，脱水汚泥区，消化液（15℃）区，消化液（25℃）区，消化液（30℃）区でそれぞれ，85，13，5.4，
引用文献

3.0%であった。発酵温度による違いに着目すると，アン[1]モニア態窒素の増加率は，15℃の条件でやや高い傾向があるものの，脱水汚泥区の 85%に比べて小さかった。
つまり，発酵温度条件によらず，メタン発酵過程で脱水5442

南雲芳文，小柳 渉，村上圭一，棚橋寿彦，加藤誠二，
安藤 正，土田 徹，加藤直人：酸性デタージェント可溶有機物量による鶏ふん堆肥，豚ぷん堆肥のメタン発生
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中村真人，山岡賢，折立文子（2017）：メタン発酵消化液の水田への施用がメタン発生に及ぼす影響の室内培
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3545

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

O5-25

Risk Assessment of Persistent Organic Pollutants in a Small
Catchment
Maoheng Zhang1,2 and Fangfang Wang1
1

School of Geography Science, Nanjing Normal University, 2 Jiangsu Center for Collaborative Innovation in
Geographical Information Resource Development and Application
Keywords: sediment, persistent organic pollutants, risk assessment and catchment
ABSTRACTTo evaluate the relative ecological risk of harmful pollutants in the sediments of a small catchment, theconcentrations of persistent organic pollutants (POPs) in the sediments were measured. Results show
concentrations of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), polychlorinated biphenyls (PCBs) andorganochlorine pesticides (OCPs) were in the range of 2.7~82.2 µg·kg-1, 0.11 ~ 0.59 µg·kg-1 and 1.12 ~2.83 µg ·kg-1, respectively. A potential negative impact on the ecological environment in the region was
found.
1. INTRODUCTION

sites are below the ERL. The highest concentration of
DDTs in the sediments of each sampling sites is close to
the ERL value. These findings indicate that no samples
contained POPs whose concentration exceed ERM.
Therefore, the ecological risk of POPs in the sediments ofthe small catchment was relatively low.

POPs is a natural or synthetic organic pollutant which is
not quickly degraded in the environment. Once enter into
the background, the POPs can stay in environmental
media (Water, air, soil, sediment and so on) for years oreven decades or longer. They can be transported throughthe atmosphere and water for a long distance to affect the
global environment. The sediment is one of their essentialfate.

4. DISCUSSION
Because of the regional industrial development,
emissions of large amounts of untreated industrial
wastewater, the Taihu watershed has become the one of
the most serious polluted area. The enterprises in thisregion should accelerate the transformation of economic
development mode, optimize the financial structure, anddevelop low energy consumption, small pollution
industries, vigorously. In addition, companies should
improve the sewage treatment facilities.

2. METHOD
The sampling site is a closed lake bay and is the only port
in the northwest corner of Taihu, with an area of 58 km2.
Sediment samples were taken with conventional gravity
coring equipment (diameter 6 cm). The samples weredried naturally, then remove the animal and plant debris
and stones. All natural-dried samples were ground,
passed through the 100 mesh sieve. The identificationand quantification of PAHs, PCBs and OCPs (DDTs,
HCHs)
were
performed
throughthegaschromatograph-mass spectrometer manufactured by
Shimadzu Corporation of Japan (QP2010 ultra, Japan).
The ecological risk of PAHs, PCBs and OCPs wasevaluated by environmental quality standards of POPs in
the sediments [1]. The USEPA has now defined this rule as
the national standard.

5. CONCLUSION

3. RESULTS

The origins of PAHs were mostly wood and coal
combustion.

2)

PCBs mainly come from industrial production.

3)

OCPs mainly came from the excessive use ofpesticides and fertilizers.

4)

The ecological risk of POPs in the sediments was
relatively low.

REFERENCES

Results show concentrations of polycyclic aromatichydrocarbons (PAHs), polychlorinated biphenyls (PCBs)
and organochlorine pesticides (OCPs) were in the rangeof 2.7~82.2 µg·kg-1, 0.11 ~ 0.59 µg·kg-1 and 1.12 ~ 2.83
µg ·kg-1, respectively. The total PAHs and PCBs at all

546

1)

[1]

1

E.R. Long, D.D. Macdonald, S.L. Smith, F.D. Calder:
Incidence of adverse biological effects within ranges ofchemical concentrations in marine and estuarine sediments,
Journal of Environmental Management, Vol. 19(1), pp. 81-97,
1995.

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

O5-26

Long term monitoring of radiocesium in soybean field, Lake
Kasumigaura basin
Peiran Li1, Yingting Gong1, Masakazu Komatsuzaki2
1

Graduate School of Agriculture, Ibaraki University 2 Center for International Field Agriculture Research and Education
Keywords: radiocesium, soybean, tillage, cover crop
ABSTRACTThe nuclear accident at Fukushima Dai-ichi Nuclear Power Plant (FDNPP) occurred as a consequence ofthe massive earthquake and associated tsunami on March 11, 2011, which was the first nuclear power plant
accident in Asia [1]. A long term monitoring of radiocesium content in soybean and cover crops was
conducted from 2011 to 2017 in soybean field (~170 km from FDNPP), Lake Kasumigaura basin, to clarify
the changes of radiocesium in soybean and cover crops. From 2011 to 2017, soybean was cultivated from
July to October and cover crops (fallow weeds, FA; rye, RY; and hairy vetch, HV) was cultivated from
October to June with three tillage systems (moldboard plow, MP; rotary cultivation, RC; and no tillage,
NT). Radiocesium content declined steadily in soybean grain from 2011 to 2014, however, this reduction
slowed down from 2014 to 2017. Comparing with in MP and RC, radiocesium content in soybean grain
under NT system was consistently higher in every year. Radiocesium content in three kind of cover crops
also decreased sharply from 2011 to 2014 and became stable since 2015. Radiocesium content in rye wasconsistently lower than hairy vetch and fallow weeds. This research revealed that tillage can continuously
reduce the radiocesium content in soybean grain for a long term, although in NT system still showed higher
radiocesium content in soybean grain in Lake Kasumigaura basin.
1.

2.

INTRODUCTIONMETHODA 7-years field experiment was conducted from 2011 to2017 at Center for International Field Agriculture
Research and Education (36°1′57.7″N, 140°12′43.6″E) in Ibaraki University, this site located 170km
from FDNPP in the Kanto region of Japan. Split plot
experimental design with 4 replications was used in thisstudy. Tillage systems (Moldboard Plow: MP, Rotary
Cultivation: RC, No Tillage: NT) were the main factors
and cover crop species (rye: RY, hairy vetch: HV, fallow:
FA) were side factors. Soybean was cultivated from Julyto October and cover crops was cultivated from October toJune from 2011 to 2017. Soybean and cover crop samples
were collected by a 0.25 quadrate. Cover crop biomass andsoybean yields were calculated. The concentration of 134Cs
and 137Cs in soybean grain and cover crops were
determined  by Ge-semiconductor detector. Transfer
factors (TF) relating soil concentrations to plant
concentrations of contaminants were calculated asfollows:

A large amount of nuclear material was leaked andscattered throughout Japan, at Fukushima Dai-ichi Nuclear
Power Plant accident on March 11, 2011. The farm landin Lake Kasumigaura basin, Ibaraki prefecture wasalso be polluted seriously [1].
Radiocesium (Cs) is a radioactive isotope of cesium, thehalf-life of 137Cs and 134Cs were 30.17y and 2.062y,
respectively. It is difficult to remove cesium from the soil
due to the tight chelation of clay in soil and cesium [2]. Sothough more than 7 years passed after Fukushima Dai-ichi
Nuclear Power Plant accident, the radiocesium content isstill high in farmland. This nuclear accident has different
radionuclide movement in agroecosystem compare withChernobyl Accident in 1986. We focuses the long term
radiocesium movement in agroecosystem in Japanespecially the relationship between tillage inversion andradiocesium contamination. This information will be
important to many country and area where the nuclear
power plants are located. Therefore, in this study, we
monitored the radiocesium contamination in soybean andcover crops under different agriculture managements from2011 to 2017. The objectives of this study were to clarify
the change of radiocesium content in soybean and covercrops under different tillage systems.

1547

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

3. RESULTS

was also different, comparing with those in hairy vetch andfallow weeds, radiocesium content in rye was consistently
lower from 2011 to 2017. However, the gap between
radiocesium content in rye and those in hairy vetch andfallow weeds narrowed considerably over the 7-years
period.
4.

DISCUSSIONRadiocesium content decreased in soil with each passing
year after FDNPP accident, due to the natural decay andmigration [3], therefor the radiocesium in soybean also
decreased generally. However, the content of 134Cs
decreased sharply after several years because of natural
decay, and the natural decay of 137Cs was slow, so theradiocesium content in soybean become stable from 2014.
Comparing with in MP and RC, radiocesium content insoybean grain under NT system was consistently higher inevery single year. Because tillage can displace the highcontaminated soil into deeper layers, and it can alsoenhance the formation of Cs-specific edge sites with clay
minerals for chelation [3]. In 2011, the nuclear materials
was contacted with cover crop directly from atmosphere,
so the radiocesium content in cover crop in 2011 wassignificantly higher than other years. Frissel et al.(2002)
legume crop had higher radiocesium accumulation ability
than other grass crop [4], the similar phenomenon was also
found in this research.

Figure.1 radiocesium content in soybean grain under
different tillage systems was measured from 2011 to 2017.
Error bars correspond to standard error.
Radiocesium content continuously decreased in soybean
grain from 2011 to 2014(Figure.1). In NT, radiocesium
content decreased from 25.86 to 9.10 Bq/kg; in MP, it evendecreased by 4.13 times from 2011 to 2014. However, thistendency slowed down from 2014 to 2017. Radiocesium
content only decreased from 6.9 to 5.6 Bq/kg in NT, andno significant difference was observed from 2014 to 2017
in MP. Rradiocesium content in soybean grain had no
significantly difference between in MP and RC, while inNT system was consistently about 2 fold higher than thosein MP and RC in every single year.

5.

CONCLUSION

After the FDNPP accident, the radiocesium contamination
in soybean and cover crops continuously decreased from2011 to 2014, but this trend gradually slowed down from2014 to 2017. Legume cover crop had higher radiocesium
accumulation ability than grass crop. Tillage can reduce
the radiocesium contamination in soybean grain from 2011
to 2017.
REFERENCES

Figure.2 radiocesium content in different cover crop
species was measured from 2011 to 2017. Error bars
correspond to standard error.
In 2011, radiocesiun content in three kind of cover crops
peaked at 428.9 to 5268.2 Bq/kg, which was significantly
higher than those in other year (Figure.2). And
radiocesium content fell sharply from 2011 to 2014, in
fallow weeds, it decreased from 5268.2 to 29.5Bq/kg.
Then it became more stable since 2015, no significant
difference was observed in fallow weeds since 2015 to2017. Radiocesium content in different cover crop species

548

[1]

Otosaka S, Kobayashi T. Sedimentation and remobilization ofradiocesium in the coastal area of Ibaraki, 70 km south of the
Fukushima Dai-ichi Nuclear Power Plant [J]. Environmental
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2

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

O5-27

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1549

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

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3. ⤖ᯝ

ࢀࡿ Betaproteobacteria ⥘ࡸ Alphaproteobacteria ⥘࡟

3-1㸬TC ⪏ᛶ⣽⳦䛾ฟ⌧⋡ᒓ ࡍ ࡿ Bradyrhizobium ᒓ ࡸ Burkholderia ᒓ ࠊ2010㸫2011 ᖺࡢ 2 ᖺ㛫ࡢㄪᰝ࡛ࡣࠊ㟘ࣨᾆࡢỈᇦ

Xanthomonadaceae ᒓࡢ⣽⳦࡞࡝ࡀ 87.5%ࢆ༨ࡵ࡚࠸

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4. ⪃ᐹ

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Chryseobacterium ᒓࠊBurkholderia ᒓ࡞࡝ᵝࠎ࡞✀㢮Gammaproteobacteria ⥘ࡢ୰࡛ࡶ⭠ෆ⣽⳦࡛࠶ࡾࠊ་

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Gammaproteobacteria ⥘࡟ᒓࡍࡿ Serratia marcescensࡃ ศ 㞳 ࡉ ࢀ ࡓ [9] ࠋ ୍ ᪉ ࠊ ᅵ ተ ࠿ ࡽ ࡣ ≉ ࡟࡟㏆⦕࡛࠶ࡗࡓࠋࡉࡽ࡟ࠊBacteroidetes 㛛࡟ᒓࡍࡿ

Betaproteobacteria ⥘ࡸ Alphaproteobacteria ⥘ࡢᅵተ

Chryseobacterium ᒓࠊElizabethkingia ᒓ࡞࡝௨๓ࡲ࡛

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550

2

17th World Lake Conference, Lake Kasumigaura, Ibaraki, Japan, 2018

Class and Order
Alphaproteobacteria
Rhizobiales
Rhodospirillales
Caulobacterales
Betaproteobacteria
Burkholderiales

GammaproteobacteriaEnterobacteriales
Xanthomonadales
Bacilli

Pseudomonadales
Bacillaceae
Flavobacteriales

Actinobacteria
Actinomycetales
Streptomycetales
Sphingobacteria
Sphingobacteriales
Total numberන 1. ਭҮ͕Γ;ౖৗ͖Δ෾཯͠Ηͪτφϧγ΢έϨϱଳ੓ࡋۗ
Sites
Genus
Soil
Water
Bradyrhizobium
Phyllobacterium
Skermanella
Caulobacter

22

Burkholderia
Polaromonas
Variovorax
Burkholderiales bacterium

34
1
5

1

Serratia
Providencia
Enterobacteriales bacterium
Lysobacter
Xanthomonadales bacterium
Pseudomonas
Bacillus
Paenibacillus
Bacillaceae bacterium
Chryseobacterium
Elizabethkingia

4
1

2
1

Brevibacterium
Streptomyces

1

Sphingobacterium

72

2
1
4
3
3
57
3
5
3
1
3
1
16
3

Total number
24
1
1
4
37
1
5
3
57
3
5
4
4
1
3
2
2
16
3

1

1
1

4
110

4
182

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㎰⪔ᆅ࡟᪋⏝ࡍࡿࡇ࡜࡛ᅵ╔ࡢ TC ⪏ᛶ⬟ࢆࡶࡓ࡞[6] Kumar, S., Stecher, G. & Tamura, K. MEGA7: Molecular
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