牛糞堆肥を施用した水田土中の窒素動態の観測
Observation of nitrogen dynamics in paddy soil applied with cow manure compost
土壌圏システム学研究分野

522M218

井手 海盛

主査：渡辺
I はじめに有機物を肥料として水田に施用する機会がN貯留N無機化

N吸収

N浸透N脱窒晋生（式 2）増えている．土中の有機物中の有機態窒素

ここで，N 貯留 [g/m2]は NH4-N，NO3-N の土中

Org-N は無機化，硝化を経てアンモニア態窒素変化量，N 吸収，N 浸透 [g/m2]は溶存 NH4-N，NH4-N，硝酸態窒素 NO3-N となり作物に吸収

NO3-N の作物吸収量，下方浸透量である．

される．しかし，無機化や硝化量は土中の温度・III 現場観測

水分量に依存し，脱窒による N2 ガス化や，土中水流れに伴う溶脱により，土中の窒素量予測

1.調査圃場と方法は困難である．最適時期に適切量の有機物を施

三重大学内圃場に 2.25 m2 の水田 8 区画を準用するには，土中での窒素動態を明らかにする備した（Table1, Plot1-8）．2022 年の 3/17 に CN必要がある．本研究では，水田に施用した有機比 26 の牛糞堆肥を窒素換算で 0，4，8，16 g/m2物由来の窒素動態を明らかにすることを目的になるように 10 cm 深まで施用した（N0，N4，とし，現場観測から土中の NH4-N，NO3-N 変化

N8，N16 区とする）．5/1 まで全区画裸地で管量とイネの窒素吸収変化量を明らかにする．

理し，代かきを行った 5/2 以降は湛水で管理しそして，数値解析で硝化，脱窒も考慮し，反応た．5/31 に再度代かきを行った．6/3 にイネ（コ速度定数に温度・水分依存性を与えることで，シヒカリ）を移植し，9/13 に収穫した．栽培期

水分・熱移動式とともに窒素移動を計算した．

間中，生育段階毎に各区画からイネを 2 株採取し，生育調査を行った．各部位（穂，葉，茎）II 窒素の形態変化反応速度および収支乾物重の積から窒素吸収量を算出した．期間中

1.形態変化反応速度
無機化，硝化，脱窒の反応速度は一次分解反中 15，25 cm 深の土中水圧力を 10 分間隔でモ

𝑑
𝐶
𝑑𝑡-𝑘

𝐶-𝑑𝐶
𝑑𝑡-𝑘

𝐶-𝑘

𝐶

圃場の 2 m 気温，降水量，日射量，湛水深，土中 5，15，25 cm 深の地温，体積含水率，土応式で表されることが多い（式 1）．

𝑑𝐶𝑑𝑡の窒素含有率，乾物重を測定し，窒素含有率とニターした．また，0-2，2-10，10-20，20-25 cm（式 1）-Table.1 Experimental set up
Plot
Number87654321PlotName

N0N8N16N4N0N8N4N16PlotName

Amount of Manure（g/m2）

N16N8

ここで，kmin，knit，kden [/d]はそれぞれ無機化，硝化，脱窒速度定数である．
2.窒素収支NH4-N の揮発を無視できるとすると，無機化
量は次の収支式で表される（式 2）．

Amount of Cattle manure（g/m2）
NitrogenPhosphorusPotassium

2388.1

16.0

9.5

23.8

1194.0

8.0

4.7

11.9

N4597.0

4.0

2.4

5.9

N00.0

0.0

0.00.0Min-N_Soil，Min-N_CM 増加量は，5/14-5/31 はNH4-N と NO3-N を，10 %KCl と蒸留水で抽出

0.03 ， 0.05 g/m ² /d に 対 し ， 代 か き 前 後 のし，吸光光度計で測定した．N0-N16 区は 2 連

5/31-6/3 は 0.70，0.16 g/m²/d だった．移植後かで行い，平均値を各 N 区の値とした．同圃場

ら 6/20 にかけて Min-N_CM は 0.25 g/m²増加の全量 NH4-N に対する溶存 NH4-N の割合（永し，以降はイネの吸収によって減少した．

源, 2022）から 20-25 cm 深の溶存 NH4-N を算

Uptake_CM は移植後から 7/7 にかけて 1.37 g/m²出し，土中水圧力，透水係数，20-25 cm 深の溶増加し，7/24 にかけて 0.53 g/m²まで減少した．の和）を土に元来含まれている有機物由来の無機態窒素量 Min-N_Soil とし，牛糞堆肥施用区の無機態窒素量から引いた値を牛糞堆肥由来の無機態窒素量 Min-N_CM とした．同様に N0区のイネの窒素吸収量，下方浸透量を土に元来含まれている有機物由来のイネの窒素吸収量
Uptake_Soil，下方浸透量 Leaching_Soil とし，牛糞堆肥施用区のイネの窒素吸収量，下方浸透Temperature (℃)

めた．N0 区の無機態窒素量（NH4-N と NO3-N

Water content

存 NH4-N と NO3-N から窒素の下方浸透量を求量から引いた値を牛糞堆肥由来のイネの窒素吸収量 Uptake_CM，下方浸透量 Leaching_CMとした．

5 cm Daily Ave. Water content
25 cm Daily Ave. Water content

0.6(a) 80.4
4Water level

0.20.05 cm Daily Ave. Soil temp.
25 cm Daily Ave. Soil temp.

3015(b)05/2~ flooded

03/175/16/157/30
9/13
Fig.1 (a) Water content, Water level and(b) Temperature
02.結果
Fig.1（a）に 5，25 cm 深の日平均含水率と湛水深，（b）に 5，25 cm 深の日平均地温を示す．
4/4-4/13 にかけて日平均含水率は減少し，5，Depth (cm)5102025 cm 深はそれぞれ 0.16，0.35 cm3/cm3 まで減

250.0

少した．湛水を開始した 5/2 以降の日平均含水期間の 5，25 cm 深の日平均地温には違いがみられなかった．Fig.2 に N0，N16 区の 3/17-6/3

深で増加し，N16 区のほうが増加量が大きかった．代かき前後の 5/31-6/3 は全深度で増加した．
代かきによる土壌攪乱と酸素供給が土壌微生物を活性化し，無機化速度を増加させたと考えられる．Fig.3 に N0，N16 区の窒素収支を示す．
両図に 0-25 cm 深の Min-N_Soil，Min-N_CM，Uptake_Soil ， Uptake_CM ， Leaching_Soil ，Leaching_CM の積み上げを示す．湛水期間のN161.5Min-N_Soil
Min-N_CM
Uptake_Soil
Uptake_CM12
Amount of Nitrogen (g/m2)て増減は小さかったが，5/31 にかけて 0-10 cm

N0

3.0 0.0
1.5
3.0
NH4-N (mol/m3)
Fig.2 NH4-N profile in N0, N16 plot

率は，両深度とも最大値を維持した．また，全の NH4-N 分布を示す．両区画とも 4/30 にかけ

3/17
4/30
5/31
6/3158

Leaching_Soil
Leaching_CMN09/13
harvestingN164012843/17
fertilization03/17

6/3
transplanting

5/1
6/15
7/30
Fig.3 Nitrogen balance

9/13

Water level (cm)

深の土を隔週で採取した．採取した土の全量

8/11 は 3.06 g/m²まで増加し，収穫時期まで変由来の窒素について計算した．θ，Tsoil，NH4-N，化はなかった．9/13 の各施肥区の Uptake_CM

NO3-N の各期間の初期条件は実測に従い与えは，N4-N0，N8-N0，N16-N0 区でそれぞれ 0.84，た．3/17 の Corg-N は施肥量全量が含まれるとし，

2

3.09，3.00 g/m と，それぞれ施肥量の 20，38，10 cm 深まで均一に与えた．6/3 の Corg-N は次式19 %だった．

で求め，10 cm 深まで均一に与えた（式 4）．
6/3 𝐶-

3/17- 5/31 に分解した𝐶IV 数値解析

5/31- 6/3 に増加した𝐶

1.方法

（式 4）

-

深さ 100 cm を計算領域とし，採土深から

Cmin-N は無機態窒素量 [g/m2]である．根の吸水

0-2，2-10，10-20，20-30，30-100 cm の 5 層とは Feddes モデルで表し，Singh et al.,（2003）のした．土中の水分移動はリチャーズ式を実測かイネのパラメータを与えた．根の窒素吸収量はら得た水分特性を用い（Fig.4），熱移動は熱移

受動吸収 Uptake_Pass. と能動吸収 Uptake_Act.

動式を用いることで圃場の水分・熱移動を再現反応式（式 1）を用いて計算した．ここで，kmin ，knit ，kden に温度・水分依存性を与えた（Fig.5，6）。kmin の温度依存性は永源（2022）
より Tsoil = 0 ℃で kmin = 0.0001 /d と仮定した指数関数を与えた（式 3）．
𝑘𝑇0.0001exp 𝐵 ∙ 𝑇

400
Water balance (cm)

した．溶質移動は移流分散方程式と一次分解

Evaporation
Transpiration
Leaching
RunoffΔStorage
ΔWater level300200ようにした．水分依存性は（式 3）に乗じる関数 fm（θ）とし，体積含水率 θ = 0.0，0.23，0.28，0.45 で fm（θ） = 0，1，1，0.6 とした．knit の
温度・水分依存性はそれぞれ knit （25 ℃，Coefficient_Tsoil (-)

B [/℃]は定数，Tsoil [℃]は地温である．B を各区画で変えることで，土中の NH4-N と一致する，fn（θ）と0.30 cm3/cm3）に乗じる関数 fn（Tsoil）

た ． ま た ， knit （ 25 ℃ ， 0.30 cm3/cm3 ）， kden
（20 ℃ <，0.45 cm3/cm3）は武藤ら（2019）等を参考にそれぞれ 0.16，0.1 /d とした．6/3 以降
は 2 cm 深まで酸化層があるとし，酸化層のfn （θ），fd （θ）を 1，0 とした．計算期間を3/17-5/30 と 6/3-9/13 に分けて行い，牛糞堆肥

Coefficient_ θ (-)

た．kden の温度・水分依存性はそれぞれ kden

0，1，fd（θ）は θ = 0.27，0.45，で 0，1，とし20 ℃ <
25 ℃

0.8
0.6
0.4
5℃

0.2

15 ℃

1530
Tsoil (℃)
Fig.5 Tsoil dependence of knit and kden（θ）は θ = 0.15，0.30，0.45，で 0，1，0 としfd（θ）とし，fd（Tsoil）は Tsoil = 0，20 ℃以上で5/1
6/157/30
9/13
Fig.4 Calculate water balance
fn (Tsoil)_knit
fd (Tsoil)_kden

1.0

0.0

し，fn（Tsoil）は Tsoil = 15，25 ℃で 0.07，1，fn（20 ℃ <，0.45 cm3/cm3）に乗じる関数 f（T，dsoil）

Prec. + Infi.

10003/17（式 3）

5/2~ flooded

0

1.0
0.8

fm (θ)_kmin
fn (θ)_knit
fd (θ)_kden

0.23-0.28

0.45

0.30

0.6
0.4
0.2

0.15

0.0
0.0

0.1

0.27

0.2
0.3
0.4
θ (cm3/cm3)
Fig.6 θ dependence of kmin, knit and kden

の和とし，測定値と一致するよう表した．

した有機物由来の無機化速度は施肥量によらUptake_Pass. は吸水速度と溶存 NH4-N，NO3-Nず一定であると考えられるため，計算に用いたの積とした．Uptake_Act. は溶存 NH4-N のみあパラメータの感度解析やモデルの改善が今後るとし，測定値から Uptake_Pass. を引くことでの課題である．

求めた．土中水の上端境界条件は気象データとPenman 式より与え，下端境界条件は一定圧力（h = –1 cm）とした．熱の上端境界条件は 5 cm

0深の地温+1 ℃とし，下端境界条件は一定温度（Tsoil = 15 ℃）とした．溶質についてはフラッDepth (cm)クス境界条件を与えた．

52.結果

10Fig.7 に N16-N0 区の 4/20-5/31，7/7-8/11 の

20NH4-N 分布を示す．計算は実測を概ね表すこと250.0が出来た．Fig.8 に N16-N0 区の 0-25 cm 深のNH4-N，NO3-N，Uptake，Leaching の実測値とのパラメータ B を代かき前後で分けることで概ね表せた（Table.2）．NO3-N の計算値は，4/4-4/13 の乾燥期間で過小評価したが，6/3 以降は概ね表した．イネの窒素吸収量の計算値は，実測値とよく一致した．
収穫時の Uptake_Pass. ，Amount of Nitrogen (g/m2)

計算値，脱窒量の計算値を示す．NH4-N の計算
値は，8/11 以降で過大評価したものの，（式 3）

4/20 Obs.
4/20 Cal.
5/31 Obs.
5/31 Cal.

15

8

7/7 Obs.
7/7 Cal.
8/11 Obs.
8/11 Cal.

0.5

1.0 0.0
0.51.03NH4-N (mol/m )Fig.7 NH4-N profile in N16-N0 plot
Cal. NH4-N
Cal. NO3-N
Cal. Uptake_Pas.
Cal. Uptake_Act.
Cal. Lea.
Cal. Den.

64Obs. NH4-N
Obs. NO3-N
Obs. Uptake
Obs. Lea.

2

とんどが能動吸収だった．Leaching の計算値は，

03/17
5/1
6/15
7/30
9/13
Fig.8 Calculate Nitrogen balance of N16-N0

5/31，9/13 でそれぞれ 0.05，0.57 g/m2 と栽培期

Table.2 Change “B” of Equation 3 for each plot

Uptake_Act. はそれぞれ 0.23，3.03 g/m2 と，ほ間に多くなった．脱窒量の計算値は，5/31，9/13
2でそれぞれ 0.25，1.25 g/m と栽培期間に多くなった．湛水状態で土壌が嫌気化し，脱窒が促進されたと考えられる．Table.3 に各施肥区の施肥-収穫までの牛糞堆肥由来の窒素変化量を示す．本研究で与えた仮定が正しければ，無機化量は N4-N0，N8-N0，N16-N0 区でそれぞれ2.41，5.65，6.05 g/m2 と，それぞれ施肥量の 60，71，38 %だった．下方浸透量は N4-N0，N8-N0，N16-N0 区でそれぞれ 0.19，0.32，0.54 g/m2 と，施肥量に対し約 2-4 %であることが分かった．
脱窒量は N4-N0，N8-N0，N16-N0 区でそれぞれ 0.94，1.44，1.25 g/m2 と，それぞれ施肥量の23，18，8 %となった．実際の現場では，施用/℃
N4-N0N8-N0N16-N0B

3/17-5/310.180.16
0.15

5/31-6/3
0.16
0.19
0.19

Table.3 Nitrogen balance for each plot
2g/m Mineralization Soil Min-N Leaching Denitrification
Cal.
2.41
0.38
0.19
0.94
N4-N0Obs.
-0.02
0.04
Cal.
5.65
0.76
0.32
1.44
N8-N0
Obs.
-0.13
0.00
Cal.
6.05
0.97
0.57
1.25
N16-N0
Obs.
-0.03
0.04
2g/m Uptake_Pass. Uptake_Act.
Cal.
0.12
0.78
N4-N0
Obs.
0.84
Cal.
0.34
2.79
N8-N0Obs.
3.10
Cal.
0.23
3.03
N16-N02.99
Obs.