湛水土壌表面近傍の酸化還元過程の微視的観察
竹内 萌実 （土壌圏循環学教育研究分野）
はじめに 水田土中の窒素や炭素の循環は，作物の生育を考える上で重要である．土中の窒素や炭素は表面酸化層や還元層での有機物分解や脱窒によって態を変える．しかし，水の浸透にともなう溶存酸素(DO)や有機物，硝酸イオン(NO3-)などの基質の流下が，表面酸化層や脱窒層の分化や酸化還元の進行に及ぼす影響は明らかでない．そこで本研究では，異なる浸透速度や基質が酸化，脱窒層の分化過程に与える影響を評価することを目的に一次元カラム浸透実験を行い，湛水土壌表面近傍の酸化還元電位（Eh）や DO の微視的観察を行った．
試料と方法 三重大学附属農場の水田表土と豊浦砂を試料に用いた．試料に乾土 1 g あたり 5mg のグルコースあるいは 1 mg の稲わらを加え，内径 7.7 cm，高さ 15 cm のアクリル円筒カラムに乾燥密度 1.4 g/cm3 で均一に詰めた．試料表面から 0.2 cm 深に Eh と DO 測定用のマイクロセン
サを鉛直に挿入した．また，1.5 と 7.5 cm 深に Eh

Eh,DO,pH Microsensor

500 μmspatial resolution@25℃

Sensor needle

Eh DO

Eh400mV
DO6mg/L

Eh meter

測定用の白金電極とテンシオメータを，0.5，1.5，Balance

3.5，7.5 cm 深に四極センサをカラム側面からそれぞれ設置した(図 1)．試料を純水で飽和し 24-electrodesensor

日間静置した後，マリオット管で試料上端に一Tensiometer透した．浸透量はマリオット管の重量変化より求めた．試料下端の圧力を調節し浸透速度を一定

15 cm定の湛水を設け，異なる濃度の KNO3 溶液を浸Loggerに保った．流入水の Eh は 280 mV， DO は 6.5mg/L だった．任意の時間にマイクロセンサを地表から 10 μm/s で土中へ挿し込み，0 ~ 4 cm 深までの Eh と DO の分布を 100 μm 間隔で測定した．なお，全ての実験は 25℃の恒温室で行った．

7.7 cm

図1 実験装置の概要

結果 0，0.005 mol/L の NO3-溶液（以下純水，0.005 M）を浸透した時の 0.2，7.5 cm 深の Eh を図 2 に示す．図には非浸透時（0 cm/d）の Eh も示した．浸透開始前の Eh は，いずれの実験でも深さによらず0 mV 以下だった．0 cm/d の Eh は 9 日目に 0 mV まで上昇したが，その後-200 mV まで低下し，還元が進行した．純水では，浸透を開始すると 2.5 cm 深の Eh が-200 mV で停滞したが，0.2 cm 深は 8 日目に Eh > 400 mV となった．0.005 M では，0.2 cm 深は浸透開始から半日で Eh 400 > mV と酸化した．
この際，脱窒の生じる電位（100 ~ 400 mV）での Eh の停滞は見られなかった．7.5 cm 深の Eh は 2 日目以降に上昇し，4 日目には約 300 mV と脱窒の生じる電位で停滞した．ここで，図 3 に純水と 0.005
M について，0 ~ 4 cm 深の Eh と DO の分布を示す．浸透開始時，純水の 0 ~ 2 cm 深の Eh は-400 mV以下と還元的で，DO も 0.1 mg/L 以下と嫌気的だった．1 日目になると，土壌表面近傍の Eh と DO が上昇し，11 日目には 0 ~ 1.5 cm に深に Eh > 400 mV の酸化的な層が，0～0.6 cm 深に DO > 2 mg の好気的な層がそれぞれ分化した．0.005 M では，1 日目に 0 ~ 0.6 cm 深に Eh > 400 mV の酸化的な層が，0.6 ~ 3.4 cm 深に約 300 mV の層が分化した．また，0 ~ 0.15 cm 深に DO > 2 mg/L の好気的な層が分化した．4 日目は，Eh > 400 mV の酸化が 2.3 ~ 7.5 cm 深に移動した．この際，DO > 2mg/L の好気的な層が 2 cm 深まで発達したが，Eh と DO それぞれの値から定義した酸化層（Eh> 400 mV）と好気層（DO > 2 mg/L）は一致しなかった．ここで，Eh 分布より Eh が 400，100 mVに達する前線をそれぞれ酸化，脱窒前線と定義

酸化還元電位，Eh （mV）的な層が 2.3 cm 深まで発達し，約 300 mV の層

8000.005 M‐0.2 cm

6000.005 M‐7.5 cm400純水‐0.2 cm

2000‐200‐4000 cm/day

0248610

し，酸化層と脱窒層の発達に有機物（グルコー

経過時間 （day）

ス／稲わら）や NO3-濃度の違いが及ぼす影響を

図2 浸透開始後の各深さにおけるEhの経時変化．黒色は0.005 MのNO3‐ 溶液を浸透した場合で，灰色（実線）は純水を浸透，灰色（プロット）は非浸透の場合の結果をそれぞれ示す．

評価した．その際，10 cm で定義した土壌間隙中の水の体積（Pore Volume, PV）で比較した（図0加した場合では，酸化層の発達に NO3-濃度の1影響なく，脱窒層は NO3-濃度が高いほうが発達した（図 4a）．稲わらの場合では，酸化層はわずかしか形成しなかった．脱窒層の発達は浸透量で比較すると浸透速度の差は見られなかった（図 4b）．また，同じ濃度の NO3-溶液を浸透した

深さ （cm）

4，5）．NO3-濃度で比較すると，グルコースを添純水
0d1d1d純水
11d1d0.005M
4d20.005M
4d11d34‐500 ‐200 100 400

02Eh (mV)場合の酸化層と脱窒層の発達速度の違いを土46DO (mg/L)

発達速度はグルコースと稲わらでそれぞれ 0.5

図3 純水（灰色）と0.005 M（黒色）の浸透開始
前（0d），浸透から1，4， 11日目のEhとDOの深さ分布．縦軸の0 cmは地表面を示す．

cm/PV，数 mm/PV とグルコースの方が速く（図05a），脱窒層の発達速度はそれぞれ 0.65 cm/PV，5 cm/PV と稲わらのほうが速かった（図 5b）．
考察 土壌表面近傍に Eh > 400 mV の酸化層が形成されたのは（図 3），グルコースが浸透水による流亡や微生物による消費で減少し，微生前線の深さ (cm)に添加した有機物の違いで比較した．酸化層のNO3-が流下するため脱窒が生じ，酸化層の下に生物呼吸が継続するため酸化層は発達しないが（図 5a），微生物活性が維持されるため，グルコールを添加した場合より脱窒菌の活性が高く，脱 窒 層 が 発 達 し た と 考 え ら れ る （ 図 5b ） ．

前線の深さ (cm)

Eh 約 300 mV の脱窒層が形成される．そしてそよって流亡せず，ゆっくりと分解されるため，微1.25 cm/d

酸化脱窒

0.038 M
酸化40.05 M

6脱窒

0.038 M

5104 cm/d

脱窒

脱窒

1520 05（b）稲わら

1015 20

図4 酸化，脱窒層の発達にNO3‐濃度の違いが及ぼす影響．縦軸はEhで定義した酸化，脱窒前線が到達した土中の深さを示す．（a）はグルコース添加，（b）は稲わら添加の場合を示す．

れるため下層には十分に供給されない．しかし，成されたと考えられる．また，稲わらは浸透水に0.05 M10 cmで定義したPore Volumeの O2 は，表面近傍の微生物の呼吸により消費さNO3-が順に還元され，Eh 分布に 3 つの層が形酸化20中に供給され土が好気的になったことによる．こる．このようにして土壌表面から浸透水中の O2，1.25, 4 cm/d8

物活性が低下したことと，浸透水により O2 が土の下層には O2 や NO3-も流下せず，土は還元す（a）グルコース0（a）酸化層2

稲わら（d）脱窒層

グルコース4グルコース6

稲わら8051015 20 051015 2010 cmで定義したPore Volume
図5 酸化，脱窒層の発達に有機物の違いが及ぼす影響．縦軸はEhで定義した酸化，脱窒前線が到達した土中の深さを示す．