粘土質水田における亀裂形成メカニズムに関する研究 : 営農的要因の評価とその理論的検証
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言語: Japanese
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公開日: 2019-03-22
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キーワード (En):作成者: 吉田, 修一郎
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https://doi.org/10.24514/00001473

中央農業総合研究センター研究報告

2，1−61（2003．3）

1（中央農研研報）

粘土質水田における亀裂形成メカニズムに関する研究
一営農的要因の評価とその理論的検証一
吉田修一郎

次

目
1緒言……・・…………・………一…
丑

1

土壌の収縮および亀裂発生に関連する既往

4

1

土壌の収縮挙動に関する研究…・…一・・4

2

圃場に発生する亀裂の特徴とそのメカニズムに関する研究…・…・…

3

3．

15

営農作業に起因する亀裂形状パターンとそ・25

室内モデル実験による現象の再現ξ数値
モデルの適用性の検証……一…………・・27

10

まとめ・・…

2次元非線形弾性圧密理論を用いた収縮挙動の数値モデル…一の研究・……・

皿

2．

V

4．

作物の蒸散と亀裂の発生位置…・………・・34

5．

まとめ一

37

代かきによる土壌の収縮特性改変メカニズ

ムと亀裂形成・……

・38の画像解析・・

15

1．はじめに…

38

1

はじめに・一15

2．実験方法一・・39

2

実験計画法に基づいた圃場試験・一3

画像解析による亀裂形状パターンの定量

164．まとめ・…

化手法………

17

4

実験・解析結果と考察……………・・……

19

5

まとめ一…一1V……

水稲条間に発生する線状亀裂の特質…

1

はじめに・…

3．実験結果および考察………

25
・25

・25

1緒

VI結言・；・……、・

・40
り・49

・50

！．本論文のまとめ…一………・…・………50
2．亀裂形成制御への応用と課題・一・・51

参考文献…・……・………・……・…………

・麿52

Summary…

・59

目

水稲は，基幹的な作物として，広くモンスーンア

水の制御技術の発達に伴って，上流から下流へそ

ジア地域において生産されている．日本における水の分布域を広げてきた水田であるが，自然な排水が、稲作の始まりは，縄文後期と言われているが，古代・困難な地域において安定した水稲の生産が実現した

中世に開発された水田は，水を制御しやすい山麓平のは，さらに時代が進んだ戦後になってのことであ坦地や河川中流の扇状地，河岸段丘などに主に立地

る．水稲は湿地に高度に適応した作物であるが，低していた．大河川下流域の開発には，水量の多い本

平地における栽培では，最低限の排水は欠かせな

流をせき止める堰の建造や河道固定のための堤防建

い．新潟平野に代表される排水施設の整備は，三年設などの大規模な土木工事が必要であった．そのた一作と言われた泥田のr乾田化」を実現し，生産性

め，現在では主要な水田地帯となっている大河川下の低いr沼地」は，戦後になって日本有数の米どこ流域において水稲の栽培が営まれるようになったのろに変身を遂げた．有史以来，水田としての利用を

は，近世に入ってからのことである（127）．

阻んできた広大な河川下流域の湿地が，戦後になっ平成14年5月31日受付 平成14年10月22日受理
北陸水田利用部水田整備研究室

2

中央農業総合研究センター研究報告

第2号（2003．3）てようやく現在の主要な水田地帯を形成するに至っ

果的に発生するものであり，意識的な制御は，通常たのである，

行われない．粘土質圃場の排水改善においては，亀しかし，それも束の間，昭和40年代後半から顕著裂がもっ潜在的可能性をさらに引き出す必要があになった米の生産過剰のため，水田では転作が余儀る．

なくされた．その後，米の過剰傾向は続き，近年で水田に発生する亀裂には，このような有用性のみ

は転作率も30％を越える高い水準となっている．

ならず，負の側面も存在することが，指摘されていそのため，水田を畑地として有効に活用すること，る．近世における水田地帯の新たな立地は，大河川

すなわち，水田の畑転換が求められている．しかし，元来排水の悪い地域で，さらに畑作物を栽培すの下流域のみならず，傾斜地という別のベクトルも併せて持っていた．全国の中山間地帯には，棚田とるためには，一層の排水強化が必要である．地域の呼ばれる多くの傾斜地水田が立地している．それら

排水施設の整備が，既に高い水準に達していたとしの多くは，地すべり地形を巧みに利用している．地ても，圃場内での排水の改善は，多くの困難を抱え

すべり地帯には，土壌の層が厚く，粘質土壌で保水ている．

力が高い緩やかな斜面が多く存在しているためであその一っに，低平地に広く分布するr重粘土」のるといわれる（125）．低平地への水田の拡大が容易で存在がある．厳密な定義ではないが，r重粘土」とはなかったことや，水害の危険性が低かったこと等

は，粘土分・シルト分に富み，堅密で通気・通水性

も，傾斜地に水田が開発された理由である．棚田のに乏しく，湿潤状態では軟弱で粘性が強く，また乾

水源は，立地条件により様々であるが，安定した水燥すると堅固となり，易耕性の劣悪な土とされる．

源をもっものは必ずしも多くはない．そのため，豪重粘土を有する沖積低地や干拓地の大半は，水田と雪地帯では水資源としての雪を圃場で多く蓄えるたして利用され，その面積は全水田の18％と言われめの工夫がなされている．その代表として，秋口にる（20）．圃場の排水には，地表排水が最も重要であ行われる代かきと畦塗りが挙げられる．浸透や漏水る．しかし，重粘土水田における畑作物の安定生産を抑制し，渇水年にも作付けを可能とするための工には，暗渠の整備も必要である．暗渠は，土壌の透夫である．その結果，このような水田の土壌は，年水性が良好ならば，速やかに過剰な水分を排除する

間を通して湿潤な状態が維持される．作土から下層ことが可能である．しかし，透水性の低い土壌でへ向かう水の移動を徹底的に減らすことを脈々と行は，暗渠に通じる水みちを確保することがさらに必ってきたのである．

要である．

しかし，今日に至り，大規模な用排水施設や区画

重粘土水田において，乾燥化は著しい土壌の収縮の整理により低平地における水稲作が安定化・効率をもたらし，大きな乾燥亀裂の発達にっながる．土化し，居住地域が平野部に移るに連れて，山間地の壌のいわゆる畑地化が進むには，多くの時間が費や棚田は有利性を失った，さらに都会への人口の流出されるのに対し，亀裂は，圃場の乾燥が進めば容易も相まって，中山間地域では過疎化・高齢化が進んにその幅および深さを拡大させる．亀裂や暗渠は，でいる．そのため，山間地の棚田では耕作放棄が著

地下水位が低下した後は，水分の排出には貢献しなしい。そして，放棄された水田の多くはこれまで経い（75）．しかし，降雨直後や融雪期においては，貴重験したことのない乾燥条件にさらされている（圃．

な水みちとして機能する．そして，過剰な水が速や粘土質の水田における圃場の乾燥は，速やかに亀かに土中から排除されることにより，蒸発や蒸散に裂の発生につながる．棚田において，深部に達する

よる乾燥の開始を早める働きをする．そのため，転乾燥亀裂の形成は，長年維持されてきた水田として換初期における排水性の向上には，暗渠と連絡するの機能を失うことを意味する．乾燥により生じる亀亀裂の発達が，重要な役割を持っている．このよう裂は，これまで遮断されていた作土から下層に向かな，土中の水移動に対する亀裂の役割にっいては，

う水の流れを作りだし，圃場の貯水能力を低下させ多くの研究者（8）（24×25）（26）（49〉（67）（85）（120×121）（137）が指摘しておるとともに，地中に大きな水みちを形成し，斜面崩り，その重要性は広く認知されている．その一方壊の誘因ともなる．乾燥による亀裂の形成は，放棄で，亀裂は，水管理，土壌管理，気象条件により結された圃場の機能喪失のみならず，周辺農地や地域

吉田修一郎：粘土質水田における亀裂形成メカニズムに関する研究

全体の農村環境の保全に対しても重大な影響を与える．

このように，粘土質水田においては，乾燥により3の拡大による引張有効応力の極大点の変動を推定し，圃場に発生する亀裂の位置との関わりにっいて考察する．

生じる亀裂が，圃場の水移動特性，さらに農地の保第V章では，第皿章の結果を受け，代かき強度が全機能までをも左右しており，これらは水田の高度

亀裂の発達およびその形状パターンの形成に与える

利用や耕作放棄といった今日的な課題と密接に関わ影響にっいて論ずる．収縮特性は湿潤な状態で採取っている．そのため，粘土質水田の機能の維持・発した不撹乱土を脱水したときの含水比および体積に展を図るためには，r亀裂の制御」という視点を加え基づき評価する。土壌構造は，代かき層に残存するる必要がある．

土塊の含有量を麗乱土の水洗ふるい分けにより測定

資材や機械設備などへの多大な投資を必要としなし，評価する．そして，土層や時間の経過による代い現実的な亀裂の管理手法としては，作物の作付

かき効果の現れ方の違い、残存土塊と土壌の保水性

け，乾燥強度，乾燥時期，代かき強度，収穫後の圃との関係，試料の収縮特性と亀裂の面積率・形状と場の管理等による方法が考えられる．そこで，本研の関係等の考察により、代かき強度が亀裂の形成に

究では，水稲作付け条件下で亀裂の形成を制御する

及ぼす影響にっいて整理する．

手法の開発を念頭に置き，r粘土質水田に発生する第VI章では，前章までの論点を整理するととも乾燥亀裂の適正管理のための営農的な支配要因の定に，亀裂の管理手法への応用や課題にっいて述べ

量的，理論的な解明」を目的とした．

る．

本論文は，5っの章から構成されており，その内容は以下の通りである．

第1章では，研究の背景，目的，構成にっいて述べる。

第H章では，土壌の収縮挙動，亀裂発生挙動に関

本論文の取りまとめに際し，東京大学大学院農学
生命科学研究科教授宮崎毅博士，同助教授溝口勝博
士には，本論文の構成から内容まで懇切な御指導と御助言，ならびに励ましをいただいた．また，東京大学大学院農学生命科学研究科教授田中忠次博士，

する既往の研究のレビューを行い，その到達点，課同教授佐藤洋平博士，同助教授塩沢昌博士には，本題，本研究で有効と考えられる手法などを整理す

論文の取りまとめに際してご指導とご助言をいただ

る．

いた．

第皿章では，水田における代かきや水稲の作付けによる亀裂形状パターンの変動特性について述べ東京大学名誉教授中野政詩博士には，研究の端緒において，暖かい励ましとご助言をいただいた．

る．ここでは，水稲の条の方向を基準とした亀裂の本研究は，旧農林水産省北陸農業試験場，現独立

方向性や，平均的な幅，複雑度を画像解析手法を用

行政法人農業技術研究機構中央農業総合研究センタ

いて定量化する手法を提案する．さらに，水稲の条ー水田整備研究室において実施したものであり，本間隔，蒸散の有無代かき強度を実験要因として設研究の遂行にあたり，同研究室長の足立一日出博士

定した圃場において形成された乾燥亀裂を対象に，には，本研究の端緒から実験，取りまとめに至るま

形状パターンの定量化を行うとともに，これらの特で，多くの助言，御協力，暖かい励ましをいただく

徴量に対する各要因の作用にっいて論ずる。

とともに，自由な研究の場を与えていただいた．

第IV章では，第皿章の結果を受け，作物の条間に

本研究の端緒において，農業工学研究所原口暢朗

発生する条に沿った直線状の亀裂が形成されるメカ博士からは，本研究に関連する文献を御紹介いただ

ニズムを室内実験および数値モデルによる解析結果

き，ご助言を賜った．また，山形大学農学部教授粕

に基づき論ずる．水稲の条問を模した室内実験で

淵辰昭博士，同助教授安中武幸博士には，研究の終は，水平2方向からの水分吸収をモデル化し，亀裂盤で，貴重なご助言と励ましをいただいた．

の発生挙動を詳細に観察する。また，この挙動を，

本研究の第皿章と第V章の圃場試験の実験計画およ

2次元非線形弾性圧密モデルを用いた数値シミュレ

び統計解析においては，中央農業総合研究センターーションによって再現し，亀裂の発生条件を理論的

北陸水田利用部執行盛之部長（現農業工学研究所農に解明する、さらに，数値モデルを用いて，条問隔地整備部長）から御指導，ご助言をいただいた．ま4

中央農業総合研究センター研究報告

第2号（2003．3）

た，圃場試験の遂行に当たっては，同センター業務

研究室主任研究官，現農業工学研究所の高木強治博

科の若井洋一氏，浅岡淳一氏，横山雄司氏を始め，士からは，プログラムの作成をはじめ，数値計算に多くの方に御支援，ご助言をいただいた．根密度の関わる多くの情報を御教示いただくとともに，ご助

測定法や画像解析手法にっいては，前北陸農業試験

言，励ましをいただいた．中央農業総合研究センタ場土壌管理研究室，現九州沖縄農業研究センターのー総合研究第2チームの高橋智紀氏には，第V章の原嘉隆氏にご助言いただいた．デジタイザを用い代かきに関する圃場試験において御協力頂くとともた亀裂形状のデジタル画像化，残存土塊の含水比測に，重粘土壌の物理性に関して多くの議論の機会を定においては，中央農業総合研究センター水田整備与えていただいた．

研究室の横川由紀江氏にご協力頂いた．

本研究の第IV章の数値モデルの構築においては，

農業工学研究所向後雄二博士に貴重なご助言と励ましをいただいた．また，前北陸農業試験場水田整備

皿本研究は，これらの方々を含む諸氏のご指導、ご援助の賜である．ここに記して謝意を表する．

なお，本論文は，東京大学審査学位論文であることを付記する．

土壌の収縮および亀裂発生に関連する既往の研究

r亀裂」に関する研究は，古くから行われている．

の重要な礎となった（44）．

特に亀裂の形状パターンは，理学・実学両面から多本章では，このような亀裂の解析に共通する本質

くの科学者の興味を引いてきた．干上がった泥地，的な間題点を心に留めっっ，土壌の乾燥亀裂の形成

古い絵画のニス，陶器の粕薬やエナメル，コンクリに関わるものに絞って既往の研究を整理する．土壌ート，岩石の内部，乾燥地帯，凍土地帯などには，に発生する乾燥亀裂に関連した研究は，その基礎と様々なスケールでの特徴的な多角形の破壊形状パタ

なる土壌の収縮挙動に関する研究，圃場に発生するーンが形成される．乾燥か冷却，あるいはこれら双亀裂の特徴やメカニズムに関する研究，さらに，亀方を原因とする体積変化を行う物体に多角形パター

裂が物質移動に果たす役割や影響に関する研究にンが見られることは，科学者の共通認識であるが，大別される．農地に発生する亀裂が物質移動に

この過程にっいては，十分に理解できていないとす果たす役割や影響にっいては，灌概効率（73），排水る科学者もいる（軌亀裂同士の交差には規則性があ性（8）（26）（49）（68）（85）（120）（121㌧蒸発（2）（30）（99）（107㍉亀裂面への根系る（124），これに着目すると，既に完成した亀裂形状の集中と乾燥特性（37），肥料や塩類の移動（38）（57）（132）など

パターンからその形成過程を遡ることが，ある程度が指摘されている．ここでは，亀裂の役割に関する可能である（36）（40）．また，既存の亀裂と次に形成され研究の詳細には触れず，本研究に直接関係する土壌る亀裂との空間的な問隔は，応力の解放から理論的の収縮特性および亀裂形成挙動に関する研究を中心、に解析することが可能である（63）．これらは，既に発に取り上げる．

生した破壊面が，次の破壊面の向きや位置を順次決定していく過程として亀裂形状パターンの形成を理

1、土壌の収縮挙動に関する研究

解しようとするものである，しかし，何の撹乱もな

1）収縮段階い真に均質な条件では，亀裂がある特定の位置に最土の収縮挙動を定量的に評価する上で欠かせない初に形成される物理的な理由は存在しない．っま収縮曲線は，Tempany（130）が，水分損失と体積減少

り，どんな物質も，不規則性・不均一性を内在してとの関わりに着目したことに始まる、Haines（33）は，おり，亀裂の形成にもこれらが重要な役割を演じる

この関係が，土壌の乾燥に伴い，r正規収縮

ことは想像に難くない（紐寺田寅彦や平田森三ら（norlnalshrinkage）」，r残留、収縮（residual

は，破壊現象が，物質内部の不均一性に左右されてshrinkage）」，r無収縮（zeroおり，決定論的に解析することには限界があるとい階に分けられることを示した．のちに，Stirk（捌が，う認識を早い時期に示した．これらの発見は， 確率r構造収縮（structural

過程として破壊をとらえることに発展し，破壊力学に収縮特性は，これら4っの収縮段階に分類し，理shrinkage）」の3段

shrinkage）」を認め，一般

5

吉田修一郎：粘土質水田における亀裂形成メカニズムに関する研究解されている．構造収縮は，最も水分の多い領域で（ロジスティックモデル）

観測される収縮ステージである．このステージでMalafant（70）は，既存のデータを用いて，これらのモは，水で満たされた間隙から水分が失われても，そデルの検証を行った．その結果，直線モデルは，挙れに見合うだけの体積の減少が起こらず，空気が侵動を良く再現し，パラメータの物理的な意味も明確入する．安定した構造が発達した土壌に見られる挙であることから，もっとも優れていることを指摘し動である．正規収縮は，失われた水の容積と等量のた．Tariq

体積減少が起こるステージである．このステージ

andは，全収縮量の大半を占めるため，亀裂の発達との無収縮段階も含み，かっ各段階の接点を滑らかに結関わりが最も深い．残留収縮は，さらに乾燥が進んんだモデルを提案した．

andがある．McGarryand

Dum￡ord（128）は，さらに，McGarry

Malafant（70）の示した直線モデルを発展させ，だ段階で，体積の減少が水の減少を下回るステージ

これらのモデルにおける正規収縮段階は，前項でである．空気で満たされた間隙が増加する．無収縮

述べた収縮段階の「古典的」な定義に基づき，傾き

は，文字どおり水分の減少が有っても体積の減少がが1であることを前提としている，しかし，正規起こらない極度に乾燥が進んだ段階である．

収縮段階においても，脱水に伴う空気の侵入は認められるため，曲線の傾きは，実際には1より

2）収縮モデル・収縮特性の記述

小さい値となる．特に圃場ではこの傾向が著しい．

Grossman

Mitchell

et段1．（31）は，マトリックポテンシャル

を一3．3kPaに調整した時と炉乾した時の土塊の代表サイズの比を用いて，COLE（Coef￡icient

and

van

Genuchten（72）は，水の容積（7ω）の減少に対する土全体の体積（7）の減少の割合：

oflinear∂Vextensibility）を定義した．この量は，土壌の収縮しやすさを評価する最も単純な指標として以後の研究（例えばDasog

et

［1］

〃z＝一
∂砺

a1．（18））で用いられている．さらに収縮特性を詳細に見るためには，水分の減少によるを正規収縮をも含んだ各収縮段階で定義し，圃場に体積の変化を連続的に示す必要がある．しかし，収おける作物の種類による収縮挙動の違いの評価に利縮特性の表現法は，他の土壌物理性に比べ統一性に用した．また，McGarry欠ける．この問題は，これまで蓄積された多くのデ時の土壌水分の違いと形成された土塊の収縮特性のータの活用を阻んでいる（7ω．収縮曲線の両軸に当た差異を調べ，正規収縮段階の傾きに有意な違いが現る土壌水分と土壌の体積の表し方は，多種多様であれることを示した．このように，より現実に近い条

るが，乾燥が進んでも変化しない固相の質量もしく

件での収縮挙動の研究が進むにっれ，正規収縮を，は固相の体積を基準とした量が，最も適切であるとr傾きが1となる収縮段階」と定義することに矛盾

現在は考えられている．縦軸と横軸の組み合わせが生じている．「正規収縮」は「normal

を，含水比（伽／晒）と比容積（W既），あるいはに対応する用語として本邦で広く使われてきた．し体積含水比（伽／偽）と体積比（W偽）もしくは間隙

かし，Mitche11（71）は，この用語の使い方が曖昧で不比（吻／聡）との組み合わせにすれば，飽和を表す正適切であることを指摘している．彼は収縮段階とし

規収縮線は，1：1の勾配をなす直線となり，三相の構ての正規収縮はrbasicandDaniells（69）は，耕紘shrinkage」

phase（基本収縮）」成を明確に表すことができる．そのため，近年の収い，傾きが1：1となることは「norma1」

縮曲線のモデル（28×70）（128）では，このような表記法を用

runitary」と呼ぶべきであると提案している。

いている．

れにしても，正規（基本）収縮段階（basicモデル化された収縮曲線のタイプには，3本の連続する直線により構造，正規，残留収縮を表す
The

Three

Changeではなくいずphase）

における収縮曲線の傾き郷（b、、i，）は，圃場での収縮特性を見る上で重要である．

，

収縮は3次元的な挙動であるため，体積の減少のGeneralSoil

みならず収縮の方向性も収縮特性の一っである．小Equation（高次曲線モデル），ロ

橋（58）は，粘土の構造を評価するために，「配列指数Mode1αo」を以下のように定義した．

Straight

Line

滑らかな高次曲線で表す
Vblumeを用

ジスティック曲線で近似する

Model（直線モデル）

The
The

Logistic

6

中央農業総合研究センター研究報告

Cpoニ

△7／Rl
△h／丑1

第2号（2003。3）［2］

1一夢一〔1一与D］

ここで，ムプは，収縮時の水平方向変位，1〜1は，水平方向の初期試料サィズ，△届よ収縮時の鉛直方向

yおよび△yは，土全体の体積およびその減少量，2

変位，伍は，鉛直方向の初期試料サイズである．佐および△zは，鉛直方向の厚さおよび沈下量を表す．

藤（103）は，この配列指数を用いて，土の収縮挙動と土沈下のみが生じる場合，7、＝1，等方的な収縮では壌構造との関わりを明らかにした。初期含水比が液7・ニ3である．飽和不麗乱粘質土を用いた試験で，層性限界より低い場合，Cpoの値は徐々に増加するが，位，荷重によらず，いずれも7、は3前後の値となり，初期含水比が液性限界より高い場合，マトリックポ

等方的な収縮となることを確認している，収縮の等テンシャルが一10kPa付近までCpoは0（鉛直方向の方性が成立するときには，各土層の沈下量から体積みに収縮）で，その後Cp。の値は増加することを示し

収縮量や水平方向の収縮量，さらに亀裂容積を推定た．すなわち，マトリックポテンシャルが一10kPa

することが可能となる，例えば，Bronswijk（12）は，付近までは，収縮と言うより沈下，一1MPaまでは

圃場の沈下量を土層毎に測定することにより，各土等方的な収縮，さらに乾燥が進むと水平方向の収縮

層の収縮量および水分の減少量を評価することに成が支配的であるとしている．富士岡・佐藤（25）は，水功している．

平方向の収縮開始時のマトリックポテンシャル値

3）収縮特性の測定法

が，亀裂発生時のマトリックポテンシャル値に対応

日本における標準的な収縮特性の評価法はJISしていることを示した．また，河野（62）は，構造を持A1209に規定されている収縮定数試験法（地盤工学

った土壌の場合，亀裂発生時のマトリックポテンシ

会（51））である．この試験では，内面にグリースを塗

ャルは，良く練り返された試料で測定される水平方った直径45mm，深さ13mmの収縮皿に練り返した向の収縮開始時のマトリックポテンシャルより低く

ペースト状の土壌を充填し，ゆっくり乾燥させるもなることを示した．このように，代かきが行われたのである．この方法は，試料の側面や底面における

水田や干拓地における土壌収縮の研究では，乾燥初摩擦をできる限り排除し，土壌の自由な移動を妨げ期の鉛直方向に卓越した収縮挙動や，収縮の方向性ないようにするものである．土壌の可能最大収縮量の変化に注意が払われており，亀裂の発生との関わ（potential

りが論じられている．

らせば，この方法は，収縮試験法の基本と言える．

shrinkage）を評価するという目的に照一方，畑地土壌のように自重による変形や圧密がしかし，圃場での収縮挙動は，側面・底面とも一定無視できる場合には，収縮挙動は等方的とみなせるの拘束条件下にある．そのため，圃場における収縮

ケースが多い．Aitchison

挙動を採取試料から推定するには，多くの課題があandHolms（3）は，鉛直方

向の沈下量と，対応する水分の減少量から，正規収

縮が等方的であることを示した．この場合，単位面

る．

試料の大きさによる収縮特性の違いにっいては，積あたりの脱水量△四と，沈下量△zの間には，次のYUle関係が成り立っことを示した，の不麗乱のコアを用いた比較を行っている．大型の△研＝3△z［3］

andRitchie（144）（145）が，直径10cmと直径78cm

コアの収縮特性は，小型のコアの特性とおおむね一致し，小型のコアの収縮特性により圃場の収縮特性

ここで，zは初期高さ（厚さ）であり，沈下量はが評価できると結論している．しかし，大型コアを初期高さに比し無視できる程度に小さいとした用いた実験でも，圃場のように側面や底面の移動が場合に上式は成り立っ。また，Bronswijk（11）は，

拘束されていないため，その内部に亀裂やひびが発収縮の方向性を無次元形状係数7、（dimensionless

生しにくい．そのため，現場での同一の大きさの土

geometry

壌の収縮挙動とは完全には一致しないと考えられ

f＆ctor）を用いて評価した．

る．特に，大亀裂を生じる場合，発生した亀裂がr土壌の体積」に含まれるか否かで，収縮特性の意味自7

吉田修一郎：粘土質水田における亀裂形成メカニズムに関する研究

体が変わってくる．仮に，全ての亀裂を土壌内部のをr構造発達係数」と定義し，構造性の指標とする間隙と見なせば，土壌は沈下しているだけで，水平ことを提案した．Crescimamo

方向には収縮していることにはならない。このようは，粒度組成，有機物含量，およびCECと収縮曲線な意味で，土壌の収縮特性には，対象とした試料ののパラメータとの関係を21種類の試料にっいて解大きさや実験方法に関する情報が不可欠である．

析した．その結果，粘土含量は正規収縮段階での収andProvenzano（17）試料の体積の測定法も，収縮試験には重要な問題

縮曲線の傾きと高い正の相関があることを示した．

である，自然状態の土塊の容積をそのまま測定する

有機物含量とCECにっいては，相関は示されていな手法は，Brasherい．

etal．（9）により提案され，この原理を応用した土塊の乾燥密度の測定法（117）や収縮試験

土壌構造の収縮挙動への影響にっいては，微細構への適用が図られている，土塊の表面をサラン樹脂

造から，土壌の管理法や実験時の練り返し強度に至で被覆することで，水蒸気は通すが，液状の水は通るまで，幅広い知見がある．佐藤（103）は，前述の収縮さない状態が実現する．そのため，蒸発による乾燥の方向性と供試体の初期含水比との関連を調べ，配処理と，水置換による体積の測定が可能となる．た列指数Cpoは，供試体の初期含水比が高いほど低い

だし，収縮前の土塊が樹脂被覆に耐えられる程度にこと（鉛直方向に卓越した収縮）を示している．こ

安定している必要がある．また，Crescimannoのような供試体の作成含水比によるCpoの違いは，

andProvenzano（17）は，試料の大きさが同じでも，

土粒子配列の配向性によるものであると考察していコアサンプルと樹脂被覆した自然状態の土塊の収縮る。江崎ら（22）は，八郎潟のヘドロ地盤の層位による特性には違いが生じることを示している．この結果収縮特性の違いを比較した．土粒子の配向が進んだは，収縮特性が土壌構造に強く依存することを示唆

深層では，鉛直方向の収縮が，水平方向のそれを上している．

回るのに対し，乾湿の影響を受けて粒子配列のラン

4）収縮挙動に影響を与える土壌特性

ダム化が進む浅層では，収縮の方向性は，練り返し

土壌の収縮特性は，多くの土壌の物理・化学的特た試料に近くなることを示した．佐藤（104）は，粘質性や土壌に与えられる外的条件に支配される．例え

土壌の乾燥前歴による収縮特性の変化を比較した．

ば，Parkeral．（go）は，土壌の収縮量を支配する要乾燥前歴pF4．0（一1MPa）を境に，収縮挙動には大因として1）粘土鉱物，2）吸着カチオンの種類，3）セきな違いが現れる．pF4．0以下の乾燥前歴では，乾メント物質，4）土壌構造および乾燥密度，5）応力経燥前歴が強いほど，再飽和後の乾燥によって密な状路および履歴，6）試料の大きさおよび形状，7）時態になるのに対し，pF4．0以上の乾燥前歴を与える

間，8）温度，9）土壌溶液の性質，10）土壌水分の変化と，再飽和後の乾燥収縮量は小さくなり，疎な構造

et量，11）拘束圧，を挙げている．圃場ではさらに根となることが示されている．吸着カチオンと粘質土系の影響も考慮する必要がある．これらは，個々にの収縮特性との関係について，矢沢（138〉は，正規収縮

独立した変数として扱うことができるものもあれと残留収縮の境界の含水比がCa飽和土＞Na飽和土

ば，互いに相関のあるものもあり，個々の要因の寄となることを示した．また，そのときの体積比云与を分離して評価することは不可能に近い・ここで砂％は，Ca飽和土＞Na飽和土となり，Na飽和土では，実験的な手法により，これまでに明らかにされより密な充填状態が実現することを示した．これらている要因にっいてまとめる．

の結果は，吸着カチオンの種類による粘土の構造の

矢沢・前田（139）は，粘土含量が高いほど体積収縮率違いに対応するとした．

が大きく，また，構造収縮を持たない傾向があるこ

5）代かきと収縮特性とを示した．また，不撹乱土壌とその練り返し土壌

代かきと収縮特性との関係を直接的に明らかにしの収縮特性を比較し，正規収縮段階の勾配が不擬乱た研究は少ない．ここでは，収縮特性への影響が示土壌の方が小さいこと，残留収縮段階の勾配にはこ唆される代かきと土壌物理性との関わりについてのれらの違いはないこと，収縮限界は不撹乱土壌の方研究を挙げる．代かきによる間隙の変化にっいてが小さいこと，を示した。これらを基に，不撹乱土は，Sharmaの最終問隙比を練り返し土の最終間隙比で除した値

価毛管径で30μm以上の間隙が減少し，30μm以下の

and

De

Datta（108）が，代かきにより等

8，中央農業総合研究センター研究報告

第2号（2003・3）

al．（89）は，代かきにより等価毛る土壌の収縮率に対する根系の影響を明らかにした．アルファルファや小麦が植えられた圃場におけ

管径で50μm以上の問隙が減少し，50μm以下の間隙がる収縮率は，裸地のそれに比べ低いことを示し，圃

増加することを報告している．すなわち，代かき場における土壌の収縮特性は，作物の作付条件によは，粗大な間隙を減らし，微細な間隙を増やす・代り変化することを指摘した．吉田ら（・42）は，粘土質

かきの浸透抑制効果は，このような間隙径の変化に水田において，畑転換初年目に冬作物を導入するこ起因する．雷・多田（64）や足立（1）は，代かきによる浸透とにより，春期の乾燥がすすみ，粗間隙の発達が著抑制のメカニズムを明らかにするために，代かき層しいことを示した．このような，乾燥収縮する際にの物理性の鉛直分布を測定した．雷・多田（64）は，代土壌が根系から受ける作用としては，土壌粒子の力

かき後の浸透による圧密が，土壌の間隙比の減少を学的な拘束作用と土壌水分の吸収作用の二つが挙げもたらし，浸透抑制効果が高まることを示した．足られる．Waldron

立（1）は，代かき後の土壌の乾燥密度が，土性に応じ性を測定し，その弾性的な挙動が，根を含む土壌のた特徴的な鉛直分布となっていることを示した．粘せん断抵抗性を高めることを示唆した．さらに，

土質沖積土壌では，表層から代かき層の下端に向かWaldronい緩やかな増加を示すのに対し，火山灰土壌や砂壌系を含む土壌が，根系のない土壌に比べ高いせん断土の場合には，粘土質土壌より急激な鉛直分布となに対する抵抗性を有することを示した．このようなる．また，粗大な粒子が下に堆積し，微細な粒子が根による土壌の補強作用（Soil

表面に堆積することによる粒度の鉛直分布の形成を

斜面の水食の防止などに重要な役割を果たしている

明らかにした．これらから，代かき層の物理性は，ことが知られているが，同時に，乾燥収縮に対する評価する層位により大きく異なることに注意を払う

抵抗性の強化をも意味している．一方，Pillai

必要があることがわかる．

McGarry（93）は，土壌構造の再生に対する根系の影響

一方，代かきは，その直後の物理的な変化のみなにっいて研究し，多量の蒸散を行うlablab［加δ4励らず，その後の物理化学的な変化に影響を及ぼすこ

加ゆ％名6欝（L．）Sweet］やmungbean［碗9％4形4繍αとが報告されている．下島（110）や飯田ら（46）は，強い（L．）R．Wilezek］は，土壌の乾湿の振幅を大きくし，代かきにより酸化還元電位（Eh）が大きく低下する

土壌構造の再生作用が高いことを示した．この研究ことを示した．還元による土壌の物理性の変化に関では，根系による水分の吸収が，土壌の構造形成にする研究は，古くは喜田・川口（55×56），斎藤・川口（1叫

大きな影響を持っていることを指摘している．

間隙が増加することを示した．また，Guidi
Poggio（32）やPainuliet

本村（77）によって，また最近では，Takahashi

and

and

Toriyama（123）によって行われている．喜田・川口（55）は，常温と低温での湛水処理による土塊の安定性の

et

and

Dakessi＆n（133）は，根の力学

a1．（134）は，アルファルファやパインの根

rei㎡orcement）は，

and7）収縮挙動のメ力ニズムとその解析法（1）収縮現象の定性的な捉え方

土壌の収縮は，r水分の減少により土粒子が接近変化を比較し，還元による土塊安定性の低下作用のし，より小さな体積になる過程（SSSA（118））」と定義

存在を示している．また，喜田・川口（56）は，還元にされている．体積の減少は，外力の変化によってもよる土壌の保水量の増加を示している．本村（77）は，生じるが，このような場合には，収縮とは言わず，

還元による水中沈定容積の変化や透水係数の変化

r圧縮」あるいはr圧密」と呼ばれる．収縮の機構

を2価鉄含量との関係で明らかにしている．

にっいて，佐藤（105）は，メニスカスの後退による毛管Takahashi

力の増大に伴うペッドの接近を挙げている．r問隙

andToriyama（123）は，鉄の形態変化が，酸化還元による土壌の物理性の変化に大きな影響をを水で飽和した土では，表面のメニスカスは図1の及ぼしている点にっいてさらに追求している．この「1」のように平らである．脱水が始まるとメニスカ

ような代かきによる還元の進行と，その結果もたらスはr2」の位置に後退しようとし，土中水にサクされる保水性や土壌構造の変化は，土壌の収縮特性

ションが発生する．脱水の継続は，メニスカスの後の変化につながることが予想される．

退を促し，さらに大きなサクションが生じる．この

6）作物の栽培と収縮特性

ようなサクションの増大は問隙径の縮小によって土Mitchellに準安定な平衡を保ちながら連続的に，しかも表面

and

van

Genuchten（72）は，圃場におけ9

吉田修一郎：粘土質水田における亀裂形成メカニズムに関する研究

1

1
2

1

2

3
ペッド

3
ペツド

4

空気侵入サクション以下では等価であることを示した．さらに，封入不飽和（空気侵入サクション以下）

では，体積変化挙動がTerzaghiの飽和土の有効応力式を用いて説明できるとした．この場合，Terz＆ghiの有効応力式は1
タ

5

σ＝σ一S

5

［5］

と表すことができる．ここで，σは全応力（圧縮をσ・は有効応力（圧縮を正），sは土壌水サクシ

正），

図1

メニスカスの後退による収縮の説明（佐藤1979）

ョン（負圧を正）を表す．土壌水サクションとは

rテンシオメータで測定される負の水圧」と定義す
部分のメニスカスによってもたらされるので，土塊る．有効応力が，土壌の骨格により支えられる応力はほぼ飽和を保って収縮を続ける」（佐藤11979（105））であるとみなせば，飽和土中での土壌水サクションとした．しかし，このような土塊表面におけるメニが，土壌骨格の弾性（膨張しようとする力）によっ

スカスの形成のみで，水で飽和した土壌の収縮は説て維持されていることを意味する．土壌水サクショ

明しきれない．表面のメニスカスの径が小さくなれンの増加による塑性的な土壌骨格の圧縮は，弾性抵

ば，サクションは高まる．しかし，土塊が飽和して抗力の増大をもたらし，力学的なっりあいが維持さいる場合，土塊内部にはメニスカスは形成されないれる．

ため，メニスカスの形成によるペッドの近接は起こ

さらに向後（60）は，土壌水サクションが空気侵入値

らない．そのため，サクションの増大に伴って土壌を越えた領域にっいて，以下のように考察してい全体が収縮する理由を，メニスカスだけで説明する

る．r大きな間隙中の水は，土粒子接触面に作られことはできない．櫻井・佐藤（102）は，脱水による収縮たメニスカス内に保持されるため，土粒子がサクシの際の力学的なっりあいに関して，次のような説明

ョンの作用によって拘束される．そのため，サクシを行っている．「脱水による水圧の低下は，骨格構ョンの増加に伴う体積減少は起こりにくくなる．」っ造に伝達され，骨格構造が変化し，骨格からの反力

まり，空気侵入サクションを境にして，土壌水サクが発生する，また，同時に，気液界面ではメニスカ

ションによる体積変化挙動の様相は大きく異なる．

スが形成され，骨格構造の反力とメニスカスの形成

正規収縮は，空気侵入値以下の土壌水サクションにによる圧力と水圧の三者の釣り合いが達成する。」すよる収縮，残留収縮もしくは無収縮段階は，空気侵

なわち，収縮現象は，表面でのメニスカスの形成の入値以上の土壌水サクションによる収縮に対応すみならず，土壌骨格の弾塑性的な変形によって生じる．正規収縮段階では，間隙水圧は負圧でも，力学ることを指摘している．

的には飽和土としての扱いが可能である。しかし，なお，地盤工学会（51）では，図1とほぼ同じ図を用

残留収縮段階では，［5］式の有効応力原理は成立しいて収縮挙動の解説を行っているものの，図1のr2」以降の乾燥は，不飽和状態となる残留収縮段階

ない．そのため，不飽和土としての力学的な扱いが必要になる．残留収縮段階は，本論文では解析対象での挙動を表したものであることを明示している．

とはならないため，不飽和土に対する土質力学的な以上から，収縮挙動は，間隙水の移動を伴う飽和・アプローチに関しては，これ以上言及しない．

不飽和土壌の弾塑性的な変形として，せん断や圧密弾性論あるいは弾塑性論による土の変形挙動の解などの土質力学における代表的な変形挙動とともに

析は，多次元での解析法が既に多く研究されてい統一的に理解することが望ましいと考えられる．

る．特に有限要素法を用いた圧密解析手法に関して（2）土質力学的なアプローチ
向後（60）は，Jennings

and

Bur1＆nd（50）やBlight（6）の実験結果を引用し，サクション圧密（間隙水圧は負圧）と圧縮荷重による圧密（問隙水圧は正圧）が，は，・多くの文献（45）（65）（126）がみられる．これらの手順にっいてはIV章で述べる．
（3）土壌物理分野でのアプローチ

土壌物理分野では，膨潤土の水移動に関する一連10

中央農業総合研究センター研究報告の理論が構築されている．膨潤土水移動理論では，第2号（2003．3）

シャルが含まれる．

非膨潤土の水移動論を拡張するかたちでの定式化がこれらの理論の発展により，膨潤土においても，図られている．非膨潤土では，空間座標に対する固主要な水移動現象の解析が可能となった．膨潤土水相の移動を考慮する必要がないのに対し，膨潤土で移動理論では，固相の大きな移動（変形）を理論のは，固相の移動を考慮しなければならない．また，根幹としているため，変形量に関する制約は存在し外荷重や自重が，圧力ポテンシャルに影響を及ぼす

ない．微小ひずみから有限ひずみ（大変形）へと発点も特徴である．

展していった圧密理論とは，理論発展の過程に違い

空間座標系を用いた解析の試みとしては，がある，このような経緯の違いから，膨潤土水移動

Philip（叫中野ら（81）が挙げられる．Philip（91）は，2相理論は，極めて軟弱な粘土の圧密やサスペンジョン系（飽和）の膨潤土水移動の解析に対し，非線形のの濾過などへ適用されている．その反面，多次元の拡散移流方程式（FokkerPlank方程式）を基礎方程挙動に対する本理論の適用は，一次元の水移動に式として導いた．また，中野ら（81）は，膨潤土の浸潤より3次元の変形挙動を解析したGamier

挙動の解析に対して，土粒子のフラックスを支配すの試みが挙げられる程度で，限定的である．

る方程式を仮定した．これらの，空間座標系を用いSmiles（112）は，r一次元では，体積含水比と水分ポテた解析法は，後述の物質座標を用いたものに比べ，ンシャルの関係により，固相のひずみに関する力学

物理過程との関連が直接的に示されるのが利点であ的な挙動が完全に説明できるが，多次元では，異方る（91），また，中野ら（81）は，物質座標系で困難であっ的な固相の移動のレオロジーが考慮される必要が出た不飽和膨潤土への浸潤の解析が，空間座標系を用てくる．」と指摘している．以上から，』多次元的な応いた方法により実現したことの意義を強調した．

力の変化にともなう破壊挙動である亀裂形成の解析

一方，座標系を物質座標に変換することによる解析法（97）（111）（113x116）カミ，Philip（91）以降に発展した．

eta1．（27）を想定した場合，現時点では，多次元圧密理論を基礎とするのが有利であると考えられる．

Smiles（112）によれば，当初，Phihpは，膨潤土水移動問題に対する物質座標の利用に対しては消極的であったが，Raats

andKlute（97）により物質座標の有用

2．圃場に発生する亀裂の特徴とそのメ力ニズムに関する研究

性を認め，物質座標系を用いた3相系の膨潤土水移

1）亀裂の定義

動に関する理論（92）を発表したとされる．本理論から

1，節では，亀裂の形成に強く影響を及ぼす土壌の導かれる方程式は，非線形の拡散方程式である．従

収縮挙動に関する研究にっいて整理した．土壌の収って，体積含水比は，ボルツマン変数の関数となり，縮量は，対象としている土壌ブロック全体の体積減

収縮量は時間の平方根に比例する．この結果は，圧少量を表すため，その土壌に含まれる空問は，すべ密理論から得られる圧密速度に関する知見と整合すて間隙として評価される．しかし，この空間には，る．

乾燥時に新たに形成された亀裂も含まれているはず膨潤土では，自重や外荷重の圧力ポテンシャルヘ

である．この場合，これらの亀裂は，対象とする土の影響を考慮する必要がある，次式で表される荷重

壌の体積収縮量を減少させる（全体の体積が大きく

ポテンシャル（over』burdenpotentia1）を，マトリッ

評価される）ことに貢献している．しかし，対象とクポテンシャルに加えることによって考慮される．

する土壌ブロックと他の土壌ブロックの問に発生す

Ω

二姻z）

［6］

る大きな亀裂は，土壌の一部ではなく，r亀裂」すなわちr空間」と見なされる．この亀裂の大きさは，P魚）は，位置名における外部からの荷重や自重によ

土壌の体積収縮量が大きいほど大きくなる．っま

る圧力である．荷重ポテンシャル1よ荷重の増加にり，スケールにより，亀裂は，土壌の一部ともなり，よる水圧の変化として現れ，飽和ではα＝1となる。

土壌外の空間ともなる．そのため，どこまでを亀裂

不飽和では，荷重の一部のみが水圧の変化に寄与すとして評価するか，という問題は，土壌の収縮量のるため，αは1以下の値となる．テンシオメータにより測定される圧力ポテンシャルには，荷重ポテン

評価に影響を及ぼす．このような理由から，亀裂の定義付けが，必要である．佐藤（105）やMaruyama

吉田修一郎：粘土質水田における亀裂形成メカニズムに関する研究

andTanji（68）は，Zakharovの亀裂の分類を引用している．これによると，幅0．3cm未満を細亀裂（￡ine

は，地表面の亀裂パターンから下層での亀裂の分布を予測する手法を提案した．

亀裂の形状パターンの定量化において，もっともfissure），0．3cm〜1．Ocmを中亀裂（fissure），1．Ocm

以上を大亀裂（cleft）と分類している．

11

基本的な特徴量は，亀裂の幅，長さ，深さおよび間

一方，土壌マトリックスと亀裂部との区別は，土隔である．亀裂形状パターンの測定例や測定法に関壌マトリックスを採取する場合のスケールにより感する既往の研究を表1にまとめた．近年の，画像解覚的行われることも多い．通常，コアサンプルの採析手法の発達により，亀裂パターンの解析は写真も取は，r亀裂部を避けて」行うが，その基準は必ず

しくはトレースしたものにより容易に行うことがでしも明確ではない．しかし，粘土質の土壌で見られきるようになった．特に，亀裂に囲まれた領域の画るような明瞭な亀裂が発達した条件では，r亀裂を像解析は，既存の画像解析手法の適用が可能である

避ける」ことは，実験者の恣意的な判断に依存しなため，いくっかの事例（7）（136）がある。しかし，亀裂自い合理的な方法とも言える．このことに関連し，体の形状パターンの評価を画像解析手法で行うとすHallaire（34）は，土壌全体の間隙比からコア試料の間るならば，特徴量の定義などを新たに行う必要があ

隙比を差し引いたものとして亀裂部の間隙比を推定

る．亀裂形状の評価は，その物質移動機能を評価すした．コア試料の間隙比は，亀裂が存在しない状態

る目的で行われることが多いことを考えれば，亀裂で採取し，サンプラー内で乾燥させたときの測定値

部の形状を直接表す意義は大きいと言える。

を用いているものの，亀裂が土壌マトリックスの補また，上記の基本的な特徴量以外にも，様々な集合として定義されている点が，示唆に富んでい形状の特徴を表す量が用いられている．Preston

る．

etal．（94）は，亀裂形状の解析にフラクタル次元を用

2）亀裂の形状パターンの評価法

いた．Preston

亀裂は水平方向の広がりとともに鉛直方向へも深ルロシミュレーションを応用したEeterogeneityやetaL（95）1よフラクタルやモンテカさを持った3次元的なネットワークを形成していcon阜ectivityを定義した．また，Chertkov＆nd

る，このような地下における亀裂のっながりは，流Ravina（14）は，亀裂ネットワークの屈曲度（tortuousity）

路としての亀裂の働きを評価する上で重要である．

を定義した．

そのため，白色ペイント（121）や染料（8）を用いた亀裂ネ

3）水田における亀裂の消長

ットワークの観察が古くから行われてきた．しかし，多点において亀裂の空間的な構造を把握するこ

物理性から捉えると，水田の土層構造は，作土（代かき）層，耕盤層，心土層の3層に分けられる．作とは容易ではない．そのため，多くの場合，下層で土の亀裂と作土下の亀裂とは，その消長や役割に違の亀裂の発達は，深さの測定によって評価される．

いがある．

深さの測定には，先端が面取りされた，屈曲が可能

山崎ら（137）は，埼玉県の沖積平野の水田において，なスケール等（21）（109）を用いる．亀裂の体積は，表面亀裂の消長を観察した．作土の亀裂は，中干しによの幅と長さおよび深さから推定されることが多い

り生じ，その後は湛水しても消失しないこと，心土が，砂を亀裂に充填することにより直接測定する方の亀裂は，中干しまで明瞭であるが，中干し後は，

法（19）や沈下量から間接的に評価する方法（10）も行わ

作土からの水分供給の増加により狭まること，しかれている．また，体積の推定1ヒは，深さだけではな

し落水後の乾燥により，再びもとの状態に回復する

く，深さ方向への亀裂幅の減少率を仮定する必要がこと，等を示した．

ある．Ringroseへ汚oase

andSanidad（98）は，三角形，

田渕ら（120）は，粘土質水田における一年を通じた

平方根，長方形の3っの関数型で，深さ方向の幅の亀裂の消長を模式的に表した．これによると，中干．

減少を表した。

し期に発生した亀裂は，その後の湛水で上部が徐々

一方，地表面の亀裂形状と亀裂の深さ，あるいはに閉塞する，その後，収穫前の落水により，再び上下層での分布を関連づける研究も行われている．富部が開いた亀裂が形成されるとしている．なお，中士岡，佐藤（25）は，地表面での亀裂の幅とその深さに干し後の湛水による亀裂上部の閉塞は，起こらない

線形関係があることを示した．また，Chertkov（13）場合もあることを付記している．また，田渕ら（⑳12中央農業総合研究センター研究報告

後藤，小林（1957）（29）

富士岡・佐藤表1

圃場における亀裂形状の計測事例およびその方法

幅

延
長

間
隔

○

○

O

（1968b）（25）

第2号（2003。3）

面
積

深
さ

体
積

方法の特徴

その他の測定項目

延長はライシメータ全体，
幅にっいては不明○①

ライシメータによる試験
方眼状の測線（25cm間隔）との交差部分で幅，深さを○

測定面積はトレースしたものから測定El

Abedineand根本ら（1975）（86）

Sharma

and

O

al．

Li御a

and

GrismerO（1992）（66）不明

写真による定性的な比較
亀裂接点数

②

0

○

（1988）（18）○②測線を設置し，交差する部
分を測定

③

O
O

O

天谷ら（1983）（4）
et

0

○

Verma

（1977）（109）

Dasog

O−

O

Robinson（1971）（21）

ライシメータ全体

測線を設置し，交差する部
分を測定③

Island（ped）の幅，面積○

各試験区内にランダムに設定した13〜14点

185mの測線に沿って5m間隔でデータを採取．10回の測定値のモードをその点のデータとする．

延長は試験区内に1㎡の区

Dasog andShashidharaO（1993）（19）

O

O画を設定しその中の全延長．

③④

深さと幅は亀裂に沿ったランダムな地点

直径1mの半円が連なった
Ringrose−Voase

andSanidad（1996）（98）

O

③

O

③

○

③

半円状の測線との交点数

形の測線と亀裂との交点数から面積あたりの亀裂延長を推定．

WallerandWallender（1993）（135）
Bodun

et

al．（2000）（7）

Wijeyesekera andPapadopoulou（2001）（136）

Island（ped）の面積，周長，長さ．幅
Island（clod）の面積，周長，Compactness，Elongation
Island（cell）の面積等の形

状特性値

ライシメータにおける実験
画像解析
大型土層実験，画像解析

注）○直接測定①トレース（表面を写し取り）②写真③他の量から推定④砂で置換し実測

は，白色塗料の浸入試験により，亀裂部に浸入したが，水田の亀裂深さに与える影響を20地点の調査結

水が，亀裂部を横流れして暗渠の掘削部に達し排水果を基に評価した．その結果，心土亀裂の発生は，されることを示した．

非カンガイ期の蒸発量および心土層の密度により判後藤・小林（30）は，水田に発生する亀裂を，その鉛断できることを示した．

直方向の進展の様子により，1）畦畔と田面の境界部

水田転換畑における亀裂の消長にっいては，中分より外側に向かって徐々に降下しているもの，2）野（80）が，転換後の時間の経過による亀裂の下層への田面に生じながら，その末端が畦畔下部に潜入し，進展を示した．新潟県の重粘土水田における調査

外方に逃げるもの，3）田面に生じた2条以上の亀裂で，転換初年目は，深さ30cm，転換3年目では深さが比較的浅い層で相互に交わるもの，あるいは単独

50cmまで達することを示している．また，河野（61）に存在し，末端が浅い層で消失するもの，4）畦畔をは，長野県中部における火山灰土水田における水分横断するもの，5）これらが複雑に交錯したもの，に張力の測定により，転換畑の乾燥と亀裂の消長の実

分け，1），3），4）が最も多く認められるとした．

態を明らかにした．作土と下層土では，乾燥に対す

丸山（67）は，非カンガイ期の蒸発量および地下水

る収縮挙動が異なるため，亀裂の発生条件や発達が位，心土の密度，圃場整備後の経過年数，粘土含量

大きく異なることを示すとともに，亀裂の季節的変吉田修一郎：粘土質水田における亀裂形成メカニズムに関する研究

13

但し，形状やサイズのばらっきはLimaand

化にっいても言及した。

4）作物の配置や営農管理と亀裂の形成

Grismer（66）同様小さくなったとし，原因として塩濃

作物が亀裂形状パターンに及ぼす影響に関する度の増加による構造の破壊を挙げている．

初期の研究としては，JohnstonandHi11（53），

また，主に室内実験やライシメータによって得ら

Johnson（52），Fox（23）が挙げられる．これらの研究でれた知見ではあるが，土層の厚さは，亀裂形状パタ

は，畑地において畦間に大きな亀裂が形成されるこーンに影響を与えることが知られている．高橋（124）とを見いだしている．この原因として，Johhston

は，粘土に生じる亀裂の間隔が，土壌の厚みの増加

andに伴い広がることを観察した．ただし，厚みは1〜

Hi11（53）は，含水比が最も高く抵抗が最も小さい

破壊面が畦間中央に形成されるためであると指摘し10mmと小さな範囲での実験である．後藤・小林⑫9）

た．Johnson（52）は，作物の間隔が亀裂パターンに及

1よぼす影響を解析し，作物の間隔を広げることで亀裂

亀裂幅および亀裂密度との関係を明らかにした．ヌ

幅が広がることを認めた．Fox（23）は，根系による土ケールは大きく異なるものの，高橋（124）と同様に，土壌の拘束により畦間に亀裂が発生すると指摘した．

の厚みの増加により，亀裂の密度は減少し，亀裂幅

Sharmεしvanは拡大することを示した．CorteandHig＆shi（16）Genuchten（72）も水分が高くかっ根系による拘束のは，土層の厚さや土層底面の素材と亀裂の発生含水弱いことが畦間に亀裂が発生する原因であると考察

比，亀裂で囲まれた領域の平均面積，亀裂の総延長している．また，水田においては，Confesorなどとの関わりを明らかにした．土層の厚さ（3mman（lVerma（109）やMitchell

an（1

Jr．et

コンクリート枠の中に土を充填し，土の厚みとa1．（15）が，裸地状態では多角形の亀裂パターン，条移〜45mm）が厚いほど，亀裂発生時の含水比は高く，

植水稲では条の周りの規則的な大亀裂，直播水稲で亀裂で囲まれた領域の平均幅は増加し，亀裂の総延はどちらでもない不明瞭なパターンが形成されるこ長は減少することを示した．また，底面の素材としとを示している．

て，土との付着が強いガラスと弱い木材を用い，亀一方，亀裂形状パターンは，畦，畦間という作物

裂の形状を比較した結果，ガラスではより間隔が狭の規則的な分布のみならず，作物の種類によってもい亀裂が生じることを示した．以上から，底面の力影響されることが明らかにされている．Dasog 学的な影響が大きいほど，亀裂の問隔が狭まること
andShashidhara（19）は，ヒヨコマメ，小麦

ソルガが示されている．

ム，ひまわり，サフラワー植栽下および裸地におけ

6）乾燥亀裂の形成メ力ニズムに関連した研究

る亀裂の幅，深さ，長さを比較し，根系のタイプに土壌の収縮挙動のメカニズムにっいては既に述べ

より亀裂の発生が影響を受けることを示した．

た．収縮挙動は亀裂の発生と深く関わる現象であ

水稲の栽培や管理作業が亀裂の形成に与える影響る。井上（48）は，コンテナーに土壌を充填し，乾燥にに関する研究としては，根本ら（8ωが，力学的な練り伴う土壌の水平方向の移動を表面に設置したマーカ返しが行われる機械の走行跡や足跡に幅の広い亀裂

ーにより観察した．この方法により，亀裂が発生しが発生することを指摘した．

た部分には，亀裂発生直前まで正のひずみ（伸張）5）亀裂の形成に関与するその他の要因が発生していたことを明らかにした．本来ならば水：L，imaGrismer（66）は無植生下での亀裂の形状分の減少とともに試料全体が収縮するべきところと灌漸水の塩濃度との関係を明らかにした．塩濃度が，亀裂の発生点においては，伸張したために破断が高いと，亀裂ブロックの大きさおよびそのばらつを生じたことがうかがわれる．前述の収縮皿によるきが小さくなり，亀裂の幅表面の亀裂面積は大き

乾燥では，底面および壁面の摩擦を小さくしている

くなり，亀裂の深さは浅くなることを示した．そのために，試料全体が一様に収縮し，大きな亀裂は通理由として，塩濃度が高いと構造が破壊され収縮率

常発生しない．これに対し，この実験では，コンテが高くなること（幅，面積），透水性が低下すること

ナー壁面への土壌の付着や底部での摩擦が，土壌の（深さ）を挙げた．一方，Waller

均一な収縮を阻み，各所に圧縮部分と伸張部分を作

and

and

Wallender（135）は，植生下で同様の実験を行い，塩濃度増加に伴いり出したものと考えられる．乾燥亀裂は，力学的な亀裂のブロッタは大きくなったと報告している．

拘束のない収縮挙動により発生するものではなく，

14

中央農業総合研究センター研究報告

第2号（2003．3）

むしろ自由な収縮が許されないことにより発生するに基づき，水分膨張係数（Moisture

expansion

ことをこの研究から読みとることができる．

coefficient）というパラメータを介して応力分布を引張破壊に対して，R＆ats（96）は，亀裂の形成に計算した。その結果，畦間全体に引張応力が生じ，関連した2種類の破壊規準を挙げている．一っは，

特に中央部に集中するという解を得ている．しか引張強度の概念をCoulomb規準に取り入れた

し，全応力の大小だけでは，土壌水サクションの引

Coulomb／Pau1規準，他方は既存の微小な切り欠き張に抗する効果が評価できないため，前述のようなが拡大する条件と引張強度を関連づけたGriffith！

破壊規準に照らした亀裂の発生の判断はできない．

Irwin／Orowon（GIO）規準である．しかしこれらは，乾燥亀裂の発生条件にっいては，亀裂発生時の圧

概念的な整理に留まり，実際の適用事例は示されて

力ポテンシャルの値を示したものが中心である，富いない．Snyder

Miller（114）は，Griffithの破壊

士岡，佐藤（24）は，ライシメータ試験により，土壌水基準と不飽和土の有効応力式とを組み合わせることの圧力ポテンシャルが，一2kPa〜一3kPαの間で小により不飽和土の引張強度の理論化を図った．ただ亀裂が発生するが，これらは拡大せず，一6kPa〜

し，ここでいう引張強度は，全応力で表した強度で一10kPaで新たに亀裂が発達することを観察した．

あり，破壊点の有効応力がゼロであることを仮定しまた，根本ら（86）は，土壌水の圧力ポテンシャルがた理論展開となっている．っまり，有効応力による一2kPa〜一8k％の間で亀裂が発生することを示し

破壊規準を考察したものではない．

た．その値は土性によって異なるものの，おおむね

and

a1．（84）は，試料のサクションを0〜

その試料の液性限界に対応するとした．また，河6kPaに設定し，水の移動を許しながら一定速度で野（62）は，亀裂発生時の圧力ポテンシャルが，土壌構伸張したときの引張破壊応力を測定した．その結造の発達した土で一10kPa程度と低く，構造が発達

果，伸張時のサクションが高いほど，引張強度はしていない土で一1kPa〜一3kPaと高いことを示し増加するが，実験前のサクション履歴（O〜6kPaのた．一方，Sato

低サクション）による引張強度の増加は，見られ料を一定温・湿度の室内で乾燥させ，亀裂が発生すないことを示した，また，Nearingetal．（83）は，る時の含水比を多数個の試料に対し測定し，その頻

Nearingal．（84）と同じ方法で，多くの種類の土壌度分布を示した．測定された亀裂発生時の圧力ポテの引張強度を測定し，サクションが与えられていな

ンシャルの頻度分布には広がりがあること，ピークいときの引張強度は，0．9〜3．2kPaであることを示

は，一10kPa付近と一〇．1〜一10MPa付近に二っ存した。この結果は，有効応力で表した引張強度に対在することを示した．以上のように，亀裂の発生条応する．ただし，伸張に伴い試料中にわずかにサク

件は，発生時の圧力ポテンシャルで表した場合にはションが発生することは，実験上避けられないと推一定の幅がある．

Nearingetet

測される，そのため，引張強度がやや高めに評価されている可能性もあると考えられる．
Hallettetetal．（106）は，両端を爪で固定した試

土質力学においては，土は引張有効応力に対して耐えられないと考え』最小主応力が負になった時点

al．（35）は，乾燥土壌の破壊靭性を所定ので引張による破壊が生じるとみなすことが多い．こ長さの切り欠きを含んだ円盤状の試料の引張試験のれを受け入れた場合，亀裂が発生する条件は，有効結果に基づき求めた．応力拡大係数の評価において応力がゼロとなることに他ならない．すなわち，亀は，実際の切り欠きの長さではなくIrwinの塑性補裂発生時の土壌水の圧力ポテンシャルに，条件によ正による有効亀裂長さを用いる必要があること，塑

る大きな変動が見られるのは，土壌の引張強度（限性補正は，試料の土壌特性と特に関係が見られなか界有効応力）の差異によるものではなく，全応力のったこと等を示した．なお，乾燥亀裂の形成に対し差異によるところが大きいと考えるべきであろう，て破壊力学を適用した研究は見られない。

ただし，乾燥亀裂の発生は，極めて小さな応力場に

Nieber（87）は，作物の畦間における水移動およびおいて起，こる現象であり，その発生点や発生条件を

応力分布をリチャーズ式と全応力のっりあいを組み解析する場合には，土壌粒子間の引張に対するわず合わせることにより解析した．この研究では，不飽

かな抵抗力の違いが重要な意味を持ちうると考えら

和水分移動の計算の結果得られる体積含水率の減少れる．この場合，有効応力をゼロとする破壊条件は

吉田修一郎：粘土質水田における亀裂形成メカニズムに関する研究

15

一方，土壌に発生する亀裂に関する研究の到達

必ずしも適当ではない．しかし，このような低応力条件下における破壊は，ほとんど研究されていな点

および課題は，次のように要約される．

い．

1

水田における亀裂の消長にっいては，水稲作付けに伴う水管理との関係で多くの研究が行われ3．まとめた。しかし，亀裂形状と水稲の作付けとの関係

本章では，土壌の収縮挙動と亀裂形成に関してこを明らかにしたものは少なく，理論的な解析は，十分に行われていない．

れまで行われてきた研究にっいて整理した．収縮挙動，亀裂形成とも，研究の歴史は古く，様々なアプ

2

畑地における亀裂の特徴にっいては，多くの観察・実験結果がある．特に，畦間の直線状亀裂

ローチがなされてきた，収縮挙動の研究は，均質な練り返し試料の乾燥収は，灌概水の移動や保持の観点から注目されて縮挙動の観察から始まり，その特性のモデル化，不きた．しかし，その要因やメカニズムの解析
は，十分に行われていない。

掩乱土壌や現場における土壌の収縮挙動の解析へと進んでいった．これらのうち，本研究との関連で特に重要と考えられる知見を挙げる．

3

亀裂の発生メカニズムは，収縮挙動と関連づけて研究された例が多い．しかし，自由な収縮が1．圃場における土壌の収縮挙動は，植生により許されないことが，亀裂発生の直接の原因であ影響を受ける．その影響は，正規収縮段階でるため，収縮特性の評価だけでは，亀裂の形成の収縮曲線の傾きや収縮後の間隙比等で評価は説明できない．亀裂形成メカニズムの解明のできる．

ためには，・乾燥収縮時の土壌の拘束条件，土壌2．粘質土壌の収縮挙動は，rサクションによる圧密」と捉えることで，弾塑性論に基づく土水サクション，応力状態を考慮した研究を展開する必要がある．

質力学的な解析が可能である．

皿

営農作業に起因する亀裂形状パターンとその画像解析

1．はじめに想定される乾燥時期は，中干し期か収穫直前，ある

水田における亀裂の発達に影響を与える数多くのいはその他の時期に水稲に障害が及ばない程度に軽要因のうち，水稲の作付け，代かき，水管理等の営

く乾燥させるかのいずれかである．作付け直後は，農的要因は，亀裂の制御に直接応用が可能である点

根系の分布は貧弱で，蒸散量も少ない．その後，根で，特に重要である．これまでの研究（23〉（53×72）（109）によ系が条間に広く広がるとともに蒸散量も増加する．

り，作物の畦問に亀裂が形成されることが広く知ら

しかし，収穫直前になると，根系はそのまま残存すれている．また，畦間を広げることにより亀裂の幅るが，蒸散量は減少する．乾燥時期による亀裂形状が拡大することも実験的に示されている（52）．畦間にパターンの違いを評価するには，このような根系と亀裂が形成されるメカニズムは，畦間における根系

蒸散量の多少を組み合わせた試験が必要となる．

と含水比の分布に起因すると考えられている．しか一方，畦間の拡大による亀裂幅の拡大効果にっい

し，根系の分布や，水分の分布は，作物の生育ステては，畑地において観察された例はあるが，水田にージにより一定ではない．仮にこれらの条件が亀裂おける研究事例が無い．そのため，亀裂を制御するの形成に影響するならば，時期により亀裂形状パタ

上での最適な条間隔を圃場試験により明らかにするーンにも違いが現れるはずである．

必要がある．

水稲の慣行栽培において，湛水を排除して積極的

代かきは，水由土壌の物理性を大きく左右する営に圃場の乾燥を促すのは，中干し期と収穫直前であ

農的な働きかけとして重要である．代かきの強度にる．その他の時期には，稲に水分ストレスを与えなより土壌構造に違いが生まれることは経験的には自いように管理する．特に，登熟期の強い水ストレス

明のことであるが，亀裂の形成との関連を定量的に

は稲の収量や品質に悪影響を与える（碗そのため，評価した例はない．そのため，代かき強度は，亀裂

16

中央農業総合研究セ財ター研究報告

第2号（2003．3）の形成に影響を与える重要な要因と位置づける必要として試験区への割付を行った（擬水準法（79））．各要がある．

因は，圃場内にランダムに配置することを原則とし

亀裂形状パターンの評価手法にっいては，幅，深た．しかし，代かき強度にっいては，ランダムな配さ，間隔等の比較的単純なものから，画像解析分野

置が作業上困難だったため，長辺に沿った4分割のにおける定量化手法やフラクタルを用いたものまで配置となった．そのため，代かき強度は，土壌の空様々な手法が適用されてきた．しかし，水稲が条で間的な変動との交絡が避けられていない．代かきは移植された水田の亀裂形状パターンは，条間を基本

幅2400mmのドライブハロー（HR2400B，松山農

的な単位とし，畦の方向と密接な関わりをもってい機）を40PSのトラクター（GL40，クボタ）に取りる．そのため，幅や周長，面積などの基本的な特徴

付けて数回に分けて行った、収穫後の層厚で，代か量に加え，方向性を評価するための新たな手法も必

き深度は12cmから15cmであった．代かき作業の日要である．

程は表2に示した．土壌表面の撹乱を避けるため

以上から本章では，水田における亀裂形状パターに，水稲の移植は，試験区の周囲に張り巡らした足ンを支配する営農的な要因として，水稲からの蒸場板の上から手作業で行った．圃場面の湛水は，移散，水稲の条間隔，代かき強度の効果を圃場試験に植後，8月10日まで維持した．無蒸散区においては，

より定量的かっ総合的に評価する．また，水田に発

落水直前に稲の地上部を全て切り落とし，根は残存生する亀裂形状パターンの違いを適切に評価するたしているが蒸散が行われない状態にした．

めの画像解析手法を新たに提案する．
表2

2．実験計画法に基づいた圃場試験

代かき強度総代かき回数中

林水産省北陸農業試験場（現中央農業総合研究セン

強長辺が50m，

作業日および走行回数

5／17（1）弱実験に用いた水田は，新潟県上越市に所在する農ター北陸研究センター）内の水田で代かき作業の日程

5／12（2）
5／6（4）

5／17（1）

5／12（2）

5／17（1）

5／24（2）

注）かっこ内の数字は当該日の通過回数を示す

短辺が20m，過去20年以上にわたり水稲が作付けらこれらの要因試験とは別に，同一圃場内に条間隔れてきた圃場である．暗渠が圃場内に埋設されていを90cm，蒸散有りとした試験区を各代かき回数にるが，実験期間中は使用しなかった．土壌は，農耕

対し3反復設け，条間隔を極度に広げた場合の亀裂

地土壌分類第3次改訂版（88）によると，強粘質細粒質

形状パターンを観察した．なお，条間隔90cm区の斑鉄型グライ低地土で，粘土を34−38％，シルトを亀裂形状パターン観測結果にっいては，本章では解34−39％，砂を25−32％含む．水稲収穫後に採取した析の対象とはせず，第IV章における解析に用いる．

未風乾土の液性限界は80〜91％の間であった．

通常，亀裂形状パターンの記録には写真が最適で実験は1999年に行った．a）代かき強度（弱：1回，ある（19）が，葉が繁った水稲条間では，写真による記

中：3回，強：9回），b）条間隔（30cm，60cm），c）

録は不可能である．そのため亀裂の形状は，長方形

蒸散（有り，無し），の3要因を試験した．各試験の透明なシートにペンで写し取る方法を採った．シ区は，幅240cm．長さ150cn1（条問隔30cm，株間ートの大きさは，条間隔30cm用が100cm×24cm，15cmで9条×10株に相当）を確保した．各試験区への要因の割付は，実験計画法に則り，L16直交表

60cm用が100cm×48cm，90cm用が100cm×80cm
である．条間隔30cmおよび60cm区の形状の記録を用いて行った．直交表を用いた要因の割付けとそは，各試験区内でランダムに選んだ2箇所で行っの後の解析法はTaguchi

methodと呼ばれ，工学のた．圃場の乾燥の進行にあわせ，各試験区とも最低分野で近年幅広く適用されている（39）（79）．この手法

2回記録を行った．90cm区にっいては一カ所のみ

は，多くの要因を少ない観察回数により効率的に検を記録した，

定する手法として効果を発揮する．しかし，本研究条間における土壌水サクションの水平方向の分布

では，効率的な要因の割付と解析を目的としてこのを測定するために，テンシオメータを条間60cmの手法を適用した．代かき強度は3水準要因である試験区に設置した．また，条間における根系分布とが，第2水準（中：3回）を重複させた4水準要因

亀裂の下層への進展の様子を観察するために，1998

17

吉田修一郎：粘土質水田における亀裂形成メカニズムに関する研究

表3
形状特性値

解析に用いた亀裂の形状特性値の概要

対象とする形状特性

大きい

小さい

条方向に卓越条と垂直な方向に卓越（最大値100）（最小値0）α）1

亀裂の方向性EW（cm）
CP

亀裂の平均的な幅
亀裂形状の複雑度

幅が広い

幅が狭い

複

単

CS（cm）

条に垂直な亀裂の間隔

間隔が広い

雑

純

間隔が狭い

年9月，本実験と同一の水稲作付け条件下（条間EレV＝2。4／P

30cmおよび60cm）にある同一の圃場において条間［7］の表層土壌を採取するとともに．亀裂部に石膏を流、4は亀裂部の全面積（c㎡），Pは亀裂の全周長（cm）

し込んだ上で，深さごとに水平面を切り出し，亀裂である．定義から明らかなように，，EWは細長い長の鉛直分布を記録した．採取した試料にっいては，方形の幅（cm）をおおむね表す量である。E四は無次炉乾して，一昼夜水に漬けた後0．42mmメッシュ

元量ではないので，スケールに依存する、しかし，のふるい上で水洗し，残存した水稲根を拾い上げ

亀裂トレースの対象としている領域は基本的な，亀た．得られた根は，85℃で24時間炉乾し，その重量

裂形状パターンの一単位に対応しており，スケールを測定し1根密度を求めた．

依存性は，解析上問題にはならない，E研は，亀裂間隔と同様に亀裂の分布の集中度を示す量である．

3．画像解析による亀裂形状パターンの定量化手法幅が広いほど，亀裂の数は少なく，より一カ所に集透明シートにトレースされた亀裂は，大型デジタ

イザ（Drawing

亀裂の面積率』〜が同じならば，それぞれの亀裂のboard皿，C＆1Comp，USA）と解析中して亀裂が発生していることを表すからである．

2）亀裂形状の複雑度（CP）

亀裂形状パターンの複雑度は，Bodunet

ソフトウエア（ILWIS1．4，Int．Inst．￡orAerospace

Survey＆Earth

Sciences，Netherlands）を用いてデジタル化した．得られたベクトルデータは，ポリa1．（7）が亀裂の解析に用いた形状特性値であるCP（Compactness）を用いて評価した．

ゴン化（polygonize）し，その周長Pや面積Aを算出

CP−P2／（4πZ）［8］

した．土壌の収縮度合いは，記録の対象とした圃場

面の面積（シートの面積）に対する亀裂部の面積のPとAは，亀裂部の全周長と全面積をそれぞれ表

Ratio）」をその指標とした．

す．CPは円を最も単純な基準形状（CPニ1）とし，亀裂の形状特性は，以下に示す4っのr形状特性値」

形状が円から遠ざかり複雑になるほど値が大きくなにより定量化した，その特徴を表3にまとめた．

る．

割合「齪（cmck

Areal1）亀裂の平均的な幅（E励3）条に直交する亀裂間隔（CS）

亀裂の平均幅は次式で定義されるEr（Equivalent

条に直交する方向に伸びる亀裂の間隔は，画像上に描かれた条に平行な直線と交差する亀裂の本数にWidth）を用いて評価した．

ab

ポリゴン化された亀裂画像

図2

亀裂画像の骨格化

方向性評価のための亀裂画像の前処理

c

亀裂画像の分割

18

中央農業総合研究センター研究報告

第2号（2003。3）

基づいて算出した．条間隔が30cmの画像では7本，あわせ，構成ピクセル数（両端は除外）で除すこと

条間隔が60cmの画像では16本の条に平行な線を30により，セグメントの方向値S彦を求める．図4のルピクセル間隔（実画像で2．92cmに相当）で描いた．

ールによるピクセル値の計算は，画像データ（TIFF

実画像の長さ100cmを各線と亀裂との交点の数で除したものの平均をr条に直交する亀裂の間隔：CS（Cr＆ckSpacing）」とした．

4）亀裂の方向性〜亀裂方向指数〜（α）1）
も亀裂の方向性の評価には，さらに複雑な手順を必

（2）

（1）

（3）

要とする．ベクトルデータとして表された亀裂画像
は，領域内部が塗りつぶされたラスターデータ（非圧縮TIFFフォーマットデータ）に変換した．次に，画像処理ソフトウエア（Scion

Image

Bet＆一3b，Scion

Corp．，USA）を用いて，図2−aのような亀裂画像か
（5）

（4）

ら，図2−bのような骨格（Skeleton）を作成すると（6）

ともに，図2−cのように亀裂画像を分割した．
水平方向が条の方向（1）骨格セグメントの方向値

骨格の各「枝」に当たる部分をセグメント（segment）と呼び，それぞれに固有の番号を与える．各セグメ
ント（海番目のセグメントとする）に1よその方向に応じて，方向値S彦を与える．この方向値は，セグメントを構成するピクセルの配置に応じて計算する．

（7）

図4

ピクセルの値を決めるための規則

注）（1）黒の近傍の数が3っ以上の時には，中央のピクセルは接続点とみ置関係によって，「0（縦配置）」，r50（斜配置）」，なし，セグメントの方向値の計算から除外する．
（2）黒の近傍の数が1っ以下の時には，中央のピクセルはセグメントの端あるいは孤立点と見なし，セグメントの方向値の計算から除r100（横配置）ゴおよびr計算対象外」の4通りの値（3）（4）2っの近傍のうちいずれかが第1あるいは第5近傍の時には，各ピクセルには，図3に示すような8近傍との位（属性）を図4に示されたルールによって個々に与える。すなわち，ある点におけるセグメントの方向を各ピクセルの値（視覚的には一般に色として認識外する．
中央のピクセルに「100」を与える．
（5〉2っの近傍が共に斜めの方向に位置するときには，中央のピクセ

ルにr50」を与える．
（6〉（7）2っの近傍のうちいずれかが第3あるいは第7近傍の時には，中央のピクセルにrO」を与える．

できる）として割り当てる．各セグメントを構成するすべてのピクセル（両端は除外）のr値」を足し

100

50

S1＝83．350

100

S2＝75．0（50＋100）÷2＝75．0（50＋100＋100〉÷3＝833

1000

接続部は計算から除外↑

S3＝0．0（0＋｛））÷2＝0．00セグメントの端は計算

から除外

図3

ピクセルの8近傍

注）中央のピクセルに隣接する8っのピクセルをr第n近傍（n＝1〜8）」

と呼ぶ

図5

→

ピクセル・セグメントの方向値の計算例

注）水平（横）方向が水稲の条の方向．枠内の数字がピクセルの方向値（隣接点との位置関係により決定），枠外のSL〜S3がセグメントの方
向値．

19

吉田修一郎：粘土質水田における亀裂形成メカニズムに関する研究

フォーマット）をテキストデータとしてエキスポー

4、実験・解析結果と考察トした上で，自作のプログラムによって行った．ま1）亀裂形状の変化と特性値の対応

た，各ピクセル値の合計およびピクセルの計数は，

図6は，1998年9月に条間隔60cmの試験区にお画像処理ソフトウエア（Scion

Image

Beta−3b，Scion

いて石膏で埋められた亀裂の形状を記録したものでCorp．，USA）を用いて行った．

ある．真上から見た亀裂の深さごとの形状を示して計算の一例を図5に示した．この例では，3つのセグメントから亀裂が構成され，縦方向のセグメンいる．下層に向かって，亀裂の幅は漸減するものの，表面の形状パターンは，深さ10cmまで，おおむ

トの方向値は小さく，横方向のセグメントの方向値は大きく計算されることを示している．実際の亀裂形状への適用においては，水稲の条の方向を画像の地表面

ノ

横方向と一致させた．すなわち，条に平行な直線の方向が100，条に垂直な直線の方向が0として評価される．

（2）亀裂ポリゴンの領域分割

図2−cのようなポリゴンの分割は，自作のプログ
ラムを用いて行った．このプログラムは，ポリゴン）を分割するための直線を自動的に形成するためのものである．前述の骨格の交点（セグメントの始点）を通り，ポリゴンの外周までの距離が極小になる方

地表面から

5cm

向を22．5。間隔で3本選び出し，直線を形成する。

得られた直線を元のポリゴンから減ずる（ピクセル値の減算）ことで，分割されたポリゴンを作成することが可能である．分割された各領域には対応するセグメントの番号を割り当てた．切り離された各領域の面積は，画像処理ソフトウエア（Scion
Beta−3b，Scion

Image

地表面から

10cm

Corp．，USA）を用いて計算した．

（3）亀裂方向指数α）1の定義

水稲の条の方向を基準にした亀裂の方向性は次式
で示すα）1（Crackn

Directional

Index）を用いて

、

評価する．

c別一［恥］／写4

［9］

地表面から

15cm

Sたと、4たは，（1）および（2）で述べた彦番目のセグメン

トの「方向値」，および対応するた一番目の領域の面積をそれぞれ表す．このような計算によって得られるα）11よセグメントの方向値と同様，0と100の間ノの値をとる．定義から明らかなように，α刀は，亀裂の面積で重み付けされた亀裂の方向性を示す指標であり，値が大きいほど，条に平行な亀裂が，面積100cm

水稲の条の方向

的に卓越していることを表す。α）1が50の時には，亀裂が等方的に発達していることを示す．

図6

深度ごとの亀裂形状パターン

注）各深度における水平面上の亀裂形状パターン

20

中央農業総合研究センター研究報告

第2号（2003，3）

ね保たれている．代かきは，深さ12cm付近まで行われており，15cm深は，作土直下の耕盤層に当た排水に対し大きな役割を持っていると考えられる．

る．亀裂は耕盤に達すると，部分的に枝分かれし，

変化の一例をその形状特性値と共に示したものであ

幅が狭くなることがわかる．また，耕盤以深では，る．図7に示した亀裂は，条に沿った直線から始ま条と平行した直線状の亀裂だけがその連続性を維持り，後に条に直交するr枝」を伸ばしていったものしている．よって，条間の主要な線状亀裂は，地下である．一方，図8に示した亀裂は，最初から方向

図7および図8は，地表面における亀裂形状の性のない散逸したパターンである．各形状特性値
100cm

8月19日

条の方向

は，亀裂形状の違いや変化を適切に反映している．

憂ヌ

ド

図7（例1）および図8（例2）に示した亀裂に関す

オるα）1およびE四の変化を図9に示した．α辺よ例

ノ監ノ〜＝0．027；の1＝86．0；

E四＝0．72cm

CP＝79．4

1では，亀裂面積の拡大とともに減少しているのに

ハヘ、〜

対し，例2では最初から小さな値で変化がない．一1、方，Erはどちらのケースでも，亀裂面積の拡大に

、

8月23日

、ノF

ノ

、

漸〜＝0．054；C：1）1雷76．0；

E昭＝1．02cm

C監79．5伴い増加している．このことから，乾燥収縮の進行
度は，亀裂の形状特性値に共変量的な影響を及ぼすことがわかる．そのため，亀裂形状を比較するためには，乾燥収縮程度の影響を取り除く必要がある．

／

9月6日

／

濯〜＝＝0．0771CD1＝67．4；

CP＝95．24100i

E四＝1．11cm

、1 『

90

3．5

80

3

＼

避

9月10日
躍〜＝0、119；Cヱ）1＝66．9；

E四＝1．54cm

C距77．5

／

へ
e60

毒

2．5

70

曾＋CDl（例1）

6辺■

2ζ…▲

▲・・一

▲ノρ
▲

50
図7

L5

CDI（例2）

薗＋EW

（例1）

一△一EW（例2）．・r△

亀裂形状パターンとその特性値の変化（例1）140（代かき9回，蒸散有り，条間隔60cm）
亙躍

30
100cm

条の方向

20

0

0

8月23日
齪＝0．027；（辺ノ…ニ54．3；

E照＝0．672cm

CP＝94．1

0．5

液与｛

0．05

0．1

0．15

亀裂面積率オR＼

図9

亀裂面積率の増加に伴う亀裂形状特性値CD1（左軸）およびE四（右軸）の変化

注）例1は図7の亀裂，例2は図8の亀裂に対応する．

9月6日
駅＝0，056；CD1＝57．81
E甲＝0．96cm

CP＝92．3

そこで，本論では，一定の亀裂面積率駅に対応す

憲・る各形状特性値の補間値を解析の対象とした．補問のための亀裂面積率齪は0．08を用いた．この値は，㌔

期問中でも許容される乾燥程度として選択した．補

」や㌔

9月10且
盈＝0．133；C：Z》1ニ52．9；

E彫＝1．23cm

亀裂の発達が中程度の時の面積率であり，水稲栽培♂

間は，線形補間によった．補間のためのデータは，

1

C蹉136．1、凶＼、く〜ノ、
図8

亀裂形状パターンとその特性値の変化（例2）（代かき1回，蒸散無し，条間隔60cm）

亀裂面積率が0．08の時の形状特性値が内挿によって推定されるようなデータの組を原則としたが，一部わずかに外挿となったものもあった．

表4は（■以E四CR

CSを各試験区の実験条件

21

吉田修一郎：粘土質水田における亀裂形成メカニズムに関する研究

表4

各試験区における亀裂形状パターンの特性値
1999年9月10日の実測値2）

区

1
2
3
41）

5
6
7
8
9
10
11

12
13
14
15

16

条間隔蒸散 代かき
30cm
30cm
30cm
30cm
30cm
30cm
30cm
30cm
60cm
60cm
60cm
60cm
60cm
60cm
60cm
60cm

膿

α）1

強度

E障
（cm）

CP

齪＝0．08の時の補間値2）

CS

α）1

（cm）

E曜

c：P

CS
（cm）

（cm）

有

弱（1）

0．101

55，58

0．84

113．69

14．87

54．41

0．74

101．91

有

中（3）

0．138

67．09

1．54

44．79

14．78

66．90

0．89

80．68

有

中（3）

0．141

59．20

1．29

65．46

17．08

6L79

0．91

有

強（9）

ND

M）

ND

無

弱（1）

O．097

51．20

O．85

無

中（3）

0．131

55．23

無

中（3）

0．104

60．93

無

強（9）

0．123

有

弱（1）

有

中（3）

76．76

21。71
19．11

20．25

ND

ND

66．91

0．80

87．84

22．31

105．85

14．94

50．92

0．78

100。51

15．85

1．06

88．79

18．63

52．23

0。78

101．17

16．55

1．07

70．13

13．54

61。68

0．93

67。74

20．73

60．76

1．15

73．73

13．51

59．94

0．86

82。36

ig．10

0．106

59．69

1．12

126．83

18．72

60．92

0．94

140．17

18．66

0，112

62，46

1，52

76．60

24．30

66．67

1．26

74．59

26．65

有

中（3）

0．106

62．41

1．72

55．67

20．92

64．02

1．44

60．31

26．97

有

強（9）

0．125

67．32

1．68

68．29

33，39

70．60

1．28

77．34

31．11

28．63

無

弱（1）

0．138

50．24

1．24

137．44

29，72

51．91

1．00

115．00

無

中（3）

0。077

52。33

1．20

79．65

17．53

53．08

1．31

75．54

18．69

無

中（3）

0．079

62．55

1。54

51．13

18。47

61．94

1．55

51．64

26．91

無

強（9）

0．137

52．57

1．45

103．34

28．58

57．27

1．06

108．5032．74

注1）第4区は欠測のため，多変量解析手法（数量化一類）を用いて統計的に推定．
2）1試験区当たり2ヵ所（異なる条間）の平均値を各試験区のデータとした．

とともにまとめたものである．試験区4のデータの他に，1999年9月10日の実測値も示した．圃場

は欠測であったが，分散分析を行う上で不可欠なた内の位置や蒸散の有無により，乾燥程度が違うた

め，数量化理論一類を用いて推定した．そのため，

め，一定の基準のもとでの比較はできないが，9月

全体の自由度は15から14に減少したが，解析上の問10日の実測値は，乾燥が進み形状がおおむね落ち着

題はない．表4には，分散分析の対象とした補間値

いた段階の亀裂の状況を表していると考えられる，

表5
要

要因効果D

因

A：代かき強度

B：条間隔
C：蒸散

CD1に関する分散分析表

弱（1）一5．53b

中（3）
0．96

ab

30cm

60cm

（一〇，73）（0．73）

有り

無し

3．95

一3．95

誤差
全体

df2）

SS3）

2

181．96

1

8．46

F5）

ρ（％）6）

90，99

6．82＊

27．1

8．46

0．63

0．0

18。75＊＊

41．3

S24）

強（9）
3．61

a

平均＝60．07

1

250．03250．0310133．3413．34

14573．8031．7
100．0

注1）各処理によってもたらされた全体平均からの偏差を表す，アルファベットはScheffeの法による多重比較の結果を示したもので，異なる文字は5％の水準で有意差があることを示す、
2）自由度 3）平方和
4）分散
5）分散比；＊と＊＊は5％，11％の有意水準を示す，
6）要因の寄与率，

表6
要因効果1）（cm）

要因

弱（1）
A：代かき強度
一〇．169b30cm
B：条間隔
一〇．197

C：蒸散

誤差
全体

EWに関する分散分析表

中（3）

強（9）

0．102

−0．035

a

ab

df2）

SS3）

S24）

F5）

ρ（％）6）

2

0．202

0．101

6．64＊

20，8

1

0。618

0．618

40．53＊＊

63．5

0．00

60cm
0．197

有り

無し

（0．000）（一〇．000）

平均＝1．033

1

0．000

0．000

10

0，153

0．015

14

0．973

0．0

15．7
100．0

注1）各処理によってもたらされた全体平均からの偏差を表す、アルファベットはScheffeの法による多重比較の結果を示したもので，異なる文字は5％の水準で有意差があることを示す，
2）自由度 3）平方和
4）分散
5）分散比；＊と＊＊は5％，1％の有意水準を示す．
6）要因の寄与率，

22

中央農業総合研究センター研究報告

表7
要CPに関する分散分析表
df2）

要因効果1）因弱（1）A：代かき強度中（3）26．77a一14．07

有り

誤差
全体

SS3）

S24）

F5）

ρ（％）6）

強、（9）
b

1．38

ab

30cm
60cm
Bl条間隔 （一〇．26）（0．26）
C：蒸散 （一〇．18）

第2号（2003．3）

無し

24458．72229．4

1

1。1

1．1

0．00

0，5

0．5

0．00

3091．6309．2

1（0．18）

10

平均＝87．63

三4

7．21＊

50．9

0．0

0．0

49．1
100．0

7551．9

注1）各処理によってもたらされた全体平均からの偏差を表す．アルファベットは＄cheffeの法による多重比較の結果を示したもので、異なる文字は5％の水準で有意差があることを示す．
2）自由度 3）平方和
4）分散
5）分散比；＊は5％の有意水準を示す・
6）要因の寄与率、

表8
要

CSに関する分散分析表

要因効果1）（cm）

因

弱（1）

中（3）

強（9）

A：代かき強度（一1，66） （一〇．89） （3．44）
30cm
60cm
B：条問隔
一3．42
3．42

C：蒸散

誤差
全体

有り
（0．47）

無し（一〇．47）平均＝22．87

df2）

SS3）

S24）

F5）

ρ（％）6）

2

64．70

32．35

2．07

15．7

1

187．45187．4512．01＊＊

0．23

1

3．59

3．59

10

156．1115，61

14411．85

45，5

0．9

37．9
100。0

注1）各処理によってもたらされた全体平均からの偏差を表す．
2）自由度 3）平方和
4）分散
5）分散比1＊＊は1％の有意水準を示す．
6）要因の寄与率，

2）形状特性値に関する分散分析

は，平均で19．5cmから26．3cmの間を変動する．

表5にC：P1に関する分散分析表を示した，α）1になお，全ての分散分析で，交互作用を分析したが，対しては，代かき強度と蒸散の有無が，有意な要因

いずれも極めて低い寄与率であったため誤差項にプである．特に蒸散の影響が強く，その寄与率はーリング（pooling）した．表5から表8は，いずれ41．3％と高い．代かき強度と蒸散の有無によりα）1の値は平均で51から68の間を変動する．亀裂形状

も交互作用を誤差項にプーリングした後の分散分析・表である．

パターンの方向性の違いが，視覚的にも十分に認め

3）亀裂形状に対する各要因の効果られる変動幅である．

（1）蒸散の影響

水稲の蒸散は，α）1には有意に作用していたが，表6にE四に関する分散分析表を示した．E罪に対しては，代かき強度と条間隔が，有意な要因であE以CRる．特に，条間隔の影響は強く，寄与率は63．5％と蒸散はα）1の値を著しく増加させた．すなわち，条極めて高い．代かき強度と条間隔によりE確の値に沿った亀裂を誘起する働きがあった．この結果かは，平均で0．7から1．3cmの間を変動する．亀裂幅のら，蒸散量の少ない移植直後や収穫直前に圃場を乾

違いが，視覚的にも十分に認められる変動幅であ燥させた場合には，蒸散の影響は小さくなり，亀裂る．

形状パターンは等方的になることが推測される．

CSに対しては，影響が認められなかった．

表7にCPに関する分散分析表を示した．CPに対

図10は，水稲条間における条に直交する水平方

しては，代かき強度のみが，有意な要因である．そ向の土壌水サクション分布である．蒸散がある試験の寄与率は50．9％と高い．代かき強度により，CPの区では，条の近傍から土壌水サクションが増加し始値は，平均で73．6から114．4の間を変動する．

め，中央がくぼんだ凹型の分布が形成される（図10

表8にCSに関する分散分析表を示した，CSに対−a）．一方，蒸散がない試験区では，条問全体が蒸しては，条間隔のみが，有意な要因である．その寄発により一様に乾燥し，土壌水サクション分布は平与率は45．5％と高い．条間隔の違いにより，CSの値

らなものとなる（図10−b）．このような土壌水サク

吉田修一郎1粘土質水田における亀裂形成メカニズムに関する研究

23

ション分布の違いが条問の応力分布に影響を及ぼ

伴うCSの増加に関係する．条間隔の増加がCSに影し，その結果として亀裂形状パターンの違いを生み響する理由は不明であるが，少なくとも条に垂直な出していると推測される．この点にっいては，次章

亀裂の数が減少すれば，結果としてそれらの平均的な幅は大きくなり，E四は増加することは明らかでで詳細に検証する．

一方，蒸散がE以α⊃，CSに対し影響を全く与えある．

ていない点も重要である．蒸散は，条間の応力分布

蒸散の主効果や蒸散と条間隔の交互作用がE四やに影響を与えていることが示唆された．しかし，そCSに全く影響を及ぼしていないことから，条間隔の影響をE玖CE

CSが受けていないという事実によるこのような影響は，根系による土壌の固定作

は，これらの特性が応力分布に依存したものではな

用に起因するものであると考えられる．水稲条間にく，むしろ土壌の強度分布やその不均一性に依存しおいて，根系は規則的な疎密パターンを形成していていることを示唆している．

る．図11は，条からの距離と表層0−2．5cmの根密度との関係の一例を示したものである．条からの距

20

a

欝

離が遠ざかるにっれ，根密度は大幅に減少し，条間山

隔60cmの中央付近では，条近傍の20％程度しか根

ぎ15
λ
ゆ

・・『一◆一・199919／46；00

議10
へ−1999！91412300

か穀・一△一199919156；00−4一一1999沙166300

囲5

十2000

引

9

612：00が含まれない．そのため，根による土壌の固定作用

は，条間中央で明らかに弱くなっている．また，主要な根は，株もとから放射状に伸びていると考えられるため，補強作用には方向性があると考えられ

0
条

r20cm

・10cm

中央

位

置

10c皿

20cm

条

る。

図12は，条間における根による土壌の固定作用を20

模式的に示したものである．株もとを中心とした放b

邸

射方向は，根の向きと平行になるため，同心円の周

山
図

）15
λ

に沿った方向の力に対しては補強作用を示さない，

ハあ＋一199919

46300

わ
穀

一■・一1999／9

412二〇〇

一一合一一1999／9〆56言00

聾5…o−199919κ6300

へ10

旧しかし，放射方向の応力に対しては，多くの根が反発するため，強い補強作用を持っていると考えられる．その結果，稲株を中心とした円の周に沿う方向

0
条

。20c皿

一100皿

中央

10c皿

20c皿

条

位置
図io水稲条間における土壌水サクションの変化
al蒸散有り，b：蒸散無し（2）条間隔の影響の亀裂は，条間中央の根の密度が低いところや，株間に発生しやすい．一方，条に垂直な方向の応力は，条間中央に形成される亀裂により解放されるため，稲株を中心とした円の半径方向の亀裂は，株元を始点とし，条に直交する方向に形成されやすい．

条問隔はE四とCSに有意な影響を及ぼしている．

また，稲の根系は，乾燥による水平方向の移動が少しかし，α）1とCPに対しては，有意な影響は認めらない下層にも達しており，これらは稲体の位置を固れない．E四とCSは，条間隔を30cmから60cmに拡定するアンカーとして機能していると考えられる．

大することにより増加する．このことは，条間隔のそのため，代かき層で土壌の水平方向の移動が起こ

拡大により，破壊が特定の箇所に集中することを示っても，稲の条の位置は圃場の絶対的な座標に対ししている．

ほとんど移動しない．仮に，軟弱な代かき層の表面

条間隔の拡大により，亀裂の平均的な幅の指標でだけに根が張っていたら，表層土壌の移動により稲あるE四が増加する理由の一っは，条に沿った主要体が移動し，必ずしも全ての条間に同程度の亀裂がな直線状の亀裂の幅が，条間の拡大により広がるこ

平均的に発生するとは限らない．条間の拡大によとである．すなわち，条に沿って連続する亀裂は，り，いずれの条間においても亀裂幅が増大するため

通常一列であるため，条問が広がれば，それに対応には，個々の条に偏りなく亀裂が形成されることがして幅が広がる，理由の二っ目は，条間隔の増加に前提となる，この前提は，条の位置が，直下根によ24

中央農業総合研究センター研究報告

第2号（2003．3）1。2形成される亀裂のイメージ

／≡

×

】L

爽・，．

︑︑

0．8
唱

9◆

o

㌧9う．

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o

0。6

目
￡

x

3 O．4

遡
聖
峰

×
0．2

0
0

10

20

30

条からの距離（cm）●

条間隔60cm（実測データ）

一条間隔60cm（平均）× 条間隔30cm（実測データ）
一一一条間隔30cm（平均）図11水稲条間における水稲の根密度（表層0−2．5cm）

り固定されていることにより保証されている．
（3）代かきの影響

図12

根系の方向性による強度の異方性注）各円が稲株，放射状に伸びる線が根を表す．矢印1よその方向の引張応力に対する補強効果が高いことを示す．根系が密な部分では，亀裂は矢印と平行する方向に形成されやすい

代かき強度は，CSを除く全ての形状特性値に有意な効果を持っ要因である。実験方法の項で言及し性値に基づいて定量的に評価した．そのため，実験

たとおり，代かき強度は，土壌特性の空間的な分布

要因以外の要因は，全て実験誤差として扱っていと交絡している．特に，r強（9回）区」は，他のる．土性，粘土含量，有機物含量塩類濃度，蒸発区域に比して土性が明らかに粗粒であることが確認

速度などは，亀裂形状パターンに影響を与える要因

されている．そのため，強（9回）区の結果は，土として知られている（4）（66）（94）（95）（135）．本実験で用いた水．性の影響を強く受けている可能性が高いことから，田を，秋期に代かきし，裸地状態で春期まで放置し効果の比較はr軽（1回）区」とr中（3回）区」

たときに発生した亀裂形状パターンを観察すると，のみを対象とする．代かき強度の増加は，α）1およ

場所により著しい変動が見られた．このような変動

びE昭を増加させ，CPを減少させる．すなわち，入は，上に挙げたいくっかの要因の組み合わせにより

念な代かきは，条に沿った幅の広い単純な亀裂形状

自然に形成されたと考えられる．営農的な制御が不パターンを形成する働きがあることが明らかになっ可能な様々な要因は，裸地状態の土壌に形成される

た．

亀裂を考察する上では重要である．しかし，本実験

このような代かき強度による亀裂形状パターンのにより，作物の栽培や営農的な管理は，制御が不能

違いは，収縮特性や土壌物理性，あるいは均一性にな固有の特性を凌ぐ効果を持っていることが確認さ対する代かきの効果が発現したものと考えられる．

れた．ただし，これらの効果の大きさは，土壌の特

代かき強度が土壌の収縮に与える影響にっいては，性や乾燥条件などで変動する．圃場条件や年次条件

第V章で詳細に検討する。

などを超越した一般的な知見を得るためには，個々（4）要因効果の評価の要因の作用メカニズムを解明し，定量的な解析を

ここまでに示してきた圃場試験では，営農的な要
因による亀裂形状パターンの変動の度合いを形状特さらに行う必要がある．

吉田修一郎：粘土質水田における亀裂形成メカニズムに関する研究

5．まとめ
本章では最初に，亀裂形状を定量的に評価するたて各試験区に発生した亀裂形状パターンを定量化し，分散分析を行った結果から，以下の結論を導いめの画像解析的な手法にっいて説明した．ここではた．

特に，水稲が作付けられた圃場における亀裂形状パ

1．

水稲による蒸散は，条に沿った亀裂を増加させターンの特徴を十分に考慮した形状の評価法を提案
し，実際の亀裂形状との対応からその適応性を示しる．
2．

亀裂の間隔が広がる

田に発生する亀裂形状パターンの特徴は，CO1（方向3．

代かき強度の増加は，条に沿った亀裂を増加させ，平均的な亀裂幅を増大させるとともに，亀複雑度），CS（条に垂直な亀裂の間隔）の4っの特性

裂形状パターンを単純化させる．

値によって定量化が可能であることを提示した．

次に，代かき強度，水稲の条間隔，水稲からの蒸水稲の条間隔を30cmから60cmに広げると，平均的な亀裂幅が拡大するとともに，条に垂直なた．そして，水稲が条に沿って植えられた粘土質水性の指標），E確（亀裂の幅の指標），α，（亀裂形状の25

4．

これらの営農的な要因は，亀裂の形成に対し，散の有無の3要因が，亀裂の形状パターン形成に与圃場内での固有の土壌特性のバラツキによる影える影響を評価するため，実験計画法に基づく圃場

響を凌ぐ効果を発揮する．

試験を実施した，前述の亀裂形状の評価手法を用い

IV

水稲条間に発生する線状亀裂の特質

第皿章では，粘土質水田における亀裂形状パター

2．2次元非線形弾性圧密理論を用いた収縮挙動の数値モデル

ンが水稲からの蒸散の有無により影響を受けること

作物の畦間における，水分移動とそれに伴う亀裂を示した．条に植えられた水稲からの蒸散は，条にの形成に着目した研究としては，Nieber（87）が挙げら平行する直線状の亀裂を条中央に誘起した。しかし，蒸散が行われていない場合には，根が土中に残れる．Nieber（87）は，乾燥に伴う畦間の引張応力の増加を，リチャーズ式と全応力のっりあい式を組み存していても，条間の亀裂は，条とは平行にはなら合わせることにより解析した．彼は水移動に対しず，屈曲した形状になる．このことから，根によるて，固相の移動を無視した非膨潤土を仮定した定式

土壌の力学的な拘束のみならず，蒸散による土壌水化を行った．また，応力の計算は，不飽和水分移動

サクション分布が，条間に特有の応力分布を形成の解析結果によって得られる体積含水率の減少に1．はじめにし，その結果，直線状の亀裂が，条間に形成される

基づき，水分膨張係数（Moistureexp＆nsion

ものと推測された，

coef￡icient）というパラメータを介して計算した．

本章では，このような仮説をさらに物理的な解析

近似的な手法ではあるものの，畦間全体に引張応力により証明するため，水稲条問を模した室内モデルが生じ，特に中央部に集中することが示されてい実験を行い，亀裂の発生を実験的に確認する．さらる．ただし，全応力が中央に集中することを示したに，水稲の条間における根系からの水分吸収のように過ぎず，土壌水サクションの引張に抗する効果をに，土壌水分が左右二方向から引き出される条件下区別して評価していない．そのため，亀裂が畦問中における土壌水サクションの変化と，それに伴う有央に発生することの必然性を力学的に証明している

効応力の変化を，連成的に解析する数値モデルを構とは言えない，築し，条間の応力分布を推定する．モデルの適用性

ここに提起するモデルは，収縮挙動を圧密挙動とは，室内モデル実験結果との比較により検証する．

みなし，土と水に関する支配方程式を個別に組み立さらに，本数値モデルを用いて，蒸散速度，条間隔，て，有効応力仮説のもとにこれらを連成的に解析す

代かき層の厚さと線状亀裂の発生位置との関わりにるものである．代かきが行われた水田における亀裂

っいて解析する．

の発生は，高水分のペースト状態からの脱水挙動である．亀裂が発生するまでの土壌は，飽和状態を維26

中央農業総合研究センター研究報告

第2号（2003．3）

持する．そこで，このモデルでは，r飽和連続体」の減少量に一致することを表している．これらの基を前提とし，不飽和状態や，亀裂が発生した後の挙礎方程式に課せられる4種の境界条件は次式のよ動は対象としない．

うに与えられる．

1）2次元弾性圧密理論と有限要素法のための定式化

＠一勲．、瓦一」・n島［・2］

第1章で概観したとおり，高水分粘土質土壌の収縮挙動は，土壌水サクションによる圧密とみなすことができる．テルツアギの飽和土に関する有効応力原理は，問隙水圧が負圧であ っても，封入不飽和（大気から孤立した空気のみが存在する不飽和状態）状

麗二％ ご onI「 μ一た〔努・棚一帆

［13］

［14］

態までならば成立する（60）．そのため，気相の増加が無視できる正規収縮段階にあれば，飽和土の圧密理論を収縮現象に適用することが可能である，ここでPw＝』戸w

on

rρ

［15］

は，亀裂が発生するまでの飽和高水分粘性土の収縮挙動を対象とした数値モデルを構築する．

ここで，％は変位ベクトル，％は境界における外向

多次元圧密解析のための基礎方程式として広く利きの単位法線ベクトルである．各式右辺の万，瓦用されているBiotの圧密方程式（5）は，2次元では

互伽は，それぞれ境界値を表し，Fσ，D，聡 D
は，それぞれ，応力境界，変位境界，フラックス境［10］式および［11］式で表される．

δ島一δび力幻＝o［10］

ら一〔た隔〕〕、嵐・界，水圧境界を表す．

以下に示す有限要素法への定式化は，市川（45），
LewisandSchrefler（65）1こ従って進めた．ここでは主要な部分のみを示す。支配方程式［10］および［11］と自然境界条件（natural［10］式中のσ，p勘

δは，それぞれ，有効応力テンソル，間隙水圧，クロネッカーのデルタを表す．

また，［11］式中のε，々，んWは，それぞれ，ひずみテンソル，飽和透水係数，水の単位体積重量，
重力方向の単位ベクトルを表す．以降，添え字は，
1または2をとり，空問変数は，水平方向をκ1，鉛直

boundary

conditions）［12］および［14］から，これらと等価な以下の積分形の方程式（弱形式）が得られる．

￡粥グ4v一膳ζ距4v｛幡一〇［・6］

榊・殿編・申＋島4η

方向を％2とする，式の記述を簡素化するために，ア［17コ

インシュタインの総和規約が状況に応じて適用される．また，添え字に含まれるコンマは，空問撮こ関・

ここで，ζ，，ηは重み関数である．Ωは解析領

する微分を表す．変数の上のドットは，時間微分を域を表し，伽およびゐは，面積積分要素，線積分要表す．そのため，［11］式のε∫fはひずみの対角成分の素をそれぞれ表す．空間差分化は，［18］および

和（ε・・＋ε22），すなわち体積ひずみの時間微分を表［19］式で与えられる有限要素内の補間を［16］式

し，右辺は∫＝1，2としたときの微分和を意味する．

および［17］式に導入することによって実現する。

また，固相に対しては引張を正とし，水圧にっいては圧縮を正としている．なお，・土の湿潤密度の変化，水および土粒子の圧縮性は，無視している．

π＝帆｝T＠［18］

P．＝御．陶［19］［10コ式は，増分形の応力の釣り合い式に飽和土の有効応力原理を導入したものである．また，［11］式

ここで，隔と錦は形状関数，UとPは接点におけは，水の連続式にダルシー則を導入したものである変位および水圧の値である．中括弧は縦ベクト

る．単位時問あたりの土骨格の体積ひずみが，水分ル，Tは行列の転置を表す』ハ傷，轟，αPの成分数

27

吉田修一郎：粘土質水田における亀裂形成メカニズムに関する研究を避けるため，θ一10gρ関係に対しては，は，採用する要素の接点数に一致する．

なお，重み関数には，これらの形状関数を用いる（ガラーキン法）．

［23］式のような2次曲線への回帰を行った．

ε一αIG・91。ρ）2栩21・91。P権3［23］微小ひずみを仮定した場合，ひずみテンソルと応力テンソルは，変位ベクトルと以下のように関連づ

ここで，の，α2，σ3は回帰パラメータ，ヵは平均主応力である．体積弾性係数（bulk

けられる．
＿

ε

グ

問隙比εおよび平均主応力ヵと次のように関係づけ％，ノ ＋舜ノ，一

modulus）κyは

［20］

2

られる．

1＋βo

［21］

6ヴ7＝Pヴえん＆＝一〔凶鎧誰割［24］

ひずみテンソルおよび応力テンソルを関連づける
係数Z）は，一般的にはひずみおよび応力の各添え字

ここで，θoは初期間隙比である，［23］式と［24］式に対応する4っの添え字を伴う［21］式のようなテから体積弾性係数は，θおよびρを用いて次式のよ

ンソルで表される．しかし，ひずみおよび応力のうに計算される．

個々の成分は独立ではなく，また等方性なども加味
すると，独立な成分は限られてくる．時問にっいて一P（1柁。）［25］

邸二・細3伽11。91，P＋α、）

陰的な差分を行うと，最終的な代数方程式は：
平面ひずみ条件において，［21］式に現れる弾性係

lJ△乱凱
一［

数マトリックスDは：

幽L｛多L・親［22］

ここでKは剛性マトリックス（stiffness

は連成マトリックス（coupling
トリックス（permeability
トル（10admatrix），C

matrix），Eは透水マ

matrix），∫％は荷重ベク

vector），∫ρは流量ベクトル（且owvector），と表される．ここで，レはポアソン比（Poisson
ratio）である．マトリックスDは，各数値積分点において〔25］式および［26］式を用いて計算する．

一方，飽和透水係数の対数値は通常，間隙比（もdescretizαtion￡actor）でしくは体積比）の減少に伴い線形的に低下すある。次節で述べるが，弾性係数と透水係数は，問る（76×122）．ここでは，次のような最も単純な関係を

隙比の減少に伴い変化する．そのため，［22］式は非用いることにする．

θは時間差分係数（time線形となるため，時間ステップ毎の増分計算と，時刻銘＋θにおける各マトリックスを計算するための各時間ステップ内での反復計算を必要とする．

109た＝わ1ε＋わ2［27］

ここで，あとわ2は，回帰係数である．

2）非線形弾性パラメータと透水係数パラメ

ータの導入
通常，平均主応力の対数と間隙比の間には直線関係（6−10gρ関係）が認められ，その傾きは圧縮指数、3．室内モデル実験による現象の再現と数値モデルの適用性の検証
室内モデル実験により，水稲からの蒸散に伴う2（C6）と呼ばれている．しかし，今回のモデルで取り方向からの水移動による亀裂の発生を室内で再現扱う応力範囲には，極めて低い拘束圧域が含まれし，その性質を明らかにするとともに，前述の数値

る．直線的な6−10gヵ関係を与えた場合，収縮初期のモデルに基づいた実験の数値シミュレーションを行

低い応力に見合う間隙比は無限大に発散する．これい，モデルの適用性を確認した．

28

中央農業総合研究センター研究報告

第2号（2003．3）

表9

12cm
ポーラスカップ

数値計算のためのパラメータ

弾性パラメータ

圧力変換器へα耳

一〇．0511α2α3−0．1800レ

0．3500L6330

透水性パラメータ
1．6754

δ1
δ2−8．9606

㌧

時間係数

θ

図13

0．6666プを深さ1cmまで挿入し，土壌水サクションの経時

亀裂誘起実験装置

変化を測定した．なお，亀裂形状の記録のため，セ1）室内モデル実験の方法

ンサーを取り付けない実験も併せて行った．

実験装置を図13に示した．アクリル製の試料容器（長さ12cm，奥行き20cm，高さ6cm）に良く練2）数値シミュレーションの方法（1）有限要素分割および境界条件

り返したペースト状の粘質土を充填した。試料とし

前節の室内モデル実験に対応する数値シミュレーて用いた土壌は，第皿章の試験圃場において採取しションは，図14に示したような2次元の有限要素をた作土を風乾し，420μのふるいを通したものであ用いて行った．計算領域は左右対称であるため，左る．なお，実験に供した風乾土の液性限界は64％，

側半分のみにっいて計算を行った．下端の境界条件

塑性限界は33％であった．風乾土750gに対し，蒸は，鉛直変位，水平変位ともにゼロとした、土壌の留水440gを加え，へらで10分練り返した後，4時透水係数に対し，フィルターの透水係数が同程度に問放置したものを気泡が入らないよう注意しながら小さいため，フィルターも計算領域に含んだ．フィ

容器に充填した．充填試料の高さは2．8cm，初期間

ルタマ部分の弾性係数（固定値）は，その変形が無隙比は1．76，初期含水比は65％であった．試料の両視できるよう，極めて大きな数値を与えた．そのた端は厚さ7．2mm，飽和透水係数が8．0×10−8cmlsのめ，左端での試料の鉛直方向の変位は実質ゼロとな

セラミックフィルターに接しており，その外側にっている．形状関数には，変位に対しては9接点ア

は，水頭差により一10kPaの負圧が負荷される．試

イソパラメトリック要素，間隙水圧に対しては4接料の表面は，透明のカバーで蓋をし，蒸発による水点アイソパラメトリック要素，すなわちスーパーパ

分の損失を防いだ．充填後15時間経過した後，フィ

ラメトリック要素を用いた．計算に用いたパラメー

ルター外側のコックを開け，左右両側から排水させ

タを表9に示した．

た．排水量は，電子天秤を用いて経時的に測定し（2）非線形弾性パラメータ

た。また，試料表面左端か．ら1．5cm，3．Ocm，4．5

・［23］式で定義される弾性パラメータの〜α3は，吸cm，7，5cm，9，0cm，10．5cmの位置にポてラスカッ

引法（54）（82）によって測定した．この方法は，低サクシ

σx＝0ラσア＝0，9＝0

砺＝o・㍑ア＝o・勢央
祝xニo・σア＝o，

9＝0

Pw＝Pw

↑

窄⑰ア＝吻＝oフィルタ
図14

数値計算に用いた有限要素メッシュおよび境界条件

29

吉田修一郎：粘土質水田における亀裂形成メカニズムに関する研究

ヨン領域での土壌の保水性を測定する方法として広ある．なお，極低応力状態での計算の安定性を確保く行われている．本法をペースト状の粘質土に適用するため，平均主応力が0．1kPa以下の場合には，平した場合，含水量の減少に伴い，試料の飽和度は低均主応力を0．1kPaとして計算した．
（3）透水係数パラメータ

下せず，体積の減少が起こる．そのため，サタショ

ンによる圧密を行っていることと等価であり，間隙［27］式で定義される透水係数パラメータδ1，わ2は，比と等方圧縮応力との関係（6−10gρ関係）を容易に

浸透圧密試験によって決定した．実験は今井・鶴

測定することが可能である．ここでは，シミュレー

谷（47）を参考にして，内径50mm厚さ1cmのアクリル

ションの対象とする実験条件を考慮して，10cmH：20

円筒を積み重ねた高さ12cmのカラムに実験で用い（一〇．98kPa）から80cmH20（一7．8kPa）までの吸引た試料と同一の練り返し試料を充填し，上端に5cm

圧を内径60mm，厚さ20mmの試料に一回で与え，の湛水，下端にはフィルターを介して40cmH20

24時間後の含水比を測定した．

（3．9kP＆）の負圧を与えた．この水頭差により試料

図15はこの実験によって得られた6−10gρ曲線でに水を浸透させた．下方への水の移動に伴い，充填された試料は徐々に圧密される．下方からの排水量を電子天秤で測定し，、その変化が見られなくなった1．8
旨ところ（1週間放置）で，側面からポーラスカップ
1．7を挿入し，試料内の水圧分布を計測した．その後，カラムを分解し，各層の間隙比を測定し，透水係数L6と間隙比の関係を求めた．
齪

図16は本測定によって得られた間隙比と飽和透趣1．5誕

水係数との関係である．この関係は，おおむね直線
1．4で近似できたため，この回帰係数を本試料の透水係

θ＝一〇．0511（1・9P）2−0．18001・9ρ＋L6330

13

数パラメータとした．

R2ニ0．9871

13）実験結果および計算結果

11．2（1）土壌水サクション分布および排水量の変化
一1．5

−1

−0．5

0

0．5

1

1．5

図17には，土壌水サクション分布の実測値と計算

サクション（kPa）の常用対数値

6

図15試料の6−10gρ関係注）初期間隙比をサクション0．1kPa（よogヵ；一1）の時の値としてプロッ

5

トした．

計算値

吃隻．

一1h

一5．95

亀

●

起
ゆ

一一一一2

富4

A3

一6

＆

ゆ

浬一6。05

へ

懸

ε

網1

〆

耀父、・． ら十文・、、

無一62

一

迷

覧◎、
、魅。

煮．6．25

Iogた＝1。6754ε一8．9606

鰻

0

ノ

灘

、籔

ノ

1夕

、一6．15

煮

ノ汐

争2

……

辮

夕︐

e

富

懸
騰国
︑亀

お

無
亥一6．IL

滞

3
㌧一一4

、し、
．

≡・

・…

実測値
1h

●

○
▲

△
■

◆

溜

◇

1．5

×

一1

脚6．35

十

L6

1．7

1．8

間隙比θ
図16

−10
一一一一12［コ

R2＝0．9916

ロ
聴 一6．3

−5
一一一6
−7
一一一8

試料の間隙比と飽和透水係数の関係（回og彦）

1．9

左側のフィルターからの距離（c切

図17土壌水サクション分布の経時変化

2
3
4
5

6
7
8

10

12

中央農業総合研究センター研究報告30

第2号（2003．3）

50値を示した．時間および位置に関わらず，計算値は実測値と良く一致した．土壌水サクションは，時間40の経過に伴い両側のフィルターに近い部分から増加

目
ε・30

し，その増加位置は徐々にフィルター中央に向かっ●咽煮ていった．このような土壌水サクションの増加が始●砥樫

る．サクション増加前線が通過した領域では，徐々10に土壌水サクションが増加し，全体として中央がへ0

こんだ凹型の分布が形成された．サクション増加前

0線は，フィルターから3cmまで到達するのに120分，

200

400

までには，6時間程度を費やした．

図18には両側のフィルターからの積算排水量の●実測値（テンシオメータ無し）

O

実測値（テンシオメータ有り）

・・実測値平均

一計算値

和の実測値と計算値を示した．計算値は実測値よりわずかに小さな値となっているが，十分現象を再現

図18積算排水量の実測値および計算値

1h
I

lく

N

l

l

2h

1〜

／

d
lバ！
ド1、l1
〜

L

／1

亀4h
モ

㌧・、
』1

、、帽l

v

5h

［1

l

l㌧

l

l

l

紀州

／・輯（

』、糟

＼へ
1冒
1

5

16h

l

v＼、い

l

ナ

・1

1聾

q，

7h

い，1

督

￥￥、1

12h

24h

、

、」

・σ

く
＼、t、｛

・

k

1
12cm覧

図19試料表面における600

経過時間（n血）5cmまで到達するのに240分，中央部分に到達する

し

929

誌20

まる位置をrサクション増加前線」と呼ぶことにす

＼ヨ
l I

2

ひびおよび亀裂の形成

800

31

吉田修一郎：粘土質水田における亀裂形成メカニズムに関する研究（3）試料の変形

している．

（2）亀裂の発達

図20は，数値モデルによって計算された試料の実実験で観察された試料表面の破断の様子を図19に示した．なお，観察から破断部は，幅が目視で認

験開始6時間後の変形の様子である．いずれの部分においても体積は減少し，鉛直方向には縮んでいめらない「ひび」と，明らかに幅の拡大が認められる．しかし，水平方向のひずみは，フィルターに近るr亀裂」の二種類に分けられると考えられた．r亀

い部分で収縮裂」と「ひび」は，幅0．2mmを境目の目安として，特徴である。すなわち，土壌水サクションの増加が目視により区別しだ．図19では，rひび」は，画像

先行しているフィルター近傍では，鉛直方向のみな処理により細線化（幅を1ピクセルまで絞り込む）

らず，水平方向にも収縮が起こっている．しかし，して表し，r亀裂」は実際に記録されたものをそのま

土壌水サクションの増加が遅れている中央寄りで

ま画像化したものとして表した．最初にrひび」のは，フィルター近傍で起こっている水平方向の収縮発生が認められたのは排水開始後40分のことであにより，水平方向に伸ばされた変形となったものとる．位置は中央から右寄り1．5〜3．5cmの所である．

考えられる．

いずれも水の移動方向に対し垂直な方向に発生し中央部分では伸張となっている点が（4）応力分布の変化

た．排水開始後約1時間にかけては，さらに中央か

図21は，数値モデルによって計算された水平方向

ら右側1．5〜3．5cmの範囲に多くのひびが形成され，の有効応力分布である．最も外側の等値線内側の色

また，中央から左側2〜3cmの所にもひびが発生しづけされた部分が，有効応力が引張となる領域であた．排水開始後2時間では，最初に発生したひびのる．その外側では有効応力は圧縮となる．等値線は位置より内側の部分に平行したひびが多く形成され0．02kP＆間隔で引張領域のみに記した．排水開始後た．また，一部は幅が少し広がり，明瞭になった（図19の2時間後から5時間後までの濃く表示された部分）．しかし，これらの幅は，その後3時間にわ

30min

たり変化がなかったため，r亀裂」ではなく，rひび」に含めることとした．排水開始後5時間経過したあたりから，最初に形成された最も外側のひびの一1h部が消失し，その一方で，6時間後には中央付近の特定の「ひび」が広がり始め，「亀裂」が形成された，7時間経過後には，この傾向が明瞭になり，中2h

央部分左右2cmの範囲に主要な亀裂が形成された．
12時間後には亀裂が平行して存在していたが，24時間経過後には，そのうちの片方が拡大し，全体とし4hては大きな亀裂が試料を二分するかたちとなった．

6h

8h
曜

0

⇔

1cm

フイルター

↑

2

4

6

8

10

12cm

左側フィルターからの距離

試料中央

図20

6時間後の変形の様子（計算値）

注）変形は2倍に拡大して表現

図21数値モデルにより計算された水平方向の有効応力分布
注1）色づけされた部分が水平方向に引張有効応力が作用する領域2）等値線は0．02kPa間隔

32

中央農業総合研究センター研究報告

0．8

30分で中央から左右4cm幅の部分に小さい引張応力が発生し，その大きさは徐々に増加した．排水開始

0．7

後2時間後までは，引張応力の極大値は，中央ではなく，中央から両側へ逸れた位置に2カ所存在し

ゆ

ぎ

0．5

あ

0．4

㌃

も0．01kPa以下とわずかで，図では判別できない．

へ

その後，時間の経過とともに，応力が引張となる領R（5）変形特性と引張有効応力

ひずみと有効応力とは［21］，［26］式の弾性体の構成式によって関連づけられている．［21］式と［26コ式から，水平方向の有効応力は：一〇一全応力0．6

翁

た．ただし，中央と極大部での応力の違いは最大で域は，徐々に中央へ狭まり，その大きさは増大した、第2号（2003．3）

か懐

一サクション

0．3

0．2

q

0．1

＼0−＿一・

一一〇・F一一暫

Op

響一…o

0
0

1

2

3

4

5

6

左フィルターからの距離（cm）

δ1、一3無一y）高1＋喝、1［28］1＋y

図22全応力と土壌水サクションのバランスにより形成される引張有効応力により計算される，ここで，ε、、およびε22は，それ（6）全応力の分担から見た引張有効応力の発生位置

ぞれ水平，鉛直方向のひずみを表す．伸張ひずみと側面が固定されている系でのこのような脱水は，引張応力をそれぞれ正とする．

土壌中に引張全応力を発生させる．この引張全応力

図20に示したように，鉛直方向のひずみはすべて

は，土壌水サクションと有効応力により分担され圧縮（収縮）となる．そのため，［28］式において，る．図22は，最も表面に近い計算要素中央における右辺かっこ内第1項の水平方向のひずみが伸張 水平方向の全応力と土壌水サクションの分布を示したものである．ともに引張を正として表したもので（正）でも，右辺かっこ内第2項は負となり，水平方向の有効応力を減少，すなわち圧縮側入移行させある．両者の差が，有効応力に対応し，土壌水サクる働きをもっ．すなわち，横に伸びた変形を起こしションが全応力を下回る領域で，有効応力は引張とたとき，鉛直方向の圧縮ひずみが水平方向の伸張ひなる．フィルターからの距離が2．5cmより中央寄り

ずみの（1一レ）加倍以上であれば，水平方向の有効では，・このような土壌水サクションが全応力を下回

応力は圧縮，以下であれば引張となる．

る現象が起こっている．この領域では，土壌水サクフィルターに近い部分では，土壌水サクションのションが未だ低く，引張全応力を分担できない。そ

増加により等方的な圧縮有効応力が生まれる．そのの結果有効応力が引張とならざるを得ない．な

結果，水平鉛直両方向に収縮を起こす．土壌水サク

お，全応力が圧縮でも，間隙水圧が正圧の時には有ションの増加が始まっていないフィルターから遠い

効応力が引張となることが起こりうる．このような部分では，試料中央での変位が固定されている（左条件において生じる引張有効応力が，破壊にっなが

右対称性の維持）と同時に，フィルター近傍での収るかどうかは定かではないが，以下の議論は，有効縮に伴うフィルター方向への変位が課せられるた応力の正負のみを中心に進め，全応力と土壌水サク

め，横に伸ばされた変形となる．その一方で，鉛直ションの状態（引張・圧縮）にっいては，考慮しな方向への圧縮は，排水が進んでいないので大きくないこととする．

い。そのため，前述の有効応力が引張となる条件（7）引張有効応力と亀裂の消長（鉛直圧縮ひずみ／水平伸張ひずみが（1一レ）／レ未

モデルにより推定された引張有効応力の発生と，満）は，このような土壌水サクションの増加前線か実験で観察された亀裂の消長との対応を検討する，

ら少し離れた位置において満たされやすい．以上

排水開始後40分〜60分の応力分布は，中央から逸れは，フィルター近傍から進む土壌水サクションの増た位置にピークをもっ引張応力が作用している状態

加による変形の連鎖に基づいて引張有効応力の発生であった．これに対応し，最初のひびは，中央からを説明したものである．

1．5〜3，5cm逸れた位置に形成された．その後，6時

33

吉田修一郎：粘土質水田における亀裂形成メカニズムに関する研究

0．2

2h

0．15

6h

4h

8

1h

0．1

R燈 0

0．05

bm

畷ーの
，000ヤ

藝

、

a

、

0

一σ誰

最大主応力

図24

、

、

一〇．2

0

0．1

最大主応力

図23

ノノ

；

一〇．15

σ、

●

マ

薄

煙

畷

、

︑︑

R−0．05、

po．i

σo

相
ぐ

O

想

σ〇一μの

●b
0．2

0．3

0．4

Coulomb／Paullの破壊基準

σ3≦（σ1一σ、）／μガσ1≧σ．一μσ、［29］σ、

試料中央部周辺の応力状態

注）プロットは，各位置各時刻における応力状態を表す．

黒塗りのうち，楕円aで囲まれた位置及び時刻ではひびが存在，楕円b
で囲まれた位置及び時刻では亀裂が発生．

σ3≦一σ｝

グ

σ1≦σ、一μσご［30］となる．ただし，σ、，σ3は，最大主応力，最小主応
力をそれぞれ表し，σは引張強度（引張破壊が生じるとき最小主応力の値）を表す．内部摩擦各をφ，間後までは，応力が引張となる中央付近に，無数の粘着力をσ、とすると，μおよびσ。はそれぞれ以下のひびが形成された．さらに，時問が経過すると，特ように表される．

に大きな引張応力が働く中央から左右2cm幅程度の

μ一t㎝2（π／4＋φ／2）［31］

ら＝2σ，t㎝（π／4＋φ〆2）［32］領域のひびが拡大し亀裂となり，その一方で，最初に形成された中央から遠い位置のひびは，応力が圧縮側へ移行するのに対応して消失した，と考えられこれらを図示したのが図24である．Coulomb規る．

準は，両主応力が圧縮側（ここでは正値）の時のせ（8）亀裂の発生条件

亀裂の発生および幅の拡大条件をさらに詳細に見ん断破壊規準として広く用いられている．これを最るために，亀裂が発生した領域における応力状態

小主応力が引張となる場合にも拡張したCoulomb／（最大・最小主応力）の変化を図23に示した．最初

Pau1規準では，最小主応力が引張強度一σtに達すにひびが形成され始めた場所および時刻の応力状態るまでは，圧縮領域（図24上半分）における直線のは，1時間後の◆で表された点群（破線円aで囲ま引張側（図24下半分）への延長上でせん断破壊が生れたσ、＝0．03，σ3『＝一〇．03付近）におおむね相当

じるとし，最小主応力が引張強度一σ似下になる

する．また，最初にひびの幅が拡大し始めた場所おと，最大主応力の値とは無関係に引張破壊が生じる

よび時刻の応力状態は，6時間後の●で表された点としている．すなわち，最小主応力が引張状態のと群（破線円bで囲まれたσ、きの破壊は，せん断破壊，引張破壊の二通りが起こ＝0，20，σ3冒＝一〇．09より左下）・に相当する．

りうることを示している．しかし，乾燥収縮に伴うRaats（96）は，土壌の乾燥亀裂の発生に関連した二亀裂形成挙動は，低応力条件下での現象であり，両種類の破壊規準にっいてレビューしている．一っ主応力状態に基づく破壊条件の特定は，実験精度とは，引張強度の概念をCoulomb規準に取り入れたのバランスを考えると事実上不可能である．そこ

Coulomb／Pau1規準，他方は既存の微小な切り欠きで，図23に示された亀裂発生点の状態を鑑み，最小が拡大する条件と引張強度を関連づけたGrif翫h／

主応力が一〇．03kPa以下を本試料に破壊（ひび）がIrwin／Orowon（GIO）規準である．Coulomb／Pau1

生じる目安とするのが適当だと考えられる．また，規準を主応力を用いて表すと：

わずかに発生したrひび」が拡大して亀裂になる条
件は，Gri鐙th／1rwin／0rowon（GIO）によると，引34

中央農業総合研究センター研究報告

第2号（2003．3）

張応力が材料の引張強度を越えたときである．最初6に亀裂の拡大が開始された6時間後の点における

5

一〇．09kPaであった．一方，4時間後には既に，最小主応力が一〇．09kPa以下となった点もみられる

5し●9

最小主応力の値は，図23に示されたように，
な4

亀

9

盃3

ミ

一ズ

が，ここでは，ひびの拡大は起こっていない．これ

転・糖らから，ひびの拡大条件には，ある程度の幅がある

筆

ものの，おおむね最小主応力で一〇．1kPa前後と考え

1

≧亙
』k
西ヌ
』

0

磯・
︑︑噂暫や

られる．

6・

面

×ゴ

D9

b噂．

ρ

ゴ

，

一

このような飽和土の引張強度にっいては，
一1

NearingetaL（83）による直接引張試験による測定例

0

2

4

6

8

10

12

左側フィルターからの距離（cm）がある．土壌水サクションをOkPaとした試料の引一一レー一60min

張強度は，土の種類により0．9〜3．2kPaの範囲にあ

一口・昌・120min十180min

一※・一240min一→←一300min一●・。・360mi髄ることが示されている．この値は，今回の計算結果

図25より1オーダー高い値となっている．直接引張試
験では，土壌水サクションを水の移動を許すことでサクション分布の計算値（地表面から1cm）

注〉幅二12cm．深さ：8cm，フラックス：1．0×10一5（cm！s）

調整している．しかし，試料に引張荷重がかかるとき，完全に土壌水サクションを消散させることは難しいと思われる．そのため，土壌水サクションが強1h

度をわずかに増加させている可能性も考えられ，本
解析結果との直接の比較は難しい．

なお，本実験系の試料中央部では，主応力面は，…訟．1騰曝鱗

空問座標系とほぼ一致し，最小主応力と水平方向の応力との差異は，無視できる程度に小さい．そのため，負の最小有効主応力をそのまま水平方向引張有、．

2h

効応力と置き換えることが可能である。水平方向の有効応力を用いた方が，亀裂の発生条件として理解が容易であることを鑑み，以降の記述では，水平方向の有効応力を用いることとする，

4．作物の蒸散と亀裂の発生位置

．鮮羅

、

3h

この節では，水稲からの蒸散の影響のみを取り出したときに，亀裂がどのように発生しうるかを予測する．土壌特性は，表9で与えられるものを仮定
し，境界条件や，対象領域の幅，深さを変化させたときの応力分布を数値モデルを用いて推定し，亀裂形成との関わりを探ることにする．

4h

8cm

1）数値実験条件
土の特性を除くと，このモデルで与えることのできる条件は，解析対象領域の幅および深さ，境界にハ

おける水圧もしくはフラックス，応力もしくは変位

図26水平方向の引張有効応力の計算値である．領域の幅が水稲の条間，領域の深さが代か

注1）幅：12cm，深さ：8cm，フラックス：1．0×10−5（cm／s）

き層の厚さ，左端でのフラックスが蒸散速度にそれ2〉着色部が引張有効応力の発生する領域
3）等値線は0．02kPa間隔

35

吉田修一郎：粘土質水田における亀裂形成メカニズムに関する研究

ぞれ対応すると考えられる．ここでは，側面を一定にっいて示す．図25および図26は1深さ8cm，幅

フラックス境界，上端及び下端のフラックスはゼロ

12cm，側面のフラックスを一定値1．0×10−5cm／sと（蒸発なし）とし，領域のサイズを何通りか組み合わした時の土壌水サクションの変化および水平方向のせた計算を行った．なお，応力および変位の境界条

有効応力の変化である．有効応力は，色づけされた

件は，前章のモデル検証実験と同一とした．

部分が引っ張り領域で，等値線の間隔は0，02kPaで2）数値実験結果

ある．3．3）（1）で述べたとおり，土壌水サクション

最初に，計算結果のうち，特徴的な二つのケースの値が負から正（水圧が正から負）にかわる部分，

すなわち土壌水サクションの増加が始まった部分
25を，rサクション増加前線」と定義すると，60分ではサクション増加前線は，左右端から2cm付近にあ20り，それが徐々に中央に寄っていく．引張有効応力欝ヘは，最初，サクション増加前線の内側，中央から左

ユ

爵

右に4cm以内の部分に始まり，その後大きさが増大澱

筆10し，その領域は中央および深部に集中している．応藩，

力が最初に0．1kPaを越えるのは，排水開始3時間

引

X

X

後で，その位置は中央から左右に2cm程度の範囲で、0ある．また，このとき応力が極大となる点は，中央一点である、一方，図27および図28は，深さ8cm，

・5

0

8

16

24

32

40

幅48cm，側面のフラックスを一定値1．0×10略
cm／sとした時の土壌水サクションの変化および水平応力の変化である．サクション増加前線は，120分では左右端から2cm付近にあり，それが徐々に中央に寄っていく．しかし，1日経過した後でも，サ48

左側フィルターからの距離（cの十120m血1・一日9・9240m血十480皿血・一×一・720min

一→←1440m血図27

サクション分布の計算値（地表面から1cm）注）幅：48cm，深さ二8cm，フラックス：1．0×10−5（cmls）

2h

4h

8h

8cm

12h

48cm
図28

水平方向引張有効応力の計算値

注1）幅：48cm，深さ18cm，フラックス11．0×10
2）着色部が引張有効応力の発生する領域

3）等値線は0．02kPa間隔

5（cmls）

36

中央農業総合研究センター研究報告

表10

亀裂の発生条件が最初に満たされる点およびサクション増加前線の位置
引張有効応力が最初に限界値に達する位置

数値実験の条件

幅

深さ

フラックス

条間隔 代かき

層厚さ

（cm）

（cm）

（cm／s）

O．03kPa

蒸散速度1）

位置2）（mm／day）

（cm）

経過時間
（hr）

48

12

1。Ox10『5

4．3±17．8（6．2）

48

125。0×10−6

2．2±17．8（6．2）

1
1
1
2
1
2
3
6
1
2
4
6

48

12

2．5×玉〇一6

1．1±15．5（14聯

麟i・±0．0（6．0）

2424

1．0×IO−5

1．Ox1048

4

第2号（2003．3）

2．9

5

1．0×IO−5

5．8

1．4

±

8．9（3．1）±

7．8（4．2）±22．2（

1．8）

4881、Ox10 52．9±20．6（3．4）
8．5）

0．1kPaサクション
増加前線3）

位置2）

（cm）

（cm）

経過時間
（hr）

±4．2

±5．4
±5．2
±11．2

±

5．8（6．2）

±11．2

±

5．8（

6．2）

3
3
4
3
6
6
6
12

±10．4

6
8

サクション
増加前線3）
（cm）

±2．5
±2．5

±4．4
±4．8
±10．0
±10．0

±10．0

±9．6

±23．2

±19．0（

5．0）

±23．2

±17．4（

6．6）

±21．6

±15．6（8．4）

12

±18．4

±19．2

±11．5（12．5）

±17．0

±17．6

±

24
60

7．5（16．5）

±20．0
±20．0

±14．0

注1）フラックスは，解析対象領域側面の値である，よって，単位面積当たりの蒸散速度は，フラックス×解析領域の深さ（厚さ）÷（解析領域の幅÷2）により計算される．
2）条中央からの極大点までの距離．括弧内は，側面から極大点までの距離
3）左記の時刻において土壌水サクションの増加が起こりっっある位置（条中央からの距離）
4）この時点では，極大域（0．01kPa以下の差異を無視した場合）は中央一点に集中しておらず一定の広がりがあるが，以降時間の経過とともに中央へ収束していく．

クション増加前線は，左右端から10cm程度にあり，極大点は，本来2点存在するが，幅が狭いときやフ

中央部分の多くは初期状態のままである．引張有効

ラックスが小さいとき，あるいは層が厚いときに応力は，最初，端より2cmから12cmの間に形成されは，これら2点が共に中央に収束し，一点となる，る．応力の極大値は，サクション増加前線の位置とと捉えることもできる．

おおむね一致しながら徐々に内側に移動している．

応力が最初に0．1kPaを越えるのは，8時間後で，位置は左右端から6cm付近である。このとき，応力が極大となる点は二点存在する．

このように，亀裂拡大条件である0．1kPaの引張有

3）弓1張有効応力の二極化に対応した亀裂の複線化
引張有効応力の極大位置が，必ずしも中央一点ではなく二極化することが，実際の亀裂の形成にどのように関係しているのかを考察する．

効応力が最初に発生する点は，条件によって中央一最初に，第皿章で説明した圃場において観察され点となることもあり，離れた2点となることもあた亀裂の例を示す．図29−a〜dは，それぞれ条間隔

る．このような応力の極大点は，乾燥が進んだ後のを30cm，60cm，60cm，90cmとし，蒸散が盛んに行

亀裂の位置を決定する重要な点であると考えられわれている夏期に，圃場を乾燥させることにより発る．そこで，表面の引張応力が0．03kPa（小ひびが生した亀裂のパターンである．条に平行する大きな発生すると考えられる条件），および0．1kPa（亀裂の亀裂（図の横方向）に着目すると，条間に単一の亀拡大が開始される条件）を越える位置とそのときの裂が形成されるのは条間隔が（a）30cmもしくは（b）

サクション増加前線の位置を実験条件とともに表60cmの時である．60cmの時でも，（c）では，中央の10にまとめた．色づけされている実験は，極大点が一部が複線化している．さらに条間隔が90cmに拡

中央一点となったケースを示している，この表か大すると，条から離れたところに条に平行な2本のら，1）領域の幅が拡大するほど（条間隔が広がる

亀裂が形成され，単一とはなっていない（d）．

ほど），2）フラックスの値が大きいほど（蒸散速度数値実験では，4mm／day程度の蒸散量で引張応が大きいほど），さらに3）深さが浅いほど（代かき力の極大点が単一になる（二極化しない）ためには，層が薄いほど），引張応力は二極化しやすい傾向が領域幅24cm程度が限界で，それ以上に広がると，極あることがわかる．別の見方をすれば，引張応力の大点が二極化することが示されている．このこと

37

吉田修一郎：粘土質水田における亀裂形成メカニズムに関する研究

＼＼＿

a

．1

条間隔

，工

＼

30cm

〜し1

ぐ
b

ノ

条間隔

／

60cm
、

八
C

表11条間隔90cm区における条と条に沿う亀裂との距離
代かき強度

平均値

最大値

最小値

標準偏差

弓弓（1回）

20．1

22．2

18．3

1．61

弱
弱

20．4
23．9

30．0

15．2

5．38

27．7

19．8

3．68

中（3回）

27．6

35．5

23．0

4．55

中
中
中
中
中

29。6

35．5

20．6

6．07

24．9

32．3

19．1

5．32

25、7

28。4

21。4

2．91

23．1

26．9

19．8

2．39

26．9

33．1

20．6

4，22

強（9回）

22．2

31，6

16．7

5．16

強
強
最小値
平均値
最大値

19．5
25．2
19．5
24。1
29．6

23．0

16．7

2．08

29．2

21．4

3．14

29．6

19．4

15．2

35．5

われており，代かき条件は表中に示したとおりであ

条間隔

60cm

る。条と条に沿った亀裂の間の距離は最小で／〜19．5cm，最大で29．6cmであった．すなわち場所によっては，条間隔60cmの半分30cmにも満たない．
条問隔が60cm，蒸散有りの試験区で，条に沿った亀ll

裂が複線化していたのは，図29−cに示した一カ所

ilの一部分だけで，その他は，全て一本であったこと
d

／

条間隔

90cm

を考えると，条間隔を90cmにすることで，明らかに条に近いところに亀裂が発生するようになっていると言える．このことから，単なる根系の疎密による力学的強度の影響ではなく，本章で論じてきた蒸散による特異な応力分布の影響を受けたものと考えられる．第皿章では，条間隔を30cmから60cmに広げ
図29

条間隔による亀裂パターンの違い

注）（d）の点線は，条から条に沿った亀裂までの距離の測定

位置を示す．

ることで，亀裂の平均幅を大きくすることができると結論した．しかし，さらに条間隔を60cm以上に拡大しても，条に沿った線状亀裂は，単一とはならは，実際に発生する畦に沿った亀裂が，条間隔によず，個々の亀裂の幅を広げる効果は期待できないこり複線化したり単線化したりすることに対応していとを圃場試験の結果および数値実験結果は示していると推察される．計算結果より広い条間隔でも亀裂ると言える．

が単一であるのは，根系からの水分吸収が条直下だ

けではなく，条の近傍15cmあたりまで活発に行わ

5．まとめ

れているためであると考えられる．また，蒸教速度

本章では，粘土質水田において水稲の条に沿っての日周性も少なからず影響していると考えられる、形成される線状亀裂の発生メカニズムにっいて物理

表11は，水稲の条から条に沿った亀裂までの距離的な検討を行った．練り返された高水分粘土質土壌を条問隔90cmの亀裂パターンについて測定した結の収縮挙動が，圧密挙動と等価であることを利用

果をまとめたものである．距離は図29−dに示した

し，2次元非線形弾性圧密モデルを用いて，水稲条

ような6点において測定しその平均を求めた，両間における土壌の収縮挙動の数値シミュレーション側の条からの距離を各3点ずっ平均しているため，を行った．モデルの適用性は，水稲条間（畦間）を亀裂が全体にどちらかに偏っている場合でも，値に模した室内模型実験により検証した．これらの結果は影響しない．なお，各試験区はいずれも蒸散が行から，以下の結論を導いた．

38

中央農業総合研究センター研究報告

める条件は一〇．1kPa（引張）であった．

1．飽和土を対象とした2次元非線形弾性圧密モデ

ルは，亀裂の発生に至るまでの高水分粘質土の第2号（2003．3）

4．圃場で見られる線状亀裂の位置と条（畦）間隔との関係は，以下のようなメカニズムにより説収縮挙動を再現できることを確認した．

誘起されることを数値実験および室内実験によ明されることが数値実験により明らかになった．すなわち，亀裂は，水平方向の引張有効応
力の極大点において発生する．条（畦）問隔がり確認した．

狭いときに1よ引張有効応力の極大点は条（畦）2．条間（畦間）に発生する条（畦）に沿った線状
亀裂は，左右二方向からの水分の損失によって

3．亀裂は極めて小さい引張有効応力によって発生中央に収束するため，畦に沿った亀裂は単線化する。実験に供した粘質土で，最初に小ひびがする．しかし，条（畦）間隔が広いときには，形成される条件は，最小主応力が一〇．03kPa

条（畦）間の引張有効応力分布は二極化する．そ（引張），また，「ひび」がr亀裂」に拡大を始のため，条（畦）に沿った亀裂は，複線化する．

V

代かぎによる土壌の収縮特性改変メカニズムと亀裂形成

1．はじめにて乾燥密度を加えることを提案している．基本的な代かきは，水稲移植前の水田において一般的に行

考え方1よ三野ら（74）と等価であるが，SSCCに，土壌

われる土壌管理作業である．その目的は，水稲の作

水サクションを加えることにより，膨潤土の脱水時

付け体系の進歩とともに変化してきた（43）が，現在での特性を総合的に表したものを図30に示した．収は，苗の移植を容易にすること，浸透を抑制するこ

縮曲線は液相の容積を表す横軸および全体積を表すと，雑草の発生を抑えること，などが挙げられる．

縦軸によって表されるが，さらに，奥行き方向に土

しかし，主たる目的以外にも，土壌の理化学性に対壌水サクションの軸を加え，水分保持特性と収縮特する間接的な影響が多く認められる．代かきによる性とをあわせて3次元座標上に表したものである．

土壌構造の破壊1よ●が3次元座標上での土壌の状態を示している．

その後の畑作物の栽培にとっては，一般に良い結果を生まない（115）．また，代かき

土壌水サクションの増加（奥行き方向）に伴い，水は，多量のエネルギーと多くの作業時間を費やす作

分（横軸）が減少し，全体の体積（縦軸）も減少す業である（89）．そのため，様々なタイプの不耕起栽培
や無代かき栽培体系が研究されてきた（78）．しかし，代かきは，モンスーンアジアにおける水稲の栽培体

↑

％

聡

状態（飽和・ペースト状）

H

系に広く組み込まれており，依然ξして重要な位置
相

巧

粘土質水田の亀裂形状を表す4つの特性量のうち，の随（100畑a

容

気

3っに有意な影響を及ぼしていることを明らかにし積を占めている．第皿章では，代かき強度の違いが，た．このことから，代かきは，水田土壌の収縮挙動や亀裂の形成を論ずる上で欠くことのできない重要＼な要素であることは明らかである．

本章では，代かき強度が水田土壌の収縮特性に及ぼす影響，さらに，亀裂形状に及ぼす影響にっいて検討を行う．土壌の収縮挙動は，収縮特性曲線（SSCC：Soil

Shrinkage

Characteristic

Curve）

によって表される．三野ら（74）は，r変形する物体のpF値を議論するには，体積含水率と乾燥密度とpFの値を，三次元座標上で表す必要がある．」と指摘

し，水分特性曲線（保水特性）に対し，第3軸とし

土壌

G

サクション

F

伽、。θ

図勘

陶。

液相の容積（Vw）→
図30収縮特性曲線の3次元表示
注）中央の一●一が，3次元座標（液相の容積・土壌の体積・土壌水サクション）上の土壌の状態を表す．ABCD面への射影（ABCD面上の一〇一）が，通常の収縮曲線，BFGCへの射影（BFGC面上の一〇一）は水分特性曲線，DIJHは飽和面をそれぞれ表す．土壌水サクションの増加（奥行き方向）に伴い，水分の減少（横軸左方向への現象の進行）と体積の減少（縦軸下方向への現象の進行）が同時に進む，土壌
水サクションの増加に伴う亀裂の形成は，土壌水サクションの変化に対する水分および体積の変化特性によって支配される．

39

吉田修一郎：粘土質水田における亀裂形成メカニズムに関する研究る様子を表している．そのABCD面への正射影

圃場内での位置（用水路側，中央，排水路側）も（ABCD面上でのO）は，通常の収縮曲線である．収ブロック要因として評価することにより，有意性の縮曲線において飽和を表す傾き1：1の直線は，この検出力を高めた．代かきは，ドライブハロー

図では飽和面DIJHとなる．代かきされた湛水状態（H：R2400B，松山農機）を40PSのトラクター（GLからの乾燥を考えた場合，構造収縮はほとんど無視

40，クボタ）に装着し，・数回に分けて行った．代かでき，最初から正規収縮が起こるとみなせる．ただきの作業日程は1表12に示すとおりである．圃場のし，1章で述べたMitchel1（71）の用語整理に従えば，

湛水は，土壌を採取する時以外は維持した．また．

ここでいうr正規収縮（normal

土壌採取時の落水は，表面に湛水がわずかに残る程

unitary

shrinkage

ではなく，

shrink＆ge）」は，
basic

shrinkage

度にとどめ，圃場を乾燥させないようにした．

を意味する．すなわちr正規」収縮過程においても
表12気相は存在することを認めることとする．代かき後の粘土質土壌の場合，土壌水サクションが100kPa程度までの軽い乾燥により空気が侵入する安定した粗問隙は，乾燥前にはほとんど存在しない．正規収

代かき強度

代かき作業の行程
実施日および回数

総代かき回数

弱

5／9（1）

中

5／9（1）

強

5／9

（1）

5／19（2）

一
5／15

（2）

5／19（2）

縮段階において増加する気相は，乾燥時の内部応力による破断によって新たに形成された粗間隙が中心

2）土壌採取および分析方法であると考えられる．図から明らかなように，亀裂

土壌の物理性に対する代かきの影響は，土層によの体積は，気相が増加するほど小さくなる．また，って異なることが知られている（1x64）．そのため，不細かい破断が起こりやすい土壌ほど，亀裂の発生が撹乱土壌を，0−4cmと5−9cmの2層において，内一カ所へ集中しにくくなると考えられる．そのため，収縮による気相の増加特性は，亀裂の発達との径11．3cm，厚さ4cmのサンプラーで注意深く採取し関わりが強い．一方，底面（BFGC）への正射影

った．一点当たり2っの試料を採取した．採取し（BFGC面上でのO）は，排水過程での水分保持特性

た試料は，その重さを秤量した後，加圧板法により（水分特性曲線）を表す．膨潤土では，排水量に対応

3．1kP駄10kPa，100kPaの背圧で脱水し，各段階でして土壌の収縮が進むため，保水特性は，一定の乾の重量を測定した．また，10kPaと100kPαでの脱燥強度（土壌水サクションの増加）のもとでの土壌

水後にっいては，その体積を測定した．試料が極めの最大収縮可能量を表す．多くの水を抱えている土て軟弱で，サラン樹脂による被覆（117）や被覆無しで壌では，乾燥に伴う収縮量は大きく，亀裂の発達もの水中置換が不可能なため，断面積と厚さから体積著しくなると考えられる．

を計算した．断面積はスキャナーによって取り込ん

本章では，主要な土壌水サクションでの保水量おた．不撹乱土壌の採取は，6月13日と8月17日に行だ断面の画像を基に，ソフトウェァ（Scion

Image

よび気相の増加量をその重要な収縮特性として取り

Beta−3b，Scion

Corp．，USA）を用いて計算した，上げ，代かき強度とこれらの特性との関わり，さらまた，試料の厚さは，ノギスを用いて4点の厚さをに，亀裂形成との関わりを論じる。

測定し，その平均値を用いた。

不麗乱試料とは別に，2000年5月23日と8月16

2．実験方法日の2回，大容量の撹乱土壌を内径20cm，長さ301）実験圃場および代かき処理

cmの円筒を土層に挿入し，表層O−10cmの土壌を実験は，2000年4月から同年8月にかけて，第皿

手で掻き出すことにより採取した．擬乱試料の採取章で述べた要因試験に用いた水田の一部を利用しては，各試験区に対し・3っの試料を採取し，そのうち実施した．圃場の長辺方向に沿って一列に9個のの一つは，採取試料の含水比の測定に用い，残りの区画を設定し，それらに乱塊法（例えばHicks

二っは代かき後も土壌中に残存する土塊の割合を定

andTumer（39㍉永田（79））で3水準の代かき強度を割り付量するために用いた．r団粒（aggregate）」とは，けた．各水準は，弱（1回），中（3回），強（5回）

土粒子同士が他の土粒子との間よりも強い力で凝集である．実験要因は，代かき強度のみであるが，した集合体（SSSA；1997（118））」と定義されている．代

40

中央農業総合研究センター研究報告

第2号（2003．3）

かきが行われた土壌中に存在する低含水比かっ高密する割合を示したものである．図中のプロットは，

度の土塊は，この定義からすれば一種の団粒ともみ

横軸に示した値以下の含水比の土塊の割合を百分率

ヤペなせる．しかし，構造が発達した土壌における一般で表したものである．表13には，撹乱試料採取時の

ヤ

ヤ

ペ

的な団粒との区別をっけるため，ここではr残存土10塊」と呼ぶことにする．s＆ito（100）が指摘しているよる粘質土から取り出すことは容易ではない．そのた駅

6

め，粘質土の団粒（土塊）分析手法は確立されてい辮余ない．一般に団粒の割合および安定性の測定は，

咽Ybderの方法（1軌あるいはそれを改良した方法によって行われる．この方法では，土壌試料をrふるいa8

うに，このような土塊を，代かき後の湛水状態にあ

海

△・・

・・凸、

4

糊

e

翼
刊

2

o一

・・o。

自・・

『｛コ・亀

．
鴨

㍉

．

曹8曾，．
、3

噺

0

セット」の最上段に載せ，全体を水中に沈めて，上A11＞

下にゆっくり振動させる．しかし，この方法を粘質

100＞

80＞

60＞

70＞

50＞

土塊の含水比（％）

土に適用すると，土塊同士が付着したり，ゆるい自重圧密された集合体が，ふるい目に留まったりする

10b

ため，ふるい分けは不可能である．ここでは以下に

8
駅示す方法により，土塊の分離を行った．

内径が200mm，目の開度が，40mm，20mm，10mmのふるいを上から順に重ね，一回に一試料の約1／4（おおよそ1．5kgの湿潤試料）を注いだ．一定流量の水道水（100ml／secの水量を36個の内径1mmの穴の

冊
余

6

阻

瑚
e
翼
網

4

倒

2

あいたノズルから噴射）を10cmの高さから当て，ふ0

るい上の試料を洗い流した．軟弱なぺ一スト状の土

日ロ●・一Eト
A皿＞

壌の大半が洗い流されると，ふるい上には土塊が残

．
、

』

100＞

甲｝
・

騨・．一

■

o 、
＝■

盛・、

會・

80＞

70＞

60＞

50＞

土塊の含水比（％）

る．しかし，土塊相互は，その間に付着した軟弱な
10

ぺ一スト状の土壌により完全には分離しておらず，の土塊に対し10秒程度前回と同じ強さの水流を当訳て，ふるい上に残ったものを土塊として取り出し

冊
余
胆
噸
糊

た．取り出した土塊は，一っずっアルミ箔で作ったe

袋に入れ，その含水比を個別に測定した．

3

翠
鱈

6
4
2

0

実験結果および考察C

8

ふるい分けは完全ではない．そのため，さらに個々

eil ≡1畠

図31は，残存土塊の含水比とその重量の全体に対

＝魯
o

An＞

1）残存土塊の含水比および含有率

；

100＞

80＞

爾

70〉

60＞

50＞

土塊の含水比（％）

5月

表13
代かき強度
弱（1回）
中（3回）

強（5回）

→一一排水路側撹乱試料uの含水比（％）

用水路側

中央

排水路側

102．7

98，2

101．9、

87．3

82．5

100．8

117．3

105．4

108．1

104．0

101．6

104．3

119．4

107．5

103．9

108．5

103．8

王01，6

注）3つの撹乱試料のうち一つ（湿潤重量約6kg）全体を用いた試験結果

一中央
＋用水路側
8月

・一ム…排水路側…日…中央
一◎…用水路側

図31土塊の含水比とその加積含有率
注）代かき強度 a；弱 b：中 c：強下の土塊の重量百分率を表す．

1横軸の含水比以吉田修一郎：粘土質水田における亀裂形成メカニズムに関する研究

41

含水比を示した．代かきされた土壌中には，周囲の弱な土塊と代かき前に形成された残存土塊をさらに十分に単粒化した高水分の土壌に混じって，明らか厳しい基準で区別するため，ふるい分けによって抽に含水比の低い土塊が少なからず存在していること出された土塊のうち，その含水比が80％以下の物をがわかる。残存土塊は，粘質土が乾燥により収縮し残存土塊とみなすことにした．図31は，代かき後3

緻密な土塊となり，その後の耕起，代かきにより細ヶ月間の湛水状態により，安定した残存土塊が減少﹃かく

なりっっも完全に単粒化しないで残ったものとしていることを示している，このような残存土塊の考えられる，採取後の自重圧密により形成された軟変化には，二つの原因が考えられる．一っは土塊の力学的な強度が低下したこと．もう一っは，土塊の

7

5月

16

余
随

とと，還元による土塊の安定性低下作用の存在が指摘されていること（55）を併せて考えると，土塊の強度4低下が主要な原因と考えられる．

図32は，残存土塊の含有率に対する代かき強度の

3

瑚
糊

e

影響を示したものである．分散分析によると，5月

2

翠引

高い土塊の割合が，3ヶ月の間に大幅に減少したこ

5訳

冊

含水比が，全体的に増加したことである．含水比がに採取した試料では，代かき強度，圃場内位置とも

1に残存土塊含有率に対して有意な影響が認められた．代かき強度の増加に伴い土塊率は低下してい0弱（1回）a中（3回）ab

代かき強度

強（5回）bる．また，排水路側から中央，用水路側に向かって

土塊含有率は低くなっている．一方，8月に採取し＊た試料では，要因による統計的な有意差は検出され圃場内位置魯r血一排水路側aなかった。しかし，図32下図を参照すると，代かき＋用水路側b強度によらず，圃場中央の残存土塊量がいずれも小＋中央abさくなっている．このことが，統計的な有意性を否

7
8月

6
ま
辮

余
櫃

定する結果となったものと考えられ，中央を除けば，代かき強度が高いほど土塊含有率は小さい傾向が認められる．

52）水分保持特性

4

表14に，土壌の水分保持特性に対する代かき強度

欄 3
e
蟹
刑 2

の影響を示した．表層（0−4cm）においては，6月

咽噛︑︑

採取試料の10kPa〜100kPaと8月採取試料の100kPa以上の他は，代かき強度による保水量の有

▲

1

・、．

．』書＝二：こ

■

0

。

…3適

意な違いは見いだされなかった．6月採取試料の10kPa〜100kPaの保水量は，有意差が認められた

弱（1回）

中（3回）

強（5回）

代かき強度
圃場内位置

一▲一排水路側

一畳・・中央一・◆一用水路側が，その物理的な意味は不明である．8月の100
kPa以上の保水量は，r弱」区からr中」区にかけての有意な増加が認められた．6月から8月の問の保水量は，いずれのサクション領域においても増加していた．また，100kPaの時の含水比の増加量は，代かき強度の増加に伴い有意に大きくなっていた．8
図32代かき強度による土塊含有率の違い

月採取試料の100kPa以上の保水量の違いは，この

注1）上：5月23日採取 下；8月16日採取
2）図中の歯は5％の水準で有意であることを示す，アルファベット
はTukeyの多重比較の結果で，異なる文字の水準間で有意差があ

湛水期間中の保水量の増加によって生じたものであることを示す．

る，42

中央農業総合研究センター研究報告

表14

層

位

採取日

脱水時の保水特性および気相比の違い
気相比

単位乾土重量当たりの水分（％）

代かき強度
（回数）

第2号（2003・3）

3．1kPa

10kPa

l

OOkPa

3．1〜

10kPa

Va／Vs

10〜

3．1〜

100kPa100kPa100kPa

＊

6／13

0−4cm

8／17

増加量
（6／13〜
8／17）

6／13

5−9cm

8／17

増加量
（6／13〜
8／17）

＊

弱（1）
中（3）
強（5）

83．14

72．85

54．28

10．29

81．43

70．49

52．95

10．94

17。54b

81．77

70．48

52．40

l1．29

18．08ab

弱（1）
中（3）
強（5）

100．2482．29

58．50b

17．95

23．79

41．74

0．273

104．04

83．24

61．11

20．79

22．13

42．92

0．301

99．93

83．84

60．20ab

16．09

23．64

39．73

a

18．57

a

28．86

28．48
29．37

0．318a0．281ab
0，222

0．288

＃

孝
弱（1）
中（3）
強（5）

5．22

12．89

22．61

12．76

8．16a

9．85

4．60

14．44

0．020ab

18．16

13．35

7．80a

4．81

5．55

10．36

0．067

＊

＊

＊

＊＊

＊

17．10

9．44

4．23b

7．66

弱（1）
中（3）
強（5）

72．11b

64．69b50．26b7．43c

76．07a67．24ab50．92ab8．83

78．91a68．90a

52．66

10．01

弱（1）
中（3）
強（5）

74．24

65．91

51．32

8．34

76．36

67．73

53．47

8．63

77．74

69．65

54．36

8．09

15。29

2．13

1．22

1、06

0．91

0．50

2．55

−0．21

0．74

1．70

−1．92

−0．96

弱（1）
中（3）
強（5）

b

0．29
−1．17

a

b
a

−0．045

b

a

＊＊

0．240

l4．43b

21．85b

l6．31

a

25，15

a

0．203

16．24

a

26．25

a

0．238

14．59

22．93

0．187

14．26

22．89

0．257

23．38

0．265

0、16

1．08

−0．053

−2．05

−2．26

0．054

−2．87

0．027

注1）＃，歯，＊★は10％，5％，1％の水準で有意差があることを示す．（印のっいているカラムに対応するr層位」・r時期」・r横軸の項目」に対する試験要因（代かき強度）の影響の有意性）
2）数値の脇のアルファベットは，Tukeyの多重比較の結果を示す．異なる文字は，有意な処理間差（代かき強度による差）があることを示す．

次表層（5〜9cm）の6月採取試料では，全てのサ

生した微細亀裂が多くを占めると考えられる．そのクション領域において，より強い代かきが，有意にため，乾燥収縮による粘質土のr壊れ易さ」は，収保水量を増加させた．8月に採取した次表層の試料

縮後の土壌の気相率によって評価することが可能とでも，代かき強度が高いほど保水量が高くなる傾向考えられる．ここぞは，固相の容積を基準とした気は見られたものの，場所によるバラツキが大きく，相の体積（％／聡）をr気相比（airfilled

有意差は検出されなかった．また，6月から8月にと呼び，これを指標として用いることにする．

void

ratio）」

かけての保水量の変化は，高サクション領域では，

100kPaまで脱水した試料の気相比を表14に示し

わずかに増加傾向にあったが，代かき弱区を除く

た．表層（0〜4cm）の6月採取試料では，代かき強と，低サクション領域ではむしろ減少傾向にあう

度の増加により有意に気相比は小さくなった．しかた．保水量の変化量と代かき強度との有意な関係はし，8月採取試料では，差異は認められなかった，

認められなかった．

次表層（5〜9cm）では，時期によらず，代かき強度

3）収縮にともなう気相増加特性による有意な気相比の差異は見られなかった．

代かきが行われた状態からの粘質土の排水過程に微細亀裂を生み出す土壌内部での破壊は，土壌内

おいて，大部分の間隙は，問隙水の負圧が高まるにの力学的強度のバラツキに支配されていると考えらっれ，塑性的に収縮する．空気が侵入しやすい安定

れる．強度のバラツキが著しいと，収縮に伴うひずした構造を持っ粗間隙は少ない．よって，100kPa

みの分布に不均衡が生じ，多くの微細な破壊を生み以下の低サクション領域（正規収縮の範囲内）では，出す．強い代かきは，このようなバラツキを低減さ空気で満たされた間隙は，既存の粗間隙というよせると考えられる．6月の表層に見られる気相比のり，むしろ乾燥にともなう内部応力により新たに発

差異は，このような理由によって説明できる．しか吉田修一郎1粘土質水田における亀裂形成メカニズムに関する研究

し，次表層で代かき強度の影響が見られなかった点

43

察される（41）．

にっいては，明確な理由を示すことができない．表r練り返し」は，主要な代かきの作用の一つであ層に比べ次表層では，自重による圧密を受けており，代かきによっても風乾土の練り返しと同様な硬り，収縮前の乾燥密度の違いが，構造の違いの発現化挙動を土壌は示すと考えられる．図33は，軟化，存阻止しているとも推測できる・また，100kPaの硬化挙動を水分特性曲線との関係で模式的に表した

気相比1よ6月から8月にかけて弱区においては減ものである．硬化は，右向きの矢印，すなわち，一少しているが，中区・強区においては増加してい定の含水比における土壌水サクションの増加で表さ

る．弱区での減少は，還元の進行による構造の破壊れる．このような土壌水サクションの増加は，水分に原因を求めることができるが，中区・弱区での増特性曲線を（b）から（a），っまり上側へ押し上げる働

加にっいては，明確な理由は見いだせない．

きをする、このことから，代かき直後の5−9cm層

4）土壌の物理性に対する代かきの短期的な影響における強い代かきによる保水量の増加は，硬化による水分特性曲線の上方への移動に対応するものと（1）練り返しによる硬化と水分保持特性

考えることができる．すなわち，r硬化」という概念

代かきは，大きな土塊を粉砕し，ペッド（ped）のを導入することにより，代かきが保水特性に及ぼすようなさらに細かい構造単位をも破壊すると考えら

短期的な影響を説明することは可能である、ただれる．練り返しなどの擬乱による土壌の力学的な強し，その挙動の実態は，自由水の拘束と説明されて度の変化は，鋭敏性（sensitivity）によってしばしいるものの，スケールの異なるいくっかの現象が複ば表される．外部からの力や変形により土壌が力合的に働いて起こっているものと考えられる．以下

学的強度を低下させる挙動は，軟化（sof毛ening）とでは，代かきによる練り返し強度の違いによって生呼ばれる．逆に，強度が増加する場合は，硬化じたと考えられる残存土塊含有量の差異が，保水特（hardening）と呼ばれる．軟化は，干拓土，火山灰性に及ぼす影響を，実測データとモデルから評価す

土，湿田土などで観察される（42）．軟化の原因は，既ることを試みた．

存の土壌構造が乱されることにより，非自由水が自（2）残存土塊の過圧密土的収縮挙動

由化するためであると考えられている．一方，自由乾燥履歴を有する練り返された土壌の水分保持特

水の拘束（非自由化）によって起こるとされる硬化性は，Taylor（129）によって調べられている．この研究

挙動は，風乾土を十分な水とともに練り返す時に観では，練り返された試料を土壌水サクションが100kPaになるまで乾燥させ，その後再飽和させ，排水過程

での保水量を測定すると，最大の乾燥履歴である

100kPaまでの保水量は大きく減少し，100kPa以上のサクション領域では，乾燥履歴を持たない試料の保水特性と一致することが示されている．このよう含な現象は，収縮挙動の不可逆性として広く認められ

水比ている．収縮挙動の不可逆性は，非膨潤性土壌の水（c）

硬化

分保持特性に見られるヒステリシスとは異なり，間隙構造の塑性変形に起因するものである．第IV章で軟化

は，正規収縮段階における収縮挙動が，飽和土の圧密挙動として解析できることを示した．圧密挙動
は，試料の圧密履歴により違いが生じることが知られている．想定する圧密荷重を過去に経験している
試料は，過圧密土と呼ばれ，その履歴は，6−10gヵ曲
土壌水サクション

図33

線（間隙比一平均主応力関係）に明確に現れる．過軟化・硬化と水分特性曲線注）（a）硬化後（b）練り返し前（c）軟化後圧密土は，過去に経験した荷重以下の荷重では，弾性的な変形を示し，荷重に対する変形量は小さい．

44

中央農業総合研究センター研究報告

第2号（2003．3）

しかし，過去に経験した荷重を越えた荷重が作用すれていると考える．土塊の隙間を埋める単粒化したると，塑性的な変形を起こし，大きな変形が観測さ土粒子は，r乾燥履歴がゼロの土塊」と考える．以れる．乾燥収縮の場合，有効応力の増加は，土壌水

ヤ
下，「土塊」とは，断りがない限り，このような概サクションの増加によってもたらされるので，荷重念的な土塊を指す．ここでは，説明のために乾燥履

履歴は，乾燥履歴あるいはサクション履歴と読み替

歴を3段階に表しているが，実際には連続的な区分えることができる．乾燥履歴のない練り返された試にする．通常，水は間隙により保持されるのものと料は，最初から塑性的な変形を起こし，大きな体積して扱われるが，このモデルではそれぞれの土塊に減少が観察される．乾燥履歴をもっ土壌では，土壌属すると考える．すなわち，全ての間隙は，いずれ

水サクションがその履歴に達するまでは弾性的なわ

かの乾燥履歴を持っ土塊に属するものと扱う．同一

ずかな体積減少しか生じない．しかし，乾燥履歴をの乾燥履歴をもっ土塊は，同一の水分保持特性（排越えるサクションでは，塑性的な収縮を示す．そこ

水過程）を持っと考える．各土塊の間隙は，常に水で，残存土塊を含む代かき土壌を，圧密履歴の異なで飽和していると仮定する．そして，各土塊からのる過圧密土の混合体として捉えることにより，排水

排水は，土塊の収縮によってのみもたらされると仮過程での保水特性への影響を評価するモデルを考え定する．土塊の乾燥履歴は，その土塊に属している

た．

間隙のうち，最大のものが収縮を始めるサクション

ヤ

ヤ

ペ

ヤ

ヤ

（3）過圧密土混合体モデルに対応する．各土塊は，サクションがそれらの乾燥

図34はモデルの概念図である．代かきを受けた履歴を越えるまでは全く排水しない（弾性的）．しか土壌全体が，乾燥履歴の異なる土塊から全て構成さ

し，サクションが乾燥履歴を越えると，その土塊より弱い乾燥履歴を持っ土塊の水分保持特性（含水比一サクション関係）と同一の特性を示す（塑性的）a（図34−b）．

助（Ψ）と助（Ψ）は，乾燥履歴を持っ土塊を含まない土壌（乾燥履歴OkPaの土塊が100％）と含む土

壌の保水特性を表す関数であるとする．Ψは土壌
水サクション，助と勘は含水比を表す．図35は，これらの関数の形状を模式的に示したものである．最
（0）

（1）

（2）

初に，土壌水サクションΨにおける乾燥履歴を持っ

b
w

（0）

w

含

Wo

l

（1）

水
比

輪卜

（2）

％

〜
WI

0

Ψ亘

Ψ2

土壌水サクション

I

i

珊ド

Ψ

11

図34過圧密土混合体モデルが仮定する（a）土壌の構成および（b）土塊の保水特性

Ψ注）代かきされた土壌を乾燥履歴の異なる土塊の集合体であるとみなす．
構成要素である土塊は．その乾燥履歴に応じて（0）（1）（2）（実際は連続分布）に分ける．（0）は乾燥履歴なし、（1）はΨ1の乾燥履歴，（2）はΨ2の乾燥履歴を持っ．その保水特性1よそれぞれ乾燥履歴に至るまでの保水量はゼロ（弾性領域），その後は，土塊（0）と全く等しい（塑性領域）とする，

図35

乾燥履歴を持つ土塊を含む土壌と含まない土壌の水分特性曲線の模式図注）添字「0」は土塊を含まないことを表し，「1」は土塊を含むことを表す．

45

吉田修一郎：粘土質水田における亀裂形成メカニズムに関する研究

土塊を含まない土壌の含水比を以下のように表す、
w。（Ψ）

W。硬）一∫伽。

［33］

［37］

0
ここで，ゐUoは土壌水サクションの減少に対する含水比の増分である．なお，積分はゼロ（＝勘（・・））となる．［37］式は，土壌水サクションrΨ」におけから協o（Ψ）に向かって行う．一方，関数∫（h）をる水分特性曲線の勾配の比のみが，rΨ」より高いサ

r九以上の乾燥履歴（サクション履歴）をもっ土塊のクション履歴をもつ土塊の重量割合を決定すること重量割合」として定義する∫と，乾燥履歴を持っ土塊を意味している．

を含む土壌では，全体のバh）にあたる部分が，hよ∫（Ψ）は1以下の正の数でなければならない．より低いサクション領域では保水に寄与しないため，って，協の傾きは，助の傾きより常に小さいことが土壌水サクションΨにおける含水比は［34］式で表要求される．そのため，図35のように，勘を表す曲

される．

線は，常に地の下方にあることになる．このような条件を満たせば，［37］式を用いることにより，乾燥w。（Ψ）

1（Ψ）＝∫O一伽。［34］

履歴を持っ土塊が含まれることによる保水量の減少

0の程度を推定することが可能である．土塊の重量割［34］式で，Ψとんは，ともに土壌水サクションを合∫（Ψ）と，土塊を含む土壌の水分保持特性を与え表す変数であるが，Ψは助の独立変数として積分区ることにより，土塊を含まない場合の水分保持特性問を定義しており，一方，hは積分変数として積分内を求めることができる．

の関数および増分を定義している。［34］式は，さら（4）残存土塊の保水性に対する影響

この項では，前項で説明した過圧密土混合体モデに次のように置き換えることができる．

細睡浄（h）響h［35］ルを用いて，残存土塊を含む場合の水分保持特性（実測）と含まない場合の水分保持特性を比較する．

oo

実測の水分保持特性には，6月に採取した軽い代か［35］式の右辺第2項は，負の値となる．これは，き区の次表層（5−9cm層）のデータを用いる．残存

過圧密状態（乾燥履歴以下のサクション領域）にあ

土塊含有率∫（h）は，乾燥履歴（サクション）の関数

る土塊による保水量の低減効果を示す［35］式のとして定義される．しかし，実測の残存土塊含有率

両辺をΨについて微分すると：は，その含水比との対応がわかっているだけで，サクション履歴とは直接の関連づけはない．そこで，各土塊が，最も乾燥した時の含水比をそのまま留め響）・響）一涛レ伍）弩h）励［36］ているものと仮定し，含水比が，乾燥履歴サクショ
ンと一義に対応しているとみなす．すなわち，バh）
をバW（h））とみなすことにより定式化した．

oo∫（w）を，含水比がw以下の土塊の重量百分率とを得る．［36］式を整理するとし，含水比50〜100％の範囲で，直線に回帰できるとすると1
表15計算に使用した残存土塊含有率の実測値と近似パラメータ
近似式のパラメータと残存土塊率の実測データ

近似式の寄与率

含水比（％）

用水路側
中
央
排水路側

土塊含有率
（％）

100＞

80＞

70＞

60＞

50＞

郷

ρo

R2

3．22

2．74

2．09

1．17

0．43

0．057

一2．172

0．929

5．78

3．86

1．92

0．73

0．06

0．121

−6．222

0．981

9。71

6．28

2．61

1。71

0．29

0．196

−9．9920．969

46

中央農業総合研究センター研究報告

第2号（2003，3）

表16土塊を含む弱い代かきを受けた土壌（実測値）と土塊の影響を取り除いた同土壌（推定値），強い代かきを受けた土塊の少ない土壌（実測値）の水分保持特性の比較

（単位重量乾土あたり水分

土壌水サクション範囲

3．1〜10kPa％）

10〜100kPa

排水路側
代かき弱区実測値鋤
代かき強区実測値
土塊を含まない場合の推定値卿

13．87

7，99
10．21

（2．22）

16。26（2．39）

8．12（0．13）

14．02

中 央
代かき弱区実測値勘

15．19

6．96

代かき強区実測値
土塊を含まない場合の推定値卿（0．15）

9．49（2．53）

15．70

7．11

（0．15）

15．31（0．12）（0．51）

用水路側
代かき弱区実測値働
代かき強区実測値

14．22

7．34
（2．99）

16．76（2．54）

7．60（0．26）

14．41（0．19）

10．33

土塊を含まない場合の推定値2〃o注）かっこ内は，土塊を含有する代かき弱区の実測値との差∫（w）＝脚＋ん［38］

なしたものは，10mmふるいを通過しなかった大きなものに限られる．そのため，さらに細かい乾燥しここで窺と力は，回帰係数である．表15は，5月

た土塊にっいても同様の評価を行えば，土塊の有無

23日に代かき強度r弱」区において採取した試料にによる保水量の違いは，大きく見積もられた可能性

対するこれらの回帰係数を示したものである．残存はある．しかし，マクロな過圧密の概念をどの程度

土塊の含水比とそれに対応する土壌水サクション

小さなスケールまで持ち込めるかは不明である．特は，土塊を含まない土壌の水分保持特性に本来は一に，細かい土塊では，土塊間の間隙も保水量に影響致させるべきである．しかし，これらが未知であるすることを考慮しなければならず，モデルの仮説がので，ここでは土塊を含む土壌の水分保持特性を用保証されない．そのため，本モデルで，さらに細かいることにすると，［38］式のωはω1に置き換えるこい土塊の影響まで評価するのは，現時点で適当ではとができる．この処理により，［37］式は，ない．以上から，ここでは，保水能力の低い大きな

oにっ

ペ

ヤ

異の主因ではないことを結論するにとどめる．

伽1

評

融

1一灘1一んヤ

土塊の混在は，代かき強度の違いによる保水量の差

いて次のように解くことができる．

のo

ヤ

ペ

（5）土壌物理性に対する代かきの長期的な影響

一還元による物理化学性の変化一［39］

この微分方程式は，次のような解をもっ1W︒

1＝一lnO一灘1一ん）＋C［40］溺

代かきにより細粒化した水田土壌の物理性の変化にっいては，これまでにいくっか報告がなされている．代かき土の物理化学的変化の速さは，還元の進

行と還元に対する土壌の受容性に依存する．下島（110）や飯田ら（46）は，強度な代かきにより酸化還元

Cは積分定数である．Cが未知であるため，特定の電位が大きく減少することを示した．水田土壌の還サクシヲンの時の保水量（含水比）を［40］式から求元は，微生物による酸素の消費によって始まる．湛めるのは不可能である．しかし，サクション間での水下にある土壌で1よ酸素の交換が行われにくいた

保水量は，Cが相殺されるため計算できる．表16

め，酸素が不足する．特に，強い代かきによる土壌は，本モデルによって計算された土塊を含まない場の細粒化は，透水性や通気性を低下させ，酸素が不合の保水量を示したものである．サクション範囲，

足した状態を助長する．その結果，還元が早く進む

3．1〜10kPa，10〜100kPaにおける代かき強度の違と考えられる．還元による土壌の物理化学性の変化

いによる実際の保水量の差異は，2％もあるのに対に関する研究は，古くは喜田・川口（55）（56），斎藤・川し，モデルで推定された土塊の有無による保水量の口（101），本村（77）によっ、て，また最近では，Takahashi

違いは，0．3％程度しかない．ここで，「土塊」と見

andToriyama（123）によって行われている、喜田・川吉田修一郎：粘土質水田における亀裂形成メカニズムに関する研究

47

口（55）は，常温と低温での湛水処理による土塊の安定ようなペッドとペッド間間隙で構成されると仮定す

性の変化を比較し，還元による土塊の安定性の低下

る．低サクション領域の保水性は，主にペッド間間作用の存在を示している．また，喜田・川口（56）は，隙の保水に依存し，高サクション領域の保水性は，還元による保水性の増加を示している．これらの変主にペッドによる保水に依存すると考えられる．還化は，還元により有機，無機の親水性コロイドが生

元により生成される親水性物質は，直接的には，ペ成することによりもたらされると考察している．

ッドの保水能力を高める働きをすると考えられる．

T＆kahashi

代かきを受け，その後湛水が維持された状態では，

andToriyama（123）は，鉄の形態変化が，酸化還元による土壌の物理性の変化に大きな影響をペッドはおおむね飽和状態にある．そのため，ペッ及ぼしていることを示している．いずれにしても，ドの保水量の増加は，ペッドの膨潤にっながる．

還元により化学的に生成される物質が，土壌の保水

図36は，最初aの状態にあったペッド（濃い灰色

性を増加させ，土粒子の集合体の安定性を低下させの楕円で表された部分）が個々に膨潤し，bまたはるという点までは明らかにされている．ただし，そcの状態になることを示している．ペッドが自由にの作用メカニズムはまだ十分には解明されていな移動できれば，各ペッドの膨潤に伴い，bのようにい．

ペッド間間隙（薄い灰色で表された部分）も広がる．

本実験では，湛水期間中にいずれの試験区およびそのため，このような自由なペッドの膨潤が起こる層においても100kPa以上の高サクション領域の保場合には，全サクション領域の水分が増加すると考水量は増加した．また，0−4cm層では，100kPa以えられる．一方，自重などの拘束圧が土壌に作用し下の低サクション領域での保水量も増加傾向にあっている場合には，ペッドの膨潤によりペッド同士がた．しかし，5−9cm層においては，100kP＆以下のせん断変形を起こし，cに示したように，ペッド間

低サクション領域での保水量はむしろ減少傾向にあ間隙（薄い灰色で表された部分）はっぶれてしまう．

った。そこで，還元の進行により親水性の高い物質

そのため，高サクション領域の水分は増加するが，が生成されることを前提として，この現象が各サク

低サクション領域の水分は減少すると考えられる．

ション領域の保水量の増減にどのような影響をもた

これらは，自重による拘束がない0−4cm層と自重らすのかを考察する．

による拘束がある5−9cm層の保水量の増加特性の考察にあたり，代かきされた土壌の構造が図36の違いを説明するための一つの仮説である．0−4cm
層と5−9cm層の間には，自重の違い以外にも，土塊

ド間間隙含有量の違い，還元の進行の違いなど，多くの差異

te卜P叫P・爬）が認められる．ここでは，還元によるいわゆる親水︒ッa

性物質の生成とそれに伴う微視的なレベルでの水分︒ッド（ped）

保持特性の変化，さらに，比較的大きなスケールの間隙構造の変化へと続く一連の現象として仮説を提示したが，個々のメカニズムにっいては，未解明な点が多く，さらなる実証的な研究が必要である．
（6）代かき強度が亀裂の形成に及ぼす影響

保水量が大きいほど，．土壌の最大可能収縮量は大きくなるため，乾燥により発生する亀裂の面積は大きくなる．また，収縮時の気相の増加が小さいほど亀裂の面積は大きくなる（図30）．そこで，保水量の違いや気相の増加量の違いが亀裂の面積率に及ぼす影響を推定する．乾燥による土壌の体積減少量は，
図36ペッドの膨潤によるペッド間間隙の変化

圃場では水平方向には亀裂，鉛直方向には沈下として現れる（図30）．ペースト状の高水分の土壌が乾注）a二膨潤前の状態．b二外部からの拘束がない場合の自由な膨潤，
c：外部からの拘束がある場合の膨潤燥する場合には，初期段階では鉛直方向の沈下のみ

48

中央農業総合研究センター研究報告が生じ，土壌が自立するようになってから初めて水平方向の収縮が観察される（103）．水平方向の収縮が第2号（2003。3）

／

a

＼

、

始まる時の土壌水サクションと，亀裂が最初に発生する土壌水サクションは，おおむね一致しており，
1kP＆〜10kPaの間とされ七いる（25）（62）（86とそこで亀＼￥裂は，土壌水サクションが3．1kPa（≒pF1．5）になっ』＼たときに発生し，その収縮は等方的であることを仮定する．土壌が100kPa（≒pF3．O）まで乾燥したと

b

＼

、＼

／

きの亀裂部の面積率は，飽和が維持されるときには［41］式，気相の増加を考慮した場合には，［42］式でそれぞれ計算できる．r飽和が維持されるとき」は，

毒も土壌水サクションの増加に対する収縮量の上限（可能最大収縮量）を示し，排水量が全て収縮にっなが

図37代かき強度による亀裂パターンの違いった場合の亀裂容積を推定する．r気相の増加を考慮したとき」とは，気相の増加により収縮量が排水

注）a二代かき強度弱（1回）

b：代かき強度

強（9回）

ともに条間隔60cm，蒸散有り

量を下回る場合の亀裂容積を推定する．

も有意な違いが見られた．しかし，代かき強度によ

オR＝（妬＋1匹（輪＋1）2β［41］（33．1＋1）213

・

オR＝（臨＋1ア熔一（輪＋％＋1ヂ［42］る面積率の差異1よ最大で2％程度であり，量的には小さい，r可能最大亀裂面積率」は，0−4cm層で約20％，5−9cm層で15％程度である．一方，気相の増加を考慮すると，6月の0−4cmおよび5−9cm
層で，代かき強度による亀裂面積率の推定値に有意（33．1＋1）2／3

な違いが現れた．代かき強度による面積率の差異はここで，濯〜は亀裂部の面積率，33．1は3．1kPaにお最大で2．6％であった．8月には代かき強度によるける体積含水比，・91。。は100kPaにおける体積含水

亀裂面積率の違いは認められない．亀裂面積率の推比，ω100は100k：Paにおける気相比をそれぞれ表す．

定値は，8月の0−4cm層で約15％，5−9cm層で8〜［42］式および図30では，土壌水サクションが3．1kPa9％である．最も乾燥が進んだ時期における当該圃の時に気相は存在しないことを仮定した．表14に場の実際の亀裂面積率は，表面で10〜14％であっ示したデータに基づいて，亀裂の面積率を計算した

た．

のが表17である．飽和を仮定した場合，土壌水サク

図37は，第皿章，表4で特性値を示した亀裂パタ

ションが3．1kPa〜100kPaの間の保水量に有意な違ーンのうち，代かき強度の影響が明確に現れているいが見られた6月の5−9cm層で，亀裂の面積率に同一日（1999年9月10日）に記録した二っを取り上げたものである．（a）代かき弱（1回）区では，方表17

収縮特性による亀裂面積率の推定
層位

採取
時期

0−4cm

飽和を仮定
した場合

代かき強度（総回数）
弱（1） 中（3） 強（5）

6／13

16．55

8／17

5−9cm

0−4cm
気相の増加を

6／13

考慮した場合5−9cm

21．26

6／13

8／17

向が入り乱れた亀裂で構成されているのに対し，13．67b

14．09

16．56
21．28

17．05
20．22

15．25a15．55a＊＊

13．79

13．93

9．38b 10．l I b 11．96a＊＊
8／17 15・68 15・30 14・36

6／13

8／17
注1）＊＊1％の水準で有意差有り

9，58

7．80b

10．40a7．73

9．99a＊
7．75＊5％の水準で有意差有り

2）アルファベットはTukeyの法による多重比較の結果で・異なる文字の水準間に有意差が認められることを表す．

（b）代かき強（この実験では9回）区では，条に沿った直線的な幅の広い亀裂とそれに直交する細い亀裂によって構成されている．直感的にこれらを観察すると，代かき9回区の方が，亀裂が良く発達しているように見える．しかし，実際の亀裂の面積率

は，代かき弱（1回）区の方が13％，代かき強（9回）区の方が12％とほとんど変わらない．実際の圃場でも，代かき強度の違いによる亀裂面積率の違いは明確ではないことが，うかがわれる．代かき強度吉田修一郎：粘土質水田における亀裂形成メカニズムに関する研究

49の影響は，亀裂の面積，すなわちr量」より，第皿1 代かき土壌中には，含水比が明らかに低い土塊章で述べたような亀裂形状パターンの違い，すなわ

が，代かき直後のみならず1，3ヶ月の湛水期間

ち，r質」の方に現れる．土塊の含有率から判断すれを経ても残存している．これらの土塊の割合

ば，代かき強度による土壌構造の差異は8月におい、は，代かき強度の増加に伴い減少する．すなわても残存している．しかし，採取土壌を脱水したとち，代かき強度の違いによる土壌構造の違い

きの気相比の違いは，8月採取試料ではみられな

は，代かき後3ヶ月を経過しても残存している．

い，これらから，代かき強度の違いによる亀裂パタ

2 代かきによる保水・収縮特性への影響1よ時期，ーンの相違は，採取試料の収縮特性では評価できな

土層，サクション領域により異なる傾向を示

い土壌構造のわずかな違いに起因するものと考えらす．

れる．強い代かきを行った試験区では土壌の均一性（1）短期的な代かき強度の影響は，全サクション領が高く，収縮に伴う土壌中の局所的なひずみが生じ域における保水量の違いとして5−9cm層で，にくい．そのため，第皿章で述べたような根系によまた，100kPaにおける気相比の違いとして0−

る破壊強度の規則的な分布や，第罪章で論じたよう4cm層において現れる．

な水分の移動に基づく応力分布に従って亀裂が生じ（2）長期的な代かき強度の影響は，0−4cm層におる．しかし，軽い代かきを施した区では，土壌が不ける3ヶ月間の保水量の増加量の違いとして現

均一で，土壌内に局所的なひずみが生じやすい．それる．0−4cm層では，保水量はすべてのサクのため，小さな間隔で亀裂が発生しやすいと考えらション領域で増加するが，5−9cm層では高サクション領域の保水量のみが増加する．

れる．
3．

4．まとめ

代かきによる保水性への短期的な影響は，r練
り返しによる硬化現象」と包括的には捉えるこ

本章では，代かき強度が水田土壌の収縮特性に与とができる．その原因は，保水能力の低い土塊える影響を評価した．圃場において，代かき強度をの含有量の多少のみにより説明できるものでは

弱，中，強の3水準とした試験区を設け，代かき直後，およびその3ヶ月後の土壌を湛水が地表面にわない。
4．

代かきによる保水性への長期的な影響1よ還元

ずかに残る状態において採取した．亀裂の発達とのの進行に伴う親水性物質の生成に起因するとさ関連を考慮して，加圧板法により土壌水サクションれる．しかし，影響を与える物質の特定，そのが3．1kPa，10kPa，100kPaの時の含水量を測定す

物質が保水量を増加させるメカニズム，さらるとともに，収縮に伴い形成される内部の微細亀裂に，これら微視的な挙動が間隙構造の変化に及の指標として100kP段における気相の割合を測定した．また，土壌中に残存する土塊の割合を擬乱土壌

ぼす影響などはいずれも未解明であり，水田土壌の物理性の研究においてさらに解明されるべき課題である．

のふるい分けと含水比によるスクリーニングにより求めた．これらのデータを基に，代かきが土壌の保5．

代かき強度による保水量の違いや，収縮時の気水特性に及ぼす影響壱短期的なものと長期的なもの

相の増加特性の違いが亀裂の面積率に及ぼす影に分けて議論した。また，これらの保水特性や収縮響は小さい．代かき強度による亀裂形状パター

特性の違いが，亀裂の形成に及ぼす影響にっいてもンの違いは，力学的強度の不均一性のわずかな定量的な評価を行った．その結果以下の結論を得

違いによりもたらされる．しかし，この強度特た．

性の差異は，採取不撹乱試料の保水特性や収縮特性からは評価できない．

50

中央農業総合研究センター研究報告VI結1．本論文のまとめ

第2号（2003．3）

目
によりそのパターンの定量化を図った．定量化に粘土質水田では，乾燥が進むと，大きな亀裂が形

は，条の方向に対する亀裂の方向性を示すrCD1」，成される．水田における転換畑作物の栽培では，乾亀裂の平均的な幅と等価なrE四」，形状パターンの燥による亀裂の形成は，圃場の地下排水性の向上に

複雑度を表す「伊」，条に直交する亀裂の間隔を表っながる．そのため，排水性の向上に有効な亀裂をすrCS」，の各指標を用いた．これらの指標にっい

積極的に形成させるような圃場の管理が求められて分散分析した結果，1）水稲からの蒸散1よ条にる．一方，中山間地の棚田では，耕作放棄や干ばっ沿った直線上の亀裂を誘起する．2）条間隔の拡大により圃場が乾燥し，大きな亀裂が形成されると，は，亀裂の平均的な幅を増大させる．3）強い代かき水田としての貯水能力が失われる．その結果，降水は，直線的な幅の広い単純な亀裂パターンを誘起す

が地中に浸透し，法面崩壊や斜面災害の危険性が増る，以上の結論を統計的に導いた．

大する．そのため．傾斜地の水田では，亀裂の発達

第二に，条間に発生する線状亀裂の形成メカニズを抑制する管理が求められる．このように，亀裂のムを解明するため，数値モデルを用いた解析を試み

管理は，粘土質水田を乾燥状態にさらす場合に重要た．粘質土の収縮挙動が圧密挙動と等価であることな問題である．

を応用し，2次元非線形弾性圧密モデルを用いて，土壌の亀裂形成やその結果生じる特徴的な形状パ

水稲条間における土壌の収縮挙動の数値シミュレー

ターンに関する研究は，理学的視点と実学的視点のションを行った，モデルの適用性は，水稲条間（畦双方から研究が行われてきた．例えば，地質学者た間）を模した室内模型実験により検証した．これら

ちは，植生に影響されない裸地に発生する亀裂の結果から，1）畦間に発生する畦に沿った線状亀裂（mudcrack）の形状パターンを力学的に解析しよう

は，左右二方向からの水分の損失によって特定の位とした．しかし，予測できない不均一性に支配され置に形成される引張有効応力により誘起されるこる面が強いために，パターン形成を完全に説明すると，2）引張有効応力は，サクションの増加が進んことは不可能であった．また，農学者は，作物の配でいる部分に隣接し，かつ増加が始まっていない領置と亀裂の発生との間に関係があることを古くから域（サクション増加前線近傍）において発生しやす認めてきた．しかし，そのメカニズムを理論的に解

いこと，3）亀裂は，極めて小さい引張有効応力によって発生すること，を示した．また，この数値モ析することに成功していない．

以上から，本研究では，水稲作付け条件下の水田

デルを用い，条問隔，土層の厚さ，脱水速度（側面における亀裂の形成を制御する手法の開発を念頭にからのフラックス）を変化させたときの土壌の引張置き，r粘土質水田に発生する乾燥亀裂の適正管理

有効応力分布を数値実験により推定した．その結のための営農的な支配要因の定量的，理論的な解

果，条問の引張有効応力分布は，中央に集中する場

明」を目的とした．

合（単極化）と，中央から逸れた位置に極大点が2

第一に，水田における亀裂形状パターンを支配す点形成される場合（2極化）があることが明らかにる営農的な要因を総合的に明らかにするために，実なった．条間隔が広いほど，土層の厚さが浅いほ験計画法に基づく要因試験を水稲栽培下にある粘土

ど，また，脱水速度が大きいほど，引張有効応力は質水田において実施した．亀裂の形成へ影響を及ぼ

二極化することを示した．引張有効応力分布の2す営農的要因として，1）蒸散の有無2）条間隔（30極化は，条に沿った亀裂の複線化を促し，逆に単極cm，60cm），3）代かき強度（軽，中，強）を想定

化は，亀裂を単線化させることを，圃場での観測結し，これらの要因および処理を実験計画法に則り試験圃場に割り付けた．圃場は，落水まで湿潤な状態

果との対応から指摘した．そして，条間隔の拡大による亀裂幅の増大効果には，一定の限度があることLを維持し，夏期の晴天時に落水した．条間に発生しを示した．

た亀裂を透明のシートにトレースし，画像解析手法

第三に，代かき強度が，亀裂形状パターンに与え吉田修一郎：粘土質水田における亀裂形成メカニズムに関する研究

51

る影響の作用メカニズムを解明するため，代かき強2．亀裂形成制御への応用と課題度の違いによる土壌の収縮特性の変動や土壌構造の

1）粘土質水田の排水改善への応用

違いを詳細に検討した．圃場において，代かき強度

暗渠が設置された圃場において，地下排水のスム

を弱，中，強の3水準とした試験区を設け，代かき

ーズな水みちとして大きな屈曲の少ない亀裂の形成

直後，およびその3ヶ月後の土壌を400m1のサンプを促進するためには，代かきを強く行い，水稲の蒸ラーおよび撹乱状態で採取した．採取した不撹乱土

散の盛んな時期に乾燥させる．また，条問隔は，通壌は，加圧板を用いて脱水レ

常より広げる．但し，広げすぎると，亀裂が複線化

その保水・収縮特性を調べた。麗乱土壌は，水流を当てながらふるい分

し，個々の亀裂が小さく連絡性の悪いものとなる．

）けし，残存する土塊の割合とそれらの含水比を測定

同時に，裸地部分が広くなり，圃場の乾燥も進みにした．代かき土壌中には，含水比が明らかに低い土

くい．なお，本研究では，条間隔のみを検討したが，塊が，代かき直後のみならず，3ヶ月の湛水期間を株間を広げることによっても同様な効果が期待され経ても残存しており，一これらの土塊の割合は，代かる，

き強度の増加に伴い減少した．このことから代かき

実際に水稲が栽培されている条件の下で，排水性強度の違いによる土壌構造の違いは，代かき後3ヶの向上のための亀裂の制御を行うとした場合，さら月を経過しても残存していると結論した．また，代に検討を要する点としては，1）水稲の収量や品質にかきによる保水・収縮特性への影響は，時期，土層，影響が及ばず，かつ有効な亀裂の形成が可能な圃場サクション領域により異なる傾向を示すことを明らの乾燥時期および乾燥強度，2）排水性の向上に効果かにした．短期的な代かき強度の影響は，全サクシのある亀裂制御処理（条または株問隔の調整）の位

ョン領域における保水量の違いとして5−9cm層で，置及び配置，が重要と考えられる，いくらでも乾燥

また，100kPaにおける気相比の違いとして0−4cm

させることが可能であれば，大亀裂の誘起は特に難層において現れた．代かき強度の違いによる保水量しいことではない．しかし，作物の栽培下では，乾の差異は，練り返しによる硬化に起因するものであ燥程度に制約があり，それ故，効果的な亀裂の制御ると考察した．また，気相比の差異は，練り返しにに意味があることを考えれば，1）の点の検討は重要

よる力学強度の均一化に起因するものであると考察である．2）にっいては，暗渠と亀裂との連絡を考えした．一方，長期的な代かき強度の影響は，3ヶ月

れば，暗渠に直交する方向の亀裂の誘起が，最も効間の保水量の変化の違いとして現れた．0−4cm層果的であると推察される．

では，保水量はすべてのサクション領域で増加する

大亀裂が形成されると，亀裂部以外は緻密な構造

が，5−9cm層では高サクション領域の保水量のみとなる．そのため，畑として用いる場合には，砕土が増加した．このような，長期間の湛水に伴う保水性や作物の根圏環境に悪影響を及ぼす．また，条問量の変化と層位によるこれらの傾向の差異にっいて隔や株問を全体的に拡大するとなれば，水稲の作付は，還元の進行による親水性物質の増加や自重の拘体系を大幅に変更することになる．そのため，大亀束の影響等が重要な要因として挙げられるが，その裂の誘起は，圃場全体に施すのではなく，局所的なメカニズムにっいては今後の研究課題とした．さら処理が適当であると考えられる。大亀裂を誘起するに，代かき強度による収縮時の気相の増加特性の違部分以外では，むしろ大きな亀裂を抑制し，土壌のいが，湛水期間中に消失する一方で，土塊の含有率

粗間隙の発達を促すことが望ましい．粗間隙に富んの違いは湛水期間中に消失していないことから，代だ土壌は，フライアビリティーが高く，砕土性に優

かき強度による亀裂形状パターンの違いは，土壌構れている（131）．そのためには，水稲を密植にし，代か造の差異によるわずかな力学的強度の不均一性によ

きを過剰に行わないことが効果的である．また，冬りもたらされるものであり，採取試料の収縮特性か

作物や，前作の刈りあと（地上部を刈り取った後放らは評価できないと結論した．

置された残根）が存在すると，春期の乾燥に伴う

以上，水稲作付け条件下にある粘土質水田におけ土壌の収縮により，微細亀裂が発達しやすく，土壌る亀裂の形成を支配する営農的要因およびそれらの作用機構を実験的，理論的に解明した』構造の形成が進みやすいことが示唆されている（142）（143）・土壌の物理性が劣悪で，排水性も悪い畑

52

中央農業総合研究センター研究報告

第2号（2003，3）

転換初年目の営農条件を改善するためには，このよ

大亀裂の発生を抑制し，下層の乾燥を防ぐ管理も可

うな水稲栽培期間中の亀裂の制御と収穫後の適正な能ならば必要と考えられる．そのためには，植物の圃場の管理の組み合わせが必要と考えられる．

根系で圃場表面を均等に覆い，同時に下層からの水

2）耕作放棄田の簡易な管理への応用

分の吸収は少なく抑えるのが効果的であろう．この耕作放棄田では，管理主体が不在もしくは管理すための方法としては，畦畔や法面の植被に用いられる余裕が無いのが通例である．そのため，多くの場

る植物などによる圃場面被覆が考えられる．隣接す

合，落水された水田の状態で放置される．放棄される棚田の上部を放棄し，下部を耕作する場合など，た直後は，湿潤な状態のため，アシなどの多湿を好水田団地内の一部が放棄される場合には，このようむ植物が圃場面を覆う．しかし，乾燥が進むと，亀な簡易な管理も選択肢の一っとして考えられる．

裂が発生し，圃場面は，より乾燥しやすい状態とな

本論文では，これらの営農的な技術の可能性とそる（141）．そのため．放棄田を農地として維持するたの物理的な根拠を示すにとどまっており，技術化にめには，湛水を維持し，アシの侵入をくい止めるの際しては更なる実証試験が必要である．今後の技術が，最も容易な方法である，しかし，水の供給が途の検証や応用の場において，本論文が有用な情報と絶えれば，即座に大亀裂が土層の深部に達するおそなれば幸いである．

れがある．そのため，乾燥することを念頭に置き，参考文献
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Crack

prediction

patterninanalysis￡or

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StUdy

On

and

L．Wl

Morphological

Sci．，

in

clay

of

actualsoils。Soil

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heavy

clay

soil

at

variousgeometry

stresses．Soil

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verticalchangessoilin（1991）Relation

movements

cr＆cking

andbetweenwater−content

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spacingtoswelling

soils．Soil

Dekker（1978）A

soils．Soil

15．Con￡esor

Observations。Geoderma，20，

Hydraulic

intO

（iry

Clay

SOil

predict

1921
14．Chertkovl
Tortuosity

27−40
and

and

Sci。，148，87−93

I：

9．Brasher，B．R．，D．P

bulk−density

measurelments．Soilan（1subsi（lenceCase

inf正1tratiOnfor」．シ55，1220−1226

6．Blight，G．E．（1966）Strength

of

clods

Bmnswijk，J．」．B（1989〉Predictionofεl（1941）General

soil

101，1081α

cracking

Sci．，4，244−259

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coat

VY
of

S．E．Davidson（1966）Useof

V＆1assis，

wet−seeded

saran

18

resin

networkcrack

geometryin

Sci．Soc．Am．」．，64，1918−

and

crack

I．Ravina（1999）

networksswelling

inclay

Sci．Soc。Am．」．，63，1523−1530

J簸，

R．B．，

properties

drie（1pu（1（11e（lFranzmeier，Vcrack

surface

soils

TP

Tuong

（1997）・

an〔l

crack

un（lertransplanted

rice．Philippine

J．Croppatternofan（1Sci．，22，

53

吉田修一郎：粘土質水田における亀裂形成メカニズムに関する研究

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andExperimental

in

A．

Higashiresearchondesiccation

cracks（1983〉A

reportNo．66，USArmyequation：1．The

soi1．Research

Cold

Regions

Rese＆rch（1960）

and

28．

29。

17．Crescimanno，G．and
Soilshrink＆ge

soils：measurement

and

curve

in

prediction。Soil

clay

30．

and

E。

DE

potentialan（l（1988）

cracking

Saskatchewan．Canadianin

J．Soil31．

Dimension

後藤定年・小林潤（1957）湿田土壌の亀裂の性
後藤定年・小林潤（1960）湿田粘質土壌のキ裂

Grossman，R．B．，D．P．Br段sher，D．P。

Franzmeier

andJ．L．Walker（1968）Linear

clay

extensibility

ascalculated

soils

of

bulk

Sci．，68，251−

andG．B．Shashidhara（1993）

densityfromn景tura1−clodmeasurement．Soil

Sci．Soc．

volume（1if￡erent

crop

of

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Astudyoncrackinginsomevertisolsofthe

in

34．

Sudan．Geoderma，5，229−241

with

Sci．，

with

volume−changes

variationsofHallaireシ

V，

networks

duringgrass（1984）

shrinkageof

winterwheat

and

J．Bouma

農土論集，53，39−47

Symposium

on

Water

characteristics

in

Clay

Soils，ILRI

soi1。Soil

Wageningen，thecap＆cityinaswelling

Sci．，

98，41335．

Heavy

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36．

content

crack

a

and

crack

clay

soil

crops．In

SoluteMovement

Publ．No．37，

Netherlands，49−54

application

proP＆gation

and

J。P．K

offracturein（lrySevillemeehanics

soi1．European

J．

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21．EL

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Shrink−swell

260

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C1＆y

Heavy

and

by

pattems

shrinking．負ndinswelling。In

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Water

and

SoluteSoils，ILRI

Movement

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Bavey（1997）

dimensional
dimensional

Numerical

anisotropic
water

flow

model

of

de￡ormationinSci．，162，410−420swelling

3−

uptake

by

roots

in

and1−

movement

inclayeysubsoi1．Soil

soils。Soil

cracksandwater

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54

中央農業総合研究センター研究報告

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Tume葛

Jr

in

designUnivl

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the

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of

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stresses

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Plains。Agronomy

of

of

the

moist皿etheconservation

southwestern

shrinking66．

H．0．Hill（1944）Aand

swelling

Studyproperties

ofLewis，R．W

and

B．A．Schre且er（1998）The

finiteelement

methodinthestaticanddynamicde￡ormation

andconsolidationofporousmedia：Second

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49

第2号（2003．3）

Lima，L蓋。andcrackmorphology

153，149−153

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soil

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and

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of

soil

relatedthirty−three

curve

cultivationin（1ices

e任ectsvertiso1．Soil

on

to

soil

（1988）Consolid段tion
clay

of

a

85．

units

of

ofsoiL

71．Mitchell
EscapevolumeSoilchangeinNormalcy

．Soil

of

bare

（1993）Floo（1irrig翫tion

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cultivate（i

soi1。

87．

M，Th．vanofacracke（1soiL

133−139（e（ls），

Proc，

Elements

in

4th．

Water

P段inuli

Int．

and

Con￡

in

a

on

W

Gray

FiniteResources，Hannover，

large−

rice−soil

consoli（1ation．Geotechni（lue，26，495−

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510

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Zielke，C。A。Brebbia，G．Pinder

Soil

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Soil

soi1．Soilof

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92．

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clay℃olloid

pastes．Aust．」。

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Philip，」．R．and

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ofvolumesorptioncomponentan（1changesystems，Aust。」．SoiL

in

three

Res。，7ン1−

19

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repairofcyclesandacompacted

crops．Soil

vertisolwithwet−dry

Sci。Soc。Am．」り63，

56

中央農業総合研究センター研究報告

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crack

investigation

heterogeneity

Euro。J。Soil

and

into

using

fractalbetweenmicrobes，

complexity

of

soil

geometry．

andsubstrate

additions，dryingtheofsoils．Soil

Symposium

Movement

Heavy

in

aqueous

BioL

saturate（1media．Soil

段nd

of

cracking

Water

Proc．，34，565−569

Soils，ILRI

Pub1，

108．Sharma，P．K．and

Netherlands，23−38（1969）One−

motion

of

the

solid

phase

of

saturatedporousSci．，107，329・333

ofsurface

apPlication

to

crack

cr＆cksinsoils：

development

after

measurements
shrinkage

of

J．E．Adams（1974）Field
evaporation

cracks。Soil

from

soil

Sci．Soc．Am．Proc．，

38，131−134

lowl＆ndandrice

naturalrestructuringsoils，Soi斗physics

and

of

rice，245−

water

properties．

content

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soils．Advances

in

Soil

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cracksmediumsoilof

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in

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soils．Soil

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flow

in

swelling

OfM．」．Rosenthal（1968）The

Water

in

SWelling

materialS．

Res．，6，237−248

114．Snyder，VA．and
strength

into

Sci．Soc．Am．」．，59，313−318

of

R．D．Miller（1985）Tensile

unsaturate（1soils．Soil

Sci，Soc，Am．」．，49，58−65

A．」，Ringrose−Voase

Man＆gementofrice−based

croPPing

Soil

and

clay

Tillagesoils￡ormaterial（2000）

r＆infedsystems：anlowlandoverview．

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260

集性（第1報）

inD．Ktrkh＆m（1970）SoiI

properties

Aust．」．Soil

mSait・，M（1985）Structure，、structural
stabilityout−breakrheological

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Physical

Plant

98．Ringrose・Voase，A．J．and W．B．Sanidad（1996）A method
or measuring thedevelopment

crack

experiment．Soil

Solutepartially

soil

its

and

and

the

J．Kεぽube（1985）

duringdryingasinnuencedbycracks：Aon

A．Kluteandan（i107．Selim，H．M．andlaboratory

simultaneous

phase

Process

P．A．C．Raats（eds．）

No．37，Wageningen，thedimensional

visibletemperature

Clay

97，Raats，P．A．C，and

on

and

茨城大学農学部学術報告，33，83−93

structural

96．Raats，P．A．C．（1984）Mechanics

Proc．ISSS

土の物理学，森北出版，97−120

Stu（1ies

stability

and編

I．M．Ybung

αnd

J．Bouma

105．佐藤晃一（1979）収縮と膨潤，土壌物理研究会

an（lBiochem．，31，1541−1547

soils．In

28，12−16

106．Satq，T．，R．Yasutomi

Sci．シ48，31−37（1999）：Links

nativeI．M．Ybungsources

95，Preston，S．，B．S，Griffiths

lowland

第2号（2003．3）

thoretical

of

soil

coordinate

andR．」．Reginato

interpretation

swellingoffie1（1throughtransformation．Soil

a

Sci．

Soc．Am．」．，40，208−211

117．SSSA（1986）Methods

Physical

and

of

soil

analysis：1．

minemlogicalmethods．2nd

57

吉田修一郎：粘土質水田における亀裂形成メカニズムに関する研究132。 vane（lition．

118．SSSA（1997）Glossary

of

soil

science

terms

Tak，L．D．and

Irrigation，

cracking

1996
119．Stirk，G．B．（1954）Some

aspectssoil

cracking

upon

shrinkage

an（l

the

ef￡ect

water

into

the

soi1．Aust．」．Agric．Res，，

entry

of

of

133．

（1rainage

120．田渕俊雄・中野政詩・鈴木誠治（1966）粘土質

134．

M．E．Grismer（1987）

an（l

soil

S．Daressian（1981）Soilrein￡orcementbyroots：Calculation

increase（l

shear

soil

resistanceョ田の刈取り期の落水（大浜町）．農土論集

enhancementof1，22−meter

18シ18−24

cross

by

Changes

土論集，18，39−47

122．高田直俊・今井五郎・木山正明（1979）圧密沈

ironoxides

and
in

in

soil

microstructure

withdryingandreducingtreatment．土壌の137．

alfalfasoilroots．Soil

salinized

clay

field

Sci．，156，414−423

in

M．C．Papadopoulou

clays

analysis

perspective．In

Fukue，（e（ls．）

M．

content，andswelling

Clay

with

an

im＆ge

Adachi，K．and
Science￡or山崎不二雄・竹中肇・田淵俊雄・多田敦（1965）

粘土質の水田の暗渠排水における心土亀裂の役割．農業土木研究，32，151−159

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渡辺忠世編稲のアジア史

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12＆Tariq，A．
Analytical

and

D．S．Durn￡ord

volumesoils．Soilchange（1993）

model￡orswelling

Sci．Soc。Am，」。，157，1183−

一粘土質土壌の理工学性と土壌構造に関する研究（1）．農土論集，101，33−45
140． 『Ybder，R．E．（1936）A

directaggreg＆te

analysis

of

soils

an（玉a

physicalnatureoferosionmethodstu（1yofofthelosses。Am．Soc．

Agron。，28，337−351

141．吉田修一郎・高木強治・足立一日出・増本隆夫

1187
129．Taylor

H．M．（1972）Ef￡ect

retention

AmeL

an〔l

diameterEngineering，Balkema，Netherlands，437−442！24，高橋喜彦（1933）粘土の割れ目に就いて．気象

clay

pine

resistance136。 Wijeyesekera，D．C．andof

物理性，78，35−43

Shearcracking，waterof（2001）Cracking

K，船oriyama（1998）Role
changesindensitysoils．Soil

土と基礎，27，101−108
123Takahashi，T（1983）

J．A．

Walle鵯PM，andWWWallender（1993）

135．

bulk

4．竣喋粘土の圧密沈下（その1）．

root

Sci．Soc．Am．」．，47，9−14

暗キョ田の中非カンガイ期の排水（長岡市）．農

下を考える

from

Waldron，L．」，，S．Dakessian，andsectionsofSci．，132，427−435

Nemson粘土質の水田の排水に関する研究（6）小区画

in

Waldron，L．」．andの水田の排水に関する研究（3）大区画無暗キ

121．田渕俊雄・中野政詩・住田章・丸田勇（1966）

salinitysoils．Trans．ASAE，30，740−744

properties。Soil

5，279−290ofapu（1（11e（lofdryingsoil．Soil

on

water

Sci，Soc。

Proc．，36，972−973

130，Tempanyl

H．A．（1917）The

shrinkageofsoils．

Utomo，WE，and
friability

J，SoilA．R．Dexter（1981）Soil
Sci。，32，203（1997）気象条件の変化に伴う中山間地耕作放棄田の土壌物理性の変化．農土論集，191，75−83
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粘土転換畑への冬作物の導入による圃場の排水」．Agric．Sci。，8，312−330

13L

der

213』

性の改善．土壌の物理性，76，3−12
143，Ybshidα，S，andK

Adachi（2001）E佃ect

of

58

中央農業総合研究センター研究報告
roots

on

formεしtionofinterna1

行ssuresin

第2号（2003．3）

145．Yule，D．F．and

J．T．Ritchie

clayeyp＆ddysoilduringdesiccation．土壌のshrinkage

reIationships

物理性，88，53−60

II．Large

cores．Soil

144．Yule，D．F．and

J．T．Ritchie

shrinkage

relationships

1．Smallcores，Soil

1285−1291

of（1980）
Texas

SoiI

vertisols：

Sci。Soc．Am．」．，44，

1291−1295

of（1980）
Texas

Soil

vertisols：

Sci．Soc．Am．」。，44，

Bull．NatL

Agric．Res。Cent．2

Mechanisms
一The

59

1−61（2003．3）

ofCrack

EffectsofFormation

Farming

on

the

in

ClayeyFormation

andPaddy：Fields

Geometryof

Cracks一

Shuichiro『Yそ）shi（1aSummary
Rotation訊1cultivation
countries．In

theclayeyofcropping

periodimprovement

ofdminage

efficiency

thepuddledpaddy

drainageofscientific￡ocused

on

is

into

cr段cksthebetween
has

study

to

factors

experimental

rice．The
factorsorder

design

soil

and

to

not段110wed），2）row
From

M＆y

inducethroughJulylcracks．The

notcracking
inbeen

af￡ectingaperformed

regions，thehumidofuplandtothespacing（30cm
f笈eld

field

clayeyexperimental

submerged。The

were￡0110wing

indices

were

proposedtoquantify

Index）￡or

the

mean

rice

in

a

important

role

is

encouraged

by

been

have

the￡ormation

ofgeometricnotcompletely

have
of

many

in

cultivationengineering．Geologists

beencracking，Agronomists

researchers

of

have

cracks，thetheoreticalclayeypaddies．In

pointedmechanism

point

of

and

elucidate

the

the

to

view，This

paddy

fieldsgeometrylanexperiment

basedduringthecultivationofstandpoint。

abetweenunder

progress

from

Asian

intentional

clayeyh＆s

instructure（1uring

ansimulate

pattems

incommonplayan（1the￡ormation

analyzed

farmingappeared

to

the

on

crack

paddy

field

field

Epiaquepts，＆nd

sur￡acerowsofquantified

thepeculiar

direction

of

rice

was

released

p1＆ntswere

throughcrack

cracks

from

an

with

ofcracks，and℃P冒（Comp＆ctness）￡or

respect

theinAugusttracedininter−row

to

The
or

heavy）。

inonto

im＆ge＆nalyzing

geometries

wetlandrice（allowed

intensity（1ight，medium，or
water

on

contained34−38％clay

were1）transpiration

or60cm），and3）puddling

was

civil

cultivation．While

of

that

width

governingtheygeometry

and

crack

crops

fieldstried

montomorillonitic，mesic，typic

be＆ssigned

p＆ttems

mean

have

crack￡ormationingeometricaltheaphysical

theirWidth）βorInresultantofsuccessfullyef￡ects

the

and

under

of

the

cr＆cksDirectional

soil

in

agriculture

and

Helds

seats，and（Cracksolved。

cultivation

heterogeneity

from

was

both

vegetation

clarify

cl＆yeyltoofcracking

theoryw＆slevelssoil

cultivation

crack￡ormation

underlyingofoccurringunderlying

First，inby

unexpectedcracks

the

in

needs

af￡ectedonmechαnisms

and

the

have￡ocusedclarifye茄ciencydrainage

and

an（l

easilytheiscrack￡ormation

therelationship

for

be

fieldscracking

becauseaimed

essential

to

paddy

of

elucidated

theproblemofinwater．Thus，management

phenomenathedeterioration

crops

desicc＆tion，＆nd

not

of

uplandtopattems．However，the

out

a

and

due

interests

mudremains

fields，cracks￡orm

excessbeneficia1．Research
both

rice

paddies，however，therice

clayeywetlandor（lertotransparent

procedure，The
spaceslα）1rows，uE四（Equiv＆1ent

complexity

ofthe

crack

geome噂

Analysis・fvariance（ANO弘）f・reachindexledstatistic＆11yt・the￡・11・wingc・nclusi・ns・1）
Transpiration

the

space

cracks

and

from

rice

plantsinrows

induces

betweenrows

increases

the

mean

simplifies

thecracking

linearwidthofcracksRese＆rchCenter，National

geometry

Agricultural

Researchparallelcracks。3）Intense

Received：220ctober，2002
Hokuriku

running

Centertopuddling

therows，2）Widening

induceswidelinear60
Secondlyl
which
of

the

numerical

transpiration

clayeypore

apuddled

water

from

absorption

ofw＆ter

ofthe

soil

the

and

hydraulic

and

mean

and

model

observedverified

between

the

in

the

in

soil

recorded

w＆s

soil

the

measuredwithbytracingthepredicted

results

that

the

was

observ＆tion

relationshipbetweenexamined．This

experiment

was

the

puddling

intensity−1ight（puddlingtimes）一were

examined

soil

were

volumeoftheexperiment．Puddling

in

nine

taken

disturbed

puddled

layer

after

the

were

used

to

sampleawithconstantheight．Each

disposablethenmeasured．Thea￡tercylindricalbagplot．Onewet

sample）was

openings

of200mm

and

each

sieve

was

scoured

clod

that

had

not

broken

of

clods

with

less

puddling．The

undisturbed

thataluminum￡oi1．The

were11，3cm

with

apart

water

than80％water

in

row

of

soi1。Thewater

eitherinducedcracksandcracksnumerical

singleaor

doublethinnerlayer

stress。Th重s

phenomenon

mayparallel

the

are

to

issuesrows

suggestanupper

cr＆cks。

shrinkage

randomized

uniquecharacteristics

block

factoLtimes），and

after

designwaslevelsofThreeheavy（puddlingplot，disturbed

monthsofcracks

suction。Further

interroweachsuctioncracks

of

the

and

five

undisturbed

puddling．A

large

cylinder（diameter20cm，length30cm）

thereplicates

depth

clods

pouredof

O−10cmwas

r3maining

into

a

used

by

hand。Ateach

todetermine

soil

in

the

puddled

nest

of

three

soi1，Acircu1紋r

of40mm，20mm，and10mm，respectively
tap

water

at

a

constant

after10secondsofsquirtingcontent

contentofacrylic

inter−row

spacing，andaofclayeylinear

h段s

to

of

amountandrunning

three

soil

of

locationsthatfield．A

plastictheas￡ollows．An

occurrence

the

a

ratio

conductivity）

suction。The

resulting

three

of

made

samplers

theonremainingsmall

remaininga（liameter

each

a

the

stressexamined＆s

puddling紋nd

quantify畠thesample（approximately1．5kg

materi＆lthethe6−Zogρ（voidpaste

ef霊ective

leve1。From

out

water

sieves，each

the

per

raking
from

a

plots

then

and

taken

of

was

insertingwerequarterpaddy

clayeybyreplic段tesothersainastressoflinearandsampledsampling，threecontentl

widthsmechanicalmodeledspacing．These

intensity

intensity

plots，three

was

the

row

specifyphenomenon

provedcracksonce），medium（puddling

twice：just

soil

soil

puddling

interTow

the90cmenlargingper￡ormed

carrysamplesat

ef蚤ective￡orisThirdlyラtheoutdoublethatistensilede￡ormation

that

betweenef￡ectiveofthetransducers．The￡ormationtranspiration且ux，wider

distribution

row−planもed

validity

constant

revealed

tensiletensilelinearof60cm，but

spacing

of

total

the

spacingpressure

stress．Thus，itincreasingthatuse（1tointo

correspondence

double−peaked

row

row

the

the

the

of

as

inducesinglelimit

wellcondition．Greater

the丘eld

atsample．This

distributiontoaelastichowhydraulicconducted

by

soil

the

to

filterstomethod（FEM）．The

filledヤvith

the

on

correspondtheelement

were

of

of

demonstrated

experiments

negativetofromsaturated

experiments

connected

ef￡ective

simulations

soillaboratory

fromtensilebalancefiniteporous丘1ter，was

of

the

puddledathesubject

predicts

parameters

determined

and

cups

surfaces

occur￡0110wingofofporousinevitably

peεしks，dependingofhorizontally

movement，as

distribution

using

spaces．These
made

was

bidirection＆1waterbeper￡ormed

extract6d

the

can

it

by

behaviorthe2−dimensional

movement，and

ratio

soil

mechanism

shrinkage

experiment，describes

parameters

were

sides

on

requiresthe召一Jogた（voidthebase（l

model

and

the

cracks。The

saturated

stress．The

soil．These

analyzeof

thisbidirectional

tointer−row

model

s

was

by

numerical

ofeffective

usedconsolidlation

water

the

inter−rowmoistureatheinduces

bycont＆ine葛with

by

as

were

lineardeveloped￡or

calculations

wasregardedinduces

wasofrect＆ngular

the

be

rice

experiments

mode1，whichstress）relationshiprelationship，・The

the

can

distribution

properties

laboratory

simulated

The

crops

and

row−planted

soil，which

theoryNatl．Agric．Res．Cent，2（2003．3）

modelpressure，wasconsolidation

BulL

and

flow

rate

and

was

placedinofthese

clods

was

weight

of

each

by

weightwereregar（1ed

as

from

O−4cm

and5−9cm

layerssamples

were

taken

diameterand4cmthick．The

moisture

The
from

in

the

a

clods
with

undisturbed

Shuichiro

samplesthewasweightextracted

andsignific＆ntly

contentofremainingremained．Puddlingintensity
betweenintensity

was

seen

to

due

to

hardeningastheintensityontheclo（lsvaried

and

of

in

the

air−filled

layer

just

after

imposedIayersef￡ectincrement

theofbackpressures

water

at

differenceduepuddling

water
among

retention
thesuctionrange，thethesurfacelayer，puddling

physico℃hemicalchangesretained

three

the

dehydrationnotrevealed

littlemeasuredduetopuddling

intensity

properties

of

the

puddledsion，the
are

soill

these

made

properties

properties

cannotbedoes

reflectthedif￡erenceinofthisstudy

areexpected

toprovideanprocedure

toinducewide，str段ight

to

into

does

soil

not

structurethatabun（lance

surfacewαtersmoothly

under−dr段inage

corroborative

fieldstudies

will

be

of

great

management

ofclayeypad（lyfieldsand￡orsensedsubstantially

in

by

an

the

the

the

the

areal

of

condition
ratioscorresponded
variation

variation

shrinkage

the

crack

at

by

water

in

in
the

test￡orretentiongeometry

usefulcracksstablehave

fragilityofin￡ormation

importance

to

the

the

the

af￡ectincreased

exceptestimation

determines

systemsthetocontroldi￡￡erences

clods

order

th＆t

subtleremainingthedifferenceclods

condition．The

in

revealedfromofmanagement．Especiallylbeoflargeconditions．Intense

dif￡erence

characteristics。This

importantderivedexpected

content

crack

the

was

also

field

ef￡ective￡ortreatments

cannotthefurthersubmerged

desiccation

with

lead

a

generatedshrinkage

results

instressfromThemonthsthereducedstill

layer，puddling

seen

to

tensileestimated

was

the

soi1．The

water

due

that

as

ofretained

intensity

resu1七suggestsbypuddledfragmentation

amountThis

crackscharacteristics，it

thepuddling。

of

the

as

the

intensity

samples．Whilesubsurface

phenomena，suchexperiment．Puddlingcore

ranges．In

the

the

intensityofsuctionafter

topuddling

puddling，whilecharacteristics

after

concl

puddling，thecases，theratio

observation．In

after

all

laboratory

mechanicalstep。Just

after

the

geometryof3．1kPa，9．8kPa，and98kPa，and

void

the

61

Fieldsmonthsincracking

each

Paddy

clods。Threeshort−termasCl＆yeyremainingandinαeased．In

in

of

the

on

phenomena，suchdifference

againstinFormationmeasuredcontent

soil

puddlingthesamplesatkneading．Throughout

enhancedthechamber
weredecreasedanpuddling

sur￡aceCrack

af￡ectedthelong−term

the

of

also

have

of

samplesaf￡ectedef￡ects

Mechanisms

in歌pressurevolumeintensity

effectYoshidaforpracticing

can

be

appliedinstalledinpaddy貨elds。However，

toth6development

cultivationofofcrops，directlyintechniques