土壌中の放射性セシウムの動態研究～ 分布や移動に影響を及ぼす要因・プロセスの解明 ～環境動態研究グループ

小嵐 淳

土壌中の137Csの動態研究の必要性と課題

2/13【 背景 】
2011年3月： 福島原発事故により大量の137Csが放出
土壌に沈着、様々な陸域生態系に深刻な汚染
2011年6月： 文科省、「土壌濃度マップ」の作成を開始（80 km圏内、1地点／2 km四方、表層5 cmの土壌）

土壌濃度マップ（文科省、2011年8月30日公表）【 社会の疑問 】 沈着した137Csは、今後どうなっていくのか？
【 答えるためには 】 中長期的な動態の予測と、影響の把握【 問題点 】
土壌濃度マップ： 深さ分布や移動プロセスが不明で、動態予測につながりにくい
日本特有の土壌・水環境： 海外の知見をそのまま適用できない可能性【 課題 】
事故の影響を受けた土壌での137Csの分布や移動に影響を及ぼす要因、プロセスを明らかにする日本の土壌・水環境と137Cs動態の関連性 【 仮説 】
土壌環境
（世界的に稀な火山灰土壌）

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水環境
季節変化が大きい
梅雨期のまとまった降雨

粘土鉱物の組成が異なる
非晶質鉱物 ＞ 結晶性鉱物（変異荷電） （永久荷電）

土壌有機物に富む

積雪・融雪

降水量が多い世界平均の約2倍
降水量 ＞ 蒸発散量

陽イオン交換容量が大きい
粘土鉱物への吸着

土壌の構造が異なる
空隙、透水性が大きい

微生物の種類や数が異なる
微生物による取込み
土壌有機物の分解

土壌中での137Csの吸着・固定や移行に影響を及ぼす？

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課題解決のためのアプローチ
多様な土地利用形態が存在する2 km四方内【 課題 】 事故の影響を受けた土壌での137Csの分布や移動に影響を及ぼす要因、プロセスを明らかにする
土壌分類や土地利用の違い⇒ 土壌特性の違い
深さ［２］ 深さ分布はなぜ違うのか？
137 Csの入り込みに影響を及ぼす［１］ 137Csはどのように沈着したのか？

土壌特性・プロセスの抽出

土地利用ごとの深さ分布の特徴の把握
土壌微生物
循環

保持可動化

沈着

［４］ 137Csはどのような存在状態なのか？
土壌微生物の役割の解明

梅雨後

深さ1年後

［３］ 深さ分布はどう変わっていくのか？
環境の変化が分布に及ぼす影響の解明

調査方法
多様な土地利用形態が存在する2 km四方を選定

北西約70 km
福島第一原発各地点で土壌コアを6～10本程度採取

5cm
20cm

地上部（草・落葉）土壌層（5層）調査時期① 2011年6月（梅雨前）、② 7月（梅雨後）、③ 2012年3月（1年後）
土壌特性の分析（バルク密度、粒径分布、陽イオン交換容量、有機物など）

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耕作地 （６地点）
畑①* （ソバ）
畑② （休耕地）
畑③* （長ネギ）
水田*
果樹園① （リンゴ）果樹園② （リンゴ）
草地 （４地点）
公園の芝生
牧草地①
牧草地②
牧草地③
森林 （５地点）
広葉樹① （遊歩道）
広葉樹② （遊歩道）
針葉樹① （マツ）針葉樹② （スギ）針葉樹③ （スギ）* 事故後に土壌を耕起［１］ 137Csはどのように沈着したのか？

6/13～ 土地利用ごとの深さ分布の特徴の把握 （１） ～各地点の137Cs沈着量 （2011年6月）

地上部の137Cs存在量と乾燥重量

平均 58.4±9.6

土地利用形態ごとの沈着量
耕作地 （N=6）60.6±8.1

草地 （N=4）55.6±5.8

森林 （N=5)57.9±14.1

2 km四方内の沈着量のばらつき： 16%程度
土地利用形態ごとの沈着量に有意差なし
地上部の草や落葉が137Csの土壌への移行を物理的に遮断 （森林で顕著： 50～91%）
Koarashi et al. (2012) Sci. Total Environ.

［１］ 137Csはどのように沈着したのか？

7/13～ 土地利用ごとの深さ分布の特徴の把握 （２） ～土壌に到達した137Csの土壌中への入り込み （土壌部のみ）

未擾乱土壌で36-86%が0-1 cm層に耕起により濃度が深さ方向でほぼ均一

森林土壌で深くまで入り込み5 cm以深に到達している137Csの割合：耕作地（未擾乱）、草地 （平均 3.5%） ＜ 森林 （平均 18.1%）⇒ 森林において、土壌に到達した137Csは、他の土地利用よりも深くまで入り込む傾向。
Koarashi et al. (2012) Sci. Total Environ.

［２］ 深さ分布はなぜ違うのか？

8/13～ 137Csの入り込みに影響を及ぼす土壌特性・プロセスの抽出 ～

0-１cmに留まる137Csの割合と 土壌特性との関連性

0-1cmに36-86%
場所により異なる

森林

細かい土壌粒子が多いほど留まる。
⇒ 粘土鉱物による固定 （海外知見と一致）
粘土粒子あたりの有機炭素量が多いほど、留まりにくい （森林で特徴的）。
⇒ 有機物が粘土鉱物を覆い、137Csが粘土鉱物の固定サイトにアクセスするのを阻害
Koarashi et al. (2012) Sci. Total Environ.

9/13［３］ 深さ分布はどう変わっていくのか？
～ 環境の変化が分布に及ぼす影響の解明 （１） ～牧草の収穫 落葉層の割合が若干低下
芝生の分別方法の違い

梅雨前後の137Csの分布の比較 （2011年6月、7月）

畑での耕起
50-91%

41-84%

梅雨後

梅雨前後で137Csの深さ分布に大きな変化なし。
⇒ 梅雨期の降雨による137Csの下方輸送（水溶性、コロイド粒子）、再分配の影響小Matsunaga et al. (2013) Sci. Total Environ.

10/13［３］ 深さ分布はどう変わっていくのか？
～ 環境の変化が分布に及ぼす影響の解明 （１） ～森林における1年間の137Csの分布の変化

広葉樹林①

広葉樹林②

針葉樹林①

針葉樹林②

針葉樹林③

梅雨後～冬の期間に、落葉層（■）の137Cs割合が低下（針葉樹林①を除く）
特に広葉樹林で大きく低下（12～22％まで）。
⇒ 夏期の微生物による落葉の分解 ＞ 梅雨期の降雨による洗い流し土壌中： 土壌深部への137Csの移行が見られるが、1年後でも82%以上が落葉層と深さ5cmまでの土壌に存在
Matsunaga et al. (2013) Sci. Total Environ.

［４］ 137Csはどのような存在状態なのか？

11/13～ 土壌微生物の役割の解明 （１） ～
K2SO4
抽出

容易に交換できる137Cs

森林土壌（0-3 cm）
クロロホルムくん蒸

2012年3月 （積雪下）

K2SO4
抽出

微生物が保持している137Cs

森林土壌（0-3 cm）からの137Cs抽出率の比較
容易に交換できる137Cs（■）： 2～13%
有機物に富む土壌で、容易に交換できる137Csの割合が高い
くん蒸： 死滅した微生物の細胞を抽出
137Cs抽出率（■）の増加は見られず。

⇒ 非生物成分によるイオン交換吸着＞ 微生物による保持
Koarashi et al. (2012) Sci. Rep.

［４］ 137Csはどのような存在状態なのか？

12/13～ 土壌微生物の役割の解明 （２） ～他の季節における微生物による137Csの保持
土壌 0-3 cm

落葉層
微生物による保持2012年11月

土壌0-3cm： 1地点（針葉樹林①）を除き、微生物による保持は見られず。
落葉層： すべての森林で、くん蒸により137Cs抽出率が増加⇒ 鉱物の少ない落葉層では、微生物が137Csを動きやすい状態で保持まとめ13/13［１］ 137Csはどのように沈着したのか？
沈着量 ： 2 km四方内で16%のばらつき。土地利用による差なし。
深さ分布： 地上部と深さ5 cmまでの土壌に90%以上が存在 。
文科省の「土壌濃度マップ」における調査手法の妥当性の裏付け
森林での特徴： 50～91%が落葉層に。土壌へ到達後、深く入り込む。

［２］ 深さ分布はなぜ違うのか？
粘土サイズの粒子に対して土壌有機物が多いと、土壌中で137Csは留まりにくい。
豊富な有機物が、粘土鉱物による137Csの固定を阻害している可能性［３］ 深さ分布はどう変わっていくのか？
梅雨期の降雨による137Csの下方輸送の影響は小さい。
夏期の微生物による落葉の分解により、多くの137Csが落葉層から土壌へ移行。

［４］ 137Csはどのような存在状態なのか？
数%～10%程度が、非生物成分によるイオン交換吸着により動きやすい状態で保持。
落葉層では、微生物による137Csの保持を確認。
土壌微生物が、有機物の分解を通して、森林内の137Csの動きに影響