研究ノート., March 2013, Vol. 123, 81 ‒ 88

81Notes

バイオチャーを混入した土壌の熱伝導率
亀山幸司 1・宮本輝仁 1・塩野隆弘 1
Thermal conductivity of soils amended by sugarcane bagasse-derived biochar
Koji KAMEYAMA1, Teruhito MIYAMOTO1 and Takahiro SHIONO1

Abstract ： Incorporation of biochar, i.e. charcoal produced by the pyrolysis of biomass, into agriculturalsoils affects the physical properties of the soils, andthus may alter moisture and heat conditions in agricultural soils. However, the eﬀects of biochar incorporation on the thermal properties of soils have yet to beinvestigated. Therefore, we investigated the inﬂuenceof biochar incorporation on the thermal conductivity of
Shimajiri Maji soil and Toyoura sand. Sugarcane bagasse, i.e. the residue obtained by pressing sugarcane
stalks to extract juice, was air-dried and heated in abatch-type carbonization furnace at three diﬀerent pyrolysis temperatures（400, 600 and 800 ℃）with a holding time of 2 h. Incorporation of the biochar decreased
the thermal conductivity at a given volumetric watercontent of each soil. It decreased the estimated thermal conductivity of the solid phase and the volumetricsolid content of soils, and increased the porosity ofsoils. Calculation results using the de Vries model suggested that the thermal conductivity of the Shimajiri
Maji soil is aﬀected by decreasing volumetric solid content and increasing porosity regardless of soil watercontent, and by decreasing thermal conductivity of thesolid phase only at higher soil water content. In addition, the calculation results suggested that the thermal
conductivity of the Toyoura sand was mostly influenced by decreases in the volumetric solid content andincreases in porosity, and to a small extent by decreases in the thermal conductivity of the solid phase.
These results showed that the thermal conductivity ofagricultural soils is aﬀected by rates of changes in thethermal conductivity of solid phase, the volumetric solid content and the porosity, when the biochar is incorporated into the soils.
Key Words：biochar, soil thermal conductivity, pyrolysis temperature, solid phase, porosity

1. はじめに「バイオチャー」は有機物（バイオマス）の熱分解生成物のうち土壌改良資材として利用される炭のことをいう（Lehmann and Joseph, 2009）．ここで，熱分解とは，有機化合物などを酸素が存在しない状態で加熱すること
によって行われる化学分解のことであり，主に ① 急速
熱分解（Fast pyrolysis），② ガス化（Gasiﬁcation），③ 炭化（Slow pyrolysis） に 分 類 さ れ る（International
Energy Agency, 2007）．これらの熱分解の方法（時間，温度など）と原料となるバイオマスの組み合わせにより，
異 な っ た 性 質 の バ イ オ チ ャ ー が 得 ら れ る（ 例 え ば，Lehmann and Joseph, 2009；Sohi et al., 2010）．そのため，
バイオチャーを用いる場合，その原料や熱分解方法を明示する必要がある．
バイオチャーを土壌改良資材として用いる利点は，混入によって土壌の保水力，保肥力などが改善され，その改善効果が長期的に持続することが期待できる点である（例えば，Laird, 2008；Lehmann et al., 2006）．これは，
バイオチャーには微生物分解に対する耐性があり（Baldock and Smernik, 2002），土壌中で安定的に存在するためである（例えば，Laird, 2008；Lehmann et al.,2006）．また，バイオチャーは重金属などの有害物質を吸着保持することも報告されている（例えば，Namgay
et al., 2010）．このため，バイオチャーを用いて土壌改良することにより，農産物の生産性や安全性を向上させながら，地中への炭素貯留が達成される可能性がある．
我が国でもバイオチャーを用いて土壌改良する試験が行われている．南西諸島に広く分布する「島尻マージ」にさとうきびバガスから生成したバイオチャーを混入する試験である（例えば，Chen et al., 2010）．対象とされた島尻マージは腐植含量が低く粘土含量が高いため，有
効 水 分 量 が 小 さ い こ と が 知 ら れ て い る（Kubotera,2006）．さとうきびバガス由来のバイオチャーを島尻マー
ジ土壌へ混入することにより，土壌の乾燥密度の減少（間1National Institute for Rural Engineering, National Agriculture
and Food Research Organization（NARO）Kannondai 2 ‒ 1 ‒ 6,
Tsukuba 305 ‒ 8609, Japan.
Corresponding auther：亀山幸司，1（独）農業・食品産業技術総合研究機構農村工学研究所
2012 年 4 月 2 日受稿，2012 年 11 月 26 日受理
土壌の物理性 123 号，81 ‒ 88（2013）

隙率の増加）が生じ，有効水分量が増加することが報告されている（Chen et al., 2010）．
バイオチャーの土壌混入により水分保持特性が変化する際には，乾燥密度，間隙率，および孔隙径分布も同時に変化しているため，その他の物理的特性（比熱，熱伝土壌の物理性 第 123 号（2013）82

導率，ガス拡散係数等）についても同様に変化している

当する．また，土粒子密度は 2. 75 Mg m‒3 であった．

と考えられる．特に土壌の熱環境は，農作物の生育（種

豊浦砂は，豊浦硅石鉱業株式会社から購入したものを子の発芽，根の生育等）や土壌微生物の活動などに大き使用した．豊浦砂の粒度組成は，砂が 97. 5 %，シルト

く 影 響 す る こ と が 知 ら れ て い る（ 例 え ば，Jury andが 1. 0 %，粘土が 1. 5 % であった．また，土粒子密度は 2. 64

Horton, 2004）．しかし，バイオチャーの土壌混入が水分

Mg m‒3 であった．

保持特性以外の物理的特性に及ぼす影響について検討さ実験に供試したバイオチャーは，製糖工場から入手しれたものは少ない．そのため，バイオチャーの混入が土たさとうきびバガスをバッチ式炭化炉において，3 つの壌の熱伝導率などの熱特性に与える影響について知見を炭化温度（400，600，800 ℃），昇温速度 2 ℃ min‒1，最増やしていくことは，今後，バイオチャーの土壌混入に

高温度保持 2 時間，自然冷却の条件で熱分解を行って作よる熱環境への影響予測をしていくために必要である．

成した後に，2 mm 篩を通過したものを実験に使用した．

バイオチャーは，有機物（バイオマス）の熱分解によ

800 ℃で生成したバイオチャー（100 サンプル）の形状

り生成されるが，有機物の土壌への混入は，土壌の熱伝をマイクロメータにより測定した結果，平均長さ，幅，

導 率 を 低 下 さ せ る こ と が 報 告 さ れ て い る（Abu‒

厚さはそれぞれ，3. 48 ± 1. 34 mm，0. 82 ± 0. 36 mm，0. 36

Hamadeh and Reeder, 2000；山崎，2004；Gupta et al.,± 0. 15 mm であった．また，400 ℃，600 ℃，800 ℃で1976）．Ekwue et al.（2005）は，土壌への有機物混入に生成されたバイオチャーの粒子密度は，それぞれ 1. 50，

よる土壌の熱伝導率の低下は，乾燥密度の減少に起因す

1. 57，1. 86 Mg m‒3 であった．

ることを示唆している．

2. 2 熱伝導率の測定方法

前述したように，バイオチャーの土壌混入は土壌の乾バイオチャーの炭化温度および混入割合の影響を解明

燥密度，間隙率，および孔隙径分布を変化させる．空気するため，供試サンプルを次のように準備した．バイオの熱伝導率は 0. 025 W m‒1 K‒1 であり，水（0. 596 W m‒1

チャーの炭化温度の影響を解明するため，3 種類の異な

‒1

‒1

‒1

K ）や土壌鉱物（2. 5 W m K ）よりもはるかに低い

る炭化温度で生成したバイオチャーを質量比 0，3 % でため（Campbell and Norman, 1998），土壌の熱伝導率

風乾土壌に混入した．また，混入割合の影響を解明する

は 間 隙 率 に よ っ て 大 き く 影 響 さ れ る．Ochsner et

ため，800 ℃で生成されたバイオチャーを質量比 0，1，3，

al.（2001）は，土壌の熱伝導率は気相率の増加に伴い直5 % で 風 乾 土 壌 に 混 入 し た． 更 に，400 ℃，600 ℃，

線的に低下することを報告している．

800 ℃で生成されたバイオチャー単体も測定のために準そこで，本研究では，さとうきびバガス由来のバイオ
チャーの混入が土壌の熱伝導率に与える影響を明らかに備した．なお，バイオチャーの混入割合（ ）は以下の式で定義される．

することを目的とした．まず，バイオチャーの生成温度
が土壌の熱伝導率に与える影響を明らかにするため，3=種類の異なる炭化温度で生成したバイオチャーを島尻

2

（1）

1

マージに混入し土壌の熱伝導率の測定を行った．次に，バイオチャーの混入量が土壌の熱伝導率に与える影響を

ここで， 1：混入前の土壌の質量（g）， 2：バイオチャー

明らかにするため，混入量を 4 段階に変えて島尻マージの質量（g）を示す．

土壌に混入し，土壌の熱伝導率の測定を行った．更に，サンプルに脱イオン水を加えて風乾から 0. 30 m3 m‒3

比較のため，豊浦砂についても同様の測定を行った．豊の範囲内で体積含水率を調整し，数日間静置して供試サ

浦砂は，単一粒径で，様々な実験において用いられる標

ンプルと水分が十分馴染んだ後，内径 4 cm，高さ 8 cm

準的な試料であり，熱伝導率の測定にも良く用いられてのアクリル円筒カラムに 7 cm の高さまで充填した．ないる（例えば，望月ら，1998；山崎ら，2003）．豊浦砂お，各供試サンプルの乾燥密度は，風乾状態においてタッには，土壌の構成物質の中で高い熱伝導率を示す石英をピングしながら充填した場合の測定値を基準とした．ま多く含んでおり，他の土壌よりも高い熱伝導率を示すな

た，バイオチャー混入土壌の固相率，間隙率，気相率は，どの熱特性が知られている（例えば，山崎ら , 2003）．

乾燥密度と土壌，バイオチャー単体の粒子密度を用いて2. 試料と方法
2. 1 試料
島尻マージは，沖縄県宮古島市のサトウキビ栽培圃場

以下の（2），（3），（4）式により推定した．
1σ=ρ

（1+ ）+ ρ （1+ ）
ρ1

ρ2

（2）

の深さ 0 − 20 cm から採土し，風乾した後に 2 mm 篩を通過したものを使用した．島尻マージは石灰岩風化土壌= 1 −σ（3）

φ = 1 −σ−θ（4）であり，USDA 土壌分類（Soil Survey Staﬀ，2010）では Typic Hapludalfs に 分 類 さ れ る（Kameyama et al.,2012）．島尻マージの粒度組成は，砂（0. 05 − 2 mm）が7. 7 %，シルト（0. 002 − 0. 05 mm）が 19. 0 %，粘土（< 0. 002

ここで，σ：固相率（m3 m‒3），ρ ：サンプルの乾燥密mm）が 73. 3 ％であった．USDA の分類では clay に相ρ 1：土粒子密度（Mg m‒3），ρ 2：バイオチャー度（Mg m‒3），

研究ノート：バイオチャーを混入した土壌の熱伝導率

83

単体の粒子密度（Mg m‒3）， ：間隙率（m3 m‒3），φ：気

ここで，θ0：土壌内水分フローのカットオフ含水率（m3θ：体積含水率（液相率）（m3 m‒3）を示す．
相率（m3 m‒3），m‒3）， ：カットオフがどの程度早く生じるかを規定す

各供試サンプルの充填時の乾燥密度，固相率，間隙率をる定数，を示す．θ0 は，土性に依存し，土壌の平均粒

Table 1 に示した．

子径や粘土含量から推定することが可能であるが，バイ

熱伝導率の測定は，望月ら（2003）の方法を参考に

オチャー単体やバイオチャー混入土壌では推定が不可能

Decagon 社 KD2 を用いて行った．まず，KD2 プローブであるため，未知数として取り扱った．同様に， も土（直径 1. 27 mm，長さ 6 cm）をサンプルに挿入し，20 ℃

性に依存する定数であるため，未知数として取り扱った．

に設定した恒温チャンバー内で一晩静置した後，熱伝導（5）−（8）式において，液相の熱伝導率λ は 0. 596 W

率の測定を行った．測定は 30 分間隔で 3 回行い，3 回m‒1 K‒1（20 ℃）を用いた．また，気相の熱伝導率λ は，の平均値を測定値とした．なお，カラムにはラップフィ

θがθ0 よりも低い場合は空気の熱伝導率である 0. 025 W

ルムを被せ，測定中のサンプルからの蒸発をできるだけm‒1 K‒1（20 ℃）を用い，θがθ0 よりも高い場合は水蒸防ぐよう配慮した．

気で飽和された空気の熱伝導率 0. 074 W m‒1 K‒1（20 ℃）

2. 3 固相の熱伝導率の推定方法を用いた（Ochsner et al., 2001）．なお，固相の熱伝導率

バイオチャーの混入が固相の熱伝導率に与える影響を

λ は未知数とした．

検討するため，Ochsner et al.（2001）に倣い，熱伝導率

したがって，固相の熱伝導率λ ，形状係数 g1 ，水分の測定結果に以下に示す de Vries モデルを適用し，バフローのカットオフ定数θ0 ， をフィッティングパラ

イオチャー単体，無混入土壌，バイオチャー混入土壌のメータとして，熱伝導率の測定値に de Vries モデル（（5）

固相の熱伝導率の推定を行った．

−（9）式）を適用し，非線形最小自乗法を用いて無混入
土壌（島尻マージ，豊浦砂），バイオチャー単体，バイ

λ=

λθ+

λφ +

λσ

θ+

φ+

σ

（5）

3. 結果と考察

ここで，λ：サンプルの熱伝導率（W m‒1 K‒1）
，λ ：各， ：各相の重み係数， ：液相，相の熱伝導率（W m‒1 K‒1）
：気相， ：固相を示す．また，重み係数は，以下の式より求められる．
=

Σ

異なる炭化温度（400，600，800 ℃）で生成されたバと 熱 伝 導 率 の 関 係 を Fig. 1 に 示 し た． 風 乾 か ら 0. 30

（6）

g =1

（7）

=1

3. 1 炭化温度の異なるバイオチャーおよび土壌の熱伝導率
イオチャー単体，島尻マージおよび豊浦砂の体積含水率

‒1
1
λ
3
1 +（ − 1 ）g ］
3 Σ = 1［
λ0

3

オチャー混入土壌の固相の熱伝導率の推定を行った．

m3 m‒3 の範囲内において，400，600，800 ℃で生成されたバイオチャーの熱伝導率の変動は，それぞれ 0. 0−0. 2，
0. 1−0. 2，0. 1−0. 2 W m‒1 K‒1 で あ り， 島 尻 マ ー ジ（0. 2− 0. 5 W m‒1 K‒1），豊 浦 砂（0. 2−1. 5 W m‒1 K‒1）と 比 較
すると体積含水率の増加に対する増加量が小さい．また，

ここで，λ0：流体の熱伝導率（W m K ），g ：形状係
‒1

‒1

炭化温度の違いによる体積含水率と熱伝導率の関係の違数を示す．形状係数 g 1，g 2，g3 は土壌粒子の形状に依存 す る が，g1 と g2 が 等 し い と 仮 定 し た 場 合，g3 は
g3 = 1 − 2g1 か ら 計 算 で き る（Campbell and Norman,
1998）．g1 は，土壌（島尻マージ，豊浦砂），バイオチャー
単体，バイオチャー混入土壌でそれぞれ異なる値をとる
ため，今回の計算では未知数として取り扱った．また，流体の熱伝導率λ0 は，乾燥土壌では空気の値であり，湿潤土壌では水の値となる．λ0 は，次式により求めた（Campbell et al., 1994）．
λ0 = λ + （λ −λ ）（8）

ここで， ：土壌の含水率に依存する無次元量を示しており，次式により算定される（Campbell et al., 1994）
．

=

1
θ ‒
1 +（
θ0 ）

（9）

Fig. 1 炭化温度の異なるバイオチャー単体，島尻マージ，豊浦砂における体積含水率と熱伝導率の関係．
Relationship between volumetric water content and thermal
conductivity of biochar formed at three different pyrolysis
temperatures, Shimajiri Maji soil and Toyoura sand.

84

土壌の物理性 第 123 号（2013）

いは小さかった．

壌混入した場合の体積含水率と熱伝導率の関係を Fig. 2

熱伝導率の測定結果（Fig. 1）に de Vries モデル（（5）

に示した．島尻マージでは，0. 1−0. 3 m3 m‒3 の水分領域−（9）式）を適用し，バイオチャー単体，島尻マージ，

でバイオチャー混入土壌の熱伝導率は，無混入土壌より

豊浦砂の固相の熱伝導率の推定を行った．de Vries モデ）．
も 0. 1−0. 2 W m‒1 K‒1（6−51 %）低くなった（Fig. 2（a）

ルによる予測結果は，測定値と概ね良好に一致した（Fig.

一方，豊浦砂では，0. 0−0. 3 m3 m‒3 の水分領域でバイオ

1）．400，600，800 ℃で生成されたバイオチャー単体のチャー混入土壌の熱伝導率は，無混入土壌よりも 0. 2−‒1‒1

固相の熱伝導率は，それぞれ 1. 5，1. 3，1. 5 W m K と0. 7 W m‒1 K‒1（11−52 %）低くなった（Fig. （2 b））．また，推定され，炭化温度による影響は小さかった．また，島

炭化温度の異なるバイオチャー混入土壌で熱伝導率を比尻マージ，豊浦砂の固相の熱伝導率の推定値はそれぞれ較した場合，違いは小さかった．

2. 6，6. 7 W m‒1 K‒1 であり，豊浦砂の方が約 2 倍高い値

熱伝導率の測定結果（Fig. 2）に de Vries モデルを適を示した．土壌とバイオチャー単体で比較した場合，バ

用し，バイオチャー混入土壌の固相の熱伝導率の推定をイオチャー単体の固相の熱伝導率は，島尻マージの約行った．その結果は Table 2 に示した通りである．土壌

1/2 倍，豊浦砂の 1/5 − 1/4 倍と低い値を示した．
3. 2 炭化温度の異なるバイオチャーの土壌混入が熱伝導率に及ぼす影響
炭化温度の異なるバイオチャーを 0，3 %（w/w）で土と比較して固相の熱伝導率が低いバイオチャーの 3 %（w/w）の混入により，固相の熱伝導率は島尻マージで
約 3 割，豊浦砂で 3 − 4 割低下した．また，バイオチャーの炭化温度が混入土壌の固相の熱伝導率に与える影響は小さかった．
また，バイオチャー混入土壌では，無混入土壌と比較（a）Shimajiri Maji

して固相率が減少し，間隙率が増加する（Table 1）．バ
イオチャーの 3 %（w/w）の混入により，島尻マージでは固相率が 0. 39 m3 m‒3 から 0. 34 m3 m‒3，豊浦砂では 0. 57．このため，
m3 m‒3 から 0. 48 m3 m‒3 に低下する（Table 1）
土壌にバイオチャーを混入した際の熱伝導率の低下は，固相の熱伝導率が低下したことに加え，熱伝導率が高い
固相の割合が減少し，熱伝導率の低い気相の割合が増加したことに起因していると考えられる．
島尻マージ（無混入土壌）に対して de Vries モデルを適用した際のフィッティングパラメータを用いて，固相の熱伝導率が 2. 6 W m‒1 K‒1 から 1. 6，1. 8，1. 9 W m‒1
K‒1 に変化した場合の土壌の熱伝導率の低下割合を試算したところ，10−24，8−19，7−16 %（θ= 0. 1−0. 3 m3m‒3）であった．また，体積含水率が増加するにつれて，（b）Toyoura sand

低下割合も増加する傾向を示した．一方，固相率を 0. 39
m3 m‒3 から 0. 34 m3 m‒3 に変化した場合の熱伝導率の低下割合は 15−16 %（θ= 0. 1−0. 3 m3 m‒3）であり，体積含水率に関わらず一定の値を示した．このため，島尻マー
ジにおいてバイオチャーを 3 %（w/w）で混入した際の熱伝導率の低下には，体積含水率に関わらず固相率の減少（間隙率の増加）が一定に寄与しており，体積含水率が増加するにつれて固相の熱伝導率の低下の寄与が増加すると推察された．
同様に，豊浦砂（無混入土壌）に対して，固相の熱伝導 率 が 6. 7 W m‒1 K‒1 か ら 4. 3，4. 9 W m‒1 K‒1 に 変 化 した場合の土壌の熱伝導率の低下割合を試算したところ，
3−14，2−9 %（θ= 0. 0−0. 3 m3 m‒3）であった．島尻マージと同様に，体積含水率が増加するにつれて，低下割合

Fig. 2 炭化温度の異なるバイオチャーを 3 %（w/w）で混入した土壌における体積含水率と熱伝導率の関係 （: a）島尻マージ，（b）豊浦砂．
Relationship between volumetric water content and thermal
conductivity of soils amended with biochar formed at three
diﬀerent pyrolysis temperatures at 3 %（w/w）：（a）Shimajiri
Maji soil；（b）Toyoura sand.

が増加する傾向を示した．一方，固相率を 0. 57 m3 m‒3
から 0. 48 m3 m‒3 に変化した場合の熱伝導率の低下割合
は 26 %（θ= 0. 0−0. 3 m3 m‒3）であり，体積含水率に関わらず一定の値を示した．このため，豊浦砂においてバ
イオチャーを 3 %（w/w）で混入した際の熱伝導率の低下には，固相率の減少（間隙率の増加）の寄与が大きい

研究ノート：バイオチャーを混入した土壌の熱伝導率

85Table 1 熱伝導率を測定したサンプルの乾燥密度と間隙率：（a）バイオチャー単体と無混入土壌，（b）バイオチャー
混入島尻マージ土壌，（c）バイオチャー混入豊浦砂．
Composition of samples used for thermal conductivity measurements：（a）Biochar and non-amended soils；（b）
Shimajiri Maji soil amended by biochar；（c）Toyoura sand amended by biochar.

（a）Biochar and non-amended soils
BiocharShimajiri Maji

Toyoura sandSample400 ºC

600 ºC

800 ºC−−（Mg m−3）

0. 16

0. 16

0. 16

1. 07

1. 50

Volumetric solid content （m3 m−3）

0. 11

0. 10

0. 09

0. 39

0. 57

（m3 m−3）

0. 89

0. 90

0. 91

0. 61

0. 43

Dry bulk density

Porosity（b）Shimajiri Maji soil amended by biochar
Pyrolysis temperature

400 ºC 600 ºC

800 ºC

Biochar content（%（w/w）
）

3

3

1

3

5

Dry bulk density（Mg m−3）

0. 91

0. 92

1. 02

0. 93

0. 86

Volumetric solid content（m3 m−3）

0. 34

0. 34

0. 37

0. 34

0. 32

Porosity（m3 m−3）

0. 66

0. 66

0. 63

0. 66

0. 68

（c）Toyoura sand amended by biochar
Pyrolysis temperature

400 ºC 600 ºC

800 ºC

Biochar content（%（w/w）
）

3

3

1

3

5

Dry bulk density（Mg m−3）

1. 23

1. 24

1. 40

1. 26

1. 10

Volumetric solid content（m3 m−3）

0. 48

0. 48

0. 53

0. 48

0. 42

Porosity（m3 m−3）

0. 52

0. 52

0. 47

0. 52

0. 58

と推察された．
島尻マージと豊浦砂で比較した場合，バイオチャー混入による熱伝導率の低下割合は豊浦砂の方が大きかった（Fig. 2（a），（b））．また，試算の結果から，島尻マージ

これは，バイオチャーを質量比で混入したため，乾燥密度の高い豊浦砂への混入量が，島尻マージへの混入量よりも多かったことに起因している．
3. 3 バイオチャーの混入量が熱伝導率に及ぼす影響と豊浦砂では，土壌の熱伝導率の低下に対する固相率減

800 ℃で生成されたバイオチャーを 0，1，3，5 %（w/

少（間隙率の増加）と固相の熱伝導率低下それぞれの寄w）で土壌混入した場合の体積含水率と熱伝導率の関係

与度が異なる傾向が見られた．これらの結果は，豊浦砂を Fig. 3 に示した．島尻マージの場合，混入量の違いにの方が，①固相率の減少割合（間隙率の増加割合）が大

よる熱伝導率への影響は小さかった（Fig. 3（a））．一方，

きいこと，②固相の熱伝導率が高いため，固相率の減少

豊浦砂の場合，混入量の増加に伴い熱伝導率が低下するに伴う固相から気相への置換の影響が大きいことに起因傾向が見られた（Fig. 3（b））．

していると考えられる．島尻マージでは，固相率の減少

熱伝導率の測定結果（Fig. 3）に de Vries モデルを適割合（間隙率の増加割合）がそれぞれ 13 %（6 %）である

用し，バイオチャー混入土壌の固相の熱伝導率の推定をのに対して，豊浦砂では，固相率の減少割合（間隙率の行った．その結果は Table 2 に示した通りである．両方増加割合）がそれぞれ 16 %（21 %）であった（Table 1）．

の土壌において，バイオチャーの混入割合の増加と共に

土壌の物理性 第 122 号（2012）86

固相の熱伝導率が低下する傾向が見られた．
また，混入割合の変化により，固相率の減少割合（間（a）Shimajiri Maji

隙率の増加割合）が変化するため，土壌の熱伝導率の低下に影響していると考えられる．バイオチャーの 1，3，
5 %（w/w）の混入により，島尻マージでは固相率が 0. 39
m3 m‒3 から 0. 37，0. 34，0. 32 m3 m‒3，豊浦砂では 0. 57 m3．
m‒3 から 0. 53，0. 48，0. 42 m3 m‒3 に減少する（Table 1）
島尻マージ（無混入土壌）に対して de Vries モデルを適用した際のフィッティングパラメータを用いて，固相の熱伝導率が 2. 6 W m‒1 K‒1 から 2. 0，1. 9，1. 6 W m‒1
K‒1 に変化した場合の土壌の熱伝導率の低下割合を試算したところ，低下割合は 5−14，7−16，10−24 %（θ= 0. 1−0. 3 m3 m‒3）であった．一方，固相率を 0. 39 m3m‒3 から 0. 37，0. 34，0. 32 m3 m‒3 に変化した場合の熱伝導 率 の 低 下 割 合 は 7，15−16，21−22 %（θ= 0. 1−0. 3
m3 m‒3）であった．
同様に，豊浦砂（無混入土壌）に対して，固相の熱伝（b）Toyoura sand

導 率 が 6. 7 W m‒1 K‒1 か ら 5. 1，4. 9，4. 0 W m‒1 K‒1 に 変化させた場合の土壌の熱伝導率の低下割合を試算したところ，1−8，2−9，3−16 %（θ= 0. 0−0. 3 m3 m‒3）であった．一方，
固相率を 0. 57 m3 m‒3 から 0. 53，0. 48，0. 42 m3 m‒3に変化した場合の熱伝導率の低下割合は 13，
26，40 %（θ= 0. 0−0. 3 m3 m‒3）であった．
試算の結果から，混入割合が増加するにつれて，固相の熱伝導率変化による土壌の熱伝導率の低下割合，固相率変化による土壌の熱伝導率の低下割合共に増加した．
島尻マージにおける土壌の熱伝導率の低下には，体積含水率に関わらず固相率減少（間隙率増加）が一定に寄与しており，体積含水率が多くなるにつれて固相の熱伝導率の低下の寄与が増加すると推察された．また，豊浦砂
Fig. 3 バイオチャー（800 ℃）を異なる割合で混入した土壌における体積含水率と熱伝導率の関係：（a）島尻マージ，（b）
豊浦砂．
Relationship between volumetric water content and thermal
conductivity of soils amended with biochar formed at 800 ℃
at four diﬀerent contents：（a）Shimajiri Maji soil；（b）Toyourasand.

における土壌の熱伝導率の低下には，固相率減少（間隙率増加）の寄与が大きいと推察された．

4. おわりにバイオチャーは土壌改良資材として有望な材料である．これまで，保水力や保肥力の改善，重金属の吸着保持に関する研究が報告されている．しかし，農作物の生育や土壌微生物の活動などに大きく影響する熱環境への影響を検討したものはほとんどない．そのため，本研究では，さとうきび由来のバイオチャーの島尻マージと豊Table 2 バイオチャー混入土壌の固相熱伝導率の推定値．
Estimated thermal conductivities of solid phases of soils amended by biochar.

Pyrolysis temperature
Biochar content−（%（w/w））

400ºC 600ºC

800ºC

0

3

3

1

3

5

Estimated thermal conductivities（Wm−1 K−1） 2. 6of solid phases of Shimajiri Maji soil

1. 6

1. 8

2. 0

1. 9

1. 6

Estimated thermal conductivities
of solid phases of Toyoura sand

4. 3

4. 3

5. 1

4. 9

4. 0

（Wm−1 K−1） 6. 7

研究ノート：バイオチャーを混入した土壌の熱伝導率
浦砂への混入が土壌の熱伝導率に与える影響について検討した．
バイオチャー単体および土壌に水を加えながら熱伝導率を測定した結果，同じ体積含水率では，バイオチャー
単体は土壌よりも低い熱伝導率を示すことが明らかとなった．de Vries モデルを用いてバイオチャー単体および土壌の固相の熱伝導率を推定したところ，バイオ
チャー単体は 1. 3−1. 5 W m‒1 k‒1，島尻マージは 2. 6 Wm‒1 k‒1， 豊 浦 砂 は 6. 7 W m‒1 k‒1 と な っ た． そ の た め，
バイオチャー単体の固相の熱伝導率は，島尻マージの約2 分の 1，豊浦砂の 1/4−1/5 であると推定された．
3 種類の炭化温度で生成したバイオチャーを 3 %（w/w）混入した供試サンプルを作成し，熱伝導率を測定したところ，炭化温度の違いによる熱伝導率の違いは小さいことがわかった．また，土壌に関わらず，バイオチャーの 3 %（w/w）の混入は，土壌の熱伝導率を低下させる
結果となった．
de Vries モデルを用いてバイオチャー混入土壌の固相の熱伝導率を求めると，島尻マージで 1. 6 − 1. 9 Wm‒1 k‒1， 豊 浦 砂 で 4. 3−4. 9 W m‒1 k‒1 と な り， バ イ オ
チャーの混入により固相の熱伝導率は低下した．また，バイオチャー混入土壌では，無混入土壌と比較して固相率が減少し，間隙率が増加する．このため，バイオチャーを混入した場合の熱伝導率の低下は，固相の熱伝導率が低下したことに加え，熱伝導率が高い固相の割合が減少
し，熱伝導率の低い気相の割合が増加したことに起因すると考えられる．
de Vries モデルを用いた試算結果から，島尻マージ
においてバイオチャーを混入した際の土壌の熱伝導率の低下には，体積含水率に関わらず固相率減少（間隙率増加）が一定に寄与しており，体積含水率が多くなるにつれて固相の熱伝導率低下の寄与が増加すると推察された．また，豊浦砂における土壌の熱伝導率の低下には，固相率減少（間隙率増加）が大きく寄与していると推察された．この土壌による違いは，豊浦砂の方が，① 固相率の減少割合（間隙率の増加割合）が大きいこと，② 固相の熱伝導率が高いため，固相率の減少に伴う固相から気相への置換の影響が大きいことに起因していると考えられた．
これらの結果から，バイオチャー混入による土壌の熱伝導率の低下に対しては，固相率（空隙率）変化と固相の熱伝導率変化が寄与しており，その寄与度は土壌の固相の熱伝導率，固相率，空隙率の変化の大きさによって異なることが示唆された．

謝辞
本研究の一部は，JSPS 科研費 19780185，23780254 の助成を受けたものです．ここに記して感謝の意を表します．

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土壌の物理性 第 123 号（2013）

88

要

旨

本研究では，さとうきび由来のバイオチャーの島尻マージおよび豊浦砂への混入が土壌の熱伝導率に与える影響について検討した．
バイオチャー混入土壌と無混入土壌を準備し，それぞれを加水調整しながら，体積含水率と熱伝導率の関係を測定したところ，土壌に関わらず，バイオチャーの混入により熱伝導率が低下する結果となった．
各土壌ともに，バイオチャーの混入により de Vries で推定される固相の熱伝導率は低下し，固相率は減少（間隙率は増加）した．de Vries モデルを用いた試算結果により，島尻マージにおける土壌の熱伝導率の低下に対しては，固相率の減少（間隙率の増加）が一定に寄与しており，体積含水率が多くな
るにつれて固相の熱伝導率の低下の寄与が増加することが推察された．また，豊浦砂における土壌の熱伝導率の低下に対しては，固相率の減少（間隙率の増加）の寄与が大きいと推察された．
これらの結果から，バイオチャー混入による土壌の熱伝導率の低下に対しては，固相率（間隙率）変化と固相の熱伝導率変化が寄与しており，その寄与度は土壌の固相の熱伝導率，固相率，間隙率の変化の大きさによって異なることが示唆された．
キーワード：バイオチャー，土壌の熱伝導率，熱分解，固相，間隙