蒸発と地表への塩の濃縮に土の凍結融解サイクルが与える影響
521M2S2 Han Weinan
生物資源学研究科 土壌圏システム学教育研究分野

中国の大慶地域では炭酸塩による地表の塩害が生じている.この地域の気候は半乾燥で、季節的に凍結する地域に位置している。そこで本研究は、季節凍土地域における塩害発生メカニズムを検討することを目的とした。異なる濃度の炭酸水素ナトリウム溶液あるいは塩化ナトリウム溶液と混合した土を、高さ 35cm のカラムに詰め、凍結融解サイクル実験および非凍結実験を行った。そして、この間の蒸発量を、土中の温度、体積含水率、および溶液濃度とともに測定し、地表の塩の濃縮への影響を調べた.
キーワード：凍土、炭酸水素ナトリウム、塩化ナトリウム、凍結融解、蒸発

1.

はじめに
本研究で対象とする大慶地域は、中国東北部の Songnen（松嫩）平原に位置する。大慶地域は、中国で最も土壌塩類化が深刻な地域のひとつでもある（Zhang et al., 2007）。
アジアにおける乾燥地の分布を Fig. 1 に示す。大慶地域は半乾燥地に位置する。また、大慶地域は季節凍土地域でもある。Fig. 2 に示すように、大慶では春と秋に日中の気温

Fig.1 Distribution of arid lands in Asia and theが 0℃を超え、夜間の気温が 0℃を下回る日

locations of study sitesが 1 カ月以上続く。この期間の凍結と融解の繰り返しが、地表からの水分蒸発や土の塩類化に与える影響は未だ不明な点も多い。
乾燥した季節凍土地域における土壌の凍結融解の繰り返しは、土壌深部からの土中水の上昇移動を引き起こす可能性がある（Liuet al., 2021）。そして、凍結融解によって地表に水分が集まることで可能蒸発散が維持される期間が長くなり、地表への土壌深部からの塩分の蓄積が促進される可能性が示唆

Fig.2 Daily maximum and minimum temperatureされる（Jiang et al., 2010）。しかし、凍結融in Daqing area

解が繰り返された際の、水分と塩の挙動や、蒸発に対する塩の影響の定量化については、 伝導度を測定した。カラムの側面は断熱し、さらなる検討が必要である。地表の土壌が上端は大気に開放し、下端は温度制御装置

凍結と融解を繰り返す際の土中の水分・塩に接続した。カラムをチャンバーに入れ、試分移動をモデル化する場合、土中水の凍結料を初期温度 4℃に馴化した後、-10℃24 時と融解のタイミングを決定することが重要

間、10℃24 時間の気温変化を 3 サイクル与である。そして、凍結過程と融解過程での水えることで、試料を上端から凍結・融解した。

分と塩の分布が時間と共にどのように変化

この際、水分供給はなしとし、試料下端の温するのかを明らかにするために、土の凍結度を 4℃で一定とした。また、上端にはファ融解実験がしばしば行われる。凍土中の不ンを配し蒸発を促進した。装置は電子天秤

凍水量を推定・計測する方法は数多く提案上に設置し、実験中の蒸発量をモニターしされている（Watanabe et al.2009）。そこで本た。また、対照として、試料を凍結に晒すこ

研究では、まず、地表の凍結融解過程におけとなく気温を常に 10℃に保持した非凍結実る土中の水分と塩分の吸い上げ過程を詳細験を行った。に観察すること、次に、凍結融解過程における地表からの蒸発量を凍結に晒されない地表からの蒸発量と比較すること、そして、土中に含まれる塩の種類や濃度がこれらの吸い上げや蒸発量に与える影響と、その結果、表面に集積する塩の量を実験的に明らかにすることを目的とし、土カラムを用いた凍結融解サイクルの実験を行った。
2.

試料と方法
本研究で凍結融解実験に使用した土試料は、岩手大学附属圃場休耕畑の黒ボク土である。土は自然乾燥させ、2 mm メッシュで篩い分けてから使用した。
使用した塩は、NaHCO3 と NaCl である。
溶液の濃度は、純水、NaHCO3 は 0.3 mol/Lと 0.5 mol/L、NaCl は 0.5 mol/L とした。体積含水率が 0.4 cm3/cm3 、乾燥密度が 1.1g/cm3 となるように土試料と溶液を混合し、内径 7.8 cm、 高さ 35 cm のアクリルカラムに充填した。Fig. 3 に実験概要を示す。試料には 35 組の熱電対を 1 cm 深間隔でカラム側壁より設置した。
また、5 cm 深間隔で TDRセンサーを設置し、地温と体積含水率、電気Fig.4 Temperature changes in soil with salt free and with sodium chloride added

Fig.5 Changes in water content in soils (a) with no salt and (b) with 0.5 mol/L NaCl
3.

結果と考察

塩無添加土と NaCl を添加した土の各深さ

1.

土中の温度と体積含水率の経時変化の体積含水率の経時変化である。気温が 0℃

Fig.4-a, b は、塩無添加土と NaCl を添加し以下に低下すると、土中の水分が凍結し、不た土の各深さの温度の経時変化である。実凍水量が徐々に減少した。各深さにおける線の色の違いは、土中の異なる深さを表し体積含水率（液状水量）は、表層から下層にている。凍結融解は 3 サイクル行った。凍向かって徐々に減少した。融解過程に入る

結過程では、地温は上部 2.5 cm から急速にと、気温の上昇とともに土中の氷が融け、体低下し、下層になるほど地温の低下速度が積含水率は再び上昇した。2.5 cm の体積含緩やかになった。また、32.5 cm は、35 cm

水率は、融解過程にわずかに上昇した後、減に 4℃の恒温端があるため、比較的温度変化少に転じた。こうした上昇は、凍結過程に下が小さかった。融解過程でも、地表面近くの層から表面近傍に移動した水分の融解によ2.5 cm が最初に温まり始め、その後、時間り、減少は蒸発によると考えられる。また、が経つにつれて徐々に下層の温度が上昇し土に NaCl を添加すると、塩無添加の土に比た。また、土に NaCl を添加すると、土中水べて体積含水率の変化が小さくなったの凝固点が低下した一方、融解過程の地温（Fig.5-b）。

上昇が速くなった（Fig.4-b）。Fig.5-a, b は、

Fig.6 Water content profiles in samples during first (a,b) freeze and (c, d) thaw processes
2.

水分分布

が不凍水量は高くなった。土に含まれる塩Fig.6 は、塩無添加土と NaCl を添加した分が、凝固点降下により土の凍結を阻害し土の最初の凍結融解サイクル各時間の体積ているといえる。融解過程が始まると、土中含水率分布を示す。凝固点以下の体積含水の氷が融け、不凍水量が増加した。時間が経率は不凍水量と見なす。Fig.6-a,b は、塩無添過し、内部温度が上昇するにつれて、不凍水加土と 0.5 mol/L の NaCl を添加した土の凍量はさらに上昇した。そして、各試料中の氷結過程を、Fig.6-c,d は、塩無添加土と 0.5は 36 時間後には完全に融解した。融解過程

mol/L の NaCl を添加した土の融解過程をそでは、NaCl を添加した土は塩無添加土よりれぞれ示している。各試料の初期体積含水も早く融解した。30 時間の水分分布を比較

率は 0.4 前後であることが確認できる。
凍結すると、塩無添加土中には 0.1 cm3/cm3 程度

過程が始まると、地温が上端から徐々に低の氷が中層に残っているのに対し、NaCl を下し、凍土中の不凍水量が次第に減少した。

添加した土の内部には氷相は見られなかっ

時間の経過とともに、凍土中の氷量は増加た。

し、不凍水量（体積含水率）はさらに減少しFig.7-a に凍結融解実験における、各凍結た。
1 サイクル目の凍結過程が終了した時点融解サイクル終了時の体積含水率分布を示（凍結開始後 24 時間）の含水率分布を比較す。融解過程が蒸発の主要な期間である。

すると（Fig.6-a,b）、NaCl を添加した土の方

Fig.7 Profiles of water content. (a-c) freeze-thaw experiment and (d-f) non-freeze experiments
そこで、Fig.7-b には非凍結実験における、しなかった。一方、凍結融解実験では、上層凍結融解実験各サイクルの融解終了時間にの体積含水率の減少とともに、下層の体積相当する時間の体積含水率分布を示す。い含水率も減少した。凍結融解サイクルによずれも試料は完全に融解しており、0 h 対すり、下層の土中から上層の凍結面に向かっる水分減少量は蒸発による減少分と見なせて水分が移動したといえる。

る。いずれの試料においても、体積含水率が凍結融解実験について、塩を無添加の試徐々に減少していることがわかる。これは、料と添加した試料を比べると（Fig.7-a,b）、土中の水分が実験経過に伴って蒸発し、塩添加の試料の下層の含水率低下は、塩無徐々に減少しているためである。凍結融解

添加の試料に比べ小さかった。これは、塩に実験と非凍結実験を比較すると、凍結融解より凍結過程の水分上昇が生じにくかった

実験の方が体積含水率の減少が塩添加の有ことと、凍結過程の水分上昇とともに移動無にかかわらず大きかった。非凍結実験でした塩により、地表近くの塩濃度が上昇し、は、上層の体積含水率は減少したが、下層の融解時に蒸発しにくくなったためと考えら

体積含水率の減少は小さかった。特に、NaClれる。

添加土の下層の体積含水率はほとんど変化

Salt free,No FTSalt free,Freeze-thaw

0.3M NaHCO 3,FT
0.3M NaHCO 3,NO FT

0.5M NaHCO 3,FT0.5M NaCl,FT

0.5M NaCl,No FT

0.3M NaHCO 3,FT
0.5M NaCl,FT

Fig.8 (a) Cumulative evaporation and (b) profiles of sodium ion concentration
3.

積算蒸発量とナトリウムイオン濃度
Fig.8-a に積算蒸発量を示す。塩無添加のなかった。解離度の大きな塩ほど、蒸発をより顕著に抑制するといえる。

3 サイクル後の凍結融解実験の積算蒸発量

Fig.8-b に土中のナトリウムイオン濃度をは、3 サイクル相当の蒸発時間経過後の非凍示す。表層の塩濃度は下層の塩濃度より、は結実験よりもわずかに多くなった。非凍結るかに高くなった。何れの試料においても実験については、蒸発により上層の水分が蒸発により地表に塩が蓄積した。オレンジ減少すると、可能蒸発が継続できなくなり、破線は 0.3 mol/L の NaHCO3 を添加した試料蒸発速度が低下する。一方、凍結融解実験でであるが、地表の Na 量は凍結融解実験ではは、凍結過程に下層から補給された水分が1.02 mol/dm3soil に達したが、非凍結条件では融解過程にも表層に残り、可能蒸発の継続0.83 mol/dm3soil であった。凍結融解サイクル期間が長く続く。こうした差が積算蒸発量

が表層への塩の蓄積を促進したとみなせる。の違いに現れたと考えられる。

0.5 mol/L の NaCl を添加した土の表層濃度
0.3 mol/L の NaHCO3 添加試料についても、 も、凍結融解条件では 2.02 mol/dm3 に達
soil
凍結融解実験の積算蒸発量は非凍結実験よしたが、非凍結条件では 1.86mol/dm3 であsoilり大きくなった。しかし、塩を添加すると、った。同じ塩濃度では、NaCl の方が NaHCO3

塩無添加の試料に比べ、積算蒸発量は減少

より表層の Na 濃度が高くなった。NaCl はした。これは、土表面に塩分が蓄積して水ポNaHCO3 と異なりほぼ完全に解離するため、テンシャルが低下し、また、塩分の存在によ表層への塩類蓄積が生じやすいと考えられり土粒子への吸着水量の増加し、蒸発が困る。

難になったためと、凍結時の氷量の低下により下層から表層への水分供給量が減り、可能蒸発の継続時間が短くなったためと考えられる。NaHCO3 溶液の濃度が 0.5 mol/Lと高くなると、積算蒸発量は更に減少した。
NaCl を添加した土は、積算蒸発量が最も少