ISSN 0387-6012

土壌の物理性第 120 号

平成 24 年 3 月 20 日発行（年 3 回発行） 昭和 45 年 7 月 31 日

学術刊行物承認ISSN 0387-6012

Journal of the Japanese Society of Soil Physics
土壌の物理性No. 120

March, 2012

Foreword…………………………………………………………………………………………… H. SHIGA …

1

第一二〇号

Contents

土壌の物理性Journal of the Japanese Society of Soil Physics

Symposium reviews
Physics as a field science and its role to our society
5Technological trend of Drainage improvement for upland soil……………………………………………………………………………………… I. KITAGAWA …

15

Landuse of peatland and its conservation…………………………………………………………………………………………… T. INOUE …

21

Maximum permissible nitrogen input into agricultural land to prevent nitrate pollution in groundwater……………………………………………………………………………………… T. NAKATSUJI …

23

Denitrification in paddy fields and shallow aquifers for environmental water purification…………………………………………………………………………………………… S. EGUCHI …

29

Discussion at the 53rd symposium on soil physics as a field science and its role to our society………………………………………………… J. KASHIWAGI, Y. IWATA and T. NAKATSUJI …

39

二〇一二年 三 月

History of Soil Physical Studies in Japan……………………………………………………………………………………… S. HASEGAWA …

2012 年 3 月

第 120 号

Original Papers
Adsorption of Sodium Dodecylbenzene Sulfonate on Highly Humic Non-allophanic Andisol at High-Electrolyte
Concentration………………………………… Farook AHMED, M. ISHIGURO, K. MORIGUCHI and T. AKAE …

45

A simple and low cost method for measuring gas diffusivity and air permeability over a single soil cylinder…………………………………………………………… Purwoko Hari KUNCORO and K. KOGA …

55

Notes

Lecture series
Reviewing classical studies in soil physics“The capillary potential function and its relation to irrigation practice”
By W. Gardner, O. W. Israelsen, N.E. Edlefsen, and H. Clyde, Phys. Rev. 20, 196（1922）……………………………………………………………………………………… T. MIYAMOTO …

61

Readers’ column………………………………………………………………………………………K. WATANABE …

67

Book Review……………………………………………………………………………………… T. NAKATSUJI …

69

Announcements………………………………………………………………………………………………………………

71

Editor’s Postscript………………………………………………………………………………………………………………

72
土
壌
会

http://www.iai.ga.a.u-tokyo.ac.jp/jssp/

学

Research Faculty of Agriculture, Hokkaido University
Kita9 Nishi9, Kita-ku, Sapporo, Hokkaido 060-8589 Japan

理

Japanese Society of Soil Physics

物

Published by

土壌物理学会Japanese Society of Soil Physics

土壌の物理性
第 120 号

目

2012 年 3 月

次

巻頭言
志賀弘行

.....

1

中辻敏朗

.....

3

長谷川周一

.....

5

北川

巌

.....

15

井上

京

.....

21

中辻敏朗

.....

23

江口定夫

.....

29

柏木淳一・岩田幸良・中辻敏朗

.....

39

シンポジウム特集
第 53 回土壌物理学会シンポジウム「フィールド科学としての土壌物理学と社会への貢献」
日本の土壌物理研究の歴史を振り返る
畑土壌に対する排水改良技術の動向
泥炭地の土地利用と保全
地下水の硝酸汚染防止のための窒素環境容量
水田および浅層地下水中の脱窒による環境浄化
第 53 回土壌物理学会シンポジウム総合討論

論 文Adsorption of Sodium Dodecylbenzene Sulfonate on Highly Humic Non-allophanic Andisol at
High-Electrolyte Concentration
Farook AHMED, Munehide ISHIGURO, Kazuki MORIGUCHI and Takeo AKAE ..... 45

研究ノート
A simple and low cost method for measuring gas diﬀusivity and air permeability
over a single soil cylinder
Purwoko Hari KUNCORO and Kiyoshi KOGA ..... 55

講 座
古典を読む
W. Gardner, O. W. Israelsen, N.E. Edlefsen, and H. Clyde 著「毛管ポテンシャル関数と灌漑操作への応用」
宮本輝仁

.....

61

渡辺晋生

.....

67

中辻敏朗 .....
.....................................................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................................................

69
71
72

土粒子
凍土のリンク

書 評
地下水用語集

会務報告
編集後記
表紙写真の説明2011 年 10 月 28 日に北海道大学農学部において，第 53 回土壌物理学会シンポジウムが開催された．シンポジウ
ムのテーマである「フィールド科学としての土壌物理学と社会への貢献」について，講演と活発な議論がおこなわれた．詳細については，今号の「シンポジウム特集」をご覧下さい．

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巻 頭 言土づくりと土壌物理性
志賀弘行 1

仕事柄，農業団体などから「土づくり」に関連する講演や資料執筆を依頼されることがあるが，依頼側が明確な意図を持っていない場合が多い．「土づくりにも色々な側面がありますが，どのようなことを重点にしましょうか？」と問うても，「その辺はお任せします．」と逃げられてしまうことがほとんどである．
「土づくり」の定義とは何であろうか？我が国の農業政策における地力観を示す，地力増進法に基づく地力増進基
本指針で見てみよう．同指針の構成は，「土づくりのための基本的な土壌管理の方法及び適正な土壌管理の推進」，「土壌の性質の基本的な改善目標及び基本的な改善方策」および「その他地力の増進に関する重要事項」の三本柱からなっており，ここでは，土づくりを地力増進とほぼ同義に扱っている．一方，指針の別の箇所では，「有機物資源のたい肥化とその利用による土づくり」や「作物残さのすき込みにより土づくりを進める」等の表現もあり，地力増進のための総合的な取り組みを指す広義の土づくりと，有機物による土壌の性質の改良を指す狭義の土づくりの二つの考え方があることが伺える．
昭和 59 年に制定された地力増進法は，前者の広義の土づくり観を示したことが特徴であった．本誌 55 号「土壌診断における土壌物理性の位置づけ」で久保田は，地力増進法について，「これまで我国農耕地の土壌改良を支えてきた耕土培養法が化学性改善に偏っていたことを改め，新たに物理性改善，生物性改善を含む土壌の総合的改善を作り

土の目標に掲げ，文字通り地力増進を国家的に推進することになった．」と述べている．また，土壌物理性が地力増進法に組み込まれた理由として，地力保全基本調査により，土壌の透水性・通気性・硬さ等，物理性不良のために生じる地力問題が少なくないことが明らかにされたことを挙げている．また，三輪は，本誌 52 号「地力増進法のねらいと土壌の物理性」で，地力増進基本指針における改善目標の設定において，土壌物理研究会が刊行した「土壌の物理性と植物生育」が重要な役割を果たしたことを指摘している．
地力増進基本指針は，制定からこれまでに何度か改正が行われており，その内容の変遷を通じて，土づくりをとりまく情勢の変化を伺うことができる．たとえば，当初「土づくりのための基本的な土壌管理の方法」として，① 堆きゅ
う肥等の施用，② 的確な耕うん，③ 肥料の適正な施用，の順で示されたものが，平成 9 年には ② と ③ が入れ替わっている．制定直前の昭和 55 年から 4 年連続の稲の不作が社会的な問題となり，その原因の一つとして水田の浅耕化による地力低下が疑われたことなどが耕うんの重視につながったのであるが，平成 9 年には，農業における環境保全対策の実施に関する総務省からの勧告により，環境への悪影響の防止を図るため適正施肥の必要性が明示され，環境保全型農業の推進が追加された．
さらに，平成 20 年の改正においては，土壌有機物の役割として，従来の農業生産性の向上に加えて，炭素貯留機能，物質循環機能などの農地土壌が有する環境保全機能の維持・向上が示され，有機物施用の必要性について新たな意義付けがなされた．地力増進基本指針の骨格をなす，有機物，特にたい肥施用中心の投入強化型の土づくり観は，集約的な土地利用を前提とした我が国の伝統的な考え方を強く反映したものであったが，平成 20 年の改正では，たい肥を確保しにくい地域における作物残さの活用，土壌への炭素貯留効果を持つ不耕起栽培の導入，畑輪作体系における地力増進作物の導入など，必ずしも集約農業を前提としない多様な方法による土壌有機物の補給策が盛り込まれたことも特徴である．
少し話が飛ぶが，土地利用型の農業に視点を置いて，長期的に続く農家戸数の減少とそれに伴う経営規模の拡大などを踏まえると，管理を粗放化せざるを得ない現実の中で，土壌物理性を重視した地力の維持（土壌劣化の防止）に力点をおくべきではないかと感じる場面が増えている．たとえば，2010 年世界農林業センサスの結果を 2005 年と比較すると，北海道では経営耕地面積が 50 ha 以上の層で明らかな増加がみられ，100 ha 以上の層は 29 % も増加しているなど，大規模経営体の増加が顕著である．また，規模拡大は作付の選択肢が少ない条件不利地域から順に進んでおり，これらの動きは近い将来に向けてさらに進行すると予想される．
このような情勢の中で農業者がどう考えているかを，昨年，筆者の職場が地元の指導農業士の方々を対象に実施した調査から見ることができる．この調査は，「10 年後に必要となる生産技術」を，約 10 項目の技術を提示して優先順位を付けてもらい，その理由を尋ねたものである．回答で順位の高かった項目として，水稲では「直播栽培技術」に次いで「土壌物理性の改良」が挙げられ，畑作および露地野菜では，「土壌物理性の改良」が「連作障害対策」と並んで上位を占めた．土壌物理性改良の中身としては，湿害や集中的な降雨に対応するための排水対策，大型機械に
1

北海道立総合研究機構中央農業試験場

2

土壌の物理性 第 120 号（2012）

よる土壌環境の悪化への対応などが挙げられた．
回答の背景として，大規模化の中で土壌条件に配慮した作業を行うことが難しくなっており，高水分条件下での耕起・整地や収穫作業などによる土壌の練り返しと透排水性悪化の悪循環がみられること．さらに，北海道では過去 3
年にわたって農耕期間中の作業の節目となる時期に降雨が多く，植付け，収穫，防除などの作業に大きな支障を来しており，土壌物理性の悪化が将来に向けた大きな懸念材料として認識されたものであろう．技術側の対応としては，排水対策だけでなく，作業の省力化，高速化と土壌物理性の悪化防止を両立させるために，簡易耕や不耕起栽培の適用範囲についても検討が必要と考えられる．
また，現場からは必ずしも明確なニーズが示されていないが，土壌侵食の問題も古くて新しい課題である．少し長くなるが一戸による本誌 5 号の「北海道の土壌侵蝕」から引用すると「（北海道は，）強雨が比較的少なく，危険雨量も少ないのにもかかわらず，土壌侵蝕は府県のそれと比較して顕著に認められ，その規模も大きい特徴がある．これは経営規模が比較的広く，ほとんどが長い自然傾斜をそのまま利用し，しかも土壌侵蝕を受け易い作物が何ら侵蝕防止を考慮することなくまとめて作付されている例が多いためと考えられる．また，（中略）地形の如何にかかわらず，号線区画によって方形に土地が区分され，（中略）Gully の大きな原因となっている．」としており，この指摘は現在でもほぼそのままあてはまる．また，近年，短時間に強く降る雨が増加していることや上述した規模拡大の傾向を合わせて考えると，地力維持における重要な問題として再度検討する必要があろう．
以上，十分考えがまとまらないまま書いてきたが，農業が大きく変わろうとするときにあたって，関係者の土づくり観も次第に変化しており，土壌物理研究の貢献が期待される事柄が各所にあることを感じている．学会員の皆様の活躍を期待したい．

第 53 回土壌物理学会シンポジウム「フィールド科学としての土壌物理学と社会への貢献」
土壌物理学会編集委員長 中辻敏朗 1

土壌物理学会では，2011 年度土壌物理学会大会において，第 53 回シンポジウム「フィールド科学としての土壌
物理学と社会への貢献」を 2011 年 10 月 28 日に北海道大学にて開催した．
土壌物理学は，土壌中の物質やエネルギーの動態，さらには大気や地質領域との交換現象について，土壌に生−食料生産の維持・向上に対する土壌物理学の貢献−
２．畑土壌における排水性改善技術
北川巌（農業・食品産業技術総合研究機構 農村工学研究所）
３．泥炭地の土地利用と保全
井上京（北海道大学大学院農学研究院）

息する動植物との関連性を考慮して研究する学問であり，
フィールド科学の一つである．フィールドを対象とした研究で得た知見や成果は，フィールドに返し，そこで生じている様々な問題の解決に役立てることが求められる．これは社会貢献の一つの形であろう．
近年の研究諸分野における成果主義台頭のなか，これま−地域環境保全に対する土壌物理学の貢献−
４．地下水の硝酸汚染防止のための窒素環境容量
中辻敏朗（北海道立総合研究機構 中央農業試験場）
５．水田および浅層地下水中の脱窒による環境浄化江口定夫（農業環境技術研究所）での膨大な土壌物理学研究で得られたデータ，測定手法，
解析法，それらに基づき開発された技術などの研究成果は，
食料生産はもちろん，最近の環境問題の解決に対し，どのように役立てられ，どの程度貢献してきたのだろう．また，−総合討論−
座長：志賀弘行（北海道立総合研究機構 中央農業試験場）・成岡市（三重大学大学院生物資源学研究科）

今後はどのような貢献が求められ，そのためにはどんな研
究や活動が必要なのだろうか．

本特集では，シンポジウムの内容を学会員に広く周知す

今年度のシンポジウムでは，日本の土壌物理研究の歴史るため，発表内容をベースに講演者に執筆いただいた報告を振り返るとともに，食料生産の維持・向上，地域環境の5 編，および事務局編集による総合討論の概要を以下に掲

保全に対して土壌物理学が果たしてきた具体的な貢献事例載する．

を紹介し，あわせて社会貢献の観点から今後の研究の展開

なお，大会では例年通りポスターセッション「土壌物理方向を論議するため，以下のような 5 名の演者による講演

研究の最前線」が設けられ，53 本の発表が行われた．今と総合討論を企画した．

年度は，昨年 3 月に発生した東日本大震災による農地の被災実態や今後の復旧に向けた技術的対策に関する報告もい−基調講演−
１．日本の土壌物理研究の歴史を振り返る
長谷川周一（北海道大学名誉教授）

くつかみられた．いずれのポスターの前においても，参加者同士で活発な論議や情報交換が繰り広げられていたことを付記しておく．
1
Hokkaido Research Organization, Agricultural Department, Central
Agricultural Experiment Station, Naganuma, Hokkaido, 069-1395
Japan. 北海道立総合研究機構農業研究本部中央農業試験場

シンポジウム特集
総 説., March 2012, Vol. 120, 5 ‒ 14

Reviews
5

日本の土壌物理研究の歴史を振り返る
長谷川周一 1
History of Soil Physical Studies in Japan
Shuichi HASEGAWA1

1. はじめにがわかる．1950 年に勃発した朝鮮戦争の特需で我が国の重工業が復活し，都市と農村に格差が生じてきた．ま土壌物理学会の前身である土壌物理研究会が設立された，アメリカの小麦戦略によりキッチンカーが全国を巡たのが 1958 年である．50 余年を経過し，「土壌の物理性」

回し，小学校の給食では脱脂粉乳とコッペパンが出されの第 118 号が 2011 年 7 月に発行された．そこで，今また．1950 年代後半には白米を食べるとバカになるといでの学会誌をもとに，土壌物理学の研究成果と社会へのう宣伝が慶応大学医学部教授によりなされ，朝日新聞の貢献を念頭に置きながら，我が国の土壌物理研究を振り

天声人語では，日本の食生活は 100 年も遅れている（1957

返る．また，現在の課題について若干触れてみたい．土

年 9 月 3 日），池の鯉や金魚に残飯 注）ばかりやっている

壌物理研究会発足以前の土壌物理研究については第 5 代と，ブヨブヨの生き腐れみたいになる．パンくずを与え会長の美園（1956）により紹介されている．

ていれば元気だ（1959 年 7 月 28 日）といった日本農業

2. 日本の土壌物理研究の流れ
第二次世界大戦の敗戦により，我が国には食糧を増産し，海外からの帰還者を農業分野で吸収しなければならないという大きな命題があった．そのため，生産性の向

つぶしの合唱がすでに始まっている．

3. 研究会設立から 10 年を区切りとして「土壌の物理性」から研究の動向を読む
初代の会長である山中（1959）は土壌の物理性第 1

上と農地の造成が進められ，農業研究の 1 分野として土号発刊に際してにおいて，最後の文章を「私達は土壌壌物理研究が発展してきたが，とりわけ農林省の 2 つのを 1 つのテスト用の Material として取り扱う基礎的な事業，「地力保全基本調査事業」と「土地改良事業」にものと，現地の Active な状態とを生産的に関聨させてよるところが大きい．

研究することを使命とすべきであり，また新しく発足し1959 年から 1978 年まで実施された地力保全基本調査

たこの研究会の発展のための使命でもあると考える．
」

事業は，公立農業試験場が参画し，全国の田畑 508 万と締めくくっている．ここで，Material とは，土壌を現

ha を対象に 25 ha につき 1 地点の頻度で 20 万点の土壌

地から切り離し，調整処理されたものであり，山中は作調査を行った．事業の目的は，我が国農地の生産力を阻物と無関係に行われる Material を対象とした土壌物理害している理化学的要因および地力の剥奪要因などを明の方向は，これが一部の専門家の 仕事 に限られる傾らかにすることであった．この成果は 1984 年に制定さ向を助長し，同時に土壌物理のれた地力増進法に反映されている．一方，戦後にはいく

来た事は明らかであるとも述べている．また，第 16 号

つかの大規模な土地改良事業が行われた．志村（1977）の巻頭言で会長の八幡（1967）は，農学の諸分野はとりによると，国家的な巨大プロジェクトを遂行するに当わけ行政と深く関係し，土壌肥料，農業土木，農業機械，

たって課題となる数々の研究テーマは大学，研究機関，

栽培分野が系列化している中で，多分野が集まった研究

民間機関に振り分けられ，まさに巨大なプロジェクト会の存在意義を強調している．以上のように，研究会のチームが行政機構を中心に学会，研究機関も含めて全国

方針は，土壌の物理性を核に，室内の物性研究に片寄ら的規模で組織された．このような事業で得られた土壌物

ず，また現場の紹介に留まらないことに注意をしている

理の研究成果は，多くの土地改良事業計画設計基準に反ようであり，初期の研究内容は現在よりも多様である．

映されている．Table 1 には主な農業政策と土壌物理研

3. 1 1959 年から 1970 年まで（第 1 号から第 22 号）

伸び悩み

を招来して

究会・土壌物理学会の活動を，Table 2 には戦後の大規

社会的背景としては，農業基本法（1961）が制定され，

模土地改良事業の例を示した．Table 2 から，敗戦から稲作の保護と畑作からの撤退（選択的拡大）が行われた．

土壌物理研究会が発足する 1950 年代後半までに食糧増

農村の労働力が工業に流れ，出稼ぎ農民の増加と兼業化

産に向けた大規模な土地改良事業が開始されていることが進んだことが挙げられる．この時期の研究としては，

1
Hokkaido University, Kia 9, Nishi 9, Kita ‒ ku, Sapporo 060 ‒ 8589,
Japan, Corresponding author : 長谷川周一 , 北海道大学名誉教授
2011 年 11 月 15 日受稿，2012 年 1 月 11 日受理
土壌の物理性 120 号，5 ‒ 14（2012）

注：広辞苑の初版（1955）によると，残飯はいう意味であり，第 5 版（1998）に見られるいう意味はない．

食い残しためし
食べ残しの食物とと

土壌の物理性 第 120 号（2012）

6

Table 1 主な農業政策と土壌物理研究会・土壌物理学会の活動

1952 農地法，施肥改善事業の開始 ( 食糧増産へ）

1975 ミカンの生産調整を開始「土の物理学」，「土壌の物理性と作物生育」を発行
1979
土壌環境基礎調査（1998 年まで）
地力増進法が公布される（1997 年に改正）
1984
第 50 号レビュー号
1988 牛肉・オレンジの自由化
1989 食料自給率が 50% を切る
GATT ウルグアイ・ラウンド合意（コメのミニマム
1993
アクセス），イネの大凶作（作況指数 74）
食料・農業・農村基本法
1999
土壌物理研究会から土壌物理学会へ2005 第 100 号記念号

1958 土壌物理研究会発足
地力保全基本調査事業 (1978 年まで）
食料自給率は約 80％
1961 農業基本法
1963 小区画，不整形の水田から 0.3ha へ整備事業開始
1959

1964 出稼ぎ農民が 100 万人を超える
機械化を前提とした区画整理を主とする
大規模圃場整備事業の開始
1967 コメの完全自給を達成
コメの生産調整を本格的に開始
1971
食料自給率が 60％を切る
1973 第 1 次石油危機（アメリカのダイズ輸出規制）
1974 土壌物理用語事典を発行
19652006 食料自給率が 40% を切る
2011 TPP 参加表明で大議論

GATT：貿易と関税に関する一般協定

Table 2

TPP：環太平洋戦略的経済連携協定

大規模土地改良事業の例

期間

備考

相模原畑地灌漑名称

1948 ‒ 1963

完成後著しい都市化により，施設は廃物化

豊川用水

1949 ‒ 1963

東三河地区，農業用水が 72％

根釧原野の機械開墾

1955 ‒ 1964

1 農家 15 ha，飼育乳牛は 10 頭，サイロ付き

1956 ‒ 1971

石狩川右岸の 11,400 ha を大水田地帯へ

愛知用水

1957 ‒ 1961

農業用水から都市用水主体への切り替え

八郎潟の干拓1957 ‒ 1977

1 農家 15 ha，完成時にはイネの作付制限

篠津泥炭地域の大規模開発

例えば，土が受蝕性か否かを定量化するには，室内実験

り，土の保水性と浸透性が主要なテーマであった．我がにおいて土のどのような特徴を指標にすべきかといった国においても欧米の知識に湿潤な我が国の気候を反映し研究が多い．土の特徴を調べるための測定法についてのた畑地灌漑の研究が進められており，1960 年代には畑特集が見られる．測定法に着目してきたのは本学会の特地灌漑の考え方はすでに確立している（例えば，椎名，

徴で，最近にいたるまで繰り返しシンポジウムで取り上

1963）．一方水田においては，食糧増産のために開田さげられている．土壌水と pF との関わりについては，pF

れた火山灰地の水田に湛水が出来ないという問題が起で一律に解釈するよりも，ソビエト土壌学の影響を強く

き，破砕転圧工法（石川ら，1964）が開発されている．

受け，土壌水の存在形態が強調されている．また，液性

迅速漏水量測定装置（山崎ら，1960）が開発されたのも限界や塑性限界といった力学的な転移点を pF で解釈しこの頃である．また水田の機械化を推進するためには地ていた．「土壌水運動の諸系列」という総説が 4 回にわ耐力の確保が不可欠であり，重粘土水田の排水の研究がたって連載された．この総説は飽和・不飽和土壌水の運

精力的に行われた．そして，暗渠排水における亀裂の役動に関する国内外の主要な研究を取り上げており，我が割（田渕ら，1966）が明らかにされ，土層改良と用排水

国の水移動研究に大きな影響を与えた．畑地の研究では，組織に関する研究（根岸ら，1972）が行われ，暗渠疎水

作物の生育に必要な酸素濃度や通気性の研究があり，そ材としてのモミガラの利用も始まっている．このようなれらの考え方は現在でも通用する．農業機械と土壌の物

成果を見ると，我が国に特徴的な水田の暗渠排水技術は理性についての研究も非常に多い．当時は馬耕からトラ1960 年代にほぼ確立されていたと見るべきであろう．

クタに移行しはじめた頃であったため，トラクタ走行の水田の研究では，水を張った水田下層土において気相がために必要な土壌硬度とトラクタが作る耕盤の 2 つの力

連続した不飽和浸透（開放浸透）が生じるという発見が学性が同時に検討されていた．モンサント社のクリリウある．水田の造成が盛んであった時代で，用水量の見積

ムが高分子でありながら水溶性であり，優れた団粒形成

もりと確保が不可欠であり，減水深測定装置の開発（狩能を有するということで話題になったようであり，国産

野ら，1961）に加え，適正減水深，適正浸透量という用の 高 分 子 系 の 土 壌 改 良 資 材 で あ る polyvinyl alcohol

語も登場する．以上のように，1960 年代は畑や水田の（PVA）や無機資材のベントナイトを用いて保水性改善

土壌物理が大いに発展した飛躍の 10 年であった．

や浸透抑制に応用する研究が行われていた．
欧米において土壌物理学が発展してきたのは畑地であ

3. 2 1971 年から 1980 年まで（第 23 号から第 42 号）
コメの完全自給は Table 1 に見るように 1967 年に達シンポジウム特集 総説：日本の土壌物理研究の歴史を振り返る

7

成され，1970 年代はコメの減反政策が実施された．一

取り上げられている．さらに，土中の無機塩の移動，地方で財界を中心に国際分業論など日本農業不要論が声高

下水中の物質移動，斜面中の水移動，膨潤性土への浸潤，に叫ばれた．田植機やコンバインの導入が進み，機械化

物質移動における亀裂の役割，凍土中の水移動などに加貧乏という言葉も生まれた．1970 年代においても，作え，粗孔隙や亀裂が発達した畑の排水など，不均一な場

物別，土地利用別に土壌の物理性や水収支が研究されてにおける物質移動が注目された．基盤整備に伴う土の劣いる．施設栽培において灌水点が高い理由として溶液濃化は相変わらず問題であり，土の圧縮特性に対する基礎度が高いことが指摘され，ビニールマルチ下の二酸化炭的な研究も行われた．アメリカで低投入持続的農業（low

素濃度が測定されている．農地造成に伴う土壌劣化や傾

input sustainable agriculture，LISA）のブームが起きた

斜地の土壌侵蝕については，論文数は少ないものの継続

ことから，我が国でも，省耕起，不耕起の研究が報告さ的に研究が行われている．プラウ耕および牽引性能と土れている．また，基礎的な分野としては，水分特性曲線

壌物理性など機械分野の研究がある．すでに，環境問題から不飽和透水係数を予測するモデルの比較が行われてが研究の対象となりはじめ，水田からの窒素流出を差しいる．測定法に関しては，コンピュータ利用の自動計測，

引き負荷として考える必要性が強調され，カドミウムに

軟 X 線映像や CT スキャンによる間隙構造や水移動の汚染された水田の客土による修復も取り上げられてい可視化，近赤外線を利用した水分計などが見られた．研る．重粘土水田における排水に関する目標値が出される究会発足 25 周年の第 50 号は土壌物理研究レビュー号でと共に，コメの生産調整が本格化したことを背景に，田あり，「農業と土壌物理・農業技術の進歩や農業生産の畑輪換が取り上げられ，排水問題，適切な輪換年数，還向上に寄与した成果」と「基礎的研究・農業技術の基礎

元田の用水量，輪換に伴う土壌の変化が研究されている．

となった成果」とに分けてレビューされた．座談会も行さらに，境界領域の研究として，微生物の住みか，移流

われ，これからの展望について意見が出されている．1

分散方程式による移動現象の解析と硝酸汚染危険度マッ

つは，土をより深く理解する必要性を主張し，他は，問プの作成などが注目されている．基礎的な研究としては，題が顕在化しつつあった硝酸汚染のような地域環境と温温度勾配下の不飽和水移動，土の熱的性質が取り上げら

暖化ガスに代表される地球問題に土壌物理は取り組む必れている．測定法の紹介は大変に多いが，データロガー

要があるという意見であり，先見性が読み取れる．

やパソコンが普及する以前であった．

1980 年代の外国の研究トピックを見ると，電算機をアメリカの土壌物理研究に目を向けると，1970 年代

使った物質移動解析ブームが一段落し，土の不均一性がは電子計算機の発達により，種々の条件下における不飽着目された時代であった．そして土と作物生産から，土和 水 移 動 が 解 析 さ れ た 10 年 で あ っ た．1950 年 代 にと環境に移行していった時代でもあった．また，学会誌

pF 4 . 2 までの土壌水分と不飽和透水係数が測定され，の講座「古典読む」でも紹介されているが，Scaling（古1960 年代は Richards のポテンシャル方程式や拡散方程典を読む 104 号）や Geostatistics（古典を読む 113 号）

式の数値解法が工夫された時代であった．1970 年代をといった手法により土の理解を深めた時期でもある．

代表する研究の 1 つとして SPAC（土壌―植物―大気系

1950 年の Childs and Collis George に始まる水分特性曲の水の流れ）を挙げることが出来る．SPAC は我が国で線から不飽和透水係数を予測するモデルは，Mualem

は流行とならなかった．このモデルは植物の吸水現象を（1976）と van Genuchten（1980）により完成されてい物理的（機械的）に理解するには役に立ったが，解析にる（古典を読む 106 号）．

必要とされるパラメータの値が研究者により異なるこ

3. 4 1991 年から 2000 年まで（第 62 号から第 85 号）と，植物という生き物に対して余りにも機械的に処理し戦後一貫して増加してきた農業生産が減少に転じ下降たため，1980 年代には余り省みられることが無くなった．

を続けた．GATT ウルグアイラウンドの合意によりコ

3. 3 1981 年から 1990 年まで（第 43 号から第 61 号）

メ の 一 部 自 由 化（ ミ ニ マ ム ア ク セ ス ） が 行 わ れ た．

農業を巡っては，中核農家の育成を目指していた．同GATT では農業生産を奨励する補助金が禁止される一時に，水田転換畑による畑作物の自給率の向上を目指す

方，環境保全目的の補助金は認められた結果，農業が環政策や試験研究が活発に行われた．水田の用排水路の管境保全に果たす役割が EU（欧州連合）や我が国で活発路化など装置化水田の動きも見られた．一方では農業由に議論された．また，地球温暖化が注目されはじめた．

来の硝酸汚染などの環境問題にも目が向けられた時代で我が国の農業不要論の声が小さくなってきた．現実の農あった．転換畑に関する研究では，畑転換が難しい重粘業との乖離が長いこと指摘されていた 1961 年の農業基土を対象とした研究が多く，排水をはじめとして，畑転本法が 1999 年に食料・農業・農村基本法として 39 年ぶ

換に伴うコンシステンシーの変化，理化学性の変化，畑りに制定された．水田農業の研究では，不耕起や直播きの易耕性の評価に加え，地下水位制御による転換畑でのと土壌物理性を主体とした新たな展開が模索され，リン

野菜栽培，土性と地下灌漑手法といった研究が多かった．

酸は根穴を通して下降し，珪酸は枯死根が給源となるこ

一方では，泥炭地を畑転換することへの問題点も指摘さと，不耕起水田では時々耕起が必要であることに加え減れた．作物培地に関する事項としては，施設野菜や普通

水深の問題が生じることが報告されている．また，開放

畑の灌水点に関する研究が見られる一方，湿害に関連し浸透条件下の鉄やマンガンおよび土中の酸素，炭酸ガスて ODR（oxygen diﬀusion rate）やガス拡散，通気性が濃度の分布が大型ライシメータを用いて測定された．畑土壌の物理性 第 120 号（2012）8に関しては点滴灌漑の水分動態，造成後の熟畑化，泥炭という考え方が出てきて WTO 交渉が停滞し，代わって土の土層改良，軽石流堆積物の客土と有機物施用効果，

二国間自由貿易のような貿易形態が模索されている．わ

土壌侵蝕についてはマサ土の造成畑と土壌侵蝕，クラス

が国では，北海道農業だけは規模拡大を続け，2005 年

トの形成，黒ボク土傾斜畑の保全にくわえ，タイ南部やには 1 戸当たりの農地面積は 19 . 3 ha となって EU の平

黄土高原の侵蝕も報告され，土壌侵蝕の特集号も組まれ均を超えるようになった 注）．一方，耕作放棄田は拡大した．また，有機物施用とロータリー耕の影響について

続け，2005 年には約 39 万 ha に達して埼玉県の面積に20 年間の長期試験が報告されている．養水分，ガス，

ほぼ等しくなった．土壌物理の研究では，TDR をはじ排水に対し物質移動の視点から見た土地生産性の評価もめとした電磁波を利用した計測法の原理と実際の適用や行われた．環境に関する研究では，代掻き濁水の防止の熱伝導率，対流，Eh など各種の測定法についての研究ために投入するカルシウム塩の種類と投入量についてのが依然として多かった．しかし，これらの計測法を農業研究，湛水田の硝酸塩除去モデルの提案と集水域への適生産や環境保全の現場で実際に展開している研究はどち用が試みられた．また，「温室効果ガスの動態」，「土壌らかというと少数だった．農業技術に関わる研究として中における溶解物質の移動」についてのシンポジウムがは，堅密土壌の心土改良，客土によるクラスト形成の抑行われている．さらに，熱帯における持続的農業や半乾制，基盤整備に伴う生育むらが 18 年後も解消されない

燥地の農業問題など，海外の農業問題と土壌の物理性にことが報告されている．また，耕起・不耕起と溶脱，堆関する話題も豊富であった．基礎的な研究としては，土肥・化学肥料の連用試験等が行われた．有機農業が土壌

壌水の熱力学的な考察が行われた．土壌水のエネルギーの物理性や収量に与える影響については否定的な報告は概念は岩田が 1961 年に発表以来，場の概念によるポテ

無いが化学性は正負の評価が見られる．作土が浅い場合

ンシャル成分の理解や相圧など，我が国の土壌物理学のには減肥の必要性が指摘された．畑における 10 年間の基礎となりレベルの高さともなっている（古典を読む

熱収支と地温，水分の変化から水不足時期を明らかにし

112 号）．また，酸性雨の被害が北ヨーロッパで深刻でた研究も見られる．農業技術に関わる研究は，学会誌のあった時代でもあり，酸性雨に関連して酸性溶液の浸入動向を見る限り，北海道を除く都府県からの寄与が少なと塩類溶脱が主として黒ボク土を対象に研究された．こくなった．環境関連では休耕田による窒素浄化が長期間の他，ランダムウォークモデルによる溶質移動の解析，維持されることや，土地利用形態と河川の窒素濃度など

アイスレンズの生成機構，転換畑土壌の沈底容積の減少が見られた．また，耕作放棄棚田は植林後 30 年で森林と鉄の作用メカニズム，浚渫低泥土の乾燥に伴う亀裂発の保水量に近づくという論文は，棚田の耕作放棄が話題

生 パ タ ー ン な ど が 報 告 さ れ た． 測 定 法 に 関 し て は，となった時代を反映している．栽培試験や室内試験とはTopp et al ．
（1980） に よ る 発 表 以 降 急 速 に 広 ま っ た

異なり，繰り返しのないフィールドサイエンスはもっとtime domain reﬂectometry（TDR）が解説された．

重視すべきという意見も出されている．土壌中の窒素と20 世紀前半にテンシオメータや加圧板などが開発さ炭素については環境問題との関係でシンポジウムが行われたことにより，マトリックポテンシャル（毛管ポテン

れた．農業生産に加え，炭素の大きな貯蔵庫であり貴重シャル）が容易に測定できるようになり，土壌水の研究な生態系である泥炭湿地について多くの報告が見られは大きな飛躍を遂げた．一方，土に含まれる水分の量をた．さらに，環境工学，森林水文学，考古学における土野外で測定するうまい方法は無かった．第 2 次世界大戦

壌物理や人工衛星による地表土壌水分の計測など土壌物のレーダー技術の落とし子といわれるケーブルテスター

理が使われている分野の紹介が行われた．土壌から発生を土壌に適用した TDR は土の種類によらずに体積含水するガス，ガス移動係数などガスに関する研究が増えて率の測定可能とした．この Topp et al ．の業績も「古典きた．移動現象への逆解析の応用や公開プログラムの活を読む」（古典を読む 108 号）に取り上げられている．

用や普及に関する試みも行われた．半乾燥地における塩1990 年代をもう少し見ると，施設栽培と土壌の物理性害の問題も取り上げられた．この他，地温探査によるたに関する研究，農業機械分野の研究が学会誌からは消え

め池の漏水調査，撥水性がヒノキ林小流域の流出に与えてしまった．なお，本学会の社会的役割は農業技術へのる影響が報告され，室内実験では，牛糞コンポスト施用貢献であったが，農業と環境の問題が大きくなってきたにより土の透水性が低下する原因の解明，酸性硫酸塩土のを受けて 1999 年に会則が農業技術及び環境科学の発壌の水分状態と鉄酸化菌の増殖および pH の関係，地中展に貢献すると変更された．1990 年代は，先進国におにある NAPLs（非水溶性液体）量の推定に関する研究

いては土壌物理研究の対象が地域環境および地球環境問が見られた．最近の傾向としてはフィールドを対象とし題に大きくシフトしていった．OECD（経済開発協力機

た農業技術や環境科学に関する研究が減少傾向にある．

構）や IPCC（気候変動に関する政府間パネル）の動向「古典を読む」，「泥炭」の講座や「土中の水分・溶質移に歩調を合わせ，いわゆる国際的なプログラムが大きく動モデル」の特集など，講座と特集が久々に組まれた．

成長した時代であった．
3. 5 2001 年から 2011 年まで（第 86 号から第 118 号）
国際的な貿易自由化の動きが WTO（世界貿易機関）中心に進められる一方で，大国の横暴に対して食料主権

注：逆に EU は東欧の参加で 1 戸当たりの農地面積は従来よりも減少している．

シンポジウム特集 総説：日本の土壌物理研究の歴史を振り返る

4. 土壌物理の専門書・教科書と土壌物理研究会による出版
我が国の土壌物理学はアメリカやソビエトの成果を吸収し，それに水田や火山灰土のような我が国に特徴的な

9講座で土壌物理の研究を中心にしている研究室は皆無と言っても過言ではなく，土壌物理の基礎的研究も大学の研究室からほとんど発表されていない」と指摘をしているが，この状況は現在もほとんど変わっていないようである．

対象を加えて発展してきた．なかでも，大きな影響を与土壌物理研究会からは研究者向けに次の本が出版されえたのは Baver の Soil Physics（1940）であろう．第 2ている．1974 年には 15 周年を記念して「土壌物理用語版は 1955 年に和訳されている．Soil Physics の著者は事典」が出版された．巻末には地力保全基本調査から得時代とともに変わってきたが，初版から我が国で広く読られた物理性に関連するデータが収録されている．本書

まれた最初の教科書である．この本は現在，Jury とは土壌物理学会になったのを契機に改訂され 2002 年にHorton による第 6 版が出版され，取出監訳の日本語版

新編として出版されている．新編にもデータ集がある．

（2006）もある．我が国で土壌物理学の教科書が最初に研究会発足 20 周年記念として 1979 年には基礎編の「土出版されたのが 1969 年の山崎監修の「土壌物理」であり，の物理学」と応用編の「土壌の物理性と植物生育」が刊

1975 年には八幡の「土壌の物理」が出版されている．

行された．「土の物理学」では土壌物理学と土質工学両

前者は研究者向けの本であり，後者は学生向きであった．

部門の共通の基礎をより基本的な立場から体系的に記述

1988 年には岩田・田渕・Warkentin により Soil Water

している．一方の「土壌の物理性と植物生育」は著者のInteractions が出版されているが，英語であること，内ほとんどが国公立の農業試験研究機関の研究者であり，容が高度であることから学生の教科書としては余り使わ

我が国の土壌物理の日本農業に対する技術的な到達点をれなかったと思われる．しかし，我が国の土壌物理研究

詳細に記述している．本書の序説で木下（1979）は「本を世界に発信したという業績は高く評価される．2005

研究会の発足当時のわが国の土壌物理学の水準は Baver

年に宮崎・長谷川・粕渕の「土壌物理学」が出版されるの Soil Physics 咀嚼の段階であり，測定法は風乾細土をまでは，土壌物理は外国の教科書をもとに勉強されてき充填したものを試料とした，いわば「死んだ物理学」でた．特に，1980 年に出版された Hillel の Fundamentals

あり，現場に適用されないものであった」と述べ，最後

of Soil Physics と Applications of Soil Physics は多くのの段落では「本書は基礎固めの終わった本研究会の「研人に利用された本である．Table 3 に我が国で読まれた究の総まとめ」であり，わが国の特有な土壌を対象とし土壌物理関係の出版物の一覧を示す．全体を見渡すと，た土壌物理学の専門学術書であり，また解説書でもある．

教育・研究者向けの専門書は多く出されているが，学部

そして，それは国際的水準においても誇るに足りるもの

生向けの教科書は少なく，作物生育，基盤整備，灌漑排と信じられる」と断言している．また，地力増進法の立水さらには環境問題と関連づけた土壌物理学の教育は十法作業に携わった三輪（1985）は「土壌の物理性と作物分とは言えない．会誌 20 号で米田（1969）は「土壌学生育」は座右の書として活用されたと第 52 号においてTable 3 わが国で使われた土壌物理の専門書・教科書

Soil physics 1st ed.（1940）Baver, L.D.，370p, John Wiley & Sons, New York
土壌物理学（1955） べーバー，L.D. 著，野口弥吉・福田仁志訳，原著第 2 版，406p，朝倉書店，東京
土壌と水（1963） ロージェ，A.A. 著，山崎不二夫監訳，138p，東京大学出版会，東京
土壌物理（1968） Ревут . Ц . Б . 著，松田宏訳，258p，畑地農業振興会，東京
土壌物理（1969） 山崎不二夫監修，387p，養賢堂，東京
土壌物理用語事典（1974）：土壌物理研究会編，205p，養賢堂，東京
土壌の物理（1975） 八幡敏雄，181p，東京大学出版会，東京
土の物理学（1979）：土壌物理研究会編，365p，森北出版，東京
土壌の物理性と植物生育（1979）：土壌物理研究会編，420p，養賢堂，東京
Fundamentals of soil physics（1980）Hillel, D., 413p, Academic Press, New York
Applications of soil physics（1980）Hillel, D., 385p, Academic Press, New York
土壌物理学概論（1984） ヒレル，D. 著，岩田進午監修，高見晋一・内嶋善兵衛訳，288p，養賢堂，東京
土壌物理学概論（1985） Hartge, K. H. 著，福士定雄訳，318p，博友社，東京
Soil water interactions（1988）Iwata, S., Tabuchi, T. with Warkentin, B.P., 380p, Marcel Dekker, New York
Soil water interactions 2nd ed.（1995）Iwata, S., Tabuchi, T. and Warkentin, B.P., 440p, Marcel Dekker, New York
Soil physics 5th ed.（1991）Jury, W.A., Gardner, W.R. and Gardner W.H., 328p, John Wiley & Sons, New York
土の物質移動学（1991） 中野政詩，189p, 東京大学出版会
Water ﬂow in soils（1993）Miyazaki, T., 296p, Marcel Dekker, New York
Environmental soil physics（1998）Hillel, D., 771p, Academic Press, San Diego
環境土壌物理学（2001） ヒレル，D.；岩田進午・内嶋善兵衛監訳，I:318p, II:300p, III:322p，農林統計協会，東京
新編土壌物理用語事典（2002）：土壌物理研究会編，183p，養賢堂，東京
Soil physics 6th ed.（2004）Jury, W.A. and Horton, R. J., 370p, Wiley & Sons, New Jersey
土壌物理学（2005） 宮崎毅・長谷川周一・粕渕辰昭，189p，朝倉書店，東京
土壌物理学（2006）ジュリー ,W.・ホートン ,R.，取出伸夫監訳，原著第 6 版，377p，築地書館，東京

土壌の物理性 第 120 号（2012）10

述べている．

のいくつかに対しては現在の土壌物理の知見に基づいて

5. 地力増進法，土地改良事業計画設計基準に取り上げられた物理性評価項目
1984 年に制定された地力増進法では，水田，普通畑，
樹園地に分けて土壌の性質の基本的な改善目標値を定め再検討する必要があろう．また，設計基準についても同様のことが指摘できる．

6. 検討を要すると考えられる物理性項目
吉田（1988）は第 56 号の巻頭言で土壌物理の研究ている．土の物理性に関わる項目と改善目標値は Table

における近似と定義

4 に示すとおりである．これらの項目については鬼鞍編，めて複雑だから非常に単純化して法則性を見つけるが，

日本土壌肥料学会監修の「土壌・水質・農業資材の保全」

今度はそれを現場に適用する段階で法則の成立条件が忘（1985）に解説されている．

れられるということが意外に多い」ことを指摘している．

という表題で，「現場の問題は極

一方，土地改良事業を推進する過程で出された土の物

また，「法則がいったん数式化されると，その背後にあ理性に関わる項目は，農業土木学会（農業農村工学会）

るモノを見なくなりやすいという問題」も指摘している．

が出版している土地改良事業計画設計基準（計画）圃場

地力増進法や設計基準，さらには土壌物理用語事典に出整備（水田），農業用水（水田），農業用水（畑），暗渠排水，てくる目標値や用語の定義に対して，私達はすでに決土層改良等の中で使われている．それらは，水田におけまった事項であり議論の余地は無いという立場を取りす

る適正浸透量，畑地灌漑における有効土層，制限土層，

ぎているのでないかと思う．以下にいくつかの目標値に

24 時間容水量，圃場容水量，毛管切断含水量，汎用農関連した問題点を紹介する．

地の地下水位，暗渠排水の公式などがある．これらの項

農地の有効水分（植物が利用できる土中水）は増やせ

目のいくつかの定義について土壌物理用語事典を参照しるかという興味深い問題がある．椎名（1967）は，有効て Table 5 に示した．

水分を増大させるよりも根群域を深くする方が得策では地力増進法は 1997 年に一部改訂が行われたが，土壌ないかとすでに第 17 号で指摘している．有機農業では物理性に関する項目に変更はなかった．地力増進法や設有効水分が多くなると言われているが，加藤・米田（2001）

計基準に出てくる物理性の項目は，実用上重要な指標での研究では，有機農業の収量に対する優位性はあるが，あり，広く認められている．しかし，地力増進法の制定

有効水分の増加とは断定できないようである．また，瀧からそろそろ 30 年になろうとしている現在，改善目標（2007）は有機農業により pF 3 . 2 の体積含水率は増大す

Table 4 地力増進法の物理性改善目標

水田土壌の基本的な改善目標
作土の厚さ
15 cm 以上
鋤床層の緻密度
14-24 mm
主要根群域の
24 mm 以下
最大緻密度
日減水深で 20 以上
湛水透水性
30 mm 以下程度
畑土壌の基本的な改善目標
作土の厚さ
25 cm 以上
主要根群域の
22 mm 以下
最大緻密度
主要根群域の10 % 以上
粗孔隙量
主要根群域の易20 mm/40 cm
有効水分保持能

Table 51960 年当時の厚さ根の伸長と地耐力から決定
主要根群域は 30 cm までの土層
透水過多では秋落ちしやすい
透水不良では強い還元状態になる
根菜類では 30cm 以上
主要根群域は 40 cm までの土層
粗孔隙は降水等が自重で透水できる粗大な孔隙
易有効量水分量 (pF1.8-2.7 の水分）を基にした主要根群域 (40cm) 当たりの水量設計基準に用いられている項目（土壌物理用語事典を参照）

適正浸透量

水田条件や栽培様式によって定まる相対的なものであるが，安定した肥料供給や用水供給の条件下で高収量を得るという視点からは，10 ‒ 15 mm/d 程度 ( 設計基準では 15 ‒ 25 mm/d) である

24 時間容水量

24 時間を経過すれば，標準条件下での土壌では大部分の重力
水は排除され，残る重力水も根毛の活発な吸水により大部分が有効利用されるとの考えに基づく

生長阻害水分点

作物の正常な生育に支障の現れる少水分状態を示し，毛管水の連続性が阻害される毛管切断含水量に近い

制限土層

有効土層の中で灌水後最初に生長阻害水分点となる層

転換畑の地下水位

降雨後 2 〜 3 日で 40 ‒ 50cm，常時地下水位は 50 ‒ 60cm

シンポジウム特集

総説：日本の土壌物理研究の歴史を振り返る

11

Table 6 水田の土壌透水性の改良方法（1） 透水性を増加させる方法
ア． 栽培法，水管理による改良法
この方法は，田面からの蒸発乾燥を利用して，土壌に亀裂を発達させ
透水性を大きくする方法である．栽培法としては田畑輪換の導入，水管理としては中干しや間断灌漑を強化．
イ． 施工による改良法
弾丸暗渠，心土破砕等によって機械的に数十 cm 以下までの土層を破壊し，みずみちをつける方法が必要となる．
（2） 透水性を抑制する方法
心土の床締め，粘質土の客土，ベントナイト等を改良資材として混入する．
設計基準，圃場整備（水田），2000 より

Table 7

透水係数，浸透量，排水性が対象とする面積

対象
室内透水試験
現場透水試験

面積
20 ‒ 100 cm2
0.1 m2

具体的方法
100 cm3 コアなど
直 径 40 cm の シ リ ン ダ ー イ ン

乾燥亀裂0.04 m2

テークレート20 cm 間隔に亀裂が発生するとイネの根張り面積
心土破砕
暗渠
水田

0.1 m24 m2100 m23,000 ‒ 10,000 m2

仮定
イネの畝間を 30 cm
2 m 間隔に施工
10 m 間隔に施工
0.3 ha から 1 ha

るが，pF 1 . 5 ‒ pF 3 . 2 の水分量は必ずしも増加しないこ

水田については適正浸透量が必要とされているのかどとを示している．地力増進法では主要根群域の易有効水分保持能を 20 mm としているが，主要根群域以外からうかの問題がある．石原（1967）は，1951 年から 1961 年までの 米作日本一 注） 10 戸の農家の日減水深が 20 ‒も幾分かの水を吸収すると考えても，真夏に晴天が 1 週

30 mm であることから，6 t / ha 以上の収量を目指すに

間も続けば易有効水分は枯渇してしまう量である．易有は透水性という条件が必要となるだろうと述べている．

効水分の範囲および主要根群域の深さの取り方に問題がこれより前，五十崎（1957）の水田浸透量の研究は，最あると考えられる．TDR が普及した現在，水分の量（体近でも適正浸透量の根拠としてしばしば引用されてい積含水率）を求めることは，昔と比べて格段に容易かつる．また，佐々木（1977）も高生産性稲作のためには透正確になった．是非とも明らかにしたい指標である．
毛管切断含水量や生長阻害水分点は−100 kPa の値が水性の付与が必要であることを指摘している．金子

良く採用されるが，不飽和透水係数を求めることができ（1966）は安積盆地の水田では浸透過小（ほぼゼロ）による収量の伸び悩みを報告している．1960 ‒ 1965 年のコなかった当時とは異なり，現在の不飽和土壌水の運動にメの収量は 3 . 97 t / ha であり，2006 ‒ 2010 の収量は 5.23

関する知識からは，植物は容易に水を吸収できる水分状

t / ha と 1t / ha 以上も多く，なおかつ収量よりも食味が態である．世界的にも採用されていない生長阻害水分点（易有効水分の下限点）については，植物生理的な視点重視される．したがって，今では高収を目的とした適正浸透量の 15 ‒ 25 mm / d は意味を持たないだろう．浸透からの説明が必要であろう．筑紫・長（1984）は第 50

量と水田土壌の還元状態に関係があるならば，浸透量は号のレビューですでに，畑地灌漑の問題をいくつか指摘

水田からの温室効果ガス発生量にも関係する新たな指標

するとともに，灌漑技術者と土壌物理研究者が疎遠であとなる可能性もある．さらに，2000 年に改訂された設ることが問題と述べている．また，施設栽培における灌計基準圃場整備（水田）では，水田土壌の透水性の改良

水点のマトリックポテンシャルが高く，その理由の 1 つ方法として Table 6 のような方法を示している（農水省として溶液濃度が指摘されているが明確になっていると農村振興局，2000）．透水係数や浸透量，排水性はいずは言えない（中島田，1972，鴨田，1982）．圃場容水量やれも mm /d（m /s）の単位で表すが，対象とする大きさ

24 時間容水量については，実用上の意義とは別に土壌

は Table 7 のように様々である．Table 6 と Table 7 と物理に基づくより正しい解釈が必要である．

の対応でみると，イネの根張り面積は通常 0 . 1 m2 よりも小さいので，この面積を超えたスケールで透水性を改

注：米作日本一は 1949 年に始まり 1968 年に終了した朝日新聞主催の表彰事業である．最高収量は 10 t / ha を超えた．コメの自給達成
以降，わが国では多収に関する研究はほとんど行われなくなった．

善しても，イネの根圏環境の改善には繋がらないはずである．
暗渠は水はけの悪い細粒質，粘質土の水田に多く施工

土壌の物理性 第 120 号（2012）12

される．水田を畑に転換したときの暗渠排水による地下が，多くの研究が展開されたのは 1980 年代に入ってか

水位の目標値はどのような意味を持つのであろうか．粘らである．最初は農業活動に伴う硝酸汚染が主流であり，質土の水分特性曲線を求めた経験のある人ならばすぐに

汚染や浄化の予測が必要とされた．各務原台地のニンジ

気がつきそうであるが，飽和状態から−10 kPa で水とン畑と地下水質の研究例がよく紹介されるが，多くの場置換される気相の量は作物根の呼吸を保障出来る値では合，対象とする場では植生や土壌が均一でないこともあ

ない．足立ら（1997）は粘土質転換畑の粗孔隙は全体積

り，物質の移動という側面から取り組む必要性が強調さの 1 〜 3% 程度であったと報告している．また，粘質土

れながらも土壌物理はいままでのところ十分に寄与できの下層土では土の基質（matrix）の中に根は十分発達していないと思われる．さらなる研究の深化が必要とされているだろうか．Hasegawa and Kasubuchi（1993）はる．一方，地形連鎖の考え方や水田の窒素除去モデルを

粘土質転換畑下層土ではダイズ根の約半数が乾燥亀裂面

集 水 域 に 組 み 込 ん だ モ デ ル（ 田 渕，1998； 田 渕 ら，に発達している測定例を示している．このように考える

1998），広域の土地利用と河川水質の関係等では実証研と，暗渠排水による地下水位の目標値の根拠がはっきり究を増やすことが必要である．

せず，乾燥亀裂の役割を考慮した解釈が必要となる可能

硝酸塩問題は農業生産と地域の環境問題という点で性もある．さらに，暗渠の深さと間隔を求める式では，

OECD と認識を共有していた．一方，温室効果ガスは代入する透水係数の値は，現場透水係数値に 10 倍から

IPCC と歩調を合わせ，なおかつ地球温暖化防止という

1,000 倍の係数を掛けるようになっている．係数に対す外交政策の声援を受けて 1990 年代になって精力的に進る科学的根拠もなければ透水係数を求める意味もない．

められた．我が国では水田から発生する温室効果ガスの1960 年代に，水田機械化農業のための排水，中でも粘定量化や発生抑制技術に対しての貢献がある．ガスは大質土の暗渠排水の研究が開始され，1970 年代には転換気に拡散し地球規模の問題となるため，先進国は先を畑の暗渠排水の研究に発展した．その成果で明らかに争って研究を行っており，世界を見渡してガス研究の空なったことは，土壌水の運動理論からは実用上の暗渠の白地帯がほぼカバーされてきた現在では，新たな研究課

間隔と深さは決定できないということであり，暗渠施工

題を見つけるのが難しくなっているようである．

は土壌条件や水理条件が同じような類似地を参考に行う工業分野では他社，他国よりも一歩先んじることによという結論になったと読み取れる．そして，本暗渠に弾丸暗渠を組み合わせれば，20 ‒ 50 mm の地表残水を 1 日

り技術のスタンダード化を図ることが強調されている．

で排除できるという経験則しか持ち合わせていない．別としたいがため環境予測モデルのスタンダード化が進んの観点からすると，どのような土壌であっても組み合わでいる．モデルを動かすのには土の物理性のデータが不せ暗渠を施工すれば，汎用農地として必要とされる排水可欠である．地力保全基本調査と土壌環境基礎調査によ量（速度）を確保できることであり，世界に誇れる素晴らる膨大なデータの蓄積に加え，他で開発されたモデルのしい排水技術である．私達は，土の透水性にスケールとユーザーでは研究者にとっては魅力に乏しいかも知れないう概念を取り入れて，圃場に不均一に分布もしくは施いが，予測モデルに必要とされる土中の移動現象に関す工した粗孔隙の流れを正しく認識しなければならない．

るデータを統一した考えに基づいて組織的に集めること

7. 依然として解決されない問題
初期から現在に至るまで半世紀にわたって常に問題視

環境研究では知見を世界共通の視点で議論し，共有財産

も土壌物理分野に求められているだろう．

9. むすびにかえてされているのは，重機を用いた農地造成や基盤整備にお今から約 30 年前，私は同僚や後輩に，好きなことをける土の練り返し，土壌構造の破壊による有効水分の減

やるのが一番良いと言っていた．それは，上から指示さ少である（斎藤，1976，上田，1985，斎藤・石渡，1987，

れて仕事をやっている人が生き生きしていなかったこと

石渡，1999）．有効水分を機械的に元に戻すのは不可能

や，好きなことだと探求心が湧き，研究の深化が期待でであり，短期間の農業活動でも困難である．有限な農地

きるからである．そして約 15 年前私は，自分の研究とを適正な状態で維持するためには，事業の段階で細心の農業との関係を十分に考えておくことを人前でお話し注意を払うことしか解決法はない．人為で操作できるのし，過去を知っている同僚から以前の話との違いを厳し

は壊れやすい粗孔隙のみである．したがって，心土破砕

く指摘された．そして，さらに 15 年たった今，私は次や弾丸暗渠は繰り返し施工する必要がある．土壌物理をのよう思う．10 年間大学の教員をやって感じたことは，対象としている研究者にはこのような認識を技術者や農学生が必ずしもフィールドを対象とした農業技術や環境業者にしっかりと伝えていかなければならない．土壌侵科学に携わっていないことである．その原因は教員自身

蝕もいつの時代も取り上げられている．農業が悪いのでの研究と社会との関係，接点にあるように思える．土壌はなく農法に問題があるといわれ続け，決して解決した

物理学会の出口である農業技術と環境科学への貢献を目問題ではないのは世界を見ても同様である．

指すならば，農業技術や環境が抱えている課題に積極的

8. 環境科学の研究
環境問題は 1970 年代に先駆的な研究が行われているに取り組み，研究の面白さを若い世代に伝える必要があ
る．土壌物理の将来の夢を語るよりも現実の土と作物や環境を直視し，正しく理解させることが土壌物理の目指シンポジウム特集 総説：日本の土壌物理研究の歴史を振り返る
す方向だと考えている．国の重点研究分野が非常に狭く，13

壌の物理性，52：39 ‒ 46.

そこに集中的に多くの予算が投入される現状では，研究

Mualem, Y. （1976）： A new model for predicting the者，教育者とも限られた研究に目を向けざるを得なく

hydraulic conductivity of unsaturated porous media.

なってしまう状況にあることは残念であり，土壌物理の多様な発展に対して大きな問題だと感じる．
シンポジウムでは触れなかったことではあるが，第 1Water Resources Research, 12：513 ‒ 522.
中島田誠（1972）：施設栽培における灌水点．土壌の物理性，
26：56.

号から 118 号まで通読した感想から，1 つのトピックに

根岸久雄・多田敦・古木敏也・守谷貢・渋谷勤次郎・上村春美・

焦点を当てて過去の研究をレビューしてみることも，研中川昭一郎・菅原和夫・佐藤寛（1972）：重粘土地帯水田

究の到達点を知り，新たな研究を目指すために大いに参の土層改良と用排水組織に関する研究 1 〜 4．農業土木試考になると感じた．今までの膨大な財産を大いに活用して欲しい．

験場報告，10：43 ‒ 205.
農水省農村振興局（2000）：土地改良事業計画設計基準

謝辞1970 年以前の農業情勢と研究課題について，研究会発足時から御活躍されている田渕俊雄博士に助言を戴いた．記して謝意を表します．

引用文献
足立一日出・吉田修一郎・増本隆夫・伊藤公一（1997）：重粘土汎用圃場における暗渠排水に関与する粗間隙量の推定法とその適用．農業土木学会論文集，192：123 ‒ 131.
筑紫二郎・長智男（1984）：畑地灌漑．土壌の物理性，50：16 ‒ 19.
Childs, E.C. and Collis ‒ George,N.（1950）：The permeability ofporous materials. Proceeding of Royal Society Series A,
201：392 ‒ 405.
Hasegawa, S. and Kasubuchi, T.（1993）：Water regimes inﬁelds with vegetation. Miyazaki, T., Water ﬂow in soils,
p236, Marcel Dekker, New York.
石原邦（1967）：透水と水稲の生育について．土壌の物理性，
16：22 ‒ 26.
石川武男・徳永光一・月舘光三（1964）：岩手山麓における開田工法の研究 III，農業土木研究，31：263 ‒ 269.
石渡輝夫（1999）：農地の造成・整備による土壌の物理性と微細構造の変化．土壌の物理性，81：61 ‒ 69.
五十崎恒（1957）：適正浸透量について．農業土木研究，24：
311 ‒ 312.
岩田進午（1961）：土壌水のエネルギー概念について．日本土壌肥料学雑誌，32：572 ‒ 580.
鴨田福也（1982）：園芸作物における水分消費特性．土壌の物
理性，45：19 ‒ 26.
金子良（1966）：多収穫水田の構造と用排水．土壌の物理性，
13：9 ‒ 11.
狩野徳太郎・椎名乾治・中川昭一郎・小菅孝利（1961）：新しい水田減水深測定法．農業土木研究，28：418 ‒ 424.
加藤哲郎・米田和夫（2001）：堆肥の長期連用が黒ボク土の理
化学性並びにキャベツとダイコンの収量に及ぼす影響．
土壌の物理性，87：3 ‒ 17.
木下彰（1979）：序説．土壌の物理性と植物生育，土壌物理研究会編，p1，養賢堂，東京
美園繁（1956）：我が国土壌物理研究の発達．農業技術，第 11
巻 1：1 ‒ 3, 2：1 ‒ 4.
三輪睿太郎（1985）：地力増進法のねらいと土壌の物理性．土計画

ほ場整備（水田），農業農村工学会
鬼鞍豊編（1985）：土壌・水質・農業資材の保全，日本土壌肥料学会監修，316p，博友社，東京
斎藤万之介（1976）：農用地造成作業と土壌の不均一化．土壌の物理性，34：37 ‒ 42.
斎藤万之介・石渡輝夫（1987）：農地造成と土壌物理性の変化．
土壌の物理性，55：5 ‒ 12.
佐々木信夫（1977）：透水性付与による高生産稲作のための基盤改善．土壌の物理性，36：15 ‒ 21.
椎名乾治（1963）：蒸発散による畑地水分の減少機構に関する研究．農業土木試験場報告，1：83 ‒ 156.
椎名乾治（1967）：畑地圃場整備をめぐる土壌物理の諸問題．
土壌の物理性，17：10 ‒ 14.
志村博康（1977）：土地改良百年史．今村奈良臣他著，全国土地改良事業団体連合会編，平凡社 p 270.
田渕俊雄（1998）：水田除去機能付き窒素流出モデル．土壌の物理性，78：11 ‒ 18.
田渕俊雄・中野政詩・鈴木誠治・住田章・丸太勇（1966）：粘土質水田の排水に関する研究 1 〜 6. 農業土木学会論文集，
18：7 ‒ 47.
田渕俊雄・黒田久男・志村もと子・黒田清一郎（1998）：窒素流出モデルの農業集水域への適用と問題点．土壌の物理性，78：19 ‒ 24.
瀧勝俊（2007）：有機農業が土壌の理化学性に及ぼす影響．土壌の物理性，105：31 ‒ 39.
Topp, G.C., Davis, J.L. and Annan, A.P.（1980）： Electromagnetic determination of soil‒water content： Measurement
in coaxial transmission lines. Water Resources Research,
16：574 ‒ 582.
上田弘美（1985）：基盤整備水田と土壌構造．土壌の物理性，
51：32 ‒ 39.
Van Genuchten, R.（1980）： A closed‒form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils.
Soil Science Society of America Journal, 44：892 ‒ 898.
山中金次郎（1959）：「土壌の物理性」第 1 号発刊に際して．土壌の物理性，1：1 ‒ 2.
山崎不二夫・八幡敏雄・長田昇・岩田進午・田渕俊雄（1960）：
水 田 の 降 下 浸 透 の 新 し い 測 定 法． 農 業 土 木 研 究，27：
381 ‒ 386.
八幡敏雄（1967）：土壌物理研究会に寄せる二つの期待．土壌の物理性，16：1 ‒ 2.

土壌の物理性 第 120 号（2012）14

米田茂男（1969）：土壌物理学研究の現状と将来．土壌の物理性，
20：3 ‒ 6.

吉田昭治（1988）：土壌物理性の研究における近似と定義．土
壌の物理性，56：1．

要旨

第 2 次世界大戦後の土壌物理研究は地力保全基本調査事業と土地改良事業の影響を強く受けた．1959
年の「土壌の物理性」第 1 号から 2011 年の第 118 号を対象に，10 年区切りで土壌物理研究の動向を振り返った．また，わが国で用いられた専門書，教科書ならびに，土壌物理研究会の出版物を紹介した．
土壌物理の社会的貢献という視点から，今までに出されてきた農業生産のための物理性指標を取り上げ，
実用上の意義とは別に，現在の土壌物理の知識を加味して解釈すべきことを指摘した．さらに，依然として残されている農業生産上の問題点に触れた．土壌物理学会の目的に環境科学の発展への貢献が加わって 12 年経過したが，環境研究で注目しなければならない点をコメントした．最後に現場に出て研究を行う大切さを強調した．
キーワード：土壌物理，水田，畑，農業技術，環境シンポジウム特集
総 説., March 2012, Vol. 120, 15 ‒ 20

Reviews
15

畑土壌に対する排水改良技術の動向
北川 巌 1
Technological trend of Drainage improvement for upland soil
Iwao KITAGAWA1

１．はじめに
日本の食料自給率は，食生活の大幅な変化と濃厚飼料の輸入依存，畑作物の低い生産力により，先進国中で最低水準となっている．一方で，食の安全に対する消費者の意識変化から国産農産物の需要は高まっている．我が国では，自給率の低い品目の生産強化を図るため，輸入依存度の高い大豆，小麦，飼料や野菜等の増産と農産物の高品質化を目指しており，畑作物の生産力強化が重要である．
湿潤気候の日本において畑作物の生産力強化を図るには，効率的な農作業性と安定した生産性，農産物の品質を確保するための圃場の排水改良技術が必要である．特に，最近の極端な気象の変動が発生しやすい条件下では，農業者の排水改良に対する期待も大きい．

Fig. 1 湿害発生年における暗渠の有無が畑作物の生産性に与える影響（北海道農政部，2010 ; 2011，一部改変）*1 暗渠圃場の増収率は，近隣の暗渠未施工あるいは施工後30 年以上経過した圃場の作物収量と比較した値．
*2 比 較 調 査 地 点 数 は，2009 年 に 338 ヶ 所，2010 年 に651 ヶ所．

国内の畑の大半を占める北海道では，2009 年から 3
年連続で畑作物の生育期間に長雨や大雨があり，生産量が激減するなどの被害を受けている．このことから，畑作物の生産力強化には，畑土壌の排水性の改良が重要である．

が高く（北川，2005），経営の安定化に寄与している．
また，北海道における最近の湿害については北海道農政部（2010 ; 2011）により調査されている（Fig. 1）．こ

そこで本報告では，湿潤気候の日本における畑作物のこでは，2009 年と 2010 年に暗渠の有無が畑作物の収量

生産力強化に向けた，畑土壌に対する排水改良技術の開に与える影響を示している．これによると，暗渠の未施発の動向と事例を紹介する．

２．畑作物の湿害と排水改良の重要性

工圃場に対する施工圃場での収量は，2009 年の水田転換畑のコムギでの 98 % を除き，畑のコムギ，テンサイやジャガイモ，ダイズで 4 〜 25 % の増収が認められた．

2. 1 畑作物の湿害に対する排水改良の効果

暗渠の整備において，整備費に対する収支から見た目標

湿潤気候の我が国では，農業生産性を低下させる大き増収率は 5 〜 15 % 程度であり，湿害時にはこれ以上のな要因として，冷害と湿害が挙げられる．畑作が盛んな効果が得られていた．このことからも，農業者の期待が北海道における冷害や湿害の被害発生年には，1993 年

大きいことが理解できる．

や 1996 年がある．また，2009 年以降の 3 年間は，畑作

2. 2 日本の暗渠の整備状況

物の生育期間の多雨や長雨による湿害の発生が顕著とな

土地改良事業による暗渠の整備は，毎年 1 〜 2 万 haり，国産の畑作物の供給量に影響を及ぼすほどの湿害ので行われている．暗渠の整備は，北海道・東北・北陸の被害が発生した．このような畑作物の湿害に対して農業

積雪寒冷地で多い．また，畑の暗渠の整備は，大部分が者は，暗渠などの排水改良による収量の維持効果に大き北海道で行われ，他の府県では希である．

な期待をしている．

暗渠の整備は，戦後から盛んになり，土地生産性の向湿害に対する暗渠などによる排水改良は，テンサイや上に貢献してきた．1970 年代には暗渠の耐用年数 30 年

アズキ，ジャガイモ，コムギの収量低下を回避する効果

を越える暗渠も出てきた．1990 年以降になると，毎年の暗渠の整備面積が耐用年数を超える暗渠の面積より少1

National Institute for Rural Engineering, NARO, Tsukuba, 305 ‒
8609, Japan.
Corresponding author : 北川 巌 , 農研機構
2012 年 1 月 5 日受稿，2012 年 2 月 10 日受理
土壌の物理性 120 号，15 ‒ 20（2012）

なくなり，暗渠の整備済み面積率が減少する傾向となった．そのため，今後，老朽化した暗渠の増加による排水不良圃場の増加が予想される．そこで，これまでに整備した圃場の排水施設の機能をいかに維持して，長寿命化

土壌の物理性 第 120 号（2012）16

することが重要になってきた．
2. 3 畑土壌の排水不良
畑土壌に対する排水改良の役割は，土壌中の余剰水を

３. 暗渠の機能低下の要因と対応
3. 1 暗渠の機能性向上の取り組み排除して作物根域の通気性を確保することである．亀裂

農業者から，暗渠は施工年数が経過すると徐々に効果や間隙の停滞水や地下水を排除する機能には，土壌の透が低下するとの指摘がある．代表的な機能低下の調査事

水性や保水性が影響する．そこで，代表的な排水不良土

例には，村島（1992）や北川（2005），などがあり，様々壌であるグライ土と多湿黒ボク土の土壌水分環境や暗渠な要因が考えられる．

排水量を調査し（Fig. 2），土壌条件に対応した排水改良技術について検討した．

暗渠の機能低下要因の一つには，疎水材の未使用や投入量の不足，資材の分解による機能低下などの問題が一般的な沖積土の排水不良土壌であるグライ土では，あった．現在では疎水材の使用が改善され，モミガラ以

地下水位が 1 m 以内と浅く，降雨後に上昇し高い状態が外の多様な疎水材の提案も増えてきた（柳町・在原，続く．地表の排水が進み土壌が乾燥してきても，地下水

2011）．ただし，疎水材の耐久性の問題（吉田ら，2005）

位は緩慢に低下する．そのため，下層ほど地表より乾燥とその対策（岩佐ら，2008）の検討については，現在もが遅く，過湿である．暗渠排水量は，降雨量に応じて大取り組まれている．

きくなる．このため，低平地に広く分布するグライ土でまた，暗渠の機能は，暗渠管の埋設時に埋め戻した土は，地下水の排除機能の強化が不可欠で，暗渠の整備が壌の練返し，圃場全面の耕盤層や緻密な堅盤層の形成に求められる．

より暗渠管までの透水性が阻害されることで低下する．

一方，北海道の畑地に多い火山灰が母材の多湿黒ボク

それにもかかわらず，心土破砕や弾丸暗渠，表面排水を土は，土性が粗く，有機物に富み，保水性の高い土層が促進させる溝切りなどの営農排水の対応，補助暗渠等の厚い．また，多湿黒ボク土は飽和透水係数が高いが，深追加的な排水改良の実施の対応は必ずしも十分でないさ 50 cm までの土層全体の易有効水分孔隙量が多い（石（北川，2005）．

渡ら，1993）．そのため，多雨時には，土層全体の間隙

一方で，暗渠管閉塞もよく指摘される要因だが，前述が保水して，気相が減少するため作物根の呼吸が阻害さの要因より発生割合が少なく，また，対策の検討もなさ

れ湿害となりやすい（保井ら，2000）．しかし，暗渠かれてきた（兼子ら，1995 ; 北川ら，2006a）．

らの排水は，大きな降雨時にしかなく，暗渠自体の機能

このように，既存暗渠の排水機能低下を回復する技術を強化する必要性はそれほど高くない．このことから，については，暗渠自体の構造の改善よりも土壌の物理性

多湿黒ボク土の排水改良は，余剰水排除よりも，心土破改善に関する問題が多く，これらの課題を解決するため

砕と疎水材投入によって過湿条件下でも下層土の通気性のさらなる技術開発の取り組みが必要である．

を確保する有材心土破砕などの改良が適している．

3.2 有資材の補助暗渠工法

以上のように，畑土壌の排水改良にあたっては，暗渠

既存暗渠の機能を向上させ，畑作物の生産力を強化す単独による改良よりも，土壌物理性を考慮して，追加的なるには，透水性が不良な土層に透水性の高い資材を溝状

土層改良を組み合わせた方法による改良が必要な場合もに埋設し，透水性を高め，作物根域を抜本的に改善するあり，土壌に対応した排水改良工法の充実が必要である．

土層改良が古くから実施されている．

Fig. 2 畑暗渠を整備した異なる畑土壌の土壌環境と暗渠排水量の違い（北川 2005，一部改変）

シンポジウム特集 総説：畑土壌に対する排水改良技術の動向

17

水田においてはモミガラ補助暗渠が一般的である．畑

寄せ集めて，溝状に切断した土を持ち上げてできた溝の地に対しては北海道を中心にバーク堆肥を用いた有材心空洞内に落とし，Fig. ３の右上のように表面の資材を農

土破砕（横井ら，2001）がある．これらの工法は，心土

地下層に溝状に埋設する．地表面に均一に配置できる資破砕による透水性や通気性の理化学性改善と資材を使用材であれば補助暗渠として埋設できるので，多様な資材することによる効果の持続性に特徴がある．また，改良を使うことができ，資材費の低減を可能にした．

効果は溝の間隔や資材使用量に応じて高まる．バーク堆

資材埋設溝は，補助暗渠として機能して暗渠に水を集肥を用いた有材心土破砕では 5 年までの収量向上効果の

水し，地下水位の低下を早める．また，有機質資材を用持続が確認されている（北川，2011；横井ら，2001）．

いた埋設溝では保水性の向上も期待できる．

しかしながら，この土層改良工法は大量の資材を使用し，さらに，施工費用がとても安いので，作物の増収による大がかりな機械での工事となるため，整備費も高価で増益だけで施工費を返済しても，事業の補助がない場合あった．

でも５年以内の短期間で施工費用を完済することができ

そこで，筆者らは，容易に圃場の排水性を改善する低る（北川 2011）．

コストな有材心土破砕を実現するため，農業で発生する

3. 3 無資材の穿孔暗渠工法

ワラや茎葉の作物残渣，必要に応じて農業者自身が散布

一般的な管材を用いた暗渠は，整備費用が高く土地改する堆肥などの多様な有機質資材を疎水材として活用す

良事業により整備されることから時間がかかる．そのたる土層改良である「カッティングソイラ工法」を開発しめ，低コストで直ちに対応できる排水改良技術の必要性た．この工法の特徴は，土塊の切断・持ち上げ，ワラやもあり，弾丸暗渠（永石・山下，1972）やシートパイプ

茎葉等の有機質資材等の投入，埋め戻しの３工程を１度の浅層暗渠（杉山 ･ 津田，1990）などが用いられてきた．

に実施できる簡素化した施工法にある（Fig. ３）．これ

その中には，暗渠と同様に圃場外に排水でき，弾丸暗渠により，土壌改良資材を運搬する部分が不要となり，機と異なる空洞成形方法により空洞の耐久性を高めた穿孔械が小型化できた．

暗渠がある（鈴木，1989；北川ら 2006b；2010）．

カッティングソイラ工法の施工行程は，作物の収穫した後の表面に散在しているワラなどの有機物を，Fig. ３の左上の機械を１度走行させるだけで，オーガーによりここで示す穿孔暗渠は，Fig. 4 と Fig. 5 の資材を用いずに土中に排水孔となる空洞を成形する工法である．
穿孔暗渠は資材を用いないことから排水孔となる空洞

Fig. 3 多様な有機質資材を活用する土層改良「カッティングソイラ工法」の概要

土壌の物理性 第 120 号（2012）18の耐久性が土壌や地目により異なり，トレンチャ式や切部に作られた空洞横の壁面から，さらに幅 10 〜 25 cm

断掘削式などの工法が使い分けられている．

で高さ 10 〜 20 cm の土塊を切断し，溝空洞内にその切早い時期から実用されてきたトレンチャ式穿孔暗渠断した土塊を寄せる．土塊で埋まった溝空洞の横側に新は，Fig. 4 に示すトラクタ直装のトレンチャ掘削機を用たに成形した空洞を通水孔（横穴）とする簡単な工法でいる．排水孔となる空洞は，① 60 〜 120 cm までの任意ある（北川ら，2010）．

の深さに，下部に直径 20 cm の円形空洞とその上方に幅いずれの穿孔暗渠とも，弾丸暗渠と異なり施工時に空7 cm 程度の縦溝の空洞を掘削し，②縦溝空洞の壁面の洞壁面に対する土圧が小さく，弾丸暗渠に見られる穿孔

一部を中央に向けて寄せ合わせて土の蓋をして溝を閉じ体や破砕爪による抵抗で発生する亀裂もなく，溝空洞がて，③閉じた土の蓋の上方を掘削土で埋め戻すことで，維持されやすい．

縦溝の下部と円形の空洞はくり抜かれた状態になる（北川ら，2006b）．

穿孔暗渠の施工効果は，管を用いる一般的な暗渠と同程度の排水機能を有し，穿孔暗渠の施工圃場では，作物次に，適用土壌と施工効率を改善した別の施工方式の生育に適した土壌水分が維持される．その結果，隣接の穿孔暗渠を Fig. 5 に示す．切断掘削式の穿孔暗渠のカッ対照圃場と比較して畑作物で収量が向上した（北川ら，

ティングドレーン工法は，作業機の牽引力だけで，①土

2006b ; 2010）．

壌を掘削できる切断刃を用いて深さ 90 cm，幅 10 cm の

ただし，これら穿孔暗渠の利用にあたっては，適用で長方形の土塊を切断して 15 〜 25 cm 持ち上げ土塊下部

きない土壌があることに留意が必要である．トレンチャを固定し，縦溝の最下部に通水孔となる空洞を形成する．

式の穿孔暗渠は，泥炭土で 10 年程度，粘質な低地土でこの溝空洞をそのまま通水孔（直下穴）とする．②最下5 年程度の耐用実績があった．しかし，その他の土壌でFig. 4

チャ式穿孔暗渠の概要（北川ら 2006b）

Fig. 5切断掘削式穿孔暗渠「カッティングドレーン工法」の概要（北川ら , 2010）シンポジウム特集 総説：畑土壌に対する排水改良技術の動向
Table 119

低コストな排水改良工法の事例
主な使用資材

施工費の事例（千円 /ha）

備考

有材心土破砕モミガラや木材
チップ , バーク堆
肥など

1,000 〜 1,800

資材の種類や使用量，施工時の溝の間隔により異なる．

カティングソイラ

作物残渣やバーグ堆
肥など

170 〜 480

使用する資材の購入の有無，資材の種類や使用量
で異なる．

工法名

有材の
補助暗渠

開削式（モミタス）
疎水材の （岩佐ら，2008）
再充填工法
トレンチャ掘削式

穿孔暗渠

モミガラ

使用する資材の購入の有無，資材の種類や使用量で異なる．

一般的な疎水材

使用する資材の購入の有無，資材の種類や使用量，資材を充填する暗渠の間隔により異なる．

弾丸暗渠

70 〜 130

40cm 深程度に穿孔し，補助暗渠として機能する．

トレンチャ式100 〜 180

60cm 以深に穿孔し，暗渠として機能する．

切断掘削式（カッティングドレーン）

60 〜 120

60cm 以深に穿孔し，暗渠として機能する．

は，施工性や耐久性が明らかに劣るため適用できなかっyuukouseityousa100202.pdf，（確認日 2011/12/20）．

た．切断掘削式の穿孔暗渠のカッティングドレーン工法

2）北海道農政部（2011）: 平成 22 年度基盤整備の有効性に関すは，泥炭土と低地土，台地土，黒ボク土のいずれに対しる調査報告，http://www.pref.hokkaido.lg.jp/ns/ても施工でき，それぞれの土壌に適した形と大きさの空

nkk/grp/h22̲yuukousei.pdf，（確認日 2011/12/20）．

洞を成型できる特徴がある．特に横穴型の空洞ではいず

3）石渡輝夫，小林信也，斉藤萬之助（1993）: 北海道の農耕地れの土壌でも比較的長く耐用できる．
さらに，それぞれの穿孔暗渠の施工費などを比較すると，トレンチャ式穿孔暗渠は 1 時間当たり 10 m 間隔で土壌の孔隙分布特性とその分布図，土肥誌 , 64（6），685 ‒689.
4）岩佐郁夫，菅原強 , 千田智幸（2008）: 暗渠もみ殻疎水材の約 0. 2 ha を改良でき，施工費が 5 〜 10 m の間隔で 1 ha

開削充填機および作業方法の考案，農業農村工学会誌 76

あたり約 200 〜 420 千円である．切断掘削式穿孔暗渠の（5），448 ‒ 449.

カッティングドレーン工法は 1 時間当たり 10 m 間隔で5）兼子健男，豊田勇，犬童止，竹本眞悟（1995）: 動力噴霧機

約 0. 7 ha を改良でき，施工費が 5 〜 10 m の間隔で 1 ha

を 利 用 し た 暗 渠 目 詰 ま り 除 去 技 術， 農 土 誌，63（10），あたり約 100 〜 200 千円である．これら工法は管材を用いる一般的な暗渠の施工費 1,000 〜 2,000 千円の 6 分の424 ‒ 429.
6）北川巌（2005）: 積雪寒冷地における排水改良の現状と今後の展，土壌の物理性，100，43 ‒ 53.

1 以下である．

４. 今後の排水改良の展開に向けて

7）北川巌（2011）: 畑土壌に対する排水性改善技術，2011 年度
土壌物理学会大会講演要旨集，3 ‒ 4.

本報で紹介した排水改良の各工法の特徴を Table 1 に8）北川巌，竹内晴信，木曽誠二（2006a）: 十勝岳泥流地帯におまとめた．資材を活用する補助暗渠の有材心土破砕や暗ける暗渠管閉塞要因の解明と回避対策，農土論集，241，

渠の疎水材を補充する工法，資材を用いない無材暗渠な117 ‒ 122.

ど，地域的な偏りはあるが排水改良技術のバリエーションが増えてきた．

9）北川巌，竹内晴信，小谷晴夫，千葉佳彦（2010）：切断掘削方式による穿孔暗渠「カッティングドレーン工法」の効

今後も，畑土壌に対する排水改良技術は，気候条件の果と適用性，農業農村工学会論文集 78（3），151 ‒ 156.

克服による畑作の安定生産と農産物品質向上に貢献でき

10）北川巌，竹内晴信，横井義雄（2006b）: トレンチャ掘削式

る．Table 1 に示した低コストな排水改良技術は，既存

穿孔暗渠の耐久性と適用条件，農土論集 74（3），349 ‒ 354.

排水施設の機能回復を行っていく上で必要な技術である

11）村島和男，荻野芳彦（1992）: 汎用化水田の暗渠排水の機能とその維持管理，農土誌 60（1），13 ‒ 18.

と考える．
その一方で，いずれの工法にも特徴があり，適用できる農業形態は異なる．これら技術の活用にあたっては，各技術の特徴を理解して適用していく必要がある．
今後，各地域において本報で紹介した技術などの取り組みが進み，地域の実情にあった新たな技術が導入されることが期待される．

12）永石義隆，山下恒雄（1972）: トラクター直装型弾丸暗渠のコウ配布設装置について，農土誌，40（9），625 ‒ 628.
13）杉山満丸，津田豊（1990）：シートパイプクロス暗渠工法と施工後の状態，農土誌，58（2），159 ‒ 167.
14）鈴木智久（1989）：2 連式無材暗渠，暗渠排水 Q&A･ 施工事
例，全国土地改良総合整備事業制度研究会，畑地農業振

引用文献
1）北海道農政部（2010）: 基盤整備の有効性に関する調査報告，
http://www.pref.hokkaido.lg.jp/ns/nkk/grp/

興会，270 ‒ 274
15）柳町祥，在原克之（2011）: サンブスギを原料とした木質系資材の暗渠疎水材への適用性，農土誌 79（7），521 ‒ 525.
16）保井聖一，丹羽勝久，大淵清志，菊地晃二（2000）: 十勝管

土壌の物理性 第 120 号（2012）20内における湿性畑土壌の物理的特徴と作物生育，第 1 報17）横井義雄，北川巌，後藤英次，田丸浩幸：北海道上川地方

多湿黒ボク土の物理性とテンサイ根系，土壌の物理性の堅密固結性土壌に対するオプナー式有材心土改良耕の（85），31 ‒ 40.

効果，土壌の物理性 88，pp.37‒ 44（2001）．

要旨

湿潤気候の日本において畑作物の増産を図るには，効率的な農作業性と安定した農業生産性を確保する
圃場の排水改良が必要である．特に，最近の極端な気象の条件下では，農業者の排水改良に対する期待も大きい．
本報では，畑作物生産における減収要因の一つである湿害に対する排水改良の効果を示す．また，現在の畑土壌に対する排水改良について，積雪寒冷地における取り組みを紹介する．特に，農業で発生する地域の資材を有効活用する簡便な排水改良技術や資材を使用しない新たな低コスト排水改良技術の事例を示す．さらに，各地域の農業や土壌に対応して，各種の排水改良技術を組み合わせることの重要性を指摘する．
キーワード：畑土壌 , 湿害 , 生産性 , 暗渠 , 土層改良 , 低コスト

シンポジウム特集
解 説21
Lectures., March 2012, Vol. 120, 21 ‒ 22

泥炭地の土地利用と保全
井上 京 1
Landuse of peatland and its conservation
Takashi INOUE1

1. 北海道における泥炭地の土地利用

水路の開削，道路の築造，移民の入植とプランテーショ
ン農業の展開が進んでいる．とりわけ，植物油の需要増

湿地において湿性植物の枯死体が未分解のまま堆積し大に伴うアブラヤシ（オイルパーム）プランテーション

た有機物が泥炭であり，その分布するところが泥炭地とと，紙パルプ用材の植林プランテーションが急激に拡大呼ばれる．すなわち泥炭地は本来，湿地や湿原である．

している．また開発の過程で泥炭火災が頻発し，国際的日本では北海道の特に河川下流域の低平地に広く分布な問題となっている．有機物から成る泥炭の燃焼により，し，約 20 万 ha の泥炭地があるといわれている（北海

大量の二酸化炭素が大気に放出されるためである．その道開発庁，1963）．しかし明治期以降の開発により，現ため，インドネシアは現在，中国，米国に次ぐ第三の温在では「生きている泥炭地」（阪口，1974），すなわち湿室効果ガス排出国になったともいわれている．

性植物が現在なお生育し，新たな未分解有機物の堆積が継続する泥炭湿地は縮小してきた．泥炭地は過湿な水文

3. 泥炭地の地盤沈下環境におかれた土地であり，開発にあたってまず排水の泥炭地の開発に伴う排水は，不可避的に泥炭地盤の沈促進が図られてきた．また泥炭は酸性かつ貧栄養で，農下を発生させる．石狩やサロベツの泥炭地でも広域で地作業機械のトラフィカビリティが不足し，そのままでは盤沈下が発生している．インドネシアの熱帯泥炭地でも耕土として作物栽培に適さないことから，北海道では泥同様の地盤沈下が生じているのに加え，泥炭火災による炭地を農地利用する場合，広く客土が実施されてきた（神泥炭層の消失も干ばつ年に発生している (Fig. 1)．泥炭

山ら，1995）．泥炭地の排水を広域排水から圃場排水のの地盤沈下は，泥炭の乾燥収縮，圧密，それに微生物分レベルまで面的・組織的に進めるとともに，圃場の客土解が要因とされているが，その比率についての既往研究を営々と行ってきたことは，世界的に見ればかなり特異の知見は少ない．沈下の抑制や，温室効果ガス排出量評

なことと言えよう．特に石狩泥炭地に見られるような水価の観点から，要因別の沈下量や，分解に伴う温室効果

田として整備された泥炭地は，稀有な例である．

ガス放出量を正確に評価する必要がある．

2. インドネシア・マレーシアにおける
熱帯泥炭地の土地利用
泥炭地は冷涼な亜寒帯・寒帯だけでなく，熱帯地域にもあることが知られている．冷涼な地域の泥炭地には開放的な湿性草原が多いのに対し，熱帯の泥炭地は湿地林と呼ばれるジャングルであり，寒冷地の泥炭が主に草本
植物遺体から成るのに対し，熱帯の泥炭は木本類を主たる構成物としている．東南アジア，特にインドネシアの熱帯泥炭湿地林は，本来は瘴癘（しょうれい）の土地であり（古川，1992），一部の狩猟民・採取民を除き人の立ち入りを拒む森と言われていた．しかしインドネシアやマレーシアの熱帯泥炭地では，近年，機械力を用いた急激な開発が行われている．有用材の伐採に次いで，排1Research Faculty of Agriculture, Hokkaido University, Kita ‒ ku,
Kita 9, Nishi 9, Sapporo, Hokkaido, 060-8589 Japan.
Corresponding author : 井上 京 ,1 北海道大学大学院農学研究院

2012 年 3 月 1 日受稿，2012 年 3 月 12 日受理
土壌の物理性 120 号，21 ‒ 22（2012）

Fig. 1 インドネシア中部カリマンタンの熱帯泥炭地における地盤沈下

土壌の物理性 第 120 号（2012）22

も重要となってくる．泥炭農地は持続的利用が可能か，

4. 泥炭地の保全に向けてという根源的な問いかけもあるが，少なくとも泥炭の沈近年，各地で湿地としての泥炭地再生の取り組みが進

下や微生物分解を加速する過度の排水を避け，熱帯ではめられている．自然再生法の下で実施されているものと泥炭火災の発生を抑制できるような泥炭管理や水文環境

して，釧路湿原や上サロベツの自然再生がある．またそ管理のあり方について研究が進められる必要がある．まれ以外にも，各地で泥炭湿地の保全と再生，修復の取りた，生態系サービスや生物多様性の観点からも，泥炭地

組みがなされている．

の土地利用管理のあり方が検討されなければならない．

世界的にも，泥炭地の保全の取り組みは広がっている．

引用文献

欧米では泥炭採掘跡地での湿地再生に加え，農産物の生産過剰を背景とした農地の再湿地化の動きもある．イギ
リス・イングランド東部の Fen 地方では，3 千 ha を超古川久雄（1992）：インドネシアの低湿地（東南アジア学選書 7），
p.1，勁草書房，東京

える地域を今後再湿地化しようというプロジェクトが始

北海道開発庁（1963）：北海道未開発泥炭地調査報告，p. 73

ま っ て い る（The Great Fen Project,（http://www.

神山和則・宮地直道・粕渕辰昭・大塚紘雄（1995）：地理情報

greatfen.org.uk/））．

システムを用いた石狩泥炭地における土地利用の変遷とその一方で，農業利用されている泥炭地の適正な管理

客土の実態解析，土肥誌，66，474 ‒ 481．
阪口豊（1974）：泥炭地の地学，p. 2，東京大学出版会，東京

要

旨

泥炭地は本来，湿地や湿原といった過湿な水文環境におかれた土地であるが，北海道では開発にあたって排水と客土が営々と進められてきた．泥炭地は熱帯にも分布するが，インドネシアやマレーシアの熱帯泥炭地では近年，急激な開発の波にさらされている．とりわけ，オイルパームや紙パルプ用材のプラ
ンテーションの開発が大規模に進められている．湿地としての泥炭地再生の取り組みはこれから各地で進められるであろうが，それとともに，農業利用されている泥炭地の適正な管理も重要であり，地盤沈
下や微生物分解，熱帯では泥炭火災の発生を抑制できるような泥炭管理のあり方について研究を進める必要がある．
キーワード：湿地，泥炭，高有機質土，地盤沈下シンポジウム特集
解 説23
Lectures., March 2012, Vol. 120, 23 ‒ 28

地下水の硝酸汚染防止のための窒素環境容量
中辻敏朗 1
Maximum permissible nitrogen input into agricultural land to prevent nitrate pollution in groundwater
Toshiro NAKATSUJI1

いで草地が 2. 5 mg L‒1，水田が 2. 4 mg L‒1 となり，農地

1. はじめにの利用形態が地下水汚染と密接に関連することが指摘さ

硝酸性窒素は自然界で普通にみられる窒素の存在形態れている（松本・唐，2006）．

のひとつである．植物の生育にとって必須の養分である

一方，農地利用形態が同一の地域内においても，地下が，水に溶けて移動しやすい特性をもつため，まれに地水の硝酸性窒素濃度は季節によって変動する．河川沿い

下水に高濃度で含まれることがある．このような水を人の低地に広がる畑作地域（約 1000 ha）において，3 つの（特に乳幼児）が飲むと健康被害を受ける恐れがあるこ

井戸の地下水の硝酸性窒素濃度を 6 年間にわたって観測とから，国は 1999 年，環境基本法に基づく水質環境基した例（丸谷ら，2009）を以下に述べる．本地域は年間

準健康項目に硝酸性窒素及び亜硝酸性窒素（以降は，硝降水量が 800 mm 程度と少なく，水理地質的にも地下水‒1

酸性窒素と記述）の基準値 10 mg L を新たに設定した．

汚染が生じやすい地域で，地下水位は地表面から 1 〜 5

後述するように，硝酸性窒素による地下水汚染は北海道

m と比較的浅い位置にある．地下水の硝酸性窒素濃度は，においても畑作地域を中心に広範囲で認められている．

いずれの年次においても融雪水が浸透する 4 〜 5 月頃に汚染原因としては，生活排水の他，農耕地への過剰な施上昇して環境基準を超えることが多く，その後低下する

肥や家畜排泄物の不適切な処理などが指摘されており，パターンを繰り返した（Fig. 1）．春の濃度上昇は本地域対策の推進が強く求められている．

での畑地への施肥前から生じているので，この濃度の上このため，北海道では，農耕地の窒素収支を単純化し，昇は前年秋の土壌に残存していた窒素が融雪水に溶けて「作物による窒素持出量」と「環境基準値と等しい濃度

地中へ浸透し，この浸透水が地下水へ達することで生じの浸透水に含まれる硝酸性窒素量」の合計量を「窒素環ていると考えられた．また，この調査事例では，地下水境容量」と定義して，農業分野における地下水の硝酸汚の硝酸性窒素濃度は季節によって変化するだけでなく地染防止のためのリスク評価指標としている．本稿では，

域内でも変動があり，年間を通して地域の北側での濃度

この窒素環境容量の概念を解説するとともに，その有効が南側よりも高い傾向を示した．この原因を探るため，性を論ずる．

2. 北海道における地下水の硝酸汚染実態
北海道が公表した 1999 〜 2001 年度の地下水の常時監
視と各地域の保健所による井戸水水質調査によれば，硝本地域内に 18 ha 程度の区画を設定して地下水の動態（水・窒素収支）を詳しく調査したところ，地下水が上流域（南）から下流域（北）へ流下する間に，農耕地から硝酸性窒素濃度として 20 mg L‒1 程度の高濃度の浸透水が地下水に供給されていることが判明した．

酸性窒素による地下水汚染（基準値 10 mg L‒1 を超過）は，以上の様に，地下水の水質は地点や季節によってダイ

網走，十勝，空知，胆振，渡島地域などを中心に道内のナミックな変化を示すことがあるので，それぞれの地域

広い範囲で認められている（北海道，2001）．基準値のの汚染現状の把握には，適切な調査箇所・時期の選定が超過率（超過井戸数／調査井戸数）は全道では 5. 7 % で必要となる．

あるが，地域別では網走地域が 30. 7 % と特に高い．こ水質汚濁防止法に基づく直近の地下水水質調査によれの調査結果のなかから，地下水位が深さ 20 m 未満の比

ば，2004 年度以降の超過率は漸減傾向にあるが，過去に

較的浅い井戸水について硝酸性窒素濃度の市町村別平均

汚染が認められた地域では，畑作地域を中心に未だに環値を求め，その値と市町村の主要な農地利用形態との関境基準を満たさない井戸が多く存在している（北海道，係を解析したところ，畑地が 6. 5 mg L‒1 と最も高く，次2010）．このように，いったん生じた地下水汚染の回復は容易でないことから，汚染を未然に防止することが極1

Central Agricultural Experiment Station, Agricultural Research
Department, Hokkaido Research Organization
Naganuma, Hokkaido, 069 ‒ 1395, Japan.
Corresponding author : 中辻敏朗，北海道立総合研究機構農業研究
本部中央農業試験場
2011 年 12 月 26 日受稿，2012 年 1 月 23 日受理
土壌の物理性 120 号，23 ‒ 28（2012）

めて重要となる．

3. 窒素環境容量とは
3. 1 概念
農地へ施用された窒素が地下水に移行するまでにはあ土壌の物理性 第 120 号（2012）24

Fig. 1 地下水の硝酸性窒素濃度の季節的推移（丸谷ら，2009）
低地に広がる畑作地域（約 1000 ha）での 3 つの井戸によるデータ．本地域は年間降水量が約 800 mm と少なく，水理地質的に地下水の硝酸汚染リスクは高い．地下水位は地表面下 1 〜 5 m 程度．横軸の年次の上の数値は月を示す．

Fig. 2農耕地（畑地と草地）における窒素・水収支の模式図る程度の期間を要するため，地下水の硝酸性窒素濃度を直接の指標として各種の汚染対策を講じることには限界がある．そこで，他の簡易な地下水汚染リスク評価指標を設定する必要がある．
北海道では，畑地と草地を主な対象として，農耕地にFig. 3 北海道における市町村別の窒素環境容量推定値（松本・唐，2006 を改変）
窒素環境容量＝作物による窒素持出量＋硝酸性窒素残存許容量．
右辺第 1 項は統計年報による作物別収穫量と総作付面積および
日本食品標準成分表より求めた作物別窒素含有率とから，また第 2 項は三木ら（2000）の方法で算出．

おける窒素・水収支を単純化し（Fig. 2），次式で定義される窒素環境容量（三木ら，2000）をリスク評価指標として用いるとともに，これを地下水の硝酸性窒素濃度を環境基準内としながら農業生産を行うための窒素投入量

とえば，年間浸透水量が 500 mm の場合は 50 kg ha‒1）．
式 1 で定義される窒素環境容量は，土壌の窒素プールの増減を考慮していないので，単年度ではなく，数年以の上限値としている．
「窒素環境容量」＝「作物による窒素持出量」＋「硝酸‒1

上の平均的な収支を対象とする．一方，土壌浸透水の硝性窒素残存許容量」（式 1）（単位はいずれも kg ha ）酸性窒素濃度は，浸透過程での希釈や深層土壌での脱窒

ここで，「作物による窒素持出量」は，収穫物として圃

（江口，2008）などにより低下する場合も想定される．

場外に搬出される窒素量で，圃場にすき込み還元される

したがって，浸透水の硝酸性窒素濃度として 10 mg L‒1

作物残渣中の窒素は含まない．また，「硝酸性窒素残存までを許容している窒素環境容量は，実際の地下水汚染

許容量」とは，土壌に残存した硝酸性窒素がすべて浸透リスクに対し，ある程度の安全を見込んだ指標と言える．

水で流出した場合に浸透水の年平均硝酸性窒素濃度が‒1

3. 2 市町村別の窒素環境容量

10 mg L となる量である．これは年間浸透水量（降水量

窒素環境容量の適用対象スケールとしては，一筆圃場−蒸発散量）に環境基準濃度（10 mg L‒1）を乗ずることで程度から市町村単位の広域レベルなど多様な段階が想定求められるので，年間浸透水量に比例した値である（たされる．ここでは土地利用との関連をみるため，市町村

シンポジウム特集 解説：地下水の硝酸汚染防止のための窒素環境容量25単位で推定した例（松本・唐，2006）を紹介する．彼らは，て妥当であることを検証するため，土壌の種類，栽培作

式 1 の右辺のうち，作物による窒素持出量を統計年報に物や気象条件が異なる 16 の連輪作事例について，窒素よる作物別収穫量と総作付面積および日本食品標準成分

投入量と浸透水中の年平均硝酸性窒素濃度との関係を，表より求めた作物別窒素含有率とから，また硝酸性窒素

窒素環境容量に対する超過窒素量（窒素投入量−窒素環

残存許容量を三木ら（2000）の方法で算出している．

境容量）との関連で検討した（中辻，2009）．その結果，

窒素環境容量は市町村によって顕著に異なり，最小は‒1‒1

超過窒素量がプラス，つまり窒素環境容量以上の窒素を94 kg ha ，最大は 308 kg ha で，全道平均値は 183 kg

投入した事例の多くで浸透水の年平均硝酸性窒素濃度がha‒1 であった．地域的にみると，宗谷，釧路，根室地域

10 mg L‒1 を超えたのに対し，マイナスの場合はこれをで大きく，網走，十勝，石狩，空知，上川地域では小さ下回ることが多かった（Fig. 4）．また，窒素環境容量がい傾向にある（Fig. 3）．北海道の主要な畑作地域の一つで全般に小さい網走地域での圃場試験からは，秋まきコム‒1ある網走地域では 150 kg ha 未満の地域があるなど窒素

ギ，テンサイ，バレイショなどによる標準的な畑輪作体

環境容量は概して小さい．畑作では高い生産性が求めら系において浸透水の年平均硝酸性窒素濃度を 10 mg L‒1

れるため多肥となりがちであるが，地下水汚染リスクの以下とするには，年間窒素投入量を 150 kg ha‒1 以下とす観点からは窒素の多投入は望ましくないことがわかる．

る必要がある（鈴木・志賀，
2004）ことが指摘されている．

窒素環境容量とその構成要素（作物による窒素持出量，

この窒素投入量上限値は網走地域の窒素環境容量と概ね

硝酸性窒素残存許容量）の平均値を農地の利用形態別に合致（Fig. 3）しており，この点からも窒素環境容量のみると，作物による窒素持ち出し量は，水田が 81 kg

妥当性が裏付けられている．

ha‒1 と最も少なく，次いで畑地 100 kg ha‒1，草地 146 kg‒1

以上は一筆圃場を対象としたものであるが，市町村単

ha の順であった（Table 1）．硝酸性窒素残存許容量の位のスケールにおいても同様の結論が得られている．す農地利用形態による違いは小さく，69 〜 76 kg ha‒1 の範

なわち，各種統計資料等を用いて推定した市町村単位の囲にあった．ただし，地域別に見ると，留萌，宗谷，胆超過窒素量は，深さ 20 m 未満の井戸水の市町村別硝酸振地域で 100 kg ha‒1 を超える市町村があるのに対し，網性窒素濃度平均値と 1 % 水準で有意な相関を示す（松本・‒1

走地域の一部では 40 kg ha 未満の市町村も存在するな

唐，2006）ことが明らかにされている．

ど全般に道東で少ない傾向にあり，主に年間降水量や浸これらのことは，窒素環境容量が圃場スケールだけで透水量の地域間差を反映した分布を示した．両者の合計

なく，より広域な市町村スケールでの地下水汚染リスクである窒素環境容量は，主に窒素持出量の違いに依存し，の評価指標としても有効なこと，また地下水の硝酸性窒‒1

草地が 218 kg ha と最も大きく，次いで畑地が 169 kg

素濃度を環境基準内に維持するための農耕地への窒素投

ha‒1，水田が 157 kg ha‒1 であった．なお，水田は脱窒に入量上限値が窒素環境容量で概ね評価できることを意味

よる窒素浄化能を有する（西尾，1994）ため，式 1 の概している．

念に基づく水田の窒素環境容量は過小評価されている可5. 窒素環境容量の活用能性があり，畑地や草地との単純な比較には馴染まない

すでに述べた通り，窒素環境容量に対する超過窒素量ことに留意が必要である．

（窒素投入量−窒素環境容量）は地下水の硝酸汚染リス

4. 窒素環境容量の妥当性

ク評価指標として有効で，この値がプラスのときリスク

窒素環境容量が地下水の硝酸汚染リスク評価指標としTable 1は高く，マイナスで低いと判定できる（Fig. 4）．したがっ

農地利用形態別の窒素環境容量とその構成要素（平均値±標準偏差で表示．松本・唐，2006）

農地
利用形態１）

市町村数 1）

窒素持出量 2）（kg ha‒1）

硝酸性窒素
残存許容量 2）（kg ha‒1）

窒素環境容量 2）（kg ha‒1）

水田

63

81 ± 1476 ± 16157 ± 19

草地

76

146 ± 3372 ± 22218 ± 39

畑地

70

100 ± 2969 ± 26169 ± 30

全道

209

111 ± 3972 ± 22183 ± 411）統計年報から各市町村の地目別面積割合（水田，草地，畑地）を集計し，最も高い地目を当該市町村の農地利用形態とした．統計に不備のあった 3 市町村は除外．
2）算出方法は Fig. 3 を参照．

26

土壌の物理性 第 120 号（2012）
的な施肥指針として，「施肥標準」，「土壌診断に基づく施肥対応」，「有機物施用に伴う施肥対応」を策定し，この 3 つを一冊の「北海道施肥ガイド 2010」としてまとめている（北海道農政部，2010）．施肥ガイドに示された施肥指針は窒素環境容量の視点，すなわち地下水の硝酸汚染防止の観点から妥当だろうか？
結論から言うと，畑作に関しては，施肥ガイドの遵守（施肥標準の遵守，両施肥対応の励行）は地下水の硝酸汚染防止に直結している．たとえば，テンサイ，アズキ，
春まきコムギの 3 年輪作体系では，窒素投入量を施肥標
準量程度とすれば，多量の残渣由来窒素がすき込まれる
テンサイの後作に窒素回収能の低いアズキを作付けても3 ヵ年平均の浸透水の硝酸性窒素濃度は環境基準を超えることはない（北海道農政部，2005）．また，先述した
ように，網走地域の標準的な輪作体系では，浸透水の年平均硝酸性窒素濃度を 10 mg L‒1 以下とするための年間

Fig. 4 多様な連輪作事例における超過窒素量と浸透水の年平均
硝酸性窒素濃度との関係（中辻，2009）
超過窒素量＝窒素投入量−窒素環境容量．各地点の土壌の種類，
調査年次および栽培作物は以下の通り．由仁：普通褐色低地土（1997 〜 2001 年，タマネギ→秋まきコムギ→タマネギ 3 年連作），
恵庭：普通黒ボク土（1997 〜 2001 年，ニンジン→ダイコン→
キャベツ→アズキ→バレイショ），長沼：普通褐色低地土（1999〜 2001 年，タマネギ 4 年連作）
，芽室：淡色黒ボク土（2002 〜
2004 年，テンサイ→アズキ→春まきコムギ），訓子府：多湿黒ボ
ク土（2000 〜 2002 年，秋まきコムギ→テンサイ→バレイショ），
中標津：普通黒ボク土（2001 〜 2003 年，チモシー草地）．各地
点の調査年次期間の平均値をプロット．

窒素投入限界量は 150 kg ha‒1 と見積もられている（鈴木・志賀，2004）が，施肥ガイドに基づいた管理では年平均
窒素投入量は最大 140 kg ha‒1 程度となり，限界量を超えることはない．このように，普通畑については，先に述べた窒素環境容量の概念を特に意識しなくても，北海道
施肥ガイドに則った肥培管理を行う限り，地下水の硝酸汚染リスクは小さいと言える．
これに対し，露地野菜畑では，施肥ガイドに準拠した施肥管理を行っても超過窒素量がプラスとなる品目が散見される（唐ら，2007）．すなわち，露地野菜畑が地下水を汚染するリスクは普通畑に比べ高い．その理由は，て，ある地域において想定される各種汚染軽減技術導入

露地野菜には収量や品質を維持するために窒素環境容量前後の超過窒素量を比較することで，地下水の硝酸汚染を上回る施肥を必要とするものがあり，収穫後の土壌にリスク軽減に対する技術の導入効果を事前に評価するこ

硝酸性窒素が残存しやすいからである．この対策としてとができる．

は，作付体系への深根性作物（秋まきコムギなど）の導例えば，水理地質や営農実態からみて地下水の硝酸汚入（唐ら，2007）やクリーニングクロップとしての後作染リスクが高いある畑作地域（約 700 ha）を対象に，各緑肥の活用（小野寺・唐，2009）などが有効である．

種汚染軽減シナリオの導入効果を検討した報告（中辻ら，2009）では，汚染リスクの軽減には土壌診断に基づく窒素投入量の適正化（減肥）が最も効果的であったが，こ7. 自然要因に基づく潜在的汚染
リスク評価との比較

れに土壌改良による作物生産性の向上や後作緑肥などの窒素環境容量の概念は農業での利用を前提としている

クリーニングクロップの導入などを組み合わせ，総合的ため，作物による窒素持出量を窒素環境容量の重要な構な改善策を導入すると，軽減効果がさらに高まると推定

成要素の一つとしている．一方，環境学の分野では，土された．このような評価手法は任意の地域に適用可能な壌の性質や降水量の多少などの自然要因に基づいて地下ので，現状の汚染リスクを踏まえながら地域の実情に応水の硝酸汚染リスクを評価する試みも行われている．

じた各種対策技術の導入優先順位を決定する際などに利用できる．

例えば，米国環境保護庁の「DRASTIC」手法を応用して，北海道の農耕地における硝酸性窒素による地下水

なお，窒素投入量と収量等の生産物情報から各種条件の潜在的汚染リスクを，地下水位，地下水涵養量，土壌での窒素環境容量を簡易に算出できるソフト「NiPRASの透水性，傾斜などから評価した（Fig. 5）ところ，地（Nitrate Pollution Risk Assessment System）」が開発さ

下水の硝酸性窒素濃度の実測値分布と対応する場合が多れているので，汚染防止に配慮した窒素投入量の具体的

く，この方法によるリスク評価は概ね妥当と考えられたな算定にあたっては，これを利用すると良い（唐ら，（高田ら，2009）．しかし，汚染リスク区分と地下水の硝

2007）
．

酸性窒素濃度実測値との関係を農地の利用形態別に検討

6.「北海道施肥ガイド 2010」と窒素環境容量
北海道では，環境に優しいクリーン農業のための具体すると，畑地ではリスク区分が高いほど実測値も明瞭に高まる傾向があるのに対し，脱窒による窒素浄化能を持
つ水田や全般に窒素投入量が少なく持出量が多い草地でシンポジウム特集 解説：地下水の硝酸汚染防止のための窒素環境容量

27Fig. 5 自然要因による地下水の潜在的汚染リスク区分（高田ら，2009）
米国環境保護庁の DRASTIC 手法を応用し，地下水位，地下水涵養量，表層土壌，地形，不飽和層の性質から評価．
リスク高，中，低の 3 区分．色が濃いほどリスク高．

は，両者の関係は普通畑ほど明確ではなかった．

土壌へ投入した窒素（余剰窒素）はいずれ系外に溶脱す

このことは，Fig. 5 はあくまでも自然要因のみによるる」という物質収支の考え方を土壌に対して適用した方

潜在的汚染リスク評価と位置付け，多様な土地利用形態

法論そのものが，土壌物理的な発想に基づいているともがある農業を対象とする場合は，窒素環境容量のように言える．土壌物理学の知見は窒素環境容量の概念を根幹

作物側の要因（窒素持出量など）を考慮する必要があるで支えている．

ことを意味している．ただし，少なくとも畑地について

引用文献

は，自然要因による汚染リスクに応じて地下水汚染が生
じやすいことから，水田や草地に比べ，より一層適正な窒素肥培管理が必要なことは指摘できよう．

8. 窒素環境容量と土壌物理性

江口定夫（2008）：モデルによる土壌，農耕地，流域における窒素動態の理解

3．地形連鎖系スケールの窒素動態−調査技法とモデル化手法−．土肥誌，79：213 ‒ 227．
北海道（2001）：硝酸性・亜硝酸性窒素による地下水の汚染に式 1 で定義される窒素環境容量の長所は，地下水汚染

つ い て．http://www.pref.hokkaido.lg.jp/ks/ksk/khz/の防止に配慮した具体的な窒素投入量を簡易に算出でき

contents/mizukankyo/suisituhozen/syou/syou.htm（2011

る点にある．一方，
窒素収支に対する各種の土壌要因（有年 12 月）．

効土層深，土壌の種類，土性，陰イオン交換能，バイパ

北海道（2010）：平成 21 年度地下水の水質測定結果．http://

ス流の有無など）の影響は，作物による窒素持出量に反

www.pref.hokkaido.lg.jp/ks/ksk/g ‒ khz/01/chika0gaiyo.

映されていると考えられる．例えば，有効土層深は深く，土性は細かく，バイパス流は生じない方が作物の窒素利用効率が高まり窒素持出量も増えるため，窒素環境容量は増大する方向に向かうと推察される．しかし，このよpdf（2011 年 12 月）．
北海道農政部（2005）：平成 17 年普及奨励ならびに指導参考事
項．pp.106 ‒ 108．
北海道農政部（2010）：北海道施肥ガイド 2010．http://www.

うな影響が明示的に扱われていないことから，土壌改良

agri.hro.or.jp/chuo/fukyu/sehiguide2010̲index.html

による窒素収支の改善という発想に結びつきにくい難点（2011 年 12 月）．

がある．
この点で，窒素環境容量は土壌物理的根拠に乏しいように見えるかもしれない．しかし，旧道立農試による硝

松本武彦・唐星児（2006）：北海道の市町村を単位とした窒素環境容量に基づく地下水の硝酸汚染リスクの評価．土肥誌，77：17 ‒ 24．

酸性窒素の土層内移動モニタリング連絡試験（三木，

丸谷薫・高清水康博・高橋良（2009）：地下水中の硝酸性窒素

2002）の結果に基づき，「作物生産に必要な量を超えて濃度の季節・経年変動．北海道立農業試験場資料，38：

土壌の物理性 第 120 号（2012）28
25 ‒ 28．

西尾隆（1994）：耕地土壌の脱窒過程．土肥誌，65：463 ‒ 471．

三木直倫・安積大治・橋本均（2000）：北海道農耕地土壌における硝酸態窒素残存許容量と流れ易さの区分．土肥誌，
71：396 ‒ 399．

対策．北海道立農業試験場資料，38：40 ‒ 51．
鈴木慶次郎・志賀弘行（2004）：浸透水の硝酸性窒素濃度から三木直倫（2002）：硝酸態窒素の土層内動態をモニタリングする．
長谷川 周一・波多野隆介・岡崎正規編

小野寺政行・唐星児（2009）：後作緑肥の活用による汚染軽減

環境負荷を予測する．pp.37 ‒ 56，博友社，東京．

見た網走地域の黒ボク土畑における投入窒素限界量．土肥誌，75：45 ‒ 52．
高田雅之・三島啓雄・北川理恵・三上英敏（2009）：GIS を用中辻敏朗（2009）：多様な作付体系における NiPRAS の有効性の検証．北海道立農業試験場資料，38：73 ‒ 75．

いた地下水汚染ポテンシャルの広域的評価．北海道環境科学研究センター所報，35：21 ‒ 26．

中辻敏朗・高田雅之・三島啓雄（2009）：小流域における各種

唐星児・志賀弘行・中本洋・日笠裕治（2007）：肥培管理情報軽減対策の導入効果．北海道立農業試験場資料，38：76 ‒を利用した地下水の硝酸性窒素汚染リスク評価ソフト

78．

「NiPRAS」．土肥誌，78：607 ‒ 610．

要旨

北海道では，農耕地の窒素収支を単純化し，「作物による窒素持出量」と「環境基準値と等しい濃度の浸透水に含まれる硝酸性窒素量」の合計量を窒素環境容量と定義して，農業分野における地下水の硝酸汚染防止のためのリスク評価指標としている．農耕地への窒素投入量を窒素環境容量の範囲内とすれば，浸透水の年平均硝酸性窒素濃度は概ね地下水の環境基準（10 mg L‒1）未満となり，地下水汚染を引き起こすリスクは小さい．道内市町村別に推定した窒素環境容量の平均値は 183 kg ha‒1 であったが，94〜 308 kg ha‒1 の幅が認められた．農地利用形態別では，草地が 218 kg ha‒1 と最も大きく，次いで畑地が 169 kg ha‒1，水田が 157 kg ha‒1 であった．
キーワード：環境基準，硝酸汚染，地下水，窒素環境容量，農耕地

シンポジウム特集
総 説., March 2012, Vol. 120, 29 ‒ 38

Reviews
29

水田および浅層地下水中の脱窒による環境浄化
江口定夫 1
Denitriﬁcation in paddy ﬁelds and shallow aquifers for environmental water puriﬁcation
Sadao EGUCHI1
Abstract：Denitriﬁcation in soil and groundwater sys-

亜硝酸イオン（NO2− ）を経て，気体状分子である一酸

tems forms the largest black box in the global nitrogen

化窒素（NO），一酸化二窒素（N2O）及び窒素分子（N2）cycle, functioning as the largest sink of nitrogen with

まで還元される．脱窒菌は，嫌気的条件下では，脱窒にhighest uncertainty. Quantiﬁcation and modeling of in

よって土壌・地下水中から NO3−を除去する能力を発現

situ denitrification in soil and groundwater systems

する．脱窒反応は，例えば易分解性 OC である炭水化物

under various environmental conditions are needed forを電子供与体として，次のように表される（Beauchampobtaining more reliable estimates of denitrification.

et al., 1989）．

This paper reviews the characteristics and controlling
factors of denitrification in paddy fields and shallow

5CH2O + 4NO3− + 4H+ ＝ 2N2 + 5CO2 + 7H2O

（1）

aquifers, and the needs of soil physics‒based approachfor quantifying and modeling in situ denitriﬁcation. Di-

これは，有機物を消費することから従属栄養型の脱窒

rect measurement of in situ denitriﬁcation under ﬁeld

（heterotrophic denitriﬁcation）と呼ばれ，FeS2 等の無conditions is very diﬃcult; alternatively, nitrate remov-

機物を電子供与体とする場合は，独立栄養型の脱窒

al rate is often measured. In paddy ﬁelds, nitrate re-（autotrophic denitriﬁcation） と 呼 ば れ る（Hiscock et

moval data have been accumulated under various en-al., 1991; Korom, 1992）．一方，好気的条件下では，脱vironmental conditions, and practical modeling of

窒菌は次式のような好気的呼吸を行い，脱窒による

nitrate removal has been going on. On the contrary, in

NO3−除去は生じない．

shallow aquifers, nitrate removal is merely measured
based on the determination of three-dimensional

CH2O + O2 ＝ CO2 + H2O（2）

groundwater flow and nitrate transport. Soil physics
should play much more signiﬁcant role in determining

すなわち，脱窒の化学反応式（1）には直接関与しない

and modeling in situ denitrification rate in soil andO2 の有無が，土壌・地下水中における脱窒による NO3−

groundwater systems, and in elucidating the global ni-除去能の発現を強く規定している．

trogen cycle.
Key words：labile organic carbon, anaerobic condition,
nitrate ion, denitriﬁer, soil physics

環境中には，冒頭の一文で定義できるような「脱窒」と は 異 な る 好 気 的 条 件 下 で の 脱 窒（Robertson andKuenen, 1984 ; Wrage et al., 2001; Kool et al., 2011），独立栄養細菌である嫌気性アンモニア酸化（anammox,

1. はじめに

anaerobic ammonium oxidation） 細 菌 に よ る 脱 窒

1. 1 脱窒とは（Schubert et al., 2006 ; Burgin and Hamilton, 2007），ダ

脱窒は，1）嫌気的条件下で，2）通性嫌気性の従属栄

イズ根粒菌による脱窒（Sameshima‒Saito et al., 2006）

養生物である脱窒菌の居る場所で，3）電子受容体（硝等が存在する．また，植物・微生物による NO3− 吸収・酸イオン［NO3− ］）と 4）電子供与体（易分解性の有機同化や異化的硝酸塩還元によるアンモニウム塩生成

態炭素［OC］やパイライト［FeS2］等）が出会うこと（DNRA, dissimilatory nitrate reduction to ammonium）

によって生じる，嫌気的呼吸（エネルギー獲得反応）ののように，系内での NO3− 収支のみに着目していると，−
3一種である．脱窒は，巨視的にも微視的にも，NO を見かけ上，脱窒を過大評価してしまうような過程も存在

含む好気的環境と酸素（O2）を含まない嫌気的環境のする（Tiedje, 1981 ; Burgin and Hamilton, 2007）
．本稿

−
3

境界付近で，局所的に進行する．脱窒により，NO は
1

National Institute for Agro ‒ Environmental Sciences, Kannondai
3 ‒ 1 ‒ 3, Tsukuba, Ibaraki 305 ‒ 8604, Japan.
Corresponding author : 江口定夫 , 農業環境技術研究所
2012 年 1 月 11 日受稿，2012 年 2 月 29 日受理
土壌の物理性 120 号，29 ‒ 38（2012）

では，脱窒と呼ぶことのできる経路のすべてを網羅することはせず，冒頭の一文で定義できる「脱窒」のみについて述べる．また，系内での NO3‒N 収支（または N 収支）から求められる N 除去量・速度は，脱窒だけでなく，
NO3−吸収・同化や DNRA を含みうる値と定義して，議土壌の物理性 第 120 号（2012）㒽ၞ䈻䈱N⽶⩄(↢‛N࿕ቯ, ൻᚑ⢈ᢱ, ᄢ᳇⚻↱NOy)~270 Tg N/yr࿯ფ⣕⓸䈮䉋䉎N㒰෰䉁䈢䈲N⫾Ⓧ
࿾ਅ᳓, ḓᴧ, ᴡᎹ

ᴁ᳓ၞ

ᄢ㒽᫜

ᄖᵗ

N⽶⩄㊂
㊂䋬Nᵹ಴㊂ (MMg N yr–1)

ᱞ↰Ꮉᵹၞ

N䈱ᵹ䉏

ᄢ᳇㒠ਅ‛Nᵹၞ㕙Ⓧ 19.6 km2

200

150
ᱜ๧䈱
N⽶⩄㊂
⽶⩄㊂
100

Fig. 1 陸域−淡水域−海域連続体を通じた地球規模での窒素の輸送（Seitzinger et al. [2006] を一部改変）.
Global scale nitrogen transfer through terrestrial‒
freshwater‒marine continuum（modiﬁed from Seitzinger etal.［2006］）．

50

0ᴡᎹ䉕ㅢ䈛䈢
Nᵹ಴㊂䈚ዩ䋬㔀ឃ᳓

ᶏᵗN࿕ቯ
87–156 Tg N/yr㉄⚛ᭂዊᏪN䈱ャㅍᤨ㑆?
ャㅍᤨ㑆
>15 yr䈲N㒰෰㊂䉁䈢䈲
N
N⫾Ⓧ㊂

30

1950

1960

1970

1980

1990

2000

Fig. 2 集水域スケールの窒素負荷と河川を通じた窒素流出（板橋・竹内［2005］を一部改変）．
Watershed scale nitrogen load and discharge via stream（modiﬁed from Itahashi and Takeuchi［2005］）．

積に占める割合はごく僅かだが，農業活動等に由来する
N を脱窒によって効果的に除去し，水域への環境負荷を軽減する機能を持つと考えられている（Naiman and論を進める．

Décamps, 1997 ; Martin et al., 1999 ; McClain et al.,1. 2 地球規模の窒素循環と脱窒

2003 ; 江口 , 2008）．ただし，水畔域の脱窒による NO3−

地球規模の N 循環において，大気中の N2 は，自然ま除去効率は，台地から表面水体までを包含する地形水文

たは人為的な無機 N または有機 N 合成反応を経て，陸域

系列（topohydrosequence, hydrocatena）全体の水文地へ負荷される．1860 年から 1990 年代初めまでに，生物質環境によって強く規定され（Hill, 1996 ; Gold et al.,に利用可能ないわゆる「反応性窒素（reactive nitrogen）」

2001 ; Vidon and Hill, 2004），ほとんど脱窒が生じないの陸域への N 負荷量は，140 から 270 Tg yr−1 へとほぼ場合（Böhlke et al., 1995 ; Pinay et al., 1998）から 90 〜倍増した
（Galloway et al., 2004 ; Seitzinger et al., 2006）．

100 % が除去される場合（Gilliam, 1994 ; Fennessy and

一方，陸域から淡水域及び海水域へと向かう地球規模でCronk, 1997）まで大きく変動する．これには，脱窒がの N の流れ（Fig. 1）は，土壌・地下水系を通過する過程

水畔域内のごく一部のみで局所的に生じる（脱窒のホッで大きく減少する（Galloway et al., 2003 ; Seitzinger et

ト ス ポ ッ ト ）こ と が 深 く 関 係 し て お り， 台 地 由 来 のal., 2006）．この過程は，主に脱窒による N 除去またはNO3− 濃度の高い地下水が，低地の易分解性 OC に富む

系内における有機 N 等の蓄積によるものと考えられる．

嫌気的な表層に，十分に接することが出来るかどうかがしかし，両者を区別するために必要となる十分な実測値

NO3‒ 除去効率を大きく左右する（Vidon and Hill, 2004 ;の蓄積や簡便な推定手法がないために，この過程は地球

江口 , 2008）．このような変動の大きさは，流域内での規模の N 循環における最大のブラックボックスとなっ脱窒量を正確に見積もることを困難にする大きな要因のている．集水域スケールの N 収支研究では，しばしば，一つとなっている．Table 1 は，Seitzinger et al.（2006）

ある期間内での N 蓄積量は他の N 収入・支出項目に比による様々な系内における地球規模での脱窒量の推定結べて相対的にずっと小さいこと（定常状態）が推定また果である．土壌・地下水系内での脱窒量は最大であるとは仮定され，脱窒による N 除去の重要性が強調される．

共に，その不確実性の大きさもまた，最大値を示してい

例えば，Howarth et al.（1996）は，南米，中米，北米，る．

欧州及びアフリカ大陸から北大西洋へ注ぐ合計 14 の流

地球規模での N の流れが土壌・地下水系を通過する域（面積 : 0. 3 〜 6. 5 × 10 6 km2）を対象とした長期間（〜過程で大きく減少する（Fig. 1）原因が，主に脱窒によ

10 年程度）の N 収支に基づき，流域への正味の人為起

る N 除去であり，それが今後も半永続的に機能するの

源 N 負荷の約 75% が水畔域（riparian zone）等での脱であれば，現在の陸域への正味の N 負荷を維持するだ

窒により除去されると推定した．この著者らは，土壌中けで，水域へのこれ以上の N 負荷は今後も長期にわたっの N 存在量変化については全く言及せず，地下水中のて免れることが出来るだろう．しかし，もし N 蓄積が

N 存在量変化についても一部の流域を除いて重要でない主体であるとすると，たとえ今すぐ陸域への正味の Nとの推定結果を示している．

負荷をゼロにしたとしても，陸域から水域への N 流出

水畔域は，河川・湖沼等の表面水体の周縁部に，しばは今後も長期間にわたって継続することになる．板橋としば帯状に発達する湿性陸域環境であり，流域全体の面

竹内（2005）は，
面積わずか 20 km2 の流域を対象として，

シンポジウム特集 総説：水田および浅層地下水中の脱窒による環境浄化31

河川を通じた N 流出のピーク時期が，流域内での正味水系における脱窒の定量化と，これをより精度良く推定の N 負荷量のピーク時期に比べて 15 年以上遅れることする簡便な手法の開発が強く求められている．
本稿では，を示した（Fig. 2）．この時間遅れは，流域内での正味の特に水田および浅層地下水中の脱窒とその支配要因につN 負荷量の変化が河川からの N 流出量の変化として現いて概括すると共に，それらの定量化および簡易モデル

れるまでの時間を表しており，他の流域では，10 年以化へ向けての土壌物理学的アプローチの必要性について

上（松森・板橋 , 2009），10 年以内（Hirono et al., 2009 ;述べる．

高橋ら , 2009），流域によってほぼゼロから 10 年以上まで変動（Takeuchi et al., 2005 ; Itahashi et al., 2006 ; Itahashi

2. 水田における脱窒

et al., 2007）等，様々である．このような時間遅れは，

2. 1 水田土壌表層における酸素生成・消費と脱窒

多孔質体である土壌・地下水系内を NO3−が輸送される

脱窒から見た水田土壌表層の大きな特徴は，易分解性のに要する時間と，土壌中に蓄積された有機態 N が少OC に富む嫌気的環境と，O2 生成の盛んな好気的環境が，しずつ無機化される時間の両方の影響を含むと考えられ非常に狭い空間領域内で隣接しているという点である。

る．しかし，深さ 1 m 程度までの作物根域内における湛水条件下では，土壌中の易分解性 OC は，その分解過NO3−輸送時間が 1 〜数年にも達する（江口 , 2006a）こ程で溶存 O2 を消費するため嫌気的環境の形成に寄与すとを考えると，10 年前後程度の時間遅れは主に前者のるほか，脱窒の電子供与体としても利用される．一方，影響であり，後者の影響は，前者よりもずっと長期間に田面水は，夜間（Mowjood and Kasubuchi, 2002）や易

わたって継続するだろう．やはり，土壌・地下水系内の分解性 OC 投入後（中山ら , 2002）等を除けば，一般にN 循環に定常状態を仮定すること（N 蓄積を無視するこ

溶存 O2 濃度が高く，好気的である。晴天日の日中，田と）には無理があり，より妥当な方法で脱窒量を推定す

面水中の溶存 O2 濃度は過飽和状態（13 〜 14 mg L−1）

る必要がある．圃場スケールにおいても，既存のモデルと な り（Mowjood and Kasubuchi, 1998）， 田 面 水 は，を用いた推定ではモデル間差が非常に大きく（David et

O2 を 21 % も含む大気への O2 供給源となるほど，極めal., 2009），不確実性を小さくすることが出来ない．

て好気的な環境―地球上で最も O2 濃度が高い場所の一以上のように，流域（Fig. 2）あるいは地球規模（Fig. 1）つ（粕渕 , 2010）―となる．これは，水田土壌表面に棲での N 循環系内からの N 支出項目として最大の要因が，息するシアノバクテリアの光合成によって O2 が豊富に

最も不確実性の大きいブラックボックスとして扱われた供給されるためである．したがって，除草剤の添加によまま（Table 1），将来予測の見積もり（Galloway et al.,り，田面水中の溶存 O2 濃度は大きく低下する（Usui2004）が進められることには大きな危険がある．陸域へ

and Kasubuchi, 2011）．田面水中の溶存 O2 濃度は，田の N 負荷が急増したのは，わずか 1 世紀余り前からの面水の非常に大きな対流速度（〜 0.14 cm s−1）により話である．今後，水域への N 負荷が長期間にわたって（Fujimaki et al., 2000），鉛直方向にほぼ均一化する．一継続するとき，それが水域生態系にどのような影響を及方，湛水条件下の土壌表層中における溶存 O2 濃度の鉛

ぼすかについて，まだ確実なことは何も言えない．地球

直分布は，深さ方向に大きく減少し，地表面下わずか数規模の N 循環を将来予測する上で，様々な土壌・地下mm の 深 さ で ほ ぼ ゼ ロ と な る（Ratering and Schnell,
2000）．これは，水田土壌表層では易分解性 OC の酸化

Table 1 様 々 な 水 文 学 的 系 内 に お け る 地 球 規 模 の 脱 窒 量（Seitzinger et al.［2006］を一部改変）．
Global scale denitrification in various hydrologic systems（modiﬁed from Seitzinger et al.［2006］）．

系

分解が非常に速やかに進行し，O2 が急速に消費されることを示している．
明条件下での水田土壌表面付近（例えば，深さ 0 〜
1 mm 程度）では，硝化が速やかに進行し，NO3−濃度が脱窒上昇する（Liesack et al., 2000）．硝化が活発なほど，土

（不確実性の範囲）

壌中 NO3−輸送の駆動力となる NO3−濃度勾配は増大し，

Tg N/yr

脱 窒 は， 表 層 の 厚 さ 1 〜 2 mm 程 度 の 酸 化 層（oxic124（65 ‒ 175）（anoxic layer）との境界付近で，局所的に進行する（脱陸域

layer） と そ の わ ず か 1 〜 2 mm 下 に 発 達 す る 還 元 層
土壌

淡水域

窒のホットスポット）．すなわち，この境界付近へのNO3− 供給フラックス（= 移流項 + 拡散・分散項）が，湖沼，貯水池44（>0 ‒ 138）
31（19 ‒ 43）

河川35（20 ‒ 35）となっている．なお，田面水中 NO3−濃度の低下に寄与

汽水域
大陸棚

8（3 ‒ 10）46（>0 ‒ 70）

2. 2 水田における脱窒の定量化と簡易モデル化
水田における脱窒は，田面水中の NO3‒N または全 N

外洋

25（>0 ‒ 30 ?）

収支から算出される N 除去速度として定量されること

地下水

海域

水田土壌表層における脱窒速度の大きな規定要因の一つするのは，拡散・分散項のみである．

が多い．これは，脱窒そのものを現場で直接定量できる
簡便な手法がないことによる．この NO3‒N 除去速度は，

土壌の物理性 第 120 号（2012）32

例えば 0. 02 〜 1. 0 g N m−2 d−1（田淵ら , 1983 ; 田淵・高村 ,フラックスを増加させた結果として脱窒速度が高くなっ

1985）という広い範囲内で報告されている（Fig. 3）．水‒田における NO3 N 除去速度は，高温時に高く，低温時た，と考えられる．

に低いという明瞭な季節変動（田渕ら , 2001 ; Tabuchi,渕（2006）と高橋ら（2006）によって進められている．

2002）及び日変動（田渕ら , 2005）を示す．また，高橋ら（2006）は，田面水中だけでなく，降下浸透水中の N

表面水の流入・流出流量が一定の湛水土壌系において，流出水中の NO3‒N 濃度は，流入水中 NO3‒N 濃度の一除去速度も定量し，田面水中の N 除去効率が明瞭な温次反応式で近似される（田渕 , 2006）

度依存性を示すのに対して，水田土壌中を降下浸透する
過程での NO3‒N 除去効率は，温度依存性がほとんどな

水田における NO3‒N 除去速度の簡易モデル化は，田

out

＝

（

exp −

in

く，常に 90 〜 100 % に近いことを示した．田渕ら（2001）

0

）

（3）

と Tabuchi（2002）によれば，水田への通年灌漑を継続すると，水田の NO3‒N 除去速度は年と共に漸減し，10

ここで， 0 は除去係数（L T−1）， は流速（L T−1）， in
及び out は流入及び流出水中 NO3‒N 濃度（M L−3）で年間でおよそ半減した．しかし，易分解性 OC の投入にある．このとき，田面水中からの NO3‒N 除去速度 （M0より，再び増大した（黒田 , 2001）．Takahashi et al.
（2010）

L−2 T−1）は，によれば，稲わら堆肥よりも，易分解性 OC の多い稲わらを施与した方が，水田土壌表層の N 除去効率及び脱0＝［1 − exp（− ）］0in

窒活性が高まる．シアノバクテリアや藻類による光合成式（3）と（4）の除去係数（4）は，実験的に求められる値

は，易分解性 OC の供給源として重要であり，暗条件を長期的に設定した遮光区では，NO3‒N 除去速度が年とであり，土壌表面上の湛水深（L）で割ると一次反応速共に低下する（田渕ら , 2001）．不耕起水田では，耕起度定数になる．除去係数

水田よりも土壌表層の OC 含量が高まり，脱窒活性が長く持続する（今井ら , 2006）．田面水中からの NO3‒N 除

すだけでなく，室内恒温実験においても土壌の種類によ

−
3

0

0

は，明瞭な温度依存性を示

り 1 オーダー以上の違いがある（田渕ら , 1996）．すな

去速度は，水田への流入水中 NO 濃度が高いほど（田わち， 0 値は，乾田など乾湿を繰り返す土壌では小さ

淵ら , 1983）（Fig. 3），また，NO3−を含む流入水の流量

く（0.001 m d−1），常時湛水田やハス田など常に湿ったが大きいほど増大する（田渕ら , 2005）．これは，いず

条件下にある土壌で大きい（0.014 m d−1）．高橋ら（2006）

れの条件も田面水と酸化層−還元層境界付近との間のNO 濃度勾配を増大させる効果があることから，こののモデルは，基本構造は田渕（2006）と同じだが，式（3）と（4）では考慮されなかった降下浸透過程での NO3‒N

濃度勾配の増大が脱窒のホットスポットへの NO3−供給除去速度を含めた式を提案し，実測値が良く再現できた−
3

ことを示している．
田渕（2006）は，さらに，水稲等の植生の有無の影響㜞᷷を表現するための植生係数（ = 1 〜 3）
，圃場内におけ1る田面水の不均一な流れを表現するための田面効率係数

NO3–N㒰෰෰ㅦᐲ䋨g N m–2 d–1䋩ૐ᷷

（ = 0. 5 〜 1）など経験的パラメータを組み入れること
により，実際の圃場条件下における水田の NO3‒N 除去
速度 （M L−2 T−1）を簡易に推定するための実践的・汎用的なモデルを構築している．

0.1⨥࿦䈮㓞ធ䈚䈢᳓↰ਅ䈱ᵻጀ࿾ਅ᳓ਛ䈱⣕⓸ㅦᐲ
䋨Eguchi et al. 2009a䋩

＝［1 − exp（− ）］0in

式（5）によって計算された（5）の値と実測値がおおよそ一致することが，田渕（2006）によって示されている．

0.01
᳓↰䈭䈬䈱Ḗ᳓࿯ფ♽䋨↰ᷗ䊶㜞᧛ 1985䋩<ᄐቄ䈭䈬㜞᳓᷷ᤨ><౻ቄ䈭䈬ૐ᳓᷷ᤨ>

0 001
0.001
1

10
100
ଏ⛎᳓ਛNO3–NỚᐲ䋨mg N L–1䋩

Fig. 3 湛水土壌系における硝酸態窒素除去速度と流入する
硝酸態窒素濃度の関係（［田淵・高村，1985］を一部改変）．
Relation between nitrate nitrogen removal rate in submerged soil‒ponded water systems and nitrate nitrogenconcentration of irrigated water（modified from Tabuchi
and Takamura［1985］）．

このような簡易モデルは，メカニスティックなモデルではないが，例えば日本の水田全体でどれだけの NO3‒N
除去量があるのかを概算するとき等に，非常に有用なツールとなる．これよりもさらに簡易な概算方法としては，Fig. 3 に示した傾き 0. 01 の水田の NO3‒N 除去速度
ラインを利用する方法もある（田渕ら , 1993）．即ち，水田への供給水中 NO3‒N 濃度が 10 mg L−1 のとき，脱窒や植生吸収により 0. 1 g N m−2 d−1（= 1 kg N ha−1 d−1）の NO3‒N が田面水中から除去される．ただし，1 桁以上のバラつき（Fig. 3）があることには十分に注意する必要がある．

シンポジウム特集 総説：水田および浅層地下水中の脱窒による環境浄化33

以上のように，水田における脱窒については，少なくる． ま た， 浅 層 地 下 水 面 上 の 不 飽 和 帯 に つ い て，

とも NO3‒N 除去速度については，現場での定量的な実Kamewada（2007）は，化学肥料及び異なる種類の堆肥測データが比較的多く蓄積され，様々な圃場条件にも対を 20 年間連用した黒ボク土畑において深さ 5 m までの応可能な簡易モデル化が進められている．ただし，長期的に見た場合，この NO3‒N 除去量をほぼ脱窒量とみな脱窒活性鉛直分布を測定し，深さ 1 m 以下の脱窒活性は，施肥の影響をほとんど受けておらず，どの施肥区でも表して良いかどうか，即ち，水田土壌において N 蓄積が層に比べて非常に低いことを示した．一方，Hashimoto

重要でないと考えて良いかどうかについては，別途，他

and Niimi（2001）は，スラリーを 13 〜 14 年間連用しの手法で検証することも必要だろう．今後，土壌型の違た黒ボク土畑下層の不飽和帯では，深さ 1 . 2 m において

い，中干しや間断灌漑等の水管理の影響，田畑輪換など

も脱窒活性が非常に高まっていることを示した．脱窒活

土地利用履歴の影響等を考慮した上で，現場での定量的性への施肥の影響がどの深さまで到達するかについてな実測データのさらなる蓄積と簡易モデルの構築が望まは，施肥の量・質及び時間に大きく依存すると考えられれる．

る．地質条件が，常に浅層地下水中の嫌気的環境の形成

3. 浅層地下水中の脱窒
3. 1 地質条件の重要性
脱窒から見た浅層地下水帯の大きな特徴は，堆積物かや脱窒活性に影響する最大の要因であるかどうかについては，さらに検討する必要がある．
3. 2 浅層地下水中の脱窒の定量化と簡易モデル化

らの易分解性 OC 供給の違いが強く影響し，帯水層中に浅層地下水中における脱窒もまた，水田と同様，系内の NO3‒N 収支から算出される N 除去速度として定量さおける嫌気的環境の形成が，地表面の土地利用等の影響れる．しかし，現場での定量データは国内ではほとんどを受けにくいという点である．糟谷ら（1994）は，愛知

見当たらない．海外での報告は多いが，非反応性のトレー

県内 465 地点の農業用地下水を対象とした水質調査結果

サー（Cl−，Br−等）と NO3−の濃度比を利用する場合がに 基 づ き， 主 に 洪 積 台 地 等 に 分 布 す る 酸 化 的（>250

ほ と ん ど で あ る（Trudell et al., 1986 ; Nelson et al.,mV）な浅層地下水中の NO3− 濃度は地上の土地利用に1995 ; Hedin et al., 1998; Mengis et al., 1999）．また多く

よる N 負荷の大小の影響を反映して増減するが，主にの場合，不飽和帯から浅層地下水帯への浸透水及びNO3‒N 流入や，浅層地下水帯から鉛直下方への地下水

沖積低地に分布する還元的（<250 mV）な浅層地下水では，土地利用に関わらず NO3−濃度が低いことを示した．

及び NO3‒N 流出は，計算で考慮されない．トレーサー
法は，簡便であり，ある一時点における NO3‒N 除去速糟谷ら（2007）によれば，沖積低地に分布する茶園下の浅層地下水中 NO3‒N 濃度は，深さ 2 m 付近では 30 〜度を推定するには適した手法と考えられる．しかし，一40 mg L−1 であったが，降下浸透過程での脱窒により深度トレーサー法を適用した帯水層では，地下水滞留時間

さ 3 m 付近では常にほぼゼロであった．柴山ら（2006）は，洪積台地上の茶園と沖積低地の水田群から成る地形水文

が非常に小さい場合を除いて，連続してトレーサー法を適用することが出来ない．したがって，NO3‒N 除去速

系列の浅層地下水帯において，台地から低地へ向かって

度の変化を時系列的に追うことは出来ないという欠点が分布する洪積層から成る砂礫質帯水層は酸化的であり，ある．また，黒ボク土のように陰イオン吸着能の高い土水田下であっても脱窒はほとんど生じないこと，脱窒は壌の帯水層では，トレーサーである Cl− または Br− と主に沖積低地の水田下に分布する還元的な沖積層とそのNO3−との間で競合吸着（Katou, 2004）が生じ，NO3−輸下の洪積層の境界付近で局所的に生じることを示した．

送過程が人為的に攪乱される可能性が高い．

恒川ら（2006）及び Eguchi et al.（2009a）は，同じ集

これらの問題を解決するには，トレーサーに頼ること

水域内の台地上の茶園に隣接した水畔域水田下の深さ 2なく，浅層地下水中の物質収支を求める必要がある．まm 付近の還元的沖積層／酸化的洪積層境界付近においず，帯水層の土層構成や水理学的性質を把握した上で，て，脱窒のホットスポットが形成されていることを示し調査対象領域（圃場スケール程度）内の地下水位・水質

た．一般に，沖積層は洪積層よりも OC 含量が高く，堆の面的分布等をモニタリングする（江口 , 2006b）．そして，不飽和帯から浅層地下水帯への浸透水及び NO3‒N

積年代が新しいことから，易分解性 OC をより多く含むと考えられる．このことが，沖積層での速やかな O2 消−3費を促し，NO を電子受容体とする嫌気的呼吸すなわ
ち式（1）の脱窒反応の発現に寄与していると考えられる．

流入，浅層地下水帯よりも鉛直下方への地下水及びNO3‒N 流出，そして水平方向の地下水及び NO3‒N 流入・

地質条件以外にも，地上植生や土地利用・管理の違いが，流出を Darcy 式等を利用して定量化し，物質収支によって帯水層中の NO3‒N 除去速度を算出する．土層構成で浅層地下水中の脱窒に影響するとの報告もあるがは，特に，浅層地下水帯の下端境界面を形成する難透水（Haycock and Pinay, 1993 ; Bedard‒Haughn et al.,層の面的分布（Eguchi et al., 2009b）を把握することが2005）， こ れ ら の 影 響 は 小 さ い と す る 報 告 が 多 い重要となる．しかし，このような時間と労力が多大にか（Haycock and Burt, 1993 ; Devito et al., 2000 ; Clément

かる方法で，三次元的な不飽和・飽和水移動及び溶質輸

et al., 2002）．浄化槽排水（Aravena et al., 1993）や豚送を現場で定量または推定した例は，国内外を問わず，

糞（Wassenaar, 1995）の影響を強く受けた浅層地下水

ほとんど見当たらない．一方，Eguchi et al.（2009a）は，

帯でも，ほとんど脱窒が生じていなかったとの報告もあ

水畔域水田下の深さ 2 m 付近（脱窒のホットスポット）

土壌の物理性 第 120 号（2012）

34の地下水を，鉛直上方から流入する不圧地下水と鉛直下に定量することは非常に困難であり，この状況は，半世方から流入する被圧地下水の混合物とみなし，その混合紀以上も前から基本的に全く変わっていない（Allison,18

割合を水の水素（δD）及び酸素安定同位体比（δ O）を用いて推定した．さらに，物質収支に基づき，NO3‒N
−2 −1

−1

−1

1955 ; Knowles, 1982 ; Davidson and Seitzinger, 2006）．
Davidson and Seitzinger（2006）は，「脱窒研究の進展

除 去 速 度 を 33 mg N m d （120 kg N ha yr ）と 算 出の謎」と題した論文の最後のまとめの中で，「土壌・地した．なお，この深さで脱窒が生じていることは，NO3−

下水を通じた水の流れは，集水域内の脱窒を理解する鍵

15の窒素（δ N）安定同位体比が上昇していること，重炭である．台地土壌から河川へと至る連続体上のあちこち

酸イオン（HCO3−）濃度が上昇していること，この深さで，脱窒を測定するための集約的研究を行うべきである．

から採取した新鮮土壌の脱窒活性が非常に高いこと等に

ただし，水文学的性質が既に良く分かっている場所かつより，別途確認している．

／または単純な場所で．（一部，省略及び意訳）」と述べ

この深さ 2 m 付近へ，被圧及び不圧地下水から供給さている．これは，土壌・地下水系内の水移動研究を最もれる NO3− 濃度を計算すると，約 16 mg N L−1 であった．
したがって，水田の NO3‒N 除去速度のライン（Fig. 3）

専門とする土壌物理学分野が，地球規模での生物地球化と比較すると，水畔域水田下の浅層地下水中に形成されとを示していると思う．環境中で生じる様々な微視的〜−2た脱窒のホットスポットの脱窒速度（0.033 g N m−1

学分野の問題を解くための鍵として必要とされているこd ）巨視的現象を，現場条件下でできるだけ正確に定量的には，水田におよそ匹敵するかやや小さい値といえるかも

測定し（測定する手法を開発し），さらにそれを定量的しれない．一般に水畔域の浅層地下水帯は，流域内ではに予測できる簡易な，あるいはより詳細でメカニス

最も脱窒活性の高い地下水帯であり，流域内の他の浅層地下水帯の脱窒速度は，Fig. 3 の水田の NO3‒N 除去速

ティックなモデルを構築していくという作業は，土壌物

度ラインよりもずっと下方に位置すると考えられる．し現 場 条 件 下 で の 脱 窒 の 定 量 化（Rolston et al., 1978 ;たがって，浅層地下水中の脱窒は，恐らく，水田のようEguchi et al., 2009a）やモデル化（Molz et al., 1986 ; Maに NO3−濃度だけではほとんど説明できないだろう．たet al., 1999 ; 中村・取出 , 2007）について，これまでにだし，これについては，今後，実測値の蓄積によって明

多くの役割を果たしてきている．しかし，それでもなお，らかにしていく必要がある．

現場条件下で N 除去速度ではなく脱窒速度のみを定量理学分野の研究者が最も得意とする仕事である．実際，物質収支法は，原理的には，NO3‒N 除去速度の経時・的に測定できる手法はいまだに開発されておらず，モデ

経日変化を追うことが可能な手法だが，現状では，それだけの高精度で水及び NO3‒N 存在量の変化を定量する

ル化では，広域評価の部分，すなわち流域あるいは地球ことは困難である．一方，少なくとも水の存在量変化がなモデルがない．地球規模での N 循環過程を解明する

相対的に小さくなる年単位など，ある程度長期間での水収支・NO3‒N 収支を算出し，長期的な年次変動を追跡

上で，土壌物理学は，これまでよりもさらに重要な役割

規模での脱窒速度を比較的簡便に概算・予測できるようを果たす必要がある．

することは可能と思われる．モデル化を進める前に，まずは様々な浅層地下水帯における NO3‒N 除去速度の実

引用文献

測データの蓄積が必要である．現場の浅層地下水中における NO3‒N 除去速度の定量化（物質収支法）には，三Allison, F.E.（ 1955）: The enigma of soil nitrogen balance

次元的な不飽和・飽和水移動及び溶質輸送を現場で定量

Aravena, R., Evans, M.L. and Cherry, J.A.（1993）: Stable iso-または推定するための土壌物理学的なアプローチが必要

topes of oxygen and nitrogen in source identiﬁcation of

不可欠である．

nitrate from septic systems. Ground Water, 31（2）: 180 ‒4. おわりに
水田および浅層地下水中の脱窒による環境浄化を評価する上で，特に土壌物理学的アプローチが必要となるの

sheets. Advances in Agronomy, 7 : 213 ‒ 250.

186.
Beauchamp, E.G., Trevors, J.T. and Paul, J.W.（1989）: Carbon
sources for bacterial denitriﬁcation. Advances in Soil Science, 10 : 113 ‒ 142.

は，これらの系内における現場脱窒速度の定量化とモデ

Bedard-Haughn, A., Tate, K.W. and van Kessel, C.（2005）:

ル化に関する部分である．水田では，少なくとも N 除

Quantifying the impact of regular cutting on vegetative

去速度（脱窒以外に，N 同化・吸収等も含む）について

buﬀer eﬃcacy for nitrogen-15 sequestration. Journal ofは，定量的データが蓄積されており，簡易モデル予測値

Environmental Quality, 34（5）: 1651 ‒ 1664.

と現場実測値の比較・検討が行われている．一方，浅層

Böhlke, J.K. and Denver, J.M.（ 1995）: Combined use of

地下水中の脱窒は，N 除去速度について見ても特に国内

groundwater dating, chemical, and isotopic analyses to

では現場条件下での実測値がほとんどなく，まだ簡易モ

resolve the history and fate of nitrate contamination in

デル化を検討できるレベルにない．まずは様々な土壌・

two agricultural watersheds, Atlantic coastal plain,

地下水系を対象として，N 除去速度の現場実測データの蓄積が必要である．
現場条件下における土壌・地下水系での脱窒を実験的

Maryland. Water Resources Research, 31（9）: 2319 ‒ 2339.
Burgin, A.J. and Hamilton, S.K.（2007）: Have we overemphasized the role of denitriﬁcation in aquatic ecosystems? Aシンポジウム特集 総説：水田および浅層地下水中の脱窒による環境浄化
review of nitrate removal pathways. Frontiers in Ecology and the Environment, 5（2）: 89 ‒ 96.

35

Gilliam, J.W.（1994）: Riparian wetlands and water quality.
Journal of Environmental Quality, 23（5）: 896 ‒ 900.

Clément, J.-C., Pinay, G. and Marmonier, P.（2002）: SeasonalGold, A.J., Groffman, P.M., Addy, K., Kellogg, D.Q., Stolt, M.

dynamics of denitriﬁcation along topohydrosequences inand Rosenblatt, A.E.（ 2001）: Landscape attributes as

three diﬀerent riparian wetlands. Journal of Environmen-

controls on ground water nitrate removal capacity of ri-

tal Quality, 31（3）: 1025 ‒ 1037.

parian zones. Journal of the American Water ResourcesDavid, M.B., Del Grosso, S.J., Hu, X., Marshall, E.P., McIsaac,

Association, 37（6）: 1457 ‒ 1464.

G.F., Parton, W.J., Tonitto, C., Youssef, M.A.
（2009）: Modeling

Hashimoto, T. and Niimi, H.（2001）: Seasonal and verticaldenitriﬁcation in a tile-drained, corn and soybean agro-changes in denitriﬁcation activity and denitrifying bacte-ecosystem of Illinois, USA. Biogeochemistry, 93（1 ‒ 2）:7 ‒rial populations in surface and subsurface upland soils

30.

with slurry application. Soil Science and Plant Nutrition,Davidson, E.A. and Seitzinger, S.（2006）: The enigma of progress in denitriﬁcation research. Ecological Applications,16（6）: 2057 ‒ 2063.
Devito, K.J., Fitzgerald, D., Hill, A.R. and Aravena, R.（2000）:
Nitrate dynamics in relation to lithology and hydrologic
flow path in a river riparian zone. Journal of Environmental Quality, 29（4）: 1075 ‒ 1084.
江口定夫（2006a）: 黒ボク土畑圃場における水移動と硝酸塩の溶脱 . 土壌の物理性 , 102 : 19 ‒ 30.

47（3）: 503 ‒ 510.
Haycock, N.E. and Burt, T.P.（1993）: Role of ﬂoodplain sediments in reducing the nitrate concentration of subsurface run-oﬀ : a case study in the Cotswolds, UK. Hydrological Processes, 7（3）: 287 ‒ 295.
Haycock, N.E. and Pinay, G.（1993）: Groundwater nitrate dynamics in grass and poplar vegetated riparian buffer
strips during the winter. Journal of Environmental Quality, 22（2）: 273 ‒ 278.

江口定夫（2006b）: 浅層地下水流量調査法 . 水環境保全のため

Hedin, L.O., von Fischer, J.C., Ostrom, N.E., Kennedy, B.P.,の農業環境モニタリングマニュアル改訂版 斉藤雅典ら編 ,Brown, M.G. and Robertson, G.P.（1998）: Thermodynamic

pp. 107 ‒ 112. 農業環境技術研究所 , つくば .

constraints on nitrogen transformations and other bio-

江口定夫（2008）: モデルによる土壌，農耕地，流域における窒素動態の理解 . 3. 地形連鎖系スケールの窒素動態̶調査技法とモデル化手法̶. 日本土壌肥料学雑誌 , 79
（2）
: 213 ‒ 227.
Eguchi, S., Nakajima, S., Yabusaki, S., Kasuya, M., Shibayama,geochemical processes at soil-stream interfaces. Ecology,
79（2）: 684 ‒ 703.
Hill, A.R.（1996）: Nitrate removal in stream riparian zones.
Journal of Environmental Quality, 25（4）: 743 ‒ 755.

H., Tsunekawa, A. and Imai, K.（2009a）: Denitriﬁcation

Hirono, Y., Watanabe, I. and Nonaka K.（2009）: Trends in wa-

during vertical upwelling at an alluvium-diluvium inter-ter quality around an intensive tea-growing area in Shi-

face below the upland perimeter of a riparian paddy.

zuoka, Japan. Soil Science and Plant Nutrition, 55（6）:Journal of Environmental Quality, 38（6）: 2198 ‒ 2209.

783 ‒ 792.

Eguchi, S., Sawamoto, M. and Shiba, M.（2009b）: Field scale

Hiscock, K.M., Lloyd, J.W. and Lerner, D.N.（1991）:Review ofdetermination of the aquifer-aquitard boundary in Joso

natural and artiﬁcial denitriﬁcation of groundwater. Wa-

Clay by cone penetrometry. Soil Science and Plant Nutrition, 55（3）: 337 ‒ 348.

ter Research, 25（9）: 1099 ‒ 1111.
Howarth, R.W., Billen, G., Swaney, D., Townsend, A., Jaworski,

Fennessy, M.S. and Cronk, J.K.（1997）: The eﬀectiveness andN., Lajtha, K., Downing, J.A., Elmgren, R., Caraco, N., Jor-

restoration potential of riparian ecotones for the manage-dan, T., Berendse, F., Freney, J., Kudeyarov, V., Murdoch,ment of nonpoint source pollution, particularly nitrate.

P. and Zhao-Liang, Z.（1996）: Regional nitrogen budgets

Critical Reviews in Environmental Science and Technol-

and riverine N & P ﬂuxes for the drainages to the Northogy, 27（4）: 285 ‒ 317.

Atlantic Ocean: Natural and human inﬂuences. Biogeo-

Fujimaki, Y., Mowjood, M.I.M. and Kasubuchi, T.（ 2000）:
Measurement of convective velocity of ponded water ina paddy ﬁeld. Soil Science, 165（5）: 404 ‒ 411.
Galloway, J.N., Aber, J.D., Erisman, J.W., Seitzinger, S.P., Howarth, R.W., Cowling, E.B. and Cosby, B.J.（2003）: The nitrogen cascade. BioScience, 53（4）: 341 ‒ 356.

chemistry, 35（1）: 75 ‒ 139.
今井克彦 , 野々山利博 , 恒川歩 , 柴山浩子（2006）: 水稲の不耕起 V 溝直播栽培は移植栽培より脱窒活性が長く持続する .
関東東海北陸農業研究成果情報 , pp. 520 ‒ 521.
Itahashi, S., Komada, M. and Takeuchi, M.（2006）: Methods
for estimating the nitrogen load on a catchment scale.

Galloway, J.N., Dentener, F.J., Capone, D.G., Boyer, E.W., How-

Japan Agricultural Research Quarterly, 40（2）: 131 ‒ 142.

arth, R.W., Seitzinger, S.P., Asner, G.P., Cleveland, C.C.,

Itahashi, S., Seo, M.C. and Takeuchi, M.（2007）: Estimation

Green, P.A., Holland, E.A., Karl, D.M., Michaels, A.F., Por-and comparison of nitrogen loads and attenuation in ag-

ter, J.H., Townsend, A.R. and Vörösmarty, C.J.（2004）:

ricultural catchments of Japan and Korea. Water Science

Nitrogen cycles: past, present, and future. Biogeochemis-

and Technology, 56（1）: 105 ‒ 113.

try, 70（2）: 153 ‒ 226.

板橋直 , 竹内誠（2005）: 窒素負荷算定モデルを用いた地目連鎖

土壌の物理性 第 120 号（2012）36

系評価 . 続・環境負荷を予測する 波多野隆介・犬伏和之編 ,pp. 80 ‒ 94. 博友社 , 東京 .

NO3 elimination in a riparian zone. Ground Water, 37（3）:448‒457.

Kamewada, K.（2007）: Vertical distribution of denitriﬁcation

Molz, F.J., Widdowson, M.A. and Beneﬁeld, L.D.（1986）: Sim-activity in an Andisol upland field and its relationshipulation of microbial growth dynamics coupled to nutrientwith dissolved organic carbon: Eﬀect of long-term organ-and oxygen transport in porous media. Water Resources

ic matter application. Soil Science and Plant Nutrition, 53（4）: 401 ‒ 412.
粕渕辰昭（2010）: 土と地球 土は地球の生命維持装置 . p. 172.
学会出版センター , 東京 .

Research, 22（8）: 1207‒1216.
Mowjood, M.I.M. and Kasubuchi, T.（1998）: Dynamics of dissolved oxygen（DO）in ponded water of a paddy ﬁeld.
Soil Science and Plant Nutrition, 44（3）: 405‒413.

糟谷真宏 , 小竹美恵子 , 寺井久慈 , 松尾敬子 , 豊田一郎（1994）:

Mowjood, M.I.M. and Kasubuchi, T.（2002）: Eﬀect of convec-

愛知県の農耕地および農村集落における地下水の硝酸イ

tion on the exchange coeﬃcient of oxygen and estima-

オン濃度とその支配因子 . 水環境学会誌 , 17（9）: 578 ‒ 586.

tion of net production rate of oxygen in ponded water of

糟谷真宏 , 恒川歩 , 前田美恵子（2007）: 矢作川下流域沖積地帯

a paddy ﬁeld. Soil Science and Plant Nutrition, 48（5）:の茶園地下水中における脱窒による硝酸イオンの消失 . 愛
知県農業総合試験場研究報告 , 39 : 89 ‒ 94.
Katou, H.（2004）: Determining competitive nitrate and chloride adsorption in an Andisol by the unsaturated transient ﬂow method. Soil Science and Plant Nutrition, 50（1）: 119 ‒ 127.
Knowles, R.（1982）: Denitriﬁcation. Microbiological Reviews,
46（1）: 43‒70.
Kool, D.M., Dolﬁng, J., Wrage, N., Van Groenigen, J.W.（2011）:

673‒678.
Naiman, R.J. and Décamps, H.（1997）: The ecology of interfaces: riparian zones. Annual Review of Ecology and Systematics, 28: 621‒658.
中村公人 , 取出伸夫（2007）: 形態変化を 1 次反応式により考慮
した土中の窒素移動モデル . 土壌の物理性 , 105: 83‒97.
中山幸則 , 北野順一 , 牛木純一（2002）: 米ぬかの水田雑草に対する除草効果 . 第 41 回日本雑草学会講演要旨集 , p. 118‒
119.

Nitrifier denitrification as a distinct and significant

Nelson, W.M., Gold, A.J. and Groﬀman, P.M.（1995）: Spatial

source of nitrous oxide from soil. Soil Biology and Bio-and temporal variation in groundwater nitrate removal

chemistry, 43（1）: 174‒178.

in a riparian forest. Journal of Environmental Quality, 24

Korom, S.F.（1992）: Natural denitriﬁcation in the saturated
zone: a review. Water Resources Research, 28（6）:1657‒1668.
黒田久雄（2001）: 水田土壌の窒素除去持続性について . 応用水文 , 14: 92‒101.
Liesack, W., Schnell, S. and Revsbech, N.P.（2000）: Microbiology of flooded rice paddies. FEMS Microbiology Reviews, 24（5）: 625‒645.
Ma, L., Lindau, C.W., Hongprayoon, C., Burhan, W., Jang, B.C.,（4）: 691‒699.
Pinay, G., Ruﬃnoni, C., Wondzell, S. and Gazelle, F.（1998）:
Change in groundwater nitrate concentration in a large
river ﬂoodplain: denitriﬁcation, uptake, or mixing? Journal of the North American Benthological Society, 17（2）:179‒189.
Ratering, S. and Schnell, S.（2000）: Localization of iron-reducing activity in paddy soil by proﬁle studies. Biogeochemistry, 48（3）: 341‒365.

Patrick, W.H. and Selim, H.M.（1999）: Modeling urea,

Robertson, L.A. and Kuenen, J.G.（1984）: Aerobic denitriﬁca-

ammonium, and nitrate transport and transformations intion: a controversy revived. Archives of Microbiology,

ﬂooded soil columns. Soil Science, 164（2）: 123‒132.

139（4）: 351‒354.

Martin, T.L., Kaushik, N.K., Trevors, J.T. and Whiteley, H.R.

Rolston, D.E., Hoﬀman, D.L. and Toy, D.W.（1978）: Field mea-

（1999）: Review: denitriﬁcation in temperate climate ri-

surement of denitrification. I. Flux of N2 and N2O. Soilparian zones. Water, Air, and Soil Pollution, 111（1‒4）:
171‒186.

Science Society of America Journal, 42（6）: 863‒869.
Sameshima-Saito, R., Chiba, K. and Minamisawa, K.（2006）:

松森堅治 , 板橋直（2009）: 霞ヶ浦流域の主要河川の窒素濃度変Correlation of denitrifying capability with the existence

化とその要因解明 . 農村工学研究所技報 , 210: 61‒73.

of nap, nir, nor and nos genes in diverse strains of soy-

McClain, M.E., Boyer, E.W., Dent, C.L., Gergel, S.E., Grimm,

bean bradyrhizobia. Microbes and Environment, 21（3）:N.B., Groﬀman, P.M., Hart, S.C., Harvey, J.W., Johnston,174‒184.

C.A., Mayorga, E., McDowell, W.H. and Pinay, G.（2003）:

Schubert, C.J., Durisch-Kaiser, E., Wehril, B., Thamdrup, B.,

Biogeochemical hot spots and hot moments at the inter-

Lam, P. and Kuypers, M.M.M.（2006）: Anaerobic ammo-

face of terrestrial and aquatic ecosystems. Ecosystems, 6nium oxidation in a tropical freshwater system（Lake（4）: 301‒312.

Tanganyika）. Environmental Microbiology, 8（10）:Mengis, M., Schiﬀ, S.L., Harris, M., English, M.C., Aravena, R.,

1857‒1863.

Elgood, R.J. and MacLean, A.（1999）: Multiple geochem-

Seitzinger, S., Harrison, J.A., Böhlke, J.K., Bouwman, A.F.,

ical and isotopic approaches for assessing groundwater

Lowrance, R., Peterson, B. and Tobias, C.（2006）: Deni-シンポジウム特集 総説：水田および浅層地下水中の脱窒による環境浄化
triﬁcation across landscapes and waterscapes: a synthesis. Ecological Applications, 16（6）: 2064‒2090.

37

業環境技術研究所 , つくば .
高橋智紀 , 新良力也 , 宮地直道 , 戸田任重 , 村中康秀 , 廣野祐平 ,柴山浩子 , 恒川歩 , 今井克彦 , 糟谷真宏 , 江口定夫（2006）: 茶渥美和彦 , 福島務 , 杉浦秀治（2009）: 施肥削減が進行する

園−水田地形連鎖系における土層構造と浅層地下水の窒

牧之原台地を集水域とした小河川，湧水および井水の硝素の動態 . 日本土壌肥料学会中部支部第 86 回例会講演要

酸性窒素濃度の推移 . 静岡県農林技術研究所研究報告 2:

旨集 , pp. 53‒54.

17‒26.

Tabuchi, T.（2002）: Nitrate removal in the flooded paddy

Takeuchi, M., Itahashi, S. and Saito, M.（2005）: A water qual-ﬁeld. pp. 81‒90. In The Organizing Committee for Inter-ity analysis system to evaluate the impact of agricultural

national Workshop of Riparian Buﬀer Zones（ed.）Pro-

activities on N outﬂow in river basins in Japan. Science

ceedings of the International Workshop on Eﬃciency of

in China Series C, 48（Suppl. I）: 100‒109.

Puriﬁcation Process in Riparian Buﬀer Zones: Their De-

Tiedje, J.M.（1981）: Use of nitrogen-13 and nitrogen-15 insign and Plannning in Agricultural Watersheds, 5‒9 No-

studies on the dissimilatory fate of nitrate. pp. 481‒497.

vember 2001, Kushiro. National Agricultural Research

In J.M. Lyons et al.（ed.）Genetic engineering of symbiot-

Center for Hokkaido Region, Sapporo.

ic nitrogen ﬁxation and conservation of ﬁxed nitrogen.

田渕俊雄（2006）: 水田窒素除去機能の定量化への試み . 農業土木学会誌 , 74（8）: 703‒706.

Plenum Press, New York.
Trudell, M.R., Gillham, R.W. and Cherry, J.A.（1986）: An in

田渕俊雄 , 黒田久雄 , 池野辺明子 , 平野真弓（2005）: 流量が湛situ study of the occurrence and rate of denitriﬁcation in

水流下過程の硝酸性窒素除去機能に及ぼす影響 . 土壌の物

a shallow unconﬁned sand aquifer. Journal of Hydrology,

理性 , 99: 73‒83.

83（3‒4）: 251‒268.

田渕俊雄 , 黒田久雄 , 志村もと子（2001）: 休耕田を活用した長期窒素除去試験 . 土壌の物理性 , 87: 27‒36.
田渕俊雄 , 志村もと子 , 尾野充彦（1996）: 休耕田における窒素除去試験の結果と実用性の検討 . 農業土木学会誌 , 64（4）:345‒350.
田渕俊雄 , 篠田鎮嗣 , 黒田久雄（1993）: 休耕田を活用した窒素除去の試み . 農業土木学会誌 61（12）: 1123‒1128.
田淵俊雄 , 高村義親（1985）: 集水域からの窒素・リンの流出 .
東京大学出版会 , 東京 .
田淵俊雄 , 高村義親 , 鈴木誠治（1983）: 非稲作期の谷津田における畑地流出水中の NO3‒N の除去について . 農業土木学
会論文集 , 104: 9‒15.
Takahashi, T., Inagaki, H., Fukushima, T., Oishi, T. and Matsuno, K.（2010）: Increasing nitrate removal at low tem-

恒川歩 , 今井克彦 , 柴山浩子 , 糟谷真宏 , 江口定夫（2006）: 矢
作川流域の水田下層土における脱窒 . 日本土壌肥料学雑誌 , 77（2）: 207‒211.
Usui, Y. and Kasubuchi, T.（2011）： Eﬀects of herbicide application on carbon dioxide, dissolved oxygen, pH, and RpH
in paddy-ﬁeld ponded water. Soil Science and Plant Nutrition, 57（1）: 1‒6.
Vidon, P.G.F. and Hill, A.R.（2004）: Landscape controls on nitrate removal in stream riparian zones. Water Resources
Research, 40, W03201, doi:10.1029/2003WR002473.
Wassenaar, L.I.（1995）: Evaluation of the origin and fate ofnitrate in the Abbotsford Aquifer using the isotopes of15

N and 18O in NO3. Applied Geochemistry, 10（4）: 391‒

405.

peratures by incorporating organic matter into paddy

Wrage, N., Velthof, G.L., Beusichem, M.L. and Oenema, O.

ﬁelds. Soil Science and Plant Nutrition, 56（1）: 163‒167.

（2001）: Role of nitriﬁer denitriﬁcation in the production

高橋智紀 , 新良力也 , 前田守弘 , 杉浦秀治 , 渥美和彦 , 宮地直道

of nitrous oxide. Soil Biology and Biochemistry, 33（12）:（2006）: 冬期掛け流し灌漑を行う場合の水田の硝酸性窒素除去能力の推定式 . 農業環境研究成果情報 22: 64‒65. 農

1723‒1732．

土壌の物理性 第 120 号（2012）

38

要

旨

土壌・地下水系内の脱窒は，地球規模の窒素（N）循環において最も大きなブラックボックスを形成す
ると共に不確実性が非常に大きく，様々な環境中における現場実測値の蓄積とこれを定量的に推定する
ための簡易モデルの開発が強く求められている．環境中では，脱窒の定量は困難であり，代わりに N
除去量が測定される．水田の N 除去速度は，これまで多くの実測値が蓄積され，実践的・汎用的な簡易モデルが開発されつつある．一方，浅層地下水では，現場の三次元的な不飽和・飽和水移動及び溶質輸送を定量あるいは推定した上で N 除去を定量した例はほとんど無い．今後，水田ではさらに様々な条件下での実測値の蓄積とその簡易モデル化が必要であり，浅層地下水ではまず現場実測値の蓄積が必要である．これらの場面で，水移動・溶質輸送の測定・解析を専門とする土壌物理学が果たすべき役割は大きい．
キーワード：易分解性有機態炭素，嫌気的条件，硝酸イオン，脱窒菌，土壌物理学

資料

第 53 回土壌物理学会シンポジウム総合討論
柏木淳一・岩田幸良・中辻敏朗（シンポジウム事務局）
Discussion at the 53 rd symposium on soil physics as a ﬁeld
science and its role to our society

本稿では，5 名の講師による講演の後に行われた総合討書なので，現場での観測データが重要ということ．広域で論（座長：志賀弘行氏，成岡市氏）の模様を，今後の研究の現象をモデル化するために，物質の動きに関係する測定活動の資料として掲載する．なお，討論の概略の記録を目

値を蓄積し，データベースを構築していくことが必要だと的としたため，著者らの判断により，発言内容の一部を省考えている．

略，または要約させていただいたことをご了解願いたい．

井上（鳥取大）：泥炭の話があったように，土壌には色々な種類があり性

座長（成岡）：

質が異なる．土壌別にこういう管理をやっていくと将来は総合討論として 1 時間を設けているので，まず私の方か

地球環境にこういうリアクションを起こしますよ，というら全体のおさらいをする．次に志賀座長よりフロアの皆様

ような予測ができれば，土壌物理学の社会への貢献が非常からの質問を紹介する．引き続きフロアの方から意見をいに高まるのではないかと思う．

ただきながら総合討論を進めていく．まず長谷川さんから

古賀（北農研）：は，土壌物理学研究の流れを，特に戦後の研究に焦点をあ長谷川先生の話の最後で，若い人には是非フィールドにて，時代背景を反映した研究テーマが行われてきたことを出て研究して欲しいという話があった．しかし，ただフィー解説していただいた．そして，最後に若い世代の土壌物理

ルドに出なさいと言うだけではなく，フィールド調査の結学研究者への期待を述べておられた．次に，食料生産への果がデータベースに反映され，それが社会に役立つのだ，

土壌物理学の貢献ということで，北川さんからは，北海道ということを伝えることが大切だと思う．

の畑地の排水改良技術のあり方や具体的な施工事例，さら長谷川：に施工費に及ぶ話があった．また，井上さんからは，北海
道の泥炭地の歴史や現状，さらには東南アジア，ヨーロッ

その通りだと思う．
座長（志賀）：

パの例も含めて，開発に伴う自然環境へのリスクと環境保

北川さんへ安西さんから質問が来ている．紹介のあった全の話があった．後半のお二方には，環境保全に対する土

様々な排水改良工法は，適用可能な土壌が工法ごとに違う

壌物理学の貢献について紹介いただき，中辻さんには北海と思う．実際の施工ではこれをどのように判断しているの

道の地下水の硝酸汚染問題の現状と窒素環境容量の考え方

か．

を，また江口さんからは，浅層地下水中の脱窒のメカニズ

北川（農工研）：ムや流域スケールにおける窒素の動態について話していた

今回は施工方法に関して実例を交えて紹介した．実際のだいた．

適用については，現場の条件によって異なるので，相談が座長（志賀）：

あれば個別に対応していきたい．農家の人がどのような施会場からは 6 件の質問を受けている．長谷川先生には乾工をしたらいいかを判断するときに役立つ情報を，私たち

燥地研究センターの井上さんから．シンポジウムのテーマの研究機関のホームページで宣伝していきたい．

である土壌物理学の社会への貢献について，もう少し具体

安西：（JA 全農）

的な考えを聞かせていただきたい．
長谷川（北大）：現場では，硬い土層の形成で排水性が不良となり，土壌病害絡みの問題が発生している．場面ごとに排水改良の方講演の中で私は 3 つのことをお話させていただいた．1

法は違うと思うが，畑の規模によらず排水性は農業にとっつ目は，現在使われている土地改良事業等の設計基準を ,て大きな問題なので，このような質問をさせていただいた．

我々の知識を活用した物理的な解釈により再検討しましょ座長（志賀）：

うということ．2 つ目は土壌物理の教育をしっかりやろう

古賀さんから質問．暗渠資材について，紹介いただいたということ．3 つ目は，この研究分野はフィールドが教科もの以外に使えるような資材はないか．例えば炭はどうか．
北川：2012 年 2 月 24 日受稿 2012 年 2 月 24 日受理
土壌の物理性 120 号，39 ‒ 43（2012）

プラスチックのような素材だと分解しないので，暗渠の機能が衰えたときに撤去回収するのが大変．そういうこと

40

土壌の物理性 第 120 号（2012）
では工学的な手法を持っている方は少ないと感じるが，そういう人の力を借りながら一緒に考えていかなければならない問題だと思う．
座長（志賀）：
中辻さんに質問．窒素環境容量においては堆肥などの有機物中の窒素はどの様に扱っているのか．
中辻（道総研）：窒素環境容量の概念で対象としている窒素は作物に吸収されうる窒素，あるいは容易に溶脱しうる窒素，つまり無機態を対象としている．したがって有機物の窒素も，窒素含有率に肥効率を掛け，化学肥料相当の窒素量として扱う．

Photo. 1 総合討論の様子

講演で示した例では，北海道施肥ガイドに示された有機物
施用に伴う減肥可能量の数値を使っている．質問票にある
ように，堆肥の連用で肥効率が高まっている場合は，そのも考えて施工しなくてはならない．炭も長持ちする素材だ

場面に応じた数値を使えば良い．

が，公共事業の場合は 10 a 当たりの投資限界額があるので，猪迫（鳥取大）：それを考慮して資材を選択する必要がある．
三木（酪農大）：北川さんは，農家が排水対策にあまり積極的でなくなってきたと言っていたが，十勝ではテンサイ作付時に必ず心土破砕を行っている．むしろ，畑が乾かないうちに大型機械で作業を行うなど，土壌の状態を把握しないで施工することが問題ではないか．
北川：
営農による排水対策の実態は，十勝と空知のように地域

窒素環境容量の構成要素である硝酸性窒素残存許容量は，濃度として考えているので，降下浸透水量が多いと大きくなるという理解で良いか．
中辻：
その通り．浸透水量に比例する．
座長（志賀）：
江口さんに質問が二つ．まず一つ目は，洪積層と沖積層の境界にある炭素の形態について．
江口（農環研）：によりだいぶ違うと思う．大規模農家が多い十勝では積極

炭素の形態については調べておらず，今後の調査が必要

的に排水対策を行っているのに比べ，転換畑の多い空知でだ．単に全炭素含量だけでは不十分．脱窒との関連では水は排水改良があまり進んでいない．対策の程度に地域間差

抽出炭素がよく用いられるが，今回の調査では上手く説明があることが問題だと考えている．

がつかなかった．別の方法を検討する必要がある．

佐藤（高知大）：小林（森林総研）：

暗渠施工で土壌がどのように変わるかを説明いただきた
い．土壌の排水性をよくする他の方法や，機械化による透全炭素含量は，土壌溶液中ではなくて堆積物中か．
江口：

水性の悪化事例など，暗渠施工が土壌の排水性に直接的にそうだ．

及ぼす効果はどうか．暗渠に用いる疎水材の適性や持続性，座長（志賀）：

暗渠による圃場の排水性改良効果を示されましたが，暗渠

もう一つは飯山さんから．脱窒における嫌気的条件の形を施工することによって土壌自体の物理性がどの様に変化

成と硝酸供給の重要性について．

したのか．

江口：

北川：

嫌気的条件下に硝酸イオンが置かれることと，脱窒菌の暗渠の効果を作物の収量性向上として示し，その途中経

栄養源となる有機物の多少が，脱窒速度を規定する要因に過の詳しい説明は省略した．暗渠施工によって土壌の物理なっている．先ほどの質問とも関連するが，帯水層中の有性が良好になった結果として増収したと考えている．

機物のクオリティ（微生物が利用しやすいかどうか）が重

竹内（道総研）：要で，測定方法については検討が必要だ．また，微生物の質問というよりは，十勝地域の実情，生産現場での話を種類も調べていく必要がある．水田を転換畑にすると微生お伝えする．農家の排水に関する関心は高いが，暗渠さえ物相が年々変わっていくという文献もあり，そういうこと

入れれば排水不良が改善されると思っている農家が多い．

が地下水中で起きているかもしれない．

暗渠には地下水位を下げる効果はあるが，地表面の余剰水

飯山（宇都宮大）：を抜くには営農努力で暗渠に水を導かなければならない．

人間が働きかけることで脱窒を促進したい，環境を制御

そういう意識は農家に浸透しきれていない．また，十勝のできたらいいなと考えたのが質問の背景．嫌気条件を作る

周縁部には重粘性の土壌も多いが，そこでは心土破砕によのであれば，平地なら水田面積を大きくすると良いし，傾る余剰水の行き場となる明渠や排水路が無い場合がみられ斜地であれば千枚田で覆ってしまえば酸素は入って来なくる．今回の発表にあった下層排水の技術をもう 1 歩進めれなる．一方で，栄養源となる有機物については，営農でどば現場の状況は良くなっていくと思う．土壌物理学会の中んな働きかけを行えば良いのか．

シンポジウム特集

資料：第 53 回土壌物理学会シンポジウム総合討論

江口：

41

どの一次産業をやり生活を営んでいる．その中で土壌物理

人為のうち，脱窒に非常に大きく影響するものは排水性

学はどのような貢献ができるだろうか．先ほど土壌によっの改良だと思う．もともと湿性だったところを農地にするてアプローチも違ってくるというだろう，ということを問ために排水改良すると，好気的になって脱窒は起きづらくいかけたが，乾燥地の緑化を例にすると，緑化植物としてなる．ヨーロッパなどのライパリアン（河畔林）ゾーン研

は，外来種ではなく土着の種がいいということがある．自究の文献には，そういうことがたくさん書かれている．暗然に対する人間のアクションが，長い目でみると失敗に終

渠施工をすると排水性が良くなって農業ができる環境になわった例はたくさんある．先ほど泥炭の話にあったように，り，窒素は富化されるが，脱窒は起きづらくなる．そうす

何でもかんでも小麦を植えればいいということではなく，ると河川を通じた窒素の流出が増える，といったストー

湿地なら湿地に適したものが良い．我々は地盤工学とか微リーがあるように思う．それを元の湿性環境に戻してしま生物だとか色んな人達とリンクしながら，我々の知識を他うと農業ができなくなるので，農業の場の外側にバッファ分野の知識と合わせ，社会にどういう貢献ができるかを考ゾーンを設けて，そこで水質改善を行うという方法が考ええていくべきだ．日本国内でも土壌とか気候などが違うのられるし，実際に行われているのではないか．

で，それぞれ考え方は異なると思うが，自分たちの研究な

座長（志賀）：

り仕事なりを生かすことを考えてやっていって欲しい．

井上先生へ．バッファゾーンの話が出てきたが，泥炭地のそのような役割についてコメントをお願いしたい．
井上（北大）：
今年の夏にイギリスから来た先生からうかがった話だ

座長（成岡）：
シンポジウムのテーマ「フィールド科学としての土壌物
理学と社会貢献」について，波多野会長から一言を．
波多野（北大）：が，ウェットランドアグリカルチャーというような考え方

先ほど，井上さんがウエットランドアグリカルチャーのが役立つかもしれない．ヨーロッパでは湿原や泥炭地のよことを話していた．泥炭地は地下水面より盛り上がって生うな湿地を農業に適した土地にするために排水改良し，乾成しているので，いったん地下水位を下げると，そこに水燥地の作物である小麦や牧草を作ろうとやってきたが，例を入れるのは非常に大変だ．そもそもそこへアグリカル

えばバイオエネルギー用の作物で湿地に適したものを育て

チャーをもってくること自体がどうなのか．どのような技

るなど，これまでの考え方をそろそろ転換していった方が術を適用したら，そこの環境を破壊しないですむかは，そいいのではと言っていた．

の場所に行ってみないとわからないから，フィールド科学座長（志賀）：

が必要だ．排水改良は重要だが，やり過ぎると泥炭は分解

これ以降は，多少俯瞰的なところから土壌物理と社会のし，窒素は溶脱し，場合によっては周辺に影響を及ぼす．

関わりを考えてみたい．

けれども排水改良をしないと農業はうまくいかない．適応座長（成岡）：

策の効果とその影響を見ながら，フィールド科学としての長谷川さんは，研究について栄枯盛衰がある，と言って土壌物理学をどういう風に現場に適用していくかが重要いたと思う．井上さん，古賀さんの話を伏線にしながら，だ．今日の講演は，排水改良，泥炭，窒素流出，脱窒と並研究の栄枯盛衰についてコメントをいただきたい．

んでおり，こうすると環境が壊れる，こうやるとうまくい

長谷川：く，そういう並びとなっている．様々な学問の領域はお互

我々はよくアメリカの土壌物理の本を読むが，あれは畑

いにどこかでつながっているが，土壌物理がその境界領域

地灌漑の発想が原点にある．日本では水田の地耐力を保つへ適応ができるようになってくると，すごい学問になるとために，土壌物理において排水の研究を進めてきた．暗渠

思う．ちょっとしゃべりすぎて申し訳ない．

排水などは日本で完成されてきた技術だと思うし，日本で長谷川：

必要な技術だ．この発表の前に田淵先生と話したが，彼の先ほどの脱窒の話は，我々は主に肥料と生産という 2 軸

言うことには「土壌物理は机上の空論ではなく現地の実態で考えてきたが，そこに環境を加えた 3 つの軸で考えま把握が重要な学問である．生産の場というものがあって発しょうということを意味している．土をよく知っていれば，展してきた学問であって，純粋な物理ではない」．したがっ

作土は作物生育に良い環境とし，下層は湿潤な状態にするて，最初は水田，次に転換畑，さらに北海道の畑作の研究ことができるはず．そういうことを考えていくのもいいのへと，時代の流れに乗ってテーマは変わってきたと思う．

では．もう一つ私が言いたいのは，これまでの土壌の物理「土壌の物理性」にも，過去にはみかん園や桑畑の話があっ性を読むと「今度は土壌物理の出番だ」と他分野からのラたが今はない．やはり生産と土壌の物理性がどのように絡ブコールがたくさんあるが，これまでそういった分野とうんでくるかということが根本にあると理解している．

まくいった事例が少ない．それは土壌物理をやっている人

座長（成岡）：がなかなか他分野に入りきれないからで，作物生理をやっ先ほど土壌はいろいろあるよというお話をされた井上先ている人に土壌物理を教えるから来てよ，という発想をど

生に，フィールド科学についてご説明いただきたい．

うしてしないのかと思うが，なかなか難しい．先ほどの井井上（鳥取大）：上さんの発言にあったが，いかに共同研究するかが今後の私の持論は「フィールドに学べ」だ．乾燥地帯，湿潤地
帯など，全く違う環境の中で人々は生まれ，農業や漁業な成功の鍵と思う．

42

土壌の物理性 第 120 号（2012）

座長（成岡）：
井上先生から切り返しはないですか．
井上（北大）：
肩すかしになるかもしれないが，社会貢献というテーマについて，どうも先に社会の要望や需要があり，それにど座長（成岡）：
それが元気の源ですね．科学・技術・学問が融合しているのが土壌物理学と考えていいだろう．それを踏まえて，岡島名誉教授に一言お願いしたい．
岡島（北大）：

う答えていくかというスタンスのように感じる．しかし，先程から土壌物理学会が社会にどう貢献するかという議

これからは政策を誘導する研究が大事になると思う．例え論をしているが，平和だなとしみじみ感じた．私は定年

ば温暖化，防災や減災なども社会的な需要があるから皆さ

後 24 年になるが，科学者に対する社会的責任が非常に大んはそれに応えて取り組むわけだが，この分野で持っていきくなっていると思う．学術会議の目的でも，サイエンスるノウハウを生かして積極的に世の中を引っ張っていくこ

は人間の幸せのためにあるといったことが第一に掲げられとも重要ではないか．

ている．そうなると，幸せというのは何かということにな

座長（成岡）：

る．私は 1924 年生まれなので，みなさんとはかなり違っ

肩すかしというより，一歩進んだ話ですね．
井上（鳥取大）：た経験をしていて，今日話があった泥炭地への客土などは子供の時にこの目で見ている．岩見沢市には泥炭地が広が最近の若い人は，温度一定だとか制限要因の少ない条件

る御茶ノ水というところがあり，泥炭地の水はお茶のよう

下でいろいろモデル化をして学位論文を書くというようなな色をしているから，御茶ノ水という地名になったのだろ

傾向が強い．フィールド科学には不均一性などの要素が多う．当時その辺では，泥炭地の排水をするために灌漑溝をくまとめにくいので，そちらへ行く人が少なくなってい掘っており，昭和 4 年に灌漑溝が開通して以降，豆をやめる．先ほど発言したように，現場から学ぶフィールドサイて稲を作ることになった．2 年ほどは大変よくできたが，エンスが大事だと教育している．学位は免許証みたいなも

3 年目にはいもち病で水田は真っ赤になった．わずか数年のであり，その後は社会で何が求められているかを良く見の記憶だが，鮮烈な思いがいまだにある．小学校の教員だっながら研究しなさいと言っている．土壌物理は非平衡の世た父は何とか自力でやっていこうと，どこから聞いて来た界で，化学反応や生物反応も起こっている自然状態を対象

か分からないが，対策は客土に尽きると言い，岩見沢の洪としている．我々は今この様な現象が起こっているから，積台地から冬の間，馬そりを使って地域の青年団が土を運

この先はこうなるといった予見を社会に発信しなくてはな

び続けた．私よりも父のほうが北海道の開拓にずっと役にらない．環境汚染問題に対する土壌物理学のアプローチの立っていると思っていたけれども，今日いろいろ話をうかように，若い人たちには政策に関係なくやれるようなもの

がい，必ずしも良かったとは言えないのではないか，ともがあったらいいと思う．長谷川さんは講演で十年ごとに区感じる．土壌物理学会も環境の方に取り組んでいくとのこ

切って解説されたが，次の十年にはどんなテーマが必要か，とだが，自然は黙っていても変わっていくものなので，泥どんな社会貢献ができるかという展望を示すことが必要で炭をそのまま保っていくこともどうか．そのような矛盾がはないか．

これから大きくなっていくと，我々農学者も社会の責任を座長（成岡）：

負うような世になる．石狩川を真っ直ぐにしたために，ど

午前中のポスターセッションで特に発表数の多いグルー

んなことになったか．ある側面からは我々科学者や技術者プがあった．そのグループに，現場の立場で何を考え，なの間違いだったのかもしれないが，そうだとしても，そのぜそんなに元気なのかをお聞きしたい．

時にどれだけ農地の生産が上がって農家が喜んだか．私が森（島根大）：

話したいもち病が大量発生したときの農家はみんな小作井上先生（鳥取大），井上先生（北大）や長谷川先生ので，小屋にむしろを敷いて焚き火をして暮らしていた．そ発言を聞いて，自分たちの分野が世の中で大事だと思っ

ういうレベルから考えると，客土や排水は素晴らしい幸せ

た．私も世に対するアピールや，好きな学問でどういう貢をもたらしてきた．やはり，幸せというものを一緒に考え献ができるかを能動的に考えながらやっている．政策誘導ながら，研究を進めるべきではないか．いろいろ申し上げ

までは考えないが，政府の大型予算関連のアンケート等

たが，ご勘弁いただきたい．

で，土壌物理研究や農地の研究の重要性をアピールしてい

座長（成岡）：

る．最近は若手の育成も重要と思い，今大会は院生も含めありがとうございます．最後に副会長の志賀さんからて島根から 6 人で参加し，学術の世界を体験してもらってメッセージを．

いる．また，ある程度の年齢になったとき，大きなところ

志賀（道総研）：に手を上げてある程度予算を取ってくるような活動が必要

今日の長谷川先生の話にあった通り，戦後の食料生産のになる．土壌物理学会からは JPGU（日本地球惑星科学連中から必然性を持って研究会から学会へと発展してきた背合）に 2 つのセッションを提案しているが，水文・水資源景を確認し，社会に貢献してきたことも歴史から明らかと学会は選挙でも人を送り込むくらい上手にやっている．地なった．フィールドをきちんと見ながら，自信を持って進道なサイエンティフィックな学会活動と，もう一つは世にんでいけると思う．学会の歴史を 10 年単位でみると，確アピールすることも大事だと思って活動をしている．

かにその時々でアウトプットが変わってきている．これは場当たり的に，その時代でお金が取れることをやってきたシンポジウム特集

資料：第 53 回土壌物理学会シンポジウム総合討論

43のではなく，その時の社会の要請に応じて技術を出してき試験場の若い人に土壌物理学会に入ろうよ，と言いづらい

たということだ．農業センサスによると，北海道の畑作でような気がしていた．しかし，今日のポスターセッションは 2005 年から 2010 年にかけて，一戸当たりの農地面積がを拝見すると，非常に多様な分野で，当然フィールドを交

50 ha 以上の農家が非常な勢いで増えている．大規模化へえたアクティブな研究が行われていることを知り，あとはの対応では，土壌劣化を起こさない土壌管理法など，土壌成果の見せ方だと思った．学会誌にこの活気を反映させ，物理研究の役割は大きい．もう少し先を見た普遍的な話といろんなことを考えていただけるような学会にすれば，存して，資源やエネルギーの制約があるなかでの食料生産を在意義も今後もっと増えていくだろう．

20 年 , 30 年先まで見通した時，学会として貢献できるこ座長（成岡）：とはたくさんあると思う．今回のテーマを考えた時，最近の学会誌ではフィールド研究の話しが少なく，例えば農業副会長の挨拶に代えて，討論を閉じさせていただく．皆様，ありがとうございました．

論文., March 2012, Vol. 120, 45 ‒ 54

Original
Paper
45

Adsorption of Sodium Dodecylbenzene Sulfonate on Highly
Humic Non‒allophanic Andisol at High‒Electrolyte
Concentration
Farook AHMED1, Munehide ISHIGURO2, Kazuki MORIGUCHI1 † and Takeo AKAE1

Abstract : To clarify the adsorption characteristics ofsurfactants, it is important to understand the surfactant behavior in the soil and water environments.
However, there are few adsorption studies for highly
humic soil. In this study, the adsorption characteristics
of dodecylbenzene sulfonates in a highly humic soil
were investigated. A non‒allophanic Andisol was usedsince this soil contains a large amount of humic substances and is only negatively charged. Thus, electrically, only repulsive force is generated between thesoil and the surfactant. The adsorption amount wasmeasured using the batch method at an electrolyte
concentration of 100 mmol L−1 NaCl in order to shield
the electric ﬁeld near the soil particle surface and emphasize hydrophobic reactions. The adsorption isotherm was examined using the Langmuir‒Freundlich‒
Hill equation. The adsorbed amount increased sharply
with increasing concentrations in the low‒concentration range. The sharp increase indicated cooperative
adsorption caused by hydrophobic interaction among
the carbon chains of adsorbing surfactants. The adsorption amount became higher at a lower pH because
electrostatic repulsion between the soil and the surfactant decreased. The adsorption of dodecylbenzene sulfonate with a linear carbon chain was larger than thatwith a branched chain due to the diﬀerence of the carbon chain structure.
Key words : anionic surfactant, electrostatic repulsive
force, dodecylbenzene sulfonate（DBS），adsorption
isotherm, volcanic ash soil.

2007）as active ingredients of laundry detergent andmany domestic and industrial materials including
chemical fertilizers as an anti‒caking agent. It is also
used in agricultural chemicals as an emulsifying agent,because of its ability to change the physicochemical
nature of surfaces（Koopal et al., 1999）． Linear alkylbenzene sulfonate（LAS），one of the major constituents of synthetic detergent, is the most widely used
SDBS for domestic and industrial purposes, in both
percentage and absolute amount（Inoue et al., 1978 ; Heet al., 1991）． It is also the most common pollutant
found in almost all environmental settings（Sullivan
and Swisher, 1969 ; McEvoy and Giger, 1986 ; Takada
and Ishiwatari, 1987; Yediler et al., 1989 ; Papaport andEckhoﬀ, 1990 ; McAvoy et al., 1993）．LAS is the mostwidely used anionic surfactant in detergent formulations and surface cleaners（Marcomini and Giger,
1988）．Overall, SDBSs are used in large quantities andenter the environment primarily through waste waterand sludge.
When these compounds are adsorbed in soils, they
appear to degrade slowly（Tabor and Barber, 1996）
and to impede microbial processes in soil（Kristiansen
et al., 2003）．Adsorption of LAS by soils and sediments is an important process aﬀecting its transport,
and toxicity（Wolf and Feijtel, 1998 ; Knabel et al., 1996 ;Fleld et al., 1992; Garcia et al., 2005 ; Rubio et al., 1996）

1. Introduction

and, thus, its application in remediation of contaminated soil and groundwater（West and Harwell, 1992 ;Sodium dodecylbenzene sulfonates（SDBS）are very

Rouse and Sabatini, 1993 ; Ko et al., 1998a ; DiVincenzo

common, efficient anionic surfactants（Fachini et al.,and Dentel, 1996 ; Allred and Brown, 1996）． The adsorption of LAS may also aﬀect the environmental be-

1

Graduate School of Environmental Science, Okayama University,
Okayama 700 ‒ 8530, Japan
2
Research Faculty of Agriculture, Hokkaido University, Sapporo
060 ‒ 8589, Japan
Corresponding author : F. AHMED, Graduate School of Environmental Science, Okayama University, 3 ‒ 1 ‒ 1 Tsushima-naka, Okayama
700 ‒ 8530, Japan. E ‒ mail: farookahmed12@yahoo.com
Tel. & Fax 086 ‒ 251 ‒ 8874.
Present address : †Kinki Regional Development Bureau, Ministryof Land, Infrastructure and Transport, 1 ‒ 5 ‒ 44, Otemae, Chuo ‒ ku,
Osaka 540 ‒ 8586, Japan
2011 年 10 月 4 日受稿，2011 年 12 月 19 日受理
土壌の物理性 120 号，45 ‒ 54（2012）

havior of the toxic substances（Jones‒Hughes andTurner, 2005 ; Ko et al., 1998a ; DiVincenzo and Dentel,
1996）and nanoparticles（Lacoanet et al., 2004）．In
past decades, adsorption studies have been conducted
to understand the fate of discharged LAS（Wolf and
Feijtel, 1998）．Since the surfactant concentrations
used in soil and groundwater remediation（Zhao et al.,2006 ; SDBS concentration from 0.2 to 10 g L‒1）and
nanomaterial preparation are always higher than critical micelle concentrations（CMCs）（West and Harwell,

土壌の物理性 第 120 号（2012）46

Table 1. Physical and chemical characteristics of the soil used in the experiment.

Soil Name

Sand

Silt

Clay

TexturepH（%）
Andisol

43 . 631 . 824 . 6Clay loamc

5 . 0, d4 . 2

Carbon content

a

CEC

b

AEC

（%）

（mmolc kg−1）

13 . 812 . 30a

CEC was measured at pH 6 with a 1 mmolc L−1 KNO3 solution.
AEC was measured at pH 6 with a 1 mmolc L−1 K2SO4 solution.
c
pH was measured with distilled water（soil : distilled water at the ratio of 1 : 5）dpH was measured with 0.1M KCl（soil : 0 . 1M KCl at the ratio of 1 : 2 . 5）b1992 ; Tanaka et al., 1997 ; Ko et al., 1998b ; Lecoanet etsurface and emphasize hydrophobic interaction. The

al., 2004），adsorption of LAS in a wide concentration

adsorption isotherm was evaluated using the Lang-

range needs to be investigated. Diﬀerent mechanisms

muir‒Freundlich‒Hill equation. The inﬂuences of car-such as hydrophobic adsorption（Hand and Williams,

bon chain structure on adsorption were also evaluated.

1987 ; Di Toro et al., 1990 ; Westall et al., 1999），speciﬁc

2. Materials and methods

adsorption（Ou et al., 1996 ; Westall et al., 1999），hydrogen bonding（Ou et al., 1996），electrostatic interac-

2. 1 Soiltions（Westall et al., 1999）and precipitation（West andHighly humic, non‒allophanic Andisol（volcanic ash

Harwell, 1992 ; Rouse and Sabatini, 1993）have beensoil）of A horizon from Daisen grazing ground, Tottori

suggested as determining the adsorption of LAS on

Prefecture, Japan was used in this experiment. The

soils, but there is no consensus on this issue. The inﬂu-

physical and chemical characteristics of the soil areence of sediment on adsorption of LAS has been re-given in Table 1. Moist ﬁeld soil sieved with a 2‒mmviewed by Wolf and Feijtel（1998）．As diﬀerent soil

sieve was used in the experiment.

and sediment constituents may have diﬀerent adsorp-

2. 2 Surfactants

tion characteristics（Knaebel et al., 1994），adsorption

Anionic surfactants, SDBS, with branched and linearof LAS would depend not only on the types of thesecarbon chains having the same chemical composition

constituents but also on their relative contents（Zhu et（C12 H25 C6 H4 SO3 Na）and molecular weight of 348.48 gal., 2003 ; Wolf and Feijtel, 1998）．

mol ‒ 1 were purchased from Tokyo Kasei Kogyo Co.

Branched‒carbon‒chain DBS has low bio‒degrad-

The two types of SDBS had purities of about 95% andability（Alexander M 1973 ; Cain RB 1987 ; Cain RB

were used without further purification. The former

1994 ; Greek BF 1991）．In some Latin American coun-

mixture of hydrophobic branched chains consisted oftries, branched‒chain SDBSs in diﬀerent formulations

12 carbon molecules. The branched structures wereare used due to their low cost, to the detriment of the

not constant, but their structures were not linear. The

environment and especially water quality（Campos‒

latter contained hydrophobic 12‒carbon linear‒chain

Garcia et al., 1999）．Few studies exist aboutmolecules.

branched‒chain DBS adsorption on soils. Adsorption

2. 3 Adsorption experimentstudies comparing linear and branched‒carbon‒chain

A batch experiment was conducted to obtain the
DBS adsorption isotherm of the soil. The experimentstructures are also rare.
In this study, the adsorption characteristics of DBS

was conducted to investigate the inﬂuence of pH, time,in a highly humic soil were investigated in the surfac-

and carbon chain structure at room temperature（25tant concentration range from very low to around crit-± 1℃）．The soil（2 . 5 g dry weight basis）was placed

ical micelle concentration by using an anionic surfac-

in a 50‒cm3 centrifuge tube. It was equilibrated with atant selective electrode that we ourselves devised and100 mmol L‒1 NaCl solution, and the solution pH wasbuilt. A non‒allophanic Andisol was used because theadjusted to 4 . 5, 5 . 5 or 6 . 5 by adding dilute HCl or

soil contains a large amount of humic substances andNaOH. After discarding the supernatant from theis only negatively charged（Ishiguro et al., 2003）．The

tube, 25 ml of SDBS solution（ranging from 0 . 0008 toadsorption amount was measured using a batch meth-

10 . 0 mmol L‒1）at 100 mmol L‒1 NaCl was mixed in‒1

the soil and shaken well for 3 or 24 hours. After the

NaCl in order to shield the electric ﬁeld near the soil

elapsed time the soil solution was centrifuged for 10

od at an electrolyte concentration of 100 mmol L

論文：Adsorption of Sodium Dodecylbenzene Sulfonate on Highly Humic Non-allophanic Andisol at High-Electrolyte Concentration 47
was carefully washed before each measurement andalways checked with standard solution in order to get
the proper result.
The adsorbed amount of surfactant in the soil was
obtained using the following equation,
DBS adsorption（mmol kg‒1）= {added DBS conc.（mmolL‒1）×0 . 025（L）−DBS conc. in supernatant（mmol L‒1）
×（0.025+V）（L）}/Dry weight of the soil
（kg），

（2）

where V（L）is the water volume remaining in the soil
after discarding the supernatant and before adding the
SDBS solution. The experiment was conducted underthe 100 mmol L‒1 NaCl solution condition, in order to decrease the inﬂuence of the negative charge of the soil.
Fig. 1 The schematic diagram of the anionic surfactant
selective electrode used in the experiment. a：Electrometer（Advantest R8240），b：AgCl/Ag electrode（DKK,TOA HS ‒305D）
，c：NH4NO3（Agar bridge），d：Ion selective electrode, e：
Magnet, f：1M NH4NO3, g：Stirrer, h：Measured/test solution, i：Reference solution, j：Beaker.

2. 4 Critical micelle concentration（CMC）
SDBS CMC at 100 mmol L‒1 NaCl was obtained using the anionic surfactant selective electrode. The
EMF was measured at each SDBS concentration. Under the CMC, a straight calibration line（EMF versus
the logarithm of the SDBS concentration）was ob-

min at 8000 rpm. The supernatant of the tube was col-tained according to equation（1）．Above the CMC, thelected and the surfactant concentration was measured

EMF became almost constant. The CMC was obtainedby an anionic surfactant selective electrode（Fukui etat the kink of the calibration line（Ishiguro et al., 2007 ;al., 2003）that we ourselves devised and built. The con-Ishiguro and Koopal, 2009）．

A g /AgCl electrode Agar bridge

reference solution＿＿＿（ 0） functional membrane

2. 5 Theoretical analysis of adsorption isotherm＿＿

centration cell was constructed as follows :test solution（ 1） AgarTo evaluate the adsorption isotherm, the following
equation was used:＿bridge Ag/AgCl electrode,
where

0

and

1

are the concentrations of the surfac-＝Qtant in the reference solution and that in the collected

（

）

1 +（

（3）

）

supernatant. The schematic diagrams of the anionicsurfactant selective electrode used in the experiment

=

Δ

log ,

（4）

are given in Fig. 1.
is the adsorption amount, Q is the maximum

The electromotive force（EMF）was read using a digi-

wheretal voltmeter with high input impedance at 25 ± 1℃.

adsorption amount,

The EMF,, can be expressed with the following‒1（mol L ），is the equilibrium concentrationis the adsorption constant,ity（deviation from Langmuir equation,

equation :is non‒ideal=1），Δ

isthe diﬀerence in free energy before and after adsorp=log（ 1/ 0），（1）tion（J mol‒1），

is the gas constant andis the ab-solute temperature. Equation（3）can be re‒written as
where

is the experimental slope. The theoretical val-ue ofis 59 . 2 mV at 25℃（Nernstian slope）．The mea-

follows（Ooi et al., 2000）:

sured values for the standard solutions ranged fromθ

54 . 35 mV to 59 . 00 mV. When the concentration was

1 −θ

＝（

（5）

）

higher than the critical micelle concentration, the concentration was measured after dilution. The electrolyte

where θ is /Q. When θ is ≪ 1, the equation（5）canconcentrations for the standard solutions, test solutions

be re‒written as follows:

and reference solutions were all 100 mmol L‒1 NaCl.
Because humic substances dissolved in the solution af-

log ＝ log

+ log（Q）．

（6）

fect the measurement when the electrode is dipped
longer in the solution without washing, the electrode

Therefore, when the isotherm is plotted in double loga-

土壌の物理性 第 120 号（2012）48

rithmic scale, the slope indicates theWhenvalue for q≪Q.

is larger than unity, this equation is called

3. Results and Discussion

the Hill equation（Hill, 1910 ; Ooi et al., 2000）; implying

3. 1 Eﬀect of pH on DBS adsorptionthat adsorbates attract each other and adsorb coopera-

The adsorption isotherms for branched‒carbon‒

tively. The cooperativity occurs when adsorbed mole-chain DBS and linear‒carbon‒chain DBS are shown incules attract each other by lateral interaction; adsorp-

Fig. 2. The DBS concentrations for the adsorption iso-tion becomes stronger with that lateral interaction.

therms in the ﬁgures show the solution concentrations

Whenis smaller than unity, this equation is calledin the supernatants after mixing and centrifugation.

the Langmuir‒Freundlich equation（Jaroniec, 1983, Ooi

The highest adsorption was observed at pH 4.5 andet al., 2000）; this indicates heterogeneity of adsorbing

the lowest at pH 6.5 for both branched and linear DBS

sites. For surfactant adsorption on the soil both thein this experiment（Fig. 2）．This result clearly showsheterogeneity of the adsorbing sites on the soil and athat adsorption is higher at a lower pH and lower at a

positive cooperativity（ ＞ 1）due to hydrophobic at-

higher pH. The electrostatic force is repulsive because

traction will play a role. To express this, eq.（3）isboth DBS and the soil are negatively charged and nocalled the Langmuir‒Freundlich‒Hill（LFH）equation,

positive charge was detected by AEC measurement

and（Ishiguro et al., 2003）．Therefore, the electrostatic in-

can be smaller or larger than unity. The LFH

eq. with＜ 1 implies that the heterogeneity eﬀects

are larger than the hydrophobic eﬀects, andteraction lowers the adsorption. When the soil pH in-＞1 im-

creases, the negative pH‒dependent charge of the soil

plies that the hydrophobic attraction is stronger thanincreases, and the increased electrostatic repulsive

the heterogeneity effects. Pseudo‒ideality（ = 1）oc-

force causes the adsorption to decrease. A similarcurs when the eﬀects of heterogeneity and hydropho-

trend was reported by Fytianos et al.（1998）in soil ofbicity compensate each other（Ishiguro and Koopal,

diﬀerent organic matter content. Our result shows that2011）．

pH has a strong inﬂuence on the adsorption isotherm.

Fig. 2 Eﬀect of pH on（a）branched DBS and（b）linear DBS
adsorption isotherm.（after 24 ‒ hour mixing）

Fig. 3 Adsorption isotherm of DBS at different time（a）
branched DBS and（b）linear DBS（after 3 ‒ and 24 ‒ hour
mixing）．

論文：Adsorption of Sodium Dodecylbenzene Sulfonate on Highly Humic Non-allophanic Andisol at High-Electrolyte Concentration 49
Because both DBS and the soil have hydrophobic partsequation（2），the decomposed amount is included inand the electrostatic interaction is repulsive, DBS is

the adsorption amount. However, because the differ-mainly adsorbed by hydrophobic interactions.

ence between those after 3 hours and 24 hours was

3. 2 Eﬀect of time on DBS adsorption

not signiﬁcant, the adsorbed linear‒carbon‒chain DBS

The adsorption isotherms after 3‒hour and 24‒hourdecomposes slowly, as Tabor and Barber（1996）sug-

mixing are compared in Fig. 3. No significant differ-gested. Further experimental research is needed toence was detected at all pH conditions. This result in-

identify the restrictive eﬀect of adsorption on the de-dicates that the soil is equilibrated within 3 hours. Li

composition.

et al.（2008）reported that DBS required 100 minutes

3. 3 Evaluation of the adsorption isotherms

for adsorption equilibrium in marine sediments. For

The experimental result showed that the adsorption

linear‒carbon‒chain DBS, the adsorptions after 24of DBS on the soil increases with the increment of con-

hours were slightly larger than those after 3 hours.

centration for both branched and linear DBS irrespec-

This result indicates the inﬂuence of DBS decomposi-tive of pH（Figs. 2 and 3）．At much lower concentrations

tion, because linear‒carbon‒chain DBS decomposesof DBS（＜0 . 001 mmol L‒1）the adsorption isotherms weremore readily than branched‒carbon‒chain DBS whenvery steep, indicating strong cooperativity（ ≫ 1）; theit is dissolved in water（Sekiguchi et al., 1975）．As thesurfactant molecules aggregate due to hydrophobic in-adsorption amount was calculated with the subtraction

teraction among their carbon chains and are adsorbed

Fig. 4 Comparison of the calculated adsorption values using the Hill equation（3）and measured adsorption isotherm.（a）Branched DBS at pH 6 . 5,（b）branched DBS at pH 4 . 5,（c）linear DBS at pH 6 . 5 and（d）linear DBS at pH 4 . 5.

土壌の物理性 第 120 号（2012）50
Table 2. Obtained

value andvalue by using Hill equation（3）for branched and linear DBS.

pH

pH 4 . 5

Concentrationlog

pH 6 . 5

Low

High

Low

High

Branched

11

0.9

11

1.1

Linear

11

0.8

11

0.9

Branched

6 . 04

3.6

5 . 78

3.9

Linear

6.2

3 . 95

6 . 044.1

on the soil surface together. Above these lower con-tant and the soil surface. DBS is adsorbed separately

centrations, the adsorption isotherms show a gradualon each remaining adsorption site of the soil by hydro-‒1increase to around CMC（0 . 33 mmol L and 0 . 09 mmol

phobic interaction.

L‒1 for branched and linear DBS, respectively）．The

The steep increase is followed by a gradual increaseelectrostatic repulsive force between the soil and thein all adsorption isotherms. Similar isotherms havesurfactant is supposed to decrease the slope of the iso-been observed for a cationic surfactant‒anionic poly-

therm. The surfactant adsorption leads to an increase

mer system（Satake and Yang, 1976 ; Shirahama, 1998;

in the negative charge. This aﬀects the adsorption and

Ishiguro and Koopal, 2009）．In their cases, the adsorb-

contributes to the decrease of the slope of the iso-ing force between the surfactant and polymer was due

therm.

to electrostatic interactions. In our study, the electro-

The adsorption equation（3）is applied to the ad-static force was repulsive, diﬀerent from their condi-

sorption isotherms as shown in Fig. 4. The adsorption

tions. The cooperative interaction was generated byisotherms are plotted on a log‒log scale in order to dis-the carbon chains of the surfactants, and the gradualtinguish the isotherms. The

value in equation（3）isincrease of the isotherm at higher concentration is re-equal to the slope of the isotherm in the log‒log scalelated to the electrostatic repulsion caused by theas explained by equation（6）．The obtained

valuescharge of adsorbed surfactant in both systems. Coop-andvalues by ﬁtting with the obtained data are list-

erative adsorption has been observed also in an anionic

ed in Table 2. Curve‒ﬁtting calculations were conduct-

surfactant‒neutral polymer system（Arai et al., 1971;

ed at two regions separately for each adsorption iso-

Shirahama, 1974）．On the other hand, in an anionictherm: a region at lower concentration and that at asurfactant‒humic acid system, distinct adsorption was

higher concentration around the CMC. The

valuesnot observed（Koopal et al., 2004 ; Yee et al., 2009）．

are larger at lower concentrations, indicating strong

The high adsorption on the soil indicates that part ofcooperative adsorption as mentioned before. At pH 4.5

humic substances in the soil are much more hydropho-

for linear DBS, the adsorption amounts at very low

bic than humic acids.

concentrations corresponding to strong cooperative adsorption could not be measured because the adsorption

3. 4 Comparison between branched and linear DBS
adsorption isotherms

increased at too low a concentration. Therefore, theFrom the experimental results it was observed that

calculated isotherm at pH 4.5 at lower concentration

the linear DBS adsorption is higher than that offor linear DBS was given by using=11 as shown inbranched DBS adsorption in the soil in all pH condi-

value denotes the number of ag-

tions（Fig 5）．The results indicate that the linear DBS

gregated surfactant molecules when adsorbed onto one

adsorbs and aggregates together at a lower concentra-

surface site（Hayakawa and Kwak, 1991; Ooi et al.,tion compared to the branched DBS. That is conﬁrmed2000）．

by the fact that the CMC of the linear SDBS was low-

Figure 4（d）．The

The

values at higher concentrations around theer than the branched SDBS. The former was 0.09

= 1 in-mmol L‒1 while the latter was 0. 33 mmol L‒1, measured

dicates no cooperativity. In this region, cooperative ad-by the anionic surfactant selective electrode. The con-sorption caused by the carbon chains is cancelled withformation of linear DBS is more advantageous for ag-

the electrostatic repulsive force between the surfac-

gregation on the soil and micellization in water than

CMC show roughly 1.0 for all conditions. The

論文：Adsorption of Sodium Dodecylbenzene Sulfonate on Highly Humic Non-allophanic Andisol at High-Electrolyte Concentration 51
that of branched DBS.

4. Conclusions

than our results.
The adsorption amount decreased with increasing
pH because electrostatic repulsion increased at higher

The adsorption characteristics of DBS on a highly

pH. Because the adsorption is strongly aﬀected by pH,

humic non‒allophanic Andisol were systematically in-

the pH must be carefully considered when the fate ofvestigated. The adsorption was measured using theionic surfactants in soils is discussed.

batch method at the electrolyte concentration of 100

The adsorption of linear‒carbon‒chain DBS wasmmol L‒1 NaCl. The adsorption isotherm was evaluatedlarger than that of branched‒carbon‒chain due to theusing the Langmuir‒Freundlich‒Hill equation.

diﬀerence of the chain structure. There was no signiﬁ-

The adsorption amount on the soil increased sharply

cant diﬀerence in adsorption amounts after 3 and 24

with increasing concentrations at lower concentrations

hours; hence, the reaction must reach equilibrium

for both the branched and linear DBS. The sharp in-within 3 hours while decomposition is not signiﬁcantcrease indicates cooperative adsorption caused by hy-

or small within 24 hours. Puriﬁcation of water contami-

drophobic interaction among the carbon chains of ad-nated with SDBS by highly humic non‒allophanic An-

sorbing surfactants. This cooperative adsorption

disol will therefore take more than 24 hours. In per-phenomenon is a novel observation for soils. This ﬁnd-spective, further research is needed on the decomposition

ing and other characteristics could be detected be-of the surfactant.

cause（i）the electric potential near the soil surface
was shielded by the high electrolyte concentration,（ii）Acknowledgementsa highly humic soil with many hydrophobic sites was

We thank Prof. K. Shirahama（Saga Univ.）for his

used, and（iii）a highly sensitive method of surfactant‒

instructions regarding the preparation of surfactant‒selective electrode measurement was applied. The ob-

selective membrane and Du Pont for supplying Elvar-

tained adsorption characteristics can be fundamentallyoy 742. This research was supported by Grants‒in‒Aidapplied to any soil containing humic substances al-

for Scientiﬁc Research（No. 22380130）from the Japan

though those adsorption amounts would be smaller

Society for the Promotion of Science

List of Abbreviations
SDBS : sodium dodecylbenzene sulfonate
CMC : critical micelle concentration
EMF : electromotive force
LAS : linear alkylbenzene sulfonate
CEC : cation exchange capacity
AEC : anion exchange capacity

References
Alexander, M.（1973）: Nonbiodegradable and other recalcitrant molecules. Biotechnol Bioeng., 15 : 611 ‒ 647.
Allred, B. and Brown, G. O.（1996）: Anionic surfactant transportcharacteristics in unsaturated soil. Soil Sci., 161 : 415 ‒ 425.
Arai, H., Murata, M. and Shinoda, K.（1971）: The interaction
between polymer and surfactant : The composition of thecomplex between polyvinylpyrrolidone and sodium alkyl
sulfate as revealed by surface tension, dialysis, and solubilization. J. Colloid Interface Sci., 37 : 223 ‒ 227.
Buﬄe, J.（1988）: Complexation reactions in aquatic systems,
Ellis Horwood Ltd., Chichester.
Cain, R. B.（1987）: Boidegradation of anionic surfactants. Biochem. Soc. Trans., 15 : 7 ‒ 22.
Cain, R. B.（1994）: Boidegradation of detergents. Curr. Opin.
Biotechnol., 5 : 266 ‒ 274.
Fig. 5 Comparison between branched and linear DBS adsorption at pH 4 . 5 and 6 . 5（a）after 3 ‒ hour and（b）24 ‒ hour
mixing.

Campos‒Garcia, J., Esteve, A., Vazquez‒Duhalt, R., Ramos, J. L.
and Soberon‒Chavez, G.（1999）: The Branched‒Chain Do-

土壌の物理性 第 120 号（2012）52

decylbenzene Sulfonate Degradation Pathway of Pseudo-

24 : 91 ‒ 102.

monas aeruginosa W51D Involves a Novel Route for Deg-

Ishiguro, M., Manabe, Y., Seo, S. and Akae, T.（2003）: Nitrateradation of the Surfactant Lateral Alkyl Chain. Appliedtransport in volcanic ash soil of A and B horizons aﬀected

and Environmental Microbiology, 65 : 3730 ‒ 3734.

by sulfate, Soil Sci. Plant Nutr., 49 : 249 ‒ 254.

Di Toro, D. M., Dodge, L. J. and Hand, V. C.（1990）: A model

Ishiguro, M., Tan, W. and Koopal, L. K.（2007）: Binding of cat-for anionic surfactant sorption. Environ. Sci. Technol.,ionic surfactants to humic substances. Colloids and Surfac-

24 : 1013 ‒ 1020.

es A, 306 : 29 ‒ 39

DiVincenzo, J. P. and Dentel, S. K.（1996）: Sorption‒desorption

Ishiguro, M. and Koopal, L. K.（2009）: Binding of alkylpyridini-of 1,2,4‒trichlorobenzene on soil : anionic surfactant andum chloride surfactants to sodium polystyrene sulfonate.

cationic polyelectrolyte eﬀects. J. Environ. Qual., 25 : 1193 ‒1202.

Colloids and Surfaces A, 347 : 69 ‒ 75
Ishiguro, M. and Koopal, L. K.（2011）: Predictive model of cat-

Fachini, A., Mendes, M. A., Joekes, I. and Eberlin, M. N.
（2007）: Oxidation of Sodium Dodecylbenzenesulfonate
with Chrysotile : On‒line Monitoring by Membrane Introduction Mass Spectrometry. J. Suffact Deterg., 10 : 207 ‒210.

ionic surfactant binding to humic substances. Colloids andSurfaces A, 379 : 70 ‒ 78.
Jaroniec, M.（1983）: Physical adsorption on heterogeneous solids. Adv. Colloid Interface Sci., 18 : 149 ‒ 225.
Jones‒Hughes, T. and Turner, A.（2005）: Sorption of ionic sur-Fleld, J. A., Barber II, L. B., Thurman, E. M., Moore, B. L., Law-

factants to estuarine sediment and their inﬂuence on therence, D. L. and Peakee, D. A.（1992）: Fate of alkylbenzene

sequestration of phenanthrene. Environ. Sci. Technol.,sulfonates and dialkyltetralinsulfonates in sewage contami-

39 : 1688 ‒ 1697.

nated groundwater. Environ. Sci. Technol., 26 : 1140 ‒ 1148.

Knabel, D. B., Federle, T. F., McAvoy, D. C. and Vestal, J. R.

Fukui, H., Kaminaga, A., Maeda, T. and Hayakawa, K.（2003）:（1996）: Microbial mineralization of organic compounds in

Preparation of surfactant anion‒selective electrodes withan acidic agricultural soil : eﬀects of preadsorption to vari-different selectivity coefficients and a trial to determine

ous soil constituents. Environ. Toxicol. Chem., 15 : 1865 ‒each component in binary surfactant mixtures. Analytica
Chimica Acta, 481 : 221 ‒ 228.

1875.
Knaebel, D. B., Federle, T. F., McAvoy, D. C. and Vestal, J. R.

Fytianos, K., Voudrias, E. and Papamichali, A.（1998）: Behavior（1994）: The eﬀect of mineral and organic soil constituentsand fate of linear alkylbenzene sulfonate in diﬀerent soils.

on the microbial mineralization of organic compounds in a

Chemosphere, 36 : 2741 ‒ 2746.

natural soil. Appl. Environ. Microbiol., 60 : 4500 ‒ 4508.

Garcia, M. T., Campos, E., Ribosa, I., Latorre, A. and Sanchez‒

Ko, S. O., Schlautman, M. A. and Carraway, E. R.

Leal, J.（2005）: Anaerobic digestion of linear alkylbenzene（1998a）: Partitioning of hydrophobic organic compounds

sulfonates : biodegradation kinetics and metabolite analy-

to sorbed surfactants. 1. Experimental studies. Environ.

sis. Chemosphere, 60 : 1636 ‒ 1643.

Sci. Technol., 32 : 2769 ‒ 2775.

Greek, B. F.（1991）: Sales of detergents growing despite recession. Chem. Eng. News., 69 : 25 ‒ 52.
Hand, V. C. and Williams, G. K.（1987）: Structure activity relationship for sorption of linear alkyl benzene sulphonates.
Environ. Sci. Technol., 21 : 370 ‒ 373.

（1998b）: Eﬀects of solution chemistry on the partitioningof phenanthrene to sorbed surfactants. Environ. Sci. Technol., 32 : 3542 ‒ 3548.
Koopal, L. K., Goloub, T., Keizer, A. D. and Sidorova, M. P.

Hayakawa, K. and Kwak. J. C. T.（1991）: Interactions between
polymers and cationic surfactants.

Ko, S. O., Schlautman, M. A. and Carraway, E. R.

Cationic surfactants,

Eds DN Rubingh and PM Holland, pp.189 ‒ 248. Marcel
Dekker, New York.
He, W.S., Wang, R. F., Zhang, C. F. and Chen, J. J.
（1991）: Erythrocyte micronucleus of tadpole（Bufobufo andrewsi）by synthetic detergent powder. Acta Scientiae Curcumstantiae, 11（3）: 351 ‒ 357（1999）: The eﬀect of cationic surfactants on wetting, colloid stability and ﬂotation of silica. Colloids and Surfaces A,
151 : 15 ‒ 25.
Koopal, L. K., Goloub, T. and Davis, A.（2004）: Binding of ionicsurfactants to purified humic acid. J. Colloid Interf. Sci.,
275 : 360 ‒ 367.
Kristiansen, I. B., Jonge, H. D., Nornberg, P., Mather‒Christensen, O. and Elsgaard, L.（2003）: Sorption of linear al-

Hill, A. V.（1910）: A new mathematical treatment of changes

kylbenzene sulfonate to soil components and effects onof ionic concentration in muscle and nerve under the ac-

microbial iron reduction. Environ. Texicol. Chem., 22 : 1221 ‒tion of electric currents, with a theory as to their mode of
excitation. J Physiol., 40 : 190 ‒ 224.
Inoue, K., Kaneko, K. and Yoshida, M.（1978）: Adsorption of
dodecyl‒benzenesulphonates by soil colloids and inﬂuenceof soil colloids on their degradation. Soil Sci. Plant Nutr.,

1228.
Lecoanet, H. F., Bottero, J. Y. and Wiesner, M. R.（2004）: Laboratory assessment of the mobility of nanomaterials in porous media. Environ. Sci. Technol., 38 : 5164 ‒ 5169.
Li, X. X., Yang, G. and Cao, X.（2008）: Sorption behaviors of so-論文：Adsorption of Sodium Dodecylbenzene Sulfonate on Highly Humic Non-allophanic Andisol at High-Electrolyte Concentration 53
dium dodecylbenzene sulfonate（SDBS）on marine sediments. Water Air Soil Pollut., 194 : 23‒30.
Marcomini, A. and Giger, W.（1988）: Behaviour of LAS in sewage treatment. Tenside Surf. Det., 25 : 226 ‒ 229.
McAvoy, D. C., Eckhoﬀ, W. S. and Papaport, R. A.（1993）: Fateof linear alkylbenzene sulfonate in the environment. Environ. Toxic. Chem., 12 : 977 ‒ 987.
McEvoy, J. and Giger, W.（1986）: Determination of linear alkyl-

Science Series Vol. 77, Ed. Kwak, J. C.T., p.143‒191. Marcel Dekker, New York.
Sullivan, W. T. and Swisher, R. D.（1969）: MBAS and LAS
surfactants in Illinois river, 1968. Environmental Science
Technol., 3 : 481 ‒ 483.
Tabor, C. F. and Barber, L. B.（1996）: Fate of linear alkylbenzene sulfonate in the Mississipi River. Environ. Sci. Technol., 30 : 161 ‒ 171.

benzenesulfonates in sewage sludge by high‒resolution

Takada, H. and Ishiwatari, R.（1987）: Linear alkylbenzenes ingas chromatography/mass spectrometry. Environ. Sci.

urban riverine environments in Tokyo : Distribution,

Technol., 20 : 376 ‒ 383.

source and behavior. Environ. Sci. Technol., 21 : 875 ‒ 883.

Ooi, S., Adachi, Y., Haraguchi, N. and Koopal, L. K.（2000）: Fun-

Tanaka, S., Oba, K., Fukushima, M., Nakayasu, K. and Hasebe,

damentals and applications of soil colloid science, Develop-

K.（1997）: Water solubility enhancement of pyrene in thement of theoretical treatment of adsorption. J. Japanesepresence of humic substances. Anal. Chim. Acta,

Soc. Irrigation, Drainage and Reclamation Engng.,

337 : 351 ‒ 357.

68 : 479 ‒ 486（in Japanese）.
Ou, Z. Q., Yediler, A., He, Y. W., Jia, L. Q., Kettrup, A. and Sun,
T. H.（1996）: Adsorption of linear alkylbenzene sulfonate（LAS）on soils. Chemosphere, 32 : 827 ‒ 839.
Papaport, R. A., and Eckhoﬀ, W. S.（1990）: Monitoring linear alkylbenzene sulfonate in the environment : 1973‒1986. Environ. Toxic. Chem., 9 : 1245 ‒ 2565.
Rouse, J. D. and Sabatini, D. A.（1993）: Minimizing surfactant
losses using twin‒head anionic surfactants in subsurface

West, C. C. and Harwell, J. H.（1992）: Surfactants and subsurface remediation. Environ. Sci. Technol., 26 : 2324 ‒ 2330.
Westall, J. C., Chen, H., Zhang, W. and Brownawell, B. J.
（1999）: Sorption of linear alkylbenzenesulfonates on sediment materials. Environ. Sci.Technol., 33 : 3110‒3118.
Wolf, W. D. and Feijtel, T.（1998）: Terrestrial risk assessment
for linear alkylbenzenesulfonate（LAS）in sludge‒amended soils. Chemosphere, 36 : 1319 ‒ 1343.
Yediler, A., Zhang, Y., Cai, J. and Korte, F.（1989）: Eﬀect of theremediation. Environ. Sci. Technol., 27 : 2072 ‒ 2078.

microbial population size on the degradation of linear al-

Rubio, J. A., GonzalezMazo, E. and GomezParra, A.（1996）: Sorp-

kylbenzene sulfonate in lake water（Dong Hu = Easttion of linear alkalinebenzene sulfonates（LAS）on marine

Lake, Wuhan, Hubei, P.R. China）．Chemosphere, 18 : 1589 ‒

sediments. Marine Chem., 54 : 171 ‒ 177.

1597.

Satake, I. and Yang, J. T.（1976）: Interaction of sodium decyl

Yee, M. M., Miyajima, T. and Takisawa, N.（2009）: Study of

sulfate with poly（L‒ornithine）and poly（L‒lysine）in

ionic surfactants binding to humic acid and fulvic acidaqueous solution. Biopolymers, 15 : 2263 ‒ 2275.

by potentiometric titration and dynamic light scattering.

Sekiguchi, H., Miura, K., Oba, K. and Mori, A.（1975）: Biodegradation of α‒ Oleﬁn sulfonates（AOS）and other surfactants. Yukagaku, 24 : 145 ‒ 148.
Shirahama, K.（1974）: The binding equilibrium of sodium do-

Colloids and Surfaces A, 347 : 128 ‒ 132.
Zhao, B., Zhu, L. and Yang, K.（2006）: Solubilization of DNAPLs
by mixed surfactant : Reduction in partitioning losses ofnon‒ionic surfactant. Chemosphere, 62 : 772 ‒ 779.

decyl sulfate to poly（ethylene oxide）in 0.1 M sodium

Zhu, L., Yang, K., Lou, B. and Yuan, B.（2003）: A multi‒compo-

chloride solution at 30 °C. Colloid Polym. Sci., 252 : 978‒nent statistic analysis for the influence of sediment/soil

981.

composition on the sorption of a nonionic surfactant（Tri-

Shirahama, K.（1998）: The nature of polymer‒surfactant interactions.

Polymer‒surfactant systems, Surfactant

ton X‒100）onto sediments/soils. Water Res., 37 : 4792 ‒4800.

土壌の物理性 第 120 号（2012）

54

要

旨

界面活性剤の吸着特性を明らかにするためには，土壌と水環境中での界面活性剤の挙動の理解が重要である．しかしながら，多腐植質土壌の吸着に関する研究は少ない．本研究では，アニオン性界面活性剤
であるドデシルベンゼンスルホン酸の吸着を検討した．非アロフェン質黒ボク土を用いたのは，この土が多量の腐植質を含み，負荷電のみを有するためである．その結果，土粒子と界面活性剤の間には，電気的には反発力だけが生じる．吸着量は，土粒子表面近傍の電場を遮蔽し疎水的反応を強調するため，
100 mmol L−１NaCl の電解質濃度下で測定した．吸着等温線には Langmuir‒Freundlich‒Hill の式を用いて分析した．ドデシルベンゼンスルホン酸の吸着量は，低濃度領域において濃度の上昇とともに急激に増大した．この急激な増大は，吸着された界面活性剤の炭素鎖間の疎水性相互作用による協同吸着を示唆した．吸着量は土粒子と界面活性剤の間の静電的反発が減少するために，
低 pH でより高い値となった．直鎖型炭素鎖を持つドデシルベンゼンスルホン酸の吸着は炭素鎖構造の違いにより，分岐型のそれよりも高い値を示した．
キーワード：アニオン性界面活性剤，静電的反発力，ドデシルベンゼンスルフォン酸ナトリウム，吸着
等温線，黒ぼく土研究ノート., March 2012, Vol. 120, 55 ‒ 60

55NotesA simple and low cost method for measuring gas diﬀusivity andair permeability over a single soil cylinder
Purwoko Hari KUNCORO1 and Kiyoshi KOGA2

rie, 1960 ; Osozawa, 1987 ; Rolston and Moldrup,
Abstract : A low cost uniﬁed system for relative gas

2002 ; Resurreccion et al., 2008）．However, such mech-）and air permeability（k ）measure-anism takes a budgeting allocation for the construction

ments has been developed. Instead of the conventionaland might require certain sealing‒effort prior to thesliding‒mechanism, plastic ﬁlms shutter has been pro-measurement.

diffusivity（00 measurement. While for the kOn the other hand, modern tools like air pump, massmeasurement, a method has been introduced by utiliz-

ﬂow meter, and pressure sensor/gauge have been com-

ing the principle of Mariotte s bottle and manometers

monly used to measure the air permeability k [µm2]instead of much costing air pump, mass flow meter,（Chief et al., 2006 ; Hamamoto et al., 2009a）．Certainly,

posed for theandsuch tools must be convenient in handling and eligible

k of Toyoura sand were in a good agreement withfor precise data measurement. However, they might

those obtained in the literature, and the proposed

be remained much costing among us who had severe

method enabled to lower the apparatus cost up to 40 %limitation on the research‒budgeting circumstance.

of the common method cost.
Key Words : g a s d i f f u s i v i t y , a i r p e r m e a b i l i t y ，measurement

cost method for measuring

and pressure sensor/gauge. The measured0

Accordingly, this study is aimed to propose a low
0

and k over a single

soil cylinder.

1. Introduction

2. Development of the measurement method

Diffusion that is driven by concentration gradientand convection that is driven by pressure gradient are

2. 1 Soil specimen preparation
Toyoura sand with 0. 42 ‒ 0. 02 mm in particle size

the two main process of gaseous‒transport in the soil

fractions（Table 1）is repacked into a 471 cm3 cylinder（Hillel, 1998）．Information on those properties is ofwith 10 cm i.d. and 6 cm length and is used forimportance for describing soil aeration（Taylor,and k measurements undergoing air‒dry and vari-1949 ; Glinski and Stepniewski, 1985）and for assessing

ably‒saturated conditions. For the measurement at

the greenhouse gases emission（Ball et al., 1997 ; Smithair‒dry condition, the Toyoura sand is simply air‒dried

et al., 2003）as well as volatile gas movement in theprior to the repacking. While for the measurement atsoil（Jury et al., 1990 ; Petersen et al., 1996）．In addi-

variably‒saturated conditions, repacked air‒dried Toy-tion, such information is also valuable to be used as aproxy for soil hydraulic conductivity properties

oura sand is ﬁrst, water saturated, and then be drainedat ‒ 50, ‒ 75, and ‒ 125 cm soil water matric potentials（Poulsen et al., 2001 ; Chief et al., 2006）．

using hanging water column method. The Toyoura0

The parameter for gas diffusion is gas diffusivity,

sand is not repacked undergoing wet condition since

which is commonly expressed as a relative diﬀusivity

such handling may cause a change in its structure asis the gas diﬀusivity in soil [m2 s‒1]

the Toyoura sand mainly consists of the elongated soil0andin which2‒1

0

is the gas diﬀusivity in free air [m s ]. For this0

measurement, a sliding‒mechanism has been

particles（Hamamoto et al., 2009b）．

widely employed for insulating the initial concentrationof the tracer gas used in the diﬀusion chamber（Cur1

Graduate School of Agriculture, Iwate University, 3 ‒ 18 ‒ 8 Ueda,
Morioka 020 ‒ 8550, Japan. Corresponding author : Purwoko Hari
Kuncoro2
Faculty of Agriculture, Iwate University, 3 ‒ 18 ‒ 8 Ueda, Morioka
020 ‒ 8550, Japan.
2011 年 11 月 9 日受稿，2011 年 12 月 28 日受理
土壌の物理性 120 号，55 ‒ 60（2012）

Table 1 Physical properties of the used Toyoura sand atair‒dry condition.
‒

Bulk density（g cm 3）‒
Particle density（g cm 3）
Gravimetric water content（%）‒
Total porosity（m3 m 3）

1. 58
2. 64
almost zero
0. 40

土壌の物理性 第 120 号（2012）56

2. 2 Gas diﬀusivity measurement

stainless steel mesh plate（Fig. 3a）using the same（and also for the later k ）measurement isgrease prior to the measurement. Such a vacuum

conducted at 20 ℃ with three of replication for each ofgrease usage is preferable since it can provide a suﬃ-

expected soil air content ε[m3 m‒3]. As suggested bycient sealing‒function prior to the measurement but

El‒Farhan et al.（1996），the size of diﬀusion chamber

yet enables the plastic ﬁlms to be easily peeled oﬀ foris designed to be almost similar to that of the soil cyl-the measurement.

03

inder, which is 463 cm in net volume with 11 cm i.d.
and 5 cm length, in order to minimize errors which
may be incurred by non‒mixing of the gas in thechamber. On the other hand, O‒ring is used to seal thechamber and no‒leakage condition is conﬁrmed by immersing the apparatus into water.

duringmeasurement(a)beforemeasurement

N2 inlet/ gas outlet

Soil
SliderFig. 2 Photo of the diﬀusionmeter apparatus.

MeshO2
sensorSince O2 will be used as a tracer gas, N2 is prelimi-

Diffusionchambernary injected into the diﬀusion chamber until the O2
concentration reaches almost zero. The measurement

(b)

Soil

Mesh plate

begins when the circle‒shaped plastic film, which issubsequently followed by ring‒shaped plastic film, is

5.8 cmMainskeletonO2
sensorGas
outlet
Plastic
films

pulled down.

O ringStainless steel
ring

Mesh

11.4 cm I

9.8 cm I(a)

N2 inlet
7.6 cmHook

RubberpackingMainskeleton
DiffusionchamberFig. 1 Conventional sliding‒mechanism（after Osozawa,
1987）（a）and the proposed diﬀusionmeter apparatus（b）.

Ring-shaped
plastic film

Circle-shaped
plastic film(b)Instead of the conventional sliding‒mechanism（Fig.

8.7 cm I1a），a set of plastic ﬁlms that is equipped with a hook
is used as a shutter（Fig. 1b）．These 0. 2 mm thickplastic ﬁlms of polypropylene shape into a circle and a

10.8 cm I
Fig. 3

7.6 cm I

Mesh plate（a）and Plastic ﬁlms shutter（b）．

ring as shown in Fig. 3b. The end part of outer surfaceof this circle‒shaped plastic ﬁlm is ﬁrst, attached to theinner‒surface of the ring‒shaped plastic film using

For the sake of its simplicity, the shutter may be de-vacuum grease. And then, the outer‒surface of thissigned into a single circle‒shaped plastic film only,ring‒shaped plastic ﬁlm is attached to a 0. 3 cm thickwhich is about 10. 8 cm in diameter. However, such

研究ノート：A simple and low cost method for measuring gas diﬀusivity and air permeability
large diameter may cause a certain part of this plastic

2. 3 Air permeability measurement

ﬁlm to be sometimes remained attached to the mesh

After the057

measurement, the same chamber

plate as the maximal hook displacement inside theand soil cylinder are used for k measurement using

chamber is only about 4 cm so that the pulling‒force

Mariotte s bottle and manometers. Manometer A is at-may be insuﬃciently transferred to this furthest point.

tached to the N2 inlet port of the chamber and manom-Hence, the process of air mixing in the chamber may

eter B is connected to the air in the Mariotte s bottle,

be constrained, particularly over area beneath this di-whereas the gas outlet port is connected to the pipe ofagonally remained plastic ﬁlm.

the Mariotte s bottle（Fig. 5）．Meanwhile, the plastic

Thus, the shutter that consists of a ring and a smaller circle of plastic films is preferable in this study.

film shutters are remained peeled off from the meshplate.

This smaller diameter of 8. 7 cm makes the circle‒
shaped plastic ﬁlm can be easily peeled oﬀ previously.
Therefore, air mixing in the chamber can be surely
started even if the ring‒shaped plastic ﬁlm remained

Mariotte's bottle

Manometer A
Air convection

diagonally across the chamber.

HA

HB

1
2

Soil

Chamber

Manometer B

Fig. 5 Air permeameter apparatus.

Fig. 4

Photo of the mesh plate and plastic ﬁlms

shutter.

Along the measurement, concentration of O2 in thechamber is measured by a galvanic O2 sensor（KE ‒12,
Yuasa Co.）and the output is recorded by a data logcan be calculated from theger. Then, the value ofslope（linear regressed）of the plot of relative O2 convs. time

centration

as described by Currie（1960）

and Rolston and Moldrup（2002）．The relative O2 conFig. 6 Photo of tools set‒up for k measurement.

is deﬁned as

centration

−

＝

（1）

0

−

As the water is open‒released from the outlet of the0is the initial O2 concentration in the cham-ic air is pulled into the system through the soil speci-

ber（%），

is O2 concentration in the chamber at timemen, and the occurred pressure gradient across the（%），andis O2 concentration in free air（%）．

soil specimen becomes constant because the level of

Mariotte s bottle（26 liter in capacity），the atmospherin which

Finally, by taking‒50rie, 1960），the value of‒1

as 2. 0 x 10 m s at 20 ℃
（Cur-

the water outlet has been fixed along the measure-can be determined.

ment. The expected pressure gradient for a certain

02

measurement, however, can be set to some extent bysimply adjusting the level of this water outlet.

土壌の物理性 第 120 号（2012）

58

Soon after the manometer A became stable, the k

＝

−ρ g

（2）

measurement can be conducted by recording thechange of air volume in the Mariotte s bottle and thewhile, absolute air pressure in the Mariotte s bottle

reading of manometer A and manometer B for a cer-[Pa] will betain time interval（e.g. 2 minutes）within a set of replication（e.g. 6 times）．Average of the calculated k from

＝

−ρ g

（3）

those measurements is then taken as the ﬁnal k value.
By carrying ideal gas equation, mole number of thepermeated air through soil＝（in which
[m3],

2

2

−

1

[mole] can be written as

）/

（4）

1

is the volume of air in the Mariotte s bottle

is gas constant [J K‒1 mol‒1], andis absolutetemperature [K].
As absolute pressure of the permeated air at the[Pa] iscenter of the specimen
＝（

＋

）/2

（5）

according to the Boyle s law, the volume of the permeated air at the center of the specimen Δ[m3] during

the measurement can be calculated as

（

Δ ＝

＝2

Hence, volume ﬂux of air

2

2

−

1

＋

1

）

（6）

[m s‒1] during measuring

time Δ [s] will be＝in which
Fig. 7

Photo of the used Mariotte s bottle.

Δ

（7）

Δ

is the cross‒sectional area of the specimen[m2].
Finally, k [µm2] can be calculated as

Principally, k will be calculated from the volume ﬂux
of the permeated air, and the volume of the permeated

k ＝

η

（8）

ρ g

air itself is determined from the water level in the
Mariotte s bottle. Hence, a certain calibration is prelim-in whichinary required to convert the measured water level

the air dynamic viscosity [Pa s].

into air volume in the Mariotte s bottle.
Since air volume changes with absolute air pressure,the value of k can be determined through the follow-

is the length of the specimen [m] and η is

3. Results and discussion
Although measured0

and k , particularly at

ing procedure. Suppose suﬃx 1 and 2 denote the start

wet conditions, tended to be slightly lower than thoseand the end of the measurement, respectively, whileobtained in the literature（Hamamoto et al., 2009b），

is absolute atmospheric pressure [Pa], ρ is water

there was a fairly good agreement between them（Fig.

density [kg m‒3], g is gravitational acceleration [m s‒2],8）．Those slightly lower values, particularly in k ,andwere possibly attributed to the lower ratio of fringes

is the difference in water level in manometer[m]. Hence, absolute air pressure in the chamber

between sand particle and wall of the soil cylinder to[Pa] can be expressed as

the soil cross‒sectional area, namely the inner diameter of the soil cylinder in this study was 10 cm, where-

研究ノート：A simple and low cost method for measuring gas diﬀusivity and air permeability
as it was 5 cm in the literature. Accordingly, the developed method was considered to be acceptable for059Table 2 Cost estimation over the measurement apparatus（in thousand Japanese yen）．

and k measurements.

0Developed
MethodCommon
Method‒164. 8+:Slider compartment
Main skeleton

+

‒

+

25. 0

Chamber

14. 5

14. 5+

Mesh plate

4. 5+

‒

O2 sensor

25. 0*

25. 0*

Others（valve, pipe, etc.）

9. 0¶

7. 0¶

Mass ﬂow meter‒

100. 0*Pressure sensor‒

50. 0*Air pump‒

50. 0*k :Large glass bottle‒

80. 0*

Others（valve, pipe, etc.）

¶

10. 0

10. 0¶

Total amount :168. 0421. 3+

estimation made by local ironworks* market price（mostly appeared as middle prices）¶

estimation made by the authors

fied

0

and k measurements. As the developed

method enables to lower the apparatus cost significantly, further study on
Fig. 8 Measured
ous air content ε．

（a）and measured k （b）at vari-00

and k （e.g. eﬀects of

the added organic matter and compaction on them）
becomes possible even within limited research‒budgeting circumstance.

The developed method enabled to lower the cost up

Acknowledgement

to 40 % of the common method cost as it omitted the

The authors would like to thank Mr. Syun Arai andmost cost of slider compartment, mass flow meter,

Ms. Yuko Hori for their kind support and assistancespressure sensor, and air pump（Table 2）．The slider

during the experimental part of this study.

compartment much costs due to the required perfect-

Referencesly‒ﬂatten surfaces for its well sliding‒work and sealing‒eﬀort.

Ball, B.C., K.E. Dobbie, J.P. Parker, and K.A. Smith.（1997）:

In addition, most devices that were used in this de-

The inﬂuence of gas transport and porosity on methaneveloped method are considered to have a favorable du-oxidation in soils. J. Geophys. Res. 102 : 23301‒23308.

rableness as they are reusable or possessing long‒life

Chief, K., Ferre, T.P.A., and Nijssen, B.（2006）: Field testing

services. For instance, lack in water inside the manom-of a soil corer air permeameter（SCAP）in desert soil.

eters and Mariotte s bottle due to the evaporation and

Vadose Zone J. 5 : 1257 ‒ 1263.

measurement usage, respectively, may be simply over-Currie, J.A.（1960）: Gas diﬀusion in porous media. Part 1. A

come by adding water. While, the plastic ﬁlm is cus-non‒steady state method. Br. J. Appl. Phys. 11 : 314 ‒ 317.

tomary reusable as long as it is neither being foldedEl‒Farhan, Y.H., Petersen, L.W., Rolston, D.E., and Glauz, R.D.

nor torn up.

（1996）: Analytical solution for two‒region diﬀusion with
two well‒mixed end chambers. Soil Sci. Soc. Am. J.

4. Conclusion
The proposed plastic ﬁlms shutter for

60 : 1697 ‒ 1704.
0mea-surement and the usage of Mariotte s bottle with manometers for k measurement are suﬃcient for a uni-

Glinski, J. and W. Stepniewski.（1985）: Soil aeration and its
role for plants. CRC Press, Boca Raton, FL.
Hamamoto, S., P. Moldrup, K. Kawamoto, T. Komatsu, and D.E.

土壌の物理性 第 120 号（2012）

60

Rolston.（2009a）: Unified measurement system for the1063.

gas dispersion coeﬃcient, air permeability, and gas diﬀu-

Poulsen, T.G., B.V. Iversen, T. Yamaguchi, P. Moldrup, and P.

sion coefficient in variably saturated soil. Soil Sci. Soc.

Schjonning.（2001）: Spatial and temporal dynamics of air

Am. J. 73 : 1921 ‒ 1930.

permeability in a constructed field. J. Soil Sci. 166

Hamamoto, S., P. Moldrup, K. Kawamoto, and T. Komatsu.

（3）: 153 ‒ 162.

（2009b）: Effect of particle size and soil compaction on

Resurreccion, A.C., T. Komatsu, K. Kawamoto, M. Oda, S. Yo-

gas transport parameters in variably saturated, sandy

shikawa, and Moldrup, P.（2008）: Linear model to predict

soils. Vadose Zone J. 8 : 986 ‒ 995.

soil‒gas diﬀusivity from two soil‒water retention points in

Hillel, D.（1998）: Environmental Soil Physics. Academic Press.

unsaturated volcanic ash soils. Soils and Foundations. Japanese Geotechnical Society. Vol. 48, No.3 : 397 ‒ 406.

USA.
Jury, W.A., D. Russo, G. Streile, and H. Abd, El.（1990）: Evalua-

Rolston, D.E. and Moldrup, P.（2002）: Gas diﬀusivity. Methods

tion of volatilization by organic chemicals residing below

of soil analysis. Part 4 : Physical methods. Soil Science So-

the soil surface. Water Resour. Res. 26 : 13 ‒ 20.

ciety of America, Inc.

Osozawa, S.（1987）: Measurement of soil‒gas diﬀusion coeﬃ-

Smith, K.A., T. Ball, F. Conen, K.E. Dobbie, J. Massheder, andcient for soil diagnosis. Soil Phys. Condit. Plant Growth.

A. Rer.（2003）: Exchange of greenhouse gases between

55 : 53 ‒ 60（in Japanese with English summary）．

soil and atmosphere : Interactions of soil physical factors

Petersen, L.W., Y.H. El‒Farhan, P. Moldrup, D.E. Rolston, andand biological processes. Eur. J. Soil Sci. 54 : 779 ‒ 791.

T. Yamaguchi.（1996）: Transient diffusion, adsorption,

Taylor, S.A.（1949）: Oxygen diffusion in porous media as aand emission of volatile organic vapors in soils with ﬂuc-

mesure of soil aeration. Soil Sci. Soc. Am. Proc. 14 : 55 ‒ 61.

tuating low water contents. J. Environ. Qual. 25 : 1054 ‒要

旨

単一の土壌円筒についてガス拡散係数と通気係数を連続的に測定するための単純で安価な方式を開発した．拡散係数の測定は従来のスライド方式に代えて，試料（内径 10 cm，高さ 6 cm）と拡散室（内径11 cm，高さ 5 cm）の間に設けた網板にプラスティック・フィルム製のシャッターをグリースで貼りつけ，これを引き落とす方法によった．円環形と円形のシャッターを組み合わせることにより，開放を確実にすることができた．通気係数の測定はマリオット瓶で発生させた負圧を利用して行った．通気量はマリオット瓶中の空気の体積と圧力の測定結果から計算した．豊浦砂について測定したガス拡散係数と通気係数の値は既往の研究と近似し，新方式は有用であると判断された．新方式により装置の製作費は40 ％に低減すると見積もられた．
キーワード：ガス拡散係数，通気係数，測定

講座., March 2012, Vol. 120, 61 ‒ 65

Lectures61

古典を読む

W. Gardner, O. W. Israelsen,N. E. Edlefsen, and H. Clyde 著「毛管ポテンシャル関数と灌漑操作への応用」
宮本輝仁 1
Reviewing classical studies in soil physics
The capillary potential function and its relation to irrigation practice By W. Gardner, O. W. Israelsen, N. E.
Edlefsen, and H. Clyde, Phys. Rev. 20, 196（1922）
Teruhito MIYAMOTO1

1. はじめに1918）．Or（2001）は Fig. 1 に示した自動潅水装置にはテンシオメータの全ての部分が含まれていることを指摘

土壌のマトリックポテンシャルの測定装置の一つにテしているが，水銀マノメータの初期の目的はマトリック

ンシオメータがある．テンシオメータは，素焼カップにポテンシャルの測定ではなかったようだ（Livingstone,

硬質な導管を介して圧力計と連結した構造をしており，

1918）．また，この頃 Livingstone と彼の共同研究者た

導管内は水で満たされている．不飽和土壌の中に差し込

ちは，土壌から植物根への水供給能の指標として浸透

んだとき，土壌のマトリックポテンシャルが素焼カップ

メ ー タ（Fig. 2）を 使 用 し て お り（Pulling and Living-

内の水圧より低い場合，内外の圧力差がなくなるまで素stone, 1915），この装置もテンシオメータと構造が類似

焼カップ内の水が外に排出される．また逆に，降雨後やしている．このように 1908 〜 1918 年には土壌物理学に

灌漑後に土壌のマトリックポテンシャルが高くなると，関連する他の研究分野では，テンシオメータに類似した逆の流れが生じて新しい平衡状態に達する．素焼カップ

構造の測定装置が開発されていたようであるが，当時，の内外の水圧が平衡したときの圧力を測定することによ

不飽和流れに関する運動理論が盛んに研究されていた土り，そのときの土壌のマトリックポテンシャルを知るこ壌 物 理 学 で は， あ ま り 知 ら れ て い な か っ た よ う だ．

とができる．

Richards（1928）は論文の脚注で，次のようなことを述

テンシオメータは，土壌物理学の初期の発展過程を振べている．「1906 年は，Buckingham の毛管張力に基づり返るレビュー論文の中で，しばしば Willard Gardnerに よ っ て 初 め て 導 入 さ れ た と 言 わ れ て い た（Philip,
1974 ; Gardner，1977 ; Raats and van Genuchten,2006）．土壌物理学者の書いた論文の中でテンシオメー
タの構造を端的に記述したものが Gardner et al.（1922）
であったからである．しかし，Or（2001）はテンシオメー
タの原型が Livingston（1908，1918）により提案されたプランター用の自動潅水装置（Fig. 1）であることを発見した．この自動潅水装置は，植物が吸水した分が土壌内に設置した素焼カップから供給される仕組みになって
おり，当初，貯水槽の位置によって平衡時のマトリック
ポテンシャルを調節するものであった（Livingstone,1908）．しかし，設定できるマトリックポテンシャル幅が小さかったため，素焼カップと貯水槽の間に水銀マノメータを入れることにより改良している（Livingstone,
1

Institute for Rural Engineering, National Agriculture and Food
Research Organization, Kannondai 2 ‒ 1 ‒ 6, Tsukuba, 305 ‒ 8609,
Japan. Corresponding author：宮本輝仁，農業・食品産業技術総合研究機構 農村工学研究所
2012 年 1 月 4 日受稿，2012 年 2 月 16 日受理
土壌の物理性 120 号，61 ‒ 65（2012）

Fig. 1 Livingstone によって開発されたプランター用の自動潅水装置（Livingstone, 1918）

土壌の物理性 第 120 号（2012）

62

物理学に魅せられ，銀行業を辞めてしまう．そして，ユタ農業試験場の場長の秘書として働く傍ら，ユタ州立大学の授業を受講して物理学を勉強した．1912 年に学士の称号を受け，同年，カリフォルニア大学バークレー校の助手となって働きながら 1916 年には物理学で博士号を取得している．Murdock Academy in Beaver の校長として，また，Brigham Young College at Logan でイ
ンストラクターとして 1 年過ごした後，1918 年，ユタ州立大学の物理学部に採用されている．
ユタ州立大学で彼は土壌水分現象に関する理論と実験について研究を始める．当時，特に不飽和土壌の流体力学と呼ばれていた研究領域に大変興味を持っていた．彼
は物理学の素養があり，数学を道具として使い，ポテン
シャルや伝導度関数の概念を土壌の研究に導入していった．1919 年 に「The movement of moisture in soil byFig. 2 土壌の植物根への水供給能を測定するために用いられた浸透メーター（Pulling and Livingstone, 1915）

capillarity（ 毛 管 力 に よ る 土 壌 中 の 水 移 動 ）（Gardner,
1919a）」，「Capillary moisture-holding capacity（毛管水分保持量）（Gardner，1919b）」と題する 2 つの論文を発表し，1920 年には「A capillary transmission constant

く不飽和流れに関する運動理論についての論文が発表さ

and methods of determining it experimentally（毛管伝れた年であるとともに，偶然にも毛管張力を定量的にコ導度係数とそれを求めるための実験法（）Gardner，

ントロールする自動潅水装置が Livingston によって発1920a）」，「The capillary potential and its relation to

明 さ れ た 年 で あ る． し か し， 自 動 潅 水 装 置 とsoil-moisture constants（毛管ポテンシャルとその土壌

Buckingham 理論の発表のおよそ 15 年後，Gardner と水分係数との関係）（Gardner, 1920b）」と題する論文を彼の共同研究者たちによって素焼き粘土製の装置が毛管発表している．更に，翌年 1921 年「The movement of

張力を測定できることを指摘されるまで，これらの発明

soil moisture（土壌水分の移動）（Gardner and Widtsoe,の間に関連性はなかったようだ」．そのため，不飽和流

1921）」と題する論文を発表している．

れに関する運動理論を展開する土壌物理学の中で有用な

また，この間，彼は土壌水分量とマトリックポテンシャ

測定装置としてテンシオメータを位置付けたのはルの関係を導くことに興味を持ち，マトリックポテン

Gardner et al.（1922）であったと考えられる．そこで，シャルを測るための毛管ポテンシオメータ（後のテンシ

今回の「古典をよむ」では，Gardner et al.（1922）の論

オメータ）の開発にも着手した．当時のマトリックポテ

文（実は要旨）を取り上げて読んでみたいと思う．なお，ンシャルの測定法は，自由水面に土壌カラムの下端を接土壌物理学の基礎が確立されていく時代であるので，こ触させ，平衡時の水面からの高さにより求める方法の論文タイトル中の「毛管ポテンシャル」などの基礎用（Buckingham, 1907）が主であった．しかし，不飽和土語が引用論文において統一されていないが，ここでは原壌中での水移動の研究をしていた Gardner にとって，則として原著の用語を示すことにする．

水移動の駆動力となっているポテンシャル勾配を測定

2. Willard Gardner について（Taylor，1965 参照）

し，ポテンシャルや伝導度関数の概念を使った解析を行いたかったことは容易に想像される．どうしたら土壌中

土壌物理学では 3 人の Gardner が有名である．一人の任意の地点におけるマトリックポテンシャルを測定では 今 回 取 り 上 げ る Willard Gardner で あ り， 他 はきるのか色々と悩んだことだろう．飽和浸透流におけるWalter H. Gardner と Wilford R. Gardner である．ワシ

Darcy 則は既に知られていたので，圧力水頭の測定方法

ントン州立大学名誉教授であった Walter H. Gardner はであるピエゾメータ法は知っていたものと思われる．飽Willard Gardner の息子である．また，1972 年に Baver

和土壌ではピエゾメータが圧力水頭の測定に有効であるの Soil Physics を Walter H. Gardner と第 4 版として改が，不飽和土壌では圧力水頭が負になるため測定が難し

訂し，カリフォルニア大学バークレー校で the College

い．そのような折，Livingstone と彼の共同研究者たち

of Natural Resources の 学 長 も 勤 め た Wilford R.

の 研 究 成 果 が Soil Science 誌 に 掲 載 さ れ る（Pulling,

Gardner は Willard Gardner の 甥 に あ た る． 実 は1917 ; Livingstone and Kotetsu, 1920）．これを機会に，

Gardner 家は物理学や土壌物理学での多くの著名人を輩

Plant World 誌や機関紙 Carnegie Institution of Wash-

出している家系だったのだ（Kirhkam, 2004 ; Utah State

ington に掲載されていた彼らの自動潅水装置や関連成University Libraries, 2006）．

果は，Gardner にも知られたのではないかと思われる．

と称される Willard Gardner

しかし，実際にテンシオメータを試作してみると多く

は，若い頃，速記者と銀行家として働き始める．しかし，近代土壌物理学の父の課題を解決する必要があった．例えば，平衡に達する

講座：「毛管ポテンシャル関数と灌漑操作への応用」

63

までに極めて長い時間がかかること，多孔質体と土壌のポンプにつながれた素焼カップである．素焼カップは容触れる面で土壌が湿り凝集力により収縮を起こすこと，器に入れた土壌の薄い層によって囲まれており，土壌側

空気が多孔質体を通して入ってしまい圧力が下がってしは大気圧に保たれている．
（素焼カップ内の）水圧が下がまうこと，温度を一定に保つ必要があること，土壌に吸り，その圧力が測定される．そしてガラス管を使用して収された光により土壌温度が上がり乾燥してしまうこと

素焼カップ内から土壌への排水量が測定される」．ここなどである．これらの課題を少しずつ解決しながら，テに出てくる排気ポンプは，通常私たちが使っているテン

ンシオメータを土壌物理学の中での有用な測定装置にしシオメータでは使用しない．想像するに，水マノメータていったものと思われる．こうして開発されたテンシオに取り付けて減圧し，測定できるマトリックポテンシャ

メータを使った実験とこれまでに研究してきた土壌水移ルの範囲を広げるために用いたのかもしれない．このテ動についての理論を組み合わせて Gardner et al.（1922）

ンシオメータの構造を記述した部分はわずか数行の記述の論文が執筆された．

のため，詳細については不明な部分もある．
Gardner が指導した Israelsen（1927）の学位論文に3.「毛管ポテンシャル関数と灌漑操作への応用」の本文

は，当時，Gardner の研究室で使用していたテンシオメー
タの概要図が載っている（Fig. 3）．多孔質磁器カップ（P）にロート（F）を逆さまにして接着し，土壌の入った容Gardner et al.（1922）の論文を実際に読んでみよう．
論文といっても要旨である．全文を訳出した．

器内に埋設する．逆さまにしたロートは接続管（B）を介して U 字ガラス管（U）と接続されている．この図でまず，「本論文は灌漑操作に関する物理的課題解決のは排気ポンプは見当たらず，水銀マノメータが挿入されための定量法を示すことを目的としている．」と本論文ている．この点は Gardner. et al.（1922）の論文発表後の目的を述べている．

になされたテンシオメータの改良なのかもしれない．

次に，土壌水分量と毛管ポテンシャルの関係について述べている．「広範にわたり土壌水分量とともに毛管ポ
テンシャルが連続的に増加することが示されている．実験圃場の土壌では以下の式が実験データを近似できることが分かった．
（ψ＋ 145 ）（ρ− 0. 173 ）＝−42. 6

（1）

ここで，
ψは飽和時を 0 とした毛管ポテンシャル（g･cm），
ρは土壌水分量（g/cc）である．この式と既に公表されている実験データと理論式より，おおよそ 1 日あたり
0. 25 cm の水が深層に流失していることが分かる．
」
ここで示されている， ， ， が定数の関数（ψ）（ρ− ）＝ は，Gardner が求めた実験式である．当時，
土壌水分量と毛管ポテンシャルの関係を記述する関係式
はまだ確立されていなかった．そのため，実験結果の統計処理を行い，色々な土性の土壌で土壌水分量と毛管ポテンシャルの関係を記述するのに上式を用いた（Israelsen，
1927）．また，後半部分で述べられている「おおよそ 1 日あたり 0. 25 cm の水が深層に流失」はどのように得られたのか定かでないが，次のように推定したのかもしれない．ある深さを仮定し，その深さの毛管ポテ
ンシャルから（1）式によって土壌水分量を推定する．既に土壌水分量と毛管伝導度係数の関係は求められておFig. 3 Gardner に よ っ て 設 計 さ れ た テ ン シ オ メ ー タ（Israelsen, 1927）

り，重力流れを仮定して浸透量を求める．現在では，不飽和透水係数と動水勾配を用いる「フラックス法」が深部浸透量を見積もる一方法として確立されているが（長谷川，2002），当時，不飽和土層内の水分移動を定量的

4. 野外観測へのテンシオメータの改良に評価すること自体，画期的なことだったに違いない．

土壌のマトリックポテンシャルを測定するこの装置

そして，最後に上記の結果を得るために使用したテンは， 当 時「 毛 管 ポ テ ン シ オ メ ー タ（Gardner et al.,

シオメータについて述べている．「使用した装置は水を1922）」や「土壌湿度計（Hack, 1934）」など様々な名前漏らさない継ぎ手で閉じられ，背の高いチューブで排気で呼ばれていた．Richards and Gardner（1936）は簡潔

土壌の物理性 第 120 号（2012）

64

さと明瞭さからこの測定装置を「テンシオメータ」と名謝辞付けた．以後，このテンシオメータが使われるようになる．ここで，筆頭著者である Richards は，以前「古典本稿の執筆にあたり，三重大学の取出伸夫博士からを 読 む」で取り上げた不飽和水分移動式を確立した

Gardner 家と土壌物理学の発展の経緯に係る情報をいた

Richards である（登尾，2008）．コーネル大学大学院でだきました．ここに記し，謝意を表します．

Ph. D. 取得後アイオワ州立大学の土壌学の助教授となっ引用文献

た Richards は，
ユタ州立大学に学部と修士課程で在学中，土壌物理学の手ほどきを受けた Willard Gardner 教授とBuckingham, E.（1907）: Studies on the movement of soil

ともにテンシオメータの改良にも取り組んでいたのだ．

moisture. U. S. Dept. Agr. Bur. Soils Bul. 38 : 1 ‒ 61.

この後も Richards はテンシオメータの数々の改良に

Gardner, W. H.（1977）: Historical highlights in American soil

携わった．1930 年代に入ると，圃場でのマトリックポ

physics, 1776 ‒ 1976. Soil Sci. Soc. Am. J. 41 : 221 ‒ 229.

テンシャル測定が行われるようになり，圃場に設置しや

Gardner, W.（1919a）: The movement of moisture in soil by

すいように改良したもの，長期観測が行なえるように自記記録装置をつけたもの，2 深度のマトリックポテン
シャルの差を測定するものなどテンシオメータの改良

capillarity. Soil Sci. 7 : 313 ‒ 317.
Gardner, W.（1919b）: Capillary moisture‒holding capacity.
Soil Sci. 7 : 319 ‒ 324.

が 進 ん だ（Richards and Gardner, 1936 ; Richards andGardner, W.（1920a）: A capillary transmission constant and

Neal, 1936 ; Richards et al., 1937）．また，圃場における

methods of determining it experimentally. Soil Sci. 10 :マトリックポテンシャルの経時的な変化が把握できるよ
うになると，室内実験で検討されてきた土壌水分現象に関する理論を圃場で起こっている現象に適用し，検討することが可能となる．こうして，フィールド科学としての土壌物理学が徐々に発展してきたものと考えられる．

5. おわりに103 ‒ 126.
Gardner, W.（1920b）: The capillary potential and its relation
to soil-moisture contents. Soil Sci. 10 : 357 ‒ 359.
Garder, W. , and J. A. Widtsoe.（1921）: The movement of soil
moisture. Soil Sci. 11 : 215 ‒ 232.
Gardner, W. , O. W. Israelsen, N.E. Edlefsen,and H. Clyde.
（1922）: The capillary potential function and its relation

Or（2001）の論文に刺激されてテンシオメータの開to irrigation practice.（Abstract）Phys. Rev. 20 : 196.

発 史 を 少 し 紐 解 い て み た． 当 初 思 っ て い た 以 上 に長谷川周一（2002）: 土壌浸透水のモニタリングと予測 , 日本土壌肥料学会監修 : 環境負荷を予測する＿モニタリングから

Livingstone と彼の共同研究者たちにより土壌から植物への水の供給について詳細な研究がなされていたことに驚くとともに，不飽和流れに関する運動理論を展開する
土壌物理学の中で有用な測定装置としてテンシオメータを位置付けたのは Gardner et al.（1922）であったこと

モデリングへ＿ . 13 ‒ 22, 博友社 , 東京 .
Heck, A. F.（1934）: A soil hygrometer for irrigated canelands of Hawaii. Agron. J. 26 : 274 ‒ 278.
Israelsen, O. W.（1927）: The application of hydrodynamics toも再確認できた．そして，今回の「古典を読む」を執筆

irrigation and drainage problems. Hilgardia 2 : 479 ‒ 528.

しながら，改めて似たもの（ここでは土壌中の水分）を

Kirhkam, M. B.（2004）: Gardner s equation for water move-

対象にした違う分野の研究にも興味を持つことの重要性

ment to plant roots,In Principals of soil and plant waterを感じたしだいである．しかしそのためには，Willard

relations, 229 ‒ 240, Elsevier Academic Press, USA.

Gardner のように自身の専門分野について詳細に理解

Livingston, B. E.（1908）: A method for controlling plant mois-

し，研究課題を常に見つけておく姿勢が必要なのかもしれない．
また，Willard Gardner の思想は弟子の Richards, 息ture. Plant World 11 : 39 ‒ 40.
Livingston, B. E.（1918）: Porous clay cones for the auto-irrigation of potted plants. Plant World 21 : 202 ‒ 208.

子である Walter H. Gardner, 甥の Wilford R. Gardner

Livingstone, B. E. , and N. Kotetsu.（1920）: The water-supply-らに受け継がれた．Richards と Wilford R. Gardner は，ing power of the soil as related to the wilting of plants.

1950 〜 60 年代に U. S. Salinity Laboratory で共に研究に取り組んだ．また，大学院で物理学を専攻していたWilliam A. Jury は， 土 壌 中 の 水 蒸 気 移 動 の 研 究 で
Wilford R. Gardner と出会い，それをきっかけに土壌物理学の道へ進んだようだ．このように見ていくと，アメリカにおける土壌物理学の発展の中での Gardner 家の貢献は多大なるものがあったことがわかる．興味を持たれた読者は，土壌物理学を発展させてきた重要人物たちの繋がりを調べてみるのも面白いかもしれない．研究の発展には，人と人との繋がりが重要な要素となっていると考えられるからである．

Soil Sci. 9 : 469 ‒ 485.
登尾浩助（2008）: L. A. Richards 著「多孔質体を通る液体の毛管伝導」. 土壌の物理性 . 109 : 75 ‒ 79.
Or, D.（2001）: Who invented the tensiometer? Soil Sci. Soc.
Am. J. 65 : 1 ‒ 3.
Philip, J. R.（1974）: Fifty years progress in soil physics. Geoderma 12 : 265 ‒ 280.
Pulling, H. E.（1917）: The rate of water movement in aerated
soils. Soil Sci. 4 : 239 ‒ 268.
Pulling, H. E. , and B. E. Livingstone.（1915）: The water-supplying power of the soil as indicated by osmometers.

講座：「毛管ポテンシャル関数と灌漑操作への応用」
Carnegie Institution of Washington. 204 : 49 ‒ 84.

65

tions with tensiometers. Soil Sci. Soc. Am. Proc. 1 : 71 ‒ 91.

Raats, P. A. C. , and M. T. van Genuchten.（2006）: Milstones
in soil physics. Soil Sci. 171（6）: S 21 ‒ S 28.

Richards, L. A. , M. B. Russell,and O. R. Neal.（1937）: Further
developments on apparatus for field moisture studies.

Richards, L. A.（1928）: The usefulness of capillary potential
to soil moisture and plant investigators. J. Agr. Res. 37 :719 ‒ 742.

Soil Sci. Soc. Am. Proc. 2 : 55 ‒ 64.
Taylor, S. A.（1965）: Willard Gardner 1883 ‒ 1964. Soil Sci.
100 : 79 ‒ 82.

Richards, L. A. , and W. Gardner.（1936）: Tensiometers for

Utah State University Libraries（2006）: USUSC Mss 269 :measuring the capillary tension of soil water. J. Am. Soc.

Wilford R. Gardner Papers.（URL : http : // library. usu.

Agron. 28 : 352‒358.

edu / specol / manuscript / collms 269. html. 2012 年 1 月 閲

Richards, L. A. , and O. R. Neal.（1936）: Some ﬁeld observa-

要

覧）

旨

Or（2001）が指摘したように，テンシオメータの原型は Livingstone の開発した自動潅水装置であったが，Buckingham の毛管張力に基づく不飽和流れに関する運動理論をもとに「毛管力による土壌中の水移動」や「毛管ポテンシャルとその土壌水分係数との関係」などの研究に取り組んできた Willard
Gardner によって土壌物理学の中で不飽和流れに関する運動理論を研究する際の有用な測定装置としてテンシオメータを位置付けられたことを Gardner et al.（1922）をもとに紹介した．その後，圃場におけるマトッリクポテンシャルの測定装置としてテンシオメータの改良が進み，フィールド科学としての土壌物理学が発展していく礎となった．
キーワード：テンシオメータ，毛管ポテンシャル，土壌水分土 粒 子凍土のリンク
渡辺晋生 1

Wikipedia で自分の名前に遭遇した．土の凍結関連証するばかり．装置の改良を続けても，なかなか先に進ページの記述に見覚えを感じ，該当ページ下段の参照項

めない．低温室と研究室の往来を重ねても，先人達は今目を見ると，私のホームページへリンクが張られていた．

より余程よく分かっていたのだな，本当によく勉強して

いつ，どなたが引用して下さったのか分からないが，嬉いたのだなとの思いが募るばかりである．それでも，土しいような小っ恥ずかしいような．以前書いた土の凍結の凍結は水の相変化をともなう水分と熱の移動現象．溶についての論文が，氷河の底面滑りや燃料電池の氷点下

質や時には土そのものの動き，ガス発生や微生物活性の駆動といった予想外の論文中で引用されているのを見つ

変化もともなう複雑な現象である．身近な現象といえどけた時のような楽しい驚きであった．

も，分かっていないこと，詰められていないことが多々低温室に入るようになって 20 年近くになる．先輩諸

残されている．これらを如何に実験から示し，数値モデ

氏が使ってきた装置を継承しての飽和土のカラム凍上実

ルの改良に還元したらよいのか．あがいている間にも月験．こだわりを持って装置やプログラムを手作りし，顕日だけは流れる．思いついたアイデアを議論できる相手

微鏡を覗いた土中やガラス粉体中の氷晶（アイスレンズ）が内外に増え，低温室で凍結実験に関わってくれた卒業・

析出過程の観察．そして，核磁気共鳴や顕微ラマン分光，修了生の数も増えた．自ら低温室で過ごす時間は減り，

X 線散乱イメージングなど，高価な機器を借りての様々

コンピュータの前で得られたデータの解析や数値計算にな多孔質体中の不凍水量や氷の微細構造測定と，低温室取り組む時間が増えた．中学生の頃は趣味，学部生の頃での作業は次第にマニアックな世界へ進行した．このは卒論テーマ，今では HYDRUS．数値計算とは何かと間，凍土の素敵な写真や映像もたまった．せめてこれら縁があるようである．気がつけば，再び細かい世界．既を分かりやすくエッセンスとまとめておこうと，ゼミや往の数値モデルの示す凍土の透水係数ではどうにも辻褄共同研究先への説明の際に作ってきた一連の資料が，件があわない不凍水量−圧力関係が浮き上がってきた．そのホームページである．

んな話を土壌の物理性に投稿したところ，光栄にも学会

飽和土だけではとの思いが常にあった．そこで，折り賞を頂くこととなった．関係諸氏に感謝するばかりであをみて不飽和土を対象としたカラム凍結実験も始めた．

る．その後，本誌に書ききれなかった実験データを海外

飽和土については 1920 年代から各種凍結実験の報告が誌に載せたところ，凍土の若手研究者や水分特性曲線であり，日本でも鉄道や飛行場，LNG 地下タンクの建設

有名な某氏からも反響があり，幸い好評である．まだまや地盤凍結工法に関して歴代の多くの実験例がある．一だうまく示せないことばかりではあるが，ようやく糸口

方，不飽和土については，1980 年代より先駆的な実験が少し見えてきたのかもしれない．

例が散見でき，数値モデルもそれなりに提案されている

今年の冬もそろそろ終わる．庭の霜柱を踏みつけていものの，系統的な実験報告は正直少ない．これまで培っると，独特の薄暗さとにおいの低温室に籠もり，新しいてきた飽和土の実験技術があれば成果も容易にあがるだ

凍結実験を始めたい衝動に駆られる．飽和不飽和に依ら

ろう．そんな思いで気軽に始めた不飽和土の凍結実験

ず扱ってみたい現象，試してみたいことは沢山ある．土だった．土が凍ると，未凍土から凍結面へ水分が移動すの凍結現象と周辺現象とのつながりを考えるにつれ，温ることは比較的知られた事実であり，冬の朝，グランド

度計や水分センサ，テンシオメータ，熱流計に加え，酸の表面が湿っている理由の一つでもある．地表が凍結に化還元電位計や硝酸メータ，新たな負圧計など，実験室さらされる農地も少なくない．凍結にともなう不飽和土のカラムに突き刺さるセンサの数とバリエーションは中の水分移動は比較的身近な現象ではあるが，実験成果年々増加の一途をたどる．対象とする土中水の相変化もは思うようにはあがらなかった．

非平衡過程やヒステリシスと随分マニアックな世界に入

カラムの断熱や境界の温度制御，凍土の水分・温度モ

りつつある．そうこうしている間に，また多くの写真やニタは，これまでの経験やセンサの進歩により，既往のデータがたまってしまった．これらを，もう少し分かり研究にくらべ比較的精度良く行うことができた．それでやすい形でもまとめていかなくては．そしてまた，いつも，得られる結果は既に報告されている内容を再現・検かどこか予想外のところで自分の名前と遭遇できれば，きっと楽しい次第である．

1

三重大学大学院生物資源学研究科
2012 年 2 月 13 日受稿 2012 年 2 月 14 日受理
土壌の物理性 120 号，67（2012）

書評

地下水用語集公益社団法人 日本地下水学会［編］
理工図書株式会社 2011 年 11 月 9 日初版第 1 刷発行
B 5 版 143 頁 ISBN978 ‒ 4 ‒ 8446 ‒ 0782 ‒ 3
定価 本体 2, 400 円＋税

本書は，公益社団法人日本地下水学会の創立 50 周年

際的・横断的な研究領域であることがわかる．土壌物理を記念して出版された，地下水に関わる各種専門用語を

学の専門用語も多く含まれているので，「新編土壌物理

解説した用語集である．18 名で構成される編集委員会

用語事典（土壌物理学会編，養賢堂，2002）」での解説が選定した約 1200 の見出し語について，78 名の執筆者と読み比べてみるのも面白い．

により，一語につき 100 〜 400 字程度の説明が加えられ

さて，改めて「地下水学（groundwater hydrology）」ている．対象読者としては，地下水に関わる研究者や技という用語を本書で調べてみると，「地球上の水循環を術者の他，一般の方々を想定している．英語表記，同意

構成する水文要素の中で，地表面下の水（地下水）の動

語や関連用語の記載も充実しており，利用者の視点を考

きや地下の地質・水理などを主たる研究対象とする学問慮した編集となっている．
ほんの一例として，本書に収録されている用語をア〜
ワ行までランダムに拾ってみよう．

分野．地表での水文現象の研究も密接に関連している．
（後略）」とある．後段の「地表での水文現象」は，まさに土壌物理学の研究対象である．雨量が多い日本では土アルカリ度，井戸，運動エネルギー，エルニーニョ，

壌中の水の動きは主に下向きとなることから，地下水の汚染源，環境基準，逆解析，グリーン・アンプト式，嫌硝酸汚染に見られるように，土壌の管理法が地下水水質気性微生物，洪積層，酸化還元電位，浸透能，水理ポテに強く影響することは周知の事実であろう．土壌物理学

ンシャル，線形計画法，相対湿度，脱窒，地下水，通水は地下水と つながって いるのである．会員諸氏には，施設，テイラー展開，毒性，ナビエ・ストークスの方程

土壌物理学と密接に関連する地下水のことを良く理解す

式，ニューラルネットワーク，濡れ相流体，根腐れ，ノるため，折に触れて本書を利用されることをお勧めした

イマン型境界条件，発がん性物質，氷河期，分水界，ペい．

ンマン法，ポリ塩化ビフェニル，マクロポア，湖，名水

なお，本用語集は見出し語がアイウエオ順に配列され百選，モニタリング，ヤコブの方法，有機物，溶出，ラていることから，「読む用語集」というよりも「引く用ングミュアの吸着等温式，流束，ルーフィング，連続の語集」の趣が強い．前述の土壌物理用語事典では，収録

式，漏水係数，ワジ．

用語をアイウエオ順ではなく 15 の大項目に分け，さら実に多彩である．これらの用語だけを眺めていると，にその内容に脈絡を与えて配列し，事典的性格を持たせ

何の専門分野の用語集なのか判断がつきにくいのではなている．もちろん，索引を利用して目的の用語を簡単に

いか．1200 あまりの見出し語は，物理学，化学，生物学，探すこともできる．初心者には「読む用語集」の方が知

地学，数学，工学，気象学，環境科学，社会学など，様々

識の体系化には役立つように思うが，これは個人の好みな研究分野に属するものである．地下水研究が極めて学によるかもしれない．
中辻敏朗（北海道立総合研究機構中央農業試験場）

2012 年 2 月 20 日受稿 , 2012 年 2 月 20 日受理
土壌の物理性 120 号，69（2012）

会 務 報 告Ⅰ．2011（H23）年度

第 5 回編集委員会

開催形式：電子会議
日講読会員

大阪府立大学農学部図書室

講読会員

農林水産省農林水産研究時：質疑応答・討論

情報センター研究情報課

2012 年 2 月 27 日〜 3 月 4 日

正会員

中原

採決

正会員

近江谷

治
和彦

正会員

金田

吉弘

席：中辻敏朗

飯山一平

木村園子ドロテア

正会員

木村

眞人

古賀伸久

竹内晴信

永田修

正会員

服部

重昭

正会員

大倉

玉圭

正会員

荒木

陽

正会員

岩谷

斉

正会員

長澤

徹明

正会員

エムディ・ザカリア・ホセイン（1） 編集委員長より提案のあった「土壌の物理性

正会員

足立

忠司

120 号｣ の発行計画が全会一致で承認された．

正会員

南川

和則

正会員

相馬

尅之

2012 年 3 月 5 日〜 3 月 8 日
出

花山奨

早川敦

森昭憲

山本忠男

丹羽勝久

笛木伸彦

宮本輝仁

渡辺晋生

（委員 14 名中 14 名参加：成立）
○

議事内容

１．議題

２．報告
（1） 編集幹事より，現在の閲読の進行状況について報告がなされた．
（2） 閲読者の匿名性を確実なものにするために，

角野

三好

学生

西原

光俊

現在会員数（2011 年 12 月 5 日現在）

担当編集委員になった際には閲読者のコメン

正会員（国内）： 315

ト等が記載された書類を pdf 化して著者に送正会員（海外）：5

るよう，編集幹事から編集委員に依頼がなさ

学生会員（国内） ：

46

れた．

学生会員（海外） ：

2

賛助会員数

9

Ⅱ．会員消息（2012 年 2 月 29 日まで，敬称略）
入会

正会員

学生

古谷

啓

小

計

講読会員

： 377

三重大学大学院
講読会員

退会

：

宮城大学総合情報センター
太白キャンパス図書館

合

計

：

45

： 422

72

̶編 集 後 記̶「土壌物理学会は，地球陸地の表面近くにある土壌に

これまで数件の投稿論文の編集を仰せつかりました．

おける，水，エネルギー，物質の移動・変換・貯留，お寄せられた論文の内容はどれも興味深い貴重な新知見でよび大気，地下水との交換現象について，土壌に生息すあり，編集委員としても本誌への掲載は大変な光栄と思る植物，微生物，動物の活動との関係を含めて研究対象

える原稿ばかりでした．しかし残念なことに，いくつかとしている学会です」．

の投稿論文には再投稿をお願いせざるを得ませんでし

これは本学会会長・波多野隆介先生が本誌第 118 号

た．理由としては，本学会の主旨（前述）に沿った構成（2011 年）に巻頭言として寄せられた第一文です．
「こや考察になっていなかったことや，得られたデータの解の主旨に従って，幅広い方面の研究者・技術者から積極釈・考察が十分でないこと等が上げられます．

的に論文を投稿していただき，土壌の物理性と土壌物理貴重な研究結果を埋もれさせるのは多大な損失であり学会を大いに盛り上げなさい」．編集委員を仰せつかっます．多様な専門性を持つ会員諸氏からの積極的な投稿た時，このような指示を受けたものと解釈し，できる限をお待ちしております．

りご期待に応えようと現在も務めているつもりです．

笛木伸彦（編集委員）

土壌物理学会会則
第 1 条 本 学 会 は 土 壌 物 理 学 会 (Japanese Society of Soil
Physics) と称する．
第 2 条 本学会は土壌物理に関する研究の進歩と普及を図り，農業技術及び環境科学の発展に貢献することを目的とする．
第 3 条 本学会はその目的を達成するために次の事業を行う．
（1）研究発表会，討論会及び見学会などの開催（2）学 会 誌「 土 壌 の 物 理 性（Journal of the JapaneseSociety of Soil Physics ）」並びにその他の印刷物の発行（3）内外の研究，技術の交流及び他の学会，諸団体との協力（4）優れた論文に対する表彰（5）その他，本学会の目的を達成するために必要な事業
第 4 条 本学会の会員は，正会員，シニア会員（これまで正会員であって 60 歳以上の常勤職に就いていない者），
学生会員及び賛助会員，購読会員の５種とする．学会への入会または退会の際は，本学会に届け出なけ
ればならない．
第 5 条 会員は次の会費を所定の期日までに納めるものとする．
正会員
年額
5,500 円
シニア会員
年額
3,000 円
学生会員
年額
3,000 円（大学院生を含む）
賛助会員
一口年額 22,500 円
購読会員
会誌年額
7,500 円
広告料
賛助会員 15,000 円
賛助会員以外22,500 円
第 6 条 本学会に次の役員をおく．任期は 2 年とする．ただし，3 期連続の重任は認めない．選出方法は次による．
（1）会長 1 名 , 副会長 1 名，編集委員長 1 名
正会員の中から評議員会によって選出される．
（2）評議員イ 15 名
正会員の中から選挙によって選出される．
ロ 3 名以内を会長が正会員の中から委嘱する．
（3）会計監査 2 名
正会員の中から評議員会によって選出される．
（4）幹事若干名
若干名の庶務 , 会計，編集の幹事を会長が委嘱する．
第 7 条 会長は毎年 1 回以上総会並びに評議員会を招集する．
（1）総会は本学会の最高議決機関であって，事業計画，
予算・決算，会則の変更等を決定する．総会は正会員，
シニア会員及び学生会員で構成される．
（2）評議員会は，会員の選挙によらない役員の選出，総会議案，その他の重要事項を検討する．評議員会の議長は会長がこれにあたる．
（3）総会及び評議員会の議決は委任状を含む多数決とする．ただし，会則の変更は，総会出席者の 3 分の 2以上の賛成を要する．
第 8 条 本学会の会務は，評議員会及び総会の議を経て，会長，
副会長，編集委員長及び 幹事がこれを執行する．会
務執行に必要な規程は別に定める．
第 9 条 本学会に次の委員会をおく．
（1）選挙管理委員会
正会員の中から評議員会によって選出され，本学会の評議員選挙を管理する．
（2）編集委員会
正会員の中から評議員会によって選出される委員によって構成され，学会誌その他の印刷物の編集に当たる（3）学会賞選考委員会
正会員の中から評議員会によって選出される委員によって構成され，学会賞を選考する．
第10 条 本学会の経費は会費その他の収入を持ってあてる．
本学会の会計年度は毎年 4 月 1 日に始まり翌年 3 月
31 日に終わる．
附則（1） 本 学 会 の 連 絡 先 は， こ れ を 当 分 の 間 次 に 置 く．
〒 060-8589 北海道札幌市北区北 9 条西 9 丁目 北海
道大学大学院農学研究院（2）本会則は，2011 年 4 月 1 日より施行する．
（2011．10．28 改正）
細則（1）シニア会員
1）シニア会員は，これまで正会員であって 60 歳以上の常勤職に就いていない者
2）シニア会員への変更は，資格を有する会員からの申告を受け，評議員会の承認を受ける．原則として申告された年度から適応するが，当該年度中に有資格となった場合は，次年度から適応する．
3）シニア会員の権利は正会員に準ずる．ただし，会則第 6 条で定める役員および第 9 条で定める委員
会委員に就くことはできない．
（2011．10．28 制定）

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2012 年 37 月 20
土壌の物理性 第 118（会員配布） 2011
20 日発行
日発行
120 号（会員配布）
発行 土 壌 物 理 学 会‒8589
060-8589〒 060

札幌市北区北 9 条西 9 丁目
北海道大学大学院農学研究院内
011-706-3641
電話
011‒706‒3641
E-mailspsyomu@ml.affrc.go.jp‒mailspsyomu@ml.aﬀrc.go.jp
Ehttp://wwwsoc.nii.ac.jp/jssp3/
URL
http://www.iai.ga.a.u‒tokyo.ac.jp/jssp/
北洋銀行北七条支店（店番）
銀行口座
北洋銀行北七条支店（店番 312
312）
普通 3963234 土壌物理学会 会計 倉持寛太
倉持寛太
‒2‒40943
郵便振替
口座番号：01350-2-40943
口座番号：01350
加入者名：土壌物理学会
加入者名：土壌物理学会
spkaikei@ml.affrc.go.jp
spkaikei@ml.aﬀrc.go.jp
会費など会計に関する問い合わせ先 E-mailE‒mail編集委員会事務局（投稿原稿送付先）‒mailkibyosi@ml.aﬀ
rc.go.jp
EE-mailkibyosi@ml.affrc.go.jp‒tokyo.ac.jp/jssp/）
で最新のものをご確認下さい．
所在地はホームページ（http://www.iai.ga.a.u
所在地はホームページ（
http://wwwsoc.nii.ac.jp/jssp3）で最新のものをご確認下さい．
印

刷

創文印刷工業株式会社‒ 0011 東京都荒川区西尾久 77-12-16‒ 12‒ 16〒 116
116-0011

ISSN 0387-6012

土壌の物理性第 120 号

平成 24 年 3 月 20 日発行（年 3 回発行） 昭和 45 年 7 月 31 日

学術刊行物承認ISSN 0387-6012

Journal of the Japanese Society of Soil Physics
土壌の物理性No. 120

March, 2012

Foreword…………………………………………………………………………………………… H. SHIGA …

1

第一二〇号

Contents

土壌の物理性Journal of the Japanese Society of Soil Physics

Symposium reviews
Physics as a field science and its role to our society
5Technological trend of Drainage improvement for upland soil……………………………………………………………………………………… I. KITAGAWA …

15

Landuse of peatland and its conservation…………………………………………………………………………………………… T. INOUE …

21

Maximum permissible nitrogen input into agricultural land to prevent nitrate pollution in groundwater……………………………………………………………………………………… T. NAKATSUJI …

23

Denitrification in paddy fields and shallow aquifers for environmental water purification…………………………………………………………………………………………… S. EGUCHI …

29

Discussion at the 53rd symposium on soil physics as a field science and its role to our society………………………………………………… J. KASHIWAGI, Y. IWATA and T. NAKATSUJI …

39

二〇一二年 三 月

History of Soil Physical Studies in Japan……………………………………………………………………………………… S. HASEGAWA …

2012 年 3 月

第 120 号

Original Papers
Adsorption of Sodium Dodecylbenzene Sulfonate on Highly Humic Non-allophanic Andisol at High-Electrolyte
Concentration………………………………… Farook AHMED, M. ISHIGURO, K. MORIGUCHI and T. AKAE …

45

A simple and low cost method for measuring gas diffusivity and air permeability over a single soil cylinder…………………………………………………………… Purwoko Hari KUNCORO and K. KOGA …

55

Notes

Lecture series
Reviewing classical studies in soil physics“The capillary potential function and its relation to irrigation practice”
By W. Gardner, O. W. Israelsen, N.E. Edlefsen, and H. Clyde, Phys. Rev. 20, 196（1922）……………………………………………………………………………………… T. MIYAMOTO …

61

Readers’ column………………………………………………………………………………………K. WATANABE …

67

Book Review……………………………………………………………………………………… T. NAKATSUJI …

69

Announcements………………………………………………………………………………………………………………

71

Editor’s Postscript………………………………………………………………………………………………………………

72
土
壌
会

http://www.iai.ga.a.u-tokyo.ac.jp/jssp/

学

Research Faculty of Agriculture, Hokkaido University
Kita9 Nishi9, Kita-ku, Sapporo, Hokkaido 060-8589 Japan

理

Japanese Society of Soil Physics

物

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土壌物理学会Japanese Society of Soil Physics