National Agriculture and Food Research Organization

農業・食品産業技術総合研究機構

寒地の気象資源を活用した農業技術および農業気象情報システムの開発

廣田知良（農研機構 北海道農業研究センター）

農研機構は食料・農業・農村に関する研究開発などを総合的に行う我が国最大の機関です気象情報の農業への応用

メッシュ農業気象データ 日単位 １ｋｍ２

各気象要素の高精度化
気象要素の推定手法の開発

農業への応用私井たちが取り組んでいる課題
農業気象情報システムの開発と気候変動的適応策
気象災害、農業気象情報システム
気象対応型の対策技術の充実化

気象データ作成

適地評価、気候変動影響

寒地におけるメッシュ
農業気象データの拡充

気候変動適応策
水稲・畑作・牧草果樹等

水稲・小麦など
各種作物生育評価手法の開発・改善

基礎的気象要素（気温、日射、降水量…）

品種・品目・技術の適応域の変動
各種指標値の変動

導出

データ
土壌凍結深制御
雪踏み

北海道版
水稲冷害など気象対応型対策システムの開発
農業気象情報システム

雪割り

データ
応用的気象要素・各種指標
温暖化予測等

適用範囲、応用分野の拡大
その基礎となる理論・技術の高度化

要旨
土壌凍結深制御 (Soil frost control)１．発見の経緯（気候変動と野良イモ対策）
２．概念・特徴
３．成果・技術の普及
４．気象庁との共同研究
５．現時点での発展

対象地 寒冷地 北海道
ばれいしょ
小麦

全国の８割
〃７割
等々

我が国を代表する農業地帯

十勝地方（北海道の中でも大生産地帯）

大規模畑作・輪作（小麦、ジャガイモ、豆、ビート等）（農家１戸平均30ha以上）我が国における北海道・道東地方（十勝・釧路・根室・網走）の重要性

畑の面積は全国の３割
北海道の６−７割

牧草の面積は全国の６割
北海道の７割これらはすべて、積雪・土壌凍結地帯に位置する

1986
1987
1988
1989
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010

・研究背景
北海道・十勝地方は土壌凍結深が顕著な減少傾向に！

0102030405060図 土壌凍結深観測結果

北海道農業研究センター（十勝地方芽室拠点）野良イモ発生例a) イモ収穫後, b)ビート畑の野良イモ c) 小麦畑の野良イモd) マメ畑の野良イモ

・野良イモの問題点
・次作作物との競合・病害虫の温床・異品種混入

夏の繁忙期に辛い手取除草
作業時間１人 30‑70 時間/ha

畑は数ha規模以上

雪割りの誕生（一部の農家が農閑期に除雪をして土を凍らせ始めた）雪割り作業とは 畑全体を凍らせるためには少なくとも２回、雪割りが必要！
(a) 一回目雪割り
雪雪土壌（未凍結）土壌(未凍結)(b)二回目雪割り
雪

一回目雪割りで凍結した土壌(c) 全面凍結達成
雪作業機械による雪割り作業

二回目雪割りで凍結した土壌

作業時間は１ha 30分以内雪割り（除雪）で野良イモが見あたらない

課題
凍結過剰

凍結不足

土が深く凍りすぎて水が抜けない

野良イモ発生春の農作業が遅れる

収穫量が減少どのくらい凍らせる？

雪割りから土壌凍結深制御へ

農家の勘と経験の世界から.

科学的知見に基づく最適な土壌凍結深の探査とその制御方法の実現

野良イモ凍死温度の同定 日平均地温‑3℃以下で野良イモは凍死
-3℃
100

イモ生存率
塊茎生存率 (%)

806040凍死

20

生存0-10-8-6-4-202

日平均地温の最低値 (℃ )図 冬期間の日平均地温の最低値とイモ塊茎生存率との関係（北海道農研● 十勝農試○ 圃場データ）

最適土壌凍結深の設定
閾値温度から閾値深さ（野良イモ凍死深さ）への変換

残存イモの多くは 地下15cm以内にある。
2)
残存イモ数（個/100m
残存塊茎(個/a)

深さ(cm) 00〜5100 200 300 400 500 600 700 800
いも径(mm)(cm)〜20〜25〜1020〜302〜 330〜10〜1515〜20

残存イモ数分布状況
残存塊茎分布状況（越冬前、２０１１−１２）（十勝農試調査）

凍結深30 cm（深さ15 cmの日平均地温-3℃）

凍死

プロットの印の違いは畑が違うことを示す

大規模農地での環境制御の実現
ー雪割りは凍結深制御には極めて合理的作業ー
雪は優れた断熱材（深さ15〜20 cm以上）(a) 一回目雪割り
前期

凍結深を制御モデルを用いて最適な土壌凍結深に達成するよう雪割りのタイミングと期間を指示

雪土壌(未凍結)(b)二回目雪割り
後期
雪

一回目雪割りで凍結した土壌
前期(c) 全面凍結達成
雪二回目雪割りで凍結した土壌
後期

雪を割って横に移動させるだけで、凍結促進と抑制を同時に実現。

土壌凍結深予測モデルの開発と活用
・気象データ（気温＋積雪深）から土壌凍結深を計算
予測方程式の開発

 T(z,t)2 T(z, t) 2
C1( )
 (T(z,t) Tym)
tcDa z1


作業負担の大きい観測は不要！
（Hirota et al.2002)土壌凍結深の予測とコントロール
観測値の再現だけでなく、 １〜２週間先の予測・（次の雪割り日）も可能

月
12月

1月

2月

予測期間
10203040

除雪開始
除雪時点で→ 凍結深40cm予測

雪を再堆積

50
除雪期間の気温、観測値ではなく 平年値（予測値） 積雪深 2 cmを入力

図 方程式で予測した土壌凍結深と実際の観測値の比較

凍結深制御適用条件の同定 雪割り作業晩限

暖冬年を想定した
雪割り処理晩限の設定

後半（２回目）の雪割り作業の晩限日(30年に一度の暖冬でも全面 30 cmを凍結させるための雪割り日の晩限)(矢崎など,2012 改訂図）

凍結深制御適用条件の同定 温暖化将来予測
表１ 現在の気候条件と気温が変化した場合の必要な土壌露出期間（気象条件は十勝地方芽室を対象
均気温は(12-2月の平均値）温暖化シナリオは気象庁(2005)における予測o

気温の変化幅ΔTa ( C)o

冬の平均気温 ( C)
気候温暖化シナリオ
イモの埋設深さ (m)
0.05
0.10
0.15-4-30

3

冬の平5-12 -11002-8-5-3現在 2081-2100
土壌露出期間（日）0911122101322
不可
91220（Hirota et al.2011）土壌凍結深制御の概念と特徴
1. 目標とする最適土壌凍結深の設定
閾値温度（野良イモ凍死温度 −３℃）
→閾値深さへの変換（野良イモ凍死 凍結深 30cm）

2.断熱材の積雪と数値モデルを活用した土壌凍結深制御

3.雪割りを活用した大規模農地での環境制御
4. 凍結深制御の適用条件の同定

土壌凍結深、野良イモ、雪割り作業支援情報システム
いつ、どれくらいの期間、雪割りに入るか
野良イモはどの深さまで退治しているか

雪割り実施者へ情報配信てん蔵（日本気象協会）による凍結深、野良イモ状態、雪割り作業計画・意志決定支援①②

十勝農協連により十勝の農協24団体と農家に広く配信!

野良イモ株数/a

高い防除効果を実証
150
100
500

防除効果
９５％以上

未実施

雪割り

雪割り実施の有無と翌年に発生した野良イモの株数（H22‑23年、23‑24年のべ6地点の平均）

雪割り・土壌凍結深制御の畑 (野良イモを完全に退治)
寒さの価値の発見

・夏の人の作業から冬の農閑期の機械作業へ
・労働時間を大きく削減 （数十分の１）→雪割り作業 0.5h/(ha) ２回で合計１時間
・農薬もいらない土壌凍結深制御の拡張とイノベーションの連鎖

気温による理論上の適用可能地域
オホーツク地方への展開
降雪日数、量、積雪深等の要素について検討が必要。

沿岸の一部地域を除く
道東の広範囲で適用の可能性あり
図 土壌凍結深制御による野良イモ防除の適用可否（12〜2月の気温による推定）○：実施可能、●：実施困難

気象庁予報データを利用し、Google mapを活用した
土壌凍結制御システムへ拡張

十勝＋オホーツク地方への展開

野良イモ防除土壌凍結深の違いが融雪水の浸透に及ぼす影響
融雪水の挙動が大きく変化

凍結層が融雪水の浸透を抑制

融雪水量 ＝ 浸透量（Iwata et al.2007 Iwata et al. 2010）

土壌凍結深の変化が土壌中の硝酸態窒素動態に及ぼす影響
硝酸態窒素濃度（mg N kg-1）
土壌の深さ （cm）

020400.4
400.6
600.8801001

20406000200.2060

融解後→
↑凍結前
凍結深45 cm
→残留200.2

←融解後

←凍結前

400.4
600.6
800.8
1001

凍結深0 cm→流出

凍結層の発達→融雪水の土壌浸透が妨害→硝酸態窒素が残留
凍結深浅い→融雪水が土壌に浸透→硝酸態窒素が地下水汚染源の恐れ(Iwata et al.2013)温室効果ガスN2O（CO2の約300倍の温暖化ポテンシャル 農業由来大 土壌凍結融凍期大量放出）
一酸化二窒素Ｎ２Ｏ生成は微生物の反応なので、温度がある程度高くないと発生しないと考えられがちだ
が・・・・

N2Oフラックス (g N/ha/d)

280

てん菜
Sugar beet

2015PH

B

年間放出量89%

10505

実際は

6789101112

1234560

N2Oフラックス (g N/ha/d)

Ｎ２Ｏは低温の土壌凍結融
凍期に年間の８０％以上大放出

275

50

秋まき小麦

土壌凍結融解期にN2Oが大発生！

40

年間放出量80%3020
1008910111212345678月

図 北海道・十勝の畑地におけるＮ２Ｏフラックスの経時変化(Koga et al. 2004)土壌中（10 cm深）でのN2O生成・蓄積動態
融雪水の浸透不良が通気を妨害し微生物反応（脱窒）を誘導
大放出
最大凍結深：41 cm

最大凍結深：12 cm

地表面からN2Oが排出される前に土壌ガス中N2O濃度が上昇しO2濃度が低下、土壌凍結が浅いとそのような変化なし（Yanai et al.2011)

N2O放出量は土壌凍結深が深く、湛水が発達するほど多い
After Yanai et al. (2011)11-4月の積算N2O放出量（kg N ha-1）

2.5

2008-2009年：
融雪期に残雪2.0
1.51.02009-2010年：
融雪期に無雪0.50.0
‑0.5
00.1

0.2

0.3

0.4

0.50.6

年最大凍結深（m）

N2O放出量と土壌凍結特性の関係

生産性向上と環境負荷低減の両立へ発展

図 野良イモ発生を抑えつつ融雪水の浸透を妨げす、かつ硝酸態窒素を作土に残す土壌凍結深の探索

Yanai, Iwata, Hirota(2017) Scientific Reports「農研機構」は国立研究開発法人 農業・食品産業技術総合研究機構のコミュニケーションネームです。

2017-2019年度
農林水産省
農食事業38気候の変化が農業を変える

真冬の十勝の畑を上空から見ると

気候の変化が農業を変える！

気候の変化が農業を変える！

気候の変化が農業を変える！

北海道 北見 たまねぎ畑

野良イモ対策ではない雪踏み風景