はじめに
北海道は日本の食料基地としての役割を果たし㈶北海道開発協会
平成15年度研究助成論文サマリーており、農地としての土地利用が多い。北海道は

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北海道
健発
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すドる
研究

冷涼な気候のため害虫の発生が少なく、少ない農薬使用量で野菜類を栽培できるメリットがある。
「北海道の野菜」といえば今でも本州では「安全でおいしい野菜」の代名詞であり、信頼性が高い。
だが、近年では食に対する関心の高まりとともに、日本全国において、「減農薬」栽培や「有機」栽培を行うことによって付加価値を高めた農作物が出荷されている。それらの栽培方法は広く認知された「ブランド」として定着しており、従来の生産法による商品よりも競争力を持っている。「北海道の野菜」に対してそれ以上の競争力をつけるには新たなブランドを創り出し付加する必要がある。また、過剰施肥は地下水汚染やコスト増大を招き、競争力を低下させるため最適な施肥方法について検討する必要もある。
われわれは、現在構築しつつある分析方法によって定量的に表現できる土壌の健康度を新たなブランドとして提案する。本研究では、 土壌の健康度を新たなブランドとしての可能性を調査するとともに、活用する場合に生じる課題点を抽出することを目的として、実地調査および検討を行った。

大平 勇一
室蘭工業大学工学部応用化学科助教授

小幡 英二
室蘭工業大学工学部応用化学科教授

古川 克彦
大北土建工業㈱取締役営業部長

吉田豊

室蘭工業大学工学部応用化学科教授

05.5

5HSRUW

土壌の健康度 を分析するシステムの概要

いが、調査には時間がかかるため「㎡当たりの作物数」と「栽培面積」の積としてある。

農地の土壌分析と言えば、秋または春に採取し式（1）左辺第た土壌中に残留している栄養成分量の測定を指項の「施肥量」については、圃し、農家はこの結果をもとにして次の栽培に必要場に散布した肥料等の種類及び量について各農家な施肥量を決定する。これは人間に例えると、「摂から聞き取り調査が必要である。
式（1）左辺第取栄養診断」に相当する。人間の場合、問診と血項の「その他の供給量」については、降水や散水によって供給される栄養成分で液検査等によって健康状態がおおよそ推定できる。これは、体内での物質代謝の仕組み等があるあり、次式で求めることができる。

程度分かっているためである。しかし、土壌につ（その他の供給量）＝（供給水量）×（栽培面積）

いては土壌分析値から土壌の状態を推定する方法

×（供給水の栄養成分濃度）…(3)式（1）右辺第が確立されていない。われわれの考えている分析水や散水等によるものであり、これを求めるにはシステムは、土壌中に存在する成分がどのような速度で流出・分解するかを調べることで健康度

項の「土壌からの流出量」は降通りの方法がある。暗渠等が設置してある圃場土壌のでは、次式によって計算することが可能である。

を評価するものであり、人間の場合では病院等で行う「健康診断」に相当する。土壌には（土壌からの流出量）＝（浸透水量）×（栽培面積）

イオン交換能に由来する緩衝作用と、土壌中に生×（流出水の栄養成分濃度）…(4)息する微生物による物質代謝作用がある。これら

一方、暗渠等が設置されていない圃場では流出の作用を定量的に把握できるシステムを構築すれ水の採取が困難であるため、土壌内の栄養成分濃ば土壌の健康度度を直接測定し、次式から求める。

を評価することが可能になると考えている。

（土壌からの流出量）＝（浸透水量）×（栽培面積）

以下、分析システムの基本的な考え方について

×（栄養成分濃度差）…
（4 ）

概説する。基本的な概念は化学工学の分野で使用

式（4）、（4 ）における「浸透水量」は降水量、されている物質収支である。土壌に施された肥料散水量であり測定可能な数値であるが、式（4）の「流の出水の栄養成分濃度」、式（4 ）の「栄養成分濃度差」成分に注目すると、は実測が必要である。

（土壌残存量）＋（施肥量）＋（その他の供給量）

式（1）から式（4 ）を用いることで「生物分解量」=（作物吸収量）＋（土壌からの流出量）＋（生物分解量）…
（1）を求めることができる。「土壌からの流出量」をで表すことができる。他の成分についても同一の知ることができれば、土壌の持つ栄養成分の保持式が成立する。一般的に行われている土壌分析で力を評価することが可能となる。また、「生物分は、左辺第項の「土壌残存量」を測定している解量」を知ることができれば、土壌中に生息するものであり、各農家はこれまでの経験等により左微生物による物質代謝作用、即ち土壌の自浄能力

辺第を評価することが可能となる。

項と右辺の値を推定して施肥量を決定している。土壌の健康度を評価するための基本情報はニーズ調査と分析操作の課題点抽出

前述したように土壌にはイオン交換能に由来する緩衝能と、土壌中に生息する微生物による物質代謝作用である。これはそれぞれ右辺第項に相当する。右辺第、平成15年度に中富良野町の農家

項と第趣旨説明を行い、賛同をいただいた。各農家から項を求めるにはその圃場を試験圃場として提供していただくことが他の項目を把握する必要がある。
右辺第名に本研究のでき、 土壌の健康度に対するニーズが大きい項の「作物吸収量」を定量的に把握すことを確認した。土壌内での物質挙動を解明するるには、単位面積当たりの栽培作物数、栽培作物ためのデータ取得を兼ねて今回は土壌内栄養成分つ当たりの栄養成分含有量、栽培面積のつをを直接測定する方法を採用した。 土壌の健康度調べ、次式で計算する。

を評価するために分析を行う項目の中で最も時間（作物吸収量）＝（を要すると予想される事項は、土壌採取と前処理㎡当たりの作物数）（ふるい分け、乾燥、固液抽出）である。まずこ×（栽培面積）×（栄養成分含有量）…(2)

本来、れらの操作を最適化するため、試験圃場

圃場中の全作物数を数えれば間違いな


05.5

圃場当

たり箇所、15㎝間隔で深度からサンプリング表を行った。サンプル数は合計では210サンプルと測定項目一覧

土壌特性（項目）

水分含有率
強熱減量
pH電気伝導度

化学成分（陽イオン項目，陰イオンなった。
調査は位置決めと採取にの測定及び記録に名、温度・硬度など名、合計名の人員で行った。

土壌サンプリングを行う地点を決定するための位置決めには圃場当たり約30分を要した。土壌採取箇所につき10分程度であるが、温度・土壌硬度の測定には箇所で約10分を要した。埋め戻しカリウムイオン項目） カルシウムイオン
マグネシウムイオン
リン酸イオン
硝酸イオン
硫酸イオン
塩化物イオン

を行い、次のサンプリング箇所に移動するまでの合計時間は約25分であった。これを箇所行うたた。その結果、処理時間とともに濁度は減少した

め、土壌採取、計測、埋め戻しに要する時間は約が、20分の処理時間でも濁度をゼロとすることは125分となる。位置決めの時間を含めると155分とできなかった。10分以上の処理を行えば濁度に差なることから異が認められなかったことから、遠心分離の条件

圃場約時間30分、日当たり圃場程度となる。

を4000rpm、10分と設定した。

次にふるい分け操作について調査を行った。この操作は土壌養分試験方法に現行の体制（㎜のふるいを通過ルについて表日時間）、設備では210サンプに示す11項目を分析すると96日をしたものだけを試料として使用するよう明記され要した。これは日平均2.2サンプル、週間当ている。この操作を行うことにより、これまでにたり11サンプルに相当する（土日を除く日を計得られている土壌分析値と比較検討が可能とな算対象とした）。今回は土壌サンプルがそろってる。ふるい分け操作は、ふるい分け、試料の瓶詰いる状態であったため、水分測定や抽出・遠心分め、ふるいの洗浄と水切りからなり、サンプル離などは幾つかのサンプルを同時に進行させてい分を要した。

る。しかし、実際にはサンプルを採取した直後か

日時間でら分析を開始しないと土壌の状態が変化する可能

人がふるい分け可能なサンプル数は32となる。

性がある。水分測定に使用する乾燥機は追加サンにつきそれぞれ約10分、約分、約サンプル当たり15分と見積もると210サンプルを全て処理するには日を要するこ

プルがあっても対応可能であると考えられるが、とになる。

600℃加熱による強熱減量成分の測定にはマッフ

次に乾燥操作を検討すべきであるが、乾燥器等ル炉を使用している。マッフル炉は予熱にで試料を乾燥させると栄養成分が分解する恐れが本加熱と放冷に各ある。別途、同一土壌試料について自然乾燥させるには計画的な運用が必要である。

時間、時間必要であり、円滑に進めたものと湿潤状態のままのものについて後述する

最も時間を要したのはイオンクロマトグラ

栄養成分分析を行い、分析結果を統計学的に処理フィーによるカリウム、マグネシウム、カルシウしたところ有意差が認められなかった。そこで、ムの分析であった。この機器は使用可能になるま時間短縮を兼ねて本研究では乾燥操作を行わなでに約かった。

分の操作が必要となる。そのため、

日うち試料の分析最後に抽出操作について検討を行った。今回、時間の立ち上げ運転が、終了時には約30時間30分が分析時間となる。

時間の対象とした化学的成分の項目全てを分析するのにには約35分を要することから、必要な清澄液の量は約40㎖である。三角フラスコ分析数は内に試料と水を質量比で混合・振とうし、するために23日程度を要した。また、イオンクロ土壌懸濁液を調製した。当初は重力沈降や濾過をマトグラフィーの分離カラムを陰イオン用に交換考えていたが予想以上に微粒子成分が多く、短時することによって陰イオンを測定している。これ間で清澄液を得ることが難しかった。そこで、遠は陽イオンの分析より若干早いものの試料当た心分離機による処理を行った。遠心分離操作を最り約20分の測定時間が必要である。

日当たりの適化するため、回転速度を最大の4000rpm、処理最大分析可能数は16試料であり、210サンプルを時間を分析するのに約13日を要した。さらに、分離カラ：〜20分として、上澄み液の濁度を検討し日当たりの最大−10試料となり、210サンプルを分析

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ムの交換に日を要した。このことからイオンク

ロマトグラフィーにより薬等の消耗品類については、210サンプルの分析項目、210サンプルをで約万円であり、サンプル当たりの消耗品費分析するのに要する時間は最低でも36日が必要とは約120円と試算された。これより、費用のほとなる。

んどは消耗品ではなく、機器類の購入・維持に要台のイオンクロマトグラフィーによる項目の分析は時間を要するため、今年度よりカリする費用であることがわかった。

ウムなどの陽イオンの分析に原子吸光光度計を使用したところ陽イオンの測定は次にサンプルの分析に対する採算ラインを検日で終了し、イ討する。年間の営業日数を約300日とすると、対オンクロマトグラフィーとの併用で分析時間は17応可能なサンプル数は656サンプルとなる。研究日に短縮できた。

用には夏季サンプリングも行っているが、実際に農地の分析を行うことができる時期は秋から春に必要経費の試算かけてであり、かつ、積雪前か雪解け後となる。

土壌の健康度を分析するには、分析に必要な機そのため、10月頃から翌年の月頃まで（約ヶ器類の購入費用、メンテナンス費用、消耗品費、月）の限られた期間で採算ラインを考える必要が人件費等がかかる。これらは分析費用に反映され、ある。仮に最終的な費用負担者は農家である。仮に健康土たとすると、対応可能な約400サンプルとなる。

による高付加価値化ができたとしても、それこれをもとにして計算を行う。機器類の更新・維壌ヶ月間で毎日分析可能数を確保できによる収益分以上の支出が必要となっては普及し持にかかる費用をサンプル数で割るとない。そこでサンプル当たりの経費について検当たり約7,500円となる。さらに、人件費や光熱討を行った。なお、機器類を運転するための光熱費を考慮すると分析経費はこれ以上となる。現在費、土壌採取や分析を行うための人件費を盛り込は試験的にむ必要があるが、これは体制によって大きく変動ルとしているため、このままではするため今回は盛り込まないこととした。前処理万円以上の費用がかかる。既存の土壌分析はから分析までの全手順を書き出し、必要機器類とンプル当たり無料から数千円程度であることを考

必要試薬の調査を行った。表えると、試算経費はに使用機器類と試圃場当たり箇所

サンプル深度の15サンプ
圃場当たり11サ

桁以上大きく非現実的な金

薬類の価格を示す。その結果、今回使用した機器額であり、このままでは本システムを導入したと類（Ｘ線回折装置など）及び使用物品（分析用器しても農家に相当な負担を強いることとなる。

具など）を新規に購入する場合、最低でも約2,600分析費用の抑制万円が必要になることがわかった。使用年数を15年とし、維持に要する年間費用を価格の%と仮サンプリング数を減らすことによって費用抑制定すると、維持のみで年間130万円が必要となる。と時間短縮をはかることは可能である。だが、理15年単位で機器類を更新する場合、機器の購入・由もなくサンプリング数を減らしては理解が得ら15年維持には総額で約4,550万円と試算される。

れない。そこで、工業製品の品質管理に使用されこれを15年で割ることによりている統計学的手法を使ってデータを検定し、年当たり約300万円の経費が必要となることがわかった。一方、試%有意差がなければ、代表的な箇所、深さに絞ったデータで議論が可能になると考えた。

表

使用機器類・試薬類の新規購入価格＜機器類＞
Ｘ線回折装置原子吸光光度計
イオンクロマトグラフィー
紫外分光光度計
マッフル炉
遠心分離器
その他の器具類（ 品20万円以下）
合
＜試薬類＞
試薬合計

計

まず、単位：千円

圃場から採取する15サンプルのデータについて二元配置法の分散分析と平均値検定を行
17,000
3,000
3,000
700
3803001,670

い、採取箇所及び深さ方向の違いについて検定し26,050

方向のサンプル数を減らすことが困難である。一た。検定は栄養成分等の測定項目12および土壌硬度の計13項目について行った。その結果、深さ方向については全検定のうち半数以上の項目で%有意差があると判定されたため、現時点では深さ方、採取箇所が異なっていてもほとんどの項目に105おいて%有意差はないことが明らかとなり、サ


05.5

ンプリング箇所は多くてもよっては、箇所、場合に箇所で良いことが分かった。

たりの経費は〜た。

圃場当

サンプル当たりの経費試算を行ったとこ

ろ、現状ではサンプル当たりの分析費用が高万円程度に抑えられる。現在、

く、ニーズに応えられる状態になっていないこと

特定の場所について栄養成分を調べることで他のが分かった。特に、分析に使用する機器類の更新・場所の状態を推定できるよう、土壌中の栄養成分維持費用が多くを占めていることから、不要項目移動およびその数学モデルの構築を検討するととの削除や関連項目の統一を行うとともに簡便で安もに、測定項目間の相関性について整理・検討し価な分析方法に変更する必要があることがわかっている。この検討結果を活用することにより、た。データに統計学的処理を施したところ、圃場当たりのサンプル数をさらに減らすことがで所き、経費削減につながると予想している。

もしくは前述したように、サンプリング箇所を削減することで費用総額を抑えられるものの深度のサンプリング数を箇所、箇所箇深度、深度のサンプリング数で対応できることが示された。

サンプル当

現在も農家の協力を得て、式（4）による分析方たりの単価が高価である。そこで、分析項目を削法を検討しており、圃場周辺の地形や地下構造を減することで高価な機器類の購入・更新費用を抑加味した簡便・迅速・安価な評価方法の研究・開える方法について検討した。機器類リストの中で発に挑戦している。

最も高価な機器はＸ線回折装置である。これは、参考文献

土壌を構成する粒子の化学組成分析に用いてい

化学工学会：基礎化学工学、培風館（1999）
久馬一剛ら：土壌の事典、朝倉書店（1993）
外島忍：要説 品質管理［増補改訂版］、日本規格協会（1975）
日本規格協会：JISハンドブック53 環境測定Ⅱ 水質（2004）
日本土壌協会：土壌機能モニタリングのための土壌、水質及び植物体分析法（2001）

る。平成15年度に引き続き平成16年度においても土壌の化学組成分析を実施したところ、圃場間の差はあるものの、同一圃場では約年に渡って土壌粒子の化学組成はほぼ同じであった。このことから、客土工事等で土壌の入れ替えしない限り、回分析しておけばその後の分析はほぼ不要と言える。使用回数が極端に少ないにもかかわらず、このような高価な機器を購入・維持・更新することは経済上難しい。そこで、機器類リストからＸ線回折装置をはずすと、機器類等の新規購入費は1,305万円、維持費は979万円（=1,305万円×0.05×15年）と計算される。合計2,284万円を15年で割ると152万円であり、年間サンプル数400で割ると、サンプルの単価は約4,000円となる。このSURILOH

価格は既存の土壌分析よりも高いものの同じ桁で大平 勇一あり、今後、機器類と成分分析法についてさらな

1969年新潟県亀田町（現新潟市）生まれ。 93年新潟大学大学
院工学研究科化学工学専攻修了。博士（工学）。室蘭工業大学

る検討を進めることでより安価にすることができ

おおひら ゆういち

工学部応用化学科助教授。専門分野は環境化学工学、排水処理工学。

ると予想される。

小幡 英二

おばた えいじ1948年生田原町生まれ。 71年室蘭工業大学工学部化学工学科卒業。工学博士。室蘭工業大学工学部応用化学科教授。専門分

結言
土壌の健康度を新たなブランドに育てることを野は化学工学、粉体工学。

目的として、実際に現場（農家）が必要としてい古川 克彦

る情報を収集するとともに、ニーズ調査を行っ

ふるかわ かつひこ

1955年三笠市生まれ。 80年室蘭工業大学大学院工学研究科開発工学専攻修了。工学修士。大北土建工業株式会社取締役営業た。その結果、多くの農家が興味を示したことか部長。専門分野は造園土木。

らニーズがあることを確認した。実務上の課題を吉田 豊見出すため、各農家から提供していただいた14のよしだ ゆたか

1947年室蘭市生まれ。 71年北海道大学大学院工学研究科鉱山試験圃場にて検討を行ったところ、土壌の前処理工学専攻修了。工学博士。室蘭工業大学工学部応用化学科教授。
専門分野は光波応用計測、粉粒体工学。の最適化が時間短縮に不可欠であることがわかっ05.5