降雨強度と雨水の水質が土壌浸透流出水の水質へ及ぼす影響
森澤太平 1 · 森也寸志 2 · 井手淳一郎 2 · 宗村広昭 2 · 武田育郎 2 · 井上光弘 3

Characterizing infiltrated soil water quality as affected by rainfall condition
Taihei MORISAWA1 , Yasushi MORI2 , Jun’ichiro IDE2 , Hiroaki SOMURA2 , Ikuo TAKEDA2 and Mitsuhiro INOUE3

評価には，河川水や暗渠排水などを採取 · 分析する方法

Abstract: Recent increases in rainfall acidity and intensity
have generated interest in their effect on soil-bound ions(i.e. mineral cations or nutrient anions) in drainage. A soilcolumn experiment was conducted under field conditions
to characterize infiltrated soil water quality resulting fromsimulated rainfall treatments. Two rainfall treatments (neutral rain and acid rain) and four rainfall intensities (2, 4, 20,
80 mm hr−1 ) were investigated. Water draining throughthe soil column was sampled and analyzed for electricalconductivity (EC) and dissolved ion concentration. Results showed the acidic rain treatment caused more solutedischarge than did neutral rain treatment. Infiltrated soil
water quality was much higher than rain water, suggesting that changes in ionic concentration are due to leaching processes rather than ion exchanges. Moreover, highest solute concentrations was resulted from 80 mm hr−1
rain, being affected by rainfall intensity. Surprisingly, 80
mm hr−1 intensity when combined with acid rain treatment
caused higher discharge solute concentrations than either
treatment independently.
Key Words : infiltration water, rain intensity, acid rain,solute leaching

1. はじめにが一般に用いられてきた．（例えば，武田，2002；伊藤ら，2004）．しかし従来の方法では，水質汚濁の要因の一つであるとされている土壌中からの溶質流出について
は，過程が複雑なためにその成因を明らかにすることは難しい．このような現状の中，土壌浸透水を採水 · 分析
し，肥料成分のリークの過程を解明したり（Higashi etal., 2005）森林における雨水浸透を精査したり（小杉，2000）する研究が行われ始めている．また，筆者らもこれまでに，島根県東部の森林において流域調査を行い，20.5 mm 10 min−1 を含む豪雨があると，土壌からのTOC と TN の排出量が増加することや，土壌水分が不飽和であっても地表から 500 mm の深さで採取した土壌
浸透水の TOC と TN の濃度が高くなる現象を報告した（森澤ら，2007；2008）．これらの現象は，雨水による土壌水の希釈効果（豊島，1998；Green et al.，2006）では説明できないため，これまでの知見を精査し土壌浸透水の水質の成因を詳細に解明することが重要な課題であるといえる．
本研究では降雨条件が土壌浸透水の水質の成因に影響を及ぼしていると考え実験を行った．すなわち，土壌充填カラムに異なる強度 · 水質の降雨を行い，土壌を通過

高度経済成長期以来，化石燃料の燃焼に伴う大気中のした流出水を採水 · 分析した．土壌浸透実験に土壌充填

硫黄酸化物や窒素酸化物の増加といった人間活動の結果

カラムを用い，溶液を流入して溶質の移動や濃度を調べとして発生した酸性雨や，地球温暖化の結果とも言われる手法は多くの研究で用いられている（例えば，Ozturk

る 50 mm hr−1 以上の強雨の増加などの諸問題（Parry etand Ozkan，2002；宮本 · 取出，2004；Li et al.，2008）．

al., 2007）を背景として，降雨条件が水や土壌環境に与しかし，これらの研究では土壌中の化学変化や溶質移動える影響を評価することが環境政策の一端として挙げらを評価対象としているため，流入する溶液の水質や量がれるようになった．環境資源の一つであり様々な物質の現場では実際に生じることがほとんどない特別な条件で濾過機能を持つ土壌環境に降雨が与える影響を評価し，あるほか，実験準備のためにいったん試料を飽和させ，対策を立てることができれば，科学技術基本政策（内閣

その後排水させることが多く，実験開始前に重力排水に

府，2006）に掲げられた健全な水循環の実現にも貢献す

よる溶質のリークが起こってしまう．そのため，降雨にることができると考える．

よる土壌中からの溶質流出を正しく評価することはでき

これまで水環境にかかわる排出負荷や水質形成過程のない．そこで，降雨の強度と水質を現場で実際に観測され得る範囲のものとし，初期設定で溶質をリークさせな

1 The United Graduate School of Agricultural Sciences, Tottori University,

1060 Nishikawatsu, Matsue, Shimane 690-8504, Japan. Corresponding
author: 森澤太平，鳥取大学大学院連合農学研究科
2 Faculty of Life and Environmental Science, Shimane University, 1060
Nishikawatsu, Matsue, Shimane 690-8504, Japan
3 Arid Land Research Center, Tottori University, 1390 Hamasaka, Tottori,
Tottori 680-0001, Japan
2009 年 9 月 10 日受稿 2010 年 1 月 22 日受理
土壌の物理性 114 号, 3–10 (2010)

いよう工夫した．

2. 実験方法
2.1 試料土
土壌の採土については筆者らが流域調査を行った森林で行うことが望ましいが，当該流域は私有地であり，実4

土壌の物理性第 114 号

(2010)（cmol kg−1 ）∗ ECEC

含有
炭素量
（%）

含有
窒素量
（ %）

砂
（ %）

粒径分布
シルト
（ %）

粘土
（ %）

8.59

16.32

0.84

61.03

31.40

7.56

砂壌土

Table 1 試料土の基礎的性質．
Physical and chemical properties of soil tested.
密度（g cm−3 ）pH (H2 O)

2.56

5.27

試料土
∗

土性

交換性陽イオン Na+ ，K+ ，Mg2+ ，Ca2+ から算定した有効陽イオン交換容量．

Table 2 雨水濃度．
Contained materials in artificial rains.
pH
人工雨水
人工酸性雨水

5.05
3.95

溶質濃度（mg L−1 )

DOC

TN

NO−
3

Cl−

SO2−
4

Na+

K+

NH+
4

Mg2+

Ca2+

0.17
0.55

0.14
2.41

0.20
1.69

0.12
0.93

0.13
1.15

0.07
0.46

0.23
0.50

0.34
1.58

0.22
0.38

0.64
2.08

現しなかった．そこで，管理状態や植生が類似した森林から採土した．すなわち，島根大学生物資源科学部附属生物資源教育研究センター森林科学部門演習林のスギ ·ヒノキ人工林斜面を採土地とした．採土地は定期的に間伐され，表層土壌は下層植生で覆われていた．また，下ここに，mi ：含有陽イオン量（mg 100 g - soil−1 ），Ci ：各陽イオン濃度（mg L−1 ），ms ：土壌質量（g）．

2.4 カラム実験
2.4.1 カラム下端からの不飽和浸透による土壌充填カ
ラムの調整

層植生はシダ類が優先していた．深さ 100 ∼ 400 mm か

直径 50 mm，高さ 150 mm のステンレス製円筒カラム

ら採土し，2 週間以上風乾した後に 2 mm ふるいを通過の下端に 0.5 µ m のメンブレンフィルタを敷き，圧力セ

させ，試料土として使用した．試料土は褐色森林土壌でルに装着した．圧力セル（SK - 7100，サンケイ理化）はあった．なお，乳鉢 · 乳棒による団粒のときほぐしは行わなかった．試料土の基礎的性質を Table 1 に示した．

2.2 雨水下端中央に外径 6 mm のナイロンチューブを接続できる構造になっており，土壌浸透水を排水させて土壌浸透流
出水を採水できる（Fig. 1）．

本研究では降雨条件に着目しており，雨水は現場で観測され得る濃度である必要がある．天水を使用することᚤ㔞ᐃ㔞䝫䞁䝥

50mm
䜝⣬が望ましいが，天水は有機物を含んでおり，継続実験をす
ると腐敗などの影響が出る恐れがある．また，内容物がヨᩱᅵ

日によって異なり特定できないため，再現性がない．そこで，雨水として人工雨水と人工酸性雨水の 2 種類を調整し，実験に供した．人工酸性雨水を実験に供すること
で，雨水の水質が土壌浸透流出水に及ぼす影響を精査した．雨水濃度は第 4 次酸性雨対策調査取りまとめ（環境省，2002）を参考に調整した（Table 2）．本稿では，人工
雨水と人工酸性雨水を総じて雨水と表記した．また，微

100mm

㞵Ỉ

量定量ポンプで雨水を滴下することを降雨と表記した．

2.3 試料土の含有陽イオン量
土壌からの溶質流出を精査するに当たり，試料土に含まれる溶質量を測定する必要がある．そこで，試料
土の含有陽イオン量を原子吸光分光光度計（AA-680，
SHIMADZU）によって分析した．110 ◦ C で 24 hr 炉乾燥した試料土を約 7 g 秤量し，1 mol L−1 酢酸アンモニ
ウムを 80 g 添加してスターラーで 5 min 以上攪拌した．
攪拌後，ろ過を行い，0.02 mol L−1 塩化ストロンチウム
で 2 倍希釈したものを分析に供した．Na+ ，K+ ，Mg2+ ，Ca2+ 濃度を測定し，次式によって試料土 100 g 中の含有䝯䞁䝤䝺䞁䝣䜱䝹䝍

300mm䝘䜲䝻䞁䝏䝳䞊䝤

陽イオン量を算定した．

500ml䝡䞊䜹䞊100
mi = Ci × 2 × 0.08 ×
ms(1)

Fig. 1 土壌充填カラム．
The laboratory column unit.

5

論文：降雨強度と雨水の水質が土壌浸透流出水の水質へ及ぼす影響
一般にこのようなカラム実験では，初期条件の設定に，

2−
+
−
+
+
2+
2+
中の NO−
3 ，Cl ，SO4 ，Na ，K ，NH4 ，Mg ，Ca

風乾土壌を充填し，カラム下端から溶液を浸透させて濃度をイオンクロマトグラフ（PIA-1000，SHIMADZU）

飽和した後に排水をさせるという操作を行う（例えば，によって分析した．

Ozturk and Ozkan, 2004; Li et al., 2008）．しかしこの方

土壌中の溶質の変化量を調べるために，試料土の含有法では，飽和状態を経ることで重力排水による溶質の早

陽イオン量に対する流出した陽イオン量の割合（以下，い流出が発生し，実験結果に操作上の誤差（系統誤差）

流出割合と表記した）を次式によって算定した．

を含んでしまう．従って今回の実験では，溶液の浸透は下端から行うが，常時 3 kPa のサクションがかかった不
(CRu × Qv ) − CRa ×

飽和上方浸透で準備するように工夫した．
まず，下端に接続したナイロンチューブを通じて，孔径0.5 µ m のメンブレンフィルタ（MEMBRANE FILTER，
ADVANTEC）が十分に濡れるまで，下方から空気を追い出しながら水を満たした．メンブレンフィルタはいったん濡れると空気浸入値（この場合 70 kPa）までは空気の浸入を許さない．ナイロンチューブの排水端にイオン交換水を満たしたマリオットタンクを接続し，この状態
で乾燥密度 0.85 g cm−3 で試料土を充填し始めた．一方でマリオットタンクを徐々に下げてサクションをかけ，
マリオットタンクの大気圧面とカラム下端の高低差を調節することで，カラム下端より 300 mm 低いところから水供給が行われるようにした．このようにサクションをかけ，飽和を防ぎながら試料土を高さ 100 mm まで充填した．すなわち，土壌のマトリックポテンシャルが −3

kPa の状態で常に水供給が行われることで土壌の飽和を防ぐようにした．この状態で 3 日間静置した．静置後の土壌の体積含水率は 0.45 m3 m−3 であった．
2.4.2 降雨と土壌浸透流出水の採水 · 分析
自然の降雨には強弱があり，また断続的であるため，一定の強度で長期にわたって雨が降り続けることはな

Fr =


Ri
×T

10

1000

A×

mi × 1.7

× 100

(2)

ここに，Fr：流出割合（%），mi：各含有陽イオン量（mg100 g - soil−1 ）で係数 1.7 とは物質量を実際に充填した
試料土 170 g に合わせるためのもの，CRu ：流出水の各
溶質濃度（mg L−1 ），Qv：土壌浸透流出水量（L），CRa：
雨水の各溶質濃度（mg L−1 ）， A：カラム断面積（cm2 ），−1
Ri ：降雨強度（mm hr ），T ：降雨時間（hr）．
2.4.3 含水比試験
本実験では飽和，不飽和の区別を重視し，実験終了時に含水比の測定を行った．
降雨終了後に深さ 50 ∼ 70 mm から採土した土壌を 20
g ほど蒸発皿に移し，電子天秤で秤量した．110◦ C の炉で 24 hr 炉乾燥させた後，電子天秤で秤量し，含水比を求めた．また，飽和含水比を測定するために，内径 50mm，高さ 51 mm の円筒 100 cc サンプラに試料土を 0.85
g cm−3 で充填し，イオン交換水を満たしたバット容器
内で 72 hr 飽和させた後，含水比試験を行った．降雨量
80 mm 毎の土壌浸透水の浸透距離を次式によって算定した．

い．しかしながら，降雨強度が土壌からの溶質流出に与える影響を評価するためには，降雨強度を一定にする必H=要がある．そこで，降雨量の総量を合わせ，現場で実際に観測され得る降雨強度と持続時間で雨水を土壌充填カ
ラムに降らせた．すなわち，雨水の総降雨量が 320 mmとなるように，降雨強度 2，4，20，80 mm hr−1 の降雨を，それぞれ 160，80，16，4 hr 継続して降らせた．本実

80
θ

(3)

ここに，H：浸透距離（mm），θ ：体積含水率（m3 m−3 ）．
降雨による土壌浸透水の平均間隙浸透流速を次式によって算定した．

験では，80 mm hr−1 の降雨を強雨と定義した．総降雨量

Fw =は，筆者らの流域調査中に観測された豪雨の総降雨量が0.1 × HT × 3600(4)317 mm であったことから 320 mm とした．降雨は微量
定量ポンプ（MP-1000，EYELA）を用いて行った．一般

ここに，Fw：平均間隙浸透流速（cm s−1 ），T ：降雨時間に人工降雨は複数の注射針を用いて土壌表面に雨水が均（hr）．

等に降るようにして行う．本実験では雨滴による土壌表

3. 結果と考察

面への衝撃を防ぐために土壌表面にろ紙を敷き，雨水がろ紙から土壌表面へ均等に浸透するようにした．そのた

3.1 含水比試験

め，降雨に複数の注射針は使用せず，1 本のチューブから

降雨終了時の体積含水率を Table 3 に示した．各降雨滴下した．排水端をカラム下方から 300 mm 下げること

において降雨量 80 mm 以外では降雨量と土壌浸透流出

で 3 kPa のサクションをかけ，降雨量 80，160，240，320

水量はほぼ同量で，実験中に湛水することはなかった．

mm の時点で土壌浸透流出水を採水した．土壌浸透流出
このことから，降雨量 160 mm から実験終了時までの土
水の pH を pH メータ（D-54，HORIBA）によって測定し
壌水分量はほぼ同量であることが推察された．さらに，た．土壌浸透流出水中の溶存有機炭素（DOC）と全窒素 （3）式より，土壌浸透水は 80 mm 降る毎に 116 ∼ 126（TN）の濃度を，全有機態 · 全窒素分析器（TOC-VCSN ， mm 下方へ浸透することが分かった．なお，飽和体積含
SHIMADZU）によって分析した．また，土壌浸透流出水
水率は 0.74 m3 m−3 で，土壌水分は各降雨条件におい6

土壌の物理性

Table 3 実験終了後の体積含水率．
Volumetric water content after end of the experiments.

あったと考えられた．

3.2 溶質流出のタイプ（mm hr−1 ）人工雨水

人工酸性雨水

土壌浸透流出水の pH は，人工雨水を降らせた場合に

2
4
20
80

0.69
0.63
0.68
0.70

0.56
0.73
0.66
0.73

は pH 4.19 ∼ 6.98 で変動しており，人工酸性雨水を降らேᕤ㞵Ỉ

せた場合には pH 4.16 ∼ 6.15 で変動した（Fig. 2）．
土壌浸透流出水の溶質濃度の変動は，積算降雨量 80ேᕤ㓟ᛶ㞵Ỉ

7

2
4
20

0

80

80

160 240 320 80 160 240 320✚⟬㝆㞵㔞䠄mm䠅

Fig. 2 土壌浸透流出水の pH の変動．
Fluctuation of runoff water pH.

も示さなかった．
ேᕤ㞵Ỉேᕤ㓟ᛶ㞵Ỉ

10

20

8
Na䠇䚷䚷

25
15
10

8
K䠇䚷䚷

60

4

0
250
200

0
20

150
100

15

0
10
8

6
4

6
4
2
0
40

2
0
30
2
4

10

Ca2䠇䚷

30

20

0

10
5

Mg2䠇䚷

Cl䠉䚷

6

20

50
0
10
8

SO42䠉

4
2
0
10

40

ேᕤ㓟ᛶ㞵Ỉ

65
080⃰ᗘ䠄mg L-1)

NO3䠉

TN䚷䚷

DOC䚷䚷

ேᕤ㞵Ỉ

mm で最も高く積算降雨量 160，240，320 mm では漸減するタイプ（タイプ 1）と，積算降雨量 80 mm から 160mm で高くなり，240，320 mm で漸減するタイプ（タイプ 2）の大きく 2 種類に分かれた（Fig. 3, 4）．2，4，20−+
mm hr−1 の降雨強度では，DOC，TN，NO−
3 ，Cl ，Na ，
2+
2+ は雨水の水質に関係なくタイ
K+ ，NH+
4 ，Mg ，Ca
プ 1 に分類された．しかし，80 mm hr−1 の降雨強度で+−は，人工雨水を降らせた場合の TN，NO−
3 ，Cl ，NH4 ，2+
2+
Mg ，Ca と，人工酸性雨水を降らせた場合の DOC，+−+
2+
2+ がタイプ 2 にTN，NO−
3 ，Cl ，K ，NH4 ，Mg ，Ca2−
分類された．なお，SO4 はタイプ 1，2 のどちらの傾向

NH4䠇

pH

14

⃰ᗘ䠄mg L-1)

(2010)て不飽和，もしくは飽和に近いものの湛水しない状態で

体積含水率（m3 m−3 ）降雨強度

第 114 号

2

20

20

10

80

0

80 160 240 320 80 160 240 320✚⟬㝆㞵㔞䠄mm䠅

Fig. 3 土壌浸透流出水濃度の変動．DOC，TN，陰イオン．
Fluctuation of runoff water concentration. DOC, TN and anions.

4
20
80

80 160 240 320 80 160 240 320✚⟬㝆㞵㔞䠄mm䠅

Fig. 4 土壌浸透流出水濃度の変動．陽イオン．
Fluctuation of runoff water concentration. Cations.

7

論文：降雨強度と雨水の水質が土壌浸透流出水の水質へ及ぼす影響
Table 6 土壌浸透水の平均間隙浸透流速．
Relations between rain intensity and pore water velocity.

Table 4 雨水と流出水の溶質量の差の比較．
Comparison of artificial rain and runoff water solute.

溶質の流出量の差

降雨強度

∗C
−1
AR −CR (mg 471 mL )(mm hr−1 )

Na+

K+

Mg2+

Ca2+

（mm hr−1 ）人工雨水

人工酸性雨水

2
4
20
80

0.55
0.73
0.17
0.59
0.19

0.38
0.38
0.07
1.24
0.13

0.24
0.11
0.10
0.68
0.08

1.01
0.49
0.68
3.27
0.68

2
4
20
80

8.1 × 10−5
1.7 × 10−4
8.1 × 10−4
3.2 × 10−3

9.9 × 10−5
1.5 × 10−4
8.4 × 10−4
3.0 × 10−3

雨水中の溶質量の差

降雨強度

平均間隙浸透流速（cm s−1 ）∗CAR ：人工酸性雨水を降らせた場合の流出量，CR ：人工雨水を降らせた場合の流出量

Table 5 陽イオンの流出割合．
Ratio of runoff cations from the soil.

降雨量 160 mm 以降の土壌浸透流出水（471 mL）に含まれる溶質量と人工雨水を降らせた場合に含まれる溶質量

流出割合（%)
降雨強度

人工雨水（Fig. 3, 4）．ここで人工酸性雨水を降らせた場合の積算

人工酸性雨水(mm hr−1 ) Na+ K+ Mg2+ Ca2+ Na+ K+ Mg2+ Ca2+
2
19.36 10.69 0.61 0.67 15.02 12.43 1.30 0.81
4
19.28 11.26 1.03 0.77 27.77 13.02 1.15 0.69
20
28.13 12.00 1.05 0.87 27.94 11.58 1.16 0.87
80
28.22 15.54 4.31 2.48 34.61 23.27 6.91 3.56

含水比試験より，土壌浸透水は降雨が 80 mm 降る度に116 ∼ 126 mm 浸透する．土壌充填カラムの土壌高さが100 mm であることから，80 mm の降雨が降るとそれまで貯留されていた土壌水が押し出されて流出すると考えとの差をとり，人工酸性雨水に含まれる溶質量と人工雨水に含まれる溶質量の差と比較した．陰イオンは一般的に，変異荷電の影響を受けやすく，実験方法に左右される．陽イオンは変異荷電の影響を受けるものの陰イオンに比べて小さい．そこで，原子吸光度計で測定可能な陽イオンである Na+ ，K+ ，Mg2+ ，Ca2+ について考察した（Table 4）．すると，K+ ，Mg2+ ，Ca2+ は 2，4，20 mm

hr−1 の降雨強度では人工酸性雨水を作るために加えた溶質量の増加と比較して流出端での溶質量の増加は 3 倍程度であった．それに対して 80 mm hr−1 の降雨では土壌
浸透流出水の溶質量の差のほうが明らかに大きく，流出端での増加が 5 ∼ 10 倍であった．これらのことから，人られる．ここで 1 ポアボリュームは 74 mm である．し工酸性雨水を降らせると 80 mm hr−1 の降雨強度で流出たがって，積算降雨量 80 mm で採水された排水はほと量の増加があることが分かった．しかし本実験の結果かんどが静置中の土壌水で，積算降雨量 160 mm 以降に採らは，人工酸性雨水を降らせることで溶質の流出量が増水された土壌浸透流出水は全て降雨が始まってから形成加する要因を精査することはできなかった．Na+ は 80

された土壌浸透水であると考えられる．このことからタmm hr−1 の降雨強度で特徴的な増加はなかった．

イプ 2 は，降雨強度の影響で濃度が高くなったと考えら

3.5 降雨強度が溶質の流出割合へ与える影響

れた．逆に言えば，タイプ 1 を示す溶質は降雨強度の影

降雨による土壌からの溶質の流出を精査するために，

響による濃度上昇はみられず，順次濃度が低くなるもの（2）式より流出割合を求めた（Table 5）．降雨強度，溶質と考えられた．

によって大小はあるものの概して降雨による流入量より3.3 溶質流出のプロセス

流出量が大きいことが示された．また，溶質ごとの流出

雨水と土壌浸透流出水の溶質濃度を比較すると，溶質割合については，Na+ が特に大きく，次いで K+ , Mg2+ ，によって差はあるものの，流出水の溶質濃度が数倍から

雨水の種類の違いによる土壌浸透流出水の溶質濃度のCa2+ の順で小さくなった．このことは土粒子に対する陽イオンの吸着性が Na+ < K+ < Mg2+ ≤ Ca2+ である
こと（中野，1991）と矛盾しない結果であった．人工雨
水を降らせた場合の Mg2+ ，Ca2+ と人工酸性雨水降雨を降らせた場合の K+ ，Mg2+ ，Ca2+ の流出量割合が，土壌
浸透水の平均間隙浸透流速が大きくなる 80 mm hr−1 降雨（3.2 × 10−3 ，3.0 × 10−3 cm s−1 ）で特徴的に大きくなった（Table 6，Fig. 5）．これは，土壌浸透水の流速が速くなると，土壌への吸着性が大きく流出しにくい Ca2+
や Mg2+ であっても，流出割合が大きくなることを示していた．さらに，流出割合と体積含水率の関係を Fig. 6に示した．人工酸性雨水を 80 mm hr−1 で降らせると体積含水率は 0.73 m3 m−3 と飽和に近くなり，流出割合も大きくなった．しかし，人工雨水を 80 mm hr−1 で降らせた場合にも，体積含水率が 0.70 m3 m−3 と不飽和で違いについては，概して人工雨水より人工酸性雨水を降あるにもかかわらず流出割合が大きくなった．また，人数十倍と高かった（Table 1，Fig. 3, 4）．この現象は，筆者らが流域調査で観察した現象を再現しており（森澤ら，2008），土壌浸透水として高い濃度の負荷が形成される場合があることを示している．溶質の流出が主に土壌の化学的な緩衝能であるイオンの吸着交換反応によるもの
であれば，雨水と土壌浸透流出水の溶質濃度がほぼ等しくなる．また，イオンの吸着交換反応は瞬間的に起こり，その後は平衡に向かうためタイプ 1 のような変動を示す．しかし雨水濃度と比較して土壌浸透流出水の濃度がかなり高いほか，タイプ 2 を示す溶質がある．これは，化学反応ではなく主に物理的プロセスとしてのリーチン
グに近い現象が起こっていると考えると合理的である．

3.4 降雨の水質が溶質の流出割合へ与える影響

らせることで土壌浸透流出水の溶質濃度が高くなった

工酸性雨水を 4 mm hr−1 で降らせると体積含水率は 80

8土壌の物理性第 114 号

(2010)

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Fig. 5 降雨強度ごとの流出割合．
Ratio of runoff cations from the soil at each rainfall intensity.

40
Na䠇䚷䚷

30

2

20

20
4

80

mm hr−1 と同じ 0.73 m3 m−3 であったが，流出割合は

80 4

大きくならなかった．これらのことから，少なくとも今20回得られたデータの範囲からは，流出割合が大きくなる

2

要因は飽和 · 不飽和というよりは，土壌浸透水の平均間隙浸透流速が大きくなることであると推察された（Table

10

6，Fig. 6）．

0

さらに，Fig. 6 に示すように人工酸性雨水の降雨では，
K+ ，Mg2+ ，Ca2+ の流出割合が 2，4，20 mm hr−1 に対して 80 mm hr−1 の降雨強度で増大した．つまり人工酸
性雨水の降雨があると，同じ 80 mm hr−1 の降雨強度で

30

K䠇䚷䚷

80
20
2

ὶฟ๭ྜ䠄%䠅1080
20 20 442も，溶質の流出に対してより大きな効果が観察された．
これらの結果より，強雨，特に人工酸性雨水の強雨があると土壌浸透水の溶質濃度が高くなることが示された．その要因の一つは，土壌浸透水の平均間隙浸透流速0が大きくなることによると推察された．Fig. 3, 4 を見ると，タイプ 2 を示す溶質の中で NO−
3 は特徴的に濃度が

10
Mg2䠇䚷

8

に比べれば NO−
3 が多いと考えられる．土壌浸透水の分6

散については水分依存性があり（例えば，徳本ら，2005），

80

水みちが変化することが考察されている．80 mm hr−1

4
2
0
5

2

3

で人工酸性雨水を降らせた場合，体積含水率が大きくな

20 20 44 2

る（0.73 m3 m−3 ）ことで土壌浸透水が団粒の外側を流れやすくなり，高い濃度の NO−
3 が流出すると説明できる．
しかし体積含水率が同じ 0.73 m3 m−3 であった 4 mm

4
Ca2䠇䚷

高い．団粒の外側は酸化状態で硝化が起こるため，内側80hr−1 で人工酸性雨水を降らせた場合には，80 mm hr−1の降雨ほどの高濃度は観察できず，NO−
3 がタイプ 2 を80
80

示す理由は体積含水率からだけでは説明できなかった．

2
1

20 20 42
42

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0
0.5
0.6
0.7
0.8
3
-3
య✚ྵỈ⋡䠄m m 䠅
Fig. 6 流出割合と体積含水率の関係．数字は降雨強度，バーは飽和体積含水率（0.73 m3 m−3 ）を表す．
Correlation between ratio of runoff cations from the soil and volumetric water content. Numbers mean rainfall intensities. Bars
mean saturated volumetric water content (0.73m3 m−3 )一方，80 mm hr−1 の降雨強度では，土壌浸透水の平均
間隙浸透流速が大きくなり，土壌は飽和しないまでも重力水の影響が卓越し，土壌浸透水がバイパス流として団粒間を流れることが十分考えられる（Mori et al.，1999：

Mori et al.，2001）．すると NO−
3 濃度の高まりをより合理的に説明できる．つまり，タイプ 2 を示す NO−
3 の溶
質流出については，体積含水率よりむしろ平均間隙浸透流速が要因となると考えられた．また，試料土に多量に含まれる Ca2+ や Mg2+ は NO−
3 に対する陽イオンとし論文：降雨強度と雨水の水質が土壌浸透流出水の水質へ及ぼす影響

9て同時に流出するために，NO−
3 と同様にタイプ 2 を示したと考えると合理的である．これは，筆者らの流域調査

引用文献

で観察された, 豪雨があると土壌浸透水の溶質濃度が高くなる現象とも矛盾しない．しかし，Cl− や NH+
4 につGreen, R, Macdonald, B.C.T., Melville, M.D. and Waite, T.D.

いてはタイプ 2 を示す理由を説明できなかった．また，(2006)：Hydrochemistry of episodic drainage waters dis-

雨水の水質によるタイプ 1 と 2 の違いについても明らか

charged from an acid sulfate soil affected catchment. Journalにすることができなかった．

4. 終わりに本研究では，土壌充填カラムの初期条件を，不飽和下
方浸透によって土壌構造を維持し，さらに実験開始前の重力排水による系統誤差を排除するよう工夫して準備した. この土壌充填カラムに現場で観測し得る条件の雨水を人工的に降らせることで，降雨の強度と水質が土壌浸透流出水の水質へ及ぼす影響を評価することを試みた．
つまり，水質の異なる 2 種類の雨水を 2，4，20，80 mm
hr−1 の降雨強度で降らせ，土壌充填カラムからの土壌浸透流出水を採水し，土壌浸透流出水中の溶質濃度を分析した．その結果をまとめると，次の通りである．

1. 含水比試験の結果，どの降雨条件であっても不飽和ま
たは飽和に近いものの湛水しない状態であった．また，
降雨の強度と水質の影響を受けた流出水は降雨量 160，

240，320 mm のもので，土壌浸透水が押し出されたものであることが言えた．
−
2. 80 mm hr−1 で人工雨水を降らせると TN，NO−
3 ，Cl ，+
2+
2+
NH4 ，Mg ，Ca 濃度が降雨量 160 mm で最高濃度となる傾向を示し，降雨強度の影響を受けて高くなることが分かった．人工酸性雨水を降らせると DOC，K+ 濃度

of Hydrology, 325: 356–375．
Higashi, N., Mori, Y. and Inoue, M. (2005): Measurement of fertilizer leaching from the root zone using an automated infiltration soil water sampler in an unsaturated sandy field. Soil
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森澤太平，森也寸志，江草直和，宗村広昭，井上光弘（2007）：
管理状態の異なる森林からの集中豪雨に伴う汚濁負荷流出
特性—土壌浸透水直接採取からの観察—．応用水文，20：

11–20．
森澤太平，森也寸志，江草直和，宗村広昭，武田育郎，井上光が同様の傾向を示した．

弘（2008）：人工林の土壌浸透性の違いが豪雨時の水質形成

3. 土壌浸透水平均間隙浸透流速が大きくなると，不飽和であっても Mg2+ と Ca2+ の流出が特徴的に大きくなる
ことが分かった．また，80 mm hr−1 の降雨強度で人工
酸性雨水を降らせると，溶質の流出量は 80 mm hr−1 の過程に及ぼす影響．水文 · 水資源学会 2008 年度研究発表会

降雨強度の降雨と人工雨水を個別に降らせた場合の増加

要旨集，190–191．

Mori, Y., Maruyama, T. and Mitsuno, T. (1999): Soft X-ray radiography of drainage patterns of structured soils，Soil Science
Society of America Journal, 63(4): 733–740.

量より大きくなることが示された．この土壌浸透流出水

Mori Y., Takeda, I. and Fukushima, A. (2001): Soft X-ray radio-の濃度は雨水の濃度より高く，化学反応ではなく物理プ

graphy of structure-induced macropore flow in clayey soils.

ロセスであるリーチングが優勢であると考えられた．

Clay Science for Engineering. pp. 297-302, Balkema, Rotter-以上の結果から，近年増加傾向にあると言われる 50

mm hr−1 以上の強雨（IPCC，2007）や酸性雨の条件下では，土壌浸透水の水質と溶質の流出が特徴的に大きくなることが示唆された．

dam.
内閣府（2006）：第 3 期科学技術基本政策 分野別推進戦略．p.

3.
中野政詩（1991）：土の物質移動学．pp. 56–58，東京大学出版
会，東京．

謝辞

Ozturk, H.S. and Ozkan, I. (2002): Solute movement in large soilcolumns under different water flow velocities. Die Bodenkul-

本 研 究 の 成 果 の 一 部 は ，学 術 振 興 会 科 学 研 究 費

tur, 53: 183–189．

（19201017（國井），20380179（武田），18510074（森）），Parry, M.L., Canziani, O.F., Palutikof, J.P., van der Linden, P.J.

島根大学プロジェクト研究推進機構「地域資源循環型社

and Hanson, C.E. (eds) (2007) ：Contribution of Working

会の構築」，（財）クリタ水 · 環境科学振興財団，島根県

Group II to the Fourth Assessment Report of the Intergovern-

土地改良事業団体連合会，鳥取大学乾燥地研究センター

mental Panel on Climate Change. Cambridge University Press,

共同利用研究の補助を受けて行われた．また，農業環境

Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.

技術研究所の江口定夫様には貴重なご意見を頂いた．こ

武田育郎（2002）：針葉樹人工林の間伐遅れが面源からの汚濁負こに謝意を表します．

荷量に与える影響（II）．水利科学，266：47–71．

10土壌の物理性

徳本家康，取出伸夫，井上光弘（2005）：団粒構造を持つ黒ボ
ク土の溶質分散について．水文 · 水資源学会誌，18（4）：第 114 号

(2010)

豊島正幸（1998）：畑地における窒素肥料成分のゆくえ．p. 85，
東北農試たより.

401–410.

要旨

流域調査において，豪雨後に土壌浸透水の溶質濃度が高くなる現象が捉えられたが，その要因については精査できなかった．本研究では降雨条件に着目し，土壌充填カラムに人工雨水と人工酸性雨水を 2，

4，20，80 mm h r −1 の降雨強度でそれぞれ 320 mm ずつ降らせ，下方から流出した土壌浸透水（流出
2−
+
−
+
+
2+
2+ 濃度を分析した．その結果，
水）中の DOC，TN，NO−
3 ，Cl ，SO4 ，Na ，K ，NH4 ，Mg ，Ca
80 mm hr−1 の降雨強度では溶質濃度が高くなり，溶質の流出量が大きくなった．この濃度は雨水より高く，物理プロセスであるリーチングが優勢であると考えられた．人工酸性雨水では 80 mm hr−1 の降雨強度で溶質の流出が大きくなり，降雨強度に酸性物質が加わることでさらなる流出が観察された．
キーワード：土壌浸透水，降雨強度，酸性雨，溶質流出