シンポジウム特集

J. Jpn. Soc. Soil Phys.

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土壌の物理性LecturesNo. 126, p.3 ∼ 10 (2014)

放射性物質問題 — 土壌物理に求められること —溝口勝1

Radioactive material issue — What should soil physics do?
Masaru MIZOGUCHI1

人手不足に陥り，除染作業に遅れが生じることが懸念さ

1. はじめにれている．そのため，自分の農地でありながら自ら手出しができず，農地除染をゼネコンに任せるしかできない

福島第一原発から放出された放射性セシウムは土壌表

避難中の農家からは諦めの声も出てきている．こうした層に大部分が蓄積されている（塩沢ら, 2011）との報告が状況を打破し，一刻も早い帰村と農業再生を果たすためある．農林水産省は，こうした科学的調査報告や独自のには，農家自らが実施できる農地除染法を開発すること

農地除染実証工事を踏まえて，「農地除染対策の技術書」が必要である．そんな中，著者は NPO 法人ふくしま再（農林水産省, 2013）をとりまとめた．この技術書では農生の会（2013）との協働で，放射性セシウムが粘土粒子

地の汚染程度に応じて，①表土剥ぎ取り，②水による土に固定される性質に着目し，「農地除染 = 粘土粒子除去」

壌撹拌 · 除去，③反転耕による対策工法が推奨されていという発想で農地除染技術の開発に取り組んでいる．

る．しかし，実際の現場では国や村が表土剥ぎ取り法にこの解説では，著者がこれまでに取り組んできた農地

よる除染工事のみを発注し，それを受注したゼネコンが除染の現場実験を紹介しながら，それらの実験を思いつ

技術書通りに 3 ∼ 8 cm の汚染表土を削り取り，フレコ

いた背景や今後取り組むべき放射性物質問題に関連したンバック（Flexible container bag）に詰め，それらを地区

土壌物理学研究について述べる．

ごとに決められた仮仮置場と呼ばれる交通アクセスの良い農地に山積みにしている．しかしながら，この汚染土

2. 粘土と放射性セシウムの最終処分地は未だに決まっていない．また，2020 年の東京オリンピック開催が決まったことでゼネコン業界が福島県飯舘村に分布する土壌には花崗岩を母材にした粘土鉱物が多く含まれる（山口ら, 2012）．その粘土鉱物の代表的なものは 2：1 型粘土鉱物が層状に重なった雲母類である．2：1 型粘土鉱物の表面には六員環の “孔”が空いていて電気的にマイナスになっている．通常はここにこの “孔” よりイオン直径が小さいカリウムが入り込み，層状の雲母を形成している（中尾, 2012）．しかし，
福島原発事故で放出されたセシウムのイオン直径はこの“孔” にちょうど填まり込む大きさなのでカリウム以上に強く固定される（Fig. 1）．身近なものを使ってモデル化
すると，パック（雲母）に詰まっていた白卵（カリウム）が赤卵（セシウム）に置換されるようなイメージである（Photo 1）．卵パックは単体の卵よりも大きいので移動しにくい．この強い吸着が，原発事故から 2 年以上経過したにもかかわらず，放射性セシウムが地表面付近に残Fig. 1 粘土表面にある六員環の “落とし孔”（Johnston, 2011）.
“Pitfalls” of the six-membered ring on the clay surface（Johnston,2011）.

存したり，降雨の後に泥水の集まり易い場所に粘土粒子が集積してホットスポットを形成したりする原因になっている．Photo 2 は原発事故の 3 か月後に飯舘村内の裸地斜面で測定した放射線量である．雨で斜面上部の粘土1 Graduate School of Agriculture and Life Science, The University ofTokyo, 1-1-1 Yayoi, Bunkyo, Tokyo 113-8657, Japan. Corresponding
author：溝口 勝, 東京大学大学院農学生命科学研究科
2014 年 1 月 12 日受稿 2014 年 2 月 22 日受理

粒子が下方に運ばれた結果，斜面下部の放射線量が高くなっている（溝口, 2011）．
農地除染とは，粘土粒子を除去することとほぼ等価で

土壌の物理性

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第 126 号(2014)

ルトのように固いために，数 cm の厚みの凍土を地元農家が所有する重機で容易に剥がすことができる．筆者らは，2012 年の 1 月に 5 cm 程度凍結している水田土壌を剥ぎ取ることで，地表面からの放射線量が 1.28 µ Sv/hから 0.16 µ Sv/h に低下することを現場実験で確認した（Photo 3）．この放射線量の低下は，凍土の剥ぎ取りによって土壌表層の放射性セシウムが除去できたことを意味する．実験では 4 m × 5 m の面積の凍土がバックホーにより 20 分程度で効率的に剥ぎ取られた．この方法は自然の寒さに任せるだけで良く，前処理にともなう作業
Photo 1 カリウムと交換して雲母間に固定される放射性セシ
ウムのモデル（卵パック = 粘土シート，白卵 = カリウム，赤卵 = セシウム）．
Egg pack model to explain radiocaesium fixation and exchangeof potassium in mica. (egg pack = a pair of clay sheets, white
egg = potassium, red egg = radiocaesium).

員の被爆リスクを低減させることができる．
この方法を理解するには， 0 ◦ C 以下になると土壌の力
学特性や水分特性が大きく変化するなど、凍土学や雪氷学の知識が必要である．そもそも筆者がこの方法を思いついたのは，大学院時代の研究テーマが “凍土” であった
ことが大きい．当時，筆者は土の凍結過程で未凍土から凍土になぜ水分が移動するのかを研究していた．修士 1
年で研究を始めるにあたって北海道の自然凍土や大阪の地盤凍結工法の現場に行き，日本雪氷学会員にもなった．
その後，1990 年代後半にはシベリアの永久凍土の調査にも参加した．農学分野で凍土研究が何の役に立つのか悩
み，後ろめたい気持ちで研究をしていただけに，まさか飯舘村の農地除染で凍土研究が役に立つとは全く思っていなかった．まさに研究をしていて良かったと思った瞬間だった．

Photo 2 飯舘村の斜面における放射線量測定（2011. 6. 25）．
Measurement of radiation dose on a slope near the Iitate Village
office.

3.2 田車による泥水掃出し法（溝口, 2012b）
2012 年 2 月の時点で飯舘村の水田土壌の凍結深は既に 10 cm 以上に達していた．この状況で「凍土剥ぎ取り法」を適用すると，肥沃な表土を無駄に失う．一方，春になると地表面の雪や凍土が融解し，泥水が地中に残る凍土に行く手を阻まれるために，水田のあちこちに放射性セシウムを含んだ泥んこや水溜りができる．筆者らはこの泥水化した土の性質に着目し，地中に凍土が残っている状態で 5 cm ぐらいまで凍土が解ける春先に地表面の泥水を掃きだそうと考えた．しかし，予想に反して凍土はパッチ状に解けるためにこの方法は使えなかった．
通常の代かきではトラクタの重さでセシウムを含んだ表層土が地中にめり込んでしまう．表層土 5 cm だけのPhoto 3 凍土剥ぎ取りによる除染（2012. 1. 8）．
Decontamination by stripping frozen soil method .

代かきはできないだろうか．筆者は水田土壌と水を入れたペットボトルを使ってストークスの法則を説明しながら，NPO 法人のメンバーと議論を繰り返した．こうした議論の末，思いついたのが田車による泥水掃出し法である．この基本原則を理解するためには，粘土鉱物学や粘土表面科学の知見に基づいて，粘土表面のセシウムのある．
田車は通常，田植え後に使われる（中耕）除草機であ挙動を分子レベルで理解しておく必要がある．

る．2012 年 4 月に 5 m × 10 m の田んぼに 5 cm 深さ程の水を引き入れ，表層を田車で掻き混ぜ，泥水をテニス

3. 農地除染の技術開発

コートブラシで掃き出す実験を行った（ふくしま再生の会, 2012）．注水 · 掻き混ぜ · 掃出しを 3 回繰り返し，除3.1 凍土剥ぎ取り法 （溝口, 2012a）

染前後の土壌中のセシウム量を測定した．その結果，こ

福島県飯舘村では雪が少なく気温が低いために冬期にの方法により放射性セシウムを 80 % 程度除去できるこ

土壌が凍結する．自然凍結した土壌（凍土）はアスファとを確認した（Fig. 2）．

シンポジウム特集

解説：放射性物質問題 — 土壌物理に求められること —5Fig. 2 田車除染前後の放射性セシウムの分布（ふくしま再生の会, 2012）．
The rediocaesium profiles before/after rotary weeding (Resurrection of Fukushima, 2012).

Fig. 3 排水路の周辺土壌の深度別放射性セシウム濃度（溝口, 2012b）．
Concentration of radiocaesium in the soil surrounding the drainage ditch.

問題は泥水処理である．この実験では，泥水を水田の周りに掘った 1 m 深さの素掘りの排水路に溜める方法を採用した．その結果，水田表層から除去された泥水は実験から 3 か月後の 7 月には地下浸透でなくなり，排水路の地表面には乾燥した粘土特有の亀裂ができていた．Fig. 3 は排水路底面および底面から 25 cm 高い側
面から 1 cm ごとに土壌を採取し，その放射性セシウム
濃度を測定した結果である（溝口, 2012b）．放射性セシ
ウムは底面および側面の 6 ∼ 7 cm にまでしか浸透していない．これは素掘りの排水路の底面および壁面が土
Photo 4 田車による除染実験（ふくしま再生の会, 2012）( http://youtu.be/yco5Vio6j4k ).
Decontamination by rotary weeding method (Resurrectionof Fukushima, 2012) .

壌の濾過機能（八幡, 1980）により放射性セシウムを含む粘土粒子を効果的に捕捉するためである．その原理
は，砂を入れた穴あきペットボトル に泥水を注ぐ簡単な実験（http://youtu.be/63rWkMGYyYA）で確かめられる．

土壌の物理性

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第 126 号(2014)を掘って汚染土壌を埋設することである．室内実験の結果によると 50 cm 程度の被汚染土で覆土すれば放射線量を 1/100 くらいに減衰できることが報告されている（宮﨑, 2012）．
この仮説を検証するために，筆者らは 2012 年 12 月に
福島県飯舘村佐須滑の水田（約 10 m × 30 m）において，汚染表土を剥ぎ取り，それを丁寧に埋設する「までい工法」の実験を行った（Photo 5）．「までい」とは，古語「真手（まて）」が語源の飯舘村の方言で「手間暇を惜しまず
丁寧に心を込めて」という意味である．この工法は，農Photo 5 汚染土の埋設作業（2012 年 12 月）.
Burying work of contaminated soil .

地除染対策の技術書（農林水産省, 2013）にある①表土剥ぎ取りと③反転耕を丁寧に組み合わせたものである．
埋設した汚染土の挙動を監視するために汚染土を埋めた 2 m × 30 m の長辺 30 m の 5 m と 20 m の地点に土壌
センサ（土壌放射線計，土壌水分計，地温 · 電気伝導度計）をそれぞれ 4 組埋設した（Fig. 4）．また，塩ビパイプ
で深さ 1.5 m の観測井を設置した．土壌センサデータ，
地下水位，現地気象データは 1 時間間隔でデータロガーに記録され，通信機器を経由して現地周辺の画像と共に現地からクラウドサーバに毎日自動転送されている．
埋設土壌の放射線測定にはガイガー · ミュラー（GM）
管を用いた．すなわち，GM 管を完全防水型のプラス
チック容器（8 cm × 7 cm × 18 cm）に入れ，1 日 2 回のFig. 4 汚染土を埋設した水田における監視用センサの配置図.
Allocation of sensors in a paddy that buried contaminated soil .

頻度で 60 分間の放射線量をカウントし，それをデータ
ロガーに記録するシステムを試作して用いた．このシス
テムは 6 W のソーラーパネル 1 枚で作動するのが特徴

ペットボトルの下から透明な水が出てくるが，粘土粒子である．
2013 年 4 月末時点で降水量，地下水位，および土壌中

は砂の表層に残るのである．

の放射線量について Fig. 5 のような結果が得られた．

泥水掃出し法では，粘土粒子の水中滞留時間と掃き出

井戸の水深は降雨に応答して最大で 130 cm（地下水

しを完了するタイミングが重要である．昔から実践され

位 20 cm）まで急激に上昇し，降雨停止後に徐々に低下てきた「代かき」の団粒破壊の効果や土粒子の沈降速度

し，次の降雨で再び上昇する傾向を示した．また，埋設の関係，適当な農業資材を使った粘土粒子の分散 · 凝集

された汚染土の中心の放射線量は 211 cpm であるのに対現象の応用など，コロイド科学に関する知見を整理する

し，汚染土の下の非汚染土中の放射線量は 20 cm 下で 19とより効率的な除染法の開発につながる 可能性がある．

cpm，60 cm 下で 8 cpm だった．これは土の遮蔽効果に蛇足ながら，この方法を実践する前に「田車」の存在をより汚染土からの放射線が減衰することを示している．

知っていたのはふくしま再生の会のメンバーの中でも，さらには，降雨にともなう急激な地下水の変化にもかか農家の菅野宗夫さんと筆者（農家出身）だけだった．農わらず土壌放射線量はほとんど変化していない．これは家自身ができる他の除染法を考える際に，各地域に残っ埋設してから約 5 か月間で汚染土から放射性セシウムがている伝統的な農家の知恵を積極的に活用することも大漏洩していないことを意味する．

切である．

までい工法における最大の課題は，埋設汚染土から長3.3 汚染表土の埋設実験 — までい工法（溝口, 2013a）

期間にわたってセシウムが漏れないことを証明すること

現在飯舘村内のあちこちで表土剥ぎ取りによる除染工である．現在は放射線計を埋設して土壌中の放射線量を事が実施されている．しかしながら，除染で出てきた汚監視しているが，土壌物理学の分野で使われて HYDRUS

染土壌の処理が大きな課題となっている．廃土処分場を等のシミュレーションソフトを使いながら，水の浸透に

飯舘村内に作るとしてもその場所の選定が難しく，仮にともなうセシウム移動を予測することが必要である．特場所が決まったとしても処分場の容量はすぐに飽和状態に，粘土や有機物のコロイドとしての移動の可能性を検となることが予想される．また，周辺への粉塵による放討することが重要である．

射性物質拡散リスクがあり，さらに，放射性物質を含む

3.4 浅代かき強制排水法（溝口, 2013b）

汚染土壌を処分場に移動させる途中で除染を済ませた地

原発事故から 3 年目を迎え，水田には草や灌木が繁域へ放射性物質を再拡散させるリスクもある．このよう茂し，イノシシが地表面を掘り起し、典型的な耕作放棄な状況下で考えられる現実的な対策は，農地の一角に穴状態になっている．行政的に汚染土壌の処分地が決めらシンポジウム特集

解説：放射性物質問題 — 土壌物理に求められること —7Fig. 5 水田湛水に伴う観測井戸水位と土壌内放射線量の変化.
Changes in soil radiation dose (cpm) and water level in a well in flooded rice field .

濾過機能」によって泥水が地中に浸透する過程で粘土粒子が土壌間隙に捕捉されることを原理的に理解する必要がある。しかしながら，放射性セシウムが有機物に吸着し，その有機物がコロイドを形成して浸透する場合でも捕捉されるのかどうかは不明な点もある．その意味では
土壌中におけるコロイドの移動やクロッギングの現象を
土壌物理研究として解明することが重要である．

4. 放射線センサを用いたフィールド
モニタリングシステム
Photo 6 代かき強制排水法（2013.5.18）
正面：http://youtu.be/rqOyqHwZEFQ
側面：http://youtu.be/4uwW2gfHQJA ．
Decontamination by forced drainage of puddling muddy water .

飯舘村は現在も避難区域に指定されているため，被ばく量を考えると現地に継続的に張りついての環境計測は困難である．したがって，リモートで現地の状況を連続モニタリングできるシステムの導入が有効である．

れない状況の中で，これ以上水田を放置すると除染どこフィールドの環境計測では，通常，センサとデータロガーを組み合わせたシステムが使われる．遠隔地にこのろか農地としての再生そのものが困難になる．そこで，システムを設置した場合，現地から戻った後にデータを

著者らは 2013 年 5 月に農家自身が保有するトラクタを確認でき，仮にデータが取れていないときにはその原因使って実施できる「代かき強制排水法」の実験を試みた．

を推測できると便利である．そこで，筆者は，現地に設

これは，水田の一角に素掘りの穴を掘り，代かきで発置したデータロガーや Web カメラを一時的にインター

生する泥水を素掘りの穴に流し込む方法である（Photo

ネットに接続する「フィールドモニタリングシステム

6）．トラクタの自重で表層土がめり込むことは避けら（FMS; Field Monitoring System）」を着想し，必要な要素

れないが，水田は既にイノシシによって掘り返されてし技術を開発してきた（溝口, 2012c）．

まっている．代かきを何度か繰り返すことで粘土粒子にFMS は，現地のデータロガーに通信機能を付加し，イ固定された放射性セシウムを作土層から少しずつ除去す

ンターネット経由でデータをサーバに転送し，ユーザがることを考えた．この実験でも一連の作業の過程におけそのサーバから自分の PC や携帯端末にデータを取り出る水田の空間線量や素掘り穴の地表面と地下 40 cm の放すシステムである（Fig. 6）．このシステムの重要な技

射線量を 3.3 と同様の方法でモニタリングした．
この方法は農水省マニュアルの②水による土壌撹拌 ·除去と③反転耕の組み合わせである．この方法の合理性

術は，フィールドルータ（FR），ネットワークアダプタ（NA），データサーバ（DS）である．

4.1 フィールドルータ（FR）（Mizoguchi et al., 2011）を理解するには田車除染法と同様にコロイド科学に関す

FR は ，現地データをインターネット経由でサーバにる知見が必要である．すなわち，3.2 で述べた「土壌の転送する機器であり，リアルタイム性を多少犠牲にして

土壌の物理性

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第 126 号(2014)

Fig. 6 フィールドモニタリングシステムの概略図.
Schematic diagram of the Field Monitoring System（FMS）.

の様子を複数の角度から見ることもできる．さらには，

FR がなくても最近普及している Android 携帯アプリからデータを取得することも可能である．

4.3 データサーバ （DS）
FR で転送された現場データは，データサーバ（DS）に保存される．したがって，ユーザは Web のポータル
サイトから DS にアクセスするだけで，遠隔地の画像とデータにアクセスできる（Fig. 9）．また，現地データの他にデータロガーの電池の消耗具合など，FR の稼働状
況を確認できる．
Fig. 7 フィールドルータの概略図.
Schematic diagram of the FieldRouter TM (FR) .

日単位でデータにアクセスするのが特徴である．

4.4 飯舘村内の環境モニタリング （Mizoguchi et al.,2012）
除染の効果を評価するためには，いくつかの重要なポイント（ホットスポット）で継続的に放射線モニタリン
グを行う必要がある．特に，降水量や風向風速などの気

FR の構成は，Micro-PC，USB モデム，USB Bluetooth

象と放射線量の関係，降水量と小河川の流出量や濁水量

ドングル，小型バッテリ，チャージコントローラ，ソーとの関係，地下水位変動にともなう埋設した汚染土壌のラーパネル，タイマー，ステータスランプ，Web カメラ

挙動を注意深く観測することが重要である．飯舘村内にである．これらの部品が，防水 · 防塵加工された箱に収は行政区内の水田，森林，民家など，携帯電話の電波が入納されている（Fig. 7）．タイマーにより FR の稼働時間

る複数の地点に FMS が設置されている．それらのデー

は 1 日 30 分に制限しているため，電力消費量が押さえ

タはインターネット経由で PC やスマートフォンを使っられ，6 W 程度のソーラーパネルで稼動する．FR が定てどこからでも見ることができる．

時に立ち上がると，Web カメラの現地画像と各データロ

Fig. 10 は，飯舘村の（A）森林内，（B）森林伐採地，

ガーのデータがインターネット経由でサーバに送信され（C）民家の庭で測定している空間線量データの一例でる．FR は日本国内ならほとんどの地域で利用でき，海ある．現地画像データと比較することにより積雪で空間外であれば，対象とする地域で GSM/3G の携帯電話が使線量が低下することや，気象データと比較することによえることを確認した上でその国内の SIM カードを USB

り晴天で乾燥した日に空間線量が高くなる傾向があるこ

モデムに挿入すれば利用できる．

となどがわかる．ただし，ここで利用した放射線センサ

4.2 ネットワークアダプタ （NA）

は開発中のフォトダイオード半導体センサ（Radiation-

watch.org, 2011）のため，時々雑音を拾ってデータが不NA は，シリアル通信ポートを持つデータロガーにBluetooth 通信機能を付加する機器である（Fig. 8）．NA

安定になることがある．しかし，定点自動観測による連はシリアル接続可能な全てのデータロガーに対応する．

続データは，放射線変化のトレンドを見るには有効であ

また，Bluetooth 対応のカメラを増設することにより現地る．今後，放射線センサの専門家と連携してより良いセシンポジウム特集

解説：放射性物質問題 — 土壌物理に求められること —9Fig. 8 ネットワークアダプタの利用法.
Usage of Network adapter .

Fig. 9 飯舘村の水田環境モニタリングポータルサイト( http://www.iai.ga.a.u-tokyo.ac.jp/mizo/edrp/fukushima/monitoringsite.html ).
A portal site for the environmental monitoring data at a paddy field in Iitate village .

5. おわりにンサ開発を進める必要がある．
フィールド科学にとって遠隔地のフィールドモニタリ
ングはキーテクノロジである．センサネットワーク，クラウド，ビックデータ等，最新の情報通信技術を使うことによって，フィールド研究の方法を根底から変える可能性を秘めている．自動的に回収される膨大なデータをいかに処理し，わかりやすく伝えるか，情報科学分野の研究者との連携が不可欠である．これからの若い土壌物
理学会員は，クラウドやビックデータを扱える新しい情報通信技術を使いこなせるよう，ある程度のプログラミ
ングスキルを高めておく必要がある．

常々，筆者は研究は自由な発想に基づいて行うべきだと思っている．しかし，原発事故で汚染された農地土壌除染に関しては，世界中の全ての分野の研究者が総力戦
で一刻も早い解決策を提示すべき問題であると思っている．そうした状況の中で，土壌物理学は大変重要な学問である．そして，土壌物理学の専門家集団で構成される
土壌物理学会には大きな期待と責任が課せられている．
こうした状況の中でどうすべきか．私たち土壌物理学会
員は，社会ニーズを的確に把握し，放射性物質で汚染された土地の再生という共通の目標に向かって，まずは現場を見て，堂々と他分野の研究者や技術者，時には行政土壌の物理性

10

第 126 号(2014)

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㻳㼍㼞㼐㼑㼚㻌㼛㼒㻌㼍㻌㼔㼛㼡㼟㼑

Fig. 10 飯舘村に設置された三か所の FMS サイトにおける空間線量の比較.
Comparison of radiation dose at three FMS sites in Iitate Village (a garden, a forest, and a deforested area) .

や NPO メンバーと協力しながら問題解決に貢献していくことが大切である．

溝口

勝 (2012b): 農地除染の新たな試み. 学術の動向, 10: 52–

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溝口

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要旨

農水省は福島で表土剥ぎ取り法による農地除染を行っている．しかし，汚染土壌の最終処分地は決まっていない．一刻も早い農業再生のためには，農家自らが実施可能な除染方法を開発することが重要である．筆者は NPO 法人と協働で，粘土とセシウムの性質を活かした除染法の開発に取り組んでいる．本
論文では，いくつかの現場実験を紹介しながら，福島における土壌物理学研究のヒントについて述べる．
キーワード：農地除染，粘土科学，凍土，代かき，モニタリング