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日本農学会シンポジウム

水と農学

農地土壌における水移動と環境保全
江口定夫*〔キーワード〕：土壌断面，土壌の間隙，水ポテン
シャル，選択流，消費者

環の中で水が果たす大きな役割と持続可能な利用方法について考えたい．

1．はじめに2．物質循環を司る水生物体の大部分は水で出来ている．特に体内に海水は，「水の惑星」地球の陸域生態系における物を宿すことで生命活動を維持する陸上生物にとっ

質循環の大部分を司る．水は液体，気体及び固体とて，水こそが命であり，陸域生態系では，栄養では姿を変えながら，環境中をダイナミックに動き回る．

なく水の多寡が，生物生産性を左右する最大の規定

水のエネルギー状態は水ポテンシャル（全ポテン要因となる．農業は，陸域生態系の物質循環を利用シャル，ψt）（Pa）で表され，水移動は，水ポテンシャして，生物（作物，家畜）を大量生産する人間活動ルの高い方から低い方に向かって生じる．

（食料生産）であり，必然的に，限られた空間・時間の中で，水と栄養を大量に使用する．

ψt = ψg + ψm + ψp + ψo

土壌は，地球上における物質循環の「要」である

ここで，下付き文字 g，m，p 及び o は，それぞ（佐久間・梅田 1998）．土壌における物質循環の大れ，重力，マトリック，圧力及び浸透ポテンシャル部分は，水が持つエネルギーの勾配を駆動力として，を表す．陸域生態系では一般に，土壌中の水ポテン

また，水を輸送媒体として，生じる．中でも農地土

シャルが最も高く，水移動は，土壌（–3～0 MPa：

壌は，人間と環境の間で様々な物質のやりとりを制変動範囲の例）→根（–2～–0.1 MPa）→葉（–3～–1.5

御するインターフェイスであり（江口 2019），そのMPa）→大気（–300～–10 MPa）の順（蒸散），また機能は，土壌を介した水移動の理解と制御に基づきは，土壌→大気の順（蒸発）で生じる（図 1）．

最大限に発揮される．

水の流量（単位時間当りの水移動量）は，水の流農地土壌は食料生産が第一目的，環境保全は二のれ易さを表す係数（土壌では飽和・不飽和透水係数，次であり，食料生産と環境保全の両立は一般に難し植物体では通水コンダクタンス）と水ポテンシャルい．しかし，決して相反する関係ではない．農地土勾配の積で表される．一般に，蒸散による水移動量

壌のこちら側にある人間社会への恵み（食料生産）が大きいほど，植物の生産性は高い．独立栄養生物を最大化すると同時に，農地土壌の向こう側にあるである植物は，根から吸収された水と気孔から取り環境（水圏，大気圏）への負荷を最小化する工夫が込んだ二酸化炭素を基質として光合成を行い，炭水出来れば，持続可能な人間社会の構築と地球環境保化物（有機物）を作る．土壌中の必須栄養元素（窒全の両立が可能となる．農地土壌は，人間による働素，リン，カリウム等，計 16 種）は，吸水に伴うきかけが非常に大きいからこそ，自然界の物質循環移流（マスフロー）及び濃度勾配を駆動力とした拡の力と人間の工夫を併せることで，自然土壌には出散により，土壌中の水を媒体として輸送され，主に来ないことが出来る．

溶存態の無機イオンとして吸収される．蒸散と蒸発

地球の長い歴史と人間の短い歴史の中で，水は土は，土壌の熱収支において最大の支出項（潜熱）で壌を作り，土壌は水を再生してきた．再生産可能なあり，土壌の昇温を抑え，生物活動に適した温度を資源として水を利用するには，土壌の機能と人間の保つ役割を果たす．

工夫が必要不可欠である．本稿では，特に農地土壌

土壌によるこれらのはたらき（生態系サービス）における水移動に焦点を当て，農地生態系の物質循

は，土壌の表層から下層及びその下も含めた不飽和*農研機構 農業環境変動研究センター（Sadao Eguchi）

0369-5247/21/\500/1 論文/JCOPY

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江口：農地土壌における水移動と環境保全

年降水量1227±209 mm

水ポテンシャル
（変動範囲の例）
大気 –300～–10 MPa

年蒸発散量751±27 mm
深さ1 mまでの土壌断面の年平均保水量
582±10 mm

植物葉 –3～–1.5 MPa

植物根 –2～–0.1 MPa(cm)020作土層30

耕盤層

土壌 –3～0 MPa

下層土100

正味の年浸透水量476±214 mm

下向きマトリックス流
419±151 mm
上向きマトリックス流
40±28 mm
図1

選択流97±43 mm

農地土壌における水移動量（7 年間の平均値±標準偏差）の観測事例
黒ボク土野菜畑（Eguchi & Hasegawa 2008）と一般的な水ポテンシャルの変動範囲の例．

帯（vadose zone）とその下にある地下水帯を土壌中ごく一部分を水や溶質が選択的に流れる現象を選の水移動が繋ぎ，水，熱，養分，生物が上下に行き択流と呼ぶ（Hendrickx & Flury 2001）．選択流は農来する土壌断面（soil profile）を形成することで，地の水収支項の一つとして重要な位置を占め（図 1），初めて発揮される．黒ボク土（主に火山灰を母材と土壌マトリックス中の溶存物質（栄養元素等）の溶する土壌）の野菜畑を対象に水収支を観測した事例

脱を促進する場合と抑制する場合がある．選択流は，（図 1）では，年降水量や年浸透水量の大きな変動土壌中における速やかな内部排水を促すことで，降（変動係数：17%及び 45%）に対して，年蒸発散量水時の表面湛水を抑制する効果があり，圃場スケーや年平均保水量（深さ 1 m までの土壌断面）はほぼ

ルでは農地の排水性改善（暗渠排水等），地形スケー一定（同 4%及び 2%）に保たれており，水移動によ

ルでは傾斜畑における表面流去水・土壌侵食防止帯るホメオスタシス機能が如何なく発揮されていた．

（例えば，ケニア共和国の Fanya-juu terraces 等：Saiz

植物生育を考えるときは所謂，植物の永久萎凋点et al 2016）としても活用される．

（–1.5 MPa）よりも高い水ポテンシャルの土壌水分

土壌の間隙における水の出入りのバランス（水収量（有効水分量）を主な対象とすることが多いが，支）は，土壌の気相率を決定する．大気と土壌の間土壌中の物質輸送では保水量全体が解析対象となのガス交換のし易さ（ガス拡散係数，通気係数）は，る．土壌中の水は，乾燥時ほど土壌団粒や粘土粒子気相率と間隙構造によって決まる．気相率が高いと等に強く保持され（水ポテンシャルが低い），動き土壌中は好気的に保たれ，有機物分解や硝化等の酸は遅いが，湿潤時ほど，水は粗大間隙中を速く移動化反応が促進される．一方，間隙の多くが水で満たできる（水ポテンシャルが高い）．大雨時など短時

され，大気からの酸素供給が土壌呼吸による酸素消間で大きな水量が土壌中へ浸入すると，透水性が低費を上回ると，土壌空気中の酸素濃度が低下し，嫌い耕盤層などの直上で水ポテンシャルが高まり，鉛気的になる．強力な温室効果ガスである一酸化二窒

直下方へと繋がる粗大間隙中へ水が流入・流下し，素（N2O）は，好気的条件下では主に硝化過程，嫌下層土マトリクス中の水ポテンシャルとの間での気的条件が進むにつれて主に脱窒過程で生成する．

物理的平衡状態が成立しないまま，植物根域よりも脱窒は，反応性窒素（reactive nitrogen：生物が利用深層へと流去する場合がある．このように土壌中の可能な N2 以外の全ての化合物中窒素）を再び N2 に

30

農業および園芸

第 96 巻第1号（2021 年）

戻す主な反応経路であり，硝酸イオンを含む好気的（麦・豆類，野菜，果樹，茶，牧草等）である．畑

環境と酸素を含まない嫌気的環境の境界付近で，局面積の約半分を占める黒ボク土は，他の土壌よりも所的に生じる（江口 2008）．

全間隙量（図 2a）及び通常時の保水量（図 2c）が大きいが，通常時の有効水分量（図 2d）は他の土壌3．農地の土壌断面における水の保持量と大差がない．黒ボク土は植物にとって有効でない

土壌の性質は，層位ごとではなく，鉛直土壌断面水を多く保持し，それが他の土壌との保水量の差の及び地下水面から繋がる連続体として捉える必要主因となっている．この水は，風乾（≈-32 MPa）にがある．農地土壌の保水量や有効水分量は通常，作よって失われるが，黒ボク土の物理化学的な高い反土（深さ 15 cm 程度）よりも下層土に多く，下層土応性も同時に不可逆的に低下する．保水量が大きいの保水量やそこからの水移動が畑作物の生産性をことは，水や溶存態栄養成分の根域内での滞留時間大きく左右する．したがって，作土だけでなく，土を増大させ，作物がそれらを吸収できる機会を増大壌断面全体での保水量を把握する必要がある．

させる役割を果たす．

日本の農地土壌は，深さ 1 m までの土壌断面を対水田と畑の間隙量は大凡同じだが（図 2a），水田象とすると，最大 500～750 mm の水を保持しうる

土壌は落水後も体積含水率が高く，通常時（非灌漑間隙を有し（図 2a），温暖湿潤な気候条件下におい期間中）の保水量は畑より大きい（図 2c）．このたて，通常 300～600 mm 程度の水を保持している（図め，地表面からの新たな浸入水を保持できる容量は，2c）．日本の農地面積の約半分は水田，残りは畑50～100 mm ほどに過ぎない（図 2b）．水稲収穫後，土壌の全間隙量（深さ方向に積算、水柱に換算）（mm）
0200

400600

通常時の気相量（深さ方向に積算、水柱に換算）（mm）
800

0100

200

300

0
畑（黒ボク土以外）
畑（黒ボク土）水田（黒ボク土以外）
水田（黒ボク土）

20

深さ（cm）

0畑（黒ボク土以外）
畑（黒ボク土）水田（黒ボク土以外）
水田（黒ボク土）

2040

4060608080ab

100100

通常時の保水量（深さ方向に積算、水柱に換算）（mm）
0200

400

600

00100

2003000
畑（黒ボク土以外）
畑（黒ボク土）水田（黒ボク土以外）
水田（黒ボク土）

20畑（黒ボク土以外）
畑（黒ボク土）水田（黒ボク土以外）
水田（黒ボク土）

4040

有効水分量＝水ポテンシャ
ルが–1.5 MPa以上の水6060808020

深さ（cm）

通常時の有効水分量（深さ方向に積算、水柱に換算）（mm）
800d

c100100

図2

日本の土壌統群別・地目別の平均的な農地土壌断面における水の保持に関わる特性（a）土壌の全間隙量；（b）通常時（土壌採取時）の気相の量；（c）通常時の保水量；（d）通常時の有効水分量．
いずれも，日本の農地土壌の物理的性質データベース「SolphyJ」（江口ら 2011）より作成．

31

江口：農地土壌における水移動と環境保全

台風等による大雨があれば，多量の水は土壌中へ浸地帯に至るまで，水はコロイド状の粘土粒子や腐植入できず，表面流去水が発生し，濁水流出が生じる物質，溶存する二酸化炭素，キレート状のアルミニことがある．水田からの窒素等の流出負荷量は，湛ウムや鉄等を輸送し，集積層や溶脱層，斑紋や結核水状態で管理する灌漑期よりも，非灌漑期の方が大等を形作る．土壌の最も重要な構成要素と言える粘きい（治多ら 2015）．その流出経路としては，表面土鉱物の生成には，水ポテンシャルの高い湿潤条件

流出，暗渠流出及び浸透流出があるが，水尻の止水が欠かせない．台地から河川等の表面水体に至る地板を高く調節し，例えば高さ 10 cm に設定すれば，形条件において，ほぼ同じ母材から主に地下水位の一度に 100 mm までの雨量なら表面流出を抑えられ違いによって生み出される一連の異なる土壌は，地る．

形水文系列（topohydrosequence）または地形連鎖系

これに対して，畑土壌は 100～300 mm ほどの余（toposequence）と呼ばれる．これらは地球の長い裕があり（図 2b），土壌中への浸入が速やかならば，歴史の中でゆっくりと進行したプロセスだが，人為かなりの豪雨でも表面湛水は発生しない筈である．

的な水移動が短期間で生み出す土壌としては，農地

しかし実際には，10 mm/h 程度以下の降雨強度でも土壌を湛水状態で管理する水田土壌のほか，アルカ土壌中への浸入速度を上回り，傾斜畑では表面流去

リ金属・アルカリ土類金属イオンが土壌表層に集積と土壌侵食が発生しやすい．畑土壌では，土壌中へする塩類化やアルカリ化，湿性土壌の排水性改良がの浸入速度の増大が，土壌保全・環境保全に直結す一因となる硫酸酸性土壌，泥炭土の乾燥化，還元的る．緑地帯や，間作期間中の緑肥作物等による植被性質が強い土壌から酸化的性質が優占する土壌へを作ることで，根域内の体積含水率の低下や根穴にの変化，更には，傾斜畑の激しい土壌侵食による作よる粗大間隙の増大等によって浸入速度が大きく土の損失等がある．

増大し，農地や流域からの土砂・栄養塩類流出を防長年に亘る施肥窒素の多投入のため，硝化によるぐことが出来る．農地土壌におけるちょっとした水プロトン生成が土壌の緩衝能を上回り，強酸性化し移動の工夫が，例えば熱帯島嶼では，内湾に生息すた農地土壌では，最も重要な土壌構成要素である粘る貴重な珊瑚礁を守ることに繋がる．

土鉱物が溶解し，植物にとって有毒なアルミニウムイオンが溶出する．粘土鉱物を失えば，栄養元素を4．土壌を作る水，水を再生する土壌

吸着・保持し，植物の必要性に応じて供給する土壌

土壌生成・層位分化プロセスの大部分は，水移動の機能は半永久的に失われる．土壌侵食は，腐植にと共に進行する．熱帯から寒帯，乾燥地帯から多雨富む作土層そのものの損失であり，作物生産性の低台地と表面水の間の湿性陸域環境（水田など）
台地

台地斜面

後背湿地または氾濫原

自然堤防 河川

水移動が台地と河川を繋いでいる
NO3–
溶脱

脱窒が活発に生じる領域
有機物が多い（酸素が少ない）

NO3–

湧水

ピエゾメータ

NO3–
NO3–
NO3–
NO3–

水ポテンシャルの等高線
図3

難透水層

NO3–
NO3–

NO3–

地下水流線

水畔域（riparian zone）における水移動と脱窒のホットスポットの形成
江口（2008）を改変．

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農業および園芸

1960年 ⾷料⾃給率 79%
窒素利⽤効率 30%

第 96 巻第1号（2021 年）

2007年 ⾷料⾃給率 40%
窒素利⽤効率 18%

窒素投⼊
国内
1161

窒素投⼊

海外128
輸⼊
⾷飼料
102

供給
純⾷料381

排泄供給純⾷料6161110

882
国内

25
海外

523

93
排泄 ⾷品ロス1277
国内

1013
海外

摂取前の窒素排出

摂取前の窒素排出

図4

輸⼊⾷飼料
1110

摂取523

摂取
381381

海外
2123

国内
784

日本の国内外における窒素投入量・排出量（Gg N/yr）の長期変遷
江口・平野（2019）より作成．

下に直結する．米国中部の穀倉地帯では，オガララ

灌漑水や降水中の窒素を浄化することも可能であ帯水層の過剰揚水・灌漑利用が進み，量的にも質的る（箭田ら 2020）．窒素負荷源となり易い畑におい（塩類化）にも，土壌と地下水の持続可能性が危ぶても，間作期間中の緑肥の導入による窒素溶脱の削まれている．これらは何れも，水移動が土壌とその減（Asada et al 2018），減肥と化学肥料の堆肥代替に機能を破壊する方向にある．土壌には水を再生する

よる水圏（窒素溶脱）及び大気圏（地球温暖化ガス機能があり，土壌を保全する水移動が，水を保全し，排出）への負荷を同時に削減する肥培管理技術の開再生可能な資源としての持続可能な水利用に繋が発（郷内ら 2019）など，生産現場における新たなる．

技術開発が進んでいる．

例えば地形連鎖系には，水畔域（riparian zone）が5．おわりに存在し，硝酸イオンを高濃度で含む台地由来の好気的な地下水が，易分解性炭素を多く含む低地の嫌気最後に，食料生産現場である農地土壌ではなく，的な地下水と出会う境界付近では，脱窒のホットスその生産物の恩恵を受けている消費者の役割につポットが形成される（図 3）．水畔域はしばしば，農いて述べたい．農地における作物生産性の向上のた

地排水性改良（暗渠排水整備，河床の掘り下げ等）

めの排水性改良や多施肥による集約的な農業シスのために好気的条件となり，この脱窒能が失われ，テムは，必ずしも農家が農家のために実施したので台地由来の地下水は高濃度の硝酸イオンをそのまはなく，フードシステムの一番下流側で強力に食料ま河川水中へ流出させることになる．水畔域は，水を要求する私たち消費者のニーズ（市場ニーズ）が田等として利用すると共に，水圏への窒素負荷を軽駆動力となってそれを引き起こしているというこ減する機能を発揮できるように，地形連鎖系の土壌とを，社会全体で認識する必要がある．食料の流れ生成環境を維持したまま，できるだけ嫌気的に保つを通じて，生産者と消費者は常に繋がっている．水工夫が必要である．

を再生可能な資源として利用する上で，消費者の役

水田は，緩効性肥料の開発等，できるだけ窒素投割は極めて大きい．日本は仮想水として大量の水を入を減らすための肥培管理技術が高度に進んでお輸入しているが，それだけではなく，海外の農地土り，肥料と水移動を適正に管理することで，ゼロエ壌において多大な窒素負荷を引き起こしている（図ミッションは勿論，環境中からのインプットである4）．

江口：農地土壌における水移動と環境保全

米国でオガララ帯水層の枯渇や土壌・地下水の塩類化が問題となるならば，その一部は，この穀倉地帯で栽培されたトウモロコシを家畜用の濃厚飼料として輸入し，その餌で飼養された家畜が生み出す畜産物を摂取する私たち日本人が，引き起こしていると言える．また，日本では，供給純食料タンパク質の 11%は食品ロス，22%はタンパク質の摂り過ぎであり（江口・平野 2019），その分だけ，過剰な窒素負荷を国内外の生産現場に与えている．食と環境負荷の密接な関係とその現状について，生産者と消費者の相互理解を進め，農地土壌における水移動を適切に管理する環境保全型のフードシステムを構築することが必要である．
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江口定夫（2019）窒素の物質循環と窒素フットプリント－
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