J. Jpn. Soc. Soil Phys.
土壌の物理性No. 150, p.93 ∼103 (2022)

不耕起栽培と人工マクロポア導入が石垣島サトウキビ畑における土壌保水と有機物蓄積へ与える効果
岡香菜子 1 ·Bui Thanh Long1 · 森也寸志 1 · 大澤和敏 2 · 干川 明 3

Artiﬁcial macropore installation and no-tillage practice in subtropical sugarcane ﬁeld
to conserve water and organic matter in soils
Kanako OKA1 , Thanh Long BUI1 , Yasushi MORI1 , Kazutoshi OSAWA2 and Akira HOSHIKAWA3

Abstract: Artiﬁcial macropore introduction and no-tillpractices were conducted in the subtropical red soil of asugarcane ﬁeld on Ishigakijima Island, Japan, to increase
the storage of soil water and carbon. The examined ﬁelds
were suffering from heavy rain, typical of the subtropicalclimate, the intensity of which is increasing because of climate change. Heavy rain causes surface runoff and soil
erosion, which decreases sugarcane ﬁeld. Soil particles
were being delivered directly into the sea, potentially affecting coral reefs. Therefore, the storage of soil water andsoil carbon is crucial for protecting the natural subtropical environment. Artiﬁcial macropores with bamboo ﬁbers
were installed at 1 m intervals to enhance vertical inﬁltration. In addition, no-tillage agriculture with the retentionof plant residues was conducted to protect the surface soil
from the impact of heavy rain. Field management trials
were conducted under no-tillage with/without macropores(NT-M and NT-X, respectively) and conventional tillage
with/without macropores (CT-M and CT-X, respectively).
Rainfall, surface runoff, soil erosion, soil moisture, and total soil carbon were measured. As a result, the macropore installation ﬁelds (CT-M and NT-M) had greater soil
moisture contents than the ﬁelds without macropore installation (CT-X and NT-X). The average soil moisture valuesof each proﬁle revealed that NT-M retained more soil water than CT-X (p < 0.01). Moreover, the calculated soil
proﬁle total carbon decreased under NT-X, CT-M, and CTX. This is normal for a tropical climate with a relatively
high temperature. However, the NT-M treatment showed
an increase in soil carbon by +0.45 t-C·ha− 1 ·yr− 1 . Thisvalue corresponded well with that of conservative practices
in such agriculture ﬁelds. This result indicates that macropore installation in combination with no-tillage practices
increases the total carbon in the soil proﬁle, even in tropical climates. We recommend macropore installation with
1 Graduate School of Environmental and Life Science, Okayama University, 3-1-1 Tsushimanaka, Okayama 700-8530, Japan, Corresponding
author: 森 也寸志 岡山大学大学院環境生命科学研究科, 〒700-8530 岡
山市津島中 3-1-1, yasushim@cc.okayama-u.ac.jp
2 Faculty of Agriculture, Utsunomiya University, 350 Minemachi, Utsunomiya 321-8505, Japan.
3 Sekiseishouko Coral Reef Fund, 221 Ishigaki, Ishigaki 907-0023, Japan.
2021 年 9 月 13 日受稿 2021 年 12 月 27 日受理

no-tillage practices with plant residue retention as an effective measure for enhancing the retention of soil water andsoil carbon.
Key Words : artiﬁcial macropore, no-tillage, surface
runoff, soil erosion, soil carbon

1. はじめに
現在，世界各地で土地荒廃が進行し，世界の耕作地の 20 %，森林の 30 %，草地の 10 % が劣化しており，
また 15 億人がそこで生活しているとされている（FAO,

2008）．特に強い降雨による水食は，環境及び農業上の重大な問題であり，土壌劣化の中でも大きな割合を占めている（Pimentel et al., 1995）．耕地において表層土壌を失うことは生産性の低下を引き起こし，大きな課題となっている．例えば，米国の土壌保全試験地において長期耕作試験を行うと，10 年間で約 15 cm の表土が失われ，土壌有機炭素量が 1/4 に低下し，それに伴いトウモ
ロコシの収量は 2.7 Mg ha−1 y−1 減少した（Borst et al.,1945）．また，フィリピンでは侵食によって 15 年間でトウモロコシの生産性が 80 % 減少したという報告がある（Dregne, 1992）．環境的側面から見れば，1600 Mha もの農地が土壌流亡に曝されており，それに伴って陸域から失われる炭素相当量は 24.9 Pg にもなり（Lal, 2001），
農地というレベルだけでなく，陸域レベルでの喫緊の課題と言える．
沖縄県石垣島でも，陸域から海域への赤黄色の土壌
（以下，
「赤土」
）の流出が大きな問題となっており，栄養塩の動態も含めた包括的な考察がされている（池田 · 菅,2014）．赤土流出は，農地における肥沃な土壌の流出による生産性の低下だけでなく，海域における微細な土砂によるサンゴ礁の死滅 · 劣化を引き起こす．サンゴは貧栄養場での生育を好み，また海底に堆積した赤土はサンゴと共生する褐虫藻の光合成を阻害するため，赤土流出はサンゴの生育環境を劣化させる（山里, 1991）．石垣島

94

土壌の物理性第 150 号

（2022）

周辺のサンゴ礁は 363 種類にのぼり，世界屈指のサンゴと考えられる．不耕起栽培で一定の効果が観察されるの礁海域を形成している（石西礁湖自然再生協議会, 2007）

は，植物残渣が雨滴の衝撃を和らげ，不透水膜の形成を防ため，重要な観光資源でもある．

止することによると考える．そこで本研究では，土壌間石垣島では 1950 年代から圃場整備事業や各種インフ

隙構造を疑似的に作る人工マクロポア（Mori et al., 2014）

ラ事業等が顕著になり，土地利用が森林から畑地等へ大を土壌に設置して透水性を改善し，表面流の発生を軽減

幅に改変された．石垣島には高い受食性を持つ赤土等のすることを考えた．人工マクロポアとは，自然中の土壌

熱帯性土壌が広く分布しており，雨で容易に分散し流出構造である粗大間隙を人工的に作り，構造維持のためにする（翁長 · 宜保, 1984）．亜熱帯性気候がもたらす降雨

竹繊維などを挿入したものである．これまでの研究で，強度の強い雨は土壌に衝撃を与え，流出を助長させる．

浸透時の目詰まりを回避しつつ（Mori et al., 2013），下

また石垣島では傾斜 3 % 以上の急勾配圃場が農地全体

方浸透が促進されること（Mori and Hirai, 2014），表面流の 5 割を占めている（沖縄県八重山支庁農林水産整備課,が発生しがちな貧栄養土壌で下方浸透を改善し，根群域

2008）．これら土壌，降雨，地形条件が加わり土壌侵食が増大したため，沖縄県は 1994 年に「赤土等流出防止条例」を制定し，各種開発に伴う排水基準を最大 200 mg
L−1 と規定した．その結果各種開発による赤土流出は減での水分を増加させることで植物バイオマスと土壌有機もし慣行農法に代わる選択肢を示すことができれば今後少したものの，主な発生源である農地からの流出は規制の保全的農地管理に非常に有効である．よって，本研究されていないため，栄養塩を含む土砂が流亡する課題がでは，技術開発の初期段階として土壌水分と土壌有機物

報告されており，農林地管理のあり方が議論されているを保全することを目的とし，沖縄県石垣島において実際（大澤ら, 2004a; 大澤ら, 2004b）．

に営農活動が行われているさとうきび畑に不耕起栽培と物量が増加する成果が得られている（Mori et al., 2014）．
農家の事情によって不耕起栽培が実施しにくい場合，

一方，沖縄県では，石垣島の主要作物であるサトウキ

人工マクロポア導入を実施しその効果を調べた．具体的

ビの栽培における具体的な営農的流出抑制対策として，には，土壌水分，雨量，表面流量，土壌流亡量，土壌有畑面被覆や圃場周辺部の保護，裸地期間の短縮，斜面長

機物量を計測し，不耕起栽培の効果と人工マクロポア導の短縮，心土破砕，不耕起栽培の回数を増やすなどを挙入の効果を比較，検証した．

げている他，沈砂池を設けるなどの対策が行われている（沖縄県農林水産部, 2014）．圃場での赤土流出量削減率

2． 試験方法

を不耕起栽培，間作作物による被覆，植生帯の設置の 3
つで比較すると，植生帯の設置，間作作物による被覆，不2.1 試験地の概要と人工マクロポアの設置

耕起栽培の順に効果が大きくなった（大澤 · 池田, 2007a;

石垣島南西部に位置するサトウキビ畑（北緯 24◦ 21’

大澤 · 池田, 2007b; 乃田ら, 2009）．
不耕起栽培とは，通常行われる耕耘を行わず，作物の刈り株，わらなどの作物残渣を畑地表面に残した状態
で次の作物を栽培する方法である．作物残渣が雨滴の衝撃を弱め，降雨時の土壌クラストの形成を抑制し，雨水の土壌中への浸透を維持するため，土壌流出抑制対策

56”，東経 124◦ 07’ 34”）を試験圃場とした．1981 ∼ 2010
年の年平均気温は 24.3 ◦ C，年平均降水量は 2106.8 mm（気象庁, 2011）であった．試験期間の 2013 年は 2161.0
mm で平年通りだが, 2014 年は 1300.5 mm と非常に少なかった（気象庁, 2021）．

出は，土壌の透水性を越えて強雨が降る，または土壌表

試験地の概要図を Fig. 1 に，営農スケジュールを
Table 1 に示す．土壌は礫質黄色土（カーラ岳系）（沖縄県, 2021）または風化変質赤黄色土（農研機構, 2021）で，試験圃場は，斜面長約 80 m，畝幅は約 1.4 m で 8 列，図の上から下方向（西から東）へ 3 % の傾斜があり，石垣島では標準的に見られる圃場であった．2013 年 2 月から畝 4 列分を不耕起区，畝 4 列分を耕起区として栽培を行った．2014 年 3 月に耕起 · 不耕起それぞれの区の畝間 1 列に人工マクロポアを設置し（マクロポア区），隣接
する畝間 1 列を対象区（無処理区）とし，不耕起マクロ
ポア区（No-Tillage with Macropore, NT-M），不耕起無処理区（No-Tillage without Macropore, NT-X），耕起マク
ロポア区（Conventional Tillage with Macropore, CT-M），
耕起無処理区（Conventional Tillage without Macropore,CT-X）の 4 つの試験区を設けた．人工マクロポアの設計

層に不透水膜ができて浸透が抑制されることが原因と考については次の項で説明する．

として効果があるとされている（Tebrügge and Düring,1999）．海外では，一つには重機の転圧による土壌の締め固めを軽減するために（Richard et al., 2001）, また地
球温暖化の軽減という意味から，土壌団粒を破壊し，酸素との接触を増大させ，有機物分解を促進しがちな耕耘
ではなく，不耕起で栽培する技術が普及しつつある（Sixet al., 2000）．先に述べたように，不耕起栽培は赤土流出抑制に効果があり，その実施が望まれるが，実際に不耕起栽培を行う営農農家は通常栽培を行う農家よりも少ない（石垣市, 2016）．理由として，雑草が生えやすい状態になること，また，農家としては放置に見える管理をあ
まり望まないなどがあげられる．
亜熱帯における表面流の発生そしてそれに伴う赤土流えられる．従って，透水性の改善または透水性を維持す

不耕起区は 2013 年 2 月から耕起を行わず，前作のサる工夫ができれば表面流の発生や赤土流出を軽減できる

トウキビの株を栽培し，2014 年 2 月に収穫した．さらに

論文：不耕起栽培と人工マクロポア導入が石垣島サトウキビ畑における土壌保水と有機物蓄積へ与える効果 95
株を残し栽培を行い，1 年経過した 2015 年 3 月に再度収穫した．耕起区では夏植え栽培を行い，2013 年 7 月に耕起，8 月にサトウキビを植え付け，2015 年 3 月に収穫した．夏植え栽培では苗の植え付けを 7–9 月に行うため，栽培期間は 1 年半となる．

2.2 人工マクロポアの設計
Fig. 2 に人工マクロポアの模式図を示した．人工マク
ロポアは，サトウキビの畝間に畝に沿って 1 m 間隔で 10カ所設置した．検土杖で直径 1 cm 深さ 40 cm の穴を設け，その穴に竹繊維を埋設した．竹繊維は直径 1 cm の束にし，長さ 50 cm，密度 0.3 g cm−3 のものを埋設し，地上に竹繊維が突出するようにした．これは地上部に先端を出すことで，後にクラストが形成されたり，土砂がFig. 1 試験地概要図．
Schematic design of the ﬁeld.

流れ込んでも小孔としての構造を維持し下方浸透機能を維持するためである（Mori et al., 2014）．なお，人工マ
クロポアの水平方向の影響範囲はおよそ半径 50 cm であTable 1 営農スケジュール．
Cultivating schedules.

る（﨑川, 2016）．

2.3 調査方法

不耕起
作業日

内容

2013/2
2013/6

前年の株から栽培

2013/8
2014/2
2014/3
2014/3
2014/92015/3
2015/4

耕起区，不耕起区の下端にパーシャルフリューム（3

耕起
作業日

内容

量の水位を計測し，流量に換算した．また，パーシャル

施肥 A
施肥 B

2013/7
2013/82013/11

耕起

フリューム下部には濁度計（COMPACT-CLW，JFE アド

苗植付, 施肥 B

バンテック）を設置し，流量と濁度から流出土砂量を計

施肥 A，培土測できるようにした．

収穫，植物残渣
土壌採取，人工マクロポア · 水分センサー設置
前年の株から栽培

2014/3高培土

2015/3

収穫調査，データ回収
収穫

インチ型，ウイジン）とフロート式水位計（UNZ-GY30，
ウイジン）を設置し，2 つの畝間から流れ出る表面流出

土壌採取，データ回収
施肥 A: BB877, 施肥 B: 世美がえり

4 つの処理区それぞれのパーシャルフリュームから上流側 6 m 地点に，土壌水分センサー（プローブ長さ
12.4 cm，センサー基盤部の直径 4.2 cm，HydraProbe II,
Stevens）を埋設した．深さは 10 cm，30 cm であり，畝間の中央（人工マクロポア設置部分）とサトウキビの株の中央に，合計 8 本設置し，体積含水率を 1 時間ごとに計測，24 時間平均水分量を解析に用いた．

2014 年 3 月時点の現地の様子は Photo 1 のようであり，不耕起区は植物残渣で圃場が覆われており，耕起区
は地面が露出していた．
畝間の中央で，深さ 0 cm（表層），30 cm においてFig. 2 人工マクロポアのモデル図.
Schematic representation of artiﬁcial macropore.

Photo 1 不耕起区（左）と耕起区（右）の外観（2014. 3）．
Field view of no-tillage (left) and tillage (right) management.

土壌の物理性96

第 150 号

（2022）

Table 2 試験地の土壌物理特性.
Soil physical characteristics of examined ﬁeld.
Management

No tillage

Depth（cm）
0
Sand （%）
42.4
Silt （%）
32.6
Clay （%）
25.0
TC （%）
1.16
TN （%）
0.14
Bulk density（g cm−3 ）1.44
Ks （cm s−1 ） 1.35 × 10−4

10
47.8
26.9
25.3
0.798
0.110

Tillage
30
50.6
21.5
27.9
0.935
0.110
1.46
1.50 × 10−3

0
43.0
32.8
24.2
1.305
0.120
1.45
8.30 × 10−5

10
49.6
20.3
30.1
1.41
0.10

30
50.5
18.8
30.7
0.928
0.120
1.49
1.34 × 10−3

Table 3 シミュレーションに使用したパラメータ.
Input parameters for simulation.
Management
Initial water content （mm3 mm−3 ）Rainfall intensity （mm h−1 ）Evaporation （mm d−1 ）van Genuchten parameters
Bulk soil∗
Macropore∗∗
Plant residue
Air∗∗

No tillage
0.20
20.0
10.0
θr
0.050
0.037
0.045
0.001

θs
0.448
0.832
0.430
1

Tillage

α
0.015
0.154
0.145
24

n
1.233
2.103
2.68
3

Ks （cm d−1 ）
l
33.5
0.5
222912
0.5
712.8
0.5
23846.4−3.0∗ : characteristics of bulk soil was estimated from measured data in Fig. 3∗∗ : referred from Sakikawa (2016)

100 mL コアサンプラーで不攪乱土壌を採取した．表層から採取する試料とは 0–5 cm，また深さ 30 cm の試料とは 27.5–32.5 cm の試料である．透水性は変水位透水試験法で，保水性は加圧板法（0, 50, 100, 200, 500, 1000
cmH2 O）とサイクロメータ法で調べた．

あるものとした．植物残渣層は降雨時には浸透性が高また，攪乱土を深さ 0 cm（表層，0–5.0 cm），10 cm

排水と 10 mm d−1 の蒸発の影響を受けた 1 週間の水分（7.5–12.5 cm），30 cm（27.5–32.5 cm）から採取し，粒度移動を計算した．初期水分量は観測地を参考に 0.20 cm3

分析（SALD-3100，島津）と全炭素 · 全窒素分析（2400II,

cm−3 とした．なお，土壌の直上に空気の層を設け，強PerkinElmer）に供した．

い降雨で湛水した場合は領域からこれを速やかに排除し粒度分析，全炭素 · 全窒素，乾燥密度，飽和透水係数

く，乾燥時には蒸発遮断層になる特性があり，実際に植物残渣を円筒カラムに入れて試験をすると砂の特性値に近かった．亜熱帯の強い雨が降ってからの一週間を想定して，20 mm h−1 の降雨を 6 時間降らせ，その後重力た（﨑川, 2016）．

については Table 2 に示した．

2.4 Hydrus2D による浸透現象の推定
本研究では，植物残渣を残した不耕起栽培，鉛直管状孔隙であるマクロポアを圃場に導入し，その効果を評価している．土壌水分センサーで水分計測を行うが，浸透の形態については詳細が明らかにならないため，二次元シミュレーション（Hydrus2D，PC-PROGRESS）によって浸透現象を評価した．まず，100 cm × 100 cm の土壌領域を設定し，実測された土壌水分特性曲線（Fig. 3）から van Genuchten パラメータ（van Genuchten, 1980;

Mualem, 1976）を取得し，土壌の水分移動特性値とした（Table 3）．マクロポア区では，領域の中央に直径 10 mm
長さ 40 cm の透水性が高いパラメータを持つ繊維材料が挿入されており，人工マクロポア（Mori et al., 2014）とした．不耕起栽培区では植物残渣層が土壌表層に 5 cm

Fig. 3 試験圃場の土壌水分特性曲線.
Soil water retention curve for examined ﬁeld.

論文：不耕起栽培と人工マクロポア導入が石垣島サトウキビ畑における土壌保水と有機物蓄積へ与える効果 97

Fig. 4 降雨強度に対する表面流と土壌流亡の発生.
Surface ﬂow and soil erosion related to rainfall intensity.

土壌の物理性98

第 150 号

（2022）

Fig. 5 不耕起栽培区における土壌水分.
Soil moisture at no-tillage management.

Fig. 6 耕起栽培区における土壌水分.
Soil moisture at conventional tillage management.

測されたが，3 月を境に大きく減少している． 2014 年 3

3. 結果と考察

月はまだ地面がかなり露出しているため（Photo 1 右），人工マクロポア設置によってある程度の下方浸透促進が3.1 降雨強度と表面流出，土壌流亡

行われ，表面流と土壌流亡の抑制が見られたものと判断はじめにで示したように，表面流出や土壌流亡には降した．

雨強度が影響するため，Fig. 4 では試験期間全体をおよ
そ 3，4 ヶ月毎に分け，降雨強度に対する表面流と土壌流

3.2 不耕起およびマクロポア設置が土壌水分の変動に与える影響亡を示した．なお，2014 年 9 月から 2015 年 3 月の期間

4 管理の違いを精査するために，比較的雨量が多く，は非常に数値が小さいため半年をまとめた．また，Fig.

管理の違いがわかりやすい 2014 年 4 月 ∼ 8 月の土壌水

1 に示したように，パーシャルフリュームに流れ込む地
表流と流亡土砂は，マクロポア処理 · 未処理が混在して分の変動について考察する．Fig. 5 に不耕起栽培管理のおり，限定した考察を行う．

を示した．管理区の略号については調査方法に示したと土壌水分の変動を，Fig. 6 に耕起栽培の土壌水分の変動グラフを見ると，不耕起区は表面流 · 土壌流亡ともにおりである．なお，センサーを設置した時点での土層断

小さく，これは植物残渣が土壌表面を覆っているから面の平均土壌水分は不耕起区では 26.9 %（n = 4）
，耕起

（Photo 1 左）と推測された．従ってマクロポアの導入の区では 23.9%（n = 4）であり，植物残渣で覆われている

効果は限定的である．一方，耕起区は，2014 年 3 月を境

不耕起区の水分がわずかに多かった．

に表面流 · 土壌流亡に減少が見られる．作物の生育によFig. 5 を見ると NT-X 区では，深さ 10 cm では降雨にる被覆度増加の影響ならばもう少し徐々に減少すると推対する素早い水分上昇と素早い下降が見られる．一方深論文：不耕起栽培と人工マクロポア導入が石垣島サトウキビ畑における土壌保水と有機物蓄積へ与える効果 99
さ 30 cm ではピークを見せた後，緩やかに減少をしていのかを考察するために，Fig. 8 に Hydrus2D で行った降る．NT-X 区では植物残渣が表層にあるためこれが雨水

雨 7 日後の水分分布を示した．

をとらえ，表層での一時的な保水と，深部への浸透，そFig. 8 の右半分が表層処理の違いを示している．不耕して緩やかな水分減少が観察されたものと考えられる．

起栽培（Fig. 8 上）では，表層に植物残渣をおいており，

これが結果的に Fig. 4 で観察された表面流と土壌流亡の浸透性が高く，蒸発遮断として働く．図から観察される少なさにつながっていると考えられた．

ように短時間でも表層で水を保全できる不耕起栽培の方

一方，NT-M 区では，同様のピークを見せた後，深さ10 cm も 30 cm も類似した水分減少傾向が観察できる．

が耕起栽培（Fig. 8 下）に対して保水量が多く，水分到

マクロポア区で断面の水分が異なる深さでも類似するのは Mori and Hirai（2014）の報告と一致し，植物残渣
からの土壌深部への緩やかな水供給と下方浸透促進の効果，そして植物残渣による蒸発遮断による保水の効果（Derpsch et al., 1986）が断面で平均化しやすいからだと推測された．ちょうど NT-X 区の中間の水分が観察されており，土壌断面における保水量は類似するが，浸透の形が異なると考えられる．
一方 Fig. 6 では，降雨に対する反応は，CT-M 区，CT-X
区ともに深さ 10 cm は変動が大きく，深さ 30 cm では緩やかに排水され，両者は類似した排水傾向を見せている．

CT-M 区，CT-X 区の大きな違いは，深さ 10 cm, 30 cm
それぞれの深さのピーク後の水分の減少幅にある．深さ

10 cm においては降雨後の最大値が同じ水分量であっても減少幅はマクロポア区の方が小さく，未処理区の方が大きい．また深さ 30 cm においては減少が緩やかであるが，未処理区の方が傾斜が大きく，マクロポア区の方が小さいことがグラフから観察される．耕起区は土地被覆が小さく，雨滴の衝撃を和らげるものがないため，表面Fig. 7 管理区毎の試験期間の土壌断面の平均水分量（深さ10，30 cm のセンサー計測による．∗∗ は Tukey 法による 1 %有意水準，n = 154）.
Averaged soil water content for each management. (sensor measurement for 10 and 30 cm, ∗∗ means 1 % signiﬁcance by Tukey
test, n = 154).

流が発生しやすく，雨水を土壌内にとらえきれないこと
が水分の増減の特徴として現れていると考えられた．一方，マクロポア区は，下方浸透機構を持つため，深部土
壌が雨水をとらえており，深さ 10，30 cm 両深度で，未処理区と比較してゆっくりとした排水をしていると考察できる．なお，マクロポア区は土壌断面の上部と下部の水分が異なり，NT-M で考察したような均等分布ではない．これは表層に植物残渣のように雨水をとらえるものがなく，表面流として流れてしまうために上部と下部の差を緩やかに埋めていくプロセスが存在しないからだと考えられた．
ここでセンサーで計測している 24 時間毎の土壌水分量をまとめると Fig. 7 のようになった（2014/3/15–

2014/8/16, n = 154）．深さ 10，30 cm の平均値を計算して Tukey 法による多重比較を行うと，NT-M 区，NT-X区，CT-M 区では土壌水分が違うとはいえず，CT-X 区
は他の管理に比べて土壌水分が有意に少ないという結果（ p < 0.01）になった．耕起という管理形態は不耕起より土壌水分の保持が少ない（CT-X<NT-X）が，耕起でもマクロポア構造を持つと耕起だけの畝より水分が多く（CT-M>CT-X），これは不耕起と変わらない水分を維持できると説明できる．

3.3 土壌間隙構造が雨水貯留に与える影響の推定
前項で考察した水分分布の違いがどのように発現するFig. 8 シミュレーションによる降雨後 7 日の土壌水分分
布（100 cm × 100 cm 断面）.
Simulated soil moisture distribution for 7th day after therainfall (100 cm by 100 cm proﬁle).

100

土壌の物理性第 150 号

（2022）

達深度も大きいことがわかる．Fig. 5，6 では不耕起栽培

3.4 土壌中の全炭素量の方が水分減少は緩やかであるが，この様子は Fig. 7 で最後に，人工マクロポアの導入を行った 2014 年 3 月

は不耕起の方が水分が多い図として観察できる．

から収穫後の 2015 年 4 月の間の 4 管理の土壌中の全炭

Fig. 8 の左右の違いはマクロポアの有無を示しており，
不耕起 · 耕起共に下方浸透促進の結果として紡錘状に広素量を分析し，2015 年 4 月の結果を Fig. 10 に示した．

がる水分分布が水浸透に加わり，土壌深部まで水が到達

プを経て，10，30 cm と全炭素量は減っていく．この傾していることがわかる．これは不耕起 · 耕起という表層

向は 4 管理区で変わることはなかった．栽培期間中，耕処理の違いによらず観察され，圃場内への水分保全とい起区では高培土が行われ，土が乱されていることによるう目的ではどちらの圃場でもマクロポア導入は水分保全

影響が考えられたが，収穫後の 2015 年 4 月の全炭素分に効果的に働くことがわかる．

布にはこの影響は現れていないように見えた．

どの管理区も地表の有機物が最も多く，大きなギャッ

Fig. 8 の左半分は表層処理の違いがある上でのマクロここで Table 2 に示した 2014 年 3 月の全炭素量を減

ポア導入の効果を示している．紡錘状の水分浸透が深い

算し，年間の増減を Fig. 11 にまとめた．不耕起区ではところまで見られることは前述の通りだが，植物残渣層の水分保持量が不耕起栽培で大きかった（Fig. 8 上右）ため，マクロポアを導入したときの土壌断面は不耕起処理の方が濃い色の部分の広がりが大きく，効果的な保水になっていることがわかる．
ここでシミュレーション領域の中に中央から左右に10，30 cm，土壌表層から 20，40，60，80 cm，計 16 点の観測ポイントを置いてシミュレーション結果としての水分を抽出した．計算上ではあるがこの地点でサンプリングを行えば 16 地点の空間分布上の水分ととらえられる．そこで土壌断面としての水分の平均を算出す
ると，7 日後の断面平均水分量は，NT-M 区，NT-X 区，

CT-M 区，CT-X 区の順に 0.292，0.261，0.256，0.234 cm3
cm−3 となった（Fig. 9）．Tukey 法による多重比較をす
ると NT-M 区は CT-X 区より水分が多い（ p < 0.01）という結果になった．NT-M が NT-X に比べて水分が多めであり，CT-M は NT-X とあまり変わらない水分量になり，CT-X が最も水分が少ない傾向は，先の Fig. 7 の傾向と一致する．
不耕起栽培はシミュレーション上は植物残渣の層が雨Fig. 9 シミュレーションによる土壌断面の平均水分量（20mm h−1 の降雨 7 日後，断面 100 cm × 100 cm，∗∗ は Tukey
法による 1 % 有意水準，n = 16）.
Simulated soil water proﬁle for each management. (7 days after
20mm h−1 rainfall, 100 cm by 100 cm proﬁle, ∗∗ means 1 %signiﬁcance by Tukey test, n = 16) .

水を一時的にとどめる層として機能しており，それが水分増加につながっていると考えられた．そしてマクロポ
ア導入は浸透形態の違いとして現れた．一方，耕起栽培
は雨水が深さ 30 cm 以下に充分に届いておらず，表面流の影響が大きいと推測できる．そこにマクロポア構造を導入すると深さ 30 cm 以下の水分にも増加が見られ，
プロファイルとしての水分増加は不耕起栽培と差が無くなってくることがわかった．不耕起区は植物残渣が土地被覆として，雨滴の衝撃を和らげ，土壌流亡を防止するだけでなく，水分保全的であり，耕起区もそのままでは地表面流が発生するために土壌水分について保全的ではないが，下方浸透を促進するマクロポア構造を有すると土壌断面に水分保持ができることを示している．
農地を放置しているように見えることから不耕起栽培を望まない農家があったときに，代替の方法として土壌中に疑似孔隙を作るという方法が提案できる可能性があると考えられた．今後，畝ごとに表面流出量や土壌流亡を計測できるようにすればより的確な考察が可能になると考えられた．

Fig. 10 管理 1 年後の土壌炭素量（n = 5）.
Total soil carbon after one-year management.

論文：不耕起栽培と人工マクロポア導入が石垣島サトウキビ畑における土壌保水と有機物蓄積へ与える効果 101
深さ 0，10 cm で増加が見られ，30 cm では減少してい

4. 結論

る．また耕起区では表層 0 cm では増加が見られるものの，深さ 10，30 cm では減少が見られる．深さ 10 cm で大きく炭素量が減っているが，これは Table 2 に示した

本研究では，表面流出，また表面土砂流出が激しい石

炭素量が深さ 10 cm で多いためである．耕起栽培では新垣島サトウキビ農地において，まず雨水を効果的に浸透鮮有機物が表層土壌にすきこまれ，かえって有機物が分させ，有機物を保全するために，不耕起栽培と人工マク解されてしまうこと（Fontaine et al., 2007）が大きな減

ロポアを施し，その効果を検証した．結果として以下の少の原因のひとつであると考えられた．

ことが明らかになった．

ここで各数値に 5 cm，15 cm，20 cm の厚さをかけて，

1. 表面流と土壌流亡について耕起区と不耕起区の比較

深さ 40 cm までのプロファイルの土壌炭素量として計算

により，植物残渣による雨滴の衝撃の軽減の効果がすると，0.0075，−0.005，−0.16，−0.17 g-C/100-g-soil と非常に大きいことがわかった．また，マクロポアのなった．耕起区で大きく土壌炭素が減ずる結果となり，設置も表面流と土壌流亡の抑制に有効であることが不耕起マクロポア区で土壌炭素量がわずかに増加する結わかった．

果となった．現地は亜熱帯気候で多くの期間が 25 ◦ C 以

2. 土壌水分の観測と二次元シミュレーションから，植上なので有機物は分解基調になり，そのままでは有機物

物残渣は雨水を短時間でもとどめるために水分保全が増加することはない．そのため慣行農法である耕起区に効果的で特に深部の水分増加に貢献した．また，では有機物は減少している．一方，不耕起とマクロポア

マクロポアも下方浸透を促進することで水分増加にを組み合わせると一年で 0.0075 g-C·（100g-soil）−1 の増加となった．これは 0.45 t-C·ha− 1 ·yr− 1 と計算され，農地で可能とされる炭素増加量 0.1 ∼ 0.7 t-C·ha− 1 ·yr− 1

貢献した．

3. 不耕起マクロポア，不耕起無処理，耕起マクロポア
区は，耕起無処理区より有意に土壌水分が多かっ（Hillel and Rozenzweig, 2009）に良く合致する．不耕起

た．すなわち，不耕起処理をするかマクロポア処理

区はこれまでの考察から表面流や土壌流亡抑制についてを施すことで水分増加に貢献することが明らかと成果が見られ，環境保全的であると言える．不耕起栽培なった．

を実践するだけでも亜熱帯においても有機物の損失がほ

4. 土壌の全炭素量を計測すると亜熱帯性気候ゆえにぼゼロであるが，さらに，人工マクロポアと組み合わせ

ほとんどの管理区で土壌断面の全炭素量は減少した

ると土壌有機物について効果的な保全が可能になると考が，不耕起でかつマクロポアを導入した管理では，えられた．これには，土壌を必要以上に空気にさらさな保全的管理をした農地で得られる数値に近い炭素増いこと（不耕起）と，下方浸透の改善で，水分 · 養分 ·加量が見込めた．

有機物など多くの物質を，表面流とともに流亡させずにその断面に残すことができる（人工マクロポア，例えば

すなわち，不耕起管理の効果の大きさを示すことがでFig. 8 の左半分）ことが関わっていると考えられた．

き，かつ人工マクロポアの導入も一つの選択肢になりうることを示すことができた．さらに温暖化影響軽減な
ど，土壌の有機質化を考えるならば，不耕起とマクロポ
ア技術を組み合わせるとさらに効果的であることを示唆する結果が得られた．

謝辞
現地の実験 · 調査では，池原吉剋氏のさとうきび畑を使用させていただいた．また，岡山大学の学生である﨑
川和起氏，守分秀一氏，那須遥子さんの協力を得た．深
く感謝する次第である．
なお，本研究の一部は，日本学術振興会「最先端 · 次世
代研究開発支援プログラム（森 GS021，2010-2013）」，科学研究費補助金 基盤 B（森 26292127，2014-2016），基盤 A（森 17H01496，2017-2020），基盤 A（森 21H04747，
Fig. 11 土壌炭素量の増減.
Annual ﬂuctuation of total soil carbon.

2021-2024），基盤 C（大澤 16K07938, 2016-2019），また，ABRESO プロジェクト（JST）（ベルモント · フォーラム）の補助を受けて行われた．

C/N 分析は，岡山大学自然生命科学研究支援センター
分析計測 · 極低温部門 分析計測分野 小林元成さん，小坂土壌の物理性102

第 150 号

恵さんに分析を依頼した．併せて感謝する次第である．

（2022）

乃田啓吾, 大澤和敏, 池田駿介, 小沢 聖 (2009): サトウキビ畑
における営農的浸食抑制対策の評価. 農業農村工学会論

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論文：不耕起栽培と人工マクロポア導入が石垣島サトウキビ畑における土壌保水と有機物蓄積へ与える効果 103

要旨

石垣島サトウキビ畑では，強い雨が降り，表面流出とそれに続く土壌流亡が発生している．そこで不耕起栽培また人工マクロポアを施し，土壌水分と有機物の増減に与える効果を評価した．人工マクロポア
を 1 m 間隔で設置し，垂直浸透を促進した．また，強い降雨から表層土壌を保護するために，植物残渣を利用した不耕起栽培を行った．不耕起栽培と慣行耕起栽培にマクロポア区と無処理区（NT-M，NT-X，

CT-M，CT-X）をそれぞれ設け，降雨量，表面流出量，土壌流亡量，土壌水分，土壌全炭素量を測定した．各プロファイルの平均土壌水分は，NT-M が CT-X より多くの水分を保持しており（ p < 0.01），マ
クロポアの設置で CT-M は NT-X に近い水分になった．土壌断面における全炭素の変動は，NT-X でほぼゼロ，CT-M，CT-X で減少したが，NT-M では +0.45 t-C·ha−1 ·yr−1 の増加が見られた．つまり，マクロポアと不耕起を組み合わせると，熱帯気候であっても水分を保持し，土壌中の全炭素量が増加する
可能性を示した．
キーワード：人工マクロポア，不耕起，表面流，土壌流亡，土壌炭素