放射性物質問題－土壌物理に求められること－Radioactive material issue - What should soil physics do?
溝口勝1

1 東京大学大学院農学生命科学研究科

要旨(Abstract)
農水省は被災地各地で表土剥ぎ取り法による除染事業を展開している。しかし、汚染土壌の行き場は決まっていない。筆者は、一刻も早い帰村と農業再生のためには農民が自ら実施可能な除染方法を提示することが急務であると考え、NPO 法人と協働で、粘土とセシウムの性質を活かした除染技術の開発に取り組んでいる。本シンポジウムでは、これらの農地除染の現場実験を紹介しながら、それらの実験を通じて思いついた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
Key words: soil decontamination, clay science, frozen soil, soil paddling, monitoring
1.はじめにこに水和したナトリウムなどの陽イオンがゆ

福島第一原発から放出された放射性セシウ

るく吸着していて、カリウムなどの別の陽イオ

ムは土壌表層に大部分が蓄積されている (1) とンと簡単に入れ替わる。しかし、福島原発事故の報告がある。この報告を踏まえて、農林水産で放出されたセシウムはこうした粘土表面の省は、①表土剥ぎ取り、②代かき、③反転耕に“落とし穴”にちょうど填まり込込み（図１）、関する農地除染対策の技術書(2)を作成し、現場

まるでサンドイッチのように風化した粘土シで主に表土剥ぎ取り法による除染事業を展開

ートの間に強く固定される（写真１）。それが、している。しかしながら、フレコンバックに回原発事故から２年以上経過したにもかかわら収された汚染土壌の行き場は未だに決まってず、放射性セシウムがいつまでも地表面に残存いない。一刻も早い帰村と農業再生のためにはし、また雨水の集まり易い場所に粘土粒子が集農民が自ら実施可能な除染方法を提示するこ積し、ホットスポットを形成する原因になってとが急務である。こうした状況の中、私は NPOいる。写真２は原発事故の 3 か月後に飯舘村内法人ふくしま再生の会(3)との協働で、粘土粒子の裸地斜面で測定した放射線量である。雨で斜とセシウムの性質を活かした除染技術の開発

面上部の粘土粒子が流された結果、斜面下部のに取り組んでいる。

放射線量が高くなっている。

本シンポジウムでは、私たちが取り組んできこうした粘土とセシウムの性質を理解するた農地除染の現場実験を紹介しながら、それらために、土壌物理として追求あるいは連携すべの実験を思いついた背景や実験を通じて思いき研究として粘土表面科学がある。特に、粘ついた土壌物理学研究のヒントを他分野のキ土表面のセシウムの挙動を分子レベルで解明ーワードと関連付けながら述べる。

する分子動力学的な研究についての知見の整２．粘土と放射性セシウム理と蓄積が必要であろう。このことを理解して福島県飯舘村に分布する土壌には花崗岩をいれば、セシウムを無理に粘土粒子から分離す母材にした粘土鉱物が多く含まれる(4)。これらるのではなく、セシウムと粘土粒子を一体のもの粘土鉱物の表面には六員環の“穴”が空いてのとみなすことで効果的な除染法を開発できいて電気的にマイナスになっている。通常はこることが容易に理解できる(6)。

めに冬期に土壌が凍結する。自然凍結した土壌（凍土）はアスファ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 5cm 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1.28μSv/h から 0.16μSv/h に低下することを現場実験で確認した（写真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図１

粘土表面にある六員環の“落とし穴“(5)放射性セシウムが除去できたことを意味する。
実験では 4m×5m 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、前処理に伴う作業員の被爆リスクを低減させることができる。

写真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）

写真３ 板状の凍土（2012.1.8）
この方法を理解するには、凍土学や雪氷学の知識が必要であろう。そもそも私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、私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 年で研究を始めるの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を見学に行き、日本雪氷学会員にもなった。その後、1990 年後半にはシ
写真２

飯舘村の斜面における放射線量測定(2011.6.25)

ベリアの永久凍土の調査にも参加した。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。

３．農地除染の技術開発
3.1 凍土剥ぎ取り法 (7)福島県飯舘村では雪が少なく気温が低いた

3.2 田車による泥水掃出し法(8)2012 年 2 月の時点で飯舘村の水田土壌の凍結深は既に 10cm 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10m の田んぼに 5cm 深さ程の水を引き入れ、土を無駄に失うことになる。一方、春になると表層を田車で掻き混ぜ、泥水をテニスコートブ地表面の雪や凍土が融解し、泥水が地中に残るラシで掃き出す実験を行った(3)。注水・掻き混凍土に行く手を阻まれるために、水田のあちこぜ・掃出しを 3 回繰り返し、除染前後の土壌中ちに放射性セシウムを含んだ泥んこや水溜りのセシウム量を測定した。その結果、この方法ができる。春先にはこの土の性質を利用した除により放射性セシウムを 80%程度除去できる染作業が考えられた。筆者らは、5cm ぐらいことを確認した（図２）。

まで凍土が解けるタイミングで田車を使って問題は泥水処理である。この実験では、泥水地表面の泥水を掃き集める方法を考案した。

を水田の周りに掘った 1m 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。
図 3 は排水路底面および底面から 25cm 高い側面から 1cm ごとに土壌を採取し、放射性セシウム濃度を測定した結果である(8)。放射性セシウムは底面および側面の 6-7cm にまでしか浸田車による除染実験（2012 年 4 月）(3)

写真４

透していない。このことは素掘りの排水路の底面および壁面が土壌の濾過機能 (9) により放射性セシウムを含む粘土粒子を効果的に捕捉していることを示すものである。
この方法では、コロイド科学に関する知見が不可欠である。昔から実践されてきた「代かき」

図２

田車除染法の効果（2012 年 4 月）(3)をストークスの法則や粘土の分散・凝集の研究を整理するとより効率的な除染法の開発につながる。蛇足ながら、この方法を実践する間に「田車」の存在を知っていたのは農家の菅野宗夫さんと私（農家出身）だけだった。農家自身ができる除染法を開発するためには伝統的な農具を含めた農業機械学に関する文献整理も重要かも知れない。
3.3 汚染表土の埋設実験－までい工法(10)農林水産省は飯舘村内のあちこちで表土剥ぎ取りによる除染工事を実施している。しかしながら、除染で出てきた汚染土壌の処理が大き

図３

排水路の周辺土壌の深度別放射性セシ

ウム濃度(8)な課題となっている。廃土処分場を飯舘村内に作るとしてもその場所の選定が難しく、仮に場田車は通常、田植え後に使われる（中耕）除所が決まったとしても処分場の容量はすぐに草機である。筆者らは、2012 年 4 月に 5m×飽和状態となることが予想される。また、廃土処分場への搬入順番待ちの間の周辺への粉塵による放射性物質拡散リスクがあり、さらに、放射性物質を含む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域へ放射性物質を再拡散させるリスクもある。このような状況下で考えられる現実的な対策は、農地の一角に穴を掘って汚染土壌を埋設し、汚染されていない土壌で覆土することである。室内実験の結果によると 50cm 程度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(11)。
農地内における覆土保存に関しては、原位置の水条件や処理土量と関わる汚染土保存溝の物理的な配置と放射性汚染土からの放射性物質漏出の防止という課題がある。しかし、放射写真５ 汚染土の埋設作業(2012 年 12 月)

性セシウムは飯舘村の土壌中に多く含まれる雲母類の粘土鉱物に固定されるので、一度固定されてしまえば仮に地下水中に移動するとしてもこれら粘土粒子と共に移動することになる。しかもその粘土粒子は土壌の濾過機能 (9)により移動途中で次々と捕捉されるであろう。
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 10m×30m）において、表土剥ぎ取りとその埋設を丁寧に行なう「までい工法」を行った。その手順は以下のとおりである。

写真６

モニタリング機器の設置

埋設した汚染土の挙動を監視するために汚①ユンボを使って 4m×30m の表土を 5cm

染土を埋めた 2m×30m の長辺 30m の 5m と剥ぎ取り、汚染されていない地表面を露出させ20m の地点に土壌センサ（土壌放射線計、土る。②非汚染土が露出した地表面の中央に近い壌水分計、地温計・電気伝導度計）をそれぞれ2m×30m に深さ 80cm の穴を掘り、その土を４組埋設した（図４）。また、浸透水の水質を別の非汚染地面上に移動する。③先に剥ぎ取っ調べるために汚染土層の上下に暗渠管を敷設た汚染土を掘削した穴に移動し、残った 6m×し、さらに塩ビパイプで深さ 1.5m の観測井を30m の表土を 5cm 厚で剥ぎ取り、この穴に移設置した（写真６）。土壌センサデータ、地下動する。④穴に移動した汚染土をユンボおよび水位、現地気象データは 1 時間間隔でデータロ人力で締め固める（写真５）。⑤締め固めた汚ガーに記録され、通信機器を経由して現地周辺染土の上に非汚染土を被せてユンボで踏み固の画像と共に現地から研究室サーバに毎日自める。この方法で草の根も含む汚染土は動転送されている。

50-80cm の深さに収まった。なお、表土の放埋設土壌の放射線測定には GM 管を用いた。

射性セシウム濃度は 7000Bq/kg であった。

すなわち、GM 管を完全防水型のプラスチック容器（8cm×7cm×18cm）に入れ、１日２回むしろ地下水の上昇により若干放射線量が減の頻度で 60 分間の放射線量をカウントし、そ少しているようにも見える。これは土壌間隙水れをデータロガーに記録するシステムを試作の遮蔽効果によると考えられる。いずれにせよして用いた。このシステムは 6W のソーラーパ

今のところ埋設汚染土から放射性セシウムのネル１枚で作動するのが特徴である。

漏洩は確認されていない。
「までい」とは飯舘村の方言で、手間ひまかけて丁寧に、という意味がある。この方法は農水省のマニュアルにある①表土剥ぎ取り法と③反転耕を丁寧に組み合わせた方法である。埋設汚染表土の体積を減らすためのコンパクシ
ョンは土質力学でいう締固めである。までい工法で最も重要な問題は、埋設土壌からセシウ

図４

埋設センサの配置図ムが漏れないことを証明することである。現在は放射線計を埋設して土壌中の放射線量を監視しているが、土壌物理学の分野で使われてHYDRUS 等のシミュレーションソフトを使いながら、水の浸透に伴ってセシウム移動の可能性を調べる必要がる。特に、粘土コロイドとしての移動の可能性を検討することは急務であろう。
3.4 浅代かき強制排水法(12)図５

降雨に伴う観測井戸水位と土壌放射線量の変化
4 月末時点で次のような結果が得られてい原発事故から 3 年目を迎え、水田には草や灌木が繁茂し、イノシシが地表面を掘り起した耕作放棄状態になっている。行政的に汚染土壌のる（図５）。

処分地が決められない状況の中で、これ以上水（1）降水量と地下水位の変化

田を放置すると除染どころか農地としての再井戸の水深は降雨に応答して最大で 130cm

生そのものが困難になる。そこで、著者らは（地下水位 20cm）まで急激に上昇し、降雨停2013 年 5 月から農家自身で実施できる「代か止後に徐々に低下し、次の降雨で再び上昇する

き強制排水法」の試験に取り組み始めている。

傾向を示した。
（2）土壌中の放射線量の絶対値

これは、水田の一角に素掘りの穴を掘り、代かきで発生する泥水を素掘りの穴に流し込む

埋設された汚染土の中心の放射線量は方法である（写真７）。一連の作業の過程にお211cpm であるのに対し、汚染土の下の非汚染ける水田の空間線量や素掘り穴の地表面と地土中の放射線量は 20cm 下で 19cpm、60cm 下下 40cm の放射線量を 3.3 と同様の方法でモニで 8cpm だった。これは土の遮蔽効果により汚タリングしている。この水田にイネの試験作付

染土からの放射線が減衰するためである。

を行ない、コメへのセシウムの移行を調べる予（3）土壌中の放射線量の変化定である。

降雨に伴う急激な地下水の変化にもかかわ

この方法は農水省マニュアルの②代かきとらず土壌放射線量はほとんど変化していない。

③反転耕の組み合わせである。田車除染法と同様にコロイド科学に関する知見が不可欠であついて紹介する。

る。特に、浸透濾過という観点で粘土コロイ

FMS は、現地のデータロガーに通信機能をドの土壌中での移動やクロッギングの現象を付加し、インターネット経由でデータをサーバ研究できると面白い。に転送し、ユーザがそのサーバから自分の PCや携帯端末にデータを取り出すシステムである。このシステムの重要な技術は、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) (14)
FR は現地データをインターネット経由でサーバに転送する機器である。FR はリアルタイ
ム性を多少犠牲にして日単位でデータにアクセスするのが特徴である。
FR は Micro-PC 、 USB モ デ ム 、 USB
Bluetooth ドングル、小型バッテリ、チャージコントローラー、太陽パネル、タイマー、ステータスランプ、Web カメラで構成される。これらの部品が、防水・防塵加工された箱に収納

写真７ 代かき強制排水法(2013.5.18)

されている。FR はタイマーにより１日に 30分だけ電源が ON になる。このため電力消費

４．放射線センサを用いたフィールドモニタリ量が押さえられ、FR は 6 W 程度の太陽パネルングシステム(1３)で十分に稼動する。FR の電源が ON になると、飯舘村は現在も避難区域に指定されている

Web カメラの現地画像と各データロガーのデため、被ばく量を考えると現地に継続的に張りータがインターネット経由でサーバに送信さついた環境計測は困難である。したがって、リれる。日本国内ならほとんどの地域で FR を利モートで現地の状況をモニタリングできるシ用できる。海外であれば、対象とする地域でステムの導入が不可欠である。

GSM/3G の携帯電話が使えることを確認した

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上でその国内の SIM カードを USB モデムに挿入するだけで FR を利用できる。

る。遠隔地にこのシステムを設置した場合、現地から戻った後にデータを確認でき、仮にデータが取れていないときにはその原因を推測できると便利である。これらは、現地に設置したデータロガーや Web カメラを一時的にインターネットに接続するだけで実現できる。著者は
これを「フィールドモニタリングシステム（FMS; Field Monitoring System）」と名付け、それに必要な要素技術を開発してきた(13)。本章では放射線センサを用いたこのシステムに

図６

フィールドモニタリングシステム(14)のポータルサイトから DS にアクセスするだ

4.2 ネットワークアダプタ(NA)NA は、シリアル通信ポートを持つデータロけで、遠隔地の画像とデータにアクセスできる

ガーに Bluetooth 通信機能を付加する機器で（図８）。また、現地データの他にデータロガある（図 7）。NA はシリアル接続可能な全てーの電池の消耗具合など、FR の稼働状況を確のデータロガーに対応する。また、Bluetooth認できる。この機能により、現地データに何等対応のカメラを増設することにより現地の様かの不具合がある場合には、ユーザが現地のカ子を複数の角度から見ることもできる。さらにウンターパートにステータスランプを確認しは、FR がなくても最近普及している Androidてもらい、それでも問題解決できない場合のみ携帯アプリからデータを取得することも可能

ユーザまたはエンジニアが事前に解決策を用である。

意して現地に行くことができる。
4.4 飯舘村内の環境モニタリング(15)Soil sensor

Data logger

除染の効果を評価するためにはいくつかのRadiation sensor

重要なポイント（ホットスポット）で継続的にFieldRouter(FR)Meteoro‐sensor

放射線モニタリングを行う必要がある。特に、Water level sensor

降水量や風向風速などの気象と放射線量の関Repeater

係、降水量と小河川の流出量や濁水量との関係、地下水位変動に伴う埋設した汚染土壌の挙動

Network Adapterを注意深く観測することが重要である。飯舘村
内には行政区内の水田、森林、民家など、携帯Web camera
Smart phone

図７

ネットワークアダプタ

電話の電波が入る複数の地点に FMS が設置されている（図９）。それらのデータはインターネット経由で PC やスマートフォンを使ってどこからでも見ることができる。

図９

図８

フィールドモニタリングシステム

フィールドモニタリングシステム

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

図１０(DS)に保存される。したがって、ユーザは Web

グデータ

飯舘村に設置された環境モニタリン

図 10 は、飯舘村の（A）森林内、（B）森林

参考文献等

伐採地、（C）民家の庭で測定している空間線

1)塩沢 昌ら：福島県の水田土壌における放射性セシウムの深量データの一例である。現地画像データと比較

度別濃度と移流速度, RADIOISOTOPS, 60, 323-328(2011)

することにより積雪で空間線量が低下するこ

2)農林水産省：農地除染対策の技術書, 平成 25 年 2 月とや、気象データと比較することにより晴天で

3)ふくしま再生の会：http://www.fukushima-saisei.jp

乾燥した日には空間線量が高くなる傾向があ(2013 年 10 月現在)

ることなどがわかる。ただし、放射線センサと

4)山口紀子ら：土壌－植物系における放射性セシウムの挙動

モニタリングシステムの相性が悪いのか、時々、とその変動要因, 農環研報告書, 31, 75-129(2012)

データが不安定な傾向を示している。

5)Cliff T. Johnston: 粘土表面の放射性セシウムの吸着特性

フィールド科学にとって遠隔地のフィールとその挙動, 特別セミナー資料，

ドモニタリング技術はキーテクノロジーであhttp://www.iai.ga.a.u-tokyo.ac.jp/mizo/seminar/110530cliff

る。センサネットワーク、クラウド、ビックデ

seminar.html

ータ等、最新の情報通信技術を使うことによ6)溝口勝：セシウム汚染緩和に泥の性質を生かせ－飯舘村でって、フィールド研究のやり方を根底から変え考える, 季刊地域, 7, 87-89(2011)

る可能性を秘めている。自動的に回収される膨

7)溝口勝：冬の間に凍土を剥ぎ取れ！−自然凍土剥取り法によ大なデータをいかに処理していくか、情報科る土壌除染−, 農業農村工学会誌, 80(2), 152(2012)

学分野の研究者との連携が不可欠であろう。

8)溝口勝：農地除染の新たな試み, 学術の動向, 10,

土壌物理学会員もクラウドやビックデータを52-56(2012)

扱えるようにある程度のプログラミングスキ

9)八幡敏雄：濾過機能に関連する事項，土壌の物理，東京大ルを高めておく必要があろう。

学出版会（第３刷），pp.142-156 (1980)

５．おわりに

10)溝口勝：福島県飯舘村の水田における Cs 汚染表土の埋設

常々、私は自由な発想に基づいて研究すべき（2013 年 10 月現在）

実験, 農業農村工学講演要旨, 660-661 (2013)

だと思っているが、原発事故による汚染された

11)宮崎 毅：土によるセシウム放射線の減衰効果, 東日本大

土壌除染の問題は学会員が総力戦で一刻も早震災からの農林水産業の復興に向けて―被害の認識と理解、い解決策を提示すべきだとも思っている。立場

復興へのテクニカル リコメンデーション― , 日本農学会,の違いはあるにせよ、国家として、組織として、

p.21, http://www.ajass.jp/image/recom2012.1.13.pdf

いろんな責任を背負いながら私たち研究者に(2012 年 10 月現在)

は迅速な対応が求められている。相手が見えな

12)溝口勝：未発表

い放射能ゆえ、若い研究者や学生を現地に同行

13)溝口勝：フィールドモニタリングシステム, 水土の知,させるわけにもいかない。そんな中、現地にお80(9), 50(2012)

ける 70 歳代のシニアボランティアの活躍は社

14) Masaru Mizoguchi, et. al.: Quasi real-time field

会における研究者のあり方を再考するきっか

network system for monitoring remote agricultural fields,

けを与えてくれている。「目の前に放射性物質Proceedings of SICE Annual Conference, 1586-1586 (2011)で汚染された土地がある」という現実問題を直15) Masaru Mizoguchi, et. al.:

視し、分野の壁を越え、現場の状況に応じて、Monitoring of Village Contaminated by Radionuclides,柔軟にかつ確実に、自分のできることを持ち寄

Proceedings of AFITA/WCCA 2012, 138, Taipei, Taiwanって、共通の課題に立ち向かうことが大切であ(2012)

る。いま、研究者一人ひとりのアイデンティが16)溝口勝：土壌除染と放射線モニタリング, 計測と制御,問われているのかも知れない。

52(8), 730-735(2013)

Environmental