2017 Fiscal Year Annual Research Report
環境変化に伴う土壌凍結層の盛衰と凍結層下の物質循環機構の解明と予測
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17H03888
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| Research Institution | Mie University |
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Principal Investigator |
渡辺 晋生 三重大学, 生物資源学研究科, 教授 (10335151)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
武藤 由子 岩手大学, 農学部, 准教授 (30422512)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 凍土 / 表面境界条件 / 熱交換係数 / 水ポテンシャル / 浸潤 / 窒素動態 / 一次分解反応 / 硝化速度定数 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成29年度は、土の凍結モデルを考える際の地表面境界条件、凍結層の発達・消失時の土中水圧の変化とその際の水分移動、水分移動や還元と窒素の態の変化の関係を調べることを主たる目的にした。そこで、まず地表面が大気により冷却される場合と、地表面の温度が固定される場合の一次元カラム凍結実験の結果を比較した。そして、地表面の温度境界条件の与え方の違いと、土中の0℃層の停滞や形成される地温・水分分布との関係を整理した。また、大気冷却条件を解析できるよう既存の凍結モデルを改良し、そこで必要となる地表の熱交換係数の与え方を提案した。野外観測と室内実験にみられる土中の0℃停滞層の厚さや停滞時間の違いの理由を明らかにできたことは、実験手法や現場観測データの解析の指針を示す上で意義深い。今回提案したモデルやパラメータ決定法は今後の凍結研究に対し重要な成果といえよう。次に、小型の鏡面冷却露点計測式水ポテンシャル計を土の凍結実験に応用し、凍結過程にある土中の土中水圧変化の実測に成功した。そして、凍結面近傍の土中水圧の変化が凍結・融解速度に依存することを明らかにした。凍土への融雪水の浸潤についてはも予備的実験を行った。さらに、アンモニア態窒素の硝化について様々な温度環境下においてバッチ試験とカラム浸透実験を並列して行った。そして、硝化速度定数の温度と含水率依存性を示した。また、CECや形態変化を考慮した窒素移動モデルの硝化速度定数を温度と水分量の関数で与え、カラム浸透実験の結果を数値解析することで、土中ではアンモニア態窒素の硝化速度は吸着態より溶存態で速く、吸着態の硝化は溶存態が硝化しおえた後に生じる可能性が示唆された。浸潤過程を考える場合は、溶存態と吸着態を分けて考える必要があり、今回得られた知見は凍土環境下の物質循環を理解する上でも重要な知見といえる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
室内実験については、土の凍結過程をモデル化するさいの地表面境界条件について整理が順調に進み、凍結モデルの改良を計画より速く完遂できた。また、これらの解析から熱交換係数の含水率依存性が明らかになった。しかし、そのメカニズムの解明については次年度の検討課題とする。凍土の水ポテンシャル測定は計画通り成功し、現在論文執筆に向けて整理を進めている。凍土への融雪浸潤過程についても、実験が数値モデルの検討とともに進んでおり、計画に即した成果が得られているといえる。また、2次元凍結実験や現場レベルの実験・解析については２９年度中に多くの実験的知見を得たが、結果は未解析な部分も多く、数値解析との整合もとれていない。これらは当初の予定通り次年度に取り組むべき課題とする。酸化還元や微生物活性、窒素動態に関しては、未凍結土を対象とした基礎実験が概ね終了し、数値計算モデルの改良も進んだ。現在、硝化の温度依存性や吸着態・溶存態の違いについて論文の執筆を進めている。また、硝化速度定数とATP（微生物活性）の関係が得られたことから微生物活性を指標とした測定法の開発を次年度の検討課題とする。今後の凍結を絡めた実験や窒素動態の数値計算モデルのさらなる改良に向けた準備が整いつつあるといえる。本年度は、これらの成果を十件程度、学会発表として公開した。
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| Strategy for Future Research Activity |
土の凍結過程の地表面境界条件に関しては、熱交換係数の土壌含水比依存性について、氷の潜熱や熱容量、水蒸気移動等の観点から実験・解析を行いそのメカニズムの検討を進める。また、同時に熱交換係数の各要素依存性を求め、土の凍結モデルの現場への適用方法を提案する。そして、このモデルを29年度に取得した野外観測データの解析に用いるとともに、成果を論文に公開する。野外観測に関しては、解析した前年度の結果を踏まえ、今冬期の測定計画を立案し、実践する。凍土への融雪水の浸透に関しては、実験を継続し浸潤水の凍結が凍土の温度分布や水の流れに及ぼす影響を明らかにするとともに、その際に生じる水みち形成機構について検討する。このために、新たに実験装置を考案する。凍結面下の酸化還元過程と窒素動態の変化については、これまでの成果を論文にまとめる一方、還元にともなう溶存酸素の減少と脱窒の進行をマイクロセンサーを用いた実験や観測により検証する。また、凍土層が融解し好気条件になった際の、窒素の形態変化をともなう挙動に関しては、特に微生物活性や有機物分解に着目した実験を展開し、これまで開発してきた窒素移動モデルと凍結モデルを用いて連動した解析を試みる。
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