2020 Fiscal Year Research-status Report
水田における窒素除去機能を規定する環境要因とモデル化
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19K06332
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| Research Institution | Utsunomiya University |
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Principal Investigator |
松井 宏之 宇都宮大学, 農学部, 教授 (30292577)
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2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 添加有機物 / 光条件 / 藻類 / 光合成 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，湛水土壌や水田における硝酸態窒素濃度変化を表す微分方程式および水深変化を表す微分方程式を連立し得られる硝酸態窒素濃度の濃度予測式を提案し，その式中の硝酸態窒素除去係数に影響する環境要因を定量的に評価することで，水田における硝酸態窒素除去モデルを提案する。令和2年度は，(1)実験に適した土壌への添加有機物，(2)光条件が硝酸態窒素除去係数に与える影響，加えて(3)水中に浮遊する藻類および土壌表面に発生した藻類による窒素除去の影響，について検討した。
まず，土壌に添加する有機物について，既往の研究を参考に，蒸留水の入ったミキサーに稲わらを加え，攪拌し得られる稲わら懸濁液を用いた。稲わら懸濁液の使用により，メタノールやコハク酸と比較し，実際の水田での硝酸態窒素除去係数に近い値が得られることが分かった。その一方で，実験を繰り返した際の再現性については検討の余地があることが示唆された。
光条件の検討については，まず恒温器内に照明を点灯した条件を明条件，消灯した条件を暗条件として，比較した。その結果，明条件では土壌表面に藻類が発生し，光合成が行われた結果，土壌中への酸素供給が増加したこと，あるいは光合成により土壌中のpHが変化したことで，窒素除去量が低下することが示唆された。つまり，明条件では硝酸態窒素除去係数が小さくなる可能性があることが分かった。
最後に，水中に浮遊する藻類による窒素除去量と湛水土壌中の脱窒菌や土壌表面に発生した藻類による窒素除去量を比較した。その結果，水中に浮遊する藻類による窒素除去量はあまり大きくなく，湛水土壌中の脱窒菌や土壌表面に発生した藻類による窒素除去量が支配的となることが示唆された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
まず，硝酸態窒素除去係数に環境要因が与える影響を検討するためには，設定した条件における繰り返し実験が必須である。繰り返し実験を行うためには，土壌への有機物の添加は必須であり，再現性が高い有機物を定める必要がある。令和２年度は，実際の水田に残存する稲わらを資材とした稲わら懸濁液を用いた。しかしながら，硝酸態窒素除去係数の値域は現実的であるものの，供試する稲わらに含まれる易分解性有機物量に起因すると考えられる稲わら懸濁液の差違が再現性に影響を与えていることが示唆された。今後の考究のため，添加有機物は早期に定め，実験方法を確立する必要がある。
次に，光条件に関する検討については，令和２年度は恒温器の設定温度を30℃一定として行った。他の温度での実験も予定していたものの，COVID-19の影響が少なからずあり，十分な時間を確保することができなかった。脱窒菌だけでなく，藻類の活性も温度依存性があることが考えられ，実験を重ねる必要がある。また，光条件そのものについても，令和２年度は明条件12時間，暗条件12時間と固定し，実験を行った。明条件が硝酸態窒素除去係数に影響を与えることから，日長時間が硝酸態窒素除去係数に与える影響についても検討する必要がある。
最後に，水中に浮遊する藻類および土壌表面に発生した藻類による窒素除去の影響につては，湛水土壌中の脱窒菌による硝酸態窒素除去を検討する際には無視することができない。令和２年度の結果では水中に浮遊する藻類の影響は少なく，土壌表面に発生した藻類による窒素除去が大きい可能性が示唆された。この結果については，さらに検討する価値がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究により，水田での水移動を考慮した田面水の硝酸態窒素濃度推定式の基本式を提示することはできた。提示した推定式に環境要因を考慮できるよう，研究を推進する。具体的には，早急に湛水土壌に添加する有機物を定めることが望まれる。候補としては，メタノール，稲わら懸濁液，メタノールと稲わら懸濁液の混合液がある。メタノールと稲わら懸濁液を一対一で混合した混合液を第一候補として研究を進める。
環境要因のうち，光条件については（明条件，暗条件）＝（9時間，15時間），（12時間，12時間），（15時間，9時間）の組み合わせを対象とする。温度条件に関して，脱窒菌の活性の温度依存性については一定の結果を得ている一方，湛水土壌の表面に発生する藻類の温度依存性については検討していない。既往の文献に基づき，藻類の温度依存性を整理して，効率的に実験を進めることができる温度条件を定める。これら光条件と温度条件を組み合わせることにより，実際の水田に近い環境を再現し，硝酸態窒素除去係数への反映を進める。
加えて，蒸発に伴う対流や田面内の水の流れが田面水の上層と下層の混合が硝酸態窒素所係数に与える影響についても定量化を進める。蒸発に伴う対流が除去係数に与える影響については正の相関関係にあることを示唆する結果を得ており，データを蓄積することにより結果の信頼性の向上に努める。田面内の水の流れが除去係数に与える影響についても，一定の流速までは正の相関関係にあることを示唆する結果と得ており，蒸発に伴う対流と同様にデータの蓄積を図る。
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| Causes of Carryover |
次年度使用額が生じた理由として，初年度に購入を予定していた恒温恒湿器が予算不足により購入できなかったため，異なる装置を用いて湿度を制御できる実験環境を整えた，COVID-19の影響により水田土壌サンプリングのための旅費への充当が困難となったことが影響している。
最終年度となる今年度は，実験の効率的実施のための機器の充実，水田土壌サンプリングのための旅費に充てることを計画しており，支出できるものと考えている。
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