2021 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 – 2023-03-31
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| Keywords | 硝酸態窒素除去係数の温度依存性 / 添加有機物 / 水田模型 / 温度の周期的変化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，提案した湛水土壌や水田における硝酸態窒素濃度の濃度予測式を用いて，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3年度は，(1)土壌へ添加する有機物の再検討，(2)温度の周期的変化が硝酸態窒素除去係数に与える影響，(3)引き続き，光条件が硝酸態窒素除去係数に与える影響について検討した。
昨年度まで，脱窒に必要となる有機物として，エタノール，コハク酸，稲わら懸濁液を検討してきた。エタノール，コハク酸は，同一条件でサンプル間のバラツキが少ないものの，硝酸態窒素除去係数が既往の研究で示されている水田の実測値とは乖離することが過大となっていた。これに対し，稲わら懸濁液では乖離傾向は緩和されるものの，バラツキが認められた。そこで，既往研究を参考に，令和3年度はフマル酸と牛糞堆肥の添加を検討した。その結果，これまでの有機物添加では30～35℃あたりに係数のピークが認められていたのに対し，40℃あるいはそれ以上の温度で係数がピークを示す結果が得られた。
上記と並行して，周期的な温度変化が硝酸態窒素除去係数に与える影響について検討を行った。具体的には，26℃一定の条件と21～32℃の間で変化し平均温度26℃となる日周期を想定し，フマル酸と牛糞堆肥を添加した条件で両者の硝酸態窒素除去係数を比較した。その結果，温度を変化させたときより温度を一定とした実験区の方がより大きい係数値を示した。
最後に，光条件が硝酸態窒素除去係数に与える影響について，検討した。フマル酸と牛糞堆肥を添加した条件においても，昨年度同様に明条件での硝酸態窒素除去量が暗条件を上回った。昨年度と同様の結果が得られたことから，土壌表面に発生した藻類による窒素除去が大きいことが確認することができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
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。
これまでに，模型水田における硝酸態窒素除去量を定量し，硝酸態窒素除去係数を定めるために，種々の有機物（エタノール，コハク酸，稲わら懸濁液，フマル酸+牛糞堆肥）の添加を試みた。実際の水田での除去係数に近く，同条件下でのバラツキがすくない添加有機物の特定には至っていないものの，添加有機物の種類および量により脱窒に関わる微生物叢が異なり，条件により除去係数が異なる可能性が高いことが示唆された。水田へ流入する灌漑水中に含まれる有機物は同一の流域であっても時間的に変化することが考えられる。水田土壌では有機物が貯留されるため，時間的には平均化されることが考えられるものの，有機物の組成が異なると考えられるため，統一的な硝酸態窒素除去係数の定量化は容易ではないことが予想される。
温度条件については，既往の多くの研究では一定温度としているのに対して，実際の気温変化に沿ったパターンで温度を変化させ，硝酸態窒素除去係数の定量を行った。温度を変化させた試験区では温度一定とした試験区より温度が高く，より大きい硝酸態窒素除去量が見込める時間帯があったものの，26℃より低温となる時間帯での硝酸態窒素除去量の減少の影響が大きかったことが考えられる。つまり，平均温度が同一であっても，同一温度条件と日周期パターンでは除去量が異なり，除去係数も異なることが示された。温度の変動パターンにより両者の大小関係は変化することが予想される。実際の水田への測定を想定すると，気温の日変動が与える影響は少なくないと予想されるため，検討が求められる。
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| Strategy for Future Research Activity |
水田模型を用いて，温度変化条件における硝酸態窒素除去量の定量を進める。近隣の気象観測所で観測された気温データをもとに，平均温度が同じになるように数種類の温度変動パターンを定め，温度変動パターンが硝酸態窒素除去係数に与える影響について検討を進める。これに合わせて水稲栽培が行われている水田における水温を観測することで，室内実験である水田模型を用いた実験と実際の水田における温度変動パターンの整合性を向上させる。
また，実際の水田では明条件となる昼と暗条件となる夜が交互に現れる。そのことに対応させるため，昨年度未着手でなった（明条件，暗条件）＝（9時間，15時間），（12時間，12時間），（15時間，9時間）を組み合わせて，光条件の影響について検討を進める。
加えて，これまでに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いることを踏まえて，実際の水田では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係数に影響について検討を進める必要がある。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 |
コロナ禍であるため，数回予定していた現地調査が行えなかったことに加え，本研究で欠かすことのできない分析機器の故障およびその原因の特定に時間を要したため，やむを得ず次年度使用額が生じるに至った。本年度は現地観測を進めるとともに，分析できる状況になったことから，計画通りの予算の執行に努めたい。
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Research Products
(1 results)
