2021 Fiscal Year Research-status Report
Soil degradation by cold water irrigation during cold season in dry lands: From the perspective of soil salinization and phosphorus leaching
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20K05770
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| Research Institution | Tottori University |
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Principal Investigator |
山本 定博 鳥取大学, 農学部, 教授 (30200801)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
遠藤 常嘉 鳥取大学, 農学部, 教授 (70423259)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 土壌ソーダ質化 / 乾燥地 / 灌漑農地 / 低温 / 灌漑 / 塩類土壌 / リン溶脱 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
低温時の溶解特性が異なるNa塩（塩化ナトリウム：低温時でも溶解度が低下しない，炭酸ナトリウム：低温時に溶解度が著しく低下）の組成を変えた人工塩類土壌（砂質土壌で調製，中程度の塩性度）と人工灌漑水を組み合わせた土壌カラム浸透実験（不飽和浸透，灌水量681mm相当）を低温（5℃），室温（23℃）条件でおこない，低温条件がNa塩溶脱特性と土壌ソーダ質化に及ぼす影響を検討した．本実験では透水性の良い土壌に大量の灌漑水を浸透し，強い塩溶脱負荷をかけたため，土壌中の塩化ナトリウムは温度条件によらず速やかに溶脱したが，炭酸ナトリウムは塩化ナトリウムより溶脱が緩慢で，低温時では溶脱が抑制され（重炭酸イオンで4~19％抑制），強い溶脱条件下においても土壌に残存するNa炭酸塩の割合が増加する傾向にあった．結果として低温区の灌漑後の土壌は室温区よりもソーダ質化レベルが進行することが確認された．また，乾燥地の灌漑水に一般的に含まれる重炭酸イオンも低温時に土壌に残存する量が増え，乾燥地における低温期の灌漑（冷たい灌漑水）は，土壌ソーダ質化を高める普遍的リスクを有することが明らかになった．
ソーダ質土壌の改良資材である石膏の施与効果を高めるため，石膏添加方法（土壌への添加，灌漑水への添加）を変えた条件で粘土鉱物組成の異なる人工ソーダ質土壌の改良過程を陽イオン交換反応の観点から検討した．ソーダ質土壌の改良には灌漑水の水質，水量が大きく影響し，石膏を土壌に添加・混和するよりも灌漑水への添加で高い改良効果が認められた．これは，低温時の灌漑における灌漑水の水質改善効果の有効性を示唆する結果と考えられた．また，石膏による改良効果は粘土鉱物の種類によっても異なり，2:1型粘土鉱物は1:1型よりも改良の進行は緩効的であった．これは，イオン交換部位の差異（2:1型は内部表面，1:1型は外部表面）によると考えられた．
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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
低温時の灌漑によるNa塩の除塩過程は土壌中のNa炭酸塩の割合を高め，土壌ソーダ質化の進行を促すという1年目の成果（中国・甘粛省の灌漑農地を参考にした条件で検討）を踏まえ，2年目においては，低温時の溶解特性が異なるNa塩の組成を変えた人工塩類土壌と人工灌漑水を組み合わせた複数の処理区を設けた実験系で除塩過程を再現した土壌カラム浸透実験をおこなった．その結果，強度の塩洗脱条件下においても低温環境下でNa炭酸塩の溶脱が抑制され土壌ソーダ質化の進行が促されるという，本研究の核心部分を検証できた．さらに，低温環境下では灌漑水由来の重炭酸イオンも土壌に富化されることを明らかにできた．これらのことから，大陸性気候下の乾燥地のように灌漑開始時期が寒冷な状況下で，冷水（例えば0~5℃）を灌漑するとNa塩の除塩過程において低温時に溶解度が低下するNa炭酸塩の存在割合を高め，土壌のソーダ質化が促されることを明らかにできた．
土壌ソーダ質化のプロセス，および，その効果的な予防・改良プロセスについては異なる塩組成の溶液，粘土鉱物種を用いて陽イオン交換反応の観点から検討し，灌漑水質，粘土の量的，質的な要因との関連を明らかにできた（低温下でのこれらの検証のために追加の試料調製をおこなっている段階である）．また，土壌ソーダ質化の効果的な抑制，改良方法として土壌に浸透する灌漑水の水質を石膏により改善することの有効性を明らかにした．
さらに，土壌のソーダ質化は，土壌中のカルシウム態リンの溶解度を高め，土壌無機態リンの溶脱リスクを高めることを土壌カラム浸透実験で明らかにできた．当初中国現地圃場で検証実験を計画していたがCOVID-19により実施できないため，最終年度，国内で土壌カラム（あるいはポット）実験に代替する準備を進めており，兵庫県北部から採取したスメクタイト質土壌を用いて人工乾燥地土壌を調整・準備した．
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| Strategy for Future Research Activity |
低温環境下における灌漑がNa塩の除塩過程，土壌ソーダ質化に及ぼす影響について，Na塩の溶脱過程に重点を置いた2年目までの成果，陽イオン交換反応に基づいたソーダ質化プロセスの検討結果を踏まえ，低温，室温条件下で土壌カラム実験をおこない，Na塩の溶脱と土壌特性への影響について比較，検討する．実験系は，実際の乾燥地の灌漑農地により近い条件になるように設定する．すなわち，乾燥地に一般的なスメクタイト質の人工乾燥地土壌を供試し，土性（粒径組成）も数段階に設定したい．Na塩の溶脱過程，土壌への残存量と残存部位（表層，下層）への影響とともに，土壌中の塩類動態に大きく影響する透水性などの土壌特性に及ぼす影響についても検討し，低温条件下での土壌のソーダ質化の進行による透水性悪化がその後の土壌塩類の集積過程に及ぼす影響を考察する．また，土壌ソーダ質化を抑制，改良するのに効果的であった石膏による灌漑水の水質改善の方法についても検討する．
また，ソーダ質化レベルの異なる土壌へのリンの添加量，形態（無機態，有機態）を変えた実験系を設定し，土壌ソーダ質化がリンの形態（土壌中のリンを化学的に異なる形態に分画する．いくつかの分画法を適用する予定）に及ぼす影響を明らかにする．これまでは，土壌カラム実験でリン溶脱への影響を評価してきたが，リンの形態分画の結果とリンの溶脱特性（溶脱リスク）と関連性づけ，土壌ソーダ質化がリン溶脱に及ぼす影響を検討する．
これらの結果より，乾燥地における低温時期の冷水灌漑による塩の除塩過程が土壌および環境に及ぼす悪影響を取りまとめ，今後の管理への提言とする．
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| Causes of Carryover |
計画していた中国の現地圃場実験が，COVID-19の状況が改善せず実施できなくなり，中国への出張旅費，現地での謝金等の支出ができなかった．そのため実験内容を変更し，基礎的なモデル実験の内容を拡充し，必要な機器の購入に充てたが，当初の支出予定額を全額執行できなかった. 次年度（最終年度），中国への渡航が可能になったとしても，現地での実験の時期のタイミングが合わないため（適期は3~4月．最終年度の冬季，土壌が凍結する前に，現地試験実施できたとしても，その後の分析も考慮すると冬季の実施は困難である），旅費の執行は難しい．最終年度，中国での実証実験に代わる実験を国内でモデル的に実施する予定であり，それらの実験のための物品費として充当予定である.
また，共同研究者の令和3年度の研究実施において，粘土鉱物などの実験試料を過去の実験結果との整合性をとるため，すでに調製・保有しているものを使用し，現有の器具，機器で分析したことから予定していた使用額が残となり次年度に繰り越すことになった．令和4年度は，予定している実験に必要な物品の購入に充てる計画となっている．
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