| 研究課題/領域番号 |
17H03888
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| 研究機関 | 三重大学 |
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研究代表者 |
渡辺 晋生 三重大学, 生物資源学研究科, 教授 (10335151)
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| 研究分担者 |
武藤 由子 岩手大学, 農学部, 准教授 (30422512)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | 凍土 / 融解浸潤 / 選択流 / 地表面境界条件 / 熱交換係数 / 窒素動態 / 硝化 / 有機物分解 |
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| 研究実績の概要 |
平成30年度は、土の凍結モデルを考える際の地表面境界条件、水の浸潤にともなう凍土中の水分・温度分布の変化とその際の浸潤水の凍結現象、有機物分解や根の吸収をともなう土中の窒素動態を調べることを主たる目的とした。そこで、まず様々な地表面温度境界条件、初期水分条件の土の一次元カラム凍結実験を行った。そして、見かけの地表面熱交換係数と凍結前の地表の含水率に比例関係があることを発見し、これを改良を進めてきた数値モデルに組み込むことで実測の気温を境界条件として土の凍結現象を解析、予測することを可能とした。また同時に、等量の熱が地表から奪われた場合でも、地表の温度が急激に低下する場合と、徐々に低下する場合で土の凍結する深さが異なることを定量化し、それが氷量分布とそれに応じた潜熱の発生によることを明らかにした。今回完成した凍結モデルや付随して明らかになった地表の冷え方と凍結深の関係は、これまでの凍結研究の知見を、実際の現場に適用するうえで重要な礎といえる。次に、凍結した比較的乾燥した土カラムへの水の浸潤実験を行い、地表に添加する水の速度や温度と、浸潤前線や0℃線の進行速度、土中の氷量分布との関係を整理した。そして、融解過程にある凍土の地温分布に及ぼす選択流（水みちの形成）の重要性や、浸潤が断続的に生じる場合の間隔と土中での浸潤水の凍結量との関係を明らかにした。さらに、アンモニア態窒素の硝化について様々な土壌水分条件においてバッチ試験と、同水分範囲でのカラム蒸発実験を並列して行った。そして、硝化速度定数の含水率依存性を前述の数値モデルに組み込み、蒸発過程にある土中の硝化をともなう窒素移動の解析、予測に成功した。また、有機物分解過程についても同様の試みを行い、有機物分解や硝化の反応速度定数とATP量の関係などを整理した。これらの知見は、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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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
室内実験と数値モデルについては、実験により明らかになった見かけの熱交換係数の含水率依存性を数値モデルに組み込み、予定通りにモデルの改良を進めることができた。また、熱交換係数の含水率依存や地表の冷却速度が凍結深の貫入速度に及ぼす影響については、メカニズムの検討が順調に進み、現在論文執筆に向けての整理が進んでいる。凍土への水の浸潤過程については、水分計測や選択流の把握方法を確立するのに労を要したため初期の進行が計画より遅れた。しかしながら、これらの課題は秋口には解決でき、現在では計画通り実験数を積み重ね、数値モデルを併用した解析も進んでいる。また、数値モデルの改良の概ねの完成により、２９～３０年度中に得てきた2次元凍結実験や現場レベルの実験による多くの知見を解析する準備が整った。これらの解析は予定通り次年度に取り組むこととする。窒素動態については、水の浸潤過程と蒸発過程、それぞれに対応するバッチ試験と、未凍結土を対象とした基礎実験が概ね終了し、実験から得られた知見のモデルへの組み込みも進んだ。一方で、有機物分解過程や根の吸収をともなう窒素動態を考える上では、土の微生物活性の指標であるATPと有機物分解や硝化の速度定数との関係が評価できたものの、凍結環境への応用には及んでいない。これらについても、当初計画通り次年度の検討課題とする。一方、凍土下の還元については、その温度環境や微生物活性の測定から、仮定していたようには進行しないことが示唆された。このことから、次年度の凍結実験については、その目的と手法の一部見直しが必要とも考えられる。本年度は、これらの成果を3件の論文として投稿（うち1件が受理、2件は投稿中）するとともに、十数件の学会発表として公開した。
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| 今後の研究の推進方策 |
土の凍結過程の地表面境界条件の違いとそれにともなう凍結深の貫入速度の違いについて、論文として公表する。そして、提案した凍結モデルを用いて、２９～３０年度に取得した野外観測データの解析を進める。凍土への水の浸潤については、実験を継続し、浸潤にともなう水分・温度分布の形成メカニズムの検討を進めるとともに、浸潤水の凍結量や凍結にともなう水みち形成のモデル化を検討する。次に、温度勾配と水分勾配の方向が様々に異なる土の凍結実験を行い、その際の水分移動やポテンシャル分布を測定することで、これまで得られてきた知見やモデルを3次元へ拡張する。また、凍結にともなう土中の窒素動態の変化を明らかにすべく、新たに実験装置を考案する。そして、凍土下の還元土で脱窒が起こるタイミングやそのために必要な凍結前の土壌への窒素供給と形態変化、浸潤をともなう凍土の融解や土の再凍結過程の窒素各成分の再分布や有機物分解との関係を整理する。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連結した解析を試みる。
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