2019 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 | 土壌凍結層 / 浸潤 / 再凍結 / 窒素動態 / 有機物分解 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
令和元年度は、土の凍結層への水の浸透とそれにともなう浸潤水の再凍結機構と凍結層下の物質動態を明らかにすること、有機物分解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、凍結した比較的乾燥した土カラムへの水の浸潤実験を様々な給水頻度や速度、温度条件で行うとともに、凍土中への水の浸潤を再現できるモデルを構築して実験結果を解析した。その結果、乾いた凍土へ水が浸潤すると浸潤前線に到達した水の約18%が凍結することで急激に温度が0℃に上昇すること。浸潤前線上部には、前線で生じた氷量が維持された状態で水が流下する0℃の領域が形成されること。この0℃の領域は地表から徐々に融解し、その際の氷量の融解率は0.1 ~ 7%であることを明らかにした。また、凍土の温度・水分分布は、浸潤水の給水速度や給水頻度にはあまり依存せず、給水量が等しければ概ね等しくなることを実証した。こうした結果は凍土への水の浸潤にともなう土中の水分・熱移動と相転移を考える上で重要な新たな知見を示すものである。また、硝酸塩を含む土カラムの凍結融解実験を行い、土の凍結にともなう硝酸イオンの再分布について、土の含水率や凍結速度、硝酸イオン濃度の関係を整理した。そして、硝酸塩が加わると、凝固点降下により土が冷えやすくなるものの凍結深には差が生じないこと。氷量が低下するために水分・硝酸塩移動量が減少すること。凍土からの硝酸塩の吐き出しは未凍土から凍土への移流で相殺されることを明らかにした。さらに、有機体窒素の分解について、カラム浸透実験を同様の土壌水分条件のバッチ試験と並列して行った。そして、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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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
非平衡な土中の氷の成長を表現する浸潤モデルを予定通りに構築することができ、これにより精密に行った室内実験を再現することに成功した。これにより、浸潤過程にある凍土中の水の再凍結機構とそれによって形成される特有な水・熱分布の検討が順調にでき、現在論文執筆に向けての整理が進んでいる。凍土下の窒素動態の検討については、硝酸イオン濃度の指標となる電気伝導の計測や得られたデータの解析法、凍結速度の制御方法を確率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夏頃から順次解決が進み、現在では概ね計画通りに実験が進められており、これまでの実験結果とあわせて数値モデルを用いた解析も順調に進んでいる。窒素動態については、水の浸潤と蒸発過程における水分量変化やATP量変化と硝酸態およびアンモニア態窒素の挙動を数値モデルで再現することが可能となり、解析も順調に進んでいる。一方で有機物分解過程については、様々な影響因子が存在することが明らかになりつつも、それぞれの関連の検討が及んでいない。またその故に、凍結環境への応用ができていない。そこでこれらについては、当初計画通り次年度の検討継続課題とする。令和元年度は、これらの成果を2件の論文、および18件の学会発表として公開した。一方、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の論文の投稿ができていないため、これは次年度の課題とする。
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| Strategy for Future Research Activity |
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、乾いた凍土への水の浸潤過程について、浸潤にともなう湿潤熱の発生と温度分布について、水や硝酸イオンの流下にともなう還元分布の変化についてなど、これまでに得られた成果の論文化を急ぐ。また、本課題で構築してきた凍結モデルを用いて、未解析な実験結果や野外観測データの解析を進める。凍土下での窒素動態については実験を継続し、凍結にともなう水分・溶質分布の形成メカニズムの検討を進めるとともに、凍結面近傍の溶質の吐き出しと移流、拡散の関係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発展的に継続し、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。新型コロナウィルスにより研究アクティビティを維持することが難しい状況が想定されるので、できることを適時行い、必要に応じて柔軟に対応できる体制作りを進めることで本課題の推進に努める。
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