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土壌物理学発展の現状と展望(その2)

2015年 9月30日

李保国:中国農業大学資源・環境学院教授

 中国農業大学資源・環境学院教授、博士。「長江学者」特別招聘教授、米国土壌学会・農学会会員、中国土壌学会副理事長。土壌・水プロセスの定量化、土壌作物系統のモデリング、水土資源利用などの分野を研究する。国家難関克服(サポート)事業、国家自然科学基金重大プロジェクト課題、「973」や「863」の各課題など20件余りの事業を中心的に担当。論文発表400本余、そのうちSCI収録論文80本余、EI収録論文60本余。専門書の執筆・編著10部余。

任図生、劉剛、商建英、沈重陽、黄峰、王鋼、李貴桐: 中国農業大学資源与環境学院

周虎: 中国科学院南京土壌研究所

その1よりつづき)

2 近年の土壌物理学のカギとなる分野の研究進展

 ここでは土壌の安全を主題としながら、土壌物理研究における注目分野について論ずる。

2.1 土壌構造研究

 土壌構造の定量表現と土壌構造・機能との関係は、土壌物理の最も核心的な研究内容の一つである。X線CTを代表とする探測技術の急速な発展は、有機無機複合体や団粒、土塊、土壌体などの各スケールの立体土壌構造の研究を促した[15]。立体孔隙構造に基づき、土壌の水やガスの運動を定量分析・シミュレーションすることは、従来の土壌物理学研究の重要課題であった[16,17]。土壌構造は、水やガスの運動に決定的な作用を及ぼす。土壌構造が温室ガス排出にも無視できない影響を与えている[18]。孔隙スケールモデルの利用は、温室ガス排出のメカニズムと伝達・放出プロセスの理解を助けるものとなる[19]。土壌構造の形成メカニズム及びその土地利用方式に対する影響は土壌構造研究の主となる内容である[20,21]。土壌構造の動態は、土壌の有機質の循環と密切に関連しており、この方面の研究は主に、団粒スケールに集中するものである[22]。CT技術の利用は、土壌構造と根系との相互プロセスのその場(in situ)・動態研究を可能とする[23]。土壌構造は、根系の伸長の抵抗力を決定すると同時に、根系による水分と養分の摂取にも影響する[24]。そのため土壌構造を調節することによって必要な立体根系構造を得ることが可能となり[25]、適切な根系類型を選ぶことによって土壌構造を改良することも可能となる[26]。微生物の土壌中における分布は土壌孔隙の制御を受け[27]、土壌構造に対する微生物の影響への注目も高まっている[28]

 だが土壌物理学は現在、土壌構造の時空変動の特徴を農地においてその場(in situ)モニタリングする手段と技術を欠いており、土壌水分運動や熱量伝達、溶質移動、気体拡散を表現する現在の方法は依然として、土壌表層を剛性の媒質として扱い、変状土または農地で1回測定されただけの変数を用いて土壌中のエネルギー交換と物質伝達のプロセスを予測するものであることがほとんどであり、結果として大きな誤差が生じている。ここ10年余りは、サーモTDR技術の利用によって、土壌の含水量や温度、電導率、熱容量、熱伝導率、熱拡散係数などの連続定位測定が実現され[29]、土壌の仮比重と孔隙度との連続定位測定が完成され[30]、農地の土壌構造と水熱変数の時空変動の研究に信頼できる技術が提供された。

2.2 土壌水分のモニタリングと運動シミュレーション

 土壌水分の含量と変化は、地域の乾燥と農地、生態系モニタリングの主要な変数であり、地表水分の均衡とエネルギーの均衡を研究するカギとなる指標である。土壌水分の測定方法の研究の進展については、すでにこれを全面的かつ具体的に紹介した総論的文章が存在する[31,32]。近年、熱パルス法の発展に伴い[29]、とりわけ土壌表層のミリメートル級の深度の熱特性と含水量の測定に使える理論とプローブ設計の出現[33,34]、さらには2つのプローブ間の距離を自動で矯正する理論とプローブ設計の発展[35,36]に伴い、空間解像度の高さや測定の精確さ、その場でのリアルタイムのモニタリングといった長所から、ダブルプローブ熱パルス法は、地表の水熱均衡とエネルギー均衡の研究のために最も期待される研究方法となっている。

 大スケール水分含量モニタリングとは、単一のセンサーを利用して1m2未満の面積を探査するか、複数のセンサーによって10000km2範囲にまで至る土壌水分を探査するものである[37,38]。近年、大スケール土壌水分モニタリング技術は急速な発展を実現した。主に、宇宙線中性子水分測量とLバンド衛星リモートセンシング、分布型光ファイバーセンサーの3つの新たな技術が出現した。

 2008年以降に出現した宇宙線土壌水分モニタリングシステム(COSMOS)は、近接地表の環境宇宙線中の高速中性子の濃度と土壌の含水量との関係に基づく土壌水分測量システムである[39]。大量の屋外実験によって、この方法は、精度の高い大スケール土壌水分含量モニタリングシステムであり[40]、危害がない、破壊の必要がない、土壌の質と塩分の影響を受けない、測量の範囲が大きい(半径300—600m)などの特長を持つことがわかっている。

 リモートセンシング水分測量の近年の発展は主に、Lバンドの衛星信号とPバンドのレーダー信号に集中している。人々はGPS衛星のLバンド信号を、土壌表層5cm前後の水分含量のモニタリングに用いた[41]。地表においては、GPS信号と反射信号の間の干渉を通じて水分含量を得ることができ[42]、これに相応する水分測量装置はGPS-IRSである。欧州のSMOS計画は、衛星信号のLバンドに対して無線帯域干渉を行い、データ分析処理の新方法を結びつけ、地球範囲の地表の水分含量図を得るものである[43]。米国NASAが2014年に開始したSMAP計画は、衛星Lバンドの能動・受動信号によって表層の土壌水分含量を得るものである[42]。大スケール土壌水分含量の精確な測量については、期待すべき新たな方法が提出されている。光ファイバー分布型温度センサー(DTS)の外側の金属カバーを加熱することによって、1000mスケールのDTSを空間解像度1m、温度解像度0.05℃前後の熱パルスプローブに変え[43]、実験式の構築によって水分含量を予測するというものである[44]

 土壌水分の不飽和流のシミュレーションについては最近、ある学者が、土壌不飽和水力学の特性に対する現在の基本的仮定に疑いを抱いた。我々が幅広く応用している水分特性曲線モデルは、土壌孔隙が一束の異なる直径の毛細管からなっているとの仮定に基づいたもので、そこから導き出される土壌不飽和水伝導の特性と観測値には大きな差異が存在しているとの主張である。この学者は、土壌孔隙の複雑なネットワーク体系に基づいて、浸透理論を応用して土壌不飽和流の理論とモデルを構築することを提案している[45]。土壌水分の非安定流に対しては、4階偏微分方程式のフェーズフローモデルを構築した研究がある。特定の条件下では、同モデルは、我々がよく知るRichards方程式に転化する。新たなモデルは、非安定流中の優先流であるフィンガー流に対する優れたシミュレーションと表現を可能にするものである[46,47]

2.3 農地の水文プロセスと水分生産力

 土壌水は、最もカギとなる農地の制御因子であり、地球の食糧安全と生態安全問題は主に、水不足と乾燥によって引き起こされたものである。地球規模の変動の下、未来の農業においては水不足がますます深刻化するとされ、水分生産力を高めて地球の食糧安全を満足させる必要がある[2]。これは農地土壌の水分コントロールを通じて初めて実現される[48]。世界では近年、「緑の水」(土壌水または蒸発水)と「青い水」(従来の意味での灌漑水)の農業生産における流動や「緑の水」の陸地生態系における流動の特徴に対する研究が活発化している。ある研究では、農地水均衡データが地球規模でまとめられ、92カ国の発展途上国における国連ミレニアム開発目標(MDG)実現のための農地の「緑の水」の潜在力と作物の水分の生産力に対する評価が行われた[49]。その後、多くの同類の研究が、地球[50,54]や大陸[52]、国家[53,54]、地域というマクロレベルから「青い水」と「緑の水」の資源量を評価し[55]、農業生産における「青い水」と「緑の水」の流れの特徴や、「青い水」と「緑の水」の水分生産力の向上とコントロールのメカニズムなどの科学的問題に答えた。

 ある研究は、WATERSIM水文モデルを応用して地球の「青い水」と「緑の水」の資源を試算し[50]、動態全球植生・水均衡モデル(LPJmL)を応用して地球の陸地生態系と農業生態系における「青い水」と「緑の水」の由来・使用・消耗を推算した[51]。研究においては、水文・植生・作物モデル及び部分・一般均衡経済モデルのカップリングされた水文モジュールに基づき、地球と地域のスケールにおける作物生産に含まれる「青い水」と「緑の水」の量がシミュレーションされた[50,56,57]。結果はいずれも、地球スケールにおける「緑の水」が農地の作物生産において主導的な役割を発揮していることを裏付けるものだった。地球上の作物の平均仮想水含量のうち「緑の水」の含量は1100m3/t、「青い水」の含量は291m3/tで、「緑の水」と「青い水」の比は8∶2だった。このため各空間スケール(地球、大陸、国家、地域、区画)の農地の「緑の水」と「青い水」の流れの特徴の研究を深め、各スケールの研究結果を統合することは、農地の「緑の水」と「青い水」の流動を全体として最適化し、「緑の水」と「青い水」の消耗率と水分生産力を改善するのに、重要な科学的価値と実践的意義を持っている。「青い水」と「緑の水」の研究対象は、食糧作物からエネルギー作物に拡大されている[58]

2.4 土壌中の汚染物とコロイドの移動

 土壌の汚染と修復はここ10年来の国際的な研究の焦点となってきた。ミクロサイエンスの急速な発展と測定機器の絶え間ない改良に伴い、反応的汚染物の移動プロセスに対する土壌のミクロ構造やスケール効果、生物因子、地質化学因子、微小顆粒などの影響は幅広い関心を集めている。重金属や半重金属、放射性核種の移動では、移動に対する複雑な生物地質化学要素の影響、例えば有機質や根系分泌物、栄養物質、酸化還元反応、微生物、土壌非均質性、ミクロ構造などにより注目が集まっている[59,60]。新たに現れた有機汚染物やホルモン、抗生物質、残留有機汚染物の土壌環境における移動の挙動と移動に影響する要素、例えば有機汚染物の分子構造や大きさ、水溶性、種類、疎水性、土壌類型、有機質、pH値なども注目点となっている[61,62]。研究スケールにおいては、汚染物移動の研究はマルチスケールへと発展しており、分子やミクロ、孔隙、メソスケール、農地スケールなどの異なるスケールから汚染物の土壌中での移動メカニズムを研究することは、スケール転換問題の研究に道筋を提供し、異なる移動変数のスケール依存性、例えば地球化学反応速度や吸着係数、ヒステリシス係数などを明らかにし、実験室スケールにおける移動変数の応用による農地スケールの汚染リスクの予測に理論的土台を与えるものとなる。ミクロスケールにおける研究は、土壌の複雑なミクロ構造と気水界面における反応的汚染物の動態的な放出と移動のプロセスをそのメカニズムから反映させるものとなった[63]

 土壌環境におけるコロイドの挙動はまだ明らかではなく、コロイドの移動プロセスは近年の研究の注目点の一つとなっている。これらのプロセスには、病原性微生物の水土環境における挙動やナノ材料と微生物による汚染土壌の修復、風化物の移動と再蓄積、コロイド吸着重金属や放射性核種などの汚染物の移動、川岸地帯の濾過などが含まれる[64]。コロイドと汚染物の移動に対する影響因子としては、多くの物理的・化学的・生物的な因子が影響を与えており、例えばコロイドの類型、土壌媒質、水流条件、溶液のイオン強度とプラスイオン成分、疎水性、共存コロイド、表面活性剤、栄養物質、細胞外ポリマーなどが挙げられる[65]。界面力や接触角、土壌含水量などの影響から、コロイドとコロイドとが共同する汚染物との不飽和媒質における移動プロセスはさらに複雑なものとなる[66]。研究手段においては、従来の土柱とバッチ処理の方法と進歩した実験手段とを組み合わせ、コロイドの移動の研究がなされている。例えば原子力顕微鏡はコロイドと土壌表面の間の相互作用力の研究に[67]、走査型電子顕微鏡はコロイドの土壌表面における吸着形態の検査に[68]、共焦点顕微鏡[69]やレーザースキャンサイトメトリー、全反射顕微鏡などはコロイドの多孔媒質中の移動のリアルタイムの検測に[70,71]、X線CTと放射光技術はコロイドの実際の土壌における吸着の研究に使われている[72,73]

2.5 土壌生物物理

 土壌の物理プロセスと生物プロセスの間の内在的関係とその相互作用は現代土壌学の注目分野の一つであり、現代ミクロ探測技術とコンピューター技術の進歩は土壌生物物理の発展をさらに促進している[74-76]。例えばX線CT技術の応用は、土壌構造を破壊することなく土壌の微孔立体構造の情報を取得することを可能とした。ナノ二次イオン質量分析技術の利用は、土壌サンプル中の生物細胞の生理生態学的特徴の情報とその系統的な分類情報を正確に識別することを可能にし、微生物が媒介する元素の生物地球化学循環メカニズムの認識に重要な意義を持つものとなった[77,78]。また蛍光その場ハイブリダイゼーション技術[77]や遺伝子プローブ技術[79]などとの結合は、土壌の生物分子レベルの生理生態学的特性の情報と元素の空間分布などの物理化学情報の観測と定位を実現するものとなった[74]。現代の精密工学技術の進歩も、土壌生物物理学の発展を促進した。研究員は、透明な微細顆粒を利用して、立体的に可視化された土壌構造の構築をシミュレーションし、上述の分析検測技術と結びつけ、土壌空間の生物学的・物理的・化学的プロセスのリアルタイムでのその場観測と定位計量を実現した[80]。ある研究においては、リアルタイムのその場観測に使うことができ、水文物理条件を制御できる土壌実験シミュレーションシステムが構築され、微生物の不飽和土壌の表面における運動と個体群の拡張プロセスの観測と解析が実現された[81]。蛍光顕微撮影などの技術を通じて、土壌媒質や水、空気などの界面における植物の根系や真菌、細菌などの相互反応と影響のメカニズムも明らかにされた[82]

 土壌生物物理の理論研究の面では、土壌生物物理学の研究をメカニズムの面から展開するためには、土壌物理と生命プロセス、その相互反応プロセスをシミュレーションできる定量化モデルを構築しなければならない[76]。ある学者は、個体に基づく土壌生物物理モデルを開発し[83-85]、細胞と分子のスケールから微生物の能動性と栄養物質の拡散伝達に対する土壌媒質の孔隙の特徴と水分含量、その分布の変化の影響と作用メカニズムをシミュレーション・解析した。このほか分子生物学と関連分野におけるビッグデータの旺盛な発展に伴い、土壌の生産力レベル[86-88]や地球の気候変動、元素の地球化学循環などのマクロな地球物理化学プロセスと、性状や分子、遺伝子などのミクロな生物物理化学プロセスとを直接関連付けられるようになっている[87,88]

2.6 土壌物理性質に対するバイオマス炭素の作用メカニズムと効果

 バイオマス炭素は黒色を呈し、軽質で、多孔を持ち、官能基を豊富に含んでいる。これらの特性は、土壌の性質とプロセスに対するその影響の大きさを根本から規定するもので、近年、国際的な研究分野として注目を集めている。現在、土壌の物理的な性質とプロセスに対するバイオマス炭素の影響の研究のほとんどは外観の観測に集中しており、観測研究の結果にも大きな違いが存在している。ある観点によると、バイオマス炭素は、土壌の物理的性質を大きく変えることができ、土壌の仮比重を低下させたり[89,90]、粘質土壌の凝集度を増強したり[91,92]、農地の保水量と有効含水量を高めたり[90,92,93]、土壌の飽和透水性を高めたり[94,95]、粘質土壌の張力や線膨張係数、塑性指数を低めたり[89,96]といった作用を果たすという。しかし別の観点では、バイオマス炭素の影響はそれほど明らかではないという[95,97]。こうした状況は、バイオマス炭素に対する人々の認識はまだ全面的でなく、とりわけそのメカニズムの研究が不足しているということを示している。

 メカニズムの研究については、現在進められているものとしては、土壌孔隙の連接性とフラクタル次元に対するバイオマス炭素の影響[98,99]や土壌の総誘電率と誘電損率のバイオマス炭素による改変[100]、バイオマス炭素顆粒と水分子の作用[1]9,101,102などがある。これらの研究はまだ不十分であり、土壌物理の性質とプロセスに対するバイオマス炭素の影響の明晰なメカニズムを構築するには至っていない。

その3へつづく)


※本稿は李保国、任図生、劉剛、周虎、商建英、沈重陽、黄峰、王鋼、李貴桐「土壌物理学発展現状与展望」(『中国科学院院刊』第30巻・増刊,2015年、pp.78-90)を『中国科学院院刊』編集部の許可を得て日本語訳・転載したものである。


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