局所耕うん機具を用いた圃場通気性試験装置の開発

博 士 論 文

平 成

2 6 年 度

局 所 耕 う ん 器 具 を 用 い た 圃 場 通 気 性 試 験 装 置 の 開 発

主 査 田 島 淳 教 授

副 査 加 藤 雅 義 准 教 授

副 査 坂 口 栄 一 郎 教 授

副 査 橋 本 洋 平 准 教 授

農 学 研 究 科 農 業 工 学 専 攻

實 野 雅 太

目 次

序 文 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 5 第 1 章 局 所 耕 う ん 栽 培 法 と 経 時 変 化 の 追 跡 方 法 1 － 1 研 究 背 景 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 9 1 － 2 局 所 耕 う ん 栽 培 法 に つ い て ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 1 0 1 － 3 土 壌 の 通 気 性 に つ い て ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 1 4 1 － 4 既 往 の 土 壌 通 気 性 試 験 器 お よ び 研 究 に つ い て ・ ・ ・ ・ ・ ・ 1 5 1 ） 既 往 の 土 壌 通 気 性 測 定 器 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 1 5 2 ） 既 往 の 研 究 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 2 4 1 － 5 当 研 究 室 で の 研 究 の 流 れ に つ い て ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 2 8 1 － 6 本 研 究 の 目 的 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 3 4 第 2 章 局 所 耕 う ん 器 具 を 用 い た 圃 場 通 気 性 試 験 装 置 の 開 発 2 － 1 圃 場 通 気 性 試 験 装 置 に つ い て ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 3 5 2 － 2 圃 場 通 気 性 試 験 装 置 の 概 要 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 3 7 2 － 3 測 定 方 法 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 3 8 2 － 4 通 気 性 指 数 の 算 出 方 法 に つ い て ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 3 9 第 3 章 土 壌 と 通 気 性 指 数 の 関 係 3 － 1 ま え が き ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 4 1 3 － 2 室 内 実 験 に よ る 検 証 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 4 2 1 ） 実 験 方 法 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 4 2

2 ） 不 攪 乱 土 壌 で の 測 定 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 4 5 3 ） 人 為 的 に 設 定 し た 土 壌 で の 測 定 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 4 8 4 ） 粒 度 別 土 壌 で の 測 定 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 5 2 5 ） 総 合 考 察 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 5 7 3 － 3 第 3 章 の 結 論 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 5 8 第 4 章 試 験 装 置 と 土 壌 の モ デ ル 化 4 － 1 ま え が き ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 5 9 4 － 2 試 験 装 置 の モ デ ル 化 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 5 9 1 ） モ デ ル 式 の 導 出 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 6 0 2 ） 装 置 特 性 把 握 の た め の 大 気 開 放 実 験 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 6 3 3 ） 結 果 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 6 4 4 ） 考 察 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 6 5 4 － 3 複 数 の 細 管 を 用 い た モ デ ル ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 6 7 1 ） 複 数 の 細 管 を 用 い た モ デ ル ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 6 8 2 ） 複 数 の 細 管 を 用 い た 通 気 実 験 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 7 0 4 － 4 複 数 の 細 管 を 用 い た モ デ ル の 土 壌 へ の 適 応 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 7 8 1 ） 土 壌 の モ デ ル 化 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 7 8 2 ） 結 果 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 7 9 3 ） 考 察 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 8 1 4 － 5 第 4 章 の 結 論 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 8 2

第 5 章 圃 場 通 気 性 試 験 装 置 に よ る 圃 場 の 経 時 変 化 の 追 跡 5 － 1 ま え が き ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 8 4 5 － 2 定 点 観 測 用 圃 場 通 気 性 試 験 装 置 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 8 4 1 ） 試 験 装 置 概 要 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 8 4 2 ） 含 水 率 の 変 化 と 通 気 性 の 変 化 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 8 6 5 － 3 厚 木 の 圃 場 実 験 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 8 8 1 ） 厚 木 の 圃 場 実 験 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 8 8 2 ） 結 果 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 9 0 3 ） 考 察 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 9 2 5 － 4 伊 勢 原 の 圃 場 実 験 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 9 3 1 ） 伊 勢 原 農 場 で の 圃 場 実 験 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 9 3 2 ） 結 果 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 9 5 3 ） 考 察 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 1 0 1 5 － 5 圃 場 通 気 性 試 験 装 置 の 測 定 原 理 の 応 用 事 例 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 1 0 2 1 ） 圃 場 通 気 性 試 験 装 置 の 原 理 を 用 い た 空 気 式 土 壌 改 良 機 に よ る エ ア レ ー シ ョ ン の 評 価 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 1 0 2 2 ） 実 験 方 法 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 1 0 3 3 ） 結 果 お よ び 考 察 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 1 0 4 4 ） ま と め ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 1 0 5 5 － 6 第 5 章 の 結 論 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 1 0 6

第 6 章 総 括 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 1 0 8

第 7 章 結 論 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 1 1 0 謝 辞 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 1 1 2 引 用 文 献 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 1 1 3 S u m m a r y ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 1 1 9

序 文

1 8 世 紀 後 半 登 場 し た 蒸 気 機 関 は 石 炭 の 利 用 と と も に 産 業 革 命 を も た ら し 、1 9 世 紀 後 半 に な る と エ ネ ル ギ ー 密 度 が よ り 高 い 石 油 を 用 い た 内 燃 機 関 が こ れ に と っ て 代 わ っ た 。 人 間 は 約 8 0 W の 動 力 し か 出 せ な い が 、 人 間 と ほ ぼ 同 じ 質 量 の デ ィ ー ゼ ル 機 関 は 約 6 0 0 0 W の 動 力 を 出 す こ と が で き 、 人 力 に 比 べ 7 5 倍 も の 動 力 で 作 業 能 率 を 上 げ る こ と が で き る と さ れ る （ 木 谷 ら 2 0 0 5 ）。 以 来 、 約 1 0 0 年 あ ま り 経 た 現 在 も 、 可 搬 性 や 熱 効 率 面 で 優 れ た 内 燃 機 関 が 圃 場 作 業 用 農 業 機 械 （ 耕 う ん 機 ・ ト ラ ク タ ・ コ ン バ イ ン ・ 田 植 え 機 な ど ） の 主 要 な 動 力 源 と な っ て い る （ 池 田 ら 2 0 0 6 ）。 内 燃 機 関 を 用 い た 機 械 化 に よ っ て 、 さ ら な る 農 業 の 大 規 模 化 や 、 化 学 肥 料 や 農 薬 の 発 明 、 育 種 技 術 や 灌 漑 面 積 の 拡 大 を 可 能 に し 、 さ ら な る 効 率 的 な 食 糧 生 産 を 可 能 と し た 。 し か し 、 こ の 多 く の 技 術 が 化 石 燃 料 に 依 存 し て い る た め に 食 糧 供 給 も 化 石 燃 料 に 依 存 す る 結 果 と な っ た 。 現 在 の 一 極 集 中 的 な 農 地 の 管 理 の シ ス テ ム は 化 石 燃 料 を 使 う 場 合 に は 効 率 が 良 い シ ス テ ム で あ る が 、 自 然 エ ネ ル ギ ー の 様 に 広 く 薄 く 分 布 す る エ ネ ル ギ ー 源 を 利 用 す る 場 合 に は 、 効 率 が 良 い と は 限 ら な い 。 区 画 が 小 さ い 個 々 の 農 地 の 土 壌 状 態 の 変 化 を 経 時 的 に 追 跡 し な が ら 個 別 に 最 適 化 し 管 理 す る シ ス テ ム の 可 能 性 も 追 求 す べ き で あ る 。 特 に 土 壌 物 理 性 の 変 化 は 作 物 栽 培 に 大 き く 影 響 す る 。

こ れ ま で 土 壌 物 理 学 は 不 飽 和 土 の 力 学 や 不 飽 和 土 中 の 水 の 移 動 を 長 年 手 が け て き た 。 ま た 、 緑 化 土 木 や 自 然 環 境 保 全 な ど で も 重 要 と な っ た 。 そ れ だ け で は な く 、 農 業 機 械 学 の 観 点 か ら も 土 壌 物 理 学 は 重 要 で あ る 。土 壌 の 構 成 要 素 は 、固 相 、液 相 、気 相 と さ れ て い る が 、 畑 地 土 壌 で は こ の 三 相 の 分 布 が 不 均 一 で 非 常 に 複 雑 な 媒 体 で あ る 。 し か し 、 こ の 土 壌 が 植 物 や 作 物 の 生 育 の 場 と し て 重 要 な 役 割 を 担 っ て い る 。 こ の 作 物 の 育 成 に 欠 か せ な い の が 耕 う ん 作 業 で あ る 。 耕 う ん 作 業 の 目 的 は 、作 物 の 生 育 に 適 し た 土 壌 環 境 を 作 る こ と で あ る が 、 土 壌 に は 大 小 の 間 隙 が 存 在 し 、 こ こ を 水 や 空 気 が 移 動 す る た め 、 耕 う ん 作 業 の 主 眼 は 間 隙 を 操 作 す る こ と に あ る 。 し か し 、 生 物 的 な 活 性 に 乏 し い 土 壌 で は 、 時 間 の 経 過 に よ っ て 間 隙 が 小 さ く な り 、 植 物 根 の 伸 長 を 阻 害 す る 。 さ ら に は 保 水 性 ・ 透 水 性 お よ び 通 気 性 が 悪 く な る 。 つ ま り 、 多 く の 場 合 耕 う ん 作 業 は 固 ま っ た 土 塊 を 破 壊 し 、 間 隙 を 作 る 方 法 を 模 索 し て い る も の と 言 う こ と が で き る 。 以 上 の よ う な こ と か ら 、 耕 う ん 方 法 の 開 発 研 究 に お い て は 、 経 時 的 な 土 壌 物 理 性 の 変 化 を 追 跡 し 、 評 価 す る こ と が 必 要 と な る 。 特 に 耕 う ん 作 業 を 行 っ た 後 の 初 期 段 階 で の 土 壌 物 理 性 は 急 激 に 変 化 す る た め 、 耕 う ん 法 に よ る 土 壌 物 理 性 の 改 善 効 果 の 特 性 の 違 い や 、 持 続 性 を 評 価 す る こ と が 重 要 で あ る 。 本 論 文 で は 土 壌 物 理 性 の 一 つ で あ る 通 気 性 に 着 目 し た 。 土 壌 の 通

気 性 は 土 壌 を 構 成 す る 主 た る 要 素 の 一 つ で あ る 連 続 孔 隙 に 大 き く 影 響 さ れ る 。 気 相 率 は 固 相 率 と 液 相 率 、 つ ま り 乾 燥 密 度 と 含 水 比 に よ っ て 決 定 さ れ る 。 そ の た め 、 通 気 性 と 含 水 率 の 変 化 を 知 る こ と に よ っ て 土 壌 物 理 性 の 変 化 の 推 定 が 可 能 と な る 。 土 壌 物 理 性 の 評 価 方 法 に は 、 採 土 （ サ ン プ リ ン グ ） に よ り 得 ら れ た 試 料 を 用 い る 方 法 と 測 定 器 具 を 圃 場 に 設 置 し て 計 測 を 行 う 方 法 が あ る 。 し か し 、 不 耕 起 栽 培 の 場 合 に お い て は 、 サ ン プ リ ン グ に よ る 評 価 方 法 は 圃 場 が 不 均 一 で あ る こ と や 、 サ ン プ リ ン グ 時 の 構 造 的 な 破 壊 が そ の 後 の 圃 場 の 状 態 に 大 き く 影 響 す る た め 適 応 は 難 し い 。 ま た 、連 続 的 に 土 壌 物 理 性 を 評 価 す る と い う 観 点 か ら も 非 常 に 難 し い 。 長 田 （ 1 9 6 3 ） は 試 料 土 壌 に 、 空 気 を 流 す こ と に よ っ て 通 気 係 数 を 求 め る 方 法 を 考 案 し た が 、 不 耕 起 栽 培 の よ う な 大 小 の 土 塊 が 混 在 す る 圃 場 で の 試 料 で は 再 現 性 が な く 、 連 続 的 な 土 壌 物 理 性 の 変 化 を 捉 え に く い 。 そ こ で 、 従 来 法 の よ う な 採 土 に よ る 評 価 方 法 と は 異 な り 、 破 壊 量 を 最 小 限 に 抑 え つ つ 連 続 的 に 土 壌 物 理 性 を 評 価 す る 方 法 と し て 現 在 、 圃 場 に お い て 測 定 可 能 な 通 気 性 試 験 装 置 の 開 発 を 行 っ て い る 。 提 案 し た 圃 場 通 気 性 試 験 装 置 は 土 壌 に 蓄 圧 し た 空 気 を 圃 場 の 下 層 部 へ 送 り 込 み 、 そ の 際 の 圧 力 の 減 衰 具 合 か ら 流 量 を 求 め 、 圧 力 と 流 量 の 関 係 か ら 通 気 性 の 程 度 を 推 定 す る も の で あ る 。

本 研 究 は 通 気 性 試 験 装 置 の 開 発 と し て 、 装 置 特 性 を 把 握 す る こ と

を 第 一 目 標 に 、 室 内 実 験 よ り 既 往 の 通 気 性 測 定 器 と 比 較 を 行 っ た 。 ま た 、 装 置 の モ デ リ ン グ を 行 い 、 そ の 結 果 か ら 試 験 装 置 の 設 計 と 計 測 方 法 の 見 直 し を 理 論 的 に 行 う こ と を 目 的 と し た 。

第

1 章 局 所 耕 う ん 栽 培 法 と 経 時 変 化 の 追 跡 方 法

1 － 1 研 究 背 景 本 研 究 室 で は 、 持 続 的 な 新 し い 農 業 生 産 シ ス テ ム の 構 築 を 目 指 し て 研 究 を 進 め て い る 。 自 然 エ ネ ル ギ ー で あ る 太 陽 エ ネ ル ギ ー を 利 用 し 、全 自 動 で 農 作 業 を 行 う シ ス テ ム で あ る（ V e l a z q u e z e t a l . 2 0 1 3 ）。 従 来 型 の 農 業 は 化 石 燃 料 を 使 っ て ト ラ ク タ な ど の 機 械 を 動 か し 、 エ ネ ル ギ ー を 圃 場 全 面 に 投 入 す る こ と で 耕 す 方 法 を 用 い て い た 。 こ れ に 対 し 近 年 で は 、 エ ネ ル ギ ー 削 減 や 環 境 保 全 の 観 点 か ら 持 続 的 な 農 業 の 研 究 も 活 発 に な っ て き て お り 、 農 業 も そ の 体 系 を 見 直 す 必 要 が あ る と 考 え る 。 そ こ で 、 こ れ ま で の 全 面 耕 う ん と は 異 な り 、 エ ネ ル ギ ー 分 散 型 の 耕 う ん 方 法 と し て 局 所 的 に 耕 う ん を 行 う こ と を 、 本 研 究 室 で 研 究 し て い る 太 陽 エ ネ ル ギ ー を 利 用 し た 全 自 動 農 作 業 シ ス テ ム の 中 で 提 案 し た 。 そ れ が 局 所 耕 う ん 栽 培 法 で あ る 。 こ の 耕 う ん 方 法 は 、 金 属 棒 を 用 い て 植 え 付 け 部 の 土 壌 の 鉛 直 方 向 に 空 洞 （ 縦 穴 ：s h a f t ） を 作 り 、 耕 う ん 効 果 を 得 る も の で あ る 。 ま た 、 雑 草 は 圃 場 か ら 除 か ず 、 高 さ を 一 定 に 保 つ よ う に 維 持 管 理 す る 。 最 小 体 積 を 耕 う ん す る こ と で 、 栽 培 に 必 要 な エ ネ ル ギ ー を 削 減 し 、 ま た 、 土 壌 の 撹 拌 を 最 小 限 に 留 め る こ と で 、 土 壌 中 の 生 態 系 に お け る 生 物 多 様 性 も 維 持 す る こ と を 考 え て い る 。

1 － 2 局 所 耕 う ん 栽 培 法 に つ い て 前 項 で 挙 げ た 局 所 耕 う ん 栽 培 法 と は 、 苗 植 付 け 部 の 真 下 に 金 属 棒 に よ り 空 洞 を 作 る こ と で 、 耕 う ん 効 果 を 得 よ う と す る も の で あ る （ T a j i m a e t a l . 1 9 9 6 ）。 局 所 耕 う ん 圃 場 で は 雑 草 を 排 除 せ ず に 一 定 の 高 さ で 刈 り 揃 え 、 そ の 雑 草 残 渣 は 圃 場 内 に そ の ま ま 残 す 。 そ の 残 渣 は 分 解 さ れ 肥 料 分 と し て 圃 場 に 留 め ら れ る 。 局 所 耕 う ん 栽 培 法 の イ メ ー ジ を 図 1 － 2 に 示 し た 。 図 1 － 2 局 所 耕 う ん 栽 培 法 （ T a t s u n o e t a l . 2 0 0 9 ） 充電式 電気ドリル 地表面 雑草刈り高さ ３～５ｃｍ 残渣 チンゲンサイ 雑草の根 作物の根 シャフト （縦穴） 局所耕うんツール 充電式 電気ドリル 地表面 雑草刈り高さ ３～５ｃｍ 残渣 チンゲンサイ 雑草の根 作物の根 シャフト （縦穴） 局所耕うんツール

局 所 耕 う ん 栽 培 法 で は 、 耕 う ん は 図 1 － 2 の よ う に 充 電 式 ド リ ル に 局 所 耕 う ん ツ ー ル を 装 着 し 鉛 直 方 向 に 行 う 。 図 1 － 3 に 局 所 耕 う ん ツ ー ル と セ ル 成 型 苗 の 図 面 を 示 す 。 図 1 － 3 局 所 耕 う ん ツ ー ル と セ ル 成 型 苗 （ 田 島 ら 2 0 0 0 ） こ の 図 の 中 で 局 所 耕 う ん ツ ー ル の 上 部 は 苗 を 定 植 す る 苗 植 え つ け 穴 を 作 る た め の も の で あ る 。 金 属 棒 部 分 は 根 の 下 方 へ の 伸 長 を 促 す と 考 え ら れ て い る 縦 穴 を 形 成 す る た め の も の で あ る 。

局 所 耕 う ん ツ ー ル に よ る 耕 う ん 作 業 の 特 徴 と し て 以 下 の よ う な こ と が 挙 げ ら れ て い る 。 ① 土 の 破 砕 ・ 撹 拌 ・ 移 動 を 最 小 限 に す る の で 所 要 動 力 が 少 な く て 済 む 。 ② 耕 う ん 面 積 を 最 小 限 に す る た め 土 壌 中 の 小 動 物 や 微 生 物 の 生 育 環 境 を 破 壊 し に く い 。 ③ 作 業 時 に 地 表 の 残 渣 や 、 地 中 に 残 さ れ た 根 の 影 響 を 受 け に く い 。 ④ 穴 の 側 面 を 固 め る た め 崩 壊 し に く い 縦 穴 が 形 成 さ れ 、 長 期 に わ た る 耕 う ん 効 果 が 期 待 で き る 。 ま た 、 局 所 耕 う ん 栽 培 法 の 特 徴 と し て ⑤ 地 表 は 常 に 雑 草 で 覆 わ れ て い る の で 、 土 壌 の 保 水 ・ 保 温 効 果 が あ り 、 降 雨 な ど に よ る 土 壌 流 出 や 浸 食 を 減 少 さ せ る こ と が で き る 。 ⑥ 雑 草 は 作 物 の 生 育 に 影 響 を 与 え な い 程 度 に 一 定 に 刈 り 揃 え 、 そ の 残 渣 を 圃 場 に そ の ま ま 残 す 。 こ れ に よ り 残 渣 は 圃 場 内 の 分 解 者 に よ り 土 に 還 元 さ れ 、 圃 場 内 の 有 機 物 の 量 が 維 持 さ れ る と 考 え ら れ る 。 ⑦ 土 壌 表 面 を 覆 っ て い る 雑 草 が 降 雨 に よ る 土 壌 の 跳 ね 返 り を 防 ぎ 、 土 壌 を 介 し て 病 原 菌 が 植 物 組 織 内 に 侵 入 す る こ と を 抑 え る 効 果 が あ る と 考 え ら れ る 。

ま た 、 通 気 性 の 観 点 か ら 局 所 耕 う ん 栽 培 法 の 次 の よ う な 特 徴 が 考 え ら れ る 。 ⑧ 壁 面 が 強 固 な 縦 穴 が 栽 培 ご と に 形 成 さ れ 、 圃 場 内 に 多 く の 縦 穴 が 長 期 間 残 る こ と か ら 、 縦 穴 が 繋 が り 通 気 性 が 向 上 す る 可 能 性 が あ る 。 ⑨ 不 耕 起 栽 培 で あ る た め 、 土 壌 硬 度 は 高 い が 、 土 壌 内 の 生 物 多 様 性 が あ り 、 モ グ ラ な ど の 動 物 が 通 過 す る 。 こ の こ と に よ り 大 き な 間 隙 が 発 生 す る 。 こ の 通 路 が 通 気 性 や 透 水 性 を 向 上 さ せ る 可 能 性 が あ る 。 こ の 他 に も 、 局 所 耕 う ん 栽 培 法 は 乾 燥 地 に お け る 作 物 栽 培 方 法 の 一 つ と し て 提 案 し て い る （ J i t s u n o e t a l . 2 0 1 2 ）。 乾 燥 地 に お い て 局 所 耕 う ん 栽 培 法 は 、 ス ト ー ン マ ル チ 工 法 と 組 み 合 わ せ る こ と で 栽 培 実 験 の 結 果 と 作 業 性 の 観 点 か ら 従 来 の 全 面 耕 う ん 法 に 対 し 、 有 意 な 差 を 示 し た （ 實 野 ら 2 0 1 3 a ）。

1 － 3 土 壌 の 通 気 性 に つ い て 土 壌 内 の 各 種 成 分 ガ ス の 濃 度 は 大 気 中 と は 異 な り 、 窒 素 ガ ス は 大 気 中 と 土 壌 中 と で 大 差 は な い が 、酸 素 ガ ス は 大 気 中 で 2 1 % な の に 対 し 土 壌 中 で は 2 ～ 2 1 % と 、 土 壌 中 で は か な り 低 い 。 逆 に 二 酸 化 炭 素 ガ ス は 大 気 中 で 0 . 0 3 % な の に 対 し 、 土 壌 中 で は 0 . 1 ～ 1 0 % と か な り 高 い （ 宮 崎 ら 2 0 1 1 ）。 こ の 原 因 と し て は 土 壌 中 の 微 生 物 や 植 物 根 の 呼 吸 に よ る も の で あ る （ R u s s e l l , 1 9 7 3 ）。 大 気 中 と 土 壌 中 の ガ ス 濃 度 組 成 が 著 し く 異 な る た め 、 つ ね に 大 気 と 土 壌 の 間 で ガ ス 交 換 が 行 わ れ て い る 。 こ の ガ ス 交 換 で ガ ス の 移 動 は 通 常 、 拡 散 と 移 流 で あ る （ 宮 崎 ら 2 0 1 1 ）。 こ れ ら の ガ ス 交 換 が 行 わ れ る 通 路 は 地 表 面 と 深 い 土 層 を 結 ん で い る 空 気 間 隙 網 で あ る 。 土 壌 が 過 度 に つ き 固 め ら れ て い る 場 合 、 ま た 飽 水 し て い る 場 合 に は 通 気 性 が 低 下 す る 。 土 壌 内 へ の 空 気 の 対 流 を 引 き 起 こ す の は 、 土 壌 空 気 と 外 部 大 気 と の 間 の 圧 力 差 で あ る 。 土 壌 空 気 の 圧 力 の 短 期 的 変 動 は 、 農 業 機 械 で 農 地 を 耕 起 し た り 押 し 固 め た り す る 場 合 に も 起 こ り 得 る 。 こ の よ う に 農 地 ・ 圃 場 で は 通 気 性 が 短 期 的 に 変 化 す る の で 、 そ の 経 時 的 な 変 化 を 捉 え る に は 連 続 的 に 測 定 を 行 う 必 要 が あ る 。 次 項 で 既 往 の 土 壌 通 気 性 試 験 法 に つ い て 紹 介 し 、 局 所 耕 う ん 栽 培 法 へ の 適 用 を 検 討 し た 。

1 － 4 既 往 の 土 壌 通 気 性 試 験 法 お よ び 研 究 に つ い て 1 ） 既 往 の 土 壌 通 気 性 測 定 器 既 往 の 土 壌 通 気 性 試 験 法 に つ い て 述 べ る 。 （ 1 ） 山 中 式 土 壌 透 水 通 気 測 定 器 図 1 － 4 山 中 式 土 壌 透 水 通 気 測 定 器 1 9 6 2 年 に 山 中 ら は 土 壌 の 透 水 性 に 関 す る 通 則 の 中 で 図 1 － 4 に 示 す 土 壌 透 水 通 気 測 定 器 を 提 案 し た 。 ○ 測 定 方 法 （ 山 中 式 土 壌 透 水 通 気 測 定 器 取 扱 説 明 書 よ り 引 用 ） ① 測 定 操 作 測 定 す る 土 壌 の 垂 直 断 面 （ ま た は 表 面 、 斜 面 等 ） を 平 ら に し 、 土 壌 面 に 直 角 に 注 水 針 の つ ば が し っ か り 土 に 食 い 込 む ま で さ し こ む 。 ② 次 に 、 注 射 針 が 土 中 に 固 定 し て い る よ う 注 意 し て 、 パ レ ル を 少 し 左 右 に 回 し て 、 ピ ス ト ン ロ ッ ド の 赤 線 に 固 定 用 キ ャ ッ プ の 赤 線 を 合 わ せ る 。

③ 圧 力 計 を 注 視 し な が ら 静 か に バ レ ル を 押 し 、 均 等 の 速 度 （ 4 m l を 1 秒 、 2 0 m l を 5 秒 ） で 全 量 の 水 を 土 層 中 に 圧 入 す る 。 ④ 圧 力 計 の 針 は 、 始 め 速 く 振 れ る が 、2 ～ 4 秒 の 間 に ほ ぼ 定 圧 を 指 示 す る 。 こ の 定 圧 を 読 み 取 り 、 そ の 逆 数 を 土 壌 の 透 水 度 と す る 。 た だ し 粗 メ ー タ ー （ 0 ～ 2 k g f ／ c m2_{） の 赤 針 の 停 止 位 置 は 最 高 測 定 値} を 指 示 す る も の で あ る 。 ⑤ 通 気 度 は 同 じ 方 法 で 空 気 を 圧 入 し て 測 定 す る 。 山 中 式 土 壌 透 水 通 気 測 定 器 に よ っ て 測 定 さ れ た 透 水 度 と 通 気 度 は 表 1 － 1 に 示 す よ う に な る 。 表 1 － 1 透 水 度 通 気 度 の 表 示 圧 力 計 の 目 盛 k g f / c m ² 0 . 1 0 . 2 0 . 5 1 . 0 1 . 5 2 . 0 透 水 度 通 気 度 1 0 0 5 0 1 0 2 0 7 5 ○ 測 定 原 理 （ 山 中 式 土 壌 透 水 通 気 測 定 器 取 扱 説 明 書 よ り 引 用 ） 土 壌 の 透 水 性 の 基 本 原 理 と し て は 、 砂 層 の 透 水 速 度 に 関 す る ダ ル シ ー の 法 則 が 適 用 さ れ て い る 。 土 壌 の 透 水 性 は 、 同 じ 孔 隙 率 に 対 し て 個 々 の 孔 隙 の 断 面 積 に 比 例 す る 。 ダ ル シ ー の 法 則 を 要 約 す る と 「 砂 層 の 透 水 速 度 V ( m / s ) は 水 圧 落 差 h ( m ) に 比 例 し 砂 層 の 厚 さ L ( m ) に 反 比 例 す る 」 と い う こ と に な る 。 h / L は 砂 層 1 c m 当 り の 圧 力 落 差 あ る い は 水 頭 損 失 で 動 水 勾 配

と 呼 ば れ 、砂 層 の 状 態 が 同 一 で あ れ ば 流 動 速 度 V は h/ L に 比 例 す る 。 こ こ で 砂 層 の 厚 さ L を 1 c m と す る と 流 動 速 度 V は 水 圧 落 差 ｈ に 比 例 し 式 1 － 1 が 得 ら れ る 。

h

K

V





・ ・ ・ 式 1 － 1 Ｋ は 砂 層 の 物 理 的 条 件 に よ っ て 決 ま る 定 数 で 透 水 係 数 （ D a r c y ’ s C o e f f i c i e n t o f P e r m e a b i l i t y ） と 呼 ぶ 。 透 水 係 数 を 決 め る 方 法 は 式 の h を 一 定 と し （ 定 水 位 法 ） 速 度 V を 測 定 す る 。 粘 土 の よ う な 極 度 に 透 水 性 の 低 い 土 壌 で は 、 h の 低 下 速 度 を 細 管 中 で 測 る 変 水 位 法 を 用 い る が 、 測 定 に 長 時 間 を 要 し 非 常 に 困 難 な 実 験 で あ る 。し か し な が ら 、飽 和 状 態 の 流 速 V を 定 常 的 に 与 え 、 そ の 際 の 落 差 h を 測 る 方 法 が あ れ ば Ｋ を 求 め る こ と が で き る 。 こ れ を 現 場 の 土 層 断 面 に つ い て の 直 接 測 定 に 応 用 す る こ と で 可 能 に し た の が 山 中 式 土 壌 透 水 通 気 測 定 器 の 測 定 原 理 で あ る 。 山 中 式 土 壌 透 水 通 気 測 定 器 は 測 定 す る と き に 土 壌 の 断 面 を 切 断 し て 測 定 す る た め 圃 場 を 破 壊 す る 必 要 が あ る 。 よ っ て 局 所 耕 う ん 栽 培 法 に は 不 適 応 で あ る と 考 え ら れ る 。

（ 2 ） 土 壌 通 気 性 測 定 器 A i r P e r m e a m e t e r （ P L - 3 0 0 ） 市 販 さ れ て い る 土 壌 の 通 気 性 の 測 定 器 と し て E i j k e l k a m p 社 の A i r P e r m e a m e t e r （ P L - 3 0 0 ） が あ る 。 こ の 測 定 器 を 図 1 － 5 に 、 そ の 構 造 を 図 1 － 6 に 示 し た 。 図 1 － 5 土 壌 通 気 性 測 定 器 （ E i j k e l k a m p 社 製 P L - 3 0 0 ） 図 1 － 6 土 壌 通 気 性 測 定 器 （ P L - 3 0 0 ） の 構 造

○ 測 定 方 法 （ 土 壌 通 気 性 測 定 器 （ P L - 3 0 0 ） 取 扱 説 明 書 よ り 引 用 ） ① c h a m b e r を 測 定 場 所 に 設 置 す る 。（ こ の と き に 荷 重 を か け な い よ う に す る 。） ② c h a m b e r と リ ン グ の 間 に ゲ ル を 隙 間 無 く 入 れ 測 定 中 に 吸 引 す る 空 気 が 漏 れ な い よ う に す る 。 ③ コ ン ピ ュ ー タ が 自 動 的 に 測 定 し 、圧 力 勾 配 と 流 量 を 同 時 に 求 め ら れ る 。 ○ 測 定 原 理 （ 土 壌 通 気 性 測 定 器 （ P L - 3 0 0 ） 取 扱 説 明 書 よ り 引 用 ） 測 定 の 結 果 は ダ ル シ ー の 法 則 で 表 さ れ 、流 量 は 式 1 － 2 で 表 さ れ る 。

l

h

L

P

V

_L







・ ・ ・ ・ ・ 式 1 － 2 VL： 流 量 ( c m3) l ： c h a m b e r の 高 さ ( c m ) ⊿ h： c h a m b e r の 中 の 圧 力 勾 配 ( P a ) P L： 通 気 性 の 数 値 流 量 は 測 定 す る 土 壌 の 状 態 に よ っ て 自 動 的 に 変 え ら れ ま す 。 通 気 性 が 良 い （ 硬 度 が 低 い ） 土 壌 は D 1 、 通 気 性 が 悪 い （ 硬 度 が 高 い ） 土 壌 は D 2 に な る 。 D 1 ： 1 . 6 ～ 3 0 c m / s D 2 ： 0 . 0 3 ～ 1 . 5 c m / s

土 壌 通 気 性 測 定 器 （ P L - 3 0 0 ） は そ の 土 壌 の 状 態 に 適 し た コ ン ピ ュ ー タ が 自 動 的 に 流 量 、 流 速 を 決 定 し て い る た め 、 局 所 耕 う ん 圃 場 の よ う に 乾 燥 密 度 が 高 い 圃 場 で も 適 応 の 可 能 性 が あ る と 思 わ れ る 。 ま た 、 s u r f a c e c h a m b e r に ゲ ル 状 の 液 体 を 入 れ て 空 気 の 漏 れ を 防 い で い る 。 し か し 、 こ の 液 体 に よ っ て 雑 草 や 生 物 に 影 響 を 及 ぼ し て 、 枯 死 す る 危 険 性 も あ る 。 時 間 が た つ に つ れ ゲ ル の 液 体 が 土 壌 に 浸 透 し て い く 可 能 性 が あ り 、 ゲ ル の 液 体 が 無 く な っ た ら 測 定 が で き な く な っ て し ま う 。 ま た 雑 草 の 多 い と こ ろ で は 正 確 な 測 定 が で き な い の で は な い か と 考 え ら れ る 。

（ 3 ） 土 壌 通 気 性 測 定 器 A i r P e r m e a m e t e r （ D I K - 5 0 0 1 ） 一 般 的 な 土 壌 通 気 性 の 測 定 方 法 は 、 サ ン プ リ ン グ し た 土 壌 を 図 1 － 7 に 示 す よ う な 土 壌 通 気 性 測 定 器 で 一 次 元 方 向 に 一 定 の 体 積 の 空 気 を 定 常 的 に 送 り 込 む も の で あ る 。 図 1 － 8 に そ の 構 造 を 示 す 。 図 1 － 7 土 壌 通 気 性 測 定 器 （ 大 起 理 化 工 業 社 製 D I K - 5 0 0 1 ） 図 1 － 8 土 壌 通 気 性 測 定 器 （ D I K - 5 0 0 1 ） の 構 造 ① ０ 点 調 節 バ ル ブ ② フ ロ － ト ③ 給 排 気 バ ル ブ ④ 水 槽 ⑤ フ ィ ッ テ ィ ン グ コ ネ ク タ ⑥ ウ レ タ ン チ ュ － ブ ⑦ 通 気 バ ル ブ ⑧ 試 料 円 筒 ⑨ 網 板 ⑩ ゴ ム リ ン グ ⑪ ア ダ プ タ ー

土 壌 通 気 性 測 定 器 の 取 扱 説 明 書 よ り 測 定 方 法 と 測 定 原 理 は 以 下 の よ う に 示 さ れ て い る 。 ○ 測 定 方 法 ① 試 料 を 任 意 の 場 所 よ り 試 料 円 筒 ( 寸 法：内 径 φ 5 0 m m × 高 さ 5 1 m m ， 容 量 1 0 0 m l ) を 用 い て サ ン プ リ ン グ す る 。 ② 試 験 器 本 体 を 水 平 に 設 置 す る 。 試 料 に ゴ ム リ ン グ を 取 り 付 け 、 ア ダ プ タ ー に セ ッ ト す る 。 ③ 水 槽 に 浮 か せ た フ ロ ー ト を フ ロ ー ト ガ イ ド の 0 点 に 目 盛 り に 合 わ せ る 。 ④ 通 気 バ ル ブ を 開 く と 、 同 時 に ス ト ッ プ ウ ォ ッ チ を 始 動 さ せ る 。 フ ロ ー ト の 目 盛 の 最 上 端 が 水 槽 の フ ロ ー ト ガ イ ド に 達 し た ら 、ス ト ッ プ ウ ォ ッ チ を 停 止 さ せ る 。 ○ 測 定 原 理 通 気 係 数 k a の 基 本 計 算 式 は ダ ル シ ー の 法 則 よ り 単 位 時 間 あ た り の 通 気 量 は 式 1 － 3 と な る 。 q ： 時 間 ( t ) に 断 面 積 A の 試 料 中 を 流 れ る 通 気 量 ( c m3) k a ： 通 気 係 数 ( c m / s ) A ： 試 料 の 断 面 積 ( c m2) ⊿ P ： 圧 力 差 ( c m H2O ) L ： 試 料 の 長 さ ( c m )

　・・・・・　

L

P

A

ka

q







式 1 － 3

式 1 － 3 よ り 通 気 係 数 k a は 式 1 － 4 で 求 め ら れ る 。 ： 通 気 係 数 ( c m / s ) ： 時 間 ( t ) に お け る 通 気 量 ( 1 0 0 0 c m3₎ ： 土 壌 の 長 さ ( 5 . 1 c m ) ： 土 壌 の 断 面 積 ( 1 9 . 6 3 5 c m2₎ ： 1 0 0 0 c m3 _{の 空 気 が 土 壌 を 通 過 す る 時 間 ( s e c )} ： 土 壌 の 長 さ L ( 5 . 1 c m ) を 通 過 し て の 圧 力 差 ( c m H2O ) こ の 方 法 は 通 気 性 試 験 の た め に 圃 場 よ り 土 壌 を 採 取 せ ね ば な ら ず 、 土 壌 の 破 壊 を 伴 う た め 不 耕 起 栽 培 で あ る 局 所 耕 う ん 栽 培 法 に お い て 、 経 時 的 変 化 を 追 跡 す る に は 適 し た 通 気 性 試 験 法 で は な い 。

　・・・・・

t

A

P

P

L

Q

ka







1 2

ka

Q

L

A

t

1 2

P

P



式 1 － 4

2 ） 既 往 の 研 究 既 往 の 土 壌 の 通 気 性 測 定 法 の 研 究 で は 、 土 壌 試 料 を 採 取 し て く る も の が 一 般 的 で あ る が 、 現 場 で 通 気 性 を 測 定 す る こ と を 目 的 と し た 研 究 事 例 を 挙 げ る 。 （ 1 ） 守 島 の 通 気 性 試 験 器 守 島 は 1 9 7 5 年 に 通 気 性 の 測 定 方 法 と し て 、 強 制 通 気 に よ り 通 気 量 と 通 気 圧 か ら 求 め る 方 法 を 提 案 し た 。 こ の 方 法 で は 測 定 管 を 土 壌 に 挿 入 し 、 送 風 機 で 空 気 を 土 壌 中 に 送 る も の で あ る 。 こ の 時 の 圧 力 と 流 量 を 測 定 し た （ 図 1 － 9 ）。 図 1 － 9 守 島 の 通 気 性 試 験 器 （ 引 用 ： 土 壌 物 理 性 測 定 法 ）

（ 2 ） I v e r s e n ら の 研 究 2 0 0 1 年 と 2 0 0 3 年 に I v e r s e n ら は 図 1 － 1 0 に 示 す よ う な 守 島 の 通 気 性 試 験 器 と 類 似 し た 装 置 を 提 案 し た 。 し か し 、 こ の 装 置 で は 送 風 機 の 代 わ り に ガ ス ボ ン ベ を 使 用 し 、 レ ギ ュ レ ー タ ー で 定 常 流 を 作 り 出 し て い る 。 ま た 、 現 場 で の 測 定 だ け で な く 、 採 取 し た サ ン プ ル で 室 内 実 験 も 行 え る よ う に な っ て い る 。 図 1 － 1 0 T h e s u r f a c e - c h a m b e r a i r p e r m e a m e t e r ( I v e r s e n e t a l . 2 0 0 1 ) （ 3 ） J a l b e r t ら の 研 究 2 0 0 3 年 に J a l b e r t ら も 類 似 し た 研 究 を 報 告 し て い る 。こ の 場 合 は 測 定 管 を こ れ ま で の 差 し 込 む 形 か ら 密 着 さ せ る 形 へ 変 更 す る こ と で 、 測 定 管 の 違 い に よ る 通 気 性 の 変 化 に 注 目 し て い た （ 図 1 － 1 1 ）。

図 1 － 1 1 ( 左 ) 手 持 式 通 気 性 試 験 器 の 回 路 図 ・ ( 右 ) 測 定 管 の 違 い こ れ ま で の 現 場 設 置 型 の 土 壌 通 気 測 定 器 で は 測 定 管 を 土 壌 の 表 面 に 差 し 込 む も の が 多 か っ た 。こ れ で は 植 生 被 覆 で 覆 わ れ た 場 所 で は 、 被 覆 を 破 壊 し て し ま い か ね な い 。 こ こ で 、 土 壌 を 非 破 壊 で 通 気 性 を 測 定 す る こ と を 検 討 し た 研 究 を 紹 介 す る 。 （ 1 ） 酸 素 拡 散 速 度 （ O x g e n D i f f u s i o n R a t e : O D R ） 法 1 9 5 2 年 の L e m o n と E r i c k s o n の 研 究 に よ る と 、 図 1 － 1 2 に 示 す よ う に 、 土 壌 中 に 挿 入 し た 白 金 電 極 と 対 象 電 極 と の 間 に あ る 電 圧 を 流 す と 、 土 壌 中 に 拡 散 し て き た 酸 素 は 白 金 電 極 の 表 面 で 還 元 さ れ 、 酸 素 の 分 圧 に 比 例 し た 電 流 を 流 す 。 こ の 時 の 電 流 は 酸 素 が 白 金 電 極

の ま わ り に 拡 散 し て き た 速 度 に 比 例 す る た め 、 こ の 方 法 で 土 壌 の 通 気 性 の 評 価 が 可 能 で あ る と さ れ た 。 図 1 － 1 2 O D R 法 の 概 略 （ 安 田 1 9 7 2 ） し か し 、 こ の 方 法 は 肥 料 の 影 響 や 温 度 差 の 影 響 も 受 け や す い こ と や 、 白 金 電 極 の 表 面 に 他 の 化 学 物 質 が 沈 積 し た り 使 用 中 に 電 極 が す り 減 っ た り す る と 正 常 な 値 を 示 さ な く な る と い う 課 題 も あ る 。ま た 、 測 定 を す る の に 4 ～ 5 分 か か っ て し ま う と い う 問 題 点 も あ る 。 （ 2 ） 音 響 測 定 1 9 9 2 年 に M o o r e ら は 音 響 に よ る 土 壌 中 の 空 気 量 と そ の 通 気 性 の 測 定 方 法 を 提 案 し た 。 そ し て 日 本 で は 2 0 1 0 年 に 深 田 ら が 図 1 － 1 3 に 示 す よ う な 音 波 の 共 鳴 現 象 を 利 用 し た 土 壌 の 空 気 量 と 通 気 性 の 測 定 を 提 案 し た 。

図 1 － 1 3 音 波 の 共 鳴 現 象 を 利 用 し た イ ン ピ ー ダ ン ス 測 定 装 置 （ 深 田 ら 2 0 1 0 ） し か し 、 こ の 方 法 は 測 定 管 を 土 壌 に 直 接 当 て な け れ ば な ら ず 、 植 生 に よ る 被 覆 の 土 壌 で は 測 定 が 難 し い と 考 え ら れ る 。 こ の こ と か ら 植 生 被 覆 下 で 土 壌 物 理 性 の 経 時 変 化 を 追 跡 可 能 な 方 法 が 非 常 に 少 な い こ と が わ か る 。

1 － 5 局 所 耕 う ん 栽 培 圃 場 に お け る 通 気 性 試 験 に つ い て 一 般 的 な 土 壌 の 物 理 性 を 評 価 す る 方 法 と し て 、 1 － 4 － ③ 項 に 示 す よ う な 圃 場 か ら 土 壌 を サ ン プ リ ン グ し て 室 内 の 試 験 装 置 で 測 定 を 行 う 方 法 が あ る 。 こ の サ ン プ リ ン グ は 圃 場 に 大 き な 穴 を 開 け て 不 攪 乱 で 均 一 に 採 取 す る こ と が 条 件 で あ る 。 し か し 、 局 所 耕 う ん 栽 培 の 圃 場 で は 全 面 耕 う ん を 行 う 圃 場 と 異 な り 、 栽 培 毎 に 栽 培 ベ ッ ド の 更 新 を 行 わ な い た め に 土 壌 が 不 均 一 で あ る こ と か ら 、 土 壌 の 物 理 性 の 経 時 的 な 変 化 を 知 る た め に は 、 植 生 被 覆 下 の 土 壌 を 非 破 壊 で 、 な お か つ 同 じ 場 所 で 定 期 的 な 計 測 が で き る 測 定 方 法 が 求 め ら れ る 。 こ の た め に 現 場 設 置 型 土 壌 通 気 性 試 験 装 置 を 用 い て 計 測 を 行 う こ と を 試 み て き た 。 こ の 試 験 装 置 は 、1 9 7 5 年 に 守 島 が 圃 場 に お け る 自 然 状 態 に 近 い 状 態 で 通 気 性 を 求 め る 方 法 と し て 強 制 通 気 に よ り 通 気 量 と 通 気 圧 か ら 求 め る 方 法 を 提 案 し 、 そ れ を 加 藤 ら が 1 9 9 4 年 に 試 作 ・ 適 用 し た （ 加 藤 1 9 9 4 ）。 測 定 は 土 壌 に 挿 し 込 ん だ 測 定 管 か ら 土 壌 中 に 通 気 を 行 い 、 こ の 時 に 必 要 な 圧 力 と 流 量 の 関 係 を 求 め る こ と で 通 気 性 の 指 標 と す る も の で あ る 。 ピ ト ー 管 に よ っ て 得 ら れ る 管 内 の 空 気 の 流 速 h と 通 気 圧 H を 測 定 し 、 流 速 h か ら 換 算 し た 空 気 の 流 量 Q と 通 気 圧 H を 、流 量 Q を 変 え て 繰 り 返 し 測 定 す る と 、直 線 状 に 並 ぶ 。そ の 結 果 得 ら れ た Q / H の 値 は 、通 気 性 が 高 け れ ば 大 き な 値 に 、 通 気 性 が 低 け れ ば 小 さ な 値 と な る （ 加 藤 ら 1 9 9 7 ）。 こ の 圧 力 H と 流

量 Q の 関 係 Q / H を 通 気 性 指 数 と 定 義 し た 。現 場 設 置 型 土 壌 通 気 性 試 験 装 置 の 概 要 を 図 1 － 1 2 に 示 し た 。こ の 装 置 で 測 定 さ れ る 圧 力 H と 流 量 Q の 関 係 を 図 1 － 1 3 に 示 し た 。 図 1 － 1 2 現 場 設 置 型 土 壌 通 気 性 試 験 装 置 の 概 要 （ 加 藤 ら 2 0 0 0 ） 図 1 － 1 3 現 場 設 置 型 土 壌 通 気 性 試 験 装 置 に お け る 圧 力 H と 流 量 Q の 関 係 図 こ の 試 験 装 置 は 図 1 － 1 4 に 示 す よ う に 大 起 理 化 工 業 よ り 実 用 化 さ れ た 。 流 量 ( Q ) 圧 力 ( H )

図 1 － 1 4 現 場 土 壌 通 気 性 測 定 器 （ 大 起 理 化 工 業 社 製 ） し か し 、 こ の 方 法 で は 測 定 管 の 先 端 を 土 壌 中 に 挿 入 す る こ と で 空 気 の 漏 れ を 無 く し て い る が 、 測 定 ご と に 試 験 装 置 を 設 置 す る と 雑 草 被 覆 を 破 壊 す る こ と に な る 。 ま た 、 測 定 管 の み を 圃 場 に 設 置 し た ま ま に す る 方 法 も 考 え ら れ た が 、 経 時 的 要 因 に よ り 漏 れ を 生 じ て し ま う 問 題 が あ っ た 。そ こ で 、測 定 管 に 鉛 直 方 向 の 荷 重 を か け る こ と で 、 測 定 管 と 圃 場 の 表 面 と の 密 着 を 図 る 方 法 が 考 案 さ れ た （ 奈 良 ら 2 0 0 3 ）。 試 験 装 置 の 概 要 を 図 1 － 1 5 に 示 し た 。

図 1 － 1 5 現 場 設 置 型 土 壌 通 気 性 試 験 装 置 を 測 定 管 圧 着 用 荷 重 に 改 良 し た 装 置 の 概 要 （ 奈 良 ら 2 0 0 3 ） 図 1 － 1 6 測 定 の 状 況 し か し 、 こ の 方 法 で は Q / H が 大 き く 、 通 気 性 が 高 い 時 は 問 題 な く 測 定 が 可 能 だ が 、 Q / H が 小 さ い 時 つ ま り 流 量 に 比 べ 圧 力 が 高 く 通 気 性 が 低 い 時 は 、 測 定 管 と 地 表 面 と の 間 か ら 空 気 が 漏 れ や す く な る た め 、 正 確 な 測 定 が 行 え な い 問 題 が 生 じ た 。 そ の 後 、 荷 重 載 荷 位 置 を 変 え て 、 ス ポ ン ジ 付 き フ ラ ン ジ を 備 え た Ａ Ｃ １ ０ ０ Ｖ ⑦ 測 定 管 圧 着 用 荷 重 （4 0k g f） ② 整 圧 用 　 タ ン ク ④ 流 速 測 定 部 （ ピ ト ー 管 ） 微 差 圧 計 通 気 圧 測 定 部 ⑥ 測 定 管 ⑤ 校 正 用 栓 h ( c m ) H ( c m ) ③ 流 量 　 　 調 整 弁 ① 可 変 送 風 機 　 （ ブ ロ ア ） Ａ Ｃ １ ０ ０ Ｖ ⑦ 測 定 管 圧 着 用 荷 重 （4 0k g f） ② 整 圧 用 　 タ ン ク ④ 流 速 測 定 部 （ ピ ト ー 管 ） 微 差 圧 計 通 気 圧 測 定 部 ⑥ 測 定 管 ⑤ 校 正 用 栓 h ( c m ) H ( c m ) H ( c m ) ③ 流 量 　 　 調 整 弁 ① 可 変 送 風 機 　 （ ブ ロ ア ）

方 式 の も の も 開 発 さ れ た が 、 図 1 － 1 7 に 示 す よ う に 漏 れ を 防 ぐ に は

そ れ で も 9 8 N 程 度 の 荷 重 が 必 要 で あ る と わ か り 、圃 場 の 締 め 固 め の 問 題 か ら 方 式 の 転 換 を 余 儀 な く さ れ た 。

1 － 6 本 研 究 の 目 的 こ れ ま で の 当 研 究 室 で の 通 気 性 測 定 の 研 究 か ら 、 本 研 究 の 主 た る 目 的 を 、 局 所 耕 う ん 圃 場 の よ う な 植 生 被 覆 の あ る 圃 場 で 非 破 壊 か つ 継 続 的 に 土 壌 状 態 を 評 価 す る 方 法 を 開 発 す る こ と と し た 。 こ れ を 達 成 す る た め に 3 つ の 目 的 を 設 定 し た 。 （ 1 ） 耕 う ん 作 業 と 同 時 に 土 壌 の 評 価 が 行 え る 試 験 装 置 （ 局 所 耕 う ん 器 具 を 用 い た 圃 場 通 気 性 試 験 装 置 ） の 開 発 （ 2 ） 開 発 し た 圃 場 通 気 性 試 験 装 置 の 特 性 の 把 握 ① 装 置 の 特 性 の 室 内 実 験 に よ る 検 証 ② 装 置 の 特 性 の 数 学 的 モ デ ル に よ る 検 証 （ 3 ） 圃 場 実 験 で の 通 気 性 の 経 時 変 化 の 追 跡

第 2 章 局 所 耕 う ん 器 具 を 用 い た 圃 場 通 気 性 試 験 装 置 2 － 1 圃 場 通 気 性 試 験 装 置 に つ い て 現 場 設 置 型 土 壌 通 気 性 試 験 装 置 は 、 定 常 状 態 の 空 気 の 流 れ を 作 っ て か ら 、 測 定 を 行 う 方 式 を 採 っ て い た た め 、 Q / H の 値 を 求 め る た め に は 、 一 地 点 の 測 定 を 行 う た め に 1 5 ～ 2 0 分 の 作 業 時 間 を 要 し て い た 。 こ の 問 題 と 、 圃 場 を 破 壊 す る 問 題 、 そ し て 空 気 漏 れ の 問 題 を 回 避 す る 方 法 と し て 、2 0 0 6 年 に 圃 場 通 気 性 試 験 装 置 を 考 案 し た 。 こ の 方 式 で は 、加 圧 し た 空 気 を 溜 め た 蓄 圧 タ ン ク か ら 吐 出 さ れ る 空 気 を 、 地 中 に 差 し 込 ん だ 局 所 耕 う ん 器 具 の 先 端 か ら 吐 出 す る よ う に し た も の で 、 蓄 圧 タ ン ク の 圧 力 を 連 続 的 に 測 定 す る こ と で 吐 出 し た 空 気 の 量 を 算 出 す る も の で あ る （ 田 島 ら 2 0 0 7 ）。 装 置 の 概 要 を 下 図 2 － 1 に 示 し た 。 図 2 － 1 圃 場 通 気 性 試 験 装 置 通 気 用 局 所 耕 う ん 器 具 A D 変 換 器 ス ト レ イ ン ア ン プ 電 源 蓄 圧 タ ン ク 付 き 加 圧 手 動 ポ ン プ

こ の 試 験 装 置 は 、空 気 入 れ を 改 造 し 作 成 し た 加 圧 用 の 手 動 ポ ン プ 、 圧 力 セ ン サ ー を 備 え た 蓄 圧 タ ン ク 、 内 部 に 通 気 用 の 管 路 を 設 け た 通 気 専 用 局 所 耕 う ん 器 具 、 そ れ ら を つ な ぐ 耐 圧 性 の チ ュ ー ブ 、 そ し て そ の 途 中 に 設 置 さ れ た バ ル ブ か ら 成 る 。 圧 力 セ ン サ ー の 出 力 は ス ト レ イ ン ア ン プ 、 A D 変 換 器 を 介 し て 、 パ ソ コ ン に 取 り 込 ん だ 。 そ う す る こ と で こ れ ま で の 定 常 的 な 測 定 法 と は 異 な り 、 圧 力 の 過 渡 状 態 を 得 る こ と が で き 、 図 1 － 1 3 の 圧 力 と 流 量 の 関 係 に お い て 多 く の デ ー タ を 得 る こ と が で き る 。 ま た 、 測 定 管 で は 圃 場 と の 設 置 面 か ら 空 気 の 漏 れ を 生 じ る こ と が あ っ た が 、 局 所 耕 う ん 器 具 型 の 通 気 性 試 験 装 置 で は 空 気 の 漏 れ を な く し 、 さ ら に 耕 う ん 作 業 （ シ ャ フ ト を 開 け る 作 業 ） と 同 時 に 通 気 測 定 を 行 え る よ う に な っ た こ と か ら 、 シ ャ フ ト 周 辺 部 の 通 気 を 直 接 測 定 で き る よ う に な っ た 。 ま た 、 圃 場 へ の 影 響 を 無 く す こ と が で き る よ う に な っ た 。 図 2 － 2 圃 場 通 気 性 試 験 装 置 に お け る 空 気 の 流 れ

2 － 2 圃 場 通 気 性 試 験 装 置 の 概 要 圃 場 通 気 試 験 装 置 の 概 要 を 表 2 － 1 に 示 し た 。 表 2 － 1 圃 場 通 気 試 験 装 置 の 概 要 パ ソ コ ン カ ー ド ス ロ ッ ト 付 き ノ ー ト パ ソ コ ン A D 変 換 器 P C カ ー ド 式 （ K E Y E N C E 社 製 N R - 1 1 0 ） 1 4 b i t 圧 力 セ ン サ ひ ず み ゲ ー ジ 式 （ 共 和 電 業 社 製 P G M C - A - 1 M P ） 手 動 式 ポ ン プ 自 転 車 用 畜 圧 タ ン ク 付 き 空 気 入 れ 圧 力 設 定 器 リ リ ー フ バ ル ブ （ I B S 社 製 R A T 1 V - 2 0 0 ） 増 幅 器 ス ト レ イ ン ア ン プ （ 共 和 電 業 社 製 C D V - 4 6 5 B 型 ） な お 、 測 定 時 の ロ ギ ン グ 用 ソ フ ト ウ ェ ア （ F L E X L O G G E R ） お よ び ス ト レ イ ン ア ン プ の 設 定 を 表 2 － 2 、 表 2 － 3 に 示 し た 。 表 2 － 2 ロ ギ ン グ 用 ソ フ ト ウ ェ ア （ F L E X L O G G E R ） の 設 定 イ ン タ ー バ ル ト リ ガ カ ウ ン ト 入 力 レ ン ジ ゲ イ ン 1 0 m s 1 0 0 0 2 . 5 V ×1 表 2 － 3 ス ト レ イ ン ア ン プ の 設 定 圧 力 の 測 定 R A N G E c h 1 5 × 1 0 0 μ ε

2 － 3 測 定 方 法 局 所 耕 う ん 器 具 を 用 い た 圃 場 通 気 性 試 験 装 置 の 測 定 方 法 を 記 し た 。 ① 通 気 性 測 定 用 の 局 所 耕 う ん 器 具 を ド リ ル ド ラ イ バ で 既 定 の 深 さ ま で 差 し 込 む 。 ② 作 業 を 中 断 し 、 局 所 耕 う ん 器 具 に 耐 圧 用 ホ ー ス を 差 し 込 む 。 ③ 空 気 入 れ を 用 い て 蓄 圧 タ ン ク に リ リ ー フ バ ル ブ に よ る 既 定 の 圧 力 （ 0 . 3 9 6 M P a ） ま で 蓄 圧 す る 。 ④ バ ル ブ を 開 き 、 蓄 圧 さ れ た 空 気 を 土 壌 に 送 り 込 む 。 同 時 に フ レ ッ ク ス ロ ガ ー で 計 測 を 開 始 し 、 圧 力 変 化 を パ ソ コ ン に 取 り 込 む 。 こ の 時 、 圧 力 セ ン サ ー は ゲ ー ジ 圧 で 測 定 を 行 う 。 図 2 － 3 圃 場 通 気 性 試 験 装 置 の 概 要

2 － 4 通 気 性 指 数 の 算 出 方 法 に つ い て 現 場 設 置 型 土 壌 通 気 性 試 験 装 置 で は 、 定 常 状 態 に お け る 圧 力 と 流 量 の 関 係 を プ ロ ッ ト し Q / H （ 通 気 性 指 数 ） を 求 め て い た 。 し か し 、 圃 場 通 気 性 試 験 装 置 で は 圧 力 の 過 渡 現 象 か ら 流 量 を 算 出 す る 必 要 が あ る 。 こ の 流 量 の 算 出 に 際 し て ボ イ ル の 法 則 を 用 い て い る 。 以 下 に 計 算 過 程 を 示 し た 。 ま た 、 図 2 － 4 に 圧 力 セ ン サ ー で 測 定 さ れ た 圧 力 波 形 と 図 2 － 5 に そ の 圧 力 波 形 か ら 流 量 を 算 出 し た 。 流 量 は 初 期 体 積 と t 秒 後 の 体 積 と の 差 な の で 、 こ れ を V2 と お く と 大 気 圧 下 で の 圧 力 と 容 積 の 関 係 か ら P 0： タ ン ク 圧 [ M P a a b s ] P 1： 大 気 圧 [ M P a a b s ] V 0： 初 期 容 積 [ m 3 ] P ( t )： t 秒 後 に お け る タ ン ク 圧 [ M P a a b s ] V ( t ) ： t 秒 後 に お け る 容 積 [ m3] V 2： 吐 出 量 [ m 3 ] V 3： 大 気 圧 下 で の 吐 出 量 [ m 3 ]

　・・・　

)

(

)

(

0 0

V

P

t

V

t

P



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0 0

)

(

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　・・・　

2 3 1

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(

t

)

V

P







　・・・　

2 1 3

)

(

V

P

t

P

V





　・・・　

0 0 1 3

)

(

1

)

(

V

t

P

P

P

t

P

V



















式 2 － 1 式 2 － 2 式 2 － 3 式 2 － 4 式 2 － 5 式 2 － 6

図 2 － 4 圧 力 セ ン サ ー で 得 ら れ た 圧 力 波 形 （ 例 ） 図 2 － 5 圧 力 波 形 か ら 求 め た 圧 力 H と 流 量 Q の 関 係 （ 例 ） こ の 図 よ り 通 気 性 指 数 は 0 . 0 0 8 [ m3_{/ s / M P a ] と 求 め ら れ る 。} 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 0 2 4 6 8 10 圧力 [M P a] 時間[s] y = 0.008x R² = 0.9744 0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025 0 0.1 0.2 0.3 0.4 流量 [m 3/s] 圧力[MPa]

第 3 章 土 壌 と 通 気 性 指 数 の 関 係 3 － 1 ま え が き こ れ ま で 開 発 し た 圃 場 通 気 性 試 験 装 置 に よ り 圃 場 で 通 気 性 を 測 る こ と が 可 能 で あ る こ と は わ か っ て い た 。 し か し 、 こ の 圃 場 通 気 性 試 験 装 置 が ど の よ う な 特 性 を 有 し 、 通 気 性 指 数 が 土 壌 と ど の よ う な 関 係 と な る か は 検 証 が 必 要 で あ る 。 そ の た め に は 一 般 的 な 通 気 性 の 評 価 方 法 と の 比 較 が 重 要 と な っ て く る 。 こ こ で は 既 往 の 通 気 係 数 と 圃 場 通 気 性 試 験 装 置 に よ る 通 気 性 指 数 を 比 較 す る 実 験 に つ い て 述 べ る 。

3 － 2 室 内 実 験 に よ る 検 証 1 ） 実 験 方 法 室 内 実 験 に よ り 圃 場 通 気 性 試 験 装 置 の 装 置 特 性 を 把 握 す る こ と に し た 。 こ の 実 験 に は 図 3 － 1 に 示 す よ う な 側 面 に φ 8 m m の 穴 の 開 い た 試 料 円 筒 を 用 い る こ と に し た （ 實 野 ら 2 0 1 3 b ）。 図 3 － 1 φ 8 m m の 穴 を 開 け た 試 料 円 筒 こ の 穴 に よ り 試 料 円 筒 に 圃 場 通 気 性 試 験 装 置 の 測 定 管 を 貫 入 す る こ と が で き る よ う に な っ た 。 ま た 同 時 に こ の 試 料 円 筒 を 固 定 す る 装 置 も 提 案 し た （ 實 野 2 0 1 4 a ）。 試 料 円 筒 の 固 定 装 置 を 図 3 － 2 に 、 そ れ を 用 い て の 測 定 の 様 子 を 図 3 － 3 に 示 す 。 こ の 固 定 装 置 は 試 料 円 筒 を 挟 む 板 を 固 定 す る 穴 を 長 穴 に す る こ と で 、 自 作 の 試 料 円 筒 の 長 さ を 最 大 で 1 7 c m ま で 調 整 で き る 。

図 3 － 2 試 料 円 筒 固 定 装 置

こ の 試 験 方 法 の メ リ ッ ト は 以 下 の よ う な も の が 挙 げ ら れ る 。 ① 現 場 で 採 取 し た 不 攪 乱 土 壌 （ 1 0 0 c c 採 土 管 ） を 供 試 で き る 。 ② 同 一 試 料 で 既 往 の 土 壌 通 気 性 測 定 器 で 測 定 さ れ る 通 気 係 数 k a と 比 較 が 行 え る 。 ③ 人 為 的 に 土 壌 を 充 填 （ 任 意 の 締 固 め 圧 力 や 粒 度 ） し た 試 料 も 供 試 で き る 。 ④ 試 料 円 筒 の サ イ ズ を 変 え て 測 定 を 行 う こ と が で き る 。 通 気 性 指 数 と の 比 較 対 象 と な る 通 気 係 数 k a は 土 壌 通 気 性 測 定 器 で 測 定 を 行 っ た 。

2 ） 不 攪 乱 土 壌 で の 測 定 ま ず 、 不 攪 乱 土 壌 で 比 較 を 行 っ た 。 （ 1 ） 採 取 場 所 不 攪 乱 土 壌 で 通 気 係 数 k a と 通 気 性 指 数 を 比 較 す る た め に 、東 京 農 業 大 学 伊 勢 原 農 場 よ り 図 3 － 1 の 試 料 円 筒 を 用 い て 不 攪 乱 土 壌 を 採 取 し た 。 （ 2 ） 結 果 採 取 し て き た 不 攪 乱 土 壌 で の 通 気 係 数 k a と 通 気 性 指 数 を 比 較 し た 結 果 を 図 3 － 4 に 示 す 。 こ こ で は 比 較 の た め に 通 気 性 指 数 の 単 位 を 通 気 係 数 に 合 わ せ る よ う に し た 。 図 3 － 4 不 攪 乱 土 壌 で の 通 気 係 数 k a と 通 気 性 指 数 の 比 較 y = 6650.3x R = 0.8823 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 0 0.0005 0.001 0.0015 通 気 係 数 k a [ cm /s ] 通気性指数[cm/s]

（ 3 ） 考 察 上 記 の 結 果 か ら 不 攪 乱 土 壌 に お け る 通 気 性 指 数 と 通 気 係 数 k a に は 有 意 な 相 関 は 確 認 さ れ な か っ た 。 し か し 、 通 気 係 数 k a と 通 気 性 指 数 を そ れ ぞ れ 気 相 率 と 比 較 し た と こ ろ 、 図 3 － 5 に 示 す よ う な 結 果 と な っ た 。 図 3 － 5 不 攪 乱 土 壌 に お け る 気 相 率 に 対 す る 通 気 係 数 k a と 通 気 性 指 数 通 気 係 数 k a と 気 相 率 と は 1 % 有 意 の 相 関 と な り 、 通 気 性 指 数 は 5 ％ 有 意 の 相 関 と な っ た 。 し か し 、 こ の 結 果 か ら 気 相 率 が 2 6 . 4 7 % の 時 の 通 気 係 数 k a と 通 気 性 指 数 の プ ロ ッ ト が 大 き く 離 れ て い る こ と が わ か る 。 こ の 原 因 と し て は 、 圃 場 通 気 性 試 験 装 置 の 測 定 管 先 端 の 吐 出 口 が 詰 ま っ て し ま っ た 可 能 性 も あ る 。 y = 0.4444x - 6.4934 R = 0.9926** y = 7E-05x - 0.0013 R = 0.9251* -0.0002 0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001 0.0012 0.0014 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 通 気 性 指 数 [cm /s ] 通 気 係 数 ka [ cm /s ] 気相率[%] 通気係数ka 通気性指数 線形 (通気係数ka) 線形 (通気性指数) ＊ ＊ ： 1 % 有 意 ＊ ： 5 % 有 意

し か し 、 こ の 点 を 除 け ば 概 ね 通 気 係 数 k a と 通 気 性 指 数 は 5 % 有 意 の 相 関 を 示 す こ と か ら 、 圃 場 通 気 性 試 験 装 置 に よ っ て 不 攪 乱 土 壌 で 通 気 性 の 測 定 が 可 能 で あ る こ と が 示 さ れ た と 考 え ら れ る 。 不 攪 乱 土 壌 だ け で は 土 壌 状 態 が 有 機 物 の 混 入 な ど に よ っ て 不 均 一 で あ り 、 圃 場 通 気 性 試 験 装 置 の 装 置 特 性 を 知 る に は 不 十 分 で あ る こ と か ら 、 人 為 的 に 試 料 土 壌 を 設 定 し 室 内 実 験 を 行 な っ た 。

3 ） 人 為 的 に 充 填 し た 土 壌 で の 測 定 人 為 的 に 土 壌 の 条 件 を 設 定 し た 土 壌 を 用 い て 通 気 性 の 比 較 を 行 っ た 。 こ の 実 験 で は 圃 場 通 気 性 試 験 装 置 が ど の よ う な 土 壌 に 対 し て 汎 用 性 を 持 つ の か 検 証 す る た め に 、 ふ る い 分 け し た 粒 度 別 土 壌 と 何 も し な い 無 処 理 土 壌 を 用 い た 。 試 料 土 壌 は 東 京 農 業 大 学 厚 木 キ ャ ン パ ス 内 よ り 採 取 し た 。 こ の 土 壌 の 土 性 を 表 3 － 1 に 示 す 。 表 3 － 1 採 取 し た 土 壌 の 土 性 土粒子密度 （g/cm3） 2.78 砂分 （%） 51.3 シルト分 （%） 7.2 粘土分 （%） 41.5 JIS分類 粘土 土 性 何度見ても気に なる、この書き方 一般的？。

（ 1 ） 人 為 的 に 設 定 し た 土 壌 の 充 填 方 法 図 3 － 1 の 側 面 に 穴 の 開 い た 試 料 円 筒 に 土 壌 を 充 填 す る た め に 、 図 3 － 6 の 安 定 処 理 土 成 型 用 カ ラ ー と 固 定 台 を 用 い た 。 図 3 － 6 安 定 処 理 土 成 型 用 カ ラ ー ・ 固 定 台 土 壌 は 試 料 円 筒 に 1 c m ず つ 充 填 し た 。土 壌 の 三 相 割 合 を 変 え る た め に 充 填 の 際 の 締 固 め 圧 力 を 4 段 階（ 0 . 0 9 8 、0 . 2 9 4 、0 . 6 8 6 、0 . 9 8 M P a ） と し た 。 充 填 の 際 の 注 意 点 と し て は 締 固 め た 土 壌 は 表 面 が 固 ま っ て い る の で 、 こ の 上 に 土 壌 を 加 え て 締 固 め て も 層 に な っ て し ま い 、 隙 間 が で き る 可 能 性 が あ る 。 そ の た め 、 締 固 め た ら 土 壌 の 表 面 を 少 し 崩 し て か ら 次 の 充 填 を 行 い 、 試 料 と し た 。

（ 2 ） 実 験 方 法 前 項 の 方 法 で 作 成 し た 試 料 の 通 気 係 数 k a の 測 定 を 土 壌 通 気 性 測 定 器 で 行 っ た 。 そ の 後 、 図 3 － 2 に 示 し た 試 料 円 筒 の 固 定 装 置 に 設 置 し 圃 場 通 気 性 試 験 装 置 に よ り 通 気 性 指 数 の 測 定 を 行 っ た 。 （ 3 ） 結 果 人 為 的 に 設 定 し た 試 料 で の 通 気 係 数 k a と 通 気 性 指 数 の 比 較 し た 結 果 を 図 3 － 7 に 、 そ の 土 壌 の 三 相 分 布 を 表 3 － 2 に 示 す 。 図 3 － 7 人 為 的 に 設 定 し た 試 料 で の 通 気 係 数 k a と 通 気 性 指 数 の 比 較 y = 3E+07x + 0.3411 R = 0.8742** 0 1 2 3 4 5 6

0 2E-08 4E-08 6E-08 8E-08 0.0000001 1.2E-07

通 気 係数 ka [cm /s] 通気性指数[cm/s] 0 . 0 9 8 M P a 0 . 2 9 4 M P a 0 . 9 8 M P a 0 . 6 8 6 M P a ＊ ＊ ： 1 % 有 意

表 3 － 2 人 為 的 に 設 定 し た 土 壌 の 三 相 分 布 こ の 結 果 か ら 人 工 試 料 で は 通 気 係 数 k a と 通 気 性 指 数 に は 1 % 有 意 の 正 の 相 関 が あ っ た こ と が 認 め ら れ た 。 ま た 、 締 固 め 圧 力 ご と に も 分 か れ て い る こ と が わ か る 。 （ 4 ） 考 察 人 為 的 に 締 固 め 圧 力 を 変 え た 人 工 試 料 で の 実 験 結 果 か ら 、 既 往 の 通 気 係 数 と 通 気 性 指 数 が 1 % 有 意 の 正 の 相 関 と な っ た 。 こ の こ と か ら 、 締 固 め 圧 力 を 変 え た こ と に よ る 三 相 分 布 の 違 い を 分 け ら れ て い る こ と か ら 、 局 所 耕 う ん 器 具 を 用 い た 圃 場 通 気 性 試 験 装 置 に よ っ て 正 確 に 測 定 を 行 え る 可 能 性 が 示 唆 さ れ た 。 締固め圧力 固相率 液相率 気相率 [MPa] [%] [%] [%] 19.91 34.77 45.32 19.97 34.91 45.12 21.62 37.38 41.00 21.54 37.99 40.47 21.99 38.82 39.19 21.54 38.30 40.16 23.65 42.02 34.33 23.81 42.21 33.98 25.00 42.22 32.78 24.91 44.51 30.58 0.098 0.294 0.686 0.98

4 ） 粒 度 別 土 壌 で の 測 定 前 項 で 、 締 固 め 圧 力 を 変 え た 土 壌 で 通 気 性 指 数 が 既 往 の 通 気 係 数 に 対 し て 有 意 な 結 果 と な っ た 。 次 に 異 な る 土 性 を 想 定 し た 時 に 局 所 耕 う ん 器 具 を 用 い た 圃 場 通 気 性 試 験 装 置 が ど の よ う な 特 性 を 示 す か 実 験 を 行 な っ た 。 （ 1 ） 実 験 方 法 土 性 の 違 い を 想 定 し て 東 京 農 業 大 学 厚 木 キ ャ ン パ ス よ り 採 取 し た 土 壌 を 風 乾 後 に 3 段 階 に ふ る い 分 け し た 。 こ の 時 の 粒 径 は 2 5 0 μ m 以 下 、2 5 0 ～ 5 0 0 μ m 、 5 0 0 ～ 1 0 0 0 μ m と し た 。 こ の ふ る い 分 け し た 粒 度 別 土 壌 を 粒 度 別 に 試 料 円 筒 に 締 固 め を 3 段 階 で 圧 充 填 し た 。 （ 2 ） 粒 度 別 土 壌 の 三 相 分 布 こ の 粒 度 別 土 壌 の 締 固 め 圧 力 ご と の 三 相 分 布 を 以 下 に 示 す 。 表 3 － 3 2 5 0 μ m 以 下 の 土 壌 の 三 相 分 布 締固め圧力 固相率 液相率 気相率 [MPa] [%] [%] [%] 18.58 26.82 54.60 17.42 27.05 55.53 20.64 29.44 49.92 20.54 29.11 50.35 21.48 30.78 47.74 21.71 31.31 46.98 250μ m以下 0.098 0.686 0.392

表 3 － 4 2 5 0 ～ 5 0 0 μ m の 土 壌 の 三 相 分 布 表 3 － 5 5 0 0 ～ 1 0 0 0 μ m の 土 壌 の 三 相 分 布 （ 3 ） 通 気 性 と 気 相 率 の 3 乗 と 固 相 率 の 2 乗 の 比 ( Pa 3 / Ps 2_{) に つ い て} 白 井 は I r m a y の 計 算 式 か ら 、土 壌 の 通 気 係 数 は 気 相 率 の 3 乗 と 固 相 率 の 2 乗 の 比 に 比 例 す る と 述 べ て い る （ 白 井 1 9 9 6 ）。 こ こ で 、 気 相 率 を Pa、 固 相 率 を Ps と す る と Pa3/ Ps2 は 通 気 係 数 に 比 例 す る こ と に な り 、 こ れ を R と お く と 通 気 係 数 k a は 以 下 の 式 3 － 1 と な る 。 こ の 式 か ら 通 気 係 数 は 粒 径 の 2 乗 に 比 例 す る こ と も わ か る 。 こ の R の 値 を 通 気 係 数 k a と 通 気 性 指 数 と 比 較 し た 。そ の 結 果 を 以 下 に 示 締固め圧力 固相率 液相率 気相率 [MPa] [%] [%] [%] 20.37 27.42 52.21 20.37 27.73 51.90 21.34 28.15 50.51 21.36 28.59 50.05 22.12 29.58 48.30 22.13 29.28 48.59 250～500μ m 0.098 0.392 0.686 締固め圧力 固相率 液相率 気相率 [MPa] [%] [%] [%] 21.49 28.18 50.33 20.77 27.45 51.78 22.36 28.37 49.27 21.77 28.41 49.82 22.59 28.51 48.90 22.55 28.67 48.78 0.098 0.392 0.686 500～1000μ m

　・・・・・　

R

d

C

ka





2



式 3 － 1

す 。 （ 4 ） 結 果 粒 度 別 土 壌 で の 気 相 率 の 3 乗 と 固 相 率 の 2 乗 の 比 ( Pa 3 / Ps 2_{) と 通 気} 係 数 k a の 比 較 を 図 3 － 8 に 示 す 。 図 3 － 8 R と 通 気 係 数 k a の 比 較 こ の 結 果 か ら 通 気 係 数 k a は 気 相 率 の 3 乗 と 固 相 率 の 2 乗 の 比 ( Pa 3 / Ps 2_{) に 対 し 、 1 ～ 5 % 有 意 の 正 の 相 関 と な る こ と が わ か っ た 。 こ} れ は 白 井 の 述 べ た 法 則 と 一 致 し た 。 ま た 、 通 気 係 数 k a は そ れ ぞ れ の 粒 度 毎 に 分 か れ て お り 、 締 固 め 圧 力 に も 応 じ て 分 か れ て い る こ と が わ か っ た 。 こ の こ と か ら 粒 度 別 土 壌 を 試 料 円 筒 内 に 均 一 に 充 填 で き て い る こ と が わ か っ た 。 y = 0.0743x R = 0.822* y = 0.0242x R = 0.934** y = 0.0042x R = 0.925** 0 2 4 6 8 10 12 14 0 50 100 150 200 250 300 通 気 係 数 ka [cm /s ] R = Pa3/Ps2 1000μm 500μm 250μm 線形 (1000μm) 線形 (500μm) 線形 (250μm) ＊ ＊ ： 1 % 有 意 ＊ ： 5 % 有 意

次 に 気 相 率 の 3 乗 と 固 相 率 の 2 乗 の 比 ( Pa 3 / Ps 2_{) と 通 気 性 指 数 と の} 比 較 を 行 な っ た 。 粒 度 別 土 壌 で の 気 相 率 の 3 乗 と 固 相 率 の 2 乗 の 比 ( Pa 3 / Ps 2_{) と 通 気} 性 指 数 の 比 較 を 図 3 － 9 に 示 す 。 図 3 － 9 R と 通 気 性 指 数 の 比 較 こ の 結 果 か ら 気 相 率 の 3 乗 と 固 相 率 の 2 乗 の 比 ( Pa 3 / Ps 2_{) と 通 気 性} 指 数 で は 2 5 0 μ m の 時 に 5 % 有 意 の 正 の 相 関 を 示 し た が 、 そ の 他 は 示 さ な か っ た 。 ま た 、 5 0 0 μ m と 1 0 0 0 μ m で の プ ロ ッ ト が 重 な っ て い る こ と が わ か っ た 。 ＊ ＊ ： 1 % 有 意 ＊ ： 5 % 有 意

（ 5 ） 考 察 粒 度 別 土 壌 で の 実 験 結 果 か ら 、通 気 係 数 k a は 気 相 率 の 3 乗 と 固 相 率 の 2 乗 の 比 で あ る R に 対 し 有 意 な 相 関 を 示 し た こ と よ り 、 白 井 の 理 論 の 通 り に 粒 径 の 影 響 を 受 け て い た 。 し か し 、 通 気 性 指 数 は R に 対 し 有 意 な 相 関 を 示 さ な か っ た 。 5 0 0 μ m と 1 0 0 0 μ m で は 通 気 性 指 数 は 同 様 の 数 値 を 示 し て お り 、 粒 径 が 大 き く な る と 圃 場 通 気 性 試 験 装 置 か ら の 吐 出 具 合 が 変 わ ら な く な っ て し ま う と 考 え ら れ る 。 こ の こ と か ら 圃 場 通 気 性 試 験 装 置 で は 粒 径 の 影 響 を 明 確 に は 表 現 で き な い 可 能 性 が 示 さ れ た 。

5 ） 総 合 考 察 （ 1 ） 不 攪 乱 土 壌 で 既 往 の 通 気 係 数 と 比 較 す る た め の 室 内 実 験 の 方 法 を 提 案 で き た 。 ま た 、 人 為 的 に 均 一 な 土 壌 試 料 を 供 試 す る 方 法 も わ か っ た 。 （ 2 ） 圃 場 通 気 性 試 験 装 置 の 装 置 特 性 を 把 握 す る た め の 室 内 実 験 よ り 、 不 攪 乱 土 壌 や 人 為 的 に 設 定 し た 土 壌 で も 通 気 係 数 と 通 気 性 指 数 に は 相 関 が あ る と 考 え ら れ る 。 こ の こ と か ら 通 気 性 指 数 は 土 壌 の 通 気 性 を 表 す 指 標 と し て 有 用 で あ る と 考 え ら れ る 。 （ 3 ） 粒 度 の 違 い に 関 し て 、 今 回 、 通 気 係 数 と 通 気 性 指 数 の 比 較 に 用 い た 気 相 率 の 3 乗 と 固 相 率 の 2 乗 の 比 ( Pa 3 / Ps 2_{) は 、 既 往 の 通} 気 係 数 の 土 壌 中 に お け る 法 則 で あ っ た た め 、 通 気 性 指 数 と 相 関 が な か っ た こ と は 圃 場 通 気 性 試 験 装 置 の 土 壌 中 で の 空 気 の 流 れ 方 が 異 な る こ と を 示 し て い る と 考 え ら れ る 。