論 説 報 文 1．緒 言 日本列島では江戸時代から金，銀，銅の採掘が盛んに 行われ，特に銀については十七世紀初頭，世界の産出高 の三分の一を占めていたと推定されるなど，活況を呈し た 1。その後も長年にわたりわが国の経済発展に貢献し てきたが，高度経済成長期に次々と閉山した。鉱山跡地 では現在，事業者や地方自治体により鉱害防止等が続け られ，坑口の閉塞や陥没地の埋め戻し2などをはじめと して，坑道など地下空間で発生する重金属を含む酸性の 坑廃水の処理などに多大なコストをかけて環境保全が図 られてきた 3,4。こうした鉱山跡地の緑化を含む環境保全 は，国内にとどまらず世界の重要課題である。このよう な環境保全対策としての緑化推進には，1）植物の根の 土壌粒子・重金属類固定機能による系外への流亡，飛散 防止 5，2）植物の保水・蒸発散機能で降雨の地下浸透が 低減されることによる坑廃水の発生抑制5,6，3）裸地の 緑化による土壌侵食防止と景観の保全 7など，様々な効 果が期待される。 環境資源工学67 : 122–127 (2021)
鉱山集積場の緑化のための多様な植物の初期成長と
呼吸特性の評価
黒澤 陽子
1,2*・王 莫非
1,2・森 茂太
1,2*・春間 俊克
3・野路 建太
4・
土山 紘平
4・山路 恵子
4・富山 眞吾
5Evaluation of Initial Growth and Respiration of Various Plants for Revegetation
of Dumping Sites in Closed Mine
Yoko KUROSAWA
1,2*, Mofei WANG
1,2, Shigeta MORI
1,2*, Toshikatsu HARUMA
3,
Kenta NOJI
4, Kohei DOYAMA
4, Keiko YAMAJI
4and Shingo TOMIYAMA
51The United Graduate School of Agricultural Sciences, Iwate University 2Faculty of Agriculture, Yamagata University
3Japan Atomic Energy Agency
4Graduate School of Life and Environmental Sciences, University of Tsukuba 5Faculty of Engineering, Hokkaido University
Abstract
For revegetation of mine dumping sites, introduction of tolerant plant species to tailings is needed. We compared initial shoot growth of the plants grown in tailings with that of control plants grown in Kanuma pumice to evaluate the tolerance to tailings among various species; one crop species, ine (Oryza sativa L. cv. Nipponbare); three revegetation species, yomogi (Artemisia princeps), medohagi (Lespedeza cuneate G. Don), and creeping red fescue (Festuca rubra L.); and two native species, mizudokusa (Equisetum fluviatile L.) and susuki (Miscanthus sinensis). The growth of the plants grown in tailings was significantly lower than that of control plants for ine, yomogi, and medohagi, but not for mizudokusa and susuki. We evaluated whole-plant respiration of ine, yomogi, and mizudokusa, and did not observed significant difference between the plants grown in tailings and control plants; however, Fe concentration in roots was significantly higher in the plants grown in tailings in all of the evaluated species. It is probable that the high Fe accumu-lation caused by tailings induces reduction of growth for crop and revegetation species, while does not affects native species because of their tolerance to high Fe concentration. Effective use of native plants may help revegetation of the dumping site.
Key words: Closed and abandoned mine, Dumping site, Revegetation, Plant growth, Whole-plant respiration
キーワード： 休廃止鉱山，集積場，緑化，植物成長，植 物個体呼吸 1岩手大学大学院連合農学研究科 2山形大学農学部 3日本原子力研究開発機構 4筑波大学生命環境 5北海道大学工学研究院 2020 年 11 月 25 日受理 *e-mail: [email protected] [email protected]
本研究では近年，鉱山の付属施設である集積場の植生 遷移に着目し，集積場緑化の検討を行った。鉱山におけ る集積場とは，鉱物資源の採掘時に発生する「捨石」， 選鉱・製錬時に発生する「鉱さい」，坑廃水処理に伴い 発生する「中和殿物」等を集積処分する場所である。一 般にいずれの集積物も一定以上の濃度で重金属類を含有 し，用途終了後は地山化を促進することが指針とされて いる。ここでいう地山化とは，集積場内の植生が集積場 周辺の現地植生と同化するとともに，集積物が十分に脱 水固化し，基礎地盤と一体とみなされる状態となること を示す8。集積場の地山化促進については，金属鉱業事 業団（現：独立行政法人石油天然ガス・金属鉱物資源機 構）が全国31 鉱山における現地植栽試験の結果を手引 き 6にとりまとめており，緑化試験の結果にもとづき気 候や地形，集積物の内容等に応じた施工方法について， 経済性を考慮した上で提言している。この手引きでは， 緑化の具体的な方法として裸地に侵入しやすい先駆植物 の定着を重要視している。一方で，残された課題として 自然の遷移の活用を挙げているほか，植生を利用した集 積物表面からの雨水浸透抑制の有効性を指摘している。 以上のように，集積場を緑化する環境保全上の意義は 高い。集積場内および集積場周辺域では，法面緑化の厚 層基材吹付工に使用する緑化植物や集積場に自生する植 物など様々な植物が生育している状況が多く認められ る。著者らはこれまで，鉱山跡地の自生種のススキを対 象に，重金属耐性を獲得するメカニズムについて根圏の 内生微生物と関連付けて解明してきた9,10。しかし，重 金属を多く含まない土壌環境で生育する植物との比較に よる植物の重金属耐性の相対評価は行われておらず，こ れら植物の耐性比較は集積場緑化の課題の一つとなって いた。 そこで著者らは覆土されていない中和殿物の集積場を 研究サイトとして，A）作物として栽培される植物，B） 法面緑化の厚層基材吹付工に使用する緑化植物，C）集 積場現地に自生する植物の3 カテゴリーを設定し，合計 6 種の植物を評価対象の材料に選択した。これら植物を 1）集積場土壌（中和殿物），2）有機物を含まない C 層 土壌である鹿沼土（コントロールとして設定）を入れた ポットに移植し，成長や個体呼吸，発芽率等を比較する ことで各植物の集積場土壌への適応性を評価した。さら に，集積場土壌（中和殿物）で栽培した植物の個体呼吸 を，重金属環境以外の野外環境で生育する植物と相対評 価するため，これまでに著者らが測定してきた多様な数 百個体の植物個体呼吸 11（シベリアから熱帯で，旺盛に 成長している個体から枯死寸前の個体まで含まれる）と 比較した。近年の代謝生態学の研究では，植物個体呼吸 はエネルギー生産過程であり環境適応の一指標とされ， ストレスによって変動するとされている12,13。この指摘 をもとに，個体呼吸を集積場土壌への適応力の一つの指 標として評価した。 以上のように本研究は，集積場土壌で生育させた様々 な植物の個体呼吸や成長を集積場内外で作物，緑化植物， 自生植物間で比較し相対的に位置づけることで，集積場 緑化の可能性を検討することを目的とした。加えて，遷 移植生に関する生態学的な意義について考察するととも に，今後の集積場緑化の課題についても言及した。 2．研究対象地の概要，材料と方法 2.1 研究対象地の概要 研究対象地は秋田県内陸部の河川沿いにあり，かつて 金（Au），銀（Ag），銅（Cu）を採掘し現在は閉山した 鉱山の付属施設として使用された集積場である。当該鉱 山は1800 年代から本格的に採掘が開始され，秋田県内 の主要銀山のひとつとして稼行されてきたが，鉱量枯渇 により1970 年代に閉山となった。集積場は東西 250 m， 南北200 m の規模があり，周囲のうち西側，東側および 南側を堤体とし，北側の丘陵地斜面とで四方を囲い，中 和殿物を集積処分している。中和殿物とは坑廃水に消石 灰（水酸化カルシウム）を添加し，pH を上げることで 重金属類を除去する際に発生する沈殿物であり，カルシ ウムを主成分とし重金属類を含有する。覆土は未実施で あり，場内の一部にはアカマツ林が天然更新，結実し， その周辺にはアカマツ実生が更新している。さらに，ス スキ，ヨシ，ミズドクサ等の自生が確認される。このよ うに，様々な植物が種子や地下茎により繁殖して自然の 植生遷移が徐々に進んでいる。一方で，集積場外部周辺 の植生と比較して植物個体は小型のようであり，成長が 遅いことが窺われる。 2.2 土壌・植物材料と栽培方法，草丈成長測定方法 試験に使用した各土壌の含有元素濃度をTable 1 に示 した。風乾した各土壌は硝酸－過塩素酸分解を行い，高 周波誘導結合プラズマ発光分光分析装置（ICP-OES）に よって含有元素濃度を測定した。検液の検出限界は， Cd，Cu，Ni，Pb：0.016 mg/L，Zn：0.031 mg/L であった。 また，pH（H2O）も測定した（Table 1）。 研究に用いた植物種は以下A）～ C）の 3 カテゴリー の6 種である。これらの種子（シダ植物のミズドクサは 一定長の地下茎）を集積場内の植生遷移が認められない 地点で採取した土壌（中和殿物），および市販の園芸用 土の鹿沼土（コントロール）を入れたビニールポット （0.3 L）に播種，植栽した。栽培期間に施肥は行わなかっ た。 A） 作物 1 種（イネ）：うるち米品種のニッポンバレ。
全ゲノムが解読され，標準米として植物毒性試験な ど様々な研究に今も使用される品種である。栽培に 際し，ポットの下部をポリエチレン袋で包むことで 水位を地表面とほぼ同じ高さに設定した。 B） 一般的緑化植物 3 種：B-1）ヨモギ，B-2）メドハギ， B-3）クリーピングレッドフェスク。これらは，緑 化による法面保護を目的とした厚層基材吹付工の際 に，3 種混合して基盤材に入れる代表的な緑化植物 である。実験には，市販されているかねこ種苗（株） の種子を使用した。 C） 自生植物 2 種：C-1）ミズドクサ，C-2）ススキ。ミ ズドクサは，山形大学農学部構内で採取した一定長 の地下茎をポットに植え付けて栽培した。ススキの 栽培には市販の種子（Johnsons Seeds Ltd.）を使用 した。著者らは，このうちススキについて根系に内 生菌が共生することで重金属ストレス耐性を有する ことを解明している10。 以上6 種を明条件 25°C 14 時間，暗条件 20°C 10 時間 に設定した恒温器（IQ822，ヤマト科学）に設置し，毎 朝8 時に 100 mL 程度の水道水の潅水を行って栽培した。 発芽後約1 ヶ月間，毎日 15 ～ 18 時頃にコントロール， 集積場土壌それぞれ5 個体の草丈を 0.5 mm 単位で定規 を用いて測定した。作物のイネは発芽数を毎日カウント し，他の植物は観察を行った。 2.3 個体呼吸測定方法・相対評価 2.2 で述べた草丈の測定後，A）イネ 8 個体（半数は コントロール），B-2）窒素固定を行う根粒菌と共生する 緑化植物種であるメドハギ8 個体（半数はコントロー ル），C-1）集積場内で健全な成長・繁殖が観察されたシ ダ植物のミズドクサ6 個体（半数はコントロール）を材 料に個体呼吸測定を行った。 個 体 呼 吸 測 定 に は， 赤 外 線CO2分 析 機（GMP343， VAISALA）を改造した自作の閉鎖方式呼吸測定装置 11（直 流電源ファンによる内部空気の攪拌でCO2濃度上昇を 一定に保ち個体呼吸を評価）を用いた。植物個体全体の 呼吸を測定し，測定値は気温の影響を考慮して20°C に 補正して個体呼吸を評価した。さらに，これまで著者ら が測定してきたシベリア～熱帯降雨林の多様な環境の 20°C における個体呼吸 11と比較することで，集積場土 壌で栽培した植物の個体呼吸との相対的な位置づけを 行った。 2.4 栽培植物サンプルの元素分析法 2.2 で呼吸測定に用いた材料を地上部・根に分けて破 砕し，80°C で 8 時間乾燥した。乾燥植物体は破砕後， 硝酸による熱分解を行った。これらのサンプルの植物体 に含まれるアルミニウム（Al），カドミウム（Cd），銅（Cu）， 鉄（Fe），マンガン（Mn），ニッケル（Ni），鉛（Pb）お よび亜鉛（Zn）濃度の分析を ICP-OES によって行った。 検出限界はCd，Cu，Ni，Pb：0.016 mg/L，Zn：0.031 mg/ L であった。分析の結果，コントロールの鹿沼土に含ま れるAl は，集積場土壌と比較して統計学的に有意に高 濃度で含まれていたため（Table 1），評価対象から除外 した。またヒ素（As）については，過去操業中に採掘 された鉱石や坑道内等から現在発生している廃水のいず れにおいても定量可能な濃度で含まれていないことが確 認されているため，評価対象外とした。 3．結 果 3.1 草丈成長の経過 A）作物，B）一般的緑化植物，C）自生種の 3 カテ ゴリーの6 種の集積場土壌（中和殿物）における草丈成 長経過をFig. 1 に，成長観察終盤の画像を Fig. 2 に示し た。また本論文では示さないが，いずれの種でも集積場 土壌による発芽率への影響は見られなかった。3 カテゴ リーの成長経過は，以下のようにまとめられる。 A） 作物（イネ）：発芽から 2 週間程度は草丈に差は認 められなかったが，15 日目頃から集積土壌で草丈 成長が抑制され始め，18 日目以降には鹿沼土に比 べて草丈が有意に低くなった。成長差が生じる前後 で，集積場土壌の複数個体にはクロロシス（白化） が生じた。 B） 一般的緑化植物：集積場土壌での草丈成長の抑制が 3 種全てに見られ，B-1）ヨモギでは 11 日目，B-2） メドハギでは18 日目に集積場栽培の草丈が鹿沼土 に比べて有意に低くなり，両種ともに成長抑制が現 Table 1 Concentrations of Al and heavy metals and pH (H2O)
in Kanuma pumice as control and tailings Kanuma pumice as control Tailings pH (H2O) 6.07 ± 0.02 7.73 ± 0.02*** Al (mg/kg DW) 91000 ± 6000** 53000 ± 6000 Cd (mg/kg DW) ND ND Cu (mg/kg DW) ND 11000 ± 1000 Fe (mg/kg DW) 7800 ± 500 170000 ± 20000*** Mn (mg/kg DW) 400 ± 100 1500 ± 200** Ni (mg/kg DW) ND ND Pb (mg/kg DW) ND ND Zn (mg/kg DW) ND 19000 ± 2000
Results are expressed as means ± standard errors (n = 4). ND indicates that the concentration was below the detection limit (0.016 mg/L in measured solution for Cd, Cu, Ni, and Pb; 0.031 mg/L in measured solution for Zn). Differences between Kanuma pumice as control and tailings were evaluated by Student’s t-test; **, P < 0.01; ***, P < 0.001.
れる前後でクロロシスが生じた。B-3）クリーピン グレッドフェスクでは以上の2 種に比べて軽微な成 長抑制とクロロシスが観察された。 C） 自生種：C-1）ミズドクサと C-2）ススキの両方で 明確な草丈成長抑制はなく，クロロシスは確認され なかった。 3.2 草丈測定終了時の個体重量，個体呼吸とその位置 づけ 栽培終了後に刈り取って測定したA）イネ，B-2）メ ドハギ，C-1）ミズドクサの個体生重量と個体呼吸をそ れぞれFig. 3 (a, b) に示した。個体重量は，イネのみが コントロールに比べて有意に低く，メドハギとミズドク サでは個体生重量に有意差は見られなかった。 個体呼吸（生育試験終了時に測定した個体呼吸）に関 しては，すべての材料で有意差がないもののイネの個体 呼吸が抑制される傾向が確認された（Fig. 3 および Fig. 4）。メドハギ，ミズドクサにも個体呼吸の抑制はなかっ Fig. 1 Shoot growth after germination on tailings and control of crop species, A) O. sativa; revegetation species, B-1)
A. princeps, B-2) L. cuneate, B-3) F. rubra; native species, C-1) E. fluviatile and C-2) M. sinensis. Each point represents
an average for the group (n = 5). Error bars represent the standard error of the mean. Asterisks represent the day at which significant difference in the average of shoot height (Student’s t-test, P < 0.05).
Fig. 2 A) crop species (O. sativa), B-2) revegetation species (L. cuneate), C-1) native species (E. fluviatile). Each photo was obtained at the end of the observation of the shoot growth (26th day of the observation).
Fig. 3 Whole-plant fresh mass (a) and whole-plant respiration rate (b) for A) crop species (O. sativa), B-2) revegetation species (L. cuneate), and C-1) native species (E. fluviatile). Results are expressed as means ± SE. Differences between the results of control and tailings were evaluated using Student’s
t-test. In each treatment, n = 4 for O. sativa and L. cuneate, and n = 3 for E. fluviatile. Asterisk
indi-cates significant difference between the two treat ments (Student’s t-test, P < 0.05).
た。栽培したイネ，メドハギ，ミズドクサの個体呼吸と これまでの著者らが野外で測定してきた植物個体呼吸と の比較をFig. 4 に示した。これら 3 種の個体呼吸は，こ れまで著者らが測定してきた野外で生育する植物個体呼 吸の範囲内にあった。しかし，イネのみで個体重量と個 体呼吸がコントロールに比べ集積場土壌（中和殿物）で 低下する傾向が見られた。 3.3 呼吸測定個体の元素含量 植物体の元素濃度分析の結果，集積場土壌（中和殿物） および鹿沼土で生育したイネ，メドハギ，ミズドクサに 含まれるCd，Ni，Pb および Zn は検出限界以下であった。 また，土壌条件によって差があるものの，すべての栽培 土壌でCu および Mn は一般的な植物の含有元素濃度の 範囲内であった。一方で，集積場土壌で生育した全ての 植物の根において，Fe は一般的な植物の含有濃度（Fe: 2-700 mg/kg） 14を超えた濃度が検出された（Fig. 5）。集 積場土壌で生育したイネでは，鹿沼土で生育した個体に 比べて，根において高濃度のFe を蓄積する傾向が確認 された（P = 0.06）。メドハギは地上部，根ともに一般的 な植物よりも高濃度のFe を蓄積しており，特に根の Fe 濃度は集積場土壌で生育したメドハギにおいて，鹿沼土 で 生 育 し た 個 体 と 比 較 し て 有 意 に 高 濃 度 で あ っ た （P < 0.05）。また，集積場土壌で生育したミズドクサに おいても，鹿沼土で生育した個体と比べて根における高 濃度のFe 蓄積が確認された。 4．考 察 試験に使用した集積場土壌は，対照区として設定した 鹿沼土と比べてCu，Fe，Zn，Mn が有意に高濃度で含 まれていた（Table 1）ことから，集積場土壌で生育する 植物は鹿沼土と比べて重金属ストレス下にあると示唆さ れた。しかし，全ての種子植物材料で，集積場土壌（中 和殿物）に播種した種子の発芽率に抑制は無く，さらに 発芽後1～2週間は全種の草丈成長は抑制されなかった。 生育抑制は栽培中期以降に生じた。この理由は，発芽と 発芽後の初期成長は，種子貯蔵栄養塩類や炭素に大きく 依存し，葉が充実して光合成に依存した成長に移行する 時期に，植物が吸収した集積場土壌中の元素によって光 合成が阻害されたためであろう。成長抑制の程度は作物 のイネで最も大きく，緑化植物や自生種に比べて耐性が 低いことが示された。一方，緑化植物3 種には成長抑制 の程度が異なり，B-1）ヨモギ，B-2）メドハギ，B-3） クリーピングレッドフェスクの順に耐性が高くなる傾向 があった。さらに，ヨモギとメドハギでは明確なクロロ シスが栽培中期に生じており，緑化植物種間で耐性に差 Fig. 4 Scaling of plant respiration rate with
whole-plant fresh mass of A) crop species (O. sativa, n = 8), B-2) revegetation species (L. cuneate, n = 8), and C-1) native species (E. fluviatile, n = 6) in control and tailings. Solid line represents simple power function modeled by RMA (reduced measure axis) regression analysis for the relationship including three species (n = 22, slope = 0.772, R2 = 0.838). Dashed line rep-resents fitted curve presented by Mori et al. (2010).
Fig. 5 Concentrations of Fe, Cu, and Mn in shoot and roots of A) crop species (O. sativa), B-2) revegetation species (L. cuneate), and C-1) native species (E. fluviatile) grown in control and tailings. Differ-ences between control and tailings were evaluated using Student’s t-test. Results are expressed as means ± SE. The numbers of samples for the analysis of Fe/ Cu/Mn for shoot and root of each species in control (and tailings) are as follows: O. sativa shoot, 3(3)/2(2)/2(3); L. cuneate shoot, 3(4)/3(4)/3(4);
E. fluviatile shoot, 2(2)/3(2)/3(2); O. sativa root,
3(3)/3(3)/3(3); L. cuneate root, 3(4)/3(4)/2(3);
E. fluviatile root, 2(3)/3(3)/3(3). Asterisk indicates
significant difference between the two treatments (Student’s t-test, *, P < 0.05; **, P < 0.01).
があることが示された。本研究で元素分析，個体呼吸測 定対象としたイネ，メドハギ，ミズドクサは，いずれも 一般的な植物よりも高濃度のFe を根に蓄積していた。 集積場土壌で生育させた際に顕著な生育抑制が確認され たイネとメドハギにおいては，根における過剰のFe 蓄 積が両植物の生育抑制を生じさせたと考えられた。Fe の過剰吸収による害は，各植物の生育段階によっても症 状は異なるが，葉の変色（濃い緑色），地上部や根の発 育不全，葉の致死斑点が知られている15。本試験におい てはイネやメドハギでは害が確認されたが，ミズドクサ では未確認であった。以上のことから，イネ，メドハギ， ミズドクサの中では自生植物のミズドクサがFe 耐性機 構を有する可能性が示唆された。 一方，自生植物種のC-1）ミズドクサと C-2）ススキ にはともに草丈成長抑制，クロロシスが一切生じず，前 者では個体重量成長も個体呼吸も抑制されなかった。以 上の結果は，集積場で繁殖，更新する自生種の集積場土 壌に対する耐性の高さを示している。こうした自生種の 繁殖を人為的に補助，利用することも省力的で持続的な 緑化方法のひとつになる可能性がある。既に著者らは， ススキのこうした耐性メカニズムがススキの根系に共生 する内生菌類に起因することを明らかにしており，スス キから木本植物への植生遷移メカニズムについても検討 を進めている。 集積場に自生する植物には様々あるが，いずれも集積 場周辺の同種植物のサイズに比べてやや小型化，成長抑 制が生じているようである。しかし，本研究の集積場土 壌栽培植物の個体呼吸は，野外で生育する通常の植物が 示す個体呼吸の範囲内にあり，一般的な植物との差は殆 ど無かった（Fig. 4）。ただし，本結果は短期的な室内栽 培実験に限定されている。この点については，今後集積 場現地の実証試験等により「発芽～結実～更新」の長期 的な植生遷移の評価等を加えることで，持続的緑化の可 能性を検討することができるだろう。また，大気中の CO2濃度上昇などの環境変動は，植物に共生する内生菌 への炭素フローを増加させると予想されており，集積場 緑化で植生遷移の鍵となる内生菌への影響も長期的には 考慮する必要があると考えられる。 謝 辞 本 研 究 の 一 部 は 科 学 研 究 費 補 助 金（19H01161, 19K22151, 19H02987）の補助および三菱マテリアル株式 会社による支援を受けて実施した。エコマネジメント株 式会社の関係各位からは現地調査に際して多大な便宜を 頂きました。また，本論文の公表には一般財団法人日本 鉱業振興会の試験研究助成を受けました。ここに記して 感謝の意を表します。 References 1. 荻慎一郎：近代鉱山を支えた人びと，山川出版社 （東京），pp. 16–18 (2012)
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