反 応速度論 を用 いた土壌 呼吸速度 のモデル化
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(2) 農. 業. 気. 象. 土 壌 の内 部 情 報 を 与 えな いの で 土 壌 呼 吸 の 機 構 を把 握 す るの に は不 向 き で あ る。 これ に対 して 土 壌 内 のCO2濃. 度の測定結果か ら. 間 接 的 に土 壌 呼 吸速 度 を 推定 す る方 法 も考 え られ る。 この方 法 は土壌 内 へ の セ ンサ ー の 設 置 な どの煩 雑 さを伴 うが,単 に土 壌 呼 吸 速 度 を 算 出 で き るの み な らず,土 壌 呼 吸 の 機 構解 明 に役 立 つ 。た とえば,van (1951)に. Bavel. よ って 得 られ た 土 壌 内 のCO2濃. 度 分 布 式 を利 用 す る方 法 な ど が この方 法 に 属 す る。 た だ し,van. Bave1の. 式 は定 常 状. 態 を 仮定 して得 られ た もの な の で,例 え ば, Fig. 1. Particle. 施 肥 直 後 の非 定 常 状 態 に お け る土 壌 呼 吸 速 度 の 時 間 的変 化 な ど を詳 し く検 討 した い場 合 に つ い て は そ の ま ま適 用 で き な い。Kanwar (1989)は. size accumulative. curves. of the sample. soil. and compost. et al.. 非破 壊 土 壌 を対 象 に,拡 散 と土 壌 呼 吸 を 考慮. 2.2実. 験装置. 農 地 で は一般 に0.4〜0.5mの. 厚 さの 作 土 層 だ け が耕 作. して得 られ た土 中の 酸 素 ガ ス濃 度 の 経 時 的 変 化 の 数学 的. の対 象 とな り,そ の下 の底 部 土 層 は堅 く締 め 固 め られ た. 解 析 を行 い,得 られ た酸 素 濃 度 の 計 算 値 が 実 測 値 とよ く 一 致 す る こと を明 らか に した 。 しか し,土 壌層 を下 方 に. 状 態 にな って い る もの と考 え られ る。 この た め,ガ ス交. 無 限 に広 が る半 無 限 体 と仮 定 して い るた め,そ の理 論 式. み で 起 こ って い る と考 え て 差 し支 え な い だ ろ う。そ こで,. は せ いぜ い24hrま. 作 土層 の一 部 を 切 り取 った もの と 想 定 した 実験 装 置 を. 換,水 分 移動,土 壌 呼吸 な どの 現 象 は ほ とん ど作 土 層 の. で の 短 い時 間 に対 して しか 適用 で き. Fig.2に 示 す。 試料 容 器 は340mm,高. ない。. さ550㎜. の. アク リル樹 脂 製 の 直方 体 型 容 器 で,底 面 か ら深 さ530mm. 本 研 究 で は,土 壌 呼 吸 の 室 内 実 験 を行 い,後 者 の方 法 の 一例 と して 土 壌 中 の任 意 深 さに 設 置 した イ オ ンセ ンサ ー に よ り土 壌 空 気 中 のCO 2濃 度 を経 時 的 に測 定 し,そ の. の位 置 まで 土 壌 を 投 入 す る。 土 壌 中 にCO2濃 度 測 定 用 の. 測 定 結 果 に基 づ いて 土 壌 内 のCO2の. 表 面 か ら100,200,300,400mmの. イ オ ンセ ンサ ー(東 亜 電 波 製,CE‑331)を. 発 生,拡 散 機 構 を整. それ ぞ れ土 壌. 位 置 に設 置 し,記 録. 理 した。 そ して,土 壌 層 を 有 限厚 さ の平 板 とみ な して 予. 計 と接 続 して 実 験 中 の土 壌 内 の 各 位 置 のCO2濃 度 が連 続. め誘 導 した非 定 常 拡 散 方程 式 の解 を用 い て工 学 的手 法 に. 的 に記 録 で き るよ うに して あ る。. よ り土 壌 呼 吸 速度 を 求 め る方 法 を検 討 した。 さ らに,得. 2.3実. られ た土 壌 呼 吸 速度 の 経 時 的変 化 か ら土 壌 呼 吸 の 機 構 を. 試 料 容器 に 試料 土 を投 入 す る前 に,CO2ガ. 反 応 速 度 論 的 に 整理 しモ デ ル化 した。. 験手順. の セ ンサ ー に よ る測 定 値 の 相対 誤差 は5%以 2.材 2.1使. 料 お よび 実験. 用 した 混 合 土 の 特 性. 実 験 に 使用 した混 合 土 は,真 密 度 ρs=2582kg/m3の 土 粒 子 か らな る試 料 土 に,牛 糞,豚 糞 を原 料 と した混 合 堆 肥 を モ ル タ ル用 の 撹 拌 機 で 混 ぜ 合 わ せ て作 成 した。 堆 肥/土 の混 合 比 は乾 物 質 量 比 で2.05〜439%の た 。 試料 土 の 粒 径 加 積 曲 線 をFig.1に 径 は216μmで. ス ボ ンベ か. らの 純 ガ ス を用 いて イオ ンセ ンサ ー の校 正 を行 っ た。 こ. 範囲 と し. 示 す。 そ の平 均 粒. あ っ た。 堆 肥 は3日 間天 日乾 燥 した後,. 粉砕 機 で 粉 状 に した 。 な お,天. 日乾 燥 後 の堆 肥 の 平 均 含. 水 率(湿 量 基 準 の質 量 比)は2%で. あ っ た。 ア ン ドレア ゼ. ン ピペ ッ ト法 によ り測 定 した堆 肥 粒 子 の 粒 径 加 積 曲線 は Fig.1に 示 す 通 りで あ り,そ の平 均 粒 径 は44μmで. あっ. た。 Fig. 2. Experimental 146. apparatus.. 内で あ る。.
(3) 小森 ・関:反 応速度 論を用 いた土壌呼 吸速度 のモデル化. Table. 1. Average. moisture. た とえば測 定 値 が0.2%の が5%の. temperature,. content. とき の精 度 は ±0.01%,測. とき の 精 度 は 士0.25%で. volume,. and gas filled. mixing. porosity. 定値. ratio. of mixed. of compost. to soil,. soil samples.. る濃度 勾 配 に よ り鉛 直方 向へ1次 元 的 に拡 散 して 土 壌 表. あ る。 予 備 実験 に よ り. 面 に達 した 後,大 気 中へ 放 出 され る。. 試料 土 と堆 肥 を 混 合 した 直 後 か ら土 壌 呼 吸 が始 ま る こ と. この 場 合,堆 肥 粒 子 が 固 体 部 分 と液 状 水 か らな る 湿潤. が分 か った の で,作 成 直 後 の 混 合 土 を少 量 ず つ ほ ぼ一 定. 状 態 に あ る もの とす る と,粒 子 内 の 溶存 酸 素 の物 質収 支. の力 で締 め 固 め な が ら試 料 容器 に投 入 した。 この と き,. 式 は 次 の よ うに表 され る(Bird. et al.,1960)。. イオ ンセ ンサ ー と銅 ー コ ンス タ ン タ ン熱 電 対 を土 中の 所. (1). 定 の位 置 に埋 め 込 ん だ 。土 壌 表 面 か ら放 出 さ れ たCO2ガ スが 土 壌 表 面 近 傍 に 滞 留 しな い よ うに,試 料 容 器 か ら約 3m離. 境界条件 は. れ た位 置 に扇 風機 を置 き送 風 した。 熱 線 風 速 計 の. (2). 測 定 結 果 に 拠 れ ば,土 壌 表 面 の 水平 方 向風 速 は約2m/ secで あ った 。 記録 紙 上 に描 か れ た濃 度‑時 間 曲 線 を 見 なが ら土壌 内 の各 位 置 で のCO2ガ. (3) こ こで,Oは. 湿 潤堆 肥 粒 子 内 の溶 存 酸 素 濃 度[kg‑O2/. ん ど変 化 しな くな った 時点 で実 験 を終 了 した 。 な お,実. m3],DOLは. 溶存 酸素 の拡 散 係 数[m2/h],rは. 験 は 常 温[17〜20℃. 肥 粒 子 の半 径 方 向距 離[m],roは. よ び低 温[約2.5℃. ス濃 度 が 時 間 的 に ほ と. … 実 験 室 内で 実 施(Run1,2,3)]お … 低 温 室 内 で 実 施(Run4,5,6)]の2. 酸 素 の 消 費速 度[kg‑O2/(m3h)],Rは. 通 りの 温度 条 件 下 で行 い,各 条 件 につ い て 試料 土 と堆 肥. 半 径[m],ORは. の混 合 比率 を それ ぞ れ3通 り に変 え た 。 な お,各 実 験 の. O2/m3]を. 温度 条 件 と試 料 の 諸元 はTable 3.土. 中 のCO2の. 1に ま とめ て 記 した。. 本 実 験 に お ける土 中 のCO2の. 湿潤 堆 肥 粒 子 の. 湿 潤堆 肥 粒 子 表 面 の溶 存 酸 素濃 度[kg‑. 表す。. 後述 のCO2発. 生 速度 の結 果 か ら本 実 験 にお け るroの. 最 大 値 を見 積 る と2.59×10‑3kg‑O2/(m3h)と 発 生 お よ び拡 散 機構 の検 討. ま 仮 にroが. 発 生 お よ び拡 散 の機 構 は. 湿潤堆. 土 壌 呼 吸 に よ る溶 存. な る。い. 粒 子 内 で 均 一 に この値 で あ る もの と仮 定 し. て 上 式 を解 き,粒 子 表 面 の濃 度ORと 粒 子 中心 の 濃 度0。. 概 ね以 下 の通 りで あ ろ う。 混 合土 壌 内 の堆 肥 粒 子 の 存 在. の比 を求 め る と粒 子 径Rに 対 してFig.4の. 状態 は分 散 状 態 が 理 想 的 で あ る と仮 定 す れ ば,Fig.3の. る。 ただ し,DOLは20℃. よ うに変 化 す. に お け る値7.2×10‑6. m2/hを. よ うに土 壌 内 に 均 一 に 分 散 して い る で あ ろ う。 堆 肥粒 子 を球 とみ なす と土 壌 空 気 中 の 酸 素 が堆 肥 粒 子 内 部 へ球 状 に拡 散 す る。堆 肥 粒 子 内部 に存 在 す る微 生 物 は この酸 素 を用 いて 堆 肥 粒 子 中 の 有機 物 を分 解 す る。 その 結果 発 生 したCO2は. 拡 散 に よ って堆 肥 粒 子 外 へ 運 ば れ土 壌 中 の空. 隙 内 に放 出 さ れ た 後,混 合 土 壌 層 の 深 さ方 向 に生 じて い. Fig. 3. Particles soil bed.. of compost. material. Fig. 4. Relation between the ratio of dissolve oxygen concentration at the center to that at the surface of a moist compost particle Oo/OR and its radius R.. in a mixed. 147.
(4) 農 用 い た(化 学 工 学 協 会,1978)。. 業. 気. 象 4.1土. 本 実 験 で用 い た堆 肥 粒 子. の質 量 平 均粒 径 は4.4×10‑5m(44μm)で. あ るか らOR=. 1)作. い っぽ う,こ こで 対 象 と して い る土 壌 呼 吸 は微 生 物 に. がk/2の. 相 中酸 素 濃 度 は作 土 層(試 料 容 器)底 部 に お いて. も10%以. 上 で あ り,土 壌 呼 吸 速 度 は層 全 体 を 通 じて 均 一. 4)土. 飽 和 定 数 と呼 ば れ,反 応 速 度. 述 の 実験 結 果 に よれ ば,土 壌 空 気 中 のCO2濃 10%で. 2)気. 3)層 内のCO2拡 一定値で ある 。. 値 が 十 分 に 高い と き に示 す 最 大 反応 速. とき の溶 存 酸素 濃 度[kg‑O2/m3]を. 表す。後. 散 係 数 は 気相 率 のみ に よ って 決 ま る. 壌 表 面 で の 拡 散 抵 抗 は無 視 で き る。. 以 上 の 仮定 の 下 に,土 中 のCO2の. 拡散 方 程 式 は. 度 は最 大. (6). あ った 。 した が って,呼 吸 商 を ほ ぼ1と 仮 定 して. 概 算 す る と 酸 素 濃 度 は 約11%以 Henryの. こ こで,Cは. 上 で あ る。 この場 合,. 法 則 に基 づ いて 堆 肥 粒子 表 面 に お ける溶 存 酸 素. 濃 度ORを. 計 算 す る と約5mg/1以. の 考察 に よ り粒 子 内 濃 度OはORに か らO>5mg/1と. [h],zは. 等 しい と考 えて よ い et al.(1986)に よ. 約15%以. 度[㎞ol/m3],tは. 土 壌 表 面 か らの深 さ[m],Dは. (m3h)]で. 時間. 土 壌 内 のCO2. 土壌 呼 吸速度[kmol‑CO2/. あ る。. 仮定4)よ. り土 壌 表 面 のCO2濃. 度 は大 気 中のCO2濃. 度. に ほ ぼ等 しい もの と考 え る と,. れ ば,土 中 水 溶 存 酸 素 の飽 和 定数Kは0.7〜0.8mg/lで あ る とい う。 も しそ うな らKはOの. 土 壌 内 のCO2膿. 拡 散係 数[m2/h],Φ(t)は. 上 とな る。 また,上 述. い え る。 また,Mofz. 度は. で あ る。. (4) こ こで,kはOの. 土 層(試 料 容 器)内 の 水 分,有 機 物 濃度,温. 層 全体 を通 じて 均 一 で あ る。. ついて次の. の 式 で 与 え られ る(例 え ば,中 野(1991))。. 度[kg‑O2/(rn3h)],Kは. 非定常拡散問題. を解 くに 当 た り,次 の仮 定 を導 入 す る。. 酸 素 濃 度 はほ とん で 均 一 とみ な せ る こ とが分 か る。. よ うなMono型. 度 分布 式 の誘 導. 作 土層 を想 定 した 試料 容 器 内 のCO2の. 0と み なす こ とが で き る。 す な わ ち,堆 肥 粒 子 内 の溶 存. よ る土 中有 機 物 の 分 解 反応 であ り,roはOに. 壌 内 のCO2濃. 下 となる. C=C0(z=0)(7). の で,. 作 土 層 と底 部 土層 の 境界(容 器 底)で はガス の移 動 が な い ので,. (5) の 関 係 が 仮 定 で き,式(4)のroに. (8). 及 ぼ すOの 影響 は小. さ くroは 近 似 的 に 一 定 値kに 等 しい とみ な して も差 し. 初 期 条 件 は 層 全 体 に わ た っ て 均 一 で あ る とす る と. 支 えな い もの と考 え られ る。 す な わ ち,堆 肥 粒 子 内 の反. c=ci. 応 速 度 は近 似 的 に酸 素 濃度 に無 関 係 とみ な せ る で あろ う。. law. 以 上 の こと か ら,土 壌 層 内 には 高 さ方 向 に 酸素 濃 度 の. (t=0)(9). 式(7)〜(9)を and. 満 た す 式(6)の Jaeger,1959)に. 解 はGreen関. 数 法(Cars‑. よ り次 の よ う に 求 ま る 。. 分 布 が あ るが,土 壌 呼 吸速 度 は土壌 層 の 高 さ方 向 に は ほ とん ど変 化 せ ず,時. 間 の み の関 数 に な る と考 え る ことが. で き る。 4.拡. 散 方 程 式 の 非 定 常 解 を 利 用 した 土 壌 呼 吸 速 度 の算 出 理 論. 土 壌 と大 気 との ガ ス交 換 速 度 が土 壌 内の ガ スの 蓄 積 速. (10). 度 を無 視 で き る程 度 に大 き い場 合 に は,擬 定 常 状 態 を仮 定 した物 質 収 支 式 を解 い て得 られ たvan. 4.2土. Bavel(1951). の濃 度 分 布 式 か ら呼 吸 速 度 を算 出す る こ とが 可能 であ る。. 壌 呼 吸 速 度 の算 出法. 2.3で 述 べ た よ うに土壌 呼 吸実 験 は試料 容 器 に土 壌 を. しか し,本 実 験 の初 期 の よ うに土 壌 内 部 の ガ ス濃 度 の変. 充 填 し終 え る と同 時 に開 始 したの で,土 壌 内 のCO2ガ. 化 が 大 き い 時期 に お け る呼 吸速 度 の 算 出 は,よ. の初 期 濃 度Ciは 大 気 中 のCO2濃 度C0と. り一 般 的. ス. ほ ぼ等 しい と考. な非 定 常条 件 下 での解 析 解 を用 いる必 要 が あ る。 そ こで,. え る こ とが で き る。 ま た,C0は5.0×10‑6kmol/m3で,. 本 章 で は,前 章 の検 討 結 果 を考 慮 しな が ら拡 散 方 程 式 の. 本 実 験 で は土 壌 中 のCの 実 測 値(10‑4kmol/m3以. 非 定 常解 の誘 導 と そ の解 を用 いた土 壌 呼 吸速 度 の 算 出理. 対 して 非 常 に 小 さい の で,相 対 的 に0と 置 くこ とがで き,. 論 に つ い て述 べ る。. 式(10)は. 148. 次 の よ うに 書 き換 え られ る。. 上)に.
(5) 小森 ・関:反 応 速 度 論 を用 い た 土 壌 呼 吸 速 度 の モデ ル化. 後 は徐 々 に低 下 した。 最 高 値 は常 温条 件 下 の方 が 低 温条 件 下 よ り も約2倍 高 い 値 を 示 し,温 度 が 高 い方 が有 機 物 分 解 反 応 速 度 が 大 き くな る ζと を示 して い る。 この こと. (11). につ いて の考 察 は5.4で 述 べ る。 式(11)は. 積 分 形 に な って い るの で,こ. 5.2土. の 式 か ら直 接. Φ(t)の 値 を 求 め るの は困 難 で あ るが,微 小 な 時間 区間 (j‑1)⊿t<t<j⊿tに. 次式 に よ りj=1の. 述 べ た方 法 に よ る算 出結 果 の妥 当 性 を 確. 認 して お く。 土 壌 呼 吸 に よ る混 合 土 壌 内 の 炭 素 減 少 量 を. お い て Φ(t)が 一定 値 の(ブ)で あ. る もの と近 似 して 積 分 項 を 離 散 化 す れ ば,Φ(カ. 壌 呼 吸 速度 の経 時 的 変 化. まず,4.2で. ⊿C[kg]と. の値 は. す る とそ れ が 全 てCO2ガ. ス に変 わ っ た もの. と考 え られ るか ら,実 験 中 に発 生 したCO2ガ. 場 合 か ら逐 次 求 め る こ とが で き る。. (44/12)⊿C[kg]と. Φ(j). スの 全 量 は,. 表 さ れ る。 た だ し,44はCO2の. ル 質量[kg/㎞ol],12は. モ. 炭 素 の モ ル 質量[kg/kmol]. で あ る。 い っぽ う,こ れ は 式(12)か の 値 を用 い る と44VΣΦ(j)⊿t[kg]と. ら得 られ る Φ(j) も表 さ れ る。 こ. こで,Vは 混合土 の容積を表す。両者 の結果 を比較 した もの をTable. (12). り も10〜20%小. 2に 示 す 。Run. 2を 除 き計 算 値 は実 験 値 よ. さ い もの の 両者 は 比 較 的 よ く一 致 し,. なお,土 中 のCO2ガ ス の拡 散 係数DはBruggeman 型 の 式(遅 沢 ら,1989)で. 整 理 した小 森 ら(1993). の実 験 式 によ り求 め た。 5.結 5.1CO2濃. 果 と考察. 度 の経 時 的 変 化. 常 温及 び低 温条 件 下 そ れ ぞ れ の 温度 及 びCO2濃 度 の経 時 的 変 化 の 実 験 結果 の1例 をFig.5に 示 す。 常温 実験 で は 室 温 の 日変化 に 追 随 して土 壌 温 度 も 変 化 した が,室. 温変 化 の 振 幅 が1〜2℃. で あった. の に 対 し,土 壌 温 度 変 化 の 振 幅 は各 位 置 で ほ ぼ 0.5℃で あ り,か つ 高 さ方 向 に も最 大1℃ の 差 しか 生 じなか った の で,近 似 的 に は ほ ぼ一 定 の 温 度条 件 が 満た され た と考 え られ る。 低 温 実 験 で は土 壌 温度 は約2.5℃ で ほ とん ど一定 に保 たれ,か つ 高 さ方 向に もほ とん ど変化 が な か っ た。 た だ,実 験 開始 直後 に温 度 が い くぶ ん 高 い の は試 料 土 と堆 肥 の混 合作業 を低 温室 外 で行 っ たの で,実 験 開 始 後 低 温 室内 の温 度 に ま で低 下 す るの に約1日 要 した ため であ る。 図 に示 したCO2濃 た土 壌空 隙 内CO2ガ /m3]を. 度 は イオ ンセ ンサ ー で測 定 し ス の モル 分 率CEX[m3‑CO2. パ ー セ ン ト表 示 し た 生 デ ー タ で あ る。. CEXか らCへ の換 算 は次 式 に よ った 。. (13) ただ し,ψaは 土 壌 の 気相 率[‑],Tは. 温 度[℃]. を表 す。 CEXは. す べ て の 実 験 にお い て実 験開 始 直 後 か. ら急 速 に増 加 し5〜6h後. に 最 高 値 に 達 し,そ の. Fig. 5. Changes in temperature T and carbon-dioxide concentration in the mixed soil CEX with time t. 149.
(6) 農. Table. 2. Relation. sults. of. during. the the. between total. the. amount. experiment. with. experimental. 業. of the. C02. 象. 基 質(井 ノ子,1981)の. re-. 分 解 が 盛 ん で あ る こと,そ の 分 解. が終 わ って 難 分 解 基 質(井 ノ 子,1981)の. generation. estimated. 気. results. み に な る と分解. 速度 は非 常 に小 さ いの で,見 か け上 ほぼ 一 定 の 値 とな る. from ƒ³(j).. こ とが推 察 され る。 5.3土. 壌 呼 吸 過 程 の モ デ ル化. 井 ノ子(1981),Knapp(1983)に. よれ ば,土 壌 中 に存. 在 す る あ る有 機 質 成 分iの 分解 速度 は そ の成 分iの 質 量 に比 例 す る こ と,す な わ ち,1次. 反 応 に従 う こ とが 指 摘. され て い る。 有機 物 中 の炭 素 含有 量 は ほ ぼ 一定 と考 え る ことが で き るの で(例 え ば,熊 田,1981),成. 分iの 質 量. を その 代 表 的 化学 物 質 で あ る炭 素 の質 量mi[kg‑C/m3] で 代表 さ せ ると,そ の時 間 的 変 化 は次 式 で 与 え られ る。. (14) こ こで,kiは 数[1/h]を. 成 分iの 分 解 反 応 の 速 度 定 表 す 。 初 期 値 をmi0と. して 上. 式を積分す ると. (15) 成 分 は特定 で き な い もの の,前 節 での 推 測 結果 か ら土 中有 機 物(炭 素 質 量m)は 易 分解 有機 物 群(炭 素 質量m1)と (炭素 質 量m2)の2群 場 合,mは. 難 分 解 有 機 物群. に大 別 で き る。 この. つ ぎ の よ うに表 され る。. (16) 前 節 の 結 果 か らk1≫k2で. あ る か ら,こ. こ. で行 った実 験 時 間 の 範 囲 で は 式(16)の 辺 第2項 をTaylor展 す と,mは. 開 し第2項. 右. まで を残. 次 の よ うに 近 似 で き る。. (17) Fig.. 6. (j). Calculated with. results time. of. the. rate. of. C02. t.. generation ƒ³. こ こで 述 べ た Φ(j)の 算 出法 は妥 当 で あ る とい え る。 式(12)か. ら求 め たΦ(j)の 結 果 の一 例 をFig.6に. す 。 算 出 に 当 た って は 時間 刻 み ⊿tを4hと と して算 出 した場 合 と の差 は1%以. (18) 1 kmolのCO2発. 示. したが,2h. 生 に対 して 炭 素1 kmolす. が 消費 され るか ら,土 壌 呼 吸速 度 Φ(t)とdm/dtの. 下 で あ っ た ことか ら. (19). は濃 度 測 定 を行 っ た各 深 さ ご とに別 々 に求 め た. が,深 さによ って約 ±20%の 差 を生 じた。位 置zと. 関係. は 次 の よ う にな る 。. そ れ が 十 分 小 さい 刻 み 幅 で あ る こ とを 予 め確 認 した 。 Φ(j)値. な わ ち12kg. Φ(j). Fig.6に お い て ほ ぼ一 定 とみ な せ る状 態 で の Φ(t)の 値. の 関係 は実 験 に よ って 異 な り,両 者 の間 に一 定 の 関 係 が. を Φ0と す る と,こ の 時点 で は既 にm1が 消 失 して い ると. 見 い 出 せ なか っ たが,仮. 考 え られ るの で,. 定2)は. 少 な く とも約 ±20%の. (20). 誤 差 範 囲 内 で 妥 当 で あ る とい え よ う。 Φ(j)の 値 は初 期 に相 対 的 に大 き く,時 間 の経 過 と と. 式(20)を. もに減 衰 し,あ る程 度 時 間 が経 過 す る と ほぼ 一定 とな る. 式(18)へ. 表 され る。. 傾 向が 見 られ る。 この こ とか ら,実 験 の 初期 に は易 分 解 150. 代 入 す る と,dm1/dtは. 次 の よ うに.
(7) 小森 ・関:反 応 速 度 論 を用 い た土 壌 呼 吸 速 度 の モ デル 化. 少 な く,投 入 堆 肥 は ほ とん ど難 分 解 有 機 物 か らな って い た もの と思 わ れ る。 5.4土. 壌 呼 吸 速 度 に及 ぼす 投 入 堆 肥質 量 と温 度 の影 響. 5.1で 指 摘 した よ うに低 温実 験 で は土 壌 内温 度 が2.5℃ で ほ ぼ 一定 で あ った。 各 実 験 にお い て土 壌 呼 吸速 度 が ほ ぼ一 定 とな っ た とき,す な わ ち安 定 分 解 期 間 に お け る土 壌 呼 吸 速度 Φ0を投 入 堆 肥 質量CXに プ ロ ッ トす る とFig.8の は明 らか にCXに. 対 して. よ うに な る。 Φ0. 比 例 し,最 小2乗 法 に よ. りつ ぎ の 関係 が 得 られ た。. (22) い っぽ う,投 入 堆 肥 質量 が 一定 で あ る と き,土 壌 呼 吸 の よ うな 生物 反 応 に お け る反 応 速 度 の温 度 依 存 性 は,温 度 が10℃. 上昇. す る と反 応 速 度 が何 倍 に な る か を表 す 特 性 値,す. なわ ちQ10値 を用 い て次 式 の よ う に. 与 え られ る(Rosenberg. Fig. 7. Change in -dm1/dt Table 3. Estimated. et al.,1983)。. (23). with time t. こ こで,Φ0(T)は. results of k1, k2, m10 and m20.. Φ0(T0)は. 任 意 温 度Tに. 基 準 温 度T0に. 入 堆 肥 質 量 が ほ ぼ 等 し いRun 3と5の. お け る 土 壌 呼 吸 速 度,. お け る土 壌 呼 吸 速 度 を 表 す。 投 1と4,Run. 2と6,Run. そ れ ぞ れ の 組 み 合 わ せ に つ い てΦ0(T)を. 温度. Tに 対 し片 対 数 紙 に プ ロ ッ ト した 。 そ の 一 例 をFig.9に 示 す 。 図 の 直 線 の 傾 き か ら算 出 さ れ たQ10値. は2.28(Run. 1,4),2.35(Run2,6),2.73(Run3,5)で,平. 均 値 は2.5. と な っ た 。 これ ま で に 得 られ て い る 数 少 な い 測 定 デ ー タ の う ち,Monteith. (21). Q10値. Φ(t)の 実 験 値 を 式(21)に. 代 入 して得 られ たdm1/dt. 示 す 。dm1/dtは. 減少 し,式(18)は. よれ ば土 壌 呼 吸 の. あ る と い わ れ て い る が,こ. こで対 象 と. した混 合 土 につ い て 得 られ た結 果 はそ れ よ り も小 さい値. を時 間 に対 して片 対 数 グ ラ フ にプ ロ ッ トした結 果 の一 例 をFig.7に. は ほ ぼ3で. et al.(1964)に. と な った 。. 時 間 に対 して ほ ぼ直 線 的 に. ほぼ 妥当 で あ る。 また,dm1/dtの. 値 は 深 さ ご と に それ ほ どの 差 が な い の で,す べ て の深 さ にお け る デ ー タ を基 に最 小二 乗法 に よ り直 線 を 決 定 した。 そ の 直線 の 切 片 はm10k1,傾. き はk1/2.303を. 与 えるので,. これ らか らk1とm10が 求 め られ る。mの 初 期 値(CNコ ー ダ ー に よ り測 定)か らm 10を 差 し引 く とm20が 求 ま り, これ を式(20)に. 代 入 す る とk2が 求 ま る。 この よ うに し. て得 られ た 各 実 験 に つ い て のk1,k2,m10,m20,k1m10, k2m20の 値 をTable. 3に 示 す 。 各 実 験 に お け る投 入 堆 肥. 中 の炭 素 量 と易 分解 有機 物 中 の炭 素 量m10と. を 比較 す る. と,常 温 実験 に 関 して はm10が 全 量 の0.3〜0.5%で 低 温 実 験 に お い て は0.1〜0.2%で. Fig. 8. Relation. あ り,. あ った。 と もに非 常 に 151. between. the. rate. of. soil respira-. tion in the steady-decomposition period the amount of compost introduced CX.. oo and.
(8) 農. 業. 気. 象. Sons, 542-546. Carslaw, H. S, and Jaeger, J. C., 1959: Conduction of Heat in Solids, 2nd ed., Clarendon Press, Oxford, 353-361. 長 谷 場 徹 也,1992:新 ‑60 .. 版. 井 上 君 夫,1986:チ ク ス の 測 定.農. 農 業 気 象 学.文. 永 堂 出 版,57. ャ ンバ ー 法 に よ る 土 壌 面CO2フ. ラッ. 業 気 象,42(3),225‑230.. 井 ノ 子 昭 夫,1981:土. 壌 中 に お け る 有 機 物 の 分 解 と集 積.. 土 肥 誌,52(6),548‑558. 化 学 工 学 協 会,1978:化. 学工学便覧. 改 訂 四 版,丸. 善,. 68‑69.. Fig.. 9. tion. Relation in. temperature. the. between. the. rate. steady-decomposition. of. soil. periodƒ³0. Kanwar, P, S., Mukhtar, S. and Singh, P,, 1989: Transient-State Oxygen Diffusion Through Undisturbed Soil Columns. Trans. ASAE., 32 (5), 1644-1650. Knapp, E. B., 1983: Carbon, nitrogen and microbial biomass interactions during decomposition of wheat straw. Soil Biol . Biochem., 15 (4), 455-461.. respiraand. T.. 6.結. 小 森 友 明 ・関 平 和 ・高 見晋 一 ・小 南 靖 弘 ・横 山宏 太 郎, 1993:拡 散 方 程 式 の非 定 常 解 を利 用 した土 壌 中 のCO2. 言. 拡 散 係 数 の 測 定 法.日 本 農 業 気 象 学 会 北 陸 支部 会 誌, 適量 の堆 肥 を混 入 して 作 成 した混 合 土 を用 い て土 壌 呼. 19,36‑40,. 吸 の 室 内実 験 を行 っ た。 本 実 験 で は使 用 した堆 肥 の平 均. 熊 田 恭 一,1981:土 壌 有 機 物 の 化学 セ ン ター,249‑276.. 粒 子径 が44μ と小 さか った こ とか ら,土 壌 呼吸 速 度 は土. 生,拡 散機 構 を検 討 す る こ と. に よって 説 明 で き た 。 この知 見 に基 づ き非 定 常 拡 散方 程 式 の解 析 解 を 求 め,そ の解 に 実験 で得 られ た濃 度 実測 値 を代 入 して土 壌 呼 吸 速 度 を見 積 る方 法 を検 討 した 。 そ し て,実 験 結果 に基 づ い て求 め た土 壌 呼 吸 速 度 を 工学 的 な 立 場 か ら モデ ル化 した 。 そ の結 果,土 壌 呼 吸 速度 は投 入 堆 肥 質 量 に 比例 し,温 度 依 存 性 を表 すQ10値 りMonteith. et al.(1964)の. 会 出版. Molz, F. J., Widdowson, M. A, and Benefield, L. D., 1986: Simulation of Microbial Growth Dynamics Coupled to Nutrient and Oxygen Transport in Porous Media. Water Resources Research, 22 (8),1207-1216. Monteith, J. L., Szeicz, G. and Yabuki, K., 1964: J. Appl. Ecol., 1, 321-337.. 中 の 酸素 濃 度 に は依 存 しな い こ と,す な わ ち,土 壌 呼 吸 速 度 が場 所(深 さ方 向)の 関 数 に は な らず,時 間 の み に 依 存 す る こ とを 土 中 のCO2発. 第2版.学. 中 野 政 詩,1991:土. の物 質 移 動 学.東 京 大 学 出版会,141,. 遅 沢 省 子 ・久保 田. 徹 ・宮 崎. の 中の 物 質移 動(そ の8).農. は2.5で あ. 毅 ・中野 政 詩,1988:土 業 土 木 学 会 誌,57(2),. 135‑142.. Rosenberg, N. J., Blad, B. L, and Verma, S. B., 1983: Microclimate - the biological environment, 2nd ed., John Wiley & Sons, 111-112.. 測 定 結果3よ り も小 さか っ. た。 こ こで得 られ た土 壌 呼 吸 速 度 の 算 出理 論 と実 験 式 作 成. 高 見 晋 一 ・横 山宏 太 郎 ・小 森 友 明 ・関 手 順 は,土 壌 通 気 の計 画,雪 腐 れ 病 誘発 防止 な ど土 壌 環. 平 和,1991:積. 雪 下 のCO2環 境.日 本農 業 気 象 学 会 北 陸 支 部会 誌,16,. 境 改善 対 策 の検 討 に先 だ って 基 礎 的 な知 見 を得 るた め に. 8‑11. van Bavel, C. H. M., 1951: A Soil Aeration Theory Based On Diffusion. Soil Sci ., 72, 33-46.. 利 用 で き る もの と思 わ れ る。 引 用 文 献. 矢 吸 万 寿,1966:グ. リ ー ン研 究 報 告 集,10,1‑17.. 矢 吹 万 寿 ・青 木 正 敏,1977:環. Bird, R. B., Stewart, W. E, and Lightfoot, E. N., 1990: Transport Phenomena. John Wiley &. 4,165‑170.. 152. 境 科 学 総 合 研 究 所 報 告,.
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