土壌中の粘土量の簡易推定法による土壌調査―小学校・中学校における環境教育・防災教育での活用を目指して―

全文

(1)研究論文. 土壌中の粘土量の簡易推定法による土壌調査 ―小学校・中学校における環境教育・防災教育での活用を目指して―. 三好美恵. 肥田大樹. 喜多雅一. 内子町立小田中学校. 岡山大学. 岡山大学. Simple Estimation Method of Clay Amount in Soil and its Role in a Landslide Survey: Toward an Application in Environmental and Disaster Prevention Education in Primary and Junior High Schools Mie MIYOSHI*1, Daiki HIDA*2, Masakazu KITA*2 *1Oda Junior High School *2Okayama University Clay has a strong cation exchange ability. If a soil sample is put into a plastic tube with a methylene blue (blue color cation) aqueous solution and the mixture is well mixed, the top layer is colored with blue. We can measure the layer length as an indicator of the amount of clay in the sample soil. We collected 24 sample soils from Mt. Handa in Okayama city, where a big landslide occurred in the Nishinihon torrential rainfall disaster (July 2018). Our methylene blue method for determining the clay amount shows that the clay amount of the sample collected from a point close to the landslide was the highest in 24 samples. The amount of clay in a soil sample can thus be a possible indicator of a landslide. Chemical weathering of rock minerals generates clay minerals with alkali and alkaline earth metal cations as byproducts. Actually, the adsorbed blue layer length is proportional to the soil conductivity caused by chemical weathering. This “methylene blue adsorption method” can be conducted with just a plastic tube or a PET bottle, a ruler, methylene blue solution, and sample soil, which are inexpensive, simple and easy procedures, and results can be confirmed by the visual blue colored layer. Therefore, this approach is suitable for education on disaster prevention at primary and junior high schools. Key words: estimation of clay amount, landslide, torrential rainfall disaster, education for disaster prevention. Ⅰ．はじめに. の調査や自然災害について触れ，防災・減災への認識. 平成29年告示の小学校学習指導要領において「第. を深めることが求められている．また中学校理科の教. ６学年土地のつくりと変化」の中で水のはたらきで. 科書では小学校での空き瓶が長い筒に変わった同じ実. 地層ができることを扱う（文部科学省，2018a）．ま. 験で，筒に水を満たし，砂と泥を混ぜたものを上から. た小学校理科の教科書では地層ができる仕組みとして，. 注いで，砂と泥の積もり方を調べ地層のでき方を観察. 空き瓶に砂や泥を含む土と水を入れてふり，静かに置. する実験（岡村ほか，2015a）が紹介されている．岩. いておき泥の層（粘土層）が最上部に堆積することを. 石の風化についても述べられている（岡村ほか，. 観察する（毛利ほか，2015）．平成29年告示の中学校. 2015b）．また自然災害として土砂崩れの写真が紹介. 学習指導要領（文部科学省，2017b）においても，「大. され，地域の自然の恵みや災害の調査が活動として記. 地の成り立ちと変化」の中で水のはたらきによる地層. 述されている（岡村ほか，2015c）．. のでき方，「気象とその変化」ならびに「自然の恵み. 2018年７月の西日本豪雨では，土砂崩れが多数発. と災害」で気象災害が扱われており，地域の自然環境. 生した．そこで，これを題材とし，前述の関連する内 43.

(2) 44. 三好・肥田・喜多：土壌中の粘土量の簡易推定法による土壌調査. 容を組み合わせて，小学校・中学校で防災・減災の認. ここでカオリナイト（はくとう土），メチレンブルー. 識を深めるための理科教材を検討した．. は和光純薬製，モンモリロナイトはクニミネ工業のク. 我々は先に土壌の色と含まれる成分（腐植などの有. ニピア F を用いた．粘土鉱物として SiO2層と Al2O3層. 機物，鉄などの有色の無機イオン）に関する調査を. が，１：１構造でイオン交換能や保水性が乏しいカオ. 行った（三好・喜多，2016）．土壌に含まれる粘土鉱. リナイトと２：１構造で保水性と陽イオン交換能に優. 物は，保水機能，陽イオン交換能，pH 緩衝能など有. れるモンモリロナイトは，土壌中に含まれる代表的な. 用な様々な性質を持つが，一方，化学的風化の進んだ. 粘土鉱物である．粘土鉱物の粉末中に含まれる空気を. 土壌中の粘土は，粘土層を形成し，雨水が粘土層上に. 除き，速やかに沈降させるために１％濃度に希釈した. たまると浮力により地すべりを起こすことが知られて. 家庭用台所洗剤100 mL を1000 ppm メチレンブルー水. いる（渡・小橋，1987）．また六甲山系の天然水中の. 溶液100 mL に加えた．このメチレンブルーの量は予. Ca2＋，Mg2＋濃度測定から粘土生産量の多い場所を推. 備実験でモンモリロナイトの上澄みがかすかに青色に. 定し，山崩れを予知するという報告がある（北野，. 着色するが，無視できる量であることから決めた．そ. 2006）．以上のように，地すべりと土壌中の粘土量に. れぞれの粘土鉱物1.00 g をこの洗剤を含むメチレンブ. は強い関係性がある．. ルー水溶液 200 mL に加えてよく振り，上澄みの. 本研究では土壌の陽イオン交換能（松中，2003）. 663 nm における吸光度を測定した．吸着しないで上澄. に着目し，有色の陽イオンであるメチレンブルー（図. みに残ったメチレンブルーの量は，663 nm における上. １）を用いて粘土層に着色することで，土壌中の粘土. 澄みの吸光度がメチレンブルーによるものとして，メ. 量を推定する方法を提案した．この方法は，小・中学. チレンブルーのモル吸光係数 ε ＝7.41×104 mol −1Lcm −1，. 校の地層のでき方を調べる実験に応用することができ. メチレンブルーのモル質量319.85 g/mol，溶液の体積. る．2018年７月に西日本豪雨で地すべりが起こった. 0.200 L から求めた．もともと1000 ppm メチレンブ. 岡山市北区半田山で表層の土壌を24箇所から採取し，. ルー100 mL はメチレンブルーを0.100 g 含んでいるの. 本研究で開発した方法で，その粘土量を推定した．良. で，これから上澄み中の残存メチレンブルー量を引い. 好な結果が得られたので小・中学校の環境教育・防災. て，粘土層に吸着したメチレンブルー量を求めた．ま. 教育の教材化を行った．. た，このプラスチックパイプを一晩放置し，パイプ中の粘土層の高さを物差しで測定した．表１の実験結果はモンモリロナイトがカオリナイトの約20倍陽イオン交換能が高いことを示しており，粘土層1 cm 当たりでは約10倍となった．日本粘土学会（2009）によれば，陽イオン交換容量（粘土1 kg 当た. 図１メチレンブルー（青色）. りのイオンのモル数にその価数を掛けたイオンの電荷のモル数）は，カオリナイトで2–15，モンモリロナ. Ⅱ．粘土量推定法の検討小学校６年生の理科で扱う「大地のつくり」の単元にある地層ができる仕組みの実験（毛利ほか，2015）ならびに中学校１年生の理科の長い筒を用いて同様の実験を行う教具を粘土量推定の方法として使用した．小学校では空き瓶を使っているが，中学校のプラスチックの長い筒の方が粘土層の高さを測りやすいので，長い筒を採用した．まず，純品として手に入る粘土鉱物を用いて，透明なプラスチックのパイプ（内径. イトで80–150となっており，本研究の結果とメチレンブルー吸着量の比が一致している．表１粘土鉱物1 g 当たりのメチレンブルー（MB）吸着量とパイプ中の青色着色層の高さメチレンブルー青色着色の粘土層１cm （MB）粘土層の当たりの吸着量 (g) 高さ (cm) MB 吸着量 (g) カオリナイト 0.0049 1.6 0.0031 モンモリロナイト 0.1000 2.1 0.048. 20 mm，外径24 mm，長さ1 m，ケニス製もののとけ方実験用パイプ）中に粘土とメチレンブルーを入れ，着色した粘土層の高さがどれだけになるかを検討した．. Ⅲ．岡山市北区半田山の土壌調査 2018年７月に起こった西日本豪雨の際に大規模な.

(3) 科学教育研究 Vol. 45 No. 1（2021）. 45. 地すべりを起こした半田山の土壌中の粘土量を推定す. 図４に表２の第４欄の粘土層1 cm 当たりのメチレ. る目的で，24地点から土壌試料を100–200 g 採取した. ンブルー吸着量を縦にプロットするとモンモリロナイ. （図２）．半田山で採取した土壌試料は，同じ地点で番. ト純品とカオリナイト純品の間に位置し，深さ15 cm. 号が違うものは地表から落ち葉などを除き，地表近く. から採取した土壌中にはモンモリロナイト型（２：１. と，15 cm 掘り下げて採取したもの２種類を採取して. 型）のスメクタイトを多く含むことが示され，表層土. いる．１地点１つのものは地表近くから採取した．採. 中ではモンモリロナイトとカオリナイトが同量程度含. 取の際に土壌の電気伝導度測定（テックジャム製土. まれていると推定されるが，計算を簡略化するため，. 壌導電率計 KN3312150）を同時に行った．表層の電. 全ての粘土層がモンモリロナイトだと仮定して，表１. 気伝導度並びに深さ15 cm での電気伝導度を測定した．. のモンモリロナイト1 g が吸着するメチレンブルー量. 半田山で採取した土壌試料50 g をプラスチックパ. 0.1000 g の値を使ってそれぞれの試料50 g 中に含まれ. イプに入れ，１％合成洗剤溶液100 mL を加えてよく. る粘土量（g）を算出し，表２の第５欄に示した．. かき混ぜる．懸濁した溶液に1000 ppm のメチレンブルー水溶液を5 mL 加えてさらによく振り，上澄みに青色が残っていなければさらに5 mL 加えてさらによく振り，上澄みに青色が出てくるまでこれを繰り返す．この時点で上澄みに残ったメチレンブルーの濃度を吸光度から求め，50 g の土壌試料に吸着したメチレンブルー量を求めた．この後，粘土層の沈降を早めるために，10％ミョウバン水溶液を10 mL 加えると，粘土コロイドがすみやかに凝析するので（1–2時間），青色着色の粘土層の高さを物差しで測る．図３に表２の第２欄の青色着色の粘土層の高さと第３欄のメチレンブルー吸着量をプロットすると，良い直線性が見られることより，メチレンブルーのほとんどは粘土鉱物に吸着していると言える．. 図３粘土層の高さとメチレンブルー吸着量. 図２岡山市北区半田山の土壌採取地点（国土地理院のデジタル地図に著者が書き込み，地点13と14の間の灰色で塗りつぶした箇所が地すべり地点）.

(4) 46. 三好・肥田・喜多：土壌中の粘土量の簡易推定法による土壌調査. 表２プラスチックパイプ中の青色着色粘土層の高さとメチレンブルー（MB）吸着量青色採取地点着色の H: 表面粘土層の D: 深さ高さ 15 cm (cm) 1D 6.6 2H 0.2 3D 5.5 4D 7.0 5H 3.0 6D 8.5 7D 6.5 8D 8.1 9H 2.5 10D 6.0 11D 7.0 12H 3.0 13D 8.8 14D 11.0 15D 7.5 16H 2.5 17D 3.5 18D 3.2 19D 2.2 20H 0.7 21D 1.8 22H 2.0 23D 5.0 24H 2.0. メチレン粘土層試料採取地点ブルー 1 cm 50 g 中にでの（MB）当たりの含まれる電気吸着量 MB 吸着粘土量伝導度 (g) 量 (g) (g) (mS/m) 0.15 0.023 3.10 1.04 0.01 0.045 0.10 0.09 0.14 0.025 2.62 0.82 0.29 0.041 3.33 1.01 0.10 0.033 1.42 0.49 0.28 0.033 4.05 1.22 0.25 0.038 3.10 1.00 0.28 0.035 3.86 1.39 0.28 0.040 1.19 0.41 0.24 0.040 2.85 1.03 0.22 0.031 3.33 1.02 0.09 0.030 1.42 0.50 0.32 0.036 4.19 1.61 0.34 0.031 5.24 1.69 0.26 0.035 3.57 1.31 0.07 0.028 1.19 0.40 0.09 0.026 1.67 0.51 0.09 0.028 1.52 0.39 0.08 0.036 1.05 0.29 0.02 0.029 0.33 0.10 0.05 0.028 0.86 0.21 0.05 0.025 0.95 0.40 0.17 0.034 2.38 0.39 0.06 0.030 0.95 0.31. 図４粘土層1 cm 当たりのメチレンブルー吸着量. 表２の第５欄の粘土量と土壌の電気伝導度（表２の第６欄）を図５に示した．電気伝導度は，採取地点（表層と深さ15 cm）に突き刺して簡単に測定できる．これらは R2＝0.941の良い直線性を示し，土壌の電気伝導度を測ることによって土壌中の粘土量を推定する. 図５粘土量と電気伝導度の関係. ことができることを示唆している．例えば電気伝導度が1 mS/m であれば，土壌試料50 g 中に約1 g の粘土鉱物を含むと推定できる．図６に半田山の採取地点の土壌50 g 中の粘土量（g）を棒グラフで示した．岡山市半田山での24地点の土壌中の粘土量が最も多かった場所は2018年の西日本豪雨で地すべりを起こした周辺（地点13と地点14の間で灰色で塗りつぶした箇所）と一致した．地点13 と14は地すべりによって現れた土壌試料ではなく，直接の地すべりが起こっていない周辺の表層土の深さ 15 cm の土壌試料である．土壌導電率計があれば迅速に土壌試料中の粘土量を. 図６半田山採取地点における50 g 中の土壌中の粘土量（g）.

(5) 科学教育研究 Vol. 45 No. 1（2021）. 47. 推定できる．導電率計がない場合でもメチレンブルーで粘土層を着色すれば，土壌試料中の粘土量を推定でき，地すべりが起きやすい地域を予測することも可能であると考えられる．中学校では物理的風化が風化として扱われており，化学的風化は扱われていないが，高校地学（磯崎ほか，2013）では石灰岩の化学的風化により，Ca2＋イオンが溶出すること，花崗岩などのカリ長石（正長石）が化学的風化によりカオリンを生成する際に，K ＋が生じることが記載されている．北野（北野，2006）によれば，斜長石からモンモリロナイトが化学的風化で生成する際に Ca2＋，Na ＋が溶出することが知られている．中学校理科の「水溶液とイオン」でイオンの存在によって水溶液に電気が流れることが扱われており（岡村ほか，2015d），これを関連させて，図５の結果は，粘土生成の過程（化学的風化）で生じた Ca2＋，Mg2＋，K ＋，Na ＋によって，粘土量の多い土壌が高い電気伝導度を示していると解釈. 図７降雨による地すべりモデル. できる． Ⅳ．調査結果を活用した教材化. 続いて，粘土量の測定を防災に関連付けることがで. １．降雨による地すべり. きる．. 斜面の表層付近では，粘土層があると水が浸みこみにくいため，水と一緒に粘土層の上に載った表層土が，. ３．発展. 水による浮力によって流れていく．このメカニズム. 図５の測定結果を示し，土壌の電気伝導度と粘土量. （注1）を提示したあと，理解を深めるため，降雨によ. の相関について，岩石の化学的風化により粘土が生成. る地すべりモデルを使って演示実験を行った．斜度. するときに，イオンが生じることに触れ，イオン量が. 10° のプラスチックの粘土板に，中央部にくぼみを. 多いほど電気が流れやすいことから，粘土量が推定で. 作った粘土を敷き，1 cm ×1 cm ×1 cm のプラスチッ. きることを説明することも可能であろう．. クブロックを数個置く．ここに上部からゆっくり水を流して，プラスチックブロックが流されるようすを観. Ⅴ．結論. 察できるようにした（図７）．地すべりを起こす水の. 実際に西日本豪雨で地すべりが起こった地点を中心. 浮力については，中学校理科で「水中の物体にはたら. に採取した多数の土壌試料を用いて，地層形成の観察. く力」（文部科学省，2018c）として学習する．. 実験を行った．メチレンブルーを加えることにより粘土層を可視化し，また，少量の10％ミョウバン水溶. ２．粘土量の測定粘土量を測定するために，土壌をペットボトルに取り，メチレンブルー水溶液を加えてよく振り混ぜ，静. 液の添加により，粘土の沈降を速くすることで，授業時間内に粘土層の高さを物差しで測定することが可能となった．. 置する．青色に着色した粘土層の様子を観察し，粘土. より簡便な方法としては試料採取場所で直接電気伝. 層の厚さを測定できることを確かめる教材とした．. 導度を測定することによっても，粘土量が推定できる. 2018年７月の西日本豪雨における半田山の地すべり. 2＋ 2＋ことを明らかにできた．化学的風化による Ca ，Mg ，. 災害を例に示し，図２と図６から，降雨量が大きくな. K ＋，Na ＋の生成は高校地学の内容となるが，イオン. ると粘土層が多い場所で災害が発生しやすいことがわ. の量が多いほど電気が流れやすいことは中学校のイオ. かる．「１．の降雨による地滑りモデル」の活動に. ンの学習と結びつけて扱うことが可能である．短時間.

(6) 48. 三好・肥田・喜多：土壌中の粘土量の簡易推定法による土壌調査. で多数のデータをとったり，地すべりの起こりやすい場所を予測したりするには土壌導電率計が有効である．粘土層のメチレンブルーによる可視化は，小学校では様々な土壌試料（例えば，学校菜園の土，校庭の土，砂場の砂，水田の土など）を空き瓶に入れてメチレンブルーの入った色水を加えてよく振り，静置することにより，青色に着色した泥（粘土層）が最上部に堆積することを観察することで粘土量の違いを確認できる．これが地すべりとも関係していることを伝えることができる．中学校では，浮力とも関連させて，降雨により，地すべりが誘発されることも扱うことが可能である．謝辞本研究の一部は，日本学術振興会科学研究費補助金（課題番号 JP16K00965）の助成を受けて行われたものである．注１：日本地すべり学会のホームページ https://japan.landslide-soc.org/for_general.html にある NHK の動画「地すべりの現地実験」 h t t p s : / / j a p a n . l a n d s l i d e - s o c . o rg / i m a g e s / i l l u s t m ov i e / NHKExperiment.mp4ならびに「地すべりのイメージ」 h t t p s : / / j a p a n . l a n d s l i d e - s o c . o rg / i m a ge s / i l l u s t m ov i e / landslideimage.mp4（2020年６月14日参照）を提示した．. 文献磯崎行雄・江里口良治ほか10名（2013）：地学，新興出版社啓林館，108–109．北野康（2006）：改訂版化学の目で見る地球の環境―空・. 水・土―，裳華房，103–109．三好美恵，喜多雅一（2016）：土の黒さ（腐植量と鉄含有量）に関する研究とその教材性の検討，兵庫教育大学教育実践学論集，17, 235–242. 文部科学省（2018a）：小学校学習指導要領（平成29年告示）解説理科編，学校図書，10–11．文部科学省（2018b）：中学校学習指導要領（平成29年告示）解説理科編，学校図書，大地の成り立ちと変化80– 81，自然の恵みと気象災害97–98，自然と人間109–113．文部科学省（2018c）：中学校学習指導要領（平成29年告示）解説理科編，学校図書，53．毛利衛・黒田玲子ほか32名（2015）：新編新しい理科６，東京書籍，113–114．日本粘土学会編（2009）：第三版粘土ハンドブック，技報堂出版，125．岡村定矩・藤島昭ほか49名（2015a）：新編新しい科学１，東京書籍，31．岡村定矩・藤島昭ほか49名（2015b）：新編新しい科学１，東京書籍，32．岡村定矩・藤島昭ほか49名（2015c）：新編新しい科学１，東京書籍，257–263．岡村定矩・藤島昭ほか49名（2015d）：新編新しい科学３，東京書籍，2–15．渡正亮・小橋澄治（1987）：地すべり・斜面崩壊の余地と対策，山海堂，33．（受付日2020年７月12日；受理日2020年12月１日）〔問い合わせ先〕. 〒791-3502. 愛媛県喜多郡内子町寺村557番地内子町立小田中学校三好美恵 e-mail: [email protected].

(7)