§農耕地土壌の特性変動
農業環境技術研究所
化学環境部 土壌分類研究室
室長 中井 信
§長年の田畑輪換や畑転換による地力窒素の消耗
東北農業研究センター
水田土壌管理研究室
室長 加藤 直人
農業環境技術研究所
化学環境部 土壌分類研究室
室長 中井 信
日本の農耕地土壌の特性は,地力保全基本調査(1959~1976年に実施)により明らかにされ,土壌図としてまとめられている。その後の土壌の時間的経過に伴う変化を総合的に把握し,適切な土壌管理対策,土地利用方式等を明らかにすることを目的として,土壌環境基礎調査が行われた。この全国調査は,基準点調査と定点調査からなり,各都道府県が事業実施主体となり,1979年度から1997年度末まで実施された。定点調査は,農耕地の土壌特性の変化およびその要因を把握し,必要な対策を確立するため,全国の主要な土壌を代表する約2万地点の農地を対象として行われた。
1979年~1983年を第1巡,1984~1988年を第2巡,1989年~1993年を第3巡,1994年~1997年を第4巡とし,各期間で1回(計4回)の調査が行われた。調査は,各地点の詳細な土壌物理性,化学性などの土壌実態調査(定点調査)と土壌管理を農家にアンケートする土壌管理実態調査(アンケート調査)の2つによって行われた。この調査は,1999年からは規模を縮小して継続している。
定点調査は,長期間にわたり継続的に調査を行うため,その間に農耕地が維持されていることが最低条件になる。そのため,農業生産活動に熱心な農家に偏りがちな側面はある。しかし,このような大規模で、長期間の調査は他にはなく,我が国の農耕地土壌の特性について,実態と変化を知ることのできる貴重な調査結果である。
定点調査結果には,入力ミスなどによると思われる異常値も多く含まれていた。現在のパソコンで利用できる形にデータを変換する過程で,都道府県の協力を得て,数次に及ぶデータのチェックと修正作業を行った。現在も修正を進めているが,現時点までの修正データに基づいて,土壌の化学的性質と物理的性質について解析した。
定点調査の地点数は表1に示した。調査地点数はほぼ我が国の農耕地土壌の分布を反映するように設定されており,土壌群別と地目別の地点割合は,地力保全基本調査による面積割合にほぼ一致している。この表における土壌群番号は,以下の図表で用いる土壌群番号と同じである。

以下の解析では,第1層(必ずしも作土層ではないが,概ね作土層としてよい)のデータを用いた。また,調査では野菜畑と茶園の地目はないが,畑地のうち4巡とも野菜が栽培されている地点を野菜畑,樹園地のうち茶が栽培されている地点を茶園として分離した。データの分布と変動を概括的に示すため,図1に示すような箱ひげ図を用いた。

pHの全国平均は低下傾向であったが,変動の幅は小さい(図2)。水田と牧草地はpH値の幅が比較的狭く,樹園地では最も広がっていた。樹園地と施設ではpHの低下傾向が認められた。茶園のpHは初期から低く,その後も低下傾向が続いている。これは,土壌管理の影響であり,pH3以下の地点もかなり存在する。このような低いpHは,粘土鉱物の崩壊を引き起こす値であり,茶栽培にとって適当であるかどうか検証を必要とする。

地力増進基本指針(平成9年5月29日 農林水産省公表)に基づく,pHの基本的な改善目標値に比してみると,水田(目標値6.0~6.5)では,7割程度が,普通畑(目標値6.0~6.5)では半数程度が目標値を下回っていた。そのため,作付前に土壌診断を行い,必要に応じて土壌改良資材を投入する等のpH矯正が必要である。
図3に地目別と土壌群別の全炭素含量の変動を示した。全炭素含量が高いのは,茶園と牧草地,次いで普通畑と野菜畑であり,これらの地目では炭素含量の高い黒ボク土グループが多いことを反映していた。

樹園地,とくに茶園,牧草地,および施設の土壌では,全炭素含量が増加していた。茶園の全炭素含量の増加は際立っており,有機物投入量の多さとpHの低下が相乗的に作用しているものと考えられる。施設の全炭素含量増加も,有機物投入量が多いことが影響していると思われる。一方,樹園地や牧草地では,耕起回数が少なく土壌炭素の分解が抑えられることが増加の原因と考えられる。普通畑や野菜畑では,高い含量の土壌が減少する傾向が認められた。これは,元々炭素含量の高い黒ボク土における炭素の消耗があると考えられる。水田では,ほとんど変化していなかった。
土壌の種類と全炭素含量の関係は,図3bに示した。全炭素含量は,黒ボク土グループと有機質土壌グループで高く,砂丘未熟土,赤黄色土グループ,低地土グループで低かった。これは一般的な土壌の性質であるが,有機質土壌グループの全炭素含量が黒ボク土グループより低いのは,これらの土壌は客土して農耕地として利用することが多く,しかもこのグラフが第1層の測定値であるためである。黒ボク土,多湿黒ボク土,泥炭土のように元々炭素含量の高い土壌では,全炭素含量は減少傾向であった。黒ボクグライ土では2巡回以降増加傾向であったが,これは水田として利用されていることが多く,そのため有機物の分解が少ないことに起因すると考えられる。
同じく水田としての利用が多い灰色低地土やグライ土では,炭素含量はほとんど変化がなかった。元々土壌炭素含量の低い土壌で畑地や樹園地としての利用が多い褐色森林土,赤色土,黄色土や褐色低地土などでは,炭素含量は増加していた。このような炭素含量の変動は,土地利用と土壌特性の差を反映している。
全窒素含量は,茶園,牧草地,普通畑および野菜畑で高く,変動の傾向もほぼ全炭素含量の変動と平行していた。
可給態窒素含量は,水田や牧草地で高く普通畑や野菜畑では低くなっていた(図4a)。水田と普通畑では,大きな変動は見られなかったが,樹園地,とくに茶園,と牧草地では増加傾向であった。施設では4巡目で明瞭な低下があった。

地力増進基本指針に基づく,可給態窒素の基本的な改善目標値からすると,水田(目標値8~20mg/100g)では,ほぼ目標値内にあるが,普通畑(目標値5mg/100g)では半数程度が目標値を満たしていない。
土壌群別には,多湿黒ボク土,黒ボクグライ土,黒泥土泥炭土など有機物含量の高い土壌で可給態窒素が高くなっていた(図4b)。しかし,有機物含量の高い黒ボク土では,可給態窒素含量はそれほど高くない。この土壌が畑地として利用されることが多いためと考えられる。一方,有機物含量がそれほど高くないグライ台地土やグライ土,灰色台地土,灰色低地土などで可給態窒素含量が高いのは,水田としての土地利用が多いためであろう。このことは,土地利用,すなわち土地の乾湿が可給態窒素含量に影響を与えていることを示している。
可給態リン酸量(Truog法)の変動を図5に示した。水田と牧草地で少なく,普通畑,野菜畑,樹園地,茶園,施設の順に高くなっていた(図5a)。また,土壌の種類による違いでは,岩屑土,砂丘未熟土,褐色森林土,赤色土,黄色土,褐色低地土などで高くなっていた(図5b)。これらの土壌は,樹園地や施設としての利用が多いことが可給態リン酸含量が高くなる一因と考えられる。


地力増進基本指針に基づく,基本的な改善目標値からすると,樹園地(10-30mg/100g) ,施設では過剰蓄積が進んでいた。図5aの破線は100mg/100gであるが,これを越える土壌が次第に増加している。
リン酸は土壌コロイド物質に吸着・固定されやすく,作物による吸収と侵食以外は土壌から系外に出て行くことはほとんどなく,過剰のリン酸は土壌中に蓄積する。一方,リン酸過剰は作物の生育にほとんど影響を与えない。そのためリン酸過剰については,栽培管理上あまり考慮されていない。しかし,土壌流亡による湖沼などの富栄養化も問題とされており,また,経済性の上からも適切な管理が求められる。とくに施設と樹園地および一部の普通畑にあっては,リン酸質資材投入の抑制を進める必要がある。
地目別の陽イオン交換容量(CEC)の変動を図6に示した。CECは土壌の基本的な性質で,主に粘土鉱物と土壌有機物がもつ陰荷電量を示す。ほとんどの植物養分元素は陽イオンであり,土壌が植物養分を保持できる量を示す重要な指標である。粘土鉱物は,通常は短期間で変質するものではなく,CECの変動は,有機物含量の変化に主に起因する。しかしながら,図6に示したように,有機物含量の変動ほどにはCECは変化しない。その中にあって,茶園のCECの増大は突出していた。これは,土壌有機物の増加が第一義的要因と考えられるが,pHの低下とそれに起因する粘土鉱物の質的変化も一因となっている可能性がある。

塩基飽和度は,施設土壌で高く,半数近くが100%を超えていた(図7)。明らかに溶脱が少ないことによる塩類の集積が起こっている。逆に低いのは,茶園で,pHが低いことと対応している。また,より自然状態に近い牧草地では,比較的低い値となっていた。すべての地目において,塩基飽和度の変動は小さく,強いて言えば低下傾向にあった。

交換態塩基含量は,茶園が最も低く,ついで水田と牧草地が低い。普通畑,野菜畑と樹園地は同程度であるが,施設は高いレベルにあった(図8)。

地力増進基本指針では,基本的な改善目標値として,塩基組成は水田,普通畑および樹園地でカルシウム:マグネシウム:カリウム比が(65~75):(20~25):(2~10)としている。交換態陽イオンの平均組成比は,茶園では,カルシウムが次第に減少していた(図9)。また,水田,普通畑,野菜畑,樹園地では,マグネシウムの減少傾向が認められた。

農耕地土壌の肥沃度の判定には,自然肥沃度と養分の豊否について示性分級式を用いるのが一般的であるが,その分級基準は各要因の区分に基づき総合的に判定することになっている。これでは数理的な分級は困難である。また,各要因には過剰の場合の分級がなされていない。そこで,過剰の場合も加えて,相互に関係のある要因は何れかの要因で代表させ,簡易な肥沃度判定を行った。判定に用いた要因(性質)は,表2に示したpH,CEC,可給態リン酸,可給態窒素であり,過剰を第Ⅲ級,不足を第Ⅳ級とした。各土壌について要因ごとに分級し,4要因のうち最大の分級値をその土壌の肥沃度インデックスとした。その結果を図10に示した。


水田ではほぼ良好な状態(Ⅰ,Ⅱ級)が保たれていることを示しているが,牧草地,普通畑,野菜畑,樹園地,茶園の順に良好な土壌が少なくなった。茶園では極端な,低肥沃度となっていた。しかも,茶園を除く土壌では,不良土壌(Ⅲ,Ⅳ級)に占める過剰(Ⅲ級)の割合が高く,増加していることを示した。このことは作物生産性を減少させるものではないが,環境への流出の危険を高めており,経済性からも解決すべき問題といえる。
作土は,植物への養分を供給し,生育を支える重要な部分であり,その深さは作物生産に影響を与える。作土深の変動を地目別に比較すると,水田では他の地目に比べて浅くなっていた(図11)。これは水稲という特殊な作物を栽培するためである。調査期間における変動では,茶園で減少傾向があり,牧草地で2巡回に減少してその後回復している。ほかの地目では変動は少ない。

次に,仮比重と孔隙率であるが,土壌が粗しょうになるほど仮比重が低く,孔隙率が高くなる。ある程度粗しょうであることは,耕作作業と水分を含めた養分の保持・供給に有利である。図12,13に示すように,樹園地では仮比重が他の地目よりも高く,孔隙率は低くなっていた。これは樹園地では,耕作があまり行われないためである。茶園はその逆に,仮比重が低く,孔隙率が高くなっていた。しかも,次第にその傾向は進行していた。これは,上記の土壌炭素含量の増加とも一致し,有機資材の投入の影響と考えられる。


ち密度は,土壌の固さを現す指標の一つであり,耕作の難易や作物根の伸長に影響を与える。図14は,8cmと35cmの深さのち密度を示す。8cmの深さでは,耕作回数の少ない樹園地と牧草地で高く,耕作回数が多いと考えられる野菜畑や施設で低くなっていた。野菜畑と施設では,ばらつきは広がっているが中央値は減少傾向にあった。35cmでは,地目間の差は少なくなり,牧草地でやや高く,茶園と施設がやや低くなっていた。茶園や施設では造成時に下層まで掘り起こすことがあり,それが一因と考えられる。

以上のように,日本の農耕地土壌は作物生産のためには概ね良好に保たれている。しかし,最近は農耕地からの環境汚染も問題となっており,一部に見られる養分の過多を抑制することも必要と考えられる。とくに施設土壌では,明らかに塩類の蓄積が起こっており,作物生産への影響ばかりではなく,系外への流出の恐れもある。また,茶園ではかなり反応が酸性になっており,茶樹が酸性を好むとはいえ,土壌の骨格をなす粘土鉱物の崩壊など土壌そのものの劣化が危慎される。
論文に用いた定点調査データは,農林水産省生産局農産振興課から提供頂いた。また,定点調査は,都道府県の農業試験研究機関によって行われ,多くの土壌保全事業担当者が関与している。これら関係者各位に心からの感謝の意を表する。
1)松井章房(2000),
土壌調査の今後の展開方向,ぺドロジスト,44(2):170-175
2)Nakai, M.:Background levels of micronutrients in soils of Japan,Food & Fertilizer Technology Center,Extension Bulletin,487:14(2000)
3)小原洋(2000),
土壌環境基礎調査・定点調査結果にもとづく農耕地土壌資源特性の変動解析,農環研年報,18,60-65
4)Nakai, M. and Obara, H.:Characteristic changes of cultivated soils in Japan for the 20 years. 17th World Congress of Soil Science,Abstracts,Ⅲ,1093(2002)
5)小原洋・中井信:農耕地土壌の交換性塩基類の全国的変動,土肥誌74(5):615-622(2003)
6)小原洋・中井信:農耕地土壌の可給態リン酸の全国的変動,土肥誌75(1):59-67(2004)
東北農業研究センター 水田土壌管理研究室
室長 加藤 直人
10年以上前に来日したフロリダ大学のシュナイダ一博士に見せられた一枚の写真を鮮明に覚えている。それは,土壌が分解,消失して,階段を上らないと玄関に辿りつけなくなった家の写真であった。流亡ではなく,分解であるという博士の説明であったと記憶している。フロリダでは,長年サトウキビが換金作物として作付けされてきたが,今では水稲が導入され,田畑輪換を行なっている。その目的は,米の生産ではなく,土壌の分解を抑制し,作土深を維持するためである。この話を聞いた時,水田が持つ素晴らしい土壌保全機能の一端を垣間見た気がした。
もちろん,これはフロリダの温暖な気候と有機質土壌の性質によるもので,日本ではこれほど極端な例は聞いたことがない。しかし,程度の差はあっても,水田の畑地化によって,土壌有機物の分解は確実に促進される。米の生産過剰基調が続き,30年以上にわたって生産調整が行なわれているが,転作作物の連作に伴う病虫害や雑草害の発生を防ぐために,田畑輪換が有効な手段として奨励されてきた。しかし,田畑輪換であっても,地力の維持に留意する必要があり,そのためには水田期間をできるだけ長く確保し,有機物施用を行い,また土壌肥沃度の推移を見守る必要がある。
ここでは,田畑輪換や長期畑転換を行った場合の地力窒素と大豆・水稲の生産性を長年にわたって調査した事例を紹介する。なお,詳細は,住田らの報告1,2)をご覧頂きたい。
筆者が所属する東北農業研究センター水田利用部(秋田県大仙市)の場内圃場は,沖積土水田(細粒灰色低地土)であるが,下層に非アロフェン質の黒色土層(リン酸吸収係数1500程度)が埋没しており,その出現位置は圃場によって異なる。これから紹介する田畑輪換の試験は,この黒色土が表層に現れている圃場で行った。
田畑輪換の試験は1990年から開始し,現在も継続中であるが,ここでは2002年までのデータを紹介する。なお,1989年以前は水稲連作である。圃場を3分割し,輪換畑期間が基本的に1年の体系(短期畑輪換)と3年の体系(中期畑輪換)を設定し,対照として連年水田を設けている。2002年までの13年間で,短期畑輪換では6年間,中期畑輪換では10年間,畑地化して大豆を栽培し,その他の年は水稲を作付けしている。また,それぞれに有機質資材を施用する系列と無施用の系列があり,全部で6試験区となっている。有機質資材施用系列には,毎年秋に,10アール当たり600kgの稲わら(水稲1作で生産される稲わらに相当)を大豆作,水稲作に関わらず施用している。
この圃場の作土の全炭素,全窒素の推移を図1に示した。連年水田の場合,全炭素は稲わらを施用しなくても維持されており,稲わらを施用すると増加した。しかし,田畑輪換では全炭素は経年的に減少しており,特に稲わら無施用の場合に,それが著しい。全窒素にも同様の傾向が見られ,連年水田では増加も見られるが,田畑輪換では減少している。このように,田畑輪換によって,土壌の全炭素や全窒素は減少することが明らかになり,土壌有機物が消耗しやすいことが示された。ただし,畑期間が短い短期畑輪換の稲わら施用系列では,全窒素の減少が明確ではなく,稲わらの施用によって減少が抑制されたようである。

次に土壌の可給態窒素の推移を図2に示した。田畑輪換の開始から13年後の結果で比較してみると,連年水田では稲わらを施用すると,無施用に比べて27%高くなった。しかし,中期畑輪換では,稲わら施用の有無に関わらず連年水田無わら区のおよそ7割程度にまで,可給態窒素は大きく減少した。短期畑輪換でも,稲わらを施用しなければ,連年水田無わら区の75%まで減少した。なお,短期畑輪換で稲わらを連用した場合,試験開始時の可給態窒素は連年水田無わら区の93%であったのに対し,13年後でも92%とほぼ変わらず,大きな低下は認められなかった。

以上のように,畑地化率が46%の短期畑輪換の場合でも,有機物を施用しなければ地カ窒素は大きく減少する。また,短期畑輪換では大豆作の年を含めて,毎年稲わらを施用すれば,地力窒素の消耗を防止することができるが,畑地化率がおよそ75%の中期畑輪換では,このような稲わら施用の効果が見られないことが分かった。
図3に,大豆や水稲の子実収量の変化を示した。この図では,気象変動に伴う収量変化の影響を消去するために,水稲については連年水田の収量を100とした指数で,大豆については十分な水田期間を確保した輪換畑における収量を100とした指数で示している。なお,稲わら施用による収量差はそれほど大きくなかったので,施用の有無の2処理を平均した値で示した。

まず,大豆の収量について見ると,1994年は稲わら施用による還元障害,2001 年は褐紋病による大きな減収があったことを考慮すると,田畑輪換開始から概ね10 年経過すると,転換による増収効果が見られなくなり,収量指数が低下する傾向が伺える。一方,水稲は連年水田に比べて収量が低下する傾向は見られず,10年以上田畑輪換を繰り返しても,復田化初年目には増収効果が認められる。この水稲での増収は,根の活性維持と根城の拡大,作土量の増加によると考えられる3)。
別の水田圃場では,1982年に畑転換を行い,その後18年間にわたり大豆を栽培した後,2000年から水田に3年間戻し,2003年に再畑転換した。この圃場は,作土,次層ともに細粒の灰色土である。有機質資材として,稲わら堆肥を10アール当り2トン施用した系列と無施用の系列があり,また対照として連年水田を設けている。
全炭素は,長期に畑転換すると,10年で当初より13%程度減収したのに対して,連年水田では稲わら堆肥の施用の有無に関係なく増加した(図4)。全窒素は,畑転換により18年後まで低下し続け,一方,連年水田では増加し,特に稲わら堆肥の施用で増加が促進された。長期畑転換後の3年間の復田化による全炭素や全窒素の変化は見られず,ほぼ一定で推移した。

稲わら堆肥は1970年から施用されているため,本試験を開始した1982年には,すでに堆肥系列の全炭素・全窒素は,無堆肥系列より高い。従って,長期畑転換の堆肥系列では,試験開始時の全窒素が連年水田の無堆肥系列よりも高かった。また,この試験で施用した稲わら堆肥2トンには約11kgの窒素が含まれているので,堆肥系列には18年間で約200kgの窒素が投入されたことになる。つまり,長期畑転換の堆肥系列では,試験開始時の全窒素が高く,しかもその後に200kgの窒素が投入されたのにもかかわらず,18年後には連年水田の無堆肥系列と同等の窒素含有率となった。このように,水田と畑では有機物の蓄積・消耗に驚くような大きな差が見られる。
可給態窒素(4週間湛水培養無機化窒素)の変化は,さらに鋭敏で,畑転換による著しい減少が認められた(図5)。特に,稲わら堆肥を施用しない場合は,試験開始時のおよそ30%程度まで大きく減少した。また,可給態窒素は,3年間の復田化によって増加が見られたが,試験開始時の水準には回復しなかった。

全窒素の対する可給態窒素の比は,長期畑転換によって,連年水田のおよそ半分まで低下し,その後の復田化によって回復し,7割程度となった(図5)。
以上のように地力窒素は18年間の長期畑転換によって大きく低下したが,その後の復元水田での水稲は,連年水田よりも増収し,転換効果が見られた。
しかし,その後,2003年と2004年に再び大豆を作付けし,2005年に再復田化して水稲を栽培したところ,堆肥系列では連年水田を上回る収量が得られたが,無堆肥系列ではほぼ同等の収量にとどまった(データ未発表)。地力の低下が水稲の収量にまで悪影響を及ぼし始めたとも考えられるので,今後の推移が注目される。
以上のように,水稲作期間中では地力の涵養,大豆作では消耗が見られたが,その原因の一つは両者の窒素収支にある。大豆作では,およそ20kg/10a程度の窒素が吸収され,そのうち16kgが子実に蓄積されるので,子実以外の残渣を土壌に還元しても16kgの持ち出しとなる。根粒による窒素固定(全窒素吸収量の50%,10kg/10a)と施肥による投入3kg/10aを差し引くと,約3kg/10aの窒素が土壌から収奪されることになる。水稲では,およそ10kg/10aの窒素が吸収され,稲わらを土壌に還元すれば持ち出しは7kgとなる。寒冷地水田でも生物的窒素固定がおよそ2kg程度は期待され,施肥で8kg投入されれば,持ち出し量よりも投入量のほうが多くなり,3kg程度の窒素が土壌に富化されることになる。
このような窒素収支の差は,短期間では目に見えにくいが,ボディーブローのように確実に効果を残し,長期間経過すると地力窒素の明白な差となって表れる。また,こうした地力窒素の推移の差には,畑期間における土壌有機物の分解なども一役買っていると思われる。
以上,紹介したように寒冷地東北地方においても,田畑輪換による地力窒素の低下が見られたことは大きな意味を持つと考えられる。地力窒素の低下を防ぐには,畑期間をあまり長くしないことと,有機物施用を意識することが必要である。今後も転作作物の作付けは続くと予想され,その多くの場面で有機物が施用されなければ,生産現場でも地力窒素の低下による生産性の低下が顕在化する危険性がある。また,畑転換に加えて,排水対策による乾田化が進み,それに地球温暖化が加われば,今後,土壌有機物の消耗は益々速くなる可能性がある。
地力窒素の推移は,長期間にわたり追跡調査を行なわなければ明らかにできない。今回紹介した成果も,連用試験圃場を長年にわたり維持してきたことが実を結んだと言える。近年,労力や予算の不足,試験場の移転等によって,こうした連用試験圃場が中止されるケースが目立ってきた。しかし,長期連用試験から学ぶことは,まだまだある。分析手法や機器の発達により,試験開始時には予想もできなかったような解析が可能となることもある。東北農業研究センター水田利用部で維持管理している長期試験圃場の土壌を調べ,有機物施用や化学肥料の連用に伴う30年間にわたる土壌の重窒素自然存在比の推移を具体的に示した成果4)などが好例であろう。
シュナイダ一博士の来日の目的は,有機質土壌で水稲を栽培するとケイ酸が欠乏し,低収となるため,ケイ酸質肥料の研究が盛んな日本の情報を収集することであった。フロリダが稲作を学んだように,我々もフロリダでの対処法を教訓にしたい。
1)住田弘一,加藤直人,西田瑞彦:田畑輪換の繰り返しや長期畑転換に伴う転作大豆の生産力低下と土壌肥沃度の変化,東北農研研究報告103,39-52(2005)
2)住田弘一 他:田畑輪換の繰り返しは転作大豆の生産力を低下させる,東北農業研究成果情報18(平成15年度),140-141(2003)
3)住田弘一,加藤直人:長期畑転換あとの復元水田における水稲生産力,東北農業研究54,59-60(2001)
4)西田瑞彦 他:堆肥連用水田土壌の窒素安定同位体自然存在比の30年にわたる推移,東北農業研究成果情報19(平成16年度),44-45(2004)