土壌凍結層の有無による冬期(厳寒期)の土壌水分移動様式の違い

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要約

道東地域の火山灰土壌畑では、融雪期以前の厳寒期において、深さ20cmまで土壌が凍結した年には期間中に約30 mm相当量の水が深さ20cmを上向きに移動し、凍結層が形成されない年には同深さにおいて下向きに最大で60 mm相当量の水が移動する。

• キーワード:土壌凍結、水フラックス、積雪、底面融雪
• 担当:北海道農研・寒地温暖化研究チーム
• 代表連絡先:電話011-857-9260、電子メールseika-narch@naro.affrc.go.jp
• 区分:北海道農業・生産環境、共通基盤・土壌肥料、共通基盤・農業気象
• 分類:研究・普及

背景・ねらい

北海道を含む雪氷圏の多くの地域では、長期にわたり地表面が雪に覆われる一方、積雪深が浅い場合は土壌凍結が発達する。環境負荷物質の動態や物質循環の推定のためには土壌水分移動の適切な評価が不可欠であるが、積雪・土壌凍結条件の畑における土壌水分移動はほとんどわかっていない。そこで、火山灰土壌畑である北海道農業研究センター芽室研究拠点の試験圃場において、2002年7月から2007年4月までに得られた長期観測データを解析し、深さ20cmまで土壌が凍結した年(凍結年)と凍結層が形成されなかった年(非凍結年)の寒地の畑における冬期の土壌水分移動量を評価する。

成果の内容・特徴

• 積雪層または凍結層が形成されてから融雪期の直前までの期間(厳寒期)にはほとんど土壌水は動かないと考えられてきたが、土壌凍結層が形成されるときには水が氷になることで凍結層が見かけ上乾燥し、深さ20cmまで土壌凍結層が発達したときに、同深さにおいて約1 mm/日の上向きの(下層から凍結層に向かう)水フラックスが発生する(図1)。
• 積雪層が厚くなると気温は氷点下であるもかかわらず土壌は凍結せず(非凍結年)、地熱により積雪層底面から融雪した水が土壌に浸透することで土壌中の水フラックスは下向きになる。その量は、0.1～0.6 mm/日と年によって異なる(図2)。
• 凍結年・非凍結年ともに、厳寒期全体の深さ20cmにおける上向き・下向きの水分移動量(下層から凍結層へと移動した水分量)は、融雪期(気温がプラスになり、積雪面からの顕著な融雪が連続的にみられる期間)の下方浸透量の最大で23%に相当する(表1, 凍結年は2002-03年、非凍結年は2004-05年)。

成果の活用面・留意点

• 冬期はほとんど土壌水が動かない、あるいは凍結層の有無にかかわらず鉛直下向きに移動するとして肥料成分等の移動量を推定していたのに比較し、本成果を用いることで、積雪・土壌凍結地帯の土壌水や環境負荷物質の動態を評価する際の推定精度が格段に向上する。
• 本成果により春に畑に残留する窒素含量や草地等にスラリー等の窒素成分を散布したときに地下水へと移動する窒素の面的汚染の実態解明に役立つ。
• 本成果の凍結年の結果は最大凍結深が20cm程度の場合であり、凍結深が20cmよりも浅い場合には水フラックスが小さく、20cmよりも深い場合には大きくなる。
• 凍結層が無い年の下向きの水フラックスは過去に道央地帯(雨竜郡幌加内町)で得られた底面融雪量の計測結果(0.4 mm/日; 小島, 1981)と同程度であり、透水性の良い土壌では多雪地帯でも同程度の水が土壌中を下向きに移動していると考えられる。

具体的データ

その他

• 研究課題名:寒地における気候温暖化等環境変動に対応した農業生産管理技術の開発
• 中課題整理番号:215a.1
• 予算区分:地球環境、地球一括、委託プロ(温暖化)、基盤
• 研究期間:2001～2009年度
• 研究担当者:岩田幸良、廣田知良
• 発表論文等:1) Iwata Y. et al. (2010) Hydrol. Processes 24: DOI: 10.1002/hyp.7621