灌 漑 方 法 が 異 なる 耕 作 地 における 安 定 同 位 体 比 とチャンバー 法 を 用 いた 蒸 発 散 の 地 面 蒸 発 と 蒸 散 への 分 離 The separation of evaporation and transpiration by using stable iso

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1 灌 漑 方 法 が 異 なる 耕 作 地 における 安 定 同 位 体 比 とチャンバー 法 を 用 いた 蒸 発 散 の 地 面 蒸 発 と 蒸 散 への 分 離 松 野 晃 大 平 成 23 年 1 月 筑 波 大 学 大 学 院 生 命 環 境 科 学 研 究 科 環 境 科 学 専 攻 平 成 22 年 度 修 士 ( 環 境 科 学 ) 学 位 論 文

2 灌 漑 方 法 が 異 なる 耕 作 地 における 安 定 同 位 体 比 とチャンバー 法 を 用 いた 蒸 発 散 の 地 面 蒸 発 と 蒸 散 への 分 離 The separation of evaporation and transpiration by using stable isotope and chamber method in different irrigation cultivated land 松 野 晃 大 要 旨 Abstract 現 在 エジプトでは 人 口 が 増 加 し, 従 来 の 農 業 生 産 量 では 将 来 の 人 口 増 加 に 対 応 できな い. そこで 新 たに 砂 漠 地 域 を 開 発 し, 農 地 にする 計 画 がある. 水 使 用 量 の 大 半 を 占 める ナイルデルタ 地 域 において 使 用 できる 水 が 少 なくなることが 予 想 されるため, ナイルデ ルタ 全 体 の 地 面 蒸 発 を 抑 制 し, 使 用 できる 水 の 量 を 増 やし, 計 画 に 対 応 する 必 要 がある. 地 面 蒸 発 を 抑 制 するためにはナイルデルタの 耕 作 地 において, 慣 行 灌 漑 から 点 滴 灌 漑 に 変 えることや, マルチ 材 を 敷 き 詰 める 方 策 が 考 えられる. 地 面 蒸 発 を 抑 制 するための 方 策 を 講 じた 際 の 蒸 発 散 量 やそれに 占 める 地 面 蒸 発 量 と 蒸 散 量 を 推 定 し, 灌 漑 方 法 の 違 い による, 蒸 発 散 量 の 違 いとその 内 訳 である 地 面 蒸 発 量 と 作 物 の 蒸 散 量 を 定 量 的 に 明 らか にするのが 本 研 究 の 目 的 である. 研 究 対 象 地 はナイルデルタ 中 心 部 の Sakha と Zankalon の 実 験 圃 場 である. 圃 場 における 蒸 発 散 量 測 定 には Zankalon と Sakha では 北 側 の Sakha N と 南 側 の Sakha S で Automatic Weather Station を 設 置 し, 渦 相 関 法 を 用 いて 行 った. Zankalon では 慣 行 灌 漑 ( 畝 間 灌 漑 )を 行 い, 夏 季 の 観 測 においてはとうも ろこしを 生 産 した. またマルチ 材 (わら) を 畝 の 上 に 覆 った. Sakha N では 慣 行 灌 漑 を 行 い, Sakha S では 点 滴 灌 漑 を 行 った. また 本 研 究 では, チャンバー 法 を 利 用 し, 地 面 蒸 発 量 を 測 定 し, 蒸 発 散 量 から 地 面 蒸 発 量 を 減 じ, 作 物 の 蒸 散 量 を 推 定 した. 次 に 土 壌 水 蒸 気 を 複 数 時 間 複 数 高 度 採 取 し, 作 物 を 1 個 体 から 複 数 採 取 し, そこから 水 を 抽 出 し, レーザーmass 分 析 計 にて 酸 素 水 素 安 定 同 位 体 比 を 求 め, 水 蒸 気 の 同 位 体 比 は Keeling plot model に 代 入 し, 蒸 発 散 の 同 位 体 比 (δet) を 求 めた. 土 壌 面 蒸 発 の 同 位 体 比 (δt) は 表 面 土 壌 (0~-20 cm) の 同 位 体 比 と 水 蒸 気 の 同 位 体 比 を Craig-Gordon model ( 佐 々 木, 2004) に 代 入 し, 求 めた. これら の 値 と 作 物 の 同 位 体 比 (δt) と-20 cm 以 下 の 土 壌 水 同 位 体 比 (δt)から, 一 日 の 圃 場 全 体 の 蒸 発 散 量 に 占 める 作 物 の 蒸 散 量 の 割 合 である 蒸 散 比 率 を 求 めた. チャンバー 法 においてマルチングを 行 っていない 場 所 と 行 った 場 所 の 地 面 蒸 発 量 を 比 較 した 結 果, 地 面 蒸 発 量 の 差 はなく, また 同 時 刻 同 場 所 の 土 壌 水 分 量 を 比 較 した 結 果, マルチングによる 蒸 発 抑 制 効 果 は 見 られなかった. これは 蒸 発 抑 制 効 果 を 示 した, 様 々 な 先 行 研 究 とは 異 なる 結 果 である. 次 にSakhaにおいて 点 滴 灌 漑 と 慣 行 灌 漑 の 蒸 散 量 を

3 比 べた. 蒸 散 量 とは 測 定 した1 日 の 内 の 地 面 蒸 発 量 の 合 計 を 蒸 発 散 量 の 合 計 から 減 じた ものである. この 蒸 散 量 を 蒸 発 散 量 の 合 計 で 除 した 結 果 を 蒸 散 比 率 として, Sakha Sでは 28~41%, Sakha Nでは46~73%となった. Sakha S, Sakha Nの 被 度 は, 31%と44%であ り, LAIは, 0.89と1.78であった. つまり 被 度 とLAIが 大 きい 方 が 蒸 散 比 率 は 大 きくなった. 一 方 安 定 同 位 体 比 分 析 の 結 果 は, Zankalonでは 一 日 の 蒸 散 比 率 が86~89%, Sakha Nで は91~96%, Sakha Sでは37~65%という 結 果 となった. これによりチャンバー 法 の 結 果 と 同 じくLAIと 被 度 がそれぞれ 大 きい 方 が, 蒸 散 比 率 が 大 きかった. キーワード: 慣 行 灌 漑, 点 滴 灌 漑, マルチング, チャンバー 法, 安 定 同 位 体 比

4 目 次 第 1 章 序 論 背 景 目 的 先 行 研 究... 1 第 2 章 方 法 観 測 場 所 安 定 同 位 体 比 水 蒸 気 採 取 土 壌 採 取 植 物 採 取 真 空 蒸 留 遠 心 分 離 常 温 蒸 留 安 定 同 位 体 比 計 測 チャンバー 法... 7 第 3 章 結 果 と 考 察 安 定 同 位 体 比 Keeling plot analysis の 概 要 常 温 蒸 留 補 正 値 計 算 真 空 蒸 留 同 位 体 比 遠 心 分 離 同 位 体 比 デルタダイアグラム 土 壌 水 同 位 体 鉛 直 プロファイル Keeling plot analysis の 結 果 と 検 証 チャンバー 法 水 蒸 気 濃 度 から 蒸 発 量 へ 換 算 Eの 算 出 チャンバー 法 結 果 蒸 散 比 率 算 出, PAR 飽 差 風 速 との 比 較 土 壌 水 分 量 有 意 解 析 蒸 散 比 率 比 較 蒸 発 抑 制 効 果 検 証 第 4 章 結 論 謝 辞 引 用 文 献 i

5 表 目 次 表 1 夏 季 実 験 圃 場 の 状 況 表 2 水 蒸 気 採 取 の 概 要 表 3 土 壌 採 取 個 数 表 4 植 物 サンプル 概 要 表 5 チャンバー 法 観 測 回 数 表 6 常 温 蒸 留 補 正 結 果 表 7 遠 心 分 離 同 位 体 比 測 定 値 表 8 真 空 蒸 留 同 位 体 比 測 定 値 ( 水 蒸 気 ) 表 9 真 空 蒸 留 同 位 体 比 測 定 値 ( 植 物 ) 表 10 地 下 水 灌 漑 水 同 位 体 比 測 定 値 表 11 安 定 同 位 体 比 を 用 いた 蒸 散 比 率 (T/ET) 推 定 まとめ 表 12 チャンバー 法 蒸 散 比 率 まとめ 表 13 安 定 同 位 体 比 とチャンバー 法 蒸 散 比 率 比 較 表 14 蒸 発 抑 制 効 果 検 証 ii

6 図 目 次 図 1 農 地 拡 大 計 画... 3 図 2 ナイル 川 における 水 使 用 の 内 訳... 4 図 3 エジプト 地 図... 9 図 4 Zankalon 圃 場 平 面 図 図 5 Zankalon 圃 場 断 面 図 と 畝 の 様 子 図 6 Sakha 圃 場 平 面 図 図 7 Sakha N 断 面 図 と 畝 の 様 子 図 8 Sakha S 点 滴 灌 漑 断 面 図 平 面 図 図 9 水 蒸 気 サンプル 採 取 場 所 図 10 水 蒸 気 トラップの 概 要 図 11 水 蒸 気 トラップの 流 れ 図 12 真 空 蒸 留 装 置 概 要 図 13 植 物 を 湯 煎 し, 植 物 の 水 を 抽 出 する 様 子 図 14 水 蒸 気 サンプルの 加 熱 作 業. ななめから 見 た 図 図 15 遠 心 分 離 写 真 図 16 常 温 蒸 留 装 置 図 17 チャンバー 法 概 要 図 18 Keeling plot analysis 概 念 図 図 19 Zankalon デルタダイアグラム 図 20 Sakha S デルタダイアグラム 図 21 Sakha N のデルタダイアグラム 図 22 Zankalon 土 壌 水 地 下 水 灌 漑 水 同 位 体 比 図 23 Sakha S 土 壌 水 地 下 水 灌 漑 水 同 位 体 比 図 24 Sakha N 土 壌 水 地 下 水 灌 漑 水 同 位 体 比 図 25 Keeling plot analysis の 結 果 (Zankalon 8/3) 図 26 Keeling plot analysis 結 果 (Zankalon 8/4) 図 27 Keeling plot analysis の 結 果 (Zankalon 8/5) 図 28 Keeling plot analysis の 結 果 (Zankalon 8/5) 図 29 Keeling plot analysis の 結 果 (Zankalon 8/5) 図 30 8/3 Zankalon 水 蒸 気 濃 度 変 化 (10:30~) 図 31 8/3 Zankalon 水 蒸 気 濃 度 変 化 (10:43~) 図 32 8/7 SakhaS 水 蒸 気 濃 度 変 化 (11:20~) 図 33 チャンバー 法 により 求 められた 地 面 蒸 発 量 と AWS による 蒸 発 散 量 (8/4) 図 34 地 面 蒸 発 量 蒸 散 量 蒸 発 散 量 と 飽 差 PAR 風 速 の 時 間 変 化 の 比 較 (8/4) 図 35 チャンバー 法 により 求 められた 地 面 蒸 発 量 と AWS による 蒸 発 散 量 (8/5) 図 36 地 面 蒸 発 量 蒸 散 量 蒸 発 散 量 と 飽 差 PAR 風 速 の 時 間 変 化 の 比 較 (8/5) iii

7 図 37 チャンバー 法 により 求 められた 地 面 蒸 発 量 と AWS による 蒸 発 散 量 (8/7) 図 38 地 面 蒸 発 量 蒸 散 量 蒸 発 散 量 と 飽 差 PAR 風 速 の 時 間 変 化 の 比 較 (8/7) 図 39 チャンバー 法 により 求 められた 地 面 蒸 発 量 と AWS による 蒸 発 散 量 (8/8) 図 40 地 面 蒸 発 量 蒸 散 量 蒸 発 散 量 と 飽 差 PAR 風 速 の 時 間 変 化 の 比 較 (8/8) 図 41 チャンバー 法 により 求 められた 地 面 蒸 発 量 と AWS による 蒸 発 散 量 (8/9) 図 42 地 面 蒸 発 量 蒸 散 量 蒸 発 散 量 と 飽 差 PAR 風 速 の 時 間 変 化 の 比 較 (8/9) 図 43 チャンバー 法 により 求 められた 地 面 蒸 発 量 と AWS による 蒸 発 散 量 (8/10) 図 44 地 面 蒸 発 量 蒸 散 量 蒸 発 散 量 と 飽 差 PAR 風 速 の 時 間 変 化 の 比 較 (8/10) 図 45 Zankalon 土 壌 水 分 量 の 推 移 図 46 Zankalon 土 壌 水 分 量 分 布 図 47 SakhaS 土 壌 水 分 量 分 布 図 48 SakhaN 土 壌 水 分 量 分 布 iv

8 第 1 章 序 論 1-1 背 景 エジプトでは 古 くからナイル 川 の 氾 濫 により 農 地 が 生 成 されていた. これをハウド 灌 漑 または Basin 灌 漑 とよぶ ( 鈴 木, 1986). しかし, 1964 年, ナイル 川 上 流 にアスワンハイダ ムが 建 設 されたことにより, エジプトは 慣 行 灌 漑 へと 移 行 した. その 後 人 口 増 加 に 伴 う, 灌 漑 農 地 の 開 発 が 進 行 し, 1988 年 ナイル 川 上 流 のナセル 湖 の 水 位 低 下 により 水 不 足 となり, 水 資 源 管 理 の 限 界 が 叫 ばれるようになった (Ministry of Water Resources and Irrigation of Arab Republic of Egypt, 2005) 年 において 人 口 増 加 がさらに 進 み, 従 来 の 農 業 生 産 量 では 将 来 の 人 口 増 加 に 対 応 できない. そこで 新 たに 砂 漠 地 域 であるエジプト 南 部 のトシュカ 地 区 やナイルデルタ 東 地 区 やシナイ 半 島 北 部 などを 開 発 し, 農 地 にする 計 画 がある ( 図 1: Ministry of Water Resources and Irrigation of Arab Republic of Egypt, 2005). この 計 画 では 2017 年 までに エジプト 全 体 において 灌 漑 耕 作 地 を 1997 年 と 比 較 して 約 m 2 増 やす 予 定 である が, 耕 作 地 を 増 やすためには, 使 える 水 の 使 用 量 は 限 られているため 大 規 模 な 節 水 対 策 を 行 う 必 要 がある. ここで 水 使 用 の 内 訳 ( 図 2) を 見 ると, 約 70% 近 くの 水 が 農 業 で 使 用 され て 蒸 発 している, よって 人 口 の 大 半 と 農 業 生 産 の 大 半 を 占 めるナイルデルタにおいて 大 規 模 な 蒸 発 抑 制 政 策 を 行 えば, 第 一 に 灌 漑 排 水 が 増 えて, 下 流 にも 灌 漑 水 が 行 き 渡 るように なり, 第 二 に 蒸 発 を 抑 制 することにより 圃 場 の 土 壌 水 分 の 減 少 が 遅 くなるので, 灌 漑 回 数 を 少 なくすることができて, 節 水 することができる. その 中 で 抑 制 しなければならないの は, 地 面 蒸 発 のみであり, 蒸 散 量 は 農 作 物 の 生 産 に 大 きく 寄 与 するので, 減 らすことがで きない. つまり, 耕 作 地 の 蒸 発 散 量 の 内 の 地 面 蒸 発 量 と 蒸 散 量 を 正 確 に 把 握 する 必 要 があ る. 1-2 目 的 地 面 蒸 発 を 抑 制 するためには 一 般 的 にナイルデルタの 耕 作 地 において, 慣 行 灌 漑 ( 畝 間 灌 漑 ) から 点 滴 灌 漑 に 変 えること (Ajai, 2008) や, マルチ 材 を 敷 き 詰 める 方 策 が 考 えられ る (Chen, 2007). 本 研 究 では, 地 面 蒸 発 を 抑 制 するための 方 策 を 講 じた 際 の 蒸 発 散 量 やそ れに 占 める 地 面 蒸 発 量 と 蒸 散 量 を 推 定 し, 灌 漑 方 法 の 違 いによる, 蒸 発 散 量 の 違 いとその 内 訳 である 地 面 蒸 発 量 と 作 物 の 蒸 散 量 を 定 量 的 に 明 らかにするのが 目 的 である. 1-3 先 行 研 究 先 行 研 究 では, 例 えば Chen (2007) ではライシメーターを 用 いてマルチングを 行 ってい る 場 所 と 行 っていない 場 所 の 蒸 発 量 を 比 べた 結 果 マルチングを 行 っている 場 所 は 行 ってい ない 場 所 にくらべ 平 均 30% 蒸 発 量 が 少 なかった ( 中 国 科 学 院 圃 場 にて 小 麦 畑 ). また 井 上 (2007)では, マルチング ( 稲 ワラ) を 行 った 場 所 とマルチングを 行 っていない 場 所 の 積 算 蒸 発 量 を 比 較 した 結 果, マルチングを 行 った 場 所 の 蒸 発 量 は 行 っていない 場 所 に 比 べ 1/2 1

9 以 下 であった. また Yamanaka (2004) では 温 度 や 相 対 湿 度 を 管 理 できる, 実 験 施 設 にお いて 砂 利 のマルチを 施 した 場 所 と 施 していない 場 所 を 比 べた 結 果, 蒸 発 抑 制 効 果 を 示 した. 点 滴 灌 漑 に 関 する 研 究 は 例 えば Bonachela (2001) では 点 滴 灌 漑 圃 場 全 体 の 蒸 発 量 をマイ クロライシメーターで 湿 っている 場 所 といない 場 所 をそれぞれ 算 出 した. しかし 慣 行 灌 漑 と 点 滴 灌 漑 を 直 接 比 べ, 蒸 発 抑 制 効 果 に 言 及 した 研 究 はほとんどない. 蒸 発 散 量 を 地 面 蒸 発 量 と 蒸 散 量 に 分 離 するには, 蒸 発 散 量 を 示 し, チャンバー 法 によっ て 圃 場 の 植 物 が 生 えていない 場 所 の 地 面 蒸 発 量 を 直 接 観 測 し, その 値 を 蒸 発 散 量 から 減 じ ることによって 蒸 散 量 とする. 先 行 研 究 では 例 えば Sato (2010) のようにチャンバー 内 に 植 物 を 入 れて, 地 面 蒸 発 量 + 蒸 散 量 = 蒸 発 散 量 とする 方 法 が 取 られていたが, 本 研 究 のよ うな 手 法 で 蒸 発 と 蒸 散 を 分 離 する 研 究 はあまり 行 われていなく, 灌 漑 方 法 の 異 なる 圃 場 で それを 行 う 研 究 もあまりない. 安 定 同 位 体 比 を 利 用 し, 蒸 散 と 地 面 蒸 発 を 分 離 する 研 究 は 様 々 行 われている ( 山 中, 2009). しかし, 灌 漑 方 法 が 異 なる 圃 場 でその 研 究 を 行 った 例 は 今 までなく, 本 研 究 の 意 義 は 極 めて 大 きい. 以 上 より 本 研 究 では 正 確 な 観 測 方 法 である 渦 相 関 法 ( 杉 田 田 中, 2009) を 用 いて, 蒸 発 散 量 を 示 し, 灌 漑 方 法 の 異 なる 圃 場 においてチャンバー 法 と 安 定 同 位 体 比 という 二 つの 方 法 を 用 いて 地 面 蒸 発 と 蒸 散 を 分 離 したという 点 で 極 めて 本 研 究 の 意 義 は 大 きい. 2

10 ナイルデルタ 東 シナイ 半 島 開 発 計 画 (2017 年 までに) 約 m 2 農 地 開 発 計 画 約 45 億 m 3 /year の 農 業 用 水 が 必 要 トシュカ 地 区 開 発 計 画 ( 現 在 実 施 中 ) 約 m 2 農 地 開 発 計 画 約 40~50 億 m 3 /year の 農 業 用 水 が 必 要 図 1 農 地 拡 大 計 画. (Ministry of Water Resources and Irrigation of Arab Republic of Egypt, 2005 を 加 筆 ) 3

11 river evaporation, 4% industrial water etc, 4% outflow to sea, 23% agricultural water, 69% 図 2 ナイル 川 における 水 使 用 の 内 訳. (Ministry of Water Resources and Irrigation of Arab Republic of Egypt, 2005) 4

12 第 2 章 方 法 2-1 観 測 場 所 観 測 場 所 は 図 3 の Zankalon (N , E ), Sakha 実 験 圃 場 の 北 側 (N , E : Sakha N), Sakha 実 験 圃 場 の 南 側 (N , E : Sakha S) で 行 った. 観 測 場 所 の 灌 漑 状 況 と 作 物 は 表 1 のとおりである. 圃 場 の 平 面 図 と 断 面 図 は 図 4 と 図 5 にまとめた. また 古 来 よりナイルデルタ 地 域 は 世 界 で も 有 数 の 肥 沃 な 農 地 を 形 成 してきた. これは, 青 ナイル 上 流 域 のエチオピア 山 岳 地 帯 に 分 布 する 肥 沃 なバーティゾル 土 壌 (Vertisols) をナイル 川 がその 沿 岸 に 供 給 し 続 けたためで ある ( 北 村, 1994). 2-2 安 定 同 位 体 比 水 蒸 気 採 取 水 蒸 気 採 取 はまず Zankalon では 3 日 間 採 取 を 行 い, Sakha S では 2 日 間 採 取 を 行 い, Sakha N では 2 日 間 採 取 を 行 った. 詳 細 は 表 2 にまとめた. また 観 測 地 点 の 概 要 は 図 9 のとおりであ る. 次 に 採 取 の 流 れは 以 下 の 通 りである ( 図 11). 1. ガラス 管 1 にガラスビーズ 30 g を 入 れ, グリースでガラス 管 2 と 連 結 させた ( 図 10). 2. 連 結 したガラス 管 の 質 量 を 秤 で 計 測 した. 秤 は 風 の 影 響 を 受 けないようにプラスチック の 箱 の 中 に 入 れて, 使 用 した. 3. 各 測 器 および 水 蒸 気 トラップ 管 をチューブでつないだ. 4. 現 地 で 得 られた Automatic Weather Station (AWS) の 水 蒸 気 濃 度 (g/m 3 )と 相 対 湿 度 (%) をもとに 予 め, 絶 対 湿 度 (kg/m 3 ) と 1 g の 水 蒸 気 を 回 収 するために 必 要 な 時 間 を 計 算 し た. 5. 流 量 計 とポンプを 準 備 した. 流 量 計 は 手 前 のネジを 完 全 に 開 けた. 6. ポンプをオンにして, 流 速 を 設 定 した. 流 量 計 にて 1 (L/min)に 設 定 した. 7. 片 方 のチューブを 設 定 高 度 に 設 置 したら, チューブ 内 の 空 気 が 設 定 高 度 の 空 気 となるよ うに 換 気 を 行 った. ( 約 3 分 ) 8. 換 気 の 間 にデュワ 瓶 に 液 体 窒 素 を 入 れた. また 換 気 がすんだら, ポンプを 止 めた. 9. トラップ 管 を 液 体 窒 素 につけた. ( 約 3 分 ). 管 内 がよく 冷 えるまでポンプはオフ. 10. ポンプをオンにして, 管 内 に 空 気 を 通 した. ( 水 蒸 気 トラップ 開 始 ). 約 3 時 間 かかった. トラップ 中 はこまめに 液 体 窒 素 を 注 ぎ 足 す. 11. ポンプを 止 めた. 12. トラップ 管 を 液 体 窒 素 につけたままの 状 態 でトラップ 管 の 上 向 きの 方 に 装 着 してあるゴ ムチューブを 外 し, 素 早 くパラフィルムをかぶせ, 洗 濯 ばさみで 止 めた. 液 体 窒 素 から 出 5

13 すと 管 内 の 圧 力 が 上 がる. そのため 気 体 ( 液 体 酸 素 など) が 激 しく 噴 出 することがあり, そ れに 伴 いビーズが 飛 び 出 すことを 防 ぐため. しかし, 完 全 にビーズが 飛 び 出 すのを 防 ぐこと ができなかった. 原 因 は 図 11 にもあるが, ガラス 管 内 において 水 蒸 気 が 凍 ってしまい, 常 温 に 戻 した 時, 管 内 の 空 気 が 膨 張 した 際 に, 横 から 空 気 が 出 なくなってしまうからである. 13. トラップ 管 からビニールチューブ ( 横 の 空 気 を 取 ってきたほう) を 外 した. 14. トラップ 管 を 液 体 窒 素 から 出 した. 15. 管 内 と 外 の 圧 力 差 がある 程 度 縮 まってきたら 管 の 口 にパラフィルムをつけた. 16. 管 内 の 氷 がとけたら, 水 滴 を 良 く 拭 いて 計 測 した. ここで 1 g 取 れていない 場 合 は, もう 一 度 チューブをつなぎ, 3 に 戻 した. 17. 管 1 と 2 を 外 し, 管 1 にグリースをつけてガラス 栓 をした 土 壌 採 取 土 壌 水 と 土 壌 面 蒸 発 における 安 定 同 位 体 比 を 推 定 するために, 土 壌 サンプルを 採 取 した. Zankalon では 3 日 間 で 地 表 面 (0~-5 cm) を 毎 日 2 サンプル 採 取 した. 2 サンプルは 畝 の 上 と 下 である ( 図 5). また 表 3 の 高 度 において 採 取 した. 採 取 方 法 は 大 きな 穴 を 掘 り, 横 からサ ンプル 缶 を 入 れて 採 取 した ( 撹 乱 サンプル). また Sakha S と Sakha N においても 同 じ 個 数 を 採 取 した. ただし Sakha S で 採 取 した 表 面 土 壌 は 点 滴 灌 漑 の 水 で 湿 った 場 所 と 湿 っていな い 場 所 ( 図 8) である 植 物 採 取 植 物 中 の 水 の 安 定 同 位 体 比 を 測 定 するために, Zankalon, Sakha S, Sakha N でサンプルのト ウモロコシをそれぞれ 採 取 した. こちらは 概 要 を 表 4 にまとめた 真 空 蒸 留 採 取 した 水 蒸 気 サンプルと 植 物 サンプルは 飯 塚 (2004) に 沿 って 真 空 蒸 留 を 行 った. 蒸 留 の 簡 単 な 工 程 は 以 下 の 通 りである. 1. 枝 管 の 接 続 部 にシリコングリースを 塗 り, 植 物 サンプルおよび 水 蒸 気 サンプルの 入 った 試 験 管 と 空 の 試 験 管 を 接 続 した( 図 12). 2. コックを 閉 めた 状 態 でサンプルの 入 った 試 験 管 を 液 体 窒 素 で 冷 却 し, サンプルを 完 全 に 冷 却 した ( 図 12). 3. 枝 管 を 真 空 ポンプに 接 続 し, コックを 開 けて 内 部 を 十 分 に 減 圧 した 後 (5 分 程 度 ), コック を 閉 じ. このときサンプルを 入 れた 試 験 管 は 液 体 窒 素 で 冷 却 されたままであるので, 植 物 体 中 の 水 が 気 化 して 散 逸 することはない ( 図 12). 4. サンプルの 入 った 試 験 管 の 冷 却 を 止 め, 植 物 サンプルの 場 合 湯 煎 (90 ) にかけ ( 図 13), 水 蒸 気 サンプルの 場 合 直 接 ガスバーナーで 加 熱 した ( 図 14), また 同 時 に 空 の 試 験 管 を 液 体 窒 素 で 冷 却 した. 植 物 サンプルは 試 験 管 を 沸 騰 させた 水 に 入 れて 約 2 時 間 湯 煎 した. 水 蒸 気 6

14 サンプルの 場 合 直 接 バーナーで 加 熱 させながら, 見 た 目 で 水 蒸 気 が 空 の 試 験 管 に 完 全 に 移 動 するまで 加 熱 した 遠 心 分 離 採 取 したサンプルは 山 中 (1997) に 沿 って 遠 心 分 離 を 行 った. 土 壌 試 料 を 充 填 した 100 cc の ステンレス 製 採 土 管 をろ 過 筒 に 集 水 管 とともに 土 壌 用 遠 心 ローター ( 図 15: 佐 久 間 製 作 所 製 HB-R 型 ) に 格 納 し, rpm で 10 時 間 冷 却 遠 心 操 作 を 行 い, 水 分 を 採 取 した 常 温 蒸 留 土 壌 を 封 入 した 容 器 と-40 に 冷 却 したエタノールにつけたガラス 管 およびポンプ( 榎 本 マイクロポンプ 製 作 所 製,MV-6005VP) をビニールチューブでつないでできる 閉 鎖 系 経 路 内 において 空 気 を 一 定 速 度 で 循 環 させ, 容 器 内 で 蒸 発 した 水 分 をガラス 管 に 凝 結 させて 採 取 した ( 図 16). 水 分 の 回 収 は5~12 時 間 かけて 行 った.この 水 の 安 定 同 位 体 比 に 対 し, 回 収 されずに 残 った 水 分 量 の 割 合 (r)と 回 収 装 置 ごとに 求 めた 以 下 の 式 と 分 別 係 数 ( 酸 素 : 水 素 : ) から 補 正 を 行 い ( 山 中, 1997; 佐 々 木, 2004), 各 土 壌 水 の 安 定 同 位 体 比 を 求 めた. δ 1 δ + α v 0 = 1 α (1 f ) 1000( f f ) 1 f (1) ここでδ 0 は 補 正 した 同 位 体 比, fは 液 状 水 残 存 率, δ v は 補 正 前 の 同 位 体 比, αは 同 位 体 分 別 係 数 である 安 定 同 位 体 比 計 測 以 上 の 方 法 より 抽 出 した 水 と 灌 漑 水 と 地 下 水 を 筑 波 大 学 恩 田 研 究 室 所 蔵 のPicarro L1102-i Isotopic Liquid Water and Water Vapor Analyzerにて 水 素 酸 素 安 定 同 位 体 比 の 計 測 を 行 った. 2-3 チャンバー 法 チャンバー 法 は Sato (2010) に 基 づき 行 った. Zankalon ではまず 1 日 目 (8/3) 午 前 中, 圃 場 5 カ 所 にカラーを 置 き, 12 時 から 観 測 を 開 始 した. 5 カ 所 は 畝 の 上 3 カ 所 と 畝 の 下 でマルチを 敷 き 詰 めた 状 態 の 所 に 置 いた ( 図 5). Sakha S ではカラーの 置 いた 場 所 は, 2 カ 所 点 滴 灌 漑 によ って 水 が 噴 出 する 場 所 に 置 き, 3 カ 所 は 水 が 噴 出 しない 地 面 に 置 いた ( 図 8). 次 に Sakha N で はカラーの 置 いた 場 所 は, 2 カ 所 畝 の 上, 3 カ 所 畝 の 下 に 置 いて 観 測 を 行 った ( 図 9). 観 測 は 一 つのカラーにつき 1 セットにつき 5 回 観 測 を 行 った. 概 要 を 図 17 に 詳 細 は 表 5 にまとめた. 7

15 次 に 以 下 のマニュアルに 従 い 観 測 を 行 った. カラーを 数 か 所 に 設 置 する. ロガー, LI-840, 電 源, ポンプ, チャンバー, タフブック, チ ューブ, ファン, 熱 電 対, などを 接 続 し, コードとバッテリーをつなぐ. タフブックのロガーネ ットを 開 いて connect をクリック, Numeric や Graph の 1 を 開 いて H2O, CO2 などの 値 が 正 常 かどうかを 見 た. 正 常 であることの 見 極 める 手 段 として, グラフの 値 がチャンバーをカラ ーに 覆 った 直 後 に 右 肩 上 がりに 上 昇 していればよいが, 一 見 ではわからないので, グラフの 最 大 値 最 小 値 もチェックした. ほとんど 正 常 であったので Collect をクリックして 記 録 を 保 存 し た. 覆 った 後, 約 1 分 かけて 正 常 な 値 であれば, disconnect をクリックし, 1 回 の 測 定 を 終 えた. 覆 った 人 以 外 にロガーネットをチェックした 人 は 覆 った 時 間 と 測 定 を 終 えた 時 間 を 記 録 してお いた. これを 一 つのカラーに 5 回 繰 り 返 して, 次 のカラーに 移 動 した. 8

16 図 3 エジプト 地 図. 左 の 地 図 は Map source は Aster G-DEM であり, 右 の 白 地 図 は 福 田 (2010) のエジプト 全 体 の 地 図 を 基 に 作 成 した. 9

17 表 1 夏 季 実 験 圃 場 の 状 況 対 象 地 灌 漑 方 法 作 物 播 種 刈 り 取 り Zankalon 慣 行 灌 漑 +マルチ 6 月 18 日 -24 日 9 月 18 日 ング とうもろこし (Cross 10) Sakha N 慣 行 灌 漑 6 月 日 9 月 日 Sakha S 点 滴 灌 漑 6 月 26-7 月 上 旬 9 月 19 日 10

18 Automatic Weather Station (AWS) 拡 大 図 N 灌 漑 水 路 AWS 100 m カラー 図 4 Zankalon 圃 場 平 面 図 11

19 畝 の 上 にはマルチ 材 ( わら) を 0.4 kg/m 2 敷 き 詰 めた. とうもろこしの 高 さ 約 2 m 40 cm A B 畝 の 高 さ 20 cm 40 cm 図 中 の 赤 字 の A 地 点 を 畝 の 下, B 地 点 を 畝 の 上 と 呼 ぶ. 図 5 Zankalon 圃 場 断 面 図 と 畝 の 様 子 12

20 灌 漑 水 路 Sakha N AWS 畝 間 灌 漑 灌 漑 水 路 カラー Sakha N 実 験 圃 場 Sakha S 実 験 圃 場 点 滴 灌 漑 農 道 Sakha S AWS カラー 図 6 Sakha 圃 場 平 面 図. 北 側 を Sakha N 南 側 を Sakha S とした. 作 物 : トウモロコシ Sakha N では 畝 間 灌 漑 Sakha S では 点 滴 灌 漑 を 行 った. 周 辺 は 放 牧 地, 小 麦 畑, 農 道 な どであった. 13

21 とうもろこしの 高 さ 約 1.6 m 40 cm A B 畝 の 高 さ 20 cm 40 cm 図 中 の 赤 字 の A 地 点 を 畝 の 下, B 地 点 を 畝 の 上 と 呼 ぶ. 図 7 Sakha N 断 面 図 と 畝 の 様 子 14

22 点 滴 灌 漑 断 面 図 点 滴 灌 漑 平 面 図 図 8 Sakha S 点 滴 灌 漑 断 面 図 平 面 図 15

23 表 2 水 蒸 気 採 取 の 概 要 場 所 年 / 月 / 日 高 度 採 取 時 刻 (エジプト 時 間 )* Zankalon 2010/8/ m, 3.0 m, 1.0 m 13:10~16:30 Zankalon 8/ m, 3.0 m, 1.0 m, 0.5 m 9:20~17:30, 17:44~19:20 Zankalon 8/ m, 3.0 m, 1.0 m, 0.5 m 8:45~14: m, 3.0 m 15:30~19:20 Sakha S 8/ m, 3.0 m, 1.0 m, 0.5 m 8:10~12:10, 15:50~19:20 Sakha S 8/ m, 3.0 m, 1.0 m 7:50~12: m, 3.0 m, 1.0 m 15:45~19:20 Sakha N 8/ m, 3.0 m, 1.0 m, 0.5 m 8:00~12:20, 15:45~19:20 Sakha N 8/ m, 3.0 m, 1.0 m 7:45~12: m, 3.0 m, 1.0 m 15:40~18:30 *エジプト 時 間 はサマータイムを 適 用 しているため UT+2 時 間 16

24 水 蒸 気 採 取 場 所 (5.78 m) 水 蒸 気 採 取 場 所 (3 m) 水 蒸 気 採 取 場 所 (1 m) 水 蒸 気 採 取 場 所 (0.5 m) 図 9 水 蒸 気 サンプル 採 取 場 所. 以 上 の 4 地 点 において 水 蒸 気 を 採 取 するとともに, 5.78 m においては 水 蒸 気 濃 度 (g/m 3 ), 3 m, 1 m, 0.5 m においては 温 湿 度 計 により 相 対 湿 度 (%) を 測 定 した. 17

25 図 10 水 蒸 気 トラップの 概 要 ( 佐 々 木, 2004) 18

26 ポンプ ( 柴 田 科 学, MP-2N) 流 量 計 氷 が 詰 まり, 常 温 に 戻 した 時, 空 気 の 流 れを 阻 害. 枝 管 水 蒸 気 ビニルチューブ (Koflok RK1150PV) 空 気 の 流 れ ビニルチューブ 水 蒸 気 ガラスビーズ ( 約 30 g) ガラス 管 液 体 窒 素 常 温 に 戻 した 時 の 空 気 の 流 において 水 蒸 気 が 凍 り, トラッ プされる. 図 11 水 蒸 気 トラップの 流 れ 19

27 コック 真 空 ポンプ 空 の 試 験 管 2. 真 空 ポンプで 真 空 に 引 く. (5 分 程 度 ) 1. 液 体 窒 素 で 冷 却 ( 完 全 に 凍 結 ) 3. 液 体 窒 素 を 入 れ 替 える. 4. 冷 却 4. 加 熱 図 12 真 空 蒸 留 装 置 概 要 20

28 図 13 植 物 を 湯 煎 し, 植 物 の 水 を 抽 出 する 様 子 21

29 液 体 窒 素 デュワー 瓶 横 からバーナ ーを 手 に 持 っ てサンプルの 入 った 試 験 管 直 接 加 熱. 図 14 水 蒸 気 サンプルの 加 熱 作 業. ななめから 見 た 図 22

30 . 図 15 遠 心 分 離 写 真. 土 壌 を 円 筒 に 詰 めた. また 円 筒 と 土 壌 の 全 質 量 が 二 つのサンプル で 同 じになるように 調 節 し, 計 量 した. 遠 心 分 離 機 の 中 の 様 子. 23

31 コールドトラップ -40 エタノール 空 気 の 流 れ 4 L/min 榎 本 マイクロポンプ 製 作 所 製,MV-6005VP ビニルチューブ ポリエチレン 製 タッパー サンプル 土 壌 図 16 常 温 蒸 留 装 置 24

32 1 L/min 熱 電 対 : 地 温 測 定 カラー ファン 光 量 子 計 図 17 チャンバー 法 概 要 25

33 表 3 土 壌 採 取 個 数 採 取 高 度 (cm) 24~0 畝 の 上 0~(-10) 畝 間 (-10)~(-20) (-20)~(-30) (-30)~(-40) (-70)~(-80) 場 所 年 / 月 / 日 個 数 Zankalon 2010/8/ Zankalon 8/ Zankalon 8/ 点 滴 周 辺 点 滴 以 外 Sakha S 8/ Sakha S 8/ ~0 畝 の 上 0~(-10) 畝 間 Sakha N 8/ Sakha N 8/ : サンプル 管 1 個 またはサンプル 瓶 で 1 個 土 壌 採 取. 0: 採 取 なし. 26

34 表 4 植 物 サンプル 概 要 場 所 年 / 月 / 日 草 丈 採 取 した 個 所 個 数 Zankalon 2010/8/5 2 m 根 から 0.2 m と 根 から 0.5 m 1 個 ずつ 根 から 0.15 m と 根 から 0.3 Sakha S 8/ m 1 個 ずつ m Sakha N 8/ m 根 から 0.2 m と 根 から 0.3 m 1 個 ずつ 27

35 表 5 チャンバー 法 観 測 回 数 場 所 年 / 月 / 日 観 測 (セット 回 数 )* Zankalon 2010/8/3 2 Zankalon 8/4 5 Zankalon 8/5 5 Sakha S 8/7 5 Sakha S 8/8 6 Sakha N 8/9 6 Sakha N 8/10 5 *1 セット:5 個 のカラーの 観 測, 1 個 のカラーで 5 回 の 観 測 を 行 っているので, 1 セ ット 5 5=25 回 観 測 を 行 った. 28

36 第 3 章 結 果 と 考 察 3-1 安 定 同 位 体 比 Keeling plot analysis の 概 要 任 意 の 地 点 における 大 気 を 構 成 する 水 蒸 気 の 起 源 として 主 に, 土 壌 面 蒸 発 で 生 じる 水 蒸 気, 蒸 散 で 生 じる 水 蒸 気,そして 自 由 大 気 の 水 蒸 気 の3つが 考 えられる.ここで, 蒸 発 と 蒸 散 を 一 緒 にした 蒸 発 散 水 と 自 由 大 気 中 水 蒸 気 の2つの 混 合 を 考 えると,その 過 程 は 以 下 の 式 で 表 される (Moreira, 1997). 1 δ = Q ( δ δ ) + δ Q V atm atm ET ET (2) δ V は 各 高 度 の 水 蒸 気 の 安 定 同 位 体 比, Q atm は 大 気 水 蒸 気 の 絶 対 湿 度, δ atm はバックグ ラウンド 大 気 の 安 定 同 位 体 比, 1 は 各 高 度 における 絶 対 湿 度 の 逆 数, δ Q ET は 蒸 発 散 により 生 じている 水 蒸 気 の 安 定 同 位 体 比 である. この 方 法 は,Keeling (1961) が 植 物 および 土 壌 呼 吸 によって 大 気 に 放 出 される 二 酸 化 炭 素 の 同 位 体 組 成 を 把 握 するために 提 案 した 手 法 を 水 蒸 気 に 適 用 させたもので, 任 意 の 地 点 における 水 蒸 気 がバックグラウンドとなる 大 気 の 水 蒸 気 と, 蒸 発 散 による 水 蒸 気 のみから 構 成 されること,そして 水 蒸 気 量 の 変 化 が 上 記 の2 者 の 混 合 のみによっ て 生 じる, という 仮 定 に 基 づいている.この 仮 定 のもと, 上 式 に 従 って 地 上 数 高 度 で 採 取 した 水 蒸 気 の 安 定 同 位 体 比 を 絶 対 湿 度 の 逆 数 に 対 してプロットすると,その 回 帰 直 線 の 切 片 が 蒸 発 散 水 の 安 定 同 位 体 比 を 示 す. Moreira et al. (1997) にて 示 された Keeling plot analysis の 概 念 図 を 図 18に 示 す.この 図 において, 各 サンプルのプロッ トがライン1 上 にのる 場 合 は 土 壌 面 からの 蒸 発 水,ライン2 上 にのる 場 合 は 蒸 散 水 が 主 な 水 蒸 気 源 であることを 示 す.また,ライン1と2の 間 にあたる3の 領 域 にプロットされ る 場 合 は 蒸 発 と 蒸 散 の 両 方 が 寄 与 していることを 示 す. ところで 山 中 (2009) によると, Keelingプロット 法 は 質 量 保 存 則 を 基 礎 として 導 く ことができるが, 全 く 別 の 方 法 で 導 出 することができる. 水 蒸 気 フラックスの 同 位 体 比 (δf) は, 通 常 の 水 分 子 の 質 量 フラックス (F) に 対 する 重 い 同 位 体 分 子 (F i ) の 質 量 フラックスの 比 として 定 義 される. δ F = j 1 i F F (3) ここで, jは 通 常 の 水 の 質 量 数 と 重 い 同 位 体 の 質 量 数 の 比 (HDOについて19/18, 29

37 H2 18 Oについては20/18) であり, 上 付 き 添 え 字 iは 同 位 体 に 関 する 値 であることを 示 す. 接 地 層 内 の 水 蒸 気 フラックスは ( 分 子 拡 散 の 影 響 が 及 ぶ 粘 性 底 層 や 粗 度 層 下 部 を 除 け ば) flux-gradient relation (Garatt, 1992 など) によって 次 式 のように 表 せる. ku* ρ( q1 q2) F = z2 d ln Ψ q ' z d 1 (4) ここでKは 乱 流 拡 散 係 数, zは 高 度 である. 同 様 に 同 位 体 フラックスは 次 式 で 表 現 さ れる. ' ku* ρ( q1 q2) F = Z2 d ln Ψ q ' Z d 1 ' (5) ここで (5)/(4)を 行 うと, F / F q q j = = δ ' 1 2 ' ' q1 q2 1 F (6) ここで j は 通 常 の 水 の 質 量 数 と 重 い 同 位 体 比 の 質 量 数 の 比 であり, HDO=19/18, H218O=20/18 である. δf は 水 蒸 気 の 同 位 体 比 である. ここで R = [ D] [ H ] 2 HO 18 O, 16 O HO 2 (7) R R δ = (8) std (8)を 用 いると, q1 q2 1 1 = ' ' q1 q2 j δf + 1 R 3 10 std (9) 30

38 よって 水 蒸 気 フラックスの 同 位 体 比 は 次 式 で 与 えられる. δ F i 1 dq = j (10) dq 式 中 の 微 分 を 二 高 度 での 差 分 に 置 き 換 えると δ F Q2δ2 Q1δ1 = Q Q 2 1 (11) 下 付 き 添 え 字 2と1を 比 べ, 2の 方 が 高 度 上 位 であることを 表 す. この 式 は δ F が, Keeling plot 上 の 点 (1/Q2, δ2)ともう 一 点 (1/Q1, δ1)を 通 る 直 線 の 切 片 を 表 す 式 に 等 し い ( 連 立 方 程 式 から 切 片 を 求 める). つまり 図 18 上 に 置 いて 回 帰 直 線 の 切 片 は 地 表 面 からの 水 蒸 気 フラックスのδ 値 と 同 価 である. またflux gradient relationが 成 立 するた めには 十 分 なフェッチが 必 要 であり, その 目 安 は 測 定 高 度 の 数 十 倍 から100 倍 程 度 で ある, ( 杉 田, 1996). 本 研 究 においては 測 定 高 度 5.8 mに 対 して, 最 低 圃 場 に60 mの 幅 が 必 要 であるが, 図 4 図 6を 見 てもわかるようにその 条 件 は 満 たしている. 土 壌 面 蒸 発 により 生 成 される 水 蒸 気 の 安 定 同 位 体 比 には, 大 気 中 の 水 蒸 気 の 安 定 同 位 体 比, 相 対 湿 度, 平 衡 分 別 係 数, 非 平 衡 分 別 係 数 が 影 響 する.これに 伴 う 同 位 体 分 別 は, 以 下 の 式 で 示 される (Moreira et al. 1997). 1 * δe = ( δs / α δah / (1 h) α k (12) δ E は 土 壌 面 蒸 発 の 同 位 体 比, δ a は 採 取 した 0.5 m における 水 蒸 気 の 同 位 体 比, h は 採 取 した 0.5 m における 相 対 湿 度 (%) δ S は 本 研 究 においては Zankalon Sakha N におい て 畝 の 上 と 下 各 々サンプルを 採 取 しているので, その 値 を 以 下 の 加 重 平 均 計 算 式 にあ てはめ 算 出 した. δ = 1 / 2( E δ + E δ ) (13) S 1 s1 2 s2 δ s1 は 畝 の 上 で 採 取 したサンプル (0~1 cm) でδ s2 は 畝 の 下 で 採 取 したサンプル (0~1 cm)である. E は 1 畝 の 上 の 蒸 発 速 度 (mm/h), は E 2 畝 の 下 の 蒸 発 速 度 (mm/h)である. 一 方 Sakha S においては 図 8 の 平 面 図 から, 点 滴 灌 漑 周 辺 と 点 滴 灌 漑 以 外 の 場 所 を 分 31

39 けて 加 重 平 均 計 算 式 にあてはめ 算 出 した. δ a a s Ed d 1 Ed d a δ = + δ a1 (14) a 1 は ( 点 滴 灌 漑 の 4 っの 穴 を 囲 った 部 分 の 面 積 ) m 2, a 2 は ( 点 滴 灌 漑 周 辺 の 面 積 ) m 2, δd1 は 点 滴 灌 漑 で 湿 った 場 所 で 採 取 したサンプル (0~1 cm), δd2 は 点 滴 灌 漑 で 湿 っていない 場 所 で 採 取 したサンプル (0~1 cm), E d 1 は 点 滴 灌 漑 の 蒸 発 速 度 (mm/h), E d 2 は 点 滴 灌 漑 以 外 の 蒸 発 速 度 (mm/h) である. αkとα*はそれぞれ, 境 界 層 内 における 動 的 分 別 係 数 と 平 衡 分 別 係 数 をあらわす. Majoube (1971)によれば, 酸 素 安 定 同 位 体 についての 平 衡 分 別 に 関 するα*は 次 式 によ って 表 される =- - (15) lnα * / T / T ここでTは 温 度 (K)である.α*は 深 度 深 度 0~20 cmにおける 地 温 から 求 めた 値 を 用 いた. また,α k には, 水 素 について1.017, 酸 素 について1.0189という 値 を 用 いた.この 値 は Kays and Crawford (1980)とMarlivat (1978)による 計 算 法,および 測 定 値 から 計 算 さ れた 値 である(Flanagan et al. 1991). これらの 値 から, 蒸 発 散 に 占 める 蒸 散 の 割 合 をYakir and dasternberg (2000) に 示 された 以 下 の 式 を 用 いて 求 めた.ここで, 蒸 散 比 率 はある 一 日 の 蒸 発 散 に 占 める 蒸 散 の 割 合,δETは 蒸 発 散 水 の 安 定 同 位 体 比,δTは 蒸 散 水 の 安 定 同 位 体 比,そしてδEは 蒸 発 水 の 安 定 同 位 体 比 をあらわす. 蒸 散 比 率 = 100 ( δ δ )/ ( δ δ ) (16) ET E T E δ ET は keeling plot で 算 出 した 同 位 体 比, δ E は 土 壌 面 蒸 発 の 同 位 体 比, δ T は 蒸 散 の 同 位 体 比 ( 植 物 サンプルの 同 位 体 比, 根 の 深 さまでの 同 位 体 比, 根 長 密 度 を 基 に 加 重 平 均 を 行 った 同 位 体 比 ) 常 温 蒸 留 補 正 値 計 算 安 定 同 位 体 比 を 測 定 するうえで, 土 壌 水 をまず 遠 心 分 離 をかけて, 抽 出 を 行 うので あるが, 乾 燥 度 が 進 み 遠 心 分 離 できなかった 水 を 抽 出 するのに 常 温 蒸 留 を 行 った. 表 6 はその 結 果 である. なお r: 液 状 水 残 存 率 は 式 (13)で 表 した. 32

40 1 r = x x + y (17) ここで x は 常 温 蒸 留 でトラップした 水 の 質 量 (g), y は 常 温 蒸 留 でトラップできなかっ た 水 の 質 量 (g)である. y は 常 温 蒸 留 を 行 った 直 後 の 土 壌 を 100 のオーブンで 24 時 間 乾 燥 させた 後 の 前 後 の 差 を 計 量 することにより 求 めた 真 空 蒸 留 同 位 体 比 遠 心 分 離 同 位 体 比 デルタダイアグラム 表 7 に 遠 心 分 離 で 水 を 抽 出 した 土 壌 水, 表 8 に 真 空 蒸 留 で 抽 出 した 水 蒸 気 の 同 位 体 比, 表 9 に 真 空 蒸 留 で 抽 出 した 植 物 の 同 位 体 比, 表 10 に 灌 漑 水 地 下 水 のデータをま とめた. また 図 19 図 20 図 21 において 各 圃 場 のデルタダイアグラムをまとめた. デルタダイアグラムを 見 ると, 3 圃 場 ともに 土 壌 水 は 蒸 発 の 影 響 を 非 常 に 受 けてい る 事 がわかった. また 植 物 の 同 位 体 比 は 茎 の 部 位 の 上 の 部 分 が 同 位 体 比 が 高 くなった 土 壌 水 同 位 体 鉛 直 プロファイル 図 22 図 23 図 24 に 土 壌 水 同 位 体 比 の 鉛 直 プロファイルを 示 した. また 比 較 する ためにとうもろこしの 根 長 密 度 と 土 壌 水 分 量 を 示 した. この 図 からまず Zankalon, SakhaS, SakhaN 3 ヶ 所 ともに 土 壌 水 同 位 体 比 は 表 面 に 行 けば 行 くほど 蒸 発 の 影 響 か らか 高 くなっている. また 深 度 が 深 くなればなるほど 同 位 体 比 は 一 定 に 近 づいていく ということがわかった. また 植 物 の 同 位 体 比 は 土 壌 水 の 同 位 体 と 全 く 一 致 しないこと がわかった. 植 物 の 同 位 体 比 は 土 壌 水 よりむしろ 灌 漑 水 や 地 下 水 の 水 に 近 い 値 を 示 し た. これにより 同 位 体 データから, 観 測 期 間 中 に 植 物 は 土 壌 水 を 吸 水 していないとい う 結 論 に 至 った Keeling plot analysis の 結 果 と 検 証 図 25~ 図 29 まで Keeling plot analysis の 結 果 を 示 した, トレーサーは 誤 差 の 少 な い δ18o を 用 いた. 絶 対 湿 度 は 観 測 時 間 の 中 間 値 を 採 用 した. この 結 果 から δet を 推 定 した. これを 基 に 一 日 の 蒸 発 散 に 占 める 蒸 散 比 率 (T/ET) 表 11 にまとめた. 表 11 の T/ET を 見 てみると, 土 壌 水 を δt とおいた 場 合 と 植 物 を δt とおいた 場 合 に 比 べ, 植 物 の 蒸 散 比 率 のほうが 大 きくなる 傾 向 となることがわかった. 両 者 を 比 較 し, どちらが 真 値 か 検 討 した 時, 例 えば 福 田 (2010) では 蒸 散 比 率 は 70%と 定 義 していたが, 本 研 究 の 場 合, 植 物 を δt として 用 いた 場 合, その 比 率 に 近 い 傾 向 となった. また Williams (2004) では 灌 漑 圃 場 におけるオリーブ 畑 において Keeling plot analysis を 用 いて, 蒸 散 比 率 を 推 定 したが, %という 結 論 となった. また 土 壌 鉛 直 プロファイルから この 植 物 は 観 測 期 間 中, 土 壌 から 吸 水 していないのではないかという, 仮 説 があった ので, 植 物 を δt として 用 いた 場 合 のほうがより 真 値 に 近 いのではないかという 結 論 に 33

41 いたった. 3-2 チャンバー 法 水 蒸 気 濃 度 から 蒸 発 量 へ 換 算 チャンバー 法 により 算 出 される 値 は 水 蒸 気 濃 度 (ppt) であるのでそれを 蒸 発 量 (mm/h) に 変 換 しなければならない. その 変 換 には Sato (2010) や 浦 野 (2005) を 参 考 に 以 下 の 式 を 用 いて 行 った. v PM 1 E = ΔE (18) a RT ρ W E は 蒸 発 量 (mm/h)である, Eは 水 蒸 気 濃 度 の 1 秒 毎 の 変 化 率 (ppt/s) である. v はチ ャンバーの 体 積 (m 3 ), a はチャンバーの 底 面 積 (m 2 ), ρ w は 大 気 圧 (atm), M は 水 のモ ル 質 量 18 (g/mol), T は 気 温 (K), R は 気 体 定 数 (atm m 3 /mol K), ρ w は 水 の 密 度 1000 (g/m 3 ) である. 気 温 は 本 来 ならチャンバー 内 の 気 温 を 熱 電 対 に 観 測 しな ければならなかったのだが, 今 回 観 測 することができなかったので, チャンバー 内 の 地 温 を 用 いた. また 気 圧 も 観 測 することができなかったので, AWS の 気 圧 値 を 用 いた Eの 算 出 Eは 様 々なグラフやチャンバーの 大 きさや 水 蒸 気 濃 度 が 飽 和 するまでの 時 間 を 考 え て, 図 30 のように 観 測 開 始 時 間 から 10 秒 間 の 水 蒸 気 濃 度 データの 回 帰 線 の 傾 きを 用 いた. しかし, 図 31 のように 0 秒 から 傾 きが 上 昇 しないものや, 図 32 のように 10 秒 前 に 水 蒸 気 濃 度 が 飽 和 してしまうものもある, そこで 決 定 方 法 を 以 下 のように 定 めた. 1 まず 傾 きの 上 昇 が 始 まる 点 を 始 点 とおいてそこから 10 秒 間 の 回 帰 線 の 傾 きを 算 出 した. 2 1で 決 定 した 回 帰 線 の 決 定 係 数 が 10 秒 間 で 以 下 のものは, 秒 数 を 10 秒 から 順 番 に 5 秒 まで 減 らしていき, そのとき 自 由 度 調 整 付 き 変 数 (R 2 ): (15) が 以 上 になったらその 値 を 採 用 する. R 2' 2 k n 1 = R ( ) n 1 n k 1 (19) ここで R 2 は 回 帰 線 の 決 定 係 数 である. また k は 説 明 変 数 であり, この 場 合 1 である. n はサンプル 数 であり, この 場 合 10~5 秒 である. 3 5 秒 まで 減 らしても, R 2 が 以 上 にならないものは, 10~5 秒 で 一 番 大 き いものを 採 用 した ( 図 32). 34

42 3-2-3 チャンバー 法 結 果 以 上 の 解 析 から 蒸 発 量 (mm/h)を 算 出 した, それとともに Zankalon では 3 m と 1 m の AWS のボーエン 比 を 利 用 し, ボーエン 比 法 ( 杉 田 田 中, 2009; 近 藤, 2000 など) で 蒸 発 散 量 (mm/h)を 算 出 した. SakhaS と SakhaN では 渦 相 関 法 ( 杉 田 田 中, 2009) で 蒸 発 散 量 (mm/h) を 算 出 した. 図 33 図 34 図 35 図 36 図 37 図 38 ではそれら の 結 果 の 生 データを 示 した 蒸 散 比 率 算 出, PAR 飽 差 風 速 との 比 較 チャンバー 法 で 算 出 した 蒸 発 量 を 表 5 の 1 セット 毎 の 時 間 と 蒸 発 量 のメディアンを 取 り, その 値 を 畝 間 灌 漑 には (9) 式 を 利 用 し, 点 滴 灌 漑 には (10) 式 を 利 用 し, それ ぞれ 加 重 平 均 することによって, 地 面 蒸 発 量 を 求 めた, その 一 日 分 の 地 面 蒸 発 量 を 全 て 加 え, 1 セット 毎 の 時 間 のメディアンにおける 蒸 発 散 量 (ET) を 全 て 加 えたものか ら 減 じたのが 蒸 散 量 (T) である. この 一 日 の T/ET が 蒸 散 比 率 となる. 図 39 図 40 図 33 図 35 図 37 図 39 図 41 図 43 にチャンバー 法 で 測 定 した 地 面 蒸 発 量 と 蒸 発 散 量 をそれぞれ 示 した. また 表 12 にチャンバー 法 の 蒸 散 比 率 のまとめを 示 した. こ れに 土 平 ( 私 信, 2011) による LAI と 被 度 のデータも 示 した. 図 34 図 36 図 38 図 40 図 42 図 44 に 測 定 した PAR ( 光 合 成 有 効 放 射 量 ) との 比 較 を 行 った. 全 ての 場 合 で PAR が 上 昇 すれば, 蒸 散 量 と 地 面 蒸 発 量 が 上 昇 することがわかった. また 大 気 の 乾 燥 度 を 示 す 飽 差 との 比 較 も 示 した. 近 藤 (2000) によると 飽 差 が 30 hpa 以 上 になる 時, 植 物 は 過 剰 な 蒸 散 を 防 ぐために 気 孔 を 閉 じてしまうことがあるが, 本 研 究 においてはまず 図 36 に おいて 飽 差 が 30 hpa がこのとき 蒸 散 が 少 なくなった. また 図 44 において 飽 差 が 30 hpa に 近 い 値 を 示 した 時, 飽 差 が 少 なくなった. また 風 速 との 比 較 も 示 したが 特 徴 は 見 られな かった 土 壌 水 分 量 土 壌 水 分 の 分 布 を 図 46 図 47 図 48 に 示 した, Zankalon では 地 中 深 くなるにつれ て 土 壌 水 分 が 少 なくなり, SakhaS では 点 滴 灌 漑 の 影 響 下 で 土 壌 水 分 が 多 くなり, SakhaN ではほぼ 全 体 的 に 一 定 であった 有 意 性 の 解 析 図 46 を 見 ても 明 らかなようにマルチを 施 した 場 所 と 施 していない 場 所 の 平 均 値 が 見 た 目 では 全 く 差 が 見 られず 土 壌 水 分 量 にも 差 が 見 られなかったので, t 検 定 と F 検 定 を 行 い, 統 計 学 的 に 有 意 な 差 があるか 検 証 した. その 方 法 は 帰 無 仮 説 というマルチを 施 した 場 所 と 施 していない 場 所 の 平 均 値 に 有 意 な 差 がないという 仮 説 を 立 て, t 検 定 で 信 頼 区 間 を 算 出 した. この 結 果 8/4 8/5 とも 確 率 95% 以 内 に 信 頼 区 間 があり, 帰 無 仮 説 を 否 定 できないことから, 平 均 値 に 有 意 な 差 はないことがわかった. この 原 因 とし 35

43 て 図 45 にあるように 土 壌 水 分 が 少 なくなり 土 壌 の 乾 燥 が 進 み, 蒸 発 する 水 が 少 なくな り 差 を 感 知 できなくなったのではないかと 考 えられる. 3-3 蒸 散 比 率 の 比 較 表 13 にチャンバーの 蒸 散 比 率 と 同 位 体 比 による 同 位 体 比 を 比 較 し, まとめた. これ を 見 ると, チャンバー 法 に 比 べ, 安 定 同 位 体 比 の 方 が 特 に 植 物 を δt と 取 った 方 が, 全 体 的 に 蒸 散 比 率 が 大 きくなる 傾 向 がある. この 原 因 として 考 えられるのがチャンバー 法 の 一 日 の 観 測 回 数 5 セットのうち 1 回 でも 地 面 蒸 発 の 大 きい 時 に 観 測 を 行 った 場 合, その 値 は 安 定 同 位 体 比 の 測 定 よりも 一 日 の 合 計 地 面 蒸 発 量 に 大 きく 影 響 してしま うからである. チャンバー 法 で 蒸 発 散 量 と 同 じ 時 間 の 測 定 を 行 えば, より 真 値 に 近 づ くと 考 えられる. また 圃 場 の 土 壌 水 分 量 にばらつきがあった 場 合, その 値 を 大 きく 評 価 してしまう 可 能 性 もある. 3-4 蒸 発 抑 制 効 果 の 検 証 点 滴 灌 漑 とマルチの 蒸 発 抑 制 効 果 を 検 証 するために, そのまま 地 面 蒸 発 の 値 を 比 較 するのでは 正 しく 議 論 することができない. なぜなら 植 生 の 成 長 度 などが 異 なるから である. そこで LAI の 値 を 全 て 等 しく 補 正 してから 議 論 することにした. そのために LAI の 値 のみから 蒸 発 比 率 (E/ET) が 検 証 できる, (20) を Merta (2006) から 適 用 し た. そのモデルは E 0.9 = 0.19 LAI (20) ET この LAI に 各 圃 場 で 算 出 された, LAI の 値 を 代 入 すれば 蒸 発 比 率 が 推 定 できる. これに A 1 補 正 値 = (21) E A 2 E は 補 正 する 前 の 蒸 発 量, A1 は (15) 式 で 示 した, SakhaN の 蒸 発 比 率, A2 は(15) 式 で 示 したそれぞれの Sakha S, Sakha N の 蒸 発 比 率 である. その 結 果 を 表 14 に 示 した. 表 14 の 地 面 蒸 発 量 の 補 正 値 を 見 ると, Zankalon と SakhaN, SakhaS と SakhaN を 比 べると, Zankalon と SakhaS の 方 が 高 く, 蒸 発 抑 制 効 果 が 表 れていないことが 分 か る. この 原 因 は 土 壌 の 乾 燥 にあると 考 え, まず 表 面 土 壌 の 土 壌 水 分 量 をみたところ, 土 壌 水 分 量 は 20% 以 下 と 低 く, 土 壌 は 乾 燥 しているということがわかった. また 土 壌 の 乾 燥 度 を 示 すもう 一 つの 指 標 として, 土 壌 が 乾 燥 すれば 植 物 が 吸 水 しなくなるため 蒸 散 が 少 なくなることから, 蒸 散 比 率 に 注 目 したところ, 特 に SakhaS では 蒸 散 比 は 36

44 低 く, 土 壌 の 乾 燥 が 進 んでいるものと 考 えられる. 37

45 測 定 値 をプロット 図 18 Keeling plot analysis 概 念 図 38

46 表 6 常 温 蒸 留 補 正 結 果 Sample name δ18o ( ) δd ( ) r 1-r δ18o 補 正 値 ( ) δd 補 正 値 ( ) A A A A A A A A B B B B B B B B B B C C C C C C C C

47 表 7 遠 心 分 離 同 位 体 比 測 定 値 Sample name δ18o ( ) δd ( ) 0803 Zankalon 畝 上 Zankalon 畝 下 Zan 畝 上 Zan 畝 下 SakhaN SakhaN

48 表 8 真 空 蒸 留 同 位 体 比 測 定 値 ( 水 蒸 気 ) Sample name 月 日 - 採 取 場 所 (1:5.78 m 2: 3 m 3: 1 m 4: 0.5 m) δ18o δd ( ) ( )

49 表 9 真 空 蒸 留 同 位 体 比 測 定 値 ( 植 物 ) Sample name δ18o ( ) δd ( ) Zan-1-maize Zan-2-maize SakhaS-1-maize SakhaS-2-maize SakhaN-1-maize SakhaN-2-maize Sample name の 1 と 2 とは 植 物 個 体 のサンプルを 採 取 した 場 所 を 示 す. 1 に 比 べ 2 の 方 が 高 い 場 所 で 採 取 した. 42

50 表 10 地 下 水 灌 漑 水 同 位 体 比 測 定 値 Sample name δ18o ( ) δd ( ) Zankalon 地 下 水 m Zankalon 地 下 水 -30 m Zankalon 地 下 水 星 野 採 水 * Zankalon 灌 漑 水 Sakha 井 戸 Sakha 井 戸 Sakha 灌 漑 水 * 地 下 水 星 野 採 水 は 約 1 m~3 m 付 近 43

51 δd ( ) 土 壌 水 植 物 水 蒸 気 地 下 水 灌 漑 水 δ 18 O ( ) 図 19 Zankalon デルタダイアグラム 44

52 δd ( ) 土 壌 水 植 物 水 蒸 気 地 下 水 灌 漑 水 δ 18 O ( ) 図 20 Sakha S デルタダイアグラム 45

53 δd ( ) 土 壌 水 植 物 水 蒸 気 地 下 水 灌 漑 水 δ 18 O ( ) 図 21 Sakha N のデルタダイアグラム 46

54 δ 18 O ( ) * depth (cm) depth(cm) root length density (m/m 3 ) root length density soil moisture content soil water shallow groundwater deep groundwater plant irrigation soil moisture content 図 22 Zankalon 土 壌 水 地 下 水 灌 漑 水 同 位 体 比 と 深 さと 土 壌 水 分 量 と 根 長 密 度 (8/3 8/4 8/5). *1 は 畝 の 上 +マルチ (8/4), 2 は 畝 の 下 (8/5), 3 は 畝 の 下 (8/3), 4 は 畝 の 上 +マルチ(8/5 ), 5 は 畝 の 下 (8/4), 6 は 畝 の 上 +マルチ (8/3) ( 図 5 参 照 ).いは 47

55 δ 18 O ( ) 0 *1 * root length density (m/m 3 ) depth (cm) depth(cm) root length density soil moisture content soil water irrigation plant groundwater soil moisture content 図 23 Sakha S 土 壌 水 地 下 水 灌 漑 水 同 位 体 比 と 土 壌 水 分 量 と 根 長 密 度 (8/7 8/8). *1 は 8/7 * 点 滴 灌 漑 周 辺, 2 は 8/8 * 点 滴 灌 漑 以 外 の 場 所, 3 は 8/7 点 滴 灌 漑 以 外 の 場 所, 4 は 8/8 点 滴 灌 漑 周 辺. * 点 滴 灌 漑 周 辺 とは 図 8 で 点 滴 灌 漑 において 湿 った 場 所 を 指 す, 点 滴 灌 漑 以 外 の 場 所 とはそれ 以 外 の 表 面 が 乾 いた 場 所 を 指 す. 植 物 の 同 位 体 比 は 茎 の 上 が 大 きかった. 48

56 δ 18 O ( ) depth (cm) soil water plant irrigation groundwater depth(cm) root length density (m/m 3 ) root length density soil moisture content soil moisture content 図 24 Sakha N 土 壌 水 地 下 水 灌 漑 水 同 位 体 比 と 土 壌 水 分 量 と 根 長 密 度 (8/9 8/10). 1 は 畝 の 上 (8/10), 2 は 畝 の 下 (8/9), 3 は 畝 の 上 (8/10), 4 は 畝 の 下 (8/9)( 図 7). 土 壌 水 分 量 は 8/9 8/10 にデータが 欠 損 していたので 8/7 のデータを 示 した. 植 物 の 同 位 体 比 は 茎 の 上 が 大 きかった. 49

57 δ 18 O ( ) y = -0.15x R² = 0.91 vapor δe δt plant δet Inverse of absolute humidity :1/(kg/m 3 ) 図 25 Keeling plot analysis の 結 果 (Zankalon 8/3). 観 測 時 刻 は 13:10~16:30 で δt は 0~50 cm までの 土 壌 水 同 位 体 比 50

58 δ 18 O ( ) y = -0.16x R² = 0.26 vapor δe δt plant δet Inverse of absolute humidity :1/(kg/m 3 ) 図 26 Keeling plot analysis 結 果 (Zankalon 8/4). 観 測 時 刻 は 8:45 ~ 12:30 15:30~19:20 で δt は 0~50 cm までの 土 壌 水 同 位 体 比 51

59 δ 18 O ( ) vapor δe δt plant δet y = -0.10x R² = Inverse of absolute humidity :1/(kg/m 3 ) 図 27 Keeling plot analysis の 結 果 (Zankalon 8/5). 観 測 時 刻 は 8:45~12:30, 15:30 ~19:20 で δt は 0~50 cm までの 土 壌 水 同 位 体 比 52

60 δ 18 O ( ) vapor δe δt plant y = -0.12x R² = 0.65 δet Inverse of absolute humidity :1/(kg/m 3 ) 図 28 Keeling plot analysis の 結 果 (Zankalon 8/5). 観 測 時 刻 は 8:45~12:30 15:30~19:20 で δt は 0~50 cm までの 土 壌 水 同 位 体 比. 53

61 δ 18 O ( ) y = -0.21x R² = 0.43 vapor δe δt plant δet Inverse of absolute humidity :1/(kg/m 3 ) 図 29 Keeling plot analysis の 結 果 (Zankalon 8/5). 観 測 時 刻 は 8:45~ 12:30 15:30~19:20 で δt は 0~30 cm の 土 壌 水 54

62 表 11 安 定 同 位 体 比 を 用 いた 蒸 散 比 率 (T/ET) 推 定 まとめ Zankalon SakhaS SakhaN δt 8 月 3 日 8 月 4 日 8 月 5 日 8 月 7 日 8 月 8 日 8 月 9 日 8 月 10 日 植 物 ( 茎 上 ) 100% 100% 100% 100% 100% 植 物 ( 茎 下 ) 64% 76% 63% 58% 89% 植 物 平 均 85% 98% 80% 85% 98% 土 壌 水 42% 50% 42% 31% 72% 土 壌 加 重 平 均 41% 48% 53% 35% 66% 蒸 散 比 率 100%とは δet が δt よりも 大 きい 値 を 示 したものを 表 す. つまり 蒸 散 のみ. 55

63 65 60 水 蒸 気 濃 度 (ppt) y = 0.50x R² = 秒 図 30 8/3 Zankalon 水 蒸 気 濃 度 変 化 (10:30~). 0 秒 から 観 測 開 始 した. 56

64 65 60 水 蒸 気 濃 度 (ppt) y = 0.53x R² = 秒 図 31 8/3 Zankalon 水 蒸 気 濃 度 変 化 (10:43~). 3 秒 から 観 測 開 始 した. 57

65 水 蒸 気 濃 度 (ppt) y = 1.51x R² = 秒 赤 い 曲 線 の 傾 きを 算 出 した. サンプル 数 ( 秒 ) R 2 R' 図 32 8/7 SakhaS 水 蒸 気 濃 度 変 化 (11:20~). 3 秒 から 観 測 開 始 した. サンプル 数 を 10 秒 から 7 秒 まで 減 らした. 黄 色 の 塗 った 場 所 は 自 由 度 調 整 付 き 決 定 係 数 が 一 番 大 きかったのでそれを 採 用 した. 58

66 蒸 発 量 (mm/h) :00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0: 時 刻 (UT-2) 畝 の 上 +マルチング 畝 の 下 蒸 発 散 量 (ボーエン 比 法 ) 図 33 チャンバー 法 により 求 められた 地 面 蒸 発 量 と AWS による 蒸 発 散 量 (8/4). 観 測 場 所 は Zankalon である. 59

67 蒸 発 量 (mm/h) 飽 差 (hpa) :00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 畝 の 上 +マルチング 畝 の 下 地 面 蒸 発 量 蒸 発 散 量 蒸 散 量 0:00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 PAR (μmol m 2 s -1 ) 風 速 (m/s) :00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0: :00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 時 刻 (UT-2) 図 34 地 面 蒸 発 量 蒸 散 量 蒸 発 散 量 と 飽 差 PAR 風 速 の 時 間 変 化 の 比 較 (8/4). 地 面 蒸 発 量 は 図 33 の 1 セット 毎 の 中 間 値 を 取 った. エラーバーはチャンバーで 測 定 した 地 面 蒸 発 量 の 最 大 値 と 最 小 値 である. 観 測 地 は Zankalon である. 60

68 蒸 発 量 (mm/h) :00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0: 時 刻 (UT-2: 夏 時 間 ) 畝 の 上 +マルチング 畝 の 下 蒸 発 散 量 (ボーエン 比 法 ) 図 35 チャンバー 法 により 求 められた 地 面 蒸 発 量 と AWS による 蒸 発 散 量 (8/5). 観 測 場 所 は Zankalon である. 61

69 PAR (μmol m 2 S -1 ) 風 速 (m/s) 飽 差 (hpa) 蒸 発 量 (mm/h) :00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 畝 の 上 +マルチング 畝 の 下 地 面 蒸 発 量 蒸 発 散 量 蒸 散 量 0:00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 0:00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 0:00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 時 刻 (UT-2) 図 36 地 面 蒸 発 量 蒸 散 量 蒸 発 散 量 と 飽 差 PAR 風 速 の 時 間 変 化 の 比 較 (8/5). 地 面 蒸 発 量 は 図 35 の 1 セット 毎 の 中 間 値 を 取 った. エラーバーはチャンバーで 測 定 した 地 面 蒸 発 量 の 最 大 値 と 最 小 値 である. 観 測 地 は Zankalon である. 62

70 蒸 発 量 (mm/h) :00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 時 刻 (UT-2) 点 滴 なし 点 滴 あり 蒸 発 散 量 図 37 チャンバー 法 により 求 められた 地 面 蒸 発 量 と AWS による 蒸 発 散 量 (8/7). 観 測 場 所 は SakhaS である. 点 滴 なしとは 図 8 の 点 滴 灌 漑 で 湿 った 場 所 以 外 のところ であり, 点 滴 ありとは 図 8 の 点 滴 灌 漑 で 湿 った 場 所 のことである. 63

71 蒸 発 量 (mm/h) 飽 差 (hpa) :00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 地 面 蒸 発 量 蒸 散 量 点 滴 なし 点 滴 あり 蒸 発 散 量 0:00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 風 速 (m/s) :00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0: PAR (μmol/m 2 S -1 ) :00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 時 刻 (UT-2) 図 38 地 面 蒸 発 量 蒸 散 量 蒸 発 散 量 と 飽 差 PAR 風 速 の 時 間 変 化 の 比 較 (8/7). 地 面 蒸 発 量 は 図 37 の 1 セット 毎 の 中 間 値 を 取 った. エラーバーはチャンバーで 測 定 した 地 面 蒸 発 量 の 最 大 値 と 最 小 値 である. 観 測 地 は SakhaS である. 64

72 蒸 発 量 (mm/h) :00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 時 刻 (UT-2) 点 滴 なし 点 滴 あり 蒸 発 散 量 図 39 チャンバー 法 により 求 められた 地 面 蒸 発 量 と AWS による 蒸 発 散 量 (8/8). 観 測 場 所 は SakhaS である. 点 滴 なしとは 図 8 の 点 滴 灌 漑 で 湿 った 場 所 以 外 のところ であり, 点 滴 ありとは 図 8 の 点 滴 灌 漑 で 湿 った 場 所 のことである. 65

73 蒸 発 量 (mm/h) :00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 地 面 蒸 発 量 蒸 散 量 点 滴 なし 点 滴 あり 蒸 発 散 量 飽 差 (hpa) 風 速 (m/s) PAR( μmol/m 2 S -1 ) :00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 0:00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 0:00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 時 刻 (UT-2) 図 40 地 面 蒸 発 量 蒸 散 量 蒸 発 散 量 と 飽 差 PAR 風 速 の 時 間 変 化 の 比 較 (8/8). 地 面 蒸 発 量 は 図 39 の 1 セット 毎 の 中 間 値 を 取 った. エラーバーはチャンバーで 測 定 した 地 面 蒸 発 量 の 最 大 値 と 最 小 値 である. 観 測 地 は SakhaS である. 66

74 蒸 発 量 (mm/h) :00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 時 刻 (UT-2) 畝 の 上 畝 の 下 蒸 発 散 量 図 41 チャンバー 法 により 求 められた 地 面 蒸 発 量 と AWS による 蒸 発 散 量 (8/9). 観 測 場 所 は SakhaN である. 67

75 蒸 発 量 (mm/h) 飽 差 (hpa) 風 速 (m/s) :00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 地 面 蒸 発 量 蒸 散 量 畝 の 上 畝 の 下 蒸 発 散 量 0:00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 0:00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 PAR (μmol/m 2 S -1 ) :00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 時 刻 (UT-2) 図 42 地 面 蒸 発 量 蒸 散 量 蒸 発 散 量 と 飽 差 PAR 風 速 の 時 間 変 化 の 比 較 (8/9). 地 面 蒸 発 量 は 図 41 の 1 セット 毎 の 中 間 値 を 取 った. エラーバーはチャンバーで 測 定 した 地 面 蒸 発 量 の 最 大 値 と 最 小 値 である. 観 測 地 は SakhaN である. 68

76 2 1.5 蒸 発 量 (mm/h) :00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 時 刻 (UT-2) 畝 の 上 畝 の 下 蒸 発 散 量 畝 の 下 (11:00, 17:45に 散 水 ) 図 43 チャンバー 法 により 求 められた 地 面 蒸 発 量 と AWS による 蒸 発 散 量 (8/10). 観 測 場 所 は SakhaN である. 畝 の 下 への 散 水 量 は 11:00, 17:45 にそれぞれ 1.8 L で ある. 69

77 蒸 発 量 (mm/h) :00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 地 面 蒸 発 量 蒸 散 量 畝 の 上 畝 の 下 蒸 発 散 量 飽 差 (hpa) 風 速 (m/s) :00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 0:00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0: PAR (μmol/m 2 S -1 ) :00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 時 刻 (UT-2) 図 44 地 面 蒸 発 量 蒸 散 量 蒸 発 散 量 と 飽 差 PAR 風 速 の 時 間 変 化 の 比 較 (8/10). 地 面 蒸 発 量 は 図 42 の 1 セット 毎 の 散 水 した 場 所 以 外 の 中 間 値 を 取 った. エラーバー はチャンバーで 測 定 した 地 面 蒸 発 量 の 最 大 値 と 最 小 値 である. 観 測 地 は SakhaN で ある. 70

78 表 12 チャンバー 法 蒸 散 比 率 まとめ Zankalon SakhaS SakhaN 8 月 4 日 8 月 5 日 8 月 7 日 8 月 8 日 8 月 9 日 8 月 10 日 蒸 散 比 56% 59% 50% 36% 53% 67% 平 均 LAI 平 均 被 度 47% 31% 44% 71

79 0.3 7/24 7/ /3 8/4 0.2 土 壌 水 分 量 /17 7/19 7/21 7/23 7/25 7/27 7/29 7/31 8/2 8/4 8/6 8/8 8/10 8/12 8/14 8/16 8/18 日 付 (2010 年 ) 図 45 Zankalon 土 壌 水 分 量 の 推 移. 7/24 7/26 に 灌 漑 が 行 われた. 8/3 8/4 が 観 測 日 である. 72

80 図 46 Zankalon 土 壌 水 分 量 分 布. 各 カラムの 8/3~8/5 の 平 均 値 である. width 0 m 付 近 が 畝 の 上 である. 73

81 図 47 SakhaS 土 壌 水 分 量 分 布. 各 カラムの 8/7~8/8 の 平 均 値 である. 当 初 width 0 m 付 近 が 点 滴 灌 漑 の 中 心 であったが, 0.3 m 付 近 まで 移 動 したと 考 えられる. 74

82 図 48 SakhaN 土 壌 水 分 量 分 布. 8/6 の 各 カラムの 平 均 値 である. width 0 m 付 近 が 畝 の 上 である. 75

83 表 13 安 定 同 位 体 比 とチャンバー 法 蒸 散 比 率 比 較 Zankalon Sakha S Sakha N 8/3 8/4 8/5 8/7 8/8 8/9 8/10 チャンバー 法 56% 59% 50% 36% 53% 67% 安 定 同 位 体 比 δ T : 植 物 平 均 85% 98% 80% 85% 98% δt: 土 壌 水 (45 cm まで) 42% 50% 42% 31% 72% δt: 根 長 加 重 平 均 41% 48% 53% 35% 66% 76

84 表 14 蒸 発 抑 制 効 果 検 証 Zankalon Sakha S Sakha N 8/3 8/4 8/5 8/7 8/8 8/9 8/10 チャンバー 法 蒸 散 比 56% 59% 50% 36% 53% 67% 地 面 蒸 発 (mm/h) LAI 被 度 47% 31% 44% 論 文 値 (Merta, 2006) 地 面 蒸 発 / 蒸 発 散 量 圃 場 測 定 値 地 面 蒸 発 / 蒸 発 散 量 補 正 値 地 面 蒸 発 量 蒸 散 比 率 土 壌 水 分 量 20% 20% 10~ 10~ 10~ (40%) (40%) (40%) 10~15% 10~15% SakhaS の 土 壌 水 分 量 の 最 大 値 が 40%と 高 い 数 値 を 示 したのは 点 滴 灌 漑 が 行 われたため. 77

85 第 4 章 結 論 1. デルタダイアグラム デルタダイアグラムを 見 ると, 3 圃 場 ともに 土 壌 水 は 蒸 発 の 影 響 を 非 常 に 受 けて いる 事 がわかった. また 植 物 の 同 位 体 比 は 茎 の 部 位 の 上 の 部 分 が 同 位 体 比 が 高 くな った. 2. 土 壌 同 位 体 鉛 直 プロファイル Zankalon, SakhaS, SakhaN 3 ヶ 所 ともに 土 壌 水 同 位 体 比 は 表 面 に 行 けば 行 くほ ど 蒸 発 の 影 響 からか 高 くなっている. また 深 度 が 深 くなればなるほど 同 位 体 比 は 一 定 に 近 づいていくということがわかった. また 植 物 の 同 位 体 比 は 土 壌 水 の 同 位 体 と 全 く 一 致 しないことがわかった. 植 物 の 同 位 体 比 は 土 壌 水 よりむしろ 灌 漑 水 や 地 下 水 の 水 に 近 い 値 を 示 した. これにより 同 位 体 データから, 観 測 期 間 中 に 植 物 は 土 壌 水 を 吸 水 していないという 結 論 に 至 った. また 土 壌 の 乾 燥 が 進 み, 土 壌 水 の 同 位 体 比 が 灌 漑 直 後 と 比 べ, 変 化 していると 考 えられるのでそれも 植 物 の 同 位 体 比 と 土 壌 水 の 同 位 体 比 が 異 なることに 起 因 していると 考 えられる. 3. 同 位 体 から 蒸 散 比 算 出 土 壌 水 を δt として 用 いた 場 合 と 植 物 を δt として 用 いた 場 合, 植 物 を 用 いた 場 合, 蒸 散 比 が 大 きくなった. これは 90% 近 い 値 を 示 し, 福 田 (2007) の 蒸 散 比 率 に 近 い 値 を 示 した. 4. チャンバー 法 から Zankalon の 抑 制 効 果 検 証 Zankalon においてチャンバー 法 でマルチを 施 していない 場 所 といる 場 所 で 直 接 蒸 発 量 を 比 べた 結 果, 土 壌 水 分 量 にも 差 が 見 られなかったので, 統 計 学 的 に 有 意 な 差 があるか 検 証 したところ 有 意 な 差 はみられなかった. この 原 因 として 図 45 にある ように 土 壌 水 分 が 少 なくなり 土 壌 の 乾 燥 が 進 み, 蒸 発 する 水 が 少 なくなり 差 を 感 知 できなくなったのではないかと 考 えられる. 5. チャンバー 法 と 安 定 同 位 体 比 蒸 散 比 率 比 較 チャンバー 法 に 比 べ, 安 定 同 位 体 比 の 方 が 特 に 植 物 を δt と 取 った 方 が, 全 体 的 に 蒸 散 比 率 が 大 きくなる 傾 向 がある. この 原 因 として 考 えられるのがチャンバー 法 の 一 日 の 観 測 回 数 5 セットのうち 1 回 でも 地 面 蒸 発 の 大 きい 時 に 観 測 を 行 った 場 合, その 値 は 安 定 同 位 体 比 の 測 定 よりも 一 日 の 合 計 地 面 蒸 発 量 に 大 きく 影 響 してしまう からである. チャンバー 法 で 蒸 発 散 量 と 同 じ 時 間 の 測 定 を 行 えば, より 真 値 に 近 づ くと 考 えられる. 6. 蒸 発 抑 制 効 果 検 証 点 滴 灌 漑 とマルチの 蒸 発 抑 制 効 果 を 検 証 するために, そのまま 地 面 蒸 発 の 値 を 比 較 するのでは 正 しく 議 論 することができないので LAI の 値 を 全 て 等 しく 補 正 してか ら 議 論 することにしたところ 蒸 発 抑 制 効 果 が 表 れていないことが 分 かった. この 原 78

86 因 は 土 壌 の 乾 燥 にあると 考 え, まず 表 面 土 壌 の 土 壌 水 分 量 をみたところ, 土 壌 水 分 量 は 20% 以 下 と 低 く, 土 壌 は 乾 燥 しているということがわかった. 蒸 散 比 率 に 注 目 したところ, 特 に SakhaS では 蒸 散 比 は 低 く, 土 壌 の 乾 燥 が 進 んでいるものと 考 え られる. 79

87 謝 辞 本 研 究 を 行 うにあたり, 筑 波 大 学 大 学 院 生 命 環 境 科 学 研 究 科 地 球 環 境 科 学 専 攻 の 杉 田 倫 明 先 生 には, 現 地 観 測 をはじめ, 研 究 方 法 における 丁 寧 なご 指 導 など,たく さんの 面 で 終 始 お 世 話 になりました. 大 変 感 謝 申 し 上 げます.また, 筑 波 大 学 大 学 院 生 命 環 境 科 学 研 究 科 持 続 環 境 学 専 攻 の 田 瀬 則 雄 先 生 辻 村 真 貴 先 生 には, 発 表 な ど 機 会 のある 度 に 貴 重 なご 助 言 等 いただきました.またレーザーマス 質 量 分 析 計 使 用 に 当 たり 筑 波 大 学 陸 域 環 境 研 究 センターの 山 中 勤 先 生 岩 上 翔 準 研 究 員 には 大 変 お 世 話 になりました. また, 杉 田 研 究 室 の 方 々にはゼミでの 貴 重 なご 助 言 ご 意 見 の ほか, 本 研 究 に 対 する 励 ましもいただきました. 特 に, 元 筑 波 大 学 大 学 院 生 命 環 境 科 学 研 究 科 環 境 科 学 専 攻 の 佐 藤 隆 氏, 宮 野 愛 子 氏, 伊 倉 宏 弥 氏, 現 地 球 環 境 科 学 専 攻 の 吉 澤 新 太 郎 氏 からは 水 収 支, 熱 収 支 に 関 する 知 識 からその 応 用 まで, 全 般 にわた ってお 世 話 になりました.また 現 地 調 査 では, 同 期 の 土 平 功 志 氏, 地 球 学 類 の 入 柿 ゆ いま 氏, 清 水 達 輝 氏 には 過 酷 な 条 件 の 中 様 々な 観 測 を 手 伝 っていただき, 感 謝 申 し 上 げます. 環 境 科 学 専 攻 の 福 田 敬 広 氏 には 現 地 観 測 に 加 え, データ 処 理 も 助 けてい ただき 感 謝 しております. 本 研 究 は JST-JICA 地 球 規 模 課 題 対 応 科 学 技 術 協 力 事 業 ナイル 川 流 域 における 食 糧 燃 料 の 持 続 的 生 産 (WAT プロジェクト: 佐 藤 政 良 代 表 ) のもとに 行 われまし た. プロジェクトメンバーおよび, 観 測 圃 場 を 提 供 してくださった 現 地 の 方 々など 多 くの 人 の 援 助 により 観 測 が 可 能 となり, 様 々な 面 で 大 変 お 世 話 になりました. またカ イロ 大 学 の Dr.Rushdi には 観 測 における 協 力 ご 助 言 等 いただきました. クリマテック 株 式 会 社 の 方 々には, 観 測 機 材 の 設 置 など 様 々な 場 面 でご 協 力 いた だきました. また, 安 倍 豊 氏 をはじめとする 流 域 環 境 研 究 室 のみなさま, 同 期 ではげましあって 来 た 杉 田 研 究 室 の 横 山 勇 太 氏, その 他 筑 波 大 学 生 命 環 境 科 学 研 究 科 環 境 科 学 専 攻 の 皆 様 の 存 在 は, 研 究 を 続 けるにあたって 大 きな 励 みになりました. 以 上 の 方 々をはじめとする, 本 研 究 に 対 して 応 援 して 下 さった 全 ての 方 々に, この 場 を 借 りて 心 から 御 礼 申 し 上 げます. 最 後 に 修 士 課 程 修 了 まで 見 守 って 下 さいまし た, 両 親 に 心 から 感 謝 いたします. 80

88 引 用 文 献 相 澤 佑 介 (2006): 統 計 処 理 に 使 う Excel 活 用 法, 株 式 会 社 カットシステム, 207p. Ajai, S (2008): Economic feasibility of growing capsicum crop under drip irrigation in West Bengal, India. Irrig Drainage Syst 22: Brutsaert, W., 杉 田 倫 明 訳 (2008): 水 文 学, 共 立 出 版,pp.502 福 田 敬 広 (2010):ナイルデルタの 農 地 における 蒸 発 散 量 の 評 価, 筑 波 大 学 第 一 学 群 自 然 学 類 卒 業 論 文, 74p. Chen, X.Y. Zhang, D. Pei, H.Y. Sun & S.L. Chen (2007): Effects of straw mulching on soil temperature, evaporation and yield of winter wheat: field experiments on thenorth China Plain, Ann Appl Biol 150, Garratt, J.R., (1992): The Atmospheric Boundary Layer. Cambridge Univ Press, 316pp. He, H. and Smith, R.B. (1999): Stable isotope composition of water vapor in the atmospheric boundarylayer above the forests of New England. Journal of Geophysical Research, 104, 飯 塚 幸 子 山 中 勤 田 中 正 (2004): 安 定 同 位 体 分 析 のための 植 物 体 からの 水 の 抽 出 について-ポット 試 験 による 検 討 -. 筑 波 大 学 陸 域 環 境 研 究 センター 報 告, No.5, 井 上 光 弘 (2007): 種 々のマルチ 材 による 土 壌 面 蒸 発 と 温 度 環 境, 農 業 および 園 芸 第 82 巻 第 六 号 北 村 義 信 渡 辺 紹 裕 新 保 義 剛 (1994): エジプトの 水 資 源 と 灌 漑 排 水. 農 工 研 技 報, 189, Keeling, C.D. (1961): The concentration and isotopic abundances of carbon dioxide in rural and marine air. Geochimica et Cosmochimica Acta, 24, Keys, W.M. and Crawford, M.E. (1980):Convective Heat and Mass Transfer. Ed 2. McGraw-Hill, NewYork 近 藤 純 正 (2000): 地 表 面 に 近 い 大 気 の 科 学 - 理 解 と 応 用 -. 東 京 大 学 出 版 社, 350p. Majoube, M. (1971): Fractionnement en oxygen-18 et en deuterium entre leau et sa vapeur. Journal of Chemical Physics, 68, Merta, M, Christina, S & Tatjana, F (2006): Estimation of evaporation components in agricultural crops, Biologia, Bratislava, 61, S280-S283 Marlivat, L. (1978): Molecular diffusivities of H2O in gases. Journal of Chemical Physics, 69, Moreira, M.Z., Martinelli, L A., Victoria, R.L., Barbosa, E.M., Bonates, L.C.M. and 81

89 Nepstad, D.C. (1997): Contribution of transpiration to forest ambient vapour based on isotopic measurements. Global Change Biology, 3, Ministry of Water Resources and Irrigation of Arab Republic of Egypt(2005) : Water for the Future, National Water Resource Plan, pp.268. Sato, T (2010): Study on Vapor Transfer Processes into the Atmosphere from Vegetated Surface in an Arid Region, A Thesis Submitted to The Graduate School of Life and Environmental Sciences The University of Tsukuba in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Environmental Sciences, 98p. 佐 々 木 リサ(2004): モンゴル ヘルレン 川 流 域 における 水 循 環 に 伴 う 安 定 同 位 体 比 変 動 プロセス. 筑 波 大 学 大 学 院 環 境 科 学 研 究 科 修 士 論 文. pp.57. Santiago, B., Francisco, O., Francisco J. V & Elias, F (2001): Soil evaporation from drip-irrigated olive orchards, Irrig Sci, 20, 杉 田 倫 明 (1996): 蒸 発 散 Ⅱ. 蒸 発 散 の 測 定 法 (1). ハイドロロジー ( 日 本 水 文 科 学 会 誌 ), 26, 杉 田 倫 明 田 中 正 (2009): 水 文 科 学, 共 立 出 版, pp.275. 鈴 木 弘 明 (1986):エジプト 近 代 灌 漑 史 W ウィルコックス 論, アジア 経 済 研 究 所, 129p. Thomas H. W., 田 畑 吉 雄 太 田 拓 男 訳 (1998): 回 帰 分 析 とその 応 用, 現 代 数 学 社, 629p Tsujimura, M., Sasaki, L., Yamanaka, T., Sugimoto D., Li.S.-G., Matsushima, D., Kotani A and Saandar M (2007b): Vertical distribution of stable isotopic composition in atmospheric water vapor and subsurface water in grassland and forest sites, eastern Mongolia. J. Hydrol., 333, 浦 野 忠 明 (2005): モンゴル 半 乾 燥 草 原 における 放 牧 区 及 び 禁 牧 区 での 地 上 部 バイオ マスと CO2 フラックスの 季 節 変 化. 筑 波 大 学 大 学 院 環 境 科 学 研 究 科 修 士 論 文, 45p. Williams, D.G., W.Cable, K. Hultine, J.C.B. Hoedjes, E. A. Yepez, V. Simonneaux, S. Er-Raki, G. Boulet, H. A. R. de Bruin, A. Chehbouni, O.K. Hartogensis and F. Timouk, 2004: Evapotranspiration components determined by stable isotope, sap flow and eddy covariance techniques. Agric. For. Meteorol., 125, Yamanaka. T, Inoue. M, Kaihotsu. I. (2004): Effects of gravel mulch on water vapor transfer above and below the soil surface. Agricultural Water Management, 67, Yakir, D. (1992): Water compartmentation in plant tissue: isotopic evidence. In Somero, S.G.N., Osmond, C.B. and Bolis, C.L. (ed.), Water and Life, Springer, Berlin,