土壌塩分濃度制御

土壌塩分濃度制御とは、土壌の塩分濃度のプロセスと進行を制御して、すでに塩分を多く含む（塩分を含む）土壌の塩化と再生による土壌劣化を防ぐことを指します。土壌再生は、土壌改良、再生、修復、回復、改善 とも呼ばれます。

塩性化の主な人為的原因は灌漑です。灌漑に使用された河川水や地下水には塩分が含まれており、水が蒸発した後も土壌に残ります。

土壌の塩分濃度を制御する主な方法は、灌漑用水の10～20%を土壌から浸出させ、適切な排水システムを通じて排水・排出することです。排水水の塩分濃度は通常、灌漑用水の5～10倍であるため、塩分の輸出量は塩分の輸入量とより近くなり、蓄積されません。

塩分の多い土壌は塩分含有量が高いです。主な塩は通常、塩化ナトリウム(NaCl、「食塩」) です。したがって、塩分の多い土壌はナトリウム質土壌でもありますが、塩分を含まずアルカリ性のナトリウム質土壌も存在する場合があります。

国連大学の研究によると、世界の灌漑地の20％にあたる約6200万ヘクタール（24万平方マイル、1億5000万エーカー）が影響を受けており、1990年代初頭の4500万ヘクタール（17万平方マイル、1億1000万エーカー）から増加している。^[1]世界人口の10％以上が住むインド・ガンジス平原では、塩害を受けた土地で栽培された小麦、米、サトウキビ、綿花の収穫高損失は、それぞれ40％、45％、48％、63％に達する可能性がある。^[1]

塩分を多く含む土壌は、乾燥地域や半乾燥地域の灌漑地では一般的な特徴であり、環境問題でもあり、作物の生産量の低下や収穫量の減少を招きます。 ^[2]塩分を多く含む土壌の原因は、地下への自然な地下排水が不足していることに起因する高地下水位と関係していることが多いです。地下排水不良は、帯水層の輸送能力が不十分なことや、帯水層が地形的に窪地にある場合など、帯水層から水が排出できないことが原因で起こることがあります。

世界中で、塩性土壌が発生する主な要因は降水量の不足です。天然の塩性土壌のほとんどは、地球上の （半）乾燥地域および気候帯に見られます。

人為的な塩害は、主に灌漑用水に含まれる塩分によって引き起こされます。河川や地下水から得られるすべての灌漑用水には、水の純度に関係なく、水が蒸発した後も土壌に残る塩分が含まれています。

たとえば、灌漑用水の塩分濃度が 0.3 g/L (0.3 kg/m ³に相当、電気伝導率約 0.5 FdS/m に相当) と低く、年間灌漑用水供給量が 10,000 m ³ /ha (ほぼ 3 mm/日) と控えめであるとすると、毎年 3,000 kg/ha の塩分が流入します。十分な自然排水 (浸水した土壌など) がなく、塩分を除去するための適切な浸出および排水プログラムがない場合、長期的には 土壌の塩分濃度が高くなり、作物の収穫量が減少することになります。

灌漑に使用される水の多くは、0.3 g/L より高い塩分を含んでおり、灌漑プロジェクトでは年間の供給水量がはるかに多いため、さらに塩分濃度が高くなります。たとえば、サトウキビは 1ヘクタールあたり年間約 20,000 m ³の水を必要とします。その結果、灌漑地域には 1 ヘクタールあたり年間 3,000 kg を超える塩分が供給されることが多く、1 ヘクタールあたり年間 10,000 kg もの塩分が供給される地域もあります。

塩性化の第二の原因は、灌漑地の水浸しです。灌漑は、灌漑地の自然な水バランスに変化をもたらします。灌漑プロジェクトにおける大量の水は、植物によって消費されず、どこかに流れ出なければなりません。灌漑プロジェクトでは、すべての灌漑用水が植物によって消費される 100% の灌漑効率を達成することは不可能です。達成可能な最大灌漑効率は約 70% ですが、通常は 60% 未満です。つまり、灌漑用水の最低 30%、通常は 40% 以上が蒸発せず、どこかに流れ出なければなりません。

このようにして失われた水のほとんどは地下に蓄えられ、地元の帯水層の元々の水文学を大きく変える可能性があります。多くの帯水層は大量の水を吸収して輸送することができないため、地下水位が上昇し、浸水につながります。

浸水は3つの問題を引き起こします:

• 地下水位が浅く、根域に酸素が供給されないため、ほとんどの作物の収穫量は減少します。
• 帯水層を通じた除去が妨げられるため、灌漑用水とともに運ばれた塩分が蓄積することになります。
• 地下水が上方に浸透すると、より多くの塩分が土壌に持ち込まれ、塩性化が悪化します。

灌漑地の帯水層の状態と地下水の流れは土壌の塩性化に重要な役割を果たしており、^[3]ここに示すように：

• 灌漑地における帯水層の状態が土壌の塩性化に与える影響の図解
• 
  帯水層が良好な起伏のある土地の低地における土壌の塩性化
• 
  帯水層が良好な平地の灌漑されていない部分における土壌の塩性化
• 
  帯水層のない灌漑平地における土壌の塩性化
• 
  上流域の灌漑による沿岸デルタの土壌の塩性化

通常、農地の塩害は灌漑事業の 20% ～ 30% の相当な面積に影響を及ぼします。このような土地の一部での農業が放棄されると、新たな塩分と水のバランスが実現され、新たな均衡が達成され、状況は安定します。

インドだけでも、数千平方キロメートルの土地が深刻な塩害に見舞われています。中国とパキスタンもそれほど遅れをとっていません（おそらく中国はインドよりも塩害を受けた土地が多いでしょう）。世界中の323万平方キロメートルの塩害地の地域分布は、^FAO / UNESCOの世界土壌地図から引用した次の表に示されています。 ^[4]

塩化のプロセスの原理は理解しやすいのですが、土地の特定の部分が問題を抱え、他の部分が抱えない理由を説明したり、土地のどの部分が被害を受けるかを正確に予測したりするのは困難です。その主な理由は、時間と空間における自然条件の変化、灌漑用水の通常不均一な分配、および農業慣行の季節的または年ごとの変化です。起伏のある地形の土地でのみ、予測は単純です。つまり、窪地が最も劣化します。

灌漑プロジェクト内の区別可能なサブエリアの塩分と水のバランス^[3]を作成したり、農業水塩分モデル^[5]を使用したりすることは、問題の範囲と深刻度を説明または予測するのに役立ちます。

土壌塩分濃度は、土壌溶液の塩分濃度をg/L で、​​または電気伝導率(EC) をdS/mで測定します。これら 2 つの単位の関係は、約 5/3: yg/L => 5y/3 dS/m です。海水の塩分濃度は 30 g/L (3%)、EC は 50 dS/m です。

土壌塩分濃度の測定基準は、土壌の飽和ペーストの抽出物から得られ、EC は ECe と表記されます。抽出物は遠心分離によって得られます。塩分濃度は、飽和ペーストからよりも、遠心分離せずに 2:1 または 5:1 の水:土壌混合物 (乾燥土壌 1 g あたりの水 g で表す) でより簡単に測定できます。ECe と EC _2:1の関係は約 4 であるため、ECe = 4EC _1:2となります。^[8]

ECe > 4の場合、土壌は塩性であるとみなされます。 ^[9] 4 < ECe < 8の場合、土壌はわずかに塩性であると呼ばれ、8 < ECe < 16の場合、（中程度の）塩性、ECe > 16の場合、高度に塩性であると呼ばれます。

塩分に弱い作物は、わずかに塩分を含んだ土壌でもすでに活力を失っています。ほとんどの作物は（中程度の）塩分を含む土壌によって悪影響を受け、塩分に強い作物だけが極度の塩分を含む土壌で育ちます。ワイオミング大学^[10]とアルバータ州政府^{[11]は、植物の}塩分耐性に関するデータを報告しています。

排水は土壌の塩分濃度を制御する主な方法です。このシステムでは、灌漑用水のごく一部（約10～20パーセント、排水または浸出分）を排水して灌漑プロジェクトから排出できるようにする必要があります。^[12]

塩分濃度が安定している灌漑地域では、排水の塩分濃度は通常、灌漑用水の5～10倍になります。塩分の輸出と輸入が一致し、塩分が蓄積されることはありません。

すでに塩分化した土壌を再生する場合、排水の塩分濃度は当初は灌漑用水の塩分濃度よりはるかに高くなります (たとえば 50 倍)。塩の輸出量は塩の輸入量を大幅に上回るため、排水量が同じであれば、急速な脱塩が起こります。1 ～ 2 年後には、土壌の塩分濃度が大幅に減少し、排水の塩分濃度が正常値まで下がり、新たな好ましい均衡が達成されます。

乾季と雨季がはっきりしている地域では、排水システムは雨季のみ稼働し、乾季には閉鎖されることがあります。排水をチェックまたは制御するこの方法により、灌漑用水を節約できます。

塩分を含んだ排水を排出すると、下流地域に環境問題を引き起こす可能性があります。環境への危険性は慎重に考慮し、必要に応じて緩和策を講じる必要があります。可能であれば、排水は塩分を含んだ排水による被害が最も少ない雨期のみに限定する必要があります。

土壌塩分濃度制御のための土地排水は、通常、水平排水システム（図左）によって行われますが、垂直システム（図右）も採用されています。

塩水を排出するために設計された排水システムも、地下水位を下げます。システムのコストを削減するには、低下を最小限に抑える必要があります。地下水位の最高許容レベル (または許容される最小深度) は、灌漑および農業慣行、および作物の種類によって異なります。

多くの場合、季節平均の地下水位は 0.6 ～ 0.8 m あれば十分です。つまり、地下水位は時折 0.6 m 未満になることがあります (たとえば、灌漑や暴風雨の直後は 0.2 m)。これは自動的に、他の場合には地下水位が 0.8 m より深くなる (たとえば 1.2 m) ことを意味します。地下水位の変動は土壌の呼吸機能に役立ち、植物の根によって生成される二酸化炭素(CO ₂ ) の排出と新鮮な酸素(O ₂ ) の吸入が促進されます。

深すぎない地下水位を確立すると、地下水位の上昇によって作物の収穫量が悪影響を受けるため、過剰な畑の灌漑が抑制され、灌漑用水が節約できるという追加の利点が得られます。

最適な地下水位に関する上記の説明は非常に一般的なものです。必要な地下水位は、示されているよりもさらに浅い場合（たとえば水田）もあれば、かなり深い必要がある場合（たとえば一部の果樹園）もあるためです。最適な地下水位の確立は、農業排水基準の領域です。^[13]

土壌表面と地下水面下の土壌の不飽和帯は、 4つの主要な水文学的流入・流出要因の影響を受ける。 ^[3]

• 雨水および灌漑用水（Irr）が土壌表面（Inf）を通して土壌に浸透する量：
• Inf = 雨 + Irr
• 土壌水分が植物を通して、また土壌表面から直接空気中に蒸発すること（蒸発）
• 不飽和帯土壌から地下水面を通した水の浸透（Perc）
• 毛細管現象による地下水の不飽和帯への移動（Cap ）

定常状態（つまり、不飽和ゾーンに蓄えられた水の量が長期的に変化しない状態）では、不飽和ゾーンの 水収支は「流入量 = 流出量」となり、次のようになります。

• Inf + Cap = Evap + Perc または:
• 燃焼 + 雨 + キャップ = 蒸発 + 浸透

塩分バランス は

• 熱容量 + 容量 Cc = 蒸発熱容量 + 浸透圧 Cp + Ss

ここで、Ci は灌漑用水の塩分濃度、Cc は毛細管上昇の塩分濃度（地下水体の上部の塩分濃度に等しい）、Fc は植物によって蒸散される総蒸発量の割合、Ce は植物の根によって吸収される水の塩分濃度、Cp は浸透水の塩分濃度、Ss は不飽和土壌の塩分蓄積量の増加です。これは、降雨に塩分が含まれていないことを前提としています。海岸沿いだけはそうではないかもしれません。さらに、流出や表面排水は発生しないと仮定します。植物によって除去される量（Evap.Fc.Ce）は通常無視できるほど小さいです：Evap.Fc.Ce = 0

塩分濃度 Cp は、不飽和帯の土壌の塩分濃度 (Cu) の一部として考えることができ、次の式が得られます。Cp = Le.Cu、ここで Le は浸出効率です。浸出効率は多くの場合 0.7 ～ 0.8 程度ですが、^[14]構造の悪い重粘土質土壌ではそれより低くなることがあります。ポルトガルのテージョ川デルタにあるレジリア・グランデ干拓地では、浸出効率はわずか 0.15 であることが確認されています。^[15] 土壌の塩分濃度を上昇させないようにして、土壌の塩分濃度 Cu を望ましいレベル Cd に維持すると仮定すると、次の式が得られます。Ss = 0、Cu = Cd、Cp = Le.Cd。したがって、塩分バランスは次のように簡略化できます。

• Perc.Le.Cd = Irr.Ci + Cap.Cc

この塩分バランスを満たすために必要な浸透水の量をLr（浸出要件）に設定すると、次のようになります。

• Lr = (Irr.Ci + Cap.Cc) / Le.Cd .

ここで、Irr = Evap + Perc − Rain − Cap を代入して整理すると次のようになります。

• Lr = [ (Evap−Rain).Ci + Cap(Cc−Ci) ] / (Le.Cd − Ci) ^[12]

これにより、塩分濃度制御のための灌漑および排水要件も計算できます。（半）乾燥地帯および気候
での灌漑プロジェクトでは、浸出要件を確認することが重要であり、その際には圃場灌漑効率（地下に浸透する灌漑水の割合を示す）を考慮する必要があります。 望ましい土壌塩分濃度レベルCdは、作物の塩分耐性に依存します。ワイオミング大学（米国） ^[10]とアルバータ州政府（カナダ） ^[11]は、作物の耐性データを報告しています。

排水（高地下水位）と土壌塩分の問題を抱え、水資源が乏しい灌漑地では、帯状の土地を交互に灌漑し、その間の帯状の土地を永久に休耕状態にする条間耕作が行われることがある。^[16]

灌漑帯に水が供給されるため、地下水位が高くなり、非灌漑帯への地下水の流れが誘発されます。この流れは灌漑帯の地下排水として機能し、地下水位は浅すぎない深さに維持され、土壌の浸出が可能になり、土壌の塩分濃度を許容できる低いレベルに制御できます。

灌漑されていない（犠牲）帯では土壌は乾燥しており、地下水は毛細管現象によって上昇し、塩分を残して蒸発するため、土壌は塩分を多く含む。しかし、塩分に強い草や雑草を植えることで、家畜の飼育にいくらか役立つ。さらに、モクマオウ、ユーカリ、アトリプレックスなどの有用な塩分に強い樹木を植えることもできるが、これらの樹木は根が深く、湿った下層土の塩分は表土よりも低いことに留意する必要がある。このようにして風食を抑制できる。灌漑されていない帯は塩の採取にも使用できる。^[要出典]

土壌中の水と溶質の移動に利用できるコンピュータモデルの大部分（例：SWAP、^[17] DrainMod-S、^[18] UnSatChem、^[19] Hydrus ^[20]）は、不飽和土壌中の水の動きに関するリチャードの微分方程式と、塩の移流と分散に関するフィックの微分対流拡散方程式を組み合わせたものです。

モデルには、変動する不飽和土壌水分含有量、水張力、保水曲線、不飽和透水係数、分散度、拡散率の関係などの土壌特性の入力が必要です。これらの関係は場所や時間によって大きく異なり、測定が容易ではありません。さらに、この地域の土壌塩分濃度は空間的に非常に変化するため、農家の圃場条件でモデルを較正するのは複雑です。モデルは短い時間ステップを使用し、少なくとも毎日、場合によっては毎時の水文学的現象のデータベースが必要です。全体として、このため、かなり大規模なプロジェクトにモデルを適用するには、十分な設備を備えた専門家のチームの仕事が必要になります。

SaltMod ^[5]のような、月ごとまたは季節ごとの水と土壌のバランスと経験的な毛細管上昇関数に基づいたより単純なモデルも利用可能です。これらは、灌漑や排水の実践に関連した長期的な塩分濃度の予測に役立ちます。

LeachMod、^{[21] [22]} SaltModの原理を使用すると、土壌の塩分濃度をさまざまな根圏層で監視する浸出実験を分析するのに役立ちます。モデルは各層の浸出効率の値を最適化し、シミュレートされた土壌塩分濃度の値と観察された値の適合が得られます。

地形の変化による空間的な変化は、 SahysModのような塩分濃度と地下水モデルを使用してシミュレートおよび予測できます。

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• カリフォルニア州リバーサイドの米国塩分研究所