Prediction of water, heat and solute transport in freezing soils with salt segregation for sustainable usage of cold regions

令和4年度は本研究の初年度にあたるため、まずは凍結過程にある土中の溶質移動を確認することを目的とした。そこで、一次元カラム実験において地表に凍結融解サイクルを与える最適な方法を模索し、恒温水循環型の温度制御基部で底面に水分フラックスのない定温温度境界を、低温庫内における開放型制御で地表に自由蒸発が可能な周期的温度境界をそれぞれ与えることとした。また、凍土中の不凍水量や塩濃度を測定できるよう、TDRの検量と解析モデルの検討を行った。そして、異なる種類と濃度のナトリウム塩を含む土の一次元カラム凍結融解・蒸発実験を行い、その際の水分・熱・溶質移動を観測した。その結果、土に凍結融解サイクルが与えられると、凍結の進行にともないより深い位置の水が凍土層に引き上げられることで融解期に表層が湿潤に保たれ、凍結融解を与えない場合より地表からの水分蒸発が促進されることが定性的に明らかになった。また、溶質濃度が高いほど凝固点が低下し、凍結が進行しても氷の生成量が少なく、凍結の進行が速くなる一方深部からの水分移動が少なくなること、重炭酸塩は土中で炭酸塩となり沈着するため凍結融解サイクルを与えてもあまり移動しないこと等が明らかになった。また、試料の凍結面近傍の観察系にハイパースペクトルカメラを導入した。ハイパースペクトルカメラでの土壌観察の基礎的知見を得るため、近赤外分光装置で様々な土のスペクトルを取得し、主成分解析により水分量や可給態窒素、各種栄養塩を測定する検量線を作成した。またこの際、同地区の土壌で作成した検量線であれば地区内の土壌分析に十分な精度が得られるが、他地区の土壌分析精度が著しく落ちること、一方、県内レベルでばらついた土壌で検量線を作成すれば、精度は高くないものの、比較的多くの土壌の分析ができることを明らかにした。

令和4年度は本研究の初年度にあたるため、まずは凍結過程にある土中の溶質移動を確認することを目的とした。そこで、一次元カラム実験において地表に凍結融解サイクルを与える最適な方法を模索し、恒温水循環型の温度制御基部で底面に水分フラックスのない定温温度境界を、低温庫内における開放型制御で地表に自由蒸発が可能な周期的温度境界をそれぞれ与えることとした。また、凍土中の不凍水量や塩濃度を測定できるよう、TDRの検量と解析モデルの検討を行った。そして、異なる種類と濃度のナトリウム塩を含む土の一次元カラム凍結融解・蒸発実験を行い、その際の水分・熱・溶質移動を観測した。その結果、土に凍結融解サイクルが与えられると、凍結の進行にともないより深い位置の水が凍土層に引き上げられることで融解期に表層が湿潤に保たれ、凍結融解を与えない場合より地表からの水分蒸発が促進されることが定性的に明らかになった。また、溶質濃度が高いほど凝固点が低下し、凍結が進行しても氷の生成量が少なく、凍結の進行が速くなる一方深部からの水分移動が少なくなること、重炭酸塩は土中で炭酸塩となり沈着するため凍結融解サイクルを与えてもあまり移動しないこと等が明らかになった。また、試料の凍結面近傍の観察系にハイパースペクトルカメラを導入した。ハイパースペクトルカメラでの土壌観察の基礎的知見を得るため、近赤外分光装置で様々な土のスペクトルを取得し、主成分解析により水分量や可給態窒素、各種栄養塩を測定する検量線を作成した。またこの際、同地区の土壌で作成した検量線であれば地区内の土壌分析に十分な精度が得られるが、他地区の土壌分析精度が著しく落ちること、一方、県内レベルでばらついた土壌で検量線を作成すれば、精度は高くないものの、比較的多くの土壌の分析ができることを明らかにした。