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中原　治 (ナカハラ　オサム)

農学研究院　基盤研究部門　生物機能化学分野准教授

研究者基本情報

■ 学位
  • 博士(農学), 九州大学
■ URL
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J-Global ID■ 研究キーワード・分野
研究キーワード
  • 窒素飽和
  • 窒素降下物
  • 窒素吸収
  • 物質循環
  • アロフェン
  • 窒素循環
  • 地球温暖化
  • イオン交換
  • 圃場管理
  • Freundlich等温吸着式
  • 富栄養化
  • イモゴライト
  • 窒素施肥
  • 森林生態系
  • 火山灰土壌
  • 硝酸態窒素
  • 窒素除去
  • モンテカルロシミュレーション
  • 無機化
  • 農耕地生態系
  • 養分循環
  • 有機物分解
  • 養分制限
  • 硝酸溶脱
  • 二酸化炭素
  • イオン吸着
  • 温帯林
  • RPモデル
  • アンモニウム
  • 物質移動
研究分野
  • ライフサイエンス, 植物栄養学、土壌学
  • 環境・農学, 地域環境工学、農村計画学
■ 担当教育組織

経歴

■ 経歴
経歴
  • 2009年 - 2011年
    北海道大学, (連合)農学研究科(研究院), 准教授

研究活動情報

■ 論文
  • 見かけの塩吸収によるアロフェン質黒ボク土下層土の硝酸イオン吸着と移動遅延
    田村 和杏; 中原 治; 田中 正一; 加藤 英孝; 長谷川 周一
    日本土壌肥料學雜誌, 82, 2, 114, 122, 一般社団法人 日本土壌肥料学会, 2011年04月, ［査読有り］
    日本語, 研究論文（学術雑誌）, 北海道を中心に採取した9種の黒ボク土下層土を用いて,NO_3^-吸着およびそれに伴う他のイオンの吸着・脱着収支を測定した。溶液中NO_3^-濃度0〜14mmol L^<-1> (0〜196mgNO_3-N L^<-1>)の範囲では,供試したすべての土壌において,NO_3^-吸着は,等量の陽イオン吸着量増加を伴う「見かけの塩吸収」,すなわち,陽イオン吸着によるH^+生成2SiOH+Ca^<2+>=(SiO^-)_2・Ca^<2+>+2H^+で生じた新しい陰イオン吸着基2AlOH+2H^+=2AlOH_2^+へのイオン吸着(Wada,1984)として起きていた.予め土壌に吸着していたSO_4^<2->とのイオン交換はNO_3^-吸着に一切関与していなかった.NO_3^-吸着量は平衡溶液のNO_3^-濃度とほぼ正比例の関係を示し,分配係数が一定の線形吸着で記述できた.得られた分配係数の値から,黒ボク土下層土ではNO_3^-の2.5〜7割程度が固相に吸着して存在していると推定された.次いで,これらの土壌を用いたカラム試験によってNO_3^-流出濃度曲線を求めた.NO_3^-吸着実験で得られた分配係数の高い土壌ほど,水移動に対するNO_3^-流出の遅延の程度が大きくなった.NO_3^-流出濃度曲線に移流分散式の解析解を適用して求めた遅延係数は,分配係数をもとに推定した遅延係数とほぼ一致した.得られた遅延係数の値から,黒ボク土下層土では,水が1m移動する時にNO_3^-は0.8mから0.3m程度しか移動しないと見積もられた.以上の結果から,選択流が生じなげれば,NO_3^-吸着の分配係数を用いることで,黒ボク土下層土のNO_3^-移動の吸着による遅延を予測できると結論された.
  • Soil and stream water acidification in a forested catchment in central Japan
    Nakahara, O; Takahashi, M; Sase, H; Yamada, T; Matsuda, K; Ohizumi, T; Fukuhara, H; Inoue, T; Takahashi, A; Kobayashi, H; Hatano, R; Hakamata, T
    BIogeochemistry, 97, 2-3, 141, 158, 2010年03月, ［査読有り］, ［筆頭著者］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Greenhouse Gas Budget in a Larch Forest with Low Atmospheric N Deposition in Hokkaido,Northern Japan
    HATANO Ryusuke; NAKAHARA Osamu; KAWAHARA Shunsuke; KITAMURA Sayaka; KOIDE Takahiro
    Eurasian Journal of Forest Research, 10, 1, 71, 77, Hokkaido University Forests,EFRC, 2007年03月
    英語, 研究論文（学術雑誌）, Article
  • Long-term trends in surface water quality of five lakes in Japan
    Yamada, T.; Inoue, T.; Fukuhara, H.; Nakahara, O.; Izuta, T.; Suda, R.; Takahashi, M.; Sase, H.; Takahashi, A.; Kobayashi, H.; Ohizumi, T.; Hakamata, T.
    Water, Air, and Soil Pollution: Focus, 7, 1-3, 259, 266, Springer Netherlands, 2007年
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Response to nitrogen loading in a P-limited larch forest ecosystem in Sapporo, Japan
    T. Koide; K. Sakai; S. Kawahara; Y. Usui; O. Nakahara; R. Hatano
    PHYTON-ANNALES REI BOTANICAE, 45, 4, 443, 450, 2005年, ［査読有り］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Effect of nitrogen deposition on CH4 uptake in forest soils in Hokkaido, Japan
    Morishita, T; Hatano, R; Nagata, O; Sakai, K; Koide, T; Nakahara, O
    SOIL SCIENCE AND PLANT NUTRITION, 50, 8, 1187, 1194, 2004年12月, ［査読有り］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Spatial variation in nitrogen deposition over five adjacent catchments in a larch forest
    Nakahara, O; Yamagami, T; Koide, T; Sakai, K; Hatano, R
    SOIL SCIENCE AND PLANT NUTRITION, 49, 5, 741, 746, 2003年10月, ［査読有り］, ［筆頭著者］
    研究論文（学術雑誌）
  • Adsorption,Activity,and Kinetics of Acid Phosphatase as Influenced by Selected Oxides and Clay Minerals
    Shindo Haruo; Watanabe Daisuke; Onaga Tatsuya; Urakawa Makiko; Nakahara Osamu; Huang Qiaoyun
    Soil Science and Plant Nutrition, 48, 5, 763, 767, 一般社団法人日本土壌肥料学会, 2002年10月, ［査読有り］
    英語, 研究論文（学術雑誌）, The effects of 3 oxides (Fe, Al, and Mn oxides) and 3 clay minerals (kaolin, montmorillonite, and allophane) on the adsorption and subsequent kinetic properties of acid phosphatase were compared. The amount of enzyme adsorbed by the oxides and clay minerals followed the order: montmorillonite ≫ kaolin > Mn oxide > Fe oxide > Al oxide ≫ allophane. The adsorption isotherms of the enzyme on the oxides and clay minerals, except for montmorillonite and allophane, fitted the Langmuir equation. The activity of the enzyme immobilized by the inorganic components studied was in the order of allophane > kaolin >Fe oxide >montmorillonite > Al oxide ≒ Mn oxide. Compared to the free enzyme, the V_max, K_m, and V_max / K_m values of the immobilized enzyme decreased, increased, and decreased, respectively. Among the oxides or clay minerals, the higher the ability of the inorganic components to adsorb the enzyme, the lower the value of the V_max / K_m ratio of the immobilized enzyme. These findings suggest that the catalytic efficiency of the enzyme complexes formed is determined by the adsorbability of the inorganic components for the enzyme.
  • Effect of forest fire on physico-chemical properties of Taiga soils in Yakutsk, Russia
    Kamide K; Hatano R; Nakahara O; Sawamoto T; Takahashi K; Desyatkin RV
    Proceedings of the ninthe symposium on the joint Siberian permafrost studies between Japan and Russia in 2000, 104, 111, 2001年
    英語
  • Model of Cation Adsorption on Allophanic Andisols : II. Description of Mono-Component Adsorption
    Nakahara Osamu
    Soil science and plant nutrition, 46, 1, 21, 29, 一般社団法人日本土壌肥料学会, 2000年03月, ［査読有り］
    英語, 研究論文（学術雑誌）, The model introduced in the previous report (Nakahara 2000: Soil Sci. Plant Nutr., 46, 11-20) described cation adsorption on Choyo B soil satisfactorily. The optimized parameters, r_, n_, and d_, are physically sound. When the total number of cations per one allophane particle n_M is less than 1.0, major type of cation adsorbed was in the form of diffuse ion swarm. On the other hand, when n_M was higher than 1.0, the fraction of surface complexes increased with n_M. The reason for the suitability of the Freundlich-type adsorption isotherm for application to the cation adsorption on allophane was clarified.
  • Model of Cation Adsorption on Allophanic Andisols : I. Theory and Algorithm
    Nakahara Osamu
    Soil science and plant nutrition, 46, 1, 11, 20, 一般社団法人日本土壌肥料学会, 2000年03月, ［査読有り］, ［筆頭著者］
    英語, 研究論文（学術雑誌）, A new model of cation adsorption on allophanic Andisols was proposed. This model assumes that cations are adsorbed in the internal space of the hollow spherical ball of allophane either in the form of a diffuse ion or through the formation of surface complexes with SO- groups arranged on the inner surface swarm. The distinctive characteristics of this model is that the mean-field approximation was not adopted, but the Coulomb potential among charged particles was directly evaluated by using the primitive restricted model (Valeau and Cohen 1980: J. Chem. Phys., 72, 5935-5941) and the grand canonical Monte Carlo (GCMC) simulation. This report introduces the theory and the algorithm of the GCMC simulation.
  • Analysis of Vanselow,Gapon,and Davis Selectivity Coefficients Based on Simple Lattice Statistics
    Nakahara Osamu
    Soil Science and Plant Nutrition, 45, 1, 225, 229, 一般社団法人日本土壌肥料学会, 1999年03月, ［査読有り］, ［筆頭著者］
    英語, 研究論文（学術雑誌）, Simple lattice statistics was applied to formulate the monovalent-bivalent cation exchange reaction on lattice surfaces. The Davis and Gapon selectivity coefficients K_D and K_G could be derived for two-dimensional lattices with different reactions between bivalent cations and exchange sites. On the other hand, the Vanselow Selectivity coefficient K_v could not be derived for two-dimensional surfaces, but was found to be suitable for one-dimensional arrays of exchange sites. These results suggest that the use of K_v should be restricted to one-dimensional exchangers like linear polyelectrolytes and humic substances, while KD is suitable for general purposes.
  • 火山灰土壌の陽イオン吸着の理論化
    中原 治
    日本土壌肥料学雑誌, 69, 3, 245, 246, 一般社団法人 日本土壌肥料学会, 1998年
    日本語
  • 奨-4 火山灰土壌の陽イオン吸着の理論化(日本土壌肥料学会奨励賞)
    中原 治
    日本土壌肥料学会講演要旨集, 44, 245, 245, 一般社団法人日本土壌肥料学会, 1998年
    日本語
  • 4-13 Freundlich等温吸着式の理論的基礎(第3報) : 去年のモデルはアロフェンには当てはまりませんでした(4.土壌鉱物)
    中原 治
    日本土壌肥料学会講演要旨集, 43, 27, 27, 一般社団法人日本土壌肥料学会, 1997年
    日本語
  • Reconsideration of Theoretical Basis of Freundlich Adsorption Isotherm Equation : II. Approximative Derivation
    Nakahara Osamu
    Soil science and plant nutrition, 42, 1, 51, 61, 一般社団法人日本土壌肥料学会, 1996年03月, ［査読有り］, ［筆頭著者］
    英語, 研究論文（学術雑誌）, I constructed a modified surface complexation model that leads to the Freundlich isotherm approximately. The derivation of the Freundlich isotherm equation is based on the assumption that cations and anions are adsorbed onto the same surface simultaneously. This situation results in the formation of attractive forces between adsorbed cations and anions on the surface. Then the electrostatic energy of the surface should decrease with the increase of adsorption provided that the amount of the ion under consideration is smaller than that of the oppositely charged ion. By using the quadratic approximation theorem, we can approximate this electrostatic energy of quadratic polynomial : E^_(n)=An^2-Bn+C, by the following function : E^_(n)^=D(nln(n/E)-n)+F, where n is the number of ions adsorbed, A, B, C, D, and E are constants with a positive value. Using this equation as the approximated electrostatic energy, we can deduce the Freundlich isotherm easily. This model provides a theoretical basis to the fact that heavy metal adsorption on the edge surface of layer silicate minerals often follows the Freundlich adsorption isotherm equation.
  • Reconsideration of Theoretical Basis of Freundlich Adsorption Isotherm Equation : I. The Problem
    Nakahara Osamu
    Soil science and plant nutrition, 42, 1, 41, 49, 一般社団法人日本土壌肥料学会, 1996年03月, ［査読有り］, ［筆頭著者］
    英語, 研究論文（学術雑誌）, I discussed the problem we face if attempts are made to derive the Freundlich isotherm equation as an electrostatic adsorption model like the surface complexation models. To derive this equation we need the following electrostatic energy : E^_=C(nln(n/D)-n)+E, where n is the number of ions adsorbed, and C, D, and E are constants with a positive value. This equation requires that when the number of ions adsorbed is relatively small, there must be attractive forces among adsorbed ions on the surface. The partial derivative of this equation : (∂^/∂n)_=Cln(n/D), diverges to minus infinite at the limit n→0. This divergence requires that the attractive forces among adsorbed ions diverge to infinite at the limit n→0. To derive the Freundlich isotherm equation, we need to reveal the mechanism that leads to the requirements described above.<
  • 4-7 Freundlich等温吸着式の理論的基礎(第二報) : Monte Carloシミュレーションを用いた探索(4.土壌鉱物)
    中原 治
    日本土壌肥料学会講演要旨集, 42, 25, 25, 一般社団法人日本土壌肥料学会, 1996年
    日本語
  • 腐植質土壌の陽イオン吸着の表面錯形成モデル(第1報)K^+, Ca^<2+>の吸着の記述
    中原 治; 和田 信一郎
    日本土壌肥料学雑誌, 67, 1, 90, 91, 一般社団法人 日本土壌肥料学会, 1996年
    日本語
  • 腐植質土壌の陽イオン吸着の表面錯形成モデル(第2報)K^+-Ca<2+>イオン交換平衡の予測
    中原 治; 和田 信一郎
    日本土壌肥料学雑誌, 67, 1, 91, 91, 一般社団法人 日本土壌肥料学会, 1996年
    日本語
  • Surface Complexation Model of Cation Adsorption on Humic Soils : 2.K^+-Ca^<2+> Exchange Equilibria
    Nakahara Osamu; Wada Shin-Ichiro
    Soil science and plant nutrition, 41, 4, 671, 679, 一般社団法人日本土壌肥料学会, 1995年12月, ［査読有り］, ［筆頭著者］
    英語, 研究論文（学術雑誌）, We evaluated the ability of a new surface complexation model "multi-layer model" of Nakahara and Wada (1995: Soil Sci.Plant Nutr., 41, 659-669) to predict the K^+-Ca^<2+> exchange equilibria on a humic Andisol. Under the assumption that the relative permittivity of the interfacial region is constant at any points, we could calculate the K^+-Ca^<2+> exchange equilibrium conditions using the four parameters previously obtained from K^+ and Ca^<2+> adsorption data. The model predicted the variation of the exchange selectivity coefficient of Vanselow (K_V) and the pH of the bathing solutions as a function of the equivalent fraction of adsorbed K^+ satisfactory. We concluded that our model can be used for the calculation of the chemical equilibria of soil solutions of humic soils.
  • Surface Complexation Model of Cation Adsorption on Humic Soils : 1.K^+ and Ca^<2+> Adsorption
    Nakahara Osamu; Wada Shin-Ichiro
    Soil science and plant nutrition, 41, 4, 659, 669, 一般社団法人日本土壌肥料学会, 1995年12月, ［査読有り］, ［筆頭著者］
    英語, 研究論文（学術雑誌）, We constructed a new surface complexation model designated as "multi-layer model" that describes the cation adsorption on humic soils. This model is different from the existing surface complexation models in three ways: (1) we assumed the existence of a cylindrical surface, instead of a planar surface, as a model of humic polymers, (2) we ignored the diffuse ion swarm formation and assumed that all the adsorbed ions are held by the formation of outer-sphere surface complexes, and (3) we assumed that different ions are adsorbed on different planes. The applicability of the model to describe the experimental data on acid-base properties of a humic soil was satisfactory.
  • K-Ca Exchange Equilibria on Humic and Allophanic Andisols
    Nakahara Osamu; Wada Shin-Ichiro
    Soil science and plant nutrition, 41, 1, 167, 172, 一般社団法人日本土壌肥料学会, 1995年03月, ［査読有り］, ［筆頭著者］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • 4-7 Freundlich等温吸着式の理論的基礎【第一報】 : 問題の本質はどこにあるのか?(4.土壌鉱物)
    中原 治
    日本土壌肥料学会講演要旨集, 41, 30, 30, 一般社団法人日本土壌肥料学会, 1995年
    日本語
  • 腐植質火山灰土壌の陽イオン吸着モデル1 : 単成分系の記述
    中原 治; 和田 信一郎
    日本土壌肥料学雑誌, 66, 4, 388, 395, 日本土壌肥料學會, 1995年
    日本語, We proposed a new multi-layer surface complexation model that describes cation adsorption on humic Andisols. This model is different from the existing surface complexation models in three ways : (1) we assumed a cylindrical surface instead of a planar surface as a model of humic polymers, (2) we ignored the diffuse ion swarm formation and assumed that all the adsorbed ions are held by the outer-sphere surface complexes formation, and (3) we assumed that different ions are adsorbed on different planes. The applicability of the model to describe the experimental data is satisfactory.
  • Two simple isotherms describing cation adsorption on Andisols.
    NAKAHARA O.
    Soil Sci.Plant Nutr., 40, 1, 83, 94, 1994年03月, ［査読有り］, ［筆頭著者］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • Ca^<2+> and Mg^<2+> adsorption by an allophanic and a humic Andisol
    NAKAHARA O.
    Geoderma, 61, 3-4, 203, 212, 1994年03月, ［査読有り］, ［筆頭著者］
    英語, 研究論文（学術雑誌）
  • CaCl_2とMgCl_2溶液中における火山灰土壌へのCl^-吸着
    中原 治; 和田 信一郎
    日本土壌肥料学雑誌, 65, 1, 103, 103, 一般社団法人 日本土壌肥料学会, 1994年
    日本語
  • 火山灰土壌の陽イオン吸着を記述する2つの簡単な等温吸着式
    中原 治
    日本土壌肥料学雑誌, 65, 2, 223, 223, 一般社団法人 日本土壌肥料学会, 1994年
    日本語
  • 3-8 腐植質火山灰土壌のイオン交換平衡予測モデル(3.土壌鉱物および膠質複合体)
    中原 治; 和田 信一郎
    日本土壌肥料学会講演要旨集, 40, 24, 24, 一般社団法人日本土壌肥料学会, 1994年
    日本語
  • Cl^- Adsorption on Andisols from CaCl_2 and MgCl_2 Solutions
    Nakahara Osamu; Wada Shin-Ichiro
    Soil science and plant nutrition, 39, 4, 645, 652, 一般社団法人日本土壌肥料学会, 1993年12月, ［査読有り］, ［筆頭著者］
    英語, 研究論文（学術雑誌）, To evaluate the effect of coexisting cations on Cl^- adsorption in variable-charges soils, we measured the Cl^- adsorption from CaCl_2 and MgCl_2 solutions on two Andisols as a function of the pH and electrolyte concentration, and compared the results with the adsorption from NH_4Cl and NaCl solutions. For the Choyo B soil in which allophane and imogolite are the dominant exchangers, the Cl^- adsorption from NaCl, NH_4Cl, and MgCl_2 solutions was only determined by the pH + pCl values of the bathing solutions. In the CaCl_2 solutions, however, the Cl^- adsorption deviated positively from the relationship obtained in using the NaCl, NH_4Cl, and MgCl_2 solutions. We considered that this deviation reflected the CaCl^+ ion-pair adsorption on negatively charged sites. In a 50 mmol L^<-1> CaCl_2 solution at pH = 7.1, the estimated CaCl^+ ion-pair adsorption amounted up to about 10% of the adsorbed Ca^<2+> and 56% of the adsorbed Cl^- on a mol kg^<-1> basis. In the lower pH range (<6.5), however, the CaCl^+ adsorption was negligible. Daikanbo A soil whose exchanger consisted of Al-humus complexes showed a net negative adsorption of Cl^-. These results suggest that the contribution of MCl^+ (M=Ca or Mg) complexes was not significant. The exclusion volume was relatively constant irrespective of the pH and electrolyte concentration. We attributed these results to the Donnan effect.
  • Soluble Silica in a Tephra-Derived Spodosol in the Mountainous Region of Chichibu, Japan
    Sakagami Kan-ichi; Nakahara Osamu; Hamada Ryunosuke
    Soil science and plant nutrition, 39, 1, 139, 151, 一般社団法人日本土壌肥料学会, 1993年03月, ［査読有り］
    英語, 研究論文（学術雑誌）, Si sorption and release characteristics of a tephra-derived Spodosol in the mountainous region of Chichibu, Japan, were studied, and cation-exchange resin extraction of protoimogolite was tested. The upper compartment and the lower compartment of the Bhs/Bs interface differed considerably in their reactivity for H_4SiO_4. The upper compartment (Oa, E, Bhs1, and Bhs2 horizons) showed a weak affinity for H_4SiO_4.These horizons gave zero-order H_4SiO_4 release, and the initial stage of H_4SiO_4 release was well described by the parabolic diffusion law. These results suggest that the upper profile contains a large amount of free Si and acts as a Si pool. Especially, the Oa horizon did not show any H_4SiO_4 adsorption in a 0-3 mmol L^<-1> H_4SiO_4 solution, and gave a much larger H_4SiO_4 release rate. The lower compartment (Bs1 and Bs2 horizons) which contains allophane/imogolite showed a strong affinity for H_4SiO_4. The H_4SiO_4 release rate of these horizons was described by the Elovich equation. These findings suggest that in the lower profile, the H_4SiO_4 concentration is well controlled by the reaction with surface Al-OH groups of allophane/ imogolite and hydroxy-interlayer minerals. Cation-exchange resin, Chelex 100, extracted a very small amount of Si from only the Bhs1 and Bhs2 horizons, suggesting that a trace amount of protoimogolite accumulated in these horizons. The protoimogolite was probably complexed with humic substances.
  • 3-11 火山灰由来土壌によるCa、Mgイオン吸着(3. 土壌鉱物および膠質複合体)
    中原 治; 和田 信一郎
    日本土壌肥料学会講演要旨集, 38, 27, 27, 一般社団法人日本土壌肥料学会, 1992年
    日本語
■ その他活動・業績
■ 書籍等出版物
■ 主な担当授業
  • 実験計画法, 2024年, 学士課程, 農学部
■ 共同研究・競争的資金等の研究課題
  • P制限が温帯林のC循環とN循環に与える影響
    科学研究費助成事業
    2009年 - 2011年
    中原 治; 渋谷 正人
    札幌市清田区にある白旗山都市環境林の26林分において、養分制限を調べた。Root-ingrowth bagを用いたバイオアッセイの結果、13林分が窒素制限、10林分が窒素とリンの共制限、3林分がリン制限であることが分かった。窒素制限はカラマツ生葉N:P比が16以下の林分で卓越していた。カラマツ生葉N:P比が16以上の林分では窒素とリンの共制限が主体で、3林分がリン制限であった。
    日本学術振興会, 基盤研究(C), 北海道大学, 21580073
  • 耕地から河川へのNO3流出のモデル化
    科学研究費助成事業
    2004年 - 2005年
    中原 治
    本研究の調査地である標津川集水域では、農耕地における純窒素投入量の約25%は土壌中の硝化作用により土壌に保持をうけない硝酸態窒素に変換され、脱窒や植物による吸収を受けずに河川に流出する。この硝酸態窒素は河川や沿岸域の富栄養化を引き起こし、環境の悪化と時には水産業への悪影響をもたらす。そこで農地では、硝酸態窒素の流出を最小限に抑えるための窒素管理が必要となる。
    農地での窒素管理において重要な事に、河川に流れ出しにくい場所に廃棄窒素を保管すること、土壌の脱窒反応による浄化を最大限に利用することが考えられる。このためには、どの位置に置かれた窒素が最大限の浄化を受けるかを定量的に評価する必要がある。しかし、実測による評価は不可能であるため、モデルによる推定が必要となる。
    本研究では、脱窒による浄化能を地図上で表現する事を最終目標にしたモデルの開発である。このモデルでは、地下水層を移動する硝酸態窒素が一次反応式(C_t=C_0exp[-kt])に従って脱窒を受けると仮定し、移動速度は始点から最大勾配に沿った河川への距離(distance)と、その勾配(slope)から計算したdistance/slopeに比例すると仮定した。また、現地踏査から河川勾配と硝酸態窒素の負の関係を見出し、硝酸態窒素の流出率が河川勾配の逆数に比例して上昇すると仮定した。
    このモデルは河川の硝酸態窒素の実測値との適合が極めてよい事が分かった。モデルはNO3濃度の変動の94%を説明した。その結果、調査地の標津川集水域において、純窒素投入量の数%から最大50%近くの硝酸態窒素が河川に流出する前に脱窒によって除去されるという推定結果を得た。
    しかし、モデル自体の欠点も明らかになってきた。土台にしたモデルは半経験的な理論を土台にしている。そこでこの欠点を克服するために、河川勾配の項に対する理論付けを試みた。具体的には、水理学や河川地理学の公式(マニングの式やLeopoldの経験則)から流出率が河川勾配の逆数に比例する関係を得ることを試みたが、河川勾配の平方根を説明するにとどまった。今後、残りの平方根を説明する理論的作業が必要である。
    日本学術振興会, 基盤研究(C), 北海道大学, 16580042
  • 窒素降下物の地球温暖化への影響
    科学研究費助成事業
    2003年 - 2005年
    波多野 隆介; 中原 治; 秦 寛; 渋谷 正人
    森林生態系において、窒素降下物が温室効果ガスに影響をおよぼすという報告がされている。しかしその報告例は窒素降下物量の多い地域でのもの(無機態窒素(DIN)>10 kg N ha^<-1> y^<-1>)が多く、窒素降下物量の少ない地域でのものは少ない。また、温室効果ガスの動態を総合的に評価するためIPCCよりGlobal Warming Potential(GWP)の考え方が提案されている。しかし、森林生態系の研究では、CO_2、CH_4、N_2Oの研究は独立に行われる場合が多く、これまでGWPを用いて地球温暖化への寄与を明らかにした研究例がなかった。そこで、低窒素降下量が地球温暖化に与える影響を評価することを目的とした。
    調査地は札幌市清田区の白旗山都市環境林内の5地点である。N_2O放出とCH_4吸収はクローズドチャンバー法を用いた。CO2吸収は、毎木調査とアロメトリー式によるNPPの推定と、土壌試料の培養による微生物呼吸の測定の組み合わせで推定した。無積雪期間の窒素降下量は0.8〜1.8 kg N ha^<-1> y^<-1>であった。年間CH_4吸収は5〜7 kgC ha^<-1> y^<-1>で、無積雪期間の窒素降下量とは有意な相関を示さなかった。しかし文献値との比較から、本調査地の高いCH_4吸収は、CH_4吸収を阻害することが知られている窒素降下物の量的な低さに起因すると考えた。N_2Oフラックスは地温や水分との相関を見せない典型的なバックグラウンド型の放出を示した。年間N_2O放出は0.02〜0.09 kg ha^<-1> y^<-1>であった。無積雪期間の積算N_2O放出は、無積雪期間の窒素降下量と正の相関を示した。さらに、バックグラウンド型のN_2Oフラックスが報告されている文献値と比較しても、窒素降下量とN_2O放出の間に正の相関が確認できた。NEP(純生態系炭素固定量)は0.2〜2.1 tC ha^<-1> y^<-1>であった。NEPは無積雪期間の窒素降下量と有意な正の相関を示した。また、CO_2換算したGWPで比較すると、GWPはNEPの成分が大半を占め、N_2OやCH_4の寄与は微々たるものであった。以上の結果から、本調査地において、窒素降下物は地球温暖化指数(GWP)に影響するが、樹木の成長速度への影響が最も重要な成分である事が分かった。
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 北海道大学, 15380045
  • 森林生態系における窒素動態-無機態窒素と有機態窒素の樹木の窒素吸収への寄与
    科学研究費助成事業
    2002年 - 2003年
    中原 治
    札幌市都市環境林白旗山の5つの小流域において、窒素循環をモニタリングによって測定した。A層の土壌溶液の溶存無機態窒素濃度は最高3.11ppm、最低0.02ppm、平均0.78ppmで推移した。降水量から河川流量の差引した結果、生育期間に5流域の平均で約300mm程度の蒸発散があり、この間にマスフローで運ばれた溶存無機態窒素(NO3+NH4)は2.4kgNha-1yr-1となった。これは1年間の窒素吸収量41.8kgNha-1yr-1のわずか5.7%程度であった。この結果は、マスフローによる窒素吸収の寄与が極めて小さい事を意味する。窒素吸収量の94%は拡散による吸収という結果であるが、それが陽イオン交換基に保持されたNH4か?、有機態窒素であるか?は本研究のデータからは判別できないが、有機態窒素の寄与が十分にあり得ると推察した。0層からA層への窒素フラックスが年間で3.5kgNha-1yr-1しかなく、DON(溶存有機態窒素)とDIN(溶存無機態窒素)の寄与がほぼ半々であった。こうした結果は、0層からの直接的な窒素吸収がない限り説明できない。0層からの吸収が主体であればNH4での吸収の可能性がかなり低くなるからである。
    日本学術振興会, 若手研究(B), 北海道大学, 14760035
  • 環境汚染物質の吸着現象の分子シミュレーション
    科学研究費助成事業
    2000年 - 2001年
    中原 治
    グランドカノニカルアンサンブルを用いたアルゴリズムの大枠が完成した。ソースコードはC言語を用いて記述し、これをCodeWarriorでコンパイルした。これにRPポテンシャ関数を組み込み、アロフェンを模した中空状粒子内での陽イオン吸着をシミュレーションした。アロフェンは火山灰土壌に特有の非結晶性ケイ酸アルミニウム鉱物であるが、その陽イオン吸着の物理化学的側面が、未だに明らかにされていない。アロフェンの陽イオン吸着は表面錯形成モデルでは記述できず、Freundlich式が有効であるが分かっている。しかし、その理論的基礎はまったく知られていなかったため、このシミュレーションモデルの有効性を評価するのには最適だと考えられる。このアルゴリズムに滑降シンプレックス法を組み込み、吸着を記述するのに必要なパラメータの最適化を行うと、中空粒子の内径(2.2nm)や表面水酸基数(nTOT=62)といった基本的なパラメータが、ほぼ実際のアロフェンで予測される値に収束した。そして吸着量のpHによる変化も非常に性格に予測した。さらにFreundlich式で記述できない領域を予測たため、この領域で吸着データを採取した。その結果、実測データはこの理論的予測を正確に一致した。粒子内部のイオンの分布を調べると、アロフェン1個当たり、吸着したイオンの数が1個と2個の間で、全く様式が異なることが分かった。2個以上ではお互いに反発が強くなり、これが、表面錯形成モデルの平均場近似で予測できない原因となることが判明した。この結果は、本シミュレーションモデルが、吸着平衡の予測に非常に有効であることを示している。
    日本学術振興会, 奨励研究(A), 北海道大学, 12760039
  • 土壌コロイドの表面化学的性質とその出現のダイナミクス
    科学研究費助成事業
    1999年 - 1999年
    足立 泰久; 石田 智之; 中原 治; 溝口 勝; 南條 正巳; 中石 克也
    本研究の全体像は、(1)土壌コロイドの表面化学的な性質の解明とそのモデル化、(2)汚染物質のキャリアとしてのコロイドの水理学的モデル化、(3)水文学的スケールからみたモデル化に要求される視点、の3つのスキームに区分される。以下、それぞれのスキームごとに調査検討した内容を本研究のカテゴリーである企画調査の観点より要約する。
    (1)の論点は以下の2つである。第一の論点は、移動現象を記述するうえから化学物質の土壌表面に対する吸着、収着、核形成、表面沈殿等の集積現象のモデル化に必要性を明確にした点にある。第二の論点は、力学特性や物質移動特性の解析に表面化学的立場から足がかりを与えるための視点を特に表面水の物理化学的性質の観点から明確にすることの必要性を明らかにした点にある。これらの両者に関連する研究は、今後飛躍的に発展する潜在性を有していると分析された。
    (2)のカテゴリーでは熱力学と水理学の両者を駆使したキャリア自体の運動の解析が必要であるが、運動法則の第一原理に基づくモデルの構築には限界があり、第1スキームで得られる情報を前面に出せるような大胆なモデル化が有効と考えられる。ここでは特にその試みとして、固体の体積分率から解析の長さスケールを導いて解析する方法、粒子間接点数に着目する方法、さらにはStern層の横方向の移動度を解析する方法などを提案し、その実用性を討議した。
    (3)では環境に対する負荷という点より、土壌浸食に伴って移動する栄養塩や農薬の問題と、放射性物質等の有害な重金属が地層中をコロイドにくっついて移動する問題とが、キャリアとしてのコロイド粒子の問題に水文学的スケールで関わっていることを明確にし、これらの問題を扱う体系を明らかにした。
    日本学術振興会, 基盤研究(C), 筑波大学, 11896007
  • 水稲養分の吸収に及ぼす根圏土壌の物理化学的変化の影響
    科学研究費助成事業
    1997年 - 1998年
    江頭 和彦; 中原 治; 和田 信一郎
    各区画毎に土壌溶液採取用のホローファイバーと酸化還元電位測定用の白金線をリゾボックスを作成しヒノヒカリを栽培した。栽培には、北陸農業試験場のAl-モンモリロナイト主体の水田土壌と、熊本農業研究センターのAl-腐植複合体とアロフェンを主体とする水田土壌を用いた。土壌溶液の採取は一週間毎に行い、NH^+_4濃度、Fe^<2+>濃度、有機態C,無機質C(CO^+_2HCO^<2->_3)を測定した。
    NH^+_4吸収様式は、土壌のコロイド組成によって異なっていた。スメクタイト質土壌の場合、PhaseIにおいてもPhaseIIにおいてもマスフローが中心であった。これは拡散中心の吸収であると結論した伊藤(1992)の結果に反している。また、PhaseIIにおいては根圏のpH低下に伴うECECの減少が、NH^+_4の移動を促進していることが示唆された。
    一方アロフェン質土壌の場合は、PhaseIではマスフローが中心で、PhaseIIでは一転して、拡散による吸収が中心であった。また、夏季にヒノヒカリを栽培した場合には、PhaseIにおいて根圏近傍でNの有機化が進行し、PhaseIIでは無機化が進行していることを示唆するデータを得た。この結果は水稲が根圏土壌をNの貯蔵庫として利用していることを示唆している。
    経時的に根圏土壌を採取できるリゾボックスの作成を試みた。その結果、有機態Nプロファイルは、土壌のコロイド組成によって異なっていた。スメクタイト質土壌よりも黒ボク水田で、根近傍の有機態N濃度変化が大きかった。しかし、生育10日後以降、水補給孔のガラス繊維ろ紙に、糸状菌が大増殖したため、透水係数が極度に低下し、リゾボックス下部からの水供給が行えなくなってしまった。そこで、根圏における有機態Nの変化が、現実の圃場を再現できずに終わってしまった。
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 九州大学, 09460039