不透水層と透水係数を知る！土壌の排水改良と診断法

不透水層と透水係数を理解して行う土壌の排水改良

不透水層とは何か？土壌の透水係数と排水性の基礎知識

 

農業において「良い土」とは、保水性と排水性のバランスが取れた土壌を指しますが、多くの生産者を悩ませるのが排水不良の問題です。この排水性を数値で客観的に表す指標が「透水係数」であり、その数値を著しく低下させる原因となるのが「不透水層」の存在です。まず、この二つの用語が現場でどのような意味を持つのか、物理的な視点から深く掘り下げていきましょう。

 

透水係数（Hydraulic Conductivity）とは、簡単に言えば「水が土の中を移動するスピード」を表す数値です。通常、cm/s（センチメートル毎秒）という単位で表され、ダルシーの法則に基づき算出されます。農業の現場、特に畑作において理想とされる透水係数は一般的に 10⁻³ cm/s から 10⁻⁴ cm/s の範囲と言われています。

 

この数値が 10⁻⁵ cm/s を下回ると、水はほとんど動かず、降雨後に長時間水たまりが残るような状態になります。逆に 10⁻² cm/s 以上あると、ザル状で肥料分まで流亡してしまう可能性があります。つまり、透水係数は高ければ良いというわけではなく、作物の根が呼吸でき、かつ必要な水分を保持できる「適度な遅さ」が必要なのです。

 

一方、「不透水層」とは、この透水係数が極端に低い土層のことを指します。自然に形成される場合もありますが、農業現場でよく見られるのは、長年のトラクター走行やロータリー耕によって形成された「耕盤層（ハードパン）」や「すき床層」です。これらは作土のすぐ下、深さ20cm〜30cm付近に圧縮された硬い層として存在し、あたかもコンクリートのように水の垂直移動を遮断します。

 

不透水層が存在すると、大雨が降った際に作土層だけが飽和状態となり、根腐れや湿害を引き起こす直接的な原因となります。また、乾燥時には地下からの水分上昇（毛管現象）も遮断してしまうため、干ばつの被害も受けやすくなるという、二重のリスクを抱えることになります。

 

農林水産省：土地改良事業計画設計基準及び運用・解説「暗渠排水」基準
【参考リンクの概要】農林水産省が公開している土地改良事業の設計基準です。暗渠排水を計画する際の透水係数の目安や、土壌物理性の判断基準について専門的な数値が記載されており、プロが参照すべき一次情報です。

 

不透水層の深さを特定する！簡易な測定と診断テクニック

「自分の畑の排水が悪い気がするが、どこに原因があるかわからない」という場合、高価な測定機器を導入する前に、自分でできる簡易的な診断方法があります。専門的な調査では「シリンダーインテークレート法」や「現場透水試験」などを行いますが、ここでは農家がスコップとバケツだけで実践できる「簡易オーガーホール法」に近い診断テクニックを紹介します。これにより、不透水層がどの深さにあり、どの程度の厚さなのかを推定することが可能です。

 

1. 試験孔の掘削（簡易診断）
まず、圃場の代表的な地点（排水が悪いと感じる場所）を選びます。ダブルスコップや穴掘り器（オーガー）を使用して、直径10cm〜15cm程度、深さ60cm〜80cmほどの縦穴を掘ります。この時、掘り出した土を観察してください。

 

深さ20cm〜30cm付近で急激に硬くなる層や、色が青灰色（グライ色）に変化している層があれば、そこが不透水層である可能性が高いです。また、土の湿り具合が層によってどう変化するかも重要な手がかりです。

 

2. 注水と水位観測
穴が掘れたら、一度底まで水を満たし、土壌を湿らせます（前処理）。水が引いたら、再度水を満タンまで注ぎ、そこから水面が下がる速度を計測します。

 

• 30分でほとんど水位が変わらない場合: 非常に強力な不透水層が存在しています（透水係数が10⁻⁵ cm/s以下の可能性）。
• 1時間で数センチ下がる程度: やや排水不良です。
• スムーズに水が引いていく場合: 垂直方向の排水性は良好ですが、地下水位そのものが高い可能性があります。

この簡易診断で重要なのは、「水が止まる深さ」を見極めることです。例えば、地表から30cmまでは水がスッと引くのに、そこでピタリと止まる場合、深さ30cm地点に不透水層（耕盤）があります。逆に、穴を掘っている最中に地下水が湧き出してくる場合は、不透水層の問題ではなく、地域全体の地下水位が高いことによる「地下排水」の問題であり、対策が全く異なります。

 

また、より精密に数値を把握したい場合は、「ミニディスクインフィルトロメーター」のようなハンディタイプの測定器も市販されていますが、まずはこの「穴掘りテスト」で土中の水の動きを可視化することが、改良への第一歩です。

 

岡山県：水田転換畑のすき床層の透水性を簡易に診断する新手法
【参考リンクの概要】岡山県の研究機関による資料で、100mlの採土円筒を使った簡易的な透水性測定手法が紹介されています。現場で簡単に「排水良」「排水不良」を判定するための具体的な手順と目安が図解付きで解説されています。

 

不透水層を物理的に破壊する！暗渠と改良資材による対策

診断によって不透水層の存在が確定したら、次はその層を物理的に「壊す」または「迂回させる」対策が必要です。単に肥料を入れるだけでは物理性は改善しないため、専用の機械や設備投資が必要になります。ここでは、コストと効果のバランスを考えた3つの段階的な改良手法を提案します。

 

レベル1：心土破砕（サブソイラー・パンブレーカー）
最も一般的かつ即効性のある方法です。トラクターにサブソイラー（深耕爪）を装着し、深さ40cm〜60cmまで爪を入れて引っ張ることで、硬盤層に亀裂（クラック）を入れます。

 

• ポイント: 施工は土が乾燥している時期に行うことが鉄則です。土が濡れている時に行うと、爪が通った跡が練り固められ、逆に排水を悪化させる「練り返し」が起きてしまいます。
• 効果: 垂直方向の水の通り道ができ、一時的に透水係数が劇的に改善します。ただし、数年で再び踏み固められるため、2〜3年ごとの定期的な施工が必要です。

レベル2：補助暗渠（弾丸暗渠）
心土破砕よりもさらに排水効果を高めたい場合に行います。土中にトンネル状の空洞を作る「弾丸（モグラ）」を引くことで、簡易的な水路を形成します。

 

• 資材の併用: 単に穴を開けるだけでなく、「もみがら」や「疎水材」を同時に充填することで、空洞が潰れるのを防ぎ、効果を長持ちさせることができます（カットドレーンなど）。これにより、不透水層を貫通させた水をスムーズに排水路まで導くことが可能になります。

レベル3：本暗渠の施工
不透水層が厚すぎる場合や、地下水位そのものを下げたい場合の最終手段です。素焼きや樹脂製の有孔管を埋設し、疎水材（砂利やチップ）で覆います。

 

ここで重要なのが、「不透水層の上に管を置くか、下まで掘り抜くか」の判断です。一般的に、不透水層の中に管を埋めても水は入ってきません。不透水層を重機で掘り割り、そのスリットを通じて表面水を管に落とし込む「全層破砕」や「疎水材の埋め戻し」をセットで行う必要があります。最近では、シート状の管を無掘削で埋設する「シートパイプ工法」なども普及しており、コストを抑えた施工も可能になっています。

 

改良を行う際は、ただ闇雲に掘るのではなく、先ほどの診断で特定した「不透水層の深さ」よりも深く爪を入れることを意識してください。層を突き抜けないと、水は溜まったままになります。

 

北海道立総合研究機構：水田の熟畑化技術と圃場排水対策
【参考リンクの概要】北海道の大規模農業における排水対策をまとめた資料です。透水係数のオーダー（桁数）に応じた具体的な対策区分（表面排水か下層土改良か）が表形式で整理されており、対策選定のロジックが非常に明確です。

 

不透水層と粘土の関係性は？水田と畑の理想的なバランス

不透水層は「悪者」として扱われがちですが、農業の形態によっては必要な存在でもあります。特に日本では「水田」と「転換畑（水田を畑として利用する）」が混在しているため、このバランス感覚が非常に重要です。ここでは、土壌粒子である「粘土」の特性と絡めて解説します。

 

粘土（Clay）は粒子が非常に細かく（0.002mm以下）、電気的な力で水を吸着する性質を持っています。粘土分が多い「重粘土壌」では、透水係数が自然と低くなり、不透水層が形成されやすくなります。

 

水田稲作において、この不透水層（すき床）は必須の機能を持っています。もし不透水層がなければ、灌漑した水がザルのように地下へ抜け、水を溜めることができません。水持ちを良くし、肥料分を保持するためには、適度な不透水層が「あえて」作られています。

 

しかし、これを大豆や麦、野菜などの「畑作」に転換した瞬間、このメリットは最大のデメリットに変わります。畑作物は根に酸素を必要とするため、停滞水は致命的です。

 

• 水田機能の維持: 透水係数 10⁻⁵ cm/s 程度が理想。
• 畑作機能の要求: 透水係数 10⁻³ cm/s 程度が理想。

この100倍近い透水性のギャップを埋めるのが、先述した心土破砕などの改良技術です。しかし、粘土質の土壌で強力に破砕しすぎると、翌年水田に戻した時に「水が止まらない（漏水田）」というトラブルが発生します。

 

粘土質の強い圃場では、不透水層を完全に破壊するのではなく、「亀裂を入れるが、練ればまた塞がる」程度の可逆的な管理が求められます。逆に、砂質土壌で不透水層が形成されている場合は、一度壊すと再生しにくいため、有機物を投入して土壌団粒構造を発達させ、不透水層に頼らない保水力を確保するアプローチが必要です。

 

「粘土だからダメ」「砂だから良い」ではなく、その土壌が持つ本来の透水係数と、現在形成されている不透水層の強度を見極め、栽培する作物に合わせてコントロールするという視点を持つことが、プロの土壌管理です。

 

J-Stage：重粘土水田の土層改良と用排水組織に関する研究
【参考リンクの概要】重粘土地帯における水田の排水性と土層改良に関する学術論文です。粘土質土壌特有の物理的挙動や、亀裂の形成と排水機能の関係について詳細に分析されており、難透水性土壌の管理において深い知見が得られます。

 

不透水層の役割を再考する！転換畑における地下水位制御

最後に、少し視点を変えて「不透水層を完全に壊さない」という高度な管理手法について解説します。これは、近年注目されている「地下水位制御システム（FOEAS等）」や「毛管バリア」の考え方に関連する、一歩進んだ独自視点です。

 

通常、排水改良といえば「いかに早く水を抜くか」に注力しがちです。しかし、近年の気候変動により、ゲリラ豪雨だけでなく、極端な「干ばつ」も頻発しています。不透水層を徹底的に破壊し、暗渠をガンガンに効かせた圃場では、干ばつ時に土壌がカラカラに乾き、作物が枯死するリスクが高まります。

 

ここで重要になるのが、「制御可能な不透水層」という考え方です。

 

理想的なのは、「排水したい時は抜け、保持したい時は止まる」土壌構造です。これを実現するために、完全に不透水層を破砕して消滅させるのではなく、ある程度の深さに難透水性の層を残しつつ、その上の層（作土〜心土）の透水係数を高めるという層位別管理が有効です。

 

例えば、地下60cm付近の不透水層はあえて温存し、その直上に暗渠パイプを設置します。そして、パイプの出口に「水位調整ゲート」を設けます。

 

• 雨が多い時期: ゲートを開放。不透水層の上にある水はスムーズに管へ流れ、排水される。
• 乾燥する時期: ゲートを閉鎖。不透水層が「受け皿」となり、地下水を溜める。この水が毛管現象によってじわじわと上昇し、作土層に水分を供給する。

このシステムにおいて、不透水層は「悪性の遮断層」ではなく、「天然の貯水タンクの底」として機能します。もし不透水層を無闇に深く破砕しすぎてしまうと、この「地下灌漑」の機能が失われてしまいます。

 

つまり、真の排水改良とは、単に透水係数を最大化することではなく、「気象条件や作物の生育ステージに合わせて、土中の水分移動をコントロールできる構造を作る」ことにあるのです。

 

自分の畑の不透水層を「敵」として全破壊する前に、それが「水資源の受け皿」として利用できる可能性がないか、一度立ち止まって考えてみる価値は十分にあります。特に水田転換畑においては、この「排水と貯留の両立」こそが、収量安定化の鍵を握っていると言えるでしょう。

 

MDPI: Evaluation of Subsurface Drip Irrigation Designs in a Soil Profile with a Capillary Barrier
【参考リンクの概要】（英語論文ですが内容は普遍的です）土壌中の異なる層（キャピラリーバリア）を利用して水分保持能力を高める研究です。不透水層や層の違いを利用して、乾燥地でも効率的に水分を作物に供給するメカニズムが解説されており、過度な排水の弊害を見直すきっかけになります。

 

 

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