溶存酸素量の基準と植物の根への影響と土壌の改善方法

溶存酸素量の基準と農業への影響

溶存酸素量の基準値と植物への影響

 

溶存酸素量（DO）は、水中に溶け込んでいる酸素の量を示す、水質を測る上で非常に重要な指標です 。この数値が低いということは、水中の酸素が欠乏している状態を意味し、作物の生育に深刻な影響を及ぼす可能性があります。では、具体的にどれくらいの数値が「基準」となるのでしょうか。
まず、日本の環境基準では、河川の水質について類型が定められており、最も清浄な「AA類型」（水道1級、自然環境保全）ではDOの値が7.5mg/L以上であることとされています 。農業用水もこれに準じた高い水準が求められることが多く、農林水産省が示す農業用水基準でも、水稲向けには7.5mg/L以上が望ましいとされています 。
しかし、これはあくまで一般的な河川や用水路の基準です。農業、特に施設園芸や水耕栽培においては、よりシビアな管理が求められます。例えば、トマトやキュウリ、レタスなどの果菜類や葉菜類を水耕栽培する場合、培養液中のDO濃度が5mg/Lを下回ると根の機能が著しく低下し始めると言われています 。3mg/L以下になると根腐れのリスクが非常に高まり、生育不良や病害の発生に直結します 。
なぜ溶存酸素量がこれほど重要なのでしょうか。その理由は、植物の「根」も私たちと同じように呼吸をしてエネルギーを得ているからです。根は水中の溶存酸素を取り込んで呼吸を行い、そのエネルギーを使って水分や肥料分を吸収します。しかし、水中の酸素が不足すると、根は窒息状態に陥ります。これにより、以下のような深刻な影響が現れます。

• 根腐れ: 酸素不足の環境では、嫌気性微生物が活発化し、根に有害な物質（硫化水素など）を生成します。これにより根の組織が破壊され、茶色く変色し、腐敗してしまいます 。
• 栄養吸収の阻害: 根の呼吸が滞ると、肥料を吸収するためのエネルギーが作れなくなります。その結果、どんなに高価な肥料を与えても作物はそれを十分に活用できず、欠乏症のような症状を示すことがあります 。
• 病害の発生: 根が弱ると、フザリウム菌などの土壌病原菌に対する抵抗力が低下し、病気にかかりやすくなります 。
• 生育不良と収量低下: 根からの水分・養分吸収が滞ることで、地上部の成長も停滞します。葉の黄化や萎れ、果実の肥大不良などが発生し、最終的に収量の大幅な低下につながります 。

このように、目には見えない「溶存酸素量」は、作物の生命線を握る極めて重要な要素なのです。特に、水の量が多くなりがちな栽培環境や、根が密集しやすい環境では、常に酸素不足のリスクと隣り合わせであることを認識する必要があります。
以下のリンクは、環境省が定める水質の環境基準についてまとめたものです。河川の類型ごとに基準値が詳細に記載されており、農業用水の水質を評価する上での公的な指標として参考になります。

 

公共用水域の水質汚濁に係る環境基準｜環境省

溶存酸素量が不足する主な原因と水温の密接な関係

圃場の溶存酸素量がなぜ低下してしまうのか、その原因を理解することは、効果的な対策を講じるための第一歩です。主な原因は複数ありますが、特に注意すべきは「水温の上昇」と「有機物の過剰な存在」です。
1. 水温の上昇

水の温度と溶存酸素量は、非常に密接な関係にあります。簡単に言うと、「水温が高いほど、水に溶けることができる酸素の量は少なくなる」という物理的な法則があります 。これは、気体の溶解度が温度の上昇に伴って減少するためです。例えば、標準気圧下での飽和溶存酸素量は以下のようになります。

水温	飽和溶存酸素量 (mg/L)
0℃	14.6
10℃	11.3
20℃	9.1
30℃	7.5

このように、水温が10℃から30℃に上昇するだけで、水中に存在できる酸素の最大量は約34%も減少してしまいます。特に夏場のハウス内や、日当たりの良い水田・用水路では、水温が30℃以上に達することも珍しくありません。このような状況では、植物の根が必要とする酸素を十分に供給することが物理的に困難になります。さらに、高温は植物自体の呼吸量も増加させるため、酸素の消費が激しくなり、ますます酸欠に陥りやすくなるという悪循環を生み出します。
2. 有機物の過剰な存在（BODの上昇）

水中に含まれる有機物も、溶存酸素量を低下させる大きな要因です 。ここで重要になるのが、BOD（生物化学的酸素要求量）という指標です。BODは、水中の微生物が有機物を分解する際に消費する酸素の量を示します 。つまり、BODの値が高い水は「汚れが進んでいる水」であり、それだけ多くの酸素が微生物によって消費されてしまうことを意味します。
農業現場では、以下のような要因で有機物が水中に過剰に供給されることがあります。

• 過剰な施肥: 圃場に施用された有機質肥料や堆肥が、降雨などによって用水路や地下水に流れ込むケース。
• 藻類の異常発生: 富栄養化した水域では、植物プランクトンや藻が異常繁殖します。これらの藻類は日中、光合成によって酸素を供給しますが、夜間は呼吸によって酸素を消費します。さらに、枯死した藻類が微生物に分解される過程で大量の酸素が消費され、急激なDO低下を引き起こすことがあります 。
• 落ち葉や雑草の混入: 用水路などに枯れた植物が堆積し、それらが腐敗する過程で酸素が使われます。

3. 土壌の物理性の問題

土壌栽培においても、土壌中の「水分」に含まれる溶存酸素が重要です。しかし、土壌の物理性に問題があると、酸素供給が著しく阻害されます。

• 排水不良・過湿: 粘土質の圃場や、硬盤層によって水はけが悪くなっている土壌では、土壌の隙間（孔隙）が常に水で満たされた状態になります。これにより、大気中からの酸素供給が遮断され、根が酸欠状態に陥ります 。
• 土壌の圧密: 大型機械の走行などによって土壌が踏み固められると、土壌の孔隙が減少し、通気性が悪化します。これも根への酸素供給を妨げる大きな原因となります 。

これらの原因は単独で発生することもあれば、複合的に絡み合って深刻な酸素不足を引き起こすこともあります。特に水温が高くなる夏場は、酸素溶解度の低下と微生物活動の活発化が同時に起こるため、最も注意が必要な時期と言えるでしょう。

溶存酸素量の簡単な測定方法と注意点

自社の圃場や用水路の溶存酸素量がどの程度なのかを正確に把握することは、適切な管理を行う上で不可欠です。専門的な分析機関に依頼する方法もありますが、近年では農業者自身が現場で簡単に測定できる機器も普及しています。ここでは、主な測定方法とその注意点について解説します。
1. DOメーター（溶存酸素計）による測定

現在、最も一般的で手軽な方法が、DOメーターを用いた測定です 。DOメーターは、水中にセンサーを入れるだけで、その場の溶存酸素量や水温をデジタル表示してくれる便利な機器です。測定原理によっていくつかの種類があります。

• 隔膜電極法（ガルバニ電池式・ポーラログラフ式）:
  センサーの先端に張られた薄い膜を通して水中の酸素を通過させ、内部の電極で化学反応を起こして酸素濃度を測定する方法です 。比較的安価なモデルが多く普及していますが、測定時に水を撹拌する必要がある、定期的な電解液の交換や膜の交換が必要、といったメンテナンスの手間がかかる側面もあります 。
  
• 蛍光式（光学式）:
  センサー先端の蛍光物質に特定の波長の光を当て、酸素濃度に応じて変化する蛍光の減衰時間を測定することで、溶存酸素量を算出する方法です。隔膜電極法に比べて、測定時の撹拌が不要、消耗品の交換頻度が少ない、応答速度が速いといったメリットがあり、近年主流になりつつあります。ただし、一般的に機器の価格は高価になる傾向があります。
  

DOメーターを使用する際の注意点 💡

• 正確な校正が命: DOメーターは使用前に必ず校正（キャリブレーション）を行う必要があります。校正を怠ると、全く信頼性のない数値が表示されてしまいます。一般的には、酸素がゼロの状態を作る「ゼロ校正」と、大気中で飽和状態の酸素量を記憶させる「スパン校正」の2点校正を行います 。校正方法は機器によって異なるため、必ず取扱説明書をよく読んで正しく実施してください。
• 水温の安定: センサーが水温に馴染むまで、数値が安定しないことがあります。測定時はセンサーを水中に入れてから数分待ち、表示が安定してから値を読み取るようにしましょう。
• 隔膜電極法の場合は撹拌を忘れずに: 隔膜電極法のメーターでは、センサー周辺の水が静止していると、センサーが消費した酸素の分だけ局所的にDO濃度が低下し、正しい値が測定できません。測定中はセンサーをゆっくり動かすか、マグネチックスターラーなどで水を穏やかに撹拌する必要があります 。

2. ウィンクラー法（滴定法）

試薬を用いた化学分析によって溶存酸素量を測定する方法です 。複数の試薬を正確に加えて色の変化や滴定量を調べる必要があり、専門的な知識と技術が求められます。現場で手軽に行うのには向きませんが、非常に高い精度で測定できるため、DOメーターの精度検証や、より厳密なデータが必要な研究などに用いられます 。
3. パックテスト（比色法）

試薬が封入されたチューブに検水を吸い込み、色の変化を標準色と見比べることで、おおよその溶存酸素量を簡易的に測定する方法です 。DOメーターに比べて精度は劣りますが、非常に安価で誰でも簡単に測定できるため、「まずは大まかな傾向を知りたい」という場合に便利です。
これらの測定方法の中から、目的や予算、求める精度に応じて最適なものを選ぶことが重要です。定期的に測定を行い、自身の圃場の「酸素の健康状態」を記録・管理していくことが、安定した農業生産への第一歩となります。

溶存酸素量を増やす具体的な改善方法

溶存酸素量が不足していることが判明した場合、あるいは不足が懸念される場合には、積極的な対策を講じることで作物の生育環境を大きく改善できます。ここでは、土壌栽培と水耕栽培の両方で活用できる、具体的な改善方法をいくつか紹介します。
1. 曝気（エアレーション）による酸素供給 🌬️

最も直接的で効果的な方法の一つが、曝気（エアレーション）です。これは、ブロワーなどを使って水中に空気を送り込み、強制的に酸素を溶け込ませる方法です。水耕栽培では、培養液タンクにエアーストーンを設置するのが一般的です 。土壌栽培においても、用水路や貯水タンクに曝気装置を設置することで、灌水に使う水の溶存酸素量を高めることができます。

• メリット: 導入コストが比較的安価で、継続的に安定した酸素供給が可能です。
• デメリット: 電気代などのランニングコストがかかります。また、曝気によって水温が上昇しやすくなる場合があるため、夏場は注意が必要です。

2. マイクロナノバブル発生装置の活用 ✨

近年注目されているのが、マイクロナノバブル（ファインバブル）技術です 。これは、非常に微細な気泡を水中に発生させる装置で、以下のような特徴から高い酸素供給効果が期待されています。

• 気泡の長期滞留: 通常の気泡はすぐに水面で破裂してしまいますが、マイクロナノバブルは非常に小さいため、水中に長く留まり、効率的に酸素を水に溶かし込みます 。
• 負の帯電: マイクロナノバブルは負に帯電している性質があり、植物の根に付着しやすいと言われています。これにより、根の周囲に直接酸素を供給する効果も期待されています。
• 高い溶存能力: 通常の曝気では飽和溶存酸素量以上に溶け込ませることは困難ですが、加圧溶解などの方式を用いる無気泡酸素溶解装置では、30mg/Lといった非常に高濃度の溶存酸素水を作ることも可能です 。

これらの装置を灌水システムに組み込むことで、根に直接、酸素豊富な水を届けることができ、根張りの改善や収量向上が多くの事例で報告されています 。
3. 酸素供給剤の利用 💊

土壌の酸欠を手軽に改善する方法として、酸素供給剤の利用があります。これは、水と反応して酸素を発生させる化学物質を主成分とした資材で、過酸化カルシウムなどがよく知られています。「酸素くん」といった商品名で市販されています 。

• 使用方法: 粒状のものを土壌に混和したり、灌水チューブで流し込んだりして使用します。水に浸かってしまった根を活性化させるため、液肥と併用するとさらに効果的です 。
• メリット: 電気設備が不要で、必要な時に必要な場所へスポット的に酸素を供給できます。特に、大雨による一時的な湛水被害の応急対策としても有効です。
• 注意点: 効果の持続期間には限りがあるため、継続的な使用が必要になる場合があります。また、土壌のpHを変動させる製品もあるため、使用前に特性をよく確認することが重要です。

4. 物理的な土壌改良 🚜

根本的な解決策として、土壌の物理性を改善することも欠かせません。これは、土壌の通気性と排水性を高め、根が呼吸しやすい環境を作るための対策です。

• 有機物の施用: 完熟した堆肥などの有機物を施用することで、土壌の団粒構造が促進され、水はけと通気性が向上します。
• 深耕・心土破砕: トラクターの重みなどでできてしまった硬盤層を、サブソイラなどを用いて破砕することで、下層への排水性が改善され、根が深くまで張れるようになります。
• 明渠・暗渠の整備: 圃場の排水性が悪い場合には、排水路を整備することで、過剰な水分を速やかに圃場外へ排出します。

これらの改善方法は、それぞれにメリット・デメリットがあります。自身の圃場の状況（水質、土壌の状態、栽培方法など）を正確に把握し、これらの方法を適切に組み合わせることが、収量と品質の向上につながる鍵となります。
農林水産省のウェブサイトでは、農業におけるICT活用事例として、ナノバブル技術などが紹介されています。先進的な技術の導入事例として参考になります。

 

スマート農業技術カタログ｜農林水産省

【独自視点】溶存酸素量と土壌微生物の意外な関係性

溶存酸素量の重要性は、主に「植物の根の呼吸」という観点から語られることがほとんどです。しかし、実はもう一つ、農業生産において極めて重要なプレーヤーである「土壌微生物」の活動にも、溶存酸素量は決定的な影響を与えています。この関係性を理解することは、より本質的な土壌管理と施肥設計につながります。
土壌中には、1グラムあたり数億から数十億という天文学的な数の微生物が生息しており、その働きは作物の生育に不可欠です。これらの微生物は、その活動に酸素を必要とするかどうかで、大きく二つのグループに分けられます。
1. 好気性微生物（酸素が大好き！） 👍

活動するために酸素を必要とする微生物群です。彼らは、人間にとって有益な働きをしてくれる「善玉菌」が多く含まれます。

• 硝化菌（亜硝酸菌、硝酸菌）: アンモニア態窒素を、植物が吸収しやすい硝酸態窒素へと変換してくれます。彼らの働きがなければ、窒素肥料の効果は半減してしまいます。
• 窒素固定菌（アゾトバクターなど）: 空気中の窒素ガスを取り込んで、植物が利用できる形の窒素化合物に変換する能力を持ちます。
• リン溶解菌: 土壌に固定されて植物が吸えなくなったリン酸を、可溶性のリン酸に変換してくれます。
• 発酵菌（納豆菌、酵母菌など）: 有機物を分解し、アミノ酸やビタミンなどの有用な物質を生成します。

これらの好気性微生物は、溶存酸素が豊富な環境で活発に活動します。つまり、灌水や土壌中の水分に十分な酸素が含まれていると、彼らが肥料成分を効率よく分解・変換し、植物が吸収しやすい形にしてくれるのです。結果として、肥料の利用効率が高まり、作物の健全な生育が促進されます。
2. 嫌気性微生物（酸素が苦手…） 👎

酸素のない、あるいは非常に少ない環境で活発になる微生物群です。彼らの中には、農業にとって不都合な働きをする「悪玉菌」が含まれています。

• 脱窒菌: 硝酸態窒素を窒素ガスに還元し、大気中に逃がしてしまいます（脱窒）。これは、施肥した窒素成分が失われることを意味し、深刻な肥料ロスにつながります。水田で「中干し」を行う理由の一つは、この脱窒を防ぐために土壌中に酸素を供給することにあります。
• 硫酸還元菌: 硫酸塩を、植物の根に有害な硫化水素に還元します。根腐れの原因となる悪臭は、この硫化水素によるものです。
• 腐敗菌（ウェルシュ菌など）: 有機物を腐敗させ、有害な物質を生成します。

湛水状態や過湿状態が続き、土壌中の酸素が欠乏すると、善玉菌である好気性微生物の活動は停止し、悪玉菌である嫌気性微生物が優勢な環境になってしまいます。こうなると、せっかく施用した肥料は失われ（脱窒）、根は有害物質（硫化水素）に晒され、病原菌が蔓延しやすい土壌環境へと変化してしまうのです。
このように、溶存酸素量を管理することは、単に根に呼吸をさせるだけでなく、「土壌微生物のバランスをコントロールし、肥料が効きやすい土壌環境を維持する」という、もう一つの極めて重要な意味を持っています。酸素供給剤の施用やマイクロナノバブル水の灌水は、根だけでなく、土壌中の膨大な数の「味方」である好気性微生物にも酸素を届け、彼らの働きを活性化させるための重要な一手と言えるでしょう。この視点を持つことで、日々の水管理や土壌管理の重要性について、より深い理解が得られるのではないでしょうか。

 

 

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