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本頁は 日作紀 78 に掲載． 図表省略
栃木県における農業用水の水質実態およびその経年変化
宮ｱ成生・関和孝博・吉田智彦
要旨：栃木県内の主要農業用用水85 地点および農業用排水6地点の水質を1996〜1998年の3年間にわたり，水稲栽培期間を中心に調査した．その結果，農業用用水の水質基準値内の割合はpHが70％，ECが88％，CODが84％，T-Nが30％，SSが100％であった．調査時期による水質の変化は小さかった．水質汚濁は渡良瀬川流域と鬼怒川流域で進行していた．また，汚濁の激しい地点は県南部および西部の都市下流域で，人口，下水道普及率との関係が示唆された．農業用排水は用水に比較してSiO２を除き栄養塩類濃度が高かった．調査地が同一である53地点について10年前と比較して，栄養塩類の濃度は低下する傾向にあり，特にT-N，SiO２で顕著であった．
キーワード：栄養塩類，経年変化，水質，全窒素，農業用水．
The Change in Water Quality for Irrigation in Tochigi Prefecture: Naruo Miyazaki, Takahiro Sekiwa and Tomohiko Yoshida
Abstract: We investigated the water quality of irrigation for 14 elements including nutrient salts in Tochigi Prefecture from 1996 to 1998. The irrigation water was sampled at 85 points 5 times during the period from transplanting to ripening of rice plants. The drainage water was sampled at 6 points 7 times during the period from transplanting to November. The rate within the standard value for irrigation in pH, EC, COD, T-N and SS were 70%, 88%, 84%, 30% and 100%, respectively. In water quality for irrigation, the best was the Naka basin, the next was the Kinu basin and the worst was the Watarase basin. The range of seasonal changes in water quality was narrow. The most polluted water point was at the area of downstream from cities in south and west part of Tochigi Prefecture. The nutrient salt concentrations of the drainage were higher than those of irrigation, except for SiO2. Comparison of the nutrient salt concentration in 1996〜1998 with those in 1986〜1988 showed a tendency to decline, especially for T-N and SiO2.
Key words: Irrigation water, Nutrient salt, Total nitrogen, Water quality.
水稲は生育に大量の水を必要とする同時に，そこに溶け込む栄養塩類等を吸収する．そのため，水稲の正常な生育にはかんがい水として利用される農業用水の水質を保全することは重要であり，1970年に農林水産省が農業 (水稲) 用水基準が策定している．また，水田農業を中心とする我が国では農業用水の利用量が莫大であり，その多くは利用後河川にもどるため，農業用水が河川水等環境へ与える影響は大きい．環境面からも農業用水の水質を保全することは重要である．
栃木県は農耕地に占める水田の割合が78.7％ (栃木県2006) と高く，那珂川，鬼怒川および渡良瀬川の上流に位置することから重要性は極めて大きい．また，県北部に国内有数の酪農地域があり，排せつ物等による水質汚濁が懸念される．かんがい水の水質汚濁が著しい場合の対応策としては，耐肥性品種の導入，施肥量の調整，節水かんがい ( 千葉県 1990) や水田内での迂回かんがい (岩崎ら 1998) が提案されている．栃木県の水稲栽培技術指針は気象，土壌，作型および品種により分けられて作成されている．これにかんがい水の水質を考慮すべきか検討するため，水質を基準値と比較し実態を把握する必要がある．
1980年代の農業用水の水質については，多くの県で報告されており，全窒素 (T-N) および化学的酸素要求量 (COD) の値が基準値を超える用水が多く，都市近郊で汚濁が激しいとされた（井上・庄籠1991, 平山 1986, 金子ら 1991, 小沢ら 1991, 桑名ら1990，水田ら 2001b)．
以後の農業用水の水質については，福岡県では1996〜1998年の調査結果を10年前と比較してT-N，CODが全ての地域で増加する傾向にあるが (水田ら 2001a)，クリークでは変化が少ない (水田ら 2003) ，埼玉県では1987〜1996年の調査結果を10年前と比較してT-Nが低下しCODが増加する傾向にある (`島ら 1999) と，地域により変化の傾向が異なっていることなどが報告された．
栃木県での農業用水の水質については，1991〜1993年の調査で多くの地点でT-Nの値が基準値を超えていたこと，CODおよび全リン酸 (T-P) の値が高い地点が散見されたこと，都市下流で水質汚濁は大きかったが1986〜1988年と比較して汚濁程度が軽減される傾向にあったことが報告された (宮崎ら 1994) ．しかし，以後の報告はなく，また水質を含む環境汚染の実態やその経年変化は農業の背景が異なる各地域，県ごとに明らかにしておく必要があると考えられるため，ここでは，1996〜1998年における栃木県の農業用用水の水質について報告する．
材料と方法
栃木県内の主要農業用用水において，1996年に35地点，1997年に29地点，1998年に21地点の水質調査をおこなった．本県の河川流域は3つに大別されるが，調査地点数は3年間で那珂川流域が7，鬼怒川流域が41，渡良瀬川流域が37の合計85であった．また，農業用排水 (排水専用) について1996年に鬼怒川流域の4地点，1997年に渡良瀬川流域の2地点，合計6地点の調査をおこなった．なお，那珂川流域は酪農の集中する上流域のみ調査した．調査対象地点を第1図に示した．
調査は水稲の生育ステージごとにおこない，用水が移植期，分げつ期，幼穂形成期，出穂期，登熟期の5回，排水が代かき期，移植期，中干し期，間断かん水期，落水期，非かんがい期の10月および11月の7回であった．採水は流量が通常の状態にある日に水路の中央部よりおこなった．総調査点数は用水が425点，排水が42点であった．
調査項目は農業用水として水質基準が設定されているpH，化学的酸素消費量（COD），懸濁物質（SS），全窒素（T-N），電気伝導率（EC）の5項目およびアンモニア態窒素 (NH４-N)，硝酸態窒素 (NO３-N)，全リン（T-P），カリウムイオン (K＋)，カルシウムイオン (Ca２＋)，マグネシウムイオン (Mg２＋)，塩化物イオン (Cl−)，硫酸イオン (SO４２−) ，ケイ酸 (SiO２) の計14項目であった．また，農業用排水については流量も測定した．
試料の採水は2L容ポリエチレン製容器を用いた．pH，ECは採取した日に，COD，T-N，NH４-N，NO３-N，T-Pは4日以内に，他の項目は2週間以内に分析した．なお，試料は4℃ 以下で測定時まで保存した．
ほほ同じ内容でおこなわれた1986〜1988年の1次調査および1991〜1993年の2次調査の結果と今回1996〜1998年の3次調査の結果を同一地点について比較した．各調査地点数は那珂川流域が7，鬼怒川流域が20，渡良瀬川流域が26の合計53であった．調査対象地点を第1図に示した．
水質の分析方法はpHがガラス電極法，CODが過マンガン酸カリウム滴定法，SSがガラス繊維濾紙法，T-Nが紫外線吸光光度法，ECが電気伝導率計法，T-Pがペルオキソ二硫酸カリウム分解法，K＋，Ca２＋，Mg２＋，Na＋がフレーム原子吸光法，NO３-N，Cl−，SO４２−がイオンクロマトグラフ法，NH４-Nがインドフェノ−ル青吸光光度法 (日本工業標準調査会1986a)，SiO２がモリブデン黄吸光光度法 (日本工業標準調査会1986b) であった．流量は水路の断面積および流速より算出した．
結果と考察
1. 農業用用水の全体および流域別水質
1996〜1998年の農業用用水の水質を第１表に示した．
pHの中央値は7.4で，農業用水基準（以下基準値）6〜7.5に対し7.5を超えた割合は総点数の30％，6未満はなかった．同じ時期 (1996〜1998年) に同様の調査をした福岡県232点の平均値7.4および7.5超は28％，6未満はなかった(水田ら 2001a) と，また1987〜1996年の毎年6月に調査をした埼玉県110点の平均値7.5 (`島ら 1999) とほぼ同じ値であった．流域別では渡良瀬川，那珂川，鬼怒川の順で高くなり，鬼怒川の基準値内割合は57％と他の流域80％程度と比較して低かった．
ECの全体の中央値は0.160dS m−１で，総点数の88％が基準値0.300dS m−１以下を満たしていた．福岡県の平均値0.179dS m−１および基準値内割合89％と，埼玉県の平均値0.189 dS m−１とほぼ同じ値であった．流域別の中央値は那珂川が0.108dS m−１ (基準値内割合100％)，鬼怒川が0.152dS m−１ (同97%)，渡良瀬川が0.259dS m−１ (同75％) であった．那珂川が低く，鬼怒川，渡良瀬川の順で高くなった．
CODの中央値は3.6mg L−１で，総点数の84％が基準値6mg L−１以下であった．水稲の生育に影響を与えるとされる10mg L−１ (森川ら 1982) を超えたのは12点 (8地点) であった．福岡県の平均値6.4 mg L−１および基準値内割合46％に比べ良好で，埼玉県の平均値2.8 mg L−１に比べ高い値であった．流域別の中央値は那珂川が2.6 mg L−１ (基準値内割合94％)，鬼怒川が3.4 mg L−１ (同88%)，渡良瀬川が4.2 mg L−１ (同77％) であった．
T-Nの中央値は1.72mg L−１で，総点数の30％が基準値1mg L−１以下であった．福岡県の平均値2.3 mg L−１および基準値内割合は13％と，埼玉県の平均値2.12 mg L−１に比べ良好であった．1995〜1997年の全国主要河川449地点の中央値1.10 mg L−１ (河川環境管理財団 2005) に比べ高い値であった．流域別の中央値は那珂川が0.65 mg L−１ (基準値内割合57％)，鬼怒川が1.04 mg L−１ (同49%)，渡良瀬川が2.79 mg L−１ (同4％) であった．
NH４-Nの中央値は0.19mg L−１で，水稲の生育に影響を与えるとされる2mg L−１ (森川ら 1982) を超えたのは8点(3地点)であった．埼玉県の平均値0.3 mg L−１に比べ低く，全国主要河川45地点の中央値0.07 mg L−１に比べ高い値であった．渡良瀬川流域および鬼怒川流域の都市下流域で高い地点が散見されたが，流域間で大きな違いはなかった．
NO３-Nの中央値は1.12mg L−１で，全国主要河川33地点の中央値0.07 mg L−１に比べ高い値であった．流域別では那珂川と鬼怒川が同じ程度，渡良瀬川が高かった．
SSの中央値は8mg L−１で，ほぼ全ての試料が基準値100mg L−１以下であった．福岡県の平均値18.4 mg L−１および基準値内割合は97％に比べ良好であった．
T-Pの中央値は0.07mg L−１．水稲の生育に影響を与えるとされる0.5mg L−１ (森川ら 1982) を超えたのは7点(3地点)であった．福岡県と埼玉県の平均値 (0.17 mg L−１，0.20 mg L−１) に比べ低く，全国主要河川447地点の中央値 (0.052 mg L−１) に比べやや高い値であった．
Ｋ＋，Ca２＋， Na＋，Ｃｌ−は那珂川，鬼怒川，渡良瀬川の順で高くなった．Mg２＋，SO４２−は鬼怒川，那珂川，渡良瀬川の順で高くなった．渡良瀬川流域内には石灰石およびドロマイト鉱床があり，その直下の用水のCa２＋，Mg２＋濃度は特に高かった．
水稲の生育に影響を与えるとされるCODが10mg L−１, NH４-Nが2mg L−１, T-Pが0.5mg L−１を超えた汚濁の進んだ地点は県南部および西部の都市下流域に散見された (第2図)．
流域別では汚濁が進んでいたのは渡良瀬川流域，次に鬼怒川流域であり，那珂川流域では良好であった．県平均と比較すると渡良瀬川流域は人口密度が高く下水道施設の普及率が低い，鬼怒川流域は人口密度が高く下水道施設の普及率が高い，那珂川流域は下水道施設の普及率が低いものの人口密度が低い (栃木県 1999) ことから，水質は生活排水の影響を強く受けていると考えられた．その事例として，特に汚濁の激しい県南部小山用水の流下にともなう水質変化を第3図に示した．市街地の下流 (地点ｅ) でEC，COD，T-N，NH４-N，T-P濃度が急激に上昇した．地点ｄと地点ｅ間には下水道未整備の地域があり，汚濁の原因は生活排水によるものと推察された．
農業用用水の時期別水質を第4図に示した．pH，ECおよび栄養塩類濃度の時期別水質変化はおおむね小さかった．しかし，NH４-N，T-Pは幼穂形成期にやや増加した．NO３-Nは分げつ期，幼穂形成期に低下し，移植期，出穂期，登熟期に増加した． SiO２は分げつ期，幼穂形成期に低下し，出穂期，登熟期に増加した．
2. 農業用排水の水質
1996〜1998年の農業用排水の水質および流量の時期別変化を第2表に示した．
代かき期は他の時期に比較しT-N，NH４-N，NO３-N，SS，T-P，K＋，Ca２＋，Mg２＋，Cl−，CODで濃度が高かった．これら成分は水稲に施用する塩化アンモニウム，熔リン，塩化カリおよび堆肥の主および副成分に該当すること，地表流出水のT-N，T-P，SS，CODが代かき・移植期に高まる (園田ら 1997，近藤ら 1993) との報告から施肥による影響と推測された．
中干し期にNH４-N，SS，T-P，CODの濃度が上昇し，ECやK＋など多くの栄養塩類の値が低下した．これは時期として追肥によりNH４-Nが増加し，また流量が増加していることから水路の底面等にあった懸濁物質が浮遊し吸着していたT-P，COD成分を増加させ，他の溶存成分は希釈により低下したためと考えられた．
SiO２は水稲栽培期間中低く，またNO３-Nは代かき期，移植期に高く，中干し期から落水期まで低く推移していた．これらは水稲および田面水や表層土に存在する珪藻類によるSiO２の吸収，施肥窒素の影響および脱窒により低下したものと推察された．
1996〜1998年のかんがい期間中の農業用排水の水質を第３表に示した．農業用排水の栄養塩類濃度の中央値は用水と比較して，NH４-Nを除き高かった．
3. 10年前との水質比較
比較可能な53地点の農業用用水水質の経年変化を第5図に示した．また，1996〜1998年の項目ごとの中央値が10年前の中央値に比較して10％以上減少または増加した地点の割合を第4表に示した．
pHはやや上昇する傾向にあり，10年間で基準値7.5を超える地点数が3から11に増加した．10％以上増加した地点は渡良瀬川流域にあったが，10％以上減少した地点はなかった．今回は測定していないが，1986〜1988年の5年後にDO値が増加している (宮崎ら 1994) ことから，河床付着藻類の炭酸同化作用によりpHが上昇したものと推察された．
ECの中央値はほぼ同じ水準で推移し，10年前と比べ増加および減少した地点数はほほ等しかったが，基準値0.300dS m−１を超える地点数が7から5に低下した．
CODは10年前より高濃度の地点が減少し，基準値を超える地点数が4から1に低下した．鬼怒川流域および那珂川流域で増加割合が減少割合より大きかったが，全体としては増加および減少した割合はほほ等しかった．中央値は3.8mg L−１から3.6mg L−１にやや低下した．
T-Nは10年前より10％以上濃度が低下した地点の割合は64％であり，10％以上濃度が上昇した地点の割合17％より大きかった．那珂川流域では10％以上濃度が上昇した地点はなかった．全体の中央値が2.43mg L−１から1.81mg L−１に低下した．NH４-Nは10年前より高濃度の地点が大幅に減少し，中央値が0.28mg L−１から0.22mg L−１とやや低下した．水稲の生育に影響を与えるとされる2mgL−１を超える地点が2から1に減った．NO3-Nはほぼ同じ水準であった．
T-Pは濃度の高い地点が減少しており，水稲の生育に影響を与えるとされる0.5mgL−１を超える地点が3から1に減った．K＋も濃度の高い地点が減少した．T-P，K＋ともに10年前と比較して濃度が低下した地点が上昇した地点より多かった．
Ca２＋は他の栄養塩類に比較して大幅に上昇していた．これは渡良瀬川流域での上昇の影響を強く受けており石灰石およびドロマイト鉱床など地質的な要因が大きいと推察された．また，鬼怒川流域でも上昇していたが，原因は明らかではない．
SiO２は鬼怒川流域で10年前と比較して64％の地点で10％以上減少しており，中央値は16.8mg L−１から14.2 mg L−１に低下した．山形県の農業用水 (熊谷ら 1998) ，和歌山県の河川水 (石塚ら 2004) ではSiO２が1956年頃と比較して低下していた．ダム等停滞流域の増加にともなう珪藻による吸収量の増加により河川のSiO２濃度の低下が指摘されている (Humborgら 1997) ．鬼怒川上流においても1980年代および90年代にダムが新設されており，原因についてはこの可能性も考えられた．
全国主要河川の1995〜1997年とその16年前との比較では，T-N，NH４-N，T-Pが減少し，NO３-Nが増加した (河川環境管理財団 2005)．福岡県の農業用用水の1996〜1998年と10年前との比較では，pH，EC，T-Pが多くの地域で増加傾向，T-N，CODが全ての地域で増加傾向にあり (水田ら 2001a) ，埼玉県の農業用用水では1987〜1996年とその10年前との比較では，経年によりpH，EC，T-Pがほぼ変わらず，COD，NH４-Nが増加傾向，T-N，K＋が低下傾向にあった (`島ら 1999)．
いずれにせよ，栃木県の農業用水は，10年前と比較してT-N，NH4-N，T-P，Ｋが低下し，EC，CODは高濃度の地点が減少しており，水質が良化傾向にあった．原因として農業集落排水処理施設を含む下水道整備率の増加 (注：とちぎの農業集落排水 栃木県農務部農村整備課 1997)，窒素リン酸の排出規制，無リン化学合成洗剤の普及があげられる．水稲の生育に有用な元素であるSiO2の用水濃度が減少傾向にあり，その原因の解明が望まれる．
以上，栃木県の農業用用水の水質は，おおむね良好であり，他県の農業用用水に比較して良好であった．懸念された県北部の酪農地域においても水質が保全されていた．これらのことから，水稲栽培技術指針の作成にかんがい水の水質を考慮する必要性は低いと考えられた．かんがい水の水質汚濁が著しい場合，汚濁程度に応じた栽培方法が提案されている (千葉県 1990, 岩崎ら 1998)．県南部および西部の水質汚濁の著しい地点では，水田の水口周辺での減肥や節水かんがい等の対策を個別にとる必要がある．これら地点は都市下流域の下水道未整備地域や下水処理施設の直下であり，生活排水の影響を受けたものと推測された．
また，従前から指摘されてきた露地野菜等への過剰施肥や水田での代かき，移植期のかけ流しによる水質汚濁については，本調査でも農業用排水の栄養塩類濃度が代かき期に若干高まることで確認した．今後も農耕地での適切な肥培，水管理および下水道整備を進め，水環境を保全していかなければならない．
本調査では栄養塩類の動向を調査したが，農耕地から地域水環境への影響を考慮して農薬等他の成分も含めモニタリングしていく必要がある．また，コンクリート製Ｕ字溝でなく生物多様性に配慮した用水路の整備が進んでいる．これら水路の水質への影響も明らかにする必要もある．
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第１図 調査対象地点．
● ● は用水85地点，□ は排水6地点．ただし● は前回調査と同一53地点．
a 〜 e は小山用水の採水地点，a (上流) → e (下流) を示す．
第２図 水質汚濁の進んだ地点．
水稲の生育に影響を与えるとされるCOD 10mg L−１以上，NH４-N 2mg L−１以上，T-P 0.5mg L−１以上の地点．
e は小山用水の採水地点e を示す．
○ は人口10万人以上の都市．
第３図 栃木県南部小山用水の流下にともなう水質変化．
a 〜 e は調査地点，a (上流) → e (下流) を示す．
第４図 1996〜1998年の農業用用水の時期別水質．
箱内の四角は中央値，箱の上端は75％値，下端は25％値，棒線の上端は95％値，下端は5％値を示す．
第５図 農業用用水水質の経年変化．
箱内の四角は中央値，箱の上端は75％値，下端は25％値，棒線の上端は95％値，下端は5％値を示す．
第１表 1996〜1998年の農業用用水の水質．
第２表 1996〜1998年の農業用排水水質および流量の時期別変化．
6地点の値．
第３表 1996〜1998年と10年前との水質変化．
53地点の比較．ただし，SiO２ は14地点，−は未測定．
10％以上増加または減少したものを，それぞれ増加，減少とし，10％以下は変化なしとした．
基準値超過地点数は，（1986〜1988年の地点数） → （1996〜1998年の地点数） を示す．
ただし，CODは10mg L−１以上，NH４-Nは2mg L−１以上，T-Pは0.5mg L−１以上の地点数，−は基準値なし．