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モンゴル元朝治下の江南地域社会をめぐる諸論点 : 元代中後期の社会経済史を中心として

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社会学の野外実験 : 「社会学野外実験」と課外授業の5ヶ年ノート

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岡本, 和馬

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愛媛大学理学部紀要 第 20巻 xv - xviiiページ，2015年
Mem. Fac. Sci. Ehime Univ. Vol.20, pp.xv-xviii, 2015
変形Lennard-Jones系の融解曲線
Melting curve of the modified Lennard-Jones system
岡本和馬・土居清志郎・渕崎員弘
Kazuma Okamoto, Seishiro Doi, Kazuhiro Fuchizaki
愛媛大学理学部物理学科
Department of Physics, Ehime University 2-5 Bunkyo-cho, Matsuyama, 790-8577, Japan
Abstract
The melting curve for the modified Lennard-Jones system was obtained conducting molecular
dynamics simulation. The Parsafar–Mason equation of state was established at the equation of state
for the solid phase. The thermodynamic quantities derived from this equation well capture the
shape of the melting curve.
Key words : modified Lennard-Jones system, melting curve, equation of state
1 はじめに
単原子分子である希ガスの粒子間相互作用は，
Lennard-Jones(LJ)ポテンシャルで定量的に表現で
きることが知られている．引力相互作用の影響は無
限遠に及ぶ．そのため数値計算では適当な距離で相
互作用をカットオフしなければならない．そこで，相
互作用の範囲が有限となるように変形したLennard-
Jones(mLJ)ポテンシャル [1]を用い，希ガスの融解
現象をシミュレートした．
融点は固相と液相の境界を表わす．平衡融点は 2
相の自由エネルギーが等しくなる点として求められ
る．この方法を 2-相アプローチと呼ぶ．一方，融点
を固相の熱力学限界と見なした場合，固相の熱力学
情報のみから融点を決めることが可能となろう．こ
の方法を前者に対して 1-相アプローチと呼ぶ．本研
究では数値シミュレーションにより，後者の意味での
mLJ系の融点 (以下では単に融点と記す)を求めた．
また固相での状態方程式を求め，これから得られる
熱力学情報をもとに 1-相アプローチにより，シミュ
レーションで得られた融解曲線について考察した．
2 モデル
ここでは古典質点粒子系を考える．粒子間に働く
相互作用として 2体間相互作用のみを仮定し，次式
で示したmLJポテンシャル φm(r)を採用した．
2015年 2月 27日　受付
2015年 3月 26日　受理
φm(r)
=

4ε
[
(σr )
12 − (σr )
6
]
+ C1 (r ≤ 2.3 σ)
C2(σr )
12 + C3(σr )
6 + C4(σr )
−2 + C5
(2.3 σ < r ≤ 2.5 σ)
0 (2.5 σ < r) .
ここで，rは粒子間の距離を表す．σ，εはそれぞれ，
系に特徴的な長さとエネルギーを担う定数である．
例えば，アルゴンならば σ = 3.405× 10−10 m，ε =
1.654× 10−21 J [2]である．パラメータ Ci(i = 1, · ·
·, 5)には，C1 = 0.0163169237 ε，C2 = 3136.5686 ε，
C3 = −68.069 ε，C4 = −0.0833111261 ε，C5 =
0.746882273 ε [1]を用いる．
3 計算方法
分子動力学 (MD) 法を用い系を時間発展させた．
融点を求めるにあたり，定圧下で温度を上昇させ系
の体積を求めた．また様々な温度・圧力下での平衡
状態点を蓄積し状態方程式を決定した．
mLJ系の融解に対しては∼ 5000粒子数以上で有
限サイズの影響が小さくなることが知られている [3]
ため，本研究では N = 6912 個からなる粒子をは
じめに面心立方格子点上に配置した．運動方程式は
Runge–Kutta–Gill法 [4]で解いた．実現したアンサ
ンブルは等温定圧 (NpT )アンサンブルである．温度
xv
T の制御には速度スケーリング法 [5]，圧力 pの制御
にはAndersenの方法 [6]を用いた．境界条件には周
期性境界条件を適用した．以下では無次元量，V/σ3，
kBT/ε，および pσ3/εをそれぞれ，体積 V，温度 T，
および圧力 pと書く．
状態方程式の決定と融点の決定におけるシミュレー
ション条件は，時間刻み幅を前者が 7.0 × 10−3，後
者が 5.0× 10−3，速度スケーリング間隔を前者が 50
ステップ毎，後者が 100ステップ毎，圧力浴の慣性
を両者ともに 1.0 × 10−4 とした．同温度，同圧力
下では前者に対して 10000ステップ，後者に対して
5000ステップ時間積分後，平衡への到達を確認し，
両者ともに続く 5000ステップを平均体積の計算に
費した．
4 固相の状態方程式
岡本和馬・土居清志郎・渕崎員弘
固相の熱力学諸量は状態方程式から求めることが
できるが，mLJ系固相の状態方程式に関する報告は
ない．そこで，半現象論に基づいてはいるが，その
関数形が簡単な Parsafar–Masonの状態方程式 [7]
p(v, T ) = A0(T )v−2 + A1(T )v−3 + A2(T )v−4 (1)
の運用を試みる．ただし，v ≡ V/V0 (V0 : 基準の
圧力 p0での体積) は比体積である．数値計算シミュ
レーションで，温度範囲 0.2 ≤ T ≤ 0.7 ，圧力範囲
0.01 ≤ p ≤ 50における比体積を求めた．それらの
状態点を用いて,この温度依存パラメータ {Ai}(i =
0, 1, 2)を決定した．{Ai}の温度依存性を調べたと
ころ，Fig. 1に示したように，温度に対して線形に
変化することが判明した．そこで，
A0(T ) = 63.5 + 3.05 × T
A1(T ) = −180 + 14.5 × T (2)
A2(T ) = 115 − 9.32 × T
と決定した (Fig. 1)．
シミュレーションでの設定圧力値と (1)式から得
られる圧力値を比較して Table 1に示す．p ≥ 1.00
では，設定値と適用結果がほぼ等しくなっている．
しかし，p ≤ 0.100ではどの温度でも両者は逸脱し
ている．即ち，p = 1.00が (1)式の適用下限である．
したがって，(2)式の係数をもつ (1)式は高圧状態に
適した状態方程式と結論できる．
 60
 70
 80
 90
 100
 110
 120
 0.1  0.2  0.3  0.4  0.5  0.6  0.7  0.8
-200
-190
-180
-170
-160
-150
-140
A
0
(T
),
 A
2
(T
)
A
1
(T
)
Temperature
A0(T)
A1(T)
A2(T)
Fig. 1: The parameters {Ai}(i = 0, 1, 2) are plot-
ted with error bars against temperature. The pa-
rameters have linear temperature dependences, as
described by Eq. (2)(lines).
Table 1: The first row represents the values for
pressure, under which the MD simulations were
carried out. The other rows represent those ob-
tained from Eqs. (1) and (2) using the value for T
indicated as input.
p 0.0100 0.100 1.00 10.0 50.0
T = 0.20 0.153 0.241 1.12 10.2 50.6
T = 0.30 0.142 0.224 1.09 10.2 50.5
T = 0.40 0.142 0.224 1.08 10.2 50.5
T = 0.50 0.158 0.234 1.09 10.2 50.5
T = 0.60 0.171 0.249 1.10 10.2 50.4
T = 0.70 0.169 0.248 1.11 10.2 50.5
5 融点の決定
系の温度をある値から少しずつ上昇させながら系の
体積の値の変化をモニターした．温度上昇とともに系
の体積は，熱膨張により滑らかに増加するが，ある温
度に達すると不連続な体積増加が見られる (Fig. 2)．
この温度が「はじめに」で述べた融点に相当する．
温度を 8.35×10−3（例えば，アルゴンでは 1Kに対
応）ずつ変化させて，融点の判定を行った．
圧力 pが 1.0×10−4 ≤ p ≤ 10の範囲で融点を求め
た．得られた融点と平衡融点 [1]を比較した (Fig. 3)．
同一圧力に対して，融点が平衡融点に比べて高いこ
とから，平衡融点を越えて固相が準安定に存在でき
ることがわかる．
xvi
 1.1
 1.15
 1.2
 1.25
 1.3
 1.35
 1.4
 1.45
 0.73  0.74  0.75  0.76  0.77  0.78
s
p
e
c
if
ic
 v
o
lu
m
e
Temperature
Fig. 2: Variation of the specific volume v upon
heating under p = 0.01. An abrupt increase in v
occurs at T = 0.763, indicating the melting point.
 1e-04
 0.001
 0.01
 0.1
 1
 10
 100
 0.6  0.8  1  1.2  1.4  1.6  1.8
P
re
s
s
u
re
Temperature
direct fit
this study
equilibrium MPs
Fig. 3: Melting points (MPs), obtained through
this study, are plotted on the pressure temperature
phase diagram, in which the equilibrium MPs are
shown for comparison.
変形 Lennard-Jones系の融解曲線
6 融解曲線の決定
得られた融点を Kechin の融解曲線 [8] を用いて
フィットした．Kechinの融解曲線 Tm は，
Tm = Tm0
(
1 +
p
a
)b
e−cp (3)
で与えられる．ここで，Tm0 は基準の圧力 p0 =
2.417 × 10−3(アルゴンでは，1 気圧に相当) 下で
の融点 Tm0 = 0.752 とした. a, b, c はパラメータ
であり，得られた融点を Tm に直接フィッティング
し， a = 1.83 ± 0.53，b = 0.306 ± 0.081，c =
−0.0221 ± 0.0079が得られた (Fig. 3)．(3)式で表
わされる融解曲線はパラメータ cの正負により性質
が異なる．cが正の場合は圧力に対して単調増加関
数となり，cが負の場合は上に凸の関数となる．mLJ
系に対しては c ' 0であり，融解曲線は aと bの値
で特徴づけられるといえる．
7 1-相アプローチ
得られた固体相での状態方程式を用いて，融解曲
線 Tm のパラメータ a, b, cを 1-相アプローチにより
求めた．パラメータ a, b, cは，それぞれ
a =
Km0
K ′m0
, b =
Γm0
K ′m0
+ ac , c = − Γ
′
m0
K ′m0
で求めることができる [9]．
(1)，(2) 式と得られた融点より Km0 = Kτ (v =
1, Tm0) = 55.6 ± 10.8とK ′m0 = K ′τ (v = 1, Tm0) =
8.4 ± 1.0を得た．ここで，Kτ は体積弾性率，K ′τ
は，その圧力微分を表わす．Γm ≡ −dlnTm/dlnvm
は，dlnTm/dpと −dlnvm/dpの比から計算した．
∆p ≡ p − p0 として，lnTm と −lnvm をそれぞれ
2次の項まで Taylor展開する:
lnTm ' lnTm0 + t0∆p +
t1
2
(∆p)2 (4a)
−lnvm ' −lnvm|p0 + ω0∆p +
ω1
2
(∆p)2. (4b)
Γm0 = Γm(p0) と Γ ′m0 = Γ
′
m(p0) は，係数
t0, t1, ω0, ω1を用いて次のように表わすことができる:
Γm0 =
t0
ω0
,
Γ ′m0 =
t1
ω0
− Γm0
ω1
ω0
.
融点を (4a) 式にフィットし，t0 = 0.1343 ±
0.0058, t1 = −0.0113 ± 0.0013が得られた (Fig. 4
中の曲線)．また，ω0, ω1 は，状態方程式 p =
p(vm, Tm0) を vm について解き，これを (4b) 式に
フィットすることで ω0 = 0.0205 ± 0.0019, ω1 =
−0.00149 ± 0.00045を得た (Fig. 5中の曲線)．
これらの値を用いるとΓmとΓ ′mは，Γm0 = 6.53 ±
0.89, Γ ′m0 = −0.08 ± 0.27となった．従って，a, b, c
は a = 6.6 ±2.1, b = 0.84 ±0.37, c = 0.009 ±0.033
となる．この a, b, cを (3)式に代入した融解曲線が
Fig. 6中の点線である．1-相アプローチの結果も，パ
ラメータ cの値がほぼ 0である．また，パラメータ
a，bの値も直接フィットの値と同オーダーの値を再
現できており，この結果，実際の融解曲線に近い曲
線を与える．
xvii
-0.3
-0.2
-0.1
 0
 0.1
 0.2
 0.3
 0.4
 0.5
 0.6
 0  2  4  6  8  10
ln
T
m
∆p
Fig. 4: lnTm is plotted against ∆p , and then fitting
to Eq. (4a).
-0.18
-0.16
-0.14
-0.12
-0.1
-0.08
-0.06
-0.04
-0.02
 0  2  4  6  8  10
-l
n
v
m
∆p
Fig. 5: −lnvm is plotted against ∆p, and then fit-
ting to Eq. (4b).
岡本和馬・土居清志郎・渕崎員弘
1-相アプローチからのパラメータ a，b，cの決定
には状態方程式を決定した温度・圧力範囲を越えた
領域をも議論の対象としている．単一固相に対する
熱力学関数の連続性を考慮すれば，状態方程式の高
温への拡張は不自然ではない．一方，低圧領域への
拡張は，状態方程式の性格上，好ましくない．1-相
アプローチにより決定した融解曲線が低圧部分の融
解曲線を比較的よく再現できているのは複数の因子
の相殺による結果であると考えている．
8 おわりに
本研究では，MD法を用いた数値シミュレーショ
ンにより mLJ系の固相での状態方程式と融解曲線
を求めた．ここでの融解曲線は，ある圧力下での熱
力学的安定限界としての融点を表わすものである．
固相のみの熱力学情報から融解曲線を導出する 1-相
アプローチにより，シミュレーションから得られた
融解曲線がほぼ再現できた．従って，固体として存
在できる限界は固体の情報に内在していると結論で
きる．
 1e-04
 0.001
 0.01
 0.1
 1
 10
 100
 0.6  0.8  1  1.2  1.4  1.6  1.8
P
re
s
s
u
re
Temperature
direct fit
1-phase approach
Fig. 6: The melting curve obtained from the one-
phase approach, i.e., Eq. (3) with the parameters
evaluated on the basis of the thermodynamic quan-
tities regarding the solid phase, is delineated by a
broken curve, which is to be compared with the
melting curve (solid line) obtained through the di-
rect fit.
文献
[1] Y. Asano and K. Fuchizaki, J. Chem. Phys.
137, 174502(2012).
[2] W. D. Heermann，シミュレーション物理学 (シュ
プリンガー東京，東京，1990) p. 55.
[3] Y. Asano and K. Fuchizaki, J. Phys. Soc. Jpn.
78, 055002(2009).
[4] 藤野清次，数値計算の基礎 (サイエンス社，東京，
1998) pp. 104–105.
[5] [2] pp. 42–44.
[6] [2] pp. 47–50.
[7] G. Parsafar and E. A. Mason, Phys. Rev. B 49,
3049(1994).
[8] V. V. Kechin, J. Phys. : Condens. Matter 7,
531(1995).
[9] V. V. Kechin, Phys. Rev.B 65, 052102(2001).
xviii


変形Lennard-Jones 系の融解曲線

Ehime University (愛媛大学)博士(農学)thesi

Tan, Ngai Paing

（様式５）(Style5) 
学位論文全文に代わる要約 
Extended Summary in Lieu of Dissertation 
 
 
氏名： 
Name 
TAN NGAI PAING 
 
学位論文題目： 
Title of Dissertation 
 
Soil Characteristics and Nutrients Dynamics of An Oil Palm 
Plantation in Central Pahang, Malaysia 
(マレーシア国パハン州のアブラヤシ農園における土壌特性と養分
動態) 
 
 
 
学位論文要約： 
Dissertation Summary 
 
Oil palm is one of the most planted oil crop in Malaysia and Indonesia and the industry 
has experienced rapid expansion in total planted area in the recent years. It is estimated that 
additional area of 38 million hectares for oil palm cultivation is required by the time in 2050 
to support global vegetable oil demand. In spite of the prosperous development of oil palm, 
the cultivation has been deemed controversial, in particular, for causing deforestation. In 
addition, problems such as lost of biodiversity, green house gas emission, pollution treat from 
oil palm mill waste (palm oil mill effluents) and dispute over cultivation on customary land 
and territories of the indigenous people were also reported. In view of this, environmentalist 
and conservationists suggested that existing crop land for oil palm cultivation should be used 
more sustainably and without causing degradation effect to the environment.  
In an oil palm plantation, the cultivation is heavily dependent on the use of fertilizer 
because of intrinsically poor nutrient status of ultisols and oxisols where most of oil palm 
plantations are located. For mineral soils, the macro nutrient inputs that are applied include 
Nitrogen (N), Phosphorus (P) and Potassium (K) in the forms of sulfate of ammonia, 
phosphate rocks and Muriate of Potash, respectively. For micro nutrients, the input applied is 
Boron (B) in the form of sodium borate. The fertilizers are generally applied around palm 
trunks with a diameter of one to two meters where weeds are clear-slashed (called as weeded 
（様式５）(Style5) 
circle). For N and K fertilizers, these elements are also placed, at a lesser extent, at the inter 
row of palms with organic matter placement for fields with 6 years of planting age and above.  
On the other hand, organic residue from the field operation is placed within the field 
for mulching purpose as well as to recycle plant nutrients back to the soils. In the oil palm 
field, fronds which are pruned off upon harvesting fruit bunches are heaped up in-between 
palm trees as mulching material during cultivation (called as frond heap). The frond heap 
represents about 20% of the area in the field and the decomposition of fronds takes about 12-
18 months. It was estimated that approximately 10 t ha
-1
 yr
-1
 dry matter of fronds are cut in 
mature oil palm plantations. Meanwhile, other organic residue includes empty fruit bunches 
which are produced during the oil mill process are occasionally applied to weeded circles as 
mulching material, this technique has been examined since 2000s and is still uncommon.  
So, there are two important pathways to supply nutrient to soils through usual 
management practices; one is external input by chemical fertilizer application, while the other 
is the internal recycling pathway of organic matter and its nutrient through plant residue 
application to soils. A usual oil palm field is composed mainly of micro sites which are 
differently managed; 1) weeded circle, 2) frond heap and, in addition, 3) harvest path, which 
is the operation path for workers to harvest and transport fruit bunches without any 
application of fertilizer and organic residues.  
At present, soil properties have been extensively reported under oil palm plantation 
by the side of palm oil producers such as local research institutions and oil palm companies. 
Many of the studies have used a field which is located on a relatively flat land and well-
managed as the study site and have been concerned with changes in soil properties at the area 
applied with fertilizer or organic matter, aiming at evaluating their efficiency as well as 
improving yield. Information is still lacking on the spatial differentiation of soil nutrient 
status within one field on undulating topography under actual plantation operation. In addition, 
less study focus has been given to the soil information in oil palm plantation in terms of its 
management effects on the environment; because of the long economic lifespan of oil palm, 
the soil nutrient dynamics is expected to be different over time taking into consideration the 
（様式５）(Style5) 
continuous field management at the specific micro sites. The understanding of the effect of 
continuous application of fertilizer (such as P) at the weeded circle and organic matter 
placement at the frond heap to the soils during the whole economic lifespan of oil palm 
cultivation is crucial to know the fate of soil nutrients which can be used to contribute to 
better environment conservation as well as better field management design. This is 
particularly important as the current oil palm plantation will be most likely to be replanted 
with the same crop for an unknown number of times in the future. 
Therefore, for the development of a eco-friendly and sustainable oil palm management 
system, 3 studies were set up; 1) to characterize the soil profile and investigate the spatial 
heterogeneity of nutrients exist in the oil palm field as well as the effect of slope on 
cultivation, 2) to evaluate the soil organic matter status among the micro sites and its 
accumulation effect in the oil palm field, and 3) to assess the distribution of soil phosphorus 
of oil palm field as influenced by fertilizer and frond heaping practices. In this study, I 
selected the Jengka Triangle area in central Pahang, Peninsular Malaysia, which is now the 
biggest commercial oil palm cultivation area in the peninsular.  
Study 1) An oil palm field with an average 8° slope was selected. Fundamental 
information was established that related to soil properties at the weeded circle, frond heap and 
harvest as well as slope topograpy.  Overall, the soils can be described be as clayey kaolinitic, 
highly weathered, acidic, low in cations while the soil hardness increased with depth. The soil 
was classified as Typic Hapludox belonging to the Oxisols according to the USDA 
classification system. Observation of the soil profile showed that soil moisture permeability 
was relatively good and most oil palm root concentrated between 10 cm to 60 cm from the 
soil surface. Soil properties were significantly or tended to be different at the depth of 0-5 cm 
and 5-10 cm in terms of micro sites (Figure 1); pH level, total carbon (T-C), total nitrogen (T-
N) and exchangeable calcium (Ca) contents were higher at the frond heap. On the other hand, 
higher amounts of available phosphorus were accumulated in the weeded circle due to 
（様式５）(Style5) 
fertilizer application. Meanwhile, between different slope positions, non-distinct soil particles 
movement was observed and no evidence of soil erosion was found. 
Study 2) Soil samples were collected from three oil palm commercial fields located 
closely with different planting age; five years (OP 5), ten years (OP 10) and 18 years (OP18). 
Results showed that the total carbon (T-C) and total nitrogen (T-N) were high at the weeded 
circle and frond heap compared to those at the harvest path in all the fields (Figure 2). This 
was attributable to the decomposition of placed fronds and decomposition of root biomass at 
the frond heap and the weeded circle, respectively. In terms of different planting age, the T-C 
and T-N content at the weeded circle tended to be the highest in OP 18, suggesting 
accumulation of soil organic matter at the weeded circle over time. For minerals N, the 
application of ammonium fertilizer resulted in higher ratio of NH4
+
 at the weeded circle and 
frond heap than the harvest path. Meanwhile, the level of soil microbial biomass C was the 
highest at the weeded circle. Comparison between different planting fields showed that the 
level soil microbial biomass C increased with time for all the micro sites.   
Study 3) The soil sampling design was same with those in study 2; three oil palm 
fields with different planting ages were selected. From the results, the distribution of soil P 
varied widely with different management practices; the levels of total P and Bray II P, 
inorganic NaHCO3 P and NaOH P, and HCl P at 0-3 cm were higher at the weeded circle than 
those at the frond heap and harvest path due to continuous P fertilization through which a 
significant portion of the applied phosphate rocks remained undissolved and was gradually 
accumulated in soils (Table 1 and Table 2); such P accumulation tended to be more obvious 
in OP 18. Meanwhile, the levels of organic P fractions at the frond heap were similar to those 
at the harvest path and lower than those at the weeded circle. The levels of P at 30-40 cm 
were not virtually different among the micro sites.  
Based on these findings, alternative field management program should be tested and 
developed; 1) for soil fertility diagnosis in an oil palm field, soils samples should be taken 
from the frond heap, weeded circle and harvest path to understand the nutrient variation 
existed in field in order to have better judgement in nutrient management. 2) In order to 
（様式５）(Style5) 
improve the efficiency of the fertilizer, the fertilizer should be mixed with the soils of the 
frond heap and weeded circle for better oil palm root uptake. 3) For P fertilizer, application 
should be more concentrated at an early stage after transplanting to promote the saturation of 
Fe and Al oxides with P so that subsequently-added P would be more plant available; and at 
the later stages the fertilizer rate can be reduced. 4) During planting stage, young palm trees 
can be transplanted to the previous weeded circle in order to utilize the rich soil nutrients. 5) 
For oil palm planting at gentle slope, the design of vehicle road and placement of frond heap 
should be taken into consideration to reduce the surface runoff of soils nutrients. 
These proposed strategies should be tested in the actual fields and compared with the 
current practices. For future studies, the amount of nutrients (macro and micro) that are 
contributed from the frond heaping practices should be further evaluated. In addition, plant 
nutrients from fronds and root biomass that can be incorporated into the soils system should 
be addressed to understand in more detail the process of nutrient recycling in oil palm field. In 
terms of fertilizers, due to the prolonged application, trace elements in the fertilizer should be 
monitored; for example, the presence of heavy metal in the P fertilizer (phosphate rocks) 
should be assessed and its effect on the soils should be studied. 
（様式５）(Style5) 
3 
4 
5 
6 
0-5 cm 5-10 cm 30-40 cm 
p
H
 (
H
2
0
) 
harvest path 
weeded circle 
frond heaps 
0 
1 
2 
3 
4 
5 
0-5 cm 5-10 cm 30-40 cm 
E
x
ch
a
n
g
ea
b
le
  
C
a
 (
cm
o
l c
 k
g
-1
) 
0 
50 
100 
150 
200 
250 
300 
350 
0-5 cm 5-10 cm 30-40 cm 
A
v
a
il
a
b
le
 P
 (
m
g
 k
g
-1
) 
0 
10 
20 
30 
40 
50 
0-5 cm 5-10 cm 30-40 cm 
T
o
ta
l 
C
 (
g
 k
g
-1
) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figure 1 Selected soil properties of micro sites at different soil depths. 
                                 Data were indicated in mean with standard deviation. 
（様式５）(Style5) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
0 
1 
2 
3 
4 
5 
Figure 2 T-C, T-N, mineral N and soil microbial biomass C at micro sites in oil palm fields with different planting ages at 0-3 cm soils. 
0 
10 
20 
30 
40 
50 
60 
0 
1 
2 
3 
4 
5 
0 
20 
40 
60 
80 
100 
120 
OP 5 OP 5 OP 5 OP 10 OP 10 OP 10 OP 18 OP 18 OP 18 
NH4
+
-N 
NO3
+
-N 
Mineral N 
0 
200 
400 
600 
800 
1000 
OP5 OP10 OP18 OP5 OP10 OP18 
OP5 OP10 OP18 OP5 OP10 OP18 
Soil microbial biomass C 
T-C T-N 
g
 k
g
-1
 
g
 k
g
-1
 
m
g
 k
g
-1
 
m
g
 k
g
-1
 
 
（様式５）(Style5) 
 
Table 1 The averages of Bray II P and total P at micro sites in oil palm fields with different planting ages. 
Planting age Micro site Bray II P   Total P  
  mg P kg
-1
   mg P kg
-1
  
0-3 cm           
           
OP5 Weeded circle 1062 ± 122 a  1894 ± 115 a 
 Frond heap 352 ± 275 b  862 ± 439 b 
 Harvest path 175 ± 99.6 b  625 ± 109 b 
           
OP10 Weeded circle 2392 ± 1755 a  4476 ± 2361 b 
 Frond heap 19.8 ± 3.94 b  288 ± 39.9 b 
 Harvest path 26.0 ± 11.9 b  408 ± 115 b 
           
OP18 Weeded circle 4256 ± 2613 a  8345 ± 4963 b 
 Frond heap 14.0 ± 2.80 b  347 ± 100 b 
 Harvest path 33.1 ± 37.5 b  277 ± 60.1 b 
           
3-10cm            
           
OP5 Weeded circle 87.6 ± 34.4   404 ± 43.7  
 Frond heap 427 ± 540   737 ± 590  
 Harvest path 271 ± 215   614 ± 281  
           
OP10 Weeded circle 286 ± 298   933 ± 715  
 Frond heap 12.5 ± 2.23   236 ± 45.1  
 Harvest path 12.0 ± 3.62   215 ± 83.3  
           
OP18 Weeded circle 1450 ± 1539   2008 ± 1666  
 Frond heap 10.8 ± 1.45   212 ± 82.6  
 Harvest path 5.75 ± 1.28   93.9 ± 21.6  
           
Values followed by a different letter (a, b) in a column indicate that means are significantly different between 
different micro sites within each site while values without letter indicate that means are not significantly different 
(P<0.05). Data are mean ± standard deviation. 
 
 
 
 
（様式５）(Style5) 
Table 2 The averages of different P fractions at micro sites in oil palm fields with different planting ages. 
  
NaHCO3 
 
NaOH 
 
HCl P 
 
Residual P 
Planting age Micro site Pi 
 
Po 
 
Pi 
 
Po 
      
 
  
  
mg P kg-1 
 
mg P kg-1 
 
mg P kg-1 
 
mg P kg-1 
 0-3cm 
                      
 
  (n=5) 
                      
 
  OP5 Weeded circle 324 ± 105 a 51.5 ± 28.8 a 770 ± 110 a 255 ± 214 
 
226 ± 157 
 
288 ± 278 a 
 
Frond heap 45.3 ± 30.8 b 22.1 ± 10.9 b 291 ± 134 b 141 ± 26.1 
 
155 ± 228 
 
224 ± 210 b 
 
Harvest path 33.9 ± 15.1 b 17.1 ± 7.01 b 330 ± 105 b 147 ± 27.8 
 
32.2 ± 20.6 
 
65.1 ± 51.9 b 
                       
 
  OP10 Weeded circle 421 ± 178 a 80.6 ± 92.5 
 
1256 ± 364 a 459 ± 210 a 1390 ± 1576 a 869 ± 372 a 
 
Frond heap 10.8 ± 2.08 b 14.9 ± 2.65 
 
130 ± 22.3 b 117 ± 44.6 b 1.70 ± 0.54 b 33.4 ± 27.4 b 
 
Harvest path 10.5 ± 2.16 b 14.9 ± 3.73 
 
215 ± 92.4 b 151 ± 16.7 b 2.17 ± 1.81 b 19.1 ± 19.0 b 
                       
 
  OP18 Weeded circle 273 ± 132 a 38.3 ± 30.4 
 
1110 ± 77.2 a 563 ± 73.5 a 4806 ± 4173 a 1554 ± 822 a 
 
Frond heap 10.3 ± 2.18 b 13.8 ± 2.95 
 
110 ± 32.8 b 147 ± 69.6 b 5.02 ± 2.24 b 65.8 ± 37.8 b 
 
Harvest path 9.13 ± 3.90 b 10.2 ± 2.22 
 
138 ± 55.1 b 77.7 ± 47.1 b 4.74 ± 3.59 b 48.1 ± 37.0 b 
3-10cm  
                 
 
  (n=3) 
                   OP5 Weeded circle 28.6 ± 5.57 
 
10.3 ± 0.86 
 
244 ± 58.4 
 
106 ± 74.0 
 
4.70 ± 1.37 
 
17.1 ± 11.4 
 
 
Frond heap 30.9 ± 13.6 
 
12.5 ± 1.00 
 
272 ± 115 
 
146 ± 38.5 
 
212 ± 349 
 
90.7 ± 124 
 
 
Harvest path 35.2 ± 11.2 
 
16.4 ± 10.4 
 
330 ± 5.11 
 
134 ± 69.3 
 
74.0 ± 93.7 
 
57.6 ± 61.8 
 
                       
 
  OP10 Weeded circle 112 ± 73.5 
 
9.14 ± 3.13 
 
568 ± 339 
 
163 ± 56.5 
 
17.2 ± 22.9 
 
123 ± 175 
 
 
Frond heap 8.19 ± 1.33 
 
13.4 ± 3.03 
 
98.0 ± 25.0 
 
103 ± 49.6 
 
1.05 ± 0.07 
 
19.0 ± 25.6 
 
 
Harvest path 6.94 ± 0.93 
 
9.79 ± 4.49 
 
133 ± 106 
 
53.8 ± 27.2 
 
1.20 ± 0.41 
 
27.2 ± 22.7 
 
                       
 
  OP18 Weeded circle 162 ± 164 
 
6.63 ± 4.55 
 
691 ± 349 a 211 ± 300 
 
711 ± 874 
 
227± 134 
 
 
Frond heap 7.62 ± 2.36 
 
11.6 ± 2.52 
 
87.9 ± 31.6 b 43.4 ± 13.8 
 
3.49 ± 2.12 
 
58.6 ± 33.3 
 
 
Harvest path 3.82 ± 1.07 
 
4.33 ± 0.19 
 
37.8 ± 27.1 b 44.3 ± 35.9 
 
1.81 ± 0.92 
 
17.6 ± 14.6 
  
Values followed by a different letter (a, b) in a column indicate that means are significantly different between different micro sites within each site while values without letter indicate that means are not significantly 
different (P<0.05). Data are mean ± standard deviation. 


English

Soil Characteristics and Nutrients Dynamics of An Oil Palm Plantation in Central Pahang, Malaysia

菅田, 伴

SUGATA, Ban

（様式５）(Style5) 
学位論文全文に代わる要約  
Extended Summary in Lieu of Dissertation 
 
 
氏名：  
Name 
菅田  伴  
 
学位論文題目：  
Title of Dissertation 
農村地域における生活排水由来の医薬品による水質汚染の  
実態と対策に関する研究  
 
学位論文要約：  
Dissertation Summary 
 
 
1．序論  
 
従来，農村地域の水環境の水質汚染に関する問題では，水中の酸素不足や不
衛生の原因となる有機物や，閉鎖性水域の富栄養化を引き起こす窒素，リンな
どが主な研究対象とされてきた．しかし近年では，生態系への悪影響を及ぼす
可能性のある新たな環境汚染物質として，一般家庭で広く使われる「生活排水
由来の医薬品」の存在が注目されてきている．  
医薬品は人の健康の維持や病気の治療のためになくてはならない化学物質で
あるが，体内に取り込まれて完全には代謝・分解されなかった医薬品はし尿に
混入し，体表に塗布する医薬品は洗い流され生活雑排水に混入する．このよう
な医薬品は，水環境中に流出した場合， μg/L， ng/Lといった微量であっても，
生物の生殖機能への悪影響や，環境中での薬剤耐性菌の出現といった問題を引
き起こす可能性が指摘されており，その悪影響が懸念されている．  
このような状況の中，日本国内では主に 2000年代以降に，都市地域を中心と
する水環境中の医薬品汚染に関する研究が進んできた．一方で，農村地域につ
いては，生活排水処理の対策自体が都市地域と比較して遅れており，医薬品に
関する研究も遅れている．農村地域は豊かな生態系を有していることから，そ
こでの生態系保全は非常に重要であり，農村地域でも独自に調査・研究を行い，
医薬品の存在実態を把握し，対策を検討しておくことには重要な意義があると
考えられる．  
中でも，農村地域の代表的な生活排水処理施設である農業集落排水施設 (以下，
集落排水施設 )ではこれまで全く調査が行われていない．そのため，今後の農村
の水環境保全を考えるためには，集落排水施設において調査を行い，医薬品の
存在実態を把握するとともに，その医薬品除去能力を検討しておく必要がある
と考えられる．  
また，集落排水施設での医薬品除去に加え，その処理水に医薬品が残留した
場合に備え，自然の浄化作用を利用するなどして，医薬品濃度をさらに低下さ
せる策を検討しておくことも，農村地域における医薬品による水質汚染への対
策として重要である．その方策のひとつとして，ため池が有効である可能性が
考えられる．すなわち，ため池は流入水中の窒素，リンなどに対する自然浄化
機能を有していることから，処理水をため池に送水することで処理水中の医薬
品濃度を効果的に低減できる可能性が考えられる．しかし，このような機能が，
生活排水由来の医薬品に対して効果があるか検討した研究は存在していない．  
以上より，本研究では，農村地域の代表的な生活排水処理施設である集落排
水施設と，集落排水施設からの処理水を送水した農業用ため池における医薬品
の存在実態を明らかにし，集落排水施設やため池の，農村地域での医薬品によ
る水質汚染対策としての有効性を検討することを目的とした．  
 
 
（様式５）(Style5) 
2．農業集落排水施設における医薬品の存在実態と医薬品除去能力  
 
愛媛県A市で実際に稼働している集落排水施設 (活性汚泥法： 4施設，生物膜
法：1施設 )において，集落排水施設の流入水と処理水のスポット採水を実施し，
医薬品についての分析を行った．調査対象施設の概要を表 1に示す．  
 
また，調査対象医薬品とそ
の定量下限値を表 2に示す．こ
れら 15種類の医薬品は、いずれ
も日本国内で一般に広く使用
されているもので，都市地域の
公共下水道での検出事例があ
る．   
流入水について，調査対象と
した医薬品 15種類は，調査した
全ての流入水から検出され，そ
の 濃 度 が 最 も 低 か っ た の は
Griseofulvinで 2ng/L，最も高か
ったのは Caffeineで 21,746ng/L
であった．そして，検出された
医薬品のうち，Sulpiride，DEET，
Crotamiton， Griseofulvinの 4種
類については公共下水道での
既報における最大検出濃度を
上回る高濃度になる施設が存
在していた．この結果から，集
落排水施設に多様な医薬品が，
場合によっては公共下水道よりも高濃度で流入することが明らかとなった．  
処理水についても，流入水と同様に 15種類の医薬品が，調査したすべての処
理水から検出された．その濃度が最も低かったのはGriseofulvinで 3ng/L，最も高
かったのはBenzophenoneで 5,536ng/Lであった．しかし，処理方式として活性汚
泥法を採用する施設 (A～D施設 )では，ほとんどの医薬品の濃度が，流入水より
も低かった．図 1に流入水から見た処理水での濃度低下率を示す．これを見ると，
A～D施設での医薬品濃度低下率は，微生物分解性の高いCaffeine，Bezafibrate
は全施設で 80％以上，微生物分解性が中位程度のKetoprofenや Indomethacinでは
施設によって幅があったものの 50%から 90%程度であった．そして，微生物によ
って分解されにくいCarbamazepineや Propyphenazoneも施設によっては 30％程度
の濃度低下率が得られた．これらの結果から，活性汚泥法の集落排水施設は，
生活排水中の医薬品を低濃度化させる有効な機能を有していることが示された．
一方，生物膜法の施設では，9種類の医薬品の濃度低下率が活性汚泥法施設より
低く，医薬品除去能力が活性汚泥法の施設と比較して低い可能性が考えられた． 
次に，集落排水施設での医薬品除去が，生活排水由来医薬品による生態リス
クに与える影響を検討するため，流入水および処理水に対して， PNEC(予測無
影響濃度 )の文献値が得られた 11種類の医薬品についての生態リスク評価を行
BOD COD SS T-N T-P
A施設 2006年 【活性汚泥法】 DO制御連続流入間欠曝気方式 2320 50.0 10 15 15 10 1
B施設 2003年 【活性汚泥法】 連続流入間欠曝気方式 2290 68.0 20 25 50 15 5
C施設 2002年 【活性汚泥法】 連続流入間欠曝気方式 1750 79.5 20 25 50 15 5
D施設 2000年 【活性汚泥法】 回分式活性汚泥方式 1080 67.5 20 25 50 25 3
E施設 1995年 【生物膜法】 沈殿分離槽前置接触曝気方式 370 72.4 20 25 50 40 4
施設名 供用開始
計画人口
(人)
供用率
(％)
計画処理水質(mg/L)
処理方式
表 1 調査対象施設の概要  
種類 成分名 利用形態
定量下限値
(ng・L-1)
紫外線吸収剤 Benzophenone 外用 8.6
Crotamiton 外用 0.9
Lidcaine 外用 0.8
防虫剤 N.N-Diethyl-m-tolumide(DEET) 外用 2.0
Indomethacin 外用・内服 5.6
Propyphenazone 外用・内服 0.6
Ketoprofen 内服 1.3
Naproxen 内服 4.9
強心剤 Caffeine 内服 6.7
抗潰瘍剤 Sulpiride 内服 0.9
Bezafibrate 内服 7.6
Clofibric acid 内服 3.8
抗真菌剤 Griseofulvin 内服 2.1
抗生物質 Clarithromycin 内服 0.4
抗てんかん剤 Carbamazepine 内服 1.3
鎮痒剤
解熱鎮痛消炎剤
抗脂血症用剤
表 2 調査対象医薬品と定量下限値  
（様式５）(Style5) 
った．その結果，流入水
時点ではリスク評価値が
1を上回り，生態系へのリ
スクが危惧されるレベル
と評価された施設が K eto
profenで 5施設，Clar i thro
mycinで 4施設存在してい
た．しかし，処理水では，
一般的に処理水が水環境
中で 10倍程度希釈される
ことを想定すると， 11種
類の医薬品全てが，生態
系に悪影響を及ぼすこと
が危惧される濃度には達
していなかった．この結
果から，集落排水施設は
生活排水に混入する医薬
品による生態リスクを低
減させる重要な役割を果
たしていることが明らか
となった．  
 
  
3．ため池が有する医薬品濃度低下機能  
 
次に，愛媛県B市内で実稼働中
の集落排水施設からの処理水と，
その処理水が送水された農業用
ため池で 2013年 6月 14日から 9月
7日にかけて調査を行った．図 2
に，調査ため池の概要と採水地
点を示す．調査期間中は処理水
とため池からの流出水について
週 1回程度採水を行い， 8月 21日
にはため池内の水深方向につい
ても採水を行った．そして，採
水した試料に対して 5種類の医
薬品 (Bezafibrate：抗脂血症用剤，
Carbamazepine：抗てんかん剤，
Crotamiton：鎮痒剤，DEET：防
虫剤，Ketoprofen：解熱鎮痛消炎
剤 )の分析を行った．これらの医
薬品は，上述した愛媛県A市の
集 落排 水 施 設 の 処 理 水 か ら 検
出された医薬品の中から，集落
排 水施 設 で の 除 去 性 能 が 異 な
るものを選択した．すなわち，Bezafibrateは濃度低下率が高く，DEET，Ketoprofen
は中位程度，Carbamazepine，Crotamitonは低位，もしくはほとんど除去されな
い成分であった．調査期間中に，処理水については 9回，流出水については 10回
採水を行い，医薬品についての分析を行った．  
図 3に調査期間中における処理水と流出水の濃度変化を示す．その結果，流出
水中の医薬品濃度は常に同日の調査結果における処理水の濃度より低い値であ
っ た ． 調 査 期 間 中 に お け る 処 理 水 の 平 均 濃 度 は Bezafibrate が 45.6ng/L ，
Carbamazepineが 108.4ng/L，Crotamitonが 967.2ng/L，DEETが 318.1ng/L，Ketoprofen   
が 61.4ng/Lであったのに対し，流出水の平均濃度はそれぞれ，7.0ng/L，16.5ng/L，
130.1ng/L， 42.9ng/L， 1.0ng/Lであった．この結果から，調査した農業用ため池
図 1 流入水から見た処理水での濃度低下率  
50m
採水地点2
(ため池流出水)
採水地点1
(処理水)
余水吐
樋門
採水地点3
(ため池深さ方向)
処理水流入地点
図 2 調査ため池の概要と採水地点  
0
20
40
60
80
100
C
af
fe
in
e
(強
心
剤
)
B
ez
af
ib
ra
te
(抗
脂
血
症
用
剤
)
C
la
rit
hr
om
yc
in
(抗
生
物
質
)
K
et
op
ro
fe
n
(解
熱
鎮
痛
消
炎
剤
)
D
EE
T
(防
虫
剤
)
In
do
m
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n
(解
熱
鎮
痛
消
炎
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)
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xe
n
(解
熱
鎮
痛
消
炎
剤
)
G
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(抗
真
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)
C
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m
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潰
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剤
)
B
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ph
en
on
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(紫
外
線
吸
収
剤
)
Li
do
ca
in
e
(鎮
痒
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)
C
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ric
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ci
d
(抗
脂
血
症
用
剤
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Pr
op
yp
he
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(解
熱
鎮
痛
消
炎
剤
)
C
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ba
m
az
ep
in
e
(抗
て
ん
か
ん
剤
)
濃
度
低
下
率
（
％
）
○ A施設 ＋ B施設 △ C施設 × D施設 ● E施設
（様式５）(Style5) 
は，処理水中の医薬品濃度を低下させる機能を有していたことが明らかとなっ
た．  
調査期間中の処理水および流出水の医薬品の平均濃度からため池内での濃度
低下率を計算したところ，Bezafibrateが 85％，Carbamazepineが 85%，Crotamiton
が 87%，DEETが 87%，Ketoprofenが 98％という高い濃度低下率が得られた．この
要因としては，降雨のなかった 8月 4日から 8月 21日の期間中にKetoprofenを除く 4
種類の医薬品の濃度が上昇していたことから，ため池への流入水量が影響した
可能性が考えられた．そこで，調査期間中におけるため池内への流入水量を試
算した結果，処理水は集水域からの降雨に伴う流出水で約 8倍程度希釈されてい
た．したがって，ため池での濃度低下の大きな要因の一つは，ため池内での希
釈であると考えられた．また，Ketoprofenの濃度低下率 98％は，希釈だけでは説
明できない高い値であったが，Ketoprofenは光分解性の高い成分として知られて
いることから，この高い濃度低下率の要因は光分解にあると考えられた．以上
のことから，ため池では，集落排水施設で比較的生態リスクが高いと評価され
たKetoprofenに代表される光分解性の高い医薬品に対して特に高い濃度低下効
果が期待でき，集落排水施設での濃度低下率が低いCarbamazepine，Crotamiton
のような難分解性の医薬品に対しても高い効果が得られることが示唆された．  
8月 21日 に は た め 池 の 水 深 方向の調査を行った．その結果， Bezafibrate，
Carbamazepine，Crotamiton，DEETの 4成分は，表層のほうが底層より濃度が高
い傾向がみられ，ため池内では水深によって医薬品濃度が不均一であったこと
が明らかとなった．この原因としては，同調査日における調査ため池では水温
躍層が存在しており，流入した処理水が主に水温躍層より上層に流入しやすか
ったことが理由であると考えられた．ただし，表層水であってもその医薬品濃
度は上述したように処理水と比較すると大幅に低く，水温躍層が生じ，完全混
合状態にない場合でも，ため池内で大きな医薬品濃度低下効果が得られること
が示された．また，Ketoprofenについては，すべての水深において検出限界以下
0
20
40
60
80
100
濃
度
(n
g/
L)
Bezafibrate
0
50
100
150
200
濃
度
(n
g/
L)
Carbamazepine
0
500
1000
1500
濃
度
(n
g/
L)
Crotamiton
6/14
6/22
6/29
7/10
7/18
7/23
8/4
8/16
8/21
9/7
0
200
400
600
800
1000
濃
度
(n
g/
L)
DEET
0
20
40
60
80
100
120
濃
度
(n
g/
L)
Ketoprofen
流出水 処理水
6/14
6/22
6/29
7/10
7/18
7/23
8/4
8/16
8/21
9/7
図 3 処理水と流出水の医薬品濃度変化  
（様式５）(Style5) 
の低い濃度であった．これは，ため池に流入した処理水が主に表層付近に流入
したことにより，Ketoprofenが太陽光によって効率的に光分解された結果である
と考えられた．   
 
 
4．総括  
 
本研究では，実稼働中の集落排水施設 (5施設 )と，集落排水施設からの処理水
を送水した農業用ため池で医薬品に関する調査を行った．  
まず，集落排水施設での調査の結果，集落排水施設への流入水，および集落
排水施設から放流される処理水から，調査対象とした 15種類の医薬品全てが検
出され，集落排水施設で多様な医薬品が流入，流出している実態が明らかとな
った．一方で，ほとんどの医薬品で，処理水の濃度および生態リスク評価値は，
流入水よりも低下しており，一般的に処理水が水環境中で 10倍程度希釈される
ことを想定すると，処理水中の医薬品濃度は生態リスク無しのレベルと評価で
きた．以上のことから，集落排水施設は生活排水に混入する医薬品を低濃度化
させ，水環境に対する生態リスクを低減させる有効な機能を有していることが
明らかとなった．  
また，処理水を送水した農業用ため池で調査 (灌漑期：10回 )を行った結果，調
査対象とした 5種類の医薬品は，ため池からの流出水の濃度が，ため池に流入す
る処理水の濃度より常に低く，ため池が処理水の医薬品濃度を低下させる機能
を有していることが明らかとなった．そして，その主な要因は希釈と光分解で
あ る こ と が 示 唆 さ れ ， Ketoprofen に 代 表 さ れ る 光 分 解 性 の 高 い 医 薬 品 や ，
CarbamazepineやCrotamitonに代表される難分解性の医薬品に対しても高い濃度
低下効果が期待できることが示唆された．  
以上のように，本研究では，農業集落排水施設や処理水を送水した農業用た
め池における医薬品の存在実態を明らかにし，農業集落排水施設やため池が農
村地域における医薬品対策として有効であることを示した．  
 


農村地域における生活排水由来の医薬品による水質汚染の実態と対策に関する研究

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