土砂流出防止機能の高い森林づくり指針 解説版

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5. 森林根系による土砂流出防止機能

5 章では，森林による土砂流出防止機能について，これまでの研究や調査データを基に現時点で明

らかとなっている事項を簡潔に説明する。

5. 1 森林による土砂災害防止機能

5. 1. 1 森林の持つ２つの機能

森林による土砂災害防止機能は，大きく２種類に分類される。根系の引き抜き抵抗による崩壊防止

機能と，流下している土砂を立木が抑止する土砂捕捉機能である。

図 5-1 森林の 2 つの土砂流出防止機能

5. 1. 2 これまでの研究

（1）崩壊防止機能

根系による崩壊防止機能に関する研究で代表的なものとして，塚本 8

塚本は，根を水平根と鉛直根に分け，それぞれの空間分布をモデル化して箇所々々の根量を定量評

価し，抵抗力に換算して安定解析を行うという，現在の研究の根幹となる一連の流れを構築した。

が挙げられる。

8 塚本良則（1987）：樹木根系の崩壊抑止効果に関する研究，東京農工大学農学部演習林報告，第 23号，昭和 62 年 3 月，65-124

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樹木根系による崩壊防止機能： 水平根と鉛直根に分類して，定量評価を行う。 根の空間分布をモデル化した上で，安定解析を行うというながれを塚本が確立した。

以降，塚本の方法をベースに阿部 9が鉛直根を，北原 10

が水平根に関してそれぞれが詳細な研究を

行っている。

図 5-2 樹木根系による引き抜き抵抗力

（2）土砂捕捉機能

土砂捕捉機能とは，写真に示すように崩壊，流下した土砂を下方の立木が抑止，停止させる機能で

ある。立木は樹木の大きさに応じた引倒し抵抗力を有しており，その抵抗力以内の規模の土石流であ

れば抑止することができる。

図 5-3 立木による土石流の捕捉事例

立木１本が有する引倒し抵抗力は，引倒し試験により調べることができる。これまでの研究で胸高

直径別，樹種別の強さのデータが構築されつつある（例えば深見 11

立木の引倒し抵抗力については，5.3 で詳述する。

）。

9 阿部和時（1997）：樹木根系が持つ斜面崩壊防止機能の評価方法に関する研究，森林総合研究所研

究報告，No.373，105-181 10 北原曜（2010）：森林根系の崩壊防止機能，水利科学，No.311，11-37 11 深見悠矢・北原曜・小野裕・藤堂千景・山瀬敬太郎（2011）：土壌水分等の条件が異なる場合の立

木引き倒し試験，日本森林学会誌，Vol. 93，No. 1，p.8-13.

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5. 2 森林が持つ崩壊防止機能

5. 2. 1 崩壊防止に関する力学的検討

（1）根系による崩壊防止力の調査方法

根系による崩壊防止力は，以下の２種類の調査・試験により定量化できる。

根の引抜き試験 根系の分布調査

「根の引抜き試験」により，根１本あたりの強さを調べ，「根系の分布調査」により，調査断面に存

在する根本数を調べ，それら根の強さを足し合わせることで，根系による崩壊防止力∆C を求めるこ

とができる。

（2）根の引抜き試験

根の引抜き試験の概略を示す。

【根の引抜き試験】 トレンチもしくは急斜面等，露出した根の端部を大型ペンチで挟み，引抜き時の最大荷重を記

録する（図 5-4）。根径 2~10mm 程度の単根を対象に実施する。引張は 100kgf 程度までは人力

で対応可能だが，大きなものは 1tf に達するのでチルホールを利用する。

図 5-4 根の引抜き試験

引き抜き工具

置き針式荷重計

→ 根系による崩壊防止力

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引抜き試験で得られた根１本の引抜き抵抗力を縦軸，根の断面直径を横軸として散布図を作成し，

回帰線を得る。

図 5-5 根１本の引抜き抵抗力と根直径の関係

これまで多くの試験が行われ，根１本の引抜き抵抗力は一般に次の回帰式で表される。

T＝a Db ········································································· (1)

ここで， T：根１本あたりの引抜き抵抗力 [kN/本]

D：根直径 [mm]

a，b：回帰係数

（3）引抜き抵抗力の樹種別，場所による違い

北原 12

それらデータを基に，根の引抜き抵抗力に関して以下を明らかにしている。

は，長野県周辺でさまざまな土壌（褐色森林土，ローム質黒色土，花崗岩マサ土），多様な

林分（ヒノキ，カラマツ，アカマツ等の針葉樹人工林，ミズナラ，コナラ等の落葉広葉樹天然林，マ

ダケ林）において，多数の根の引抜き試験を実施した。

【根の引抜き抵抗力の特徴】（北原より抜粋）

① 根の地表面からの深さによる差はない。 ② 引き抜けた形状（破断や全根引き抜けなど）による差はない。 ③ 地形，地質，土質による差はない。 ④ 土壌水分による差はある。飽和時は自然含水時の 30％減となる。 ⑤ 樹種による差は明確にある。

12 北原曜（2010）：森林根系の崩壊防止機能，水利科学，No.311，11-37

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北原が根の引抜き試験で得た回帰式(1)式の係数 a と b の値を樹種別に表 5-1 に示す。

表 5-1 には，根直径 10mm のときの引抜き抵抗力が単位[N]で併記されている。針葉樹ではスギ

700~1300[N]，ヒノキ 800~1100[N]，アカマツ 500[N]，カラマツ 400[N]程度，広葉樹ではケヤキ

が強く 2500[N]，コナラ 1000[N]，その他は概ね 500~900[N]程度である。ケヤキが群を抜いて強く，

針葉樹と広葉樹では大きな差はなく，およそ 500~1000[N]程度である。

樹種別に大まかにいえば，スギ，ヒノキと広葉樹のケヤキとナラ類は強く，アカマツとカラマツは

やや弱い傾向である。

表 5-1 引抜き抵抗力の回帰係数 a，b 値（北原 2010 より引用）

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（4）根系の分布調査

根系の分布調査の概略を示す。

【根系の分布調査（トレンチ調査）】 長さ 2m，深さ 1m，幅 0.4~0.6m 程度の１人が入れるトレンチを掘削し，断面を観察する。 単根について各々断面中の位置（x， y 座標），根径(mm)，樹種を記録する（図 5-6）

図 5-6 根系の分布調査のイメージ

図 5-7 根系分布調査結果の例

0

25

50

75

100

0 25 50 75 100 125 150 175 200

原点からの斜距離（cm）

深度

（cm）

2.0-3.9mm

4.0-5.9mm

6.0-7.9mm

8.0-9.9mm

10.0-19.9mm

20.0-50.0mm

その他根系

2.0m 0.4~0.6m

1.0m

立木間でトレンチを掘削

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（5）根系による崩壊防止力∆C

水平根による崩壊防止力∆C [kN/m2]は，根１本あたりの引張り強さ T を，トレンチ調査した根の

断面分布量を掛け合わせることで算定できる。具体には，次式であらわされる。

∑>

=∆mmDT

AC

2

1 ······························································· (2)

∆C：水平根による単位面積あたりの崩壊防止力 [kN/m2] A：根の分布（T の存在範囲）面積 [m2] 多くの場合はトレンチ断面積

(2)式は，トレンチ断面に露出した直径 2mm 超の根すべての T [kN]を足し合わせ，それをトレンチ

断面積 A [m2]で除す，という意味である。

このように∆C を算出するには，根１本１本の引抜き強度と根系の分布データが必要となる。

（6）∆Cの推定式

崩壊防止力∆Cは立木間隔の強い影響を受ける。そこで，立木間隔から∆Cを推定する式を紹介する。

北原（今後発表予定）は，水平根による崩壊防止力∆C の大きさは，立木からの距離 X を胸高直径

DBHで除した胸高直径比の逆数の３乗に比例すると考え，次式を提案している。

北原の∆C 式：

33 20033.00033.0

=

=∆

dDa

XDaC BHBH ··································· (3)

a： 樹種別係数， ヒノキ：a=1.00，スギ：a=1.19 DBH： 林分の平均的な胸高直径 [cm] X： 立木から立木間中央までの水平距離 [m] d： 林分の平均的な樹間距離 [m]

北原の∆C 式は胸高直径比の逆数の３乗（DBH/X）3に比例する。胸高直径比の２乗が断面積合計ΣAとなることから，

∆C＝α（DBH/X）3＝α（2DBH/d）3＝α（（2DBH√N/100）2）1.5＝α（DBH2N）1.5＝α（ΣA）1.5

ここで，N：本数密度 [本/ha]，：ΣA 断面積合計 [m2/ha]，α は任意の数値定数。

上記より，北原の∆C 式の仮定に基づけば，∆C は断面積合計ΣA の 1.5 乗に比例する。

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図 5-8 北原の崩壊防止力∆C 式のイメージ

図 5-9 は，林野庁（2009）が茨城県で調査したヒノキの崩壊防止力∆C（散布点○）に対して，北

原の∆C 式と収穫表を組み合わせて得た∆C カーブ（黒実線）を重ねたものである。北原の式により概

ね妥当な範囲に∆C カーブが生成されている。

図 5-9 調査による∆C と北原の∆C カーブの比較

0

5

10

15

20

25

0 1000 2000 3000 4000 5000

ΔC[k

N/m

2 ]

本数密度 [本/ha]

北原のΔCカーブ（ヒノキ）

林野庁データ2009茨城

樹高 20m樹高 15m

樹高 10mの

ヒノキ林分を想定

林分の 平均的な DBH

0.5d 0.5d

林分の平均的な 樹間距離 d の中間

立木間中央∆C 林分の 平均的な DBH

320033.0

=∆

dDaC BH

ヒノキ

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5. 2. 2 崩壊防止機能と森林施業

（1）崩壊防止力の推移（収穫表と∆Cカーブの組合せ）

森林総合研究所が公開している収穫表作成システム LYCS 3.3 を使い，表 5-2 の条件でスギおよび

ヒノキ林分の条件を設定した。この林分条件に対し，北原の樹種別∆C 式を適用し，崩壊防止力∆C を

求めた。

表 5-2 スギ林，ヒノキ林の収穫表設定

収穫表作成システム LYCS 3.3 （森林総合研究所作成，公開）

全国のスギ・ヒノキ・カラマツ人工林に対応し，間伐計画

（時期，方法，強度）を設定すると，それに応じた収穫表

と材価が出力される。 スギ林分 北関東･阿武隈地方スギ収穫表（地位 2）

初期植栽 3000 本/ha ヒノキ林分 関東地方ヒノキ収穫表（地位 2）

初期植栽 3000 本/ha

15 年生 35 年生 55 年生

伐採パターン スギ・ヒノキ共通

伐採なし － － －

伐採１回 本数 20%伐 － －

伐採２回 本数 20%伐 本数 30%伐 －

伐採３回 本数 20%伐 本数 30%伐 本数 30%伐

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図 5-10 収穫表と北原の∆C カーブから作成した崩壊防止力の推移

0

5

10

15

20

25

30

0 20 40 60 80 100

ΔC[k

N/m

2 ]

林齢 [年]

3000本植栽時

3回目伐採2回目伐採

0

5

10

15

20

25

30

0 20 40 60 80 100

ΔC[k

N/m

2 ]林齢 [年]

3000本植栽時3回目伐採2回目伐採

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 20 40 60 80 100

本数

密度

[本/h

a]

林齢 [年]

3000本植栽時2回目伐採

1回目伐採

3回目伐採0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 20 40 60 80 100

本数

密度

[本/h

a]

林齢 [年]

3000本植栽時2回目伐採

1回目伐採

3回目伐採

y = 0.4528x - 5.4933

0

5

10

15

20

25

30

0 10 20 30 40 50 60 70 80

ΔC[k

N/m

2 ]

断面積合計 [m2/ha]

3000本植栽時

y = 0.2823x - 1.8471

0

5

10

15

20

25

30

0 10 20 30 40 50 60

ΔC[k

N/m

2 ]

断面積合計 [m2/ha]

3000本植栽時

本数密度と林齢

崩壊防止力∆Cと断面積合計

スギ

崩壊防止力∆Cと林齢

ヒノキ

スギ ヒノキ

スギ ヒノキ

本数20%伐

20%30%伐

20%30%30%伐

伐採なし

本数20%伐

20%30%伐

20%30%30%伐

伐採なし

本数20%伐

20%30%伐

20%30%30%伐

伐採なし

線形回帰

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（2）崩壊防止林の施業・まとめ

図 5-10 より，読み取れる内容を以下に整理した。

崩壊防止林の森林施業 崩壊防止力の高い森林を育成するには，より大きな断面積合計の林分を目指す。

ヒノキ林よりも，スギ林の崩壊防止力が高い。

収穫表とΔCカーブの組み合わせで評価したとき，ヒノキは伐採すると伐採なしに比べ，崩壊防止力ΔCは高まった。スギでは逆に伐採なしがもっとも崩壊防止力が高い結果となった。ただし，放置林は下層植生が衰退し，表面侵食防止の観点から機能の低下を招く。実際には適宜間伐を実施することが望ましい

森林が有する崩壊防止力ΔCは，断面積合計 A [m2/ha]より次式で目安を得る。 スギ林の場合： ΔC = 0.45A－5.5 [kN/m2] ヒノキ林の場合： ΔC = 0.28A－1.8 [kN/m2]

。

間伐後は一時的に，崩壊防止力ΔCが低下するので留意する。

伐採による防止力の低下度合いは，断面積合計 Aの減少度から下式より判断できる。 例）スギ林で伐採により，断面積合計 Aが 38 [m2/ha]から 20 [m2/ha]に減少した場合， ΔC = 0.45×38－5.5－(0.45×20－5.5) = 8.1 このとき，崩壊防止力は 8 [kN/m2]低下する。

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5. 3 森林による土砂捕捉機能

5. 3. 1 森林による土砂捕捉機能に関する力学的評価

（1）森林の土砂捕捉機能の定量評価

立木が流下土砂を捕捉できるかどうかは，森林分野に限らず，砂防，河川，海岸林など，さまざま

な分野で調査が実施されている。基本的には，立木が外力に対して降伏しなければ，林分を通過する

土砂や水に対して捕捉／抑止効果を発揮する。捕捉／抑止できるかどうかは，外力に対する破壊判定，

この場合は立木の幹折れ・倒伏（根返り）判定となる。

幹折れを決める要因は，樹幹の曲げ破壊強度である。これは材料物性に近い定数値であるが，樹種

や形状（円形／非円形）により値が変わる。特に樹木の場合は，含水率で強度が大きく変化するため，

生材の強度値を取得することが必要となる。

倒伏（根返り）は立木の倒伏抵抗力，一般には引倒し抵抗力と呼ばれる強度値に依存する。引倒し

抵抗力は樹木の大きさや根張りの状態に強く依存するため，実際に試験をしないとわからないことが

多い。これまでに多数の立木の引倒し試験が実施され，多くのデータが取得されている。その中で，

引倒し抵抗力の大きさは，胸高直径 DBHや DBH2H（H：樹高）との関係が深いことがわかってきている。

（2）破壊形態：幹折れと倒伏（根返り）

実際に立木が幹折れするのか，倒伏（根返り）するかは個々の樹木に依存する。外力が作用したと

きに樹幹内に生ずる曲げ破壊モーメント（地上からの高さで異なる）よりも小さな曲げ破壊強度とな

る高さで幹折れが生ずる。しかし，幹折れよりも先に根元部での回転モーメントが倒伏限界モーメン

トを上回れば，立木は倒伏（根返り）する。高さごとの樹幹の曲げ破壊強度と根元での倒伏限界モー

メントのうち，より小さなしきい値により破壊形態が決まる。また，外力の作用位置や作用方向も破

壊形態に影響を与える。

図 5-11 津波によるクロマツ被害木（左：幹折れ，右：根返り）