土壌混入木質バイオマスの含水率予測のための近赤外分光法

木質燃料の含水率が重要な理由

よりクリーンなエネルギーを求める社会において、木片やその他の植物残渣は重要な燃料源になりつつあります。しかし、それらの有用性を左右する単純な要素があります：含まれる水分量です。水分が多すぎると発熱量が低下し、カビの発生が増え、貯蔵中の自己加熱による発火リスクも高まります。伐採時に土が混入する場合、その課題はさらに大きくなります。本研究は、近赤外（NIR）分光と呼ばれる光学的手法が、土の混入したバイオマスの含水率を迅速に測定できるかを検証し、時間のかかるオーブン乾燥法に代わる迅速な手段となり得るかを探ります。

森の残材から試料へ

研究者らは、一般的な燃料源を表す2種類のバイオマスに焦点を当てました。一つは伐採残渣で、伐採後に残る枝やトップ部分です。これらは細胞壁が堅く構造が比較的安定した緻密な木質片です。もう一つはスイートソルガムで、孔質で糖分が多い高茎草本です。スイートソルガムは光に対する挙動が大きく異なるため、バイオエネルギーに使われる草本作物の代表として適しています。現実の条件を模擬するために、研究チームはすべての試料を一度乾燥させた後、気候チャンバーで異なる温度と湿度に再湛水し、約3%から16%までの幅広い含水率を作り出しました。

現実的な土の混入を再現

実際の林業現場では、バイオマスが清潔なままであることは稀です。地面に引きずられた枝や露天の山積みには土が付着します。この現実を反映させるために、研究者らは制御された森林土壌を質量比で6段階（0、1、5、10、20、30%）に混合しました。低い割合は清潔な作業条件を、より高い割合は著しく汚染された山積みを表します。バイオマスの種類と土壌割合の各組合せについて、チームは成形器で密実で均一な「パック」を作成しました。この工程により、光の透過や散乱を混乱させる不均一な詰め密度の影響を低減しています。

光を当てて信号を整える

次に、チームは試料が870〜2,500ナノメートルの波長範囲で近赤外光をどのように反射するかを測定しました。バイオマス中の水は特定の波長近傍で光を強く吸収するため、反射スペクトルには含水率に関する手がかりが含まれます。しかし、土粒子や不均一な表面は光を散乱させ、「ノイズ」として信号に混入します。これに対処するため、研究者らはスペクトルに対して二つの前処理を適用しました。第一は標準正規変換（SNV）と呼ばれる手法で、散乱や表面不均一性による変動を大部分除去します。第二はSavitzky–Golayの二階微分フィルターで、重なったピークを鋭くし、基線のドリフトを平滑化します。これらを組み合わせることで、含水率に由来する微かな特徴がより明瞭になります。

光のパターンを含水率の数値に変換

前処理したスペクトルを用いて、研究者らは偏最小二乗回帰（PLS回帰）という統計手法で光学パターンとオーブン乾燥で得た実測含水率を結び付けました。伐採残渣については、SNVとSavitzky–Golayの組合せが最良の性能を示し、予測値は実際の含水率と良く一致しました。スイートソルガムは構造が複雑で糖分を多く含むためモデル化はやや難しかったものの、それでも合理的な精度が得られました。重要なのは、土壌含有率が0〜30%へ上昇してもモデルの品質は比較的安定しており、前処理が土による撹乱効果を低減していることを示しています。既知の土壌レベルごとにデータをグループ化すると精度がさらに向上し、汚染情報を含めることで予測が改善され得ることが示唆されました。

実用的なバイオマス利用への意味

本研究は、近赤外分光法と適切な前処理を組み合わせることで、土壌で汚染された木質バイオマスの含水率を迅速かつ非破壊で推定できることを示しました。林地残渣やエネルギー作物を扱う運営者にとって、投入される荷物の品質を数時間ではなく数秒でチェックできる可能性があり、腐敗の予防、燃焼効率の向上、安全リスクの低減につながります。課題も残ります：土壌含有量を正確に推定するのは難しく、本試験は一種類の土壌と実験室条件に限られていました。それでも、ハンドヘルド型やオンラインのNIR機器がバイオマス供給連鎖でリアルタイムに含水率を監視する将来像を示しており、再生可能な固形燃料をより信頼性が高く効率的にする可能性があります。

引用: Batjargal, BU., Kang, M., Cho, Y. et al. Near-infrared spectroscopy for moisture content prediction in soil-mixed woody biomass. Sci Rep 16, 6096 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36901-8

キーワード: 近赤外分光法, バイオマス含水率, 木質残渣, 土壌汚染, バイオエネルギー