課題名

B-4　森林の二酸化炭素吸収の評価手法確立のための大気・森林相互作用に関する研究

課題代表者名

神沢　博 （環境省国立環境研究所大気圏環境部大気物理研究室）

研究期間

平成１１−１２年度

合計予算額

188,640千円（うち12年度　94,203千円）

研究体制

（１） 樹林地内の炭素貯留の調査と変動推定（農林水産省林野庁森林総合研究所、北海道大学）

（２） 森林生態系炭素循環の観測とそのモデル化

（経済産業省産業技術総合研究所資源環境技術総合研究所、環境省国立環境研究所、北海道大学、岐阜大学、広島大学）

（３） 微気象学的方法による森林生態系の炭素収支の高精度化（農林水産省農業環境技術研究所）

（４） 航空機による炭素吸収の地域特性の観測（文部科学省航空宇宙技術研究所）

（５） 二酸化炭素高度分布測定とデータ解析による吸収源強度の推定

（環境省国立環境研究所、経済産業省産業技術総合研究所資源環境技術総合研究所）

（６） インバース・フォワードモデルによる炭素吸収源分布の推定

（環境省国立環境研究所、国土交通省気象庁気象研究所、京都大学、筑波大学）

（７） 北東アジアのカラマツ生態系の炭素循環に関する研究（農林水産省林野庁森林総合研究所）

研究概要

１．序（研究背景等）

　化石燃料消費、森林伐採などにより大気中に放出される二酸化炭素は、大気・海洋・森林に吸収・蓄積されるが、特に森林の吸収の強度、吸収強度の分布などの定量的な評価はまだ達成されていない。それにもかかわらず、1997年12月に京都で行われた「気候変動枠組条約第3回締約国会議（COP3）」では、京都議定書が採択され、植林など二酸化炭素吸収量の増大のための対策を定量的に評価する事が必要となった。これを受けて、気候変動に関する政府間パネル（IPCC）が森林等の吸収量評価についての報告書を2000年5月に完成した。これらの議論を通じて、森林の吸収の強度、吸収強度の分布などに関する科学的根拠に基づいた定量的な評価がますます必要であることが明らかになってきた。今後も森林吸収の問題に絡む国際的な取り決めが決定・改訂されていくと予想され、わが国がこの問題に対して科学的な裏付けをもって対処することが必要になる。

 

２．研究目的

　森林による二酸化炭素の吸収の問題に関し、透明かつ検証可能な吸収量評価の方法を確立する事を目的として、大気・森林相互作用に関する研究を行う。更に、ここで開発した二酸化炭素収支の評価手法を中国東北地方の森林に適用するための準備調査を行う。

　具体的には、林学的方法による炭素貯留の調査と変動推定、樹木や土壌の生理学的炭素収支観測、微気象学的方法による森林生態系全体の炭素収支の通年観測、航空機による炭素収支の地域特性の観測などを行い、観測に基づく森林炭素吸収モデルを作成する。また、対流圏下部の二酸化炭素の高度分布測定とデータ解析による森林炭素吸収モデルの検証、複雑な地形にある森林の炭素吸収量推定方法の開発、大陸規模の観測データから炭素吸収源分布を推定する方法の開発を行う。

 

３．研究の内容・成果

（１）樹林地内の炭素貯留の調査と変動推定

　北海道南西部、苫小牧国有林のフラックスタワー観測サイトのカラマツ人工林において、地上部及び地下部樹体中の炭素量および土層1mまでに貯留された有機炭素量を推定した。その結果、1ヘクタールあたりの炭素貯留量は、カラマツの地上部に33ton、地下部に9ton、土層1mまでの土壌に26tonと推定された。他に北海道東部の黒色土分布域と、札幌近郊と道北の褐色森林土分布域のカラマツ人工林における土壌有機炭素集積量を推定した結果、黒色土のカラマツ林では1ヘクタール当たり188tonの有機炭素が土壌に集積していた。褐色森林土では1ヘクタール当たりおよそ87〜181tonと開きがあった。火山灰放出以降の経過年数と土壌有機炭素集積量から推定した集積速度は、黒色土では0.09tonC/ha/yr、褐色森林土では0.10tonC/ha/yrとなった。天然生針広混交林からカラマツヘの樹種転換が、二酸化炭素フラックスにどのような影響を与えるのかを検証するために、北海道北部の北海道大学天塩演習林で観測サイトの整備を行った。

 

（２）森林生態系炭素循環の観測とそのモデル化

　本研究では透明かつ検証可能な炭素吸収量評価の方法を確立する事を目的として、野外観測に基づく森林生態系炭素収支モデルの構築を試みた。具体的には、苫小牧のカラマツ人工林にフラックス観測サイトとエコロジカルリサーチ観測サイトが設定され、40mと25mの観測タワーが設置された。この観測サイトにおいて、資源環境研と国立環境研が北海道大、岐阜大、広島大との共同で大気と森林生態系の二酸化炭素フラックス、光合成生産や呼吸過程、土壌呼吸過程の詳細を調べ、炭素収支モデルを構築した。

　苫小牧観測サイトにおいて、フラックスネットの標準的な測定手法である渦相関法（closed-path方式）によって、二酸化炭素・水蒸気・顕熱フラックスの連続観測を行った。2000年7月から2001年6月まで連続測定を行った結果、カラマツの落葉や展葉に伴う樹冠の二酸化炭素・水蒸気フラックスの季節変化が明瞭に観測された。

　同観測サイトのカラマツ人工林の樹冠部位に到達する足場を設け、その光合成速度と呼吸速度を追跡した。これによって非破壊で酵素活性を推定し、植物光合成・呼吸過程モデル化のための生理的パラメータを算出した。光合成能力が高いはずの日中に、短枝葉では光合成速度が低下した。その原因は、気孔制限よりも炭素固定効率の低下が原因と考えられる。カラマツ属の樹木の水ストレスに対する反応性が高く、生育地が苫小牧の水はけのよい未成熟火山灰土壌であることから、容易にこのような水ストレスを受けていたと推察される。長枝葉では、短枝葉に比較して日中に明瞭な光合成速度の低下が見られなかった。また、長枝葉は陽光にさらされる位置にあるため気孔が高い調節機能を持ち、これに対して、短枝葉はやや日陰におかれるために弱光を利用することから気孔コンダクタンスが高いと考えられる。

　土壌呼吸特性の解明にむけて、測定手法の検討を行った。連続自動測定に適したオープントップチャンバー法（OTC法）を、従来型の通気法（OF法）と比較して、1.5m/s以上の風速のもとでは、二酸化炭素フラックスを過小評価する可能性が示された。苫小牧観測サイトのカラマツ林での土壌呼吸速度の面的バラツキを検討し、必要測定点数を推定した。また、同カラマツ林内の9地点で土壌呼吸速度（OTC法およびOF法）と土壌中の有機物および微生物バイオマス量を測定した結果、場所によって有機物の集積状況に大きな差があり、土壌呼吸速度との間に関連があることが推定された。

　岐阜県高山市の冷温帯落葉樹林（ダケカバ、ミズナラ林）において土壌呼吸速度の日変化・季節変化の測定を行い、生態学的測定手法の結果と合わせて二酸化炭素の循環と収支を計測し、冷温帯落葉広葉樹林の森林生態系純生産量（NEP）を明らかにした。樹木による固定量と林床のクマイザサの固定量からの純一次生産量（NPP）の推定値（4.07tonC/ha/yr）から土壌微生物・動物の呼吸量（HR）推定値（3.04tonC/ha/yr）を引き算した値として、この森林のNEPは1.03tonC/ha/yrと見積もられた。今後、この結果とデータの整いつつある苫小牧観測サイトでのカラマツ林の炭素収支との比較を行う。

　また、中国黒竜江省の東北林業大学のカラマツ林のタワー観測サイトを調査し、フラックス共同観測の可能性について協議し、研究計画を立てた。

 

（３）微気象学的方法による森林生態系の炭素収支の高精度化

　Ameriflux、EUROFLUX、AsiaFluxなどのフラックスネットワークでは、陸上生態系の炭素収支評価のうえでもっとも重要な生態系−大気間の二酸化炭素フラックスの測定に、渦相関法が用いられている。本研究では、渦相関法による森林生態系の炭素収支の評価を高精度化するため、渦相関法の適用上の問題点の検討、データ処理・解析方法の改善や補正方法の検証、異なる測定システム間の相互比較などを行った。苫小牧観測サイトの観測タワーの高度41mに設置した渦相関システム（open-path方式）による観測データをもとに、データ処理・解析方法や補正方法について検討した。その結果、超音波風速計の座標変換やトレンド除去を適用する場合には、測定システムの点検（超音波風速計のゼロ点調整）やデータの質の確認（異常値やステップ状の変化がないこと）が必要なことや、密度補正の重要性が確認できた。とくに、密度補正の影響は吸収フラックスが大きくなる7月中旬でも50%を越えることがあり、日中の二酸化炭素交換量を正確に評価するためには密度補正は不可欠である。同観測サイトの観測タワーの高度25mで実施した3組の渦相関システムの相互比較観測の結果から、超音波風速計のプローブの形状によっては、主風向成分の風速を過小に評価する可能性があること、システム間の二酸化炭素フラックスのばらつき（標準誤差）は、日中の最大吸収量の10%強であることが示され、またオープンパス型ガス分析計の厳密な校正の重要性が指摘された。

 

（４）航空機による炭素吸収の地域特性の観測

　本研究の主目的は、航空機観測により二酸化炭素および森林の植生に影響する化学物質の挙動を把握できる計測法を開発することである。従来から行われている大気中微量成分濃度の測定に加えて、気流特性データを、航空機により同時に計測処理する手法を目指した。なお、航空機は、航空宇宙技術研究所の所有するクインエア機（B-65）を使用した。具体的に行ったことは、以下のとおりである。測器の開発検証としては、航空機の運航計器と各種計測器とを加えた航空機測定システムの開発、航空機搭載三次元風速測定機器（超音波風速計）と静止基地観測値（滋賀県信楽に設置されている京都大学MUレーダー）との計測値比較による風データの検証、多種類の微量ガス成分を同時測定できるFTIR（フーリエ変換型赤外分光計）計測器の航空機搭載試験、等であり、結果は概ね良好であった。これらの測器開発を踏まえ、2000年8月、苫小牧観測サイト上空で、渦相関法による二酸化炭素フラックス測定を行った。測定高度は、地上150mから1600mの間、航行距離は約10kmであった。測定精度等、これからの課題もあるが、航空機による渦相関法フラックス測定が可能であることを示すことができた。

 

（５）二酸化炭素高度分布測定とデータ解析による吸収源強度の推定

　苫小牧観測サイトで、観測サイトでの渦相関法による測定と、観測サイト上空での二酸化炭素の高度分布の時間変化測定とを比較した。夜間の温度逆転層に森林の放出する二酸化炭素が蓄積する速度を夜間も操作が可能な有索気球で測定し（高度0-100mを観測可能）、早朝蓄積された二酸化炭素が森林の光合成により吸収される速度を模型飛行機で測定した（高度100-2000mを観測可能）。有索気球および模型飛行機の高度分布データを鉛直に積分して得られた大気カラム濃度の変化から求めた二酸化炭素収支は、渦相関法により求めた収支に比べ、夜間については約2倍、早朝についてはほぼ等しい値となった。渦相関法の場合は、測定の精度はよいが、観測点の代表性に限界があるので、このような高度分布観測と組み合わせることが有効である。

　岐阜県高山市乗鞍岳山麓にある二酸化炭素交換量長期観測地点で、複雑地形の観測値への影響をみるために小塔を設置して局地循環と夜間の二酸化炭素フラックスとの関係を調べた。この結果斜面下降流が発達する夜間には27mタワーで測定される二酸化炭素フラックスが非常に小さいことがわかった。27mタワーで測定される各種フラックス量について複雑地形の影響を解析した。この結果、運動量、顕熱、潜熱、二酸化炭素の各フラックスに対する複雑地形の影響は同じではないこと、特に潜熱フラックスは、西風で急斜面を吹き上がってくる風向のときには地表面の値を代表していない可能性があり過小評価となっていることが示唆された。メソスケールモデルで観測地点の二酸化炭素濃度変化の再現を試みた。この結果メソスケールの風系の変化が濃度変化に影響を及ぼしており、高山での測定濃度の最大値が朝方ではなく深夜に出ることがわかった。

 

（６）インバース・フォワードモデルによる炭素吸収源分布の推定

　大陸規模での二酸化炭素濃度観測データと気象データから、大気物質輸送モデルを用いて、炭素吸収源分布を推定する方法の開発を目指した研究を行った。3次元全球輸送モデルを開発して、二酸化炭素濃度分布のシミュレーションを行い、シミュレーション値を観測値と比較することにより全球規模での大気中二酸化炭素収支について検討を行った結果、北半球の植生が二酸化炭素の大きな吸収源になっている可能性が示唆された。別途開発した全球輸送モデルおよびインバースモデルをもって、IGBP/GAIMのプロジェクトであるTransCom（Atmospheric Tracer Transport Model Intercomparison Project）プロジェクトに参加し、インバース法による炭素放出吸収源の推定の不確定性の研究を行った。シベリアの航空機観測による二酸化炭素高度分布のデータが、亜寒帯アジアの吸収源強度の推定の不確定性を約1/2にすること、亜寒帯北アメリカの推定の不確定性も減少させることがわかった。東京−シドニー間の定期旅客機による上部対流圏での航空機観測は、地上からはるか離れている観測にもかかわらず、東南アジアの放出源推定へのインパクトがあった。

　日本列島周辺域を対象とした高分解能局地二酸化炭素循環モデルの水平分解能を30kmから60kmにすることによりアジアのほぼ全域を対象とし、1年間について連続積分を行い、大気と陸上生態系との二酸化炭素の交換を直接計算する、いわばフォワードモデルによる炭素吸収源分布の直接推定を試行した。このモデルによる推定がどの程度の精度を有するかについては、フラックス観測値、大気中二酸化炭素濃度観測値との比較による十分な検討が必要である。さらに、地球環境変動に対する生態系の炭素吸収能の応答を予測し、評価する手法を確立するために、陸域生態系モデルを用いて、相異なる気象データが生態系純生産の評価に及ぼす影響を調べた結果、定性的には類似した傾向を示すが、定量的にはかなり大きな違いを生じる事が分かった。

 

（７）北東アジアのカラマツ生態系の炭素循環に関する研究（国際交流研究EFF）

　北東ユーラシアに広く分布するカラマツ林生態系は、中国北東部にも広大な森林地帯を形成している。大興安嶺山脈に分布する、ダフリアカラマツ（Larix gmelinii）林のバイオマス及び一次生産について気候ゾーンごとの特性を、中国でこれまで実施された観測をまとめた中国語の文献に基づいたデータを有効に利用して、調べた。同じ林齢グループでは、地上部バイオマスは、南東部において大きく（若齢林では85.37Mg/ha）、一方、北部では全般的に小さかった（若齢林で41.18Mg/ha、壮齢林では55.6Mg/ha）。同じ植生型で比較すると、若齢林と壮齢林は、地上部バイオマス及び一次生産のどちらとも、老齢林より大きかった。また、地上部バイオマス及び一次生産について、大興安嶺の天然生カラマツ林と中国北東部のカラマツ人工林を比較する試みを行った。地下部バイオマス及び一次生産について研究を進めるべきことがはっきりした。

 

　なお、北海道苫小牧国有林（カラマツ人工林）観測サイトでの本研究の観測は、国立環境研究所地球環境研究センターの「北方林の温室効果ガスフラックスモニタリング」事業と連携共同して進められた。

 

４．考察

　京都議定書との関連で、森林の吸収強度、吸収強度の分布などの定量的な評価が政策的に求められている。その要請に対し、当面の緊急的な対応策として、既存の文献からデータを集めたり、既存の知識に基づく方法で評価を行うことは当然必要である。一方、本研究課題で試みたような定量的評価に必要な科学的手法の開発が必要であることは論をまたない。このような科学的手法を開発し、その手法を適用して、より確実性の高い森林の吸収強度、吸収強度の分布などの定量的な評価を行うことが、たとえ迂遠にみえようとも、10年スケールでみた時の政策的要請、社会的要請に応えることになる。

　本研究報告書の内容をみてもわかるように、解決すべき問題は山積している。例えば、基本的に重要な観測手法である森林観測サイトでの渦相関法による二酸化炭素鉛直フラックスの観測にしても、密度補正を施したときにフラックスの向きも変わってしまうことがありうることが本研究でわかった。地上の観測サイトでの渦相関法による二酸化炭素鉛直フラックスの評価を面的に広げるべく実施された有索気球や模型飛行機の二酸化炭素濃度の高度分布の観測においても、それらの観測結果は、渦相関法によるフラックス評価の値と必ずしも整合的ではなく、比較する際の前提となる条件が必ずしも満たされていない可能性もあることがわかった。二酸化炭素濃度分布観測と大気物質輸送モデルを駆使して炭素吸収源強度分布を大陸スケールで求めるインバース手法にしても、日本のグループによるシベリア等での航空機による二酸化炭素濃度の高度分布の観測が、亜寒帯アジアの吸収源強度の評価に影響のあることがわかったが、評価の不確実性を減らす観測、しかも、実現性のある観測がいかにあるべきであるかという観測デザインについても曙光が見え始めた段階である。これらの問題を解決すべく、粘り強く研究を展開してゆく必要がある。

　幸い、国立環境研究所地球環境研究センターの「北方林の温室効果ガスフラックスモニタリング」事業によって、北海道苫小牧国有林（カラマツ人工林）に苫小牧フラックスリサーチサイトが設置され、本研究課題での知見が、モニタリングに生かされ始めているし、本研究課題に結集した研究グループの一定の部分は、今後も様々な形で、苫小牧観測サイトでのモニタリングに関わってゆくことになる。また、インバース手法にしても、我々のグループは、世界の研究グループによる地球圏−生物圏国際協同研究計画（IGBP）の1プロジェクトヘの参加を、本研究を契機にして開始し、今後も、プロジェクトに協力しつつ、独自の知見を積み上げてゆくこととなろう。

　以上まとめると、本研究は、課題である「評価手法確立のための研究」として、様々な研究を総合的に推進する契機を作り、一定程度の成果をあげることができた。しかしながら、通常の3年より短い2年間という研究期間の制約もあって、相互に結果を比較したり、各手法の妥当性や限界などを綿密に議論できる段階には至らなかった。

 

５．研究者略歴

課題代表者：神沢　博

1953年生まれ、京都大学大学院理学研究科博士後期課程修了、理学博士、

国立極地研究所助手、国立環境研究所地球環境研究センター研究管理官、

現在、同研究所大気圏環境部大気物理研究室長

主要論文：

��Kanzawa, H. (1982) : Eliassen-Palm flux diagnostics and the effect of the mean wind on planetary wave propagation for an observed sudden stratospheric warming.  J. Meteorol. Soc. Japan, 60, No.5, 1063-1073.

��Kanzawa, H. and Kawaguchi, S. (1990) : Large stratospheric sudden warming in Antarctic late winter and shallow ozone hole in 1988.  Geophys. Res. Lett., 17, No. 1, 77-80.

��Kreher, K., Bodeker, G. E., Kanzawa, H., Nakane, H., and Sasano, Y. (1999) : Ozone and temperature profiles measured above Kiruna inside, at the edge of, and outside the Arctic polar vortex in February and March 1997.  Geophys. Res. Lett., 26, No. 6, 715-718.

 

サブテーマ代表者

（１） 松浦陽次郎

1960年生まれ、京都大学大学院修了、博士（農学）、現在、森林総合研究所北海道支所育林部

主任研究官

主要論文：

��Matsuura, Y., Abaimov, A. P. (1998) : Changes in soil carbon and nitrogen storage after forest fire of larch taiga forests in Tura, central Siberia.  In "Proc. 6th symposium on permafrost studies between Japan and Russia", pp 130-137.

��Matsuura, Y., Abaimov, A. P. (1999) : Soil characteristics in Tura Experiment Forest, central Siberia.  In "Proc. 7th symposium on permafrost studies between Japan and Russia", pp69-76.

��Matsuura, Y., Abaimov, A. P. (2000) : Nitrogen mineralization in larch forest soils of continuous permafrost region, central Siberia. - An implication for nitrogen economy of a larch forest stand.  In "Proc. 8th symposium on permafrost studies between Japan and Russia", pp129-134.

 

（２） 山本　晋

1945年生まれ、東北大学理学部卒業、理学博士（東北大学）、工業技術院公害資源研究所、

大気環境予測研究室長、現在、資源環境技術総合研究所首席研究官

主要論文：

��Yamamoto, S. et al. (1996) : Airplane measurements of carbon dioxide distribution on Iriomote Island in Japan.  Atmos. Environ., 30, 1091-1097.

��Yamamoto, S. et al. (1999) : Seasonal and inter-annual variation of CO2 flux between a temperate forest and the atmosphere in Japan.  Tellus, 51B, 402-413.

��Yamamoto, S. et a1. (2001) : A long-term results of flux measurement from a temperate deciduous forest site (Takayama).  Proc. International Workshop for Advanced Flux Network and Flux Evaluation, Sapporo, 5-10.

 

（３） 原薗芳信

1950年生まれ、大阪府立大学大学院博士後期課程修了、農学博士、大阪府立大学助手（農学部）、同講師（農学部）、農林水産省農業環境技術研究所環境資源部主任研究官、現在、同環境資源部気象特性研究室長

主要論文：

��Harazono, Y., Yoshimoto, M., Mano, M., Vourlitis, G. L., and Oechel, W. C. (1998) : Characteristics of energy and water budget over wet sedge and tussock tundra ecosystems at North Slope in Alaska.  Hydrological Processes, 12, 2163-2183.

��Harazono, Y., Kim, J., Miyata, A., Choi, T., Yun, J-I., and Kim, J-W. (1998) : Measurement of energy budget components during the International Rice Experiment (IREX) in Japan. Hydrological Processes, 12, 2081-2092.

��Li, S. H., Harazono, Y., Oikawa, T., Zhao, H. L., He, Z. Y., and Chang, X. L. (2000) : Glassland desertification by grazing and the resulting micrometeorological changes in Innner Mongolia. Agric. Forest Meteorol., 102, 125-137.

 

（４） 田丸　卓

1940年生まれ、東北大学工学部卒業、工学研究科修士課程修了、工学博士（東北大学）、

現在、航空宇宙技術研究所航空エンジン研究部部長

主要論文：

��Aizawa, T., Kamimoto, T., & Tamaru, T. (1999) : Measurements of OH radical concentration in combustion environments by wavelength-modulation spectroscopy with a 1.55-μm distributed-feedback diode laser.  Applied Optics, Vol. 38, No. 9, 1733-1741.

��Kumar, S., & Tamaru, T. (1997) : Computation of turbulent reacting flow in a jet assisted ram combustor. Computer & Fluids, Vol. 26, No. 2.

�� 田丸　卓、下平一雄、黒澤要治（1996）：1900℃レベル高温ガス測定用イリジウム多点熱電対温度計、日本ガスタービン学会誌、24巻、93号．

 

（５） 井上　元

1945年生まれ、東京大学大学院博士課程修了、理学博士、国立環境研究所大気圏環境部上席研究官、現在、国立環境研究所地球環境研究センター総括研究管理官

主要論文：

��Inoue, G., J. K. Ku and D. W. Setser (1984) : Photoassociative laser-induced fluorescence of XeCI* and kinetices of XeCI (B) and XeCl (C) in Xe.  J. Chem. Phys., 80. 6006-6019.

�� 井上　元（1994）：温暖化ガスとその種類、地球環境ハンドブック、朝倉書店、p.114-126.

��Tohjima, Y., S. Maksyutov, T. Machida and G. Inoue (1996) : Airborne measurement of atmospheric methane over oil fields.  Geophys. Res. Lett., 35, 2168-2169.

 

（６） 神沢　博（課題代表者欄参照）

 

（７） 松浦陽次郎（サブテーマ代表者（１）欄参照）