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[B−3 アジアフラックスネットワークの確立による東アジア生態系の炭素固定量把握に関する研究]

(2)生態系における安定同位体比の測定による物質フローの解明に関する研究


独立行政法人産業技術総合研究所

 環境管理研究部門

大気環境評価研究グループ

村山昌平・近藤裕昭・三枝信子

 環境管理研究部門

副部門長

山本晋

独立行政法人国立環境研究所

 大気圏環境研究領域大気動態研究室

高橋善幸

 地球環境研究センター

中台利江

独立行政法人農業環境技術研究所

 地球環境部

食料生産予測チーム

谷山一郎

岐阜大学流域環境研究センター

小泉博・近藤美由紀・秋山侃

京都大学大学院農学研究科地域環境科学専攻

大手信人

 〈研究協力者〉

筑波大学地球科学系

濱田洋平・田瀬則雄

京都大学生態学研究センター

杉本敦子


[合計予算額]

 平成12〜14年度合計予算額 55,198千円
 (うち、平成14年度予算額 18,439千円)

[要旨]

 濃度測定やフラックス測定では、炭素循環の各素過程の総和である正味の炭素交換量しか見ることができない。本研究では、安定同位体比測定手法を用いて、陸上生態系における炭素循環の素過程の解明を図る。そのために異なる植生からなる生態系において、大気−森林間及び森林−土壌問の炭素収支、森林内の炭素循環、森林流域における水文過程による炭素流出、水田における炭素固定量等を調べ、これら変動要因を明らかにする。以下に各研究成果の概要を示す。
(1)CO2濃度及び安定同位体比測定による落葉広葉樹林における炭素循環の解明(産総研)
 落葉広葉樹林観測サイト(岐阜県高山市)において大気中及び土壌空気中のCO2濃度及びCO2の安定同位体観測を行った。大気中CO2濃度の春の濃度減少開始時期の年々の違いには、春季の気温や融雪時期との関連性が見られた。CO2濃度の鉛直分布の日内変化およびその季節変化の解析、土壌呼吸フラックスと夜間のNEEの比較から、樹木、林床、土壌の生物活動の生態系内炭素循環への寄与の季節変動を定性的に明らかにすることができた。暖候期、大気中CO2濃度とCO2のδ13Cおよびδ18Oの日内変動間には、それぞれ生物活動の日内変動を反映した明瞭な負の相関が見られた。大気中CO2濃度とCO2のδ13Cの季節変動間にも生物活動の季節変動を反映した明瞭な負の相関が見られたが、CO2濃度とδ18Oには、明瞭な相関が見られなかった。
(2)カラマツ林生態系における大気二酸化炭素安定同位体比と土壌呼吸速度の変動要因の解明(国環研)
 北海道の落葉針葉樹林(カラマツ林)に大気試料自動採取装置を設置し、一定の時間問隔で大気試料を採取し、CO2濃度とその炭素安定同位体比(δ13C)の日変動を観察した。この観測をおよそ1ヶ月毎に行った。森林内で観測されたCO2濃度と同位体比の夜間の時間変動から二成分系単純混合モデルを用いてこの生態系内で呼吸により放出されたCO2のδ13Cを推定した。2000年7月から2002年10月までの観測データから、呼吸起源CO2のδ13Cは2‰以上の幅で有意な時間的変動性を持つことが明らかとなった。観測を行った期間のうち植物の活動の盛んな時期の平均値としておよそ一28.0‰という値が得られた。これは、北米やヨーロッパ域の森林に多くみられる常緑針葉樹林で観測されている値に比べ低く、夏季に降水量が多い東アジアの気候的な特徴やカラマツが持つ生理機能的な特徴を反映したものと推測される。
 高頻度の観測の結果から呼吸起源CO2のδ13Cの時間的な変動は数日前の水分条件とよく対応していることが明らかとなった。森林内の相対湿度の変化は植物の気孔コンダクタンスの変化を通じて光合成時の同位体分別効果に反映されることを考えると、森林生態系内で呼吸により放出されるCO2のδ13Cは光合成により吸収されるCO2のδ13Cと短い時間スケールでリンクしているものと推測される。
 植物体や土壌の有機物の同位体測定から、森林生態系を構成する有機物のδ13Cが空間的に著しく不均一であることが示されたが、どの場所においても分解の進んだ有機物ほどδ13Cが高くなるという共通した傾向が確認された。土壌から放出される微生物呼吸起源のCO2成分のδ13Cの時間的変動の観測においても季節が進むにつれて、δ13Cの値が高くなる傾向が確認された。
(3)水田における安定同位体比の測定による物質フローの解明(農環研)
 我が国を代表する耕地生態系の一つである水田において、水収支観測に重点を置いた炭素収支の実態把握を行った。炭素の流入として最も大きかったのは光合成によるCO2の取り込みであり、このうちの6割強が収穫によって持ち出された。溶存炭素の流入出は全体の5〜9%を占めたが、多くの場合無機態である炭酸(溶存CO2+重炭酸イオン)の濃度が有機炭素の濃度を上回った。炭酸濃度はイネの成長や温度上昇に伴う生物代謝の増加に対応し、耕作期間を通じて各水体で一様に上昇した。この炭酸の起源として大気CO2および生物代謝の2つを想定し、炭素同位体比を用いて両者の寄与率を比較したところ、大気CO2の寄与は田面水においても最大で10%程度となり、生物活動によって高い炭酸濃度が維持されていることが同位体比からも示された。なお、調査水田における年間の全炭素収支は、2000-2001年で54gCm-2の吸収、2001-2002年で106gCm-2の放出であった。本研究で得られた、溶存炭素フラックスにおける炭酸の寄与ならびに同位体比を用いた起源の推定については過去の事例がほとんどなく、水田の炭素循環に関する重要な知見を提供するものである。
(4)安定同位体比の測定による森林内炭素サイクルの解明(岐阜大学)
炭素安定同位体比を指標にして、森林生態系内での炭素動態のメカニズムを明らかにした。調査は、2001〜2002年の夏と秋(落葉後)に岐阜大学流域圏科学研究センター高山試験地の冷温帯落葉広葉樹林で行った。得られた成果は以下の通りである。
‥攵躙撞枸未蓮地温の上昇とともに夏期に向かって増加(491〜907mgCO2m-2h-1)し、8月に最大(926mgCO2m-2h-1)となり、その後気温の低下とともに減少(317mgCO2m-2h-1)した。また、各月とも、地点間での土壌呼吸量のばらつき(変動係数24〜37%)が見られた。
光−光合成曲線、光−気孔コンダクタンス曲線および葉内二酸化炭素濃度−光合成曲線は当年葉と1年葉で大きな違いは認められなかった。また、飽和光合成速度は約10μmolm-2s-1で林床植物としては比較的高い値を示した。得られた光−光合成曲線と光環境を用いて、一日当たりのクマイザサ群落の炭素固定量を推定したところ、8月には200mmolm-2day-1、10月には400mmolm-2day-1の値を示した。
ササの葉のδ13Cは-28〜-30‰程度であった。大気サンプリングシステムおよび大気精製ラインを用いて、サンプリング後の大気のCO2、の精製とδ13Cの分析の結果、土壌呼吸起源CO2の吸収率は林冠木で0%、クマイザサでは夏期に10%程度、秋期に2%程度であると推定された。
(5)暖温帯森林生態系における炭素の循環と流出プロセスに関する研究(京都大学)
 暖温帯森林生態系における炭素の循環と流出プロセスを明らかにすることを目的とし、滋賀県南部に森林試験流域を設定して、水文観測をベースとして、種々の水と炭素の安定同位体比測定を含む生物地球化学的な調査を行った。水文観測と水の同位体比測定を用いて求めた土壌水の平均滞留時間は2週間から4ヶ月程度であった。また、この浸透過程における溶存有機態炭素(DOC)や無機炭素(DIC)の濃度変動を測定し、土壌中における形態別の炭素移動量の推定を行った。林床AO層で形成されたDOCは表層30cmまでに大半が土壌に吸着され、100cm以下では微生物による分解によって濃度減少が生じることが明らかになった。また、こうした可溶で移動可能な有機態炭素と相互に作用する土壌有機態炭素(SOC)の炭素安定同位体比(δ13C)を同じサイトで測定した。炭素含量は表層近くで急激に減少し、それに呼応してδ13Cは減少した。しかし、炭素含量の減少が鈍る硬質土層以下では、有機態炭素量の減少に対してδ13Cが徐々に増加した。このことは、表層でのリターの分解と、下層へのDOCの輸送、鉛直輸送過程での吸着という上記のメカニズムにそって、移動している炭素の形態が変動していることを反映しているものと考えられた。さらに、土壌への供給有機物としての樹木葉の炭素安定同位体比の季節変動を測定した。樹木葉の炭素安定同位体比は、葉のCO2と水蒸気の交換に対する気孔のコントロールを反映するが、同時にモニターした、チャンバーによる個葉のガス交換測定から得られる細胞間隙CO2濃度と大気のCO2濃度との比(Ci/Ca)の変動の幅が大きいのに対してδ13Cから得られるCi/Ca、は季節を通じて大きな変動はなかった。δ13Cは樹冠の上部で大きく、下部で小さい明瞭な差が見られ、光環境の差異が光合成に伴う気孔開閉の特徴に強く影響していることがわかった。リターのδ13Cは、これらの変動幅の中間の値であった。


[キーワード]

 CO2、安定同位体比、土壌呼吸、水文過程、炭素循環