課題名

B-6 陸域生態系の二酸化炭素動態の評価と予測・モデリングに関する研究

課題代表者名

袴田 共之(農林水産省農業環境技術研究所資源・生態管理科上席研究官)

研究期間

平成8−10年度

合計予算額

146,85710年度 48,532)千円

研究体制

(1) 自然生態系の二酸化炭素変動機構のモデル化と予測

^ヾ帯(北方)林生態系におけるモデル化と予測

(農業環境技術研究所・広島大学総合科学部)

熱帯林生態系におけるモデル化と予測(農業環境技術研究所)

N箍溝嗄喟限峽呂砲けるモデル化と予測

(農業環境技術研究所・岐阜大学流域環境研究センター)

て鷸晴獣坐妊侫薀奪スと同位体比測定による冷温帯林生態系におけるモデル化と予測

(資源環境技術総合研究所)

(2) 人為生態系の二酸化炭素変動機構のモデル化と予測

’盛銘呂砲ける炭素のシーケストレーションの評価(農業環境技術研究所)

⊃肯啝楸箸砲けるシーケストレーションの評価(森林総合研究所)

0堕蠧碓迷佝罎砲茲訶攵輙機炭素の蓄積・分解過程の定量的評価(農業研究センター)

(3) 土壌微生物機能のモデル化と定量的評価

‥攵軾生物機能の定量的評価(農業環境技術研究所)

土壌微生物相と環境の関係に関する定量的評価(農業環境技術研究所・広島大学総合科学部)

8蚤陵機炭素の分解に関わる土壌セルロース分解系の役割の定量的評価

(農業環境技術研究所)

づ攵躓’修鬚瓩阿訝坐任涼濱僉κ解モデルの開発(農業環境技術研究所)

(4) グローバル・カーボン・サイクル・モデルの開発

’昔啅斑楼茲離ーボン・サイクル・モデルの開発(農業環境技術研究所・茨城大学理学部)

局地二酸化炭素循環のモデル開発とそれを用いた陸上生態系の役割の解明

(気象研究所・筑波大学生物科学系)

B侘圏移流拡散モデルによる炭素循環の変動予測モデル(資源環境技術総合研究所)

ぅ哀蹇璽丱襦Εーボン・サイクル・モデルの開発(農業環撹技術研究所)

 

研究概要

1.序

 地球変動に関する国際連合枠組条約第3回締約国会議(COP3)において、いわゆる「ネット・アプローチ」が採用され、森林等の二酸化炭素吸収を精度良く推定する必要性が急速に高まっている。しかし、IPCC95報告書においても陸域の二酸化炭素動態については依然として不明部分が多いとされ、世界の各地で多くの研究者がその解明に取り組んでいるところである。

 本課題において、二酸化炭素動態の評価と予測にとって、最も大切なことはしっかりした実験・観測とモデリングであるとの立場に立って、実験系とモデリング系の両種のサブ・サブ・テーマを単一の課題の中で取り上げて交流を行いつつ確かな評価と予測の実現を名指している。実験とモデリングでは、いくつかの大きさの代表的な対象(地域、生態系又は土地利用の単位など)を取り上げて解明を進め、その知見を中心にグローバルな評価まで到達しようと試みている。また、可能な限り海外の研究者と交流を行い、各種の国際的研究ネットワークの中に本課題を位置づける努力を行い、次期IPCC報告書の著者グループにメンバーを派遣するなど、成果情報の国際的共有に貢献しようと努めている。

 

2.研究目的

 陸域生態系をめぐる二酸化炭素動態について、自然生態系、人為生態系を中心として実験的に解明し、そのプロセスをデータに基づくモデリングを通して定量的に評価できるよう試みる。陸域生態系の中でも土壌と植物の役割を重視し、炭素の長寿命固定(シーケストレーション)の可能性を定量的に検討する。それらをグローバル・プロセスの一環として位置づけ、それぞれのモデルを供試して定量的な評価を行う。もって、環境政策の推進等に資そうとする。

 

3.研究の内容・成果

(1)自然生態系の二酸化炭素変動機構のモデル化と予測

^ヾ帯(北方)林生態系におけるモデル化と予測

 カナダ中央部、Saskatchewan州(53°40N105°10W)のジャックパイン林において、土壌炭素の循環動態の調査を2年間にわたって行い、これをコンパートメントモデルで解析した。その結果、同地域のクロトウヒ林(Nakane et al., 1997)と比較して、ジャックパイン林では砂質で乾燥した土壌に加え、立木密度が低いため林床への直達日射量が多く、夏期に土壌温度が高くなっていた。そのため、AO層や土壌中腐植の分解が速く(それぞれ8.30.8% yr-1)、土壌中の有機物の蓄積も少ない(AO層:8.7、土壌腐植:20 tC ha-1)、炭素循環の比較的速い森林であることが示唆された。一方、北方域に広く分布するトウヒ林が温暖化環境下でその分布と構造の変化に伴って、炭素収支がどのように変動するのかを明らかにする一歩として、北限域と南限域のその植生構造を調査したところ、南限城では樹高10m14mの、北域では樹高5m10mのクロトウヒを中心に、林冠が構成されていた。また地上部現存量は、それぞれ南限域では90100t/ha、北域では4050t/haと推定され、北域の方が比較的小さな林分となっていることが判った。これは樹齢以上に、土壌凍結期間が北域で南限域と比較して約一ヶ月長く、生育期問の短いことが、樹木の成長に影響を与えているためと思われた。北域では、林床の植生は多様であったが、南限域では林床が比較的暗く、高層木を形成する樹種の実生が少なく、温暖化でクロトウヒが衰退した場合、現在の森林が一時的に崩壊する可能性も判明した。さらに、トウヒ林の光合成特性を調べるため、上層、中層、下層のトウヒ葉の光−光合成曲線を求めたところ、北域のトウヒ林の成育の抑制が光合成特性からも示唆された。

 

熱帯林生態系におけるモデル化と予測

 熱帯林は世界の森林面積のおよそ40%を占められており、二酸化炭素の変動機構を明らかにするためには、熱帯林における炭素動態を明らかにすることが重要である。そこで、本研究では、タイ国コンケンの熱帯林を対象とし、植物−土壌系における炭素循環を定量的に明らかにし、モデル化するとともに、熱帯林生態系の二酸化炭素変動予測を行うことを目的とする。

 対象とした熱帯林の高さは25mであり,落葉落枝量は5.1t C/ha/yr、落葉層の現存量は平均4.1t C/haであった。落葉層の分解による二酸化炭素放出量は0.6t C/ha/yrであり、土壌への炭素供給量は4.5 tC/ha/yrと見積もられた。また、細根量は1.2 tC/haであり、細根から土壌への炭素供給量は0.2 tC/ha/yr、呼吸による二酸化炭素放出量は11.9 tC/ha/yrと見積もられた。林床からの二酸化炭素放出量は18.0 tC/ha/yrであり、土壌からの二酸化炭素放出量は5.5 tC/ha/yrと見積もられた。上壌炭素現存量は41.4 tC/haである。上壌では毎年0.8 tC/ha/yrの炭素が減少していると見積もられた。

 熱帯林では土壌への炭素蓄積が認められなかった。これは、落葉落枝量に比べて、有機物の分解が早いためである。それ故、土壌炭素現存量は温帯林に比べてかなり低い。すなわち、熱帯林における炭素循環の制限要因は落葉落枝などの炭素供給量であった。このことより、今後、気温の上昇もしくは降雨量の増加があったとしても、土壌からの二酸化炭素放出量は増加しないと予想される。また、落葉落枝量の増加があったとしても、有機物分解速度が速いため、土壌に炭素が蓄積することは難しいと予想される。

 

N箍溝嗄喟限峽呂砲けるモデル化と予測

 ササを林床植生にもつ冷温帯林生態系における炭素循環過程を定量的に解明し、これをモデル化するために、岐阜県高山市にある試験林で、森林樹木層、林床ササ層、土壌層における炭素の動態を6年間にわたって実測した。また、約1ヘクタールの試験林内における無機環境や植生量の変異・バラツキについても調査し、変動幅を明らかにした。

 その結果、樹木層には33種、1,868本の樹木が存在し、その合計乾物現存量が186.4ton/haであり、このうち、幹、枝、葉、根の重量はそれぞれ132.018.73.332.4ton/haであった。また、樹幹解析等によって求めた樹木層の年間炭素固定量は4.05ton/haと推定された。

 林床に生息するクマイザサ群落の平均現存量は、地上部が6.7ton/ha、地下部が5.9ton/haと推定され、炭素に換算したササ群落の純生産量は1.18tonC/ha/yrとなった。これを月別にみると、45691011月がプラス(固定)で、78月はマイナス(放出)となった。これは同地点で資源環境技術総合研究所が観測タワーで連続測定しているCO2、フラックスからの結果とほぼ符合している。

 土壌からの炭素フラックスは、夏期に最大で600-650mg/m2hr、積雪期には雪面から30-50mg/m2/hrが観測された。1日当たりの炭素フラックス量は地表面温度と高い相関があり(R2=0.86)、これをもとに計算した1994年から3年間の毎年の土壌からの炭素放出量は、6.035.785.03tonC/ha/yrであった。以上から、森林樹木、林床ササ群落、土壌を含めた森林生態系純生産量(NEP)は2.19tonC/ha/yrと推定された。

 林内の10m×10m格子点で、ササ群落の上と下で光環境を観測し、光環境の時・空間変化を明らかにした。また、同地点でササ現存量についても調べ、将来的には微細環境の変動を組み込んだ炭素循環モデルの構築を可能にした。

 

て鷸晴獣坐妊侫薀奪スと同位体比測定による冷温帯林生態系におけるモデル化と予測

  タワーによるCO2フラックス、濃度の通年観測により、大気−冷温帯林間のCO2交換量の季節・年々変化を解明するとともに、大気及び土壌空気中のCO2の濃度及び同位体比を測定し大気・森林(地上部)・土壌間のCO2交換過程の詳細を調べる。さらに観測結果と数値拡散モデルを組み合わせて解析し、森林生態系における炭素循環のモデル化を図る。本研究の成果をまとめると以下の通りである。

(1)

CO2フラックスの通年観測データを用いて、大気−冷温帯林間のCO2交換量の季節・年々変化とその変動要因を解析した。森林生態系の平均的な年間CO2吸収量は116gC/m2/年であった。しかしそのCO2吸収量は気候や植生活動の年々変化、特に夏季の目射量・気温、春季の融雪時期、森林の展葉時期などの年々変動により大きく変化することが分かった。

(2)

1998725日から1028日の期間の渦相関法によるCO2・水・熱フラックスの解析結果から夜間の気温と森林生態系の呼吸量の関係及び大気安定度との関係が解明された。

(3)

日中のCO2フラックス測定結果の解析から、森林生態系純生産量(NEP)と一次総生産量(GPP)を推定した。さらに、これらの量と気温および有効光合成放射量(APAR)の関係のモデル式を導出した。モデル式を用いて、観測によるNEPの季節変動が良好に再現された。

(4)

CO2の炭素、酸素安定同位体比の季節変化を解析した。さらに同位体比とCO2濃度の解析からCO2濃度の日内、季節変化が大気と森林生態系間のCO2交換によることが確認された。しかしながら、酸素同位体比の季節変化の実態は複雑で未解明である。

(5)

人為起源のCO2放出源調査及び本観測結果に基づく植物による上述のCO2吸収・放出モデルを組み込んだメソスケール化学−移流数値モデルを用いて、観測サイトヘの人工起源のCO2放出源と植物活動のCO2観測結果への影響の度合いが調べられた。また、中部日本におけるCO2濃度の時空間分布のシミュレーションを行い、それによりモデルの広域化の見通しを得ることができた。

 

(2)人為生態系の二酸化炭素変動機構のモデル化と予測に関し:

’盛銘呂砲ける炭素のシーケストレーションの評価

 陸稲と大麦を二毛作した農耕地おいて土壌呼吸速度とそれに関わる環境要因との関係を解析し、夏作期と冬作期における農耕地の土壌呼吸速度を推定するための数種類のモデルを構築した。さらに、各モデルの妥当性を検討し、各作期における最適なモデル式を提案した。

 水稲を一毛作した水田および陸稲、トウモロコシ、大豆を一毛作した畑地と陸稲−大麦、落花生−小麦、トウモロコシ−大麦を二毛作した畑地を対象に、水田と畑地生態系および作付体型の異なる畑地生態系において炭素の動態と収支を解明し、炭素(CO2)の吸収源・供給源の視点から農耕地の評価を試みた。一毛作と二毛作耕地では収支が異なり、一毛作畑地の年間の炭素収支は270320gCm-2のマイナスを示したのに対して、二毛作畑地の収支は160270gCm-2のマイナスを示した。畑地を二毛作として利用することにより、年間当たり50110gCm-2の炭素(CO2)の放出を低減することが可能であることが示唆された。これに対して、水田の炭素収支は22.3gCm-2のマイナスを示した。このマイナス分は、地下70cmまでの炭素の蓄積量のわずか0.22%にすぎず、水田における炭素収支は、畑地の場合と大きく異なり、比較的バランスがとれていることが示唆された。

 

⊃肯啝楸箸砲けるシーケストレーションの評価

 山梨県東山梨郡牧丘町の標高2000m2200mの亜高山帯針葉樹林において、然性の高い林分における土壌炭素貯留量の実態を把握すること、そこでのカラマツ林施業が土壌中の炭素貯留量に与える影響を明らかにすることを目的に調査を行った。調査対象地域における表層地質は。花崗岩であった。また土壌タイプについては、林野土壌の分類(1975)によれば、調査した4つの土壌断面のうち3つは乾性ポドゾル化土壌、1つは暗色系褐色森林土であった。50×40mのシラベ林調査区における30地点の簡易上壌調査の結果、上壌中の炭素貯留量は地形によって157308 tC/haの広い範囲に及んでいること、残積成の場所で炭素貯留量が多いことがわかった。そこで地形条件および土壌型をそろえてカラマツ林とシラベ−コメツガ林の土壌を比較することにした。カラマツ林は3040年前にコメツガ、シラベを主体とする自然林の伐採後に造林された林分を調査対象とした。残積成の場所でカラマツ林とシラベ−コメツガ林の土壌を層位ごとに炭素貯留量を比較すると、集積層であるB層に顕著な差が見られ、カラマツ林の方が土壌炭素貯留量が少なかった。本研究では同一林分の経年変化を調査したわけではないので推測の域は出ないが、自然林伐採後のカラマツ造林により土壌中の炭素貯留量は3040年の間に50 tC/ha規模の減少があったのではないかと推定した。また現林分における土壌への炭素供給源として重要と考えられるリターフォール量、堆積有機物層の現存量、細根量(直径<1mm、土壌深30cmまで)について調べた結果、カラマツ林ではそれぞれ2.0t/ha22.0t/ha3.3t/ha、シラベ林では4.9t/ha55.0t/ha8.7t/haであった。この結果、現在のカラマツ林はシラベ林に比べて明らかにリターフォール量、堆積有機物層の現存量、細根量が少なく、今後のカラマツ林における土壌炭素貯留量についても、もとの自然林のレベルまで回復することは難しいと考えられた。

 

0堕蠧碓迷糧罎砲茲訶攵輙機炭素の蓄積・分解過程の定量的評価

1)

植物試料の分析に用いたオンラインANCA-SL質量分析計(Europa Scientific, UK)によるδ13C値の分析方法は土壌試料についても可能であった。土壌がアルカリ性で無機の炭酸塩が含まれている場合は、0.5M塩酸で処理して有機炭素のみとし分析に供した。その概要はC量で1501000μg含む量の土壌の粉砕試料をスズカップに秤りとり、ヘリウム気流中で燃焼して、ガスクロマトグラフ質量分析計のオンラインシステムにより分析した。一点の分析は約6分であった。

2)

宮古島土壌を含む日本の土壌約500点の分析からで、林地と北海道ではδ13C値が約−24〓(C3植物)であったが、本州、四国、九州では−22〜−18〓でC4植物(ススキと推定)の影響がみられた。また宮古島ではサトウキビの栽培年数の進行に併行して土壌有機炭素のδ13C値が上昇し、約25年で平衡化した。

3)

フィリピン土壌約500点の分析からの土壌C含有率は日本の土壌の1/51/10であり、殆どの耕地土壌のδ13C値にはC4植物の影響がみられ、−13〓の低い値もみられた。フィリピン土壌のδ13C値をみると、サトウキビの栽培で1050年でほとんどの炭素がサトウキビからの炭素に交替することが明らかとなった。これは日本の耕地でススキ(C4植物)の影響が長く残っているのと対照的であった。

4)

タイの土壌は約500点採取したが、分析はまだ一部である。現在までの分析結果をみると東北タイの十壌は、C含有率が極めて低いが、中央タイの土壌のC含有率は、フィリピンと同程度である。両地域の林地のδ13C値はC3植物の値で、サトウキビの栽培820年でδ13C値は平衡になった。

 

(3)土壌微生物機能のモデル化と定量的評価に関し:

‥攵軾生物機能の定量的評価

 本研究では森林生態系の炭素循環において林床からのCO2発生に占める土壌微生物の寄与を明らかにすることを目的とする。気候条件の異なる二つの森林(岐阜大学流域環境研究センター高山試験地:以下高山と、栃木県西那須野町草地試験場:以下草地試)において、リターと土壌を時期を変えて採集し、微生物バイオマスと微生物バイオマス当たりの呼吸速度(Metabolic QuotientMQ)の温度依存変化を調べた。また、現地における地温を測定した。微生物バイオマスの季節変動は、両森林において異なっていた。高山の土壌中では、冬季にバイオマスが高くなり秋に向かって減少していた。草地試では土壌の15-35cm層を除きバイオマスはほぼ一定の値であった。AO層中では、両調査地ともバイオマスは変動したが一定の傾向は見られなかった。両調査地ともMQの温度依存変化は、時季により変動はしなかった。微生物バイオマスとMQの温度依存変化、及び調査地における地温から、微生物バイオマス由来のCO2発生量を推定した。対照として過去の研究による地温と林床からのCO2発生速度の相関式を用いて林床からのCO2発生量を求めて比較を行なった。19981年間をトータルしてみた場合、林床からのCO2発生量に占める微生物バイオマス由来のCO2発生量の割合は、高山では48%、草地試では77%であった。しかしこの割合は月毎に見ると、微生物バイオマスの変動に比例して変化していた。重回帰分析により、微生物バイオマスを介して発生するCO2量に与える温度と微生物バイオマスの変動の影響を求めたところ、微生物バイオマスの変動よりも温度の変化の方がより強く影響していることが示された。

 

土壌微生物相と環境の関係に関する定量的評価

 温度環境の違いが有機物分解速度と土壌微生物に及ぼす影響を明かにするため、富士山亜高山帯の標高の異なる5地点に分解基質を設置し、消失率、菌類バイオマスおよび呼吸活性の測定を行った。分解基質としては、ろ紙とブナ材のチップを用いた。基質の消失率は標高が高くなるにつれ低くなる傾向が認められた。菌類バイオマスの指標として菌類に特有な膜成分であるエルゴステロールを定量した。標高の低い地点では雪解け後に急速に菌類バイオマスが増加したのに対し、標高の高い地点では菌類バイオマスの増加は遅かった。また、9月以降では、一部を除き、バイオマスの増加は認められなかった。基質のエルゴステロール量あたりの呼吸活性と標高との間には、明瞭な関係は見いだせなかった。以上の結果から、標高による温度条件の違いにより微生物バイオマスが変化し、それが有機物分解速度に影響していることが示唆された。野外のリター中の菌類バイオマスと環境条件との関係を明かにするため、北半球に広い分布域をもつ蘚類のイワダレゴケのリター中のエルゴステロールを定量し、温度環境との関係について検討した。

 

8蚤陵機炭素の分解に関わる土壌セルロース分解系の役割の定量的評価

 地球温暖化が土壌有機物分解の微生物性におよぼす影響を予測するために、本研究では国内の北緯25度から45度にかけてのさまざまな農耕地生態系の上壌について、セルラーゼ活性の温度に関する特性等を調べ、非腐植性有機物(セルロース)の分解におよぼす温暖化の影響の予測を試みた。3年間の成績を解析した結果は以下のとおり。土壌のセルラーゼ活性の最適温度、f(y)は試料採取地域の年平均気温、yと相関(r=0.602**)し、両者の間にはf(y)=0.21y+58.3の一次回帰の関係があった。土壌セルラーゼの比活性をバイオマス当たりの活性に近似する指標として用いると、30℃で測定した土壌セルラーゼの比活性は年平均気温と相関しなかったが、試料採取地域の年平均気温における比活性は年平均気温と相関した。土壌のセルラーゼ活性の温度感受性の尺度として測定したQ10は年平均気温、土壌pHおよびC含量等とは相関しなかったが測定温度の影響を受け、低温ほど大きな値をとる傾向があった。年平均気温と土壌のCおよびN含量との間の相関係数はそれぞれ、−0.314および−0.389*であったが、非黒ボク土に限定するとCは−0.712***、N-0.634**でそれぞれ有意に負の相関性を示した。

 

づ攵躓’修鬚瓩阿訝坐任涼濱僉κ解モデルの開発

 国際ワークショップ(8年度)において既存モデルの改良点と必要情報の確認を行い、それらの実現に向け取り組んだ結果、得られた成果は次の通りであった:(1) わが国土壌の炭素賦存量に関し、全国の農耕地面積473haにおける炭素賦存量は20968万トンであり、その内、面積で27%を占める火山灰土壌の炭素賦存量は8841万トンで、全体の42%であり、火山灰土壌の炭素蓄積量が多く、火山灰土壌の的確なモデリングが重要であることが明瞭となった。(2) 日本の火山灰土壌のうち、アロフェン質火山灰土は、ほぼ半分の面積を覆い、アロフェン質火山灰土の有機物の分解・蓄積過程を精度よく推定できるモデルの必要性が浮き彫りになった。(3) モデルの入力情報としての有機物資源に関するデータベースを整えた。(4) ローザムステッド炭素モデルにつき、火山灰土壌への適用に当たっていくつかの改善点が明らかとなり次のステップヘの足がかりを得ることができた。

 

(4)グローバル・カーボン・サイクル・モデルの開発に関し:

’昔啅斑楼茲離ーボン・サイクル・モデルの開発

 農林地域のカーボン・サイクル・モデルの開発と二酸化炭素動態の評価について、有機物フローモデルを利用して、牛久沼集水域(関東地方の代表的平地農村)、取手市(都市近郊農村)、川越市福原地区(都市近郊野菜栽培農村)、茨城県里美村(畜産の比重が高い)の有機物フローにともなってその地域で発生する平均的土壌呼吸を推定したところ、それぞれ、1.712.811.873.00Mg/ha/yrであった。これら値は、既知の温帯地域の有機質耕地土壌の呼吸量に比べ、やや低い結果であった。農耕地の炭素収支に直接影響する農地還元有機物は里美村が他の地城に比べ多かった。これは、畜産に由来する多量の有機物が農地還元されているためであるが、その主要な源は地域外から購入される飼料や敷料であった。取手市の場合、やはり地域外からの有機物が多く、その多くが環境負荷となっているが、それらは主として食生活に由来しており、両地域は好対照をなしている。里美村では、有機物の農地投入の多いことにより土壌呼吸量が他地域に比べて多いだけでなく、窒素の環境負荷も多いことが認められ、有機物を周辺地域へ搬出する方策などを検討する必要性が示唆された。このように、本モデルによる解析は、単に農地や環境に投入される有機物の多寡のみでなく、どのような経路でそれが持ち来たらされるかの解明に有効であり、対策のための指針を得るために効果的と考えられる。

 

局地二酸化炭素循環のモデル開発とそれを用いた陸上生態系の役割の解明

 その季節変化等を外部パラメータとして与えられた陸上生態系と大気との間の熱、水、二酸化炭素の交換を数値的に表現する、水平格子間隔30kmの局地二酸化炭素循環モデルを日本列島域を対象地域として19858月〜1991年の6年半について積分した。植物種としては、常緑広葉樹、落葉広葉樹、混合林、常緑針葉樹、落葉針葉樹、草地、耕作地、都市域等15種類を与えた。境界条件として、気象変数については気象庁の客観解析値、大気中二酸化炭素濃度については空間的には一定値、時間的には東北大の飛行機観測で得られているトレンドを与えた。モデルによって計算された高分解能の局地気候をアメダス等と、大気中二酸化炭素濃度については東北大学による飛行機観測とそれぞれ比較した。モデル計算結果では、植生による二酸化炭素吸収の効果は500hPa面より上空にはこの領域内では現れない。年々変動について調べた結果は198687年の2年間は1988年以降と異なって、植物の生育期間が好天であったことによって植物の光合成活動が活発であり、それによって大気中二酸化炭素濃度の減少が下部対流圏大気で卓越した。このことは東北大学による飛行機観測とも対応することが分かった。(気象研・究所)

 アジア・オーストラリア地域と太平洋・インド洋との境界領域には夏と冬とで風向が反転する、いわゆるアジアモンスーンが卓越しており、それがこの領域の陸上生態系の種類や分布の力学を決定している。また、この領域は世界最大の人口密度を有しており、現在も高い人口増加率を有しているために、土地利用および土地被覆の変化率も大きい。そして現在進行しつつあると見られる地球温暖化はこれらの変化をポジティブフィードバツクの形で強化しつつある。

 上記の背景のもとに、モンスーンアジア領域の炭素収支がMonsi and Saeki1953)によって確立された植物生産理論を基にしたSim-CYCLEと呼ばれる地域モデルを用いてシミュレートした。モンスーンアジア(260万平方キロメートル、すなわち全地球陸地面積の15%)の陸上生態系を緯度経度0.5度の分解能で28個の植物種に区分けした。C4植物が熱帯乾燥草原の植物現存量の大部分を占めており、これらは植物生理学上の違いによって、C3植物と区別される。Sim-CYCLEを用いて総生産(GPP)、一次の純生産(NPP)、生態系純生産(NEP)の様な炭素フラックスをシミュレートした。(筑波大学)

 

B侘圏移流拡散モデルによる炭素循環の変動予測モデル

 観測された大気中二酸化炭素濃度と対流圏移流拡散モデルを用いて、陸域および海域が大気と交換する二酸化炭素の量を推定した。化石燃料の燃焼による発生は全球分布、陸域の植生は13、海域は12の領域を設定し、年平均交換量および季節変動量が年々変動を行わないという仮定の下に逆問題を解いた。1979年から2年間の地表、上空あわせて51地点の濃度観測を用いた。移流拡散モデルは1992年の気象データで走らせた。逆問題の解と拘束条件の関係を調べた。その結果現状の観測ネットワークでは、アフリカ、熱帯域のアジア、南米、熱帯太平洋西部、熱帯から南半球の大西洋などの交換量を推定することができないことと、このために全球の収支も閉じないことが分かった。現在のネットワークでもシベリアでの吸収、北米高緯度での放出、北米中緯度での吸収などを解として得た。北米の中緯度の陸上植生がもつ季節変動は南米やアフリカの熱帯雨林やサバンナ領域の季節変動より小さいという結果も得た。

 

ぅ哀蹇璽丱襦Εーボン・サイクル・モデルの開発

 土壌は炭素の大きなリザーバーであり、地球規模の炭素循環の中で重要な役割を占める。また、ミッシングシンクプロブレムにおいても、土壌中における炭素循環が鍵を握るといわれている。本研究では地球規模の炭素循環モデルを構築し、土壌中の炭素循環について検討を行った。その結果、地球温暖化により陸上生態系の炭素蓄積量は増大するが、その増加分の大部分は土壌中の炭素の増加であることが予測できた。また、農耕地土壌の炭素蓄積量も地球温暖化によって増加するが、その程度は高緯度地方と低緯度地方では大きく異なることが予測できた。

 

4.考察

 本課題においては、観測・実験をしっかり行い、そこから得られたデータと経験をもって知見の一般化をはかること、それらをもとにモデルを構築すること、グローバルまたはローカルなモデルにおいては、それら観測・実験の成果や関連する世界中の情報と突き合わせてモデルをより確かなものにすることを基本戦術としている。

 本研究は、平成7年(1996年)度まで2期にわたった研究の成果を一部受け継いでおり、これらの蓄積は、近年の地球温暖化に関する社会的関心に応えるためにおおいに役立ちつつある。例えば、COP3の前後には、マスコミからの多くの取材を受け、各種新聞、テレビ等を通じて、本研究の進展の様子、成果や、それをもとにした知見が国民の前に明らかにされた。

 観測・実験系の課題では、森林を対象とする場合、成果を得るまでに長期間を要する。しかし、これまで継続されてきた成果の蓄積や経験を活用することにより、当該諸サブ・サブ・テーマはモデル化への移行やモデル系サブ・サブ・テーマヘの成果の受け渡しを図ることを含め効率的に結果を上げつつある。特に、高山試験地は、4つのサブ・サブ・テーマの共通フィールドとして利用され、大気・植生・土壌を含めた立体的解析が進められている。例えば、当試験地のタワー観測によると、正味で年間1.3tC/haが吸収されているが、この結果を、ブナ、シラカバなどの優占植生、林床のササの調査、土壌呼吸の調査、それをつかさどる土壌微生物の動態調査、冬期間の二酸化炭素動態調査などの実証的データにより総合的に検討を加えてきたところである。高山試験地のようにササ植生が優古する地帯の土壌は、泥炭地、米大陸のプレイリー土やロシアのチェルノジョームなどの草原土壌、わが国に分布の多い火山灰土壌と並んで世界でも有数の炭素蓄積能の高い土壌であり、世界的に興味ある結果を誘導できる可能性を秘めている。

 また、19979月に広島と高山を会場に開催した国際ワークショップにおいて本課題の成果を紹介し、諸外国の例と共に討議した結果、高山試験地における観測結果は、世界の観測事例の中でももっとも長期連続的に体系だった調査・解析が行われているひとつであることが明らかとなった。同時に、類似の研究を国際ネットワーク(FLUXNET)としてまとめる構想に加わることが確認され、19986月のモンタナにおける会合でその詳細が議論されている。このネットワークの中で、今後、観測データの相互利用などが推進され、グローバルな研究成果の統合に役立つことが期待される。

 なお、本課題の成果は、199710月に韓国の忠州清州市で開催されたシンポジウム、19981月のニュージーランドでのセミナー、3月のバルセロナにおけるIGBP-GCTE/LUCC国際会議、8月のモンペリエにおける国際土壌科学会議、その他の国際研究集会において紹介され多くの研究者から注目を受けている。

 モデル系の課題では、土壌炭素の分解・蓄積モデルが微生物関係テーマからの成果の受け渡しを待ちつつ、米・英国の研究者との共同のもとで火山灰土壌のプロセスをよりよく扱えるべく改良を加えられつつある。グローバル・カーボン・サイクル・モデルについては、実験系との情報交換を含めた作業によりそれぞれのスケールとタイプに応じた成果を上げつつある。例えば、RothCモデルの場合には、モデルの検証に、イギリスにおける1843年以来の長期実験の結果がきわめて重要な役割を担ったが、本課題では、そのような長期実験ではなく、その代わりに炭素同位体比利用による土壌炭素蓄積プロセス解析の結果を利用している。

 本課題の成果は、上記のような成果をあげて終了となるが、それらのほとんどすべてが、残された課題と共に明年度からのいくつかの新課題に引き継いで発展される予定である。

 

5.研究者略歴

課題代表者:袴田共之

1943年生まれ、北海道大学農学部卒業、農学博士、現在、農林水産省農業環境技術研究所

環境管理部 資源・生態管理科 上席研究官

主要論文:

1. Hakamata, T., N. Matsumoto, H. Ikeda & K. Nakano (1997) Do plant and soil systems contribute to global carbon cycling as a sink of CO2? Experiences from research projects in Japan. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 49: 287-293.

2. Hakamata, T and H. Hirata (1997) Nutrient cycling considerations for sustainable agriculture. TERRA, 15:39-43.

3. Shindo, J., A. K. Bregt and T. Hakamata (1995) Evaluation of estimation methods and base data uncertainties for critical loads of acid deposition in Japan. Water and Soil Pollution, 85:2571-2576.

 

サブ・サブ・テーマ代表者:

(1) |羣周歩

1947年生まれ、大阪市立大学大学院博士課程中退、理学博士、現在、広島大学総合科学部教授

主要論文

1. Nakane K. (1994) Modeling the soil carbon cycling of pine ecosystems.

Ecological Bulletins 43:162-171.

2. Nakane K. & Lee Nam-Juu (1995) Simulation of soil carbon cycling and carbon ba1ance following clear-cutting in a mid-temperate forest and contribution to the sink of atmospheric CO2. Vegetatio 121:147-156.

3. Nakane K., Kohno T., Horikoshi T. & Nakatsubo T. (1997) Soil carbon cycling at a black pruce (Picea mariana) forest stand in Saskatchewan, Canada. Journal of Geophysical Research, 102 (D24, PAGES 28):785—28, 793.

 

(1)◆‐硝楡夫

1961年生まれ、筑波大学修士課程環境科学研究科修了、農学博士、現在、農林水産省国際農林水産業研究センター環境資源部、主任研究官

主要論文

1. 松本成夫・佐藤一良・袴田共之・三輪睿太郎:茨城県牛久沼集水域における有機物フローの変動評価。日本土壌肥料学雑誌、63 (4), p415-421 (1992)

2. 松本成夫・袴田共之・佐藤一良・三輪睿太郎:茨城県牛久沼集水域における有機物フローの地域別変動と農地還元利用の評価。日本土壌肥料学雑誌、63 (6), p639-6 4, 5 (1992)

3. 松本成夫・三輪睿太郎・袴田共之:農村地域における有機物フローシステムの現存量とフロー量の推定法。システム農学、6 (2), p11-23 (1990)

(1) 秋山 侃

1943年生まれ、現在、九州大学農学部博士課程、農学博士、現在、岐阜大学流域環境研究センター教授

主要論文:

1. Akiyama, T., Inoue, Y., Shibayama, M., Awaya, Y. and Tanaka, N. (1996). Monitoring and predicting crop growth and analysing agricultural ecosystems by remote sensing, Agricultural and Food in Finland, 5;367-376.

2. 秋山 侃 1996. 分光計測による作物生育診断{作物学会紀事65 (2); 379-389.

3. Akiyama, T. 1993. Remote sensing, a tool for the eva1uation of green vegetation. Journal of Agricultural Meteorology, 48 (5); 583-590.

(1)ぁ〇核棔/

1945年生まれ、東北大学大学院理学研究科修士課程、現在、資源環境技術総合研究所環境影響予測部大気環境予測研究室長

主要論文

1. Yamamoto et al., 1995: Seasonal Variation of CO2 Exchange between a Temperate Deciduous Forest and the Atmosphere, Proceeding of 5th International Carbon Dioxide Conference.

2. Yamamoto et al., 1996: Airplane Measurements of Carbon Dioxide Distribution on Iriomote Island in Japan, Atmospheric Environment, Vol 30, No.7.

3. 山本他、1996:森林と大気間の二酸化炭素フラックスの観測、資源と環境、Vol5No.5.

 

(2) ‐泉 博

1949年生まれ、早稲田大学理学部博士課程、理学博士、現在、岐阜大学流域環境研究センター教授

主要論文

1. Koizumi, H., Usami, Y. & Satoh, M. : Carbon dynamics and budgets in three upland double-cropping agro-ecosystems in Japan. Agricu1ture, Ecosystems and Environment 43: 235-244, 1993.

2. Koizumi, H,, Kontturi, M., Mariko, S. & Mela, T. : Carbon dioxide evolution from snow-covered agricultural ecosystems in Finland. Agricu1tura1 and Food Science in Finland 5: 421-430, 1996.

3. Bekku, Y., Koizumi, H., Oikawa, T, & Iwaki, H. : Examination of four methods for measuring soil respiration. Applied Soil Ecology 5: 247-254, 1997.

(2)◆ー魄羲夫

1967年生まれ、千葉大学園芸学部卒業、現在、森林総合研究所木曽試験地研究員

主要論文

1. 豪雪地帯における落葉広葉樹の生育形態(機法欸梗价呂砲けるサワグルミ、トチノキについて−、日本林学会大会論文集101, 295-296, 1990

2. 豪雪地帯における落葉広葉樹の生育形態(供法櫂汽錺哀襯澆虜元曲がりと微地形・群生効果−日本林学会大会論文集101, 359-361, 1991

(2) 米山忠克

1945年生まれ、東京大学農学部博士課程、農学博士、現在、筑波大学応用生物化学系教授並びに農林水産省農業研究センター土壌肥料部 栄養診断研究室長

主要論文

1. T. Yoneyama, T. Muraoka, T. H. Kim, E. V. Dacanay and Y. Nakanishi (1997) The natural 15N abundance of sugarcane and neighboruring plants in Brazi1, the Philippines and Miyako (Japan). Plant and Soil 189, 239-244.

2. T. Yoneyama, L. L. Handley, C.M. Sehrimgeour, D.B. Fisher and J. A. Raven (1997) Variations of the natural abundances of nitrogen and carbon isotopes in Triticum aestivum, with special reference to phloem and xylem exudates. New Phytologist 137, 205-213.

3. T. Yoneyama, S. Fujihara and K. Yagi (1998) Natural abundance of l5N in amino acids and polyamines from leguminous nodules: unique 15N enrichment in homosper midine. Journal of Experimental Botany 49, 521-526.

 

(3) 〇暗膺軌賚

1967年生まれ、広島大学総合科学部大学院修士課程修了、現在、農業環境技術研究所環境管理部 生態管理研究室 研究員

主要論文

1. Data base for estimation of nitrogen flow in a region (1997) Ecosystems and sustainable development (eds. J. L. Uso, C.A. Brebbia, H. Power) ISBN: 1-85312-502-4

(3)◆)抉杞雄

1943年生まれ、京都大学大学院農学研究科博士課程修了、農学博士、現在、広島大学総合科学部教授

主要論文

1. Nakatsubo T., Uchida M., Horikoshi T. & Nakane K. (1997) Comparative study of the mass loss rate of moss litter in boreal and subalpine forests in relation to temperature. Ecological Research 12: 47-54.

2. Kasai K. & Horikoshi T.(1997) Estimation of fungal biomass in the decaying cones of Pinus densiflora. Mycoscience 38: 313-322.

3. Uchida, M., Nakatsubo, T., Horikoshi, T. and Nakane, K. (1998) Contribution of micro-organisms to the carbon dynamics in black spruce (Picea mariana) forest in Canada. Ecological Reseach. 13: 17-26.

 

 

(3) 早野恒一

1938年生まれ、東京大学農学部大学院博士課程、農学博士、現在、静岡大学農学部教授

主要論文

1. Characterization and origin of protease activity in cultivated soils.(単著)Japan Agricultural Research Quarterly. 30, 79-84 (1996)

2. Activity of protease extracted from rice-rhizosphere soils under double or opping of rice and wheat.(共著)Soil Sci. Plant Nutr. 41, 597-603 (1996)

3. Communities of methanogenic bacteria in paddy field soils with long-term application of organic matter.(共著)Soil Biol. Biochem., 30 299-303 (1998)

(3)じ單超η掘焚歛蠡緝充圈

 

(4) 仝單超η掘焚歛蠡緝充圈

(4)◆〆監9雄

1943年生まれ、東京大学大学院理学系研究科修了、理学博士、現在、運輸省気象庁気象研究所環境・応用気象研究部第三研究室長

主要論文

1. Y. Sato (1980): Observational estimates of Eliassen and Palm Flux due to quasi-stationary planetary waves., J. Meteor. Soc. of Japan., 58, 430-435.

2. Hirota, I. & Y. Sato (1969): Periodic variation of the winter stratospheric circulation and intermittent vertical propagation of planetary waves., J. Meteor. Soc. Japan, 47, 390-402.

3. Y. Sato (1980): Observational estimates of Eliassen and Palm Flux due to quasi-stationary planetary waves., J. Meteor. Soc. of Japan.

(4) 林 正康

1941年生まれ、東京都立大学大学院修士課程修了、通産省資源環境技術総合研究所主任研究官

主要論文

1. An attempt to the numerical experiment for the global atmospheric CO2 balance, Proc. Of the Tsukuba global carbon cycle workshop, 1995.

2. Observational study on CO2 exchange between the atmosphere and tropical seasonal forest, Proc. Of Comparative studies on CO2 fluxes observed by towers at several forests in the world, 1997.

3. 東アジア地域における仮想気塊の移流、資源と環境、1994.

(4)ぁ仝喀亢η掘焚歛蠡緝充圈