[Ｋ－１陸域生態系の吸収源機能評価に関する研究]

課題名	K-1　陸域生態系の吸収源機能評価に関する研究
課題代表者名	山形与志樹（独立行政法人国立環境研究所　地球環境研究センター）
研究期間	平成１１－１３年度	合計予算額	288,301千円（うち13年度　91,243千円）
研究体制（１）人為的活動による森林・木材・土地利用における炭素収支変動の評価（独立行政法人森林総合研究所、愛媛大学、東京大学、早稲田大学）（２）人為的活動による都市緑地における炭素収支変動の評価に関する研究（国土交通省国土技術政策総合研究所）（３）人為的活動による農耕地における炭素収支変動の評価（独立行政法人農業環境技術研究所、（研究協力機関）独立行政法人国際農林水産業研究センター、東京大学、静岡大学、豊橋技術大学）（４）京都議定書に関わる吸収源アカウンティング方式の評価（独立行政法人国立環境研究所、東北大学、（株）三菱総合研究所）（５）森林吸収アカウンティング方式の数理的手法開発（国立環境研究所エコフロンティアフェロー　Leonid L. Goloubiatnikov）（６）森林吸収アカウンティング方式の事例解析評価（国立環境研究所エコフロンティアフェロー　Maureen Hill）（７）森林吸収モデルのインベントリーによる検証（2000年度国内交流研究員　中台利枝）（８）森林吸収モデルのリモートセンシングによる検証（2000年度国内交流研究員　小熊宏之）
研究概要１．序京都議定書において、各国の削減割当量の達成に吸収源の吸収量を利用する仕組みが取り入れられた。しかしながら、陸域生態系の炭素吸収源機能に関する科学的知見や、炭素吸収量推定手法が確立していないため、COP3における京都議定書の採択の後、炭素吸収源評価に関する研究が喫緊の課題となった。　陸域生態系には植生中に４６６０億トン、土壌中に２兆トンの炭素が存在しており、これは大気中にある炭素の３倍に相当する。陸域生態系に存在する炭素の多くは森林生態系にあると推測され、京都議定書の締結にあたって吸収源も含むべきとの意見が出され、京都議定書３条３項、３条４項で森林を吸収源として評価し、その吸収量分を附属書Ⅰの国の排出削減目標の量から差し引くことが決まった。しかし、吸収源に関する定義や運用方法が十分に討議されないまま議定書に盛り込まれたため、とくに森林に関する部分については科学的に明らかにするべき点が多々残されている。また、京都議定書第３条第４項に関し、農耕地における人為的活動による炭素収支変動の評価を行うことが必要となる。しかるにそのための手法は未だ確定されておらず、その手法開発が必要である。本プロジェクトは、京都議定書に関係する活動として森林、農業土壌、都市緑地における炭素収支変動に着目した、陸域生態系の吸収源機能に関する研究である。本研究を開始したCOP3直後から、吸収源に関する議定書の解釈や吸収量算定の方法に関する国際交渉が継続し、昨年、最終的な吸収源の取扱いに関する大枠の国際制度についての合意がCOP7において成立した。京都議定書対応として発足した本研究プロジェクトは、環境省における京都議定書吸収源に関する科学技術的な検討と連携しながら推進され、一方国際的には、吸収源に関するIPCCの特別報告書等への貢献がなされた。２．研究目的本研究では、陸域生態系の吸収源機能評価に関わる下記の2つの課題を研究の目的とした。 ①人為活動による陸域生態系における炭素収支変動の評価京都議定書において吸収源として評価されることが想定される、人為的活動により変動する陸域生態系の炭素収支に関して、アジア太平洋地域における広域的な炭素収支の実態把握と動態予測する。 ②京都議定書に関わる吸収源アカウンティング方式の評価京都議定書における吸収源のアカウンティング（算定）方式のさまざまなオプションについて検討し、科学的な吸収源アカウンティング方式の評価を実施する。３．研究の内容・成果（１）人為的活動による森林・木材・土地利用における炭素収支変動の評価　京都議定書で認められた森林の炭素吸収量の排出削減目標への算入のために、森林の蓄積および成長量を客観的かつ正確な方法で実測する必要がある。LIDARはこれまでのリモートセンシングでは直接計測ができなかった樹冠高を求められるセンサーである。このLIDARと、同時取得される林冠画像を用い、林分の林冠高、林分蓄積、立木密度を推定する手法を開発した。森林土壌については、畑地や土砂災害後の無立木地への新規植林による土壌炭素の蓄積速度を実態調査から推定し、その結果を参考に、既存の土壌炭素動態モデルについて検討した。また、日本の森林土壌に適合した土壌炭素動態モデルの基本構造の検討も行った。森林の炭素吸収量の推定手法として、林業統計を利用した手法は現実的なものであるが、同時に解決すべき問題点も見られる。このことから、問題点の指摘と改善、それによる推定を試みた。その結果、1995年における我が国の森林炭素蓄積量は12億4千万t、正味の炭素吸収量は2250万t/年と推定された。木材利用の二酸化炭素削減効果のうち、炭素貯蔵効果を評価するため、木材一次製品の約7割が出荷されている建築部門について試算を行った。その結果として、建築物中木材炭素量は、1974年の1.6億t-Cから2000年には2.4億t-Cと単調に増加していること、また各年の二酸化炭素吸収量に当たる変動量については、木造率の低下により減少傾向にあるものの2000年では200万t-C程度あることが分かった。ＣＤＭ植林プロジェクトによる炭素吸収量を評価するのに必要なベースラインについて検討するとともに、インドネシアの東カリマンタン州内のＳ社の産業造林事業地を事例として、大規模造林活動が地域社会に与える影響および造林活動がもたらすCO2のリーケージ／ポジティブ・スピルオーバーを明らかにした。（２）人為的活動による都市緑地における炭素収支変動の評価に関する研究　地球温暖化対策の一環として、都市緑地におけるCO₂固定促進を図るためには、都市緑化を推進するとともに、緑地管理から発生する植物廃材の有効利用を行うことが重要であると考えられる。　本研究では、第一に、街路樹など森林形状を有しない都市緑化によるCO₂固定量算定を行うため、樹木１本あたりのCO₂固定量原単位の算出を樹幹解析という方法を用いて行った。その結果、樹高、胸高直径と木質部乾燥重量には密接な関係があり、回帰曲線が得られた。また、樹高、胸高直径と樹齢とは直線による回帰が可能であり、両者の関係から、特定の大きさの樹木１本の年間木質部乾重成長量を推定する式を作成した。第二に、街路樹管理に伴い発生する植物廃材の量を剪定枝実測調査により試算するとともに、植物廃材の有効利用により排出及び固定されるCO₂削減量を処理方法別に算出した。剪定枝実測調査では、樹木の形状（特に、幹周り）と剪定枝発生量に相関が見られた。植物発生材の有効利用では、処理直後で最もCO₂削減上有利なのはチップ化でありR年後では、分解しない炭化が最も有利であった。第三に、モデル都市において、都市緑化を推進する際の緑化可能面積を推定するとともに、緑地面積の増加分によるCO₂固定量及び植物廃材の有効利用によるCO₂削減量を算定し、評価を行った。モデル都市である豊島区の事務及び事業の遂行に伴う温室効果ガス総排出量（平成10年度）に対し、都市緑化推進による緑地面積増加によるCO₂固定量は約２％、植物廃材の有効利用によるCO₂削減量は、チップ化した場合、処理直後では、約１２％に相当した。（３）人為的活動による農耕地における炭素収支変動の評価　①土壌セルロース分解の地域性と炭素蓄積分解過程との関連の評価　石垣，徳之島および浜頓別で採取した土壌Penicilliumのセルラーゼ活性の最適温度f(x)は年平均気温(x)と相関(r = 0.565*)し、f(x)=0.17x+58.1の一次回帰の関係があった。他方、土壌菌セルラーゼ活性のＱ１０は年平均気温と相関せず2.0近傍であった。セルロース濾紙片の分解のQ10は北の方がより大きく温暖化の影響を受けた。腐植や粘土含量がセルロースの分解に及ぼす影響は、腐植酸が拮抗型、ベントナイトおよびカオリンは非拮抗型、アロフェンは混合型でいずれもセルラーゼ活性を阻害した。 ②土壌有機炭素の安定同位体存在比の変動からみた土壌炭素の動態評価　土壌有機炭素のδ１３C値はその場の過去現在の植生（C3植物、C4植物）の影響をうけていた。１）δ１３C値を用いて林地のサトウキビへの変換後の年数（ｘ）に伴う土壌炭素量（ｙ）の減少は、タイ東北地域で y = 1.0 + 2.8exp(-0.63x),　半減期1.1年、タイ中央平原地域ではy = 4.2 + 13.2exp(-0.14x), 半減期5.0年となった。他方、サトウキビ由来炭素の集積は、東北地域で約５年で平衡値2.7mg/g乾重、中央平原地域では約20年で平衡値7.0mg/g乾重となった。２）フィリピンでは、林地のサトウキビ畑化によって林地起源炭素が減少し（半減期約２年）、サトウキビ起源炭素が集積した。３）日本各地の農耕地及び森林土壌のＣ含有率とδ１３C値についてはじめて実態をまとめた。　③タイ国農村地域における炭素収支評価　タイ国コンケンにおいて、耕起法や施肥法の変化が農耕地土壌炭素の蓄積に及ぼす影響を明らかにするため、トウモロコシ畑で慣行栽培、牛糞施用および不耕起栽培を行い、炭素収支を測定した結果、開始２年間の炭素蓄積量は、対照区、牛糞区、不耕起区でそれぞれ年間-0.1±0.1、+3.8±0.3、+0.7±0.2 t ha-1 増加した。これら増加量の試験開始前の土壌炭素蓄積量に対する割合は、それぞれ-1、+26、+4 %であった。炭素収支を解析したところ、牛糞施用により、牛糞の炭素供給だけでなく、植物根からの炭素供給が増大し、土壌炭素蓄積量の増加をもたらしたと推測された。　④農耕地土壌における炭素収支の変動評価　ローザムステッド・カーボン・モデル（Roth-Cモデル）を日本の農耕地土壌に適用したところ，非黒ボク土畑では土壌炭素蓄積量変化の予測値が実測値に精度良く適合した。黒ボク土畑土壌では予測値が実測値を大きく下回ったが，活性アルミニウムが腐植を安定化させていることに着目してモデルを改良した結果，精度が向上した。日本全国の畑土壌において炭素投入量を現在よりも0.5～1tC/ha/年増加させた場合の土壌炭素蓄積量の変化を予測したところ，全畑土壌で炭素量が10年後までに2.2～4.4Mt，50年後までに5.6～11.1Mt増加するという結果が得られ，農耕地土壌も管理によっては大きな吸収源になることが示された。　⑤グローバル・カーボン・サイクル・モデルによる炭素収支評価　Roth-Cモデルを使用して、次のようなアクティビティの実行による土壌炭素変化量を推計した。シナリオ１：農作物残渣の農地還元量を総発生量の35％から50％に増加。シナリオ2：肥料の施用面積を10％から20％に増大。シナリオ3：不耕起栽培を全農耕地の10％で実施。各アクティビティ実施による目標削減量に占める農耕地における削減量の割合は、シナリオ1、２，３の各々に対し、日本：4.7％、2.4％、0.7％、アメリカ：24.5％、16.8％、4.3%、EU：22.9％、13.7％、3.7％であった。この結果から、アクティビティの実施は二酸化炭素の削減手段として有効であった。これらの中では残渣の農地還元量を増加したシナリオ1が最も効果的であった。土壌炭素量は面積に大きく依存するため、アクティビティによる吸収分の計上は広い農耕地を持つ国にとって、より有効といえる。（４）京都議定書に関わる吸収源アカウンティング方式の評価　本課題では、京都議定書に挙げられている植林活動における炭素吸収ポテンシャルの予測、科学的評価の方法論の構築を実施し、炭素吸収源活動に関する定義やアカウントオプションについて政治的決定が行なわれる前に、IPCCの特別報告書を通じて、現在提起されている課題に評価結果を提供した。これらの課題には、第１約束期間おけるARD（植林、再植林及び森林減少）活動のポテンシャルとは何か、ARD活動は全体として附属書Ⅰ締約国の排出削減負担をどの程度緩和するかが研究テーマである。本課題では、土地利用変化の予測モデルと、リモートセンシングによる地球全体の樹冠被覆データ、さらに森林生態系による炭素ストックの変化モデルを組み合わせるという新しいアプローチを試みた。土地利用の変化に伴うARD活動によって生じる炭素ストックの変化について、我々が実施したアセスメントでは、まずRIVMの土地利用の変化モデル（IMAGE）をベースにして、地球上の土地の各グリッドノード（50×50km）について、1990～2012年におけるARD活動の地理的分布を「森林化」と「非森林化」として予測した。次に、予測されるARD活動による炭素ストックの変化を、新たに開発された我々の森林生態系炭素ストック変化モデルを用いて推定した。このモデルとは、地域ごとの土地純生産性（NPP）と気候データに基づいて、ARD活動による地上、地下の炭素ストックの変化をシミュレートするというものである。さらに、ARD活動による炭素ストック変化の値を、「森林」の定義に用いられる、様々なレベルの樹冠被覆の閾値に従って調整した。そして最後に、約束期間における計算上の炭素ストックを求め、附属書Ⅰ締約国と非附属書Ⅰ締約国にまとめる、という手順である。　解析の結果、先進国は、再植林増加の傾向を示しており、約束期間に、地球レベルで0.44 GtC/yrの炭素吸収量が予測された。この吸収源のうち、0.23 GtC/yrが附属書Ⅰ締約国のポテンシャルであり、これは産業からの排出量と相殺して排出削減目標を達成する手段とすることが可能である。残りの0.21 GtC/yrは、CDM（クリーン開発メカニズム）において吸収源プロジェクトが認められれば、CDMプロジェクトの再植林の可能性として考えることができる。（ただし、COP7における合意の結果、CDMでは植林活動だけが認められることとなった。）４．考察（１）バイオマス計測についてはLIDARデータ及びデジタル林冠画像を用い林冠高、立木本数密度および林分蓄積の推定を行宇手法を開発したので、今後はLIDAR計測値から衛星画像を用いて広域でのバイオマス量推定のための手法に拡張する必要がある。また、土壌中の炭素量については短期間の人為影響の評価という目的と行政からの限られた情報という制約を考慮し、パラメータを極力減らし、変化の大きい土壌最表層だけを対象とした、リターの供給と分解、土壌有機物の供給と分解のみの単純な構造のモデルを提案し、後継プロジェクトで開発する予定である。CDMを産業植林地で行なう場合、人工林地上部での炭素固定量は年間9 tC/ha程度見込まれることが明らかとなった。なお、林業統計を利用し森林炭素蓄積・吸収量を推定したが、数値は京都議定書３条３項、４項に対応した数値ではないため、今後は議定書の運用規則に従った場合の炭素吸収量を推定できるように手法を改善する必要がある。人為的活動による農耕地における炭素収支変動の評価（２）土壌の炭素固定においては微生物の働き、特にそのセルロース分解酵素系は植物残さが腐植化していくうえで重要であり、土壌有機物の分解蓄積過程に大きく影響する。これらに関しては、重要であるにもかかわらず知見が限定されていた。今回、土壌菌（Penicillium）セルラーゼの温度特性に関して地域性があることが判明し、環境温度が1℃上昇するとセルラーゼ活性の最適温度は平均0.17℃高温側にシフトすると予測された。他方、土壌菌セルラーゼ活性のＱ１０は環境温度に関係なく2.0近傍であることを示した。また、セルロースの分解には、土壌の腐植や粘土含量が影響していることが示された。　　土壌有機炭素のδ１３C値を使って、森林を開墾し畑にした場合の土壌有機物の分解・蓄積過程をタイ、フィリピン、日本について定量的な追跡を行い、それぞれの地域の分解・蓄積過程の進行速度を明らかにした。このようにアジア熱帯まで含めて土壌有機炭素の蓄積・分解が測定されたはじめての報告である。　　タイ東北部のコンケンにおける２年間の実験により、牛糞施用や不耕起栽培による土壌炭素蓄積状況が明らかにされた。高温のため有機物の分解が旺盛な当地域においてもこれらの処理で、土壌炭素蓄積増加量の割合が、実験開始前に比べ牛糞施用で+26%、不耕起栽培で+4 %であった。また、炭素収支を調べることにより、牛糞施用により牛糞の炭素供給量に加えて、根からの炭素供給も増大して土壌炭素蓄積量の増加がもたらされたことが明らかになり、そのような相乗的な効果を有する技術体系が効果的と考えられた。　　火山灰起源の黒ボク土に関して、従来、モデルによる土壌中の炭素蓄積量変化の予測が困難であったが，RothCモデルの改良により精度良く予測することが可能となった。また，非黒ボク土に関してはRothCモデルをそのまま使えることが確認された。これらにより，日本のような火山灰に多く覆われた国の畑土壌に関して，炭素収支の変動をモデルにより面的に，かつ定量的に把握することが可能となった。　　農耕地土壌に対して、土壌炭素量の増大を目的としたいくつかのアクティビティを実施した際の炭素増加量を18カ国を対象にRoth-C等のモデルを用いて推定したところ、最も有効であったのは農作物残渣の土壌還元量を増大するアクティビティであった。ただし、アクティビティによる土壌炭素増加量は農耕地の面積に大きく依存する。目標削減量に占める各アクティビティ実施による削減量の割合は、必ずしも土壌炭素増加量に比例しない。アクティビティによる削減分を計上する上で最も有利となるのは広大な農耕地面積を持ち且つ二酸化炭素の排出量が少ない(すなわち削減量も少ない)国であるといえる。（３）いかなる将来予測も推論の域を出ない。とりわけ、社会的事象を考慮に入れる場合、なおさら不確実であると言えよう。我々の結果は、このポテンシャルがプラスであり、第1約束期間における炭素オフセットのポテンシャルが0.2 GtC/yrにまで達すると予測した。しかし、我々の評価の結果は、約束期間に達成することができると考えられる炭素の総オフセット量が、排出削減の要求総量（0.75Gt/yr）に届かないことを示唆している。数値目標達成に必要な排出削減の総量は、現在のエネルギー排出が継続した場合を想定したて、先進国における森林再生の傾向により、約25％軽減されるものと考えられる。植林による数値目標の達成が、排出削減努力を弱めるのではないかという懸念があるが、森林減少の趨勢を森林再生へと転換させる活動は、排出削減とに劣らず重要な課題である。５．研究者略歴課題代表者：山形与志樹　1961年生まれ、東京大学教養学部卒業、学術博士、現在、国立環境研究所、地球環境研究センター研究管理官主要論文：　1. Alexandrov, G.A., Yamagata, Y., Oikawa, T. : Towards a model for projecting Net Ecosystem Production of the world forests. Ecological Modeling, 123, 183-191, (1999) 　2. Yamagata, Y. and Alexandrov, G.A. : Political Implication of defining carbon sinks under the Kyoto Protocol, World Resource Review, 11(3), 346-359, (1999) 　3. Watson, R., etc. : Land-use, Land-use Change and Forestry, IPCC special report, chapter 3, 127-179, (2000) 　サブテーマ代表者（１）：　天野正博　1946年生まれ、名古屋大学農学研究科修士課程修了、農学博士、森林総合研究所森林管理研究領域長主要論文：　1. Amano, M. : Trends of forest resources in the world and their relations with global warming, Farming Japan 35(1), 10-19, (2001) 　2. Noble, I., M. Apps, R. Houghton, M. Amano and et. al., : Implications of Different Definitions and Generic Issues, Land-use, Land-use Changes, and Forestry, IPCC, Cambridge University Press, 53-126, (2000.5) 　3. 天野正博、西暦2000年の森林資源、森林科学　28、8-15、(2000) （２）：　藤原宣夫　1959年生まれ、千葉大学園芸学部卒業、現在国土交通省土木研究所　環境部　緑化生態研究室　室長主要論文：　1. 藤原宣夫ほか（1993）：ランドサットデータによる都市域の地表面温度と緑被との関係解析。土木技術資料、35-71、75～62. 　2. 藤原宣夫ほか（1986）：緑化による機能効果の評価に関する研究-環境緩和・都市景観-、土木研究所資料第2330号。　3. 藤原宣夫ほか（1999）：利根川中流域における植生と環境条件との関係、ランドスケープ研究、62-5、551～556 （３）：　白戸康人　1966年生まれ、東北大学大学院農学研究科修士課程修了、農林水産省農業環境技術研究所環境資源部土壌保全研究室研究員を経て、現在、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主任研究官主要論文：　1. Y. Shirato and Coleman, K. : Testing the Rothamsted Carbon Model Against Long-term Experiments on Japanese Arable Soils. Proceedings of The 9th U.S.-Japan Workshop on Global Change Carbon Cycle Management in Terrestrial Ecosystems, p39, (2001) 　2. 白戸康人、横沢正幸、Kevin Coleman、：ローザムステッド・カーボン・モデルによる日本の畑土壌の炭素収支の広域評価、日本土壌肥料科学会講演要旨集　48、p166、(2002) 　3. 白戸康人、袴田共之、谷山一郎：ローザムステッド・カーボン・モデルの日本の農耕地土壌への適用、日本土壌肥料科学会講演要旨集　47、p234、(2001) （４）：山形与志樹（同上）（５）：Leonid L. Goloubiatnikov 　2000年度エコ・フロンティア・フェロー（６）：Maureen Hill 　2000年度エコ・フロンティア・フェロー（７）：中台利枝　2000年度国内交流研究員（８）：小熊宏之　2000年度国交流研究員