特別共同研究

特 別 共 同 研 究 寒 冷 圏 における 水 エネルギー CO2 循 環 と 植 生 雪 氷 がそれに 果 たす 役 割 の 研 究 研 究 代 表 者 : 兒 玉 裕 二 研 究 分 担 者 : 原 登 志 彦 ( 北 海 道 大 学 低 温 科 学 研 究 所 ) 田 中 歩 ( 北 海 道 大 学 低 温 科 学 研 究 所 ) 隅 田 明 洋 ( 北 海 道 大 学 低 温 科 学 研 究 所 ) 小 野 清 美 ( 北 海 道 大 学 低 温 科 学 研 究 所 ) 戸 田 求 ( 北 海 道 大 学 低 温 科 学 研 究 所 ) 石 井 吉 之 ( 北 海 道 大 学 低 温 科 学 研 究 所 ) 石 川 信 敬 ( 北 海 道 大 学 低 温 科 学 研 究 所 ) 鈴 木 和 良 (JAMSTEC 観 測 研 究 センター) 粟 田 孝 ( 北 海 道 大 学 低 温 科 学 研 究 所 ) 津 滝 俊 ( 北 海 道 大 学 低 温 科 学 研 究 所 ) 中 井 太 郎 (JST/CREST) 植 村 滋 ( 北 海 道 大 学 北 方 生 物 圏 フィールド 科 学 センター) 小 林 剛 ( 香 川 大 学 農 学 部 ) 横 沢 正 幸 ( 農 業 環 境 技 術 研 究 所 ) 高 田 久 美 子 ( 地 球 フロンティア 研 究 システム) 渡 辺 力 ( 森 林 総 合 研 究 所 ) 研 究 目 的 高 緯 度 陸 域 における 雪 氷 を 含 む 水 循 環 やエネルギー CO2 循 環 に 関 する 解 析 が 進 み, 各 観 測 点 においてそれらの 特 性 が 明 らかにされつつある しかしながら, 寒 冷 圏 での 現 象 は 様 々な 時 間 および 空 間 スケールでおこっており 雪 氷 や 寒 冷 地 特 性 を 持 つ 植 生 に 強 く 影 響 を 受 けていて 未 解 決 な 問 題 が 多 い 本 共 同 研 究 では 雪 氷 や 北 方 林 が 関 与 する 水 エ ネルギー CO2 循 環 の 特 性 を 明 らかにし 関 連 する 分 野 との 統 合 をめざし 相 互 作 用 系 の 研 究 を 行 う すなわち 平 成 15 年 度 まで 続 けられてきた 特 別 共 同 研 究 寒 冷 圏 における 大 気 - 雪 氷 - 植 生 相 互 作 用 の 解 明 ( 代 表 原 登 志 彦 )をさらに 継 続 発 展 させるとともに 気 候 システムにおいて 寒 冷 圏 陸 域 の 雪 氷 や 植 生 が 果 たす 役 割 の 研 究 を 推 進 する

(1) 超 音 波 風 速 計 のAngle of Attack 誤 差 超 音 波 風 速 計 はそれ 自 身 の 影 響 を 受 けた 風 速 を 測 定 している 特 に 水 平 からの 角 度 (Angle of Attack 以 後 AoAと 省 略 する)が 大 きい 風 ほど 超 音 波 風 速 計 自 身 の 影 響 を 受 ける 母 子 里 の 二 つの 境 界 層 観 測 タワーで 使 用 しているGill Instruments 社 (UK)の Solent R3はAoAが±20 の 範 囲 内 しか 保 証 していない 草 地 などのような 比 較 的 平 坦 なところではこの 範 囲 内 の 風 がほとんどであるが 森 林 の 樹 冠 上 などではこの 範 囲 外 の 風 も 多 い 例 えばカンバ 林 のタワーでは 約 16% 混 交 林 では46%が±20 の 範 囲 外 であっ た データ データはvan der Molenら(2004)の 論 文 で 紹 介 されている 風 洞 実 験 でのデータを 使 ってAoA 誤 差 の 補 正 式 を 改 善 し その 式 を 使 って 北 海 道 大 学 北 方 生 物 圏 フィールド 科 学 センターの 雨 龍 研 究 林 内 にあるダケカンバ 林 のサイトと 混 交 林 のサイトのタワー 観 測 で 得 られたデータを 補 正 し 顕 熱 潜 熱 CO2フラックスを 再 計 算 した ここで 得 られた 補 正 式 はvan der Molenら(2004)のものの 問 題 点 を 解 決 し より 使 い 易 いものとなった フラックスの 再 計 算 の 結 果 熱 収 支 のclosure rateがカンバ 林 で は6.5% 混 交 林 では10.4% 改 善 された これらのさらに 詳 しい 結 果 は 以 下 の 論 文 にまとめられている Nakai, T., M.K. van der Molen, J.H.C. Gash, Y. Kodama: Correction of sonic anemometer angle of attack errors. Agr. Fore. Meteorol. 136, 19-30. (2006). (2) 森 林 構 造 と 空 気 力 学 的 パラメータ 中 立 状 態 の 水 平 風 速 の 鉛 直 分 布 を 表 すのために 対 数 分 布 則 が 使 われる その 中 で dとz0で 表 される 空 気 力 学 的 パラメータと 呼 ばれるものがあり それぞれ 地 面 修 正 量 と 粗 度 長 と 呼 ばれる これらのパラメータは 森 林 の 空 気 力 学 抵 抗 を 計 算 する 時 などに 必 要 で 水 循 環 の 把 握 に 重 要 な 要 素 である これらの 空 気 力 学 的 パラメータは 森 林 構 造 を 表 す 生 態 学 的 パラメータ( 樹 高 立 木 密 度 葉 面 積 指 数 (LAI)など)と 関 係 があると 言 わ れているが その 関 係 は 明 らかではない これまで dとz0を 月 ごとの 平 均 的 なLAIの 変 化 と 比 較 したところ 落 葉 によりLAIが 大 きく 変 化 した10 月 から12 月 にかけて 空 気 力 学 的 パラメータdとz0は 大 きく 変 化 しないことがわかった 森 林 を 考 慮 した 陸 面 モデルではd とz0はLAIの 変 化 に 強 く 依 存 している そこでdとz0が 着 葉 や 落 葉 に 対 してなぜ 強 く 反 応 しないのか dやz0に 対 して 葉 よりも 枝 の 構 造 が 強 く 効 いているのか それとももっと 別 な 森 林 構 造 が 重 要 なのかを 調 べた

データ 北 海 道 大 学 北 方 生 物 圏 フィールド 科 学 センターの 雨 龍 研 究 林 内 にあるダケカンバ 林 のサイトと 混 交 林 のサイトでタワー 観 測 を 行 っている ダケカンバ 林 のサイトは 標 高 580mでおよそ 南 北 にのびる 尾 根 付 近 にある ダケカンバは 林 齢 約 30 年 樹 高 は 約 10mであ る タワーの 高 さは20mで タワートップに 超 音 波 風 速 計 16m,12mの 高 さに 三 杯 風 速 計 がある 混 交 林 はトドマツとアカエゾマツの 常 緑 針 葉 樹 とカンバなどの 落 葉 広 葉 樹 が 混 交 した 林 である タワーの 高 さは30mで カンバ 林 のタワーと 同 じようにタワートップに 超 音 波 風 速 計 25m,16mの 高 さに 三 杯 風 速 計 がある これら 母 子 里 のサイトのデータに 加 えてCRESTで 観 測 を 行 っているヤクーツクのカラ マツ 林 とアカマツ 林 でのデータも 解 析 し 季 節 変 化 や 樹 種 や 地 域 の 違 いを 総 合 的 に 表 せ るパラメータ 化 を 目 指 した 空 気 力 学 的 パラメータdとz0はLAIのみでは 表 すことが 出 来 ないことが 判 った また 立 木 密 度 と 良 い 関 係 があることが 判 ったが 立 木 密 度 のみでは 季 節 変 化 を 表 せない そ こで 立 木 密 度 とLAIを 組 み 合 わせたパラメタラゼーションを 行 ったところ 母 子 里 やヤ クーツクといった 地 域 の 違 いと 季 節 変 化 をうまく 表 せることがわかった 今 後 は 衛 星 デ ータでは 得 ることの 難 しい 立 木 密 度 を 如 何 にして 広 域 に 見 積 もるかが 課 題 である (3) 雪 面 からのCO2フラックス CO2は 温 暖 化 効 果 気 体 の 一 つであるが 森 林 のCO2 収 支 は 大 気 のCO2 濃 度 に 大 きな 影 響 を 与 える 事 がわかっている 最 近 その 量 的 な 見 積 もりが 求 められている 特 に 北 方 林 は 大 気 のCO2に 対 してsinkとなっているといわれているが 冬 期 の 雪 面 からのCO2フラッ クスについてはあまり 観 測 されてこなかった この 研 究 では 雪 面 からのCO2フラックス を 測 定 し 季 節 内 変 化 や 年 間 の 収 支 に 対 する 割 合 を 求 めることを 目 的 としている データ 北 海 道 大 学 北 方 生 物 圏 フィールド 科 学 センターの 雨 龍 研 究 林 内 にある 混 交 林 のサ イトと 融 雪 観 測 そばのトウヒ 林 で 自 動 開 閉 チャンバー( 技 術 部 で 作 成 していただいた) を 使 って 雪 面 からのフラックスを 測 定 し また 積 雪 下 面 と 雪 面 の2ヶ 所 でCO2 濃 度 の 測 定 を 行 った 冬 期 の 雪 面 からのCO2フラックスは 乾 雪 期 には 積 雪 の 増 加 とともに 減 少 し 融 雪 期 になると 大 きく 変 動 した 11 月 から4 月 まで 総 CO2フラックスはトウヒ 林 で114gCm -2 混 交 林 で133gCm -2 となった チャンバーによる 雪 面 でのCO2フラックスと 雪 面 と 積 雪 下 面 での CO2 濃 度 から 見 かけの 拡 散 係 数 が 計 算 された 乾 雪 期 のCO2の 拡 散 係 数 は 積 雪 の 空 隙 率 と 良 い 相 関 があったが 融 雪 期 には 無 相 関 となった 融 雪 期 のCO2の 拡 散 係 数 は 積 雪 表 面 の

含 水 率 と 良 い 関 係 にあり 融 雪 水 との 関 わりが 示 唆 された 混 交 林 での 積 雪 表 面 からの CO2フラックスは 地 表 面 からの 年 間 総 CO2フラックスの 約 23%であった (4) 北 海 道 のダケカンバ 二 次 林 に 対 する 林 床 チシマザサ 除 去 の 影 響 ーダケカンバの 成 長 パターンー 北 方 林 は 複 雑 な 階 層 構 造 をもつ 熱 帯 林 とは 異 なり, 林 冠 層 と 稚 樹 層 からなる 単 純 な 構 造 であり,また 林 床 植 物 が 繁 茂 しているのが 特 徴 である. 特 に 二 次 林 は 構 成 樹 種 も 少 なく 単 純 である 多 くの 北 海 道 の 森 林 では, 林 床 はササ 類 におおわれている 林 床 に 密 生 するササ 類 の 樹 木 に 対 する 影 響 は 実 生 の 定 着 を 妨 げることと 実 生 稚 樹 成 木 に 供 給 されるべき 水 分 や 栄 養 塩 を 奪 い 取 ることなどが 考 えられる ササ 類 が 樹 木 の 実 生 の 定 着 を 直 接 左 右 することは 数 多 く 研 究 されてきたが, 林 床 におけるササの 繁 茂 が 林 冠 木 の 生 育 状 態 にどのような 影 響 を 持 っているかについては 未 知 の 点 が 極 めて 多 い と くに,ササと 樹 木 の 間 の 水 や 栄 養 塩 などの 競 合 は, 林 冠 木 の 資 源 獲 得 の 機 構 を 変 化 さ せている 可 能 性 がある 当 グループはこれまでにササの 除 去 実 験 により ササの 除 去 が 1) 林 内 における 夏 季 の 土 壌 水 ポテンシャルを 上 昇 させる( 除 去 後 1~2 年 目 ),2)ダケカンバ 林 冠 木 の 肥 大 成 長, 通 導 コンダクタンス, 当 年 枝 の 伸 長 量 展 葉 数 を 増 加 させる( 除 去 後 3 年 目 ), 3) 土 壌 中 の 植 物 が 利 用 可 能 な 窒 素 を 増 加 させる( 除 去 後 4 年 目 )ことなどを 明 らかにしてきた ササを 除 去 することによって ササとの 競 合 が 無 くなり ダケカンバ 内 の 競 争 に 変 化 をもたらすと 考 えられるので ダケカンバ 林 冠 木 の 成 長 枯 死 といった 動 態 を 解 析 することは 重 要 である 本 研 究 では, 北 海 道 北 部 のダケカンバ 林 ( 北 海 道 大 学 雨 龍 研 究 林 )の 林 床 に 優 占 す るチシマザサ 群 落 の 刈 取 りによる 除 去 がダケカンバの 個 体 群 レベルで 影 響 を 与 えてい るかを 明 らかにするために 1998~2004 年 の 成 長 期 後 に 胸 高 直 径 樹 高 生 死 の 調 査 を 行 い 成 長 や 枯 死 率 などの 個 体 群 動 態 パラメータをササあり 区 とササ 除 去 区 で 比 較 した 5 年 間 で 全 てのプロットで 密 度 が 減 少 し 胸 高 断 面 積 合 計 が 増 加 した 全 てのプロット は 自 然 間 引 きをしながら 林 分 として 成 熟 している 最 中 の 林 分 であるといえる 密 度 と 死 亡 率 の 減 少 や 増 加 の 割 合 は18 年 生 林 分 で 顕 著 であり 処 理 間 の 差 は 顕 著 ではなかった しかしながら 胸 高 断 面 積 合 計 はササ 区 よりも 除 去 区 のほうが 大 きく ササの 除 去 は 林 冠 木 の 生 長 パターンに 影 響 を 与 えていることが 示 唆 された そこで5 年 間 の 直 径 成 長 と 樹 高 成 長 を 調 べてみた 老 齢 林 若 齢 林 ともに 直 径 生 長 はササ 区 よりも 除 去 区 のほうが 大 きかったがが 樹 高 成 長 は 若 齢 林 ではササ 区 が 除 去 区 よりも 大 きく 老 齢 林 ではその 差 がほとんどなかった このことからチシマザサを 除 去 することによってダケカンバの 成 長 パターンが 異 なることが 判 った 今 後 はこの 差 の 要 因 について 調 査 する 予 定 である

(5) 北 方 森 林 動 態 の 将 来 予 測 に 向 けた 陸 面 モデルの 開 発 (Ⅱ) 環 境 変 化 が 百 年 後 に おける 森 林 の 群 落 動 態 物 質 収 支 に 及 ぼす 影 響 北 方 林 は 地 球 全 土 の 森 林 面 積 のおよそ3 割 を 占 める 今 後 激 変 が 予 想 される 環 境 変 化 が 高 緯 度 を 中 心 とした 陸 上 生 態 系 特 に 北 方 林 の 分 布 域 に 与 える 影 響 は 最 も 深 刻 である と 指 摘 されている その 一 方 で 環 境 変 化 による 北 方 林 の 分 布 の 変 化 は 大 気 との 熱 水 物 質 交 換 を 通 して 大 気 環 境 へ 影 響 を 与 えるフィードバック 要 因 として 働 くと 考 えられ る したがって 北 方 林 が 気 候 変 化 に 与 える 影 響 を 定 量 的 に 評 価 し 将 来 予 測 を 行 うため 植 生 動 態 を 考 慮 した 新 しい 大 気 陸 面 モデルが 必 要 である このような 背 景 の 下 植 生 動 態 と 陸 域 大 気 へのフィードバックプロセスを 加 味 した 新 しい 大 気 陸 面 モデル MINoSGI ( Multilayered Integrated Numerical Model of Surface Physics-Growing Plants Interaction, 開 発 者 : 渡 辺 力 横 沢 正 幸 江 守 正 多 高 田 久 美 子 隅 田 明 洋 原 登 志 彦 )が 開 発 された 現 在 当 研 究 室 ではMINoSGI の 北 方 森 林 群 落 への 適 用 に 向 け さ らなるモデル 開 発 を 手 がけている 本 報 告 書 (2)でも 記 されているように 北 海 道 大 学 雨 龍 研 究 林 内 に 設 置 されたダケ カンバ 林 分 プロットでは 1998 年 より 森 林 動 態 ダケカンバの 生 理 活 性 調 査 および 気 象 観 測 が 実 施 されている これらの 観 測 データを 用 いて モデル 中 に 含 まれるパラメータ を 決 定 することができる 亜 寒 帯 に 特 徴 的 な 低 温 や 乾 燥 などの 環 境 条 件 に 伴 う 北 方 森 林 群 落 の 動 態 変 化 を 定 量 的 に 記 述 し また 林 床 植 物 (ササ)が 樹 木 の 成 長 に 及 ぼす 影 響 に ついて 評 価 することを 目 指 している MINoSGI ではまた 数 百 年 後 の 森 林 動 態 や 物 質 収 支 の 定 量 的 な 評 価 を 行 うため 長 時 間 スケール 解 析 に 対 処 可 能 なモデル 開 発 が 並 行 に 行 われている 今 回 は 後 者 についての 研 究 報 告 を 行 う MINoSGI を 用 いて 常 緑 針 葉 樹 であ るスギ 人 工 林 を 対 象 に 幾 つかの 環 境 条 件 を 想 定 した 温 暖 化 実 験 を 行 い 環 境 変 化 が40 年 後 の 森 林 群 落 の 群 落 動 態 及 び 熱 物 質 収 支 に 及 ぼす 影 響 についての 結 果 考 察 を 記 載 する しかしながら 現 在 開 発 中 のMINoSGI には 長 期 間 への 適 用 にあたり 改 良 すべき 点 がなお 残 されており また 長 期 間 の 森 林 動 態 における 未 解 明 な 生 物 過 程 についての 定 式 化 は 暫 定 的 なものである したがって 本 報 告 ではこれらの 不 確 定 性 を 認 めながら 上 記 の 解 析 と 考 察 を 行 うこととする 計 算 条 件 本 研 究 ではWatanabe et al.(2004)と 同 様 に 名 古 屋 大 学 稲 武 演 習 林 の 常 緑 樹 (スギ) 林 分 ( 対 象 面 積 400m2)を 対 象 に20 年 間 の 数 値 実 験 を 行 った 使 用 したデータは 名 古 屋 大 学 稲 武 演 習 林 のの 毎 木 データで 勝 野 (1990) 氏 のご 好 意 による 気 象 データは 稲 武 のアメ ダスデータ(1980-1989)で 本 解 析 ではこの 気 象 データを 繰 り 返 して 使 用 した 仮 想 群 落 の 初 期 条 件 は400m2の 敷 地 に 最 小 樹 高 で 平 均 個 体 重 は0.03kg/ 本 の 苗 木 が0.5 本 /m2の 初 期 密 度 で 植 栽 されたことする 初 期 条 件 で 導 入 された 個 体 以 外 の 新 規 実 生 の 定 着 によ

る 更 新 は 考 慮 されないと 仮 定 した モデルは20 年 後 の 毎 木 データに 合 うように 調 整 され た ここで 取 り 上 げる 環 境 条 件 の 違 いは CO2 濃 度 については 現 在 と 同 じ(controlled) と 現 在 の2 倍 のCO2 濃 度 (elevated) 葉 内 窒 素 濃 度 指 標 値 (Vmax)については 普 通 (Vmax=55) その 約 半 分 (Vmax=25)とその2 倍 (Vmax=110)である 葉 内 窒 素 濃 度 指 標 値 (Vmax)は 土 壌 中 の 窒 素 濃 度 の 程 度 と 考 えてよい (1) バイオマス( 現 存 量 )の 変 化 ここではバイオマスの 計 算 結 果 の 一 例 を 示 す 成 長 が 早 い 環 境 (Vmaxが 大 きく 高 CO2 環 境 ) 時 ほどバイオマスの 増 加 量 は 大 きく 高 Vmaxとともに 高 CO2の 影 響 が 大 きいこと がわかる 一 般 に 森 林 においては 構 成 する 各 個 体 の 成 長 とともに 光 や 水 などの 資 源 をめぐる 競 争 が 熾 烈 になり 競 争 に 敗 れた 個 体 が 枯 死 する 間 引 き がおこるようになる そのよ うな 状 態 のとき 同 一 種 同 齢 の 森 林 においては 森 林 全 体 の 平 均 的 な1 固 体 あたりの 重 さ が 立 木 密 度 ( 単 位 土 地 面 積 あたりの 個 体 数 )のおよそ-3/2 乗 に 比 例 するという 一 定 関 係 が 樹 種 によらずに 見 られることが 知 られている (Yoda et al., 1963) この 関 係 を 異 なる 環 境 条 件 下 でモデルで 再 現 できるか 確 かめてみた 成 長 が 早 い 環 境 (Vmaxが 大 き く 高 CO2 環 境 ) 時 は 群 落 全 体 の 個 体 重 量 が 小 さい 段 階 で 自 己 間 引 きが 始 まり 環 境 条 件 の 違 いによらず 競 争 ー 密 度 効 果 の 原 則 ( 自 己 間 引 きの 法 則 )に 従 うことがわかった このように 森 林 動 態 を 取 り 入 れた 陸 面 モデルによって 環 境 変 化 が 起 きた 場 合 森 林 はどのように 影 響 され 変 化 していくのか を 予 測 することができることが 判 った しかしながら モデルの 出 力 はモデル 設 定 に 大 きく 依 存 してしまうので モデル 確 から しさを 検 証 できるデータセットの 構 築 が 重 要 である つまり 稲 武 の 演 習 林 で 得 られた ような 長 期 のデータの 集 積 がひつようである また 北 方 林 の20-50%は 落 葉 林 であり 今 後 はMINoSGIの 落 葉 版 の 開 発 がふうようであり そのためのパラメータの 決 定 に 寄 与 す るデータの 取 得 も 重 要 である また この 陸 面 モデルを 完 全 にするためには 土 壌 のモジ ュールも 加 えてリターの 附 加 や 土 壌 呼 吸 などの 土 壌 の 動 態 を 記 述 できるようにしたい (6) 森 林 での 降 雪 遮 断 寒 冷 圏 では 積 雪 の 存 在 を 無 視 できない また ロシアの 東 シベリアの 大 部 分 を 覆 う 北 方 林 が 陸 面 状 態 として 重 要 な 要 素 であることが 広 く 認 知 されている 寒 冷 圏 の 特 徴 とし て 北 方 林 と 積 雪 が 混 在 する 状 態 が 一 年 の 半 分 以 上 にわたり 北 方 林 と 積 雪 が 水 エネ ルギー 循 環 に 与 える 影 響 を 定 量 的 に 観 測 することが 寒 冷 圏 での 陸 面 モデルの 改 良 や GCMモデルの 精 密 化 にとって 重 要 となる そこで 本 研 究 では 積 雪 期 の 北 方 林 における 降

雪 遮 断 観 測 と 風 洞 実 験 を 行 った データ 北 海 道 北 部 に 位 置 する 北 海 道 大 学 北 方 生 物 圏 フィールド 科 学 センター 雨 竜 研 究 林 の 混 交 林 の 林 内 とその 近 くの 開 地 にサイトを 設 け それぞれに4mx4mの 秤 量 型 ライシメー タを 設 置 し また2 週 間 に 一 度 積 雪 水 量 調 査 を 行 った また 独 立 行 政 法 人 防 災 科 学 技 術 研 究 所 の 雪 氷 防 災 実 験 棟 を 利 用 し 定 常 条 件 下 での 樹 体 に 付 着 する 着 雪 量 と 降 雪 量 の 精 密 測 定 を 行 った ライシメータのデータは 現 在 解 析 中 である 森 林 内 と 近 くの 開 地 の 積 雪 水 量 の 観 測 から 降 雪 遮 断 はおよそ20 30%であることがわかった また 人 工 降 雪 実 験 で 樹 冠 に 積 もる 雪 の 量 はLAIの 関 数 になることがわかった 今 後 この 結 果 を 遮 断 モデルへの 適 用 することを 試 みる