平成27年年7⽉月14⽇日
放射線計測フォーラム

森林林の放射性セシウム分布と移動挙動
⽇日本原⼦子⼒力力研究開発機構
原⼦子⼒力力基礎⼯工学研究センター
安藤 　⿇麻⾥里里⼦子

内容
1. はじめに
2. ⽣生態系ごとの沈沈着量量の違い• 森林林の特徴• 森林林地表⾯面の深度度分布の変化
3. 森林林集⽔水域での放射性Cs挙動研究
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•
•

空間分布
斜⾯面での移動⼟土壌下層への浸透
河川流流出2

1.  はじめに

3【研究の背景】   　n 汚染⾯面積の70％占める
⼭山地・森林林 n 林林業の再⽣生復復興が重要な課題の放射性Csn チェルノブイリ事故では、森林林での放射性核種の残留留が⻑⾧長期的な問題 　 　 　⇒  周辺集落落や下流流域への汚染の拡⼤大は？
n 流流域全体スケールでの研究がなく、  実際の分布状況の把握が困難 　 　【課題】 　⽇日本の⼭山地環境（急斜⾯面・多⾬雨・有機物の蓄積⼤大）での放射性Csの 　 　 　 　 　 　分布は？ 　挙動は？ 　将来は？

【⽬目的】 　放射性Csの森林林中挙動について、以下の項⽬目を明らかにする 　n 他の⽣生態系（畑地、草地）と森林林の⽐比較
n 深さ分布の経年年変化n ⼭山地の複雑な地形でどのように沈沈着したか？
n 森林林内及び外への移動 　4

森林林⽣生態系でのCs挙動の概念念図
プルーム

湿性・乾性沈沈着
樹冠への沈沈着林林内⾬雨洗い流流し地表⾯面への沈沈着

落落葉葉

樹冠への沈沈着

落落葉葉
⾷食物連鎖

吸収 リター分解
⼟土壌への沈沈着・浸透吸収研究サイト5

福島市内：  1. 　⽣生態系毎の⽐比較    2. 　深度度分布の経年年変化

森林林（広葉葉樹・針葉葉樹）2km
草地（牧草地・公園）
耕作地・⽔水⽥田・果樹園
約70  ㎞

2km

北北茨城市内：森林林集⽔水域での挙動3. 　沈沈着分布
4. 　移動挙動約70  ㎞

斜⾯面移動
⼟土壌浸透
河川流流出

内容
1. はじめに
2. ⽣生態系ごとの沈沈着量量の違い• 森林林の特徴• 森林林地表⾯面の深度度分布の変化
3. 森林林集⽔水域での放射性Cs挙動研究
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空間分布
斜⾯面での移動⼟土壌下層への浸透
河川流流出6

研究⽅方法多様な⼟土地利利⽤用形態が存在する2  km四⽅方を選定

北北⻄西約70  km
福島第⼀一原発

各地点で⼟土壌コアを 5cm6〜～10本程度度採取 20cm

地上部（草・落落葉葉）
⼟土壌層（5層）  セシウムの測定
全地点：①  2011年年6⽉月（梅⾬雨前）、②  7⽉月（梅⾬雨後）
森林林のみ：③  2012年年3⽉月（1年年後）、2013年年8⽉月（2.5年年後）
⼟土壌特性の分析（バルク密度度、粒粒径分布、陽イオン交換容量量、有機物など）

7    耕作地  （６地点）
畑①*  （ソバ）
畑②  （休耕地）
畑③*  （⻑⾧長ネギ）
⽔水⽥田*
果樹園①  （リンゴ）果樹園②  （リンゴ）    草地  （４地点）
公園の芝⽣生牧草地①    牧草地②
牧草地③        森林林  （５地点）
広葉葉樹①  （遊歩道）
広葉葉樹②  （遊歩道）
針葉葉樹①  （マツ）針葉葉樹②  （スギ）針葉葉樹③  （スギ）*  事故後に⼟土壌を耕起

8

調査の様⼦子⼟土壌採取器による試料料の採取

採取後の⽳穴（畑）Fluvisols

Andosols

⼟土壌コア

⼟土壌の乾燥

Koarashi  et  al.  :  Factors  aﬀecting  vertical  distribution  of  Fukushima  accident-‐‑‒derived  radiocesium  in  soil  under  diﬀerent  land-‐‑‒use  conditions.    Science  of  the  Total  Environment,  vol.  431,  p392-‐‑‒401  (2012)
Matsunaga  et  al.  :  Comparison  of  the  vertical  distributions  of  Fukushima  nuclear  accident  radiocesium  in  soil  before  and  after  the  ﬁrst  rainy  season,  with  physicochemical  and  mineralogical  interpretations.  Science  of  the  Total  Environment,  vol.  447,  p301-‐‑‒314  (2013)

⽣生態系ごとの沈沈着量量の違い

9平均  58.4±9.6

各地点の137Cs沈沈着量量  （2011年年6⽉月）
⼟土地利利⽤用形態ごとの沈沈着量量
耕作地  （N=6）60.6  ±  8.1草地  （N=4）      55.6  ±  5.8森林林  （N=5) 　  57.9  ±  14.1

地上部の137Cs存在量量と乾燥重量量v 2  km四⽅方内の沈沈着量量のばらつき：  16%程度度v ⼟土地利利⽤用形態ごとの沈沈着量量に有意差なし
v 地上部の草や落落葉葉が137Csの⼟土壌への移⾏行行を物理理的に遮断  （森林林で顕著：  50〜～91%）10

⽣生態系ごとの深さ分布

牧草の収穫 落落葉葉層の割合が若若⼲干低下
芝⽣生の分別⽅方法の違い
畑での耕起
50-‐‑‒91%

41-‐‑‒84%

梅⾬雨後

梅⾬雨前後の137Csの分布の⽐比較  （2011年年6⽉月と7,  8⽉月）v 梅⾬雨前後で137Csの深さ分布に⼤大きな変化なし。              ⇒    梅⾬雨期の降降⾬雨による137Csの下⽅方輸送（⽔水溶性、コロイド粒粒⼦子）、                          再分配の影響⼩小200

broadleaf tree
落落葉葉広葉葉樹林林

200137Cs
134Cs

150137Cs

100500134Cs
0200400600day

800

事故後の経過⽇日数 　[⽇日]Fraction of Cs inventory [%]Fraction of Cs inventory [%]規格化した放射性Csインベントリ  [%]

森林林⼟土壌での蓄積量量の変化

1000

11coniferous tree
常緑針葉葉樹林林
137Cs
134Cs

150137Cs

10050134Cs

00200

400600

800

day
事故後の経過⽇日数 　[⽇日]地表⾯面の137Cs蓄積量量（2011年年6⽉月に規格化)の時間変化
各直線は放射壊変による減少を⽰示すv 地表⾯面の137Cs蓄積量量には、落落葉葉による明確な増加はなかったv 134Cs蓄積量量の変化は放射壊変による減少に⼀一致した1000

森林林⼟土壌での深度度分布の変化

12

深度度分布（森林林） 　各層の137Cs蓄積量量（Bq  m-‐‑‒2  cm-‐‑‒1)
広葉葉樹優占林林

針葉葉樹優占林林

図中の数字は137Cs  のリター中存在割合（％）

広葉葉樹林林①

広葉葉樹林林②針葉葉樹林林①針葉葉樹林林②2011年年
6⽉月
3ヶ⽉月後

6351

577792

2012年年3⽉月
1年年後

1326594051

2013年年
8⽉月
2.5年年後4718335025v 1年年後までは針葉葉樹林林でリター中存在割合⾼高いv 2.5年年後には樹種に関係なく、存在割合にバラツキ⼤大きい

針葉葉樹林林③内容
1. はじめに
2. ⽣生態系ごとの沈沈着量量の違い• 森林林の特徴• 森林林地表⾯面の深度度分布の変化
3. 森林林集⽔水域での放射性Cs挙動研究
••
•
•

空間分布
斜⾯面での移動⼟土壌下層への浸透
河川流流出

13

14

3.  森林林集⽔水域での放射性Csの挙動研究
⼩小河川集⽔水域全体を対象とした総合的な調査で⼭山地森林林での挙動を評価
沈沈着分布
地形・気象・植⽣生

⼟土壌浸透移動・河川流流出
季節変動・流流出形態
沈沈着量量と空間線量量率率率分布調査

浸透？ 　固着？ 　

河川モニタリングシステム
⽔水質・懸濁物量量と構成鉱物の測定

リター及び⼟土壌の放射能測定

KURAMA-‐‑‒IIの利利⽤用

⽔水中Csの形態別測定と懸濁態Csの存在状態測定

⼟土壌浸透調査

降降⾬雨・気象観測

ライシメータ調査

15

試料料採取及び装置設置位置
標⾼高：588〜～724m
⾯面積：0.6  km2

コナラ、ミズキ、
ウリハダカエデ
コナラ、ブナ

スギ⼈人⼯工林林：⼟土壌浸透⽔水測定地点：河川モニタリングシステム
設置地点

⾬雨量量計
（林林外  森林林集⽔水域での空間分布16n 初期の空間分布の把握【⽬目的】 　
n 河川流流出率率率の正確な評価のために、集⽔水域全体の放射性Cs蓄積量量を評価
空間線量量率率率分布
KURAMA-‐‑‒II（⼩小型検出器・GPS付き）を利利⽤用 　⇒  空間線量量率率率の広範囲・連続測定
N

放射性Cs蓄積量量

2013年年8⽉月-‐‑‒9⽉月実施

⼀一定間隔で⼟土壌とリター採取⇒ 　放射性Cs測定⇒  蓄積量量と空間線量量率率率の関係
N

集⽔水域全体の放射性Cs蓄積量量
評価へ
空間線量量率率率（µSv  h-‐‑‒1)
データ数：3797

表層⼟土壌中放射性Cs蓄積量量（kBq  m-‐‑‒2） 　データ数：42Atarashi-‐‑‒Andoh  et  al.  :  Catchment-‐‑‒scale  distribution  of  radiocesium  air  dose  rate  in  a  mountainous  deciduous  forest  and  its  relation  to  topography.  Journal  of  Environmental  Radioactivity,  Vol.  147,  http://dx.doi.org/10.1016/j.jenvrad.2015.05.004  ⼟土壌試料料採取と空間線量量率率率測定

⼟土壌採取

1m

KURAMA-‐‑‒IIを使⽤用した空間線量量率率率測定

17  ⼭山間地での空間分布の特徴
②

18N

①

斜⾯面⽅方位

集⽔水域の⿃鳥瞰図

斜⾯面⽅方位と空間線量量率率率の関係
空間線量量率率率

標⾼高 　
（ｍ）

標⾼高

535m

②の断⾯面図空間線量量率率率標⾼高 　（ｍ）①の断⾯面図空間線量量率率率（µSv  h-‐‑‒1)

東⽅方向から光を当てている

標⾼高

スギ⼈人⼯工林林

落落葉葉広葉葉樹林林

134mv 斜⾯面⽅方位の影響⼤大きい。対象集⽔水域では東⽅方向からの⾵風で沈沈着v 標⾼高が⾼高い＞低いv 数10mの範囲でも斜⾯面⽅方位によって⼤大きく変化

19

斜⾯面移動
n 森林林内での斜⾯面における放射性Csの移動を確認【⽬目的】 　
n 斜⾯面移動の影響因⼦子を解明
12ｍ8ｍ
35-‐‑‒40°

2013年年8⽉月実施
斜⾯面上の異異なる位置でリター（30cm×30cmを各地点で3サンプル）とその位置の⽴立立⽊木の葉葉を採取
0ｍ

集⽔水域内の急斜⾯面で調査  リターをサイズ（分解の進⾏行行状態）で4分割
放射性Cs測定

Koarashi  et  al.  :  Topographic  heterogeneity  in  the  accumulation  of  Fukushima-‐‑‒derived  radiocesium  on  forest  ﬂoor  driven  by  biologically  mediated  processes.  Scientiﬁc  Reports,  DOI:10.1038/  (2014)

各斜⾯面⾼高さでのリター量量及び137Cs  の分布 20

各地点リター量量の分布  （2013年年8⽉月）
C/N⽐比から推定したリターの  mean  agev 斜⾯面最下部でリター量量及び137Cs
蓄積量量が多い（137  Cs量量は上部の約5倍）
v 最下部では事故後にリターとして添加された137Cs量量が多い
各地点リターの137Cs分布  （2013年年8⽉月） 　 　 　森林林内での循環

21

⼟土壌下層への浸透n ⼟土壌下層への放射性Csの移動を⼟土壌浸透⽔水の測定により直接評価【⽬目的】 　
n 下⽅方移動の影響因⼦子を解明
ライシメーターろ過層

落落葉葉層

⼟土壌5cm35cm

降降⾬雨

⼟土壌10cm
10cm

20cm

⼟土壌捕集瓶

浸透⽔水

浸透⽔水

浸透⽔水

⼟土壌20cm

浸透⽔水浸透⽔水＜分析項⽬目＞
・放射性核種：137Cs
・落落葉葉の分解の指標：溶存態有機炭素(DOC)濃度度
実施期間

⼟土壌層：2011年年5⽉月〜～
落落葉葉層：2012年年4⽉月〜～

Nakanishi  et  al.  :  137Cs  migration  in  a  deciduous  forest  soil  following  the  Fukushima  nuclear  accident.  Journal  of  Environmental  Radioactivity,  vol.  128,  p9-‐‑‒14  (2014)

森林林⼟土壌に沈沈着した放射性セシウムの動的挙動

22

年年間移動率率率の変化
2011年年度度

2012年年度度

供給源：
⾬雨⽔水による洗い出し 落落葉葉落落枝の分解

5cm
10cm
深さ5cmまで移動した137Csの濃度度と5cmより上部の137Cs蓄積量量に対する移動率率率の時間変化  移動率率率  ＝  単位期間あたりの放射性セシウム移動量量
上層の放射性セシウム蓄積量量

76%/年年*20%/年年0.5%/年年0.2%/年年0.2%/年年0.1%/年年*インベントリの減少量量より計算

⼟土壌蓄積量量に対して下層への移動量量は⾮非常に少ない

森林林集⽔水域からの河川流流出23n 河川を通じた放射性Cs流流出量量とその変動を評価【⽬目的】 　
n 間⽋欠的ではなく連続的な観測・試料料採取
放射性Cs連続捕集システムの概要
河川上流流
ホース

100  m

採⽔水⼝口
3  ｍｍ⽬目開きの⾦金金属網

実施期間 懸濁態：2011年年9⽉月〜～
溶存態：2013年年4⽉月〜～

流流速・⽔水位測定
堰

放射性Csの回収
懸濁態放射性Cs捕集フィルター2フィルター1(孔径100  µm*) (孔径0.5  µm*)
全量量回収してサイズ分画Particulate  2000-‐‑‒3000  µm
Cs
500－2000  µm
75－500  µm＜75  µm

流流量量計1

河川下流流

溶存態Cs吸着カラム
AnfezhTM  **流流量量計2*  PPカートリッジフィルター  (6フィルター  /  ホルダー  )      **  AnfezhTM:  ferric-‐‑‒potassium  hexacyanoferrate  on  a  cellulose  carrier
Matsunaga  et  al.  :  A  passive  collection  method  for  whole  size  fractions  in  river  suspended  materials.  Journal  of  Radioanalytical  and  Nuclear  Chemistry,  vol.303,  p1291-‐‑‒1295  (2014)

懸濁態及び溶存態137Cs濃度度の変化
2011年年

2012年年

2013年年

2014年年

2013年年

242014年年[⽉月]

懸濁粒粒⼦子中の137Cs濃度度の経時変化

溶存態137Cs濃度度の経時変化

v 事故後1年年⽬目は濃度度低下v 3年年⽬目(2013年年）以降降はほぼ⼀一定v 測定を開始した2013年年以降降の        変動わずかv 冬季に濃度度低下の傾向

2年年⽬目以降降は流流量量や懸濁粒粒⼦子量量の変化で137Csの流流出量量が決定

河川流流量量0.8  0.8
0.4  0.4

137Cs流流出量量の割合  (%)

0.0  100%	  積雪期D	  J	  F	  M	  梅⾬雨期
A	  M	  J	  J	  A	  S	  O	  N	  ■：溶存態■：懸濁態 　

50%	  0%	  台⾵風

12 1 2 34 5 6 7 8 9 10 11⽉月

懸濁態と溶存態の存在割合（2013年年）
v 80％が懸濁態で流流出v 溶存態は積雪期（基底流流出期）に割合増加懸濁態137Csの流流出量量  (kBq/⽉月)

流流量量  (m3/s)

河川流流出形態の特徴と流流出率率率
1000

25

■：2000-‐‑‒3000  µm■：500-‐‑‒2000  µm■：75-‐‑‒500  µm■：75  µm以下

500
0

12 1 2 34 5 6
7 8 910 11⽉月

懸濁態137Csの流流出の粒粒径分布（2013年年）
v 75µm以下がほとんどを占める
微細粒粒⼦子と移動
沈沈殿せず下流流へ
v 流流量量の増加（懸濁物質の増加）で増加

河川流流出率率率（％）：集⽔水域の全蓄積量量に対して河川流流出した放射性Csの割合
2012	 2013	 2014	
0.05	 0.03	 0.07	

河川流流出により⼭山地森林林から移動する放射性Csはごくわずか

まとめ26⽣生態系ごとの沈沈着量量の違い
v 森林林以外の⽣生態系では、耕起（畑）や牧草の収穫（草地）により、深度度分布や蓄積量量が変化するが、森林林では変化が少ない 　→ 　放射性Cs蓄積量量の変化は放射壊変による減少に⼀一致v 沈沈着初期はリター層に多く、リターの量量が多いほどその割合も⾼高い

森林林集⽔水域での放射性Csの挙動研究v ⼭山地での放射性Cs沈沈着量量の分布は斜⾯面⽅方位や標⾼高による違いが⼤大きく、⼩小さい範囲でも⼤大きく変化するv 事故後2.5年年後でも、尾根に沈沈着した放射性Csの多くはそのまま留留まっている（移動は少ない）。ただし、落落葉葉の移動による斜⾯面下部への移動が⾒見見られるv ⼟土壌浸透や河川流流出で森林林系外に移動する放射性Csはごくわずか