関東森林研究論 文68-2(2017)

ブナが優占する冷温帯落葉広葉樹林における PAR と NIR の透過・反射特性
Reflectance and transmittance properties of photosynthetically active radiation and near-infrared
radiation in a cool-temperate deciduous broad leaved forest dominated by Fagus crenata
野中翔平＊1・小坂泉＊2・浅香渉＊2・瀬戸萌子＊2・髙松美月＊2・瀧澤英紀＊2・阿部和時＊2
Shohei NONAKA＊1, Izumi KOSAKA＊2, Wataru ASAKA＊2, Moeko SETO＊2, Mitsuki TAKAMATSU＊2,Hideki TAKIZAWA＊2 and Kazutoki ABE＊2＊１ 日本大学大学院生物資源科学研究科
Grad. Sch. Bioresource Sci.，Nihon Univ.，Fujisawa 252-0880＊２ 日本大学生物資源科学部Coll. Bioresource Sci.，Nihon Univ.，Fujisawa 252-0880
要旨：本研究では，ブナが優占する冷温帯落葉広葉樹林において光合成有効放射量（PAR）と近赤外域放射量（NIR）の透過・反射特性を調べるため，2016 年６月から９月において全天 PAR（PARi）と樹冠を透過した PAR（PARt）および NIR（NIRt）に加えて，樹冠を反射した PAR（PARref）と NIR（NIRref）を測定した。その結果，PAR の透過率および反射率はほぼ一定の傾向を示した。NIRt/PARt に対する PARi/PARt の比および NIRref/PARref に対する PARi/PARrefの比が減少することから，NIR の透過率および反射率は，葉量の変化が少ない期間おいて減少することが示唆された。
キーワード：Beer-Lambert 法・NIR/PAR 法・透過光・反射光・地上観測
Abstract: To investigate the reflectance and transmittance properties of photosynthetically active radiation (PAR) and near-infrared
radiation (NIR), we measured canopy-transmitted PAR and NIR (PARt and NIRt), incident PAR (PARi) and canopy-reflected PARand NIR (PARref and NIRref) in a cool-temperate deciduous broad leaved forest dominated by Fagus crenata during June–September,2016. The PAR transmittance and reflectance values remained approximately fixed. The ratio of PARi/PARt to NIRt/PARt and theratio of PARi/PARref to NIRref/PARref decreased gradually. These results suggest that NIR transmittance and reflectance decreased
gradually over the study period and that the leaf area fluctuated very little.
Key-words: Beer-Lambert law, NIR/PAR method, transmitted radiation, reflected radiation, ground-based measurement
たに開発された（４）。しかしながら，この手法に関する

Ⅰ はじめに気候変動による気温上昇が森林生態系における炭素収情報は極めて少ないため，様々なタイプの森林において，支に与える影響が懸念される。斎藤ら（７）は，岐阜県

この手法を用いた観測事例を蓄積するとともに，従来の高山市の落葉広葉樹林において，2046-2065 年は 2002-手法（例えば，Beer-Lambert 法など）と比較・検証する

2007 年よりも展葉開始日の早期化および落葉終了日の必要があると考えている。

晩期化するため，生態系純生産量が増加する予測を報告

ブナが優占する冷温帯落葉広葉樹林である本観測地でしている。このことから，葉群フェノロジーに関する高は， PAR の樹冠 透過率を用いた Beer-Lambert 法と精度の長期モニタリングは，炭素収支を評価する上で必NIR/PAR 法による LAI の連側観測を 2014 年 4 月から実要不可欠であると考えられる。
既往の研究では，LAI（Leaf施しているが，2014 年と 2015 年の葉量の変化があまりarea index ; 葉面積指数）の間接推定法の１つである PAR見られない着葉期において，Beer-Lambert 法と NIR/PAR（Photosynthetically active radiation ; 光合成有効放射量法の相対的な葉面積の季節変化に若干違いが見られた400-700nm）の樹冠透過率を用いた Beer-Lambert 法によ（５）。そこで本研究では，この要因を明らかにするためり葉群フェノロジーを評価する場合が多い（例えば，に，着葉期である 2016 年６月から９月において PAR とSaigusa et al.（６））
。近年，樹冠を透過した NIR（NearNIR の透過率および反射率の季節変化の特徴を調べた。

infrared radiation ; 近赤外域放射量 700-1,000nm）と PARの強度比から LAI を間接的に推定する NIR/PAR 法が新－Ⅱ 方法

189 －（受理日 2017 年 7 月 3 日）

１．観測地概要 観測地は群馬県利根郡みなかみ町のⅢ 結果および考察

日本大学水上演習林内高平山（36°48′N，139°02′E ，標高１．日変化 図－１は晴天日である７月 20 日と曇天

650-985m）で，優占樹種はブナ（Fagus crenata）であり，日である７月 21 日の a) PARi，b) PAR の透過率，c) PAR

その他の樹種としてミズナラ（Quercus crispula），コナラの反射率，d) NIRt/PARt および e) NIRref/PARref の日変化

（Quercus serrata）などの落葉広葉樹が混在する平均樹高示す。黒印は 10 分平均値，破線は日平均値を表す。図－15m の二次林である。山頂周辺の樹高は２m 程度である

１より，反射光については晴天日の方が，透過光についため，高さ６m の気象観測塔を設置し，樹冠上におけるては曇天の方が，日平均値からの差異が小さいように見気象観測を実施している。山頂の気象観測塔から水平距える。このことから，透過光については曇天日，反射光離で西へ 100m 程度離れた地点に，高さ２m の林床観測については晴天日に着目して解析する。

塔（下層植生の影響は含まない）を設置している。山頂

２．葉面積の季節変化 図－２は，2016 年４月から 10周辺と林床観測塔周辺の構成樹種に大きな違いはない。

月における a) Beer-Lambert 法および b) NIR/PAR 法によ２．観測項目 ２m の林床観測塔の先端に NIR と PAR

り求められた相対的な葉面積と c) LAI-2000 による LAIを計測する葉面積指数計測センサー（MIJ-15，日本環境の測定値の経時変化を示す。白印は晴天日，黒印は曇天a) 7/20 s unny day(S↓/S 0↓=0.79)

P AR i(μmo l m- 2 s - 1 )計測）を設置し，透過 NIR（NIRt）および透過 PAR（PARt）を計測した。気象観測塔の上端に放射収支計（NR01，2500

量 （ S↓ ） を 計 測 し た 。 光 量 子 セ ン サ ー （ PQS-1 ，KIPP&ZONEN）を併設し，全天 PAR（PARi）を計測した。
加えて，2016 年 6 月 28 日から林床観測塔に設置した葉面積指数計測センサーと同じものを６m の高さにセンサー部分を真下に向けて設置し，反射 NIR（NIRref）および反射 PAR（PARref）を計測した。これらのデータは，10 秒毎に測定され，10 分平均した値がデータロガー

1500

1500

1000

1000500500

P AR ref/P AR iを用いて LAI の測定値を求めた。降水量は高平山山頂から北へ直線距離でおよそ６km 離れた藤原 AMeDAS（１）cos𝜃 = sin𝜑 sin𝛿 + cos𝜑 cos𝛿 cosℎ（２）

ここで𝐼00は太陽定数（=1,365W m-2），𝑑と𝑑 は太陽・地球0間の距離とその平均値，𝜃は天頂角，φ は緯度，𝛿は太陽の赤緯，ℎは太陽の南中からの時角を表す。観測されたそNIR t/P AR t

𝑑0 2𝑆0 ↓= 𝐼00 ( ) cos𝜃𝑑

NIR ref/P AR ref

３．解析方法 10 分毎の大気上端における日射量（S0↓）

a2)

0.2

0.1

0.1a3)

0.00.3b3)

0.2

0.2

0.1

0.1a4)

0.05b4)44332211010a5)

010b5)

8866442200れぞれのデータは，S0↓>0 のものを日積算し，その比を00.3b2)

0.2

0.05（36°52’N，139°04’E，標高 700m）のデータを使用した。
を以下の式により算出した（３）。

00.3

0.00.3

ラント・キャノピー・アナライザー（LAI-2000，Li-Cor）

2500b1)

2000（CR1000，Campbell）に記録された。また，2016 年４月
６日，６月 28 日，８月 24 日および９月 23 日においてプa1)

2000

P AR t/P AR iHuxseflux）を設置し，下向き短波放射計により全天日射b) 7/21 cloudy day(S↓/S 0↓= 0.21)

61218240空白Hour

6121824用いることで，日変化の平均化を行った。また，日積算

図－１．a) 晴天日と b) 曇天日における 1) PARi, 2) PARS↓が日積算 S0↓の 45%以上である日を晴天日，45%未満の透過率, c) PAR の反射率, d) NIRt/PARt およびである日を曇天日として分けた。さらに，S0↓>0 の間にe) NIRref/PARref の日変化

降水量が 0.5mm 以上あった日を降雨日として，解析からFig.1 Daily variation in a) PARi, b) PAR transmittance, c)除いた。解析期間は透過光については 2016 年４月１日

PARから，反射光については６月 29 日から 10 月９日までで

NIRref/PARref. Filled diamonds indicate 10- min mean values.

ある。

Dashed lines represent daily mean values.

－190 －

reflectance,d)NIRt/PARt,ande)0関東森林研究68-2(2017)

日，破線は６月から９月における平均値を表す。図－２

た。PAR の反射率は，曇天時よりも晴天時の方がばらつより，2016 年における展葉は４月下旬頃に開始し，６月きは小さく，６月から９月にかけて 0.04 程度でほぼ一定初旬頃に終了したと考えられる。また，葉面積が安定しの傾向を示した。以上より，６月から９月における PARている６月から９月に注目すると，LAI-2000 による LAIの透過率および反射率は，明瞭な季節変化を示さず，ほの測定値は平均 4.0 程度を示し，大きな変化は見られなぼ一定であることが見てとれる。

かった。しかしながら曇天日では Beer-Lambert 法の値は４．NIR/PAR の季節変化 図－４は，６月から９月にほぼ一定，NIR/PAR 法の値は緩やかに減少する傾向を示

おける NIR/PAR の a) 透過比および b) 反射比の経時変した。この傾向は，2014 年および 2015 年のものと同様化を示す。白印は晴天日，黒印は曇天日を表す。図－４であった（５）。

a)より，NIR と PAR の透過比は，晴天日と曇天日においてばらつきは見られるものの，緩やかな減少傾向が見ら

ら９月における PAR の a) 透過率および b) 反射率の経れた。図－４b) より，NIR と PAR の反射比は，曇天日時変化を示す。白印は晴天日，黒印は曇天日，破線は a)

よりも晴天日の方がばらつきは小さく，図－４a)と同様

においては曇天日における月平均値，b) においては晴天に減少傾向が見られた。NIR と PAR の透過比および反射日における月平均値を表す。図－３a)より，PAR の透過比については，PAR の透過・反射率の季節変化が見られ率は，晴天日よりも曇天日の方がばらつきは小さく，６ないことから（図－３参照），NIR の透過・反射量の季節

月から９月にかけて 0.05 程度でほぼ一定の傾向を示し変化が影響を与えている可能性が考えられる。

4PARi/PARt の比および b) NIRref/PARref と PARi/PARref の3比の経時変化を示す。白印は晴天日，黒印は曇天日を表2す。図－５a)より，NIRt/PARt と PARi/PARt の比は，晴天

1日よりも曇天日の方がばらつきは小さく，６月から９月◇ : sunny ◆ : cloudy --- : mean(cloudy)にかけて緩やかな減少傾向が見てとれる。図－５b)より◇ : sunny ◆ : cloudy--- : mean Jun.-Sep. cloudy

01.5

NIRref/PARref と PARi/PARref の比は，曇天日よりも晴天b)

日の方がばらつきは小さいが，図－５a)のものよりもや

1.0

0.10

0.5PARt/PARic)

430.050.00
0.10

210◇ : sunny ◆ : cloudya)

0.0-0.5
5LAI obtained usinga LAI-2000 (m 2 m -2 )

図－５は，６月から９月における a) NIRt/PARt とa)

4567Month8910図－２．2016 年４月から 10 月における a) Beer-Lambert法，b) NIR/PAR法によって求められた相対的な◇ : sunny◆ : cloudy --- : mean(cloudy)
葉面積および c) LAI-2000 による LAI の測定値

PARref/PARi

NIR/PAR method Beer-Lambert methodln(NIRt/PARt)-ln(PARt/PARi)

３．PAR の透過・反射の季節変化 図－３は，６月かb)

0.05

0.00

6の経時変化
Fig.2 Time series variation in a) relative leaf area obtainedMonth89図－３． 2016 年６月から９月における PAR の a) 透過率および b) 反射率の経時変化

using the Beer-Lambert law, b) relative leaf area
obtained using the NIR/PAR method, and c) LAI

7Fig.3Time series variation in PAR a) transmittance and b)

obtained using a LAI-2000 plant canopy analyzer

reflectance during June-September, 2016. Openduring April-October, 2016. Open diamonds indicate sunnydiamonds indicate sunny days. Filled diamonds indicate cloudydays. Filled diamonds indicate cloudy days. Dashed lines represent

days. Dashed lines represent mean values on a) cloudy days and b)

mean values on cloudy days during June-September.

sunny days.

－191 －

や明瞭な減少傾向が見てとれる。また，NIRt/PARt と上の日積算した NIR/PAR 比は天候の影響を受けず，PARi/PARt の比および NIRref/PARref と PARi/PARref の比0.82±0.06 程度であるため（４），図－５は NIR の透過率

はそれぞれ，NIRt/PARi および NIRref/PARi を表す。樹冠および反射率を間接的に示している。このことから，NIR

NIRt/PARt4の透過率および反射率は，６月から９月にかけて緩やかa)に減少する傾向があると考えられる。粟屋ら（１）は，６月から９月にかけてブナ林における NIR（770-790nm）

3の透過係数が減少することを示し，Kodani et al.（２）は2

NIRref/PARref

18

同じ時期においてブナ樹冠上の NIR（841-876nm）の反射係数が減少することを示している。NIR の波長域が若干異なるが，本観測地の NIR の透過・反射率の季節変化は，b)

既往研究と同じ傾向を示した。以上のことから，葉量の7変化が少ない着葉期において，ブナ林における NIR の吸65legenddaily

monthlysunny◇◯cloudy◆●467

収量が増加する可能性が考えられ，NIR/PAR 法で求められた相対的な葉面積に若干の季節変化が生じたのではな
8Month

いかと考えている。

9図－４．2016 年６月から９月における NIR と PAR の a)
透過比および b) 反射比の経時変化
Fig.4

引用文献
（１）粟屋善雄・田中邦宏・澤田治雄・鷹尾元（1999）

Time series variation in a) NIRt/PARt and b)

ブナ林の透過スペクトルの季節変化－測定方法と季節

NIRref/PARref during June-September, 2016. Open変化の概要－．東北森林科学会誌 4 (1)：1-7

diamonds indicate cloudy days. Filled diamonds indicate sunny（ ２ ） KODANI, E., AWAYA, Y., TANAKA, K. anddays. Open circles represent monthly mean values on sunny days.

MATSUMURA, N. (2002) Seasonal patterns of canopy

Filed circles represent monthly mean values on cloudy days.

structure, biochemistry and spectral reflectance in a brordleaved deciduous Fagus crenata canopy. For Ecol Managea)

NIRt/PARt
PARi/PARt

0.20

legenddaily

monthlysunny◇◯cloudy◆●

167：233-249（３）近藤純正 (1994) 水環境の気象学－地表面の水収支・熱収支－．朝倉書店, 東京：55-58

0.15（ ４ ） KUME, A., NASAHARA, N.K., NAGAI, S. and
MURAOKA, H. (2011) The ratio of transmitted near-infrared

NIRref/PARref
PARi/PARref

0.100.35

radiation to photosynthetically active radiation (PAR)b)

increases in proportion to the absorbed PAR in the canopy. J
Plant Res 124：99-106

0.30（５）野中翔平・小坂泉・大塚羽純・清水伸大・関崎良
美・田口裕也・瀧澤英紀・阿部和時（2016）落葉広葉樹

0.25

67Month8林における波長域の異なる３種の短波放射量を用いた

9葉面積指数の推定．第 127 回日本森林学会大会学術講図－５．2016 年６月から９月における a) NIRt/PARt とPARi/PARt の 比 お よ び b) NIRref/PARref とFig.5演集：165 pp（６）SAIGUSA, N., YAMAMOTO, S., MURAYAMA, S.,

PARi/PARref の比の経時変化

KONDO, H. and NISHIMURA, N. (2002) Gross primaryTime series variation in a) the ratio of PARi/PARt toproduction and net ecosystem exchange of a cool-temperate

NIRt/PARt and b) the ratio of PARi/PARref todeciduous forest estimated by the eddy covariance method.

NIRref/PARref during June-September, 2016. Open

Agric For Meteorol 112：203-215

diamonds indicate cloudy days. Filled diamonds indicate sunny（７）斎藤琢・永井信・村岡裕由（2014） 陸域生態系

days. Open circles represent monthly mean values on sunny days.の炭素収支の現状診断と将来予測－リモートセンシン

Filled circles represent monthly mean values on cloudy days.

グの利用－．日本生態学会誌 64：243-252－192 －