第５章 閉鎖系陸・水圏実験施設における生態系炭素等移行に関する調査研究
5.1 湿地生態系構築と炭素移行に関する試験
Studies on Construction of a Wetland Ecosystem and Carbon Transfer
in the Closed Geosphere Experiment Facility
鈴木 静男，多胡 靖宏，中村 裕二
環境シミュレーション研究部

Shizuo SUZUKI, Yasuhiro TAKO, Yuji NAKAMURA
Department of Environmental Simulation
Abstract
The Closed Geosphere Experiment Facility (CGEF) with high airtightness is designed to study carbon
dynamics in terrestrial ecosystems, including the transfer and accumulation of the radioactive carbon
isotope released from nuclear facilities to the environment. A wetland ecosystem dominated by Phragmites
australis, which is widely found in the cool-temperate brackish marsh near the spent nuclear fuelreprocessing plant in Rokkasho, Japan, was introduced into the CGEF where air temperature and CO2
concentration are both controlled automatically. A mathematical model to estimate the transfer andaccumulation of radioactive carbon in the wetland ecosystem was developed. This model consists ofphotosynthesis and decomposition sub-models, having the structure of nine-pool compartments (three plant,two litter, three soil, and one groundwater compartments). The Bayesian probabilistic inversion analysis
and a Markov chain Monte Carlo (MCMC) technique were applied to determine parameters of the carbon
transfer and accumulation model. The analysis used nine data sets for carbon reservoirs (leaf, culm, andrhizome biomass carbon, litter layer carbon, microbial biomass and organic carbon in soil, and dissolved
organic carbon) and fluxes (ecosystem respiration and methane flux) observed in the CGEF. The
comparisons between the simulated values and observed data showed that the model gave appropriate
estimates of the carbon reservoirs and fluxes. The ecosystem respiration was adequately simulated by themodel. Although the projection of variation in methane flux during a short period was not always successful,the seasonal trend of the variation largely resembled the observed one. The changes in the amount of carbon
in plant biomass and litter layer and that of dissolved organic carbon were properly estimated. This study
suggests that the combination of the Bayesian statistics and the MCMC technique is very useful to analyze
the transfer and accumulation of carbon in a wetland ecosystem.
1. 目的には、ヨシが優占する湿地生態系が広範に存在して本調査は、大型再処理施設から大気中に放出されいるため、この生態系を対象とする。14Cの挙動予測

た14Cの陸上生態系における挙動予測を最終目的とを行うために、閉鎖系陸圏実験施設にヨシ群落から14している。 Cは、半減期が5730年と長く、植物の光なる湿地生態系を構築し（鈴木, 遠藤 2007）、大気合成により陸上生態系に取り込まれ環境中を移行す− 植物− 土壌という生態系の各構成要素における炭る（Amiro et al. 1991）。大型再処理施設の周辺地域

素の蓄積量と各構成要素間の炭素移行量の調査を行3. 成果の概要ってきた。
14

湿地生態系において、将来の C蓄積量を予測する

3.1 観測値に基づくパラメータの事後確率密度関数

ためには、数値シミュレーションモデルが必要となマルコフ連鎖モンテカルロ法では、100,000 回のる。そのため、平成19年度にヨシ群落湿地生態系に試行を 3 回繰り返した。各パラメータについて、こおける炭素移行・蓄積基本モデルを作成した（鈴木,の 100,000 回 の 3 回 繰 り 返 し デ ー タ を 用 い て中村 2008）。この基本モデルは、大気− 植物− 土壌

Gelman-Rubin 統計量（Gelman and Rubin 1992）を計という生態系の構成要素を有し、要素間の炭素移行算したところ、全てのパラメータにおいて 1.05 より経路と要素内の炭素リザーバーで表される。平成20

小さい値を示し、収束と判定された。各パラメータ年度は閉鎖系陸圏実験施設を用いて炭素移行・蓄積の平均値、標準偏差、変動係数を Table 1 に記した。

量データを収集し、モデルパラメータの決定を目的炭素リザーバー間の移行に関する分配パラメータとした。の d, f は小さな変動係数を示し、ζは大きな変動係数を示した。また、分解係数パラメータに関して、

2. 方法

k2, k4 は比較的小さな変動係数を示した。変動係数

2.1 湿地生態系における炭素リザーバーとフラックが小さなパラメータは、アウトプットとしての炭素スの測定リザーバーやフラックスの変動に大きな影響を与

植物体の葉と稈バイオマス炭素量をヨシの稈数と稈高からアロメトリー式により求めた。また、根茎えると考えられる。
3.2 観測値とモデル計算値との比較

炭素量とリター炭素量はイングロースコア法とリタ測定データに基づいて決定された 23 個のパラメーバック法を用いて推定した。土壌中の微生物バイータを炭素移行・蓄積モデルに代入し、湿地生態系

オマス炭素量はクロロホルムくん蒸抽出法により測の各炭素リザーバー量とフラックスを予測し、実測定し、易・難分解性有機物量は全炭素量と微生物バ値との比較を行った。生態系呼吸速度は、生物活性イオマス炭素量の差により求めた。生態系呼吸速度の高い夏季において良く一致した。一方、メタン放などの生態系による二酸化炭素交換速度とメタンフ出量の短期変動の予測は必ずしも適合していない

ラックスは、閉鎖系内の陸圏モジュールにおける空が、長期変動の予測はよく一致した。また、植物バ気中の二酸化炭素とメタン濃度変化率、気温、気圧、イオマス炭素量、リター炭素量、溶存態有機炭素量

二酸化炭素供給・回収速度より求めた。

等は、一致は良好であった。今後、実験施設及び野2.2 炭素移行・蓄積モデルのパラメータ決定外で代表性のあるデータを収集することにより、予湿地生態系の炭素移行・蓄積モデルは、光合成と測精度の高い炭素移行・蓄積モデルを構築する。

分解サブモデルで構成され、9 個の炭素リザーバー、リザーバー間の移行経路、さらに 11 個の気体状炭素

引用文献（二酸化炭素、メタン）フラックスから成る（Fig. 1）。

Amiro, B. D. et al. (1991) Health Physics, 61, 825-829.

上記の炭素リザーバーとフラックスのデータを基にGelman, A., Rubin, D. B. (1992) Statistical Science 7:

湿地生態系における炭素移行・蓄積モデルのパラメータをベイズ統計学に基づくマルコフ連鎖モンテカ
ルロ法により解析した。この解析方法によりパラメータは確率的に求まるため、各パラメータの事後確率密度関数から平均値を計算し、全 23 個のパラメータを同時に決定した。

457-511.
鈴木静男, 遠藤政弘 (2007) 平成 18 年度環境科学技術研究所年報, 45-47.
鈴木静男, 中村裕二 (2008) 平成 19 年度環境科学技術研究所年報, 49-51.

Fig. 1

Schematic of the carbon cycle model in the wetland ecosystem. Rectangles, ellipses, and lines show
carbon reservoirs, gaseous carbon fluxes, and carbon transfers, respectively. k1 to k9 represent
carbon transfer coefficients, d to j and the Greek letters represent the allocation of carbon transfer.

Table 1 Determined parameters of the carbon transfer and accumulation modelSD
Parameter
MeanSDCV
Parameter
Mean(%)(day-1)(day-1)defghij

-1

-1

-1

-1

-1

-1-1

-1

-1-1

-1

-1

-2

-2-1-1-5-5-4-4

-1

-1

-1-1

-1

-1

-1

-1

6.0
30.7
6.7
29.9
30.3
27.4
13.4
30.1
21.8
14.7
29.0
81.9
29.9
30.0

k1
k2
k3
k4
k5
k6
k7
k8
k9

CV
(%)

-4-4-3-3-5-5-3-3-4-4-2-2-5-5-6-6

-1

-1

30.6
6.0
31.2
7.9
25.0
24.9
32.8
33.1
14.2