第４章

閉鎖系植物及び動物・居住実験施設等における炭素の移行・代謝に関する調査研究
4.1 炭素移行モデル作成試験
4.1.1 大気から作物への動的炭素移行モデルの作成
Development of a Transfer Model of Carbon from the Atmosphere to Crops
谷 享, 新井 竜司, 野副 晋, 多胡 靖宏, 中村 裕二
環境シミュレーション研究部

Takashi TANI, Ryuji ARAI, Susumu NOZOE, Yasuhiro TAKO, Yuji NAKAMURA
Department of Environmental Simulation
Abstract
Estimation of activity concentration of14

C in edible parts of crops is necessary to assess the local

14

radiological impact of C released from the spent nuclear fuel reprocessing plant in Rokkasho, Japan. In thisstudy, carbon transfer in rice plant was described by a mathematical model consisting of two compartmentsof an edible part (ears) and a vegetative shoot part (leaves and culms) which supplies carbon storage
compounds for the growth of ears. Transfer coefficients of carbon getting into and leaving thesecompartments were estimated using growth curves of the edible and vegetative shoot parts. The ratio ofcarbon fixed at each growth stage to the total carbon in the edible part at harvest (R(t)) was predicted by themodel. The predicted R(t) and experimentally measured R(t) were compared to the growth rate (G(t)) of theedible part normalized by its total carbon at harvest . Both R(t)s were higher than G(t) from the earlyvegetative growth to milk stages, which implied the existence of translocation of carbon stored in thevegetative shoot part to the edible part. The results indicated that the effect of translocation of carbon stored
in the vegetative shoot part to the edible part could be properly taken into account for predicting activity
concentration of 14C in the edible part of rice plant using the two-compartment model.
1. 目的移行をコンパートメントモデルで表現することを試
14

大型再処理施設から大気中に放出される C の一みた。これまで作物への 13CO2 ばく露実験で、収穫部は、光合成によって作物に固定される。したがっ日のイネの穂（可食部）に含まれる炭素全量に対す

14て、ヒトの経口摂取による C の被ばく線量を評価
14

る各生育時期に固定された炭素の寄与率（R(t)）のするためには、作物の可食部の C 量を推定する必データを取得してきた。この R(t)の実測値とモデル要がある。

による推定値を比較することで、モデルの有効性を
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これまでの被ばく線量評価における C 濃度の評検討することを目的とした。

14価には比放射能法が用いられているが、大気中の C濃度が時間的に変動する場合には、動的な評価法が必要となる。そこで、主要作物であるイネでの炭素

2. 方法
イネの穂の成長は、穂の成長時に光合成で大気から取込まれた炭素と、茎葉に貯蔵されている炭素のYoshida, 1972; Murthy, 1976）の最大値を用いると、両方に依存する（Okawa et al., 2002）。ここでは穂の栽培終了日（T）における穂中の貯蔵炭素量は140.3WE(T)であり、C 量（Bq）を推定するモデルとして、穂と茎葉の 2コンパートメントで構成されるモデルを仮定した∫ a(t)N (t)dt = 0.3W (T)T（Fig. 1）。穂および茎葉コンパートメント内の炭素0EE(7)が成り立つようなφの値を求めた。kEA(t)と kSA(t)は、量の時間変化は、
dWE= pEC (t) + k SE (t)WS (t) − k EA (t)WE (t)
dt

(1)

dWS
= pSC (t) − k SE (t)WS (t) − k SA (t)WS (t)dt(2)

穂 お よ び 茎 葉 の 成 長 効 率 で あ る NE(t)/{NE(t) +kEA(t)WE(t)}と NS(t)/{NS(t) + kSA(t)WS(t)}が、それぞれ0.83（Shinano et al., 1993）、0.6（Yamaguchi, 1978）という条件で求めた。と表される。ここで、pEC(t)と pSC(t)は大気から穂おR(t)を推定するために、播種後 t 日目だけ大気中よび茎葉コンパートメントへの炭素移行量（g-C

14C 濃度を 1 Bq g-C-1 に設定した条件でモデル計算をday-1）、WE(t)と WS(t)は穂および茎葉コンパートメン行い、収穫日の穂コンパートメントの 14C 濃度（Bq

トの炭素量（g-C）、kSE(t)は茎葉コンパートメントかg-C-1）を求めた。さらに、14C air(t)を 1 Bq g-C-1 に設ら穂コンパートメントへの炭素移行係数（day-1）、定した播種後日数（t）と収穫日の穂コンパートメン

kEA(t)と kSA(t)は穂および茎葉コンパートメントからトの 14C 濃度の関係を表す曲線をその曲線下の面積大気への炭素移行係数（day-1）である。穂および茎で規格化し、R(t)の推定値とした。

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葉コンパートメント内の C 量（Bq）の時間変化は、(1)式および(2)式の右辺各項に炭素供給源となる大14気、穂または茎葉コンパートメントの C 濃度（Bq-1g-C ）を乗じることで計算される。

3. 成果の概要
穂の成長が成長時の光合成で固定された炭素のみに依存するのであれば、R(t)は NE(t)を収穫日の穂炭(1)式の pEC(t)と kSE(t)WS(t)および(2)式の pSC(t)は、素量で規格化した関数 G(t)（Fig. 2）と一致する。しpEC(t) = {1 – a(t)}{NE(t) + kEA(t)WE(t)}(3)

かし実際には、穂の成長には茎葉の貯蔵炭素が寄与

kSE(t)WS(t) = a(t){NE(t) + kEA(t)WE(t)}(4)

するため、R(t)の実測値は生育中期で G(t)よりも高く

pSC(t) = NS(t) + kSA(t)WS(t) + a(t){NE(t) + kEA(t)WE(t)}なった。同様の結果が、R(t)のモデル推定値にも見られた。R(t)のモデル推定値が生育中期に G(t)よりも(5)で表した。ここで、a(t)は t に穂コンパートメントに高くなるという結果は、生育中期に光合成で固定さ移行した炭素全量（NE(t) + kEA(t)WE(t)）に対する t にれた後茎葉に貯蔵された炭素が収穫日までに穂に転茎葉コンパートメントから穂コンパートメントに移流されるという炭素移行パターンを、モデルによっ行した炭素（kSE(t)WS(t)）の比率、NE(t)と NS(t)は成長て表現できたことを意味する。

曲線の微分によって得られる穂および茎葉における大気中 14C 濃度の時間変化を考慮に入れて作物可単位時間当たりの純炭素増加量（g-C day-1）である。

食部の 14C 量を推定するためには、固定時期の異なモデル計算のためには a(t)、kEA(t)、kSA(t)の値を決る炭素を区別する必要がある。本試験結果は、光合定する必要がある。茎葉コンパートメントから穂コ成で固定された炭素と貯蔵炭素という固定時期の異-1ンパートメントへの炭素移行量（g-C day ）が NE(t)なる 2 種の炭素を区別した今回のモデルが、作物可に比例すると仮定すると、a(t)は以下の式で表せる。

食部の 14C 量の推定に有用であることを示唆していa(t) = φN E (t)(6)る。

ここでφは比例定数である。イネ子実中の炭水化物に対する茎葉に一時的に貯蔵された炭水化物の寄与

引用文献

率が 20〜30%に達するという報告例（Cock andCock, J.H. et al. (1972) Proc. Crop Sci. Soci. Japan, 41,

226-234.

Shinano, T. et al. (1993) Plant and Soil., 155/156,

Murthy, K.S. (1976) Rice production manual, pp48-55,

207-210.

New Delhi, India

Yamaguchi, J. (1978) J. Fac. Agric. Hokkaido Univ., 59,59-129.

Okawa, S. et al. (2002) Soil Sci. Plant Nutrit., 48,
237-242.

pEC(t) (g-C day-1)

kEA(t)WE(t) (g-C day-1)

EarWE(t) (g-C)

kSE(t)WS(t) (g-C day-1)

pSC(t) (g-C day-1)

kSA(t)WS(t) (g-C day-1)

Shoot
WS(t) (g-C)

Fig. 1

Block diagram of the compartment model. The symbols are as follows: pEC(t), carbon transfer rate from air toear compartment (g-C day-1), i.e. translocation rate of carbon fixed by shoot (leaves and culms) at t into ears;pSC(t), carbon transfer rate from air to shoot compartment (g-C day-1); WE(t), amount of carbon in ear
compartment (g-C); WS(t), amount of carbon in ear compartment (g-C); kEA(t), transfer coefficient from ear
compartment to air (day-1); kSA(t), transfer coefficient from shoot compartment to air (day-1); kSE(t), transfer
coefficient from shoot compartment to ear compartment (day-1).

0.05

G(t), R(t)（ day-1）

0.04
0.03

0.02
0.01

0.00

040

80

120

Days after seeding (day)Fig. 2

Measured (black circles) and predicted (solid line) values of the ratio of carbon fixed at different days after
seeding to the total carbon in ears of a rice plant at harvest (R(t)). The dotted line shows the ratio of growthrate of ears (g-C day-1) to the total carbon in ears at harvest (G(t)).