第５章

排出放射性炭素の蓄積評価に関する調査研究5.1 森林・湿地・耕地における炭素移行・蓄積に関する調査研究
Carbon Transfer and Accumulation in Forests, Wetlands and Farmlands
鈴木 静男, 永井 勝, 坂田 洋, 新井 竜司, 小松原 修, 多胡 靖宏, 中村 裕二
環境シミュレーション研究部

Shizuo SUZUKI, Masaru NAGAI, Hiroshi SAKATA, Ryuji ARAI,Osamu KOMATSUBARA, Yasuhiro TAKO and Yuji NAKAMURA
Department of Environmental Simulation
Abstract
The operation of the spent nuclear fuel reprocessing plant in Rokkasho, Japan, is accompanied by thedischarge of a small amount of 14C mainly in the form of 14CO2, which will transfer into terrestrialecosystems and will be accumulated in them. In order to predict the fate of 14C discharged from thereprocessing plant, it is necessary to develop a transfer and accumulation model of carbon in terrestrial
ecosystems, including the processes of photosynthetic fixation of carbon and the decomposition of organic
matter. Various ecosystems, such as forests, wetlands, paddy fields, farmlands and pastures are found aroundthe reprocessing plant. To estimate carbon transfer rates from the atmosphere to plants in forests and tree
plantations which are the most widespread, we investigated the above-ground net primary productivity(ANPP) in actual fields. For the estimation of carbon fixation rates in tillage, we studied the gross primary
productivities (GPPs) of representative crops and vegetation in paddy fields, farmlands and pastures using
the Closed Plant Experiment Facility. The decomposition rates of organic matter were also measured in soilsof those ecosystems to get carbon balance in the target fields.
The ANPPs at a Fagus crenata-dominated forest and a Quercus crispula-dominated deciduous
broad-leaved forest, and those at a 19-y-old and a 65-y-old Cryptomeria japonica tree plantation wereestimated as 0.9, 0.9, 2.1, and 6.0 kg-dry m-2 y-1, respectively, based on the summation of annual fine litter
fall and annual wood increment in the above-ground biomass from 2010 to 2011.
The GPPs of timothy grass, rice and Japanese radish plants were measured at six growth stages ofthese plants by pot cultivation experiments using soils in actual fields. The air and soil temperatures, soil
moisture, and light intensity were controlled to simulate those in actual cultivation fields. While similar
maximum GPPs at the saturated light level were found for timothy grass over the entire growth period, thoseof rice and Japanese radish plants decreased with the increased number of days after sowing.
To investigate the decomposition rate of soil organic matter in wetlands, mixtures of 13C-labelledplants and wetland soil were packed into glass-fiber filter bags, and buried both in an actual wetland and asimulated wetland in the Closed Geosphere Experiment Facilities in FY 2010. In FY 2011, similar
glass-fiber filter paper bags containing mixtures of 13C-labelled plants and forest, paddy field, farmland orpasture soil were buried in each type of field. Concentrations of 13C in fractions separated chemically fromthe materials in the bags in wetlands were measured at 14 d and 162 d after the burying. The 13C

concentration decreased in the order of base-soluble > acid-insoluble > acid-soluble > base-insoluble
fractions.
To obtain temperature dependency of the decomposition rate of organic materials in soil, soil samples
from forests, wetlands, paddy fields, farmlands and pastures were incubated in the laboratory at different
temperatures (10, 20, and 30°C), and were measured for respired CO2. All soil samples showed an increase
in respired CO2 with temperature. The incubation experimental study will continue until the end of FY 2012.
1. 目的

いた土耕法によって栽培した。栽培期間中に、光量14

大型再処理施設から排出される炭素-14（ C）に子束密度を 4 段階に変化させ、総一次生産速度へのついて、施設周辺地域において代表的な森林、牧草影響を検討する短期の実験を成長段階別に 6 度行っ地、水田、畑地及び湿地の 5 つの土地形態ごとに、た。総一次生産速度は、閉鎖系陸圏実験施設で確立

植物体や土壌への蓄積・放出を推定するモデルを整した方法（Suzuki et al. 2012）を用い、栽培環境での備し、大型再処理施設稼動に伴う中長期の影響評価

CO2濃度変化及び供給または除去CO2量を基に評価（環境への蓄積等）に資することを目的とする。平した。測定した総一次生産速度は葉乾物重量当りで成 23 年度は、以下の調査を行った。
（1）植物-土壌表し、光量子束密度との関係を成長段階別に解析し試験系における炭素固定量調査（2）土壌有機物分解た。

試験（3）土壌の有機物分解に関する温度パラメータ

2.2 土壌有機物分解試験

取得試験。

土壌に供給された植物の分解速度、土壌有機物各分画の残留性を評価するため、平成 22 年度に13Cで2. 方法

標識したヨシの葉と稈をそれぞれ湿地土壌と混合し、2.1 植物-土壌試験系における炭素固定量調査

ガラス繊維ろ紙に充填して、野外の湿地と閉鎖系陸森林の炭素固定量を評価するために、ミズナラ優圏実験施設内の試験用湿地に埋設した。埋設後、14占林、ブナ優占林、林齢 65 年と 19 年のスギ林にお日と 162 日目にガラス繊維ろ紙の内容物を比重分画いて、樹木固体の地上部現存量、年相対成長速度及した（1.0 g cm-3と 1.6 g cm-3）後、Koarashi et al.（2009）

びリターフォール量を調査し、地上部純一次生産速に基づき化学分画処理（1.2 M HCl と 1.2 M NaOH度を求めた。樹木個体の地上部現存量は、全樹木の溶液）を行った。沈殿物または不溶性画分の試料重胸高直径（5 cm 以上）測定値からアロメトリー式を量、全炭素含有量、13C含有量を測定し、土壌に供給用いて推定し（落葉広葉樹：Takagi et al. 2010、スギ：された有機物の残留量を求めた。森林、水田、畑地、

渡邉・茂木 2007）、平成 22 年度と 23 年度の地上部牧草地は、平成 23 年度に13C標識植物と土壌を充填分解試験を開始した。
現存量の差から樹木個体の年相対成長速度を求めた。 したガラス繊維濾紙を埋設し、さらに、落葉や落枝などのリターフォールを 2～4

2.3 土壌の有機物分解に関する温度パラメータ取得週間の間隔で回収し、1 年間のリターフォール量を試験推定した。得られた 1 年間の地上部現存量の増分と土壌有機物分解速度に与える温度の影響を明らリターフォール量の総和から地上部純一次生産速度かにするため、野外の湿地、森林、牧草地、畑地、を求めた。

水田より採取した土壌を、2 mmメッシュの篩で選別

作物の炭素固定量を評価するために、閉鎖系植物後、土壌水分量を最大容水量の 60%として、10ºC、実験施設において、チモシー、イネ、ダイコンを、20ºC、30ºCの恒温培養実験を行った。定期的に培養それぞれ野辺地町、十和田市、六戸町の過去五カ年

瓶内部の気体を採取し、ガスクロマトグラフィーにの気象条件（気温、地温、土壌水分、光量子束密度）よりCO2濃度を測定し、有機物分解によるCO2放出量を 1 週間ごとに平均した環境条件下で、ポットを用を求め、培養温度との関連を検討した。

C g-1-soil、水田：0.2、2.4、42.8 μg C g-1-soil、湿地：

3. 成果の概要

1.4、8.1、194.0 μg C g-1-soil、ミズナラ優占林：1.2、3.1 植物-土壌試験系における炭素固定量調査

10.1、64.7 μg C g-1-soil、林齢 65 年のスギ林：1.1、単位地上面積当りの樹木固体の地上部重量年間

17.9、196.0 μg C g-1-soilであった。全ての土壌で温度増加量は、ミズナラ優占林、ブナ優占林、林齢 65とともにCO2放出速度が増加した。今後、培養実験

年と 19 年のスギ林で、それぞれ 0.5、0.5、1.7、5.3を継続することで、土壌有機物分解の温度依存性を-2-1

kg-dry m y であった。また、それぞれの調査地で 1明らかにする。

年間のリターフォール量は 0.407、0.364、0.445、0.653
kg-dry m-2 y-1であり、地上部純一次生産速度は 0.9、-2-10.9、2.1、6.0 kg-dry m y であった。
閉鎖系植物実験施設で栽培したチモシー、イネ、

引用文献
Koarashi et al. (2009) Glob. Chang. Biol., 15: 631-642.
Suzuki et al. (2012) J. Hydrometeorol., 13: 966-980.

ダイコンは、野外と類似した成長量を示した。全て

Takagi et al. (2010) Eurasian J. For. Res., 13: 1-7.の作物において、総一次生産速度を光量子束密度の渡邉, 茂木（2007）岐阜県森林研研報, 36: 7-13.

直角双曲線関数に近似し、成長段階別に光量子束密度から総一次生産速度が得られるようになった。Fig.
1 に回帰分析の例を示す。これらの関数は、チモシーでは播種後の日数に関らず類似しており、一方、

3.2 土壌有機物分解試験
ガラス繊維ろ紙内容物の初期試料 1 g当りの13C含有量は、333 μg 13C g-1であり、ガラス繊維ろ紙埋設から回収までの経過時間が、14 日から 162 日に増加するに従って、回収試料中の13C含有量は、238 μg 13C(mgC g-1-dry h-1)最大光合成速度が低下した。

GPP per unit leaf mass

イネとダイコンでは播種後の日数が増加するにつれ、g-1から 203 μg 13C g-1へと減少した。また、回収試料を分画した13C含有量は、162 日目の 1.6 g cm-3による比重分画後の試料を例に取ると、酸可溶性画分、酸不溶性画分、塩基可溶性画分、塩基不溶性画分で 29、34、35、1 μg 13C g-1であった。これらの結果は、試料内の有機物が分解し、CO2やCH4として外部に放出されたこと、有機物の形態が変化し、別の画分に移行したためと考えられる。今後は、継続的に回収を行い同様に分画することでデータ数を増やし、各画分の分解係数を求める予定である。
3.3 土壌の有機物分解に関する温度パラメータ取得
試験
培養瓶中の二酸化炭素濃度は実験期間を通じてほぼ直線的に増加した。24 日間でCO2として放出された炭素量は、10、20、30ºCの条件下で、牧草地：
1.4、1.6、24.7 μg C g-1-soil、畑地：1.9、2.6、14.6 μg

PPFD (mmolm-2 h-1)

Fig. 1

Relationship between photosynthetic photon flux
density (PPFD) and gross primary productivity (GPP)per unit leaf mass of rice plant at 74 d after sowing.