関東森林研究論 文71-1(2020)

秋田県大館市のスギ林における間伐による林床面蒸発量のモデルによる変動評価
玉井幸治*1・吉藤奈津子 1・飯田真一 1・勝島隆史１・荒木誠 1・金子智紀 2・野口正二 1
１ 森林総合研究所
２ 秋田県林業研究研修センター
要旨：秋田県大館市のスギ林で実施された間伐を対象として，モデルによる林床面蒸発量の変動を評価した。相対日射率は間伐前後で 13％から 43％へと約 3.3 倍に増加した。全天日射量に相対日射率を乗じて変換した間伐前後での林床面日射量と降水量をモデルに入力して林床面蒸発量を計算した。また必要なモデルパラメータはマイクロライシメーターを用いた林床面蒸発量観測値によって決定した。観測値の林床が積雪で覆われた日がほとんどないと考えられる 6～11 月の 6 ヶ月間の林床面蒸発量を比較した。1980～2018 年の 39 年分の気象データによって計算された林
床面蒸発量の平均値は，間伐前後の状態でそれぞれ 73.4mm，191.8mm であり，間伐により約 2.6 倍に増加した。既往の報告値も含めて比較したところ，降水量よりも林床面日射量の方が林床面蒸発量に及ぼす影響が大きかった。
キーワード：相対日射率，落葉層，土壌層

Evaluation of thinning effect on evaporation from forest floor in a Ceder forest in Odate, Akita
Koji TAMAI*1, Natsuko YOSHIFUJI1, Shin’ichi IIDA1, Makoto ARAKI1, Tomonori KANEKO2, Shoji NOGUCHI1
1. Forestry and Forest Products Research Institute
2. Institute of Forestry, Akita Prefecture Agriculture, Forestry and Fisheries Research Center
Abstract: Effects of thinning effect on evaporation from the forest floor was evaluated in a cedar forest in Odate City, Akita
Prefecture. The relative solar radiation rate increased by about 3.3 times from 13% to 43% before and after thinning. The evaporation
rate from the forest floor was calculated with the model using the data of precipitation and solar radiation on forest floor, which wasconverted by multiplying the global solar radiation and the relative solar radiation rate before and after thinning. A model parameter
was determined based on the observations of evaporation from the forest floor using a micro lysimeter. The calculated evaporation
rate from the forest floor was compared during the six months from June to November, when the forest floor was expected not to becovered with snow. The average evaporation rate from the forest floor calculated using the meteorological data for 39 years from1980 to 2018 were 73.4 mm and 191.8 mm, respectively, before and after thinning, and increased about 2.6 times after thinning.
When compared with the dependency of the evaporation rate on precipitation and solar radiation including the precipitation, Solarradiation on forest floor is estimated to have larger influence on evaporation from forest floor than precipitation.
Key-word: Relative solar radiation rate, Litter layer, Soil layer.

Ⅰ はじめに影響を与える。例えば間伐により林床面日射量が増える

林床面蒸発は森林群落における主要な水移動素過程のと，林床面蒸発量も増えると考えられる。これらの水移一つである。しかし長期間にわたっての林床面蒸発量を動素過程の変動は，水流出量に影響を及ぼすと考えられ評価した例は，（４）や（５）による年間量など極めて少る。しかしその影響を定量的に評価するためには，皆伐ない。
その理由としては，観測が困難であることの他に，や間伐による個々の水移動素過程への影響をも評価する

林冠が閉鎖した森林では林床面蒸発量が少ないと思われことが必要である。
本研究の第 1 の目的は，秋田県大館市のスギ林で実施ていることがあろう。
近年，林業の活性化や森林の多面的機能の発揮をめざされた間伐を対象に，間伐前後での林床面蒸発量の変動して，人工林での皆伐や間伐の実施例が増えている。皆をモデルによって評価することである。
（５）の提案した伐や間伐は森林群落内における水移動素過程それぞれにモデルは，土壌中の水分や熱移動を計算するルーチンを－141 －（受理日 2020 年 2 月 17 日）

用いている。間伐が林床面蒸発に及ぼす影響をより普遍め間伐による影響をより普遍的に評価するためには，よ的に評価するためには，より簡便なモデルでより多くのり多くの気象データからモデルによって林床面蒸発量を年間気象データを用いて計算を行うことが望ましい。そ評価する必要がある。そこで評価に用いる気象データにこで本研究では，（５）によるモデルをより簡便にしたもは，NCAR（米国大気研究センター）が配布する領域気のを用いる。

象モデル WRF（Weather Research and Forecastingmodel）v3.9 を用いて日本全国の全天日射量と降水量を3.7km メッシュで計算した値（６）のうち，長坂試験地

Ⅱ 試験地
本研究は，秋田県大館市長坂地内の長坂試験地（北緯を含むメッシュの 1980～2018 年の 39 年間の値を，長40 度 16 分，東経 140 度 24 分）のスギ林で 2017 年 1～坂において生じうる 39 パターンの年間気象データとし2 月に実施された間伐を対象にした。土壌は適潤性褐色て用いた。時間解像度は 1 時間である。

森林土（BD）で，地表にはスギの落葉が 2～3cm，場所２．林床面蒸発モデルの概要 林床面蒸発量を評価すによっては 10cm 程度堆積していた。間伐によって立木るモデルには，落葉層と土壌層から蒸発量をそれぞれ計

密度は 900 本 ha-1（２）から 407 本 ha-1（７）へと減少算する（５）が提案したモデルのうち，土壌層からの蒸した。この林分内の北向き斜面の尾根部から谷部の間に発量をより簡便にしたものを用いた。
（５）での土壌層からの蒸発量（Esoil；mm）の計算は，４ヶ所の観測プロットを設定した。2017 年 1～2 月に実施された間伐は，この林分にとっては 2007 年 1～2 月に（１）に基づいて（1），（2）式を用いている。

実施された間伐に次ぐ，2 回目の間伐であった。

𝐸𝑠𝑜𝑖𝑙 = 0.3 𝐸𝑝

気象露場の溢水式雨雪量計（B-071，横河電子機器製）と放射４成分計（CNR4，Kipp＆Zonen 製）による降水𝑀(𝐻𝑠 −𝐻𝑎 )(100−𝐻𝑎 )𝜓

𝐻𝑠 = exp ( 𝑤 ) × 100

量と全天日射量の観測値を使用した。
全天日射量は 30 秒

𝑅𝑇

(1)
(2)

ここで Ep は可能蒸発量（mm），Hs，Ha はそれぞれ表間隔でサンプリングしたものを 10 分平均値として記録

面土壌の気相と土壌表面での大気の相対湿度（％）
，Mw

した。

は水１モルの質量（kg mol-1），は土壌表面付近の水ポテンシャル（J kg-1），R は気体定数（J mol-1℃-1），T は

Ⅲ 林床面蒸発量の観測法
4 ヶ所のプロットに林床面日射量を測定する日射セ絶対温度で表した地温（K）

ンサー（S-LIB-M003, Onset 社製）を 1 台設置し，デーHs を算出するために必要な T とψは，それぞれ Fick

タロガー（H21-002，Onset 社製）にて 10 秒ごとに測定の法則と Richards の方程式を基礎式とした差分法によした値を 1 時間平均で記録した。林床面蒸発量の測定法って得られており，計算過程が複雑である。これは，表は，玉井・服部（1994）に準じた。すなわち断面積 78.5cm2，層土壌の乾燥による蒸発抑制を評価するためである。

高さ 13cm の塩ビ筒に落葉層ごと土壌を非攪乱で採取しその一方で落葉層に被覆された森林土壌では（１）がてマイクロライシメーターとし，電子天秤で 1 時間毎の対象とした裸地面の表層土壌ほどには，地温が高くなら重量減少量を現場で測定して，林床面蒸発量を測定した。

ない。そして（３）はマサの表層土壌がで-2,700J kg-1

電子天秤で読み取れる 0.01g は，林床面蒸発量の約(pF3.4 に相当)よりも湿潤で T が 35℃以下の範囲では，0.0013mm に相当する。4 ヶ所のプロットに 3 個ずつマ

Hs は 99.98%以上と算出されることを示した。また（５）イクロライシメーターを設置し，3 個の平均値をプロッ

は（1）式で Ep を林床面日射量（S；MJ m-2）から推定

トにおける林床面蒸発量とした。
林床面蒸発量の観測は，した。以上から（1）式は，（3）式のように要約できる。
(3)

2016 年 8 月～2018 年 11 月の間に，1～2 日間の観測期

𝐸𝑠𝑜𝑖𝑙 ≅ 0.3 𝐸𝑝 = α 𝑆間で断続的に行った。マイクロライシメーターは，観測

そこで本研究では，Esoil をより簡便に求める(3)式を用期間の始まりに底を取り付け，終わりに土壌を充填したい，比例定数であるα（mm MJ-1m2）を林床面蒸発量の状態で底をはずして林地に設置したままとした。観測期

観測結果から同定することにした。

間中には 0.5mm を超える降水は無かった。

このモデルで林床面蒸発を計算するのに必要な気象データは，降水量と林床面日射量である。落葉層からの蒸発量の計算は，（５）と同じである。

Ⅳ 林床面蒸発モデルによる変動評価法
１．影響評価のための気象データ 林床面蒸発量は気象環境の年々変動の影響を受けると考えられる。そのた－Ⅴ 結果と考察１．褐色森林土壌の表層における Hs の値の確認 本

142 －関東森林研究71-1(2020)研究において，(3)式が成立することを確認するために，る林床面日射量の空間変動のばらつきに起因すると考え（2）式に適潤性褐色森林土が非常に乾燥した状態のψられる。観測を行った 1 時間単位では，林床面日射量にと T として，それぞれ-98J kg-1 と 50℃を代入した。そ大きな空間変動が生じており，マイクロライシメーターの場合でも，Hs は約 99.99%であった。-98J kg-1 は-98kPaの位置における林床面日射量を正確に測定できず，その（pF3.0）に相当する。落葉層に被覆された森林土壌が，ため計算値と観測値の間にばらつきが多くなったと考え

この数値よりも乾燥したり高温になることは考えにくい。

られる。しかし近似式の周辺に多くの点が紡錘状にプロしたがって本研究ではほぼ常時，(3)式は成立すると判断ットされていることから，日単位よりも長い単位であれできる。

ば，林床面日射量の空間的なバラツキがならされて平均２．林床面蒸発量と林内日射率 観測によって得られ的な値となり，林床面蒸発量も平均的な値を示すと考えた林床面蒸発量データ数は，間伐前で 10，間伐後は 126る。またα＝0.12 mm MJ-1m2 とした場合には近似直線と大きく異なった。そのため単純に比較することは困難の傾きがほぼ１であるので，図-2 に示した観測値と計算であるが，間伐前と間伐後の平均蒸発量と標準偏差は，値の総計はほぼ等しくなる。つまり長期間での総量を正0.018mm h-10.015mm h-1，0.024mm h-10.016mm h-1

確に評価できると考える。そこでαの値を 0.12 mm MJ-であった。

1m2 として，林床面蒸発量の間伐による林床面蒸発量へ気象露場における全天日射量と 4 ヶ所のプロットにおの影響評価に本モデルを用いる。

ける林床面日射量の月値を用いて，2016 年 8 月～2018

0.10

年 11 月の各プロットにおける相対日射率を求めた（図-0.08

計算値(mm/h)

1）。2017 年 2～3 月に実施された間伐による相対日射率の増加が，全てのプロットで明瞭に認められた。間伐前後における相対日射率の平均は，それぞれ 13％と 43％であった。間伐により相対日射率は約 3.3 倍となった。

0.06
0.04
0.02

70%
0.00

相対日射率（％）

60%

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

観測値(mm/h)

50%

40%

○：間伐前，■：間伐後

30%

点線は，全データに対する直線近似式

20%

図-２．林床面蒸発量の観測値と計算値の比較

10%（α=0.12mm MJ-1m2 の場合）

0%

Fig.2 Comparison between observed and calculated
evaporation rate from the forest floor.
( In case that α= 0.12mm MJ-1m2 )
プロット１

プロット２

プロット３

プロット４

図-１．相対日射率の変動

４．林床面蒸発量の変動評価 図-１に示したように間伐前後での相対日射率の平均値はそれぞれ 13％と 43％

Fig.1 Fluctuations of relative solar radiation ratio.

であった。そのためⅣ-1 で説明した全天日射量データに３．林床面蒸発モデルのパラメータ決定 露場におけ13％と 43％を乗じて，それぞれ間伐前後の状態におけるる降水量データと各プロットにおける林床面日射量の観林床面日射量に変換し，間伐前後それぞれの状態におけ測データから各プロットにおける林床面蒸発量を計算し，る 39 個の林床面蒸発量の年間値を計算した。但し，林林床面蒸発量の観測値との比較を行った。(3)式における床が積雪に被覆されている状態では林床面蒸発は生じなαを 0.12 mm MJ-1m2 とした時の計算値との比較を図-2い。そのため長坂試験地において林床が積雪に被覆されに示す。間伐前後の全ての観測値と計算値を対象に，原ている日が頻発すると考えられる 12 月から翌年５月ま点を通る直線近似式（図-2 の中の破線）を求めたところ，では除外し，６～11 月の間の林床面蒸発量を集計した。

傾きは 0.9964，相関係数は 0.46 であった。ばらつきは各年の林床面蒸発量の平均値と標準偏差はそれぞれ間伐非常に大きいと言わざるを得なかった。これは，林床面前で 73.4mm y-1  2.7mm y-1，間伐後で 191.8 mm y-1 

日射量センサーとマイクロライシメーターの位置におけ6.4mm y-1 であった。間伐により林床面蒸発量は 2.6 倍－143 －前）でも既に 2007 年に間伐を 1 回行っていることが影となった。
５．林床面蒸発量に影響を及ぼす環境因子 本研究に響していると考えられる。

おける結果と，日本における既往報告である（５）による京都府木津川市の山城試験地（落葉広葉樹二次林）と，Ⅵ まとめ（４）による京都市左京区銀閣寺試験地（落葉・常緑広スギ林において実施された間伐により，林床面日射量葉樹の混交林）と比較した。既往報告の値は，本研究には約 3.3 倍に増加したことが観測され，林床面蒸発量は合わせて 6～11 月の期間での値を示す。

約 2.6 倍に増加したと見積もられた。既往報告による値

降水量と林床面蒸発量の関係を図-3（ａ）に示す。長と比較したところ，降水量よりも林床面日射量が林床面坂の値を示す点の上下左右についている線は，1980～蒸発量に強い影響を及ぼしていることが認められた。

2018 年の気象変動パターンによる値の，最大値と最小値

本研究で用いたモデルは，表層土壌の気相中の湿度がの範囲を示している。降水量が同程度であっても，林床約 100%であることを前提としている。日本の森林土壌面蒸発量を示す点は試験地ごとに異なった領域に分布しでは大概妥当な前提であるが，林床面日射量がもっと多ている。それに対し林床面日射量と林床面蒸発量の間でくかつ落葉層が薄い場合や数か月に及ぶ乾季のある地域は，試験地間において正の相関が明瞭に認められる（図に適用する場合には，この前提条件の確認が必要である。

-3（ｂ））。このことは，林床面日射量が林床面蒸発量に強い影響を及ぼしていることを示している。

本研究は環境省による地球環境保全等試験研究費（農1942）により実施された。

250

林床面蒸発量（mm）

(a)
200

引用文献
150

（１）Campbell, G. S. (1985) Soil physics with basic.

100

Transport models for Soil-Plant Systems., Elsevier

50

Science Publishers;, 中野政詩・東山 勇監訳（1987）
パソコンで学ぶ土の物理学，192pp，鹿島出版会，東京．

00500

1000

1500

2000

降水量（mm）

治（2019）間伐を実施したスギ林における冬期樹冠通過降水量の評価．水文・水資源学会誌 32：138-147.

250(b)

林床面蒸発量（mm）（２）金子智紀・野口正二・和田覚・新田響平・澤野真（３）玉井幸治（1997）関西地域における落葉広葉樹二200

次林の蒸発散特性に関する研究．京都大学農学部博士論150

文 96pp．

100（４）Tamai, K., Abe, T., Ito, H., Araki, M. (1998)

50

Radiation budget, soil heat flux and latent heat flux atthe forest floor in warm, temperate mixed forest.

00500

1000

15002000

林床面日射量（MJ m-2）

Hydrological Processes 12：2105-2114.
（５）玉井幸治・服部重昭（1994）落葉広葉樹林におけ□：山城試験地，■：銀閣寺試験地，る林床面蒸発のモデル化と流域への適用．日本林学会誌◆：長坂試験地（間伐前），◇：長坂試験地（間伐後）

76：233-241．

長坂試験地の値を示す点周囲の線は，最大値と最小値の（６）玉井幸治・吉藤奈津子・高橋正義・勝島隆史・後範囲を示す。

藤義明（2019）林床可燃物含水状態の推定モデルによる

図-３．６～11 月の林床面蒸発量と森林火災発生危険日出現日数の算出．水利科学 365：84-降水量(a)，林床面日射量(b)の比較

98．

Fig.3 Comparison between evaporation rate from the（７）田村浩喜・新田響平・和田覚・金子智紀（2019）

forest floor and precipitation (a) and solar radiation on

スギ人工林における 2018/2019 積雪期および 2019 春期

the forest floor (b) (June – November).の樹冠通過降水量．第 24 回東北森林科学大会：41.

長坂（間伐前）が，山城よりも林床面日射量と林床面蒸発量が多いのは，林分の構成樹種の違いと，長坂（間伐－144 －