博士 （ 地球 環境 科 学） 佐藤 軌 文
学位論文題 名Water transport process of air― vegetation―soil systemin the Arctic tundra（北極ツンドラにおける大気―植生一土壌系の水分輸送過程）

学位論文内容の要旨
北 極 域 の ツン ド ラ の 水循 環 過 程 は永 久 凍 土 、表 面 植 生であ るコケ 類、表層 の有機 物層に よって
特 徴 づ け ら れる 。 永 久 凍土 層 の 存 在は 北 極 域 の少 な い 降 水量 に も 関 わら ず 地 下 水位 の 高 い 状態
を 維持 し、土 壌内を 湿潤に 保つ役 割を担 ってい る。ツ ンドラの 地表面 を広範 囲にわ たって 被覆す る
コ ケ類 は葉面 に気孔 を持た ず、蒸 散を行 わない といっ た特徴が ある。 また、 表層の 有機物 層は空 隙が 非常 に 大 きく 、 透 水性は 下層の無 機土壌 層に比べ て非常に 大きい ことが知 られて いる。
陸 面 からの 水損失と しての 蒸発を 考えた 場合、 ツンド ラでは 土壌が 湿潤な環 境にあ るため 、蒸発量は 可能蒸発 量に近 くなる と考え られる 。しか しなが ら、高緯度に位置するため可能蒸発量が小さくな るこ と に 加 えて 、 こ れ まで の 研 究 では 可 能 蒸 発量 に 対する 実際の 蒸発量 の比で ある蒸 発比が 小さく なると報 告され ている ことか ら、実 蒸発量 は小さ な値を示す。また、維管東植物の植生地で水蒸気 輸送 に 対 す る植 物 生 理 の影 響 を 表 す指 標 と し て用 い られる 地表面 抵抗を ツンド ラに適 用した 結
果 、 北 極 域 の植 物 生 理 の影 響 が 強 く表 れ る 維 管東 植 物 の 植生 地 と 同 程度 の 地 表 面抵 抗 を 示 すことが これまでにわかっている。蒸発比が小さくなることや地表面抵抗が大きくなることは、ツンドラにお いて 蒸発抑 制が生 じてい ること が示唆 される が、植 物生理の 影響が 小さい と考え られる ツンド ラの蒸 発抑制の メカニ ズムは これま で明ら かにな ってい ない。
本研 究では 東シベ リアのツ ンドラ におけ る気象 ・水文 観測の結果をもとに、北極ツンドラの水分輸送 過程 の特徴 を明ら かにす ること を目的 とした 。特に 水蒸気交 換面が 存在す る表面 植生で あるコ ケ類を 含む有機 物層の 役割に 着目し 解析を 進めた 。
観 測 は 1997〜 1999年 の夏 期 に 、 東シ ベ リ ア のテ ィ ク シ周辺 部の湿 潤ツン ドラにお いて実 施し、1999年の 集中観 測から 以下の 結果が 得られた 。
1） 地 下 水 位 が 地 表 か ら 5〜

20 cmと 浅 く 、 土 壌 内 は 湿 潤 な 状 態 に あ っ た 。

2） 地 表 に 供 給 さ れ る 正 味 放 射 量の う ち 約 40％ が 蒸 発に 使 わ れ 、そ の 割 合 は夏 期 を 通 じて 大
きな変動 を示さ なかっ た。ま た、潜 熱フラ ックス と顕熱 フラック スと同 程度の 値であ った。
3） 蒸 発 比 は 他 の 湿 潤 ツ ン ド ラ と 同 様 に 小 さ く 0.44と い う 結 果 が 得 ら れ た 。
こ れら の結果は 、土壌 内が湿 潤、か つ十分 なエネ ルギ― が地表 に供給さ れたと しても 、蒸発 に使われ る エ ネ ル ギ ー は 小 さ くな り 、蒸 発 抑制 が 生じ て い るこ と を示 し てい る 。
蒸 発 抑 制の 指 標 と して 地 表 面 抵抗 を 用 い 、抵 抗 を 変 動さ せ る 要 因を 考 察 し た。 地 表 面 抵抗 は 観

測 期間 中、 150〜400sm'lの間を推移し、6月下旬に最大値600sm'lとなった。また、大気の乱流輸送の抵抗で ある空気力学的抵抗に比べ地表面抵抗は2〜6倍と大きく、水蒸気輸送に対して強い影響を及ぼしていることがわかった。さらに、地表面抵抗を変動させる要因を明らかにするために、大気条件（気温、日射、飽差）、表層の土壌水分量との比較を行った。その結果、地表面抵抗と大気側の条件とは関係がみられず、土壌水分量の減少にともない地表面抵抗が増加するという関係がみられた。これらの結果から、湿潤かつ植物生理の影響の小さいコケ類が優位なツンドラにおける蒸発特性は、表層の土壌水分変動によって変化する地表面抵抗の変動によって特徴づけられることが明らかになった。
地表面抵抗を変 動させる表層の土壌水分量は、土壌内が湿潤であるにも閏わらず下層に比べて相対的に小さく、表層の有機物層内には大きな土壌水分勾配が生じていた。有機物層内をコケ類や植物の根によ って構成される表層の植物生活后と下層の泥炭層にわけ、それぞれの水分保持特性を求めた。この解析から得られた主要な結果を以下に示す。
1）泥炭層に比べ 植物生活層は水分の保持能カが低く、同じ水分ポテンシャルであっても植物生 活層 に 保持さ れて いる 水分 量は相 対的 に小 さく なるこ とが わか った。
2）植物生活層と 泥炭層の二重構造をもったモデルを持った水分輸送モデルを構築し水分分布を求めた。その結果、植物生活層と泥炭層の境界で大きな水分勾配が生じ、観測された水分プ ロ フ ァ イル が 生 じ る 要 因 は 植 物 生 活層 の土 壌構 造に ある こと がわ かった 。
3）二重構造モデ ルを用いて、地下水位の変動に対する地表面付近の水分量の関係をみた。地
．下水位が地表面付近にあるときは、地下水位の低下とともに土壌水分量が急激に減少したが、地下水位が構造境界以深になると緩やかな減少傾向を示した。この結果から、地下水位が泥炭層内にあるときには表層の土壌水分 量は相対的に低くなり、融解層内に地下水面が存 在し て い る 場 合 で あ っ て も 表 層は 乾 燥 状 態 に な る こ と が わか っ た 。
これらの結果から、表層の土壌水分量は植物生活層の土壌特性の影響を強く受けており、蒸発に寄与する水分量が表層付近で少なくなることが、地表面抵抗を変動させる要因であることが明らかになった。
さらに有機物層内の 間隙径の鉛直分布を断面写真の画像処理から求めた。その結果、泥炭層に比べて植物生活層の 平均間隙径は大きく、平均間隙径の差が植物生活層と泥炭層の水分保持特性の違いを生じさせる主要な要因であると考えられる。また、植物生活層の水分特性曲線と平均間隙径の関係から、空隙中には蒸発に寄与する毛管カによって保持されている水分量が少ないことがわかった。これは、蒸発が地表面ではなく土壌丙部で起こっていることを示唆している。そこで、水蒸気の平均的な供 給面から地表面までの水蒸気の移動経路の長さ(
Vaporpathlength、VPL)を土壌水分量の関数 としてパラメータ化し、水蒸気の分子拡散係数、地表面抵抗との関係からVPLの 値を 推 定し た。 その 結果 、土 壌水 分量 の減 少と とも にVPLが数mm程度増加す る関係が得られた。このパラメ―タVPLの導入によって、従来の実験式よりも物理的に地表面抵抗を表現することが可能になった。
以上の成果は、これまで研究が不十分であった北極ツンドラの蒸発過程が、空隙が大きく水分保持能カの低い植物生活層の影響を受けていることを明らかにするとともに、地球温暖化に伴う気候変動の影響を強く受ける北極域の気候モデルの改良に貢献する新しい知見を与えるものである。

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学位論 文審査の要旨
主査

教授

大畑 哲夫

副査

教授

福田 正己

副査

助教授

石 川信敬

副査

サブリー ダー山崎剛（（ 独）海洋 研究開 発機構・ 地球環 境観測研 究センター）

学位論文題名Water tr
ansport proc
essofair‑vegetation‑soilsystemin t
he Arctic tundra（ 北極 ツンドラ における 大気―植 生一土壌系 の水分輸 送過程）

北極 域のツン ドラの 水循環過 程は少 なぃ降水 量にも 関わらず 土壌表層 が湿潤 であること により特 徴付け られてい る。地下水位を高く維持させる永久凍土層の存在、広範囲にわ たって表 面を被 覆するが 葉面に気孔を持たないコケ類、また空隙が大きく下層の無機土 壌層に比 べて非 常に大き い透水 性をもつ 表層の有 機物層 が大きな 影響を 持っていると 考えられ ている 。ここで の蒸発特性は高緯度に位置するため可能蒸発量が小さくな
るこ と、及び 可能蒸 発量に対 する実際の蒸発量の比である蒸発比が小さい値をとることが一 般的に知 られて いる。し かしながら、蒸発比が小さくなることや地表面抵抗が大きくな ること、 っまり 蒸発抑制 に関する具体的なメカニズムについての研究は皆無に等しい。 本論文は 東シベ リアのツ ンドラにおける気象・水文観測の解析により蒸発の特徴を見出 し、水分 輸送・ 蒸発モデ ルを用いて地表面抵抗の増大要因を説明することを目指した。
観測 は1997¥‑199
9年の夏期 に東シ ベリアの ティク シ周辺部の湿潤ツンドラにおいて実施 し以下の 結果を 得た。
1） 地 下 水 位 が 地 表 か ら 5〜20cmと 浅 く 、 土 壌 内 は 湿 潤 な 状 態 に あ っ た 。

2）地表に 供給さ れる正味 放射量の うち約 40％が蒸発 に使われその割合は夏期を通じて大き な変動が なかっ た。また潜熱フラックスと顕熱フラックスはほば同程度の値であった 。
3） 蒸 発 比 は 他 の 湿 潤 ツ ン ド ラ と 同 様 に 小 さ く 0．

44で あ っ た 。

これ らの結果 は、土 壌内が湿 潤でかつ十分なエネルギーが地表に供給されたとしても、蒸発 に使われる エネルギ ーは小さ く蒸発抑 制が生じ ているこ とを示して いる。
次に 蒸発抑制 の指標 として地表面抵抗を用い、抵抗を変動させる要因を考察した。観‑218―

測期 間 中 、 地表 面 抵 抗は 150〜 400sm‑lの 間 を 推移 し 、 6月下 旬 に 最大 値 600sm一1となった 。また大 気の乱 流輸送の 抵抗であ る空気 力学的抵 抗に比 べ、地表 面抵抗 は2ヘ6倍と大 きかった 。さら に、地表 面抵抗を変動させる要因を明らかにするために大気条件（気温 、日射、 飽差） と表層の 土壌水分量を比較すると、両者には特定関係はみられず土壌水 分量の減 少にと もない地 表面抵抗が増加するという関係のみが得られた。これらの結果 からこの ツンド ラではコ ケを含む地表下の影響が顕在化し、地表面抵抗を変化させ て い る こ と が 推 測 さ れ た 。 これ は コ ケの 地 表 面被 覆 率 が 高い こ と と一 致 す る。
次に地 表面下の 水分輸 送・蒸発過程の検討を上記の観測データを用いて行った。その際、有 機物層を コケ類 や植物の 根によっ て構成 される表 層の植 物生活層 と下層 の泥炭層に分 け、画像 処理か ら間隙径 の鉛直分布を求めた結果、泥炭層に比べて植物生活層の平均間 隙径が大 きいこ とが分か った。さらに土壌中の水分輸送についてモデルを用いて解析を 行うと
1） 植物生活層と泥炭層の境界で大きな水分勾配が生じ、観測された水分プロファイルが生じる 要因は植 物生活 層の土壌 構造に ある。
2） 融解層内 に地下水 面が存 在してい る場合 であって も表層は乾燥状態になることがわかった 。
これら の結果か ら表層 の土壌水 分量は植物生活層の土壌構造の影響を強く受けており、蒸発に 寄与する 水分量 が表層付 近で少な くなる ことが地 表面抵 抗を大き くする 第一の要因で あること が明ら かにした 。次に最表層での蒸発過程を検討した。植物生活層の水分特性 曲線と平 均間隙 径の関係 から、空隙中には蒸発に寄与する毛管カによって保持される水 分量が少 なく、 蒸発が地 表面ではなく土壌内部で起こっていることを示唆する結果を得 た。そこ で、そ の距離を 定量的に把握するために、水蒸気の平均的な供給面から地表面 までの水 蒸気の 移動経路 の長さ(Vaporpathlength、VPL)を考 えその 値を推算した と こ ろ 、VPLは10mm
程 度であ ること が分かっ た。こ れが地表 面抵抗を 高くす る第二の原 因である ことを 明らかに した。
本研究 の前半の 観測と 解析は、従来指摘されている傾向を東シベリアのツンドラについて追 認するも のであ った。本 研究の特徴は後半部にあり、コケに覆われた地表下の土壌構造 特性を調 べるこ と、また 水輸送モデルにより現象を解明することによって大きな地表面 抵抗をも たらし ている物 理過程を具体的に説明することができた。これらの結果は、今 後の北極 域の陸 面モデル の改良に 貢献す る新しい 知見を 与えると 考えら れる。
審査委 員一同は 、これ らの成果を高く評価し、大学院課程における研鑽や取得単位などもあ わせ申請 者が博 士（地球 環境科学）の学位を受けるのに十分な資格を有するものと判定 した。

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