東シベリアにおける水 ･ エネルギー ･炭素循環に関する研究
太田岳史・小谷亜由美

Siberia 11））がある。これらの研究では，北方林生態1． 研究の背景

系が WEC 循環に与える影響を評価することが試み

地球上に森林は 30% の面積を占めており，熱帯られている。これらにより，WEC 循環の定量的評林，温帯林，北方林に分けるとその面積は，ほぼ等価が行われ，さらにそれらの時空間分布特性とそのしい。森林の炭素蓄積は陸域で最大であり，その量影響評価，より広域へスケールアップするモデル研は 2,260 PgC にのぼっている。そして，森林は水 ･究の発展が求められた。

炭素循環を通して，森林がない時よりも穏やかな環境条件を形成している。

本稿では，東シベリアの陸面過程について，レナ河流域の森林を対象とし，主に融雪期から秋期まで北方林と比較して熱帯林や温帯林では，環境変動の陸面フラックスの観測結果を報告する。と水・炭素循環との関係について十分な解析が進ん

2． プロジェクトの概要でいる。東南アジアやアマゾンなどの熱帯林での地上観測により，Kumagai ら 6），Betts ら 1） などが多
1）

研究対象領域は，東シベリアの永久凍土帯に位置くの成果を挙げてきた。そのなかでも Betts ら は，するレナ河流域である。森林構造の異なる 2 ヶ所のアマゾンにおいて急激な環境変化が，森林と地元産カラマツ林において，フラックス観測，気象環境観業の変化に及ぼす影響に関して言及している。ま測を実施している。

た，ヨーロッパの温帯林において 2003 年の夏に生第 1 の地点は，レナ河中流部に位置するヤクーツ

じた大規模な干ばつ，熱波が，森林での二酸化炭素

クの北方，約 20 km のスパスカヤパッド実験林（62°2）交換に及ぼす影響が解析されている 。

15 ′N, 129 °14 ′E， 標 高 220 m a.s.l.） で あ る。1996

北方林では，水 ･ エネルギー ･ 炭素（WEC）循

年に高さ 32 m の観測タワーが立てられ，1998 年か環での特徴として，寒冷気候に適応した植生と寡ら観測を開始している。地形は北向き斜面であり，雨，積雪，永久凍土などとの関係が重要である。寒ほ ぼ 平 坦 で あ る。 観 測 サ イ ト の 土 壌 は，sandy

冷圏での大気・陸面相互作用の理解を深める研究とloam である。年平均降水量は 230 mm，年平均気温

し て は， 北 ア メ リ カ に お け る Boreal ecosystem-

は−10℃である。主な上層植生はカラマツ（12）atmosphere study（BOREAS ），スカンジナビア）であり，立木密度は 1998 年には 840 本−1であったが，2011 年には 740 本 ha−1 と減少し

半 島 に お け る Northern Hemisphere Climate Pro-

hacesses Land Surface Experiment（NOPEX 3）） 等ていた。植物面積指数（PAI）は，観測期間では 1.50がある。本研究で対象とするシベリアでは，Ter-〜1.56 の値で変化が小さかった。また上層木（上位restrial Carbon Observation System-Siberia（TCOS-10%）の平均樹高は 20 m である。1998 年当時の下

Takeshi Ohta, Ayumi Kotani : The Studies of the Water/Energy/Carbon Cycles in an Eastern Siberia
名古屋大学生命農学研究科
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層植生はコケモモ（）が主力であったが，後述する 2005‑8 年以降の土壌湿潤化に伴い植生変化が起こり，2011 年には低木と耐湿性に優れた草本が進入してきている。下層植生の量に分離して解析に用いた。

3． 現在までの結果
3‑1

PAI は，1998 年は 2.00，2011 年には 1.86 となった。

スパスカヤパッドにおける WEC 循環に関する現在までの成果

第 2 の地点は，レナ河支流であるアルダン川沿い

1998〜2011 年までの気象状態は，以下のようでの町であるウスティ ･ マヤ（ヤクーツクの南東，約あった。降水量については，1998〜2000 年と 2009

300 km）の南西 60 km にあるエルゲイ（60°55′N,〜2011 年は総降水量が 200〜240 mm 前後で平年並133°28′E, 標高 256 m a.s.l.）である。2009 年に高さみ，2001〜2004 年は約 110〜170 mm 前後で渇水状

34 m の観測タワーが立てられ観測を開始している。

態，そして 2005〜2008 年は約 300〜330 mm の豊水

地形はほぼ平坦であり，土壌は podzol である。年状態であった。このような降水状態の変動に対し平均降水量は 290 mm，年平均気温は−10℃である。て，大気状態は，純放射量，気温，飽差とも大きな

年平均気温はスパスカヤパッドとエルゲイでは変わ変動はなく，ほぼ平年値を保っていた。ところが地らないが，年平均降水量はエルゲイの方がスパスカ

表下の状態は，地温，土壌水分量とも変動していた。

ヤパッドより 25〜30% ほど多い。主な上層植生は120 cm までの地温は，最高地温はあまり変化しなカラマツ（いが，マイナスを示す最低地温が変化した。最低地）であり，PAI は 2.1 で−1ある。また，立木密度は 1040 本 ha ，上層木の平温は 1998/99〜2003/04 年と 2009/10〜2010/11 年の

均樹高は 25 m である。下層植生は，1998 年のスパ変化は小さかったが，2004/05〜2008/09 年には上スカヤパッドに似ており，コケモモが主力である。

昇していた。土壌水分量は 1998〜2000 年と 2010〜

下層植生の PAI は 0.8 である。

2011 年はほぼ平年並みに変化したが，2001〜2004

スパスカヤパッド，エルゲイともにほぼ同じシス

年は乾燥状態を示し，2005〜2009 年は湿潤状態をテムを用いて，気象環境の観測が行われている。気示した。このような環境変動が，スパスカヤパット

象要素は，大気側の成分として短波放射収支量（下の森林の WEC 循環にどのような影響を与えるかを向き，上向き），長波放射収支量（下向き，上向き），見てゆく。

光合成有効放射量（上向き，下向き），気温，湿度，

図 1 は，1998 年の熱収支構成（上 ; 純放射量と風向，風速，地表下成分として地温，土壌水分量が地中熱流量（融雪熱量を含む），中 ; 潜熱 ･ 顕熱フ計測された。降水量は 4 月下旬から 10 月上旬まで

ラックス，下 ; ボーエン比）を示している。なお，計測した。

下の横棒グラフは，地表面状態を示している。潜熱

潜熱フラックス，顕熱フラックス，二酸化炭素フフラックスは融雪期にあたる 5 月上旬までは増加せラックスは，渦相関法によって測定されている。渦ず，カラマツが新葉を展開する 5 月下旬から 6 月上相関法とは，鉛直風速と大気中の水蒸気密度および旬に急激に増加する。この時期は，根系の 80% が二酸化炭素密度の変動を計測し，単位面積あたりの分布している−10〜−20 cm 深の土層が融解し始水平面を通って鉛直方向に運ばれる単位時間当たりめ，土壌水が急激に樹木内を上昇する時期と一致すの潜熱フラックス，顕熱フラックスおよびに二酸化る。この時期の純放射量は夏至前のため増加してい炭素フラックスを求める方法である。測定された二るが，顕熱フラックスは減少している。このように酸化炭素フラックスは，森林生態系全体からの呼吸

融雪は樹冠上の熱収支構成には効かず，展葉によっ放出量と光合成吸収量すなわち第一次生産量との差てフラックスの大きさと季節変化が決まっている。

であり，正味の二酸化炭素吸収量を表す。本研究でまた，図 1 下のボーエン比の経時変化を見れば，

7）

は経験的モデル式 などを用いて，呼吸量と光合成海外の森林と林業U字型を描いている。春，秋のボーエン比が増

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図 2

1998 年から 2006 年のスパスカヤパッドでの水収支（Ohta., 2008）

る，年々変動はどのようになっているのかを示したものが図 2 である。図 2 によれば，1998〜2006 年の年降水量は 111〜347 mm になっており，特に 5〜9 月の変動が大きい。降雨遮断量も含めた蒸発散量は 169〜220 mm となっており，年降水量に比べ
図 1

1998 年 4 月から 9 月におけるシベリア ･ スパス
カヤパッド ･ カラマツ林上における熱収支（Ohta., 2001） 上 ; 純放射量と地中熱流量 中 ; 顕
熱フラックスと潜熱フラックス 下 ; ボーエン比。
棒グラフ ; 地表面状態

ると年による変動が小さい。そして，乾いた樹冠から の 蒸 発 散 量 は 1.49〜2.30 mm day−1 に な っ て いる。Zhang ら 15） は，永久凍土地帯を含んでいない
250 流域の年降水量と年蒸発散量の関係を調べている。それによれば，年降水量が多い範囲では年蒸発散量はあまり変化を示さないが，年降水量が 500加する時には 10〜20 の値を取るのに対して，夏期mm year−1 以下の地域では年蒸発散量は急激に減は 1 前後の小さい値を取る。これは，北方林では，少している。永久凍土帯にあるスパスカヤパッドの

春と秋には土壌の凍結のため，蒸発散に用いる水が111〜347 mm year−1 の年降水量を，Zhang ら 15） の十分に得られず，大気中への水蒸気の放出が制限さ関係に与えると 110.7〜337.9 mm year−1 の蒸発散量れることを示している。そして，夏になると蒸発散が算出される。しかし，実際の年蒸発散量は 169〜の活性化により十分な水蒸気が放出され，ボーエン220 mm であり，蒸発散量の変動は永久凍土のない比は 1 前後になる。熱帯林のボーエン比は 0.1〜0.3地域よりも小さくなっている。このように，永久凍前後の低い値13）であるのに対して，北方林ではシベリア以外の森林（例えば，Seller., 1997）も土が水循環に大きな役割を持っていることが示唆される。

含め 1 前後のボーエン比となることは注目される。

このような水収支特性を持つスパスカヤパッドのこのような水収支の季節変動をする森林におけ

WEC 収支特性が，どのように変化するのかを示し

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図 4

スパスカヤパッドを含む 4 森林における群落コンダクタンスの実測値と計算値の比較（Matsumoto., 2008）が分かる。つまり，2005 年に降水量が増加し始め，2007 年に蒸発散量が，2008 年に二酸化炭素が低下し始める。
次に，森林の蒸発散特性を，Penman-Monteith
式中の群落コンダクタンス（Gs）で表す事とする。
図 3

表層土壌水分量と a．表面コンダクタンス（上），b．総 1 次生産量（下）の関係（Ohta., submitted）

Gs に関しては，Matsumoto ら 8） が図 4 に示すようにスパスカヤパッドを含めた温帯までの 4 サイトを比較し，すべてのパラメータが 1 つの共通の式で表される可能性を示した（pooled model）。このようたものが，図 3 である。図 3a は 0〜−50 cm までのに ス パ ス カ ヤ パ ッ ド に お い て は， 森 林 に お け る

表層土壌水分量と Penman-Monteith 式により計算

WEC 循環に対する基本的特性が集められつつある。

される群落コンダクタンス（Gs : 群落コンダクタン
スとは，生理的応答特性を示すものであり気孔の開閉度を示す）の関係を，図 3b は表層土壌水分量と3‑2

スパスカヤパッドとエルゲイにおいて比較した WEC 循環の現在までの成果

総 1 次生産量（GPP）の関係を示している。両図と2 ヶ所のカラマツ林，スパススカヤパット（SPA）

も 1998 から 2006，2007 年までは 1 本の直線で関係とエルゲイ（EGL）にて 2010‑12 年の 5‑9 月に観測が近似されるが，それ以降は違う直線で近似される

さ れ た 蒸 発 散 量（ET）， 正 味 二 酸 化 炭 素 交 換 量ことが分かる。2007，2008 年以降の直線はそれ以（NEE）と総 1 次生産量（GPP）の季節変化を図 5前の直線と比べて，同じ表層土壌水分量に対して，に示す。いずれのサイトでも，6 月下旬から 7 月にGs あるいは GPP が下回る関係であることが分かかけて蒸発散量は最大となり，NEE と GPP の春期る。これは気象条件のところで述べたとおり，2005の増加は蒸発散量よりも急激であった。フラックス〜2008 年にわたり降水量が増加し，2009 年まで表のピーク以後は，秋に向かって増加時よりも緩やか層土壌水分量が非常に高かったことが影響しているに減少した。夏期森林蒸発散量の 2 サイトの違いはと考えられる。また，Gs と GPP では，第 1 の直線小さかったが，GPP は EGL のほうが 1.3 倍程度大から第 2 の直線へ乗り移る時期が異なっていることきかった。2 サイトで GPP が異なる原因として，海外の森林と林業

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図 5

蒸発散量，正味二酸化炭素交換量，総一次生産量の季節変化
1 点は 5 日平均値を表わす。白色がエルゲイ，黒色がスパススカヤパットを表わす。

気象条件や土壌水分条件，植物の活性度の違いが考えられるが，気象条件の違いは小さく，GPP の違いの主要因は植物量の違い（EGL での PAI であらわされる地上植物量は SPA の約 1.5 倍）であると考えられる。
GPP と気象条件との関係を比較すると，SPA では強光条件では GPP が飽和するのに対して，EGLでは光飽和せずに GPP が増加した（図 6）。これらの群落の主要樹種であるカラマツとカンバの個葉レ

図 6

総一次生産量と光合成有効放射量の関係
1 点は 30 分測定値を表わす。曲線は年ごとに作成したフィッティング曲線を表わす。

ベルの光合成光応答曲線を比較すると，カンバは光合成有効放射量が約 500μmol m−1 s−1 で光合成量がほぼ一定となったが，カラマツは光合成量の光飽さくなる可能性がある。2 サイトの林内の光環境を和が明確ではなかった。このようなカラマツとカン比較すると SPA では EGL よりも樹冠透過日射量

バの特徴は中央シベリアの森林でも観測されていが多いことから，SPA では中・下層のカンバの活4）る 。

性が高くなることが考えられる。

また，カラマツの葉内窒素濃度は EGL のほうが14）

GPP に 2 サイト間での違いがみられたのと対照

SPA よりも大きい 。これらより，EGL では SPA的に，蒸発散量の違いは小さかった。観測期間におと比較してカラマツによる CO2 吸収の寄与が大きける 2 サイトでの夏期降水量の違いが小さかったこ

いと考えられる。2 サイトとも上層樹冠はカラマツとがその主な原因であると考えられる。さらに，により構成されているが，SPA ではカラマツの樹2005 年以降の林床蒸発が森林全体の蒸発散量にし木密度は小さく，またその一部（33 本）が枯死・

め る 割 合 が SPA で は 50‑60% で あ る の に 対 し て未着葉であることからカラマツの寄与が相対的に小EGL では 20‑40% であり，GPP と蒸散量が比例関

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係にあると仮定すると，樹木の蒸散量の違いを林床研究と本報告ではふれなかったモデル解析研究がお蒸発が補って水収支の地域間差を小さくしたと考え互いを支え合うようにして現在の知見を増やしていられる。また，2 サイトでの表層（−10 cm）とカくような活用が望まれる。

ラマツ吸水深度の中心（−20 cm）の土壌水分量の変動にも違いが表れた。2 サイトとも融雪および表謝辞

層凍土の融解による顕著なピークは秋に向かって土この研究は，Global Energy and Water Cycle

壌水分は減少したが，SPA では−20 cm よりも−10Experiment ─ Siberia （GAME-Siberia），Corecm の減少が著しく EGL では逆であり，林床と中・Research for Evolutional Science and Technology

上層樹木の蒸発散への寄与率の違いが裏付けられ/ Water and Energy Cycles in Northern Forestる。また，土壌の違い（SPA では砂質成分が多く（CREST-WECNoF），Research Institute of Humani-

土壌水の保持力が小さい）も土壌水分変動および植ty and Nature ─ Siberia（RIHN）および名古屋大5）

物の水利用の違いの原因となると考えられる 。

学 グ ロ ー バ ル GCOE プ ロ グ ラ ム「 地 球 学 か ら 基
礎・臨床環境学への展開」からの財政的な援助を受

4． 今後の方向性けた。

これまでの研究から，スパスカヤパッドに関しては，15 年分の水 ･ 炭素循環のデータに基づき，1）
カラマツ林での WEC 循環の基本的変動，2）2007，〔引用文献〕 1）Betts., (2008) mineral dust andisoprene and air quality through fluxes of carbon
dioxide, water, energy, mineral dust and isoprene. Phil.

08 年から森林全体の WEC 収支の変容，3）カラマTrans. R. Soc. B 2008 363, 1873‑1880.

ツを中心とする上層植生と下層植生の WEC 収支の(2005) Europe-wide reduction in primary productivity違い（本稿では触れていない）などが明らかになっcaused by the heat and drought in 2003. Nature, 437,

た。スパスカヤパッドとエルゲイの森林による水 ･529‑533.

炭素交換の相違に関しては，4）両森林における蒸carbon exchange in a boreal forest landscape ‒ NOPEX

発散特性の違いは小さいが，二酸化炭素特性には違いがみられ，エルゲイの方がスパスカヤパッドより1.3 倍の吸収がみられたことなどが明らかになった。
今後の方向性としては，地球環境の温暖化が進行

3）Halldin2）Ciais.,., (1997) Energy, water andexperiences. Argic. For. Meteorol., 98‑99, 5‑29.
Koike4）., (2010) Photosynthetic charcteristics of trees

and shrubs growing on the north- and south-facing
slopes in central Siberia. Osawa, A.,., ed. : Perma-

frost Ecosystems : Siberian Larch Forest. Ecol. studies.

するなかで，東シベリアの北方林がどう適用するのSpringer, vol. 209, 273‑287.

かを見ていきたい。つまり，温暖化に伴い，気温やTemporal variation in the linkage between the net eco-

降水量の経年変動において，年平均値のみではなくsystem exchange of water and CO2 over boreal forest in

最高値，最低値の幅が広がる傾向にある。その中でeastern Siberia. Ecohydrology, in press.

スパスカヤパッドは降水量が大きく外れる傾向にあり，湿潤化による生態系への変動が顕在化しつつある。また，エルゲイは観測年が 4 年と短いためこの

5）Kotani., (2013)

6）Kumagai., (2004) Transpiration, canopy conductance and thedecoupling coefficient of a lowland mixed dipterocarp
forest in Sarawak, Borneo : dry spell eﬀects. J Hydrol.,287 (1‑4), P237‑251.

7）Lloyd, J. and Taylor, J.A.,

ような傾向は見られていないが，短 ･ 中期的な乾燥(1994) On the temperature dependence of soil respira-化あるいは湿潤化が出現する可能性がある。つまtion. Functional Ecology, 8, 315‑323.

8）Matsumoto

り，北半球高緯度地帯においては，乾燥化のみでは., (2008) Response of surface conductance to forest

なく湿潤化への森林生態系の応答が顕在化すること

environments in the Far East. Argic. For. Meteorol., 148,が考えられる。

1926‑1940.

このような北半球高緯度帯においては，現地観測
海外の森林と林業

9）Ohta., (2001) Seasonal variation in

the energy and water exchanges above and below aNo. 89（2014）43

larch forest in eastern Siberia. Hydrol. Process., 15. 1459‑

the 1994 ﬁeld year. Bull. Am. Meteorol. Soc., 76, 1549‑1476.

1577.

10）Ohta., (2008) Interannual variation of13）Shuttleworth., (1984) Eddy correlationwater balance and summer evapotranspiration in anmeasurements of energy partition for Amazon. Q J Roy

eastern Siberian larch forest over a 7-year period (1998-Meteorol. Soc., 110, 1143‑1162.

2006). Argic. For. Meteorol., 148, 1941‑1953.

11）Schulze

on radial growth and carbon isotope ratio of larch in., (2002) The Eurosiberian transect : an introduction

taiga of northeastern Siberia. Ph. D thesis, Hokkaido

to the experimental region. Tellus, 54B, 421‑428.

12）14）Tei, S. (2013) StudyUniversity, Sapporo, Japan.

15）Zhang., (2001)., (1997) The boreal ecosystem-atmosphereResponse of mean evapotranspiration to vegetation

study (BOREAS) : an overview and early results fromchange at catchment scale. Water Res. Res., 37, 701‑708.

Sellers［お知らせ］第 88 号記事
第 88 号の記事「国際セミナー報告アクション

訂正とお詫びパラグアイにおける天然林や環境の保全・管理のための─炭素蓄積量推定のためのツール─」高橋正義・ルイス アルベルト ベガ イスワ

イラス（p50〜53）に誤りがございましたので，下記のとおり訂正いたします。
P50

右段最下行 （誤 : 下線部）
「照葉樹のような森林（太平洋森林）」 （正）大西洋

P52

右段 14 行目 （誤 : 下線部）
「パラグアイ東部の太平洋森林」（正）大西洋

読者の皆様に大変なご迷惑をおかけしましたことを深くお詫び申し上げます。

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