広域評価特集
解 説125Lectures., March 2013, Vol. 123, 125 ‒ 128

広域評価の不確実性と可能性
木村園子ドロテア 1
Uncertainty and possibility of Regional assessment
Sonoko Dorothea KIMURA1

1. 広域評価の目的

2. 測定手法による制約

環境問題の多くは，発生源ならびに影響範囲が面的な物質循環における広域評価の最大の目的が，時空間的広がりを有するという特徴を持つ．温室効果ガスについな広がりにおける物質循環の把握であるとすると，そのて考えてみると明らかなように，温室効果ガスの影響は，最大の課題は，対象をいかに正確に測定するかというこそのガスが発生した地点のみに影響するのではなく，地とに尽きよう．現代は科学分析が躍進しており，様々な球全体の気候変動の要因となりうる．特に，農業生産活測定手法が開発されている．たとえば，純生態系生産物動に深くかかわる窒素は，酸化数がアンモニア（NH3）（NEP：Net Ecosystem Production）は，衛星画像の三の状態では−3，五酸化二窒素（N2O5）の状態では＋５次元解析によって，炭素の蓄積量の変化から測定すること変化し，様々な分子として存在するため，生態系内でとができる（Patenaude et al.，2005）．この方法の利点

様々なバイオジオケミカルなプロセスに関わり，形態をとしては，ある面的な広がりを外挿することなしに把握

変 え な が ら 広 い 範 囲 に 影 響 を 及 ぼ す（Galloway and

することができることであり，土地利用や植生の空間分

Cowling，2002）．農業生産現場では，窒素肥料として布を捉える上では最も有効な方法であるといえる．それ施用したものが，施用した形態で施用した地点に残る割に対して，この方法の欠点は，対象地の上をめぐる衛星合は未だに多くの場合 30 ％程度と非常に小さく，空気の周期に影響されるため，高精度の画像を頻繁に得るこ中，地下，横へと広がっていく（Deng et al.，2012）．とが難しいことがあげられる．解析結果はある時点にお面を対象とした 2 次元的な広がりに加え，このような 3

けるスナップショットであり，土地利用等の変化は数か次元的な動きがどれぐらいの時間で生じているかを把握

月から数年単位の粗い時間軸でしか追うことができなすることも必要となってくる．したがって，物質循環にい．時間軸の問題は，航空画像等を使うことによりある

関する環境問題を扱う際，物質の動きを時空間的な広が程度解決することができるが，コスト面から考えるとまりを持って解析することが不可欠である．物質循環の時だ制約されている．

空間的な広がりの把握，それがすなわち広域評価である．

フラックスタワーでは，ボーエン比法，緩和渦集積法

近年，広域評価という概念が一般的に使われるようにや渦相関法により二酸化炭素のフラックスを測定するこなった．発生源を解明し，発生量低減策を講じることがとにより，NEP を非常に細かい時間軸で測定すること環境問題の解決につながるとして，広域評価への期待がが可能である（Baldocchi et al.，2001）．時間の解像度高まっている．また，現状における環境問題の解析のみは数ナノ秒にまでおよぶ．いずれの手法にせよ，測定地ではなく，将来における影響を予測することにより，環点は，植生の 2 倍以上の高さにあることが望ましいとさ境負荷を最小にする成長シナリオを提案することも広域れており，通常，森林では数十メートルの高さに，草地評価に求められていることである．しかし，期待が高まや農耕地では 1 〜数メートルの高さに設置されている．

る一方，広域評価において得られた結果がどのような前測定地点の周辺は，平らであり，均一な植生があること提において算出され，どの程度の一般性を有するか，まが測定結果の正しい解釈の前提となっている．必要とさたどの程度の不確実性を有するか等の特徴および問題点れる平らで均一な植生は，測定地点の高さにより 100 mに関する検討および議論は未だ少ないように思われる．

〜数 ㎞ に及ぶ（Baldocchi，2003）．測定地点の二酸化本報では，特に物質循環に関する広域評価の不確実性に炭素濃度は，周辺の植生の上空の二酸化炭素濃度の平均焦点を合わせて考察をしていく．

である．そのため，面としての平均値として扱えられる利点を有すると同時に，微小な土壌条件の違いや植物の1Tokyo University of Agriculture and Technology, Tokyo 183 ‒8509, Japan.
Corresponding author ： 木村園子ドロテア，1 東京農工大学大学院
農学研究院
2012 年 12 月 10 日受稿，2013 年 1 月 25 日受理
土壌の物理性 123 号，125 ‒ 128（2013）

生育条件の不均一性等による空間変動を捉えることはできないという欠点を有する．
NEP に土壌条件を直接反映できる測定方法は，クローズドチャンバーやダイナミックチャンバー等を用いる測定手法で，生態学的手法と呼ばれる（Nakano et al.，

土壌の物理性 第 123 号（2013）

1262004）．チャンバーに植生を含めた測定では，NEP が直ぴょう性を左右する（Kroeze et al.，2003）．データが接測定できるが，土壌呼吸のみを測定し，純一次生産物不足している場合も多く，広域の対象全てを測定するこ（NPP：Net Primary Production）は，植物のバイオマとができないという制約も多くの場合存在する．また，ス量の変化より求め，バイオマス炭素量から土壌呼吸量一番データの蓄積があるのが圃場レベルなのに対して，を差し引いて NEP とする例もよく見かけられる（Hu必要とされているのは広域レベルにおける推定であるたet al.，2004）．より直接的な値が得られるため，解釈がめ，圃場データを用いて広域を推定せざるを得ないことしやすい手法であると言えるが，この手法の問題点は，が，広域評価の結果を不確実にしている主な要因である空間変動に強く影響されすぎることである．空間変動をと指摘されている（Williams et al.，2001）．圃場レベル加味してある測定地点の代表性を確保するには，数多くのデータを広域レベルに使用するには，なんらかのモデの反復が必要であることが空間解析の研究により度々指ルを使用する必要があり，対象とする物質フローによっ摘されてきた．たとえば北海道の草地では亜酸化窒素のては，抜け落ちているプロセスがある可能性があるため放出量の場合，測定値が母集団の平均の± 20 ％以内にである．このような不確実性を反映して評価を行うこと95 ％の確率で入るためには 6 月では 480 点，8 月にはが，近年，ますます重要になっている．

710 点 の サ ン プ ル 数 が 必 要 と な る（Katayanagi and

不確実性の定量化には，まず，パラメータの不確実性

Hatano，2005）．この数は現実的ではなく，3 〜 5 反復解析（parameter uncertainty analysis）がある（IAEA，で終わってしまうのが一般である．またチャンバーの新1989）．これは，インプットデータを変化させて，評価たな設置による土壌のかく乱，チャンバーを設置し続け結果の変動幅を調べる方法で，感度分析（Sensitivityたために生じるチャンバー内の土壌環境の変化等によAnalysis）ともいえる．モデルで使われている係数や構り，測定地点の土壌条件も変化してくる危険が避けられ造の不確実性を扱うものではなく，使用するデータの不ないという欠点も有する．

確実性について評価するものである（Heywood et al.，

対象とする時空間スケールにより，方法だけでなく，2006）．感度分析は不確実性の評価にしばしば使われる対象となるみかけの要因も変化する．たとえば，微生物が，モデルの構造に依存するため，評価結果はモデルのレベルでは，脱窒は酵素の活性を左右する酸素，基質と不確実性の評価であることを加味する必要がある．

なる硝酸態窒素，エネルギー源となる炭水化物の有無にモデルを広域で使用する際に注意しなければいけない

よって左右される（Lark et al.，2004）．圃場レベルとのは，モデルで使用されているプロセス式が，スケールなると，酸素の有無は土壌水分状態に，硝酸態窒素量はに依存していないか，という点である（Finke et al.，

窒素の供給源としての施肥に，炭水化物は残さの管理法

1999）．前述のとおり，対象とするプロセスは，時空間や有機質資材の施用による炭素の供給量によって説明すスケールによって測定手法も抽出されるパラメータも変ることができる（Toma and Hatano，2007）．同一の土化するためである．たとえば，DNDC−Forest を異な地利用条件下の複数の圃場を含む中小域レベルでは，土るスケールで評価した結果，モデルはスケールに依存せ壌水分状態は土壌タイプによって影響され，窒素や炭水ず，ユーカリの生育を評価できることが示された（Miehle化物の供給量は，土壌条件の違いによる代謝分解過程にet al.，2006）．その一方，流域レベルの水分状態の変動よって決まる（Mu et al.，2008）．広域レベルとなると，はスケールにより直線状に変化するわけではないため，土壌タイプ，窒素や炭素の代謝分解過程は，地理条件，水分状態の解像度により，結果が大きく影響されること土地利用や管理法，生物相，気候条件等の違いによってが示された（Heuvelink，1998）．使用するデータの空間変わってくる（Tian et al.，2010）．微生物レベルでも，変動の精度が，広域評価結果の精度に最も影響するとい

広域レベルでも，脱窒プロセスを左右する基本メカニズ

うことは，他の研究例でも指摘されており（Heuvelink，ムは同一であるが，それを決定づける要因は異なる因子

1998；Williams et al.，2001；Baginska et al.，2003），デーによって説明することができるのである．

タベースの精度が非常に重要であることがわかる．

このように，同じプロセスであっても，対象とするスケールにより，測定手法が異なり，測定される時空間的4. 不確実性が示す広域評価の可能性な広がり，その解像度，解析される要因が異なってくる．

不確実性は，誤差伝搬の法則（Freibauer，2003），可広域レベルでは，すべての現象や要因を測定することは能な最大値・最小値の範囲（Tonitto et al.，2007）また，不可能である．対象とするスケールの下位レベルで行わ

モ ン テ カ ル ロ シ ミ ュ レ ー シ ョ ン（De Vries et al.，

れた測定結果をスケールアップに使用する際，この点に2003；Kimura et al.，2007）などの方法により定量的に特に注意する必要がある．

把握することができる．しかし，不確実性を定量した結3. 不確実性の要因

果は，まだうまく生かされていないように思われる．たとえば，DNDC‒Region モデルで広域評価をおこなった

広域レベルの物質循環の定量的な把握には，様々な質場合，最大値と最小値を得ることができる．しかし，図のデータを使用しなければならない．前述のとおり，測示されるものは，一般的に平均値でしかなく，最大値・定手法による違い，測定における誤差，時空間の変動，最小値，変動幅のデータはおもてに出ることが少ない．

使用するデータの代表性といった要因が推定結果の信IPCC で求められる各国の温室効果ガス排出量の推定値

広域評価特集 解説：広域評価の不確実性と可能性

Fig. 1

127

広域評価をめぐる研究分野のネットワーク（Kimura et al. 2009 より改変）．

も，標準誤差を付けることが義務付けられているが（IPCC，2006），削減策の解析には変動誤差を含んだ議論はわずかしかない（Yan et al.，2009）．変動幅を出すことは，データを収集するうえでも，解析をおこなう上でも，非常に労力を必要とするが，それに対して得られる成果がそれ相応に使われないという事実も不確実性の把握に二の足を踏ませているようである．
変動幅には，平均値だけでは得られない情報が多く含まれている．たとえば，閾値を定めた場合，その閾値を上回る確率を求めることができる．イギリスで酸性化をもたらす窒素沈着を推定した結果では，48 ％の地点では，酸性化の閾値を上回るか下回るか不明であったのに対して，窒素負荷の閾値については 98 ％の地点が閾値を上回る確率が 95 ％以上と示され，窒素負荷の軽減が緊 急 課 題 で あ る こ と が 示 さ れ た（Heywood et al.，2006）．また，広域評価モデルの結果より，モニタリン
グで必要とされるプロセス，測定が必要な項目を抽出することも可能である．
誤差範囲として示される結果の変動幅は，観測作業自体・サンプル保管状態や分析機器の感度といったものに影響を受けている可能性もあるが，解析段階では見落としている何らかの要因によって影響されている可能性もある．前者の場合には観測〜分析の手続きを精緻化したり，分析機器の測定精度を上げることが求められ，後者の場合は，さらなる調査によりその要因を明らかにしていくことが求められる．変動幅を含む結果は，今後どのような研究が必要であるかを暗示しているのである．広
域評価は，様々な研究分野のネットワークによって成立する（Fig. 1）．広域評価の必要性が増している今，研究分野間の連携を深め，結果の解釈方法，使用方法に不確実性を定量的に含め，解析に反映していくことが，広域評価の結果の精緻化，ならびに，モニタリング手法の改善，新たな研究対象の発掘につながる研究リンクのカギとなるのではないかと考えている．

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要旨

物質循環に関する環境問題を扱う際，物質の動きを時空間的な広がりを持って解析することが不可欠であり，物質循環の時空間的な広がりの把握，すなわち広域評価が求められている．
広域評価では，まず，測定手法による制約が存在する．測定手法は，それぞれの手法特有の利点および欠点を有し，対象とする時空間スケールが限定される．どのスケールを目的とするかによって，手法を選ぶことが求められる．対象とする時空間スケールにより，測定手法だけでなく対象となるみかけの要因も変化する．広域レベルでは，すべての現象や要因を測定することは不可能であるため，対象とするスケールの下位レベルで行われた測定結果をスケールアップに使用する際，この点に特に注意する必要がある．測定手法による違い，測定における誤差，時空間の変動，使用するデータの代表性といった要因は，広域評価の推定結果の信ぴょう性を左右する．その結果，生じる不確実性については，誤差伝搬の法則，可能な最大値・最小値の範囲，モンテカルロシミュレーションなどによって定量化をすることが可能である．変動幅には，平均値だけでは得られない情報が多く含まれており，今後の研究の発展へ結びつく可能性がある．広域評価の必要性が増している今，研究分野間の連携を深め，結果の解釈方法，使用方法に不確実性を定量的に含め，解析に反映していくことが，広域評価の結果の精緻化，ならびに，モニタリング手法の改善，新たな研究対象の発掘につながる研究リンクのカギとなるのではないかと考えられる．
キーワード：不確実性，広域評価，窒素循環，炭素循環