陸上生態系における炭素循環−森林生態系の炭素収支の生態学的な定量化手法に焦点を当てて−１

大塚俊之１・鞠子

茂２・小泉
２

博３

（ 茨城大学 理学部生態学研究室・ 筑波大学 生物科学系
３

岐阜大学 流域圏科学研究センター）

摘
要
地球規模での炭素循環の解明に対して、陸上生態系（特に森林生態系）の炭素収支の観測は大きな役割を持っている。生態系を構成する地上部、地下部の植物体や落葉落枝（リター）、粗大有機物、土壌炭素などの各炭素プールと炭素フラックスを測定する
生態学的な研究は、炭素の収支だけでなく陸上生態系のCO2 吸収量の年変動の原因解明や、今後の吸収量変化の予測のためにも重要である。本稿では、陸上生態系（特に森林生態系）の炭素循環についてまず概説し、その結果としての炭素収支を生態学的手法によりどのように定量化するかについて説明する。
陸上生態系の炭素循環は、炭素が貯留しているプールとプール間の流れであるフラックスの組み合わせとしてのコンパートメントモデルで表すことができる。森林
生態系の炭素収支は植物群落の純一次生産（NPP）による実質的なCO2 吸収量と、従属栄養生物呼吸によるCO2 放出量のバランスによって決定され、これを生態系純生産量（NEP）と呼ぶ。森林生態系におけるNPPは、一定期間内のバイオマス増加量と枯死・脱落量の和によって求められる。枯死・脱落量はリタートラップ法により測定されるが、枝は枯死してもすぐには落下しないため、林冠からの脱落量と実際の枯死量とは異なり、その正確な推定には長期的な測定が必要である。一方、森林生態系のバイオマス増加量は一定期間での生個体の成長量と枯死量の差であり、森林では立ち枯れな
どの粗大有機物の蓄積量とその分解量の測定にも注意する必要がある。また細根の枯
死や有機物質の放出などによる地下部での有機物供給はリゾデポジションと呼ばれ、直接的な観察や同位体元素を用いたトレーサーによる推定などが行われているが、その測定手法の標準化が今後必要である。
キーワード：森林生態系、生態系純生産量、炭素循環、炭素フラックス、炭素プール

１．はじめに地球上に存在する炭素は、大気・海洋・陸上
生態系といった様々な地球上の貯蔵庫に分かれて存在しており、これらの貯蔵庫の間を気体・無機
炭素（炭酸イオンや炭酸塩など）・有機炭素と形を変えながら循環している。地球上の表面の約7割を占める海洋は、炭酸として大量のCO2 を溶解させ、さらに表層の植物プランクトンによる光合成生産がその取り込みを促進するため、CO2 の大きな吸収源である１）,２）。一方で、陸上には森林や草原・農耕地・都市など様々な生態系が存在しており、人間による土地利用の変化も速いことから、
そのCO 2 収支は複雑である。IPCCの第三次報告書３）では、地球規模での炭素収支の最新の推定結果が示された。 1990 年代には化石燃料などによる炭素放出量が6.3±0.4（PgCyr−1 ）に対して大気中の増加量は3.2±0.1であり、海洋−大気間の炭素フラックス（移動量）として1.7±0.5、陸地−大気間の炭素フラックスとして1.4±0.7が吸収されたとしている。しかし陸地−大気間の炭素フラック
スは、陸上生態系の土地利用変化（例えば、熱帯での森林伐採）によるCO 2 放出量と、植物による
実質的なCO2 吸収量（residual terrestrial sinkと呼んでいる）のバランスによって決定しているが、現段階では両者を分離するためのデータが不足している。
そこで、陸上生態系の実質的なCO2 吸収量を把握するために、1990年代からは陸上生態系（特に森林生態系）における、いわゆる「タワーフラッ
クス観測」が世界中に急速に広まった４）,５）。森林の上層と大気間のCO2 フラックスを直接観測する

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大塚ほか：陸上生態系における炭素循環

ことによって、森林生態系のCO2 の取り込み量を時々刻々と測定することが出来るようになったのである６）。現在ではフラックス観測を含む様々なデータの蓄積から、熱帯地域ではなく、むしろ
温帯や亜寒帯の森林生態系がCO2 のシンクとして大きな寄与を持っていることが徐々に明らかになってきた ４）,７）−９）。微気象学的なタワーフラッ
クス観測は森林生態系における炭素収支の解明のために現在欠かせない手法である一方で、タワー
フラックス観測だけで森林生態系の炭素の行方がすべて解明されるわけではない。森林生態系には植物体の他に、立ち枯れなどの粗大有機物や土壌炭素など炭素貯蔵庫が複数存在し、長期的に貯蔵される傾向にある。このため、個々の生物プロセスを測定する生態学的な手法によって、炭素の収支だけでなく生態系の「どこ」に「どのように」炭素が貯蔵されていくのか、また「どの」フラックスの「どのような」変化が、生態系全体の炭素収支に影響しているのかを解明する必要がある。陸上生態系の炭素貯留量の５割以上は森林生態系によって占められており、また単位面積あたりの炭素貯
留量は森林が圧倒的に高い３）ことからも、生物地
球化学的な炭素循環の解明に対して、森林生態系の炭素収支の観測が持つ大きな役割は現在でも変わっていない。本稿では、陸上生態系（特に森林生態系）の炭素循環についてまず概説し、その結果としての炭素収支を生態学的な手法によって、どのように定量化するかについて説明する。また
森林でのタワーフラックス観測との連携を視野に入れて、現在の生態学的な手法の問題点について整理する。

２．陸上生態系の炭素循環
2.1 炭素循環から見た生態系の構造と機能
生態系は生物群集と物理的環境で構成され、相互に作用を及ぼしあいながら一つのまとまりをもったシステムを形成している。大気や生態系内の植物体、立ち枯れなどの粗大有機物、土壌炭素のように炭素が貯留しているところをプール、またはリザーバーといい、これらのプール間の炭素の流れをフラックスという。炭素循環はこのプー
ルとフラックスの組み合わせで表現され、それを模式化したものをコンパートメントモデルという（図１）。コンパートメントモデルでは、生態系の構造がプールの大きさ（単位面積あたりの炭素量）に対応し、生態系の機能はフラックスの向きと大きさ（単位面積・単位時間あたりの炭素の流れ）に対応すると言うことが出来る。

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炭素循環の重要なプロセスを担っているのは第一に生態系の生産者である植物群落である。
植物は光合成によって大気中のCO2 を吸収するとともに、地上部（Ra）と地下部（Rr）の呼吸によりその一部を再び大気へ戻す双方向の炭素フラックスを生み出す。植物が光合成によってCO2 を吸収して生産する有機物総量は総一次生産量（grossprimary production, GPP）と呼ばれ、そこから植物の呼吸による有機物消費を差し引いたものが純一次生産量（net primary production, NPP）である。すなわち、NPP = GPP−
（Ra + Rr ）（１）

このNPPが生産者による実質的な炭素固定量ということになるが、そのすべてが植物バイオマ
スの増加として生態系内に蓄積されるわけではない。例えば、落葉樹ではすべての葉は毎年作り変えられるので、その年に生産された葉（NPPの一部）はリターフォール（litter fall, LF）として脱落し、土壌表面に落葉落枝（リター）として蓄積される。さらに地下部からも、根の枯死（特に細根）や比較的低分子の有機物質の放出などがあり、この有機物供給をリゾデポジション（rhizodeposition,RD）という10）。さらに森林生態系では、立ち枯れのような粗大有機物（coarse woody debris, CWD）として、NPPの一部は長期的に枯死植物体内に蓄積される。
生態系内に固定された有機物は、腐食連鎖と生
食連鎖を通じて従属栄養生物の呼吸（heterotrophic
respiration, HR）により分解され、CO2 として放出される。腐食連鎖とは、主にリターフォールやリゾデポジションにより土壌へ供給された有機物（soil organic carbon, SOC）を、土壌中の微生物（細菌類や菌類）や小動物が取り込んで分解するプロセスである。また生食連鎖とは、昆虫や草食動物
により生きた植物体が被食されて分解されるプロセスである。一般的に、生食連鎖による有機物
分解量は通常の森林生態系においてはわずかであり11）、無視できるレベルとして扱う場合が多い（図１では生食連鎖によるフラックスを省いて単純化している）。
2.2 生態系純生産量
森林生態系全体での炭素収支は、植物群落による実質的なCO 2 吸収量（NPP）と、従属栄養生
物の呼吸によるCO 2 排出量（HR）との差によって決定し、これを生態系純生産量（net ecosystemproduction, NEP）と呼ぶ。一般的に生物の呼吸作用によって土壌表面から放出されるCO2 フラック

地球環境 Vol.９ No.２ 181−190（2004）

図１

森林生態系における炭素循環のコンパートメントモデル．
□は炭素プールを示し，矢印は炭素フラックスを意味している．HR, Heterotrophic respiration（従属栄養生物
呼吸）: GPP, Gross primary production（総一次生産量）:
Ra, Aboveground respiration（植物体の地上部呼吸）: LF,
Litter fall（リターフォール）: RD, Rhizodeposition（リゾ
デボジション）: Rr, Root respiration（根の呼吸）: SR, Soil
respiration（土壌呼吸）. この図では草食動物による被食（生食連鎖）を省略して単純化している．

スを土壌呼吸（Soil respiration, SR）と呼び（図１）、
これは主として土壌中の従属栄養生物の呼吸（HR）と植物根の呼吸（Rr ）に由来すると考えられている。もし、生食連鎖によるフラックスが無視できるレベルであれば、土壌中の従属栄養生物呼吸が生態系全体のHRのほとんどを占めるので、SRとRr の差をHRとみなすことが出来る。結果的に、生態学的な手法によるNEPの推定には次式が通常用いられる。
NEP = NPP−
（SR−Rr ）（２）

この値がプラスであれば、その生態系は炭素のシンクとして、マイナスであれば炭素のソースとして機能していることになる。このように生態学的な手法に基づく炭素収支の定量化のためには、各プールの炭素量とともに、NPPやSR、Rr といった炭素フラックスの速度を測定する必要がある。

３．森林生態系の炭素収支の生態学的定量化手法
ここでは、森林生態系において炭素のプールとフラックスをどのように測定するかについて、具体的な測定結果も交えながら紹介する。
3.1 炭素プール
3.1.1 植物バイオマス（現存量）
森林のバイオマスの測定手法は木村12）に詳しいが、その基本的なプロセスは次の３段階からなっており、胸の高さ（ 1 . 3 m）での幹の直径（胸高直径）に基づいてバイオマスを推定する。
１）一定面積の調査枠を設定し、枠内のすべての樹木について胸高直径の調査を行なう。
２）試料木を選び、切り倒して（可能であれば根を掘り出し）、各器官の重量の測定を行なう。
３）試料木の胸高直径と各器官の乾燥重量と間の相対成長関係（アロメトリー）を解析し、その関係とすべての樹木の胸高直径に基づいて単位土地面積あたりの現存量を求める。

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大塚ほか：陸上生態系における炭素循環

岐阜大学流域圏科学研究センター高山試験地にある落葉広葉樹林では、 1993 年からタワーフ
ラックス観測が続けられており５）、森林生態系の炭素収支研究の日本における先駆けである。ここでは、このサイトでの実際の森林バイオマスの測定例13）,14）を紹介しながら、具体的な方法を概説しよう。このサイトではフラックスタワーを含む1 haの永久コドラートを設置して、樹高1.3 m以上の全樹木の幹にナンバーを打ち、位置座標と胸高直径（樹高1.3 mでの幹の直径）を測定した。
また永久コドラート周辺の均質な森林において15本の試料木を選び、さらにその中の7本については根堀調査を行なって、各試料木の地上部（葉は除く）と太根の乾燥重量をそれぞれ測定した。
一般的に樹木の胸高直径（D）と各器官の乾燥重量（W）の間には 、W = aD b という関係があることが知られている（a, bは林分固有の定数）。これは相対成長（アロメトリー）式と呼ばれ、両対数グラフ
では直線関係で表すことが出来る（log W = log a +b log D）。高山サイトでは地上部重（Wa , kg）及び
太根重（Wr , kg）と樹木直径（D cm）との関係は次式のようになった。
log Wa =−0.95＋2.32 log（D）（n=15）（３）log Wr =−1.10＋1.98 log（D）（n= 7）（４）

この相対成長式を用いて、各樹木の胸高直径から樹木バイオマスを推定することが可能となる。
ただし、この式は樹木の乾燥重量ベースであり、炭素プールとして炭素量ベースで算出する場合には、各器官の炭素含有量をNC分析計などにより測定しておく 15）必要がある。高山サイトでは、
永久コドラート内の直径調査の結果と式（３）、式（４）から、樹木バイオマスは地上部（葉を除く幹と枝）が71.4 t C ha−1 、地下部が22.9 t C ha−1 と推定した。ただし、相対成長式における定数値は、同一林分に生育する同じ生活形をもった樹木であれば、異種間にも成立することがいろいろな森林で確かめられているが12）、別の林分で推定する場
合には各調査サイトで試料木を選んで相対成長式を算出することが必要である。
3.1.2 地上部リター
森林生態系では、リターフォールとして植物遺体に由来する新しい有機物が土壌に常に供給されている。このため、森林土壌では植物の形がはっきりと残っている地表面の有機物層から、鉱質土壌へと有機物の分解プロセスが層状に積み重なっているのが通常である。この地表面の有機物層は

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土壌学的にはO層、あるいはA0 層と呼ばれ、分解の程度によってL・F・H層に細分して呼ぶことが多い16）。森林のO層の炭素プールを推定するためには、一定面積の方形枠内においてO層のリターをすべて採取して、乾燥重量を測定した後、NC分析計で炭素含量を測定する。賈ら14）は高山サイ
トの永久コドラート内において20 cm×20 cmの面積で 32 箇所のサンプリングを行い、落葉落枝の炭素プール量を 15.3 t C ha−1 と推定した。
一方で、粗大有機物量は空間的にまばらに分布しているために、その存在量の推定には大面積の測定が必要となる。また大型枯死材では直接の秤量が難しいので、体積推定のためにその場で長さと両端の直径を測定し、さらに腐朽段階評価を行なう必要がある17）。賈ら14）は高山サイトにおいて、永久コドラート内のすべての立ち枯れ残存幹について、円錐または円錐台近似により体積を求め、立ち枯れ木の密度をかけることによってその炭素プール量を推定した。また倒木について
は、腐朽段階を３段階に分けて容積比重を測定
して、直径 5 cm以上のすべての倒木量を測定した。これらの結果から、高山サイトの粗大有機物
量を 4.6 t C ha−1 と推定した。
3.1.3 土壌炭素
土壌中には炭酸塩として無機炭素が含まれている場合もあるが、日本のような酸性になりがちな土壌では、含まれている炭素のほとんどは植物遺体に由来する有機炭素（腐植）である。リター
フォールによって供給された有機物は徐々に分解されていくので、土壌表面のO層が最も炭素含量が大きく、鉱質土壌においても、深くなるほど
土壌中の炭素量は減少していくのが普通である。
したがって、鉱質土壌中の炭素量を正確に推定するためには、深さ別に土壌をサンプリングする必要がある。一般的には、土壌断面を作成して土壌の色や構造などから土壌学的な層位区分を行なって、各層ごとに土壌をサンプリングするのが好ましい。土壌学的にはO層の下の鉱質土壌はA・B・Cの三層に区分される16）。ほとんど風化していない母岩からなるC層には、ほとんど炭素は含まれていないのでA・Bの各層位において、いくつかのサンプルを取れば土壌中の炭素量の推定には十分である。ただし土壌断面の作製はかなりの労力を要するので、検土壌などを用いて土壌層位と土壌深度を簡易的に調査して、その後、採土器（ハンドオーガーやエンジン式オーガー）を用いて、鉱質土壌表面から順番に土壌をサンプリング
する方法もとられる。土壌は採土管と呼ばれる一定容積（100 mlの物が良く用いられる）の管を用い

地球環境 Vol.９ No.２ 181−190（2004）てサンプリングされる。A層とB層の深度がかな
り深い場合には、どこまでサンプリングすれば良いか明確な基準は無いが、実際には 1 m程度の深さまでサンプリングすれば土壌中の積算炭素量のほとんどを推定できる17）。
サンプリングした土壌は根やレキを除いて風乾した後、NC分析計を用いて炭素含有率を測定する18）。これにより土壌中の炭素の重量比が計算されるが、土壌は固体部分だけでなく水分と空気を含んでおり、その密度は深さや場所によって異なっている。このため、単位容積あたりの炭素量を推定するには、分析用とは別の採土管で土壌をサンプリングして105℃で乾燥させ、土壌の密度（g cm−3 ）を測定する必要がある。こうして得られた各土層の炭素濃度と密度と層の厚さを乗じて、各土層における単位容積あたりの炭素量が求められる。これを積算することによって、その地点における単位面積当りの土壌炭素量を推定することが可能になる。また場所によってはA層やB層に礫が多く存在する場合もあり、この場合には土壌断面調査から礫率（%）を求め、勘案する必要がある。さらに通常の森林生態系では、地形などによる土壌炭素の面的なばらつきの影響も無視できない。
賈ら14）は、高山サイトの永久コドラートを９つの地形単位に区分し、土壌断面調査と土壌サン
プラーによる土壌深度調査を併用して土壌中の炭素貯留量を推定した。彼らの推定によると、地形単位によって２倍以上の炭素量のばらつきが見られ、コドラート全体では土壌のA層とB層に318.3 t C ha−1 の土壌が蓄積していることが明らかになった。
3.2 炭素フラックス
3.2.1 森林生態系の純一次生産量（NPP）
生態系のNPPは、単位時間･面積あたりに生産される有機物量（乾物重や炭素量）やエネルギー量で表される。式（１）で示したように、NPPはGPP
から呼吸量を差し引いた値であるから、理論的な数理モデルにより植物群落の光合成量と呼吸量を推定したり、植物群落に同化箱を直接かぶせる大型同化箱法などの方法でもNPPを測定できるが、現在のところ森林生態系においてはあまり現実的な方法ではない。森林生態系においては、一定期間の光合成と呼吸の結果として生態系内に実際に蓄積した炭素量を測定する積み上げ法と呼ばれる方法が一般的に用いられる19）。
積み上げ法の概略を図２に示す。森林バイオマス（Bt1 ）を測定したサイトにおいて、ある時間
間隔（例えば一年）をおいて再度そのバイオマス

図２

積み上げ法による純一次生産量（NPP）の推定
方法の概略図．
ある森林生態系におけるバイオマス（Bt1 ）と一定期間後の同じ森林生態系のバイオマス（Bt2 ）の変化を模式的に表している．B2n , 新しく蓄積したバイオマス（植物体の成長量）: Ln, 新しく蓄積したバイオマス部分の枯死量: Lo, 古いバイオマス部分の枯死量．

（B t2 ）を測定したとすると、新しく蓄積された有機物量（緑色の部分）がNPPであり、その一部はその期間内に枯死（L n ）する。また古いバイオマス（オレンジ色の部分）の一部も落枝や立ち枯れとして枯死（Lo ）していく。生食連鎖による被食量が無視できるレベルであるとすれば、一定期間後のバイオマスであるB t2 は以下の式（５）で表されることになる。
Bt2 ＝（Bt1 −Lo ）＋（NPP−Ln ）（５）

式（５）から、NPP＝（Bt2 −Bt1 ）+（Lo ＋Ln ）となり、（B t2 −B t1 ）はバイオマスの増加量（⊿B）であるので、積み上げ法では森林生態系のNPPは次式で表される。
NPP＝⊿B＋L
（＋G ）

（６）

⊿B：ある時間間隔における森林現存量の増加
L：ある時間間隔における枯死・脱落量
G：ある時間間隔における被食量（一般的には無視できるレベル）
過去の平均的なNPPを求める場合には樹幹解析などのように、樹木の年輪成長から⊿Bを求める
場合もある。しかしフラックス観測と連携して森林のNPPを推定するためには、永久コドラート
において、ある時間間隔（通常１年間）で森林の胸高直径を再測して、相対成長式を用いて森林の現存量の変化を推定する方法が最も良い。図３に高山サイトの永久コドラート内における全樹木（胸高直径 5 cm以上）の、一年間の直径成長を測定し185

大塚ほか：陸上生態系における炭素循環た結果を示す（大塚，未発表データ）。一年間に枯死した個体を除いて、各樹木の直径変化から、式（３）と式（４）を用いて森林生態系の地上部と地下部の一年間の⊿Bを推定することが可能となる。
ただしこの場合、式（３）と式（４）で示される相対成長関係が森林の成長に伴って変化しないことを仮定している点に問題がある。また直径が小さい個体（主に被陰されて樹勢の弱った個体）では、枯死していなくても直径成長がマイナスになる場
合もある（図３）。このように温帯の天然林では年間の直径成長量はわずかであり、その正確な測定のためには測定部位をペンキ等で丁寧にマーキングした上で、適切な測定時期を選定したり（例えば春の開葉前は変動が大きい）、金属製のなるべく幅の狭いメジャーを使うなどの細心の注意が必要である。
3.2.2 森林生態系の枯死・脱落量
何百年と生きる樹木であっても、体の一部は毎年作り変えられ、枯死したり脱落した部分は土壌有機物として供給される。土壌への有機物供給と腐食連鎖を通じた土壌からのCO2 フラックスは、生態系の炭素循環において極めて重要な意味を持っており、そのフラックス量を正確に推定することが必要である。一般的に林冠の樹木からの枯死・脱落量を推定するためには、落葉・落枝を直接採取するリタートラップ法が用いられる。これはリタートラップと呼ばれるリターを集める装置

図３

岐阜県高山市のタワーフラックス観測サイ
トである落葉樹二次林に設置された永久コド
ラート内での全樹木（胸高直径 5 cm以上）の2003年の１年間の直径成長量．
2002年11月の各個体の胸高直径（cm）と，2003年11月に再測した際の１年間の直径成長量（mm）との関係を示す（大塚，未発表データ）．

186

を林内に設置して（図４）、その量を推定する方法である。現在のところ最も簡便かつ効率よく測定できるので、森林生態系の枯死・脱落量の推定のために広く用いられている。詳しい解説書も多いので、ここでは概略を説明する。
リタートラップとは一定面積の受け口をもった
袋状のネットを張った枠である。枠の形状は捕捉量には有意な影響を与えないことが知られているが、正方形や円形のものが普通である（図４）。受け口の大きさは 1 m2 以上であれば葉のサイズに左右されず落葉量が測定できるとされる。トラッ
プを設置する高さは地上 1 mぐらいが適当で、ネットを筒状にして底が地面に触れないように紐で縛っておくと回収が楽である。トラップの数は
林分によって異なるが、閉鎖した林分内では６〜７個以上あれば十分という意見もある17）。トラッ
プ内のリターは多少の溶脱や分解を受けるので、回収間隔は１ヵ月以内が望ましい。回収したリ
ターは樹種や器官（葉や小枝・花・果実など）に分けた後、乾燥重量を測定する。また炭素ベースで推定するためには試料の一部を粉砕してNC分析
計で炭素含量を測定する必要がある。
リタートラップに入らないような大枝の落枝
量については、リタートラップ法だけでは精度良い推定は難しい。大枝の落下は空間的に非常に不均一であるからである。そこで林床に数m四方程
度の面積をいくつか作り、そこに新しく落ちてきた枝をきれいに回収する方法が取られる。この小区画の合計面積は、少なくとも調査林分の面積の10％を超えることが望ましい。
90 年生のアカマツ二次林における１年間の枯死・脱落量の測定例を図５に示す（杉田・横澤，

図４

山梨県富士吉田市のタワーフラックス観測
サイトであるアカマツ二次林内に設置されたリタートラップ．
受け口の面積は1 m2 であり，筒状のネットの底部を地面に触れないように紐で縛ってある．周辺の樹木には直径の測定位置をペンキでマーキングしてある．

地球環境 Vol.９ No.２ 181−190（2004）未発表）。CO 2 フラックス観測用のタワーに隣接する林分 20）の永久コドラート（ 0 . 89 ha）内に面積1 m2 のリタートラップを20個設置して毎月回収した（図５（A））。さらに永久コドラート内の10 m×
10 mのサブコドラートを９箇所選択して、落ちている枝をいったんすべてきれいに取り払い、その後落ちてくる直径 2 cm以上の枝を毎月回収して落枝量を推定した（図５（B））。アカマツの落葉季
は秋で、ミズナラなどの落葉樹も混じっているので葉のリターは秋に集中している。一方で、この年は特に冬から春に枝のリター量が多くなる現象が見られた。
このような方法で推定した林冠からの落下量
は、森林生態系においては枯死量とは異なる点に注意する必要がある。葉は枯死すると通常はすぐに落下するが、枝は枯れても長い間落ちてこな
い場合が多いのでリタートラップで測定された値
は林冠からの脱落量であり枯死量ではない。例えば、図５において冬季に枝リター量が増加するのは枯死量が多いわけではなく、幹に枯れ残っていた枝が雪によって落ちてきたためである。このため森林生態系の枯死・脱落量の正確な推定には１年間だけでは不十分であり、数年間続けて測定を行なう必要がある。
3.2.3 土壌呼吸と従属栄養生物呼吸
先に述べたように、土壌呼吸とは生物の呼吸

図５

図4のサイトにおけるリタートラップ法による2003年の一年間の枯死・脱落量（A）と，林床に設置したサブコドラートを利用した大枝の枯死・脱落量（B）の季節変化．
基本的に月に一度回収しているが，積雪の影響によりリタートラップでは12月〜3月までの4ヵ月分を，大枝では12月〜4月までの5ヵ月分をまとめて回収している（杉田・横澤，未発表データ）．

作用によって土壌から放出されるCO2 のことであり、主として土壌中の従属栄養生物の呼吸（HR）と植物根の呼吸（Rr ）に由来する（図１）。森林生態系におけるHRのほとんどは土壌表面からのCO2 フ
ラックスであり、根の呼吸量を含んだ土壌呼吸量はチャンバーなどを用いて測定することが可能である。土壌呼吸量の測定法等の問題については本
書の木部・鞠子21）に詳しいのでそちらを参考にされたい。

４．生態学的な手法による炭素収支測定の問題点
タワーフラックス観測による森林生態系の炭素収支はNEE（net ecosystem exchange）と呼ばれる場合もあるが、NEP＝−NEEであり、本質的にはNEPと同じ収支を測定していると考えてよい。一方で微気象学的なNEEと生態学的なNEPは、その測定手法はおたがいに独立であるので、同じサイトで両者の測定を行なって比較することは、観測誤差による炭素収支の不確定性を小さくするような手法の改良のために重要である。タワーフラッ
クス観測との連携を目指して、生態学的な炭素収支測定の問題点について最後に整理する。
4.1 NPPにより固定された炭素は生態系のどこに蓄積するのか？
森林生態系においては、積み上げ法によりかなり正確なNPPを推定することが可能である。しかし式（６）では現存量の変化が分かれば、枯死・脱落量（L）を式（５）のLn とLo に分けて取り扱う必要が無いと言う点で、NPPによって固定された炭素が生態系内の「どこ」に蓄積するかについてはあまり注意が払われていない。森林生態系内において、炭素がどこにどのように蓄積していくかを検討する上では、式（６）における⊿Bは森林成長量（各個体の成長量の合計で図２中のB2n に相当する）と同一では無いという点に注意する必要がある。図２より、⊿B（Bt2 −Bt1 ）＝B2n −Lo であるので、L（主に図１の⊿CWDに相当する）
が０であo
れば森林成長量と⊿B は等しい。つまり森林内での⊿Bは、生個体の成長量と死亡個体によるCWD
への炭素の移行のバランスによって決定することになる。
Yoneda et al. 22）はマレーシアのパソ熱帯多雨林
において、枯死材の集積（⊿CWD）と分解量を詳細に検討した。⊿CWDは場所によって大きく異なっており、平均では 9.3 t C ha−1 y−1 であった。
またCWDの分解速度は、森林内の土壌呼吸速度の約半分に相当することを明らかにした。このように、天然林におけるCWDは炭素プールとし

187大塚ほか：陸上生態系における炭素循環ても、また分解によるフラックスとしても無視できない量である場合が多い 23）。CWDはリタート
ラップ法で捉えられた落葉落枝とはその分解プロセスが異なっており、土壌呼吸を測定する現在のチャンバー法ではその分解速度を測定することは出来ない。したがって、生態学的な手法による森林生態系の炭素収支の推定においては、個々の樹
木の生長と生残を追跡することにより、⊿BをB2n（森林成長量）と⊿CWD（枯死材の蓄積）に区別す
るとともに、CWDの分解速度についても測定する必要がある。
4.2 地下部の純生産量とリゾデポジションの推定
積み上げ法においては、試料木の地下部を掘り取って太根の重量と直径との相対成長式（４）を作り、一定期間での太根の成長量をNPPに組み込むことは可能である。しかし、樹木において機能的な働きを持つ多くの部分は細根であり、この細根は太根に比較するとバイオマスは圧倒的に小さいが、成長と枯死の速度（ターンオーバー）が速く、そのバイオマスは絶えず更新されているので、その純一次生産は太根よりも大きくなる。細根のほとんどが枯死としてリゾデポジションとなると考えられ、その純一次生産量を太根のように相対成長関係から求めることは不可能である。一方で、リタートラップのような直接的な測定も極めて困難であるために、植物バイオマスの地上部/地下部の比（T/R比）と地上部枯死量/地下部枯死量比が同じであるとして、便宜的に推定している例も多い。
最近では土壌中の細根の動態を直接観察することによって、その純生産を推定するミニライ
ゾトロン法が森林生態系の研究にも用いられるよ
うになってきた24）,25）。この方法によると、森林生態系における細根の純生産の寄与率はNPPの30％以上に及ぶとの報告 26）−28）もあり、これが事実であれば、現在の積み上げ法によるNPPはかなり過小評価になっていると言わざるを得ない。一方で、安定同位体を用いたトレーサー実験から根のターンオーバーを推定しようとする研究もある。
例えば、Matamala et al.29）は植林地のFACE（Freeair CO2 enrichment）実験において、植物に13Cを与え、細根のターンオーバーを推定した。彼らの研究によれば森林生態系における細根のターンオーバーは１〜２年から９年にも及び、現在推定されている細根による炭素のシーケストレーショ
ンは、むしろかなり過大評価である可能性を示した。
さらに根からの有機物質の浸出現象や、ガス化した炭素（エチレン）の放出現象も無視できない。

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浸出現象の存在は水耕栽培やアイソトープを用いたトレーサー実験で明らかにされつつあり、多くの研究者がその重要性を指摘している10）,30）。このように森林生態系の枯死・脱落量の推定には、地下部の枯死量と地下部からの有機物放出量を含めて行なわれる必要があるが、その測定手法の標準化においては、未だ検討の余地がある。

５．まとめ
京都会議以降、陸上生態系（特に森林生態系）の炭素固定機能の定量的評価が最重要課題とな
り、現在までに日本でも 10 ヵ所以上のサイトで
タワーフラックス観測が行なわれるようになった６）。一方で、生態学的手法による測定は物理的な困難さもあって、これに比べるとかなり遅れているのが現状である。高山サイトではタワー
フラックス観測は10年を越え、森林のNEPが年によって倍以上変動する31）ことなど、生態学者があまり予測しなかったような新しい問題が提出されつつある。
ここで述べた積み上げ法によるNPP測定では、
森林生態系の年間の枯死量を直接的に調べることが不可能であり、リタートラップ法では平均値しか算出できない。また上記したようにCWDの分解速度やリゾデポジションの推定法などに問題があり、厳密な意味でNEPとNEEの値を直接比較することには現段階では無理がある。しかし生態系内の各炭素プールと炭素フラックスを測定する
生態学的な研究は、森林生態系におけるCO2 吸収量の年変動の原因解明や、今後の吸収量変化の予測のためにも、微気象学的なタワーフラックス測定と並んで重要性を増してきている 32）−34）。今後
は、光合成や呼吸などの炭素フラックスを野外で精度よく測定する技術だけでなく、リモートセン
シング35）やトレーサーとしての安定同位元素36）を利用して、生態系内の炭素プールの変化量を直接的に測定するような技術の開発とその標準化が必要となってくるだろう。

参考文献
１）Broecker, W.S., T. Takahashi, H.J. Simpson and T.H.
Peng（1979）Fate of fossil fuel carbon dioxide andthe global carbon budget. Science, 206, 409-418.
２） 野崎義行（1994）地球温暖化と海. 東京大学出版会, 196p.
３） IPCC（2001）Climate Change 2001: The Scientific
Basis. Cambridge University Press.

地球環境 Vol.９ No.２ 181−190（2004）

４）Wofsy, S.C., M.L. Goulden, J.W. Munger, S.M. Fan, P.S.
Bakwin, B.C. Daube, S.L. Bassow and F.A. Bazzaz（1993）Net exchange of CO2 in a mid-latitude Forest.
Science, 260, 1314-1317.
５） Yamamoto, S., S. Murayama, N. Saigusa and H.
Kondo（1999）Seasonal and inter-annual variationof CO 2 flux between a temperate forest and theatmosphere in Japan. Tellus, 51B, 402-413.

測る．古今書院．233p.

18）土壌標準分析・測定法委員会編（1986）土壌標準
分析・測定法．博友社．354p.
19）Shidei, T. and T. Kira（1977）Primary productivityof Japanese forests -Productivity of terrestrial
communities-. JIBP Synthesis Vol. 16, University ofTokyo Press, Tokyo.

７） Brown, S.L. and P.E. Schroeder（ 1999 ）Spatial

20）大塚俊之・後藤厳寛・杉田幹夫・中島崇文・
池口 仁（2003）富士北麓剣丸尾溶岩流上のアカマツ林の起源．植生学会誌，20, 43-54.
21）木部 剛・鞠子 茂（2004）土壌呼吸の測定と炭素循環．地球環境，9（2）, 203-212.
22）Yoneda, T., K. Yoda and T. Kira（1977）Accumulation

patterns of aboveground production and mortalityof woody biomass for eastern U.S. forests. Ecologicaland decomposition of big wood litter in Pasoh
forest, west Malaysia. Jap. J. Ecol., 27, 53-60.

６） 藤沼康実・三枝信子・平野高司（ 2003 ）温室効
果ガスのモニタリングと森林フラックスの測定.「地球温暖化」生物の科学・遺伝別冊, No.17,

48-57.

Application, 9, 968-980.

Houghton, R.A. Birdsey, L. Heath, E.T. Sundquist,23） 米田 健（1986）森林における枯死材の分解．日
本生態学会誌，36, 117-129.
24）Johnson, M.G., D.T. Tingey, D.L. Phillips and M.J.
Storm（ 2001 ）Advancing fine root research withminirhizotrons. Environ. Exp. Bot., 45, 263-289.
25）里村多香美・中根周歩・堀越孝雄（2001）ミニラ

R.F. Stallard, P. Ciais, P. Moorcroft, J.P. Caspersen, E.

イゾトロンによる樹木細根の純生産の解析．根Shevliakova, B. Moore, G. Kohlmaier, E. Holland, M.

の研究，10, 3-12.

８） Houghton, R.A., J.L. Hackler and K.T. Lawrence（1999）The U.S. carbon budget: contributions fromland-use change. Science, 285, 574-578.
９） Pacala, S.W., G.C. Hurtt, D. Baker, P. Peylin, R.A.

Gloor, M.E. Harmon, S.M. Fan, J.L. Sarmiento, C.L.
Goodale, D. Schimel and C.B. Field（2001）
Consistentland- and atmosphere-based U.S. carbon sink
estimates. Science, 292, 2316-2320.

10）Chen, W.（1999）Rizosphere processes under elevated
CO2 . In: Y. Luo and H.A. Mooney, Carbon Dioxideand Environmental Stress. Academic Press, San
Diego.

11）Kimura, M., M. Funakoshi, S. Sudo, T. Masuzawa, T.
Nakamura and K. Matsuda（1982）Productivity andmineral cycling in an oak coppice forest. 2. Annual
net production of the forest. Bot. Mag. Tokyo, 95,
359-373.
12） 木村 允（1976）陸上植物群落の生産量測定法．
共立出版．112p.
13）賈書 剛・酒井 徹・秋山 侃・小泉 博（2002）冷温帯林土壌圏の炭素動態．1 地形、植生と土壌分布．システム農学会, 18, 26-35.
14） 賈書 剛・秋山 侃・小泉 博（2002）冷温帯林土
壌圏の炭素動態． 2 現地詳細調査に基づく生態系炭素貯留量の推定．システム農学会, 18 ,26-35.
15）植物栄養実験法編集委員会編（1990）植物栄養実
験法．博友社．488p.
16）久馬一剛（1997）最新土壌学．朝倉書店．216p.
17）日本林学会「森林科学」編集委員会編（2003）森を

26）Grier, C.C., K.A. Vogt, M.R. Keyes and R.L. Edmonds（1981）Biomass distribution and above- and belowground production in young and mature Abies
amabilis ecosystems of the Washington Cascades.
Can. J. For. Res., 11, 155-302.

27） Santantonio, D. and J.C. Grace（1987）Estimating
fine root production and turnover from biomass anddecomposition data: a compartment flow model.
Can. J. For. Res., 17, 900-908.

28）里村多香美（2003）森林生態系における植物細根と菌根菌のバイオマス．広島大学大学院博士論文．

29）Matamala, R., M.A. Gonzalez-Meler, J.D. Jastrow, R.J.
Norby and H. Schlesinger（2003）Impacts of fineroot turnover on forest NPP and soil C sequestration
potential. Science, 302, 1385-1387.

30 ） Koch, G.W. and H.A. Moony（ 1996 ）Response ofterrestrial ecosystems to elevated CO2 : A synthesis
and summary. In: G.W. Koch and H.A. Mooney,
Carbon Diox ide and Terrestrial Ecosystems.
Academic Press, San Diego, 415-429.
31）Saigusa, N., S. Yamamoto, S. Murayama, H. Kondo
and N. Nishimura（2002）Gross primary production
and net ecosystem production of a cool-temperate
deciduous forest estimated by the eddy covariancemethod. Agricultural and Forest Meteorology, 112,189

大塚ほか：陸上生態系における炭素循環

203-215.
32）Schimel, D.S., J.I. House, K.A. Hibbard, P. Bousquest,

American deciduous forests. Agricultural and Forest
Meteorology, 113, 3-19.

P. Ciais, P. Peylin, B.H. Braswell, M.J. Apps, D. Baker,35）尾西恭亮・六川修一・加藤叔史（2002）地中レー

A. Bondeau, J. Canadell, G. Churkina, W. Cramer, A.S.

ダー法による土壌分類と地下部炭素固定量推定

Denning, C.B. Field, P. Friedlingstein, C. Goodale, M.

の試み．日本リモートセンシング学会誌， 22 ,Heimann, R.A. Houghton, J.M. Melillo, B. Moore III, D.

558-569.

Murdiyarso, I. Noble, S.W. Pacala, I.C. Prentice, M.R.
Raupach, P.J. Rayner, R.J. Scholes, W.L. Steffen and36）Diels, J., B. Vanlauwe, N. Sanginga, E. Coolen and
R. Merckx（2001）Temporal variations in plant δ

C. Wirth（2001）
Recent patterns and mechanisms ofcarbon exchange by terrestrial ecosystems. Nature,

13

C values and implications for using 13C techniquein long-term soil organic studies. Soil Biology and414, 169-172.

Biochemistry, 33, 1245-1251.

33）Barford, C.C., S.C Wofsy, M.L. Goulden, J.W. Munger,
E.H. Pyle, S.P. Urbanski, L. Hutyra, S.R. Saleska, D.
Fitzjarrald and K. Moore（2001）Factors controlling
long- and short-term sequestration of atmospheric
CO2 in a mid-latitude forest. Science, 294, 1688-1691.

34）Curtis, P.S., P.J. Hanson, P. Bolstad, C. Barford, J.C.
Randolph, H.P. Schmid and K.B. Wilson（ 2002 ）Biometric and eddy-covariance based estimatesof annual carbon storage in five eastern North

190（受付2004年３月25日、受理2004年６月13日）