関東森林研究論 文70-1(2019)

樹幹流の安定同位体比および溶存化学成分の 1 降雨中の時間変化
久保田多余子 1
１ 森林総合研究所
要旨：樹幹流の 1 降雨中の定同位体比と溶存無機イオン濃度の時間変化を調べることにより、溶存無機イオン濃度からは、樹幹流に含まれる乾性降下物量と樹体からの溶脱量を分離でき、かつ乾性降下物が流出し終わるタイミングが分かること、安定同位体比からは樹幹流の発生機構を推定できた。このことから、樹幹流の安定同位体比および溶存無機イオン濃度の高時間分解能データを用いることにより、樹幹流が物質循環、酸緩衝機能や降雨流出過程へ果たしている役割をよりよく理解できる。
キーワード：樹幹流・溶存無機イオン濃度・水の安定同位体比・降雨中の時間変化

Intra-storm trends of water stable isotopes and dissolved inorganic ion concentrations in stemflow
Tayoko KUBOTA1
Forestry and Forest Products Research Institute
Abstract: Using intra-storm trends of dissolved inorganic ion concentrations in stemflow, we were able to separate dry deposition
washoff and leaching flux, and determine the timing when dry depositions stop to flowing. Using water stable isotopes in stemflow,
we were able to estimate stemflow generation mechanisms. We showed that high time resolution data of dissolved inorganic ion
concentrations and water stable isotopes in stemflow could become useful tools to clear the roll of stemflow for material cycle in
the forest, acid buffering capacity of the forest soil, and rainfall-runoff processes.
Key-word: stemflow, dissolved inorganic ion concentrations, water stable isotopes, intra-storm trendsを評価する（5、7、10、13）ことに利用されている。一Ⅰ はじめに
樹幹流は森林生態系における物質循環（4）、酸性雨に方で、水の安定同位体比は水が蒸発したり、凝縮したり対する森林の緩衝機能（12）、降雨流出過程（3、8）に重する三相変化のときと、同位体比の異なる水同士が混合要な役割を果たしていると認識されている。それにもかするときに変化する。水の安定同位体比は水そのものでかわらず、樹幹流量（mm）を降雨量（mm）に対する割あり、途中で溶脱や吸着がないため、降雨流出過程を調合にすると 0.5～12.1 %と少ないため（15）、樹幹流の影べるための理想のトレーサと考えられている（６）。

響は小さいとして無視されることが多かった。しかし、本研究ではまず、1 降雨中の樹幹流の溶存無機イオン

樹幹流は体積で見れば多量な水量で根元に集中して流れ濃度と水の安定同位体比の時間変化を明らかにする。そ込み、樹冠通過雨よりも効率的に地中に浸透すると考えして、これらを調べることにより、樹幹流が物質循環、られ、近年再び注目されている（11）。

酸緩衝機能、降雨流出過程へ果たしている役割について

樹幹流の溶存無機イオン濃度と水の安定同位体比の１よりよく理解できるのかどうか検討する。

降雨中の時間変化についての研究は少ないが、どちらも降雨の降り始めで大きく、徐々に小さくなるという変化

Ⅱ 方法をすることが報告されている（3、8、10）。しかし、両者１．調査地 調査は茨城県常陸太田市にある茨城森林の変化の原因は異なっている。樹幹流の溶存無機イオン

管理署管内堂平国有林（36°34’ N、140°35’E）内の濃度は降水に含まれる成分に大気中、樹冠や樹幹での乾1924 年植栽のスギとヒノキの人工林において行った。

性降下物の洗い出しと樹体からの溶脱分を加え、樹体へ

２．調査項目 降雨を気象露場にて、樹冠通過雨をス吸収される分を差し引いて決まる。このことから、樹幹ギの樹冠下、および樹幹流をスギの幹において、自作の流の溶存無機イオン濃度は林内への乾性降下物の流入量

採水装置（8）を用いて 1 降雨を細かく分割して採取し－85 －（受理日 2019 年 3 月 28 日）

た。また、気象露場において降雨量を転倒マス式雨量計

Ⅲ 結果と考察（池田計器製作所、RT-1、1 転倒 0.1mm）で観測した。

１．降雨の溶存無機イオン濃度と林地への供給量

採水地点の周辺にあるスギ 17 本の平均胸高直径は 430

対象降雨の平均溶存無機イオン濃度および林地への平mm であった。樹幹流を採取したスギは胸高直径が 280

均供給量を、表-2 に示すとともに、図-1 にレーダーグラmm であり、樹冠投影図より求めた樹冠占有面積は 13.3

フで示した。溶存無機イオン濃度はアニオンとカチオン

m2 であった。降雨と樹冠通過雨は直径 200 mm のポリともに降雨、樹冠通過雨、樹幹流の順で高くなるが、林プロピレンの漏斗で集め、200 mL ごとにポリ瓶で採水地への供給量は樹冠通過雨が最も多かった。本試験地はした。
ポリ瓶の容量である 200 ml を漏斗の断面積 70650

海からの距離が 7 km と近いため、降水の Cl-と Na+の濃mm2 で除して水頭にすると 3.5 mm である。樹幹流は幹度は海塩粒子の影響を受けていると考えられた（2）。アにウレタンマットを巻いて集め、500 mL ごとにポリ瓶ニオンは降雨、樹冠通過雨および樹幹流すべてが相似にに採水した。容量 500 mL は上述の樹冠占有面積で除し近い三角形のレーダーグラフで示された。カチオンは降て水頭にすると 0.038 mm である。

雨では Na+の濃度および供給量が相対的に高いが、樹冠ボトルに採取された水の採水時刻を決定するために、同じ林分において過去に決定された、降雨量（P）と樹冠

通過雨と樹幹流では K+と Ca2+の濃度および供給量も高くなり、樹体からの溶脱があることを示していた。

通過雨量（T）または樹幹流量（S）との関係式（14）を用いた。この関係式は 1990 年～1995 年にかけて観測さ

表-2. 対象降雨の平均溶存無機イオン濃度と供給量れた測定値（9）をもとにしている。

Table 2 Mean dissolved inorganic ion concentrations and flux

T=0.891P-0.801(1)

S=0.081P-0.629(2)

in the target rainfall events
Cl-NO3-

SO42-

K+

Ca2+

Na+

Mg2+

この関係式より気象露場で観測した降雨量から樹冠通過

平均溶存無機イオン濃度 mgL-1

雨量および樹幹流量を求め、計算による樹冠通過雨また

降雨

0.4

0.3

1.3

0.30.1

1.40.0は樹幹流の発生時からの累積水量とボトルの貯留量とを

樹冠通過雨

3.8

3.2

4.5

2.1

1.72.10.4

対応させて採取時刻を決めた。

樹幹流

9.2

16.1

21.2

2.24.24.21.3

採取した水の溶存無機イオン濃度（Cl-、NO3-、SO42-、-2

平均供給量 kgm

K+、Ca2+、Na+、Mg2+）と酸素と水素安定同位体比（δ降雨

0.40.3

1.0

0.3

0.1

1.20.0

18O、δD）を分析した（8）。

樹冠通過雨

2.82.3

3.3

1.5

1.3

1.50.3

3．対象降雨の特性

樹幹流

0.5

0.9

1.1

0.1

0.2

0.20.1

解析の対象とした降雨の特徴を表-1 に示した。
2000 年6 月から 2001 年 1 月までの観測期間中に総降雨量 0.5２．溶存無機イオン濃度と水の安定同位体比の時間変化

mm 以上の降雨は 60 回あった。ただし、降雨と降雨の以降は 7 月 25 日の降雨について示す。雨は 7 月 25 日間が 5 h 以上開いた場合を 1 降雨とした。
このうち降雨、の 19:00 より降り始めたが、樹冠通過雨は降雨開始より樹冠通過雨および樹幹流をすべてセットで採水した降雨

2 時間遅れて 21:00 より、樹幹流は降雨開始より 10 時間は 6 回であった。さらにこのうち、水の安定同位体比は遅れて 7 月 26 日 5:00 より発生した（図-2）。降雨の最すべて分析したが、溶存無機イオン濃度については表-1

初のサンプルは、その前に降った雨が混じったため対象に示した 3 回のみであった。

外とした。また、樹幹流は流量が多く、7 月 26 日 7 時以降の樹幹流は 5 L のタンクにまとめて貯留した。

表-1. 対象降雨の特徴

降雨と樹冠通過雨の塩化物イオン濃度が、降雨の降り

Table 1 Characteristics of the target rainfall events in 2000
年月日

総雨量

継続時間

始めから緩やかに減少しているのに対し、樹幹流では樹降雨強度
max-1

幹流の発生時に高く、急激に減少した（図-2）。他の溶存ave.
-1

無機イオン成分も同様に変化した（図-3）。

2000 年mmhmmhmmh

図-3 に示した、1 降雨中の溶存無機イオン濃度の変化

7/25-26

31.7

24.5

4.21.3をもとに Kazda (5)と Levia et al.（10）の方法を使用し10/20-2132.3

12.7

4.42.5て、乾性降下物による供給量と溶脱量を分離した。この

10/28-29

22.0

21.3

2.71.0

方法は樹幹流の 1 降雨中の溶存無機イオン濃度の時間変－86 －関東森林研究70-1(2019)

化を指数関数で近似して、降雨の終了時にかけて一定値となった部分を、降雨に元々含まれていた成分に溶脱を合わせた分として、指数関数的に減少している部分から差し引き、残りを乾性降下物量とする方法である（5）。
分離した結果を成分ごとに時間変化として示した（図-4）。
この結果、乾性降下物量と溶脱量を分離でき、乾性降下物が流出し終わるタイミングを明らかにできた。
降水
樹冠通過雨
樹幹流

図-3. 降雨中の樹幹流の溶存無機イオン濃度の時間変化
Fig. 3 Intra-storm trends of dissolved inorganic ion
concentrations in stemflow(a) アニオン濃度(b) カチオン濃度(c) アニオン供給量(d) カチオン供給量

図-1. 対象降雨の平均溶存無機イオン濃度 (a, b)と平均供給量 (c, d)

図-4. 乾性降下物量と溶脱量の時間変化

Fig. 1 Mean dissolved inorganic ion concentrations (a, b)

Fig. 4 Intra-storm trends of dry deposition washoffand mean flux (c, d) in the target rainfall events.

and leaching flux
次に、降雨の安定同位体比の時間変化については、酸素と水素安定同位体比の間に線形の関係があるため（1）、酸素同位体比についてのみ示した（図-5）。降雨の同位体比は、降雨の降り始めで高く、降り終わりにかけて低くなった。降雨開始時では樹冠通過雨の酸素同位体比は降雨よりも高く、樹幹流の同位体比はさらに高かった。そして、降雨の後半では樹冠通過雨と樹幹流の酸素同位体比は降雨のそれと同じくらいの値となった。樹幹流発生
図-2. 降雨中の降雨、樹冠通過雨および樹幹流の時に樹幹流の同位体比が高いのは、樹幹流は樹冠通過雨

塩化物イオン濃度の時間変化よりも発生までに時間がかかっていることから、樹幹流

Fig. 2 Intra-storm trends of chloride ion concentration inが発生するまでに、樹冠や樹幹に貯留された降雨が蒸発

rainfall, throughfall, and stemflowを受けたためと考えられる。そして、7 月 26 日 7 時以－87 －降、樹幹流の同位体比は減少しているが、これは乾性降In : Harrison, A. F., Ineson, P., and Heal, O. W.(Eds), Nutrient

下物の洗い出しが終了したと考えられる時刻とほぼ一致

cycling in terrestrial ecosystems. Elsevier, New York, pp. 46-55

しており（図-4）、幹が十分湿って定常的に水が流下する（６）Kendall, C. and Caldwell, E. A. (1998) Fundamentals ofようになったためではないかと考えられる。このことか

isotope geochemistry. In : Kendall, C. and McDonnel, J. J. (Eds),

ら、一旦、樹幹流が発生すると樹冠で集められた水が、Isotope tracers in catchment hydrology. Elsevier, The

貯留されず蒸発されることなく速やかに流下すると考え

Netherlands, pp. 51-86

られた。

（７）小林橲樹・中川吉弘・玉木元則・平木隆年・正賀充（1995）森林樹冠への酸性沈着の影響評価－乾性沈着と溶脱の分離評価法の検討－．環境科学会誌：8(1)：2534（８）Kubota, T., and Tsuboyama, Y. (2003) Intra- and interstorm oxygen-18 and deuterium variations of rain, throughfall,and stemflow, and two-component hydrograph separation in asmall forested catchment in Japan. Journal of Forest Research
8：179-190（９）村上茂樹・坪山良夫・志水俊夫・藤枝基久・野口

図-5. 降雨中の樹幹流の酸素同位体比の時間変化

正二（1996）樹冠遮断量の観測とモデル計算との比較．

Fig.5 Intra-storm trends of oxygen-18 isotope composition

水文・水資源学会誌 9：31-37

in stemflow（１０）Levia, D. F., Van Stan, J. T., Siegert, C. M., Inamdar,
S. P., Mitchell, M. J., Mage S. M. and McHale, P. J. (2011)

Ⅳ まとめ

Atmospheric deposition and corresponding variability of

１降雨中の樹幹流を細かく採水して調べることにより、

stemflow chemistry across temporal scales in a mid-Atlantic

林内への乾性降下物による供給量と溶脱による供給量をbroadleaved deciduous forest. Atmospheric Environment 45：

精度よく分離できる可能性を明らかにできた。また、樹3046-3054

幹流の安定同位体比からは、樹幹流の発生機構を明確に（１１）Levia, D. F., and Germer, S. (2015) A review ofできる可能性が示された。このように、樹幹流を 1 降雨

stemflow generation dynamics and stemflow environment

中に高時間分解能で測定することは、樹幹流の役割をよinteractions in forests and shrublands. Review of Geophysics

り明確にするために必要である。

53：673-714（１２）酒井正治（1997）森林土壌の酸性度に及ぼす降引用文献

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