カラマツ林の炭素循環機能に関する観測研究
Carbon Cycle and Larch Growth

Carbon Cycle and Larch growthExperiment

CC－CC－LaG Experiment・北海道大学北方生物圏フィールド科学センター
・国立環境研究所地球環境研究センター
・北海道電力株式会社総合研究所

Since 2001

Lat. 45oN
天塩研究林

30 mタワー
タワー

量水堰
N

伐採植林地
(13.7 ha)
0100

200 m

●研究サイト
研究サイト
北海道大学北方生物圏フィールド科学センター森林圏ステーション
天塩研究林151林班（45º 03’N, 142º 07’E, a.s.l. 66m ）●メインプロジェクト
P0 カラマツ林炭素フラックスモニタリング●サブプロジェクト
P1 天然林(針広混交林)のバイオマス評価
P2 天然林(針広混交林)の炭素フラックス観測P3 更新地操作実験
P4 土壌内水分・養分動態観測P5 流域スケール水・炭素・窒素流出機構の評価
30m タワー

P6 広域炭素収支の評価

モニタリング項目
モニタリング項目

森林の森林の二酸化炭素吸収量を二酸化炭素吸収量を調べる
垂直方向の風速と二酸化炭素の濃度を連続して測定することによって，森林と大気との間の二酸化炭素の移動量を計測することができます．
このプロジェクトでは森林→伐採→植林→育林の過程を通じて二酸化炭素の移動量の計測を行う
ことによって，人間の働きかけが森林の二酸化炭素吸収能力に与える影響を明らかにすることを大きな目的としています．

放出

2001-2002

2003

森林伐採

ササの筋刈& カラマツの植林-114.0-1炭素移動量 (トン炭素 ha 年 )20

10 総呼吸量-0.40-10

二酸化炭素吸収量観測機器

2004-2005

今までの観測結果から，森林を伐採すると植物の光合成量が大きく低下し，大量の炭素が大気に放出されることや伐採後の光合成量の回復が早いことがわかりました．伐採後7年間は植林地は二酸化炭素を放出していましたが、8年目で再度吸収源になりました。

10.5

10.4

11.7

11.5

12.3

12.2

10.6

11.8

5.75.01.51.2

0.04

1.0

0.3

-0.5

正味の正味の移動量（移動量（呼吸量―呼吸量―光合成）光合成）

総光合成量-14.4-4.8-5.4-10.1-10.3

-12.3

-11.2

-10.4

-12.3

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

-20

吸収

2002

2003

今後も苗木の生育に伴う炭素吸収量の変化を継続して測定していきます．

森林流域の森林流域の水・炭素・炭素・窒素の窒素の移動を移動を調べる
観測サイトから流れている河川に堰を設けることによって，雨や雪として流域に入ってきた水がどの程度河川から出て行くのかを測定しています．
また定期的に水を採取して，水質を分析することによって，炭素や窒素などの物質がどの程度流域から出て行くのかを明らかにしています．
量水堰とリタ
量水堰とリタ－とリタ－トラップ

同時に森林に入ってくる水や落ち葉の量と成分を測定しています．

流域面積：流域面積：8ha

リタ－リタ－トラップと林内雨採取器
トラップと林内雨採取器
林外雨採取器

25DOC
DIC
POC（>0.7μm）
リター（>4mm）
流量400
300

201520010100

5004080120160200240280320

河川水流量 (l s-1 )積算炭素流出量 (kgC)

500

0360

DOY 2002

針広混交林における観測結果から，・雨や雪として流域に入ってきた水の約8割が河川水として流出すること・森林によって固定された炭素の約2割が河川水によって運ばれ出て行くこと等が明らかになりました．

地上及び地上及び航空機観測によって航空機観測によって広域森林現存量を広域森林現存量を調べる
航空機観測データの航空機観測データの解析事例
データの解析事例

航空機から地表面にレーザを射出することにより，地表面の三次元情報を計測する技術を用いて，広域の森林現存量を評価する技術開発が現在進んでいます．本研究林でも，航空機観測データと地上観測による森林現存量データとの比較研究を行っています．
GPS

航空機観測データの航空機観測データの解析事例
データの解析事例

反射レーザー

地上観測風景（地上観測風景（木の直径の直径の計測）計測）

800

600

3-1

地上観測による蓄積量（m ha ）航空機を航空機を利用した利用した森林現存量調査概念図
した森林現存量調査概念図

400

200

0050100150

3200 250x103-1

ライダー観測による樹冠体積（m ha ）地上観測データと地上観測データと航空機観測データと航空機観測データの航空機観測データの重データの重ね合わせ

地上観測データと地上観測データと航空機観測データと航空機観測データとの航空機観測データとの関係
データとの関係

森林現存量が，葉や幹・根・枝にそれぞれどのくらいの割合で炭素として蓄積されているのかについては，より詳細な調査が必要になります．これらのデータは二酸化炭素の抑制対策上重要な基礎資料となりますが，観測例が限られています．本研
究林では，大型重機と人海戦術による調査によって，北方林主要構成樹種の特徴を明らかにしています．

掘り起こした根
こした根から土砂から土砂を土砂を落としている様子としている様子

葉と枝の分離樹木の樹木の伐倒風景

根の水洗いと水洗いと選別
いと選別

10000

ミズナラ
ダケカンバ
トドマツ

50

乾燥重量比（%）

乾燥重量（kg）

60

40301000

ダケカンバ地上部
ミズナラ地上部
トドマツ地上部
ダケカンバ地下部
ミズナラ地下部
トドマツ地下部

100

1020
1001
葉

枝

幹根

北方林主要構成樹種の北方林主要構成樹種の器官毎の器官毎の乾燥重量比110
胸高直径 (cm)
北方林主要構成樹種の北方林主要構成樹種の相対成長関係

100

生態系の生態系の様々な様々な構成要素の構成要素の二酸化炭素交換量を二酸化炭素交換量を調べる
土壌や苗木・ササ等の生態系の個別の要素において，二酸化炭素がどのように交換されているのかを調べるために，チャンバ観測を行っています．それぞれの要素に被せた容器の蓋を自動で開閉し，蓋が閉まっている時の内部の二酸化炭素の変化速度を測定することによって，二酸化炭素の交換量を測定しています．
土壌

ササ苗木
812-2 -1

Soil respiration (µmol m s )

渦相関法
チャンバ法

64CO2フラックス (gC m-2 day-1)

20-2-48

土壌
ササカラマツ64208

2003 Q10=1.8
2004
2.4
2005
3.2
2006
3.4
2007
3.7
2008
3.6

4-2-4060

120

180

240

300

0048
121620
Soil temperature at 5 cm depth (°C)

360

DOY2004-2-1

CO2 flux (gC m d )16

LICOR soil respiration
TER
Liang_soil respiration

12577
1301-2

g C m snow-free preriod

673
1010
852 (84%)

8-19511047(110%)10961062(97%)

1063981(92%)

11731105(94%)

40Jan

Jul
2002

Jan

Jul
2003

JanJul2004

JanJul
2005

Jan

Jul
2006

Jan

Jul
2007

JanJul
2008

11211035(92%)

分光反射特性の分光反射特性の長期モニタリング
長期モニタリング
植生表面から反射される波長毎の日射量には植生の光合成活動の影響が反映されています。
本研究では、分光反射特性と実際に計測した光合成量や呼吸量との関連を明らかにすることによって、分光放射特性から光合成量や呼吸量を推定する研究を行っています。このような研究は衛星や航空機によって大規模な炭素収支を明らかにする際に役立てることができます。

例えば,
NDVI=(D-C)/(D+C)

植生からの反射A B

CD

SAVI=1.5*((D-C)/(D+C+0.5))
PRI=(A-B)/(A+B)
NDVI:normalized difference vegetation index
SAVI :soil-adjusted vegetation index
PRI :photochemical reflectance index

400 500600

700 800 900 1000

波長 (nm)本サイトではSAVIと光合成能との相関が一番高いことが明らかになりました。

光量あたりの光合成量

分光放射量 (W m-2 mm-1)

日射量

SAVI●本研究プロジェクトの本研究プロジェクトの特徴
プロジェクトの特徴
1. 天然林伐採 & カラマツ（カラマツ（グイマツ雑種
グイマツ雑種F1雑種F1）F1）の植林・13.7 ha の天然林伐採
・天然林伐採が炭素・水・窒素動態に及ぼす影響の把握
・カラマツ育林過程における炭素・水・窒素動態のモニタリング
2. 多雪地域の多雪地域の炭素循環
・積雪深は ≈1.5 m
・多雪気候における物質循環の把握
3. 流域スケール
流域スケール・流域スケールで物質循環を評価
フラックス観測機器
フラックス観測機器●研究計画

針広混交林における観測13.7 haの皆伐(2003年1～3月)

約3万本のグイマツ雑種F12年生苗木の植林（2003年10～11月）

苫小牧や苫小牧や富士山麓のカラマツ
富士山麓のカラマツ林のカラマツ林
フラックスサイトとのタイアップ
カラマツ林
カラマツ林の持つ炭素固定能力を炭素固定能力を総合的に総合的に把握

関連業績
・Koike, T., et al. (2001) Basic data of the study site for CO2 flux monitoring of a young larch
plantation located in the border between northern Japan and far east Russia-Current
status of a mature mixed conifer-hardwood forest stand -. Eurasian Journal of Forest
Research 2: 65-79.
・Takagi, K., et al. (2005) Deforestation effects on the micrometeorology in a cool-temperateforest in northern Japan. Journal of Agricultural Meteorology 60, 1025-1028.
・Takagi, K., et al. (2005) Dynamic carbon dioxide exchange through snowpack by winddriven mass transfer in a conifer-broadleaf mixed forest in northernmost Japan. Global
Biogeochemical Cycles, 19, GB2012.
・Fukuzawa, K., et al. (2006) Effects of clear-cutting on nitrogen leaching and fine root
dynamics in a cool-temperate forested watershed in northern Japan. Forest Ecology andManagement, 225, 257-261.
・Fukuzawa, K., et al. (2007) Vertical distribution and seasonal pattern of fine-root dynamics ina cool-temperate forest in northern Japan: implication of the understory vegetation, Sasa
dwarf bamboo. Ecological Research, 22, 485-495.
・ Tsuji, H., et al. (2008) Summer relative humidity in northern Japan inferred from δ18O
values of the tree-ring in (1776-2002 AD)-Influence of the paleoclimate indices ofatmospheric circulation. Journal of Geophysical Research, 113, D18103.
・Nakaji, T., et al. (2008) Utility of spectral vegetation indices for estimation of light
conversion efficiency in coniferous forests in Japan. Agricultural and Forest
Meteorology, 148, 776-787.
・Takagi, K., et al. (2009) Change in CO2 balance under a series of forestry activities in a cooltemperate mixed forest with dense undergrowth. Global Change Biology, 15, 1275-1288.
・Hayashi, K., et al. (2009) Ammonia emission from a young larch ecosystem afforested after
clear-cutting of a pristine forest in northernmost Japan. Water, Air and Soil Pollution,
200, 33-46.