温暖化に対するスギ人工林の脆弱性マップ
松本2

陽介 1・重永英年 1・三浦覚 2・長倉淳子 2・垰田

（1 独立行政法人 森林総合研究所 九州支所・宏3

森林総合研究所 立地環境研究領域・3 森林総合研究所（元）研究管理官）

摘
要
スギが植栽されている地域について、土壌の性質、およびスギの蒸散特性を考慮して、温暖化に対する脆弱性を検討した。有効保水容量含水率（土壌保水力）および、年蒸散量と年降水量の比（蒸散降水比）を水分環境の指標として、それぞれの全国マップを作成した。土壌保水力が小さい地域は、三河地方、近畿地方、瀬戸内沿岸地方、四国の沿岸地方、および九州北西部の沿岸地方などであった。現在の気候条件下では、関東平野の利根川周辺地域、甲信地方、および関西・瀬戸内地域で蒸散降水比が高かった。土壌保水力の小さい地域や蒸散降水比が高く気候的にスギ林の生育にとって好適でない地域の分布は、現在スギの衰退がみられる地域と概ね対応していた。温暖化シナリオ（2081 〜 2100 年）を適用した場合には、関東平野、青森県北部などで蒸散降水比が高い地域が拡大した。これらの地域に植栽されたスギは脆弱であることが予想された。
キーワード：温暖化、蒸散、スギ、脆弱性予測、土壌水分特性曲線

1 ．はじめにスギ（Cryptomeria japonica（L.）D. Don）は、青森県以南から屋久島までの冷温帯から暖温帯に天然分布し、気温に対する適応範囲が広く、降水量の多い湿潤な地域でよく生育する 1）。スギ材は建築用材、家具材、器具材、船舶・車両材、土木材、梱包材など広い用途を持ち、スギは昔から広く人工植栽されてきた 1）。現在では、北海道と沖縄県を除き（いずれも極めて小面積では存在する）、全国で約 450 万haの人工林が作られている。これは、国土面積の約 13 %、人工林の約 45 %に相当する。このようなスギは、水蒸気拡散コンダクタンスが大きく、土壌−植物体−大気連続系（SPAC）における水分通道抵抗が大きい（水消費量が大きく・水補給能力が低い）ため、強い水ストレスが発生しやすいという性質を有している 2）。
関東、関西、瀬戸内地域の平野部では、スギ衰退現象が観察されている 3）, 4）。関東平野でのスギ衰退原因については、一時期は酸性降下物の影響との見方もあったが、大気の乾燥化による水ストレス増大が原因と指摘されている 2）。また、土壌の保水能力が低い土地ほどスギ衰退が顕著であることが明らかにされている 5）。一方、1960 年代以
降は、九州地方を中心とする西南日本においてス
ギ壮齢林の乾燥被害が報告されている 6）。また、
近年、宮崎県ではスギ造林木の干害が増加する傾向にあり、気温上昇と降水パターンの変化が関係していることが示唆されている 7）。
IPCCの地球温暖化シナリオによれば、平均気温の上昇だけでなく降水量や降雨間隔の変動も予想されている。降雨特性の変動は、利用可能な土壌水分量や空気乾燥度に変化をもたらし、植物の分布や成長に影響を及ぼすことが予想される。
特に水要求度が高いスギでは、一定の年降水量があっても、温暖化に伴う降雨間隔の長期化（=干ばつの多発化）が発生すれば、土壌保水力の小さい土地での乾燥被害が懸念される。また、気候・気象環境の変化は、降水による水分供給と蒸散による水分消費の均衡を崩し、スギの生育には適さない地域が出現する可能性がある。
スギは日本の主要造林樹種であり、温暖化やそれに伴う水分環境の変化による衰退が危惧されながら、これまでスギ人工林に対する気候変動による全国的な影響予測はなされていない。本研究では、森林土壌の保水特性および蒸散特性に着目し、水分環境の点からスギの生育に好適でない地域を全国規模で評価するとともに、温暖化に対して脆弱なスギの植栽地域を予測することを目的とした。

2 ．土壌保水力の地域分布
スギは、斜面の中腹から下部や谷筋などの水分43

松本ほか：温暖化に対するスギ人工林の脆弱性マップ

供給が潤沢な立地で成長が良いことが、経験的に知られていた。第二次世界大戦後に日本全国で森林土壌の調査が開始された後、1950 〜 1960 年代にかけて主要造林樹種の林地生産力と環境要因についての詳細な解析が行われ、スギについては土壌型、地質・母材、標高（温量指数）、局所地形の4 因子が重要であり、このうち土壌型は他の因子よりもスギの成長に強く影響することが明らかにされている 8）。このような調査事業の成果を背景に、拡大造林施策により全国でスギ人工林が急増したが、当時は現在のような気候変動に対する認識は乏しく、スギの生育環境が急激に変化する可能性は予想されていなかった。
水分環境を決定づける土壌は、気候変動のように短期間に変化することは少ないが、降水量が大きく変化すれば、スギが利用可能な水供給量も大きく変わる可能性がある。水分環境の変化がスギの生育に及ぼす影響を評価するためには、これらの点を土壌の保水力にもとづいて改めて検討することが有効と考えられる。ここでは、土壌型をもとに土壌の保水特性を類型化し、それぞれで得られた保水力の指標値を国土数値情報（後述）として整備されている全国の森林土壌のメッシュデータに適用して、土壌保水力の地域分布特性を評価した。
2.1 保水力による土壌の類型化
国土数値情報（後述）による土壌区分と森林面積から算出すると、日本の森林に出現する主な土壌群は、褐色森林土（69%）、黒色土（13%）、ポドゾル（4%）、赤黄色土（2%）で、この 4 群で全体の88%（残りは未熟土等）を占めている。このうち、スギは主として適潤性ないし湿性の褐色森林土と黒色土に植栽されているため、ここでは林野土壌
分類 9）, 10）のうち褐色森林土と黒色土を解析対象とし、スギ林土壌で集められた 112 断面 278 試料の土壌物理性データ 11）と九州地方の 131 断面 499 試
表１料の土壌物理性データ 12）をデータベース化し、土壌水分特性曲線を描いた。土壌水分特性曲線の形
状は、適潤性褐色森林土や黒色土ではpF1.0 〜 3.2（− 0.98 〜− 155 kPa）まで全体にわたって曲線の傾きが緩やかで、含水率の変化に対して水分ポテンシャルが徐々に変化するという性質が認められた。一方、乾性褐色森林土や弱湿性褐色森林土では、pF1.5 〜 1.8（− 3.1 〜− 6.2 kPa）を境に水分特性曲線の傾きが急になり、含水率のわずかな変化に対して水分ポテンシャルが急激に変化する土壌が多く含まれていた。以上の解析にもとづいて、土壌水分特性が似通った土壌型を次のように類型化した。
褐色森林土乾性タイプ：乾性褐色森林土（細粒（粒状・堅果状構造型）（BA）、乾性褐色森林土状構造型）（BB）、弱乾性褐色森林土（BC）、適）
潤性褐色森林土（偏乾亜型）（B（d）
D
褐色森林土適潤性タイプ：適潤性褐色森林土（BD）
褐色森林土湿性タイプ：湿性の特徴を呈する適潤性褐色森林土（B（w））、弱湿性褐色森林土
D（BE）
黒色土：黒色土群（B l）
土壌の保水力は、植物が利用可能な水分を考慮して、有効保水容量含水率=圃場容水量含水率（θ f ）−残留含水率（θ r）で指標させることとした。
前述の土壌物理性データ 11）はθ r 付近の水分ポテンシャルが低い領域の実験データを欠いている。
そのため、対数正規分布モデル 13）により土壌水分特性曲線を描いてθ rを推定した。表 1 に、対数正s 最大容水規分布モデルの 4 つのパラメータ、θ （量含水率）、θ（r 残留含水率、pF4.2（− 1,554 kPa）相当）、ψ m（メジアン孔隙径に対応する土壌マトリックポテンシャル）とσ（孔隙径分布の幅）、および圃場容水量含水率（θ f ）と有効保水容量含水率（θ f−θ r）の土壌類型ごとの平均値を示した。

土壌水分特性曲線の対数正規分布モデルにおける４つのパラメータ値，ならびに圃場容水量含水率および有効保水容量含水率の土壌類型ごとの平均値.

土壌類型

試料数

褐色森林土乾性タイプ
褐色森林土適潤性タイプ
褐色森林土湿性タイプ
黒色土471035078

残留最大容水量 含水率
含水率

θs0.7520.710
0.7700.722

θr0.3170.5420.4500.578

メジアン孔隙径に対応する土壌
マトリック
ポテンシャルΨ m (cm H2O)
− 43.6− 84.6− 47.6− 59.6

孔隙径 圃場容水量 有効保水容量
分布の幅
含水率
含水率

σ1.21
1.41
1.37
1.17

θf0.409
0.678
0.546
0.710

解析に用いた元データは，真下（1960）.
林野土壌分類との対応は，褐色森林土乾性タイプ：BA ，BB ，BC ，B（d），褐色森林土適潤性タイプ：BD ，D
褐色森林土湿性タイプ：B（w）とBE ，黒色土：B l
D44θ f−θ r
0.092
0.136
0.0960.132

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図1

各土壌類型が優占する 3 次メッシュが 2 次メッシュの森林土壌面積の 50%以上を占める区画の分布図.
褐色森林土湿性タイプでは 2 次メッシュの広さではほとんど出現しないため白図に見える.

2.2 全国マップ化（メッシュマップ）我が国の地理・地勢・植生などは、メッシュ法による国土数値情報（国土交通省）にデジタル情報として整備されている。また、アメダス情報や気候変動シナリオも、この「標準地域メッシュシステム」を用いてデータベース化されている。メッシュ法の特長は、平面位置が特定され各種データの重ね合わせや相関解析が可能になることである。ここではマップ作成にこのメッシュ法を用いた。
2 次メッシュは緯度で 5 分、経度で 7 分 30 秒ごとに区切られる区画（面積約 100 km 2）で、 3 次メッシュは 2 次メッシュを緯度および経度方向にそれぞれ 10 分割した区画（面積約 1 km2）である。
それぞれのメッシュには緯度と経度を元にしたメッシュコードがつけられ、このコードで位置が特定される。
保水力全国マップは、国土数値情報の土壌区分（国土交通省、自然地形メッシュ G05 − 54M、土地利用メッシュ L03 − 62M）にもとづいて、土壌水分特性曲線の解析から得られた土壌類型ごとの有効保水容量含水率（表 1）を 3 次メッシュ単位で与え、これを 2 次メッシュ単位で平均して図化した。
2.3 土壌保水力の地域分布
2 次メッシュ単位の土壌類型の全国分布を図 1に示す。3 次メッシュごとの最優占土壌類型が森
林土壌面積の 50%以上を占める 2 次メッシュについて示した。褐色森林土乾性タイプは愛知県以西の海岸に近い地域に比較的広く分布する。褐色森林土湿性タイプは谷底地形などに分布する。分布面積が狭いため 2 次メッシュ単位で示した図 1 には表れないが、3 次メッシュ単位では東北から関東・中部および四国・九州北部の内陸部などにわ

図2

土壌保水力(有効保水容量含水率)の全国マップ.

青色が濃いほど保水力が大きく，赤色が濃いほど小さい.

ずかに分布する。黒色土は青森県〜岩手県の太平洋側、関東平野部、および九州の山地に広く分布する。さらに、褐色森林土適潤性タイプは最も広く分布し、内陸の山地に多い傾向が認められる。
2 次メッシュごとの土壌保水力（有効保水容量含水率）の全国マップを図 2 に示す。保水力の面からスギの成長に対する水ストレス発生危険度が高い地域（図中の赤色）は、三河地方、瀬戸内沿岸地方、近畿地方、九州北西部や四国地方の沿岸地

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松本ほか：温暖化に対するスギ人工林の脆弱性マップ

方などの西日本に多く認められた。これは、中部・関東から東北地方や、西南日本でも内陸の山間地には褐色森林土適潤性タイプや黒色土が広く分布するのに対して、西日本の沿岸部には土壌保水力の低い乾性タイプの褐色森林土の 2 メッシュ内分布比率が大きいことに起因する。
三河地方でのヒノキ・スギ枯損 14）および瀬戸内地方のスギ衰退現象 3）が報告されているが、これらの地域の土壌保水力が低いことが図 2 に明らかである。一方、これまでスギ衰退が報告されている関東地方 4）, 5）については、土壌保水力からは脆弱地域として抽出されなかった。このことは、関東平野のスギ衰退の主原因が土壌保水力の不足ではないことを示唆している。

3 ．蒸散降水比の地域分布とスギ人工林の脆弱性
温度環境は林木の蒸散作用に強く影響し、水分の消費量を規定する大きな要因となる。一方、降雨は林木が利用可能な水分の潜在的な供給源となる。気温、降水量といった気候条件は、水分の消費と供給の均衡を支配し、ある地域に生育する林木にとってのマクロな水分環境を決定するといえる。スギ人工林の地位指数と立地環境の解析 15）
では、雨量係数（年降水量／年平均気温）が 130 〜140 未満では成長が劣ることが指摘されており、湿潤な立地を好むスギにとって、植栽地の気候と関連した水分環境は生育に影響を及ぼす因子のひとつであると考えられる。温暖化による気温の上昇、降水量の増減は水分環境を変化させ、ある地域に植栽されているスギに対して負の効果を及ぼすかもしれない。
ここでは、マクロな水分環境という面から、今後予想される環境変化に対して脆弱であるスギの植栽地域を予測することを目的とした。先ず、蒸散量と降水量との比（蒸散降水比）を気候と関連した水分環境の指標と考え、現在の気候値から蒸散降水比を全国的に算出し、その分布とスギの衰退地域との対応を検討する。次に、温暖化シナリオから蒸散降水比を計算し、その変化からスギの生育が不適になると考えられる地域を示す。
3.1 2 次メッシュ毎の蒸散降水比とスギ人工林面積の算出
一定の葉量を持つスギ人工林分を想定し、葉のガス交換特性と月別の 2 次メッシュ気候値とから、全国の 2 次メッシュ毎に林分の年蒸散量を計算した。蒸散量の計算は Shigenagaら 16）と同様の方法で行った。2 次メッシュ気候値には、気候統一シナリオ 第 2 版を基に、現在気候（1981 〜 2000 年46平均）と将来気候（ 2081 〜 2100 年）について、沖縄県を除く日本域陸上に対して 2 次メッシュ化を行ったもの（西森，未発表）を利用した。各 2 次メッシュについて、年蒸散量と年降水量との比を算出し、蒸散降水比とした。
図化にあたっては、土壌保水力と同様にメッシュ法を用い、市町村別のスギ人工林面積 17）を基に、スギ人工林が存在しない 3 次メッシュ部分は空白とした。また、3 次メッシュの温量指数がスギ造林には不適とされる 65 未満 15）である場合にも空白とした。この際、3 次メッシュの温量指数は現在の平年値（気象庁）から算出した。
各 2 次メッシュのスギ人工林面積は、市町村別のスギ人工林面積 17 ）と 3 次メッシュ別森林面積（国土数値情報，国土交通省）から算出した。
3.2 蒸散降水比の地域分布
現在の 2 次メッシュ気候値（平年値:1971 〜 2000年）を用いて計算したスギ林の年蒸散量を図 3 に示す。現在の気候値から計算される年蒸散量は400 〜 800 mmの範囲にあり、温暖な地域ほど高くなった。近藤ら 18）は全国の気象官署のデータか
ら熱収支法を用いて日本の森林の蒸散量を 300 〜800 mm yr− 1 と推定した。丹下 19）は千葉県下のスギ人工林で、ヒートパルス法により測定された樹図3

現在の気候値（平年値:1971 〜 2000 年）から計算したスギ林の年蒸散量の全国マップ.
赤色が濃いほど年蒸散量が多い.

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液流速度から、年蒸散量は 610 〜 760 mm yr− 1 と試算した。本研究で計算される年蒸散量は、これらの結果と同程度の値であった。
現在の年蒸散量と年降水量から求めた蒸散降水比の全国マップを図 4 に示す。蒸散降水比は0.14 〜 0.67 の範囲にあり、関西・瀬戸内地域、関東・甲信地方において、高い値を示すメッシュが出現した。両地域においては、社寺林等で広域的なスギ衰退現象が観察されている 3）。関東平野においては、群馬県、埼玉県の利根川沿いで蒸散降水比が最も高かった。この地域はスギの衰退が著しいことが報告されている 4）。降水量は林木が利用可能な水分の潜在量を決定する。一方、気候値から算出される蒸散量は、温度環境等によって左右される林木の潜在的な水分消費量を意味する。
蒸散降水比が高い地域、つまり、降水量に対して蒸散量が多い地域は、水分の供給と消費の均衡という観点から、気候的に林木の生育にとって好適でない環境にあるといえる。衰退が観察されている地域と蒸散降水比が高い地域とが概ね対応していることから、広域的なスギの衰退現象には気候と関連した水分環境が関与していること、および脆弱であるスギの植栽地域の予測に本指標値が利用できることが示唆される。

図4

現在の気候値（平年値:1971 〜 2000 年）から計算した蒸散降水比(年蒸散量／年降水量)の全国マップ.

3.3 気候変動シナリオに基づいた脆弱な植栽地域の予測温暖化シナリオ（2081 〜 2100 年）によれば、現在スギ人工林が存在する地域の温度環境は、年平均気温で 2.2 〜 3.2 ℃の範囲の上昇が現れる。年降水量については、平均的には約 150 mmの増加となるが、700 mm以上の増加、200 mm程度の減少を示す地域がある。年蒸散量は現在の値に比べて50 mmから 100 mm程度増加すると計算された。
これらの予測値から計算した将来（ 2081 〜 2100年）の蒸散降水比を図 5 に示す。蒸散降水比は、降水量の増加が大きくなる中国地方の瀬戸内側や九州北部では現在に比べて低下するが、関東平野、青森県北部などでは上昇する。
現気候下では、衰退が観察されている瀬戸内地域や利根川沿いの地域では蒸散降水比が 0.5 以上の値を示すメッシュが出現している（図 4）。この値をスギの生育が不適となる閾値と考えた場合、温暖化シナリオ下では、図 5 に示されるように関東平野で閾値以上の値を示す地域が拡大する。これらの地域に植栽されているスギは、今後予想される環境変化に対して脆弱であることが予測される。全国で集計すると、閾値以上の 2 次メッシュに存在するスギ人工林面積は、現在の環境下では

図5

気候シナリオ（2081 〜 2100 年）から計算した蒸散降水比の全国マップ.

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約 24 , 000 haであるが、温暖化シナリオ下では約43,000 haに増加すると推定された。

4 ．おわりに
林業は農業と異なり、保育・収穫に数十年から百年ほどの年数を要し、また、施肥や潅水などに頼らずに自然力を有効に利用しながら行う粗放で収益率の低い産業である。大半が山地斜面に作られているスギ人工林の樹種転換を大規模に短期間で行うことや高額を要する投資は困難と思われ、脆弱性対策として大規模な潅漑・潅水を行うことには自ずと限界がある。スギは冒頭に述べたようにわが国の林業における最重要樹種で、また、国土を最も広く覆う植生のため環境保全上も重要な位置を占めており、温暖化影響予測の意義は大きいと思われる。研究者の責務として当面必要なことは、影響をより正確に予測できる手法開発の高度化であろう。中・長期的な森林施業計画の立案に貢献できると考えている。
本研究では、土壌保水力のポテンシャルを全国レベルで表現したが、土壌の厚さも考慮した土壌水分量の評価や、降水量と降水間隔の変化を反映した動的な土壌水分変動予測は今後の課題として残された。また、温暖化に対して脆弱なスギ植栽
地域の予測については、大気中CO2 濃度上昇の効果を評価する必要がある。
本研究を行うにあたり、京都大学大学院農学研究科の小杉賢一朗氏より、対数正規分布モデルの取り扱いについてご教示いただいた。記して感謝の意を表します。また、本研究の経費の一部は、環境省地球環境研究総合推進費「B− 11 地球温暖化の生物圏への影響、適応、脆弱性評価に関する研究（平成 14 〜 16 年度）、サブテーマ 3 自然林・人工林の脆弱性評価と適応策に関する研究、サブサブテーマ③人工林生態系の脆弱性評価と適応策」によった。

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