ISSN 1347-3948

フィールドサイエンス
Journal of Field Science
No．
１ ２
０
０
２

あいさつ
表紙裏 フィールドサイエンスの発刊に寄せて／小倉紀雄
招待総説
１ 酸性雨とフィールドサイエンス（Ⅰ）湿性沈着の現状と科学としての発展／原

宏

原著論文
１
５ 土壌－水系における有害微量金属の臨界負荷量（英文）／Paces, T., Corcimaru, S., Emmanuel, S., Erel, Y., Novak, M., Plyusnin, A., Veron, A. and Wickham, S.
２
３ 紙およびアルミニウム混入パーテイクルボードの基礎物性および電磁波シールド性能／
林宏次・井上弘文・近江正陽・福田清春・富永洋司

３
１ 丹沢山地におけるブナの個体群統計遺伝学的解析．Ⅰ．プロット間およびサイズクラス別の遺伝的変異性（英文）／竹中宏平・北村系子・古林賢恒・河野昭一
研究資料
５５ 富士山頂のエアロゾルの化学成分－１９９９年７月５－１２日の観察（英文）／村上健太郎・米倉宣人・土器屋由紀子・林和彦・澤庸介・五十嵐康人・堤之智

６
３ ススキのアセチル化と液化／福田清春・近藤和子・近江正陽・富永洋司
６
７ 東京農工大学フィールドミュージアムにおける樹木生育状況の記録（１９９０・２００１）／桑原
解

説

７
７ アメリカ合衆国北東部のフィールドサイエンスセンター，
Hubbard Brook Experimental Forest の紹介／戸田浩人

東京農工大学農学部附属広域都市圏
フィールドサイエンス教育研究センター
平成１
４年３月

繁

あいさつ

フィールドサイエンスの発刊に寄せて
FS センター長 小

倉

紀

雄

FS センター（広域都市圏フィールドサイエンス教育研究センター）は農学部附属の農場，演習林，波丘
地実験実習施設を統合し，新たにフィールドサイエンスに関する教育研究を総合的に推進することを目的として平成１
２年４月に設置された附属施設です。本誌フィールドサイエンスは FS センターの研究報告誌で，
フィールドサイエンスに関する調査研究成果を掲載するものです。本誌は本学に所属する者だけでなく，
フィールドサイエンスに関心のある方々にも研究発表の場として広く開放し，利用していただく研究誌です。
フィールドサイエンスは野外科学などとも言われ，いろいろな意味に用いられるようになりましたが，本センターでは『森林・農地・丘陵地などの各フィールドにおいて環境科学，森林科学，生物生産学などの多くの研究者が参加し，フィールドに適した調査・解析手法を開発し，地球環境の保全と再生，食糧・資源問
題の解決，資源循環型社会の構築をはかるための総合的・学際的・実践的な研究を行う新しい学問領域である』と考えています。
FS センターには首都から１００km 圏内に配置されている８ヵ所のフィールドがあり，これらをを FM（フィールドミュージアム）とみなし，教育研究に利用しています。また FM には各フィールドからの様々な情報を発信・受信する基地（放送局）の機能も含まれています。平成１３年１
０月には４ヵ所の FM（FM 大谷山，FM 唐沢山，FM 草木，FM 秩父；９０２ha）の森林が持続的な森林管理が行われていることを国際的に認証する「国際認証」を受けました。国の保有する森林では初めて，また大学のもつ森林（演習林）では世界で初めてのことです。今後も FS センターの森林を持続的に管理し，教育研究に活用しながら後世に残すことが使命です。また都市周辺にある４ヵ所の FM（FM 府中，FM 本町，FM 津久井，FM 多摩丘陵）
は教育研究に利用するほかに地域社会に貢献するように活用することも本センターに課せられた重要な課題です。
本誌に掲載されるさまざまな研究報告により，本センターが目指す新しい学問体系であるフィールドサイ
エンスが評価されると思います。今回の創刊号にはチェコ共和国の Paces 博士から論文を寄稿していただ
きました。今後，国際的にも評価される研究誌として発展するために多くの皆さまの積極的な投稿を期待しています。

Forward
Norio Ogura（Head of FS Center）
The Field Science Center（FS Center），whose forebears are University Farms, University Forests andRolling Land Laboratory, was founded in April２
０００．The Journal of Field Science is the FS Center's research
report and is composed of various papers contributed by persons interested in Field Science.
Field Science is a new and integrated scientific area that seeks to conserve and rehabilitate global and local environments, solve food and resource problems, and establish a resource-recycling society, by using
various fields such as forests, farm lands and urban hills.
We much appreciate Dr. Paces, who contributed the paper in the first issue of this journal. We hope that
this journal develops into an international one, with many persons contributing excellent papers.

フィールドサイエンス（J. Field Science）１
：
１―１
３，２
０
０
２

1

招待総説

酸性雨とフィールドサイエンス（Ⅰ）――湿性沈着の現状と科学としての発展――＊１原

１．はじめに

宏＊２
話題になる。専門書のなかでも「pH（ピーエイチ）
５．
６以下の雨」として説明してある。

「酸性雨」という環境問題は「雨が酸性になる」

しかし，それは問題の核心を外し，たまたま目にことと定義され，社会的にも広く浸透していること付いたほんの一部を本質だとする早飲み込みであばである。しかし，それはこの環境問題のほんの一る。

部でしかない。

２．
２ 酸性雨とは全体像を描くため「酸性雨」をもっと掘り下げ

酸性雨と呼ばれるこの環境問題は石油や石炭を工て，問題の本質を科学的に捕えなくてはならない。

場，発電所，ビルのボイラー，あるいは自動車のエ「酸性雨」の問題の科学的な大枠を見ると，物質がンジンの中などで燃やすことから始まる。このとき

大気から地上へ向かう物質の沈着のことであり，大二酸化硫黄，窒素酸化物という大気汚染物質が大気気中での物理的，化学的過程が総合的に関与していへと出て行き，風に乗って流れていく。これらの汚ることがわかる。この沈着は地上の土壌，植生，陸

染物は風に流されながら，硫酸や硝酸にかわる。こ水などの生態系での物質のサイクルへの新たな入力

れらはともに強い酸であってそれぞれ微粒子やガスとなる。このように「酸性雨」の科学は大気と地上の形で大気中に現れ，汚染が進むとこれらの酸の濃生態系での物質循環を統一的に理解するための適切度も増加する。これを大気が「酸性化」したというなモデルを提供し，その総合的な研究は新しい果実（原 １９９１，１９９９）。

の豊かな実りを約束しているように思える。

これらの酸は風に乗って輸送されながら大気中に

ここでは酸性雨の大気環境化学を中心にして酸性数日間滞留するが，最終的には地上に戻ってくる。

雨の問題をじっくりと掘り下げ，問題を整理する。

「一度空中に上がったものは，地上にもどって来な

その上で酸性雨の最近の観測結果を吟味し，意義をければならない（What goes up must come down．
）」

考察する。さらに，その観点からフィールドサイエという言葉のとおりである。このとき，発生源からンスへの発展を論じたい。

５００km～２，０００km 程度も離れた遠いところにまで

２．酸性雨の全体像も輸送されて沈着する。このスケールからみて，地球規模というには小さすぎ，局地的というには大き２．
１ はじめにすぎるので，大陸規模の大気汚染と呼ぶこともあ

酸性雨は気候変動，成層圏オゾン層破壊などともる。

によく知られている環境問題である。その社会的な

硫酸や硝酸が地上に戻るコースは二つある。一つイメージは「雨が酸性になる」ことのようである。

は風に乗ったまま地上に戻り，樹木，建物などの表

辞書には「大気汚染物質の窒素酸化物や硫黄酸化物

面にくっつくものである。このように，大気と接しが溶け込んで降る酸性の雨。水素イオン濃度指数ている地上の物体の表面に，ガスや微粒子（エアロ（pH，ピ ー エ イ チ，の こ と：引 用 者 注）が５．
６以ゾル）が大気から拡散して付着，吸収されるのを乾下。土壌・森林・湖沼などに被害を与える」（新村

性沈着という。

出：１９９８）と書いてあり，専門書といわれるもので乾性沈着は風に乗ってやって来るので傘をさしても pH５．
６など，ある数値以下の pH を示す雨のこも防ぐことはできず，植物の葉の裏側にも沈着すととなっている。テレビや新聞などでも pH の値がる。また，わたしたちが呼吸とともに吸い込み，肺＊１＊２

Received Oct．２
９，２００１；Accepted Dec．１
８，２００１
国立公衆衛生院 〒１０８―８６３８東京都港区白金台４―６―１

フィールドサイエンス

2

１号の中にも沈着する。この沈着は「目にみえない酸性

ミニウムイオンが溶出し，植物に害を及ぼすメカニ

雨」といえるもので，地上に沈着する酸の半分は晴ズムである。

れた日にやってくる。この経路は，酸性雨という言

もうひとつは，環境に影響を与える物質がたまた葉から想像しにくいだけに，その存在をはっきりと

ま酸，あるいは酸に関連する物質の形をとっている頭に入れておきたい。

場合である。問題となる特定の元素，そのものが問もう一つのコースは水に溶けた状態で戻ってくる

題であり，その化合物としての形態が酸であってものである。雲を作っている水滴など，大気中にあも，なくても重要な場合である。窒素飽和など窒素る水に溶け込んで，雨や霧などとして地上に到達す

化合物の沈着の問題がその例であり，硝酸，亜硝酸

る。この水に硫酸や硝酸がたくさん溶け込んでいるなどの酸ばかりではなく，アンモニアなど酸以外のと雨水は強い酸性を示すことがある。これは酸性雨

物質も，窒素化合物として重要になる。大気中の窒の名の起こりでもある。これを湿性沈着という。

素化合物の形態は多様であるが，これらの窒素化合

このように，大気中の硫酸の微粒子や硝酸のガス

物の大気中での挙動を考えると，湿性沈着，乾性沈は，降っても照っても，地上にやって来るのである

着により地上の生態系に負荷されるので問題が出て（図１）。

くるというものである。

さて，こうして地上に戻ってきた酸は土や湖など

２．
３ 酸性雨問題のおこり

陸域生態系を酸性にする。これを環境の「酸性化」

１８７２年，Robert Angus Smith は２
０年 以 上 に わ たという。土に生えている樹木や，湖に住んでいる魚る 研 究 を ま と め た 大 著“Air and Rain”を 出 し たなどの生物，さらには文化財をはじめとする器物・（Smith，１８７２）。そのなかで“acid rain”の語を用建造物にも何らかの影響が出ると予想される。これいた。この著書の内容は今でいう大気化学と公衆衛らの影響は大気から地上に入ってきた酸の量によっ

生学とにまたがるようなものであるが，現代の環境て決まるとすると，雨の場合なら，酸性が強くはな

問題としての「酸性雨」とつながるので酸性雨の研い雨（pH の高い雨）でもたくさん降ると，強い酸

究は Smith にまで溯ることができるとされる。

性の雨（pH の低い雨）が少し降るときと同じ量のもっとも，酸（acid）と雨（rain）を組み合せた酸が地上に入ることになる。影響のメカニズムは生語を初めて使ったのはフランスの M. Ducros であ物，化学，物理が相互に関連するので単純ではなくる。“acid rain”に 対 応 す る フ ラ ン ス 語，“pluie

本論文の範囲を超える。ただ，大気化学の立場から

acide"を使ったタイトルの論文を１８４５年に発表したいうとメカニズムは大きく二つに分けていいだろ（Ducros，１８４５）。ただ，その研究は「酸性雨」とう。

して大きく発展するにはいたらなかった。

ひとつは酸性化によるもので，土壌，陸水，生物

現代の酸性雨問題に対して警告を発したのはス体など環境要素における酸と塩基の化学平衡がずれ

ウェーデンの科学者であった。科学的活動の中心とるため二次的な変化が起き，これが影響を及ぼすもなったのは土壌学者の S. Odén で，彼は酸性雨に関のである。たとえば，土壌水の pH が低下し，アルする陸水学，農学，大気化学の知見を総合的に初めてまとめた。スカンジナヴィアにネットワークを展開して陸水化学を観測し，そのデータを欧州大気化 学 ネ ッ ト ワ ー ク（European Air Chemistry Network）の結果と合わせて１９６８年に発表した。そのときの文書は「大気および降水の酸性化と，自然環 境 に 対 す る そ の 影 響（原 文：Nederbodens och
Luftens Forsurning - dess orsaker , Forlopp och
Verkan I Olika Miljoer，英 訳：The Acidification of
Air and Precipitation and Its Consequences in the
Natural Environment）」と題 さ れ て い た（Odén，
１９６８）。そのキーワードは大気および降水の「酸性化（acidification）」であり，湿性沈着だけに限って

図１．酸性雨の全体像（原 １９９９）はいなかった。

酸性雨とフィールドサイエンス（原）3２．
４ 酸性雨ということば「酸性雨」は Acid Rain という英語の訳であるよ
うだが，英語ではこの問題の認識の深まりとともに異なった表現が出てきてた。Acid Precipitation（酸性降水）は雨だけでなく雪などもあることを言った
ものであ る。Acid Deposition（酸 性 沈 着）は 乾 性沈着の存在と寄与を強調したもので，Acidification（酸性化）は酸性の物質が沈着すると環境が酸性に傾くことを主 張 し て い る。ま た，AtmosphericDeposition（大気中にある物質の地上への沈着）という表現は酸だけでなくアンモニアなどの塩基やオゾンなどのオキシダント，さらには重金属なども含
め，大気から地上に汚染物質が輸送され，生態系に注入されることを捕らえた表現といえる。さらに

図２．大気中のサイクルと地上生態系のサイ
クルをつなぐ沈着

Acidifying Deposition（［環 境 を］酸 性 化 さ せ る 沈

地上にある物体や生体など環境要素の表面に沈着着）というべきだという研究者も出てきている。

した大気中の物質はその物理的，化学的，生物学的「酸性雨」の語は「酸性」と「雨」という誰でもな性質によりその環境要素と相互作用し，生態系へ知っていることばを組み合せた，実に秀逸な命名と移動する。そこで物理的，化学的，生物学的に複で，他分野の研究者はもちろん一般の人々の関心を雑な連鎖過程が始まり，物質の地上サイクルに入っ

広範に集めた意義は大きい。しかし，乾性沈着の存ていく。

在と寄与だけでなく，環境における沈着の役割を考えた科学的な理解が必要である。

地球上の物質は，大気サイクルと地上サイクルの中で物理的，化学的，生物学的な作用を総合的に受

このように考えると，酸性雨の問題は学際的な研けて物質循環をしている（図２）。この二つの物質究が必要であり，また問題の切り口も多く種々の専サイクルを統合して生物地球化学サイクルという。

門から入ることができる。したがって酸性雨の研究

大気サイクルと地上サイクルをつなぐ沈着過程を学問的に深めることから，伝統的な学問分科の整

この生物地球化学サイクルを考えると，大気中の理と総合化が期待され，新しい体系や価値観の創造

エアロゾルやガスが大気から地上へ沈着することの可能性を秘めている。

は，大気中の物理的，化学的連鎖の最終過程であ３．大気化学３．
１ 酸性雨の科学的な記述
地球上での物質循環
酸性雨の問題を科学的に理解するためには，地球上での物質循環の中で考えるこが必要である。
陸域と海洋における，土壌，森林，水など様々な
地球表面の環境要素に生息する生物の活動や，火山る。また，地表への沈着は土壌，陸水など地上の生態系において起こるもうひとつの連鎖過程への入力である。
大気と接する地表面は大気と地上生態系との境界面であり，大気から物質が沈着する表面である。具体的には，一粒の砂，一枚の葉から，人間の肺胞表面にいたるまで，地上にあるすべての物体の表面は大気から物質が沈着する表面なのである。

などの地球化学的な過程により種々の物質が大気中沈着という概念は，この境界面を通しての物質移に自然放出される。このように放出された物質は大動と理解することができる。つまり，沈着は放出と気中での物理的，化学的なサイクルに入り，物理的対をなす概念で，大気系の科学と地上生態系の科学な輸送，化学的な物質変換を受ける。これらの物理を統合的に理解するための要（かなめ）である。

的，化学的過程は相互に関係しており，地球の放射

この生物地球化学サイクルに対し，人間活動によバランス，雲の生成，成層圏の気温を支配するオゾり放出される多種，多様な物質が加わると，自然のン層など，大気の力学過程にも影響を及ぼしていサイクルに歪（ひずみ）が出てくる。特に産業革命る。大気中のこの物質変換は地上にある物体や生体

以来，化石燃料の使用による汚染物質の大気への放の表面に沈着して大気サイクルを終える。

出や，地下資源の利用に伴う物質の地上への負荷はフィールドサイエンス

4１号

生物地球化学サイクルへの入力に大きな割合を占めるようになっている。地球上の物質の自然なサイク
ルに対し，生産や消費など，人間活動による物質の放出が無視できなくなり，自然なサイクル，生物地
球化学サイクル，だけでは地球上の物質循環を捕えることはできない。人間活動の影響まで含めて物質循環を考えるのが現代に必要とされる環境の科学である。
酸性雨を酸性物質の大気から地上への沈着とみると，まさにこれは生物地球化学サイクルへの摂動と認識することができ，地球上の物質サイクルを考えるとき人間活動を考慮したサイクルを意識しなくてはならない。

図３．OH などの酸化性物質に関する主な化学反応（Levy，II，１９７１）

３．
２ 大気化学
酸化性物質

素分子と酸素原子が生成する。このとき太陽光の波

硝酸や硫酸は大気汚染物質の窒素酸化物（NO２）

長により最も低いエネルギー状態（基底状態）の酸や二酸化硫黄（SO２）がそれぞれ大気中で酸化され３素原子の酸素原子 O（
３ P）と，それよ り も エ ネ ルて生成する。

ギー状態の高い，励起酸素原子 O（１D）が生成する。

窒素「酸化物」や「二酸化」硫黄が大気中で「酸この O（１D）は窒素分子や酸素分子など第三体の分化」されそれぞれ「硝酸」，「硫酸」に変換される。

子（molecule, M）と衝突して，O（３P）になるか，

酸性雨においては，これ ら の ほ か に も「酸 性」，

水分子と反応して二個の OH ラジカルを生成する。

「酸」など“酸”の字を含んだ述語がたくさん出て

この OH ラジカルはオゾンと反応し，ペルオキシル

くる。その勢いで，酸化反応は，空気の主成分であラジカル（HO２）と酸素分子になる。さらにこのる酸素により進行するような感じをあたえかねな

HO２同士が再結合すると過酸化水素（H２O２）と酸素い。

分子に変換される。

しかし，酸素は SO２や NO２を酸化するほど反応性O３＋hν→O（３P）＋O（λ＜１１００nm）
２（１）

は高くない。その主役はヒドロキシルラジカル（OH

→O
（ D）
＋O（λ＜
３４０nm）
２（２）１ラジカル）など，はるかに反応性の高い大気微量成O（ D） ＋

M

分である。これらの酸化反応は雲を構成する水滴のO（ D） ＋

H２O → ２OH

外側の空間で起こり，化学反応でいう気相反応にHO

よって酸が生成する。また，二酸化硫黄は窒素酸化

HO２ ＋物と比べると非常に水に溶けやすい。大気中には過また，ここではくわしい化学過程には触れない

酸化水素（H２O２）やオゾン（O３）などの水溶性のが，OH，HO２のほか NO，NO２や CO，メタンを含酸化性物質も存在するので水滴の中での反応，液相

む炭化水素などによりオゾンが生成される。

１
１

＋

→

O
（ P） ＋
３

M

（４）

O３

→

HO２ ＋

O２

（５）

HO２

→

H２O２ ＋

O２（６）反応によっても硫酸は生成する。

３．
３ 窒素酸化物や二酸化硫黄の酸化

OH ラジカル

３．
３．
１ 気相反応OH ラジカルは大気の微量成分であるが，大気中

（３）

NO２

の主要な化学反応に関与するスーパースター的な化気相反応では OH が NO２を直接酸化し，硝酸が学種である。反応性の高いこのラジカルの濃度は，生成する。これは光化学反応で OH が生成する昼間

微量成分としては比較的高いレベルにある。OH がに起こる反応である。

大気化学で非常に重要であるのは，その反応性が高NO２ ＋ OH →いことと，たいていの反応で OH が再生され，そのまた，昼間生成したオゾンが夜間にも残っている濃度が減少しないためである。OH の生成などにつとき，NO２とこのオゾンが反応し NO３ラジカルをいての化学反応から見ておきたい（図３）。

生成する。このラジカルと NO２とは五酸化二窒素

大気中にあるオゾンは太陽光により光分解され酸

HNO３

（７）

（N２O５）と化学平衡にある。この N２O５は水と反応

酸性雨とフィールドサイエンス（原）して硝酸になる。このように硝酸は夜間にも生成す

d [HNO３] /dt ＝ kN [NO２] [OH]る。昼間は NO３ラジカルが生成しても，NO３＋hν→
NO２＋O という光化学分解を受けるので，このメカ

5

kN＝１．
２x１０－１１cm３molecule－１s－１（１
７）

d [H２SO４] /dt ＝ kS [SO２ ] [OH]

ニズムによる硝酸の生成はない。

kS ＝１．
２x１０－１２cm３molecule－１s－１（１
８）

NO２ ＋ O３ → NO３ ＋ O２（８）

ここで重要なことは，反応速度定数 k が NO２のNO３ ＋ NO２

（９）場合と SO２の場合では１０倍違うことである。いま，（１０）

NO２と SO２が同じ濃度で存在しているとすると，こN２O５

N２O５ ＋ H２O → ２HNO３

れらは OH ラジカルにより酸化される。これらの反SO２
SO２の場合，つぎのような３段階の反応を経る。
まず OH が SO２に付加し HOSO２が生成する。こ れ

応の速度は１０倍違うので，生成する硝酸の濃度は硫酸のそれより１０倍大きいことになる。

は酸素と反応して HO２と三酸化硫黄（SO３）を生成

３．
３．
２ 液相反応し，SO３は水と反応して硫酸になる。

大気中のガスが大気中の酸化性物質により水の中SO２ ＋ OH ＋ M → HOSO２ ＋ M（１１）で酸化されるためには，次の三つのステップが必要

HOSO２ ＋ O２ → SO３ ＋ HO２（１２）である。いま SO２を例にとると，（１）大気中の SO２

SO３ ＋ H２O → H２SO４（１３）が水に溶ける，（２）大気中の酸化性物質（Ox とこの一連の反応のうち，OH が付加する段階が書く）が水に溶ける，（３）水の中でこれらが反応

もっとも遅いので，全体の反応速度を決め，律速反応といわれる。OH が付 加 す る こ の 反 応 は SO２とOH の２つの分子が付加した中間体ができる。これする。
このときの反応速度はその反応速度定数を k とすると次の式で表される。

を[SO２……OH]‡と書く。これから安定な HOSO２がd [H２SO４] /dt ＝ k [SO（aq）
] [Ox
（aq）]
２

生成すれば次の段階に進む。

ここで [ ] は液相での濃度であるが大気中の濃度

し か し，SO２と OH が 衝 突 し た と き に 生 成 す る（１
９）

P と，その気体の溶解性を示すヘンリー定数 H（図[SO２……OH] は HOSO２が安定に存在する状態より４）との積で表される。

も高いエネルギー状態にあり余分のエネルギーを[SO（aq）] ＝HSO２ PSO２
２

（２
０）

持っている。この余分なエネルギーにより[SO２……

[Ox（aq）]＝HOx POx（２１）

OH] は，もとの SO２と OH に戻ってしまう。だが，

d [H２SO４] /dt ＝ k HSO２ PSO２ HOx POx（２２）

このとき SO２や OH 以外の空気中の窒素や酸素なSO２と NO２についてこの式を使って液相反応を評‡‡

ど，第三者ならぬ第 三 体（M と 書 く）が，[SO２…

価してみたい。

…OH] に衝突してこの余 分 の エ ネ ル ギ ー を 取 り

SO２‡

去ってくれれば，安定な SO２OH を生成する。
SO２ ＋ OHＭ

[SO２……OH]‡→ HOSO２ ＋ M （１４）

SO２のヘンリー定数 HSO２と大気中の濃度 PSO２は小さな値ではないので，大気中に反応性が高く（k が大）水に溶けやすく（H が大），大気濃度が高い（P

この M との反応が速度を支配するので，HOSO２が大）物質があれば液相での酸化反応が進む。種々が生成する速度は式（１５）であらわされる。大気条件の酸化性物質を検討すると，過酸化水素（H２O２）

では[M]を定数と扱うことができ，kS [M]も定数にとオゾン（O３）は反応性が高い。過酸化水素は水溶なるのでこれを kS とする。

性が高いが大気濃度は高くはない，またオゾンは水(3)

溶性は高くはないが大気濃度は高い。反応に効くのd [HOSO２] /dt ＝ kS [SO２] [OH] [M]
(3)

（１
５）

は反応性，水溶性，大気濃度の積，“k HOx POx”で反応（１４）が一連の硫酸生成メカニズムでもっともあるが，過酸化水素とオゾンはこの積の値が大き遅い反応であるので，硫酸の生成速度は結局，式い。したがって過酸化水素とオゾンは液相反応にお

（１
６）
となる。

いて重要な酸化性物質である。

＝kS [SO２] [OH]（kS ＝kS [M]）(3)

d [H２SO４] /dt ＝ kS [SO２] [OH]

（１６）

NとS
NO２も式
（７）
のように OH で酸化されるから NO２と SO２の酸化速度は次のように表される。

反応メカニズムを考える前に，二酸化硫黄（SO２）が水に溶けたときの化学の説明が必要である。SO２
は CO２よりも水に溶けやすい物質であり，溶けた
SO２，SO２・H２O は２段階に解離し，水素イオンとフィールドサイエンス

6

１号

する。
（２６）

O
S-OOH ＋ H＋O

SO４２－ ＋ ２H＋

（２
７）

／

／

k
→

＼

O
S-OOH ＋ H２O
O＼kf
HSO３－ ＋ H２O２ →kb

このメカニズムから速度式は式（２８）で表される
が，水素イオンが反応に関与するので pH が低い方
が速度が大きい。
d [SO４２－] /dt＝（k2 k1f [HSO３－] [H２O２] [H＋]）/（k1r ＋ k2 [H＋]）＝（８．
３x１０４ [H２O２] [SO２・H２O]）/（０．
１＋ [H＋] （２８）
オゾンによる酸化反応
オゾンによる酸化反応は S（IV）のいずれの化学種からも進行する。O３は S（IV）を求核的に攻撃するので速度式は式（２９）で示され，速度定数は電荷が増大するほど大きいので，速度の評価においては SO２・
H２O からの酸化は無視されることが多い。Erickson
ら の 値 を 挙 げ て お く：k０；５．
９x１０２M－１s－１，k１；
３．
１x１０５M－１s－１，k２；２．
２x１０９M－１s－１。
－d [S（IV）]/dt＝（k０ [SO２・H２O]＋k１ [HSO３－]＋k２ [SO３２－]）[O３]＝（k０＋k１K１/[H＋]＋k２K１K２/[H＋]２）[S（IV）] [O３]＝（３．
１x１
０５ [HSO３－]＋２．
２x１
０９ [SO３２－]）[O３] （２９）オゾンによる酸化反応は S（IV）の化学種によりその 速 度 定 数 が 異 な る。S（IV）の 化 学 種 SO２・H２O,
HSO３－，SO３２－の存在割合は pH に大きく依存する。
このことを考えるとオゾンによる反応は高い pH で
図４．大気中の種々の化学種のヘンリー定数（Hobbs，２０００）

その重要性が増してくる。
Hoffmann（１９８６）が提唱したオゾンと S（IV）の対の陰イオンを放出する平衡にある（この平衡は二反応メカニズムを HSO３－の場合について示す（図酸化炭素の溶解平衡と化学的に同じ取り扱いができ

５）。

る）。つまり，溶解した二酸化硫黄の各種化学種はイオン構造や電荷などの違いにより反応性が異なれば，その反応の速度は pH に大きく依存する。
SO２ ＋ H２O

SO２・H２O

SO２・H２O

H

HSO

H

NO２
大気中の液相酸化反応によって硝酸が生成する可能性はほとんどない。

（２３）

まず水溶性をみると，硝酸の二酸化窒素，酸化窒

＋ HSO

（２４）

素は水に溶解するが，二酸化硫黄に比べると１００～

＋ SO

（２５）

１０００分の一程度の溶解性しかない。これはヘンリー

ここで溶解した SO２を化学種の形態を問わないと定 数 を 見 る と は っ き り す る：NO２；１．
２x１０－２M

き原子価が IV 価である硫黄の化学種という意味で

atm－１， NO ；１．
９３ x １０－３M atm－１， SO２ ；１．
３M

S
（IV）
と書く。
また [S
（IV）
] ＝ [SO２・H２O] ＋ [HSO３－]

atm－１。

－
３

＋
＋

－
３

２－
３

＋ [SO３２－] という関係にもなる。

NO（g）
２

NO（aq）
２（３０）

過酸化水素による酸化反応

NO
（g）

NO
（aq）

（３１）

過 酸 化 水 素 に よ る 酸 化 反 応 は，S（IV）のうち
HSO との反応から始まる以下のメカニズムで進行－
３

水 に 溶 け た NO２，NO，す な わ ち NO（aq），NO
２（aq）には次の平衡が成立する。

酸性雨とフィールドサイエンス（原）7

さて，硫酸や硝酸，そして焼却場などから排出される塩化水素（HCl，塩酸）とアンモニアガスはエ
アロゾル状のアンモニウム塩を生成し，次の化学平衡にある。
NH（g）＋HNO（g）
３
３

NH４NO（s）
３（３６）

NH（g）＋
HCl
（g）
３

NH４Cl
（s）

（３７）

２NH（g）＋
H２SO（l）
（NH４）
（s）
３
４
２SO
４

（３
８）

この化学平衡は温度に依存し，温度が高ければガスに解離する反応が卓越する。しかし，その解離する程度はアンモニウム塩により異なる。硝酸アンモ
ニウムの場合を例に取るとその平衡定数は式（３９）で表される。ここで P（NH３），P（HNO３）は大気中のNH３，HNO３の濃度である。a（NH４NO３）は NH４NO３の活動度を表し，固体の活動度は１．
００（unity）である。この化学平衡の式は熱力学的に計算することができ，式（４０）が求まる。

図５．オゾンによる亜硫酸イオンの酸化メカニズム（Hoffmann，１
９８６）

K ＝ P（NH３）・P（HNO３）/a（NH４NO３）（３９）

ln K ＝１１８．
８７－２４０８４/T －６．
０２５lnT（４０）

NH４Cl と（NH４）２SO４の場合についても同様に求めることができる。それぞれの固相と平衡にある NH３

２NO（aq）
２

N２O（aq）
４（３２）

濃 度 は 以 下 の と お り で あ る：NH４NO３；６．
３ppb,

NO
（aq）
＋NO（aq）
２

N２O（aq）
３（３３）

NH４Cl；９．
６ppb，
（NH４）
１x１
０－７ppb（２５℃）
。
２SO４；２．

これらのうち，NO（aq），NO（aq）は水と反応し
２

このことは大気中にアンモニアが放出されてもそのすべてがガスとして存在するわけではないこと，硝酸，亜硝酸が生成しうる。
－
２

（３４）

エアロゾルからもアンモニアが出ることがありうるNO（aq）＋NO（aq）＋H２O（l） ２H ＋２NO２（３５）など，これらの化学平衡は大気中でのアンモニアを２NO（aq）＋H２O（l）
２

２H ＋NO ＋NO
＋

－
３
＋

－
２

このときの反応（３４），（３５）
による硝酸，亜硝酸の考える上で重要なポイントである。

生成速度は [NO（aq）] の２乗と濃度積[NO（aq）]
２
２

４．降水化学における酸[NO（aq）] にそれぞれ依存する。このためヘンリー
定数が小さいことと，大気中の NO２，NO の濃度レ

４．
１ 酸という物質

ベルが高くないことが２次で効くことになり，大気

まず，酸そのものをよく考えよう。現代の化学で中 の 液 相 で は [NO（aq）] と，[NO（aq）
] [NO
（aq）]
２
２

は，酸はある性質を持った広い範囲の物質を包含すは小さい。また，NO（aq）の過酸化水素やオゾンに２る。しかし，酸性雨との関わりでは「水に溶けたとよる酸化も進行するが非常に遅い。これらを考える

き，解離して水素イオン（H＋，プロトン）を放出と大気中の雲水などの液相では，硝酸，亜硝酸の生する物質」と考えればよい。たとえば硝酸の場合は成は進行しないと判断できる。

水素イオンと対応する陰イオン（硝酸イオン）に解

２

３．
３．
３ 平衡
大気中の代表的な塩基性ガスであるアンモニアとの関係が大切である。

離して，水素イオンを放出する。
HONO２ → H＋ ＋ NO３－（４１）

硝酸はふつう HNO３と書くが，構造を考えると大気中の気相反応で生成した硫酸は微液滴のエア

HONO２と書く方が正確であり，その方がわかりや

ロゾル，硝酸はガスの形で存在する。また，ガスやすい。一方向の矢印，→は左から右への一方向へのエアロゾルが雲水滴のなかに溶解したり水滴内で生変化を示し，逆の変化は無いことを示す。このよう成しても，水が蒸発して水滴が無くなれば，やはりに全ての分子が水素イオンを放出して，水素イオン

エアロゾルやガスの形で大気中に戻されることになと残りの陰イオンに解離してしまう物質を強酸といる。

う。

フィールドサイエンス

8１号

強酸に対して弱酸がある。亜硝酸（HNO２あるいの原子団に置いていくことになるから，残りは陰イ

は HONO）は 硝 酸 に 名 前 が 似 て い る が 弱 酸 で あオンになる。硝酸の場合は次のように書くことがでる。亜硝酸は次のように水素イオンを放出する。

きる。

HONO

H

＋

＋ NO

（４２）

－
２

H－ONO２＋H２O →H＋（aq）＋NO３－（aq） （４３）

ここで両方向への矢印， ，は平衡を表し左右両もし，H－（残りの原子団）の結合が上の場合よ方向への変化があることと，その変化がある点で釣り多少なりとも強ければ，この水素原子を水素イオ

り合っていることを示す。

ンとして解離させるとき，水和して引っ張り出すの亜硝酸から水素イオンとして放出されるのは一部に結合が強い分だけ，エネルギーがよけいに必要にの水素原子であり，残りは未解離の酸の形で分子内なる。したがって全部の水素原子を放出させないにそのまま存在する。このように弱酸は水素イオン

で，一部は酸の形で水和させておくほうがエネルとして放出できる水素原子の一部を放出する。

ギー的に安定になる。亜硝酸の場合，次のように書

強酸と弱酸の違いける。

物質が水に溶けるということは，その分子が水分

H－ONO＋H２O→H－ONO（aq）

子に周囲を取り巻かれて安定化することである。こH＋（aq）＋NO２－（aq）（４４）

れが水和といわれる現象であり“溶ける”というこ

硝酸の場合，H－ONO２において，水素原子の電との本質でもある。硝酸は水に溶けて水素イオンと子を引っ張る酸素原子は直接には１個，間接には２硝酸イオンに解離する。これを水和ということから個存在する。一方，亜硝酸の場合，H－ONO にお説明したい。ここで水和した状態を“（aq）”で表いて，酸素原子が直接，間接にそれぞれ１個ずつ，す。

水素原子の電子を引っ張っている。このように水素

硝酸と水の系，“HONO２と H２O”においては，未イオンとして放出できる水素原子の引っ張られか解離の硝酸分子，HONO２はそのままの形で水和した，結合の強さの違いが，硝酸と亜硝酸の酸としてて HONO（aq）となるよりも，イオンに解離し，そ２の性質を規定している。

－
３

なお，亜硝酸が水に溶けたとき HONO と NO２－

存在するほうがエネルギー的に安定である。

の割合は pH に依存する。亜硝酸の解離平衡を以下

れぞれのイオンが水和した H（aq）と NO （aq）で＋亜硝酸と水の系，“HONO と H２O”において亜硝酸は HONO（aq）の形のものと NO２－（aq）の形のもののように表し，その平 衡 定 数 を K と す る と [H＋][NO２－] / [HONO] ＝ K が成立する。

が共存する。これはすべ て H＋（aq）と NO２－（aq）とHONOして存在するよりも一部は HONO（aq）の形で残す

K は定数であるから [HONO] と [NO ] の割合

ほうが，HONO（aq）と NO （aq）を合わせた全体とは [H＋] に，つまり pH に依存する。HONO 形の割して安定だということである。

合は pH が低くなるほど増加する。pH３．
１５のとき

－
２

H＋ ＋ NO２－

（４
５）

K
－
２

では，この挙動の違いはどこからくるのであろう

この割合は１：１である。弱酸のなかでも“強いか。硝酸のほうが亜硝酸よりも酸素原子が一個多く酸”ほどこの１：１となる pH の値は低くなる。

含むことと，その構造を頭に入れると説明できる。

強酸は，硝酸のほか硫酸（H２SO４），塩酸（HCl）

分子は原子が化学結合して新しい物質を形成したもなどがある。

のであり，その化学結合は電子により形成される。

H２SO４ →

H＋ ＋ HSO４－（４６）

酸素原子はそれ自体，電子を強く引っ張り，酸素原

HSO

H ＋ SO（４
７）

子と隣り合っている原子の電子を強く引き寄せてい

HCl →

－
４

→

＋

２－
４

H ＋ Cl
＋

－

（４
８）

る。
水素イオンとして放出される水素原子の電子がまた，弱酸には亜硝酸のほか，二酸化硫黄や二酸

引っ張られている力が弱ければ，その水素原子を水化炭素が溶けた亜硫酸（H２SO３，あるいは SO２・H２O，が水和して水素イオンとして解離させてしまうこと

や炭酸（H２CO３，あるいは CO２・H２O））などがある。

ができる。つまり，酸を，水素イオンとして放出さ

４．
２ pH とはれる水素原子に着目して，“H－（残りの原子団）”

前節で pH を説明せずに使ってしまったが，pHと書くと，H－（残りの原子団）という結合が弱け

は水溶液の酸性の程度を表す定量的な指標である。

ればこの H は H（aq）として解離する。電子を残り

pH は色素が化学平衡で色が変わるというところか＋酸性雨とフィールドサイエンス（原）9ら Srsen により定義された定量的な指標である。

[H＋] [OH－] ＝ Kw

直接測定されるのはこの pH に対応する電気化学的

また，電気的中性の関係から陽イオンによる電荷な量である。現代の化学では pH は電気化学的な操（５７）と陰イオンによる電荷が等しい。

作で定義されている量である。また，pH という物

[H＋] ＝ [OH－] ＋ [HCO３－] ＋ [CO３２－]

理量をあらわす記号と，その単位をあらわす記号が平衡の関係式，（５５），（５６），（５７）を入れると，例外的に同一である（したがって「pH 値」などと[H＋] ＝Kw/[H＋]＋（（K1/[H＋]＋（K1 K2/[H＋] ２））H PCO２（５９）

いうのは「濃度値」というようなもので正確を欠く（５８）

整理して次の３次方程式を得る。

ことになる）。実質的には pH は水素イオンの活量[H＋]３－（Kw＋HK1 PCO２）[H＋]－２HK1 K2＝０ （６０）の逆数を常用対数に変換したものである。さらに降いま PCO２；３６０ppm＝３．
６x１０－４atm とし て，
この

水などの希薄水溶液では活量は濃度に置き換えるこ

方程式を二分法など適当な方法で解くと [H＋] ＝とができる。

２．
３４５x１０－６ mol L－１と な り pH で あ ら わ す と pH

pH ＝ - log（{H＋}）≒- log（[H＋]）（４９）

ここで { } と [ ] は囲んでいる化学種のそれぞれ活動度と濃度をあらわす。pH が対数の形になって５．
６３となる。
また，この pH５．
６を降水の「酸性度」の「基準」となったいきさつにも興味がある。

いるのは，実際に測定される量が水素イオンの活量

Barett と Brodin（１９５５）は「スカンジナヴィア

ではなく，その対数量であるためである。このための降水の酸性度」と題する論文の中で，pH５．
７を

中性をはさみ，強い酸性から強い塩基性（アルカリ大気中の水についての中性点となみせる，としてい性）までの広範囲をあらわすことが可能である。

る：

If one assumes that equilibrium is actually

４．
３ 「pH５．
６」という値の意義

reached at the observed mean pressure of CO２, the

酸性雨をまだ「pH５．
６以下の雨」としている解pH may be calculated from the known equilibrium

説もある。しかし，ある数値をもって酸性雨を定義

constants to be５．
７at２５℃.（中略）するのは科学的に不可能であり，無意味でもある。

Since the samples are measured at room tempera-

まず，この「pH５．
６」を考察してみよう。

ture, this value of５．
７may be regarded as the neu-

清浄な雨は純水であって，これが大気中の二酸化

tral point for atmospheric water.

炭素（炭酸ガス）と平衡にあり，溶解して生成した

また，C. Junge はその１
９６３年の著書，“Air Chem-

炭酸とも平衡にあると仮定しよう。このときの炭酸

istry and Radioactivity”で，大 気 中 の 二 酸 化 炭 素による水素イオン濃度を pH であらわすと，確かにやアンモニアと平衡にある水の pH を考察している

pH５．
６になるのである。

（Junge，１９６３）。大 気 中 の 二 酸 化 炭 素 濃 度 を３００

炭酸は以下のように二段階に解離して，水素イオ

ppm とし１０℃での pH５．
６を得ている。ただし，温ンを放出する。ここで H ，K１，K２は 温 度２５℃の と度は２５℃ではなく，１０℃であるので関連する定数のきのそれぞれヘンリー定数および第一，第二平衡定

値はかなり異なる。温度１０℃のときの値を記してお数である。

く：H ＝１．
２ mol L－１， K１＝３．
４ x １０－７， K２＝３．
２x

＋
CO（g）
H２O
２

CO２・H２O H ＝０．
０３４mol L－１ （５０）CO２・H２O

H＋＋HCO３－ K１＝４．
４７x１０－７（５１）１０－１１，Kw＝３．
６x１０－１５。
なお，アンモニアについては，アンモニアだけがK２＝４．
６８x１０ （５２）存在し，他の成分の存在は無いと仮定し，アンモニ

このほかに水と水素イオン，水酸イオンとの平衡

ア ガ ス の 濃 度 が３ μ g m－３の と き，水 の pH は pHを考える。ここで Kw は水のイオン積，[H＋] [OH－]８．
９と Junge は算出した。対流圏で通常観測される＝Kw＝１x１０ である。

レベルのアンモニアも水の pH に対して二酸化炭素

H ＋HCO＋

２H ＋CO

－
３

＋

２－
３

－１１

－１
４

H ＋OH
＋

－

H２O Kw＝１x１
０

－１
４

（５３）

に匹敵する効果を与えると指摘した。また，これら

これらの平衡の式から以下の関係が求まる。

の濃度の二酸化炭素とアンモニアが共存していると[CO２・H２O] ＝ H PCO２

きの pH も求め，pH７．
０を得ている。

[HCO ]－
３（５４）＝（K1/[H ]）H PCO２
＋

[CO

２－
３

]

また Charlson と Rodhe（１９８２）は，天然の雨 の＝ K1 [CO２・H２O]/[H ]
＋

（５５）

＋

＝
（K1 K2/[H ] ）H PCO２
＋ ２

pH を硫黄化合物のサイクルと，エアロゾルとして存在する硫酸イオンの濃度および雲水量の二つを考＝ K2 [HCO /[H ]
－
３

（５６）

察し，pH４．
５～５．
６と見積もり，これに天然のアン

フィールドサイエンス

10

モニアや炭酸カルシウムを考慮するとさらに高い
pH を考えている。

１号

残った部分である。
NH３ ＋ H２O

NH３・H２O４．
４ 酸，塩基と中和そして pH

NH３・H２O

NH

酸とは硝酸のように水に溶けて水素イオンを放出

水酸化アンモニウムは弱塩基に分類される塩基する物質であり，塩基とは水酸化ナトリウムのようで，弱酸のときと同様に右側への変化だけでなく，に水に溶けて水酸イオン OH を放出する物質であ

左 側 へ 戻 る 変 化 も あ り，水 酸 化 ア ン モ ニ ウ ム

る。

（NH３・H２O）の形で存在するものと，アンモニウ

－

＋
４

（６
７）

＋ OH

（６
８）

－

この水素イオンと水酸イオンが反応して水を生成

ムイオンと水酸イオンの形で存在するものが平衡にする。残りはナトリウムイオンと硝酸イオンにななっている。これはアンモニア，NH３が水に溶けた

り，硝酸ナトリウム，NaNO３を溶解したのと同等

とき NH３・H２O の形よりも NH４＋の形のほうがさらの状態になる。

に安定であるからである。

HNO３

→

H ＋ NONaOH→

Na ＋ OH（６２）

大気中にエアロゾルとして存在するカルシウム化

→

H２O

（６３）

合物の中に炭酸カルシウム CaCO３という塩基があ（６４）る。炭酸カルシウムはまずカルシウムイオンと炭酸

このことを硝酸という酸と水酸化ナトリウムといイオンに解離する。炭酸イオンは溶媒の水と反応しう塩基が中和反応し，硝酸ナトリウムという塩（えて（加水分解），水酸イオンと炭酸水素イオンに解ん）を生成したという。この場合水素イオン H １

離する。加水分解によるこれらの解離は炭酸イオン

個と水酸イオン OH－１個とが反応する。

などイオンの種類とその水溶液の pH に依存する。

H ＋ OH＋－＋＋

HNO３ ＋ NaOH →

－
３

（６１）

－

Na ＋ NO ＋ H２O
－
３

＋

＋

現代化学では使わない単位になってしまったが，

炭酸カルシウム

CaCO３

Ca２＋ ＋ CO３２－（６９）

酸，塩基，中和反応を扱うとき当量という単位が便CO利である。当量は分子量など式量をその電荷で割っHCOた量であり，現代化学の言葉で表現すると，正負のこれらのうち H と OH が [H ] [OH ] ＝ Kw の制電荷の物質量をモル単位で表したものである。以下

２－
３

＋ H２O

HCO

＋ H２O

CO２・H２O ＋ OH

－
３

－
３

＋ OH

（７
０）

－
－

＋

－

＋

（７
１）

－

限のもとに水を生成する。

は，当量基準の濃度単位，eq L で表すことに す

H＋ ＋ OH－る。

以上がこの系での中和反応であるが，中和は H＋

－１

H２O

（７２）

と OH－の間で起こり，SO４２－，NO３－などのイオンは降水中での酸―塩基の相互作用
さて，降水中での酸と塩基の相互作用を考察する
ため，酸は硫酸と硝酸，塩基はアンモニアと炭酸

中和そのものには関与しないことに気をつけたい。
酸と塩基の中和カルシウムという４つの化合物がある水溶液の系，

中和は酸の当量と塩基の当量の間で起こるので，

H２SO４，HNO３，NH（NH，CaCO３，H２O を
３
３・H２O）

酸か塩基のどちらかが多ければ多いほうが残る。い

例にとる。まずこれらの物質が水に溶けたときの化

ま HNO３の濃度が３０ μ eq L－１であるところに，NH３

学を吟味したい。

が溶解し１０eq L－１になったとしよう。まず NH３・H２

硫酸と硝酸

O が１０ μ qe L－１生成し，その一部が NH４＋と OH－に硫酸と硝酸は強酸であるのですべて解離する。

な る。こ の OH－が 上 の よ う に HNO３か ら の H＋と

H２SO４

→

２H＋ ＋ SO４２－（６５）

１：１で 反 応 し 水 を つ く る。前 に 述 べ た よ う に

HNO３

→

H ＋ NO（６６）

NH３・H２O が１０ μ eq L－１生成するが，それが直ちに＋－
３

１０μ eq L－１の OH－を放出するわけではなく，そのアンモニア
大気中に存 在 す る 代 表 的 な 塩 基 は ア ン モ ニ ア

一部が OH－になる。一部であっても NH３・H２O か（NH３）であり，ガスの形で存在する。このアンモら放出された OH－は H＋と反応し消費され，OH－がニアが水に溶けると水酸化アンモニウム（NH４OH

な く な る。こ う す る と ま た NH３・H２O の 一 部 があるいは NH３・H２O）を生成するといわれるが，こOH－を放出し，これが硝酸からの H＋と反応する。

れはアンモニア分子が水分子に取り囲まれたものでこうして H＋と OH－が消費されていく。硝酸のほうあり NH３・H２O と表記される。これが水酸イオン，

がアンモニアより濃度が高いからアンモニアは全て

OH を 放 出 し，ア ン モ ニ ウ ム イ オ ン NH は そ の中和され，アンモニアによる OH－のすべて放出す－＋４酸性雨とフィールドサイエンス（原）ることになる。

11

子を取って炭酸イオン CO３２－になり，つぎのように

こ の 反 応 は３０ μ eq L－１の HNO３と１
０ μ eq L－１の解離する。

NH３との反応ということになり，HNO３濃度は３０－CaCO３ →

１
０＝２０ μ eq L となる。このとき H と OH がそれ

ところが CO－１＋－

Ca２＋ ＋ CO３２－
２－
３

（７
８）

は二酸化炭素の溶解を考察したとぞれ１０ μ eq L 消費されたので，H と OH ，それき見たように炭酸水素イオン HCO３－の形の方が安ぞれの対イオン NO３－と NH４＋がそれぞれ１０ μ eq L－１

定であるので，水と反応し，HCO３－と OH－を生成残ることになる。つまり硝酸が２０ μ eq L－１残り，硝す る 反 応 と 平 衡 に な る。こ の HCO３－は CO２・H２O酸とアンモニアの中和により硝酸アンモニウム，になる方がさらに安定であるので同様に CO２・H２O

NH４NO３が１０ μ eeq L 生成 し た と み る こ と が で きと OH－を 生 成 す る 反 応 と 平 衡 に な る。HCO３－とる。

CO３２－のいずれが安定かは亜硝酸のときと同様に

－１

＋

－

－１

HNO３ ＋ NH３・H２O →NH４NO３（７３）

pH に依存する。
CO３２－ ＋ H２O

HCO３－ ＋ OH－

なる塩であり硝酸塩であり，アンモニウム塩でもあHCO

CO２・H２O ＋ OHる。

初等化学では，「炭酸カルシウムは強塩基と弱酸生成した硝酸アンモニアは硝酸とアンモニアから

－
３

＋ H２O

（７
９）
－

（８
０）

からなる塩なので水に溶けると『強』のつく方の性

酸－塩基の相互作用のまとめ
ここまでのまとめとして，硝酸アンモニウムや炭質である塩基性を示す」と扱うが，この塩基性は酸カルシウムを水に溶解したとき，その水溶液は酸

CO３２－の化学によるものである。カルシウムは一度性，塩基性のいずれを示すか考えてみたい。

Ca２＋として解離してしまうと，HCO３－や C O３２－の化硝酸アンモニウム学に関与することはない。

硝酸アンモニウムはアンモニウムイオンと硝酸イ

おなじカル シ ウ ム 化 合 物 で も 硫 酸 カ ル シ ウ ム

オンに解離する。硝酸イオンは安定なのでそのまま

CaSO４は強塩基の水酸化カルシウムと強酸の硫酸かの形で存在する。一方，アンモニウムイオンは加水らなる塩と考えることができる。カルシウムイオン

分解して，水和したアンモニア NH３・H２O（水酸化も硫酸イオンもそれぞれこの形が安定なので，Ca２＋

アンモニウム NH４OH）と H＋を生成し，酸性を示と SO４２－に解離し，それ以上の変化は起きず，H＋もすことになる。これが「硝酸アンモニウムは強酸とOH－も生成しないのでその水溶液は中性である。

弱塩基の塩だから酸性」の意味である。

これが「強酸と強塩基の塩は中性である」というこ

NH４NO３ →
NH

＋
４

NH

＋ H２O

＋
４

＋ NO

（７４）

－
３

NH３・H２O ＋ H

（７５）

＋

このように硝酸塩を水に溶かすと NO が放出さ－３れるので NO のことを硝酸塩という人もある。こ
－
３

とである。
CaSO４ →

Ca２＋ ＋ SO４２－

（８
１）

４．
５ pAi
降水の pH は酸と塩基のバランス，つまり酸と塩
基の種類と組成で決まる。観測できるのはこのバラれは誤ったいい方である。
－
３

硝酸は水に溶けて NO を放出するが，硝酸塩でンスした結果であって，酸と塩基そのものが残ってはなく硝酸である。NO は硝酸イオンであり，硝いるわけではない。しかし，これまで詳しく述べた

酸からも硝酸塩からも出てくる。酸と塩，そして関酸と塩基の化学を頭に入れると，少なくとも初期に連するイオンをきちんと区別しなくてはならない。

あった酸と最終的に残っている酸についての推定が－
３

HNO（硝酸）→３

H ＋ NO （硝酸イオン） （７
６）
＋

－
３

NH４NO（硝酸塩）→NH ＋NO （硝酸イオン）（７７）
３
＋
４

－
３

できる。これは実際の降水化学データを解釈する上で非常に有用な指標を提供してくれる。
もっとも，実際の降水ではその化学を決定する酸

炭酸カルシウム
炭酸カルシウムは強塩基である水酸化カルシウムと塩基の全てが判っているわけではない。このため

（Ca
（OH）
２）と，弱塩基である炭酸（H２CO３あるい観測データに応用するときはもう一段の考察が必要

は CO２・H２O）からなる塩と考えることができる。

である。説明は観測データを紹介，解釈するときにこの塩が水に溶けるとき，カルシウム Ca は電子を

詳しい説明することにして，ここでは基本的な概念放出してカルシウムイオン Ca として存在するほを述べることにする。

２＋

うがエネルギー的に安定である。したがって CaCO３が水に溶けるとき，CO３はカルシウムの放出する電まず，pH は酸と塩基のバランスで決まるということから次の関係が出てくる。

フィールドサイエンス

12[H＋] ＝ [Acids] － [Bases]（８２）

先に挙げた系で考える。２種の酸 H２SO４，HNO３１号

変換され，NH４＋は土壌にとっては酸として作用する。

が存在するところに，塩基 NH（NH，CaCO３
３
３・H２O）

NH４＋ ＋２O２ → ２H＋ ＋ NO３－ ＋ H２Oが加わったとき，式（８２）は次のようになる。

これを考慮して，土壌に対する実効，あるいは有（８７）[H ]＝（[H２SO４] ＋ [HNO３]）－（[NH３] ＋ [CaCO３]）（８３）

効な pH とでもいうべき量を pHe を定義する。こ酸と塩基の中和があっても中和反応が起こる前のこで添え字の e は有効な（effective）の意である。

＋

酸や塩基の量は，対応するイオンの量と一致するか

pHe ＝ - log（[H＋] ＋ ２[NH４＋]）

ら，式
（８
３）
は式（８４）と書ける。

この量は土壌に対する影響を考慮した指標であ

[H ]＝
（[SO

（８８）

] ＋ [NO ]）－（[NH ] ＋ [Ca ]）（８４）

り，pH と併せて考察すると興味深い。この応用例

この式は「現在の酸の濃度，すなわち中和が起も実際の降水データの紹介，解釈するときに述べ

＋

２－
４

－
３

＋
４

２＋

こった後の酸の濃度は『最初にあった酸の量』とる。

『後から加わった塩基の量』で決まる」ことを表し

４．
７ 酸性雨と pHている。

これまでの考察で酸性雨問題における pH の意義

さて，ここで酸と塩基の中和がこれらの関係を使ってどう表されるかを考えると，式
（８４）
の各項は

と位置が明らかになったと思われる。ここで，pHと酸性雨問題との関連を簡単にまとめておく。
酸性雨を「酸性になった雨」と考えると，「酸性以下に対応する。
[H ]というと pH」となり，「では，pH がいくつだと酸] ＋ [NO ]）性雨？」と続くだろう。たしかに低い pH の雨はそ測定される中和後の酸の濃度：
中和前の酸の濃度：（[SO

２－
４

＋

－
３

れだけで注意が必要であるが pH が高いからといっ加わった塩基の濃度：（[NH４＋] ＋ [Ca２＋]）
したがって，比 {[H ] ＋（[NH ] ＋ [Ca ]）}/（[SO
＋

＋
４

２＋

２－
４

]

て問題がないわけではない。しかし，pH は酸と塩
基のバランスで決まるので，生成した硫酸や硝酸の＋ [NO ]）
＝１が成立する。
－
３

これから中和前の酸のうち，中和後も水素イオン

直接的な指標にはなりえない。このへんをきちんととして残っている割合，分率酸性度 fractional acid-

理解することが必要である。雨の中での硫酸や硝酸

ity を考えると，式（８５）が得られえる。なお（[SO]はそれらによる水素イオンとは定量的に対応しては＋ [NO ]）は 入 力 酸 性 度 input acidity と い わ れ，いない。このため，pH は適切な指標とはなりえな

記号 Ai であらわすことがある。

いのである。

２－
４－
３] ＋ [NO ]）（８５）

pH は酸と塩基の両方で決まる量なので，環境問式（８５）の分子，[H ] の対数をとり符号を変える

題においては総合的，結果的な指標とみることもでと pH であり，測定される量である。そこで，分母きる。酸性雨問題では大気からの沈着を受ける側をの（[SO考えるとき，pH はきわめて有用な指標である。湖

fractional acidity ＝ [H ]/
（[SO
＋

２－
４

－
３

＋

２－
４

] ＋ [NO ]）（＝Ai）を pH と直接比 較 で－３きるようにするため，（[nss-SO

２－
４] ＋ [NO ]）の逆－
３数の対数を取り，この操作を意味する「p」を「Ai」の前につけ，式（８７）のように pAi を定義する。
pH ＝ - log [H ]

（８６）

＋

pAi ＝ - log（[SO２－
４] ＋ [NO ]）
－
３

（８
７）

沼の水の pH や土壌水の pH は影響と直接結びつく
定量的な判断基準である。
以下に，「酸性雨は『pH５．
６』以下の雨」という定義ではカバーできない問題点を整理する。
乾性沈着が認識されず，無視される

pH を pAi と比較して論ずると降水化学の概要を

大気中で生成した硫酸，硝酸のうち，湿性沈着す

浮かび上がらせることができる。pAi は pH と相補るものだけに目がいき，風に乗って沈着する乾性沈的な量である。この意義を理解して実際のデータの着が認識からすっぽり抜け落ちてしまう。地上に沈解析に応用すると，降水化学の特徴を簡単に見るこ

着する酸の半分は乾性沈着によるものであるが，とができ，多量のデータに対しても定量的な比較，

pH だけに捕われてしまうと問題の半分を最初から検討が可能になる。

無視してしまう結果になる。

４．
６ pHe

沈着量の概念が無い

大気中のアンモニアが降水に取りこまれると pH

pH は水素イオンの濃度に対応する量であり，重を上昇させ“酸性雨を緩和させる”ことになる。し要な指標のひとつである。しかし，水素イオンの沈かし，土壌に沈着すると微生物の作用により硝酸に着量の概念が考慮されない。環境要素に対する影響

酸性雨とフィールドサイエンス（原）13は濃度とともに沈着量でも効くと思われる。水素イ基のバランスできまり，その酸と塩基の差しか表しオンについても降水量をと併せ沈着量を算出し，濃ていない」，「はじめに酸があり，そこに塩基が加わ度とともに評価すべきである。

り中和反応が起こる」ことを考察したものである。

水素イオン濃度でも評価することが必要であ

中和の前と後の pH の比較という観点から提案した指標である。

る。
酸と塩基の中和など，降水の化学を考察するとき

土壌中でのアンモニウムイオンの硝化も重要

は pH を水素イオン濃度に変換して議論することがアンモニアは大気中では塩基として働くが，沈着し必要である。硫酸イオン，硝酸イオンなどのイオン

たアンモニウムイオンは微生物による硝化により土濃度と定量的に直接の比較ができるのは pH ではな壌 中 で は 酸 と し て 働 く：NH４＋ ＋２O２ → ２H＋ ＋く，水素イオン濃度である。pH をそのままで見てNO３－ ＋ H２O。したがって pH にあわせて pHe ＝ −いても定量的な議論には進まない。

log（[H＋] ＋２[NH４＋]）を考察し，硝化過程を考慮し天然の雨の pH は５．
６をはさんだある範囲にた評価も大切である。
pH のデータは試料の捕集，測定法とセット

ある。
pH５．
６は大気中の二酸化炭素だけを考慮した pH

で考えること。

である。天然には火山からの SO２，HCl や海洋から降水試料の捕集方法は容器が常時大気に開放され放出される硫黄化合物による硫酸など酸の発生源ている常時開放型（bulk samper）と雨が降るときと，塩基性の土壌粒子，植物からのアンモニアなど

だけふたが開く降水時開放型（wet-only sampler）

塩基性物質の発生しいている。これを考慮するとに分類されるが，それぞれで試料の中身が異なり同pH４．
６程度の低い値や pH ６程度の値などが出ても一の基準で議論することができない。また，捕集期

不思議は無い。pH５．
６は二酸化炭素だけを考慮し間が長くなると試料の変質が考えられ，当然 pH もたひとつの「基準」しかなく，その意義を過大評価変化する。
このほか，簡易測定法を含めた，pH の測定機器してはならない。
pH 単独で議論しないで pAi といっしょにしの種類や，捕集装置の設置場所も pH に影響を及ぼす因子である。同じ雨を対象にしても，これらの方て考える。
pAi ＝−log（[SO２－
４] ＋ [NO ]）で 定 義 さ れ る pAi－
３の概念は「pH５．
６」定義に対する代案であり，基本に返って発展させた提案である。「pH は酸と塩法が違うと，pH はもとよりイオン濃度についても違った結果が出ることはよくある。
（つづく）

Field Science １
：
１
５―２
２，２
０
０
２

15

ArticleCritical Loads of Hazardous Trace Elements in Soil - Water System.＊１
T. PACES＊２, S. CORCIMARU＊３, S. EMMANUEL＊４, Y. EREL＊２, M. NOVAK＊２, A. PLYUSNIN＊５,
A. VERON＊６ and S. WICKHAM＊７
from an inventory of inputs and outputs of the trace

Introduction

component in terrestrial ecosystems . Such inven-

Terrestrial ecosystems may react adversely totory is called a mass balance or budget of HTE. The

high anthropogenic inputs of heavy metals andbox model of the budget is in Fig.１. The mass bal-other trace elements（e.g. Cd, Pb, As）.The hazard-

ance is usually monitored in small hydrologicalous trace elements（HTE）are transported via at-catchments （０．
５ to ５km２） representing land use

mosphere and with wide-spread application of fertil-

conditions prevailing in a larger region.

isers from anthropogenic sources to soil and water

The pool of HTE in soil is related to its biologi-

recipients. It is therefore desirable to maintain suchcally available concentration . It is expressed in g.m－２

an input of the trace elements to ecosystems, which

or kg. ha－１. The biologically available concentration

yields biologically available concentrations in soils

is defined somewhat arbitrarily by a chosen analyti-

at levels not harmful to biota. The concentration ofcal method. Soil is leached with an extract solution

HTE at which the ecosystem becomes endangered（Jones,１９９０）and the leached content of the metal

is called critical concentration. The anthropogenic in-is considered to be biologically available . The ex-puts of HTE that maintain steady state concentra-

tract solution can be a solution of２M HNO３，an ace-tions of HTE at the critical level, not yet harmful totic acid, ammonium chloride and ammonium fluo-

the ecosystem, are called critical loads. They are ex-ride（Mehlich，１
９７８），solution of acetic and nitricpressed in units of flux with respect to land surface,acid with ammonium nitrate and EDTA（Mehlich,e.g. in g.m . yr or kg. ha . yr . When the real

１９８４），extract solution according to Morgan andload is higher than the critical load, the soil-water

Wolf （１９８２） and others （ Lindsay and Norvell ,ecosystems are endangered . The difference be-１９７８）．

－２

－１

－１

－１

tween the critical and the real load is called an ex-

Mass balance of Pb and Cd was evaluated in two

ceedance of the critical load . The time, when an initialsmall forest catchments in the Czech Republic. The

concentration of HTE in soil will reach the criticalbudget consists of measured and calculated input

concentration is called critical time.

and output fluxes of the metals per a unit area of

The critical load concept has been developed forthe catchment. The measured fluxes include input

dispersed sources of pollution such as atmosphericby atmospheric deposition and output due to runoff

pollution and agricultural inputs by fertilisation andof ground and surface water. Calculated fluxes in-application ofandclude input by chemical and mechanical weathering

Grennfelt P.,１９８
８, de Vries and Bakker,１９
９６, Paces,of bedrock and output by mechanical erosion of soil

１９９８）. The critical load of HTE can be calculated

and stream sediments. We estimated the uptake of

＊１
＊２
＊３
＊４
＊５
＊６
＊７

other

chemicals （ Nilsson

Received Sep．２
９，２００１；Accepted Dec．１
９，２００１
Czech Geological Survey,１
１８２１Praha, Czech Republic
Institute of Microbiology, The Academy of Sciences of the Republic of Moldova, Chisinau, Moldova
Institute of Earth Sciences, The Hebrew University of Jerusalem, Jerusalem, Israel
United Institute of Geochemistry and Geology, Siberian Branch of Academy of Sciences, Ulan Ude, Russia´
Recherche et d’Enseignement en Geosciences
de l’Environnement, Aix de Provence, France
Galson Sciences Ltd., Grosvenor House ５ Melton Road, Oakham, United Kingdom

Field Science 1

16

the metals by trees using tables of forest biomas

HTE accumulates and if dP/dt＝０, the pool of the

production and chemical data presented in litera-

HTE in soil is in a steady state.

ture（Bergkvist et al .,１９８９, Benes,１９９４）.The input

The inputs do not depend on the size of the poolof the trace elements due to weathering was calcu-

and their annual values are considered to be con-lated from the weathering rate of bedrock using astant . The outputs are considered to be propor-

model of weathering developed by Paces（１９８５）.

tional to the size of the available pool. Then, the rate

Output due to mechanical erosion was evaluated ac-

constants for the outputs are

cording to a model presented by Paces andPacesova（２００１）.

kup, i ＝ Fup, i /Pikrun, i ＝ Frun, i /Pi

TheoryAccumulation or depletion of HTE in soil andwater is result of a mass balance between naturaland anthropogenic inputs and outputs（Fig.１）. Allsymbols used in this chapter are summarised in Ta-

kmeerosion, i ＝ Fmeerosion, i /Pi
After substitution to the mass balance equation, thechange in the pool is
dPi / dt ＝ Fatm, i ＋ Fagr, i ＋ Fmewth, i ＋ Fchewth, i －（kup, i ＋ krun, i ＋ kmeerosion, i）.Pi

ble１. The mass balance of HTE is expressed by adifferential equationdPi /dt ＝ Fatm, i ＋ Fagr, i ＋ Fmewth, i ＋ Fchewth, i －Fup, i － Frun, i － Fmeerosion, iwhere Pi is the soil pool of HTE i and F represents
flux of HTE i.
If dP/dt＜０, the HTE is depleted, if dP/dt＞０, theThe integral of the equation from an initial（pristine）pool Po, i at the initial time to is a time function
Pi ＝（Fi/ki）－ [Fi/ki － Po, i] exp [－ ki.（t － to）]
where
Fi ＝ Fatm, i ＋ Fagr, i ＋ Fmewth, i ＋ Fchewth, i

Fig．
１．A mass balance models and compartments for storage of hazardous trace elements（HTE）in soils. The symbols in the figure are described in Tab.１

Critical loads of hazardous trace elements（PACES et al .）17

σ is density of soil, p is porosity of soil in percent ofandin situ volume, and h is biologically active thickness

ki ＝ kup, i ＋ krun, i ＋ kmeerosion, iof soil.

The size of the pool Pi approaches a steady stateCalculation of critical load

value Psteady, i when dPi/dt ＝０

The critical load is related to a critical concentra-

Psteady, i ＝ Fi/kition of HTE. The critical concentration can be de-Expressing the time function in term of the concen-

fined in three ways.

tration of HTM（１）It can be represented by a steady state pool,ci ＝（Fi/ ki）－ [Fi/ ki － co] exp [ － k（t－ to）］
iandcsteady, i ＝ Psteady, i/
where（１－p/１００）＝１０４. σ. hwhich has developed under pristine inputs
and outputs（before the pollution started）,（２）it can be defined by a hygienic norm set forsoils by a law of individual countries,（３）the critical concentration is determined byan toxicological experiment.
The critical load of HTE is such an anthropogenic
input（Fatm, i ＋ Fagr, i ）critical that will never cause an

Table１．List of symbols

18

Field Science 1

overpass of the critical concentration in soil. It is calculated from the integral of the mass balance equa-

Wrock ＝（Fup, Na ＋ Frun, Na ＋ Fmeerosion, Na － Fatm, Na －Fagr, Na）/crock, Nation for an assumption that ki and Fmewth, i ＋Fchewth, i＝（Fup, Si ＋ Frun, Si ＋ Fmeerosion, Si － Fatm, Si －are constant natural values and t is infinite. Then
（Fatm, i＋Fagr, i）critical ＝ ccritical, i ki－（Fmewth, i＋Fchewth, i）
The exceedance of the critical load, EXi is the difference between the real input from atmosphere andfrom agricultural chemicals and the critical input
EXi ＝ Fatm, i ＋ Fagr, i －（Fatm, i ＋ Fagr, i）criticalFagr, Si）/crock, Si
The flux of HTE due to weathering can be now calculated using the model values of Wrock
Fwth, i ＝ Wrock . crock, i
Note that the assumption of the steady state for Na
and Si is not implied for other elements including

A dynamic property of critical load is a critical time,

HTE. These elements can accumulate in soil（dci/dt

tcritical , when the critical concentration in soil is＞０）or can be depleted（dci /dt＜０）.

reached.

The rate of chemical weathering （ dissolution of

tcritical, i ＝ －（１/ki）ln（F[ i－ ki. ccritical, i）/（Fi－ ki. co, i）]

bedrock）is calculated from the mass balance of thecations of the major rock forming oxides （ SiO２,

Weathering and erosion flux is calculated from theAl２O３, Na２O, K２O, CaO and MgO）.The mass balancemass balance data on sodium and silicon according

includes atmospheric precipitation, fertilisation, bio-to a method described by Paces（１９８５）. The calcu-

logical uptake and runoff :lation involves following assumption and equations :Assumption of a steady state for sodium and siliconin soildcNa / dt ＝ dcSi /dt ＝０
Total weathering of bedrock is
Wrock ＝（Fmewth, Na ＋ Fchewth, Na ）/crock, Na ＝（Fmewth, Si＋ Fchewth, Si）/crock, Si
Mechanical erosion of soil is
Msoil ＝ Fmeerosion, Na / cNa ＝ Fmeerosion, Si / cSi
Combining the above definitions with the mass bal-

Crock ＝－Σ（Fatm, i ＋Fagr, i －Fup, i －Frun, i ）.（Moloxide i /zi. Moli）
The sum includes all major elements except oxygenin rock（Na, K, Ca, Mg, Si, Al）,Moloxide i is molecularmass of the oxide of the element i, zi is stoichiometric coefficient of the element in the oxide and Moli is
atomic mass of the element i.
The rate of mechanical weathering （disintegration）is calculated as the difference between total
weathering and chemical weathering
Mrock ＝ Wrock － Crockance equations for Na and Si, we express mechani-

The weathering and erosion fluxes are calculated

cal erosion of soil, Msoil :according to following formulas :Msoil ＝ {[（Fatm, Na ＋Fagr, Na －Fup, Na －Frun, Na ）/crock, Na ]Fchewth, i ＝ Crock . crock, i－（F[ atm, Si＋Fagr, Si－Fup, Si－Frun, Si）/crock, Si] } / （c[ Na/

Fmewth, i ＝ Mrock . crock, icrock, Na）－（cSi / crock, Si）]

Fmeerosion, i ＝ Msoil . ci

Total weathering of bedrock, Wrock, is calculated us-Now, we have obtained all the fluxes in the massing the steady state mass balance equations for so-balance equation. Therefore, we can evaluate thedium or silica（i ＝ Na and Si）

time function of the HTE in soil and we can calcu-

Fatm, i ＋ Fagr, i ＋ Fmewth, i ＋ Fchewth, i － Fup, i － Frun, i－ Fmeerosion, i ＝０
After rearrangement

late the critical load , its exceedance , and criticaltime.

Critical loads of hazardous trace elements（PACES et al .）Acquisition of data for the evaluation of criticalload of Pb and Cd
The atmospheric, agricultural, biological and hydrological fluxes of major elements（Na, K, Ca, Mg
and Si）have been monitored in several small representative hydrological catchments in the Czech Re-

19

Pb are used to evaluate the critical load , exceedance , and critical time of Pb and Cd in the twocatchments. The critical parameters are calculatedusing the critical concentrations of Cd and Pb givenby the Czech hygienic norm for soils.
Results

public since１
９７５. Bedrock and soils were sampled

Data on concentrations of chemical components

once to determine concentrations of major ele-

needed to evaluate critical load and related charac-

ments. Physical characteristics of the soil（porosity,

teristics in the less polluted Salacova Lhota catch-density and the active depth）were estimated asment and polluted Jezeri catchment are summa-

typical average values for the Czech forest brown

rised in tables２and３.

soils（Dystric Cambisols）.The monitored data and

The calculated fluxes together with measured at-

chemical analyses on major elements were used tomospheric and hydrologic fluxes, the critical loads,

calculate the weathering rate of bedrock and me-present exceedance of the critical loads and thechanical erosion of the soil in the polluted （ acidi-

critical times are summarised in tables４and５. Thefied）Jezeri catchment in the Krusne hory Moun-monitoring of the two catchments yields data on

tains and relatively clean Salacova Lhota catchment

major geochemical fluxes of Pb and Cd represent-in the Ceskomoravska vrchovina Upland （ Czech

ing the typical forest ecosystem in central Europe

Republic）.The geographical and hydrological characteristics of the catchments and methods of monitoring are given in a paper by Paces（１９８５）.

Table２．Average chemical data used for critical load
calculation in the Salacova Lhota catchment

The atmospheric deposition, runoff of Cd and Pb
and concentrations of Cd and Pb in rock and soil
were measured during the project LIMPIT financed by the European Union in１
９
９
９,２
０
０
０and beginning of２
００
１. Monthly sampling of throughfall inboth the catchments monitored the atmosphericflux. The throughfall volume was measured in ２
７collectors in the polluted Jezeri catchment and in ９collectors in the less polluted Salacova Lhota catchment. Runoff from the catchments was measured
continuously at terminal gauging stations . Runoff
was sampled monthly for chemical analysis.
The fluxes of the major elements and trace metals were calculated by multiplying their mean
monthly concentrations in water with the monthlyaccumulated throughfall and monthly runoff . Uptake by trees（predominantly Picea abies and Fagus
silvatica）was estimated from data on biological uptake given by Benes（１９９４）and Bergkvist et al .
（１９８９）.No application of fertilisers was recorded in
the forest during the period of the LIMPIT monitoring.
The monitored and calculated fluxes of Cd andTable３．Average chemical data used for critical load
calculation in the Jezeri catchment

20

Field Science 1

Table４．Critical load of Cd and Pb and related datain the Salacova Lhota catchment

Table６．Proportion of individual fluxes expressed inpercents of total input and output

ble６.
Discussion and conclusions
Measured and calculated fluxes and critical parameters represent a situation in forested countryside in central Europe. The weathering and erosion
rates in the Salacova Lhota catchment are characteristic of the weathering of biotitic sillimanitic
gneiss of the Moldanubicum in the Bohemian massif. The weathering and erosion rates in the Jezeri
Table５．Critical load of Cd, Cu and Pb and related
data in the Jezeri catchment

catchment relate to biotite - muscovite gneiss of theKrusne hory Mountains. Table６indicates that theindividual inputs of Cd and Pb are in similar proportions in both the catchments. The input due to atmospheric precipitation（about６
４% of total input）
predominates , followed by the input due to mechanical weathering（about３０%）.Chemical weathering of bedrock does supply less than ６% of themetals in soil. On the other hand, individual output
fluxes of Cd and Pb exhibit very different proportions. The mechanical erosion is the major output

under the stress of environmental acidification. Finally, we have calculated the proportion of individual inputs and outputs and expressed them in percentage of total input and output of the metals in ta-

Fig.２．Predicted trend of Cd concentration in soil of
the Salacova Lhota catchment

Critical loads of hazardous trace elements（PACES et al .）21

smelting in the region stopped and usage of leaded
gasoline sharply decreased during the last ten
years. The highest atmospheric deposition of leadreached in average５
７０g. ha－１yr－１ between１
９６
５to
１９９２（Vile et al .,２０００）. The deposition sharply decreased after１
９９２due to economic changes in central Europe（fall of Communist system）. The highdeposition of Cd accompanied an intensive coalburning and ore smelting in the industrial region
where the Jezeri catchment is situated. The present
mass balance indicates that the content of the metals in soils will very slowly decrease. Cadmium will
Fig．
３．Predicted trend of Pb concentration in soil of
the Salacova Lhota catchment

decrease to its critical soil concentration after８
７１

mechanism for Pb（７４and９４%）while the output

ter９８８years. The decrease of the content of Cd anddue to runoff of water is very small（below２and８

Pb in the soils is caused mainly by mechanical ero-%）. Cadmium is more soluble so that it is removed

sion of surface layer of soil polluted by historicalfrom soil by leaching and uptake by plants. Uptake

high atmospheric deposition of the metals. The ex-by trees dominates in the healthy forest ecosystem

ceedance of present atmospheric input over thein the Salacova Lhota catchment （６６% ）. Runoff

critical load of Cd and Pb is negative or about zeroyears and Pb will reach its critical concentration af-

dominates as the output of Cd from the Jezericatchment, where the trees have been damaged byacid atmospheric deposition（４７%）.
The present mass balance between inputs andoutputs will cause future changes in the content of
Cd and Pb in local soils. The trends are illustrated
on figures２to５. The tables４and５and figures２to
５ indicate that soils in the less polluted Salacova
Lhota catchment and in the polluted Jezeri catchment have different critical loads, different exceedances of the load and different trends and criticaltimes of Cd and Pb pollution.

Fig．
４．Predicted trend of Cd concentration in soil of
the Jezeri catchment

Cadmium is below the critical level in the soils of
the Salacova Lhota catchment but it is slowly increasing. The model predicts that the critical concentration will be reached after１
０８８years. Lead insoil of the Salacova Lhota catchment is below theCzech soil norm（８０mg. kg－１）and due to mechanical erosion its content in soil will decrease. The calculated negative critical time has no real meaning.
It is just a projection of the curve to the critical concentration in the past. Both Cd and Pb in the soils of
the polluted Jezeri catchment exceed their criticalconcentrations. This is due to high atmospheric inputs of these metals before ore mining and ore

Fig．
５．Predicted trend of Pb concentration in soil of
the Jezeri catchment

Field Science 1

22

in all the cases. The exceedance would be, however,ences, Delf.

positive if the output due to mechanical erosion is

Jones J. B.（１９９０）Universal soil extractants, their

reduced. At present, the metal pollution of the soil iscomposition and use . Comun . Soil Sci . Plant

transferred to running water in a form of sus-

Anal.,２１:１０９１―１１０１.

pended particles and bed load.

Lindsay W. L. and Norvell W. A.（１９７８）Develop-

The model is too simple to represent exactly thement of a DTPA soil test for zinc, iron, manga-

behaviour of the real forest ecosystem. However, it

nese and copper. Soil Sci. Amer. J.,４
２:４２１―４２８.

can serve as an indication of trends that control the

Mehlich A.（１９７８）New extract for soil test evalu-

mass balance of HTE in soils.
Acknowledgement

ation of phosphorus , potassium , magnesium ,calcium , sodium , manganese and zinc . Commun. Soil Sci. Plant Anal.,９:４
７７―４９２.

This paper was prepared within the program of

Mehlich A.（１９８４）Mehlich No.３ soil test extrac-

European Community COPERNICUS, Project LIM-

tant : A modification of Mehlich No.２. Commun.

PIT, contract No IC１
５CT９
８
０
１
３
０，headed by Ste-

Soil Sci. Plant Anal.,１
５:１４０９―１４１６.

ven M. Wickham, Galson Sciences LTD., Oakham,

Nilsson J. and Grennfelt P.（eds.）（１９８８）Critical

U.K. The authors thank to the two anonymous re-loads for sulfur and nitrogen . Report from aviewers for their critical comments, which have led

Workshop at Skokloster, Sweden, March１
９８８.

to a considerable improvement of this paper.

Miljo rapport１９８８：１
５,４１８pp, Nordic Council

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Europe estimated from elemental budgets inments in the sphere of environment , Part II ,small basins. Nature,３
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Paces T.（１９９８）Critical loads of trace metals in

Republic, Prague（in Czech : Obsahy a bilancesoils : A method of calculation. Water, Air, andprvku ve sferach zivotniho prostredi, II. cast,

Soil Pollution１
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Ministerstvo zemedelstvi Ceske republiky ,Praha）.
Bergkvist B., Folkeson. L and Berggren D.（１９８９）
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forest ecosystems. Water, Air, and Soil Pollution４
７:２１
７―２
８
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ingen , TNO Institute of Environmental Sci-

Commun. Soil Sci. Plant Anal.,１
３:１００５―１０３
３.

フィールドサイエンス（J. Field Science）１
：
２
３―３
０，２
０
０
２

論

23

文

紙およびアルミニウム混入パーティクルボードの基礎物性および電磁波シールド性能＊１
林宏次＊２，井上弘文＊２，近江正陽＊２，福田清春＊２，冨永洋司＊２

Basic Physical Properties and Shielding Effectiveness of Paperand Aluminum-Blended Particleboard against Electromagnetic Wave.＊１
Koji HAYASHI＊２, Hirofumi INOUE＊２，Masaharu OHMI＊２,
Kiyoharu FUKUDA＊２, and Hiroshi TOMINAGA＊２
We produced paper- and aluminum-blended particleboards and investigated the influences of the kind ofbinder and mixture ratio on strength and dimensional stability. We also measured the shielding effectivenessof aluminum-blended（laminated）particleboard against electromagnetic wave.
Relationships between modulus of rupture（MOR）and mixture ratio of paper- and aluminum-blended particleboard depended on the kind of binder. Thickness swelling（TS）and water absorption（WA）were thesame as described for MOR. For example, in the case of urea resin adhesives, the MOR of the paper-blended
particleboard decreased with increasing paper content. For phenolic resin adhesives, the MOR of the paperblended particleboard did not depend on paper content.
The shielding effectiveness of the aluminum chip-blended particleboard against electromagnetic wave increased with increasing aluminum content. For the aluminum-laminated particleboard, the shielding effectiveness against electromagnetic wave increased more than the aluminum chip-blended particleboard. Thisclarified that the shielding effectiveness against electromagnetic wave was achieved by laminating alone.
Keywords : particleboard, aluminum, bending strength, dimensional stability, electromagnetic wave

紙およびアルミニウムを異物として混入させたパーティクルボードを製造し，異物の混入率や結合剤の種類が強度特性および寸法安定性に与える影響について検討した。またアルミニウムを混入させたパーティク
ルボードに関しては，電磁波シールド（遮蔽）性能について検討した。
異物混入パーティクルボードの曲げ強さと異物混入率の関係は，結合剤の種類により異なった。また吸水
厚さ膨潤および吸水率についても同様であった。例えば，紙混入パーティクルボードの曲げ強さは，ユリア
樹脂接着剤を用いると紙混入率が増加するほどやや低下したが，フェノール樹脂接着剤を用いると紙混入率にほとんど影響されなかった。
アルミニウム混入（複合）パーティクルボードの電磁波シールド性能は，アルミチップ混入率が増加するに従い向上した。またアルミシート類を積層させた場合，アルミチップ混入ボードよりも良好な電磁波シー
ルド効果（１０～３０dB）を示した。一定の電磁波シールド機能の付与が，単純な積層方法によっても達せられることが明らかとなった。
キーワード：パーティクルボード，アルミニウム，曲げ強度，寸法安定性，電磁波＊１＊２Received Aug．２９，２００１；Accepted Jan．３１，２００２
東京農工大学農学部 環境資源科学科 〒１８３―８５０９東京都府中市幸町３―５―８：Department of Environmental andNatural Resource Science, Fac. of Agriculture, Tokyo University of Agriculture and Technology, Fuchu, Tokyo１８３―８５０９, Japanフィールドサイエンス

24

１．緒

言

建設リサイクル法などの各種リサイクル法の施行に伴い，資源は再利用される傾向にある。建築廃材

１号

ファーとアカマツの混合チップをそれぞれ使用した。原料パーティクルをふるいにかけて選別し，２
mesh から５mesh の間のパーティクルを含水率約３％程度に調整してボード製造に用いた。

等の木質廃棄物はボード用チップや製紙用チップと本研究では，木質廃棄物に混在する異物として，して再利用されている。一方，焼却や埋め立てによ紙（コピー用紙の古紙，厚さ０．
０８９mm，坪量６８．
１

り廃棄もされている。その原因として，木質廃棄物g/m２）およびアルミニウム（厚さ０．
０５mm，以下，中に金属類，プラスチック類等の異物が混入していアルミと略記）を用い，それらを混入させたパーることが挙げられる。

ティクルボード（異物混入パーティクルボード）を

また近年，携帯電話の急速な普及に代表されるよ製造した。同紙チップおよびアルミチップは，寸法

うに，生活環境中に氾濫する電磁波が増大してい３０×３mm とし，異物の全乾質量が木材の全乾質量る。しかし一方では，電磁波の被爆等による電磁波に対して５，１０，１５，２０％となるように調製した。

障害も問題となっている（征木 １９９５）。

また製造したパーティクルボードの寸法は３００×１
５０

これらを背景として，本研究では木質廃棄物の再×７mm，目標全乾密度０．
６５g/cm３，目標含脂率８利用を想定し，紙およびアルミニウムを異物として％とした。圧締条件は，熱圧温度１５０℃（UF 樹脂，混入させたパーティクルボードを製造し，その混入

PF 樹 脂）お よ び１６０℃（PVAc-I），初 期 圧 締 圧 力率や結合剤の種類が強度特性や寸法安定性に与える

１．
９６MPa，熱圧時間１０分（UF 樹脂，PF 樹脂）お影響について検討を行った。そしてアルミニウムをよび１３分（PVAc-I）とした。

混入させたパーティクルボードに関しては，電磁波シールド（遮蔽）機能の付与について検討した。
２．実験方法２．
２．
２ 電磁波シールド効果評価用パーティクル
ボードの製造広葉樹混合チップ（小名浜合板社提供）を原料
パーティクルとし，ふるい目５mesh から９mesh

２．
１ 結合剤の合成の間のパーティクルを含水率約３％に調整してパーパーティクルボード用結合剤として，ユリア樹脂

ティクルボード製造に用いた。結合剤は物理的試験

接着剤（UF，樹脂率：４６．
０％，粘度：１２
９cP），ポ用ボードの製造時と同様，UF 樹脂，PVAc-I，PF

リ酢酸ビニルエマルジョン－イソシアネート系接着樹脂を用いた。

剤（PVAc-I，樹脂率：４
１．
３％，粘度：８２２cP），フェ紙は当然のことながら，電磁波シールド効果の期

ノール樹脂接着剤（PF，樹脂率：４９．
４％，粘度：

待はできない。そのため，アルミを混入させたパー１５８cP）の三種類を用いた。

ティクルボードのみを電磁波シールド効果評価用

UF と PF 樹脂接着剤は研究室製とした。PVAc-I

ボードとした。その種類，寸法，混入率（全乾木材

は，研究室内で合成した PVAc エマルジョン接着

小片重量に対する重量割合），およびパーティクル

剤に，イソシアネート化合物―トルエン溶液（７：との複合状態等を Table．１に示す。また製造した

３）を混合して調製した。なお，イソシアネート化

パーティクルボードは，寸法３００×１５０×４mm，目合物として，MDI１０
０（日本ポリウレタン社製）を

標全乾密度０．
６５g/cm３，目標含脂率１０％であり，圧用いた。

締 条 件 は 熱 圧 温 度１５０℃（UF 樹 脂，PF 樹 脂 の 場

２．
２ パーティクルボード製造
２．
２．
１ 曲げ強度および寸法安定性試験 用 パ ーティクルボードの製造
原 料 パ ー テ ィ ク ル の 樹 種 は，ダ グ ラ ス フ ァ ー（Pseudotsuga menziesii Franco），スギ（Cryptomeria
japonica D. Don）
，ア カ マ ツ（Pinus densiflora S. &Z．）であり，パーティクルボード製造時に用いた結合剤の種類により樹種を変えた。即ち，UF 樹脂を用いた場合はダグラスファー，PVAc-I を用いた場 合 は ス ギ，PF 樹 脂 を 用 い た 場 合 は ダ グ ラ ス合）および１６０℃（PVAc-I の場合），初期圧締圧力
Table１．
Type, size, mixture ratio, and composite state ofaluminum products.

紙およびアルミ混入 PB の基礎物性および電磁波シールド性能（林ら）

25

Fig．
１．Outline of apparatus for measuring shielding effectiveness.

１．
９６MPa，熱圧時間１０分（UF 樹脂，PF 樹脂）および１３分（PVAc-I）とした。

３．結果および考察

２．
３ パーティクルボードの性能試験

３．
１ 曲げ強さ２．
３．
１ 曲げ強度試験および吸水厚さ膨潤試験

Fig．
２に，紙チップ混入パーティクルボード（以製造したボードを一週間以上恒温室（２５℃）で養下，Pa ボードと略す）の曲げ強さ（MOR）を示す。

生させて，曲げ試験および吸水厚さ膨張試験に供し紙は木材よりも引張り強さが小さいため，混入率がた。試験方法は JIS A５９０８に規定された曲げ試験お高くなるに従い曲げ強さは小さくなると思われる。

よび吸水厚さ膨潤試験に準ずるが，試験体の寸法

しかしこの傾向が顕著に表れたのは，UF 樹脂接着

は，１
３
０×３
０×７mm（曲 げ 試 験）
，２０×２０×７mm

剤を用いて製造された Pa ボード（Pa/UF）のみで（吸水厚さ膨潤試験）とした。吸水厚さ膨潤率試験あった。PVAc-I 系接着剤により製造された Pa ボー

体は，予めホットメルト接着剤を表面に塗布して表ド（Pa/PVAc-I）は，紙チップ未混入ボードよりも層を被覆して用いた。また吸水厚さ膨潤率を測定し曲げ強さが低下したが，紙の混入率には依存していた後，それらの試験体について吸水率も測定した。

なかった。PF 樹脂接着剤を用いた Pa ボード（Pa/

試験体数は，曲げ強さについては各種条件で８～９

PF）についても，紙の混入量にほとんど依存せず，片，吸水厚さ膨潤については４片とした。

他の２種類の Pa ボードよりも高い曲げ強さを示し

２．
３．
２ 電磁波シールド性能試験た。これは，PF 樹脂接着剤は浸透性に優れている

曲げ強度試験および吸水厚さ膨潤試験と同様，製造したボードを養生させて試験に供した。Fig．
１に電磁波シールド性能評価装置を示す。装置は，スペ
クトラム・アナライザ（R３３６１B，アドバンテスト社製），シールド材評価器（TR１７３０
１A，同社製），X-Y プロッタ（R９８３３，
日立電子社製）により構成される（Fig．
１―a）。この装置は，試験体が存在する
場合としない場合のスペクトルの比較，あるいは２種の試験体を別々に測定し，相対的なスペクトルの比較により材料のシールド性能評価ができる。
試験体を１３０×１
３０mm に切り出し，シールド材
評価器の発信アンテナ室と受信アンテナ室の境界部に接地させ，ボードの電磁波シールド性能を測定した（Fig．
１―b）。なお測定は，電界と磁界について行い，周波数範囲を１０MHz～１
０００MHz とした。

Fig．２．Relationship between MOR and paper content
of the paper-blended particleboard.
Note : Pa : paper-blended particleboard, UF : urea resin adhesives, PF : phenol resin adhesives, PVAc-I : polyvinyl acetate emulsion-isocyanate compounds. Vertical bars show standard deviation.

フィールドサイエンス

26

１号

プ 混 入 ボ ー ド（以 下，Al/PVAc-I と 略 す）は，混
入率１０％で曲げ強さが低下した。これは，PVAc エマルジョンと MR―１００が十分に混合されていないためと考えられる。ポリイソシアネート系接着剤を用いて，ステンレス鋼ファイバーを混入させたパー
ティクルボードの曲げ強さは，密度０．
６～０．
７g/cm３の場合，ステンレスファイバー混入率１０％で最大になり，その時，はく離強さも最大になるという報告がある（渋沢ら １９９１）。しかし本研究では，アルミチップ混入率１０％で最小の曲げ強さを示した。
PVAc-I 接着剤の性能を十分に発揮することが出来
れば，木材－金属間の接着力が向上し，Al/PVAc-I
Fig．
３．Relationships between MOR and aluminum
content of the aluminum chip-blended particleboard.
Note : Al : aluminum-blended particleboard.
Other symbols as in Fig．
２．

の曲げ強さは向上すると考えられる。
PF 樹脂接着剤を用いて製造したアルミチップ混
入ボード（以下，Al/PF と略す）は，アルミの混入率が１０％でピークとなるが，有意ではなかった。
これを越えると曲げ強さは低下し，特に混入率２０％

ため，紙に接着剤が浸透した状態で硬化し，それにの場合，アルミ未混入時の約８０％となった。フェより紙の層間はく離強さが増大したためと考えられノール樹脂を用いた場合，木材－金属間の接着力がる。また全ての試験片において，JIS A５９
０８の曲げ低下するため強度が低下するという報告もあり，本強さ１８タイプを満たしていた。

研究からも同様なことが言える（渋沢ら １９９３）。

アルミチップ混入パーティクルボード（以下，Al

異物混入増加による強度の低下割合は，３種類の接ボードと略す）の曲げ強さ（MOR）を Fig．３に示

着剤のなかで，アルミチップ混入率１０％をこえるとす。Al ボードは，Pa ボードの紙混入の場合と異なPF 樹脂接着剤が最も大きい。しかし，紙チップ混りアルミ自体の層間はく離を考慮する必要がなく，入ボードボードと同様，アルミチップ混入ボードに且つアルミ自体の引張り強さが大きいことが考えら

おいても全ての試験片が JIS A５９０
８の曲げ強さ１８タれる。しかし Al ボードはアルミ未混入ボードよりイプを満たしていた。

も曲げ強さが向上するとはいえなかった。
PVAc-I 系接着剤を用いて製造されたアルミチッ

３．
２ 吸水厚さ膨潤率，吸水率
Fig．
４に，紙チップ混入パーティクルボード（PaFig．
４．Effects of paper content on thickness swelling（TS）and water absorption（WA）of the paper-blended particleboard.
Note : Symbols as in Fig．
２．

紙およびアルミ混入 PB の基礎物性および電磁波シールド性能（林ら）

27

ボ ー ド）の 吸 水 厚 さ 膨 潤 率（TS）お よ び 吸 水 率の割には，TS が小さいことがわかる。PVA-I 系接（WA）を示す。３種類の接着剤中で，不思議なこ

着剤を用い た ボ ー ド（Al/PVAc-I）は，混 入 率 がとに耐水性能が最も劣ると考えられるユリア樹脂接

１０％から２０％になると TS および WA が急激に低着剤を用いたボード（Pa/UF）が最も耐水性に優下し，特に混入率２０％の時には未混入時の試験体とれた結果となった。しかし紙の混入率が増加するに

ほぼ同様か，それより低い値を示した。アルミチッ

連れて，Pa/UF ボードの TS および WA は増加し

プ混入率が増加すると，ボード内の木材チップ量がており，紙の混入が耐水性に影響を与えていること相対的に少なくなり，木材チップの圧縮率が低下すがわかった。また接着剤間で比較すると，最も大きる。そ の 影 響 が，Al/PVAc-I ボ ー ド の TS お よ び

な TS を示したのは PVAc-I 系接着剤を用いたボーWA に表れたと考えられる。また PF 樹脂接着剤をド（Pa/PVAc-I）であり，最も大きな WA を 示 し用いたボード（Al/PF）に関しては，TS，WA 共

たのは，混入率５％を除いて，PF 樹脂接着剤を用に変動が少なかった。なお，ユリア樹脂接着剤を結いたボード（Pa/PF）であった。

合剤としたボードの TS・WA が他の接着剤より

Pa/PVAc-I ボードおよび Pa/PF ボードの TS おも，よい結果となった。その原因は，現在不明であよび WA は，全ての条件で Pa/UF ボードよりも高る。他の結合剤の性能をもっと発揮できる余地がい値を示した。これは，Pa/PVAc-I ボードの場合，残っているかもしれない。また，原料樹種の相違か

PVAc-I 系接着剤がボードの熱圧締時に有効な化学もしれない。

反応が生じなかったことが原因として考えられ，ま３．
３ 電磁波シールド性能

た Pa/PF ボードの場合，ボード製造の際に硬化促

電磁波シールドとは，電磁波エネルギーを吸収・進剤を使用しなかったため，接着剤が十分に硬化し反射させ，表面からのエネルギー伝搬を抑えることなかったことが考えられる。また Pa/PVAc-I と Paである。その原理は，電磁波の入射によりシールド/PF の TS および WA は，紙混入率の増加と共に材に電流が流れ，これによってシールド効果が生ま若干ではあるが低くなっていた。

れることにある。シールド材に電磁波が入射する

Fig．
５に，アルミチップ混入パーティクルボードと，その表面で入射波は反射し，一部のみがシール（Al ボード）の吸水厚さ膨潤率と吸水率を示す。

ド材内部に入る。電磁波はシールド材内で減衰しな

同一接着剤の場合，アルミチップ混入率増加に伴がら反対側の表面まで伝搬され，一部のみが透過しう，TS と WA の挙動がよく似ている。紙混入の場てシールド材外部に出てくる。一方，入射と反対側

合（Fig．
４）と同様，TS と WA の相関が類推できの表面で反射して内部に戻された電磁波は，シール

る。WA が増加す る ほ ど，TS も 大 き い 傾 向 が あ

ド材内部を何回も往復・反復して減衰し，その都る。しかし，PF 樹脂接着剤の場合は，大きな WA

度，一部は表面を通過して外部に出てくることとな

Fig．
５．Effects of aluminum content on thickness swelling（TS）and water absorption（WA）of the aluminum chip-blended particleboard.
Note : Symbols as in Fig．
２，
３．

フィールドサイエンス

28

１号る。つまり最初の透過電磁波と多重反射後の透過電るアルミの占有面積が増大するためと考えられる。

磁波の総和が，最終的にシールド材を透過した電磁電界に関しては，混入率５％以上になると１００～３００波である（長谷川ら １９９１）。即ち，透過した電磁MHz で１０dB 以上のシールド効果が示された。特波エネルギーをどの程度減衰させたかが，材料の電に混入率２０％に関しては周波数１００～３５０MHz で２０磁波シールド効果となる。電磁波シールド効果は，

dB をこえるシールド効果が示された。一方の磁界試料が存在する場合と存在しない場合，あるいは２に関しては，混入率１５％以下では全ての周波数範囲

種類の試料について測定し，その相対比較により行

で シ ー ル ド 効 果 が１０dB 以 下 と 低 い 値 と な っ た

われる（長澤ら １９８９）。

が，２０％に な る と３
００～８８０MHz の 広 範 囲 で１０dB

本研究では，アルミ未混入パーティクルボード

をこえ，４１０MHz では２０dB 近くのシールド効果を（control）との比較を行うことにより，アルミ混

示した。また電界・磁界において１５％と２０％の混入

入パーティクルボードの電磁波シールド性能につい率において７００～８００MHz でピークが認められた。

て検討を行った。

５００MHz 付近の文献（加藤ら １
９９１）から推測す各種アルミ材複合ボードの電磁波シールド性能を
Fig．
６～９にそれぞれ電界，磁界として示す。Con-

ると，これはアルミの特性によるものであると思われる。

trol ボードには，電界・磁界共にほとんどシールド

アルミ粉末混入ボードの場合（Fig．７），電界・効果が認められず，電磁波に対して解放状態である

磁界共に全周波数範囲および 全 混 入 率 で control

ことがわかる。

ボードとほとんど変わらないスペクトルを示し，電アルミチップ混入ボードの場合（Fig．６），混入

磁波シールド効果が得られなかった。この傾向は，率の増加と共に電界・磁界共にシールド効果が増加

アルミワイヤー混入ボードの場合も同様であった

した。これはアルミ混入の効果によるものであり，（Fig．
８）。アルミ材の形状と結合剤の電気絶縁性

混入率が高くなるに従い，ボード内の面方向におけの関係で，電磁波の反射・吸収が生じなかったと思Fig．６．Shielding effectiveness of the aluminum chip-blended particleboard against electromagnetic wave.

Fig．
７．Shielding effectiveness of the aluminum powder-blended particleboard against electromagnetic wave.

紙およびアルミ混入 PB の基礎物性および電磁波シールド性能（林ら）

29

Fig．
８．Shielding effectiveness of the aluminum wire-blended particleboard against electromagnetic wave.

Fig．
９．Shielding effectiveness of the aluminum（foil, mesh, or sheet）-laminated particleboard
against electromagnetic wave.

われる。

機よりも B クラスに分類される家庭用機の方が基アルミ積層 材（foil，sheet，mesh）に よ る 複 合準が厳しくなっている。電磁波ノイズの対象となるボードの場合（Fig．
９），電界は３０dB に達するも３０～３００MHz の周波数範囲で，３０dB の電磁波シーのもあるが，積層材によるばらつきがややある。磁ルド効果があればこの規制をクリアできる（長澤界に関してはいずれの積層材でも似た傾向を示し，

ら １９８９，加藤 ら １９９１）。本 研 究 で３０dB を 越 え

低い周波数 域（２００～４００MHz）で は３０dB 前 後 のる電磁波シールド効果が得られたのは，アルミホイ

シールド効果を示している。また高い周波数域（６００ル（磁 界：２０
０MHz 前 後）・シ ー ト（磁 界：２００～

MHz）で は，
１０dB 前 後（foil，sheet），
２０dB（mesh）

４００MHz）積層ボードであり，木質廃棄物の利用をとなった。

考えたアルミ混入ボードの場合には，FCC をクリ

以上の結果より，電磁波シールド材のシールド特アする電磁波シールド効果は得られなかった。しか性は，シールド効果を有する材料が平面内にどれだ

しアルミ混入ボードは低質材料の再利用を想定した

け広く分散され，それが連続層を形成していることものであり，アルミ混入率が高くなれば（２０％），に依存していることが明らかとなった。また４００電磁波シールド特性を補助的に付与させる用途に利MHz 以上では，シールド材の厚みが一つの因子で用可能であることが示された。

あることが考えられる。アルミ積層ボードは平面内にアルミが均一に分散されている。一方，アルミ

４．結論

チップ混入ボードは同一混入率であっても，アルミ本研究では，木質系廃棄物の再利用を想定し，異の分散が不均一で且つ面方向への配向性が不確かな物（紙およびアルミニウム）を混入させたパーティ

ため，評価には注意が必要であろう。

クルボードを製造し，その曲げ強度性能および寸法

電磁波ノイズに対する FCC（米国連邦通信委員

安定性について検討を行った。またアルミニウム混会）の規制基準では，A クラスに分類される商用入パーティクルボードについては，電磁波シールド

フィールドサイエンス30

性能の付与について検討を行った。その結果を以下１号られることが明らかとなった。

に列挙する。

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粉末混入ボードは，共に電磁波シールド効果をほ誌，３
５：１０９２―１０９９．

とんど示さなかった。

渋沢龍也・信田聡・大熊幹章（１９９３）金属を混合し４）アルミ積層による複合ボードの場合は，他の複たパーティクルボードの熱的性質（第１報），

合（混入）ボードよりも良好な電磁波シールド効

金属を混合したパーティクルボードの製造と基果（１０～３０dB）を示した。一定の電磁波シール

礎的物性．木材学会誌，３９：６４２―６４９．

ド機能の付与が，単純な積層方法によっても達せField Science １
：
３
１―５
４，２
０
０
２

31

ArticleDemographic genetics of Siebold's beech（Fagus crenata）populations
on the Tanzawa Mountains, Kanagawa, central Honshu, Japan. I.
Genetic substructuring among plots and size classes＊１
Kohei TAKENAKA＊２，３, Keiko KITAMURA＊４, Kengo FURUBAYASHI＊２, and Shoichi KAWANO＊５，６
Fagus crenata（Siebold’s beech）is one of the major climax tree species in cool-temperate deciduous forestsof Japan, and possesses a long life span, often exceeding ca．
２５０years. On the west Tanzawa Mountains in
Kanagawa Prefecture, typical beech forest stands of the Pacific type have developed, but rapid deteriorationof beech populations by many biotic and abiotic factors in this area has been noted in recent years. In thepresent study, we have thus critically analyzed the demographic-genetic structures and changes in thebeech populations in Tanzawa, with the main emphasis on the following two aspects : i）genetic substructuring among isolated local populations in Tanzawa, and ii）genetic differentiation among different sizeclasses within local populations. Five transects were established as study plots. Tree locations of each sampling plot were first recorded, and then size measurements and leaf samplings were made for all the beech
individuals including seedlings, juveniles, and mature trees for each study plot. Thirteen allozyme loci with
５
３alleles in１１enzyme systems were used as genetic markers. Size class distributions and genetic components were different among the different study sites. Genetic diversities were high in the center of the beech
forests, but low at the forest edge and in isolated populations. Wright’s F -statistics revealed genetic differentiation among the size classes. The genetic structures of each study population were obviously affected by
the size class structures of each population. Significant FIT was observed in the isolated and fragmented
populations and also in the topographically complex subdivided populations. The patterns of genetic differentiation among the plots and size classes seemed to be affected by the degree of regeneration success ofbeech seedlings. The unique patterns of genetic substructuring found in the local populations with overlapping generations were also discussed in view of conservation biology.
Keywords : Fagus crenata, allozyme, conservation biology, demographic genetics, size class structure

１．INTRODUCTION

１９９６; Kawano and Kitamura,１
９９７; Kitamura et al .,１９９７a, b, １９９８, ２０００, ２００１in press）. In particular,

Recent progress in demographic genetics has

woody plant species have long life spans, often ex-

proved that spatio-temporal genetic substructuring

ceeding several hundred years, and thus consistingof plant populations is very complex, and this newof overlapping generations . Reflecting such back-approach is useful for analyzing the mechanisms ofgrounds, we can expect to find complex patterns of

population differentiation （ Hamrick and Nason ,demographic-genetic differentiation in the popula-

Received Sept．７，２
００１；Accepted Nov．１
２，２００２
Department of Ecoregion Science , Faculty of Agriculture , Tokyo University of Agriculture and Technology ,Fuchu, Tokyo１
８３―００５４, Japan＊３
Division of Bioscience, Graduate School of Environmental Earth Science, Hokkaido University, Sapporo, Hokkaido
０６０―０８１０, Japan＊４
Forestry and Forest Products Research Institute, Kukizakicho, Ibaraki３
０５―８６８７, Japan＊５
Department of Botany, Graduate School of Science, Kyoto University, Sakyo, Kyoto６
０６―８５０２, Japan＊６
Professor Emeritus of Kyoto University : Present address :３０３―２０４Grenntown Makishima, Makishima-cho, Motoyashiki５
１―１, Uji, Kyoto６
１１―００４１, Japan
＊１＊２

Field Science 1

32

tions of woody species.
Siebold’s beech（Fagus crenata BLUME）is a major
tree species of the northern hardwood deciduous

netic substructuring of the local beech populationsin Tanzawa from the viewpoint of conservation biology（Hanski and Gilpin,１
９９７; Niemela,２００１）.

forests in Japan . This species is monoecious andOver the last couple of decades, a number of stud-wind-pollinated, and is also well known to exhibit aies on the genetic structures of natural plant popu-

typical mast-flowering and fruiting（e. g. Maeda,

lations have been conducted（e. g., Hamrick and Na-

１９８８）. The geographical range of Siebold’s beechson, １９９６; Ouborg et al ., １
９９９; Wang and Szmidt,

extends from southern Hokkaido, with its northern-２００１）. Most of these studies, however, were on themost limit in the Kuromatsunai depression on thegenetic variations within and among populations ,Oshima Peninsula, to the Japan Sea side of north-and/or genetic differentiation of local populations

ern, central and south-western Honshu, and further

and subpopulations in relation to their mating sys-

to the scattered mountains on the Pacific coast oftems. For long-lived woody plant populations, it is

Honshu, Shikoku, and Kyushu（Miyawaki,１
９６７; Ki-

important to analyze the genetic structures oftamura and Murata,１９７９）.This species is also well

populations in terms of specio-temporal context cov-

known to have a sharp geocline in leaf size（Hagi-

ering overlapping generations（Kawano, １
９７５; Al-wara, １９７７）and rich genetic variations within its

varez - Buylla and Garay , １９９４ ; Kitamura andgeographical range （ Hashizume and Sugimoto ,Kawano, １
９９６; Kawano and Kitamura, １９９７; Kita-

１９８０; Nagano and Nasu, １
９９１; Nagata et al ., １９９１;

mura et al ., １
９９７b, ２０００, ２００１in press ; Li et al .,Kitamura et al ., １
９
９
２，
１
９
９
７a, b ; Takahashi et al . ,２００１）.

１
９
９
４，
２
０
０
０; Kawano and Kitamura,１９９７; Tomaru et

The purpose of this paper is to report the results

al ., １９９７, １９９８; Koike et al ., １９９８; Ohkawa et al .,of demographic - genetic analyses on the Siebold's

１
９
９
８）
.

beech populations in the west Tanzawa Mountains,

Abnormal withering of a large number of beech

focusing on the effects of the population fragmenta-

trees has been reported from the Tanzawa Moun-tion and isolation due to various external factors, in-tains since the１９
８０’s, especially along the ridges,

cluding air pollution. A strong predation pressure

which is now considered to be due to air pollution

by sika deer （Cervus nippon ）is another factor in（Koeji and Suzuki, １
９９３; Maruta and Usui, １９９７;

forest deterioration in the west Tanzawa Moun-

Hirano,１９９８）.Their symptoms show strong effects

tains, and thus we need to pay special attention toof air pollutant deposition via fog and dew droplets

such biotic interactions as well.

absorbing gaseous sulfur and nitrogen dioxides carried by wind from the Keihin industrial zone andTokyo Metropolitan areas over the past number of

２．MATERIALS AND METHODS

years. It is surprising to find that fog and dew drop-

２．
１ Study species

lets are highly acidic , often attaining pH ２ to ４

Siebold’s beech is one of the representative de-（Hosono et al .,１９９４; Igawa,１９９９; Igawa et al .,１９９７,

ciduous broad-leaved trees in the cool-temperate cli-

１
９
９
８）
.

max forests in Japan（Ohwi,１
９６５）,and is known toSuch an extraordinary rapid withering of matureform two contrasting forest community types（Mi-trees in the forest stands may cause not only frag-yawaki,１９６７）. One occurs on the Japan Sea side ofmentation and isolation of specific tree populations,

Hokkaido and Honshu , and normally forms large

but also decomposition of forest communities as apopulations（although extremely fragmented andwhole. Neither seedlings nor juveniles may be ableisolated populations are also known along the Japanto regenerate successfully in the Tanzawa popula-

Sea coast of Honshu : Ohkawa et al .,１９９８; Kawano

tions under such circumstances . In the present

et al ., unpubl. obs.）, while the other scatters as small

study , we have conducted a detailed analysis toto medium - sized isolated populations in the mon-shed light upon the changes in the demographic-ge-tane zone of the Pacific side. The communities on

Demographic genetics of beech populations on Tanzawa Mts.Ⅰ（TAKENAKA et al .）33

the Japan Sea side are mainly dominated by Fagus

sieboldii stands and Fagus crenata−F. japonica mixed

crenata, coexisting with Acer mono, Fraxinus sieboldi-

stands cover the montane zone at the altitudes ofana , Tilia japonica , Quercus crispula , Acanthopanax

８００―１２００m . Above １
２００m in altitude , Siebold’s

sciadophylloides , Kalopanax pictus , and Magnolia hy-

beech is dominant in the deciduous forests（Ohno

poleuca, whereas those on the Pacific side are domi-

and Ozeki, １９９７a）, with Fraxinus lanuginosa , Acernated by Fagus crenata and F. japonica , often mixed

amoenum , Cornus kousa , Meliosma myriantha , Tilia ja-

with several other deciduous hardwoods and coni-

ponica, Clethara barvinervis, Styrax japonica, Alnus hir-fers, such as Carpinus spp., Acer spp., Querucus cris-suta, Magnolia hypoleuca , and Carpinus cordata alsopula, Tilia japonica, Zelkova serrata, Kalopamax pictus ,being found. Beech forests on the Tanzawa Moun-

Abies firma, A. homolepis, and Tsuga sieboldii（Konta,

tains accompany dwarf bamboos in the underlayer

１
９
９
１）
.

of the forests（Sasa hayatae in the higher elevationsites , but Sasamorpha borealis at the lower eleva-

２．
２ Study sitetion）.Sasamorpha borealis is a characteristic compo-

The Tanzawa Mountains are located at the bor-

nent of beech forests on the Pacific side（Miyawaki,

der of Kanagawa and Yamanashi Prefectures on１９６７）,as well in the Tanzawa Mountains. Beech for-the Pacific side of Honshu（Fig.１）. Most areas ofests are often scattered on gentle slopes and/or flat

the woodlands below the altitude of ８００ m above

ridges on the Tanzawa Mountains.

sea level（Ohno and Ozeki,１９９７a）are dominatedby artificial Japanese Red Cedar（Cryptomeria japon-

２．
３ Study plots

ica ）and Hinoki Cypress（Chamaecyparis obtusa ）Five study plots were established in the west

plantations maintained for the past１
００years. Tsuga

Tanzawa Mountains（Fig.１）.Profiles of each study

Fig．
１．Study plots in the west Tanzawa Mountains, Kanagawa Prefecture.
Table１．Profiles of each study plot.

Field Science 1

34

plot are summarized in Table１. The plot TOP isjaponica community（Miyawaki,１
９７７）.

near the top of Mt. Hinokiboramaru. It is located in

Leaf sampling, mapping location and size meas-

the midst of one of the most damaged parts ofurement（diameter at breast height [DBH] or di-

beech forests on the Tanzawa Mountains , where

ameter at ground height [DGH]）of all４９６individu-

many individuals are badly damaged due to air pol-als that occur within these plots were made in May

lution（Koeji and Suzuki,１９９３; Hosono et al .,１９９４;

１９９８at TOP, August１
９９８at ITA and OTA , Au-

Maruta and Usui, １９９７; Igawa et al ., １９９７, １９９８ ;gust １
９９８ and August １
９９９ at MID , and August

Hirano,１９９８; Igawa,１９９９）. Dwarf bamboos on the

２０００ at BOT . Collected leaves were brought into

forest floor are sparse because of feeding pressure

the laboratory under low temperature conditions on

by sika deer, so that they have been replaced by

ice, and then stored at －８
０℃ in the deep-freezer

other herbaceous species, such as Veratrum album ,until the enzymes were extracted.

Ligularia dentata , and Aconitum spp., which containalkaloids and some other toxic substances, and are

２．
４ Allozyme analyses

thus disliked by deer（Appendix Ia）.

One hundred milligrams of leaf tissue from each

The plot MID is located halfway down the Hi-

individual plant was ground to a powder with liquidgashisawa ridge, which stretches from the top tonitrogen and homogenized with １．
５ml extract

the bottom of Mt. Hinokiboramaru. Beech forests inbuffer made up of０．
１M Tris-HCl（pH７．
５）,２５%（v

MID are formed on the complex topography of the/v）glycerol, １%（v/v）Tween８０, １０mM DTT,

Higashisawa ridge with steep ridges and valleys .

１%（v/v）２―mercaptoethanol and７
０mg/ml poly-

The plot BOT is located at the bottom of the Hi-

vinylpolypyrolidone（ Shiraishi , １
９８８）. The homo-

gashisawa ridge. In the plot BOT, Siebold’s beech

genates were centrifuged at２
０，０００X g for２０min-

and Japanese beech（F. japonica ）coexist together

utes at ４℃. Fifteen microliters of the resulting su-

with the same cover degree. This plot is regarded

pernatant was used for electrophoresis for each en-

to be located at the edge of beech distribution on

zyme. Polyacrylamide vertical slab gel electropho-

the Higashisawa ridge. Beech forests in MID andresis was conducted according to the methods of

BOT on Higashisawa ridge accompany dense dwarf

Davis（１９６４）and Orstein（１９６４）. Seven percent

bamboo thickets in the forest understory（Sasa hay-running gel and ３% spacer gel were used. Electro-

atae and Sasamorpha borealis above and below ca .

phoresis was carried out at ４℃, １
２．
３mA/cm２ for

１，
３
００m in altitude, respectively）（Appendix Ib, c）.

１５０minutes. The procedures used in detection of

The plots ITA and OTA are neighboring popula-

diaphorase（DIA）followed those of Richardson ettions of the Higashisawa ridge（ Fig .１）. The plot

al .（１９８６）.The method of gel staining for aconitase

ITA is located on the top of Itadorinokashira, a peak（ACO）and isocitrate dehydrogenase（IDH）fol-on the ridge that continues to Mt. Hinokiboramaru.

lowed that of Soltis and Soltis（１９８９）. Enzymatic

It is a fragmented population scattered on the flatassays for alanin aminopeptidase（AAP）,aspartate

peak and dwarf bamboo on the forest floor is sparseaminotranferase（AAT）, amylase（AMY）, fuma-（Appendix Id）. OTA is located on the top of Oh-

rase（FUM）,leucine aminopeptidase（LAP）,phos-tananokashira（Appendix Ie）. This is an isolated

phogluco isomerase （ PGI ）, phosphoglucomutase

population on the edge of the west Tanzawa Moun-（PGM）and６―phosphogluconate dehydrogenase（６tains . Dwarf bamboo density on the forest floor

PG）followed those of Shiraishi（１９８８）.

changes drastically in this plot.

Thirteen putative loci were scored for all the indi-

According to the plant sociology, TOP is classi-

viduals . The interpretations of zymograms were

fied into the Miricacalio − Fagetum retrogressive

based on the quaternary structure of each enzyme

phase, MID and ITA into Corno−Fagerum crenatae ,（Weeden and Wendel, １９８９）. According to the zy-

BOT into Fagerum crenato − japonicae （ Ohno andmograms, individual phenotypes were interpreted

Ozeki, １９９７b）, and OTA is a Styrax obassia−Fagus

into genotypes.

Demographic genetics of beech populations on Tanzawa Mts.Ⅰ（TAKENAKA et al .）
Aco

Amy2

bb

ab

bb

bc

cd

Aat1

ee

ee

ce

Dia

ac

cc

cc

aa

ce

cc

dd

Fum

bb

cd

cc

bc

bb

aa

ab

Idh

ac

ab

aa

bb

Pgi

ab
6 pg

ad

dd

df

de

bd

Aap 2

bb

ab

bc

bb

Pgm 1
Pgm 2

Lap

Aap 2
Lap

dd dd dd dd dd dd de cd bd dd
aa ab bb bc bd be dd ee ef ff

Pgm 1
Pgm 2

bb
bb

Fig．
２．Zymograms for representative genotypes.

bb
dd

bb
bd

35

Field Science 1

36

Table２．Size class discrimination and each number of individuals.

２．
５ Data analyses

or plots using FSTAT（Goudet,２０００）. The signifi-

２．
５．
１

cances of FIT , FST , and FIS per locus and overall lociAllozyme variability among plots andsize classes

were tested against the null hypotheses, namely FST

All the individuals were divided into six size

is not greater than zero, and FIT or FIS does not de-classes based on their diameters（Table ２）. Multi-

viate from zero, obtained by１，
３００―７，
８００permuta-

locus genotypes（MLG）of individuals were deter-

tions. Whether or not there is a significant genetic

mined based on the combination of１
３polymorphic

differentiation among plots or size classes is as-loci. The number of MLG per individual（unique-sessed by FST being significantly greater than zero.

ness index）, genotype frequencies, allele frequencies, mean observed heterozygosity（Ho ）and expected heterozygosity （ He ） were calculated foreach polymorphic locus, plot and size class.

３．RESULTS
３．
１ Allozyme variability among plots
Thirteen loci（Fig.２ ; Aap 2, Aat 1, Aat 3, Amy 2,２．
５．
２ Genetic differentiation among plots andsize classes

Aco, Dia, Fum, Idh, Lap, Pgi, Pgm 1, Pgm 2, 6 pg）witha total of５３alleles were scored in１
１enzyme sys-

Weir and Cockerham’s （１９８４） estimates oftems. All of them were revealed to be polymorphic

Wright’s（１９５１）F -statistics（FIT, FST, and FIS）were

within plots except for Aco in BOT and OTA, andused to characterize the overall genetic subdivision.

Pgm 1 in TOP and ITA（Appendix II and III）.

The extent of inbreeding in all the populations com-

The number of individuals, number of MLG andbined（FIT）was partitioned into inbreeding due touniqueness indices for each plot are shown in Fig.３.

non-random mating in each subpopulation（FIS）and

Uniqueness index was１．
０in TOP, high in MID andinbreeding due to the correlation among alleles

BOT, while those in ITA and OTA were low.

caused by their occurrence in the same subpopula-

The values of He and Ho are shown in Table３.

tion（FST）.The relationship among FIT, FST, and FIS

The expected heterozygosity（He）dropped gradu-is （: １－FIT）＝（１－FST）（１－FIS）.

ally from TOP, MID to BOT, and appeared to be

Calculations were made among size classes and/small in ITA and OTA. Both He and Ho were ob-

Table３．Expected heterozygosity＊（He）and observed heterozygosity（Ho）for each locus and plot.

Demographic genetics of beech populations on Tanzawa Mts.Ⅰ（TAKENAKA et al .）37

uniqueness indices for each size class and plot are
shown in Fig .４. No and only one individual was
found in class０（DGH≦１cm）in TOP and MID, respectively （ Table ２）. The size class distribution
showed a peak in class２（２０≦DBH＜４０cm ） in
TOP, MID and OTA. Except for ITA, the size classstructures did not show a typical L-shape distribution, as expected in the size class distribution of asexually regenerated population . The uniquenessindices were almost parallel except for OTA, where
it gradually increased as the size class became
large.
Fig ．
３． Number of individuals , number of MLG anduniqueness index for each plot.

served to be lowest in OTA.

３．
３．
２ Differences in number of genotypes, alleles, and homozygote and heterozygote
frequencies among size classes

３．
２ Genetic differentiation among plots

Differences in genetic variation among six differ-

Wright’s F - statistics for each locus within orent size classes were calculated for a number ofamong plots are shown in Table４. All of the values,each genotype and allele, and homozygote and het-

FIT , FST and FIS , for the overall loci showed signifi-

erozygote frequencies of each locus for each size

cant positive values except for FIS in BOT. All ofclass（Figs.５ a-m）. There were several genotypes

these values were also significantly positive in Lap ,unique to specific size classes. Those in size class４

which was exceedingly polymorphic. Other signifi-

and/or５were : Pgm 2−dd , Pgi−ff , Pgm 2 − dd incant positive values were observed in FIT for Amy 2class４in TOP ; Lap−ab , Aap 2−ee , Pgm 1−dd inand Pgm 1, FST for Aat 3, Dia , Pgm 2 and 6 pg , andclass４, in MID ; Pgi−be, bf , in class４in BOT ; Aap 2

FIS among plots for Amy 2, Dia and Pgm 1.

−cd , Lap−df , Pgi−ad , ee in class４, and Aat 3−bc, Pgi−cd in class５in ITA.

３．
３ Genetic variations among size classes
３．
３．
１ Size class structures, number of MLG
and uniqueness index

The alleles unique to size classes４and/or５were
Pgm 2−d in class４in TOP, Aap 2−c and Lap−a inclass４and Lap−c in class５in ITA.

The number of individuals, number of MLG andTable４．Wright’s F -statistics for each locus and plot.

Field Science 1

38

Fig．
４．Number of individuals, number of MLG
and uniqueness index for each size slass;□ number of individuals,■ number of MLG,,
○ uniqueness index.

３．
３．
３ F -statistic value among size classes
Wright’s F - statistics for each locus within oramong size classes were calculated for each plot
（Tables４and５a-e）.FST for the overall loci showedsignificant values at MID.
F -statistics values for several loci were observed
to be significantly positive. That is, FST in MID, and
FIS for the total size classes in all plots and for eachsize class０―２in OTA for Lap ; and FIT , FST and FIS
for the total and each size class２―４in MID for Pgm
1.
The values of FIS for each size class are illustrated in Fig.６. Positive significant values were observed in class ２―４ in MID , and class ０ and ２ in
OTA.

Fig．
６．Inbreeding coefficient（FIS）for each size class.
*Significantly different from zero ; p＜０．
０５．
The numbers correspond to size class.

Demographic genetics of beech populations on Tanzawa Mts.Ⅰ（TAKENAKA et al .）Fig．
５a－c．Number of each genotype and allele, and homozygosity and heterozygosity for each size class andplot（continued）
.

39

40

Field Science 1

Fig．
５d－f．Number of each genotype and allele, and homozygosity and heterozygosity for each size class andplot（continued）.

Demographic genetics of beech populations on Tanzawa Mts.Ⅰ（TAKENAKA et al .）Fig．
５g－i．Number of each genotype and allele, and homozygosity and heterozygosity for each size class andplot（continued）.

41

Field Science 1

42

j）Aco

TOP

MID

BOT

70

ITA

Number of
genotypes

ab

OTA

bb

bc

not identifiedbc

not identified

a

140

0

Homozygosity andHeterozygosity

Number ofalleles0

1
Heterozygosity

Homozygosity

ab

bb

bc

b

c

0.5
0

k）Fum
70

Number of
genotypesaaac

Number ofalleles0140aHomozygosity andHeterozygosity

0
1
Heterozygosity

Homozygosity

0.5
0

l）Idh

aa

Number of
genotypes

70

ab

bb

not identifiedab

not identified

Homozygosity andHeterozygosity

Number ofalleles0140

01
Heterozygosity

Homozygosity

0.5
00 1 2 3 4 5

0 1 2 3 4 5

0 1 2 3 4 5

0 1 2 3 4 5

0 1 2 3 4 5

size class
Fig．
５j－l．Number of each genotype and allele, and homozygosity and heterozygosity for each size class andplot（continued）.

Demographic genetics of beech populations on Tanzawa Mts.Ⅰ（TAKENAKA et al .）

m）6pg

TOP

MID

BOT

ITA

OTA

ac

Number of
genotypes

70

43

bb

bc

b

c

Homozygosity andHeterozygosity

Number ofalleles

0

a

140

0
1
Heterozygosity

0.5

Homozygosity00 1 2 3 4 5

0 1 2 3 4 5

0 1 2 3 4 5

0 1 2 3 4 5

0 1 2 3 4 5

size class
Fig．
５m．Number of each genotype and allele, and homozygosity and heterozygosity for each size class and plot.

Table５a．Wright’s F -statistics for each locus among or within size class.（TOP）

Table５b．Wright’s F -statistics for each locus among or within size class.（MID）

44

Field Science 1
Table５c．Wright’s F -statistics for each locus among or within size class.（BOT）

Table５d．Wright’s F -statistics for each locus among or within size class.（ITA）

Table５e．Wright’s F -statistics for each locus among or within size class.（OTA）

Demographic genetics of beech populations on Tanzawa Mts.Ⅰ（TAKENAKA et al .）４．DISCUSSION
４．
１

Allozyme variability and differentiation

among plots

45

rather limited. A somewhat similar situation might
be the case in Siebold beech too.
A significant positive value of FST indicates various levels of differentiation among plots reflecting

Expected heterozygosity had the highest value inspatial subdivisions in the west Tanzawa Moun-

TOP, and gradually dropped along MID, BOT, andtains（Table４）.Differences of genetic parameters,

showed lower values in ITA and OTA. The unique-such as He, Ho, and uniqueness indices among differ-

ness index was１．
０in TOP, which means every in-ent plots in the west Tanzawa Mountains might

dividual has a different MLG to each other . The

also reflect the locations and population size of eachuniqueness index was also high in MID and BOT,

plot, from the midst to the edge（TOP-MID-BOT）

while those in ITA and OTA were relatively low.

along the Higashisawa ridge , and to fragmented

The plots TOP, MID and BOT had a small number

and / or to isolated patch populations （ ITA andof seedlings（zero, one and four, respectively）. ItOTA）.

was reported that in the beech populations of the

In the Tanzawa Mountains , many beech trees

Ogawa Forest Preserve, Ibaraki Prefecture, many

have been damaged, mainly by air pollution, sinceof the beech seedlings shared the same MLG as

the１９８０’s, especially along the ridges（Koeji andeach other （ Kitamura et al . , １９９７ a ）. Thus , theSuzuki,１
９９３; Maruta and Usui,１９９７; Hirano,１９９８;

uniqueness index must be discussed in relation to

Hosono et al .,１９９４; Igawa,１９９９; Igawa et al .,１
９９７,

size class structures. The uniqueness indices were

１９９８）.Fragmentation and isolation of beech popula-

relatively low in size class０and２in ITA ; whereas

tions due to rapid withering of mature beech trees

those in OTA gradually increased as size class be-

have also been taking place in the populations de-came larger, although the values were lower thanveloped on the ridges near peaks and slopes withthose of other plots except for size class ５. This

steep valleys. We could expect a rapid loss of ge-

shows that genotypic variations are relatively low

netic diversity within or among local populations ,in OTA, regardless of differences among size classjust as was found in the fragmented and isolated

structures in the other plots.

beech populations on the Toyama plain（Ohkawa et

Ohkawa et al .（１９９８）reported that fragmented

al ., １９９８）, because effective gene flow among ma-

and isolated small lowland beech populations inture individuals will decline sharply due to the sud-Toyama on the Japan Sea side of Honshu had con-den death of mature trees within a patch population

spicuously lower genetic variability compared toor subpopulation.

large continuous montane populations of Tateyma.
Physical distances might strictly limit the gene flow

４．
２ Genetic differentiation within plots

among/between beech individuals and populations,

The values of FIT for TOP, MID, ITA and OTA

and thus the extent of the gene flow within or be-

were significantly positive（Tables５a-e）. Impor-tween populations, and the resultant genetic drift

tant factors that cause FIT to deviate greater thanmay play significant roles in determining the levels

zero are an indication of non-random mating, suchof genetic variability and degrees of differentiation

as inbreeding and assortative mating, parental in-among populations. Beech is monoecious, and a typi-

breeding, the Wahlund effect by population subdivi-

cal anemochore. According to our recent analysis

sion, homozygote preferring selection and randomon the gene dispersal from mother trees with differ-

genetic drift（Nei, １９８７）. Each significant positiveent genotypes, a sharp decline of gene flow occurs

value of FIT might be due to ;１）random genetic

within a range of at most１
０to２５m in the case ofdrift by loosing many individuals rapidly since theAmerican beech （ Fagus grandifolia ） populations

１９８０’s in TOP due to air pollution,２）further popu-（Kitamura et al ., unpubl. data and in prep.）. The

lation subdivisions based on topography in MID,３）

pollen dispersal range within the woodland is thus

inbreeding among a limited number of mature trees

Field Science 1

46

and limited gene flow from neighboring populations５）.The amount of genetic diversity revealed in theby fragmentation and isolation in ITA and OTA, re-present study, existing in each size class heteroge-

spectively.

neously, indicates the total level of genetic diversity

The values of FIS for size class２―４in MID andclass ０ and ２ in OTA were significantly positive

included in the local beech populations on the Tanzawa Mountains.

（Fig.６）. These size classes must contain consider-

Kitamura et al . （１９９７a）reported that, based on

ably aged individuals because beech is long-lived,

the number of unique MLG found in the seedlingoften attaining ca.２
５０years old. Previous research

populations , there is no doubt that newly borneon the beech forests on the Japan Sea side reports

seedlings are contributing, by an increasing degree,that it takes ca.９
０years on an average for a beech

to the total genetic diversity of local populations .

tree to reach２
０cm in DBH（size class２ranges２０―

Dense seedling covers are normally present in the

４０cm）（Asano,１
９８３）.Growth of the trees also de-surroundings of specific mother trees, showing anpends on the site-specific environment where eachexceedingly high level of genetic heterogeneity inindividual is established . Taking into account thethe seedling stage.

significant positive values of FIS for size class２―４, it

In Tanzawa populations, the number of individu-

can be assumed that the plots MID and OTA haveals in size class ０ were, however, exceedingly low

been influenced by population subdivisions andin TOP, MID and BOT（zero in０．
２５ha, ０．
２７ha－１

population fragmentation over a relatively long pe-

and ７．
１
４ ha－１, respectively ）, while those in ITA

riod of time.

and OTA were even lower（２１．
８８ha－１ and１７．
０８
ha－１, respectively ）, compared to the number of

４．
３ Genetic heterogeneity among size classes

seedlings and/or juveniles in previous studies（Shi-and its conservation through regeneration ofmano and Okitsu,１
９９３,１９９４; Maruta and Kamitani,

beech forests

１９９６ ; Ninomiya , unpubl . data ）. Furthermore , as

Beech populations are normally composed of ex-

noted previously, the number of mother trees has

ceedingly complex overlapping generations, which

been reducing rapidly due to air pollution since thehave been maintained by past repeated reproduc-

１９８０’s on the ridges near peaks. Even without air

tive events. Genetic components of mother trees di-pollution , however , old trees will eventually berectly affect the genetic substructuring of seedlings.

eliminated from the populations by natural death.

Such aspects have been shown in a series of our re-

Furthermore, seedlings will not be able to establish

cent demographic genetic analysis on the American

well in these plots due to the rapid decrease of

beech populations（Kitamura et al .,２
０
０
０,２
０
０１, andmother trees. Without inheritance of alleles specificunpubl. obs. and in prep.）. In reproductive eventsto the presently existing mother trees to the next

related to the mast-fruiting every several years, thegenerations, the possibility is very high that thesegenetic components of mother trees may change byrare alleles will disappear from certain populations

the death of old individuals and by recruitment ofby genetic drift or stochastic events over the next

young individuals reaching the reproductive stage.

several decades.

And it can also be assumed that environmental

The most important factors that affect regenera-changes may cause the levels of genetic heteroge-tion of a beech forest are supply of ample seeds andneity among different generations . Significantly

the environmental conditions of the established site.

positive FST among different size classes was ob-

Most of the individuals in size class０in ITA andserved in MID（Table５b）,indicating the presence

OTA（２
５and１
４, respectively）were four years oldof genetic heterogeneity among different size

in１
９９８and those in MID and BOT were younger

classes. Heterogeneity among size classes is due tothan seven years old in １９９９ and ２
０００，when the

differences in allele frequency, including rare geno-

samplings were made , respectively . There wastypes with rare alleles in specific size classes（Figs.

mast-fruiting in１９９３in various places throughout

Demographic genetics of beech populations on Tanzawa Mts.Ⅰ（TAKENAKA et al .）47

Japan（Sato, １
９９９）, including the Tanzawa Moun-also conducted in１
９９４on Mt. Mikuniyama（Maruta

tains（Nakagawa et al .,１９９
４）.

and Kamitani,１
９９６）,which is located near the Tan-

It is well known that beech exhibits a typicalzawa Mountains （ Fig .１）. It was concluded thatmast - flowering and fruiting , and makes a large

there are enough established seedlings（１１m－２ innumber of seed banks and seedlings, while many ofNovember１
９９４）and no fatal disturbance factor ;them cannot survive for more than１
０years within

however, juveniles older than two years old might

dense dwarf bamboo thickets , mainly because of

not be able to survive because of the light shortage

light shortage on the forest floor（Maeda , １９８８）.

on the forest floor despite the lack of dwarf bam-

And thus, regeneration of beech populations follows

boos. Maruta and Kamitani（１９９６）inferred fromgap dynamics （ Nakashizuka , １
９
８
７ ; Yamamoto ,their census and previous studies that fatal factors

１９
８
９, Yamamoto and Nishimura , １
９９９）. Mecha-

for survival of beech seedlings are damage by ani-nisms and effects of synchronous death or shrink-

mal and insect predation on the Pacific side ,ing of dwarf bamboos, which are thought to be awhereas those on the Japan Sea side are damage

trigger for regeneration of beech stands, have been

primarily by fungi. They also pointed out the neces-focused on in recent studies on the relationships notsity of further studies in various types of beech for-only with synchronous flowering every several dec-

ests in relation to snowfall, dwarf bamboo and deer.

ades, but also herbivory pressure by deer, freezing

Mast-fruiting occurred in１
９９６，and censuses oftemperatures and avalanches during the winter ,seedling and juvenile survival have been done overgeomorphic disturbances , changes in behavior of

the five years from１９９７in Dodaira, the east Tan-seed predaceous animals and interspecific competi-zawa Mountains （ Fig .１）, where dwarf bambootion after synchronous death of ecological conge-

thickets have also been reduced in cover over theners, and so forth.

last couple of decades. There are two study sites in-Regeneration dynamics have also been studied inside and outside of a vegetation protection fence

beech forests on the Pacific side . Shimano andagainst deer. The number of seedlings and juveniles

Okitsu（１９９３）reported that the density of juveniles

resulting from mast-fruiting in１
９９６reduced from（less than two meters in height）was３
４５ha

on

１７，
４０５ha－１ in June１
９９７to４，０３０ha－１ in July２００１

Mt. Mito in Okutama, Tokyo Prefecture, and this is（２３．
１５％ of survival）inside and１，
３０
８ha－１ in Octo-

exceedingly low compared to that of beech forests

ber１
９９８to４８ha－１ in July２
００１（３．
６７％ of survival

on the Japan Sea side. Shimano and Okitsu（１９９４）

since October１９９８） outside of the fence , respec-

further reported that the number of beech juveniles

tively （ Ninomiya , unpubl . data ）. The extent of（smaller than１
０cm in DBH）was very small in

seedling and juvenile deaths was explained as being

beech forests on the Pacific side , including Mt .

due to various causes : about２
０percent by insect

Kanyudo , which is located in the west Tanzawa

predation and２５percent due to a delay or lack ofMountains（Fig.１）, while on the Japan Sea side ofleaf development ; however , the true reasons for

Honshu, the number of beech juveniles was higher

most of the seedling deaths are not apparent at pre-than that of other canopy tree species. They con-sent . Furthermore , feeding by deer was not ob-

cluded that other tree species would replace beech,

served despite the fact that there is a considerable

because they regenerate constantly with a large

difference in seedling and juvenile density between

number of juveniles , whereas beech has only ainside and outside of the protection fence. It seems

small number of juveniles, although large-stemmedthat soil erosion also damages seedling and juvenile

beech trees may have remained in the forests at theestablishment on slopes without vegetation （ Ni-study sites on the Pacific side, but this is inexplica-

nomiya, pers. comm.）.

－１

ble simply in terms of the predominant existence of
dwarf bamboos on the forest floor.
Censuses of beech seedling establishment were

Small numbers of juveniles in MID and BOT ,where all of them occurred along the trail passes
where dwarf bamboos are sparse（Appendix Ic）,

Field Science 1

48

might be due to the existence of dwarf bamboos, al-

was supported by Grants - in - aid from the Japan

though no individual in class０was found in TOP

Fund for Global Environment from １
９９７ to １９９９,

despite the lack of dwarf bamboos. To conserve theand from the Japan Forest Technology Association

rare alleles specific to mature size classes through（JAFTA）from２０００to２００１.

regeneration, we need to detect and remove distur-

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０―１００years for stabilizationsity, Osaka, Japan（in Japanese ; the title wasof established individuals（Yonebayashi, １９９６）, al-translated by the authors）.

though we have to be careful not to introduce ex-

Davis, B. J.（１９６４）Disk electrophoresisⅡ : Method

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and application to human serum proteins. An-

constraints.

nals of New York Academy for Science, １
２１:

It is also important to clarify how differences in

４０４―４２７.

size class structure, i.e., according to the number of

Goudet, J.（１９９５）FSTAT（version１．
２）: A com-seedlings and juveniles, affect the maintenance ofputer program to calculate F -statistics. Journal

genetic diversity. There are two hypotheses : one isof Heredity,８６:４８５―４８６.

that the present genetic diversities in each plot in―（２０００）FSTAT, a program to estimate and test

the west Tanzawa Mountains have been formed

gene diversities and fixation indices （ version

through regeneration with a large number of seed-２．
９．
１）.Available from http : //www.unil.ch/lings and juveniles, although only a limited number

izea / softwares / fstat . html . Updated fromof seedlings and juveniles is present today. Another

Goudet（１９９５）.

is that those were originally formed through regen-Hagiwara, S.（１９７７）A geocline in leaf size of theeration with a small number of seedlings and juve-

Siebold’s beech , Fagus crenata . Shuseibu-

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ACKNOWLEDGMENTS

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９―

We thank Hiroshi Saito of Kanagawa Prefecture

７１（in Japanese with English summary）.

and students in the Laboratory of Forest Conserva-

Hirano, Y.（１９９８）Analysis of topographical factors

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Demographic genetics of beech populations on Tanzawa Mts.Ⅰ（TAKENAKA et al .）49

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５―

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２:１５
７―１
７
７．

the authors）.

Kitamura, K., Homma, K., Hagiwara, S., Takasu, H.,

Koike, T., Kato, S., Shimamoto, Y., Kitamura, K.,

Utech, F. H., Whigham, D. H. and Kawano, S.

Kawano, S., Ueda, K. and Mikami, T.（１
９
９８）

（２
０
０
１）Demographic genetic analyses of the

Mitochondrial DNA variation follows a geo-

American beech（Fagus grandifolia EHRH .）Ⅰ.

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和文要旨
樹木は長寿命であるため，野外集団中に世代の重なり合った構造を有している。また，集団が成立した背景には，時間的空間的な環境変動が反映されており，それらを解析する研究は現在まであまりなされてこなかった。ブナは極相林を構成する代表的な樹種で，その寿命は約２５０年と長く，集団中に様々な世代の個体を有している。このような地域集団を解析する手法として，今日では個体群統計学的解析が有効な手法として用いられている。丹沢山地では，１９８０年代から主稜線部におけるブナの立ち枯れが進行し，後継樹の更新も少ない。西丹沢ブナ地域集団が保有する遺伝的多様性とその時空間的分布様式を把握するために，この地域に成立するブナ地域集団および隣接する隔離集団に，合計５カ所の調査区を設置した。調査区内に生育するすべてのブナ計４９６個体について，各調査区内の位置および地際あるいは胸高直径を測定し，アロザイム
を遺伝子マーカーとして１１酵素種１３遺伝子座について分析を行った。解析の結果，１）ブナ地域集団の中心に位置する局所集団，末端部に位置する局所集団，隔離分布した局所集団の順に，遺伝的多様性が下がっていく傾向のあること，２）集団の保有する遺伝的多様性について，地際あるいは胸高直径を用いたサイズク
ラスによる世代間の遺伝的変異，つまり特定のサイズクラスに特有の遺伝子型あるいは対立遺伝子のあることが観察された。集団の分布様式およびサイズクラスから見た西丹沢地域のブナの遺伝的多様性について，
保全生態学的観点から考察を行った。
キーワード：アロザイム，保全生物学，個体群統計遺伝学，集団間変異，サイズクラス構造

52

Field Science 1

AppendixⅠa．Study plot at the top of Mt. Hinokiboramaru（TOP）．

AppendixⅠd．Study plot at the top of Itadorinokashira（ITA）．

AppendixⅠb．Study plot at the middle of the Higashisawa ridge（MID）．

AppendixⅠe．Study plot at the top of Ohtananokashira（OTA）．

AppendixⅠc．Study plot at the bottom of theHigashisawa ridge（BOT）．

Demographic genetics of beech populations on Tanzawa Mts.Ⅰ（TAKENAKA et al .）AppendixⅡ．Genotype frequencies for each plot.

53

54

Field Science 1
AppendixⅢ．Allele frequencies for each plot.

Field Science １
：
５
５―６
２，２
０
０
２

55

Research material

Chemical Species in Aerosol at the Summit of Mt. Fuji
２，１
９
９
９＊１
during July５―１
Kentaro MURAKAMI＊＊２, Hiroto YONEKURA＊＊＊２, Tetsuo YOSHIKAWA＊２, Yukiko DOKIYA＊２,
Kazuhiko HAYASHI＊３, Yosuke SAWA＊４, Yasuhito IGARASHI＊４ and Yukitomo TSUTSUMI＊＊４

Atmospheric chemistry research campaigns lasting one or two weeks have been performed at Mt. Fuji
weather station（３７７６m a.s.l．）every summer since１
９９７. During these campaigns, aerosols, precipitationand fog samples are collected. Chemical species in aerosol and precipitation samples are determined using
ionchromatography, low background γ spectrometry, etc. Trace gases（CO, H２, NOx, NOy, HCl, H２O２ andMHP）have been measured, as well as O３, which has been continuously observed since１
９９２using a Dasibi
type UV spectrophotometer. This report focuses on the chemical species in aerosol collected using low volume air samplers every４hours at the summit and at Tarobo（１３００m a.s.l. on the ESE slope）during the１９９９
campaign. The concentrations of SO４２－ , NH４＋ and NO３－ in aerosol at the summit were lower than those at
Tarobo and other sites at lower elevations. The temporal changes of their concentrations at the summit appeared to be generally independent from those at Tarobo. However, during periods of very low wind speed,
the concentration of SO４２－ at the summit was relatively high. This corresponded with similar high concentrations at Tarobo, thus some uplift of polluted air mass from a lower elevation was also suspected as a sourceof the high SO４２－ in the aerosol of the summit. In addition, the concentration of SO４２－ in the aerosol, as well as
the concentration of ozone at the summit, was high when continental air was passing the summit and low
when marine air was passing.

１．Introduction

The summit of Mt. Fuji（３７７６m a.s.l．
）is thought
to be in the free troposphere most of the time

Free troposphere, involving７
０% of the global air

throughout the year due to its shape（Tsutsumi etin weight, is still one of the frontiers of atmospherical .,１
９９４）. In addition, electricity, shelter and otherchemistry. Because the free troposphere is very dif-utilities for field observation are available at the Mt.

ficult to approach , most sample collection is per-Fuji weather station at the summit.

formed by airplane observations . Therefore , sam-

The collection of samples at such a place involves

pling has been limited to comparatively favorable

overcoming many difficulties, including high windmeteorological conditions when airplanes can fly .

speed which causes precipitation to come from

Mountains higher than３０００m are other candidates

every direction, not only from the upper side , asfor sampling free troposphere sites. However, thewell as frequent thunder. Since１
９９０, some of theaccompanying boundary layers, even though small,authors have collected precipitation samples at theshould be considered in selecting sampling sites.

summit（Dokiya et al .,１９９３, Maruta et al .,１９９３）and

＊１
＊２

＊＊２
＊＊＊２
＊３
＊４
＊＊４

Received Sept．７，２
００１；Accepted Dec．２
０，２００１
Faculty of Agriculture, Tokyo University of Agriculture and Technology,３―５―８Saiwaicho, Fuchu,１
８３―８５０９, Japan（E-mail : dokiya@cc.tuat.ac.jp）
present address : Shinanen Co.
present address : kmri
Meteorological College,７―４―８１, Asahicho, Kashiwa,２
７７―０８５２, Japan
Meteorological Research Institute,１―１, Nagamine, Tsukuba,３
０５―８６８７, Japan
present address : Japan Meteorological Agency, Otemachi, Tokyo,１
００―８１２２, Japan

Field Science 1

56

aerosol samples（Tsuboi et al ., １９９４, Sekino et al .,paratively higher concentrations of these hydroper-

１
９
９
７）
. In these reports, the concentrations of chemi-oxides, as compared with other mountainous areas

cal species in precipitation and aerosol at the sum-

such as Nikko, were found with unique diurnal con-mit were generally very low in comparison withcentration changes , the details of which are re-those obtained at a lower elevation. Tsutsumi et al .

ported elsewhere（Yonekura et al ., personal com-（１９９４）has been measuring ozone concentrations

munication）.

since１９
９
２.
Based on this preliminary work , summer re-

２．Experimental

search campaigns lasting from１
０days to ２ weeks

The ’９９summer campaign on atmospheric chem-of intensive observation were begun in１９９７（Tsu-

istry at the summit of Mt Fuji was performed dur-tsumi et al ., １９９８and２０００, Dokiya et al ., １
９９９ anding July５―１２,１
９９９; late Baiu season. An outline of２００１, Hayashi et al ., ２００１）. During the １９９９ cam-campaigns is summarized in Table１. Aerosols andpaign, the observation period was again carried out

gas samples are introduced through inlets of long

during early summer, the late Baiu season, in order

Teflon tubes set on the roof of a cottage attached toto confirm the１
９９８results when no clear termina-

the weather station . Exceptions are the high vol-tion of the Baiu season had been seen.（ The Baiu

ume air sampler, the precipitation sampler and theseason is Japan's rainy season, occurring every June

fog sampler. Sampling operations are conducted in

and July throughout the Japanese islands excluding

the room underneath.

Hokkaido . It is caused by and influenced by the

Aerosol samples, precipitation, and fog were also

strength and relative balance of the Okhotsk highcollected at the Tarobo refuge hut in the same man-and North Pacific high air pressures.）In addition,ner, as well as continuous determination of surface

an on-site determination of peroxides using liquidozone using UV spectrometry . The hut , built at

chromatography was performed to obtain the first

１３００m a.s.l. on the ESE slope, belongs to the Mt.

continuous observation data on H２O２ and MHP in

Fuji weather station.

the free troposphere anywhere in East Asia. Com-

The detailed collection methods and analytical

Table １．Outline of Mt. Fuji Summer Campaign ’９９

Chemical Species in Aerosol at the Summit of Mt. Fuji（MURAKAMI et al .）57

procedures are as follows : Aerosol（１）Aerosol wasthough the Baiu front stayed around the Japanesecollected on a Nuclepore filter, at１２l/min with aislands during the campaign , not much rain oc-

low volume air sampler, changing filters every ４

curred except for the first half day and the last twohours . The filters were kept in cold storage anddays. A cold air mass from the northwest passedbrought back to the laboratory where they were

the summit , resulting in a light snow on July ６.

soaked in distilled water for extraction and used forFrom July７, the wind direction was northeast andionchromatography. （２）Aerosol was collected on awind speed was２―８m/s, resulting in relatively calm

quartz fiber filter with a high volume air sampler atconditions at the summit. These conditions contin-

１０００l/min, changing filters every４hours. The fil-ued up until late morning of July １０, when windters were packed in a small plastic container for the

speed became very low and the air mass apparently

determination of ７Be using low background gammachanged to that from the Pacific Ocean. It was later

spectrometry.

announced that the Baiu season of this year ended

Trace Gas : Concentrations of surface ozone were
measured continuously using UV spectrometry.
３．Results and Discussion
３．
１ Meteorological conditions during the cam-on July ２
３. However , the weather condition was
generally fine , presumably because of the strong
Okhotsk high, with some occasional cyclonic conditions affecting the summit.
３．
２ Concentrations of chemical species in theaerosol at the summit and Tarobo

paign
The meteorological conditions（temperature, so-Concentrations of chemical species at the summit

lar radiataion, humidity, wind speed and wind direc-

of Mt. Fuji are known to be generally very low com-tion）at the summit of Mt. Fuji during the campaign

pared with those obtained at lower elevations（July６―１
１）are shown in Fig.１a, b, c, d and e. Even

（Tsuboi et al .,１９９４, Sekino et al .,１９９７）.During thisFig.１． Meteorological conditions at the summit of Mt . Fuji （ July ６―１１,
１９９９）; a. temperature, b. solar radiation, c. relative humidity, d. windspeed and e. wind direction

Field Science 1

58

Table２．Mean concentrations of chemical
species in aerosol at Mt. Fuji＊

Matsumoto & Ogura,１９９２

campaign , a comparison was made between theaerosols collected simultaneously at the summit andat Tarobo. Mean concentrations of chemical species
in this campaign period are summarized in Table ２
and Fig.２. Mean concentrations obtained during the
１９
９
７and１
９
９
８summer campaigns are also shown in
the figure, as well as those at Fuchu and Field Museum Tama Hills（F. M. Tama Hills）for examples
of lower elevations. These sites are located in suburbs within the Tokyo Metropolitan area wheresome of the authors maintain study fields（Matsumoto and Ogura,１９９２）. The broken line shows theconcentration ranges of these species obtained in
the free troposphere of the European Alps（Fuzzi
and Wagenbach,１
９
９７）.
As shown in the figures, the concentrations of sulfate, nitrate and ammonium ions in the aerosol collected at the summit of Mt. Fuji were very low compared with those obtained at Tarobo, Fuchu, and F.
M. Tama Hills, Hachioji. They also are within theconcentration ranges of these species in aerosols obtained in the European Alps（Fuzzi, S. and Wagen-Fig.２．Mean concentration of SO４２－ , NH４＋ and NO３－atthe summit and Tarobo of Mt. Fuji ; a. SO４２－ , b.
NH４＋, c. NO３－
Matsumoto & Ogura,１９９２……concentration range in the free troposphrerof the European Alps（Fuzzi & Wagenbach,
１９９７）＊

bach,１９９７）. Vertical distribution of particulate sulfate in atmosphere over the continents obtained byof these chemical species in the free troposphere.

airplane observations are shown in a textbook

３．
３ Concentration changes of sulfate, ammo-（Warneck,１９８８）with values of０．
１～１μgS/m ３ at

nium and nitrate in the aerosol at the summit

２
０
０
０～３０
０
０m, which is also within a concentrationof Mt. Fuji, in comparison with those at Tar-

range similar to the European Alps.

obo.

This data indicates that concentrations of these

The results for concentrations of sulfate, ammo-chemical species were very low at the summit ofnium and nitrate in the aerosol samples of every４

Mt. Fuji, which can be considered as representative

hours are plotted in Fig.３, a（summit）and b（Tar-Chemical Species in Aerosol at the Summit of Mt. Fuji（MURAKAMI et al .）59

Fig.３．Concentrations of SO４２－ , NH４＋ and NO３－ at thesummit and Tarobo of Mt. Fuji ; a. Summit, b
Taroboobo ）. Periodical concentration changes of sulfate
and ammonium ions showed fairly similar trends ateach sampling site, except for the first day（July６）at the summit, but these trends are not similar

Fig.４．Concentration of surface ozone at the summit
and at Tarobo of Mt. Fuji ; a. Summit, b. Tarobo

for the two sampling sites. The concentration of ni-

centration of ozone at the summit was higher thantrate was very low and almost constant at the sum-that at Tarobo throughout the observation period,

mit except for the first day. However, at Tarobo,

corroborated by former observations（Tsutsumi etthe concentration of nitrate was higher and showedal ., １９９８）. No typical diurnal pattern, high in day-a similar concentration trend as sulfate and ammo-

time with a maximum peak in afternoon and low at

nium ions.

night, is seen at the summit or even at Tarobo dur-

When the concentration changes of sulfate anding July ９ to１
１．

ammonium ions at both sampling sites are com-

The concentration of ozone at the summit waspared in detail, the high concentration peak of thesearound２
０ppbv on July５（data on July ５ are notspecies around noon on July ７ and July １
０ at theshown in the figure）. It gradually increased to４０summit coincided with their peaks at Tarobo. They

ppbv around noon on July６, but then no data wasalso coincided with the weak wind speed at theobtained until noon on July ７ due to instrumental

summit , indicating a possibility of an event

trouble. In the afternoon of July７, when the humid-

whereby polluted air from a lower elevation was

ity decreased and the wind direction shifted tolifted up by the valley wind. However, concentra-

northeast, the concentration of ozone increased totion data from other sampling sites of lower eleva-

８０ppbv during early morning on July８. After that,tion at different directions would be needed for

it decreased to４
０―５０ppbv and was constant one

more detailed analysis.

and a half days, then increased to６
０―７０ppbv dur-

３．
４ Ozone concentration at the summit andTaroboing the night of July９. This higher concentration
continued until the night of July １
０ when it sud-

Surface ozone concentration at the summit isdenly decreased with the entrance of a wet air

known to be a good index of air mass inventorymass, after which it was as low as２
０ppbv on July

（Tsutsumi et al ., １
９
９
４and１
９
９
８）. The concentra-

１１. As previously reported, background concentra-

tions of surface ozone at the summit and Tarobo

tion of ozone at the summit was estimated to beduring the campaign are shown in Figs.４ a（sum-around５
０ppbv from the specific relation with ７Be,

mit）and b（Tarobo）. It is apparent that the con-a cosmogenic radio-isotope（Tsutsumi et al .,１９９８）.

Field Science 1

60

Therefore , the higher concentration of ozone ob-

ppbv in the early morning of July１
１. The reason forserved during early morning on July ８ and July１０

these high ozone concentrations at Tarobo has not

are thought to be caused from an air mass of highbeen clarified yet, however, some transport of pol-ozone concentration over the Continent , and theluted air mass from the Tomei highway and / orlower concentration on the last day of the observa-

Gotenba City ３
０ km downwards is suspected . Intion due to a marine air mass.

any case, it was apparent that the major air masses

Since the concentration of surface ozone is gener-at Tarobo were different from those at the summit.

ally high at the summit , oxidative chemical reac-３．
５ Back trajectory analysis

tions might be expected . However , concentration

Isentropic backward trajectory analysis was con-changes of chemical species in the aerosols andducted using global P level analysis data provided

trace gases such as H２O２ appeared to be more un-by Japan Meteorological Agency（JMA）. The pro-der the influence of the movement of air masses

cedure for calculation was the same as that re-than the chemical reactions on site because of highported by Tsutsumi et al .（２０００）. As illustrated inwind speed, low temperature and low pollutant con-Fig.５, the air mass at the summit of Mt. Fuji came

centrations（Yonekura, personal communication）.

mostly from the northwest and northeast, in otherOn the other hand, at Tarobo, the concentration

words, from the Asian Continent during July７―１０.

of surface ozone was around ２０ ppbv during the

At midnight on July１０，a marine air mass from thenight of July６, increased to ５
０ ppbv in the after-south entered, coinciding with the decrease in O３

noon of July７, decreased to around２
０ppbv in theconcentration.

early morning on July８, then increased to６
０ppbv

When the marine air mass reached the summit,

followed by a decrease to２
０ppbv with no further

the concentrations of sulfate and ammonium ions inincreases afterward. It decreased to as low as １０

the aerosol at the summit decreased. Even at Tar-

Fig.５．Backward trajectories at the summit of Mt. Fuji（４days backward）, starting point is１：９：０
０JST, July５,１９９９,２：１
５：００, July５,３：２１：００, July５,４：３：
００, July６,５：９：００, July６,６：１５：００, July６,７：２１：００, July６,８：３：０
０, July７,９：９：
００, July７,１
０：１５：００, July７,１
１：２１：００, July７,１
２：３：０
０, July８,１
３：９：０
０, July８,
１４：１５：００, July８,１
５：２１：００, July８,１
６：３：０
０, July９,１
７：９：００, July９,１
８：１５：００,July９,１
９：２１：００, July９,２
０：３：００, July１０,２
１：９：００, July１
０,２２：１５：００, July１
０,
２３：２１：００, July１
０,２４：３：００, July１
１,２５：９：００, July１
１,２６：１５：０
０, July１
１,２７：
２１：００, July１
１.

Chemical Species in Aerosol at the Summit of Mt. Fuji（MURAKAMI et al .）obo, the concentrations of these species and the sur-

References

face ozone lessened at the same time, presumably
showing a large scale influence of marine air mass.
４．Conclusion
Intensive observations of atmospheric chemistryat the summit and Tarobo were performed during

61

Dokiya, Y., Takeshige, Y., Murakami, K., Hayashi,K., Igarashi, Y. and Tsutsumi, Y.（１９９９）Atmospheric aerosol at the summit of Mt. Fuji. Abstract , First Asia Aerosol Conference （ Nagoya）,９４―９５．

July ６―１
１, １９
９９（ Summer campaign ’９９）, a late

Dokiya, Y., Tsuboi, K. and Maruta, E.（１９９３）Chemi-

Baiu season. The concentrations of chemical species

cal composition of the precipitation at Mt. Fuji

in aerosol were measured every４hours at the twoand its seasonal variation. Tenki,４
０:５３９―５４
２．

sampling sites for one week. From the data analy-

Dokiya, Y., Yoshikawa, T., Komada, T., Suzuki, I.,

ses with meteorological conditions and other sam-Naemura, A., Hayashi, K., Naoe, H., Sawa, Y.,

ples such as ozone, the following points can be sum-

Sekiyama, T. and Igarashi Y.（２００１）Atmos-

marized as the characteristics of Mt. Fuji aerosol.

pheric chemistry at the summit of Mt. Fuji : A

１． The concentrations of sulfate , ammonium andchallenging field for analytical chemists. Anal.

nitrate were much lower at the summit than at
Tarobo and other sites of lower elevation.

Sci., Supplenent,１
７: i８０９―i８１２．
Fuzzi, S. and Wagenbach, D eds.（１９９７）Cloud multi

２． The concentrations of sulfate and ammonium- phase process and high alpine air and snow

showed similar temporal change at both sites

chemistry, EUROTRAC vol.５,２８６pp, Springer.

but that of nitrate did not at the summit.

Hayashi, K., Igarashi, Y., Tsutsumi, Y. and Dokiya,

３．The concentration of surface ozone at the sum-Y.（２００１）Precipitation chemistry at the sum-mit, which showed a clear reverse correlation

mit of Mt. Fuji, Japan. Water, Air and Soil Pollu-

with relative humidity, has been supposed to betion,１３０:１６６７―１６７２．

a good index of the movement of air mass .

Maruta, E., Tsuboi, K. and Dokiya,Y.（１９９３）Chemi-

When the ozone concentration was high , thecal composition of precipitation at Mt. Fuji insummit was generally within the influence ofrelation to pressure patterns. Environ. Sci., ６:

Continental air.

３１１―３２０．

The summit of Mt. Fuji is mostly in free tropo-

Matsumoto, K. and Ogura, N.（１９９２）Chemidal com-

sphere throughout the year, which will provide in-position and behavior of atmospheric aerosols

formation on long range transport of chemical spe-in Fuchu city , Tokyo . Chikyukagaku （ Geo-cies. It has proved to be a very promising site forchemistry）,２６:９５―１０４．

the continuous observation of air chemistry of the

Sekino, H., Nara, C., Tsuboi,K., Hosomi, T., Dokiya,

free troposphere. However, these observations are

Y., Igarashi, Y., Tsutsumi, Y. and Tanaka, S.

limited to the summer season at present due to se-（１９９７）Acid deposition at the summit of Mt.

vere meteorological conditions at other times of the

Fuji -observation on gases, aerosol, fog and pre-year. More information on other seasons is neces-

cipitation in summer,１９９４compared with sum-sary for future studies.

mer１９９３. J. Aerosol Res., Jpn.,１
２:３１１―３１９．

Acknowledgements

Tsuboi, K., Hosomi, T., Dokiya, Y., Tsutsumi, Y.,Yanagisawa, K. and Tanaka, S.（１９９４）Chemical

The authors would like to express their hearty

species in aerosol , gases and precipitation at

gratitude to the staff of Mt Fuji weather station forsummit of Mt. Fuji. J. Aerosol Res., Jpn.,１
１:２
２６

their assistance in the observations. Thanks are also

―２３４．

due to Dr. Shiro Hatakeyama of the CGER National

Tsutsumi,Y. Igarashi, Y., Zaizen, Y. and Makino, Y.

Institute for Environmental Studies for his help in（１９９８） Case studies of tropospheric ozone

observation of peroxides.

events observed at the summit of Mt. Fuji. J.

Field Science 1

62

Geophys. Res.,１
０３:１６,９
３
５―１
６,９
５１．
Tsutsumi, Y. and Matsueda, H.（２０００）Relationshipof ozone and CO at the summit of Mt . Fuji
（３
５．
３
５N,１
３８．
７
３E,２
７
６
６m above sea level）in

１７３０．
Warneck, P.（１９８８）Chemistary of the Atmosphere,
Acad. Press, San Diego.
Yonekura, H., Hatakeyama, S., Tsutsumi, Y., Iga-summer,１
９９
７. Atmos.Environ.,３
４:５５
３―５６１．

rashi, Y., Sawa, Y., Hayashi, K., Murakami, K.,

Tsutsumi, Y., Zaizen, Y. and Makino, Y.（１９９４）Tro-Yoshikawa, T. and Dokiya, Y.（submitted to At-

pospheric ozone measurement at the top of Mt.
Fuji. Geophysical Research Letters ２
１:１
７２７―

mospheric Chemistry）

フィールドサイエンス（J. Field Science）１
：
６
３―６
６，２
０
０
２

63

研究資料

ススキのアセチル化と液化＊１
福田清春＊２，近藤和子＊２，近江正陽＊２，冨永洋司＊２

Acetylation and Liquefaction of Miscanthus sinensis ＊１
Kiyoharu FUKUDA＊２, Kazuko KONDOU＊２, Masahiro OHMI＊２ and Hiroshi TOMINAGA＊２
Wood is liquefied by a reaction with phenol under high temperature and high pressure. This method ofliquefaction was applied to Miscanthus sinensis to develop a new use for it. However, Miscanthus sinensis wasmore difficult liquefy than wood, so acetylated Miscanthus sinensis was used as a sample for liquefaction. The
degree of liquefaction increased with increasing degree of acetylation. As an application of this study, foam
was prepared from the liquefied Miscanthus sinensis.
keywords : Miscanthus sinensis, liquefaction, acetylation

木材は高温・高圧下においてフェノールと反応し液化する。この液化反応をススキに応用した。しかし，
ススキは木材に比べて液化し難かった。そこで，ススキをアセチル化した後に液化させたところ，アセチル化の程度に応じて液化効率が上がった。また，本研究の応用として，液化物から発泡体の調製を行った。
キーワード：ススキ，液化，アセチル化

１．緒

言

たり１３．
９t/年であることから，ススキの生産量は森林の生産量に十分匹敵することが分かる１）。スス

石油依存型社会からの脱皮を目指して，持続可能

キは以前は一番安価な屋根材料として，あるいは俵な石油代替資源の開発が求められており，木材に期等の材料として大量に使用されていたが，現在では待が寄せられている。しかし，世界的に見るならほとんど用途を持たず，単に雑草として扱われていば，大幅に森林面積が減少しつつある現在，そしてるにすぎない。

その延長にある未来において，森林から生み出され本研究においては，近年木材を用いて行われてきる貴重な木材の利用は困難になることも予想された研究のうち，液化およびその液化物からの発泡体る。したがって，木材以外の植物資源にも注目するの調製などの研究成果３－５）を，未利用植物資源であ必要があろう。

るススキに応用しようとするものである。

この様な背景から，我々は雑草，特にススキの資

２．実験方法源化に関して一連の研究を行ってきた。ススキは我が国の全土のみならず，アジア一円に広く分布する

２．
１ 試料

耐酸性の強い植物であり，痩薄地においても極めて以前に報告したと同様に２），ススキ（Miscanthus

旺盛な生育を遂げるという特徴を持っている。土地

sinensis Andress）の茎および葉鞘部分をウィリー

単位面積あたりの乾物生産量は，ススキが優勢な地

ミルにて粗く粉砕した後，磁性の回転式ボールミル

域でのデータによると１ ha あたり１３t/年に お よで３～４日間微粉砕した。これをアルコール・ベン

ぶ。これに対し，日本の森林の純生産量は１ ha あ

ゼ ン（１：２v/v）混 液 に て６時 間 抽 出 処 理 し た＊１＊２

Received Sept．
１０，２００１；Accepted Nov．１，２
００１
東京農工大学農学部 環境資源科学科 〒１８３―８５０９東京都府中市幸町３―５―８：Department of Environmental andNatural Resource Science, Fac. of Agriculture, Tokyo University of Agriculture and Technology, Fuchu, Tokyo１８３―８５０９, Japanフィールドサイエンス

64

後，６０℃で４８時間乾燥させ，これを無処理試料とし１号

た。
アセチル化試料についても同様な液化を行った。

て実験に用いた。
２．
２ アセチル化

２．
４ 発泡体の調製

ジムロート型冷却管，温度計および撹拌用すり合

木材から発泡体を調製した白石らの方法４）を参考

わせシールを取り付けた三ッ口５００ml 容セパラブにして，アセチル化したススキから発泡体の調製を

ルフラスコに，無水酢酸１５０ml，ピリジン２００ml を試みた。ジムロート型冷却管を取り付けた３０mL ナ

入れてアセチル化浴を作り，室温下でよく混合す

ス型フラスコに，多価アルコール類またはビスフェる。これに６
０℃で４８時間乾燥させた無処理試料１０g

ノール A ２ g を入れ，湯浴槽につけて８０―１００℃にを入れ，セパラブルフラスコごと湯浴槽に置き，撹加熱した。これに濃塩酸（３５―３６％）を１．
５mL 加え拌しながら８０℃で種々な時間アセチル化反応を行ってマグネチックスターラーによってよく撹拌した。

た。反応後，内容物を吸引ろ過し，十分反応液を取試料１ g を少しずつ加え，３０分間放置した。そのり除いた後，残さを撹拌子を入れたビーカーに移し

後，撹拌しながら２時間反応させた。なお，多価アた。これにメタノール３
５０ml を入れ，マグネチッ

ルコール類としてはビスフェノール A，１，
６―ヘ

クスターラーにより撹拌しながら一晩放置し洗浄を

キサンジオール，１，４―ブタンジオール，１，２，
３行った。アせチル化の程度は反応前後の試料質量か―プロパントリオールを用いた。

ら質量増加率を算出して調べた。

以上のごとく調製した液化物を１００mL 容のビー

２．
３ 液化

カーに移し，４０％水酸化ナトリウム水溶液にて中和

無処理木材を試料として，白石らはフェノール等した。試料と等量の７５％ポリメリック MDI・トルと木粉を高温高圧下に反応させ，液化物を得ること

エン溶液を少しずつ加え，試験管に流し入れた。さに成功している 。この方法によるススキの液化にらに発泡させるための触媒として n‐ブチルアミ

ついて実験を行った。試料０．
５g を６０℃で４８時間乾

ン０．
２５ml を加え て ガ ラ ス 棒 で 約２０秒 間 撹 拌 し，

燥させ精秤した後，ステンレス製の小型耐圧反応管

１００℃の下に約１０分間反応させた。その後２４時間放にいれ，液化薬剤としてフェノールまたは１，４―ジ

置し，発泡体を調製した。

３）オキサンを加えた。この際の液化薬剤量や反応時

２．
５ X 線回折，赤外線吸収スペクトル（IR スペ

間，反応温度等の実験条件が液化率に及ぼす影響について，Table １のごとくに L８ 直交表に基づく実Table １．Allocation of experimental factors in the L ８
orthogonal table
Reaction
Temperature（℃）

Ratio＊

試料を粉砕することによる結晶化度の変化を調べるため，東京都産業技術研究所に依頼して X 線回験計画法にて検討を行った。

No.

クトル）

Reaction Moisture Liquefacient
reagent
Time
content（hr）（％）

折を行うとともに，各種試料について赤外線吸収ス
ペクトルの測定（島津製作所製 FTIR―８１００）を行った。
３．結果と考察

１，９

１
０
０

１
：
５

１

０

Phenol

２，
１
０

１
０
０

１
：
１
０

２

２
０

１，４―Dioxan

３，
１
１

１
５
０

１
：
５

１

２
０

１，４―Dioxan

４，
１
２

１
５
０

１
：
１
０

２

０

PhenolFig．
１に示す。セルロースを含む試料の反応性は，

３．
１ 無処理試料の液化
試料を微粉砕する前後の X 線回折結果について

５，
１
３

２
０
０

１
：
５

２

０

１，４―Dioxan

セルロースの結晶性によって大きな影響を受ける。

６，
１
４

２
０
０

１
：
１
０

１

２
０

Phenol

７，
１
５

２
３
０

１
：
５

２

２
０

Phenol

これは，セルロース結晶は，その表面でのみ反応が

８，
１
６

２
３
０

１
：
１
０

１

０

１，４―Dioxan＊

Ratio of mass of M. sinensis to liquefacient reagent

行われ，結晶内部はほとんど反応しないからである。従って，セルロース試料中の結晶領域をあらか
じめ破壊しておくと，その反応性は増加するものと反応後，耐圧反応管をオイルバスより取り出し，期待できる。セルロース結晶の破壊法には種々な方

室温下に放冷した。この内容物を１，４―ジオキサン法があるが，ここではボールミルによる磨細法を選で洗浄しながら１ G―３グラスフィルター上に移し択して実施した。Fig．
１の結果より，ボールミルにて吸引ろ過し，６０℃で４８時間乾燥させ精秤した。液よる微粉砕によってセルロースの結晶構造が十分に化率は液化反応後の残渣量と試料量の比から求め破壊されたことが分かる。

ススキのアセチル化と液化（福田ら）

65

Fig．
１．X-ray diffractograms of M. sinensis before（ A）
and after（B）the finely grinding with a ball mill.

ちなみに Segal の方法にて結晶化度を求めると，
微粉砕前の試料について４４％，微粉砕後の試料について１１％となった。
次に無処理試料について行った液化実験の分散分
析結果を Table ２に示す。また，有意性を示した
反応温度，液比および反応時間について，要因効果の推定図を作成したところ，Fig．
２に示す結果を得た。この結果より，試料の液化に際して効果的な反応条件を選ぶと，反応温度が２３０℃，液比が１：１０，
反応時間が１時間であった。しかし，実験全体を通して最大でも液化率は高々十数％にしか達しておらず，木材を試料として行われた白石らの同様の実験で得られた８０―９０％という液化率４）と比較して，かな
り低い値となっている。この理由については不明で

Fig．
２．Relationship between the ratio of liquefaction of
M. sinensis and various experimental conditions.
＊see Table１．

あるが，ススキに含まれるリグニンと木材のリグニンの構造の違いが一因として考えられよう。ススキ

３．
２ アセチル化の程度と液化率のリグニン は p―オ キ シ 核 を 含 み，ベ ン ゼ ン 環 の無処理ススキでは木材で達成された高い液化率が２，３，５，６位が他の構成単位と結合していな

実現できなかった。そこで化学修飾を施した試料にい，つまり縮合反応が起こり易い構造であり，液化

ついて液化処理を行った。アセチル化前後の試料の反応中に溶け難い構造へと変化することが考えられ

IR スペクトルを Fig．３に示す。アセチル化後の試よう。

料では，アセチル化前の試料に比較して，水酸基に由来する３４００cm－１付近の吸収帯は相対的に強度をTable ２．Analysis of variance concerning the effect ofvarious experimental factors on the rate ofliquefacient

減少しており，一方，アセチル基中のカルボニル基由来の１７５０cm－１付近の吸収帯は強度を増加している。これらの結果は，試料中の水酸基がアセチル基

Factor

s. s.

d. f.

m. s.

F

Temperature

２
７
８．
２
１

３

９
２．
７
４

７
１．
３
４＊＊

Time

６
０．
４
１

１

６
０．
４
１

４
６．
４
７＊＊

Ratio

で置換されたことを示しており，試料は確かにアセチル化していることが確認できる。

４
８．
０
６

１

４
８．
０
６

３
６．
９
９

試料のアセチル化の程度が液化率に及ぼす影響にMoisture content

０．
１
３

１

０．
１
３

０．
１

Liquefacient reagent

０

１

０

ついて Fig．
４に示す結果を得た。この結果より試料

Error

９．
１
３

７

１．
３

Total

３
９
５．
９

１
４

a）

a）see Table １
statistically significant at the９９% level＊＊＊＊のアセチル化の程度が上昇するとともに液化率も高くなることが分かる。８０％を越える液化率は木材で達成されている液化率に匹敵するものである。

フィールドサイエンス

66

１号

Fig．
５．Foam prepared from the liquefied sample

Fig．
３．IR spectra of M.sinensis before（A）and after（B）
acetylation.

として n―ブチルアミンを少量加えて反応させたところ，Fig．
５に示す様に発泡体を調製する事ができた。これは，n―ブチルアミンが，接触し難いイソ
シアネートと水との相溶化剤（compatibility）として働いているためではないかと推定されよう。な
お，発泡体の密度を測定すると凡そ０．
３g/cm３程度
であった。
文
１）宮崎

献

信（１９８３）ウッドケミカルスの先端技術と展望．２６pp，シーエムシー㈱，東京．
２）福 田 清 春・菅 谷

玲・近 江 正 陽・冨 永 洋 司（２００１）微粉砕したススキのエステル化と熱軟化性．木材学会誌，４７：４５２―４５７．
Fig．
４．Relationship between the degree of acetylationand the ratio of liquefaction３）Sejin, Pu and Shiraishi, N.（１９９３）Liquefactionof wood without a catalyst . Mokuzai Gakkaishi，３
９：４
４６―４５２．

３．
３ 発泡体の調製

４）白石信夫・合田和弘（１９８４）アリル化またはカ

アセチル化した試料について４種類の溶媒にて液

ルボキシメチル化による木材のプラスチック化化した後，発泡体の調製を試みた。ここで用いた方と接着剤への応用．木材工業，３９：３２９―３３５

法は白石らによって木材について行われた方法であ５）Shiraishi, N.,Onodera, S.,Ohtani, M. and Masu-

り ，木材では各種液化物および発泡体がこの方法

moto, T.（１９８５）Dissolution of esterified or es-

で調製されている。しかし，n―ブチルアミンを加terified wood into polyhydric alcohols or

えずに行った実験では，発泡体の調製を試みたが，

bisphenol A and their application in preparing

いずれも発泡体は調製できなかった。そこで，１，wooden polymeric materials . Mokuzai Gak-

２，３―プロパントリオール（グリセリン）を溶媒

kaishi，３
１：４
１８―４２０．

４）

フィールドサイエンス（J. Field Science）１
：
６
７―７
６，２
０
０
２

67

研究資料

東京農工大学フィールドミュージアム（FM）における＊１
樹木生育状況の記録（１
９
９
０・２
０
０
１）
桑原

繁＊２

Trees observed in University Forests of TUAT in１
９
９０and in２
００
１＊１
Shigeru KUWABARA＊２
Trees in University Forests of TUAT were investigated in１９９０and in２
００１to determine if they wereready for the collection and the conservation of forest gene resources. A table including all tree species andtheir populations（nil, a few or many）was made, and２
９５types of trees（２４７species,５subspecies,３４varietyand９forma）were recorded.
keywords : tree species, subspecies, variety, forma, fauna

東京農工大学農学部附属広域都市圏フィールドサイエンス教育研究センター（FS センター），FM 大谷山（旧大谷山演習林），FM 草木（旧草木演習林），FM 唐沢山（旧唐沢山演習林）および FM 秩父（旧埼玉演習林）の樹木について，森林遺伝子資源の収集と保存の必要性から，種類と生育状況が１９９０年と２００１年に調査された。その結果，種・亜種・変種および品種を合わせ２９５樹種および各種の生育状況が FM 別に記録された。
キーワード：樹木種，亜種，変種，品種，相１．はじめに
東京農工大学農学部附属広域都市圏フィールドサ

多数の助言をして下さった元東京農工大学演習林長
新井雅夫先生，終始指導して下さった東京農工大学
FS センター自然環境教育研究分野長岸洋一教

イエンス教育研究センター（FS センター），FM 大授，現地を案内して下さった FM 唐沢山主任松崎

谷 山（旧 大 谷 山 演 習 林），FM 草 木（旧 草 木 演 習

秀司技官および FM 秩父主任内田武次技官に，そ林），FM 唐沢山（旧唐沢山演習林）および FM 秩

れぞれ深い謝意を表します。

父（旧秩父演習林）の樹木について，森林遺伝子資２．調査方法源の収集と保存の必要性から，種類と生育状況が調査された（新井１９９１）。その結果，種・亜種・変種

調査地の概要を合わせ２９４樹種および各種の生育状況が FM 別に

FM 大谷山は，群馬県勢多郡東村大字神戸にあ記録された。
新井（１９９１）の報告から１０年経過した２００１年，森林遺伝子資源を収集して保存し，種の多様性を維持る。標高は５６０～１０８０m の範囲にあり，一部は亜高山地帯に達する。年平均気温は１２．
７℃，年降水量は
１５６６mm である。

するうえで，再調査が必要となり，実施されたの

FM 草木は，群馬県勢多郡東村大字草木にある。

で，ここに報告する。樹木個体群の変動を長期にわ

標高は６５０～１１５０m の範囲にあり，一部は亜高山地

たり解析するさいの，一助となれば幸いである。

帯に属す。年平均気温は１３．
８℃，年降水量は１３４６

本文を草するにあたり，希少樹種の生育場所など＊１＊２mm である。

Received Oct．２
９，２００１；Accepted Jan．２１，２００２
東京農工大学農学部附属フィールドサイエンス・センター，FM 大谷山 〒３７６―０３０４群馬県勢多郡東村神戸字上の山２７７：Field Musium Oyasan, Tokyo University of Agriculture and Technology, Godo, Azuma-V., Gunma-Pref.３
７６―０３０４，Japanフィールドサイエンス

68１号

FM 唐沢山は，栃木県安蘇郡田沼町大字栃本にあは，前報告で記載もれとなっていたサワラを加えてる。標高は８０～２９０m の範囲 に あ り，丘 陵 地 に あ

２９５種（６７科，１
４４属，２４７種，５亜 種，３４変 種，９る。年平均気温は１４．
１℃，年降水量は１
２
７
９mm で

品種）で構成されている。その中には，今回４ FMある。

でまったく確認されなく目録から除くべき樹種も含FM 秩父は，埼玉県秩父郡大滝村大字大滝にあまれているが，調査の精度が上がれば再確認の可能る。標高は８００～１４
６４m の範囲にあり，ほとんどが性があるので，目録には調査対象樹種として１０年間

亜高山地帯に属す。年平均気温は９．
０℃，年降水量残す考えである。

は１２９８mm である。
各 FM の沿革，地質，林況など は，前 報 告（新井１９９１）を参照して下さい。

表－１を見ると，樹種によって生育状況の大きな変動が目立ったが，参考程度の資料としたい。これ
は，調査場所や調査期間，調査者の違いによる変動

調査期間も考えられたので，生育状況の変動は今回は考察さ

２
０
０
１年１
０～１
１月に，FM 大谷山（９２ha）は２日，れなかった。今回の調査から，生育数が少数の樹種

FM 草 木（４１５ha）は３日，FM 唐 沢 山（１６２ha）

は林小班図に記録され，調査方法も統一されるのは３日，FM 秩父（２３４ha）は３日かけ，現地調査

で，樹種個体群の消滅等は，次回からはより精度高が行われた。

く報告されるであろう。今後このようなモニタリン

調査方法

グ調査を５年間隔で組織的に行い，そのつどここに全林小班を一度は通過し，各 FM ごとに樹種名記録したい。

と生育状況（多数，少数，無）を記録した。少数と引用文献

は，容易に生育木を確認できず，FM 単位で１０本は確認できなかったものである。なお，少数の樹種の新井雅夫（１９９１）演習林の樹木．東京農工大学農学部演習林報告，２９：１―１８．

生育地点と本数は，林小班図に記録した。
３．結果および考察
学名，種間分類群，和名の表記および配列は，主として環境庁自然保護局編（１９８７）の植物目録に依り，一部の学名，和名については林編（１９
８９），北

林

弥栄編（１９８９）日本の樹木．７５０pp，山と渓谷
社，東京．

環境庁自然保護局編（１９８７）植物目録．７４０pp，大蔵省印刷局，東京．
勝田

柾編（２００１）森林科学用語集．６３７pp，林学

村・村 田（１９
７９a,b），佐 竹 ら 編（１９
８
９a,b）
，杉 本

会，東京．

（１
９
７
９）を引用した前報告（新井１９９１）と同じであ

北村四郎・村田る。
ただし，和名，学名などについてはその後改訂されたものがかなりあり，勝田編（２００１）の森林科学
用語集に統一した。そのため前報告の和名を改訂し源（１９７９a）原色日本植物図鑑

木本編Ⅰ．４０１pp，保育社，東京．
北村四郎・村田源（１９７９b）原色日本植物図鑑

木本編Ⅱ．５４０pp，保育社，東京．
佐竹義輔・原寛・亘理俊 次・富 成 忠 夫 編（１９８９たものは，アカメヤナギ→フリソデヤナギ，ウスゲa）日本の野生植物

クロモジ→ミヤマクロモジ，ツクバグミ→ニッコウ

東京．

ナツグミ，マルバナツグミ→ナツグミの４種であ

佐竹義輔・原り，学名を改訂したものは２８種であった。
調査結果を，表－１に示す。樹木目録に収録された木本植物は，前報告では４ FM 全体で，亜種，変種，品種合わせて２９４種であった。今回の調査で木本Ⅰ．３２１pp，平凡社，

寛・亘理俊 次・富 成 忠 夫 編（１９８９b）日本の野生植物

木本Ⅱ．３０５pp，平凡社，東京．
杉本順一（１９７９）日本樹木総検索誌．５５２pp，六月社，大阪．

東京農工大学 FM における樹木生育状況（桑原）69

表１．樹木目録と確認数（１９９０→２００１，０無・±少数・＋多数）
樹
学

名

種

名

フィールドミュージアム
和

名

大谷山

草木

唐沢山

秩父

［SPERMATOPHYTA 種子植物］［GYMNOSPERMAE 裸子植物］
Pinaceae

マツ科

Abies firma

モミ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

A. homolepis

ウラジロモミ

＋→＋

＋→＋

０→０

＋→＋

Larix kaempferi

カラマツ

＋→＋

＋→＋

０→０

＋→＋

Picea torano

ハリモミ

±→±

０→±

０→０

±→±

Pinus densiflora

アカマツ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

Tsuga sieboldii

ツガ

±→＋

＋→＋

０→０

＋→＋

Taxodiaceae

スギ科

Cryptomeria japonica

スギ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

C. japonica f. caespitoca

ムレスギ

±→０

±→０

０→０

０→０

ヒノキ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

C. pisifera

サワラ

±→±

＋→＋

±→±

０→０

Cephalotaxaceae

イヌガヤ科
±→０

０→０

＋→＋

±→＋

±→０

０→０

±→０

０→０

オニグルミ

＋→±

＋→＋

＋→＋

＋→＋

サワグルミ

０→０

＋→＋

０→０

＋→＋

Cupressaceae
Chamaecyparis obtusa

Cephalotaxus harringtonia
Taxaceae
Torreya nucifera

ヒノキ科

イヌガヤ
イチイ科
カヤ

［ANGIOSPERMAE 被子植物］［DICOTYLEDONEAE 双子葉植物］［CHOLIPETALAE 離弁花類］
Juglandaceae
Juglans mandshurica var. sachalinensis
Pterocarya rhoifolia
Salicaceae

クルミ科

ヤナギ科

Populus sieboldii

ヤマナラシ

±→０

０→＋

＋→０

＋→±

Salix bakko

バッコヤナギ

±→＋

＋→＋

±→０

＋→＋

S. chaenomeloides

フリソデヤナギ

０→０

０→０

±→０

０→０

S. gracilistyla

ネコヤナギ

±→０

０→０

＋→＋

０→０

S. integra

イヌコリヤナギ

＋→０

＋→＋

＋→０

＋→０

S. kinuyanagi

キヌヤナギ

０→０

０→０

±→０

０→０

S. sachalinensis

オノエヤナギ

＋→０

＋→＋

０→０

＋→０

S. serissaefolia

コゴメヤナギ

０→０

±→０

０→０

０→０

S. shiraii

シライヤナギ

０→０

０→０

０→０

＋→±

S. subfragilis

タチヤナギ

０→０

０→０

±→０

０→０

キツネヤナギ

±→０

±→０

０→０

０→０

S. vulpina
Betulaceae

カバノキ科

Alnus firma

ヤシャブシ

＋→＋

＋→＋

０→＋

＋→＋

A. hirsuta

ケヤマハンノキ

＋→±

＋→＋

０→０

＋→＋

A. japonica

ハンノキ

０→０

０→０

＋→＋

０→０

Betula ermanii

ダケカンバ

±→±

＋→＋

０→０

＋→＋

B. grossa

ヨグソミネバリ

＋→＋

＋→＋

０→０

＋→＋

B. maximowicziana

ウダイカンバ

＋→＋

＋→＋

０→０

＋→＋

B. platyphylla var. japonica

シラカバ

＋→＋

＋→＋

０→０

＋→＋

B. schmidtii

オノオレカンバ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

Carpinus cordata

サワシバ

＋→＋

＋→＋

０→０

＋→＋

C. japonica

クマシデ

＋→＋

＋→＋

＋→±

＋→＋

C. laxiflora

アカシデ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

フィールドサイエンス

70
樹
学

名

種

１号

名

フィールドミュージアム
名

大谷山

草木

唐沢山

秩父

C. tschonoskii

イヌシデ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

Corylus sieboldiana

ツノハシバミ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

Ostrya japonica

アサダ

０→０

０→０

０→０

＋→＋

Fagaceae

和ブナ科Castanea crenata

クリ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

Castanopsis siebojdii

スダジイ

０→０

０→０

＋→＋

０→０

C. cuspidata f. lanceolata

ホソバスダジイ

０→０

０→０

＋→±

０→０

Fagus crenata

ブナ

±→０

＋→＋

０→０

＋→＋

F. japonica

イヌブナ

＋→±

＋→＋

＋→０

＋→＋

Quercus acutissima

クヌギ

０→０

０→０

＋→＋

０→０

Q. glauca

アラカシ

０→０

０→０

＋→＋

０→０

Q. mongolica ssp. crispula

ミズナラ

＋→＋

＋→＋

０→０

＋→＋

Q. myrsinifolia

シラカシ

０→０

０→０

＋→＋

０→０

Q. salicina

ウラジロガシ

０→０

０→０

＋→＋

０→０

Q. serrata

コナラ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

Ulmaceae

ニレ科

Celtis jessoensis

エゾエノキ

±→０

±→０

０→０

±→０

C. sinensis var. japonica

エノキ

０→０

０→０

±→＋

０→±

Ulmus davidiana var. japonica

ハルニレ

±→±

±→０

±→０

０→０

U. laciniata

オヒョウ

０→０

＋→＋

０→０

±→０

ケヤキ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

Zelkova serrata
Moraceae

クワ科

Broussonetia kazinoki

ヒメコウゾ

＋→±

＋→０

＋→＋

＋→＋

Ficus nipponica

イタビカズラ

０→０

０→０

＋→＋

０→０

Morus bombycis

ヤマグワ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

±→０

±→＋

＋→０

＋→±

＋→０

＋→０

０→０

＋→±

＋→±

＋→±

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

Urticaceae
Boehmeria spicata
Santalaceae
Buckleya lanceolata
Loranthaceae
Viscum album var. coloratum
Magnoliaceae
Magnolia obovata
Schisandraceae
Schisandra repanda
Lauraceae

イラクサ科
コアカソ
ビャクダン科
ツクバネ
ヤドリギ科
ヤドリギ
モクレン科
ホオノキ
マツブサ科
マツブサ
クスノキ科

Lindera glauca

ヤマコウバシ

±→０

０→０

±→＋

＋→

L. obtusiloba

ダンコウバイ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

L. praecox

アブラチャン

＋→＋

＋→＋

＋→±

＋→＋

L. sericea var. glabrata

ミヤマクロモジ

±→０

±→０

０→０

±→０

L. umbellata

クロモジ

＋→＋

＋→＋

０→０

＋→＋

L. umbellata var. membranacea

オオバクロモジ

±→０

±→０

０→０

±→０

Machilus thunbergii

タブノキ

０→０

０→０

±→０

０→０

Neolitsea sericea

シロダモ

±→０

０→０

＋→＋

０→０

Trochodendraceae

ヤマグルマ科
０→０

±→±

０→０

±→±

＋→＋

＋→＋

±→±

＋→＋

±→±

＋→＋

０→０

＋→＋

Trochodendron aralioides f. longifolium
Eupteleaceae
Euptelea polyandra
Cercidiphyllaceae
Cercidiphyllum japonicum

ナガバノヤマグルマ
フサザクラ科
フサザクラ
カツラ科
カツラ

東京農工大学 FM における樹木生育状況（桑原）樹
学

名Ranunculaceae

種

名

71
フィールドミュージアム

和

名

大谷山

草木

唐沢山

秩父

キンポウゲ科Clematis apiifolia

ボタンズル

＋→＋

＋→＋

＋→±

＋→＋

C. apiifolia var. biternata

コボタンズル

＋→＋

＋→＋

＋→±

＋→＋

C. japonica

ハンショウズル

＋→＋

＋→＋

０→０

＋→＋

C. stans

クサボタン

＋→＋

＋→＋

０→０

＋→＋

C. terniflora

センニンソウ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

０→＋

＋→＋

Berberidaceae
Berberis thunbergii

メギ科
メギ

Lardizabalaceae

アケビ科

Akebia quinata

アケビ

＋→±

＋→＋

＋→±

＋→±

A. trifoliata

ミツバアケビ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

Menispermaceae
Cocculus orbiculatus
Actinidiaceae

ツヅラフジ科
アオツヅラフジ
マタタビ科

Actinidia arguta

サルナシ

＋→＋

＋→＋

０→＋

＋→＋

A. polygama

マタタビ

＋→＋

＋→＋

０→０

＋→＋

Theaceae

ツバキ科

Camellia japonica

ヤブツバキ

±→０

０→０

＋→＋

０→０

Eurya japonica

ヒサカキ

０→０

０→０

＋→＋

０→０

Stewartia pseudo−camellia

ナツツバキ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

Hamamelidaceae
Hamamelis japonica
Saxifragaceae

マンサク科
マンサク
ユキノシタ科

Deutzia crenata

ウツギ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

D. crenata f. candidissima

シロバナヤエウツギ

±→０

０→０

＋→±

０→０

D. gracilis

ヒメウツギ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

D. scabra

マルバウツギ

０→０

０→０

０→０

＋→＋

D. uniflora

ウメウツギ

０→０

０→０

０→０

＋→＋

Hydrangea hirta

コアジサイ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

H. involucrata

タマアジサイ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

H. paniculata

ノリウツギ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

H. petiolaris

ツルアジサイ

０→０

＋→０

０→０

＋→＋

H. scandens

ガクウツギ

０→０

０→０

０→０

＋→＋

H. serrata

ヤマアジサイ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

Philadelphus satsumi

バイカウツギ

＋→０

＋→＋

０→０

＋→＋

Ribes sinanense

スグリ

０→０

０→０

０→０

±→±

Schizophragma hydrangeoides

イワガラミ

＋→＋

＋→＋

０→±

＋→＋

Rosaceae

バラ科

Chaenomeles japonica

クサボケ

０→０

０→０

±→±

０→０

Kerria japonica

ヤマブキ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

Malus toringo

ズミ

＋→＋

＋→＋

＋→±

＋→＋

M. toringe var. zumi

オオズミ

±→±

０→０

０→０

＋→＋

Pourthiae villosa var. laevis

カマツカ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

Prunus apetala

チョウジザクラ

＋→±

＋→±

０→０

＋→±

P. buergeriana

イヌザクラ

０→０

＋→＋

＋→＋

＋→＋

P. grayana

ウワミズザクラ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

P. jamasakura

ヤマザクラ

±→±

±→±

＋→＋

＋→＋

P. maximowiczii

ミヤマザクラ

０→０

０→０

０→０

＋→±

P. pendula f. ascendens

エドヒガン

０→０

０→０

０→０

＋→＋

P. verecunda

カスミザクラ

＋→＋

＋→＋

０→０

＋→＋

フィールドサイエンス

72
樹
学

名

種

１号

名

フィールドミュージアム
名

大谷山

草木

唐沢山

秩父

Pyrus pyrifolia

ヤマナシ

±→０

±→０

±→０

±→０

Rosa luciae

アズマイバラ

±→０

０→０

＋→±

０→０

R. multiflora

ノイバラ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

Rubus crataegifolius

クマイチゴ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

R. hirsutus

クサイチゴ

０→０

０→０

０→０

＋→＋

R. illecebrosus

バライチゴ

０→０

０→０

＋→＋

０→０

R. mesogaeus

クロイチゴ

±→０

±→０

０→０

０→０

R. microphyllus

ニガイチゴ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

R. palmatus var. coptophyllus

モミジイチゴ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

R. parvifolius

ナワシロイチゴ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

R. phoenicolasius

エビガライチゴ

＋→＋

＋→＋

０→０

＋→＋

Sorbus alnifolia

アズキナシ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

S. alnifolia var. submollis

オクシモアズキナシ

＋→＋

０→０

０→０

０→０

S. commixta

ナナカマド

±→０

±→０

０→０

０→０

S. commixta var. rufo−ferruginea

サビハナナカマド

０→０

０→０

０→０

±→＋

S. gracilis

ナンキンナナカナド

＋→０

＋→＋

０→０

＋→＋

S. japonica

ウラジロノキ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

Spiraea japonica

シモツケ

＋→０

＋→±

±→±

＋→±

S. nipponica

イワシモツケ

０→０

０→０

０→０

＋→±

Stephanandra incisa

コゴメウツギ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

Leguminosae

和

マメ科

Albizia julibrissin

ネムノキ

＋→±

＋→＋

＋→＋

＋→＋

Caesalpinia decapetala var. japonica

ジャケツイバラ

０→０

０→０

＋→＋

０→０

Cladrastis platycarpa

フジキ

０→０

＋→±

０→０

０→０

C. sikokiana

ユクノキ

０→０

０→０

０→０

＋→＋

Indigofera pseudotinctoria

コマツナギ

±→０

０→０

±→±

０→０

Lespedeza bicolor

ヤマハギ

＋→０

＋→＋

＋→±

＋→＋

L. buergeri

キハギ

＋→±

＋→０

＋→＋

＋→＋

L. crytobotrya

マルバハギ

＋→±

０→＋

０→＋

０→±

L. homoloba

ツクシハギ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

±→±

Maackia amurensis ssp. buergeri

イヌエンジュ

＋→＋

＋→＋

０→０

０→０

Pueraria lobata

クズ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

フジ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

アカメガシワ

０→０

０→０

＋→＋

±→±

シラキ

＋→＋

０→０

＋→＋

＋→＋

Wisteria floribunda
Euphorbiaceae
Mallotus japonicus
Sapium japonicum
Rutaceae

トウダイグサ科

ミカン科

Orixa japonica

コクサギ

＋→０

＋→±

＋→＋

＋→±

Phellodendron amurense

キハダ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

Skimmia japonica

ミヤマシキミ

０→０

０→０

＋→＋

０→０

Zanthoxylum ailanthoides

カラスザンショウ

±→０

０→＋

±→０

±→０

Z. piperitum

サンショウ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

Z. piperitum f. brevispinosum

ヤマアサクラザンショウ

＋→±

＋→±

０→０

０→±

Z. schinifolium

イヌザンショウ

＋→０

＋→０

＋→＋

＋→＋

０→０

０→０

０→０

＋→＋

Simaroubaceae
Picrasma quassioides
Anacardiaceae

ニガキ科
ニガキ
ウルシ科

Rhus ambigua

ツタウルシ

＋→０

＋→０

０→０

＋→＋

R. javanica

ヌルデ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

R. trichocarpa

ヤマウルシ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

東京農工大学 FM における樹木生育状況（桑原）樹
学

名Aceraceae

種

名73
フィールドミュージアム

和

名

大谷山

草木

唐沢山

秩父

カエデ科

Acer argutum

アサノハカエデ

±→０

＋→＋

０→０

±→０

A. capillipes

ホソエカエデ

０→０

０→０

０→０

±→０

A. carpinifolium

チドリノキ

＋→＋

＋→＋

＋→０

＋→＋

A. cissifolium

ミツデカエデ

＋→＋

＋→＋

０→０

＋→＋

A. crataegifolium

ウリカエデ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

A. diabolicum

カジカエデ

＋→０

＋→＋

０→０

＋→＋

A. distylum

ヒトツバカエデ

＋→０

＋→＋

０→０

＋→＋

A. japonicum

ハウチワカエデ

＋→＋

＋→＋

０→０

＋→＋

A. micranthum

コミネカエデ

＋→０

＋→＋

０→０

＋→＋

A. nikoense

メグスリノキ

＋→＋

＋→＋

０→０

＋→＋

A. palmatum

イロハモミジ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

A. palmatum var. amoenum

オオモミジ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

A. palmatum var. matumurae

ヤマモミジ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

A. pictum ssp. marmoratum f. connivens

ウラゲエンコウカエデ

＋→＋

＋→＋

＋→０

＋→＋

A. pictum ssp. marmoratum

エンコウカエデ

０→＋

０→＋

＋→＋

０→＋

A. pictum ssp. ambiguum

オニイタヤ

＋→＋

＋→＋

＋→０

＋→＋

A. rufinerve

ウリハダカエデ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

A. shirasawanum

オオイタヤメイゲツ

０→０

０→±

０→０

±→±

A. sieboldianum

イタヤメイゲツ

＋→＋

＋→＋

０→０

＋→＋

ヒナウチワカエデ

＋→０

＋→＋

０→０

＋→＋

＋→０

＋→＋

０→０

＋→＋

アワブキ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

ミヤマハハソ

０→０

０→０

０→０

＋→＋

A. tenuifolium
Hippocastanaceae

トチノキ科

Aesculus turbinata

トチノキ

Sabiaceae
Meliosma myriantha
M. tenuis

アワブキ科

Aquifoliaceae

モチノキ科

Ilex crenata

イヌツゲ

０→０

０→０

＋→＋

０→０

I. geniculata

フウリンウメモドキ

±→±

±→±

０→０

０→０

I. macropoda

アオハダ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

I. macropoda f. pseudomacropoda

ケナシアオハダ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

I. pedunculosa

ソヨゴ

０→０

０→０

±→±

０→０

ウメモドキ

０→０

０→０

±→±

０→０

I. serrata
Celastraceae

ニシキギ科

Celastrus flagellaris

イワウメヅル

±→０

０→０

０→０

±→±

C. orbiculatus

ツルウメモドキ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

C. orbiculatus var. strigillosus

オニツルウメモドキ

＋→±

＋→±

＋→±

＋→±

Euonymus alatus

ニシキギ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

E. alatus f. ciliatodentatus

コマユミ

＋→±

＋→＋

０→±

＋→＋

E. fortunei

ツルマサキ

＋→０

＋→０

＋→０

＋→＋

E. macropterus

ヒロハツリバナ

０→０

０→０

０→０

＋→＋

E. oxyphyllus

ツリバナ

＋→＋

＋→＋

＋→±

＋→＋

E. sieboldianus

マユミ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

E. sieboldianus var. sanguineus

カントウマユミ

０→０

±→０

０→０

０→０

Staphyleaceae

ミツバウツギ科

Euscaphis japonica

ゴンズイ

０→０

０→０

＋→＋

０→０

Staphylea bumalda

ミツバウツギ

＋→＋

＋→＋

±→０

＋→＋

Rhamnaceae

クロウメモドキ科

Berchemia racemosa

クマヤナギ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

Hovenia dulcis

ケンポナシ

±→０

±→±

＋→±

＋→＋

フィールドサイエンス

74
樹
学

種

名

Rhamnus japonica var. decipiens
Vitaceae

１号

名フィールドミュージアム
和

名クロウメモドキ

大谷山

草木

唐沢山

秩父

０→０

０→０

±→±

０→０

ブドウ科

Ampelopsis glandulosa var. heterophylla

ノブドウ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

Parthenocissus tricuspidata

ツタ

±→０

±→０

＋→＋

±→±

Vitis coignetiae

ヤマブドウ

±→±

＋→＋

０→０

＋→＋

V. ficifolia

エビズル

±→０

０→０

＋→０

０→０

サンカクズル

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

V. flexuosa
Tiliaceae

シナノキ科

Tilia japonica

シナノキ

＋→±

＋→±

０→０

＋→±

T. maximowicziana

オオバボダイジュ

±→０

±→０

０→０

０→０

０→０

０→０

０→０

＋→±

Thymelaeaceae
Daphue pseudomezereum var. koreana
Elaeagnaceae

ジンチョウゲ科
チョウセンナニワズ
グミ科

Elaeagnus glabra

ツルグミ

０→０

０→０

＋→＋

０→０

E. multiflora

ナツグミ

０→０

０→０

±→±

０→

E. nikoensis

ニッコウナツグミ

±→０

０→０

０→０

０→０

E. umbellata

アキグミ

±→０

０→０

±→±

＋→＋

Flacourtiaceae

イイギリ科
０→０

０→０

＋→０

０→０

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→±

＋→＋

±→＋

＋→＋

Idesia polycarpa
Stachyuraceae
Stachyurus praecox
Alangiaceae
Alangium platanifolium var. trilobum
Cornaceae

イイギリ
キブシ科
キブシ
ウリノキ科
ウリノキ
ミズキ科

Aucuba japonica

アオキ

０→０

０→０

＋→＋

０→０

Benthamidia japonica

ヤマボウシ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

Cornus controversa

ミズキ

＋→＋

＋→＋

＋→±

＋→＋

C. macrophylla

クマノミズキ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

ハナイカダ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

Helwingia japonica
Araliaceae

ウコギ科

Aralia elata

タラノキ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

A. elata var. canescens

メダラ

０→０

＋→＋

＋→＋

０→０

Eleutherococcus sciadophylloides

コシアブラ

＋→＋

＋→＋

０→０

＋→＋

E. spinosus

ウコギ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

Evodiopanax innovans

タカノツメ

＋→＋

＋→＋

０→＋

＋→＋

Hedera rhombea

キズタ

＋→０

＋→±

±→＋

±→＋

Kalopanax septemlobus

ハリギリ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

［SYMPETALAE 合弁花類］
Clethraceae
Clethra barvinervis
Ericaceae

リョウブ科
リョウブ
ツツジ科

Enkianthus campanulatus

サラサドウダン

＋→＋

＋→＋

０→０

＋→＋

E. cernus var. matsudae

チチブドウダン

０→０

０→０

０→０

＋→＋

E. subsessilis

アブラツツジ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

Lyonia ovalifolia var. elliptica

ネジキ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

Menziesia pentandra

コヨウラクツツジ

０→０

０→０

０→０

＋→＋

Pieris japonica

アセビ

０→０

０→０

０→０

＋→＋

Rhododendron keiskei

ヒカゲツツジ

０→０

０→０

０→０

＋→＋

R. obtusum var. kaempferi

ヤマツツジ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

R. pentaphyllum var. nikoense

アカヤシオ

＋→＋

＋→＋

０→０

０→０

東京農工大学 FM における樹木生育状況（桑原）
樹
学

名

種

名

75
フィールドミュージアム

名

大谷山

草木

唐沢山

秩父

R. quinquefolium

ゴヨウツツジ

＋→＋

＋→＋

０→０

０→０

R. semibarbatum

バイカツツジ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

R. tschonoskii

コメツツジ

＋→＋

０→０

０→０

＋→＋

R. wadanum

トウゴクミツバツツジ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

Tripetaleia paniculata

ホツツジ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

Vaccinium hirtum var. pubescens

ウスノキ

＋→＋

＋→＋

０→０

＋→＋

V. oldhamii

ナツハゼ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

V. smallii var. glabrum

スノキ

０→０

０→０

＋→＋

０→０

±→０

０→±

＋→＋

０→０

Myrsinaceae
Ardisia japonica
Ebenaceae

和

ヤブコウジ科
ヤブコウジ
カキノキ科

Diospyros kaki var. sylvestris

ヤマガキ

±→０

±→０

＋→＋

０→０

D. lotus

マメガキ

±→＋

±→±

０→０

＋→＋

Styracaceae

エゴノキ科

Pterostyrax hispidus

オオバアサガラ

＋→＋

＋→＋

０→０

＋→＋

Styrax japonicus

エゴノキ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

S. obassia

ハクウンボク

＋→＋

＋→＋

±→±

＋→＋

S. shiraianus

コハクウンボク

＋→＋

＋→＋

０→０

０→０

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

Symplocaceae
Symplocos sawafutagi
Oleaceae

ハイノキ科
サワフタギ
モクセイ科

Fraxinus lanuginosa

アオダモ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

F. longicuspis

ヤマトアオダモ

＋→＋

＋→＋

０→０

＋→＋

F. spaethiana

シオジ

０→±

＋→＋

０→０

＋→＋

Ligustrum obtusifolium

イボタノキ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

L. tschonoskii

ミヤマイボタ

±→０

±→±

０→０

＋→±

Osmanthus heterophyllus

ヒイラギ

０→０

０→０

＋→＋

０→０

±→０

±→０

＋→＋

±→０

０→０

０→０

＋→＋

０→０

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

Apocynaceae
Trachelospermum asiaticum
Asclepiadaceae
Marsdenia tomentosa
Rubiaceae
Paederia scandens
Verbenaceae

キョウチクトウ科
テイカカズラ
カガイモ科
キジョラン
アカネ科
ヤトイバナ
クマツヅラ科

Callicarpa japonica

ムラサキシキブ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

C. mollis

ヤブムラサキ

±→０

０→±

＋→＋

０→０

Clerodendrum trichotomum

クサギ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

０→０

０→０

＋→±

０→０

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

Solanaceae
Lycium chinense
Buddlejaceae
Buddleja japonica
Caprifoliaceae

ナス科
クコ
フジウツギ科
フジウツギ
スイカズラ科

Abelia spathulata

ツクバネウツギ

＋→＋

＋→＋

＋→±

＋→＋

A. tetrasepala

オオツクバネウツギ

＋→＋

＋→＋

０→０

＋→＋

Lonicera gracilipes

ヤマウグイスカグラ

＋→０

＋→＋

＋→＋

＋→＋

L. gracilipes var. glandulosa

ミヤマウグイスカグラ

０→０

±→０

±→０

±→０

L. japonica

スイカズラ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

Sambucus racemosa ssp. sieboldiana

ニワトコ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

Viburnum dilatatum

ガマズミ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

V. erosum var. punctatum

コバノガマズミ

０→０

０→０

０→０

＋→＋

フィールドサイエンス

76
樹
学

種

名

１号

名

フィールドミュージアム
名

大谷山

草木

唐沢山

秩父

V. furcatum

オオカメノキ

±→±

＋→＋

０→０

＋→±

V. phlebotrichum

オトコヨウゾメ

＋→＋

＋→＋

±→＋

＋→＋

V. plicatom var. tomentosum

ヤブデマリ

＋→＋

＋→＋

±→０

＋→＋

V. urceolatum var. procumbens

ミヤマシグレ

±→０

＋→＋

０→０

＋→＋

V. wrightii

ミヤマガマズミ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

Weigela decora

ニシキウツギ

＋→＋

＋→＋

０→±

＋→＋

キバナウツギ

０→０

０→０

０→０

＋→＋

W. maximowiczii
Compositae

和

キク科

Pertya glabrescens

ナガバノコウヤボウキ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

P. scandens

コウヤボウキ

０→０

０→０

＋→＋

０→０

［MONOCOTYLEDONEAE 単子葉植物］
Liliaceae

ユリ科

Smilax biflora var. trinervula

サルマメ

０→０

０→０

０→０

±→＋

S. china

サルトリイバラ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

＋→＋

S. sieboldii

ヤマカシュウ

＋→±

＋→±

＋→＋

＋→＋

Gramineae

イネ科

Pleioblastus chino

アズマネザサ

＋→＋

＋→＋

＋→＋

０→０

Pseudosasa japonica

ヤダケ

０→０

±→０

＋→＋

０→０

Sasa nipponica

ミヤコザサ

＋→＋

＋→＋

０→０

＋→＋

Sasamorpha borealis

スズタケ

０→±

±→＋

０→０

＋→＋

フィールドサイエンス（J. Field Science）１
：
７
７―８
０，２
０
０
２

解

77

説

アメリカ合衆国北東部のフィールドサイエンスセンター―Hubbard Brook Experimental Forest の紹介＊１―
戸田

浩人＊２

Introduction of Hubbard Brook Experimental Forest, New Hampshire, USA＊１
Hiroto TODA＊２
This report outlines the studies in the Hubbard Brook Experimental Forest（HBEF）in the northeastern
US. Studies in HBEF are characterized by the long-term ecological monitoring of the nutrient circulation in
the forested small watersheds, nutrient dynamics of forest ecosystem using a sandbox experiment, and relationships between bird populations and their forest environment. The Hubbard Brook Research Foundation
has managed these research projects since１
９９３．
Keywords : Experimental forest, Forest ecosystems, Long-term monitoring

米国北東部にあるフィールドサイエンス・センターの Hubbard Brook Experimental Forest（HBEF）における研究概要を紹介する。HBEF における研究の特徴は，長期生態モニタリングの継続であり，森林小流域における物質循環，砂箱実験を用いた森林生態系の養分動態，および森林をとりまく環境と鳥類動態の関係などの調査がおこなわれている。現在，このような HBEF での調査研究は，１９９３年に設立された Hubbard Brook Research Foundation によって賄われている。
キーワード：野外実験林，森林生態系，長期モニタリング

１．はじめにに HBEF で開催された年次研究会に参加する機会を得，現在も HBEF において続けられている精力森林生態学や水文学に興味を持っていれば，米国的な研究に触れるこができた（Fig．
１）。ここでは，北東部にある Hubbard Brook Experimental Forest

HBEF で展開されている最新の研究の概要ととも（HBEF）というフィールドサイエンス・センターにフィールドサイエンス・センターとしての機能・を見聞きしたことがあると思う。HBEF では落葉組織運営についてご紹介したい。

広葉樹林を主体とする森林流域において，１９５
５年か
ら降水量や渓流流出水量などの水文的観測，１９６
３年

２．歴史とその運営からその水質をベースとした物質動態の研究が続

ア メ リ カ 合 衆 国 北 東 部 の New England 地 域 のけられ，非常に多くの成果が上げられている。研究ちょうど中央部に New Hampshire 州 White 山脈が成果の概要は，「Pattern of Processes in a Forested

あり，HBEF はその山脈の西側に位置する約３，
１６０

Ecosystem」（Borman and Likens，１９７９）や「Bio-ha，標高２２２～１，
０１５m の森林流域である（Fig．
２）。

geochemistry of a Forested Ecosystem ，２nd edi-

車では，Interstate Highway９３号を降りてから１
０分

tion」（Likens and Borman，１９９５）にまとめられて足らずで到着するため，New England の大学（Newおり，後者は邦訳されている。筆者は，２００１年７月

Hampshire 州立大学，Dartmouth 大学，Yale 大学＊１＊２

Received Sept．７，２
００１；Accepted Oct．３
０，２００１
東京農工大学農学部 地域生態システム学科 〒１８３―８５０９東京都府中市幸町３―５―８：Department of Ecoregion Science, Fac. of Agriculture, Tokyo University of Agriculture and Technology, Fuchu, Tokyo１８３―８５０９, Japan

78

フィールドサイエンス

１号など）や研究所ばかりでなく，New York 州立大学
（Syracuse, New York）などからも訪れ易い立地条
件にあり，これら多くの研究者・組織によって研究・教育の場として利用されている。
設 立 当 初 の１
９５５年 は，ア メ リ カ 合 衆 国 農 務 省（UnitedStatesDepartment

ofAgriculture（USDA））森林局の New England 地域における流域 管 理 の た め の 研 究 拠 点 で あ っ た。１９６３年 よ り
Dartmouth 大学と USDA 森林局が共同で，森林小流域を用いた森林生態系への人為による影響を調査・研究するプロジェクトが開始された。今日では，４０を越える組織の研究者が HBEF における生態学的研究（Hubbard Brook Ecosystem Study）に参画している（Fig．
３）。
以上のようなフィールド研究は，国立科学基金（National Science Foundation）と USDA 森 林 局 から資金援助を受けていたが，近年は，後述の独自の基金で賄われている。HBEF における科学的調査
Fig．
１．In front of Hubbard Brook USDA Forest Service headquarters.
Cooperators meeting place for Hubbard Brook
Ecosystem Study.
USDA : United States Department of Agriculture

を通しての陸域および水域生態系の把握と管理，長期に渡る生態学的モニタリングとその公表・教育活動 を 目 的 と し て，１９９３年 に Hubbard Brook Research Foundation（HBRF）が 非 営 利 団 体 と し て設立された（Fig．
４）。その予算規模は，２０００年末の収支で約＄５６５，０００に及んでいる。

Fig．
２．Location of Hubbard Brook Experimental Forest

Fig．
３．The brochure of the Hubbard Brook Ecosystemstudy

Hubbard brook experimental forest（戸田）79の研究会でもデータの長期性を生かした，“A longterm record of ice cover for Mirror Lake - continuation of the trend ” や “ The long - term temporal
trends and spatial pattern in the concentration andspeciation of aluminum in drainage waters”な ど，
また長期データの集積があるので可能な，“Potential tools for monitoring environmental stress in forests : detection of stress in trees using physiologicalchanges as indicators,”“Good and bad years of forest growth”や“Elevated nitrogen inputs to theNortheastern U. S. : impacts on air, terrestrial andaquatic resources”などが発表された。
学術論文ばかりでなく，１９７０～１
９９０年のデータを
元 に，一 般 向 け の 冊 子「Acid Rain Revisited」が２００１年に発行（前述の HBRF により）され，大気浄化活動の改訂を提案している（Fig．
５）。今回の研究会でも，“A retrospective analysis of the responseof soil and stream chemistry at the HBEF to atmospheric emission controls from the １
９７０ to １９９０，
Amendments of the clean air act”が 報 告 さ れ た。
Fig．
４．Annual report of Hubbard Brook Research
Foundation of２０００３．主な研究とその成果
２０
０
１年の HBEF 研究会では，２日間に渡って開こ れ は，Boston Globe や New York Times と い ったマスメディアにも大きく取り上げられ，社会的な関心とともに高い評価を受けている。
ま た，HBEF で は Sandbox experiment（砂 箱 実験）も長期に渡って実施されている。砂箱実験と催され，８つの Session（Aquatic Ecosystems, Forest Ecology, Terrestrial Ecosystems, Nitrogen Processes, Sandbox, Birds, Bugs and Genes など）を通して４５の多彩な発表がなされた。これらの HBEFのフィールドサイエンス・センターとしての特徴を一口に言えば，長期生態モニタリングの継続である。
森林生態系における降水（大気降下物）と渓流流
出水の観測 に よ る 物 質 収 支 の モ ニ タ リ ン グ は，
HBEF で も 最 も 長 期 間 に 渡 り 調 査 研 究 さ れ て いる。HBEF は中心を流れる Hubbard Brook とその２０以上ある支流から形成されており，支流のうち９つの森林小流域に水量を測るためのゲージが設けられている（Fig．
２）。また，２４箇所で降水量（降雪量を含む）を測定しており，これらの渓流水や降水に溶存する化学物質（無機元素や溶存有機物）が分析されている。１９５０年代から続く膨大なデータを使用
して，今日まで１，
５
０
０編余の科学・学術論文を発表している。このような長期に渡るデータ集積は世界でもまれであり，貴重な科学の遺産といえる。今回

Fig．
５．Cover of Hubbard Brook Research Foundation's
science link report, “Acid Rain Revisited”

フィールドサイエンス

80

１号

は，森林生態系を一定の体積の砂と基質（有機物やば，Haibara and Aiba，１９９０）。HBEF や 大 谷 山 に鉱物）を入れて，様々な樹種を植栽して再現した野おける長期モニタリングによる多くの成果は，環境外における実験である。この方法は，複雑な自然状や森林生態系の変化に関する研究とはすぐに結論が態の生態系における収支の観測だけでは研究困難

得られるものばかりでなく，短期間データからの推な，窒素固定量や一次鉱物の風化量などを実験的に論には大きなあやまりを生じることがあり，地道な求めるために用いられている。最近の HBEF の砂観測を続けるこのと大切さを物語っている（Likens

箱実験では，植栽樹種の違いによる養分動態だけでand Borman，１
９９５）。このような，地道な長期モニなく，伐採・植栽後の養分の移入や蓄積速度についタリングは，観測現場のスタッフ（研究者・技術て考察が深められている。今回の研究会では，“Ni-者）の努力に負うところが大きいことはいうまでもtrogen cycling in a Red Pine stand - final analysis

なく，資金面・スタッフにおける多くの協力と理解

form a１５-year sandbox study”や“Differential ef-

を受けて初めて可能となる。

fects of five forest tree species on early successional

謝

soil development : evidence from the Hubard Brook
Sandbox Experiment”などが発表された。

辞

HBEF における年次研究会への参加は，筆者がさらに HBEF では，北米で最も長期間の質の高

New Hampshire 州立大学に文部省在外研究員としい鳥類動態の記録が続けられている。この研究でて行く機会が得られたことで実現した。在外研究

は，森林管理や地球環境と新熱帯地域（neotropi-

中，東京農工大学農学部の生原喜久雄教授はじめ森cal）からの渡り鳥の生息数との関係などについて

林環境学講座の皆様，New Hampshire 州立大学の多くの知見が見出されている。最近の知見では，

McDowell 教授および Aitkenhead 博士には，大変ジャマイカで越冬する black-throated blue warbler

お世話になりました。ここに記して御礼申し上げま（Dendroica caerulescens）は，エ ル・ニ ー ニ ョ の 年す。

には激減し，ラ・ニーニャの年には増加しているこ

引用文献とが明らかにされている。このような地球規模での環境変化による鳥類動態の変化を予測することは，

Borman, F. H. and Likens, G. E.（１９７９）Pattern of

例えば地球温暖化などが生態系全体に及ぼす影響をProcesses in a Forested Ecosystem . ２
５３ pp ,

考えるうえでの貴重なデータとなる。今回の研究会

New York Spring-Verlag, New York.

では，“A landscape approach to the causes and con-

Haibara, K. and Aiba, Y.（１９９０）Effects of tending

sequences of spatial variation in abundance forest

practices on nutrient dynamics in a young

birds”や“Food as a determinant of reproductive

stand of sugi（Cryptomeria japonica）and hinoki

success in the Black-throated Blue Warbler”な ど（ Chamaecyparis obtusa ）. Forest Ecology andの発表があった。

Management, ３
０：２３３―２４６．
４．おわりにLikens, G. E. and Borman, F. H.（１９９５）Biogeochemistry of a Forested Ecosystem,２nd edition.１
５９

東 京 農 工 大 学 大 谷 山 演 習 林（現 フ ィ ー ル ド・pp, New York Spring-Verlag, New York.〔Lik-

ミュージアム大谷山）においても，１９７９年より隣接

ens, G. E. and Borman, F. H.（１９９７）森 林 生 態する２箇所の森林小流域に量水堰を設け，HBEF

系の生物地球化学（及川武久監訳・伊藤昭彦

同様の長期モニタリングを続け，現在まで２
２年間訳）．１７６pp，シュプリンガー・フェアラーク

データを集積し，数多くの成果を上げている（例え東京，東京．〕

81

投

稿

規

程

「フィー ル ド サ イ エ ン ス」（英 文 名：Journal of（３） 原稿が受理されたのち，原稿が入力されたフロッピーディスク（DOS/V １．
４４MB）にテキストあるいは書式付きテキスト）を提出

Field Science）は，東京農工大学農学部附属広域都する。

市圏フィールドサイエンス教育研究センターの研究

７．その他

報告誌で年１回以上発行される。

（１） 別刷希望者は実費負担とする。

本誌には，広くフィールドサイエンスに関する研究成果などを掲載する。
１．目的
フィールドサイエンスに関する研究成果を公表し，その発展に寄与する。
２．投稿者
東京農工大学に所属する者およびフィールドサ
イエンスに関心をもつ者

執

筆

要

領

１．原著論文（１） 和文原稿
１）和文表題
２）著者名
３）英文表題
４）著者名のローマ字書きフルネーム

３．報文の種類と内容

５）ランニングタイトル（和文）（１） 原著論文：独創的な研究で，価値ある結論

６）英文要旨・キーワードおよび和文要旨・あるいは実験・調査結果を含むもので未発表のものに限る。

キーワード７）本文（はじめに，試料と方法，結果，考察）（２） 研究資料：測定・観察記録，既成の知見の

８）引用文献確認など研究上報告する価値のあるもので未（２） 英文原稿発表のものに限る。
（３） 総説・解説：フィールドサイエンスに関す

１）英文表題
２）著者名のローマ字書きフルネーム

るレビュー，実験・調査方法に関する解説な

３）和文表題

ど。

４）著者名

４．報文の原稿

５）ランニングタイトル（英文）（１） 原稿は，和文または英文とする。

６）和文要旨・キーワードおよび英文要旨・（２） 原稿は，別に定める執筆要領に従って作成
し，刷り上がり２０ページ以内とする。
５．投稿手続き
原稿は正副各１部を次の様式による原稿送り状を添えて，編集委員長に提出する。

キーワード７）本文（Introduction, Materials and Methods,
Results,Discussion）
８）引用文献（３） 原稿の表紙（第１枚目）には，上記１）～（１） 著書名５）を記載し，脚注として著者の所属（学科（２） 表題名等）を和文および英文で記載する。

（３） 原稿枚数（表紙，本文，要旨，図，表および写真のそれぞれの枚数）

２．用語等（１） 和文原稿は，A ４判用紙（縦）を用い横書（４） 報文の種類

きとし，ワードプロセッサーにより１０００字（４０（５） 別刷り希望部数

字，２５行）に印字する。

６．原稿の受理・採否（１） 原著論文の審査は編集委員会で委嘱した学
内および学外の審査員各１名以上が行い，論文等の採否は，審査結果に基づいて編集委員会が行う。
（２） 研究資料および総 説・解 説 の 原 稿 の 審 査
は，審査員１名以上で行う。

（２） 英 文 原 稿 お よ び 英 文 要 旨 は，A ４判 用 紙（縦）に ワ ー ド プ ロ セ ッ サ ー１行 約６０字 詰
め，２５行で印字する。
（３） 動物・植物等の和名，外来語および原語によらない場合の外国の地名・人名はカタカナとする。学名はイタリックとする。
（４） 用語は，原則として文部省編「学術用語集」

82に使われているものを用いる。

は，Table１．のようにする。

（５） 量記号は，イタリックのローマ字もしくは本文中で表番号を示すときも同様とする。

ギリシャ文字のアルファベットの１字，また３）表の挿入箇所は，原稿の該当位置の右欄外

はこれに添字を付けたものを用いる。
（６） 単位は国際単位系（S １）を用いることが望ましい。
３．要旨・キーワード（１） 和文要旨は約５００字以内に，英文要旨は約３００語以内にまとめる。なお，和文原稿の英文
要旨は約６００語以内にまとめる。
（２） キーワードは日本語および英語でそれぞれに表番号を朱書きして指定する。
６．研究資料および総説・解説
原著論文の執筆要領に必ずしも準じなくても良い。
７．引用文献（１） 引用文献は著者名のアルファベット順に記載し，本文の該当箇所に（著者名，年号）または著者名（年号）のように明示する。

５個以内とし，和文および英文要旨の後に書（２） 雑誌の場合は，著者名（年）表題．雑誌名，

く。なお，英文の１つのキーワードは３単語

巻または号（通巻ページでないものは巻号）：以内とする。

最初のページ－最後のページとする。

（３） 要旨は和文，英文ともそれぞれ別紙に記載する。

（３） 単行本の場合は，著者名（発行年）書名．
ページ，発行所，所在地とする。

４．本文（１） 和文，英文ともに本文の見出しはポイント

引用文献の書き方（例）

システムによる記号を用い，大見出し，中見

文献は本文中に引用されたものすべてを記載す

出し，小見出しをそれぞれ１．
，１．
１，１．
１．
１と

る。雑誌名は原則として，省略しないで表記する。

する。さらに細分を要する場合は（a），（b），（a） 雑誌論文……，を用いる。

田中阿歌麿・星野隆一（１９３３）択捉島湖沼踏査概５．図・表
和文原著論文の場合，図・表の題名・注等は英文とする。
（１） 図（写真は図として取り扱う）
１）図の題名および注はその順序に図の下に書く。
２）図は白紙に鮮明に書く。また，図のサイズは印刷される大きさの約２倍に描く。
３）図は１枚ごとに別紙とし，図番号の表示
は，Fig．
１．
のようにする。
本文中で図番号を示すときも同様とする。
４）写真は鮮明なものを用いる。題名および注はその順序に写真の下に記載する。
５）図の挿入箇所は，原稿の該当位置の右欄外に図番号を朱書きして指定する。
（２） 表
１）表の題名は表の上に，注は表の下にそれぞれ記載する。
２）表は１枚ごとに別紙とし，表番号の表示

況及其の湖沼形態，水の理化学的所見．陸水学雑誌，３：１―１９．
Birge, E. A. and Juday, C.（１９３４）Particulate anddissolved organic matter in inland lakes. Ecological Monograph，４：４４０―４７４．
（b） 単行本の全部
吉村信吉（１９３７）：湖沼学．
２６
６pp，三省堂，東京．
Ruttner, G. E.（１９５７）Fundamentals of Limnology（Translated by Frey, D. G. and Fry, F. E.
J.）３
８０pp, Toronto University Press, Toronto.
（C） 単行本の章または分冊
小林繁男（１９９３）熱帯林土壌のせき悪化．熱帯林
土壌，真下育久編，３８５pp，勝美堂，東京：２８
０―３３３．
Syrett , P . J . （１９６２） Nitrogen Assimilation . In
Physiology and Biochemistry of Algae, Lewin,
R . A . （ ed . ）, ６７０ pp , Academic Press , New
York：１７１―１８８．

フィールドサイエンス編集委員会
編集委員長

小倉

編集委員

土器屋由紀子
岸
洋一
鈴木
馨
島田
順
板橋 久雄
坂上 寛一
国見 裕久
久保 隆文
吉川 正人
林谷 秀樹
石井 泰博

FS センター教授
FS センター教授
FS センター助教授
FS センター助教授
FS センター教授
生物生産学科教授
応用生物科学科教授
環境資源科学科教授
地域生態システム学科助手
獣医学科助教授
硬蛋白質利用研究施設助教授事

本橋

FS センター事務長

務

局

英文校閲者

紀雄

一恭

CRIPE, R. A.

東京農工大学農学部 FS センター長，教授

Spacegate, Tsukuba, Ibaraki, Japan

Editorial Committee of Journal of Field Science
Editor-in-Chief
Norio OGURA

Director of Field Science Center , Professor of Tokyo University of Agriculture andTechnology

Editorial Board
Yukiko DOKIYA
Yoichi KISHI
Kaoru SUZUKI
Jun SHIMADA
Hisao ITABASHI
Kan-ichi SAKAGAMI
Yasuhisa KUNIMI
Takafumi KUBO
Masato YOSHIKAWA
Hideki HAYASHIDANI
Yasuhiro ISHII

Professor of Field Science Center
Professor of Field Science Center
Associate Professor of Field Science Center
Associate Professor of Field Science Center
Professor of Field Science Center
Professor of Dep. of Biological Production
Professor of Dep. of Applied Biological Science
Professor of Dep. of Environmental and Natural Resources Science
Assistant Professor of Dep. of Ecoregion Science
Associate Professor of Dep. of Veterinary Medicine
Associate Professor of Scleroprotein and Leather Research InstituteManagement OfficeKazuyasu MOTOHASHI

Chief of Field Science Center Office

English Referee
CRIPE, R. A.

Spacegate, Tsukuba, Ibaraki, Japan

平成１
４年３月１
０日 印刷
平成１
４年３月２
５日 発行

発 行 所

東京農工大学農学部附属 FS センター
１
８
３―８
５
０
９ 府中市幸町３―５―８

印 刷 所

電

算

印

刷

株

式

３
９
０―０
８
２
１ 松本市筑摩１―１
１―３
０

０
４
２―３
６
７―５
７
９
９

会

社
０
２
６
３―２
５―４
３
２
９

ISSN 1347-3948

Journal of Field Science
No.1

March, 2002

Forward
New publication - Journal of Field Science./ Ogura, N.
Invited review
１ Acid rain and field science（１）Scientific perspective on wet deposition./ H.Hara
Articles１
５ Critical loads of hazardous trace elements in soil-water system./
Paces,T., Corcimaru, S., Emmanuel, S., Erel, Y., Novak, M., Plyusnin, A., Veron, A. and Wickham, S.
２
３ Basic physical properties and shielding effectiveness of paper- and aluminum-blended particleboard
against electromagnetic wave./ Hayashi, K., Inoue, H., Ohmi, M., Fukuda, K. and Tominaga, H.
３
１ Demographic genetics of Siebold’s beech（Fagus crenata）populations on the Tanzawa Mountains, Kanagawa, central Honshu, Japan.Ⅰ. Genetic substructuring among plots and size classes./
Takenaka, K., Kitamura, K., Furubayashi, K. and Kawano, S.
Research materials
５
５ Chemical species in aerosol at the summit of Mt. Fuji during July５―１２,１
９９９./
Murakami, K., Yonekura, H., Yoshikawa, T., Dokiya, Y., Hayashi, K., Sawa, Y., Igarashi, Y.
and Tsutsumi, Y.
６
３ Acetylation and liquefaction of Miscanthus sinensis./ Fukuda, K., Kondo, K., Ohmi, M. and Tominaga, H.
６
７ Tree observed in University Forests of TUAT in１９９０and in２
００１./ Kuwabara, S.
Introduction
７
７ Introduction of Hubbard Brook Experimental Forest, New Hampshire, USA./ Toda, H.

FIELD SCIENCE CENTER, TOKYO UNIVERSITY OF
AGRICULTURE AND TECHNOLOGY
Fuchu, Tokyo 183-8509, Japan