第４章

排出放射性炭素の蓄積評価に関する調査研究

Carbon Transfer and Accumulation in Forests, Wetlands and Farmlands
永井 勝, 鈴木 静男, 新井 竜司, 小松原 修, 坂田 洋, 多胡 靖宏, 久松 俊一
環境影響研究部

Masaru NAGAI, Shizuo SUZUKI, Ryuji ARAI, Osamu KOMATSUBARA,
Hiroshi SAKATA, Yasuhiro TAKO, Shun’ichi HISAMATSU
Department of Radioecology
Abstract
The operation of the spent nuclear fuel reprocessing plant in Rokkasho, Japan, is accompanied by thedischarge of a small amount of 14C mainly in the form of 14CO2, which is transferred into terrestrial
ecosystems and accumulated in them. In order to predict the fate of 14C discharged from the reprocessing
plant, it is necessary to develop a transfer and accumulation model of carbon in terrestrial ecosystems,including the processes of photosynthetic fixation of carbon and the decomposition of organic matter in soil.
Various ecosystems, such as forests, wetlands, paddy fields, farmlands and pastures are found around thereprocessing plant. In FY 2012, we investigated: 1) the net primary productivity (NPP) in forests and tree
plantations, 2) the gross primary productivities (GPPs) of carrot using the Closed Plant Experiment Facility,and 3) the decomposition rates of organic matter in soils by field and room experiments.
We selected the following as target forests and plantations in the study: a forest co-dominated bybeech (Fagus crenata) and hiba (Thujopsis dolabrata) trees, a deciduous broad-leaved forest dominated byoak (Quercus crispula) trees, and two tree plantations of 20-y-old and 66-y-old Japanese cedar (Cryptomeriajaponica) trees. The NPPs at the target fields were obtained as the sum of growth rate of the ground partbiomass from 2010 to 2012, annual fine litter fall rate in 2012, and fine root growth rate in 2012. Although
the obtained results were in the range reported in the literature, the estimation errors were large in the forests,and further study was required for getting precise results.
The GPPs of carrot were measured at three growth stages of the plants by pot cultivation experiments
using soil from actual farmland. The air and soil temperatures, soil moisture, and light intensity werecontrolled to simulate conditions of the actual farmland. Both maximum GPPs and the initial slopes forphotosynthesis capability of carrot decreased with the increasing number of days after sowing.
To investigate the decomposition rate of soil organic matter in forests, wetlands, paddy fields,farmlands and pastures, mixtures of 13C-labelled plant powder and soil of each study field were packed into
glass-fiber filter bags, and buried in each study field in FY 2011. Concentrations of 13C in the bags weremeasured several times during the period to ~200 d after burying. The decomposition rates of soil organic
matter were calculated using the measurement results; however, the obtained values were generally higher
than those in the literature. Since coarsely cut plant matter was generally used in the previous studies, which
differed from the present buried plant shape, this may be one of the reasons for the higher values of thepresent study.
To obtain temperature dependency of the decomposition rate of organic matter in soil, soil samples- 33 -

from forests, wetlands, paddy fields, farmlands and pastures were incubated in the laboratory at different
temperatures (10, 20, and 30°C), and respired CO2 amounts from the soil samples were measured to obtain
the decomposition rates. The organic carbon decomposition was approximated by an exponential decayfunction with a constant term representing the hardly decomposed fraction. The rate constant of the decayfunction was fitted to the Arrehenius equation to obtain the rate constant at any temperature around theexamined temperatures.

1. 目的

2.2 土壌有機物分解試験
14

大型再処理施設から排出される炭素-14（ C）に土壌に供給された植物の分解速度、土壌有機物各ついて、施設周辺地域で代表的な森林、牧草地、水分画の残留性を評価するため、13C で標識した植物

田、畑地及び湿地の 5 つの土地形態ごとに、植物体体（ヨシの葉と稈、スギ葉、ブナ葉、ダイコン葉、や土壌への蓄積・放出を推定するモデルを整備し、ニンジン葉、チモシーの根と稈、及びイネの根と稈）

大型再処理施設稼動に伴う中長期の影響評価（環境をそれぞれの対象土壌と混合し、ガラス繊維濾紙にへの蓄積等）に資することを目的とする。平成 24

充填して、野外試験地に平成 23 年度に埋設した。そ

年度は、（1）植物-土壌試験系における炭素固定量調

れぞれの調査地において、1 回当たり 3 本のガラス査（2）土壌有機物分解試験（3）土壌の有機物分解繊維濾紙を経時的に回収し、内容物を粉砕後、試料に関する温度パラメータ取得試験を行った。

中の全炭素濃度及び 13C 同位体比を分析し、内容物の分解速度定数を算出した。

2. 方法

2.3 土壌の有機物分解に関する温度パラメータ取得

2.1 植物-土壌試験系における炭素固定量調査

試験

スギ林（林齢 66 年と 20 年）、ブナ‐ヒバ混交林

土壌有機物分解速度に与える温度の影響を明ら

及びミズナラ優占林における、樹木個体の胸高直径かにするため、野外の湿地、森林、牧草地、畑地、実測値と文献から得たアロメトリー式を用いて樹木水田より採取した土壌を、2 mm メッシュの篩で選各部位の乾燥重量を推定し、樹木個体の地上部現存別後、土壌水分量を最大容水量の 60%として、10ºC、量を算出した。そして、平成 24 年度の地上部現存量20ºC 及び 30ºC の恒温培養実験を 90 日間行った。と平成 22 年度の差から、樹木個体の地上部年間成長定期的に培養瓶内部の気体を採取し、測定した CO2量を得た。また、リタートラップ法により、落葉や放出量より残存土壌中炭素量を算出した。各温度で落枝などの 1 年間のリターフォール量を推定し、地得られた数値をもとに、易分解性有機物の分解速度

上部年間成長量とリターフォール量の総和から地上定数と温度に関するパラメータである活性化エネル

部純一次生産速度を求めた。さらに、地上部と同様ギーを求めた。に胸高直径の実測値から根（直径 5 mm 以上）の現存量の増加分を求め、イングロースコア法によって3. 成果の概要

求めた細根成長量との和から地下部純一次生産量を3.1 植物-土壌試験系における炭素固定量調査
スギ林（林齢 66 年と 20 年）、ブナ‐ヒバ混交林得た。
ニンジンの炭素固定量を評価するために、閉鎖系及びミズナラ優占林において、単位地上面積当りの植物実験施設においてニンジンをポット土耕法によ樹木個体の地上部及び地下部純一次生産量を求め、って栽培し、総一次生産速度への光と温度の影響を年間純一次生産量を算出した（Table 1）。これらの値検討する短期の実験を成長段階別に 3 度行った。総はこれまでにスギ林及び落葉広葉樹林で報告されて一次生産速度は、栽培施設内 CO2 の収支から求めた。

いる数値の範囲内であった。

- 34 -

閉鎖系植物実験施設で栽培したニンジンは、野外は難分解土壌有機物炭素量 (mg-C mg-1-dry soil)、Rと類似した成長量を示した。大気から畑地への炭素は気体定数であり、(1)式に合うように各温度におけの移行過程である総一次生産速度を単位葉乾重当たる k を求めた。さらに、k の温度依存性を Arrhenius

りと単位葉面積当たりで評価したところ、ニンジンの活性化エネルギー E (J mol-1)と土壌温度（K）を用の総一次生産速度に関連したパラメータ（光‐光合いて(2)式のように表し、全ての温度において、各温成曲線の初期勾配と最大光合成速度）は、成長段階度(T)で得られた k を同時に満たすパラメータ（k0）で変化することが明らかになった。と活性化エネルギー（E）を決定した。
得られたパラメータを用いて、易分解性有機物の3.2 土壌有機物分解試験
13

ガラス繊維濾紙内容物の C 残留量の測定から、分解速度定数を温度の関数として表すことが出来た

各土壌における植物体中の易分解性有機物分解速度（Fig. 1）。30℃での分解速度定数はスギ優占林と湿定数を求めた。推定された易分解性有機物分解速度

地が高く、これらの土壌を用いた実験では二酸化炭-2-1-3-1

定数は 1.6×10 d (チモシー)、1.2×10 d (イネ)、-3-1-3-1

5.4×10 d (ダイコン)、5.9×10 d (ニンジン)、3.7-3-1-3-1-4-1×10 d (ヨシ)、2.0×10 d (ブナ)、2.0×10 d (ミ-4素放出量が多かった。今後、長期的に実験を続けることで、難分解土壌有機物の分解速度の温度依存性を明らかにする。

-1ズナラ)、4.0×10 d (スギ)であった。これらの数値は植物遺体の分解速度定数として報告されている値と近いものであったが、本研究では植物体を粉末化しているため、全体的に高い数値を示した。今後、非粉末の植物体の分解速度定数をリターバッグ法などで調査する必要がある。
3.3 土壌の有機物分解に関する温度パラメータ取得
試験
実験結果を基に、有機物分解を以下の式で表した。
C = C1,0 exp(-k t)+C2・・・(1)k = k0 exp(E (T-T0) / (R T0 T))・・・(2)
ここで、C は全炭素量(mg-C mg-1-dry soil)、C1,0 は易分解土壌有機物炭素量の初期値(mg-C mg-1-drysoil)、k は易分解土壌有機物の分解速度定数(d-1)、C2
Table 1NPPs of tree plantations and forests fromfield observations

Vegetation typeC. japonica tree plantations
20-y-old tree plantation
66-y-old tree plantation
F. crenata- T. dolabrataco-dominated forest
Q. crispula-dominated forest

NPP(kg-dry m-2 y-1)
1.6 ± 0.6
1.4 ± 0.2

Incubation time (d)Fig. 1Decrease in soil organic carbon incubated in oak (Q.
crispula) tree-dominated forest soil at 10ºC (〇), 20ºC(△), and 30ºC (□).

1.3 ± 2.2

Lines show estimated amounts of soil organic carbon by

0.8 ± 1.0

the model equation obtained in this study.

NPP: net primary productivity- 35 -