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1F-1101 気候変動対策と生物多様性保全の連携を目指した生態系サービス評価手法の開発

（１）生態系機能を定量化するためのデータ解析とモデル開発に関する研究

（独）国立環境研究所

地球環境研究センター 物質循環モデルング・解析研究室 伊藤 昭彦

くその他の研究協力者>

（独）国立環境研究所

地球環境研究センター 主席研究員室 安立 美奈子

平成23(開始年度)～25年度累計予算額：43,585千円

（うち、平成25年度予算額：12,940千円）

予算額は、間接経費を含む。

## [要旨]

気候変動対策と生物多様性保全は、いずれも国際的な枠組み（気候変動枠組み条約および生物多様性条約）の下で進められている喫緊の課題であるが、生態系機能を活用した対策を検討する際のトレードオフ解消が問題となっている。従来のデフォルト値に基づく生態系サービス評価では、地域スケールで一様な結果となり現場の状況を詳細に踏まえた対策や管理を講じることが難しかった。そこで本課題では、気候変動対策と生物多様性保全を連携させてwin-winの関係に導くための意志決定を支援する、生態系サービス評価手法を開発するための研究を実施した。本サブテーマの役割と目的は、課題全体の総括、および生態系モデルを用いた空間詳細な生態系機能マッピングの実施である。独自の陸域生態系モデルを開発・高度化し、それをテストサイトである釧路川流域圏、横浜市緑地、ランビルサイトに適用して、高分解能メッシュで生産力や炭素ストックなど生態系機能の空間分布の把握を行った。特徴として、1 kmメッシュという同種の試みの中でも非常に高い空間分解能を持つこと、地元住民が生態系サービスを受けていると考えられる十分に広い範囲をカバーできること、複数の生態系機能を同時にシミュレート可能なこと、過去の解析や将来シナリオ実験における数十年間の長期計算が可能なこと、地方や発展途上国への適用を想定して可能な限り少数の入力データで実行可能なことが挙げられる。生態系モデルの推定結果は、各テストサイトにおいて他サブテーマによる観測情報と比較することで精度検証が実施され、人為的な攪乱影響の導入などにおいて高度化が図られており、サブテーマ4および5において生態系サービス評価をTier3のレベルで実施するため基礎情報を与えるモデルを確立することができた。

## [キーワード]

一次生産力、生態系機能、物質循環、プロセスモデル、空間マッピング

### 1. はじめに

気候変動と生物多様性の喪失は急速に進んでおり、Rockströmらによる検討 $ ^{1)} $ によれば、すでに地球の持続可能性を維持できる範囲を超えた人為的影響が及びつつあることが指摘されている。
1992年にリオデジャネイロで開催された地球サミットを受けて、気候変動枠組条約と生物多様性条約が作成されており、これらの課題への国際的な取り組みは進められつつある。一方で、新たな課題として浮上してきたのが、異なる環境問題に対する対策間のトレードオフであり、その典型的な例として、気候変動対策としての炭素吸収を目的とした大規模植林と、原生林の生物多様性の保全との間のトレードオフを挙げることができる（図(1)-1参照）。このような拮抗関係だけでなく、地元の生活環境や産業との関係も加味すると非常に複雑な要因を考慮した意志決定が必要とされる。ここで、本課題では生態系が人間社会にもたらす公益的機能（生態系サービス）を扱うことで、上記のようなトレードオフ関係を含む意志決定を支援できる可能性に着目した。つまり、生態系がもたらす調整サービス（気候変動対策）と基盤・文化サービス（生物多様性保全）を総合的に評価する手法を提供することで、最適な生態系管理の意志決定を支援することを目指した。

図(1)-1 （上図）本課題で設定された取り組みと目的の説明。（下図）気候変動対策と生物多様性保全のトレードオフ関係に関する概念の説明。
## 2 ．研究開発目的

生態系サービス評価の試みが広く認知されるようになったのは、Costanzaらによるグローバルスケールの研究 $ ^{2} $ 以降と考えられ、各種の個別の評価手法が提案・試用されている段階にあり、標準化された手法や手続きが確立されているわけではない。また、環境経済学的視点から行われている研究と、生態学をはじめとする自然科学的視点から行われている研究では、力点の置き方だけで無く目的とするアウトプットにも違いがある。特に、自然科学的研究では、生態系の構造や機能は詳細にデータ取得するものの、対象となる生態系の管理者やサービスの受益者（ステークホルダー）にとって高い利便性を持つ情報へと翻訳できていなかった。

本課題では、生態系サービス評価を行うにあたって、自然科学的視点の研究者と社会経済学的視点の研究者が共同研究を行うことが大きな特色である。そうすることで、必ずしも知見と目的の共有が十分で無かった異分野の研究者による学際的な取り組みが可能となった。それは、従来の生態系サービスで問題となっていた別の課題の解決も目的としていた。前出のCostanzaによる研究に代表されるように、従来の生態系サービス評価では、代表的な地点・地域で行われた生態系サービス評価結果を代表値（デフォルト値）として扱い、実際の生態系に見られる構造の複雑性や不均質性を考慮できていなかった。それは、生態系サービスの供給源と受益者との空間的な関係が無視されることを意味しており、効果的な生態系管理を行う上での障壁となると考えられた。一方で、生態系の空間的把握は自然科学分野の研究者の得意とするところであり、その先端的手法で得られたデータを環境経済学的な評価手法と組み合わせることで、従来に無い高精度での生態系サービス評価が可能になると期待される（図（1）-2およびポンチ絵参照）。

図(1)-2 推進費1F-1101課題の全体構造の説明。自然科学的手法（サブテーマ1、2、3）と社会経済学的手法（サブテーマ4、5）の連携スキーム。

本サブテーマの研究開発目的は、生態系の各種プロセスをシミュレートするモデルを開発し、高い空間分解能で生態系機能のマッピングを実施することである。生態系のモデルは、観測（サ
ブテーマ2および3）することが困難な生態系内部の動態を推定できるだけで無く、生態系サービス評価に必要とされる推定項目間の整合性や時間的な連続性を保証する上でも有用である。また、社会経済学的手法（サブテーマ4および5）で行われるシナリオ研究で必要な、数十年単位の生態系変動を推定する唯一の手法として必要である。

## 3 ．研究開発方法

## （１）生態系サービス評価のための課題設計

気候変動対策と生物多様性保全のトレードオフに焦点を絞ってもなお、生態系と人間社会の関係性のあり方は多様であり、いくつかの典型的な状況について研究を進めることが有効かつ必要と考えられた。本課題では以下3地点をテストサイトに設定して研究を進めた（図(1)-3）。

①釧路川流域圏（北海道鶴居村）：釧路湿原（国立公園・ラムサール条約登録地）およびエゾマツ・トドマツを中心とする人工林、落葉広葉樹などで構成される二次林、牧草地、耕作地を含む。周囲の生態系は自然度が高いが人口密度は低い。

②横浜市緑地（神奈川県横浜市）：日本有数の都市域である横浜市に散在する緑地。残存する雑木林と植樹林を含む。人口密度は高く（約8460人/km²）、ヒートアイランドなど都市域特有の環境問題が生じている。

③ランビル（マレーシア・サラワク州）：ボルネオ島東部の熱帯多雨林に設定されたランビルヒル国立公園およびその周囲。国立公園内は保護された生物多様性の高い原生林であるが、周囲ではアブラヤシなど商業作物のプランテーション転換が大規模に進んでいる。

■ 釧路湿原など豊かな自然生態系に囲まれる

■ 過疎や産業(観光・酪農・林業など)の衰退に悩む

☐ バイオマス調査、生態系機能・土地被覆マップ化

☐ コンジョイント分析

☐ 地域住民との対話、シナリオ分析

■ 都市域に残された緑地

■ 都市化に伴う緑地の減少と保全が課題

☐ 緑地のバイオマス調査

☐ ヘドニックアプローチ

ロシナリオ分析

■ 熱帯林からプランテーションへの転換

■ 森林破壊に伴う生物多様性・生態系サービス低下

☐ バイオマス調査、生態系機能・土地被覆マップ化

図(1)-3 本課題の対象とした3テストサイトの説明と比較。

これらテストサイトは環境条件が異なるだけで無く、生態系サービスの主たる受益者である地元住民の意識や価値観にも相応の差があると考えられるため、評価手法の一般性を確認することを想定して決定された。
各テストサイトにおいて図(1)-2に示されたサブテーマ単位で研究が実施された。サブテーマ間の連携を促進するため、各サブテーマが扱う生態系サービスを表(1)-1および表(1)-2のように整理を行った。

表(1)-1 本課題の各サブテーマが対象とする生態系サービスのまとめ。右矢印（→）は他サブテーマへのデータ提供、左矢印（←）は他サブテーマからのデータ受け取りを示す。

基盤サービス	供給サービス	調整サービス	文化サービス	その他(保全など)
サブテーマ
①	一次生産←②
③、→④
土壤形成←②
栄養塩の循環
←②	木材→④
淡水→④
(食糧と燃料は
今後の課題)	気候調整←②
③、→④
(水質について
今後の課題)	植生炭素貯留←②
③
サブテーマ
②	一次生産→①
土壤形成→①
栄養塩の循環
→①	木材→③④	気候調整→①
(水質について
は今後の課題)
洪水制御に係わ
る基礎データ→
③	審美に係わる基
礎データ(樹高
等)→④	植生炭素貯留→①
③
サブテーマ
③	一次生産→①
炭素隔離→①④	木材および繊維
→④,←②
パームオイル→
④	洪水制御→④,
←②	審美的→⑤
レクリエーション
→⑤	植生炭素貯留→①
④,←②
サブテーマ
④	一次生産→①③
→⑤
炭素隔離→③
→⑤
生物多様性維
持?	木材および繊維
←③、→⑤
パームオイル←
③、→⑤	気候調整←
①、→⑤
洪水制御←③、
→⑤	レクリエーション
(観光)→⑤	植生炭素貯留←①
③、→⑤
生物多様性維持?
サブテーマ
⑤	栄養塩の循環←
①②	バイオマス燃料
←②③→④
木材及び繊維←
④
パームオイル←
④	気候調節←①②
③→④
水質浄化←①
洪水制御←④	レクリエーション
(観光)←⑤
(審美的価値は
今後の課題)	生息域提供←①②③
(植生炭素貯留は気
候調節に含まれると
想定)

表(1)-2 本課題で扱う生態系サービスをサブテーマ間のデータ提供-受領の視点でまとめた表。ここでは課題外部とのデータ交換も項目に含まれる点に注意。

各サブが提供するデータ(→)
サブ①へ	サブ②へ	サブ③へ	サブ④へ	サブ⑤へ	外部へ
各サブが使用するデータ(←)	サブ①から	-	-	-	基盤:一次生産調整:気候調整供給:木材・淡水	基盤:栄養塩循環調整:気候調整、水質浄化その他:生息域	機能マップ施策感度実験
サブ②から	基盤:一次生産、土壤形成、栄養塩循環その他:植生炭素貯留	-	その他:植生炭素貯留	供給:木材文化:審美に関する基礎データ	供給:バイオマス燃料その他:生息域	データベース
サブ③から	基盤:一次生産、炭素隔離調整:気候調整その他:植生炭素貯留	-	-	基盤:炭素隔離供給:木材・パームオイル調整:洪水制御	供給:バイオマス燃料文化:審美的、レクリエーションその他:生息域その他:植生炭素貯留	植生マップ
サブ④から	-	-	-	-	基盤:一次生産、炭素隔離供給:木材・繊維、パームオイル調整:気候調整、洪水制御その他:植生炭素貯留	InVEST出力
サブ⑤から	-	-	-	供給:バイオマス燃料調整:気候調節	-	InVEST出力
外部から	モデルデータ:土壤マップ、気象マップ	-	-	地価アンケート結果	-	-

## （２）生態系機能をシミュレートするモデル

本サブテーマでは、森林・草地・耕作地を含む陸域生態系の機能的プロセスを高精度でシミュレートするモデルの開発を行った。このような生態系モデルは、気候変動および土地利用変化が生態系に与える影響 $ ^{3)} $ を推定するために用いられてきており、現地観測データを用いた検証を経て高度化が継続されている。ここで採用した生態系モデルVISIT（Vegetation Integrative Simulator for Trace gases）の概要を図(1)-4に示した。

当課題で使用する生態系モデルの要件として、①可能な限り多くの生態系サービスに関与する機能パラメータを扱えること、②気候変動や生物多様性に関与するパラメータを扱えること、③シナリオに基づいた長期計算が可能なこと、④実測データを得ることが難しい地域でも代替データを入力するなどして実行可能なこと、が挙げられる。例えば気候調整サービスおいては、二酸化炭素だけでなくメタンや亜酸化窒素など、主要な温室効果ガス交換プロセスを扱うことが求められるが、それらを統合的に扱えるものは世界でも少数のモデルしか無いため、VISITモデルを採用することで他研究に無い独自性を出すことが可能となった。このモデルで扱う機能パラメータと生態系サービスとの対応を表(1)-3にまとめた。

本モデルの特色として比較的少数の入力データと計算コストで実行可能であることが挙げられる。必要な入力データは

①位置情報（固定）：緯度、経度、標高

②土壤情報（固定）：比容重、砂／粘土組成、pH、土壤の深さ

③植生情報（固定）：植生タイプ

④氖象要素（日别）：氖温、日射、降水、湿度、風速
## ⑤大気要素（日別）：大気の温室効果ガス濃度、窒素沈着量

である。このうち①は対象地の設定から半ば自動的に求まるものである。②と③は観測値があればそれを用い、無い場合は全球の土壌および植生データセットから対象地の値を抽出して使用することができる。④および⑤についても、対象地の観測データを使用することが精度を高める上では望ましいが、全球データから抽出・内挿・補正したデータを使用することも可能である。図(1)-5に釧路川流域圏を含む北海道地域の入力データの例として植生タイプのマップを示した。

図(1)-4 陸域生態系モデルVISIT $ ^{4)} $ の構造。左側のコンパートメント群が炭素（C）のストックを、右側のコンパートメント群が窒素（N）のストックを表す。各矢印は物質のフローを表しており、それぞれ計算時間ステップで環境条件に基づいて計算され、その収支からストックの大きさが随時更新される。上に書かれた破線で囲われたボックスは、大気と生態系の間で交換される微量ガスを表す。ここでは水収支に関するストックとフローは省略されている点に注意。

表(1)-3 陸域生態系モデルVISITで推定される機能パラメータと生態系サービスの対応。

生態系サービス	モデルで推定されるパラメータ
基盤サービス	一次生産	純一次生産量
土壤形成	土壤有機炭素ストックの増加量
栄養塩の循環	窒素の無機化、硝化・脱室、不動化、溶脱など
調整サービス	気候調整	二酸化炭素、メタン、亜酸化窒素の交換、蒸発散
水質	流出する硝酸態窒素量
供給サービス	木材	木材（植生の幹部）の炭素ストック（ポテンシャル供給量）
淡水	河川流出量
文化サービス	-（バイオマス：間接的に景観に影響）
図(1)-5 釧路川流域圏サイトを含む北海道エリアの植生分布マップ。MODIS衛星で観測された植生指数に基づく分類。ここで示された植生タイプに従って生態系モデルの生理生態パラメータが割り振られ、モデル推定に使用される。空間分解能は1kmである。

## 4 ．結果および考察

## （１）観測データを用いたモデル検証

陸域生態系モデルVISITによる生態系機能パラメータの推定精度を、各種の観測データを用いて検証した。一次生産および炭素ストックに関しては世界各地の観測データを用いて比較検証を既往研究 $ ^{5} $ の中で行っており、高い再現性が得られることが確認されている。植生バイオマスは炭素固定だけで無く、生物多様性とも相関が高いパラメータといわれているが、人工林造成など攪乱の影響を強く受けるため、林齢情報の反映が不可欠であった（サブテーマ2の報告参照）。大気と生態系の間の温室効果ガス交換については、今回のテストサイトの中で観測データを得ることはできなかったため、類似の植生で被覆されている国内サイトでの検証を行った(図(1)-6)。そこではサブテーマ2でデータ収集を行っているAsiaFluxサイトの観測情報などを使用した。釧路川流域圏を含む北海道の相当面積は落葉広葉樹で被覆されているが（図(1)-5参照）、同じ植生タイプで構成される中部日本サイトにおいて、VISITモデルは観測と比較して非常に良好な再現性を示していた。二酸化炭素の吸収放出パターンだけで無く、メタンや亜酸化窒素といった微量ガスの交換も再現されており、気候調整サービスの評価に有用な情報を与え得ることが確認された。人工林に関しては、同じ北海道内の苫小牧カラマツ林におけるフラックス観測データとの比較を行い、同じく季節変動パターンや平均的な二酸化炭素吸収強度が再現されることが確認された。釧路川流域圏では、湿原からのメタン放出については、国内でも同様な自然湿原におけるフラックス観測は行われていないため、比較的共通な条件下にある水田においてメタン放出フラックスの再現結果を確認した。生態系の水循環も気候調整サービスや淡水供給サービスと密接に関係する重要なパラメータであるが、既往研究 $ ^{6} $ において生態系の水利用効率を検討した中で広域スケールの水収支（蒸発散、流出など）の再現性を独立したデータと比較検証済みである。
高山落葉広葉樹林でのGHG交換→気候調節サービス

苦小牧カラマツ林でのCO_{2}交換

つくば水田でのCH_{4}放出

図(1)-6 国内観測サイトにおけるVISITモデルの出力例とその検証。（左図）中部地方の落葉広葉樹林における二酸化炭素（上）、メタン（中）、亜酸化窒素（下）の比較結果。（中図）水田におけるメタン放出フラックスの検証結果。（右図）カラマツ人工林における二酸化炭素フラックスの再現性の検証結果。

## （２）テストサイトを含む地域スケールのマッピング

本課題の3テストサイトについて周辺域を含めた広域を対象として、高分解能な生態系機能のマッピングを行った。ここでは手法の汎用性を確認するため、植生データとしてMODIS観測データ（図(1)-5参照）、土壌データとしてHarmonized World Soil Database、気象データとしてWorld Clim および米国環境予測センターおよび米国大気研究センターにより作成されたデータセットを内挿して使用した。空間分解能は植生データと同じく1kmメッシュとし、各格子点において500年程度の初期化計算を行ってモデル内の生態系の状態を定常状態に近づけた。その後、1948年から2010年までの気象データを時系列に沿って入力し、各種の生態系パラメータを計算した。図(1)-7はモデルで推定された2010年の植生による光合成生産および土壌炭素ストックのマップである。生産力の分布は、都市域・耕作地・山岳域は他の森林域に比して低く、また森林の中でも比較的温暖な南西部で光合成生産が高いことが分かる。釧路川流域圏は、全体としては生産力が高くない地域に含まれるが、その中に散在する森林は高い生産力を示している。土壌炭素ストックは、必ずしも光合成による炭素固定量には比例しておらず、冷涼で分解が進まない中央の山岳域でも高い土壌炭素ストックを示す場合がある。釧路川流域圏の炭素ストックは全体の中では低めであるが、これは湿原における泥炭蓄積がモデル中で正しく再現されていないためである可能性がある。泥炭は通常の土壤と異なり嫌気的条件下で堆積するため、モデル中で濫水条件を再現するプロセスを追加し、さらにそれを地下水位データと比較検証する必要がある。
図(1)-7 陸域生態系モデルVISITで推定された釧路川流域圏を含む北海道全域の（左）光合成生産および（右）土壌炭素ストックの分布マップ。基盤サービスに関係（表(1)-3参照）。

横浜市緑地は市街地中に点在する小規模な緑地であり（サブテーマ2および5の報告参照）、1kmメッシュの計算でも正しく分布を再現することが困難であった。そこで、植生マップで市街地や耕作地に分類されている地点を混交林に置き換えて緑地を仮定しての計算を行った（図(1)-8）。それにより、任意地点で緑地としての生産力や水収支を計算することが可能となった。

図(1)-8 陸域生態系モデルVISITで推定された横浜市緑地を含む関東平野における光合成生産の分布マップ。

ランビル（マレーシア・ボルネオ島）は、もともとは大部分が原生の熱帯多雨林で被覆されており、同じマレーシア・パソーサイトで検証・改良されたVISITモデル³）を適用することで生態系機能のマッピングが実施された（図(1)-9）。このサイトの特徴の1つは、サイト周辺で急速にオイルパームプランテーションなどへの土地利用転換が進んでいることであり、森林から耕作地への転換に伴う生態系機能・サービスの変化が焦点となる。そこで、東京大学生産技術研究所で作成された森林率の時系列マップを使用して、年々の森林被覆率の変化を加味した推定を行った。中央部に代表される原生林が残存する地域は、生産力・炭素ストックとも高い値を示したが、海沿いの低地では土地利用転換が進んだ結果、生産力や地上部バイオマスが低下している地域が多く見られた。
図(1)-9 陸域生態系モデルVISITで推定されたランビルを含むボルネオ島全域の地上部バイオマス、総一次生産（光合成による二酸化炭素吸収）、土壌呼吸（土壌表面からの二酸化炭素放出）のマップ。供給サービス、基盤サービスに関係（表(1)-3参照）。

## （３）土地利用影響に関するモデル高度化

本課題で対象とした3サイトでは異なる程度の土地利用変化による影響を受けており、また気候変動対策と生物多様性保全のトレードオフを検討する上でも、土地利用形態の違いによる生態系機能の変化を適切にシミュレートする必要がある。釧路川流域圏と横浜市緑地では、現在のところ土地利用に急激な変化は生じていない。一方、ランビルなどの熱帯林地域では、オイルパームやゴムなど商品作物プランテーションへの転換が急速に進んでいる。そこで、ランビルを含むボルネオ島を対象に、土地利用変化が生態系機能に与える影響に関する広域シミュレーションの高度化を図った。

ここで問題となったのは、衛星観測による森林率変化データにおける雲影響の除去である。熱帯域は雲で被覆された期間が長く、継続的な衛星観測であっても雲影響を完全に除去することは困難とされている。そこで、時系列データから雲影響を軽減するアルゴリズムを開発し、熱帯域
での推定高度化を図った。ここでは、森林はアイルパームプランテーションに転換されるがその

逆は生じないことを仮定し、森林被覆率の経年的増加はオイルパームプランテーションへの転換にのみよって生じることとした（図(1)-10参照）。それにより、観測データ中で森林率が増加した場合に見かけ上の植林活動と炭素吸収が生じてしまう誤差要因を軽減することができると期待される。ただしこの方法にも、オイルパームプランテーションやその他の土地利用形態（図(1)-10中の白色部）には年々の増減が生じるという課題がある。

図(1)-10 観測された森林被覆率の年々変動から雲影響を軽減して森林減少（オイルパームプランテーションへの転換）速度を推定するアルゴリズムの説明図。

図(1)-11は衛星観測による年々の森林被覆率変動データおよび上記アルゴリズムを適用して推定されたボルネオ島の森林被覆率の減少速度である（仮定により増加は生じない点に注意）。

図(1)-11 衛星観測に雲影響軽減アルゴリズムを適用して得られた森林被覆率の減少速度マップ（年々の減少%）。左から2003年、2005年、2008年の結果。

雲影響が軽減された森林率マップを用いて、陸域生態系モデルVISITによるシミュレーションの修正を行った。森林率の不自然な増減が緩和されたことで、年々の変動幅が抑えられただけで無く、森林からオイルパームプランテーションへの転換に伴う長期的な生態系影響が再現されるようになった（従来の手法では森林率が増加した際に見かけ上の植林が生じて影響が長期的に残りにくかった）。図(1)-12に見られるように、森林が多く残る中央部は生産力が高いままであるが、土地利用変化が進む南部を中心に生産力の顕著な低下が見られる地域が多く出現している。

土地利用が急速に変化している地域において、生態系の機能とサービスをモニタリングするこ
とは、生態系管理の初期の意志決定だけでなく修正段階でも有用な情報となる。また、発展途上国が多い熱帯域でこのような推定精度の向上が図られたことは、REDD（森林破壊・劣化の防止による排出抑制）におけるベースラインの策定やモニタリングにおいても活用されることが期待される。

図(1)-12 陸域生態系モデルVISITによるシミュレーションに雲影響を軽減した森林率データ（図(1)-11）を入力して得られた生産カマップ。生産力が低い青色部は過去の土地利用転換の影響が残存していることを示す。

## （４）気候調整サービスの評価手法に関する考察

本課題で扱った生態系サービスの中で、気候調整サービスは気候変動対策に直結する意味で重要度が高いものの1つと考えられる。多くの場合で気候調整サービスは二酸化炭素の形態での炭素固定と同義と見なされおり、そうすることでフラックス観測や炭素ストックインベントリとの共通性を持たせるという利点も生まれていた。しかし、近年の研究により気候調整サービスの評価方法に見直しが進められているという動向を踏まえ、より信頼性の高い評価のための生態系機能把握について検討を行った。Anderson-Teizeiraら $ ^{7} $ は気候調整機能を、生物物理的効果と生物地球化学的効果の和として定義した。ここで生物物理的効果は、裸地と生態系が存在する場合での、純放射量から蒸発散量を差し引いた値の変化分である。つまり、生態系が存在することで大気に放出される熱エネルギーを抑制する効果である。一方、生物地球化学的効果は、同じく裸地と生態系が存在する場合での、温室効果ガス（二酸化炭素、メタン、亜酸化窒素）の収支の変化分である。裸地の温室効果ガス収支はほぼゼロと考えられ、生態系のフラックス観測またはモデル推定によってこの効果を評価することが可能である。

従来の気候調整サービス評価との違いは、生物物理的効果を考慮した点と、メタンや亜酸化窒素の収支を加味した点である。後者については、すでに京都議定書の排出量算定にメタンや亜酸化窒素の効果は考慮されているので、それが生態系サービス評価にも取り入れられたと見ることができる。一方、生物物理的効果を考慮することは、従来の森林吸収源評価などで行われてきた結果に大幅な修正を必要とする可能性がある。近年のモデル研究により、森林の日射エネルギー吸収による加温効果が注目されるようになっており、緯度帯によっては（例えば冬季に積雪で被覆される亜寒帯林など）、裸地を森林に転換することで、二酸化炭素吸収による温暖化抑制以上の温度上昇効果があることが示唆されている。これは全ての森林が温暖化緩和効果を持つという従来の考えに修正を迫る非常に重要な知見であり、今後の生態系サービス評価にも反映されるべ
きであろう。一方、森林が持つ機能を多面的に評価することも依然として重要であり、温暖化緩和効果が低いからといって生態系が持つ他の多くの効能を無視あるいは否定することは、科学的見地からも正しくない点には十分に注意する必要がある。

## 5 ．本研究により得られた成果

## （1） 科学的意義

本サブテーマで開発・高度化された陸域生態系モデルは、生態系の主要プロセスをカバーしており、そこからもたらされる生態系サービスの評価に有用な情報をもたらすことが示された。土地利用や気象・地形などの諸条件により、生態系機能が空間的に不均質に分布していることが視覚的にも明らかにされた。観測情報を利活用することで、生態系が持つ機能量を適切に推定し、高分解能のマッピングを行うことが可能となった。ここで使用した生態系モデルの特徴として、各種サービスに関係する機能を幅広く扱える点が挙げられる。また、広域を対象とした場合に範囲に含まれる多様な生態系（森林、草地、耕作地など）を、比較的少数のパラメータ値で特徴付けることで統一した手法で扱うことが可能となる。入力するデータは、遠隔地のように入手困難な場合は全球データで代替することが可能であり、特別な測定を行わなくても実行することが可能なため汎用性の高い手法である。

## （２）環境政策への貢献

## ＜行政がすでに活用した成果＞

1）環境省総合環境政策局総務課・環境研究技術室による「環境研究・環境技術開発の推進戦略平成25年度中間フォローアップ結果」において、【重点課題15 国土・水・自然資源の持続的な保全と利用】、サブテーマ①「生態系サービスの恩恵の解明」の研究・技術開発の実施状況に具体例を提供することで貢献を行った（個票-85に示されている）。

2)「生物多様性国家戦略2012-2020 〜豊かな自然共生社会の実現に向けたロードマップ〜」において【科学的基盤の強化 3．1環境分野における調査研究】のうち、環境省の具体的施策として掲載された（p236に推進費課題として掲載されている）。

## ＜行政が活用することが見込まれる成果＞

本課題で開発を進めた陸域生態系モデルは、大気と陸域生態系の間の温室効果ガス交換を総合的に扱うことが可能であり、他の複数の研究プロジェクト等で活用されている。その成果はIPCC第5次報告書（第1、第2、第3の各作業部会）にも多数引用されており、温暖化政策の基礎情報として活用されることが見込まれる。

ランビルサイトでのボルネオ島全域を対象とした高分解能マッピングは、高い生物多様性を持つ熱帯地域における希少な試みの一つであり、今後、生物多様性に配慮したREDDの検討と実施において活用されることが期待される。また、アジア地域を対象とした生態系機能・サービスの解析例として「生物多様性および生態系サービスに関する政府間科学政策プラットフォーム（IPBES）」報告書への貢献も期待される。
## 6 ．国際共同研究等の状況

1) Multi-Scale Terrestrial Model Intercomparison Project (MsTMIP)（マルチスケール陸域モデル相互比較プロジェクト），代表Deborah Huntzingerら参加メンバー，Northern Arizona University（米国）など。

陸域機能をシミュレートするモデルの相互比較プロジェクトに参加し、相互比較を行うことでベンチマーキングを進めている。欧米をはじめ世界20以上の研究機関によるモデルが参加しており、先端的な陸域モデル研究を行う上で非常に重要な活動である。第1フェーズがほぼ終了し、その成果を下記論文として出版済みおよび投稿中である（本課題参加者に下線）。

1. Zscheischler, J., A. M. Michalak, C. Schwalm, M. D. Mahecha, D. N. Huntzinger, M. Reichstein, G. Berthier, P. Ciais, R. B. Cook, B. El-Masri, M. Huang, A. Ito, A. Jain, A. King, H. Lei, C. Lu, J. Mao, S. Peng, B. Poulter, D. Ricciuto, X. Shi, B. Tao, H. Tian, N. Viovy, W. Wang, Y. Wei, J. Yang, and N. Zeng. 2014. Impact of large-scale climate extremes on biospheric carbon fluxes: An intercomparison based on MsTMIP data. Global Biogeochemical Cycles 28:585–600.

2. Huntzinger, D. N., C. Schwalm, A. M. Michalak, K. Schaefer, A. W. King, Y. Wei, A. Jacobson, S. Liu, R. B. Cook, W. M. Post, G. Berthier, D. Hayes, M. Huang, A. Ito, C. Lu, J. Mao, C. H. Peng, S. Peng, B. Poulter, S. Riccuito, X. Shi, H. Tian, W. Wang, N. Zeng, F. Zhao, and Q. Zhu. 2013. The North American Carbon Program Multi-scale Synthesis and Terrestrial Model Intercomparison Project: Part I – Overview and experimental design. Geoscientific Model Development Discussion 6:3977–4008.

2) Asia-Pacific Network (APN) Project “Greenhouse Gas Budget of South and Southeast Asia”, 代表: Pep Canadell, Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO), Australia, Plabir Patra (JAMSTEC) など。東南アジア・南アジアにおける温室効果ガス収支を統合的な手法で解析することを目的とした国際プロジェクト。陸域生態系モデルを用いた二酸化炭素、メタン、亜酸化窒素の推定（気候調節サービスに関与）により参加。フラックス観測や大気モデル研究者との共同研究を進めている。

## 7 ．研究成果の発表状況

## （1） 誌上発表

<論文（査読あり）>

特に記載すべき事項はない。

## く査読付論文に準ずる成果発表＞（対象：社会・政策研究の分野）

特に記載すべき事項はない。

## くその他誌上発表（査読なし）>

特に記載すべき事項はない。

（ただし、現在、日本生態学会誌より、第60回大会で主催した企画集会の内容を踏まえた、本課題サブテーマの成果を中心とした複数論文による特集出版を準備中である。）
（2）口頭発表（学会等）

1) A. ITO, M. ADACHI, N SAIGUSA, R SUZUKI, Y YAMAGATA, K SHOYAMA, H SEKINE: American Geophysical Union 2011 Fall Meeting, San Francisco, US, 2011

“Evaluation of ecosystem services for good balance between climate change prevention and biodiversity conservation”

2) M. ADACHI, A. ITO, W. TAKEUCHI and Y. YAMAGATA: American Geophysical Union 2011 Fall Meeting, San Francisco, US, 2011

“Annual variation in carbon budget using remote-sensing data and a process model in Borneo Island, Southeast Asia”

3) M. ADACHI, A. ITO, A. ISHIDA, W. R. KADIR, P. LADPALA and Y. YAMAGATA: 3rd iLEAPS Science Conference, Garmisch-Partenkirchen, Germany, 2011

“Effect of soil type on soil respiration in different types of tropical forest using process-based model”

4) M. ADACHI, A. ITO, W. TAKEUCHI, and Y. YAMAGATA: 59th Annual Meeting of Ecological Society of Japan and The 5th EAFES International Congress, Shiga, Japan, 2012

“Annual variation in carbon budget using remote-sensing data and a process model in Borneo Island, Southeast Asia”

5) M. ADACHI, A. ITO, T. MAEDA, A. ISHIDA, P. LADPALA, S. PANUTAI and T. ARTCHAWAKOM: ASA-CSSA-SSSA International annual meeting, Cincinnati, US, 2012

“Effect of soil type on soil water content and carbon cycle in different types of tropical forests using process based model in Thailand, Southeast Asia”

7) A. ITO, M. ADACHI, Y YAMAGATA: International Symposium on Southeast Asian Tropical Forest Research related with Climate Change and Biodiversity, Tokyo, 2012

“A model-based assessment of the impacts of land-use change in Southeast Asia for mitigation and adaptation”

8) A. ITO, M. ADACHI, Y YAMAGATA: The Second Workshop of the Greenhouse Gas Budgets of South and Southeast Asia, Bogor, Indonesia, 2012

“A model-based assessment of the impacts of land-use change in Southeast Asia for mitigation and adaptation”

9) M. ADACHI1, A. ITO, W. TAKEUCHI and Y. YAMAGATA: Japan Geoscience Union Meeting, Makuhari, Japan, 2013

“Effect of land-use and climate changes on carbon budget in Borneo Island using VISIT model”

11) A. ITO: Semi-Analytical Spin-Up on Terrestrial Ecosystem Model Workshop, University of Oklahoma, US, 2013
“Implementation of semi-analytical spinning-up method in VISIT model.”

12）伊藤昭彦、山形与志樹、三枝信子、安立美奈子、庄山紀久子、鈴木力英、関根秀真：2013年度第2回エコトピア科学シンポジウム公開ワークショップ，名古屋（2013）

「気候変動対策と生物多様性保全のトレードオフ解消を目指した生態系サービス評価」

13) A. ITO, Y YAMAGATA, N SAIGUSA, M. ADACHI, K SHOYAMA, R SUZUKI, H SEKINE: International Symposium on EcoTopia Science 2013, Nagoya, Japan, 2013

“Evaluation and mapping of ecosystem services to find better balance between climate change prevention and biodiversity conservation”

## 14 ）安立美奈子・伊藤昭彦：第61回日本生態学会大会（2014）

「熱帯域の土地利用における温室効果ガスフラックスのメタ解析」

15) A. ITO, M. ADACHI, N SAIGUSA, R SUZUKI, Y YAMAGATA, K SHOYAMA, H SEKINE: Global Land Project Open Science Meeting, Berlin, Germany, 2014

“Evaluation and mapping of ecosystem services to find better balance between climate change prevention and biodiversity conservation”

## （3） 出願特許

特に記載すべき事項はない。

## （４）シンポジウム、セミナー等の開催（主催のもの）

1)「第1－2回鶴居村ワークショップ 生態系サービス総合評価手法に関する現地検討会」(2012年8月27日、鶴居村総合センター第1研修室楽酪館2F会議室、参加者17名)

2）「生態系サービスの総合的な指標化　一気候変動対策と生物多様性保全のトレードオフ解消に向けて──」日本生態学会企画集会T-16（2013年3月6日、グランシップ静岡、観客50名）

3）「第3回鶴居村ワークショップ 自然再生エネルギーで繋ぐ釧路の自然と地域社会」（2013年10月1日、鶴居村村役場、参加者30名）

## （５）マスコミ等への公表・報道等

特に記載すべき事項はない。

## （6） その他

特に記載すべき事項はない。

（ただし、研究代表者の伊藤は陸域生態系モデルを用いた研究実績に対して2012年度日本気象学会堀内賞を授与されており、その一部に本課題の内容を含んでいる。）

### 8 \. 引用文献

1) Rockström, J., W. Steffen, K. Noone, Å. Persson, F. S. I. Chapin, E. F. Lambin, T. M. Lenton, M. Scheffer, C. Folke, H. J. Schellnhuber, B. Nykvist, C. A. deWit, T. Hughes, S. van der Leeuw, H. Rodhe, S. Sörlin, P. K. Snyder, R. Costanza, U. Sverin, M. Falkenmark, L. Karlberg, R. W. Corell, V. J. Fabry, J. Hansen, B. Walker, D. Liverman, K. Richardson,
P. Crutzen, and J. A. Foley. 2009. A safe operating space for humanity. Nature 461:472-475.

2) Costanza, R., R. d'Arge, R. de Groot, S. Farber, M. Grasso, B. Hannon, K. Limburg, S. Naeem, R. V. O'Neil, J. Paruelo, R. G. Raskin, P. Sutton, and M. van den Belt. 1997. The value of the world's ecosystem services and natural capital. Nature 387:253–260.

3) Adachi, M., A. Ito, A. Ishida, W. R. Kadir, P. Ladpala, and Y. Yamagata. 2011. Carbon budget of tropical forests in Southeast Asia and the effects of deforestation: an approach using a process-based model and field measurements. Biogeosciences 8:2635–2647.

4) Inatomi, M., A. Ito, K. Ishijima, and S. Murayama. 2010. Greenhouse gas budget of a cool temperate deciduous broadleaved forest in Japan estimated using a process-based model. Ecosystems 13:472-483.

5) Ito, A., and T. Oikawa. 2002. A simulation model of the carbon cycle in land ecosystems (Sim-CYCLE): A description based on dry-matter production theory and plot-scale validation. Ecological Modelling 151:147-179.

6) Ito, A., and M. Inatomi. 2012. Water-use efficiency of the terrestrial biosphere: a model analysis on interactions between the global carbon and water cycles. Journal of Hydrometeorology 13:681–694.

7) Anderson-Teixeira, K. J., P. K. Snyder, T. E. Twine, S. V. Cuadra, M. H. Costa, and E. H. Delucia. 2012. Climate-regulation services of natural and agricultural ecoregions of the Americas. Nature Climate Change 2:177–181.
（２）生態系機能の広域把握のための観測ネットワークとデータベースに関する研究

$$ \begin{aligned}&( 独 )\ 国立環境研究所 \\&\quad 地球環境研究センター \quad 陸域モニタリング推進室 \quad 三枝 \quad 信子 \\&< 研究協力者 >\\&\quad 地球環境研究センター \quad 陸域モニタリング推進室 \quad 高橋 \quad 厚裕 ( 平成 23\sim24 年度 )\\&\quad 平 \quad 春 ( 平成 24\sim25 年度 )\end{aligned} $$

平成23～25年度累計予算額：30,718千円（うち、平成25年度予算額：9,119千円）

予算額は、間接経費を含む。

## [要旨]

生態系がもたらす公益的機能（生態系サービス）の広域評価に向けて、主に日本、加えてアジアにおける生態系サービスの広域把握に必要不可欠な気候調整サービス、供給サービス、およびそれらを規定する生態系の構造・機能のデータを、近年アジア太平洋域において構築の進んでいる各種陸域観測ネットワークのデータ、既存の研究プロジェクトや事業により収集されたデータ、文献データなどを活用して収集し、他のサブテーマへ提供した。加えて、本研究で設定された3箇所のテストサイト（横浜市、釧路川流域圏、ボルネオ島）のうち釧路川流域圏において、衛星や航空機データを用いた広域評価の精度検証として必要となるトゥルスデータを、他のサブテーマとも協力して実測した。以上の結果、生態系サービス評価を進める上で必要不可欠な基盤的データの整備が遅れている日本やアジアを対象として、将来にわたり生態系サービス評価手法の開発とその高度化に向けた研究に有効に利用できるデータが整備され、本研究課題の終了後も、各データのもつ利用ポリシーの範囲内で、データ利用者の利便性を向上することが可能になった。

## [キーワード]

調整サービス、供給サービス、二酸化炭素吸収、森林バイオマス、広域把握

### 1. はじめに

変動する気候下において、地球上の、特にアジア太平洋域の生態系がもたらす公益的機能（生態系サービス）がどのように変化するかを評価・予測することは、生態系の機能を長期的に保全し活用することを通して持続可能な社会を維持する上で重要な課題である。地球規模の気候変動と土地利用変化に伴う生物多様性の喪失が進行する現在、特に二酸化炭素吸収源としての森林の適切な管理・保全に加えて、生物多様性の維持と気候変動緩和策・適応策を将来にわたり長期的に両立させるための科学的知見が必要とされている。しかし、現在のところ生態系サービス評価に関する研究は日本やアジアではまだ数少なく、アジア太平洋地域に特有の生態系の機能やサービスに関する基盤的なデータはきわめて不足しており、評価基準や指標は十分には確立されていない。そこで本研究では、他サブテーマとも密接に協力し、アジア太平洋地域で既に実施されている各種の地上調査、既存の観測ネットワーク、他の研究プロジェクトなどで収集された、さま
ざまな生態系機能に関する各種データを効率的に収集し、生態系サービスの広域評価に向けて優先度の高いデータの整備提供を行うこととした。

## 2 ．研究開発目的

アジア太平洋地域で近年整備が進んでいる観測ネットワークと連携を図り、生態系機能・サービスに関する各種データを取得し、本研究の他サブテーマへ提供する。利用する観測ネットワークは、大気-陸域生態系間の熱・水・温室効果ガスフラックス観測に関する FLUXNET（アジアの枠組みは AsiaFlux、国内の枠組みは JapanFlux）、生態系の構造および機能に関わるデータを有する長期生態学研究 LTER（国内の枠組みは JaLTER）、国内および東南アジアの森林バイオマスに関するデータベース (PlotNet) などである。また、特に森林バイオマスと樹高データについては、これらが生態系の供給サービスの定量化に直結するうえ、森林の種多様性の維持にも深く関与し、また都市においては景観（文化サービス）や熱環境（調整サービス）にも影響が大きいことから、本研究において特に重視する。森林バイオマスと樹高については、既存の他の研究プロジェクトによって作成されたデータの収集にも取り組み、さらに地上調査により独自のデータ収集を行って不足分を補完し、本研究の他サブテーマが利用できるよう整備する。衛星リモートセンシングを担当するサブテーマ3、および陸域生態系モデルを使った生態系サービスの広域評価を行うサブテーマ1とは特に密接に連携し、アジア太平洋地域における生態系サービスの広域把握に向けて、優先度の高いデータの整備とデータベースの構築を行う。

## 3 ．研究開発方法

生態系サービスの広域把握に必要不可欠な気候調整サービス、供給サービス、およびそれらを規定する生態系の構造・機能のデータを、近年アジア太平洋域において構築の進んでいる各種陸域観測ネットワークのデータ、各種研究プロジェクトや事業により収集されたデータ、既存文献データなどを活用して収集し、他のサブテーマへ提供する。加えて、本研究のテストサイトにおいては不足のデータを補完するための実測も行う。

## （１）各種データの収集整理の方針

本研究のテストサイトは、首都圏にあり都市の生態系としての特徴をもつ横浜市、自然度の高い釧路川流域圏、そして広大な熱帯林を有する海外サイトのボルネオ島である。本研究では、特に広域評価に必要不可欠な情報である標高や土地被覆などの基盤データ（GISデータ）、衛星観測や地上計測による樹高や森林バイオマスデータ、アジア各地における渦相関法による熱・水・二酸化炭素フラックスデータを集中的に収集・整理した。基盤データとフラックスデータについては、既存のデータベースや文献などの公開情報から収集すると同時に、データ保有者に対し本研究へデータ提供を個別に依頼するなどの方法で収集・整備した。また、本研究で特に注目する生態系の調整サービス・供給サービス評価に重要な森林バイオマスと樹高の推定に使う衛星データについては、本研究予算による購入も行った。さらに地上検証用の森林バイオマス・樹高データについては、以下に記す方法でテストサイトにおいて実測し、航空機や衛星データを利用した推定結果の精度検証のために使用した。
## （２）森林の地上バイオマスの実測

森林生態系における供給サービス（バイオマス）および調整サービス（炭素・水収支）を広域評価する上で、衛星画像データや航空機LiDARデータの活用が有効であるが、これらの手法で森林バイオマスや樹高を精度よく求めるためには、トゥルスデータ（真値データ）に基づく地上検証が不可欠である。良質のトゥルスデータを得るため、本研究のテストサイトの一つであり、アクセス可能な位置に複数のタイプの森林を有する釧路川流域圏を選び、実測調査を行った。

地上バイオマスとは、樹木等の地上部分（地下部を除く）の乾燥重量のことである。森林の地上バイオマスを計測するためには、樹木を伐倒して重量を計測する方法や、設定したプロット内のすべての立木の樹種・樹高・胸高直径を計測して経験式に基づき算出する方法などがある。これらの方法は正確に地上バイオマスを計測できるものの、多くの労力を必要とする。衛星画像解析のトゥルスデータとして利用するためには多地点の計測値が必要となるため、本研究では、簡易的な計測方法であるビッターリッヒ法を採用することとした。この方法では、一地点あたり30分程度で調査を終えることができる。

図(2)-1に、地上バイオマス計測のフローを示す。ビッターリッヒ法では、定点に立つ観測者が周囲を360°見渡して、一定の視野角以上の直径を有する立木の本数を数えることで、単位面積(ha)当りの立木の胸高断面積合計を算出することができる。さらに、カウントされた立木の樹高と胸高直径を計測することで幹材積（幹の体積）を計算し、単位面積当りの幹材積合計を得る。これに拡大係数や容積密度といった係数を乗じることで、立木の地上部分全体の乾燥重量（地上バイマス）の単位面積当りの合計を得ることができる。幹材積式には次式を用いた。

$$ l o g_{10}V=a+b\cdot l o g_{10}D+c\cdot l o g_{10}H $$

V、D、Hはそれぞれ幹材積、胸高直径、樹高を示し、a、b、cは樹種と胸高直径により異なる係数である。拡大係数・容積密度は樹種により異なる。現地調査は、2011年7月26日～29日と10月24日～28日の2回実施し、釧路川流域圏テストサイトの合計43地点で良好なデータを収集した。

図(2)-1 ビッターリッヒ法に基づく森林の地上バイオマス計測フロー。