Silviase/jgov_v1.4_full_ann huggingface dataset:
$$ \frac{\partial T}{\partial t}+\frac{\partial(wT)}{\partial z}=Kz\frac{\partial^{2}T}{\partial z^{2}} $$

に支配され、鉛直流 $ w(z) $ は水温（密度）の鉛直プロファイルとp値に依存した沈降量からモデル内で適宜計算される。水温Tの境界条件は、図(4)-1の観測結果を参考にして、T(250m,t)=1°Cの固定値とした。計算条件は時間刻みを $ \Delta t=1d $ 、鉛直空間刻みは $ \Delta z=10m $ 、初期値は全水深T(z,0)=1°Cとし、十分定常状態となる5000年まで数値積分を行った。以下の結果は、この定常値を用いた議論となる。

平均年齢 $ \tau_{a} $ の定義はTakeoka (1984) $ ^{2)} $ に従い、下記の式で計算される。

$$ \tau_{a}=\int_{o}^{\infty}\tau\phi(\tau)d\tau=\int_{0}^{\infty}r(\tau)d\tau $$

τは年齢、φ(τ)は年齢組成、r(τ)は初期に与えた物質の残余関数である。計算方法は、定常計算後の鉛直移流w(z)と水温T(z)を固定値として、各水深の沈降量（水温値に依存）に比例配分した濃度を初期値として投入する。その後、無限大時間に相当する8000年間の数値計算を行い、この期間における規格化した濃度の残余関数r(τ)を水深毎に求め、(2)式よりτ_{a}が計算される。

## （２）鉛直上向き移流速度の概算方法

水温上昇するBWを境界条件として、DWのPT上昇率を説明できるような鉛直上向きの移流速度を概算するためには、PT上昇に寄与する(i)上方からの鉛直熱拡散効果と(ii)下方からの鉛直熱移流効果を区別して議論しなければならない。その区別の方法について説明する。図(4)-3は鉛直格子iとi-1における2000年と2007年のPT鉛直プロファイルを太実線で模式的に表示している。各鉛直格子間で一定の上向き鉛直流速を未知数 $ w_{i} $ とすると、格子間隔 $ \Delta z $ の移流時間 $ \Delta t_{w} $ は、

$$ \Delta t_{_{w}}=\frac{\Delta z}{w_{i}} $$

となる。正味7年間$\Delta\mathbf{t}_{7}$ におけるPT上昇率を一定と仮定できれば、移流時間$\Delta\mathbf{t}_{\mathrm{w}}$ 後のPT値上昇量$\Delta\mathrm{P T}_{\mathrm{w}}$ は、$\Delta\mathrm{P T}_{7}:\Delta\mathbf{t}_{7}=\Delta\mathrm{P T}_{\mathrm{w}}:\Delta\mathbf{t}_{\mathrm{w}}$ の比例関係より、

$$ \Delta P T_{w}=\Delta P T_{7}\Bigg(\frac{\Delta t_{w}}{\Delta t_{7}}\Bigg) $$

の式から計算される。この移流時間$\Delta\mathrm{t}_{\mathrm{w}}$ 後のPT鉛直プロフイルを図中の灰色破線で示した。図(4)-3(b)は移流時間前（2000(n)年の太実線）とちょうど移流時間後（2000(n)+$\Delta\mathrm{t}_{\mathrm{w}}$ の灰色破線）の
(a)

(b)

図(4)-3 鉛直上向き移流wの計算方法の模式図。(a)2000年と2007年のPT鉛直プロファイルと任意の水深におけるPT値と上昇量ΔPT。(b)2000年と移流時間後のPT鉛直プロファイル

PT鉛直プロファイルの模式図である。ちょうど移流時間 $ \Delta t_{w} $ であれば、下層側i-1格子のPT上昇量Ah（Adjective heating）は上層側i格子へ鉛直移流されると考えることができる。このとき、Ac (Adjective cooling)量だけi-1格子のPT値が低いため、そのPT差（n年の値で代表）だけ、i格子のPT上昇は抑えられる。その結果、格子iのPT上昇量に鉛直移流では説明できない量Dh（Diffusive heating）が残り、この量が上方からの鉛直拡散で説明されるべきPT上昇量と考える。このように、格子iにおけるPT上昇量 $ \Delta PT_{w,i} $ は2つの鉛直移流効果と1つの鉛直拡散効果に分解することができ、

$$ \begin{aligned}\Delta P T_{_{w,i}}&=A h-A c+D h\\&=\Delta P T_{_{w,i-1}}-(P T_{_{i}}^{^{n}}-P T_{_{i-1}}^{^{n}})+\Delta t_{_{w}}\cdot D i f\end{aligned} $$

と表現することができる。ここで、Difは鉛直拡散項を意味する。この(5)式に(3)、(4)式を代入して整理すると、7年離れた2000年と2007年のPT観測値のみを用いて、未知数である鉛直流速 $ w_{i} $ を予測できる下記の式を得る。

$$ w_{i}=\frac{\left\lfloor\left(\Delta P T_{7,i}-\Delta P T_{7,i-1}\right)-\Delta t_{7}\cdot D i f\right\rfloor\Delta z}{\Delta t_{7}(P T_{i-1}^{n}-P T_{i}^{n})} $$
## 4 ．結果及び考察

## （１）鉛直一次元の多層モデル結果

はじめに、二つの未知パラメータである$\mathrm{p}=1\sim10\%/\mathrm{yr}$と$\mathrm{Kz}=0.5\sim5\mathrm{cm}^{2}/\mathrm{s}$の範囲において、あらゆる組み合わせの定常計算を行い、水深2000mにおける(a)水温の定常値と(b)平均年齢の値を図(4)-4に示した。水深2000mを選んだ理由は、この水深が底層水と深層水のほぼ境界に位置し、多くの既存の研究において提示された平均滞留時間（数百年オーダー）の水深に相当するためである。水深2000m前後の水温値は、既存の研究や図(4)-1にも示されたように0.04～0.08℃の範囲にある。この水温範囲を図(4)-4(a)に灰色領域で示したが、pとKzの組み合わせを適当に選べば再現可能である。この範囲の組み合わせの代表として4つを選び、図に示したA～Dと名付けた。このA～Dの組み合わせを図(4)-4(b)の平均年齢でみると、100年弱から500年強の範囲で大きく異なっていることがわかる。また、図(4)-4(b)の結果は、平均年齢を左右するパラメータは沈降量pではなく、主に鉛直拡散係数Kzであることを示している。これは、Kz一定でpが大（小）であるとき、底水温が下降（上昇）するため、底層へ沈降する水量の割合は少なく（多く）なり、結果として、p値が変化しても底層へ沈降する水量は大きく変化しないことが原因である。次の問題は、A～Dの組み合わせのどれが現実的なのか、である。

(a) Temperature at 2000m depth

(b) Average age at 2000m depth

図(4)-4 定常計算における水深2000mの(a)水温値と(b)平均年齢
pとKzの組み合わせを決定するために、図(4)-5に示した$\delta^{14}C$の観測結果を利用する。大気$\delta^{14}C$一定の1960年以前とそれ以降2000年までの$\delta^{14}C$の濃度変化を考慮したモデル計算（値出力0年は1960年）から、$\delta^{14}C$の鉛直プロファイルを再現できるようなpとKzの組み合わせを調べた。なお、$\delta^{14}C$と$\delta^{14}C$の変換式及び$\delta^{14}C$の半減期を考慮した移流拡散方程式の説明は省略する。ここでは、A～Dの組み合わせの計算結果のみを図(4)-6に示す。

δ¹⁴Cの観測結果（図(4)-5）とモデル結果（図(4)-6）を比べるとき、40年間では日本海の海水が完全混合できないため、観測の下限値は少なくともモデルの0年プロファイル以上であり、観測値のばらつきは0～40年プロファイルの間にあるとみるべきであろう。このような見方をした場合、4つの組み合わせの中では、Bの組み合わせ（p=4%/yr、Kz=2 cm²/s）が妥当と判断される。Bの平均年齢は最大でも160年程度（2000m付近）であり、1000m以浅では50年を切る。この年齢は既存の研究が提示した平均滞留時間に比べると小さめな値である。次に、妥当と判断したBの組み合わせの定常に至る計算過程を図(4)-7に示し、本モデルが示す鉛直循環の様子を定量的に記述する。

まず、Bのパラメータでは1000年程度でほぼ定常状態に達していることがわかる。図(4)-7(a)の定常水温プロファイルが図(4)-1に細実線で示した最終的な再現結果であり、指数関数的なプロファイルにみえるが、そうではないことは「はじめに」で記述した通りである。図(4)-7(b)は、沈降量率 $ p=4\%/yr $ のうち、その3.9%ほどが海底までいっきに沈降し、残りのほとんどは水深1000m以浅の沈降であることを示す。この結果は、日本海の鉛直循環が海底を経由する弱い鉛直循環と水深1000m以浅までの強い鉛直循環の大きく二つの循環パターンで構成されていることを示唆している。このような循環パターンを鉛直流速として表現したのが図(4)-7(c)であるが、鉛直上向きの鉛直流速は水深の増加とともに減少し、1000m以深の流速は $ 10^{-5} $ cm/sオーダーの値をもつ。

日本海の深層全体積（1°C以下の領域）は $ V=1.0\times10^{6}\ km^{3} $ なので、1°C以下の深層域に沈降する海水量は、 $ V\times4.0\%/\mathrm{yr}\sim(1.0\times10^{6}\mathrm{km}^{3})\times0.04\mathrm{yr}^{-1}=4.0\times10^{4}\mathrm{km}^{3}/\mathrm{yr} $ となる。これを流量に換算すると約1.3Svにもなり、オーダー的には対馬暖流の流入量（2～3Sv）に匹敵する量が沈降（湧昇）していることになる。海底に沈降する率は、3.9%×4.0%/ $ yr=0.156\%/\mathrm{yr} $ となり、海水量に換算すると $ V\times0.156\%/\mathrm{yr}=1.56\times10^{3}\mathrm{km}^{3}/\mathrm{yr} $ （～0.05Sv）となる。この海水量は、Gamo and Horibe (1983) $ ^{3)} $ が炭素収支から見積もった底層水への供給量 $ 1.3\times10^{3}\ km^{3}/yr $ とも矛盾しないオーダーの値である。

平均年齢は物質が入れ換わる能力を示す時間的指標である。それゆえ、平均年齢は(2)式で示したように残余関数として表現される。一方、平均滞留時間は領域内全体の物質を対象としているのではなく、新たに入ってきたもの（または、出ていったもの）を対象とした時間的指標である。それゆえ、平均滞留時間は対象物質の総量 $ M_{0} $ を流入流出量 $ F_{0} $ で割った置換時間（Turnover-time: $ \tau_{0}=M_{0}/F_{0} $ ）に等しくなる。本モデル結果を使って平均滞留時間を見積もってみよう。例えば、1°C以下の深層全体を対象にした場合の平均滞留時間(置換時間)は、p値の逆数である $ (4\%/\mathrm{yr})^{-1}=25 $ 年となる。2000m以深の底層水を対象にした場合の平均滞留時間(置換時間)は、2000m以深の体積： $ M_{0}\sim1000V/2750=3.6\times10^{5}km^{3} $ を海底に沈降した海水量： $ F_{0}=1.56\times10^{3}km^{3}/yr $ で割ることで得られ、240年となる。この数百年オーダーの値は既存の研究で提示されている平均滞留時間とも矛盾しない。前者の25年は水深1000m以浅までの強い鉛直循環を主に反映した値であり、後者の240年は海底を経由する弱い鉛直循環を主に反映した値であると解釈される。水深2000mにおける平均年齢が160年、平均滞留時間が240年となる結果は矛盾ではなく、定義された時間指標が異なるだけである。
図(4)-5 日本海深層水のδ^{14}Cの鉛直プロファイル
図(4)-6 A～Dの組み合わせにおける平均年齢（左側）と最近40年間で変化するδ^{14}C（右側）
図(4)-7 (a)水温、(b)沈降水割合、(c)鉛直流速の鉛直分布（左側は5000年間の時間変化、右側は定常値（5000年後）の鉛直プロファイル）
## （２）DWのPT上昇率を説明できる鉛直上向きの移流速度の概算

YBとJBそれぞれのPT観測値（省略）を(6)式に代入して予測されるDW領域の上向き鉛直移流wの鉛直プロファイルを図(4)-8(a)及び(c)に示す。この計算では鉛直渦拡散係数Kzは鉛直的に一定を仮定し、妥当なオーダーと思われるKz=1、2、 $ 4cm^{2}/s $ とした3ケースの結果である。なお、Δ印の $ Kz=1cm^{2}/s $ のケースでは一部の値が表示されていないが、これは鉛直拡散項Dif（上方からの加熱）が小さすぎて、(6)式を導いたときの仮定が破綻してしまうためである。そこで、Kz=2、 $ 4cm^{2}/s $ の結果を主にみると、1250db～1500db付近においてYBでは極小、逆にJBでは極大となる、両海盆で非対称性なw分布が予測される。YBのBW近傍のw値は $ 1\times10^{-4}cm/s $ 前後であり、これは先に述べたSenjyu et al.(2005) $ ^{1)} $ の概算値とも矛盾しないオーダーの値である。一方、JBのBW近傍のw値は1オーダー小さな $ 10^{-5}cm/s $ 程度となる結果が予測される。

YBで予測されたw値の鉛直変化（Δw）は収束発散を意味し、YBの深層域が半閉鎖的と仮定すれば、連続の関係よりYB-JB間の境界にあるSL上には水平流が存在していなければならない。YBを矩形海盆で近似し、その海盆軸長を $ L_{x}(=500km) $ とするならば、Δwの鉛直分布より水平流速uは次式で計算される。

$$ u=-\frac{\Delta w\cdot L_{x}}{\Delta z} $$

図(4)-8(b)が(7)式を用いて計算されたSL上水平流速uの鉛直プロファイルである。計算された水平流速のオーダーは最大でも0.1 cm/s程度であり、1250db以浅の発散域ではJBからYBへの流入、1250db以深の収束域ではYBからJBへの流出が期待される。このようなSL上の水平流入流出はJB側の下層発散と上層収束とも定性的には繋がり、矛盾しない結果と思われる。

図(4)-8 YB(a)とJB(c)におけるDW領域の上向き鉛直移流wの鉛直プロファイル及びYBのwの収束発散から計算されたSL上の水平流速uの鉛直プロファイル(b)
BWの鉛直均一性及びそのPT上昇量は、上方からの熱拡散のみでは定量的に説明することは不可能であり、 $ 10^{2}mWm^{-2} $ オーダーの地熱流量の寄与を考慮しなければ説明できない。この地熱流量の寄与を想定した鉛直上向きの熱移流を考慮し、上述したように、両海盆のDW内PT上昇率の相違を説明する過程において、1250db以浅でJBからYBへの流入、1250db以深でYBからJBへの流出となるSL上の水平密度流の存在が推測された。このような水平密度流の存在は、2007年に実施したスナップショット海洋観測の塩分及び溶存酸素濃度の分布からも間接的に支持される。

## （３）BW形成に関する数値実験

最後に、底層フロントを挟む両海盆の密度差で駆動される密度流を非回転系静水圧モデルで表現する数値モデル実験を行った。モデルの一層目は水深500mを内部境界面とした還元重力に変更し、鉛直方向には21層のシグマ座標とした。初期場の塩分は全て34psu一定とし、水温は近年のDW領域の観測値を参考にして、指数関数的な水温鉛直プロファイルを計算領域一様に与え、BWは表現しなかった。モデル強制として、海底から250 mW/m²の地熱流量（本研究の概算値）を計算領域全体に与え続け、下方からの加熱による水温逆転（または、密度逆転）は対流調節により瞬間的に鉛直混合させた。数値積分はBWが存在しない初期場からBWが十分に発達する40年までとし、40年目の水温場のみを表示する。SL地形の影響を調べるために、一定水深3250mとした実験をケース1、SL地形を表現した実験をケース2とした。

水深一定のケース1の結果（図(4)-9(a)）は、海底加熱により海底近傍から鉛直対流が生じ、下方からのエントレインメントによって上方の成層水（DW）が取り込まれ、鉛直均一なBWが次第に発達し、40年後のBW-DWの境界水深は2000mにまで達することを示す。このケースでは水平密度勾配が存在しないので、水平密度流は全く励起されない。ケース1と同じ海底加熱条件でも、ケース2（図(4)-9(b)）ではSLが存在することにより、水深が異なる両海盆間の水平密度差で水平密度流が駆動される（ここでは流速場は示めさず、模式的な矢印で水平流を表現）。ケース1とは大きく異なり、駆動された水平密度流によって、ある水深以上のBWの発達が抑えられていることがわかる。この計算結果は観測されたPT断面図（省略）とも定性的にはよく似ており、0.01～0.03℃の水温勾配をもったSL上の底層フロントや両海盆で水深が異なるBW-DWの境界面が再現されている。JB側BWの上端はJBからYBへの水平流入の下部、YB側BWの上端はYBからJBへの水平流出の下部に位置し、これら流向の異なる水平密度流が両海盆におけるBW-DWの境界水深差を生じさせている。このような水温及び流れ分布パターンは、海底加熱強制がある限り維持される。これはSL上の水平密度差が両海盆のBW水温が共に上昇することで維持され、底層フロントを横切る定常的な水平密度流が発生しても、水温上昇する海底前線として底層フロントが常に存在し得るためである。
(a) Case 1

(b) Case 2

図(4)-9 (a)SL なし、(b)SL ありの PT 鉛直分布

## 5 ．本研究により得られた成果

## （1） 科学的意義

鉛直一次元の多層モデルは単純なモデルではあるものの、日本海深層水の水温やδ¹⁴Cの鉛直プロファイルの特徴を表現できる。そのモデル結果から、①日本海深層水の海水年齢（最大で平均年齢160年程度）を決める要因は沈降量ではなく、主に鉛直拡散係数である。②1℃以下の深層へ沈降する海水量は$p=4\%/yr$ 程度と推測され、この値は深層体積$1\times10^{6}\ km^{3}$ から流量換算にすると1.3Sv程度（対馬暖流の流量に匹敵）となる。なお、冷却に寄与する底への沈降量は0.05Sv程度である。③海洋観測の立場からは未知である深層域の鉛直拡散係数は、$2cm^{2}/s$ 前後であろうことが推定された。さらに、鉛直一次元モデルを3次元モデルに拡張した結果から、現在でも観測される鉛直均一で水温上昇する底層水（BW）が過去の一時期多量に形成された鉛直混合水の名残ではなく、海盆間の深層密度流により常に維持されていることが明らかになった。

## （２）環境政策への貢献

## ＜行政が既に活用した成果＞

特に記載すべき事項はない

## ＜行政が活用することが見込まれる成果＞

例えば、今回の福島原発事故により拡散した放射性物質の日本海深層への影響の有無を求められたとき、本モデルをImpulse応答問題として使用すれば、第一次近似的なレベルではあるものの、今後の予測は可能である。また、日本海深層水の現状把握という観点において、本研究で実施し
たような日本海全域を対象にした調査の継続は経費・時間・外交等の関係上、現実的には不可能であろう。本研究では、底層水が水温上昇しつつも、その水温鉛直均一性や一定層厚を維持する要因として、大和海盆-日本海盆間の浅瀬上に形成された底層フロントが大きく関与していることを明らかにした。この研究成果は、日本の領海内で最小限の経費で実施可能なモニタリング候補として、日本海深層水全体のリトマス試験紙的役割を演じる底層フロント近傍における底層水の継続的なモニタリングを提案するものである。

## 6 ．国際共同研究等の状況

特に記載すべき事項はない

### 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

## くその他誌上発表（査読なし）>

特に記載すべき事項はない

## （2） 口頭発表（学会等）

1) 磯田豊、荒巻能史、荘司堅也：2011年度日本海洋学会春季大会（2011）「日本海深層水の海水年齢」

2）荘司堅也、磯田豊、荒巻能史、久万建志、中塚武：2011年度日本海洋学会春季大会（2011）「日本海における大和海盆-日本海盆間の深層密度流」

3) 磯田豊、荒巻能史、荘司堅也：2012年度日本海洋学会秋季大会（2012）「日本海の深層水（1）海水年齢」

4) 荘司堅也、磯田豊、日比野祥、中野俊也：2012年度日本海洋学会秋季大会（2012）「日本海の深層水（2）底層水の形成」

5) 磯田豊：2013年度日本海洋学会春季大会シンポジウム「日本海および周辺海域でいま進みつつある環境の変化：その驚くべき実態に迫る！」（2013）

「日本海深層水の鉛直循環流」

## （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）2013年度日本海洋学会春季大会シンポジウム「日本海および周辺海域でいま進みつつある環境の変化：その驚くべき実態に迫る！」（2013年3月25日、東京海洋大学、参加者82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

### 8 \. 引用文献

1) Senjyu, T., Y. Isoda, T. Aramaki, S. Otosaka, S. Fujio, D. Yanagimoto, T. Suzuki, K. Kuma and K. Mori (2005): Benthic Front and the Yamato Basin Bottom Water in the Japan Sea. J. Oceanogr., 61, 1047-1058.

2) Takeoka, H. (1984): Fundamental concepts of exchange and transport time scales in a coastal sea. Continental Shelf Res., 3, 311-326.

3) Gamo, T. and Y. Horibe (1983): Abyssal circulation in the Japan Sea. J. Oceanogr. Soc. Japan, 39, 220-230.
# Mechanism Elucidation and Future Forecast on the Decreasing Trend of Dissolved Oxygen Concentrations in the Deep Water of the Japan Sea

Principal Investigator: Takafumi ARAMAKI

Institution: National Institute for Environmental Studies (NIES)

16-2 Onogawa, Tsukuba-City, Ibaraki 305-8506, JAPAN

Tel: +81-29-850-2124 / Fax: +81-29-850-2124

E-mail: ara@nies.go.jp

Cooperated by: Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology, Kyushu University, Hokkaido University

## [Abstract]

Key Words: Japan Sea, Global warming, Dissolved oxygen, Deep circulation, Numerical model

The Japan Sea is a marginal and semi-closed sea of the northwestern Pacific Ocean. Deep water of the sea is topographically isolated from the adjacent seas and is more oxygen-rich than those in the adjacent seas, which indicates more frequent deep ventilation in the Japan Sea itself. Historical data and recent observations show a centennial-scale oxygen decrease in the bottom water below 2000 m depth from about 250 $ \mu $ mol/kg in the late 1920s to about 200 $ \mu $ mol/kg at present. This oxygen decline implies stagnation of the bottom ventilation, which corresponds to a centennial-scale warming in the northern area of the sea where the bottom ventilation could occur.

About 2 $ \mu $ mol/kg/year of oxygen utilization rate in the bottom water was estimated by difference between the apparent oxygen decrease and oxygen supply which was derived from an increase in the bomb-produced radiocarbon in the bottom water. If the bottom ventilation ceases in the future due to the global warming, the bottom water of the Japan Sea will become anoxic in about one hundred years.

Modification processes of the Yamato Basin Bottom Water are investigated as a representative of the Japan Sea deep water. Vertical eddy diffusivity and its energy sources are revealed from the field observations, as well as the nature and rate of the water mass exchange between the abyssal basins.

The simultaneous quantification method of chlorofluorocarbons (CFC-11, CFC-12, CFC-113) and sulfur hexafluoride in 200mL of seawater was developed for analyzing chemical tracers as the seawater flow in the time scale of a few years to a few decades was developed to investigate the origin and the circulation mechanism of Japan Sea Bottom Water. Using the spatial distributions of CFCs and radiocarbon in the Japan Sea, we found that the scale of thermohaline circulation of the Japan Sea after 1975 have decreased by 21-30% in the deep water and 15-41% in the bottom water compared with those before
### 1975.

Selecting the parameters to represent vertical distributions of observed temperature and radiocarbon in the Japan Sea, the average age of deep circulation is calculated using a vertical one-dimensional multi-layered model. The results show that the maximum age and a reasonable vertical diffusive coefficient are about 160 year (depth of 2000m) and $ 2cm^{2}/s $ , respectively. A sinking volume transport to deep water below $ 1^{\circ}C $ is estimated by about 1.3 Sv, which corresponds to inflow volume transport of the Tsushima Warm Current.
A−1002日本海深層の無酸素化に関するメカニズム解明と将来予測

## 日本海底層水は

100年後に無酸素化する？

溶存酸素消費速度

2.0 μmol/kg/yr

現在の底層水中の溶存酸素濃度：195～200 μmol/kg

鉛直拡散係数の直接計測

直近40年で底層水形成量が激減

日本海深層における溶存酸素減少傾向の現状把握

無酸素化メカニズム解明

(酸素減少と底層水形成・循環との関係)

精緻化

鉛直拡散係数： $ 10^{-4} \sim 10^{-3} m^{2}/s $

深層において下層から上層に向かって伝播する近慣性周期の内部重力波が存在

・底層水形成量1975年以降, それ以前に比べて15～40％にまで減少

・海域によって異なる減少傾向

無酸素化傾向の将来予測
課題名 D-0901 熱帯林の減少に伴う森林劣化の評価手法の確立と多様性維持

課題代表者名 原田 光 （国立大学法人愛媛大学農学部森林資源学専門教育コース森林遺伝学研究室）

研究实施期间 平成21～23年度

累計予算額 219,272千円（うち23年度65,539千円）

予算額は、間接経費を含む。

研究体制

（１）生態系劣化評価１－繁殖構造による脆弱性の解析（大阪市立大学）

（２）生態系劣化評価２－土壌微生物を指標とした評価手法の確立（京都大学）

（３）遺伝的劣化評価１－地域集団の解析と多様性保全を目指した造林（愛媛大学）

（４）遺伝的劣化評価２－種および地域識別マーカーの開発と広域集団の解析（（独）森林総合研究所）

（５）遺伝的劣化評価３－稀少種および絶滅危惧種の解析（フタバガキの遺伝的変異）（九州大学）

（６）遺伝的劣化評価３－稀少種および絶滅危惧種の解析（マングローブの遺伝的変異）（福岡女子大学）

（7）遺伝的劣化評価3-稀少種および絶滅危惧種の解析（マダガスカル方式による多様性保全を目指した造林）（（財）進化生物学研究所）

## 研究概要

### 1. はじめに（研究背景等）

東南アジアの熱帯雨林は世界でも有数の生物多様性の高い地域とされるが、一方で伐採や、農地、プランテーションへの転換などの人為的要因により原生的な森林が過去半世紀のうちに急速に失われてきている。多様性の保全は地球温暖化対策と共に地球規模で議論すべき今後の大きな課題である。生物多様性は種、生態系、および遺伝子の三つのレベルでとらえられることが多いが、生態系の多様性や遺伝的多様性についてはまだ十分に理解されていないのが現状である。本研究プロジェクトではボルネオ島を中心とした熱帯多雨林樹木集団について遺伝子レベルで多様性の程度とその維持機構を解明すると共に、長期にわたる生態観測データの蓄積されているサラワク州ランビル国立公園とその周辺域の樹木集団の繁殖構造および土壌微生物の種構成について調べ、生態系の遺伝構造に変化をもたらす生態学的要因を明らかにする。遺伝的多様性の維持機構と生態系の多様性の創成機構について遺伝子という共通のツールを用いてアプローチすることにより相互の橋渡しをおこなう。これらが解明されればその裏返しである森林の劣化機構にも光を当てることができる。研究組織は前者としてⅠ.遺伝的劣化評価、後者としてⅡ.生態系劣化評価の研究グループを構成する。Ⅲ.多様性を維持した森林の再生では、これらの知見に立脚して造林試験を基本にした多様性回復の試みを行う。

## 2 ．研究開発目的

I. 遺伝的劣化評価ではフタバガキ科樹木を中心にボルネオ島全域の地域集団と、島嶼東南アジアの広域集団について、マイクロサテライトマーカー、葉緑体遺伝子マーカー、核遺伝子マーカーを用いた遺伝的変異の解析を行う。前者では局所的遺伝構造の解明を高密度に行い（サブテーマ3）、後者では広域分布種の概略的な遺伝構造の解明を目指す（サブテーマ4）。また、森林破壊の遺伝的多様性に及ぼす効果は端的に絶滅危惧種や稀少種に表出されていると考え、フタバガキおよびマングローブ樹種を対象に近縁の普遍種との対比において遺伝的多様性の評価を行う（それぞれサブテーマ5，6）。II. 生態系劣化評価では樹木集団の繁殖構造の違いにより森林攪乱に対する脆弱性が異なると考え、フタバガキ科樹木について個体群密度（高と低）と花粉媒介者（長距離と短距離）の違いの組合せについて遺伝的構造を原生林と二次林もしくは残存林のものとを比較する（サブテーマ1）。さらに
土壌微生物の組成が森林の劣化でどの様に変化するのかを天然林と残存林との比較により次世代シーケンスを用いたメタゲノム解析によって明らかにする（サブテーマ2）。二次林化することによって顕著に失われる、もしくは増加する細菌や菌類が見つかればこれを劣化の指標に出来る。これらの研究は共にランビル国立公園52ha調査区を中心に行う。さらにIII.多様性を維持した森林の再生では本研究の理論基盤に基づいて、森林破壊による負のスパイラルを逆に戻す試み、すなわち多様性の回復と維持を目的とした実験的造林をボルネオ島のフタバガキ林（サブテーマ3）およびマダガスカル乾燥林固有種（サブテーマ7）を対象に行う。

### 3. 研究開発の方法

## （１）生態系劣化評価１－繁殖構造による脆弱性の解析

## 1 ）攪乱に脆弱な繁殖特性の抽出

ボルネオ熱帯雨林（天然林）と隣接する扱伐残存林で主要フタバガキ科の局所空間遺伝構造と花粉散布距離をマイクロサテライトマーカーを使って分析し、遺伝的特性と各種の生態特性の関係を解析して、攪乱に脆弱な特性を抽出した。

## ２）攪乱に脆弱な生態特性の抽出

天然林に設置されている大面積調査区での10年間の動態データを解析し、伐採にともなう攪乱と乾燥の影響を受けやすいフタバガキ科樹種の生態特性を抽出した。

## 3 ）遺伝的劣化と個体群動態の長期的関連

上記で得られたフタバガキ科の遺伝データと動態データを組み入れた遺伝個体群動態モデルを用いたシミュレーションによって、択伐、断片化が遺伝的多様性に与える長期的影響を種ごとに評価し、長期的な遺伝的劣化のリスクが高い種の特性を抽出した。

## （２）生態系劣化評価２－土壌微生物を指標とした評価方法の確立

次世代シーケンサーにより得られた土壌微生物の大規模塩基配列データの解析により、健全林と劣化林における微生物の組成、多様性や代謝機能を比較し、熱帯林劣化状態に関連する微生物や遺伝子を特定し、森林劣化指標として確立することを目的とした。そのために、マレーシア（サラワク）、インドネシア（ジャワ、スマトラ）、シンガポール及び日本の様々な森林を調査地として選び、採集した土壌から抽出したDNAとmRNAを材料として、以下の解析を行った。

## 1 ）微生物組成と多様性の解析

抽出したDNAを鋳型として16SリボソームRNA領域（16S rRNA：細菌を対象）とリボソームRNA遺伝子間領域（ITS：菌類を対象）をPCR増幅し、次世代シーケンサ（Roche 454）によって塩基配列を決定した。得られた塩基配列を群集生態学的解析の手法を用いて、細菌および菌類の組成と多様性の地理的変異（上記東南アジアと日本）と時間的変化（サラワクと日本）を明らかにした。

## 2 ）微生物組成と代謝機能特性の解析

抽出したDNAのゲノムランダムショットガン配列を次世代シーケンサ（Illumina GAI）によって決定した。メタゲノム解析を行い、微生物組成を決定するとともに、土壤細菌の潜在的遺伝子機能を推測した。得られた結果をサラワク（5調査地）と日本（1調査地）の森林間で比較した。

## 3 ）メタトランスクリプトーム解析

サラワクと日本のそれぞれ1カ所の調査地の土壌から抽出したmRNAのランダムショットガン配列を次世代シーケンサ（Illumina HiSeq 2000）を用いて決定した。配列が由来する分類群と遺伝子機能を同定し、微生物群集において顕在化している機能とその発現を行う分類群組成を推定した。

## （３）遺伝的劣化評価１－地域集団の解析と多様性保全を目指した造林

## 1 ）遺伝的変異の解析

ボルネオ島を中心にしたフタバガキ地域集団の遺伝的変異の解析を行うため、Dryobalanops属全7種、テンカワン（Shorea属Pachycarpae節）7種、Shorea curtisiiおよびS. javanicaを対象樹種として、これらの集団サンプルをボルネオ島全域、マレー半島、スマトラ島、ジャワ島から採集した。遺伝的多様性に関して、葉緑体遺伝子領域（trnL-trnF、trnH-psbA-trnK、psbC-trnS、trnS-trnfM）および核遺伝子領域（PgiC、GapC、GBSSI、Met、SBE2）の塩基配列を決定し、変異の解析を行った。さらにShorea curtisii、S. javanicaおよび希少種であるDipterocarpus littoralisついてマイクロサテライト遺伝子座の変異を調査し、近交係数を含む遺伝的多様性指数を推定した。

## ２）多様性保全のための造林手法の開発

西、中央および東カリマンタンで多様性造林に用いるフタバガキ種子の採集を行いボゴールの苗畑に植え付けた。インドネシア、中部ジャワ州、ワナガマとケンダルの人工林に11個のプロットを設け、立木密度、樹高、胸高直径の測定を行い、林分構造と遺伝的構造を調べた。
## （４）遺伝的劣化評価２-種及び地域識別遺伝子マーカー開発と広域集団の解析

フタバガキ科Shorea属の種の識別を行うためにShorea属84種200個体を東南アジアから収集し、葉緑体DNAの4つの遺伝子間領域（trnL intron、trnL-trnF、trnH-trnK、psbC-trnS）の塩基配列を決定した。得られた塩基配列データを用いて近隣接合系統樹を構築した。また、地域識別の遺伝マーカー開発のために東南アジアのフタバガキ科のなかで広域に分布し、しかも比較的個体密度の高いShorea leprosulaおよびS. parvifoliaについてインドネシアおよびマレーシアの広域から材料の収集を行った。S. leprosulaでは葉緑体DNAで種内多型が見られた5領域（trnD-trnT、petB intron、petL-psbE、psbJ-petA、rps16-trnK）の塩基配列を用いて採取し、集団の解析を行った。また、S. parvifoliaでは種内多型が見られた2領域（psbJ-petA、trnQ-rps16）の塩基配列を用いて採取した集団の解析を行った。またS. leprosulaの24集団を、34遺伝子座のEST-SSRで解析した。またS. parvifoliaの13集団を14遺伝子座のEST-SSRで解析した。

## （５）遺伝的劣化評価３－希少種および絶滅危惧種の解析（フタバガキの遺伝的変異）

### 1 ）Pinus krempfii（希少種）とP. yunnanensis（普遍種）

ベトナムの6自然集団からとられたサンプルの、合計10カ所の遺伝子座、合計約9kbの領域の遺伝的変異について調査を行った。加えて、葉緑体マイクロサテライト（cpSSR）7遺伝子座およびミトコンドリアの遺伝子座（mtDNA）14カ所の配列も決定した。各集団内の遺伝的多様性および集団間の遺伝的分化について解析を行った。

### 2 ）Shorea balangeran（希少種）とS. leprosula（普遍種）

インドネシアおよび筑波植物園から採集した2種の苗木から得られたRNAを用いてcDNAライブラリを構築した。得られたライブラリに基づき、シロイヌナズナで保存されている領域の配列を参考にして、両種で共通して増幅するプライマーを設計した。遺伝マーカー領域の配列をRoche 454 sequencing systemを用いて解析を行い、得られたデータの集団遺伝学的解析を行った。

## 3 ）Myoporum bontioides（絶滅危惧種）

Myoporum bontioidesにおいて日本の8集団と中国1集団からサンプルを収集した。M. bontioidesのマイクロサテライト（SSR）マーカーを29設計し、ジェノタイピングを行った。さらに葉緑体DNAの5カ所を増幅するプライマーを設計し、塩基配列を解析した。

## （６）遺伝的劣化評価３－希少種および絶滅危惧種の解析（マングローブの遺伝的変異）

サンプルはオヒルギ（Bruguiera gymnorrhiza）、ヒルギダマシ（Avicennia marina）、マヤプシキ（Sonneratia alba）、オヒルギの近縁種（Bruguiera sexangula）を用いた。採集はマダガスカル、オーストラリア、西表島、インドネシア、タイ、ベトナム、インドで行った。葉からCTAB法を用いて全DNAを抽出した。核遺伝子10領域、葉緑体遺伝子3領域をPCRで増幅し、必要に応じてクローニングを行った。これらの塩基配列を決定し、この配列情報をもとに集団遺伝学的解析を行った。

## （7） 遺伝的劣化評価3－希少種および絶滅危惧種の解析（マダガスカル方式による多様性保全を目指した造林）

マダガスカル南部固有の乾生林は、種の固有率が90％を超し、稀少かつ絶滅が危惧される地球上に類を見ない植生である。この森で20年間にわたり森林の復元保全に取り組む日本のNGOの活動は、造林手法のみならず森林保全と住民生活の両立により持続性を目指す点で独自性があり、多大な成果を収めてきた。この活動につき自然科学と社会科学の両面から調査解析を行い、条件の異なる他地域にも適用し得る森林復元保全のガイドラインを策定する。

## 4 ．結果及び考察

## （１）生態系劣化評価１－繁殖構造による脆弱性の解析

## 1 ）攪乱に脆弱な繁殖特性の抽出

フタバガキ科種個体群の局所的空間遺伝構造は、種子散布距離、送粉者、及び、成木の空間配置と関係があり、種子散布、送粉距離が短く、成木が小さな集中斑に分割されている種ほど遺伝的に類似した個体が集まっていることが明らかになった。また、飛翔力の高いミツバチが花粉を運ぶ種では、成木の間隔が離れると送粉距離が延びるのに対し、飛翔力が低い甲虫倍の種では間隔が離れても送粉距離は変わらなかった。

## ２）攪乱に脆弱な生態特性の抽出

攪乱と乾燥による死亡率が高いフタバガキ科樹種は、より湿潤な立地を好適ハビタットとし、高い回転率と早い成長速度で個体群を維持している種であることが明らかになった。

## 3 ）遺伝的劣化と個体群動態の長期的関連

択伐、断片化が遺伝的多様性に与える長期的影響が大きい種は、元々個体群が小さな集中斑に分
かれていて、局所的空間構造が顕著な種であった。

## （２）生態系劣化評価２－土壌微生物を指標とした評価方法の確立

2009年度はマレーシア・サラワク州5カ所と日本1カ所について、土壌採集とDNA抽出を行い、16S rRNAとゲノムランダムショットガン配列の解析を行った。両配列の解析から得られた細菌組成（門レベル）は、Acidobacteria,とProteobacteriaが全ての調査地において優占的細菌であったが、全ての分類レベルで分類群の頻度の不均一性が調査区間で検出され、調査森林特異的な細菌種が極めて高頻度で存在することが明らかになった。これらのことは、高次の分類群では森林の環境自体は細菌組成に大きな影響を与えないが、調査区特異的な要素が存在することを意味する。また、16S rRNAの解析によって推定された細菌群集の種多様性は、ランビル谷部と芦生演習林で最も高く、バカム二次林や火災被害林がランビル尾根部やバカム残存林よりも高かった。これは土壌微生物多様性と森林生態系の違い（熱帯林vs.冷温帯林、自然林vs.劣化林）に明確な関係がないことを示唆する。ゲノムランダムショットガン配列の解析から推定された潜在的な代謝機能は、全ての調査区においてElectron transport、Translation、Metabolic process、Proteolysis、Carbohydrate metabolic processの5プロセスが上位を占めた。この結果は調べた土壌微生物群集の潜在的機能は調査区間で共通していることを意味している。

2010年度から2011年度にかけては、インドネシア、シンガポール、日本（伊吹山）とサラワクの上記以外の合計29調査森林からの土壌採集とDNA抽出を行い、また時間的変化を解析するために、2009年度に調査した6調査区において、ほぼ半年間隔の土壌採集・DNA抽出を行って16S rRNA（細菌）とITS（菌類）領域について比較解析した。細菌組成については優占分類群の存在などについては初年度と同様の結果が得られたが、土壌pHが組成に強く影響することが判明した。細菌多様性は地理的に大きなばらつきがあるとともに、調査区特異的細菌種の存在が確認された。細菌組成は、時間的に一定ではなく変化するが、その変化パターンに明確な規則性は検出できなかった。また細菌組成は時間的変化よりも地理的変異の方が大きいことが判明した。菌類の組成は、細菌と同様に優占分類群が調査区間で共通するが、森林タイプの間で細菌よりも著しく大きな不均一性が検出された。このことは、菌類は細菌よりも森林環境に大きく影響されることを示唆している。また、菌類の多様性（Chao1 指数： $ 10^{3} $ ）は細菌の多様性（ $ 10^{4} $ ）よりも低いことが判明した。

初年度に行った解析によって、調査した微生物群集の潜在的機能は共通しているという結果が得られたため、2011年度には実際に発現している遺伝子（mRNA）を決定し、森林環境と関連した遺伝子（機能）を同定することを目的にメタトランスクリプトーム解析を行った。ランビル尾根部と芦生の土壌から抽出した微生物mRNA配列について推定された微生物組成は、優占分類群が両調査区でも類似しており、発現している遺伝子群の組成にも大きな違いは検出されなかった。一方で、土壌微生物群集の潜在的な機能と顕在化された機能に違いがあることが明らかになった。ただし、これらの結果は得られたデータの3％を解析したものであり、最終的な結論を得るためには現在進行中の全データの解析結果を待つ必要がある。

## （３）遺伝的劣化評価１－地域集団の解析と多様性保全を目指した造林

## 1 ）遺伝的変異の解析

Shorea属4種およびDryobalanops属7種の葉緑体および核DNAの塩基配列データを解析し、遺伝的変異および遺伝的分化の程度を推定した。葉緑体DNAのAMOVA分析の結果、S. curtisiiとD. beccariiはマレー半島とボルネオの集団間で高い分化が観察されたのに対し、D. aromaticalは地域間、地域内集団間のいずれにおいても有意な遺伝的分化が見られなかった。一方、ボルネオ固有種であるS. beccarianaとS. macrophyllaは地域内集団間で高い遺伝的分化が見られた。このように、遺伝的変異の地理的パターンと集団分化の程度は対象種の間で異なっていた。核遺伝子の遺伝子多様度は種ごとで異なり、0.17-1.10%の範囲を示した。

## ２）多様性維持を目指した造林試験

中部ジャワにおいて43年生チークおよびマホガニー人工林の林分調査を行った結果、チーク林で3層の、マホガニー林で2層の階層構造が認められた。両林分の階層ごとに遺伝子解析に資する葉のサンプルを採集し、DNAを抽出した。

## （４）遺伝的劣化評価２－種及び地域識別遺伝子マーカー開発と広域集団の解析

種識別ではShorea属の84種、200個体について葉緑体DNAの4領域（trnL intron（506 bp）、trnL-trnF（441 bp）、trnH-trnK（1780 bp）、psbC-trnS（1559 bp））の塩基配列を解読した。得られたデータから、材の分類で言われているRed Meranti、Yellow Meranti、White Meranti、Balauの4つのグループは明瞭に識別が可能であった。種間で同じ塩基配列を持つものも存在し、それらは種間の組み合わせで1.64%存在したが、ほとんどの種は識別可能であった。また種内多型の存在も明らかな複数個体を
用いた47種のうち28種で種内多型が確認された。

また地域識別の研究では、マレーシア及びインドネシアの広域に分布するS. leprosulaの遺伝的分化を調査した結果、ボルネオ島の集団とそれ以外（マレー半島、スマトラ島）で大きな遺伝的な違いが見られた。葉緑体DNAの5領域（合計4393bp）を解析した結果、21のハプロタイプが検出された。集団間の遺伝的な違いを表す遺伝子分化係数は $ F_{ST}=0.5851 $ と高い値を示した。また、S. parvifoliaの遺伝的分化の程度はS. leprosulaに似ていたが、遺伝的分化係数は低い値であった。このことから、S. leprosulaについては、葉緑体DNAの多型データで大きな地域の産地識別はある程度可能であることが示された。核DNAのEST-SSRで解析した結果では、S. leprosulaの場合、遺伝子分化係数は低いが $ (F_{ST}=0.0671) $ 、ボルネオ島の集団とそれ以外が明瞭に分化していた。S. parvifoliaでは核のDNAマーカーでは同様にボルネオ島とそれ以外（マレー半島とスマトラ島）が遺伝的に分化していたが、遺伝子分化係数は $ F_{ST}=0.160 $ と葉緑体に比べ低かった。本研究で得られたデータでは広域分布種であるS. leprosulaとS. parvifoliaはボルネオ島とその他の地域（スマトラ島とマレー半島）で明瞭に遺伝的に分化していた。産地識別は、この大きな地域では可能であることが示された。

## （５）遺伝的劣化評価３－希少種および絶滅危惧種の解析（フタバガキの遺伝的変異）

## 1 ）Pinus krempfii（希少種）とPinus yunnanensis（普遍種）

P. krempfiiのハプロタイプ多様度は、アジアに広く分布している他のマツ科の3種（P. tabuliformis、P. densata、P. yunnanensis）と比べるとおよそ50%低い値であった。塩基多様度を比較してみてもP. krempfiiの多様性は他の3種よりも非常に低い。集団間で比較したところ、遺伝的分化が進んでいることが明らかになった。さらにP. krempfiiの種子サンプルを収集し調べたところほとんどすべての種子の中身が空であった。自殖による適応度低下の状態にもあるということができる。

## 2 ）Shorea balangeran（希少種）とShorea leprosula（普遍種）

Shorea balangeranとShorea leprosulaそれぞれからcDNAライブラリの構築を行った。得られた配列のうちそれぞれ2682配列、2904配列について機能を推定することができた。これらの配列のうち、438配列は両種に共通して存在しかつ機能を推定することができたものである。96遺伝子座に絞り込み、次世代シーケンサーRoche FLX 454を用いて配列の解析を行った。遺伝的変異量を求めたところ、遺伝子座ごとに大きなばらつきが観察された。

## 3 ）Myoporum bontioides（絶滅危惧種）

10カ所の核SSRマーカーを用いた研究では、遺伝的変異を検出することができなかった。同様に、5カ所の葉緑体遺伝子領域においても、1サンプル1遺伝子座（trnL-trnF領域）を除き、変異を検出することができなかった。要因としては、日本のM. bontioidesは分布の端に位置するという事実と、人為的な影響により生息域の急激な現象にさらされたという点を挙げることができる。

## （６）遺伝的劣化評価３－希少種および絶滅危惧種の解析（マングローブの遺伝的変異）

オヒルギ全集団における核遺伝子10領域の平均の塩基多様度（$p$）は0.0078で、葉緑体遺伝子1領域の塩基多様度は0.00008であった。この結果は、核遺伝子の方が葉緑体遺伝子より高い多様度を持つことを示す。遺伝的多様性、集団構造の解析には、核遺伝子の方が葉緑体よりも有効であるということが示唆された。各集団における核遺伝子10領域の平均の塩基多様度は、0（インド2地点）～0.004（ベトナム）であり、集団ごとに変異量に差異があることがわかった。種としての変異量0.0078は樹木のみならず草本種を含めた他の植物種と比べても見劣りするものではないが、インド2地点のように集団内に変異が認められない場合が見つかった。これらの集団は環境変化に対して脆弱である可能性が考えられる。AMOVAによる集団構造解析の結果、FSTは0.853であり、集団間に遺伝的分化があることが明らかになった。さらに、STRUCTUREによる集団構造解析によって以下の3つの地域集団A、B、Cに分かれることが示唆された。それらは、A：マレー半島東部～バリ島、B：オーストラリア、C：マレー半島西部～インド～マダガスカル島である。地域集団AとB間、地域集団BとC間では遺伝的流動の存在が示唆されたが、遺伝的に異なる地域集団をまたぐような植林は避けることが望ましいと考えられる。

## （7） 遺伝的劣化評価3－希少種および絶滅危惧種の解析（マダガスカル方式による多様性保全を目指した造林

調査地において従来から行われてきたAlluaudia proceraの挿し木による造林は極めて効率良く成果を収めてきた。本種は雌雄異株のため周囲の自然林からの送粉による次世代は遺伝的多様性の回復が望めるが、そうでない樹種では種子繁殖が望ましい。そこで、種子を土球に包埋するシードボール発芽法の導入試験を行い、試験開始1年後に生存率を調査した。調査の便宜のため平坦な陽地に設けた試験圃場では生存率が極めて低かったのに対し、任意に放置した被験外の残余シードボールは特に樹陰で数多く発芽生存しており、前駆林の存在が極めて有効と考えられる。このことは自然環境の異な