Silviase/jgov_v1.4_full_ann huggingface dataset:
(4) シンポジウム, セミナー等の開催 (主催のもの) 特に記載すべき事項はない

（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) T. ISE, A.L. DUNN, S.C. WOFSY, and P.R. MOORCROFT : Nature Geoscience 1, 763-766 (2008)

“High sensitivity of peat decomposition to climate change through water-table feedback.”

2) T. ISE, A.L. DUNN, S.C. WOFSY, and P.R. MOORCROFT. In: S.W. SIMARD and M.E. AUSTIN, eds, Climate Change and Variability, Croatia, Sciyo (2010)

“Simulating peatland methane dynamics coupled to a mechanistic model of biogeochemistry, hydrology, and energy: Implications to climate change.”

3) 木村しずか, 榎本浩之, 戸城亮, 金龍元, 斉藤佳彦: 北海道の雪氷, No.25, 36-39 (2006)

「AMSR-E を用いたアラスカの融雪の観測」

4) M. MORI, T. ISE, M. KONDO, Y. KIM, H. ENOMOTO and M. UCHIDA: Open Journal of Ecology 2, 2, 90-95, (2012)

"The effect of the feedback cycle between the soil organic carbon and the soil hydrologic and thermal dynamics"
(3) 温室効果ガスのフラックス観測とその起源の定量的評価に関する研究

筑波大学

生命環境系　　內海真生

平成22～24年度累計予算額：6,900千円（うち、平成24年度予算額：2,000千円）

予算額は、間接経費を含む。

[要旨]

北半球高緯度に多く存在する湿地など土壌含水率が高く有機物が豊富な環境は嫌気環境下になりやすく、嫌気環境下で有機物の最終分解産物として産生されるメタンも二酸化炭素と同様に温暖化現象への影響が無視できない。アラスカ北極高緯度地域は、これまで冷涼な気候の影響を受け土壌中に大量の有機炭素が蓄積されてきた。生物活動は一次的に温度に大きく影響を受けることから、モデル計算から予測される急激な温度上昇が同地域で生じた場合、炭素循環の様相が大きく変化することが懸念される。従って、現在の気候区分や植生毎の二酸化炭素（土壌呼吸）やメタンのフラックス、土壌中の微生物群集構造をまず明らかにし、今後の気候変動でそれらがどのように変化するのかをモデルに組み込む作業も重要な研究課題である。本サブテーマでは、北極高緯度域の土壌有機炭素の中・長期的な動態を再現するモデルの開発とその高精度化に資するデータ収集を目的に、アラスカ北極域陸上生態系の現地観測を行い、気候区や植生の違いに対する二酸化炭素およびメタンフラックスの変化と各調査点での土壌微生物群集構造を明らかにするための調査を行った。2010年、2011年、および2012年の夏期に植生区分等を基準に設定した定点調査点をアラスカ北極圈の気候植生区に対応させ決定した。次に各調査点で現地調査を実施し、土壌呼吸、メタンフラックス、土壌物性、土壌微生物群集構造の測定および解析を行った。3年間の調査研究から、アラスカ北極高緯度地域は温帯森林などと比較して夏期土壌呼吸速度は小さいこと、土壌呼吸速度と土壌温度に正の相関関係が認められること、比較的新しい火災跡地が高いメタンシンクとなっていること、土壌微生物群集は調査点によらず特定の細菌種が存在し、同一点でも深度に応じ群集構造が変化していること、などが判明した。

[キーワード] アラスカ北極域、炭素循環、土壌呼吸、メタンフラックス、土壌微生物群集構造

### 1. はじめに

地球温暖化に伴う気候変動が自然界のフィードバックを介して最も顕著に現れるのが、北極圈およびその周辺地域であると報告されている $ ^{1} $ 。北極・高緯度域土壌圏における炭素動態解明に関する観測研究は、アラスカ、シベリア永久凍土地帯ともにスナップショット的な事例が多く、温暖化による北極高緯度の環境変化に関する研究必要性が高まる中、継続的な炭素循環研究の実施が強く求められている。低温および嫌気的条件によって分解が抑制され、大量の炭素ストックを抱えた北極土壌圏は、近未来に著しい気温上昇が生じた際には、土壌微生物群集の代謝活性増加に伴う活発な有機物分解により温室効果ガス放出のホットスポットとして機能する可能性が高
いことが指摘されている $ ^{2)} $ し、気候と炭素循環との関係の中で高いフィードバックを与える環境になる可能性は非常に大きく、その炭素動態モデルの開発は緊急かつ極めて重要な課題である。しかしながら、広範囲の現地観測研究例は乏しい。また、土壌呼吸やメタンフラックスに大きく影響を与える土壌微生物群集構造についてはほとんどわかっていない。

そこで、本サブテーマは、北極高緯度域の土壌有機炭素の中・長期的な動態を再現するモデルの開発とその高精度化に資するデータ収集を目的に、アラスカ北極圈陸上生態系の現地観測から、気候区や植生の違いに対する二酸化炭素およびメタンフラックスの測定と、各観測点での土壌微生物群集構造を明らかにすることを目標に掲げ実施した。

## 2 ．研究開発目的

北極土壌炭素動態モデルの開発に資するデータを取得することを目的に、特にメタンに注目し植生毎のメタンフラックスおよび土壌中のメタン生成古細菌およびメタン酸化細菌群集を含む微生物群集構造を明らかにし、土壌の有機物組成や微生物膜脂質情報などと比較解析を行うことで、高緯度の各種土壌生態系におけるメタン起源の定量化に資する研究を行う。その目的達成のため、アラスカ北極域の研究対象観測地点において現地調査および観測を行い、構築する炭素動態モデルの基礎となる重要な北極圈土壌における炭素動態に関する知見を得る。

## 3 ．研究開発方法

## (1) アラスカの研究対象地での観測点の決定

研究題目にある北極高緯度土壌圏での観測に際し、アラスカ北極圏を研究地として設定した。北極高緯度域土壌圏は、タイガ林から北極海に面するツンドラまで植生が緯度の増加に伴い変遷している。気候区および植生の違いは土壌圏に大きく影響を与え違いを生じることから、北極高緯度域を対象とする調査研究では調査地の選定は重要な項目となる。アラスカ北極圏は、北極海油田開発に伴い、北極海に面したデッドホースから石油輸送用パイプラインがフェアバンクスを経由し建設された際、パイプライン沿いにパイプラインメンテナンスおよびデッドホースへの資材運搬用にダルトンハイウェイが建設されており、本研究課題を実施するに当たり最適な候補地であった。

2010年夏の現地調査開始時に、地質図および植生図と予備的に実施した調査結果を参照に、本研究で継続的に観測を実施するための定点調査点をアラスカ北極圈の気候植生区に対応させ決定した（図(3)－1）。調査点は、フェアバンクス周辺部のアラスカ大学が保有する観測サイト2点（フェアバンクス校校内のフラックス観測サイト（UAF）およびフェアバンクス校から北東に60 km離れた森林火災跡地にあるポーカーフラットフラックス観測サイト（PF））および北極圈の気候植生区分に対応した観測のためフェアバンクスからデッドホースまで延びるダルトンハイウェイ沿いを植生区分に応じて設定した（ホワイトスプルース森林サイト（GC）、森林限界植生サイト（TZ）、山岳（ブルックスレンジ）ツンドラサイト（SAT）、アップランドツンドラサイト（UT））。また、ダルトンハイウェイから分岐するエリオットハイウェイ沿いのタイガ林火災跡地（2010年に森林火災発生）について観測点（EH）を設け、2011年夏期に現地調査を実施した。
図(3)-1.アラスカ北極圈定点調査点の地図と写真.

地質図および植生図と予備調査結果を元に決定した。Fairbanks、Wiseman、Deadhorseは都市、集落名。UAF：アラスカ大学フェアバンクス校内フラックス観測サイト、PF：アラスカ大学フェアバンクス校所有ポーカーフラットフラックス観測サイト、GC：森林サイト（シロトウヒ林）、TZ：森林限界サイト、SAT：山岳ツンドラサイト、UT：アップランドツンドラサイト。この他に、エリオットハイウェイ沿いの森林火災跡地にEH：火災跡地サイト（65°23.26N、148°56.30W）で2011年現地観測を実施。
## (2) 温室効果ガスのフラックス観測とその起源の定量的評価に関する研究

2010年8月27日から9月13日、2011年8月26日から9月11日、2012年8月25日から9月11日のそれぞれの期間、アラスカ州フェアバンクスにあるアラスカ大学フェアバンクス校を起点とするアラスカ北極圈現地調査を実施した。

3年間の現地調査期間中、決定した定点調査点において、空間的ばらつきを考慮した多測点（1調査地点で最低10点の測定）での土壤呼吸（ $ CO_{2} $ flux）測定（ポータブル型土壤呼吸測定装置（EGM-4）による測定）、チャンバー法を利用した土壤フラックスガス同位体濃度測定用試料採取および真空バイアルビンによる $ CO_{2} $ および $ CH_{4} $ flux測定用試料採取、土壤物性および微生物群集構造解析用の深度別土壤試料採取を継続的に行った。

CO₂およびCH₄ flux測定用試料採取用10 mL容量バイアルビンは、日本にて真空引き（5 psu以下）したものを用いた。チャンバー法によるflux測定では、測定開始時（0 min）、15 min、30 min、60 minの各時間にチャンバー内ガス試料をシリンジで採取し、3本の真空バイアルビンにそれぞれ加圧状態になるよう分注した。土壤物性測定用試料は、5 cmのステンレス採土缶を使用し、各調査点の代表点3点程度の土壤を垂直方向に2もしくは3深度分採取し、採土缶上下をステンレス製フタで密封して保管した。微生物群集構造解析用の深度別土壤試料は、土壤試料採取の為に各調査点にてシャベルを使用して穴を掘った後、1面の土壤断面を整形した後、定規で深度を確認しながら滅菌したエッペンドルフチューブ（2 mL容量）に一定量の土壤を採取し、直ちに核酸安定剤を添加してから冷凍保存した。現地調査で採取した土壤、微生物群集構造解析用の深度別土壤試料、真空バイアルビン等の各試料については、保存状態に気を配りながら冷蔵もしくは冷凍状態を保持し日本の実験室に持ち帰った。

2011年夏の現地調査時に、土壌中の微生物代謝活性を明らかにすることを目的に開発されたCotton strip assay法を行うため、定点調査点（UAF、PF、GC、TZ、SAT、UT）に日本で準備しておいたセルロース分解活性測定用の綿布を動物補食保護用のプラスチックシートでカバーした状態で各調査点土壌に環境を乱さないように工夫した方法を用い垂直挿入設置した（図(3)－2）。1年後の2012年夏の現地調査時に、1年間埋設させた綿布を各調査点より回収した。回収した綿布は、現地にて丁寧に洗浄し付着している土壌等をきれいに取り除いた後、乾燥させた状態にして日本に持ち帰った。
# 土壤微生物活性测定: セルロース分解活性

a)

b)

c)

d)

図(3)-2. Cotton strip assay法の為の綿布試料埋設作業

a) 独自作成した埋設用器具に装着されたカバー付綿布、b) 現地での布埋設作業、c) 埋設された綿布試料の状態写真（SATサイト）、d) 埋設された綿布試料の状態写真（UAFサイト）.

持ち帰った土壌呼吸 $ \left(\mathrm{CO}_{2}\mathrm{flux}\right) $ および $ CH_{4} $ flux測定用真空バイアルビンガス採取試料について、ガスクロマトグラフ（GC-FID,TCD）を用いて $ CO_{2} $ および $ CH_{4} $ 濃度測定を行い、時間経過に伴うチャンバー内ガス濃度変化より各調査点の $ CO_{2} $ および $ CH_{4} $ fluxを算出した。測定に使用したGC-FID、TCDは大気レベルの $ CO_{2} $ および $ CH_{4} $ を1回の少量試料（0.5-1.0 mL）注入で測定出来る様に、FID検出器とTCD検出器の2つの検出器が備わっているGCの測定ラインに改良を加えた（図(3)－3）。

図(3)-3．大気レベル濃度 $ CO_{2} $ 、 $ CH_{4} $ 同時測定システム

$ CH_{4} $ と $ CO_{2} $ のリテンションタイム差を利用し、FID検出器で $ CH_{4} $ を、TCD検出器で $ CO_{2} $ を検出する様に配管ライン変更を自動で行うことが出来るGCシステム.
各調査点採取土壌に関して、5cm間隔でvolume water content (%)、solid phase content (%)、total dry weight (%)、bulk density (g cm⁻³)で表される土壌物性を求めた。また、深度別（0-1 cm、5-6 cm、10-11 cm、15-16 cm、20-21 cm）に採取し冷凍保存して持ち帰った土壌試料からDNAを抽出し、各定点調査点の土壌中微生物群集構造情報を得ることを目的にT-RFLP（Terminal Restriction Fragment Length Polymorphism Analysis：末端断片長多型）解析を行った。土壌からの微生物DNA抽出には土壌中DNA抽出キット（ISOIL for Beads Beating）を使用し、マニュアルに従って作業を行った。抽出したDNA試料について、真正細菌については27fFAM-1492rプライマーセット、古細菌についてはA109fFAM-1492rプライマーセットを用いてPCRにより16S rDNAを増幅させた後、PCR産物のみ精製した。精製した各PCR産物について、制限酵素処理を行い断片化し、シーケンサーを用いて電気泳動処理を行った。

図(3)-4. 微生物群集構造解析手法のフローチャート

2012年夏の現地調査時に回収し、洗浄・乾燥後日本に持ち帰った綿布試料については、深度方向に土壌表面から1cm間隔の短冊布試料を作成した後、恒温（25℃）恒湿（湿度59%）に設定された環境制御室に1日間静置した後、環境制御室内に設置されている引張・圧縮試験機（オリエンテック、STA-1225）を使用して引っ張り強度試験（引張速度：5 mm min $ ^{-1} $ ）を行い（図(3)-5）、未挿入の綿布試料に対する引っ張り強度の減少率を利用して各深度の1年間の相対的なセルロース分解活性を求めた。
b)

図(3)-5. 綿布試料引っ張り強度試験

a): 土壤表面から1 cm間隔でカットされた綿布試料 右は未使用の綿布 b): 環境制御室内の引張・圧縮試験機（オリエンテック、STA-1225） c): 引っ張り強度試験の様子

## 4 ．結果及び考察

## （１）アラスカの研究対象観測地点において現地調査および観測の実施

2010年夏の初めての現地調査において、安全に十分な配慮を配りつつ現地調査を計画・実施した結果、各定点調査点での現地測定および試料採取に成功した。研究初年度である2010年には、現地調査と同時並行して、ダルトンハイウェイの道路状況、ネイチャーセンターなどの情報収集可能箇所および給油地点についても確認し、以降2年間の研究期間中の現地調査を安全でスムーズに実施可能となる体制を構築した。フェアバンクスおよびダルトンハイウェイ中間地点のWisemanを中間基地とすることで縦断観測を計画的に行うことが可能となった。

## （２）温室効果ガスのフラックス観測とその起源の定量的評価に関する研究

UAF、TZおよびUTの土壌断面写真について図(3)-6に、各定点調査点の表層土壌物性測定結果を表(3)-1に示す。火災跡地であるPF調査点土壌は、火災による表層土壌有機物の消失と灰分たい積効果により、植生のない表層（0-5 cm）および植生の有無にかかわらず5-10 cm深度の固相率（solid phase content）が他の調査点（UAF、GC、TZ、SAT）よりも高い値を示した。GC、TZおよびSATの各地点の有機土壌層はいずれも浅く15 cm以下であった。PFおよびGCでは、有機土壌層の下層には砂および礫層が存在し、UAF、TZおよびSATではシルト層が確認された。また、UAFおよびSATでは地下水位が深度20 cm程度に存在していた。
図(3)-6. 調査点（UAF、TZ、UT）の土壌断面写真

Humic layerの下層深度は、土壌表面よりUAF：ca.21 cm、TZ：ca.15 cm、UT：ca.7 cm

表(3)-1．2010年夏期アラスカ調査で採取した各調査地点の表層土壌物性

site	soil depth (cm)	volume water content (%)	solid phase content (%)	total dry weight (g)	bulk density (g cm^{-3})
UAF	0 - 5	72	11.03	11.57	0.12
PF (moss)	0 - 5	37	58.28	44.47	0.44
5 - 10	38	72.68	86.49	0.86
PF (bare)	0 - 5	23	30.75	28.62	0.29
5 - 10	31	70.88	107.71	1.08
GC	0 - 5	36	14.18	28.88	0.29
5 - 10	59	19.29	39.37	0.39
10 - 15	61	29.74	70.75	0.71
TZ	0 - 5	34	9.65	27.37	0.27
5 - 10	28	34.79	71.70	0.72
SAT	0 - 5	74	13.12	22.75	0.23
5 - 10	69	17.25	30.49	0.30

※1．値は全て2～4試料の平均値。

※2. UAF：アラスカ大学フェアバンクス校内フラックス観測サイト、PF (moss): アラスカ大学フェアバンクス校ポーカーフラット火災跡地フラックス観察サイトの優占植生コケの地点、PF (bare): アラスカ大学フェアバンクス校ポーカーフラット火災後地フラックス観察サイトの地表植生無しの地点、GC：森林サイト（シロトウヒ林）、TZ：森林限界サイト、SAT：山岳ツンドラサイト。

各定点調査点で測定した土壌呼吸速度 $ (\mathrm{CO}_{2} \text{ flux}) $ は、同じ調査地点でもチャンバー内の植生や地表面環境の違いに伴い大きく変化していた（例えばUAFでは0.04から0.66 g CO₂ m⁻² h⁻¹）（図(3)-7,8）。また、PF、EHの火災跡地の土壌呼吸速度は、森林植生のあるGCと比較して小さく、同一地点内の場所によるばらつきも小さかった（EH：0.04から0.35 g CO₂ m⁻² h⁻¹）。日中に測定した縦断
観測点に関しては、山岳ツンドラ（SATサイト）の土壌呼吸速度が他の観測点と比較して低い値を示したこと、比較的標高の高い森林限界（TZサイト）で比較的高い（0.1から0.5 g CO₂ m⁻² h⁻¹）土壌呼吸速度が観測された。

観測点全体としては、特に縦断観測での調査地点間では表面植生の違いによるばらつきはあるものの、地下5 cm地温と土壌呼吸速度との間に正の相関関係が認められた。一方、火災跡地（PFサイトおよびEHサイト）の土壌呼吸速度と地下5 cm地温との間には明確な相関は認められなかった。

図(3)-7. 2010年夏期アラスカ調査で測定した土壌呼吸速度と土壌温度（深度5cm）の関係GC：森林サイト（シロトウヒ林）、SAT：山岳ツンドラサイト、UT：アップランドツンドラサイト.
図(3)-8.2011年夏期アラスカ調査で測定した土壌呼吸速度と土壌温度（深度5cm）の関係 UAF：アラスカ大学フェアバンクス校内フラックス観測サイト、PF：アラスカ大学フェアバンクス校所有ポーカーフラットフラックス観測サイト、GC：森林サイト（シロトウヒ林）、TZ：森林限界サイト、SAT：山岳ツンドラサイト、UT：アップランドツンドラサイト.

各定点調査点の$\mathrm{CH_{4}~flux}$を表(3)-2および表(3)-3に示す。黄色のマーカーは、火災跡での結果を示している。2010年および2011年のどちらの年の現地調査においても、火災跡地であるPFおよびEHでの測定ではほぼ全ての測定でマイナスの値を示した。また、大気$\mathrm{CH_{4}}$のシンクとして文献報告のある寒帯森林土壤（本研究ではGCサイトが該当）でもマイナスの値を得たが、火災跡地の数値を比較し小さいものであった。これらの結果から、火災跡地土壤が一般的な寒帯森林土壤（GC）よりも大きな$\mathrm{CH_{4}}$のシンクとして作用している可能性を強く示しているものである。従って、火災発生後の植生回復と$\mathrm{CH_{4}~flux}$変化との関係を明らかにするなど、森林火災後の経年変化観測を今後推進していく必要がある。
表(3)-2．2011年夏期アラスカ調査時の各調査地点のCH_{4} flux

sampling date	site	CH4 flux (mg CH4 m−2 h−1)
min.	max.
2010.07	UAF	-0.003	0.003
PF	-0.043	-0.001
2010.08	PF	-0.101	-0.044
2010.09	UAF	-0.047	0.492
PF	-0.082	0.004
GC	-0.001 (n=1)
TZ	-0.030 (n=1)
SAT	0.036 (n=1)
UT	0.484 (n=1)

UAF：アラスカ大学フェアバンクス校内フラックス観測サイト、PF：アラスカ大学フェアバンクス校所有ポーカーフラットフラックス観測サイト、GC：森林サイト（シロトウヒ林）、TZ：森林限界サイト、SAT：山岳ツンドラサイト、UT：アップランドツンドラサイト.
表(3)-3．2011年夏期アラスカ調査時の各調査地点のCH_{4} flux

sampling date	site	CH4 flux (mg CH4 m-2 h-1)
min.	max.
2011.06	UAF2	0.004 (n=1)
PF (moss)	-0.040 (n=1)
PF (bare area)	-0.041 (n=1)
2011.07	UAF2	0.022 (n=1)
PF (moss)	-0.066 (n=1)
PF (bare area)	-0.120 (n=1)
EH1 (bare area)	-0.022 (n=1)
2011.09	UAF1	-0.015 (n=1)
UAF2	0.156 (n=1)
GC	-0.004 (n=1)
TZ	0.027 (n=1)
SAT	0.029 (n=1)
UT	0.220 (n=1)
PF (moss)	-0.028	-0.016
PF (bare area)	-0.109	-0.097
EH1 (bare area)	-0.014	0.012
EH2 (bare area)	0	0.058

UAF：アラスカ大学フェアバンクス校内フラックス観測サイト、PF：アラスカ大学フェアバンクス校所有ポーカーフラットフラックス観測サイト、GC：森林サイト（シロトウヒ林）、TZ：森林限界サイト、SAT：山岳ツンドラサイト、UT：アップランドツンドラサイト、EH：エルトンハイウェイ火災跡地サイト.

セルロース分解活性について、回収した各布試料を1 cm間隔で切断し張力試験を行った結果を図(3)-9に示す。UAFサイトでは、表層（0-10 cm）のセルロース分解活性は、それ以深の活性に較べ高い、15 cm以深のセルロース分解活性は低い、5-15 cm深度では夏期にセルロース分解活性が上昇する、ことが判明した。また、PFサイトでは、生きているコケ内のセルロース分解活性は低い、コケ下のセルロース分解活性は布が挿入できた範囲の深度ではほぼ同じレベルにある、5 cm以深では夏期にセルロース分解活性が上昇する、ことが判明した。縦断観測サイト（GC、TZ、SAT、UT）では、タイガ林（GCサイト）および森林限界域(TZサイト)の土壤表層セルロース分解活性は高い、高山ツンドラ(SATサイト)および極域ツンドラ（UTサイト）のセルロース分解活性は土壤全層で低い、ことが判明した。
sample / STD (%)

sample / STD (%)

sample / STD (%)

sample / STD (%)

sample / STD (%)

sample / STD (%)

図(3)-9. アラスカ北極圏各調査地点の深度別セルロース分解活性（Cotton Strip Assay） ○および●は各深度の埋設綿布/コントロール（未埋設綿布）の引っ張り強度減少率を、横棒（バー）が無い場合は1もしくは2枚の試料平均値、ある場合は3枚の試料の平均値および1標準偏差を示す.

定点調査点土壌各深度（0-1 cm、5-6 cm、10-11 cm、15-16 cm、20-21 cm）の真正細菌群集T-RFLP解析結果を図(3)-10(a)～(g)に示す。このT-RFLP解析より、調査点の違いにかかわらずほぼすべての地点の土壌中に共通して出現する種の存在が確認された。また、地点や土壌深度にかかわらず主要なピークとして検出される種の存在が示唆された。TZサイトの0-1 cmのみ、他の地点や土壌深度では出現していない特有の優占種の存在が確認され他、TZサイトおよびUTサイトでは土壌深度に応じて真正細菌群集構造や優占種に違いがあることが判明した。一方、UAFサイト、GCサイトおよびSATサイトでは土壌深度による真正細菌群集構造の変化はほとんど認められなかった。これらの結果から、真正細菌群集については、特定の微生物種が存在し土壌深度により群集構造が異なる、温帯や熱帯土壌と比較し微生物多様性が低い、ことが判明した。

定点調査点土壤各深度（0-1 cm、5-6 cm、10-11 cm、15-16 cm、20-21 cm）の古細菌群集T-RFLP解析結果を図(3)-11(a)～(d)に示す。古細菌群集構造に関しては、全ての観測点において群集構造と優占種が土壤深度により変化していること、すなわち調査地点よりも土壤深度に依存し群集構造
が変化しているが認められた。但し、得られたピーク数は真正細菌群集のT-RFLP解析結果と比較して少なく、全ての調査点の古細菌群集の多様性は高くないことが強く考えられる。特に、TZサイトでは深さごとに優占種の顕著な変化が認められた。また、GCとSATでは土壤深度毎の群集構造および優占種が類似していた。これらの結果から、古細菌群集については、特定の微生物種が存在し土壌深度により群集構造が異なる、温帯や熱帯土壌と比較し微生物多様性が低いが火災跡地（PFサイトおよびEHサイト）の土壌表層のみ多様性が高い傾向が認められる、火災跡地の多様性は湿地域（UAFサイト、UTサイト）より低い、火災跡地の表層を除く多様性は特に低い、ことが判明した。

図(3)-10(a). UAFサイトの真正細菌群集T-RFLP解析結果
図(3)-10(b). PFサイトの真正細菌群集T-RFLP解析結果

図(3)-10(c). GCサイトの真正細菌群集T-RFLP解析結果
図(3)-10(d). TZサイトの真正細菌群集T-RFLP解析結果

図(3)-10(e). SATサイトの真正細菌群集T-RFLP解析結果
図(3)-10(f). UTサイトの真正細菌群集T-RFLP解析結果

図(3)-10(g). EHサイトの真正細菌群集T-RFLP解析結果
図(3)-11(a). UAFサイトの古細菌群集T-RFLP解析結果

図(3)-11(b). PFサイトの古細菌群集T-RFLP解析結果
図(3)-11(c). UTサイトの古細菌群集T-RFLP解析結果

図(3)-11(d). EHサイトの古細菌群集T-RFLP解析結果
## 5 ．本研究により得られた成果

## （1） 科学的意義

凍土土壌中の微生物代謝活性、微生物群集構造の関係を詳細に解析した研究例はほとんど無く、本研究が初めての試みである。またセルロース分解活性の評価手法の応用は、凍土内微生物代謝活性の詳細を知る手法となるばかりでなく、地球化学的な炭素などの元素の物質循環を研究する上での非常に有効な手法であることから、微生物生態学研究に大きく寄与するものであると言える。夏季の森林火災跡地が北方森林土壌と同様に大気中CH_{4}ガスのシンクとして働いていることを示す測定データが得られていることから、森林火災跡地での継続的な測定調査研究および全球のCH_{4}fluxへの定量的寄与率の推定など、今後要求される研究課題の芽を見いだしたと言える。

## （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＞

土壌環境因子測定において、生物因子の定量的測定方法は、従来の最確率法（MPN法）などの選択的培養法から、土壌微生物群集構造を網羅的・定量的に把握可能な分子生物学的手法を適用する方向にシフトしつつある。本推進費研究では、従来法に先端の分子生物学的手法を加え生物因子を含む土壌環境因子を定量的に評価する方法を構築することを視野にいており、他の気候区土壌環境調査にも十分適用可能なものである。従って、本研究の実施で得られた結果は、将来の対策等の基礎データとして重要な知見を提供するばかりでなく、他の地域での研究推進にも十分貢献できるものと考えられる。

また、森林火災跡地からの$\mathrm{CO}_{2}$および$\mathrm{CH}_{4}$ flux、特に$\mathrm{CH}_{4}$ についてシンクとして働いていることを示すデータが得られていることは、今後、火災跡地土壌の継続モニタリングの必要性に言及するものといえる。

## 6 ．国際共同研究等の状況

本サブテーマで実施されている野外観測については、米国アラスカ大学フェアバンクス校国際北極圈研究センター（IARC）のLarry Hinzman所長、原蘭芳信氏、岩田拓記氏の協力により、アラスカ大学が管理・運営するフラックス観測サイトでの試料採取等を実施した。

### 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) M. KONDO, M. UCHIDA, H. ENOMOTO, M. UTSUMI, T. SHINOZAKI, Y. KIM, and Y. SHIBATA: : International Symposium on Snow, Ice and Humanity in a Changing Climate, Sapporo, Hokkaido, 2010 June

“Snow Conditions in Northern Alaska and Possible Influences on Soil-carbon-dynamic-related Carbon Assimilation and CO $ _{2} $ Emission”

2) M. UCHIDA, M. UCHIDA, M. UTSUMI, M. KONDO, Y. TAKAHASHI, and Y. SHIBATA: Second International Symposium on the Arctic Research (ISAR-2), Tokyo Japan, 2010 Dec.

“The heterotrophic respiration using old carbon in arctic soil: insights from compound-specific radiocarbon analysis”

3) M. KONDO, M. UCHIDA, Y. KIM, M. UTSUMI, T. SHINOZAKI, and Y. SHIBATA: Second International Symposium on the Arctic Research (ISAR-2), Tokyo Japan, 2010 Dec.

“Constraining radiocarbon signature of soil organic matter in tundra and boreal forests, Araska”

4) 内海真生、近藤美由紀、安立美奈子、内田昌男：第45回日本水環境学会年会（2011）「アラスカ北極圈の湿原土壌環境特性の解析Ⅰ—土壌呼吸について—」

5) 秋山昇平、近藤美由紀、安立美奈子、内田昌男、内海真生: 第 45 回日本水環境学会年会 (2011) 「アラスカ北極圈の湿原土壌環境特性の解析 Ⅱ — 微生物群集構造について —」

6) 内海真生、近藤美由紀、安立美奈子、天野（佐藤）千恵、内田昌男：日本生態学会第59回大会、滋賀県大津市、2012年3月20日

「アラスカ北極圈陸上生態系の土壌呼吸特性解析」

7) H. ENOMOTO, Y. AUZUMA, H. HAYASAKA, M. HIRABAYASHI, K. G.-AZUMA, T. KADOTA, H. YABUKI, T. OHATA, S. TAKAHASHI, R. KUSAKA, T. SHIROKAWA, N. ALIMASI, T. AOKI, S. SUGIYAMA, K. TATEYAMA, K. SHIMADA, M. UTSUMI and M. UCHIDA : the 3rd symposium on Polar Science, Tokyo, Japan, 2012.

8) M. UTSUMI, M. UCHIDA, M. KONDO, M. ADACHI, and T. YAMAMOTO: 2012 AGU Fall Meeting, Dec. 04-09, San Francisco, USA

“CO₂, CH₄ fluxes and bacterial diversities at terrestrial ecosystem along the trans-Alaska pipeline in tundra and boreal forest, Alaska”

## （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) 手賀沼から地球の水環境を診る（2011年10月17・27日、2011年11月14・17日：千葉県立柏高等学校） SSH事業の一環として、柏高校1年生（計120人）2年生（計120人）に地球の水環境の現状を講義した。その際、アラスカ北極圈の現状についても紹介した。

2) 茨城県の水道水の現状と世界の水環境（2012年2月28日：つくば安全安心子育てネット推進協議会（主催者に筑波大学が含まれる））茨城県、特につくば市の水道水に関する情報を提
示し、世界の水環境の現状を紹介する際、アラスカ北極圈の現状についても紹介した。

3) 手賀沼から地球の水環境を診る（2012年11月6，13日：千葉県立柏高等学校、観客100人）

SSH事業の一環として、柏高校1年生（理数科および普通科計100人）に地球の水環境の現状を講義した。その際、アラスカ北極圈の現状について本推進費で得られた結果の一部と共に紹介した。

4) キッチンの微生物学（2013年2月14日：つくば安全安心子育てネット推進協議会（主催者に筑波大学が含まれる）つくば市子育て支援センター、観客20人）微生物と人間との関わりについて、キッチンから見えてくることを提示し、低温環境である北極圈での食品保存や現地の人々の食生活の工夫を紹介した他、北極圈の現状についても紹介した。

## （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) IPCC Fourth Assessment Report: Climate Change 2007.

2) M.P. WALDROP, K.P. WICKLAND, R. WHITE, A.A. BERHE, J. W. HARDEN and V. E. ROMANOVSKY.: Global Change Biology 16, 2543–2554. 2010.

“Molecular investigations into a globally important carbon pool: permafrost-protected carbon in Alaskan soils.”
## (4) 土壤炭素動態モデルの開発および高精度化に関する研究

兵庫県立大学大学院

シミュレーション学研究科

伊勢 武史

平成22～24年度累計予算額：12,057千円

（うち、平成24年度予算額：4,075千円）

予算額は、間接経費を含む。

## [要旨]

本サブテーマでは、激変の予想される北極高緯度地域の土壌における、炭素循環と地表面物理を統合したシミュレーションモデルを構築し、これを用いて北極高緯度土壌圏の炭素収支のシミュレーション再現と将来予測を行うことを目的とした。シミュレーションモデルの構築においては、ほかのサブテーマによって観測されたデータを積極的に用いることとし、現実に即したモデル構築に重点を置いた。その結果、完成したシミュレーションモデルは、アラスカ州フェアバンクス付近における土壌有機炭素の長期にわたる蓄積を適切に再現することができた。特記すべき成果として、有機質土壌における土壌炭素および地表面物理の垂直構造を明示的に再現したことが挙げられる。これにより、土壌中の詳細な観測データとの直接比較とシミュレーション精度の向上が見込めることとなった。

## [キーワード]

地球温暖化、将来予測、土壤物質循環、地表面物理、シミュレーション実験
### 1. はじめに

地球温暖化の影響が特に大きくなると予測されている北極高緯度地域の土壤には、ほかの気候帯と比較して特に大量の土壤有機炭素が蓄積されている。地球温暖化によって土壤温度が上昇し、また土壤の乾燥が進むこととなれば、この土壤有機炭素を分解する微生物の活性が上昇することとなり、その結果として放出される二酸化炭素は、さらに温暖化を加速させるという正のフィードバックを引き起こすこととなる。この現象は特に地下に永久凍土の存在する土壤において顕著で、永久凍土の融解は急激な土壤有機炭素の分解を引き起こすことになるであろう。このような可能性については従来から複数の研究者が指摘していて、国際的に認知されてきた。しかし、そのフィードバックが、いつ・どの程度生じるかは、これまで十分に研究されてこなかった。土壤の炭素循環と、土壤物理過程が複雑に相互作用する現象を包括的に再現するシミュレーションの枠組みが存在していなかったからである。

## （１）北極高緯度地域における炭素循環研究の重要性

土壌炭素循環と土壌物理過程の複雑な相互作用は、特に北極高緯度地域で顕著である。カナダ・アラスカ・シベリアなどの北極高緯度地域には特に泥炭地などの低湿地に大量の土壌有機炭素が蓄積されているが（図(4)-1）、それは北極高緯度地域の低湿地における土壌物理条件の特徴による。その場所は高緯度にあるため土壌温度が低く微生物による有機物の分解速度が遅いことに加え、土壌の排水性が悪く地下水位が高いため、好気性の微生物の活動が阻害されているのが理由として挙げられる。さらに、永久凍土が存在する場所では分解速度は極端に遅くなり、土壌炭素はほとんど分解されずに長期間安定した状態で保存されている。

図(4)-1 土壤有機炭素の全球分布。北極高緯度地域には特に大量の土壤有機炭素の蓄積が見られる。図表は Ise and Moorcroft (2006) のデータにより作成。

このように、地球規模で見ても北方高緯度地域は極めて重要な炭素のリザーバーであるが、地
球温暖化によるこの地域の気温上昇は、ほかの地域と比べて特に大きくなると予測されている。特に気候の変化が激しくなると予想される場所に大量の炭素が眠っているわけだから、高緯度地域の温暖化が大量の土壤炭素の分解を招き、大きな二酸化炭素のソースとなることが懸念されている。加えて、温暖化による土壤の温度の上昇に起因して、永久凍土の融解などの劇的な変化が起こることも考えられる $ ^{1} $ 。今世紀末までに90%以上の永久凍土が失われると結論づけた気候シミュレーションもある $ ^{2} $ 。温度の上がった土壤では微生物の活動が活発になり、土壤炭素の分解による二酸化炭素の発生や、メタンの生成量の増加など、温室効果ガスを放出する可能性を持っている。ひとたび永久凍土が溶けてしまうと、土壤炭素の分解は急激に進むと考えられている。これは、土壤温度が上がり微生物が活性化されること、排水性が良くなることで地下水位が下がり、好気性の微生物が活発に分解を始めることなどによる。これらは、気候変動を加速させる正のフィードバックである。このような正のフィードバックの引き金が引かれると、眠っている炭素の量が甚大なだけにその影響はきわめて深刻になるかもしれない。

## （２）北極高緯度地域の土壌に見られる複雑性

北極高緯度地域に多く見られる有機質土壌の典型例は泥炭である。鉱物質の土壌と違い、泥炭地では土壌炭素の蓄積によって土壌の厚さという物理条件が変わる。土壌そのものが蓄積された植物由来の有機物によって成り立っているからだ。土壌炭素が多く蓄積すれば泥炭が分厚くなる。泥炭土壌は排水性が極端に悪いため地下水位が高くなる。これにより土壌が嫌気的な環境に支配されるようになり、炭素分解速度が落ちることでさらに土壌炭素の蓄積が促される（図(4)-2）。正のフィードバックである。逆に、気候変動によって土壌炭素の分解が促されると、泥炭層の厚さが減少し排水性がよくなることで、さらに好気性微生物による活発な分解作用が進む。この、土壌炭素の分解と地下水位の低下の相互作用も正のフィードバックであり、土壌炭素の分解はさらなる地下水位の低下を引き起こす。
図(4)-2 泥炭地の形成に関する炭素循環（泥炭の厚さに関連）と、土壤物理（地下水位に関連）のフィードバックの模式図。泥炭地の形成後、時間の経過につれて、土壤有機炭素の蓄積に伴い泥炭の厚みが増大する。泥炭は高い保水力を持つため、泥炭の蓄積は地下水位の上昇をうながす。すると、土壤環境は以前にも増して嫌気的になり、微生物による土壤有機炭素の分解が抑制され、さらに泥炭の厚みが増大することになる。

泥炭地の炭素の蓄積や分解は、土壌の温度と水分量によってコントロールされている。とくに地下水位は、好気性と嫌気性の環境を分ける境界線として土壌炭素のダイナミクスに重要な役割を担っている。地下水位の上と下のどちらに位置するかによって、土壌炭素の分解速度は大きく変わるからだ。では、温暖化による地下水位の変化はどのようなものになるのだろうか。それには、場所・温暖化の程度・過渡的変化などの多様な要素が複雑に絡み合うため、北方泥炭地に共通する単純な答えを出すことはできない。たとえば、カナダ中部の泥炭地では、永久凍土の融解が土壌の崩壊を促進し、地表面が陥没するため土壌が湿潤化するというメカニズムが報告されている $ ^{3} $ 。一方、永久凍土の融解により土壌に水がしみこみやすくなるため、水の流出を招き土壌が乾燥化するというメカニズムも存在する。

## （3） 先行研究事例と問題点

このような土壤中の物理変化と土壌炭素のフィードバックとそのダイナミクスを高精度で予測し将来予測に反映させるため、土壤物理モデルと炭素循環モデルのカップリングが近年注目されているが、その成果は現状では多くは見られない。本サブテーマの先行研究 $ ^{4)} $ がその数少ない一例である。この先行研究でカップリングを行った土壤物理モデルは、気温・日射量や降水量などの気象条件をインプットとして土壤の温度や水分量を推定するモデルであり、土壌炭素循環モデルは、土壌の深さごとの環境条件に基づいて分解速度を決定するモデルである。これらのモデルは
個別には開発・発展が進められているが、それぞれをリアルタイムでカップリングして長期予測を行うには、さまざまな科学的・技術的障壁がある。そこで本サブテーマでは、先行研究に見られた問題点を克服し、土壌炭素循環と土壌物理過程を適切にカップリングして将来予測につなげるための研究を行った。

## 2 ．研究開発目的

本サブテーマの研究開発目的は、北極高緯度土壌圏における炭素循環を定量的に再現し、また将来予測を行うことで、地球温暖化研究の進展に貢献することである。そのため本サブテーマでは、北極高緯度土壌圏の炭素循環と土壌物理過程のシミュレーションを高精度化し、それぞれの要素間でみられるフィードバックを定量的に再現するための炭素循環－土壌物理過程結合モデルを構築する。複雑な土壌過程を明示的に表現するために必要なモデルの条件として、炭素蓄積と土壌物理過程双方の垂直構造をモデル内に再現することとする。この一連のシミュレーションモデル開発は世界初の試みであり、その成果は北極高緯度土壌圏における炭素循環の定量評価と将来予測に大きく貢献する。

### 3. 研究開発方法

劇的な変動環境下にある北極高緯度域の土壌有機炭素の中・長期的な動態を再現するモデルの開発とその高精度化のための研究開発方法は以下のとおりである。まず、本サブテーマにおける研究の基盤となる土壌物理過程モデルおよび極域土壌炭素動態モデルの開発とその挙動の検証を行った。既存の土壌物理過程モデルや土壌炭素動態モデルの多くは温帯などの比較的温和な環境条件下で開発・適用されてきた。そのため、北極域に特有の永久凍土と活動層に関する物理プロセスや、有機質土壌のダイナミクスと土壌物理過程のフィードバックが欠如しており、気候変動下での影響評価や予測を的確に行うには不十分であった。たとえば、永久凍土や地下水位の動態は、土壌炭素の蓄積・分解やメタンの生成・酸化を決定する根本的な要因であるが、これらの動態をメタンスティックに扱い予測研究に応用するには、土壌温度と水分量を物理的に精密にシミュレーションすることが肝要である。

そこで本サブテーマでは、先行研究に用いられた陸域生態系モデルをベースに極域土壌炭素動態モデルを開発し、再現されたアラスカの炭素動態が観測結果を再現できるか検証した。さらに、既存の土壌物理過程モデルと極域土壌炭素動態モデルを結合し、長期間に渡る将来予測を的確に行うためのプラットフォームを構築することとした。

## （１）極域土壌炭素動態モデルの構築

先行研究 $ ^{4,5)} $ に用いられた陸域生態系モデルをベースに極域土壌炭素動態モデルを構築した。先行研究はカナダの北方林に適用され高精度なモデル再現性を示したが、このモデルが凍土が点在するアラスカ域でも同様の再現性を持つことを確認し、また必要な改変を加えアラスカ域の過去・現在・将来の炭素動態を適切にシミュレーションするプラットフォームとして研究の中心に位置するモデルを作り上げた。炭素動態モデルを構築する上で重要な要素は、土壌炭素を分解する微生物活性の環境依存性の定量化である。本サブテーマでは先行研究で用いた環境依存性を詳細に検討し、その妥当性を確かめた（図(4)-3）。シミュレーションに用いられた環境依存性は、
土壌温度依存性および土壌水分量依存性である。土壌温度依存性は、土壌炭素動態のシミュレーション研究に多く使われている $ Q_{10}=2.0 $ を使用することとした。土壌水分量依存性については、既存の土壌炭素動態のシミュレーション研究のデータをそのまま援用することができなかった。泥炭地などの北極高緯度地域の低湿地の微生物活性を適切に再現するには、土壌の水飽和によって生じる還元環境下での活性低下を明示的に示す必要があるからである。本サブテーマでは検討の結果、水飽和状態では微生物活性が最適環境と比較して5%まで低下するという仮定を用いることとした。

図(4)-3 土壤微生物活性の環境依存性。(a)土壤温度依存性。(b)土壤水分量依存性。b において、微生物活性は土壤水分量が土壌の空隙の75%を満たした状態が最適で、100%を満たした状態は嫌気環境に起因して活性が最適状態の5%に低下するものとした。

以上のように構築されたモデルは、フィールドデータを元にパラメーターにチューニングを施し、再現性を高めた。アラスカの北方林地帯での放射性炭素同位体のフィールドデータをもとに、中・長期的な炭素蓄積と分解のダイナミクスを再現する数理モデルを開発した。これにより、詳細な土壌有機炭素蓄積の垂直構造観測データとシミュレーション結果を直接比較することができるようになった。さらには、観測点における気候や地質・地形的要因が炭素ダイナミクスにおよぼす影響を考察した。シミュレーションによる予測は、アラスカ州フェアバンクスにおける現地観測データと比較され、モデルの再現性を検証した。
## （２）土壌物理過程モデルの導入と検証

北極高緯度圏の土壤では、土壌炭素が蓄積することで土壌中の水容量が増加し、これによる水飽和の増大がさらなる還元的環境の生成を進めることで、土壌炭素の蓄積がさらに進むという正のフィードバックが起こっている。また、泥炭などの有機質土壌の蓄積は土壌の断熱効果を高めるため、夏季の土壌温度は有機質土壌の厚さが増加するにつれて低下するという特徴がある。この現象は夏季の微生物活性の低下を進め、これがさらなる有機質土壌の蓄積を促進するのである。これらの現象は以前から定性的には理解されていたが、これを定量的に再現するシミュレーションモデルはこれまで存在していなかった。それは、土壌物理過程モデルと土壌炭素動態モデルを結合して研究するという発展が行われていなかったことに加え、土壌物理過程モデルのほうでも、土壌の厚さがダイナミックに変化するという現象を取り扱っていなかったためである。このような正のフィードバックはその特性故に不安定であり、たとえば温度の上昇による土壌有機炭素の分解促進は、断熱効果・保水力の減少によりさらなる土壌有機炭素の分解を促すこととなる。

そこで本課題では、この相互作用を再現するため、土壤物理モデルNoah Land Surface Model $ ^{6)} $ (Noah LSM) と土壌炭素分解モデルED2.0-peat $ ^{4)} $ (SDM) を統合した、Physical and Biogeochemical Soil Dynamics Model (PB-SDM) を開発した。このモデルでは、土壌有機炭素の分解速度を土壌物理過程モデルで算出されたそれぞれの地中深度ごとの温度および水分量から算定し、それによって起こる土壌炭素の蓄積・分解を計算する。土壌炭素蓄積量の変化は有機質土壌の厚さの変化につながり、さらにその厚さの変化は次の時間ステップの土壌物理過程に影響を与えるという相互作用を再現した。

LSMでは、気候のデータを元に土壌の温度や水分量などを深さによる層ごとに計算する。LSMには8層の土壌層が考慮されており、有機土壌層の蓄積や分解に伴い上4層の厚みが変化する。SDMでは、年ごとのリターからの土壌炭素の加入を明示的に再現するため、前年の有機土壌層の上に当年の層が形成されるというプロセスが毎年繰り返される。各層の土壌炭素は、それぞれの深さごとの物理条件に応じて算出される分解速度に応じて徐々に分解されていく。これにより、シミュレーション年数に応じた数の有機土壌層が形成され、古い層ほど土壌下部に存在し、また分解が進んでいるというリアルな垂直構造を再現することができた(図(4)-4)。また本モデルでは、各層に土壌炭素の易分解性・難分解性の画分プールを持っている。そのため新しい層は易分解性の画分が主体で、古い層では難分解性の画分が主体の腐植を多く含むという状態を再現することができた。
図(4)-4 Physical and Biogeochemical Soil Dynamics Model (PB-SDM)のモデル構成。PB-SDMは、土壤物理モジュール(LSM)と炭素循環モジュール(SDM)によって構成される。SDM内での土壤炭素分解速度は、LSMによって算出される深さごとの土壤温度と水分量によって推定される。SDMの土壤炭素蓄積量は、炭素の質量率および土壤密度によって有機土壤の厚みに変換され、それはLSMで用いられる土壤プロパティに反映される。図中のSOCはsoil organic carbon（土壤有機炭素）の略。

## （３）土壌炭素循環－土壌物理過程結合モデルの改良

完成したPB-SDMにみられたいくつかの課題を解決し、そのモデルを使ってアラスカにおける広域の土壌炭素動態と将来予測を行った。このモデルを用いてフェアバンクス近郊で観測された土壌有機炭素の動態を再現することに成功した。

フィールド調査により、モデルが再現しているアラスカ内陸部の北方森林帯は、地表の大部分を厚いコケ類が覆いその下の土壌に対してさらなる断熱効果を与え、大量に水を含むスポンジ状の性質により土壌の保水力を上げていることが分かっている。また頻繁に森林火災が自然発生し、多くの土壌有機炭素やコケ類が消失し、その影響によりコケ層や有機質土壌層の断熱効果が失われ、その影響はその後何年にもおよぶことが分かっている。これらの要素は土壌の炭素循環に対し大きく影響していると考えられているが、PB-SDMには明確に再現されてはいなかった。PB-SDMの土壌物理過程部分はNoah LSMに基づいているが、Noah LSMは土壌の性質が垂直軸に沿って違うことを想定していなかった。しかし上記にあるように、コケ類や有機質土壌の層は、その下にあ
る鉱物質の土壌より熱の伝導率が低く多くの水を含む。さらに、アラスカの地域全体で見ると同じ北方森林帯でも、場所よって土壌有機炭素量に大きく違いがあることが分かっているが、PB-SDMでは一地点でのシミュレーションしかできず、このままでは広域における評価を行うことができなかった。

そこで本サブテーマでは、上記の問題点を改善しアラスカの広域でのシミュレーションによる温暖化予測をすることを試みた。PB-SDMにコケ類の層を加え、さらに森林火災を定期的もしくはある程度のランダム性によって発生させた。コケ類の層と有機質土壌層にそれぞれ特有の性質を持たせることで北極高緯度土壌圏の垂直構造を明示的に再現し、土壌有機炭素蓄積によるフィードバックの影響を適切に表現することとした（図(4)-5）。さらに、アラスカ広域のシミュレーションを行うため、GIS（地理情報システム）ソフトウェアを用いて対象地域を地形により分類し、各地でのデータでシミュレーションを検証した。GISを用いてアラスカ内陸域でのこれらの土地を識別し面積を計算し、それぞれの土地での温暖化の影響をシミュレーションすることにより広域での温暖化の効果を計算した。

図(4)-5 北極高緯度土壌圏に特有のプロセスを加えることで改良されたPhysical and

Biogeochemical Soil Dynamics Model version 2.0 (PB-SDM v2.0)のモデル構成。図中のSOCはsoil organic carbon（土壌有機炭素）の略。火災によりコケ類が消滅し地中の土壌有機炭素の量が減少し、再び時間をかけて蓄積するようになった。また、土壌有機炭素の分解の程度によりその土壌の性質が変わり熱伝導率や保水力に影響が表れるために必要な改良を施した。