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### 4. CLTの普及に向けた基準の整備と新たなロードマップの公表

我が国では、中高層の建築物や低層の非住宅の分野では、建物の木造率は低い状況にあります。一方で、欧米諸国では、「CLT（Cross Laminated Timberの略）（直交集成板）」という新たな木材製品を建築物の壁や床等の建物に活用して、木造の共同住宅、オフィスビル等の建築が進められています。我が国においても、CLTの普及を契機として、こうした木造の中高層建築物等の建築が進み、新たな木材需要が創出されることが期待されています。このため、平成26（2014）年11月に「CLTの普及に向けたロードマップ」を作成・公表し、平成36（2024）年度までに年間50万m²程度の生産体制を構築することなどを目指すべき成果として掲げ、関係機関が連携して取組を進めてきています。

平成27(2015)年度までは、CLTの構造や防火に関する技術的知見の蓄積が十分ではなかったことから、CLTを建築物の構造部材として用いるためには、建築物ごとに精緻な構造計算を行い、「建築基準法」に基づく国土交通大臣の認定 $ ^{*1} $ を受けることが必要でした。しかしその後、林野庁及び国土交通省による実験等を通じて、CLTの材料の強度やCLTを用いた建築物の地震時の挙動が確認されたことから、平成28(2016)年3月31日と4月1日に、CLTを用いた建築物の一般的な設計法等に関する告示 $ ^{*2} $ が公布・施行されました $ ^{*3} $ 。この告示の施行後においては、同告示に基づく構造計算等を行うことにより、大臣認定を受けることなく建築が可能となりました。また、告示に基づく仕様とすることによって、準耐火構造での建築が可能な建築物については、燃えしろ設計により防火被覆なしで目に見える形でCLT等を用いることができるようになりました。

林野庁では、このほかにも、CLTを用いた建築物の施工方法を確立させるとともに、CLTを活用した先駆的な建築物の建設等に対する支援を実施することとし、CLTの多様な活用事例を全国各地で展開しました。また、これらの建築による実証を通じて得られた設計方法や施工方法の普及にも取り組むとともに、CLT製造施設の整備 $ ^{*4} $ を支援し、5万 $ m^{3} $ /年の生産能力という目標を達成しました。

このような中、まとまった需要を確保してコストを縮減し、広く民間建築物におけるCLTの需要を創出することが重要な課題となっています。このため、平成29(2017)年1月に「CLT活用促進に関する関係省庁連絡会議」は、新たに「CLTの普及に向けた新たなロードマップ～需要の一層の拡大を目指して～」 $ ^{*5} $ を作成・公表し、建築意欲の向上、設計・施工者の増加、技術開発の推進、コストの縮減等を連携・協力して一層進めていくこととしています。

## [CLT]

一定の寸法に加工されたひき板（ラミナ）を繊維方向が直交するように積層接着した木材製品。

CLTの模式図

CLTを活用した木造建築の内装(左)と外観(右)(高知県南国市)
## トピックス

### 5. 平成28年熊本地震や台風災害の発生と復旧への取組

平成28(2016)年4月14日から16日にかけ、熊本県熊本地方から阿蘇地方にかけて最大震度7から6強の地震が相次いで発生しました。その後も、熊本県から大分県にかけて地震活動が活発な状態が続き、震度4以上は累計で140回観測しています $ ^{*1} $ 。一連の地震により、死者161名(関連死含む)、負傷者2,692名、住宅の全壊8,369棟、半壊32,478棟、一部破損146,382棟など甚大な被害が発生しました $ ^{*2} $ 。

「平成28年（2016年）熊本地震」と名付けられたこの地震は、林野関係でも大きな被害をもたらしました。林地荒廃（433か所）、治山施設の被害（36か所）、林道施設の被害（1,686か所）、木材加工施設等の被災（30か所）が発生し、その被害 $ ^{*3} $ 総額は、約396億円に達しました。

林野庁九州森林管理局では、地震発生当日から庁舎内の大会議室と旧食堂を避難場所として開放し、毛布や飲料水等の備蓄品を被災者に提供するとともに、食料供給や家屋被害認定調査に協力するため、市町村へ職員の派遣を行いました。

このほか、林野庁では、地震発生直後から、被害状況の把握や復旧に向けて現地へ本庁職員を派遣するとともに、4月15日及び18日には、九州森林管理局が熊本県や国立研究開発法人森林総合研究所 $ ^{*4} $ と合同でヘリコプターによる上空からの被害調査を実施しました。今回の地震では、多くの山腹崩壊等が発生しているほか、地面に多くの亀裂が発生しています。このため、航空レーザ計測によって亀裂や崩壊に関する詳細な微地形情報を把握しました $ ^{*5} $ 。得られた結果については、今後の豪雨等に際しての警戒避難体制の整備や治山事業計画の策定の基礎資料として活用してもらえるよう、関係県及び市町村に情報提供するとともに、林野庁ホームページにおいても公表 $ ^{*6} $ しています。

さらに、被災箇所のうち、特に緊急に復旧を図るべき箇所については、「災害関連緊急治山事業 $ ^{*7} $ 」等による復旧整備を実施しているほか、熊本県が管理する治山施設の災害復旧事業について、管理者である熊本県知事からの要請を踏まえ、国の直轄施行により実施しています。また、林道施設においては、査定前着工制度 $ ^{*8} $ を活用した復旧整備を実施しています。

また、平成28(2016)年には、夏から秋にかけて台風が相次いで日本列島に上陸し、多くの被害が発生しました。8月に発生した台風第7号及び第11号はいずれも北海道に上陸、第9号は千葉県に上陸したのち北海道に再上陸、台風第10号は太平洋側から岩手県に上陸しました。再上陸を含めて北海道に1年に3回の台風が上陸することや、東北地方に太平洋側から台風が上陸することは、昭和26（1951）年の統計開始以来、初めての事態でした。

平成28年熊本地震による林地被害に関する林野庁九州森林管理局の現地調査

平成28年熊本地震の被災者や被災地方公共団体に対する九州森林管理局による支援活動

これらの影響等により、東日本から北日本を中心に大雨や暴風となり、特に北海道と岩手県では、記録的な大雨となりました。さらに、9月には、台風第16号が鹿児島県に上陸した後、和歌山県や愛知県に再上陸し、各地で猛烈な雨が観測されました。これら一連の台風により、25名の方が犠牲となられたほか、林野関係でも、林地荒廃や治山施設、林道施設等の被害が発生し、被害総額は約448億円に達しました $ ^{*9} $ 。

林野庁では、台風通過後直ちに北海道や岩手県、鹿児島県と連携して、ヘリコプターや無人航空機(UAV $ ^{*10} $ )による被害調査を実施するとともに、災害復旧事業の実施など早期の復旧対策に取り組んでいます。
### 6. 林業・木材産業関係者が天皇杯等を受賞

林業・木材産業の活性化に向けて、全国で様々な先進的取組がみられます。このうち、特に内容が優れていて、広く社会の賞賛に値するものについては、毎年、秋に開催される「農林水産祭」において、天皇杯等三賞が授与されています。ここでは、平成28(2016)年度の受賞者(林産部門)を紹介します。

天皇杯

出品財：經營（林業経営）

# やず 八頭中央森林組合（代表：前田幸己氏） 鳥取県八頭郡八頭町

八頭中央森林組合は、鳥取県内で最大の広域森林組合であり、収益性のある間伐を推進しています。年130回以上の集落座談会を重ねて施業の集約化を訴え続けるとともに、路網等の基盤整備において新規参入事業体との連携を図って円滑な事業拡大を図っています。また、1・0ターンを含めた職員の採用や成果主義の導入による組織改革にも取り組んでいます。これらの取組の結果、同森林組合の素材生産量は8年間で100倍以上に増加し、さらに、連携事業体を含めた地域全体の事業量や雇用の拡大も実現しました。

内閣総理大臣賞

出品財：經營（林業経営）

# はしもと みつじ はしもと のぶこ なかぐんな かちょう 橋本 光治 氏・橋本 延子 氏 徳島県那賀郡那賀町

橋本夫妻は、昭和53(1978)年に先代から森林経営を引き継いで以来、間伐・択伐による、自然と調和した経営を行ってきました。特に路網整備については、地形や地質、雨水処理を考慮した丈夫な作業道を作設することで、路網の補修作業をほぼ不要にするとともに、約290m/haという高い密度で路網を整備することにより、家族経営による少人数労働での効率的な間伐・択伐が可能になりました。また、森林保全と長伐期による優良大径材の生産を林業経営の軸としており、枯死木を野生生物のために可能な限りそのままにしておくなど、生物多様性を重視した森林づくりに努めています。

日本農林漁業振興会会長賞 出品財：技術・ほ場（苗ほ）

さいとう とよひこ ひがしまつしまし

齋藤 豊彦 氏 宮城県東松島市

齋藤氏は、昭和61（1986）年に家業を引き継ぎ、優良苗木の生産を行っています。平成23（2011）年の東日本大震災では津波により苗畑が被災しましたが、施肥の工夫による育苗期間の短縮や、根鉢の崩れや根腐れ等を防ぐ生産方法の確立等、コンテナ苗の生産技術の向上を中心とする経営改善によって苗木生産量を回復させました。また、全国からの視察を積極的に受け入れているほか、研修講師を務めるなど、技術の普及も図っています。さらに、新たにカラマツのコンテナ苗生産試験にも着手するなど、中長期的な視野で技術開発に取り組んでいるところです。
課題名 A-1003 北極高緯度土壌圏における近未来温暖化影響予測の高精度化に向けた観測及びモデル開発研究

課題代表者名 内田 昌男 （独立行政法人国立環境研究所環境計測研究センター同位体・無機計測研究室 主任研究員）

研究实施期间 平成22～24年度

累計予算額 116,688千円（うち24年度35,568千円）

予算額は、間接経費を含む。

本研究のキー北極、凍土、気候変動、温暖化、炭素循環、土壌炭素動態、温室効果気体、凍結融解、ワード（5～10個積雪、凍結深、土壌炭素動態モデル

以下程度）

研究体制

(1) 土壤有機炭素分解の実態把握と生物地球化学的メカニズムの解明に関する研究 ((独) 国立環境研究所)

(2)微気象・物理・水文プロセスの総合観測と変動量評価に関する研究(国立極地研究所)

(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）

(4) 土壌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）

研究協力機関

(独)農業環境技術研究所

米国アラスカ大学フェアバンクス校国際北極圏研究センター(IARC)

米国アラスカ大学フェアバンクス校水環境研究センター

## 研究概要

### 1. はじめに(研究背景等)

近年の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極地域である。北極海では、IPCCでのモデル予測を超えたスピードで海氷面積が減少し、熱エネルギーを駆動する水循環がダイナミックに変動している。このような水循環の変動は、海洋とつながる陸上生態系の環境にも重大な影響を及ぼしており、北極海における集中観測と合わせて陸域生態系における観測の必要性が強く求められている $ ^{1} $ 。陸域モデル分野では、温暖化が特に顕著に生じると予測されている北極域を中心に、土壌有機物分解応答の偏差が将来予測における不確実性の原因の一つとなっていることがモデル間相互比較プロジェクトから示唆されており、それを低減して信頼性を向上させるための研究が求められている。このように、陸域炭素循環モデルにおける将来予測を行う上で、北極高緯度土壤圏の温暖化に対する応答性に関し、信頼出来る観測データに基づいた観測ネットワークの構築が早急に求められている。アラスカの積雪期間の短期化や夏季の気温上昇は、ここ数年顕著になる一方で、永久凍土の融解が年々拡大している。しかし、永久凍土融解の進行とCO $ _{2} $ 放出並びに温度依存性については、観測に基づいたメカニズムの包括的な理解は十分に得られていない。温暖化は、永久凍土の融解を引き起こし、微生物による永久凍土中に保存されていた古炭素の分解を促進する。この古炭素の分解は、大気－土壤間の炭素収支のバランスを崩し、温暖化に対して正のフィードバック効果を引き起こすとして強く懸念されている。したがって、北極高緯度域において土壌からのCO $ _{2} $ 放出をモニタリングし、解析結果をモデル化することは、温暖化などの環境変動に脆弱な北極高緯度陸域生態系の温暖化影響メカニズムを解明し将来予測に活かすためにも重要である。

### 2. 研究開発目的

本研究では、近年温暖化影響が顕在化している北極域における、温暖化による土壌炭素蓄積量の変化とそのメカニズム解明のための観測とそれらのデータを用いた北極土壌炭素動態モデルの開発と高精度化を目指す。具体的には、北極高緯度域を代表する生態系（タイガ・ツンドラ）を縦断する観測ラインを設定し、各観測点で炭
素分解をコントロールする土壤温度、水分量等の土壤の物理状態を把握するとともに、土壤の化学組成、有機炭素現存量、平均滞留時間（分解率）、土壤から温室効果ガス放出速度（ $ CO_{2} $ や $ CH_{4} $ ）などを観測し、炭素動態モデルの開発を行う。また開発したモデルの検証・改良を行うため、放射性炭素（ $ ^{14}C $ ）を用いて土壤有機炭素の平均滞留時間を実測する。土壤有機炭素の滞留時間は、温度などの環境条件や有機炭素の質によって変動すると考えられているが、北極域における平均滞留時間実測データは皆無である。さらに、北極域土壤炭素特有の炭素動態を考慮にいた観測とそのモデル化にも取り組む。具体的には、北極域に特有の永久凍土・融解に伴う物理プロセスや、凍土土壤中の炭素の活性化といった化学プロセスの導入である。凍土融解とそれに伴う古土壤の有機物分解の活性化を評価するために、土壤有機物、土壤内 $ CO_{2} $ 、土壤内微生物脂質レベルの $ ^{14}C $ 測定を行い、温暖化に伴い土壤有機物の滞留時間（分解率）がどのように変化していくのか、滞留時間の異なるプールの有機物の形態も考慮にいた最先端のモデルのさらなる高精度化を進める。また、fossil carbon（古炭素）分解の活性化のメカニズムの解明においては、土壤有機物の $ ^{14}C $ 測定と微生物代謝活性、微生物群集構造の関係を解析し、微生物生態学的視点からの考察も行う。加えて、自然火災によって土壤炭素の一部が焼失したタイガでも他の観測点と同様の観測を行い、自然火災によって、土壤炭素蓄積・分解のプロセスがどのような影響を受けうるのかについても、 $ ^{14}C $ を指標に用いて検討し、その結果をモデルに反映させる。

### 3. 研究開発の方法

## (1) 土壤有機炭素分解の実態把握と生物地球化学的メカニズムの解明に関する研究

本研究では、土壌炭素動態モデル構築のためのデータ取得を念頭に、高緯度域特有の土壌炭素の蓄積・分解のメカニズムを解明するための精査サイトを、アラスカ大学フェアバンクス校が管理する2つのCO₂フラックス観測サイト、フェアバンクス校校内のタイガ林（UAF）およびフェアバンクス校から北東に約50km程度離れた森林火災跡地（PF）に設定した。高頻度で観測実施する精査サイトでは、植生への負荷最小限に防ぐための木道の整備を行い、観測環境を整備した。また、より広域的なデータを得るために、フェアバンクスを起点に、ユーコン川、ブルックス山脈を越えて北極海の町Deadhorseまで、アラスカを南北に縦断する総延長約600kmの間で石油パイプラインに沿って整備されたダルトンハイウェイ沿いに、upland tundra（UT）、subalpine tundra（SaT，ブルックス山脈北斜面）、ecotone（TZ，tundraとboreal forestの移行帯）の定点観測サイトを3カ所設定した。さらに、多地点で土壌炭素蓄積に関する基礎データを構築するために、定点観測サイト以外にも、ツンドラ生態系、北方林の火災跡地で土壌採取を行う。核実験起源の¹⁴C（Bomb carbon）は、短期期間に突発的に生成されたため、核実験起源の¹⁴Cは、土壌有機炭素の滞留時間、分解率、炭素蓄積量を実測するためのトレーサーとして有効である。このような、従来の¹⁴Cの半減期を利用した年代測定と、この核実験由来の大気¹⁴CO₂濃度の変動を利用することにより、時間スケールが長い（数百年～数千年）現象から、時間スケールが短い（数年から百年）から現象を再現することが可能であり、炭素循環研究への利用が可能である。本研究では、この特性を利用し、土壌有機炭素の分解速度を知る指標である平均滞留時間（有る炭素プールの中にある有機炭素がすべて入れ替わるまでにかかる時間、分解率の逆数）の推定や、CO₂の発生源の特定を試みる。加えて、土壌炭素分解の温度特性を明らかにするための培養実験を行うものとする。アラスカを初めとする高緯度北極圈では、温暖化による自然火災の頻度と強度の増加がツンドラ、タイガ生態系に及ぼす影響が懸念されている。しかしながら、その影響を定量化する方法は確立していない。そこで、自然火災による表層土壌の炭素消失量を推定するために、自然火災跡地（PF）と火災の影響を受けていない場所で土壌コア試料を採取し、これらについて詳細な¹⁴C分析を行い相互比較することで、消失量を定量化することが可能かどうか検討を行う。土壌コアの¹⁴Cの鉛直プロファイルを作成し、火災の影響を受けていない場所の結果と比較し、火災によって失われた表層土壌の深度を求め、消失した表層土壌中の炭素量を火災による消失量として算出する。

## (2) 微気象・物理・水文プロセスの総合観測と変動量評価に関する研究

本サブテーマでは、変動する北極圏の気候に関して、その実態や影響プロセスを調べるアプローチとして、気温、地温、雪温、土壌水分の観測を行ない、地表面の温度変化、積雪との関連を探ることを目的とした。ここで得られる物理情報を温暖化影響予測の高精度化に向けたモデル開発を実現するための検証データ、また土壌観測計画の立案・最適化のための情報として利用した。

観測対象域は、アラスカ北部、フェアバンクスより北極海沿岸のプルードベイ周辺までの700kmの南北トランセクトで行った。これらの地域には、北方森林帯、ブルックス山脈、ノーススロープ（ツンドラ）が分布し、地形、植生、気候のコントラストがあり、効率よく北極圏の代表的な地域のデータを得ることが出来る。アラスカを南北に縦断するトランセクトに沿った年間モニタリングサイトにおける年間の地表付近の気象・積雪状態（積雪深・積雪内温度プロファイル・熱伝導）・土温プロファイル・土壤水分・凍結深の時間変化を計測し、これによって広域の物理環境の時間変化をモニターした。アラスカ北部では冬期の積雪の多寡が、地面の冷却、凍結状態に影響し、融雪後の昇温に影響する。また融雪水は土壤水分にとっても重要な影響を持つ。これらの地域差、季節変化の特
徴を観測した。

また、冬期積雪状態の観測データ解析を行うため、鉛直方向の詳細な地温・水分プロファイルの季節変化を知るための縦断観測を実施し、定期観測サイトでのデータを取得および、その土壌分解に与える影響情報を収集した。

アラスカ大学と共同で、アラスカ北部7地点において、気温、雪温、地温、土壌水分の通年観測を行った。地中5cm、10cm、20cm、30cm、40cm、50cmに地温計を設置し、1時間インターバルで通年の温度モニターを行なった。地上では気温測定のほかに、高さ10cm間隔で温度センサーを固定し、冬期の積雪中の温度分布や温度勾配を見ている。得られたデータはサブテーマ4のモデル計算の検証に使用されている。衛星や地形データから観測地域の特徴、地域性を検討した。定点気象データとともにサブテーマ1や3のサンプリング地点の気候条件にもかかわる。

また、総観規模気象情報・地球観測衛星による広域大気・地表面状態の観測結果から土壌分解に与える影響情報の収集、およびこれら現場長期モニター、縦断観測、広域情報はGIS上で地形情報と併せて整備、利用出来る体制の整備を進めた。

アラスカの地温、水温分布に影響する冬季の積雪深、初冬の凍結開始、春の融雪開始と融雪終了（積雪消滅）について、観測地点の情報を集計したが、点在する観測地点以外の広域傾向についても確認する必要がある。そこで2つの手法により広域傾向を調査した。一つは衛星観測による凍結、融解、の観測である。もう一つは、全球地形情報ETOP05によるアラススカ・観測域の地形情報を利用し、積雪分布と傾斜方向の比較を行った。これにより観測地点を含むアラスカ北部各地域の状況と、観測点周辺の変動の地域性が検討できる。また、観測地点の周辺での不均一性は、観測、分析、モデリングと発展していく研究成果にとって不確定要素を与えるものである。観測地周辺の変動幅についても観察を行った。

## (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

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圏の気候植生区に対応させ決定した。定点調査点として、アラスカ州立大学フェアバンクス校校内（UAFサイト）、フェアバンクスより北東に60 km離れた森林火災跡地観測サイト（PFサイト）、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タイガ森林（GCサイト）、森林限界（TZサイト）、山岳ツンドラ（SATサイト）、アップランドツンドラ（UTサイト）である。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。

2010年、2011年、2012年の夏期に現地調査を実施した。決定した定点調査点において、多測点での土壤呼吸測定、チャンバー法による土壤ガス採取（真空バイアルビンによるCO₂およびCH₄ 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。土壤物性測定用試料、微生物群集構造解析用試料、をそれぞれ深度別に採取した。現地調査で採取した各試料は、冷蔵もしくは冷凍状態を保持し日本に持ち帰った。2011年夏には、土壤中の微生物代謝活性を明らかにするため、UAF、PF、GC、TZ、SAT、UTの各サイトセルロース分解活性測定用の綿布を垂直挿入設置し、2012年夏の現地調査時に回収し、洗浄・乾燥後日本に持ち帰り実験に供した。

持ち帰った真空バイアルビンガス採取試料はGC-FID, TCDを用いてCO₂およびCH₄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CO₂およびCH₄ fluxを算出した。5cm間隔で採取した土壤試料を用い、volume water content、solid phase content、total dry weight、bulk densityで表される土壤物性を求めた。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壤試料からDNAを抽出し、各定点調査点の土壤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。

## (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

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壤物理過程モデルおよび極域土壤炭素動態モデルの開発とその挙動の検証を行った。既存の土壤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壤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、これらの動態をメカニ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。そのモデルはPhysical and Biogeochemical Soil Dynamics Model (PB-SDM)と呼び、先行研究であるNoah LSMおよびSDMに基づいている。

### 4. 結果及び考察

## (1) 土壤有機炭素分解の実態把握と生物地球化学的メカニズムの解明に関する研究

2010年、2011年、2012年、フェアバンクスから北極海まで南北に総延長600kmの間で、ツンドラ生態系、森林限界移行帯、北方林、湿地、火災跡地の合計20カ所で凍土試料の採取を実施した。土壌炭素動態の変動量を実測するため、各生態系で得られた土壌コアについて、有機炭素量、土壌物理データ、 $ \Delta^{14}C $ 値の深度プロファイルデータを下に、北方林(a:PF)、遷移帯(b:TZ)、ツンドラ(c:SaT)における土壌炭素蓄積速度を試算した。 $ \Delta^{14}C $ 値の結果から、0‰以上（1950年以降に堆積）の有機物層、有機物層と鉱物層（1950年以前に堆積分も含める）に区分して供給量（I）と分解率（k）を推定した。また、Iとk、平均滞留時間（RT）、1年当たりの分解量（微生物呼吸量、 $ R_{h} $ ）および炭素収支（dC/dt）も求めた。炭素蓄積量は、PFで17.6 kgC m $ ^{-2} $ 、TZで11.5 kgC m $ ^{-2} $ 、SaTで11.0 kgC m $ ^{-2} $ に対して、Iとkは、PFで0.031 kgC m $ ^{-2} $ yr $ ^{-1} $ と0.0061 yr $ ^{-1} $ 、TZで0.13 kgC m $ ^{-2} $ yr $ ^{-1} $ と0.013 yr $ ^{-1} $ 、SaTで0.13 kgC m $ ^{-2} $ yr $ ^{-1} $ と0.012 yr $ ^{-1} $ であった。RTは、PFで617年、TZで83年、SaTで85年と計算された。ただし、TZとSaT

13kgC m^{-2} yr^{-1}と0.012 yr^{-1}であった。RTは、PFで617年、TZで83年、SaTで85年と計算された。ただし、TZとSaTは、土壌の厚さが薄く、最下部の^{14}C年代は新しく、永久凍土層を含むPFに比べて土壌形成年代が短い。最北で最も冷涼なCTで、深さ80cmまでのデータを用いて同様の方法で計算すると、炭素蓄積量は36.7kgC m^{-2}で最も多く、I、kともに最も低い値を示し、RTは4536年と最も長かった。これらの結果から、ツンドラでは長時間未分解の有機物が、北方林と比べて約1.5倍蓄積されている一方、RTは7倍近く長いことが分かった。また、kが求められたことで、対象とする期間の微生物分解量(R_{h})の平均値が求められることから、土壌炭素収支(dC/dt)の試算を行った。凍土土壌呼吸CO_{2}の発生源を検討するため大気CO_{2}、土壌CO_{2}および土壌呼吸CO_{2}の採取を行った。 $ \Delta^{14}C_{SR} $ は、北方林(UAF)で129‰(1980年代年のバックグラウンド大気^{14}CO_{2}に相当)、遷移帯(TZ)で95‰(1990年代のバックグラウンド大気^{14}CO_{2}に相当)であることがわかった。土壌有機物の $ \Delta^{14}C $ と比較すると、 $ \Delta^{14}C_{SR} $ は、UAFでは0-5cm深、TZでは0-3cm深の有機物の値と一致する。すなわち、遷移帯の方が活動層のより上部の有機物が分解されていることを示しており、遷移帯の有機物分解活性の高いことがわかった。

これらの土壌内$\mathrm{CO}_{2}$の起源が、深層に堆積する古炭素か、表層から深層に移動してきた可溶性炭素であるか知るために、土壌内$\mathrm{CO}_{2}$の$^{14}\mathrm{C}$測定を行った。土壌内$\mathrm{CO}_{2}$の$\Delta^{14}\mathrm{C}$値は、北方林UAFサイトの深さ30cmで67‰、火災跡地PFサイトの深さ40cmで35‰であった。1960年の核実験以降の大気$\mathrm{CO}_{2}$の$\Delta^{14}\mathrm{C}$値の経年変化と比較すると、PFサイトで分解される有機物の起源は1960年よりも古いことがわかった。PFサイトの火災地と未火災地の土壌コアの$^{14}\mathrm{C}$プロファイルを比較して、火災地では表層10cm分に相当する炭素の蓄積が消失していることがわかった。これらの結果から森林火災による焼失炭素量を計算すると、2004年の火災によって、過去60年間の蓄積量に相当する有機層4.4kgC m$^{-2}$が焼失していることが求められた。本研究で開発された核実験起源$^{14}\mathrm{CO}_{2}$をトレーサーに土壌有機物の堆積状況を復元する方法は、これまで火災焼失量の定量的に求める手法としてブレークスルーとなるものである。このような定量的な手法は、アラスカを含めた北極土壌圏における自然火災におる炭素消失量を試算する方法として高い確度を持つものであり、モデル開発の上で重要である。

本研究では、 $ ^{14} $ Cをトレーサーに用いて、過去数十年から数千年までの様々な時間スケールでの土壌炭素動態を明らかにすることができ、本研究のサブテーマ4で進められているモデル開発において、重要で定量性の高いデータ提供が可能となった。

## (2) 微気象・物理・水文プロセスの総合観測と変動量評価に関する研究

フェアバンクスより北極海沿岸のプルードベイ周辺までの700kmの間に自動気象観測器を設置した。また、積雪時期の確認のため、インターバルカメラを設置し、年間の積雪、植生変化についても記録した。設置地点はアラスカ大学（UAF）、BC－1、TZの3か所であった。

各地では、地表面付近（表面～10cm深）は夏季に10～20℃まで昇温する。20cm深では上限は5℃程度である。土壌水分計は誘電率を測定しているため、土壌凍結時には測定不能となる。

北方森林帯では隣接した数m以内の場所でも林床の水分差がコケ(Sphagram>Feather)の種類によりみられる(BC-1)。Featherでは低い値が続いている。これは融雪後でも同様であった。Sphagramでは変動が大きい。

土壌水分は春季の融雪水によるものが大半を占め、夏季の降水に短期変動が重なる。秋季の土壌の凍結開始は深さによって時間差があるが、春季の凍結土壌の融解は、異なった深さでも短い時間の間に連続して起きる。表面からの積雪融解水の浸透が急速に温度を均一化していく。

フェアバンクスのアラスカ大学(UAF)サイトでも、同様の結果が得られたが、北方森林帯の気温年較差は大きく、
また冬季の短期変動も大きい。冬季に2週間の間に40℃近い変化が記録されている。特に12月の昇温では、積雪や地温が一気に0℃まで増加し、土壌水分の記録が上がっていることも示されている。冬季の昇温は気温変化としては認識されやすいが、それが積雪や土壌中にも影響していることがわかる。積雪・土壌の温度勾配の消滅、積雪や土壌の融解が起きている。

各地の記録を比較した結果、冬季温度は南方であるが内陸域にある森林域の方が北方のツンドラより低温であり、高度の高い山岳域ではかえって温暖であった。低地に発生する接地逆転層のせいであり、この形成と頻度が冬期の土壌の凍結に影響する。一方で積雪は土壌の冷却を妨げるため雪の状態が春の凍結状態に重要である。積雪については、森林＞ツンドラであり、また積雪期間は200～230日である。しかし凍結期間は逆にツンドラ＞森林であり、210～270日の幅があった。地面の冷却状況については、積雪の多寡の影響も受け、森林域の深い積雪下では冷却は-10℃程度まであるが、ツンドラ域の浅い積雪下では冷却は-20℃程度まで進んだ。沿岸ツンドラ域では土壌水分が多いため、凍結開始期の0℃滞留期間が2ヶ月に及んだ。

広域の積雪状況について、衛星データをもとに積雪開始、終了、誘電率の変化に見られるような地表面凍結開始を調べた。衛星AQUAのマイクロ波放射計AMSR-Eデータを用いて、10年間の衛星観測期間について変動性を確認した。

年々の変動を調べたところ、アラスカ南部では融雪日が早まり、アラスカ中部・北部では消雪日が早まっている。これらにより積雪期間が短くなっていることがわかった。短くなった積雪期間により地表面の加熱が増え、土壤温度の上昇に影響することが予想される。

衛星による広域の特徴を見ることが出来るが、一方で衛星の観測スケールより細かな空間スケールでの不均一性が問題になる。特に、森林帯では複雑な地形により、局所的な積雪変化がありうる。そこで、定点観測点の代表性と地形の関係を調べるため、地形の向きと傾斜に対する積雪深の変化について調べたが、傾斜方向は積雪深と相関がみられることがわかった。森林域では北向きの斜面で積雪が多く出た。山岳域及びツンドラ域では南向斜面で積雪が多く出たが、これはブルックス山脈の南側では南方からの水蒸気流入があるためと考えられる。ブルックス山脈の北側では、ツンドラ域になっているが積雪が少ないことから、より広域の気候条件を解釈するうえで、積雪に関しても傾斜方向は重要な要素であることがわかった。

## (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

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。観測点の土壌物性は典型的な寒帯土壌の特性である浅い有機土壌層を示した。また、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solid phase contentが他の調査点（UAF、GC、TZ、SAT）よりも高い値を示した。

各定点調査点の土壤呼吸速度( $ CO_{2} $ flux)は、同じ調査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たが、火災跡地の土壤呼吸速度は、森林植生(GCサイト)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。観測点全体としては、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地温と土壤呼吸速度との間に正の相関関係が認められた。一方、火災跡地の土壤呼吸速度と地下5 cm地温との間には明確な相関は認められなかった。また、 $ CH_{4} $ flux測定結果より、火災跡地土壤が一般的な寒帯森林土壤よりも大きな $ CH_{4} $ のシンクとして作用している可能性を強く示す結果を得た。

土壤中のセルロース分解活性については、UAFサイトでは0-10 cmのセルロース分解活性がそれ以深の活性に較べ高いこと、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、火災跡地（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がコケ下のセルロース分解活性は高く、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。その他、タイガ林（GCサイト）および森林限界（TZサイト）の土壤表層セルロース分解活性は高いが、高山ツンドラ（SATサイト）および極域ツンドラ（UTサイト）の分解活性は土壤全層で低いことが明らかとなった。

土壤微生物群集構造を明らかにするために行ったT-RFLP解析からは、真正細菌群集については、特定の微生物種が存在し土壤深度により群集構造が異なること、また、温帯や熱帯土壤と比較し微生物多様性が低いこと、が明らかになった。古細菌群集については、特定の微生物種が存在し土壤深度により群集構造が異なること、温帯や熱帯土壤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）の土壤表層のみ多様性が高い傾向が認められるが表層以外の多様性は極端に低く、土壤全体の多様性は湿地域（UAFサイト、UTサイト）より低いことが判明した。

## (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

完成したPB-SDMを用い、アラスカ州フェアバンクス付近の北方林における気象データと土壌データを使用したシミュレーションを行った。モデルを定常状態にするための2000年間のシミュレーション（スピンアップ）の後、2003
年から2010年までの気象データを用いたシミュレーションを行った。シミュレーション結果とフィールド観測結果との比較検証により、PB-SDMは土壌の物理環境および土壌炭素の蓄積を適切に再現できることが分かった。さらに、温暖化の影響による土壌有機炭素の減少を予測するため、シミュレーションで2000年の土壌有機炭素蓄積期間の後に気温が3℃上昇するシミュレーションを行ったところ、アラスカ内陸域だけで2×1012 kgC（2ギガトン）の炭素が放出され、この地域が現在保持している土壌有機炭素量の28.3%が失われると推定された。

本サブテーマの研究成果によって、アラスカ北方林地帯での土壌有機炭素の広域シミュレーションの信頼性を向上させ、より確かな将来予測を行えるようになった。フィールド観測に基づくパラメーターやプロセスを新たに取り入れ、実態との整合性もより良くなった。有機質土壌では土壌炭素が層状に蓄積されていくため、土壌深度によって層の形成時期や、その層の置かれている温度・水分環境、そしてその層に含まれる土壌有機炭素の量と質が大きく異なることを定量的に表現した。これらの時間発展をコンピュータ上でジミュレーションすることにより、長い期間をかけて形成される有機質土壌のダイナミクスを再現することに成功した。アラスカ中部における非連続な永久凍土分布地帯における永久凍土の有無を物理的な熱・水収支からの積み上げで推定することも可能となった。

### 5. 本研究により得られた主な成果

## (1) 科学的意義

本研究では、凍土土壌からなる北極高緯度土壌圏における土壌炭素の温暖化による気候変動による脆弱性評価の為のモデル開発にとって重要なパラメーターとなる土壌炭素の平均滞留時間の実測に成功した。得られた滞留時間は、北方林、遷移帯、ツンドラ生態系毎に実測され、炭素蓄積量の試算と相まって、過去数千年以降の炭素蓄積量と平均滞留時間が明らかとなった。平均滞留時間の長い、ツンドラには、生産量が低い環境であるにもかかわらず、分解量が小さいことから北方林よりも多くの有機炭素が存在していることがわかり、北極土壌圏の温暖化による影響評価の調査研究の重要性を示すものとなった。また北方林における自然火災による炭素焼失量の推定からは、一度の火災により失われる炭素量を実測するための手法開発に成功し、自然火災の多発する北極地域における炭素動態モデルの開発にいて重要な定量的データを提供することに成功した。さらにサブテーマ1-3の観測データを下に、土壌圏の炭素動態・蓄積・分解のメカニズムを解明するための観測研究と連動する生物地球化学的プロセスと気候へのフィードバックを含めた土壌炭素動態モデルの開発研究実施することにより、実態に即したシミュレーションモデルの開発を行うことが可能となった。その結果、アラスカ北方林地帯での土壌有機炭素の広域シミュレーションの信頼性を向上させ、将来予測を行うことができるようになった。時間発展をコンピュータ上でシミュレーションすることにより、長い期間をかけて形成される有機質土壌のダイナミクスを再現することに成功した。アラスカ中部における非連続な永久凍土分布地帯における永久凍土の有無を物理的な熱・水収支からの積み上げで推定することも可能となった。

## (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＞

本研究では、北極土壌圏の温暖化影響を予測するためのモデル開発において、特に実用とされている北極土壌特有のパラメータとメカニズムの多くに関する知見を得た。特に土壌炭素の平均滞留時間により得られる土壌炭素の分解率の試算は、世界初の試みで有り、開発されるモデルの精度検証において重要な知見を提供するものとなる。また凍土という低温環境下での有機物分解の温度特性を評価するための培養実験を行った。これらの知見は、モデル開発の精度向上において極めて重要なデータとなる。また本研究で構築された観測網は、アラスカ大学北極環境センターとの共同で実施したものであるが、今後、国内外の研究機関による長期モニタリング等の実施において重要な研究インフラへと発展して行く基盤作りに貢献できたといえる。加えて、複雑な地表面プロセスが相互作用を起こしているため将来予測が困難であった北極高緯度地域の気候変動への影響・気候変動から受ける影響の双方を定量予測するための重要なステップとなるシミュレーション研究への取り組みを行った。特に、土壌有機炭素蓄積を的確に再現するために欠かせない土壌の垂直構造の明示化と土壌物理条件と土壌炭素ダイナミクスの結合によりシミュレーションモデルの性能を格段に向上させることに成功した。アラスカ中部における非連続な永久凍土分布地帯における永久凍土の有無を物理的な熱・水収支からの積み上げで推定できたことからも見られるとおり、定量的な将来予測において世界的にも注目されるべきものである。
#### 6. 研究成果の主な発表状況（別添.作成要領参照）

## (1) 主な誌上発表

## く査読付き論文>

1) H. IWATA, M. UEYAMA, Y. HARAZONO, S. TSUYUZAKI, M. KONDO, and M. UCHIDA: SOLA, 7, 105–108, (2011)

“Quick Recovery of Carbon Dioxide Exchanges in a Burned Black Spruce Forest in Interior Alaska”

2) 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” (in press)

3) Y. KIM, S-D. KIM, H. ENOMOTO, K. KUSHIDA, M. KONODO, M. UCHIDA: Alaska, Polar Science, 7, (2013)

“Latitudinal distribution of soil $ CO_{2} $ efflux and temperature along the Dalton Highway” (in press)

## (2) 主な口頭発表 (学会等)

1）近藤美由紀，内田昌男，金龍元，高橋善幸，內海真生，篠崎鉄哉，榎本浩之，柴田康行：日本地球惑星科学連合 2010年大会（2010）

「放射炭素同位体を用いたアラスカツンドラ・タイガ生態系における土壤有機炭素の滞留時間の推定」2）M. KONDO, M. UCHIDA, H. ENOMOTO, M. UTSUMI, T. SHINOZAKI, Y. KIM, Y. SHIBATA: Int. Symp. Snow, Ice and Humanity in a Changing Climate, Sapporo, Japan, 2010

“Snow conditions in Northern Alaska and possible influences on soil-carbon-dynamic-related carbon assimilation and $ CO_{2} $ emission.”

3) M. UCHIDA, M. UCHIDA, M. KONDO, Y. SHIBATA: Organic matter stabilization and ecosystem functions SOM 2010, France, 2010

“Heterotrophic microbial decomposition of soil ancient carbon in Norway Arctic; First evidence from molecular level natural radiocarbon analysis.”

4) M. KONDO, M. UCHIDA, Y. KIM, Y. TAKAHASHI, T. SHINOZAKI, M. UTSUMI, Y. SHIBATA: Environ. Radioact. 2010, Roma, Italy, 2010

“Radiocarbon constraints for soil carbon accumulation and carbon release of boreal forests and tundra ecosystem in Alaska.”

5) M. UCHIDA, M. UCHIDA M. UTSUMI M. KONDO, Y. TAKAHASHI, Y. SHIBATA: 2nd Int. Symp. Arctic Res., Tokyo, Japan, 2010

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

6) M. KONDO, M. UCHIDA, Y. KIM, M. UTSUMI, T. SHINOZAKI, Y. SHIBATA: 2nd Int. Symp. Arctic Res., Tokyo, Japan, 2010

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

7) M. UCHIDA, M. UTsumi, M. KONDO, Y. TAKATASHI, M. UCHIDA: AGU 2010 Fall Meeting, San Francisco, USA, 2010

“Evidence of heterotrophic microbial decomposition of preaged carbon in Arctic soil; Insights from molecular level natural radiocarbon analysis.”

8) M. KONDO, U. UCHIDA, Y. KIM, M. UTSUMI, T. SHINOZAKI, Y. SSHIBATA: AGU 2010 Fall Meet., San Francisco, USA, 2010

“Radiocarbon-based estimates of residence times for soil organic carbon of Tundra and Boreal forests in Alaska.”

9）中村文彬，榎本浩之，金龍元，佐々木孔明：日本雪氷学会北海道支部発表会，札幌，2010「アラスカにおける冬季地表面の冷却過程の観測結果」

10）榎本浩之，金龍元，佐々木孔明，舘山一孝，谷川朋範，木村しずか，門崎学，斉藤佳彦，又アスムグリアリマス，中村文彬：雪氷研究大会，仙台，2010.

「北極圏ツンドラ・森林域の広域積雪調査－アラスカにおける積雪データの収集とマイクロ波観測実験－」

11）中村文彬，榎本浩之，金龍元，佐々木孔明：雪氷研究大会，仙台，2010.

「アラスカにおける冬季地表面の冷却過程の観測」
12）中村文彬，榎本浩之，茂手木勇紀，ヌアスムグリ アリマス，金籠元，舘山一孝：第33回極域気水圏シンポジウム，東京，2010.

「北極圏における融雪時期の解析 〜アラスカ観測より〜」

13）榎本浩之，佐々木孔明，金龍元，ヌアスムグリ アリマス，中村文彬：第33回極域気水圏シンポジウム，東京，2010.

「北極圏の積雪分布の広域調査および衛星観測」

14) H. ENOMOTO, K. SASAKI, Y. KIM, K. TATEYAMA, S. KIMURA, N. ALIMASI, F. NAKAMURA, T. TAMIKAWA, G. KADOSAKI, Y. SAITO, S. TAKAHASHI: The 2nd International Symposium of Arctic Research, Tokyo, 2010.

“Field Survey and AMSR-E Retrieval of Snow in the Forest and Tundra in Alaska”

15) H. ENOMOTO, K. TATEYAMA, H. SHIBATA, K. SASAKI, Y. TANAKA, Y. KIM, N. ALIMASI, F. NAKAMURA, S. TAKAKAHASHI: The 2nd International Symposium of Arctic Research, Tokyo, 2010. "Land—Sea Connection of Snow and Ice Conditions in the Arctic"

16）伊勢武史:若手生態学者モデル勉強会(2010)

17) T. ISE: Ecological Society of America Annual Meeting, Pittsburgh, U.S.A., 2010

“Construct a size- and age-structured dynamic global vegetation model: simulation of global carbon budget”

19）伊勢武史: GCOE公開講演会、横浜国立大学(2010)

「泥炭地のシミュレーションと気候変動－生態学と物理学の接点」

“A physics-based, depth structured simulation of soil organic carbon: Study in Alaska with ALIMASI C data”

21) T. ISE, N. KATO, H. ENOMOTO, M. KONDO, M. UCHIDA: American Geophysical Union Fall Meeting, San Francisco, U.S.A., 2010

“Constructing a depth-stratified model for soil organic carbon: dynamics of past, current, and future accumulation and decomposition”

22) Y. HARAZONO, H. IWATA, M. UEYAMA, S. TSYUZAKI, M. UCHIDAMA, M. KONODO, Y. TAKAHASHI, M. UTSUMI: ISAM2011, Kagoshima, Japan, 2011

“Vegetation recovery, changes in fluxes and micrometeorology after wildfire of a black spruce forest on permafrost in Alaska.”

23) M. KONODO, M. UCHIDA, Y. KIM, M. UTSUMI, T. SHINOZIKI, Y. TAKAHASHI, M. ADACHI, Y.

SHIBATA: Arctic Sci. Summit Week 2011, Seoul, Korea, 2011

“Constraining radiocarbon signature of soil organic matter in Alaskan Arctic soil: Implication for importance basis examining the impact of climate warming on $ CO_{2} $ release.”

24) M. KONDO, A. HOSHINO, S. MURAYAMA, T. SHINOZAKI, R. WAGAI, Y. SHIBATA, M. UCHIDA: AGU Fall Meeting 2011, San Francisco, USA (2011)

“Investigation of carbon turnover and $ CO_{2} $ evolution in soil organic carbon from forest soils: Insight from radiocarbon analysis of soil density fractions and soil respired $ CO_{2} $ ”

25) T. SHINOZAKI, M. UCHIDA, M. KONDO, K. YOSHIKAWA, S. NOMOTO, M. UTSUMI: AGU Fall Meeting 2011, San Francisco, USA (2011)

“Reconstruction of Alaskan Arctic environmental changes for past 1 ka using $ \partial^{13}C $ of peat cellulose and their $ {}^{14}C $ wiggle-match dating”

26) M. KONDO, M. UCHIDA, Y. KIM, M. UTSUMI, M. ADACHI, Y. SHIBATA: The 4th East Asia Accelerator Mass Spectrometry Symposium, Tokyo, Japan (2011)

“Radiocarbon Signature of Soil Organic Carbon in Tundra and Boreal Forests, Northern Alaska”

27）伊勢武史:国立極地研究所 平成22年度研究集会「北極環境研究の課題と展望」(2011)

29) T. ISE, N. KATO, H. ENOMOTO, M. KONOD, M. UCHIDA: AMS-12 Conference, New Zealand, 2011