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課題名 4RF-1301 阿蘇を構成する植生の蒸発散の比較研究:草原の維持は水資源涵養に寄与するか？

課題代表者名 宮沢 良行 （国立大学法人九州大学 東アジア環境研究機構 研究支援室）

研究实施期间 平成25～26年度

累計予算額 19,793 千円（うち 26 年度 10,417 千円）

予算額は、間接経費を含む。

本研究のキーワード 灌木林、蒸発散、草原、土地利用形態、水資源

研究体制

(1) 草原の蒸発散量の実測とその環境応答の解明（独立行政法人農業・食品産業技術総合研究機構）

(2)森林の遮断蒸発および関連する林分構造の解明(公立大学法人熊本県立大学)

(3) 森林植生による蒸散の実測と増減を生むメカニズムの解明 （国立大学法人九州大学）

## 研究概要

### 1. はじめに(研究背景等)

雄大な草原を有する阿蘇は、人々の利用管理とその自然条件が生み出した二次的自然環境であり、日本を代表する「社会生態学的ランドスケープ」である。これまで草原は、肥料の採取、そして近代からは畜産業での需要から、野焼きを通じて人為的に森林化を防ぐことで維持されてきた。しかし戦後、日本全国で針葉樹人工林の植栽が進む中、阿蘇でも多くの草原に針葉樹人工林が成立した。また肥料の入手先の多様化、国内での畜産業の衰退、そして野焼きを主体的に実施する牧野組合の高齢化により、こうした産業での草原保全が困難となってきている。野焼きが行われずに管理されなくなった草原には灌木が侵入するようになった。進行する樹林化による草原面積の減少に対して、景観および生物多様性の保全を目的に、様々な取組がなされている。しかしその活動は主に募金を通じて維持されており、公的な財政支援も恒久的な財源もないという問題を抱えている。

一方、阿蘇を集水域とする白川の下流に位置し、世界有数の地下水利用都市の熊本市では、地下水位が長期的に低下傾向を示しており問題となっている。熊本県および市では地下水保全条例の制定やくまもと地下水財団の設立、および財団による保全活動が実施されるなど、独自の地下水保全活動が行われている。

草原の植林に伴う生態系による水資源の消費: 蒸発散(ET)の増加と、降水量とETの差である水資源(河川流出量や地下水への流入量)の減少、との関係は多くの海外の研究により報告されている。阿蘇の草原の減少と熊本市周辺での地下水位減少との関係が学術的に支持されれば、その成果は、阿蘇の草原再生を取組の一つとして位置づけた、一体的な地下水保全体制の構築に強く寄与すると期待されている。

しかしこれまで草原の減少とETを調べた多くの研究と阿蘇とでは、ETに強く影響を及ぼす気象条件が大きく異なり、結果の安易な適用は危険である。阿蘇は中央の山岳部を中心に、日本でも降水量の高い地域であるが、草原と森林のETの比較をした研究の多くがより降水量の低い地域を対象としている。また草原でのETが森林よりも低いと既存研究が挙げた現象および水文過程のいくつかが阿蘇では成立しない可能性もある。こうした点を明確にするには、現場での野外計測および広域でのET評価を可能にする情報の収集が不可欠である。

### 2. 研究開発目的

本研究では、現在進行する森林化に伴う草原の減少が阿蘇のETを増加させ、水資源を減少させている、という仮説の検証を目的に、阿蘇カルデラ内白川流域の広域での、構成植生のETの推定、そのための推定法の確立と推定に必要なデータの現場での採取、を目的としている。活動を通じて構築されたET推定法を用いて、これまでの草原の森林化、そして今後予想される草原の森林化によるETの減
少を評価する。最後に、仮説の通りに草原の森林化がETの増加をもたらすという結果が得られた場合、こうしたETの増加を食い止める手段としての草原保全活動の経済性を評価する。草原保全に必要とされる費用を、同量のET削減に寄与すると考えられる他の活動に要する費用と比較することで、水資源涵養の手段としての草原保全活動の経済的な妥当性の検討を行う。

目的としているET推定法の構築には、阿蘇での主要植生、および面積は小さいものの拡大とその防止への関心の高い植生について、種特異的な生物物理学的な諸特性を得る必要がある。そのために、各植生に適した計測法を用いて、ETに関連する諸特性の現場での実測：渦相関法によるフラックス観測、樹液流観測など、を実施する。またETの広域推定には、阿蘇の広域での植生分布と気象条件のデータおよび解析が必要となるため、既に収集されて公開されているデータを活用する。

これまで、そして今後の草原減少が阿蘇各地のETに及ぼす影響を評価するには、草原減少の経緯、そしてその知見に基づいた今後の草原面積減少の予測が必要となる。関連機関への聞き取りと植生図の解析を通じて、草原現象の実態解明を目指す。

### 3. 研究開発の方法

## (1) 草原の蒸発散量の実測とその環境応答の解明

阿蘇草原の蒸発散量の季節変化を明らかにするため、阿蘇西麓台地の草原において牧草（イタリアンライグラス）の出芽期から収穫期にかけて渦相関法による蒸発散量（潜熱フラックス）の長期観測を行った。同時に測定期間中の草原の群落構造を把握するため、牧草の出芽期から収穫期にかけて2～3週間ごとに群落高と葉面積指数（LAI）の生体調査を行った。収集された0.1秒毎の乱流データをもとに、統計量の計算と座標変換、周波数応答補正、蜜変動補正などの処理を行い、30分毎のフラックスを計算した。得られたフラックスについてエラーとノイズを除去した上で、日毎の蒸発散量および各種気象要素のデータセットを作成した。

得られたデータセットについて、降雨後の遮断蒸発と通常の蒸発散を個別に解析するため、はじめに日データを降雨日（0.5mm以上の降水量が記録された日およびその翌日）と無降雨日（降雨日以外の日）に分類した。無降雨日について、蒸発散量および各気象要素の観測値をもとに、Big-leaf型の蒸発散モデル（Penman-Monteith式）を用いて気孔コンダクタンス（ $ g_{s} $ ）を算出した。

$$ \lambda ET=\frac{\Delta(R_{n}-G)+c_{p}\rho(e_{s}-e_{a})/r_{a}}{\Delta+\gamma(1+r_{s}/r_{a})} $$

ここで、λは水の気化熱（0℃で2.5×10⁶J kg⁻¹）、Δは飽和水蒸気圧曲線の勾配（hPa K⁻¹）、γは乾湿計定数（hPa K⁻¹）Rnは正味放射量（W m⁻²）、Gは地中熱フラックス（W m⁻²）、cₚρは空気の体積熱容量（J K⁻¹ m⁻³）、eₛは気温に対する飽和水蒸気圧（hPa）、eₐは水蒸気圧（hPa）、rₛは気孔抵抗（または表面抵抗：s m⁻¹）、rₐは空気力学的抵抗（s m⁻¹）である。式1を用いることで、水蒸気圧eₐとET、Rₙ、G、rₐの観測値から逆算によってrₛ（気孔コンダクタンスgₛの逆数）を算出することができる。rₐは実測値を基に、超音波風速計による4m高度での風速と摩擦速度の観測値から計算した。

次に降雨日について、各日の気象条件から作成された蒸発散モデルを用いて式1により蒸発散量を計算した。ここで計算される値は、雨の影響で葉が濡れていない場合の通常の蒸発散量に相当するため、この計算値と実際の蒸発散量の観測値との差を遮断蒸発量と仮定した。推定された各時期の遮断蒸発量について、降水量や降水強度ならびに牧草のLAIとの関係を調べた。最終的には、降水量に対する遮断蒸発量の割合を決定することで、一般的な気象データから通常の蒸発散と同時に遮断蒸発量を推定できるモデルを作成した。

## (2) 森林の遮断蒸発および関連する林分構造の解明

ETに関連する現象およびETを構成する遮断蒸発も蒸散も、森林の構造に強い影響を受ける。遮断蒸発は降雨後に生態系地上部に付着した水の蒸発量であるが、葉の現存量である葉面積指数に強く影響を受ける。蒸散もまた、水の出口である葉の量である葉面積指数に強く影響されるし、通導機能を持つ材(辺材)の面積あたりの計測値である樹液流速度を基に蒸散速度を推定するには、森林構造の指標である辺材面積を知る必要がある。阿蘇一帯には様々な構造の森林があり、こうした森林構造の変異がETの推定にどれほどの影響を及ぼすかを把握しないと、一試験地で得られた各森林植生の計測データを基にしたETの広域推定をすることは出来ない。

本サブテーマでは、遮断蒸発の計測を実施するとともに、阿蘇一帯の森林、とりわけ最大の面積を擁する針葉樹人工林を対象に、阿蘇付近の森林構造の現状の把握、そして森林構造の変異がETの推定に及ぼす影響の評価、を実施した。

樹液流計測値を基にした蒸散速度の推定に使用する辺材面積については、過去の研究を参考に、入手が容易な樹木の胸高直径を用いた回帰式の作成を行った。一方、遮断蒸発については、やはり既存研究を基に
した、針葉樹林における立木本数と遮断率との関係式を用いて推定できる。すなわち、林分の立木本数を独立変数とした回帰式を用いて遮断率を推定し、その遮断率に年間降雨量を乗じることによって、年間の遮断蒸発量を推定した。なお、既存研究で得られた回帰式の阿蘇地方のスギ・ヒノキ林への適合性については、永野ら（未発表）によって確認できている。以上のように、何らかの方法によって、平均胸高直径と立木本数が推定できれば、蒸散量と遮断蒸発量が推定でき、これらの和として蒸発散量が求められる。その際に必要となるパラメータは、スギ・ヒノキ人工林の齢級別面積構成のような林業統計情報と平均樹液流速ならびに年間降雨量の値のみである。したがって、このモデルは、様々な地域のスギ・ヒノキ人工林に適用できる実用的なモデルであると言って良い。

熊本県林業統計要覧によると、阿蘇郡市における全森林面積に占める民有林の割合は、1970年～2010年にかけて、93.4〜95.0%の範囲でわずかに変動しながら推移しており、阿蘇地方において国有林の占める割合は極めて低いものと考えられた。したがって、民有林のみをシミュレーションの対象とした。阿蘇郡市のうち、外輪山の内側に位置する阿蘇市（旧：一の宮町、阿蘇町、波野村）、高森町および南阿蘇村（旧：白水村、久木野村、長陽村）の3市町村をシミュレーションの対象とした。

開発したシミュレーションモデルでは、対象地域におけるスギ・ヒノキ人工林の齢級別面積の集計・熊本県スギ・ヒノキ林分施業体系図にしたがい、植栽と間伐を行った場合における林分密度と平均胸高直径の推定・推定された齢級ごとの林分密度と平均胸高直径を基にした年間蒸発散量の推定を実施した。なおこうした推定において、間伐の実施および無間伐状態も考慮している。

## (3) 森林植生による蒸散の実測と増減を生むメカニズムの解明

森林のETの現場実測および広域推定のためのデータ収集を目的に、サブテーマ(2)で計測された遮断蒸発とともにETを構成する要素:蒸散速度の測定を実施した。樹液流計測および現場実測データを基としたモデル解析を用いて、対象とした森林4植生の蒸散速度の推定および得られたデータの補正を実施した。計測には熱消散式センサーの一つであるGranier式センサーを使用し、連続的に通水材部である辺材を通過する水の流速を計測した。既存研究で計測値および森林スケールでの推定に誤差を生じさせることが知られている要素である、計測値の樹幹内周囲・深度方向の変動、樹液流速度の個体間差、夜間の樹液流発生時の計算補正、および葉からの蒸散と樹液流速との時間差について、計測値および広域推定過程で影響が出ない実験設定を構築した。

実測された蒸散速度を用いて、各植生の種特異的な生物学的要素のうち、蒸散速度に強い影響を及ぼす特性である気孔コンダクタンスを計算した。同時に計測された気象データとの比較を通じて、気孔コンダクタンスの環境変化への応答を植生ごとに解明することで、あらゆる環境条件での気孔コンダクタンスの推定および既存研究との比較を可能にした。

計測地点の環境条件を色濃く反映する樹液流速は、環境条件の大きく異なる地点を含む広域の蒸散速度の推定には適さない。どのため、推定を実施する地点の気象データと各植生の面積、そして各植生の気孔コンダクタンスおよびその環境変化への応答のデータを基に、阿蘇カルデラ内の白川流域内各地点の蒸散速度を推定した。各地点の気象条件については、農業環境情報データセンター（農業環境技術研究所、

http://agrienv.dc.affrc.go.jp/)によってほぼ1km四方に区分されたグリッドごとに計算されたデータを使用した。気象データで使用したグリッド内の植生ごとの面積については、環境省の植生図(自然環境保全基礎調査 植生調査情報提供、http://www.vegetation.biodic.go.jp/)のデータを用いて計算した。これらのデータの解析ではArcGIS10.1(ESRI, Redlands, CA)を使用した。

また阿蘇の草原の減少の基本情報である森林面積の移行およびその詳細について、熊本県阿蘇地域振興局に問い合わせ、その実態の解明に努めた。

森林植生の蒸散に加え、遮断蒸発、および草原と水田のETについても、サブテーマ1および2で得られた結果を用いて、同様の解析を行った。現在分布している草原について、各グリッドで現在拡大を続ける森林植生に置き換わった場合の年間ETの増減を調べることで、草原の減少と森林化が阿蘇の水資源に及ぼす影響の評価を行った。

また水資源の減少およびETの増加として他に考えられる原因である、近年の地球温暖化に伴うETの増加について、熊本平野での地下水減少が報告される前の25年前の気象条件でのETとの比較を通じてその影響を検証した。農業環境情報データセンターの気象データの1982年の数値を用いて、各グリッドの植生ごとおよび全体のETを計算し、各地点のETの増加の有無および程度を解明した。

### 4. 結果及び考察

## (1) 草原の蒸発散量の実測とその環境応答の解明

相関法によって計測された蒸発散量の日値は牧草の生育期間（10月～4月）は概ね0～5mm day $ ^{-1} $ の範囲で、
夏季の値に換算するとこれまで九州の水田や畑地など低群落の植生で得られている蒸発散量とほぼ同程度の値であった。また、草原の生育が旺盛な2～4月の蒸発散量は平均で2～3mm day $ ^{-1} $ で、これまでに冬型の作物で得られている蒸発散量と比較すると若干大きな値を示した。これには、草原のLAIの比較的大きいことが影響しているものと推察された。

観測データからPenman-Monteith式の逆算によって得られた気孔コンダクタンス $ g_{s} $ の値は0～0.025 m s $ ^{-1} $ の範囲で季節変化し、葉面積指数(LAI)の小さい冬季に低く、LAIの大きい春季に高い傾向がみられた(図(1)-1)。春季における $ g_{s} $ の最大値は0.02 m s $ ^{-1} $ を超えており、これは過去の研究における森林の値よりも大きく、また過去に乾燥地の草原で得られた $ g_{s} $ の最大値0.01～0.015 m s $ ^{-1} $ よりも若干大きい。一方で、この値は九州の水田(イネ)で出穂期に得られた値とほぼ一致しており、阿蘇の草原(イタリアンライグラス)における蒸発散能が森林よりも大きく作物と同程度であることが伺える。また、11～12月の $ g_{s} $ が(LAIが小さいにも関わらず)1月よりも高く、これには生理的活性が関わっている可能性がある。観測期間中のイタリアンライグラスのサンプルから得られた窒素濃度の季節変化からは、生育初期に窒素濃度が高い傾向をみられ、上記の11～12月の $ g_{s} $ が1月よりも高い結果と整合していた。

気孔コンダクタンス $ g_{s} $ の値は日射量が大きい日ほど $ g_{s} $ も高い傾向がみられた（図(1)-2）。一方で、飽差については、一般には乾燥条件で気孔の閉じることが知られているが、0～10hPaの範囲では $ g_{s} $ の明確な低下傾向がみられなかった。両環境要素の観測値から $ g_{s} $ を計算できるようにするため、以下のようにモデル化した。

$$ \mathbf{g}_{\mathrm{s}}=\mathbf{g}_{\mathrm{s}_{\max}}\times\mathbf{f}_{1}(\mathbf{S}_{\mathrm{d}})\times\mathbf{f}_{2}(\mathbf{VPD})=\mathbf{g}_{\mathrm{s}_{\max}}\times\frac{\mathbf{S}_{\mathrm{d}}}{\mathbf{S}_{\mathrm{d}}+\mathbf{S}_{\mathrm{dh}}}\times\left(1-\frac{\mathbf{VPD}}{\mathbf{VPD}_{0}}\right) $$

ここで、 $ g_{smax} $ は気孔コンダクタンスの最大値、 $ S_{dh} $ は $ g_{s} $ が $ g_{smax} $ の半分となるときの日射量、 $ VPD_{0} $ は $ g_{s} $ が 0 となるときのVPDで、本研究から実験的に得られた値は、 $ g_{smax} = 0.025m s^{-1} $ 、 $ S_{dh} = 196W m^{-2} $ 、 $ VPD_{0} = 51.4hPa $ であった。これらパラメータの値を利用し、式1と式2を用いることで気象条件から草原の蒸発散量を計算することができる。この方法で気象条件から蒸発散量を推定した結果、観測値に対する推定値の二乗平均平方根誤差は RMSE = $ 0.37mm day^{-1} $ と比較的小さく、実用上十分な精度と考えられた。

降雨日を対象に求められた遮断蒸発量について、一回の降雨イベントに対する遮断蒸発量は最大で5mm程度であった。また、降雨量が多いときほど遮断蒸発量の最大値も大きくなる傾向がみられた。毎月の降水量Pの分配について水収支成分を調べたところ、流出量と貯水量変化と合わせた成分Q+dSは季節変化が大きくマイナスの値（すなわち貯水量が減少）となる月もみられた。一方で、遮断蒸発量 $ E_{i} $ の季節変化は安定しており、月あたり0～20mmの範囲で蒸発散量の大きい月ほど多くなる傾向がみられた。また、年ごとの水収支成分をまとめた結果、生育期間中の総降水量に対する遮断蒸発量の割合 $ E_{i}/P $ は、2010年産が7.3%、2011年産が8.8%、2012年産が3.3%であった（図（1）-3）。この結果から、草原の平均的な $ E_{i}/P $ を6%とし、降水量から遮断蒸発量を推定する以下のモデルを作成した。

$$ E_{i}=0.06\times P $$

ここで、Pは対象期間中における降水量の合計値（mm）である。森林における $ E_{i}/P $ は通常20～40%程度であり、この結果からは草原の遮断蒸発量が森林と比べて少ないことが分かる。

以上により、阿蘇草原の蒸発散量の時間的・空間的分布の評価、ならびに森林の蒸発散との比較解析を行うために必要な、任意の気象条件から草原の蒸発散量を遮断蒸発も含めて推定できるモデル（式1～式3）を開発することができた。

図(1)-1 草原における気孔コンダクタンス $ (\mathrm{g}_{\mathrm{s}}) $ の季節変化
図(1)-2 草原における気孔コンダクタンス $ (\mathrm{g}_{\mathrm{s}}) $ の日射量 $ (\mathrm{S}_{\mathrm{d}}) $ と飽差(VPD)への依存性

図(1)-3 草原における年ごとの水収支成分の比較

(Q+dS:流出量＋貯水量变化、 $ E_{i} $ :遮断蒸発量、 $ ET^{*} $ :遮断蒸発を除いた蒸発散量)

## (2) 森林の遮断蒸発および関連する林分構造の解明

様々な地域で得られた結果を解析した結果、胸高直径と辺材面積とのアロメトリ指数は、スギとヒノキでほぼ1.6となった。他の地域、種、広葉樹を含めた既存研究でもこの数値はほぼ1.6を採っており、胸高直径と辺材面積との関係については、樹種の違いを超えて成り立つ「1.6乗則」が存在する可能性が示唆された。

一方、既存研究により、過密林分における立木本数は断面積平均直径（胸高直径の幾何平均）の−1.6乗に比例して変化することが示されている。胸高直径と辺材面積との間の1.6乗則とを組み合わせることで（計算式から平均胸高直径を消去する）、平均辺材面積が本数密度の逆数に比例することがわかる。このことは、本数密度によらず、過密林分における辺材面積合計は一定となる：「辺材面積の保存則」を意味する。

林分スケールでの蒸散量は、辺材面積合計と平均樹液流速との積によって与えられる。また、平均樹液流速については、林分の成長や密度、間伐の有無などの要因によらずほぼ一定とみなすことができる。したがって、過密林分において辺材面積の保存則が成り立つならば、過密林分における蒸散量は本数密度によらず一定であり、また、最大となっていることが示唆される。この知見は、造林学や森林計画学の分野において精力的に研究されてきた人工林の自己間引きに関する知見と森林水文学の分野において近年活発な研究が行われている樹液流計測の知見とを結びつけたものであり、森林の構造と蒸発散との関係をモデル化する際にきわめて重要な知見だと言って良い。
対象地全域における年間蒸発散量の年々推移を調べたところ、人工林が施業体系図に示された通りに管理された場合、スギ人工林からの蒸発散量は1990年から2010年にかけて徐々に減少することが分かった。このことは、対象地におけるスギ人工林の面積が減ったことよりも、むしろ蒸発散量の小さい高齢級へと齢級構成がシフトしたことによる影響が考えられる。一方、対象地のすべての人工林においてまったく間伐が行われなかった場合、スギ人工林からの蒸発散量は年代の進行にともなって微増した。これは、無間伐林分における林分蒸発散量が高齢になるにつれて徐々に頭打ちになることが影響しているものと考える。

この結果から、阿蘇に様々に分布する森林構造の異なる森林では、胸高直径などの指標の大きな違いは予想されるものの、間伐が広く実施されていない限り、辺材面積の変動はきわめて限定的であることが分かった。今回試験が行われた南阿蘇VC試験地の森林構造の数値、そして樹液流計測値を基にしたETの推定への影響は大きくなく、サブテーマ(3)での広域推定の結果を大きく覆すほどの影響はないことが示唆された。

## (3) 森林植生による蒸散の実測と増減を生むメカニズムの解明

各森林で蒸散速度は開葉した5月はじめから落葉がほぼ完了した10月末が全体の9割以上を占め、どの植生も同様の季節変化パターンを示した。常緑の針葉樹人工林でも冬の計測値が低く、年間蒸散量への寄与は限定的だった。阿蘇の低温環境では葉の光合成活動は酵素反応の温度依存性のために低く抑制され、光合成に必要とされる気孔の開放に伴う蒸散も抑制されたためだと考えられる。

他の森林植生と比べて、針葉樹人工林の蒸散速度は高く、クヌギ林で低かった。針葉樹林で蒸散速度が高かった生物学的な原因は、単位地上面積あたりに保有する葉の量（正確には面積）：葉面積指数が高く、また幹の通水部分である辺材面積も他植生よりも高かったことである。個葉スケールでの計測から求められた森林スケールの蒸散速度は、その日々変化については樹液流計測で計測された蒸散速度と相関があったが、数値は約1.5-2.3倍であった。この違いは、近年多く指摘される樹液流センサーによる計測値の過小評価が原因であるとして、樹液流計測によって計測された蒸散速度の補正を行った。

聞き取りにより、阿蘇では戦後の草原の減少と森林の拡大は二つの流れの中で進んだことが明らかになった。戦後、豪雨災害による草原の放棄と放棄された場所を含む各地で進んだ針葉樹人工林の植栽が1960年代まで続いた。しかしその後は木材価格の下落などを背景とした林業を取り巻く環境の悪化に伴い、既植人工林の間伐など必要施業すらも行政による支援が求められている現状では、急速な人工林の拡大は報告されていない。こうした植林を取り巻く経緯は、サブテーマ2で調べたこの地域の林齢構成からも確認することが出来る。もう一つの流れが、草原の管理放棄と放棄された草原への灌木林の侵入であり、こちらは現在も進行している。背景には、畜産業を取り巻く環境の悪化に加え、草原保全に不可欠な「火入れ」の実施主体でもある牧野組合の高齢化により、現在存在する全ての草原の管理が困難になってきている現状がある。明治時代および戦後まもなくのデータに基づいた草原マップで草原と区分けされていた地域であっても、とりわけ高標高で林道から遠く傾斜が急な地域（五岳東部の根子岳など）では灌木林の群落を観察することが出来る。

阿蘇カルデラ内の白川流域内では、草原がほぼ全域に分布していたのに対し、針葉樹人工林はカルデラ底部および阿蘇五岳の中心部を除く地点（グリッド）に分布していた。針葉樹人工林の見られないカルデラ底部には水田が分布し、これらの三植生が白川流域の大半を占めていた。一方、拡大を続ける灌木林については、面積は阿蘇カルデラ内の白川流域の3.8％に過ぎず、草原と比べても7分の1に過ぎない。また灌木林の成立している地点の多くが阿蘇五岳山頂付近、またはそこから東に連なる高標高地域であり、どの植生でも白川流域内で最も降水量は多いものの冷涼な地域に分布していた。このことは、潜在的には、遮断蒸発は高いものの蒸散は低く抑制される地域で灌木林の拡大が進んでいることを意味する。

各植生が阿蘇カルデラの白川流域内の各グリッドで取りうるET(植生の蒸散量／植生面積。各植生内での単位地上面積あたりのET。対象植生のグリッド内における面積には影響されない)を調べると、標高の低いカルデラ底部(阿蘇谷と南郷谷)ではどの植生でも高いETが観測された。一方、カルデラ中部の阿蘇五岳付近、そしてカルデラを取り囲む外輪山などの高標高地域のグリッドではETが低かった。こうした地域では降水量が大きく、降水量と比例関係にある遮断蒸発量は大きかったものの、気温が低いために蒸散速度が低かったことが原因であった。なお日射量については、流域内で明確な違いは観察されなかった。いずれの地点にも各植生が分布していた場合に予想されるETは、どのグリッドでも針葉樹人工林で一番高く、水田、草原の順であった。拡大を続ける灌木林ではETは他の植生と比較して高くなかった。

各グリッドでの植生のET(植生の総蒸散量／グリッド面積、グリッド内の植生面積とともに増加)は、カルデラ底部の周辺と外輪山に分布する針葉樹人工林で広範囲かつ高く、またカルデラ底部に分布する水田でも高かった。一方、五岳およびその東部に分布する灌木林では、グリッドの数は少なく、グリッドあたりのETも低かった。限られた地域、しかももともと潜在的にETの低い環境条件に疎に分布、という灌木林を取り巻く水文学的な境遇が明らかになった。

その結果、全てのグリッドについて、分布する草原が全て灌木林に置き換わった場合、どのグリッドでもETは低
下するという、本課題の開始当初の予想とは正反対の結果が得られた。またこれまでに草原から移行したと考えられる現在の灌木林について、そのETが阿蘇カルデラ内の白川流域のETに占める割合は2.8%であり、それが草原に変化した場合（灌木林の拡大がなかったと仮定した場合）のETの変化量はさらに小さい。現在の灌木林の全てのグリッドについて、昔あった草原が急に灌木林に置き換わったとしても、河川流量などの水資源に及ぼす影響は検出できないほど小さいと考えられる。このため、近年進行する灌木林の拡大そのものは、この地域のETの増大、そしておそらく下流域の地下水位の低下に対して直接的に寄与していない、あるいはその寄与は極めて限定的である、ことが明らかとなった。

ここで留意されるべきことは、本研究で森林植生との比較対象で用いられた草原とは、阿蘇の一般的な草原を代表しうる特性をもつわけではなく、そのETは草原で予想される上限値であること、である。草本植物の中でも成長が早い（ETも高いことが予想される）牧草用の種からなる群落でありながら、牧草としての利用および家畜による採食もされない本試験地では、この地域の草原として採りうる最大のETが期待される。阿蘇の現場では、管理放棄された牧草地、あるいはその牧草地から天然草原に分布を拡大した牧草群落、に該当する。こうした草原が、実際にどれほどの面積を占めているのか、および草原全体のETにどれほど寄与しているのか、といった問題についての定量的な評価およびその寄与を考慮したETの広域推定については、本研究の視野および技術を超える内容であるため、これ以上の議論は行わない。本研究の草原試験地のこうした特性を考慮すると、草原のETが森林と同程度あるいはより高いという本研究の結果は、成長の早い牧草地では特に、現状維持と森林化を阻止だけに頼った活動は、水資源涵養には寄与しないことを明らかにした。逆に言えば、特に潜在的なETの高い低標高地域に広がる現状の草原の利用と管理は、一帯のETを低く抑制する水資源涵養の活動であることも示唆している。

### 5. 本研究により得られた主な成果

## (1) 科学的意義

日本に特有の気象条件、植生そして景観における草原およびその代替植生を対象に、実際にETの実態を解明し、世界的な傾向：草原の森林化はETの増加をもたらし、流域内の河川の流量を減少させる、との違いを明確にした。ともすれば、世界的な調査データを基にしたZhang et al. (2001, Water Resource Research)などの結果を基にして、草原の減少と河川流量や地下水位の低下を安易に関連づけがちになる中、そうした違いを考慮した実験設定を持ち、これまでの傾向と違う結果についても生物学的および物理学的に説明をすることが出来た。草原で森林よりETが大きかった原因は、(1)草原のETが日本の代表的な森林植生である針葉樹人工林のETと比べても小さくないこと、(2)現在進行中の草原の森林化に寄与する森林植生が灌木林に限られ、灌木林のETが同じ地域の針葉樹人工林と比べて低いこと、(3)森林で草原よりも大きいと期待されたETの成分の遮断蒸発が灌木林で特に小さかったこと、が挙げられる。(1)については、むしろ他の地域で草原のETが低い理由が、根系が浅い土壌に限定して発達するために土壌乾燥により蒸散が抑制される時期が多いことが挙げられてきた。サバンナなど雨季と乾季が明瞭にある地域では、乾季を種子の状態でやり過ごす草原が発達するため、世界的な研究でETが草原で小さいという傾向が得られやすいが、こうした条件が当てはまる気候を持つ地点は日本には多くない。むしろ蒸散を規定する要素である葉の光合成特性などは草本植物で木本植物よりも高いため、土壌乾燥が軽度で発生の頻度も高くない日本の多くの地点では蒸散およびETは草原で高いことが示唆される。(2)については、灌木林がまだ成長途中であり、また灌木林自体が遷移過程の植生であることが一因だと考えられるが、その場合には草原減少のET増加は草原消失の数十年後の現象であり、その影響評価は本課題および多くの環境行政の視野外である。(3)については阿蘇で発生しやすい霧の影響が大きいと考えられ、他の地域では観察されない可能性もある。ETに関係する諸過程を踏まえた本解析によれば、この結果は、この地域で予想される気象変動の年々変動など、幅広い気象条件においても、大きく変わらないと考えられる。また同様の環境条件での草原の減少、あるいは森林の草原化についても適用が可能出ると期待される。

草原で比較的高いETが得られた本研究の結果が変わりうるとすれば、草原の牧草採取地としての利用、および放牧による採食などの管理による、葉面積の低下や、生育初期のET抑制、であろう。サブグループ1では草原の発達に伴うETの増加、そして発達後の高いETが明らかとなっており、刈り取りや家畜による採食がETに及ぼす影響の大きさを示唆している。景観保全や生物多様性の維持など、ともすると森林の拡大ばかりに焦点が当てられてきた阿蘇の草原減少問題について、既存草原での人為的活動の重要性をあぶり出したことは、人為的景観の水文過程研究の立ち上げおよび発展に重要な役割を果たしていると言える。
## (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＞

本研究により、阿蘇で拡大を続ける灌木林のETが、刈り取りや家畜による採食がなされない環境下の草原とほぼ同程度か、それよりも低いことが明らかとなった。留意すべき点は、この結果は必ずしも草原のETが森林のETよりも常に大きいということを示唆してはいないことである。本研究で比較した森林植生は阿蘇一帯の森林植生を代表する状態(サイズ、種組成、気象条件)であったのとは対照的に、調べた草原では、構成種が家畜飼育目的の生産性の高いイタリアンライグラスでありながら、採食も刈り取りも行われなかった群落であった。すなわち本研究の草原試験地とは、牧草地の種が分布を拡大した、また管理されることなく放棄された状態の植生であり、そのETは草原植生が取り得る上限値、を代表する。実際の草原は、同様に生産性が高いが生育期間の途中で採食や刈り取りがされる牧草地帯；より生産性の低い野草からなる草原；生産性は高いが光合成回路が大きく異なるススキ群落、からなると考えられる。これらの植生は本研究の草原試験地と比べ、それぞれ、ETの高い期間が短く刈り取り後にETが低下する；各時期のETが低い；ことが考えられるでは実際の阿蘇の草原のETが、本研究の草原でのETよりどれほど低いのか、については、草原管理の実態の情報と、野草のETの実測が不可欠である。後者については、草原のET観測に最適な渦相関法の実施例もないため、新たな観測の立ち上げが必要となろう。

一方で、これまでの研究で草原と森林のETの差を生み出す要素として考えられてきた、森林の高い遮断蒸発、および土壌乾燥による草原のETの抑制、は霧が多く発生して湿润な阿蘇では発生しない、あるいは希であることは確かである。ETの要素の一つである蒸散についても、群落あたりの葉面積(葉面積指数)および葉面積あたりの蒸散速度のいずれについても、刈り取りなどの管理のされない草原では森林と同程度あるいは森林よりも高く、水資源涵養の視点ではこうした草原の価値は森林よりも低いほどである。

本研究で明らかになったことは、湿潤な日本で水資源涵養を目的とした草原管理を政策として推進するならば、灌木林の除去やその拡大阻止と言った現状維持だけでは不十分であり、残った草原の管理利用が重要かつ不可欠な事業として実施されるべきだと考える。

#### 6. 研究成果の主な発表状況（別添.報告書作成要領参照）

## (1) 主な誌上発表

## く査読付き論文>

1）井上昭夫・永野美穂，三小田憲史・高木正博・大槻恭一：九州森林研究第68号（2015）印刷中「阿蘇地方のヒノキ人工林における遮断率の観測（I）試験地の設定」

## く査読付論文に準ずる成果発表>

特に記載すべき事項はない

## (2) 主な口頭発表 (学会等)

1) A. Maruyama, T. Kuwagata and K. Ono: 11th AsiaFlux Workshop, Seoul, Korea, August 2013 “Seasonal variation of stomatal conductance at canopy-scale in relation to crop phenology”

2) 井上昭夫・鶴田健二・篠原慶規・宮沢良行・高木正博・大槻恭一：第69回日本森林学会九州支部大会、201310月「辺材面積に基づく間伐率の提案」

3）井上昭夫・西園朋広：第125回日本森林学会大会、さいたま市、20144月「樹幹表面積一定の法則．」

4) 井上昭夫・鶴田健二・篠原慶規・宮沢良行・高木正博・大槻恭一:第69回九州森林学会大会(2013)「辺材面積に基づく間伐率の提案」

5) 井上昭夫・西園朋広:第125回日本森林学会大会(2014)「樹幹表面積一定の法則」

6) 井上昭夫・永野美穂・三小田憲史・高木正博・大槻恭一:第70回九州森林学会大会(2014)「阿蘇地方のヒノキ人工林における遮断率の観測（I）試験地の設定」

7) 井上昭夫・宮沢良行・丸山篤志：森林計画・計測における統計理論の応用に係わる若手研究集会（2014）「阿蘇地方の針葉樹人工林における蒸発散のシミュレーション」

8) A. Maruyama, Y. Miyazawa and A. Inoue: AGU Fall meeting, San Francisco, USA, 2014, 23S–05.
“Estimation of rainfall interception in grassland using eddy flux measurements”

### 7. 研究者略壓

## 課題代表者:宮沢 良行

京都大学農学部卒業、博士(農学)、現在、ハワイ大学マノア校Research Fellow

## 研究分担者

## 1 ）丸山篤志

千葉大学園芸学部卒業、独立行政法人農業・食品産業技術総合研究機構 中央農業研究センター情報利用研究領域

## 2 ）井上 昭夫

高知大学農学部卒業、熊本県立大学環境共生学部准教授
4RF-1301 阿蘇を構成する植生の蒸発散の比較研究：草原の維持は水資源涵養に寄与するか？

## （1） 草原の蒸発散量の実測とその環境応答の解明

独立行政法人農業・食品産業技術総合研究機構

中央農業総合研究センター 情報利用研究領域 丸山 篤志

平成25～26年度累計予算額：4,525千円（うち、平成26年度予算額：1,788千円）

予算額は、間接経費を含む。

## [要旨]

阿蘇草原における水資源涵養に関わる蒸発散の実態を明らかにするため、渦相関法による潜熱フラックスの現地観測に基づいて、草原における遮断蒸発を含めた蒸発散の気象応答特性を解析した。観測期間中（3年間）の日蒸発散量は0～5mm day $ ^{-1} $ の範囲であった。無降雨日における草原の気孔コンダクタンスは最大で約0.025m s $ ^{-1} $ の値を示し、過去に九州の水田や畑地で得られた値と同程度であった。また、気孔コンダクタンスは日射量と共に増加する傾向がみられたが、飽差との関係（乾燥による気孔閉鎖の傾向など）は明確ではなかった。気孔コンダクタンスの両環境要因への依存性をパラメータ化することで、無降雨日の蒸発散量を推定するモデルを作成した。次に、降雨日について作成したモデルによる蒸発散量の推定値と観測された潜熱フラックスのデータに基づいて遮断蒸発量を求めた。遮断蒸発量は降水量の多いときほど増える傾向がみられ、一回の降雨イベントにつき最大で約5mmの値を示した。牧草生育期間を通じた降水量の合計値に対する遮断蒸発量の合計値の割合は3～9%（平均は6%）であった。これらの結果をもとに、阿蘇広域における草原の蒸発散量を（遮断蒸発を含めて）精度よく推定できるモデルを開発した。

## [キーワード]

気孔コンダクタンス、空気力学的コンダクタンス、遮断蒸発、蒸発散、牧草

### 1. はじめに

阿蘇は、世界最大級のカルデラ地形の上に広がる雄大な草原であり、わが国を代表する風景地として阿蘇くじゅう国立公園にも指定される。日本最大の二次草原には、希少な植物や昆虫が多く生息し、生物多様性上極めて重要な地域である。また、この地域では平安時代から採草、放牧、野焼きなどが行われ、長い年月の間、地域の人々の営みによって草原が維持されてきた。しかし、国内の他の里山と同様、阿蘇でも近年の畜産業の衰退や生活様式の変化により、草原の減少や樹林化が進んでいる。一方、阿蘇を水源とする白川下流では地下水位の長期的な低下傾向が問題となっており、中流域での水田冬期湛水、上流域での水源涵養林の整備等による地下水の保全が取り組まれている。一般に森林は、その主要な生態系サービスの一つとして水源涵養機能を持つとされているが、草原における水涵養機能の実態は明らかにされていない。草原では、森林と比較して雨水の遮断蒸発量が少ないと考えられることから、無降雨時の蒸発散量：ETが同程度であれば地表下への水涵養量は比較的多いことが予想される。
植生の遮断蒸発量は降雨量や降雨強度にも依存し、森林では一般に葉面積が大きいほど降雨量に対する遮断蒸発量の比率（ $ E_{i}/P $ ）が大きくなることが知られている（Gash, 1979 $ ^{1} $ ）。過去に観測から得られた森林の $ E_{i}/P $ として、概ね20～40％の値が得られている（Komatsu et al., 2008 $ ^{2} $ ）。しかしながら、草原や作物のような低本の（かつ密生した）群落において遮断蒸発がどのような特性を示すのか知られておらず、 $ E_{i}/P $ がどの程度の値であるのかも明らかでない。また、蒸発散量についても草原における長期間の観測例は限られており（例えば、Wever et al., 2002 $ ^{3} $ ）標高や気象条件の空間的変動が大きい阿蘇広域の蒸発散量を推定するには、その気象応答特性を明らかにする必要がある。

そこで、本サブテーマ課題では、草原の減少が進む阿蘇において、雨水の遮断蒸発を含めた草原群落の蒸発散量について実測を行い、その気象応答特性を解明することで、サブテーマ課題3における過去の気候変動に対する阿蘇広域のETの変化について、定量的な評価を可能にすることをねらいとする。

## 2 ．研究開発目的

阿蘇の草原において牧草の幅広い生育ステージに対して連続的なETの計測を行い、その変化特性を明らかにした上で、日射、飽差、降水量等の気象条件に対する応答特性を定量化する。はじめに、草原のETの季節変化と日々の気象条件をもとに、植物群落の蒸発しやすさを表す気孔コンダクタンス： $ g_{s} $ の値を見積もり、草原におけるその季節変化を明らかにする。得られた気孔コンダクタンスについて気象条件（特に日射および飽差）との関係を解析し、両者の関係を定量化する。次に、これまで観測例のない草原の遮断蒸発について、実測データをもとに降水量との関係を解析する。両者の関係を定量化することで、最終的に気温、日射量、降水量等の気象条件から $ g_{s} $ や $ E_{i} $ を見積もり、阿蘇の草原におけるETを $ E_{i} $ も含めて精度よく推定できるETモデルを作成する。

### 3. 研究開発方法

## （１）蒸発散計測の概要

阿蘇草原のETの季節変化を明らかにするため、比較的平坦な阿蘇西麓台地の草原において、牧草（イタリアンライグラス）の出芽期から収穫期にかけて渦相関法によるET（潜熱フラックス）の長期観測を行った（図(1)-1）。渦相関法による潜熱フラックスの算出に必要な水蒸気濃度および風速の変動成分は、地上4m高におけるオープンパス型CO₂/H₂O変動計（Licor, Lincoln, NE,

LI-7500）および3次元超音波風速計（CSAT-3, Campbell Sci., Logan, UT）を用いて測定し、0.1秒毎（10Hz）の瞬時値をデータロガー（CR1000, Campbell Sci.）に記録した。同時に、蒸ETに影響を及ぼす環境要因（気温、相対湿度、日射量、長波放射量、純放射量、地中熱流量、土壌水分）についても計測を行った。気温と相対湿度の計測には温湿度キャップ（HMP45a, Vaisala, Helsinki, Finland）を用いた。日射量と長波放射量、正味放射量は4成分放射収支計（CNR-1, Kipp&Zonen, Delft, Netherland）、地中熱流量は熱流版（HFT-3 REBS, Campbell Sci.）、土壌水分はADR土壌水分計（CS-616, Campbell Sci.）を用いて測定を行った。これらの環境要因は30秒毎に瞬時値を計測し、30分間の平均値をデータロガー（CR23X, Campbell Sci.）に記録した。また、測定期間中の草原の群落構造を把握するため、牧草の出芽期から収穫期にかけて、2～3週間ごとに群落高、草丈、葉面積指数（LAI）の生体調査を行った。
収集された0.1秒毎の乱流データをもとに、図(1)-2の手順に従ってETおよびg_{s}解析用のデータベースを作成した。初めに、温度・気圧・水蒸気濃度と3次元風速の統計量（平均値・共分散）から、鉛直風速算出のための座標回転、0.1秒以下（10Hz以上）の高周波領域における乱流の寄与を推定するための高周波応答補正、水蒸気濃度と気圧の変動による密度補正、を順次行い30分毎の水蒸気のフラックス（ETに相当）を計算した。これらの計算処理にはデータロガー上で作動する乱流フラックスの自動計算プログラム（Ono and Maruyama, 2015^{4}）を使用した。次に得られた30分毎のフラックス並びに同時に計測された環境要因のデータについて各種統計量および変動傾向を図示化して品質評価を行いエラーとノイズを除去した。このとき、測器の故障等による明確なエラーについては手作業で除去し、その他のノイズはPapale et al.（2006）^{5)}の検出手順に従って除去を行った。最後に、短時間の欠測値についてはReichstein et al.（2005）^{6)}のOnline Gap Filling toolを用いて補間を行い、日毎のETおよび各種気象要素のデータセットを作成した。

このようにして作成したETおよび各種気象要素のデータをもとに、次節に述べるよう気孔コンダクタンスを算出した。

図(1)-1 草原における渦相関法による蒸発散測定の様子（左：生育初期、右：生育後期）

図(1)-2 計測生データの処理方法とデータベース作成のフローチャート
## （２）気孔コンダクタンスの算出

降雨後の遮断蒸発と通常の蒸発散を個別に解析するため、はじめに日データを降雨日（0.5mm以上の降水量が記録された日およびその翌日）と無降雨日（降雨日以外の日）に分類した。無降雨日について、前節で得られたETおよび各種気象要素の観測値をもとに、以下のBig-leaf型の蒸発散モデル（Penman-Monteith式）を用いて、 $ g_{s} $ （m s $ ^{-1} $ ）を算出した。

$$ \lambda ET=\frac{\Delta(R_{n}-G)+c_{p}\rho(e_{s}-e_{a})/r_{a}}{\Delta+\gamma(1+r_{s}/r_{a})} $$

ここで、 $ \lambda $ は水の気化熱（0℃で $ 2.5\times10^{6}\ J\ kg^{-1} $ ）、 $ \Delta $ は飽和水蒸気圧曲線の勾配（ $ hPa\ K^{-1} $ ）、 $ \gamma $ は乾湿計定数（ $ hPa\ K^{-1} $ ）、Rnは正味放射量（ $ W\ m^{-2} $ ）、Gは地中熱フラックス（ $ W\ m^{-2} $ ）、 $ c_{p}\rho $ は空気の体積熱容量（ $ J\ K^{-1}\ m^{-3} $ ）、 $ e_{s} $ は気温に対する飽和水蒸気圧（hPa）、 $ e_{a} $ は水蒸気圧（hPa）、 $ r_{s} $ は気孔抵抗（または表面抵抗： $ s\ m^{-1} $ ）、 $ r_{a} $ は空気力学的抵抗（ $ s\ m^{-1} $ ）である。式1を用いることで、水蒸気圧 $ e_{a} $ とET、 $ R_{n} $ 、G、 $ r_{a} $ の観測値から逆算によって $ r_{s} $ （ $ g_{s} $ の逆数）を算出することができる。ETと $ e_{a} $ の値には、前節で得られた4m高度での渦相関法による潜熱フラックスの観測値と温度・相対湿度から計算される水蒸気圧の値を用いた。 $ R_{n} $ とGの値にはそれぞれ、4成分放射収支計と熱流板による観測値を用いた。ただし、蒸発散モデルによる逆解析では熱収支を閉じる必要があるため、ここでは便宜的に $ R_{n}-G $ の代わりとして顕熱フラックスと潜熱フラックスの合計値を用いた。 $ r_{a} $ はKosugi（2005） $ ^{7)} $ に従って、超音波風速計による4m高度での風速 $ U_{r} $ と摩擦速度 $ u^{*} $ の観測値を用いて以下のよう求めた。

$$ \mathbf{r}_{\mathrm{a}}=\frac{\mathbf{U}_{\mathrm{r}}}{(\mathbf{u}^{*})^{2}} $$

以上の計算から2008～2010年産の3年間のデータに対して各時系列（日単位）の $ g_{s} $ を求めた。次に、得られた $ g_{s} $ について日射量など気象条件への環境応答をモデル化およびパラメタリゼーションすることで、最終的にPenman-Monteith式によって草原の広域の蒸発散量を推定できるモデルを作成した。作成されたモデルの詳細は結果および考察で後述する。

## 4 ．結果及び考察

## （１）蒸発散量の季節変化

渦相関法によって計測された後に各種補正・補間を行った草原の蒸発散量と環境要因のデータについて、その季節変化を図(1)-3に示す。ここで、それぞれの年産は牧草の収穫時の年で表しており、実際の生育時期は2010年産が2009年10月～2010年4月、2011年産が2010年10月～2011年4月、2012年産が2011年10月～2012年4月である。気温はおおむね0～20℃の範囲で、秋季から冬季にかけて単調に下降、冬季から春季にかけて単調に上昇であった。草原のLAIが大きく増加する2～4月の気温の変動が比較的大きくおおむね0～20℃の範囲で、ETの環境応答について幅広い温度範囲でのデータを得ることができた。蒸発散量の日値は、生育期間を通じると概ね0～5mm day $ ^{-1} $ の範囲で、夏季の値に換算するとこれまで九州の水田や畑地など低群落の植生で得られているET

（Maruyama and Kuwagata, 2010 $ ^{8)} $ ; Ohba, 1988 $ ^{9)} $ ）とほぼ同程度の値であった。また、草原の生育が旺盛な2～4月の蒸発散量は平均で2～3mm day $ ^{-1} $ で、これまでに冬型の作物（コムギ、イグサ等）で得られている同時季のET（例えばMaruyama et al., 2004 $ ^{10)} $ ）と比較すると若干大きな値を示した。これには、2～4月の気温の変動が大きかったこと、および後述するよう草原のLAIの比較的大きい
ことの両方が影響しているものと推察される。

図(1)-3 渦相関法によって計測された草原の蒸発散量および気象要素の季節変化

図(1)-4 観測期間中の群落構造の季節変化（左：群落高・草丈、右：葉面積指数）

生体調査から得られた草原の群落構造の季節変化を図(1)-4に示す。草原の群落高と草丈は、出
芽後すぐに増加したのち、冬季は0.5m以下でほぼ横ばいであったが、2～4月に大きく増加し最大で約1mに達した。また、LAIは年によっては最大で15以上にも達し、同様に低群落であるイネ、ダイズ、トウモロコシ等のLAIと比較するとかなり大きな値であった。また、草原の群落構造が年によって大きく異なり、例えば2012年産では、冬季の草丈やLAIが他年産より大きいにも関わらず群落高は逆に低かった。この理由として、観察からは地上部の重みによって倒伏していたことが挙げられる。あるいは、地上部/地下部のバランスが影響していることも考えられる。いずれにしても、同じ草原でも群落構造が変化することから、適切な蒸発散量の広域評価のためには、モデルの推定値に対するこれら群落高やLAIの影響を評価する必要があるものと考えられた。

## （２）気孔コンダクタンスの季節変化

草原における3年間の観測データから得られた空気力学的コンダクタンス $ g_{a} $ および $ g_{s} $ の季節変化を図(1)-5に示す。ここで、 $ g_{a} $ および $ g_{s} $ はそれぞれ式1のPenman-Monteith式における $ r_{a} $ および $ r_{s} $ の逆数に相当する。

摩擦速度の観測値から式3によって得られた $ g_{a} $ の値は0～0.05 m s $ ^{-1} $ の範囲で、牧草の生育にともなう明確な変化傾向は見られなかった。なお、ここで得た $ g_{a} $ について、以下の群落高hに対するFAOの経験式（Allen et al., 1998 $ ^{[11]} $ ）に照らすと、草原の $ g_{a} $ は生育期間を通じておおむね $ h=1.0\,m $ の群落高のときの計算値に相当していた。

$$ \begin{aligned}&\mathbf{r}_{\mathrm{a}}=\mathbf{g}_{\mathrm{a}}^{-1}=\frac{\ln\left[\left(\mathbf{z}-\mathbf{d}\right)/\mathbf{z}_{0\mathrm{m}}\right]\ln\left[\left(\mathbf{z}-\mathbf{d}\right)/\mathbf{z}_{0\mathrm{h}}\right]}{\mathbf{k}^{2}\mathbf{U}_{\mathrm{z}}}\\&\mathbf{d}=0.67\mathrm{h},\quad\mathbf{z}_{0\mathrm{m}}=0.123\mathrm{h},\quad\mathbf{z}_{0\mathrm{h}}=0.1\mathbf{z}_{0\mathrm{m}}\\ \end{aligned} $$

ここで、kはカルマン定数（=0.4）、 $ U_{z} $ は高さzにおける風速（ $ m\ s^{-1} $ ）、zは風速の観測高度（m）、dは地面修正量（m）、 $ z_{0m} $ は運動量に対する粗度長（m）、 $ z_{0h} $ は顕熱に対する粗度長（m）、hは群落高（m）である。実際の牧草の群落高は図(1)-4に示すよう冬季は0.4m以下で推移し、3月から徐々に増加して4月下旬に0.8m前後に達しているが、この値を式4に代入して求めた $ g_{s} $ の値は図(1)-5における観測値と（特に冬季に）大きく乖離していた。この理由として、牧草の葉面積指数が冬季でもLAI=5前後と比較的大きいことから、比較的疎な群落を対象としている式4の当てはまりがよくないものと推察される。そのため、本研究において草原の蒸発散量の広域評価を行う上での $ r_{a} $ については、式4において群落高をh=1.0mと一定にして求めることとした。

一方、$\mathrm{g}_{\mathrm{s}}$ の値は $0 \sim 0.025\ \mathrm{m}\ \mathrm{s}^{-1}$ の範囲で、葉面積指数（LAI）の小さい冬季に低く、LAI の大きい春季に高い傾向がみられた。Ryu et al.（2008）$^{[12]}$ は同様に、カリフォルニアの草原での渦相関法による観測から $\mathrm{g}_{\mathrm{s}}$ が冬季に小さく夏季に大きくなる季節変化を得ている。ただし、本結果における $\mathrm{g}_{\mathrm{s}}$ の最大値は $0.02\ \mathrm{m}\ \mathrm{s}^{-1}$ を超えており、Ryu et al.（2008）$^{[12]}$ の得た $\mathrm{g}_{\mathrm{s}}$ の最大値 $0.01 \sim 0.015\ \mathrm{m}\ \mathrm{s}^{-1}$ よりも若干大きい。これには、$\mathrm{g}_{\mathrm{s}}$ の算出方法の違いに加えて気候条件の違いが関わっていることが示唆される。一方で、Maruyama and Kuwagata（2008）$^{[13]}$ が阿蘇の水田で得た $\mathrm{g}_{\mathrm{s}}$ の値は出穂期で約 $0.02\ \mathrm{m}\ \mathrm{s}^{-1}$ であり、本結果とほぼ同程度であった。また、本研究の結果では $11 \sim 12$ 月の $\mathrm{g}_{\mathrm{s}}$ が（LAIが小さいにも関わらず）1月よりも高く、これにはイタリアンライグラスの生理的活性が関わっている可能性がある。観測期間中のイタリアンライグラスのサンプルから得られた窒素濃度の季節変化からは、生育初期に窒素濃度が高い傾向を示しており（データ略）、上記の $11 \sim 12$ 月の $\mathrm{g}_{\mathrm{s}}$ が1月よりも高い