Silviase/jgov_v1.4_full_ann huggingface dataset:
### 1. はじめに

硫化ジメチル（DMS）は主に海水中の植物プランクトンから生成し、大気中に放出される。大気中に放出されたDMSは光化学反応を受けて最終的に硫酸塩まで酸化され、硫酸塩の高い吸湿特性のため雲凝結核を経由して雲粒に成長すると言われている。このように、海洋生態系から大気へのDMSの供給は、地球の気候システムに大きく影響する要因の一つとして重要である。

その重要性ゆえ、DMSサイクルを組み込んだ地球システムモデルの開発が試みられているが、モデルに与える海洋からのDMS放出インベントリーには、いわゆる「バルク法」に基づいたフラックスが大部分を占めている。この方法は従来の地球化学的実験手法に基づく経験的な風速依存のガス交換係数を、表面海水濃度に乗じて算出するものであった。しかしながら、このガス交換係数には、同一種類の気体でも研究者間で取り扱う風速依存関数が大きく異なるという問題点がある他、そもそもガス交換係数は物質に依らないのか？という疑問があった。

そこで本サブテーマでは、「酸素同位体比異常法」を用いて、海洋表層から大気への酸素分子（ $ O_{2} $ ）フラックスを実際に計測することを試みた。これまで開発・運用してきた同位体分析手法を応用して、酸素分子のガス交換係数を求め、サブテーマ(1)や(2)で求められるDMSや $ CO_{2} $ で求められるガス交換係数と比較するとともに、先行研究とも比較することを試みた。

まず、「酸素同位体比異常法」にもとづくガス交換係数算出法の概略を述べる。

酸素原子には質量数16、17、18の3種の安定同位体が存在し、それぞれの間の相対比は、以下の式で定義される$\delta^{17}O$値や$\delta^{18}O$値を用いて表記される。

$$ \delta^{17}\mathrm{O}=\{(\mathrm{^{17}O/^{16}O})_{\mathrm{sample}}/(\mathrm{^{17}O/^{16}O})_{\mathrm{standard}}\}-1 $$

$$ \delta^{18}\mathrm{O}=\{(\mathrm{^{18}O/^{16}O})_{\mathrm{sample}}/(\mathrm{^{18}O/^{16}O})_{\mathrm{standard}}\}-1 $$

ただし $ \left(^{17}\mathrm{O}/^{16}\mathrm{O}\right)_{\mathrm{sample}} $ および $ \left(^{18}\mathrm{O}/^{16}\mathrm{O}\right)_{\mathrm{sample}} $ は試料の $ ^{17}\mathrm{O}/^{16}\mathrm{O} $ 比および $ ^{18}\mathrm{O}/^{16}\mathrm{O} $ 比であり、 $ \left(^{17}\mathrm{O}/^{16}\mathrm{O}\right)_{\mathrm{standard}} $ および $ \left(^{18}\mathrm{O}/^{16}\mathrm{O}\right)_{\mathrm{standard}} $ は基準物質の $ ^{17}\mathrm{O}/^{16}\mathrm{O} $ 比および $ ^{18}\mathrm{O}/^{16}\mathrm{O} $ 比である。基準物質は平均海水の値が用いられることが多い。

$$ O_{2} $$

図(3)-1 含酸素化合物中の $ \delta^{18}O $ 值と $ \delta^{17}O $ 值の関係（左図）、および同図中の大気 $ O_{2} $ 周辺領域の拡大図（右図）（角皆ほか $ ^{1)} $ ，2010を一部改変）。
含酸素化合物の化学反応等に際して、反応基質と生成物の間で、このδ^{17}O値やδ^{18}O値が僅かに（10^{-3}程度）変化することが知られている $ ^{2)} $ 。このような安定同位体比の変化は同位体分別と呼ばれ、特にδ^{18}O値は、含酸素化合物の関係する各種物質循環過程のトレーサーとして活用されている。またその表記には、‰（=10^{-3}、パーミル）を付記するのが普通である。

このような同位体分別過程では、多くの場合、$\delta^{17}\mathrm{O}-\lambda\times\delta^{18}\mathrm{O}$（ただしλは定数）が一定となるように同位体比が変化することが知られている（図(3)-1）。これは酸素の三種の同位体が質量数以外の要素に差異が無い場合に生じる現象であり、化学反応の大部分はこれに該当する。

しかしながら、大気中で酸素分子から光化学的反応によってオゾンが生成する場合などの同位体分別では、この関係式から大きく逸脱した同位体分別を示すことが知られている。こうして引き起こされる同位体比の異常は三酸素同位体異常と呼ばれ、そのズレの大きさは、

$ \Delta^{17}O=\delta^{17}O-\lambda\times\delta^{18}O $ で定義される $ \Delta^{17}O $ 値を用いて表される。 $ \Delta^{17}O $ 異常は一般的な反応では変化せず、異なる $ \Delta^{17}O $ 値を持つ同種分子どうしの混合時のみ変化するため、 $ \delta^{18}O $ 值よりもさらに有用な物質循環のトレーサーとして活用されることが期待されている。

表層の混合水層中の溶存酸素（ $ O_{2} $ ）が持つ $ \Delta^{17}O $ 異常は、海水中で光合成によって水から生成される $ O_{2} $ と大気中から溶け込んだ $ O_{2} $ の混合比のみによって決まり、呼吸や大気への流出では不変である（図(3)-2）。従って光合成の無視出来る夜間の $ \Delta^{17}O $ 異常の時間変化を利用することで、大気－海洋間の $ O_{2} $ のガス交換係数を求めることが出来ることが、先行研究で提案されている $ ^{3)} $ （図(3)-3）。

## 2 ．研究開発目的

本サブテーマでは、プロファイル法の観測と同時に酸素同位体比異常法を用いてガス交換係数を取得することを目的として、まず、高精度の酸素同位体比測定を実現する新分析手法と新試料採取法を開発した。次いでプロファイル法と同時に時系列で採水観測を行うことで、 $ O_{2} $ のガス交換係数を求めることを目的とした。

## 3 ．研究開発方法

外洋域における表面海水中の溶存酸素の$\Delta^{17}O$値の時空間変動は$10^{-4}$から$10^{-5}$程度と極めて僅かであり、$\Delta^{17}O$値を指標として活用するには超高精度の酸素同位体比測定が必須となる。そこで沸点の近いアルゴンを含めた共存成分を完全に除去した上で高精度気体質量分析計に導入し、測定する新システムを開発する。また船上での試料採取作業を容易にするために、ガラス容器への分取・密封保存によって持ち帰った水試料で高精度の$\Delta^{17}O$値測定を実現し、これまで一般的だった船上での真空抽出作業による手間を省略することも併せて試みた（図(3)-4）。

また他のサブテーマとの共同による一般海洋域の観測に先立って、本サブテーマ独自の観測を湖沼域や沿岸域で実現し、開発した試料採取および分析システムの検証を行った。
図(3)-2 表層混合層中の$\Delta^{17}0$値の変動要因（$\Delta^{17}0$値は$10^{-6}$単位で示す）。

図(3)-3 酸素同位体比異常法を用いたガス交換係数測定法の原理。海水中の呼吸や大気への流出では$\Delta^{17}0$値は変化しないため、光合成による生成速度と大気からの流入速度の比で決まる。
溶存酸素(低濃度)用試料採取「気体の真空抽出」

溶存酸素(高濃度)用試料採取「水試料の保存」

図(3)-4 溶存酸素の三酸素同位体組成（ $ D^{17}O $ 值）用試料の採取方法

## 4 ．結果及び考察

## （１）分析システム製作

これまで主に大気サンプルの測定のために使用してきたデュアルインレット型同位体比質量分析計を用いて、海水サンプルから溶存$\mathrm{O}_{2}$を定量的に抽出した上で、単離・精製して高精度測定用の気体質量分析計（DI-IRMS）に導入し、$\Delta^{17}\mathrm{O}$値と$\delta^{18}\mathrm{O}$値の両方を精度良く計測できるように抽出・精製・濃縮システムを製作・改良した。図(3)-5に製作した抽出・精製・濃縮システムのライン図を示す。本ラインを用いて、超高純度Heをキャリヤーガスに用いたパージ&トラップ法で溶存$\mathrm{O}_{2}$を海水試料（50-200 mL程度）から定量的に抽出した上で、-76℃に冷却したモレキュラーシーブ5Aを充填した内径2mm×長さ4mの自作のGCカラムを用いて抽出した$\mathrm{O}_{2}$を共存する$\mathrm{N}_{2}$やArから完全分離して精製するとともに、最後は10Kに冷却した極低温トラップを用いて、抽出した$\mathrm{O}_{2}$を定量的に回収する抽出・精製・濃縮システムを構築した。また再現性を向上させ、人的な操作ミスを排除するために、抽出・精製・濃縮システムの操作をすべて自動化した。以下に確立した操作手順の詳細を記す。
1：試料の入ったバイアル瓶を抽出ラインに接続。流量 150cc/分の He ガスで 30 分間のパージを行い、試料中の溶存気体をすべて抽出する。

2：抽出された溶存気体は、液体窒素エタノール(約-100℃)温度に冷却されたトラップ1、アスカライト、液体酸素温度(約-186℃)に冷却されたトラップ2を通過する。ここで$\mathrm{H_{2}O}$、$\mathrm{CO_{2}}$等の比較的沸点の高い物質が除去される。

3：トラップ1、アスカライト、トラップ2を通過した溶存気体は液体酸素温度に冷却されたトラップ3を通過する。トラップ3の内部には充填剤としてMolecular Sieve 5Aが充填されており、液体酸素温度下ではAr、 $ O_{2} $ 、 $ N_{2} $ を吸着する性能を持つため、Ar、 $ O_{2} $ 、 $ N_{2} $ はカラムの先端部分に濃縮された状態（クライオフォーカス）になる。

4：バルブ操作により、トラップ3を抽出ラインから遮断し、毎分60ccのHeが流れる精製ラインと接続する。その後流量が安定するまで9分間静置する。

5：トラップ3から液体酸素を外し、室温まで自然昇温させる。これによりトラップ3の先端部分で吸着されていたAr、 $ O_{2} $ 、 $ N_{2} $ は解放される。

6：解放された Ar 、 $ O_{2} $ 、 $ N_{2} $ は自作の GC カラム（1/8inch×4m、MS-5A 充填、ドライアイスエタノールにより約-76.3℃付近まで冷却）へと送られる。この GC カラムにより、 $ N_{2} $ は MS-5A に吸着されるために溶出せず、 Ar と $ O_{2} $ はそれぞれ特定の時間に溶出する。

7 : $ O_{2} $ はトラップ 3 の昇温を開始してから 31−50 分後に GC カラムから溶出するので、この間は流路をトラップ 4 を通過するように切り替える。トラップ 4 (1/4inch×15cm、MS-5A 充填) はあらかじめ液体窒素温度（-196℃）に冷却されており、GC カラムを通過した $ O_{2} $ はトラップ 4 で再度吸着される。

8：トラップ4をラインから切り離し、真空ポンプを用いてトラップ内のHeを粗引きする。その後液体窒素を外して昇温し、吸着していた $ O_{2} $ を溶出させる。

9：溶出した試料 $ O_{2} $ をトラップ 5（-262℃、充填剤なし）へと拡散導入してその内壁面に吸着

させる。その後トラップ5内に残留しているHeを真空ポンプで引き、トラップ5内にO_{2}以外の物質が残らないようにする。

10：トラップ5を室温まで昇温させて内壁に吸着している試料 O₂を全て気化するとともに、O₂を真空拡散によって、質量分析計内の専用ハウジングに導入する。

11:質量分析計内のもう一方のハウジングに標準 O₂ ガスを導入し、試料 O₂ と交互に質量分析計内に導入して測定することで、Δ¹⁷O 値と δ¹⁸O 値の両方を精度良く計測する。

図(3)-5 本研究で開発した海水中の溶存酸素の酸素同位体組成分析システム
以上の手順は、自動制御プログラム DODES（自作）を用いてほぼ完全に自動化されており、作業中に発生する人為的な誤差の発生を抑えている。本手法により、大気平衡濃度の10%程度までの濃度レベルあれば、海水中の溶存 $ O_{2} $ の $ \Delta^{17}O $ 値が $ \pm7\times10^{-6} $ 程度の精度で求められるようになった。

## （２）湖沼域における観測

溶存 $ O_{2} $ の三酸素同位体組成の指標としての信頼性や有用性を評価・検証するため、北海道南西部の白老町に位置する貧栄養湖沼である俱多楽湖（最大水深148m）において湖水試料を各層採取し、溶存 $ O_{2} $ の $ \Delta^{17}O $ 値の鉛直分布を同一年内に二度（6月と8月）に渡って定量した（図(3)-6）。その結果、表面で大気平衡（ $ 10^{6}\Delta^{17}O=+10 $ 前後）付近の値を示す溶存 $ O_{2} $ の $ \Delta^{17}O $ 値が、表面混合層直下の水深10mから50m付近で増大する傾向が見られ、この深度での全溶存 $ O_{2} $ に占める光合成由来の $ O_{2} $ （ $ 10^{6}\Delta^{17}O=+150 $ 前後）の割合が相対的に増大することが明らかになった。また6月と比較して8月には各水深で $ \Delta^{17}O $ 値がさらに増大する傾向が確認され、光合成由来の $ O_{2} $ が2ヶ月間の間に相対的に増大していることが明らかになった。

温帯域や冷帯域の湖沼では、冬季を中心に湖水は鉛直混合し均質化される。6月の溶存$\mathrm{O}_{2}$の$\Delta^{17}\mathrm{O}$値が鉛直方向の変化が小さくほぼ均一となっているのは、基本的に観測の数ヶ月前まで続いていた鉛直混合を反映しているものと考えられる。6月の溶存$\mathrm{O}_{2}$濃度の鉛直分布では躍層の存在する水深10mから50m付近を中心に溶存$\mathrm{O}_{2}$濃度が上昇しているように見えるが、この濃度は各水深の温度における大気との平衡濃度とほぼ等しく、冬季に冷却され大気$\mathrm{O}_{2}$に富んだ水塊がこの深度に残っていることを反映しているに過ぎないことがわかる。

一方夏季には、湖水は表面混合層直下の温度躍層を中心に成層化する。躍層以下の水塊は表

図(3)-6 俱多楽湖（北海道白老町）における水温（左）・溶存酸素濃度（中）・溶存酸素の$\Delta^{17}0$値の鉛直分布。青色は6月、赤色は8月のデータを示す。10m以深で光合成に由来する$\Delta^{17}0$値の大きな酸素が相対的に増加していることがわかる。
面混合層の水塊とほとんど混ざらないため、溶存$\mathrm{O}_{2}$の大気への流出や大気$\mathrm{O}_{2}$の湖水への流入はほとんど起こらないと考えられる。つまり、溶存$\mathrm{O}_{2}$の濃度と$\Delta^{17}\mathrm{O}$値を含めた酸素同位体比は、成層化以後に各水深で進行した光合成による生成と呼吸による消費の総和を反映していると考えられる。6月と8月の溶存$\mathrm{O}_{2}$濃度にはほとんど差が無いが、これは成層化以後の光合成による生成と呼吸による消費がほぼバランスしていることを反映していると考えられる。これに対して6月と比較して8月には各水深で$\Delta^{17}\mathrm{O}$値が増大する傾向が確認され、光合成由来の$\mathrm{O}_{2}$が時間と共に相対的に増大することが明らかになったが、これは成層化によって大気由来の$\mathrm{O}_{2}$供給が停止しているため、光合成由来の$\mathrm{O}_{2}$に対して相対的に減少していることを反映していると解釈出来る。

## （３）沿岸域における観測

次に実際のフラックスブイと同時進行で実施される数時間毎の$\Delta^{17}\mathrm{O}$値の時間変化観測をシミュレートするため、北海道小樽市内の北海道大学理学部付属忍路（おしよろ）臨海実験所（図(3)-7）において、忍路湾内の表面海水（水深1m程度）の溶存$\mathrm{O}_{2}$の$\Delta^{17}\mathrm{O}$値の時間変化を約2時間毎に24時間以上に渡って連続観測した。試料採取は岸壁からバケツ採水によって行った。

結果を図(3)-8に示す。日没前後に極大値 $ \left(10^{6}\Delta^{17}O=+120\right. $ 程度）を示し、夜明け直前に極小値 $ \left(10^{6}\Delta^{17}O=+50\right. $ 程度）を示す明瞭な日変化を示すことが明らかになった。日没前後の極大値は日中の光合成による $ \Delta^{17}O $ 値の大きな光合成由来の $ O_{2} $ の蓄積を、また夜明け直前の極小値は大気とのガス交換の進行を反映して光合成由来の $ O_{2} $ がほとんど枯渇したことを反映しているものと考えられる。そこでこの日変化のうち、7月31日の夜間に観測された $ \Delta^{17}O $ 値の時間変化を利用して、ガス交換係数を求めた。すると20時から22時の2時間の平均ガス交換係数は3.2 cm/h、また22時から2時までの4時間の平均ガス交換係数が4.4 cm/hとなった。一方、観測時の風速をもとにWanninkhof (1992) $ ^{4)} $ によって $ O_{2} $ のガス交換係数を求めると、それぞれ0.9 cm/hと1.6 cm/hとなり、酸素同位体異常法を用いると、3倍程度大きなガス交換係数が得られることが明らかになった。忍路湾は平均水深が2-3m程度の浅い湾であり、さらに観測点は防波堤や岸にも近い。これらの要素がガス交換を促進して、風速のみによるガス交換よりも大きなガス交換をもたらしたものと結論した。
図(3)-7 忍路湾の様子。

図(3)-8 忍路湾における表面海水の連続観測結果。グレー色の領域は夜間、白色の領域は昼間を表す。

## （４）海洋域における観測

次に、酸素同位体比異常法による$\mathrm{O}_{2}$ のガス交換係数を他のサブグループによるフラックスブイを用いた観測と同時進行で導出するため、KH-11-10次航海（「亜熱帯海域における生物群集動態および生物地球化学過程に関する南北太平洋の比較海洋学」、平成23年12月1日～平成24年1月25日）とKH-12-4次航海（「北太平洋亜寒帯における微量元素・同位体分布の生物地
球化学的横断観測」、平成24年8月26日～平成24年11月30日）において、酸素同位体比測定用の試料を、フラックスブイ用いた観測と同一地点で、同時進行で採取した。試料採取地点の分布を、表面海水中のクロロフィルa濃度の分布とともに示す（図(3)-9）。

KH-11-10 次航海では、南太平洋亜熱帯海域内の St15、18、21 の計 3 観測点において、フラックスブイ用いた観測と同時進行で、水深 100m 付近までの計 5 層の表層水試料を 2–3 時間毎に各層採水した（試料総数 65 試料）。また非フラックスブイ観測時の一般海水中における酸素同位体比分布を定量するために、合計 14 観測点で計 244 試料を各層毎に採取した。このうち低濃度が予測される計 143 試料については、船上で抽出作業を行った。また KH-12-4 次航海では、BD09、14、15 の 3 測点において水深 100m 付近までの計 3–5 層の表層水試料をある程度時間間隔を置いて、各層採水した。

図(3)-9 KH-11-10 次航海（St15-21）およびKH-12-4次航海（BD09-15）における試料採取地点と表面海水中のクロロフィルa濃度の分布。

結果を図(3)-10 及び表(3)-1 と表(3)-2 に示す。 $ \Delta^{17}O $ 値は、各層の溶存酸素濃度の違いを勘案した水深 100m 付近までの水柱内の加重平均値で示した。また各測点で日没前後に得られた $ \Delta^{17}O $ 値とその時間を左側の列に、同日の最後の観測時に得られた $ \Delta^{17}O $ 値とその時間を右側の列に示した。いずれも $ \Delta^{17}O $ 値が、時間経過とともに僅かながら減少する傾向がみとめられ、大気-海洋間のガス交換の進行に伴って、大気平衡時の $ \Delta^{17}O $ 値である $ 10^{6}\Delta^{17}O = +10-20 $ 程度に近づいていることがわかった。ただしその変化は極めて小さく、誤差を考慮すると有意な変化とならな
かった。これは初期値（＝日没前後）の $ \Delta^{17}O $ 値が極めて小さいことに起因していると考えられる。日没前後の $ \Delta^{17}O $ 値は、観測海域における観測時の総一次生産量を反映しており、同じガス交換速度の元であれば、総一次生産量が大きいほど $ \Delta^{17}O $ 値は大きくなる。KH-11-10 次航海はクロロフィル濃度の極めて低い亜熱帯域において行われ、また KH-12-4 次航海は時期的に生産の低い秋季から冬季に行われたことで、初期 $ \Delta^{17}O $ 値が想定を超えて低い $ \Delta^{17}O $ 値となってしまったものと考えられる。

得られた $ \Delta^{17}O $ 値の時間変化を元に算出した $ O_{2} $ のガス交換係数 (k) も参考までに表中に示す。 $ \Delta^{17}O $ 値の時間変化が有意でないため、当然ながらガス交換係数も有意な値とはならなかった。初期 $ \Delta^{17}O $ 値の絶対値の大きさがガス交換係数の精度を決定するため、いずれも精度の低い (=誤差の大きい) ガス交換係数しか得られなかった。残念ながら、今回酸素同位体異常法で得られた結果を、フラックスブイから得られた値と直接比較するのは難しいと考えられる。今後酸素同位体異常法でガス交換係数を算出するには、より総一次生産量の大きい海域と時期に観測を実施する必要があるものと結論される。

図(3)-10 KH-11-10 次航海（St.15-21）における溶存 $ O_{2} $ の $ D^{17}0 $ 値深度分布の時間変化。

表(3)-1 KH-11-10 次航海において酸素同位体比異常法で求められたガス交換係数

St15	St18	St21
time	1:37	12:03	1:26	11:04	1:06	10:02
$ 10^{6}\Delta^{17}O_{avg} $	+43±1	+39±2	+27±3	+25±2	+31±4	+25±4
k (cm/h)	70±50	100±150	110±100
表(3)-2 KH-12-04 次航海において酸素同位体比異常法で求められたガス交換係数

BD-9	BD-14	BD-15
time	18:31	04:26	20:01	00:41	17:51	22:08
$ 10^{6}\Delta^{17}O_{avg} $	+40±7	+30±3	+25±7	+19±6	+28±6	+22±7
k (cm/h)	69±50	179±180	205±200

## 5 ．本研究により得られた成果

## （1） 科学的意義

溶存 $ O_{2} $ の $ \Delta^{17}O $ 値が $ \pm7\times10^{-6} $ 程度の高精度で定量出来るようになり、これを用いることで「酸素同位体比異常法」を用いた大気—海洋間のガス交換係数の算出が可能になった。ただし、これを実現するには、観測海域の総一次生産速度が大きいことが必要であることも同時に明らかになった。冬季以外の湖沼域や沿岸域での観測が適していると考えられる。また本研究によって、水深の浅い沿岸域では、風速から推定されるより3倍程度大きなガス交換係数が得られた。これは大気—海洋間の物質循環を考える上で重要な発見となる可能性があり、検証が必要である。

## （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＞

特に記載すべき事項はない。

### 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）>

1) Nakagawa, F., A. Suzuki, S. Daita, T. Ohyama, D.D. Komatsu and U. Tsunogai, Biogeosciences, in press.

“Tracing atmospheric nitrate in groundwater using triple oxygen isotopes: Evaluation based on
bottled drinking water"

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) H. Sakuma, S. Minami, D. Komatsu, F. Nakagawa, and U. Tsunogai, 2012 ASLO Aquatic Sciences Meeting (2012)

“Quantifying gross primary production in oligotrophic lakes by using the triple oxygen isotopes of DO as tracers”

2) Y. Omori, H. Tanimoto, S. Inomata, T. Iwata, H. Sakuma, U. Tsunogai, F. Nakagawa, M. Ishii, N. Kosugi, A. Tsuda, M. Uematsu, 2012 AGU Fall Meeting (2012)

“Air-sea fluxes of dimethyl sulfide and carbon dioxide measured by the gradient technique in the subtropical and equatorial Pacific Ocean”

3) 南翔，佐久間博基，小松大祐，角皆潤，中川書子，田中敦,2012年質量分析学会同位体比部会(2012)

「溶存酸素の三酸素同位体組成を指標に用いた総一次生産量定量」

## （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）

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）角皆潤、小松大祐、代田里子、中川書子、野口泉、張勁：低温科学,68,107-120(2010)「三酸素同位体組成を指標に用いた大気沈着窒素-森林生態系間相互作用の定量的評価法(総説)」

2) H. C. Urey: J. Am. Chem. Soc., 57, 562-581 (1947)

“The thermodynamic properties of isotopic substances”

3) V. V. S. S. Sarma, O. Abe, M. Honda, and T. Saino: J. Oceanogr., 66, 505-512 (2010) "Estimating of gas transfer velocity using triple isotopes of dissolved oxygen"

4) R. Wanninkhof: J. Geophys. Res., 97, 7373–7382 (1992)
“Relationship between wind speed and gas exchange over the ocean”
# Measuring DMS and VOC Flux at the Ocean-atmosphere Interface and Evaluation of Gas Transfer Coefficient

Principal Investigator: Hiroshi TANIMOTO

Institution: National Institute for Environmental Studies (NIES)

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

Tel: +81-29-850-2930 / Fax: +81-29-850-2579

E-mail: tanimoto@nies.go.jp

Cooperated by: Okayama University, Hokkaido University

## [Abstract]

Key Words: DMS, VOC, Air-sea flux, Ocean biogeochemistry, PTR-MS

The flux of volatile organic compounds (VOCs) including dimethyl sulfide (DMS) at the ocean-atmosphere interface is poorly understood and its measurement is still challenging. Recent advancement in micrometeorological techniques such as eddy covariance method enables us to directly determine flux at the air-sea interface. However, since the eddy covariance method requires very high-resolution measurement, its application is mainly limited to measurement of carbon dioxide ( $ CO_{2} $ ) flux. Recently, the eddy covariance method has been applied to measurement of DMS flux, by coupling with fast mass spectrometric detection. On the other hand, an aerodynamic gradient method, which is relatively simple in principle, can be applied to many other species than $ CO_{2} $ and DMS, since it does not require very high-resolution measurement. We have combined proton transfer reaction-mass spectrometry (PTR-MS) with a profiling buoy system, as a platform of aerodynamic gradient measurements, to measure flux and associated gas transfer coefficients of DMS and VOCs at the air-sea interface. The system was deployed during a research cruise by R/V Hakuho-Maru in the Pacific Ocean from December 2011 to March 2012, and from August to October 2012. Vertical profiles of several organic species as well as $ CO_{2} $ were obtained above the ocean surface by measurements at 7 heights from 1 to 1400 cm above the ocean surface with a profiling buoy. The concentrations of DMS and VOCs, and $ CO_{2} $ in gas samples were simultaneously monitored by PTR-MS and a non-dispersive infrared detector (NDIR), respectively. In addition, the concentrations of DMS and other VOCs in the surface seawater and air were continuously measured with PTR-MS during the cruises. The average of seawater DMS concentrations in the subtropical ocean ( $ 2.1 \pm 0.5 $ nM) was slightly lower than that in the equatorial ocean ( $ 3.2 \pm 1.0 $ nM). We found substantial vertical gradient for DMS and acetone. For example, DMS showed the highest atmospheric concentrations at the lowest
level over the ocean surface in the subtropical South Pacific Ocean, suggesting that DMS is emitted from the ocean. The DMS fluxes significantly varied in the range of 3.6–13.1 and 0.1–18.9 $ \mu $ mol m $ ^{-2} $ d $ ^{-1} $ in the subtropical and equatorial ocean, respectively. The magnitude of DMS fluxes was dependent on that of wind speed. The gas transfer velocities of DMS were calculated from the fluxes and the seawater DMS concentrations, with its magnitude being mainly dependent on wind speed. Further measurements will improve our understanding of the ocean-atmosphere flux, and associated biogeochemical mechanisms of DMS and VOCs in the ocean.
課題番号:RFa-1102

課題名:海洋からの硫化ジメチルおよび関連有機化合物のフラックス実計測とガス交換係数の評価

課題代表者:谷本浩志(国立環境研究所)

フラックス導出アルゴリズムの改良

気候モデル・地球システムモデルへ入力: 波及効果

本課題の範

研究船による多地点観測

プロファイル法によるフラックス・ガス交換係数の導出

海洋からの放出インベントリー作成

ガス交換係数の検証
【S-8-1(5)】地球温暖化が日本を含む東アジアの自然植生に及ぼす影響の定量的評価に関する研究（H22～H26）

田中 信行（独）森林総合研究所）

### 1. 研究实施体制

(1)地球温暖化が日本を含む東アジアの自然植生に及ぼす影響の定量的評価に関する研究（(独）森林総合研究所）

### 2. 研究開発目的

温暖化影響予測には不確実性が伴うため、近年、不確実性を合わせて評価することが重視されている。本サブ課題では、温暖化が自然植生へ与える影響を不確実性も含めて定量的に評価することが目的である。対象とする地域は、日本国内全域および東アジア地域である。そのために、主要な植生の優占種について、分布予測モデルを用いて高い精度で生育域を予測する技術を開発し、温暖化によって大きく衰退する脆弱な種と地域、および温暖化後の逃避地を特定する。複数の気候変化シナリオを用いて将来の影響予測を行い、温暖化の影響を不確実性とともに提示する。結果を地図化することにより、行政担当者が日本全国や各地域において自然生態系の保全計画（保護区の見直し、移動経路の設定など）を策定する際に活用できる。

日本国内では、主要な植生の優占種について、分布予測モデルの精度を高め、温暖化影響の信頼性の高い定量的評価をすることが目標である。予測の精度を高めるため、①応答変数と検証に使用する分布データ、②モデルに組み込む説明変数の種類、③統計モデルの種類、の3点について検討し改善を行う。植生の優占種は各生態系への影響が大きいことから、優占種を優先的に解析する。

東アジア地域では、日本で先行しているこの分野の研究を、東アジアの研究機関と共同で進めることにより、東アジアにおける温暖化影響を定量的に評価し、各地の森林生態系の保全に貢献することが目標である。このような国際共同研究の第一歩として、国立台湾大学（台湾）、雲南大学生態地植物研究所（中国）、生物資源研究館（韓国）、ロシア科学アカデミー極東支部（ロシア）などと共同研究を進める。これらの地域は日本と共通する植物の属や種が多い。共通種の分布データを統合して分布予測モデルを作ることにより、種の分布限界の条件を明らかにし、温暖化影響の予測精度を高めることが可能となる。

### 3. 本研究により得られた主な成果

## (1) 科学的意義

分布予測モデルの種類の適切な選択や、説明変数に非気候的要因を入れることにより、予測のもつ不確実性を低くできることを示した。高い精度のモデル構築技術を生かして、将来気候データ（将来気候シナリオ）に由来する不確実性を考慮して、森林生態系で最も重要な役割をもつ優占種について、日本における将来の気候変化の影響予測と適応策の定量的評価、および日本だけでなく海外を含む影響予測を行った点に科学的意義がある。

## (2) 環境政策への貢献（研究者による記載）

＜行政が既に活用した成果＞

## (1) 地方自治体の温暖化適応施策への貢献

本サブ課題の研究成果を自治体や地域住民へ還元することにより、地方の森林管理政策に貢献してきた。すでに、長野県や東京都などには温暖化影響予測結果（マツ枯れ、ブナ林、シラビソなど）を提供した。一方、温暖化影響予測の地方への情報提供が容易になるように、現在、温暖化影響の簡易推計ツールをS-8-1(1)総括班と協力して作成した。温暖化影響の予測結果である重要種14種の簡易推計ツールへの実装が完了し、各地域の影響予測結果が閲覧可能になっている。これまでに長崎県、
長野県、三重県で簡易推計ツールが活用された。

## (2) 白神山地世界遺産地域における適応策への貢献

白神山地世界遺産地域はブナ自然林の価値により世界遺産に登録されているが、この地域のブナ林には温暖化の悪影響が予測されている。世界遺産地域を適切に保全していくために、環境省・林野庁により白神山地世界遺産地域科学委員会が2010年6月に設立され、ブナ林保全についてのアドバイスを行っている。この科学委員会の活動に、S-8プロジェクトの研究成果であるブナの潜在生育域の将来予測結果が貢献している。

## (3) 筑波山（国定公園）における適応策への貢献

筑波山のブナ林は1980年代から衰退が指摘されてきたが、2008年から3年間、茨城県生活環境部環境政策課主催「筑波山ブナ林保護対策検討委員会」において今後の保全策が検討されてきた。その成果として、2012年3月に「筑波山ブナ林保全指針」が策定され公表された。

## ＜行政が活用することが見込まれる成果＞

IPCC 第 5 次評価報告書 WG2（2014）において、「東アジアのモミ属の将来予測 (Tanaka et al. 2012)」の成果が引用された。本サブ課題は東アジアの地域（韓国、中国・台湾、極東ロシア）の研究機関と連携して温暖化の影響予測研究を推進した。韓国国立樹木園が中心となって設立した東アジア生物多様性保全ネットワーク（EABCN）の設立に協力し、温暖化影響研究の連携も進めた。東アジアの研究成果が東アジア各地域における温暖化適応策を組み込んだ自然環境保全策に貢献することが期待される。国内では、「平成 26 年度生物多様性分野における気候変動の適応に関する検討会」に、松井哲哉が委員として参加した。

### 4. 委員の指摘及び提言概要

温暖化が自然植生に与える影響を不確実性も含めて将来の分布の予測により、多くの国内樹種に関する検討を行い、定量化できたことは評価に値する。しかし、韓国、台湾、ロシャとの共同研究による東アジアの自然植生への温暖化の影響評価については、まだ、適応策を提案するまでの段階には進んでいない。

### 5. 評点

総合評点：B
巌 出
所管·組織·項·事項	目 の 区 分	平成28年度成立予算額(千円)	補 正 予 定	改平成28年度予定額(千円)	積 算 内 訳
復 興 庁
復 興 庁	2,405,486,740	402,306,813	0	402,306,813	2,807,793,553
23 農林水產業復興政策費	23,957,081	6,950,252	0	6,950,252	30,907,333
65 国産農産物生産·供給体制強化对策に必要な経費	65061-865-16	国産農産物生産·供給体制強化对策地方公共団体事業費補助金	0	6,950,252	0	6,950,252	6,950,252	(被災農業者支援基金造成費)福 島 県 定 額 1箇所

(その他の事項)	23,957,081	0	0	0	23,957,081
25 経済·産業及工木ルギー安定供給確保等復興政策費	50,662,491	150,110	0	150,110	50,812,601
95 地域経済産業活性化必要な経費	47,787,711	150,110	0	150,110	47,937,821
95062-125-14 地域経済産業活性化对策委託費	999,932	60,110	0	60,110	1,060,042	原子力災害被災地域における創業等支援事業費民 間 団 体 等原子力災害被災地域における創業等支援事業費福 島 県 定額·2/3 1箇所

95062-405-16 地域経済産業活性化对策費補助金	14,787,779	90,000	0	90,000	14,877,779

95062-405-16 国内立地推進事業費補助金	32,000,000	0	0	0	32,000,000
(その他の事項)	2,874,780	0	0	0	2,874,780
29 住宅·地域公共交通等復興政策費	5,533,777	800,000	0	800,000	6,333,777
95 観光振興に必要な経費	3,530,111	800,000	0	800,000	4,330,111
95063-815-16 東北観光復興対策交付金	3,261,300	800,000	0	800,000	4,061,300	地方 公 共 団 体 4/5
95016-129-06 諸 謝 金 外 3 目	268,811	0	0	0	268,811
所管·組織·項·事項	目 の 区 分	平 成 28 年 度 成立 算 額 (千円)	補 正 予 定	改平成28年度予 定 額 (千円)	積 算 内 訳
追 加 額(千円)	修正減少額(千円)	差 引 額(千円)
31(東日本大震災復)與事業費
43(港湾事業に必要)な経費	43052-825-00	港湾整備事業後進地域特例法適用団体補助率差額	13,707	0	0	13,707
(その他の事項)	180,741,198	0	0	0	180,741,198
(その他の項)	1,130,663,330	0	0	0	1,130,663,330
総 務 省
総 務 本 省
03 地方交付税交付金	地方交付税交付金財源の交付税及び課与税配付金特別会計へ繰入れに必要な経費	31021-306-22	交付税及び課与税配付金特別会計へ繰入	347,774,901	16,538,318	0	16,538,318
財 務 省
財 務 本 省	493,474,642	127,202,690	△ 224,409,448	△ 97,206,758	396,267,884
01 復 興 債 費	43,474,642	127,202,690	△ 24,409,448	102,793,242	146,267,884
20 一般会計から受け入れた決算上の剩余金の国債整理基金特別会計へ繰入れに必要な経費	20100-306-22	復興債償還財源等国債整理基金特別会計へ繰入	0	127,202,690	0	127,202,690	復興債償還費財源繰入
20 復興債に係る利子等の支払財源の国債整理基金特別会計へ繰入れに必要な経費	20100-306-22	復興債償還財源等国債整理基金特別会計へ繰入	43,137,614	0	△ 24,409,448	△ 24,409,448	18,728,166
(その他の事項)	337,028	0	0	0	337,028
02 復興加速化・福島再生予備費
97 復興加速化・福島再生予備費	(97109-959-...)	450,000,000	0	△ 200,000,000	△ 200,000,000	250,000,000

国土交通省	157,594	0	0	0	157,594
歳 出 合 計	3,246,893,877	546,047,821	△ 224,409,448	321,638,373	3,568,532,250
RF-1013 ポスト2010年目標の実現に向けた地球規模での生物多様性の観測・評価・予測

(1) 陸域生物多様性の評価に関する課題の調査

东北大学 大学院生命科学研究科

中静透

平成22年度累計予算額：2,144千円

予算額は、間接経費を含む。

[要旨] 平成23年度開始予定の戦略的研究開発における、森林の生物多様性評価について調査・分析を行い、研究開発の課題を特定した。森林生態系の機能に関してはこれまで炭素・窒素などの物質循環について研究が進められてきたが種多様性との関連が十分に理解されていない。この問題点を解決するには樹木の多様な機能形質特性，森林生態系を構成する生物種，森林タイプの分布（人為的影響を含む）などに関する情報を統合することが重要課題である。また、生態系サービスの評価においては、種多様性との関連が強いと考えられる送粉・生物的制御などの調節的サービスに注目することが重要課題である。

[キーワード] 森林、生物多様性、生態系機能、生態系サービス、機能形質

### 1. はじめに

陸域生態系の中で大きな面積をしめる森林は、二酸化炭素の固定において重要であるだけでなく、さまざまな陸上生物の生息地として重要であり、また、気温の調節、表土の安定化、送粉昆虫や天敵の維持など、多面的な生態系サービスを提供している。一方で、農地転換などのために世界の森林は減少を続けており、とくに東南アジアでは森林減少が著しい。この森林減少の速度とその影響を評価する方法論を発展させ、科学的な状態把握にもとづいて、有効な森林保全策を立案することが急務である。

### 2. 研究目的

本研究の目的は平成23年度開始予定の戦略的研究開発における、森林の生物多様性評価について、事前に調査・分析を行い、研究開発の課題を特定することであった。

## 3 ．研究方法

陸域（森林）生物多様性の評価に関するワークショップを平成22年7月12-13日（東北大学）に開催し平成23年度開始予定の戦略的研究開発における森林の生物多様性評価の課題について検討した。

## 4 ．結果・考察

ポスト2010年目標に関する日本政府素案では、個別目標A「種保全活動の拡充・生態系保全面積
の拡大」の指標例として、森林面積・蓄積・種数・森林率をあげたがこれらの指標だけでは以下のような課題が解決できないことが明らかになった。

（１）大気中に放出される二酸化炭素の約17％が森林伐採に由来する一方で森林は、大気中に放出された二酸化炭素の約30％を吸収していると推定されている。森林の炭素固定量は年変動が大きく、年変動には種の機能形質の多様性（たとえばフェノロジーの気温に対する反応が種によって大きく異なること）が大きく影響している。しかし、機能形質の多様性評価は遅れている。

（２）地球温暖化とともに森林帯が移動しアマゾンでは森林が草原化するおそれが指摘されている（国際生物多様性概況第3版）。しかしこのような予測に使われている植生帯変動モデル（DGVM）は多様な樹木種が示す機能的形質の多様性を考慮していないため予測精度が低い。

（３）森林は多様な生物種の生息場所としても重要であるが、熱帯林などの消失とともにどれだけ多くの種が失われているかは推定されていない。

（4）森林は保水・防災・栄養塩除去など多面的な生態系サービスを提供しているが、これら生態系サービスの評価も不十分である。

右図はGEO BON（Group on Earth Observations Biodiversity Observation Network）実施計画に掲載された図である。この図に示されているように生物多様性と人間の福利を結ぶプロセスは「生態系の機能」と「生態系サービス」からなる。この両者を分けて評価するアプローチが有効と考えられる。

「生態系の機能」に関しては、これまで炭素・窒素などの物質循環について研究が進められてきたが、種多様性との関

連が十分に理解されていない。この問題点を解決するには樹木の多様な機能形質特性，森林生態系を構成する生物種、森林タイプの分布（人為的影響を含む）などに関する情報を統合することが有効である。最近の研究を通じて、樹木の多様な機能、形質特性（葉の窒素含量、寿命、光合成特性、材密度、成長速度など）の間のトレードオフ関係や特性値と気候などの環境要因との相関をもとに生態系機能を広域的に評価するアプローチが発展してきた。このアプローチにおいて必要な機能形質データは，JBONおよびAPBON（Asian Pacific Biodiversity Observational Networkなどの母体となるグループによってかなり蓄積されているものの，それをデータベース化し，広域に把握・評価するためのアルゴリズムを完成する必要がある。また，樹木の機能形質と樹木組成に関するデータベースを結びつけ、さらに生態系の分布や変化データと結合できれば，炭素蓄積量やその増減などに関する広域把握が可能となる。平成23年度開始予定の戦略的研究開発における陸域生物多様性評価ではこのようなアプローチを重点的に推進することが必要である。

生物多様性条約（CBD）の第10回会議（COP10）議論では、生態系サービスの定量化を進める必要性があらためて強調された。とくに、森林生態系に関しては「森林の減少・劣化を防止することによる森林からの温室効果ガスの排出削減（REDDおよびREDD+）」が有望なメカニズムとして注目されており、その導入に欠かせない評価やモニタリング手法が望まれている。
ただし、「生態系サービス」の中で、基盤的サービス（水・物質循環一次生産）および調節的サービスの大部分（大気、気候、水、土壌、災害などを調節する生態系機能）は種多様性との関係が弱い。平成23年度開始予定の戦略的研究開発における陸域生物多様性評価では種多様性との関連が強いと考えられる送粉・生物的制御などの調節的サービスに注目することが有効であると考えられる。

送粉・生物的制御などの調節的サービスについては，近年急速に研究が進みつつあり，生態系分布あるいは土地被覆データなどから、送粉生物や天敵生物などの多様性や豊富さが推定できる可能性が高まっている。これらを各レベルの研究を統合した研究が必要であることが明確となった。

以上のような陸域生物多様性評価を日本およびアジアスケールで実施するうえでは、衛星画像に代表されるリモートセンシングデータと地上観測データを関連づける作業が欠かせない。この作業を進めるためには、地上観測データのデータベース化を早急に実施し、生物多様性損失評価に活用する必要がある。また、種多様性が深く関わる生態系機能・サービスを適切に評価する指標・モデルやアジア規模での生物多様性観測・評価・予測の技術開発を可能にするモデル・手法を開発し、リモートセンシングデータと地上観測データを関連づけ、広域的な陸域生物多様性評価法を開発する必要がある。

## 5 ．本研究により得られた成果

## （1） 科学的意義

樹木種が示す機能的形質の多様性をデータベース化し、樹木種組成をもとに生態系機能の広域評価を行う研究手法の有効性を示した。

## （２）環境政策への貢献

上記の検討結果にもとづいて環境研究総合推進費平成23年度戦略的研究開発領域課題（案）を策定した。

### 6 \. 引用文献

特に記載すべき事項はない

## 7 ．国際共同研究等の状況

TRYイニシアティブ、植物の機能的形質の国際的データベース化、Sandra Diaz・コルドバ国立大学・アルゼンチン、データベース化とその解析事業に参加、Sandra Diaz博士はDIVERSITAS科学委員をつとめておりTRYイニシアティブは生物多様性研究の国際的な推進事業の一環として位置づけられている。

## 8 ．研究成果の発表状況

## （1） 誌上発表

特に記載すべき事項はない
〈査読付論文に準ずる成果発表〉

（2）口頭発表（学会等）

特に記載すべき事項はない

（3）出願特許

特に記載すべき事項はない

（４）シンポジウム、セミナーの開催（主催のもの）

・陸域（森林）生物多様性の評価に関するワークショップ（平成22年7月12-13日東北大学）

（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