Silviase/jgov_v1.4_full_ann huggingface dataset:
表(2)-5 アラスカの北方林、ツンドラ、パルサで採取した活動層および永久凍土の培養結果から得られた温度-呼吸曲線 $ \left(\mathrm{F}_{\mathrm{c}}=\mathrm{R}_{0}\times\mathrm{e}^{\mathrm{kT}_{\mathrm{s}}}\right) $ と温度依存性 $ \left(Q_{10}\right) $ 。 $ F_{c} $ は微生物呼吸速度、Tsは地温。

植生	層	温度範囲	R₀	k	R²	Q₁₀
北方林(BS)	活動層	-15℃～-1℃	9.462	0.4615	0.9995	100.998
+1℃～+15℃	50.414	0.0730	0.9989	2.076
永久凍土	-15℃～-1℃
+1℃～+15℃
パルサ	活動層	-15℃～-1℃	0.965	0.3319	0.9957	27.633
+1℃～+15℃	5.367	0.0652	0.9988	1.919
永久凍土	-15℃～-1℃	0.583	0.6501	0.9183	665.607
+1℃～+15℃	2.635	0.0822	0.9978	2.275
ツンドラ1(UT1)	活動層	-15℃～-1℃	5.825	0.2881	0.9944	17.837
+1℃～+15℃	6.391	0.0743	0.9999	2.102
永久凍土	-15℃～-1℃	6.938	0.3474	0.9957	32.262
+1℃～+15℃	3.891	0.0736	0.9999	2.087
ツンドラ2(UT2)	活動層	-15℃～-1℃	0.595	0.3657	0.9968	38.737
+1℃～+15℃	0.811	0.1035	0.9997	2.815
永久凍土	-15℃～-1℃	13.935	0.4936	0.9778	139.212
+1℃～+15℃	10.107	0.0899	0.9158	2.457
ツンドラ3(CT)	活動層	-15℃～-1℃	15.705	0.2798	0.9982	16.418
+1℃～+15℃	7.940	0.0968	0.9659	2.633
永久凍土	-15℃～-1℃	16.340	0.3414	0.9943	30.384
+1℃～+15℃	24.101	0.0905	1.0000	2.472

図(2)-13 北方林およびツンドラの活動層および永久凍土からの年積算CO₂放出量。
## 5 ．本研究により得られた成果

## （1） 科学的意義

土壌培養実験により、土壌有機物分解速度(土壌呼吸速度)の測定を行った。北極域の土壌有機物分解で注目しなければならないものは、低温下における土壌有機炭素の分解である。低温域における温度依存性に関する知見は、温暖化による影響下での土壌有機炭素の分解量を推定する上で重要である。一般に土壌呼吸と温度との関係（温度依存性）は、Q10値（温度が10℃上昇したときの土壌呼吸速度の変化率）という指標が用いられている。一般に、温帯域における土壌呼吸と地温との間には指数的な関係が仮定され、経験的にQ10値は2前後とされている。Q10値は、フィールドにおける土壌呼吸の季節変化の観測に基づき経験的に試算されるものである。しかし、北極域に関しては、通年及び遠隔地での観測インフラの構築が難しく、観測期間が特に夏季に限定される。そのため、10℃以上の地温変化の下での観測は難しく、Q10値の算出が困難な状態にあった。そこで、採取した土壌コア試料を用いて、広い温度域のQ10値の算出のために凍土の培養実験を行った。

その結果、湿原が隆起し乾燥化が起きているパルササイトの永久凍土の夏期融解層では、-5℃～5℃のQ10値が18.8と高かった。年中凍結している永久凍土層では-5℃～5℃のQ10値は、4.7であり、夏期融解層のものが顕著に高かった。5℃～15℃、15℃～25℃の永久凍土層と夏期融解層のQ10値では明確な差が見られず、1.7から2.4であった。多量の炭素を蓄える湿原において、夏期融解層でQ10値の変動幅が極めて大きかった。夏期融解層では永久凍土層に比べて、近年堆積した易分解性の有機物が多いことも推測される。特に、永久凍土地域で現実に長い時間起こる温度域（-5℃～5℃）でQ10値が高かった。これは温暖化が進んだときの土壌有機物分解において重要な示唆を与えることになり、今後詳細に検討する必要性があることが確認できた。

## （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＞

乾燥化している湿原、原野・森林火災を受けたツンドラといった土壌有機物分解が急速に進むおそれがある場所で、永久凍土環境を観測するとともに、土壌・凍土コア採取を行った。土壌・凍土中の有機物の蓄積量を得るとともに、炭素14年代測定により、過去の土壌有機物の蓄積・分解速度を得た。これらは北極域の土壌有機物分解の予測を行う上で、新しい知見を与える。ツンドラと北方森林の区分された生態系ごとの土壌・凍土中の有機物の蓄積量、過去の土壌有機物の蓄積・分解速度と合わせて、生態系土壌有機物分解モデルに必要な観測データを与える。土壌培養実験により、永久凍土で現実に起こり得る温度領域の土壌有機物分解速度を測定した。凍結温度近くの永久凍土の土壌有機物分解速度は、これまでほとんど分かっていないため、本測定結果は、土壌有機物分解の将来予測に新たな知見を与える。

RCP2.6（低位安定化シナリオ）の場合、2100年までにツンドラで1kgC/m²、北方森林で2.5kgC/m²の二酸化炭素の放出が予測される。北極域全体でこの放出が起こるとすると、これまでに人為起源で放出された二酸化炭素の10％になる。原野・森林火災の増加の評価によってはもっと大きくな
る。北極域の土や植物は温暖化を加速すると言える。これまでの全球気候モデルでは、この温暖化の加速は過小評価されている。環境政策において、一層の温暖化緩和のための技術開発が必要であることを示した。

## 6 ．国際共同研究等の状況

米国アラスカ大学国際北極圈研究センターのLarry D. Hinzman所長、Kenji Yoshikawa教授、Go Iwahana研究員との共同研究として、野外観測を行った。アラスカ大学国際北極圈研究センターは、北極域の環境変化の野外観測研究に大きな蓄積がある。

## 7 ．研究成果の発表状況

## （1） 誌上発表

## <論文（査読あり）>

1) G. IWAHANA, M. UCHIDA, L. LIU, W. GONG, F. MEYER, R. GURITZ, T. YAMANOKUCHI, L. HINZMAN: Remote Sensing, 8, 218 (2016), InSAR detection and field evidence for thermokarst after a tundra wildfire, using ALOS-PALSAR.

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) 近藤美由紀,内田昌男,内海真生,柴田康行,原蘭芳信,岩田拓記(2013)

「14Cを利用した北極高緯度域における自然火災による土壌炭素消失量の推定. 第26回タンデム加速器及びその周辺技術の研究会」, 2013年7月, 山形

2) 岩花剛,内田昌男,近藤美由紀,吉川謙二,Hinzman L.(2013)

「アラスカ・デナリハイウェイ沿いのパルサの形成と内部構造。」 雪氷研究大会, 2013年9月, 北見

3) Kondo M., Uchida M., Utsumi M., Iwahana G., Iwata H., Harazono Y., Nakai T., Tanabe K., Shibata Y. (2013)

“The belowground C balances in Alaskan boreal and tundra ecosystems: Insights from radiocarbon-based C accumulation rates and turnover times.” 5th EAST ASIA AMS SYMPOSIUM, 2013年10月, Daejeon, Korea

4) Kondo M., Uchida M., Ustumi M., Iwahana G., Yoshikawa K., Iwata H., Harazono Y., Nakai T., Tanabe K., Shibata Y. (2013)

“Turnover time of soil organic carbon in permafrost using radiocarbon and their application for determining long and short thermes carbon balances case study in Alaskan tundra and boreal forest.” 19th International symposium on Polar Science, 2013年10月, Incheon, Korea

5) Kondo, M. Uchida, M. Utsumi, G. Iwahana, H. Iwata, Y. Harazono, T. Nakai, K. Tanabe, Y. Shibata (2013)

“Estimate of permafrost organic carbon balance in Alaskan boreal and tundra ecosystems using
natural level radiocarbon.” 第4回 極域科学シンポジウム. 2013年11月，立川

6) 米村正一郎、内田昌男、近藤美由紀(2013)

「アラスカ凍土コアサンプルのガス交換特性実験。」第4回 極域科学シンポジウム.2013年11月,立川

7) 佐々木正史、内田昌男、内海真生、中山恵介(2013)

「アラスカ北極圈の湖沼におけるメタンフラックスと永久凍土融解の影響。」第4回 極域科学シンポジウム.2013年11月，立川

8) 天野千恵、内海真生、高宇、近藤美由紀、内田昌男(2013)

「アラスカ寒帯森林土壌及びツンドラにおける二酸化炭素・メタンフラックスと土壌微生物群集によるセルロース分解活性。」第4回 極域科学シンポジウム.2013年11月，立川

9) 近藤美由紀，内田昌男，内海真生，岩花剛，吉川謙二，原蘭芳信，岩田拓記，中井太郎，田邊潔，柴田康行(2013)

「放射性炭素同位体を用いたアラスカ永久凍土における土壌炭素収支の推定。」日本生態学会第61回全国大会.2014年3月，広島

10) 近藤美由紀(2013)

「核実験起源放射性炭素同位体(14C)を用いた根・微生物呼吸の分離.」 2014年3月，広島

11) 近藤美由紀：日本生態学会第61回全国大会（2014）

「核実験起源放射性炭素同位体(14C)を用いた根・微生物呼吸の分離」

12) 米村正一郎、内田昌男、近藤美由紀：日本地球惑星科学連合2014年大会（2014）「自動測定システムによるアラスカ凍土コアサンプルの各種微量ガス交換量測定」

13) 近藤美由紀、内田昌男、内海真生、岩花剛、吉川謙二、岩田拓記、原蘭芳信、中井太郎、田邊潔、柴田康行：日本地球惑星科学連合2014年大会（2014）

「放射性炭素同位体を用いたアラスカ永久凍土における土壌有機炭素収支の推定」

14) 岩花剛、内田昌男、近藤美由紀、吉川謙二：日本地球惑星科学連合2014年大会（2014）「アラスカ・デナリハイウェイ沿いのパルサの発達史」

15) Kondo, M., M. Uchida, M. Utsumi, G. Iwahana, K. Yoshikawa, H. Iwata, Y. Harazono, T. Nakai, K. Tanabe, Y. Shibata: The Thirteenth of the AMS, Aix en Provence, France, 2014

“Quantifying rates of soil organic carbon accumulation in black spruce and tundra ecosystems in Alaska using radiocarbon”

16) 近藤美由紀，大塚俊之，米村正一郎，吉川謙二，田邊潔，内田昌男：第63回日本生態学会仙台大会（2016）

「自然レベル放射性炭素同位体を用いた北極永久凍土融解に伴う土壌炭素分解の実態解明」(仙台, 2016年3月20日～24日)

## （3） 出願特許

特に記載すべき事項はない。

## （４）「国民との科学・技術対話」の実施

1) 一般公開シンポジウム「地球温暖化と環境変化」（主催：日本大学生物資源科学部、環境
省環境研究総合推進費、2016年1月12日、神奈川県藤沢市日本大学生物資源科学部大講堂、観客145名）にて講演

## （５）マスコミ等への公表・報道等

1) NHK BS1 スペースシップアースの未来 第3回「“客室維持装置”に異変あり」、2014年11月20日、北極高緯度域における永久凍土融解と温室効果ガス放出の実状を紹介した。

## (6) その他

特に記載すべき事項はない。

### 8 \. 引用文献

末尾にサブグループ（１）、（２）、（３）それぞれの引用文献をまとめて掲載した。
# （３）北極域生態系炭素動態の季節・年々変動に及ぼす環境影響の要因解析

広島大学大学院生物圈科学研究科

戸田 求

平成25～27年度累計予算額：18,774千円（うち平成27年度：6,258千円）

予算額は、間接経費を含む。

## [要旨]

本研究の先行研究で開発された最新の北極域土壌有機物分解モデルと生態系モデルと統合した新たな生態系土壌有機物分解モデルをさらに発展させ、推定精度を向上させた。構築したデータセットと生態系土壌炭素動態モデルを用いて、モデル中に含まれる炭素、水循環に関わるパラメータ変数の不確実性評価のモデル解析を行った。それぞれの調査区によって代表される生態系について、植物の生理生態特性および環境条件の特性を示すパラメータセットを算出した後、北極域の気候変動が生態系炭素動態に与える長期的影響をシミュレートし、その潜在的な気候フィードバックを解析した。

## [キーワード]

地球温暖化、北極域、生態系、土壤炭素動態モデル、土壤有機物分解

### 1. はじめに

近年の地球温暖化により、特に北半球高緯度帯の北極域に生育する陸域生態系へ及ぼす影響が危惧されている。IPCC第五次評価報告書によれば、温暖化による今世紀末までの気温の上昇は北極域において最も大きくなり、この上昇値は全球平均のほぼ2倍に相当することが予測されている。北極域には地下の広範囲に永久凍土が存在するが、この永久凍土の中には大量の炭素が蓄積されている。その量は全球地下部に存在する炭素蓄積量のおよそ半分に匹敵するといわれている。今後の温暖化の影響によって生じる自然火災はこれまでに生じていたものと比べて強度も頻度も増加することが指摘されているが、そのような事態が頻発すると、例えば、直達日射量の増加、表層の熱伝導率の低い有機物層の焼失、焼け跡後に見られるアルベドの減少といった地表面におけるエネルギー・水収支が変わりそれによって地下部の永久凍土の融解が促進されることになる。この融解は、土壤中に含まれる炭素の分解と放出を加速させることにつながり、その結果さらなる温暖化の傾向を加速する正のフィードバック効果が働くことになる。

このような気候変化に伴う北極域の陸域変化の影響が危惧される中，想定される変化を考慮した陸域生態系の応答評価、特に炭素循環に着目した生態系モデルの開発が盛んに行われている。近年での数値モデル研究の結果によると、急激に進む温暖化は自然火災の状況を変化させ、永久凍土に多大な影響を与える結果が多く報告されている。さらに、土壌炭素蓄積量に影響する要因：リターの供給量、土壌炭素の温度依存性、土壌炭素分解係数等については、将来温暖化した時にどう変化するのはいろんな可能性が報告されている $ ^{12,13} $ 。これらの影響する要因を総合的に考慮して、北極域の気候変動が生態系炭素動態に与える長期的影響をシミュレートし、温暖化予測に伴う不確実性を定量的に評価することは非常に重要である。数値モデルを用いたこれまでの研究
では、永久凍土中の地下炭素循環を扱ったものは単純化されたものに限られておりより詳細に土壌内プロセスを取り扱ったモデル研究は未だ少ない。

## 2 ．研究開発目的

サブグループ3では、リモートセンシングによる土壌有機物分解の観点からの広域生態系区分を行う。サブグループ1、サブグループ2の成果を合わせて、北極圈の土壌有機炭素分解の時空間変動をモデル化する。サブグループ3の研究開発目的は、以下の3点である。（1）本研究の先行研究で開発された最新の北極域土壌有機物分解モデル $ ^{14)} $ （伊勢武史（京都大学准教授）開発）と生態系モデルとを統合した新たな生態系土壤有機物分解モデルをさらに発展させる。データセットの構築を行い、新たなモデルによる広域有機物土壤分解の推定精度を向上させる。（2）構築したデータセットと生態系土壤炭素動態モデルを用いて、モデル中に含まれる炭素、水循環に関わるパラメータ変数の不確実性評価のモデル解析を行う。（3）それぞれの調査区によって代表される生態系について、植物の生理生態特性および環境条件の特性を示すパラメータセットを算出した後、北極域の気候変動が生態系炭素動態に与える長期的影響をシミュレートし、その潜在的な気候フィードバックを解析する。

### 3. 研究開発方法

## （１）土壌炭素動態モデルと改良

使用した土壤炭素動態モデル（Physical and Biogeochemical Soil Dynamics Model） $ ^{15)} $ は、土壤物理モデル（Land surface model, LSM）と土壤有機物分解モデル（SOC dynamics model, SDM；ここで、SOC は soil organic carbon （土壤有機炭素）の略である。）によって構成される $ ^{15)} $ （図(3)-1）。LSM では、NCEP の客観解析データを入力値として、土壤深度各層の土壤温度と土壤水分が診断される。これらの診断変数が SDM に渡され、各土壤層の土壤炭素蓄積量が計算される。現在の数値モデルの枠組みにおいては、土壤に地上部から一定のリターが供給され、炭素の質量率および土壤密度から有機炭素の深さが計算される。そして、これが再び LSM で用いられ、次段階の土壤物理変数の計算に利用されるという流れである。土壤表層に蓄積された地上部からのリターは微生物に分解され、一部は大気中に $ CO_{2} $ として放出され、残りは難分解成分として有機物層に蓄積されていく。各土壤の分解速度は土壤を構成する層によって異なるように与えられ、サブグループ2によるアラスカの代表的植生地での観測データを参考にして決定した。このように、野外で得られた貴重な観測データに基づき数値モデル内の係数が決定される。ここでは、黒トウヒ（Black spruce）が優占する森林サイトである UAF とコケモモ（Vaccinium vitis-idaea）が優占する草本灌木の植生地である UT サイトを想定したシミュレーションを行った。

モデルへの入力気象データについて、アラスカ州フェアバンクス（UAF）付近およびアップランドツンドラ（UT）付近で観測された1950年から2010年までの61年間の気象データ（気温、降水量、湿度、風向、風速、短波放射、長波放射）を利用した。ここでの計算期間は2000年と設定した。また、表(3)-1に各サイトで行った計算に使用する入力データをまとめた。

モデルは以下の観点から、改良を行った。

## 1 ）土壤有機炭素分解プロセス

土壤炭素動態モデルの改良において重要となる点は、リター量と土壌有機炭素分解プロセスで
ある。リター量は UAF サイト付近の炭素含有量 $ ^{14} $ C から推定したデータを利用した。ここで、UT サイトにおけるリター値は既往の研究 $ ^{16} $ から引用した。土壌有機炭素分解の推定精度を向上させるため、土壌炭素動態モデルから計算される土壌各層の炭素含有量 $ ^{14} $ C の鉛直勾配を実測データと比較することを検討した。

先行研究の土壤炭素分解モデルでは、土壌の温度依存性及び水分依存性を考慮することで有機炭素分解を計算した。また、土壌の温度依存性については既往の研究 $ ^{[17]} $ の地温による計算式が用いられた。一方で、近年の土壌炭素動態モデルでは土壌炭素の分解速度の計算に $ Q_{10} $ を採用した。その値の範囲は一般に、 $ Q_{10}=2\sim3 $ で設定されている場合が多い。しかし、低温度条件では $ Q_{10} $ 値がこれらの数値よりも大きく変化するという実験結果が報告されている $ ^{[18]} $ 。そこで本研究では、 $ Q_{10} $ の違いによる土壌炭素動態の敏感度を調べるため、 $ Q_{10} $ による計算式を用いたシミュレーションを行った。 $ Q_{10} $ データは地温（Tsl）が5℃以上では $ Q_{10} $ の値は $ Q_{10}=2.2 $ を、また5℃以下では $ Q_{10} $ ，

ンを行った。 $ Q_{10} $ データは地温（Tsl）が5℃以上では $ Q_{10} $ の値は $ Q_{10}=2.2 $ を、また5℃以下では $ Q_{10} $ ， $ Q_{10}=18.9 $ を用いた(表(3)-2)。

2013年度は改良した（Physical and Biogeochemical Soil Dynamics Model）PB-SDMを用いて、アラスカ州フェアバンクス近郊の黒トウヒ（Picea mariana）が優占する北方林サイトUAFサイトおよびより高緯度に位置するツンドラ優占のUTサイトを対象として、各気象・土壌データを用いたシミュレーション実験が行われた。シミュレーション結果の検証から、PB-SDMは両サイトにおける土壌炭素蓄積過程を適切に再現した。また、2000年間のシミュレーションラン（スピンアップ）を行った後、温暖化影響の予測にむけた、温暖化予備実験を行った。2014年度は、この改良したPB-SDMを用いてUAFを対象に、気候変動を想定したシナリオのもとで次の係数変化、すなわち、リターの供給量、土壌炭素の温度依存性、土壌炭素分解係数の変化に伴う土壌炭素動態の将来予測変動を推定する。

## 2 ）自然火災

自然火災が土壌炭素動態に及ぼす影響について評価する際、火災の頻度および強度の差異を考慮することが重要である。本研究では火災の頻度に着目し、火災の頻度の違いが土壌炭素分解過程に及ぼす影響について調べるシミュレーションを行った。

## 3 ）永久凍土の土壌有機炭素分解プロセス

永久凍土の取り扱いに関して、本研究では LSM で計算された地温が二年以上連続して 0℃ 以下

になった土壤を永久凍土と定義して、永久凍土の季節・年々変動を考慮した土壤有機炭素の分解プロセスに着目した。永久凍土については観測調査が実施されてきており、ミネラル層に存在する場合が多いことがわかっている。そのため、ミネラル層の土壤炭素分解プロセスを土壤有機炭素動態モデルに導入した。更に、改良として有機物層間の有機炭素の流れ（フロー）をモデル化した(図(3)-2)。このようなより複雑で現実的な土壤有機炭素分解プロセスの追加によって、炭素循環フィードバックの性質や観測結果による気候応答の制約に関して新しい情報が得られると考えられる。

本研究の対象地域はアラスカ州フェアバンクス近郊の黒トウヒ（Picea mariana）が優占する北方林サイト（UAF）とNorth of Toolik lake付近のコケモモ（Vaccinium vitis-idaea）と草本灌木が優占するアップランドツンドラサイト（UT）である。
図(3)-1 土壤炭素動態モデル (Physical and Biogeochemical Soil Dynamics Model version 2.0, PB-SDM v2.0) の概要図 (Mori et al. (2012) $ ^{15} $ ) より引用)。

表(3)-1 本研究で用いた主要なパラメータ

パラメータ名	単位	北方林サイト (UAF)	ツンドラサイト (UT)
リター供給量	kg C m^{-2}year^{-1}	0.135	0.065
リター層分解された炭素腐植層に供給する割合	0.45	0.40
腐植層分解された炭素ミネラル層に供給する割合	0.01	0.01
土壌層の厚さ（最大値）	m	0.05	0.05
炭素含有率（腐植層）	kg C kg soil^{-1}	0.4	0.3
炭素率含有率（リター層）	kg C kg soil^{-1}	0.4152	0.4
土壌バルク密度（腐植層）	kg m^{-3}	159	380
土壌バルク密度（リター層）	kg m^{-3}	70	80
植生タイプ	常緑針葉樹林	混合ツンドラ
土壌タイプ	Loam	Loam
火災時の土壌炭素放出量	kg C m^{-2}	4.4・2.2	1.66・0.83
(a)

(b

図(3)-2(a) 改良前の土壌炭素動態プロセス；

(b) 改良後の土壌炭素動態プロセス

表(3)-2 培養実験の結果

$ Q_{10} $
-5～5℃	5～15℃
北方林サイト (UAF)	活動層	18.9	2.2
永久凍土層	7.3	2.5
ツンドラサイト (UT)	活動層	5.6	2.7
永久凍土層	58.4	2.1

## （２）気候シナリオデータの準備

本研究で使用する気候シナリオデータは地球システム統合モデルModel for Interdisciplinary Research on Climate-Earth System Model （MIROC-ESM）による長期気候変動予測の気象データである。全球の気象データはT42グリッド(128*64)を0.5度Equirectangular projectionグリッドに線形内挿法によって変換されたものであり、本研究の対象地域UAFが存在するグリッドの気象データが切り取られた。さらに、これらのデータをPB-SDMで使用できるように、15分毎のdailyデータに変換した。MIROC-ESMによる長期気候変動予測の気象データは2100年までである。そのため、2500年間の計算を行う際には、2100年以降では気温が変動しないことを想定し、気象データセットが整備された（図(3)-3）。
図(3)-3 フェアバンクスにおける地球システム統合モデルMIROC-ESMによる地上気温予測

気候変動が起きた時のパラメータ評価は以下のように行った。

## 1 ）リターの供給量

温暖化した際に、高CO₂濃度、積雪期間の短縮などが原因で森林が成長促進する可能性が報告されている。一方、温暖化と乾燥化が進化すると森林火災が多発し大規模に森林が失われ、その結果、リター供給量が減少する。また、北極海の海水の顕著な減少に伴う気候変化によって、降雪量・降雨量が増加して永久凍土の融解が進むとともに、森林の生育に適さない過剰な湿潤状態が拡大すると、森林の枯死・荒廃が進むことが報告されている。このような将来の予測を念頭に、本研究ではアラスカの北方林地域のリター供給量を三段階（0.078 kg C m⁻² yr⁻¹; 0.155 kg C m⁻² yr⁻¹; 0.31 kg C m⁻² yr⁻¹）設けたシミュレーションを実施した。

## 2 ）土壤炭素の温度依存性 $ (Q_{10}) $

凍土の熱の性質は、凍結土の構成要素である土粒子・不凍結水・氷・空気それぞれの熱の性質の組み合わせで決まる。本研究では、永久凍土の温度依存性について先行研究のデータを基づいて3段階を設定した。

A: $ Q_{10\ (\mathrm{Ts} < 5^{\circ}\mathrm{C})} = 9.0 $ ; $ Q_{10\ (\mathrm{Ts} > 5^{\circ}\mathrm{C})} = 2.9 $

B: $ Q_{10\ (Ts < 5^{\circ}C)} = 5.3 $ ; $ Q_{10\ (Ts > 5^{\circ}C)} = 2.2 $

C: $ Q_{10\ (Ts < 5^{\circ}C)} = 2.0 $ ; $ Q_{10\ (Ts > 5^{\circ}C)} = 2.0 $

## 3 ）永久凍土融解に伴う土壌炭素分解係数（ $ k_{t} $ ）

土壤有機物分解は、微生物酵素によって起こる化学反应である。永久凍土における分解係数は
$ \Delta^{14}C $ のデータから推定された。この分解係数は将来の温暖化のもとでは永久凍土の融解に伴う土壌微生物活性化を反映して大きくなると考えられる。本研究では、永久凍土融解時の土壌炭素分解係数（ $ k_{t} $ ）を2段階に設定したシミュレーションを実施した。

## 4 ．結果及び考察

## （１）モデル計算の結果

UAFおよびUTサイトを想定した、リター層および腐植層における土壌有機炭素（SOC）蓄積量に関するシミュレーションの結果を示した（それぞれ、図(3)-4と図(3)-5）。ここで図(3)-4および図(3)-5の(a)は既往の研究の計算式 $ ^{17)} $ を用いて計算した結果であり、図(3)-4および図(3)-5の(b)は $ Q_{10}=2.5 $ を考慮した結果である。本実験において、火災の頻度は200年周期に設定された。

計算式 $ ^{17)} $ を用いて計算した結果では、リター層が時間とともに増加していた。火災が起った時にリター層だけが燃えたため、UAFサイトの土壌有機炭素の蓄積量は2000年時には97 kg C m $ ^{-2} $ に達した（図(3)-4(a)）。一方で、 $ Q_{10}=2.5 $ を用いたシミュレーションでは、火災の影響はリター層だけでなく腐植層にも影響し、UAFサイトの土壌炭素の蓄積量は24.5 kg C m $ ^{-2} $ に達した（図(3)-4(b)）。UAFサイトで実測によって得られた土壌炭素の蓄積量は25.1 kg C m $ ^{-2} $ であった。この値と比較すると、 $ Q_{10}=2.5 $ による計算式を用いたシミュレーションは計算式 $ ^{17)} $ を用いて得られた結果に比べて、観測された有機炭素蓄積量に近い値を示した。
(a)

(b)

図(3)-4 UAFサイトにおけるリター層および腐植層における有機炭素蓄積量（SOC）に関するシミュレーションの結果。黒線はリター層、赤線は土壌有機物層の腐植層の有機炭素蓄積量を表す。

次に、UTサイトにおけるリター層および腐植層における有機炭素蓄積量（SOC）に関するシミュレーションを行い。実測のデータと比較してシミュレーションの値は小さくなった。これまでの北極高緯度域の自然火災に関する研究によれば、ツンドラの火災頻度は北方林より低い。そのため、火災の頻度は200年とした場合、SOCの量を下回る可能性は考えられる。そこで火災の頻度を700年周期設定した計算を実施したところ現実的に再現なふるまいを再現することができた。
(a)

(b)

図(3)-5 UTサイトにおけるリター層および腐植層における有機炭素蓄積量（SOC）に関するシミュレーションの結果。黒線はリター層、赤線は土壌有機物層の腐植層の有機炭素蓄積量を表す。

## （２）感度実験に関する予備実験の結果

## 1 ） $ Q_{10} $

ここでは、 $ Q_{10} $ の数値を変えて感度解析のシミュレーションを行った。これらのシミュレーションを行った結果、 $ Q_{10} $ の数値設定の違いがシミュレーション結果を大きく変化させていることが分かった（図(3)-6）。
図(3)-6 UAFサイトの $ Q_{10} $ による土壌有機炭素のシミュレーションの結果。 $ Q_{10} $ の増加に伴い土壌有機炭素の深度が増加することを示す。火災の頻度は250年周期に設定された。

$$ \begin{aligned} ついて \end{aligned} $$

$$ Q_{10}=2.2 $$

$$ \left(Tsl>5^{\circ}C\right) $$

$$ Q_{10}=18.9\ \left(Tsl<5^{\circ}C\right) $$

シヨンを行った（図(3)-7）。これらのシミュレーションの結果、1000年の時に土壌有機炭素の深度は2 m に達することが分かった。しかし、UAF サイトで実測によって得られた土壌有機炭素の深度は0.29 m であった。この値と比較すると、計算値は大幅に実測値を上回る。この原因にはリターの供給の仕方に関連しており、土壌層へのリター供給速度が土壌分解速度よりも速いため、土壌有機炭素の蓄積量が観測値に比べて大きくなる傾向にある。そのため、リター供給の方法を変更する必要がある。季節変化を考慮することや火災後の回復変化を動的に捉えるための改良の検討が必要になる。
図(3)-7 UAF の $ Q_{10}=2.2\left(\mathrm{Tsl}>5^{\circ}\mathrm{C}\right) $ 、 $ Q_{10}=18.9\left(\mathrm{Tsl}<5^{\circ}\mathrm{C}\right) $ を用いたシミュレーションの結果。

## 2 ）火災頻度

さらに、UAF サイトで異なる火災周期を設定したシミュレーション実験を行った（図(3)-8）。この結果、火災の頻度を変えたとしても、土壌有機炭素深度に大きな違いが見られなかった。その原因として,現実には火災が生じた場合には植生の種構成や土壌の熱および水文特性が変わり、その結果として土壌有機炭素の深度が変わると考えられる。しかし、この一連のプロセスが現行のモデルには考慮されていないため、土壌有機炭素深度を正しく評価できていない可能性が考えられる。したがって、今後においては、火災に伴い変化する植生変化や土壌の熱および水文特性の変化のプロセスを加味したモデルの改良を検討することが重要である。なお、この実験で用いた $ Q_{10} $ の数値は $ Q_{10}=5.0 $ であった。そのため、1）と同様、土壌有機炭素深度の計算値はUAFサイトでの実測値を上回ることとなった。
図(3)-8 UAFサイトの火災頻度によるシミュレーション感度の実験結果。火災の頻度は150,200,250,250年周期にそれぞれ設定された。平衡状態に見ると、大きな差異は見られない。なお、本実験において、 $ Q_{10} $ の数値は5.0に設定された。

改良したPB-SDMを用いて、UAFおよびUTを対象として、各気象・土壌データを用いたシミュレーション実験が行われた。シミュレーション結果の検証から、PB-SDMは両サイトにおける土壌炭素蓄積過程を適切に再現した。また、2000年間のシミュレーションラン（スピンアップ）を行った後、温暖化影響の予測にむけた、温暖化予備実験を行った。

## 3 ）土壤炭素蓄積の再現性の検証

UAFサイトを想定した土壤有機炭素（SOC）蓄積量、土壤有機炭素深度のシミュレーションを行った。（図(3)-9）にはリター層および腐植層におけるSOCのシミュレーション結果を示した。パラメータ調整の結果、シミュレーションによって得られたUAFサイトの土壤炭素の蓄積量は26.5 kg C m^{-2}に達した（図(3)-9）。一方、実測によって得られた土壤炭素の蓄積量は25.1 kg C m^{-2}であった。両者の結果、実測値とシミュレーションで得られた結果は非常に近くなり、モデル計算が
適切に行われていることが示された。

図(3)-10(a)と(b)はそれぞれ、UAFサイトおよびUTサイトにおける有機物層の深さに関するシミュレーション結果を示した。シミュレーションの結果としてUAFサイトの土壤有機炭素の深さは27 cmに達した。UAFサイトで実測によって得られた土壤有機炭素の深さは29cmであった。これらの結果から、シミュレーションは現地における土壤炭素動態の振舞を再現できることが示された。

図(3)-9 UAFサイトにおけるリター層および腐植層における有機炭素蓄積量（SOC）に関するシミュレーションの結果。上図の黒線はリター層、赤線は土壌有機物層の腐植層の有機炭素（SOC）蓄積量を表す。下図の黒線はリター層と腐植層と総量を、赤点線は観測値を表す。
図(3)-10 UAF(a) と UT(b) サイトを想定した、有機物層の深さに関するシミュレーションの結果。黒線はシミュレーションの結果、赤点線は観測値を表す。

次に、UTサイトにおいても同様のシミュレーションが行われた(図(3)-4(b))。その結果、UTサイトの土壌有機炭素深は6.8 cmに達し、一方で実測値の土壌有機炭素深は7cmであった。この結果から、UTサイトにおいてもUAFサイト同様にシミュレーションは有機炭素深を良好に再現できた。

さらに、土壌炭素蓄積の特徴を再現するため$\Delta^{14}\mathrm{C}$の鉛直勾配に関するシミュレーション結果と観測結果を比較した。図(3)-11は、UAFサイトにおける有機物層の$\Delta^{14}\mathrm{C}$の分布を示す。観測値では深さ7 cmで542%と極大となり、核実験に由来するBomb-Cのピークを示した（図中の$\Delta^{14}\mathrm{C}$が最大値をとる箇所）。このBomb-Cのピークから深さ7 cm以上の炭素は1960年以降に蓄積されたと考えられる。改良前のモデルで得られたシミュレーションでは、Bomb-Cのピーク位置を的確に再現できていなかった。一方、今回の改良されたモデルによるシミュレーションの結果は観測データのBomb-Cのピークの位置をよく再現し、各層の炭素蓄積速度を良好に再現することができた。
図(3)-11 UAFサイトを想定した、改良前のモデル(a)と改良後のモデル(b)を用いて、$\Delta^{14}\mathrm{C}$ の鉛直勾配に関するシミュレーションの結果と観測値。は観測値、(a)黒線と(b)はシミュレ

4）温暖化影響評価にむけた予備数値実験の結果

気温上昇の影響を考量したシミュレーション実験

図(3)-12 気温が4.8℃を上昇させた後リター層

気温上昇による同対象域の土壌炭素動態に及ぼす影響を調べるため、2000年から2100年における100年間の間に気温を各年あたり0.048℃の上昇、すなわち100年間で4.8℃の上昇をモデルのインプットデータとして使用し、100年間の有機物層の炭素蓄積量、永久凍土深及びミネラル層の炭素
蓄積量に注目したシミュレーションを実施した。

図(3)-12は気温上昇する前の2000年と上昇後の2100年におけるリター層および腐植層の炭素蓄積量を示す。UAFサイトでは両年の差から、5 kg C m^{-2}の炭素がリター層と腐植層の中から放出されたことがわかった。一方、UTサイトではリター層と腐植層の中に蓄積した炭素の量は2 kg C m^{-2}のみが減少した。この違いはモデルで使用している活動層中の地温（Tsl）5℃以下でのQ10値が、北方林（18.9）よりもツンドラ（5.6）で大きく小さいことと関係しており、このことは北方林の活動層がツンドラに比べて温度に対する高い敏感性を有しているためと考えられる。

図(3)-13 気温が48℃を上昇させた後IIAF(a) ヒIT(b) サイド永久沖十深さの変化

また、気温の4.8℃上昇後、UAF (a) と UT (b) の両サイトで永久凍土深は深くなる傾向が見られた(図(3)-13)。UAF サイトでは2050年までの永久凍土深の変化はあまり見られなかった。その理由として、北方林では、熱伝導率が低い腐植層が厚く堆積しており、上昇した気温は永久凍土に対する影響が微小であったと考えられる。一方、腐植層が分解してなくなる部分は永久凍土の融解により深くなる部分とほぼ同じであると考えられる。ツンドラでは、腐植層が薄いため、上

Boreal forest (UAF)

図(3)-14 気温が4.8℃を上昇させた後UAF(a)とUT(b)サイトミネラル層の中の土壌炭素蓄
昇した気温は永久凍土の融解を促進するため、永久凍土深が段階的に深くなっていったものと判断される。さらに、新たに永久凍土を含むミネラル層の炭素動態プロセスを加えたことで、4.8℃の気温上昇後におけるミネラル層の炭素動態が見られる(図(3)-14)。UAF(a)とUT(b)サイトではミネラル層中に蓄積した炭素の量が気温の上昇と伴に減少する傾向が見られる。

火災の影響について

図(3)-15 UAFサイトミネラル層の中の土壌炭素蓄積量の経

年変化、赤線は強い火災、黒線は弱い火災の影響を表す。

ここでは自然火災が土壌炭素動態へ及ぼす影響を調べる予測実験の報告を行った。UAFサイトを想定した2500年のシミュレーションを行った。2000年以降、気温上昇に加えて100年に1度の頻度で火災を生じさせ、ミネラル層中の土壌炭素蓄積量にどのような影響を与えるかについて調べた。ここで、火災の強さを2段階に設定したシミュレーションを行い、強火災が起きた場合には1回において消失した炭素量を4.4 kg C m^{-2}、一方で、弱火災では2.2 kg C m^{-2}とした。

図(3)-15ではUAFサイトミネラル層の中の土壌炭素蓄積量の経年変化を示している。火災が強いとミネラル層の中に消失した炭素の量が増えていくが、弱火災では、火災直後にミネラル層の土壌炭素蓄積量は増える傾向が見られた。この違いの原因については未解明であり，今後の課題とする。

## （３）各種シナリオ下でのモデル計算の結果

## 1 ）永久凍土の変化

今シミュレーション結果から、シナリオRCP8.5の場合、アラスカフェアバンクスの気温が今世紀末までに現在の気温より15℃高くなるあることがわかった（図(3)-3）。そのため、2070年までに一部の永久凍土が溶け始める可能性がある（図(3)-16）。2130年までに地下2mまでの永久凍土はほぼ融解する可能性がある事がわかった（図(3)-16）。
図(3)-16 気候シナリオRCP8.5の気象データを用いたシミュレーションの結果。

ミネラル層各層の地温の経年変化。図中線は地温 $ 0^{\circ} $ C（273 K）を表す。

## 2 ）有機物層の土壌炭素蓄積量の変化

図(3)-17は2000年および2500年の各年時に有機物層に蓄積された土壌炭素量の差を示す。この図より、シナリオRCP2.6でリターの供給量（Npph）が0.31 kg C m^{-2} yr^{-1}の場合、有機物層は炭素の吸収源となるが、それ以外のケースでは有機物層は炭素の放出源になることがわかった。
(a) RCP2.6

(b) RCP4.5

(c) RCP6.0

(d) RCP8.5

図(3)-17 2000年と2500年有機物層の土壌炭素蓄積量の差。

A: $ Q_{10\ (\mathrm{Ts}<5^{\circ}\mathrm{C})}=9.0; Q_{10\ (\mathrm{Ts}>5^{\circ}\mathrm{C})}=2.9 $ ; B: $ Q_{10\ (\mathrm{Ts}<5^{\circ}\mathrm{C})}=5.3; Q_{10\ (\mathrm{Ts}>5^{\circ}\mathrm{C})}=2.2 $ ; C: $ Q_{10\ (\mathrm{Ts}<5^{\circ}\mathrm{C})}=2.0; Q_{10\ (\mathrm{Ts}>5^{\circ}\mathrm{C})}=2.0 $

## 3 ）ミネラル層の土壌炭素蓄積量の変化

図(3)-18には、2000年と2500年でのミネラル層の土壌炭素蓄積量の差を示す。ここでは、永久凍土が溶けた後にも、永久凍土中の土壌炭素分解係数kは変化しないとして計算をした。この計算のもとでは、土壌炭素蓄積量変化の絶対値は小さく、約+0.18～-0.93 Kg C m^{-2}であった。これは $ \Delta^{14}C $ のデータから推定された永久凍土の分解係数kは極めて小さいことによる。また、シナリオRCP2.6、永久凍土の温度依存性 $ Q_{10(\mathrm{Ts}<5^{\circ}\mathrm{C})}=2.0;Q_{10(\mathrm{Ts}>5^{\circ}\mathrm{C})}=2.0 $ の場合以外、ミネラル層は炭素の放出源になることがわかった。
(a) RCP2.6

(b) RCP4.5

(c) RCP6.0

(d) RCP8.5

図(3)-18 2000年と2500年のミネラル層の土壌炭素蓄積量の差。

ここで、永久凍土における土壌炭素分解係数値は永久凍土が融解しない以前の値と同様のものを扱う。A: $ Q_{10\ (\mathrm{Ts}<5^{\circ}\mathrm{C})}=9.0 $ ; $ Q_{10\ (\mathrm{Ts}>5^{\circ}\mathrm{C})}=2.9 $ ; B: $ Q_{10\ (\mathrm{Ts}<5^{\circ}\mathrm{C})}=5.3 $ ; $ Q_{10\ (\mathrm{Ts}>5^{\circ}\mathrm{C})}=2.2 $ ; C: $ Q_{10\ (\mathrm{Ts}<5^{\circ}\mathrm{C})}=2.0 $ ; $ Q_{10\ (\mathrm{Ts}>5^{\circ}\mathrm{C})}=2.0 $

一方、図(3)-19は永久凍土の土壌炭素分解係数 k を $ k_{t} $ にした場合の計算結果である。この計算結果より、全ての計算でミネラル層は炭素の放出源になった。シナリオRCP2.6とRCP4.5の場合、ミネラル層の炭素蓄積量はリター供給量の増加に伴い非線形的に変化した。この原因は、ミネラル層一番上の層の土壌水分の急激な変化が土壌炭素分解に影響を及ぼしたと考えられる。また、この図からミネラル層中に蓄積した炭素の量が気温の上昇とともに減少する傾向が見られる。さらに、 $ Q_{10} $ 値が小さいとミネラル層中に蓄積した炭素の量が更に減少する傾向が見られる。この現象はモデルで計算されたミネラル層の地温、排出量が少ないシナリオの場合ほぼ5℃以下であること
は原因だと考えられる。

(a) RCP2.6

(b) RCP4.5

(c) RCP6.0

(d) RCP8.5

図(3)-19 永久凍土が溶けた後の分解係数 k を有機物層の分解係数 K に変化した場合、2000年と比べ2500年ミネラル層の土壌炭素蓄積量の変化。

A: $ Q_{10\ (\mathrm{Ts}<5^{\circ}\mathrm{C})}=9.0; Q_{10\ (\mathrm{Ts}>5^{\circ}\mathrm{C})}=2.9 $ ; B: $ Q_{10\ (\mathrm{Ts}<5^{\circ}\mathrm{C})}=5.3; Q_{10\ (\mathrm{Ts}>5^{\circ}\mathrm{C})}=2.2 $ ; C: $ Q_{10\ (\mathrm{Ts}<5^{\circ}\mathrm{C})}=2.0; Q_{10\ (\mathrm{Ts}>5^{\circ}\mathrm{C})}=2.0 $

## 4 ）土壤炭素蓄積量の変化

図(3)-20は、永久凍土が溶けた後の分解係数 k が変化しない場合、また図(3)-21は、土壌分解係数 $ k_{t} $ に変化した場合の2000年と比べ2500年の3 m までの土壌炭素蓄積量の差を表す。これらの図から、2500年までにアラスカの北方林の土壌炭素蓄積量は約 +4.8 ～ -57.4 Kg C m^{-2} の変化が予測されることがわかった。

本研究では、アラスカ北極域の二つの代表的な植生地を対象に、土壌炭素動態モデルを用いた
数値解析を実施し、特にミネラル層及び土壌炭素分解プロセスを陽に取り扱うようにした。このことにより従来のモデルでは解決できなかった土壌有機炭素の分解プロセスの観測結果を良好に再現することが出来るようになり、 $ Q_{10} $ の取り扱いが土壌炭素動態を考える上で重要であることが示唆された。

(a) RCP2.6

(b) RCP4.5

(c) RCP6.0

(d) RCP8.5

図(3)-20 永久凍土を溶けた後の分解係数 k を変化しない場合、2000年と比べ2500年土壌炭素蓄積量の変化。

A: $ Q_{10\ (\mathrm{Ts}<5^{\circ}\mathrm{C})}=9.0; Q_{10\ (\mathrm{Ts}>5^{\circ}\mathrm{C})}=2.9 $ ; B: $ Q_{10\ (\mathrm{Ts}<5^{\circ}\mathrm{C})}=5.3; Q_{10\ (\mathrm{Ts}>5^{\circ}\mathrm{C})}=2.2 $ ; C: $ Q_{10\ (\mathrm{Ts}<5^{\circ}\mathrm{C})}=2.0; Q_{10\ (\mathrm{Ts}>5^{\circ}\mathrm{C})}=2.0 $
(a) RCP2.6

(b) RCP4.5

(c) RCP6.0

(d) RCP8.5

図(3)-21 永久凍土を溶けた後の分解係数 k を有機物層の分解係数 k に変化した場合、2000年と比べ2500年土壌炭素蓄積量の変化。

A: $ Q_{10\ (\mathrm{Ts}<5^{\circ}\mathrm{C})}=9.0; Q_{10\ (\mathrm{Ts}>5^{\circ}\mathrm{C})}=2.9 $ ; B: $ Q_{10\ (\mathrm{Ts}<5^{\circ}\mathrm{C})}=5.3; Q_{10\ (\mathrm{Ts}>5^{\circ}\mathrm{C})}=2.2 $ ; C: $ Q_{10\ (\mathrm{Ts}<5^{\circ}\mathrm{C})}=2.0; Q_{10\ (\mathrm{Ts}>5^{\circ}\mathrm{C})}=2.0 $

## 5 ．本研究により得られた成果

## （1） 科学的意義

北極域の土壌有機物分解は、今後の地球温暖化を加速するおそれがある。その将来予測のための既往の数値モデル計算では、北極域内の生態系の違いが考慮されていない。このため、北極域の土壌有機物分解の正確な評価ができていない。衛星と地上の観測データに基づいて、北極域内の生態系の違いを考慮した実効性のある生態系土壌有機物分解モデルを開発し、その技術を提示した。新たに開発した生態系土壌有機物分解モデルにより、将来の北極域土壌有機物分解とその
地球温暖化への影響の予測を行うことができた。

## （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＞

RCP2.6（低位安定化シナリオ）の場合、2100年までにツンドラで1kgC/m²、北方森林で2.5kgC/m²の二酸化炭素の放出が予測される。北極域全体でこの放出が起こるとすると、これまでに人為起源で放出された二酸化炭素の10%になる。原野・森林火災の増加の評価によってはもっと大きくなる。北極域の土や植物は温暖化を加速すると言える。これまでの全球気候モデルでは、この温暖化の加速は過小評価されている。環境政策において、一層の温暖化緩和のための技術開発が必要であることを示した。この予測には、IPCC AR5の温室効果ガス放出のシナリオに基づいており、地球温暖化の軽減のための政策オプションを含めることができる。国際的な二酸化炭素放出の抑制対策や原野・森林火災抑制対策の実効性を予測することができる。このような知見と予測技術は、地球温暖化対策の提言に寄与する。

## 6 ．国際共同研究等の状況

米国アラスカ大学国際北極圈研究センターのLarry D. Hinzman所長、Kenji Yoshikawa教授、Go Iwahana研究員との共同研究として行った野外観測の成果を用いて解析した。アラスカ大学国際北極圈研究センターは、北極域の環境変化の野外観測研究に大きな蓄積がある。

## 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) Wang X., Yokozawa M., Arakida H., Mori K., Ise T., Kondo M., Uchida M., Kushida K., Toda M. (2014) “Simulating effects of fire disturbance on soil carbon dynamics in black spruce forests of Alaska.” The 6th EAFES (East Asian Federation of Ecological Societies) Congress (Haikou, China April 2014)

2) Wang X., Yokozawa M., Arakida H., Mori K., Ise T., Kondo M., Uchida M., Kushida K., Toda M. (2014) “Simulating the role of fire on the soil carbon storage of boreal forest and tundra ecosystems in Alaska.” Japan Geoscience Union Meeting 2014 日本地球惑星科学連会 (Yokohama, Japan April-May 2014)