Silviase/jgov_v1.4_full_ann huggingface dataset:
11) Tayasu, N. Ohkouchi, C. Schubert and M. McCarthy: ASLO Aquatic sciences meeting, Otsu, Japan, 2012 (2012)

“SS42: New frontiers of isotope tools for biogeochemistry, ecology and environmental sciences” (Organizer)

12) Tayasu, N. Okuda, N. Tokuchi, N. Ohte and M. Kondoh: ASLO Aquatic sciences meeting, Otsu, Japan, 2012 (2012)

“Multiple isotope approach for studying material flow and food web structures of stream ecosystems in Lake Biwa watershed”

15）石川尚人、内田昌男、柴田康行、陀安一郎：日本陸水学会 第77回大会（2012）「放射性炭素14天然存在比を用いた陸水生態系の解析手法」

16）加藤義和、石川尚人、富樫博幸、吉村真由美、由水千景、奥田昇、陀安一郎：日本陸水学会第77回大会（2012）

「アミノ酸の窒素安定同位体比を用いた琵琶湖流域の食物網解析」

18）陀安一郎：第2回同位体環境学シンポジウム(2013)「同位体生態学の進展と生物多様性研究」

19）石川尚人、加藤義和、富樫博幸、吉村真由美、由水千景、奥田昇、陀安一郎：日本生態学会第60回大会(2013)

「河川複雑系食物網の高精度解析 〜アミノ酸窒素安定同位体比からのアプローチ〜」

20）加藤義和、石川尚人、富樫博幸、由水千景、陀安一郎、奥田昇：日本生態学会第60回大会(2013)「アミノ酸の窒素安定同位体比を用いた琵琶湖産魚類の栄養段階推定」

21） 富樫博幸、加藤義和、石川尚人、尾坂兼一、吉村真由美、由水千景、徳地直子、陀安一郎、大手信人：日本生態学会第60回大会(2013)

「ミカン畑と魚類をつなぐ硝酸：土地利用が河川生態系へ及ぼす影響に関する安定同位体解析」

23）富樫博幸、加藤義和、石川尚人、吉村真由美、徳地直子、大手信人、由水千景、陀安一郎：第124回日本森林学会大会(2013)

「森林施業が河川生態系へ及ぼす長期的影響とその解明：安定同位体比を利用して」

24) N. Tokuchi, H. Togashi, N. Ohte, M. Yoshimura, Y. Kato and N. Ishikawa: US–Japan Joint Seminar on Responses of Catchment Hydrology and Forest Biogeochemistry to Climatic and Environmental Change (2013)

“Interecosystem connection between forest and river: Nutrient linkages”

25）陀安一郎：日本地球惑星科学連合2013年大会（2013）

「生物の同位体比から得られる生態系・生物多様性情報について」

26）石川尚人、加藤義和、富樫博幸、吉村真由美、由水千景、奥田昇、陀安一郎：日本地球惑星科学連合2013年大会（2013）

「アミノ酸窒素安定同位体比を用いた河川食物網解析」

27）舞木昭彦、近藤倫生：第23回日本数理生物学会大会（2013）「3種の種間相互作用タイプが共存する生物群集の安定性」

28）奥田昇：第78回日本陸水学会（2013）

「大津臨湖実験所の遺産：生物標本が語る琵琶湖100年史」In：公開シンポジウム「湖沼の長期モニタリングを考える：京大・大津臨湖創設から100年を経て」

29）加藤義和、石川尚人、富樫博幸、由水千景、奥田昇、陀安一郎：第78回日本陸水学会（2013）「琵琶湖集水域のヨシノボリ属におけるアミノ酸窒素安定同位体比の流程変化」

30）石川尚人、富樫博幸、加藤義和、吉村真由美、徳地直子、陀安一郎：第78回日本陸水学会（2013）「スギ人工林の伐採施業が渓流生態系を流れる炭素の $ ^{14} $ C年代に及ぼす影響」
31）奥田昇：第46回日本魚類学会(2013)

「標本が拓く魚類学の無限の可能性：琵琶湖の過去・現在・未来」In:セッション「日本の古代湖・琵琶湖における魚類進化と生態研究の現在とこれから」

32）酒井陽一郎、武山智博、苅部甚一、陀安一郎、奥田昇：第46回日本魚類学会（2013）

「安定同位体比から見た琵琶湖産アユの回遊行動多型」In:セッション「日本の古代湖・琵琶湖における魚類進化と生態研究の現在とこれから」

33) M. Kondoh、A. Mougi：第29回個体群生態学会大会（2013)

“What generates the stabilising effect of interaction-type diversity in ecological communities?”

34) M. Kondoh: Food Webs 2013: Science with Impact, Giessen, Germany (2013)

“Interaction-type diversity and complexity-stability relationship of community network”

36) T. Egusa, N. Ohte, T. Oda and M. Suzuki: American Geophysical Union, Fall meeting, Hydrology Section (2013)

“Spatial organization of stream water discharge and chemistry in forested headwaters”

37）陀安一郎：第3回同位体環境学シンポジウム(2013)「同位体手法を用いた食物網研究の現状と展望」

39) I. Tayasu: 日本生態学会第61回大会 (2014)

“Isotope tools: new directions”

40) N. Ohte : 日本生態学会第61回大会 (2014)

“How does anthropogenic nitrogen input affect the nutrient dynamics and food web structures? : Revealed by transect surveys of nitrate isotopes”

### 7. 研究者略壓

課題代表者:陀安一郎

京都大学理学部卒業、博士（理学）、現在、京都大学生態学研究センター准教授

研究分担者

(1) 德地 直子

京都大学農学部卒業、博士（農学）、現在、京都大学フィールド科学教育研究センター教授

（2）大手 信人

京都大学農学部卒業、博士（農学）、現在、東京大学大学院農学生命科学研究科准教授

(3) 1): 陀安 一郎 （同上）

2): 奥田 昇

東京理科大学理工学部卒業、博士（理学）、現在、京都大学生態学研究センター准教授

## (4) : 近藤 倫生

京都大学理学部卒業、博士（理学）、現在、龍谷大学理工学部教授
## 4 D-1102 生物多様性の機能評価のための安定同位体指標に関する研究

## （１）森林生態系管理が河川生態系に及ぼす影響の研究

京都大学フィールド科学教育研究センター 徳地直子

<研究協力者>

京都大学フィールド科学教育研究センター 神松幸弘（平成25年度）

(独)水産総合研究センター東北区水産研究所

(独)森林総合研究所関西支所 吉村真由美

平成23～25年度累計予算額：32,487千円（うち、平成25年度予算額：10,101千円）

予算額は、間接経費を含む。

## [要旨]

京都大学和歌山研究林および護摩壇山試験地において、伐採直後（3年）から成熟期（90年以上）にいたる森林生態系の管理と河川生態系および生物多様性の関係を調べた。森林の成熟に伴い林床の光量は低下した。河川水の硝酸態窒素（$\mathrm{NO}_{3}^{-}$）濃度は伐採後急速に上昇し、5-6年後に最高値を示し、その後15年程度で伐採前の水準に回復した。また溶存炭素濃度は林齢に伴う明らかな傾向はなかったが、溶存窒素濃度は伐採後濃度が上昇し、20年程度で伐採前にもどる$\mathrm{NO}_{3}^{-}$と同様の変動がみられた。水生生物は、6目20科9属の計35分類群を確認した。摂食機能群別に出現量をみると、若齢林では刈取食者が卓越し、高齢林では対照的に破碎食者が増加した。また、水生生物の生体（バルク）炭素安定同位体比（$\delta^{13}\mathrm{C}$）は、成熟林になるほど低下し、リターの$\delta^{13}\mathrm{C}$に近い値を示した。これらの結果から、河川生態系は森林の若齢期は付着藻類を起点とする食物網が形成され、成熟林では陸上資源に強く依存すると考えられた。しかし、付着藻類の$\delta^{13}\mathrm{C}$は、森林の林齢と負の相関を示し、照度と正の相関を示した。したがって、藻類の$\delta^{13}\mathrm{C}$の変化は光条件に応じた同化速度の変化による可能性もあり、成熟林の食物網の起点が水域と陸上のどちらにより依存していたのか判別は困難である。そこで生体内アミノ酸の窒素安定同位体比（$\delta^{15}\mathrm{N}_{\mathrm{Glu}}$および$\delta^{15}\mathrm{N}_{\mathrm{Phe}}$）を分析し、各分類群の水域と陸上起源の有機物の依存度や栄養段階を推定できる可能性を示した。また、Shannon-Wienerの多様度指数（$H'$）を用いて、分類群と摂食機能群のそれぞれの多様度を林齢間で比較した。分類群の多様性は、林齢が上がるに連れて緩やかな減少が見られた。さらに、摂食機能群でみた多様度は、森林成立の中間段階にあたる23年生で最も低くなった。これは、この林齢で河床攪乱を受け、その後の回復していない分類群がいるためと考えられた。$\delta^{15}\mathrm{N}$から推定したカワグラの栄養段階は23年生林で最も高く、餌不足による共食いが起こったと考えられ、森林の発達段階で生じる攪乱が生態系機能変化に波及する可能性が示唆された。

[キーワード]

河川生態系、食物網、森林生態管理、摂食機能群、林齡
### 1. はじめに

森林と河川のように異なる生態系が接する境界領域では、二つの生態系が相互に連閉し密接に結びつけられる $ ^{1} $ 。そのため一方の生態系に引き起こされる機能や構造の変化は他方の生態系に波及する。たとえば、森林の発達は光環境を変化させ、河川の一次生産に影響を及ぼす $ ^{2} $ 。また河川に供給される落枝や落葉（リター）は、河川生物にとって重要な資源であり、種数や生物量を制限する主な要因となる $ ^{3} $ 。また、森林の植生変化は土壌の物質循環機構を通じて水質に影響を及ぼす $ ^{4} $ 。さらに、食物網を介した物質やエネルギーの輸送は、双方の生態系の生産性や多様性に影響する $ ^{5} $ 。このように森林生態系の変化は、林内を流れる河川生態系にさまざまな影響を及ぼす。

日本の国土の66％は森林が占め、そのうちの約4割は人工林であり、残る6割もかつては薪炭林として利用されてきた二次林がほとんどを占める $ ^{6} $ 。伐採などの施業やその後の森林の回復過程は、光環境を大きく変える他、河川に流出する水の水質や水量に影響を及ぼす。つまり河川水に含まれる溶存物質の濃度や量は、森林生態系の状態を反映する指標とみなすことができる。一般に、日本では急峻な地形が多く、世界的にも多雨な地域が多い。斜面地に作られた人工林では、降雨などにより地滑り、土砂流出といった攪乱に見舞われることが多い。土砂流出の発生頻度は植生の土壤中の根による緊縛度と関係することから $ ^{7} $ 、森林の発達段階は重要な発生要因となる。以上のように、人工林において伐採やその後の成立過程は、河川生態系の生物多様性および機能に強く影響を及ぼす可能性が高い。もし、そうであるならば、国内の河川環境における生物多様性の保全を考える上で、森林生態系の管理は極めて重要なものと言える。

森林伐採が河川に及ぼす影響について調べた先行研究は、アメリカのHubbard Brook森林試験流域で行われた事例が有名である $ ^{8} $ 。そこでは森林を皆伐した流域と手を加えなかった流域とで対照実験が行われ、皆伐した流域は、手を加えなかった流域に対して硝酸態窒素の濃度の上昇が見られることを示している。伐採による河川水質への影響は、国内でも滋賀県朽木村 $ ^{9} $ や本調查地 $ ^{4} $ で行われ、同様に硝酸態窒素の上昇が認められている。窒素流出のメカニズムは、伐採が起こると、それまで植物に吸収されていたアンモニアを主とする養分物質が余剰となり、土壌微生物が消費するも、消費つくされない余剰分が硝化され、土壌中から流出するものと考えられている $ ^{4,10} $ 。伐採が物質循環に及ぼす効果に関する研究は、伐採後短期間の影響を観測することは比較的容易であるが、森林の寿命は長いため、成立過程を追跡するには非常に長い年数が必要になる。また、伐採の効果を観測するためには、それ以外の環境条件が均質である同一地域で行うことが理想的であるが、きびしい条件に見合う調査地を設けることは難しい。これに対して、本研究の調査地は、深いV字谷を刻む長い峰に魚骨状の谷川が並ぶ特殊な地形にあり、各谷川の集水域を単位とし「輪伐」という形態で林業が営まれてきた場所にある。伐採年以外の環境条件がほぼ同じであることから、伐採直後から成熟にいたるまでの森林について、ほぼ林齢のみを要因として抽出することができる $ ^{4} $ 。

これまでの研究では主に森林伐採と流出する河川水質との関連に焦点が当てられてきた。しかし、森林伐採が周辺環境にどのような影響を及ぼすか明らかにしていくためには、森林伐採による光環境および水質への影響が、その後さらに河川生態系の構造や機能にどのように波及効果を与えるのかを調査する必要がある。そこで、本研究では、森林伐採とその後の成立が河川生態系にどのような影響を与えるかを明らかにするため、林齢ごとの河川水質と河川生物相と食物網構造に注目し調査した。
## 2 ．研究開発目的

サブテーマ（1）は、本研究課題の目的の一つである、「最新の安定同位体研究手法の生物多様性観測への適用」に関するケーススタディーと位置づけられる。具体的には、森林の成立過程に伴う河川生物群集の食物網構造の変化を炭素および窒素安定同位体分析により把握し、森林管理が、河川生態系の機能や生物多様性に及ぼす影響について明らかにする。

森林を流れる河川の生態系では、藻類など河川内の植物が食物網の起点となると同時に、リターなど陸上で生産される有機物も食物網を支える重要な資源となる。伐採直後から森林が成熟する過程では、樹木の成長に伴って光が遮られ河川への光量は減少する一方で、リターなどの陸上起源の有機物の供給が増加する。そのため、森林内における河川群集も、森林の発達段階初期には藻類を摂食する生物が優占するが、森林が成立してくると、リターを摂食する生物が卓越することによって、系外の資源に依存するといった食物網構造の変化が予想される。京都大学和歌山研究林およびその周辺（護摩壇山試験地）は、集水域単位で森林が管理され、さらに地形や地質、植生など環境要因がほぼ一様で、発達段階のみ異なる森林が連なっていることから、森林管理による生物群集への影響応答を時間軸に基づいて解明できるモデルフィールドといえる。

これまで、食物網構造の解析を目的とした炭素および窒素安定同位体分析は生体のバルク（組織や全体）を用いた分析が主流であった。しかし、植物の炭素同位体比は、光合成による同化速度などによって大きく変動することから、河川群集のように食物網の起点に河川内と陸上と双方を起点に持ち複雑に混ざり合う場合には、餌となる食物起源を推定することが困難な場合も多かった。サブテーマ（3）の研究目的の一つである河川食物網解析へのアミノ酸窒素安定同位体比の応用は、これまで困難であった河川における二つの食物起源を分離し、食物網構造の詳細な推定が出来る可能性が高く本研究にも応用する。

### 3. 研究開発方法

## (1) 調查地

調査は、紀伊山地の中央に位置する、京都大学和歌山研究林（北緯34°03′43.6″:東経135°30′56.5″）および護摩壇山試験地で行った。護摩壇山試験地は、十津川水系の神納川の浸食によって形成された急峻なV字谷の尾根斜面にある。斜面には、尾根と垂直に魚骨状に幾筋も谷が刻まれ渓流が流れている(図(1)-1)。調査地の大部分はスギ（Cryptomeria japonica）が植林されている。森林の伐採から植林、間伐といった一連の施業・管理は、谷ごとの集水域を一つの単位として行われている。調査地点は伐採から数えて異なる林齢を持つ地点を以下のように選択した。S34（3年目：2011年を起点に数え多年数、以下同様）、S16（12年目）、S12（23年目）、S5（38年目）、S20（49年目）、および上ウレビ（90年生以上）の6個所を設置した(図(1)-2)。なお、上ウレビは、モミ(Abies firma)およびツガ(Tsuga sieboldii)の優占する手つかずの天然生林であり、植林地の対照区として選定した。
図(1)-1 護摩檀山試験地の景観。

図(1)-2 護摩檀山試験地の位置と採集地点。なお、上ウレビ（90年生以上）は、隣接する京都大学和歌山研究林内に設置している。

## （２）水質および光環境の調査

6地点の河川水は、2011年から2013年までほぼ月1回の頻度で採集した。実験室に持ち帰った試料水はイオンクロマトグラフィーにより硝酸態窒素濃度を測定した。伐採で供給された多量の枝条からは、分解に伴い多様な有機物が供給されると考えられるため、それらを含む河川水中の溶存炭素濃度・溶存窒素濃度は680℃燃焼触媒酸化方式分析器(TOC-L:島津製作所)にて測定を行った。光環境については、各林齢に照度計を3つずつ設置し、2012年5月1日から8月21日まで観測し、その平均照度を求めた。
## （３）水生生物の採集および測定

水生生物の採集は、2011年10月24-26日（秋）、12月19-21日（冬）、2012年6月11-13日（春）、および8月19-21日（夏）の4つの季節に実施した。河床にある礫を3つ採取し、石表面に付着した藻類をブランではぎ取り試料瓶に詰めて実験室に持ち帰ったのち、凍結乾燥機で乾燥した。リターは、2011年10月24-26日（秋）、12月19-21日（冬）の2つの季節において調査地点の川から3カ所選び採取し、実験室で凍結乾燥機を用いて乾燥した。水生動物はコドラート付きサーバーネット(25cm×25cm)を用いて定量的に採集を行った。各地点につき3個所選び、繰り返し採集を行った。捕らえた生物は、現場で同定可能な階級まで分類（以下、分類群とする）し、個体数を記録した。また、水生生物の形態や摂食行動から、5つの摂食機能群に分類した。すなわち、1）捕食者：主に肉食する大型のカワグラの仲間など。藻類やデトライタスなども食べる。2）濾過食者：水中にアミを張るなどして流下する有機物を捉えて食べる。潜在的な雑食。シマトビケラ、ヒゲナガカワトビケラなど。3）採集食者：河床の有機物を拾って食べる。潜在的な雑食。モンカゲロウ、ユスリカなど。4）破砕食者：主に落ち葉を食べる。ヨコエビ、カクツツトビケラなど。5）刈取食者：主に礫上の藻類を食べる。ヒラタカゲロウ、コカゲロウなどである。採集した生物は、実験室へ持ち帰り凍結乾燥器で乾燥後に乾燥重量を測定し、面積あたりの重量を算出した。

## （４）水生生物の炭素および窒素安定同位体の分析

河川生態系の食物網構造を推定するため、薬類、リターおよび各分類群にまとめた水生生物は、乾燥した後に粉砕し、バルク（組織や全体）試料により炭素および窒素安定同位体比（$\delta^{13}\mathrm{C}$と$\delta^{15}\mathrm{N}$）を求めた。

バルクδ¹³Cは、水中の植物と陸上の植物で一般に値が異なることから、食物網の起点を推定する指標とされる。また、δ¹⁵Nは栄養段階が一段上がるごとに約3.4‰上昇する経験則をもとに栄養段階を推定する指標とされ、δ¹³C-δ¹⁵Nマップ上に試料から得た各分類群のδ¹³Cおよびδ¹⁵Nをプロットすることで、食物網構造の推定が試みられる。しかし、河川生態系では、藻類など水生植物による河川内での生産に加え、リターなど系外で生産された有機物の流入が起こるため食物網は複雑である。さらに水中植物のδ¹³Cは光合成活性や水中の炭酸ガスのδ¹³Cなどの環境要因によって値が大きく変動し、陸上起源植物の値と重なる場合も珍しくない¹¹。水中の植物と陸上の植物ではδ¹⁵Nも異なることから、どちらの植物起源により依存するか分からなければ栄養段階の推定も難しくなる。このような問題点を克服するため、ガスクロマトグラフィー／燃焼／同位体質量分析計（GC/C/IRMS）によって、動物のアミノ酸窒素安定同位体比を用いた分析が開発されている。20種ほどあるアミノ酸の中には、動物が捕食する過程でδ¹⁵Nが大きく上昇するアミノ酸とほとんど変化しないアミノ酸が存在する。たとえば、グルタミン酸のδ¹⁵Nは約8.0‰の上昇する一方で、フェニルアラニンのδ¹⁵Nは0.4‰程度しか上昇しない。このことに着目し、動物の栄養段階を推定する式が以下のように決定されている。

$$ \left[ 栄養 段階 =TP\right]=\left(\delta^{15}N_{Glu}-\delta^{15}N_{Phe}+\beta\right)/\left(8.0-0.4\right)+1 $$

[式(1)-1]

ここで、TPは栄養段階（または栄養位置）、$\delta^{15}N_{\mathrm{Glu}}\cdot\delta^{15}N_{\mathrm{Phe}}$ はそれぞれグルタミン酸・フェニルアラニンの窒素安定同位体比、βは一次生産者のフェニルアラニン・グルタミン酸同位体比の差を表
す。βは水域生産者で-3.4‰，陸上C3植物で+8.4‰、陸上C4植物で-0.4‰と見積もられている $ ^{12,13)} $ 。そこで、本研究では一部の分類群について、GC/C/IRMSを用いたアミノ酸の窒素同位体比分析を行い、各摂食機能群のTPの推定を試みた。

（５）森林の成立の伴う河川生態系における生産構造および生物多様性への影響に関する検討

森林の伐採から回復に向かう過程では、河川生態系において生物相や生物量の変化が生じ、その結果として生産構造や機能を変化させることが予想される。ただし、複雑な食物網構造の記載だけでは、物質やエネルギーの流れが生態系の生産性あるいは安定性といった機能的特性を理解する指標にはならない。そこで、サブテーマ（４）で提案されている食物網の物質フローネットワークにネットワークアンフォールディングの手法を適用することによって、各分類群のバイオマスを各栄養段階に分配し、食物網を食物連鎖へ変換することを試みた。すなわち、各地点における各分類群をバルク試料のδ¹³Cおよびδ¹⁵Nを元に、１）各分類群のTPを算出（サブテーマ（３）の手法を参照）し、２）各分類群は２つの栄養段階にまたがると仮定し、TPの値からバイオマスで重みづけし振り分けた。この手法を用いることで各地点の食物網について栄養ピラミッドを描くことができる。さらに、生物多様性の複雑性を示す以下の３つの指標を得ることができる。１）栄養段階あたりの分類群の多様性（D_{H}）、２）１分類群が属する栄養段階の多様性（D_{V}）、３）栄養段階の数の多様性（D_{C}）。食物網フローネットワークのアンフォールディングの理論や手法の詳細については、サブテーマ（４）の項目を参照されたい。

## 4 ．結果及び考察

## （１）森林施業への河川水質の応答

図(1)-3 森林管理（皆伐）後の河川水中の硝酸態窒素濃度の変化。2011年から2013年までの調査データに福島・徳地 $ ^{4} $ およびFukushima et al $ ^{10} $ の同一地点データを加え、植栽年度の異なる集水域を植栽後の年数で整理した。
森林管理後、河川水中の硝酸態窒素（$\mathrm{NO}_{3}^{-}$）濃度は急速に上昇し、5-6年後に最高濃度に達した。その後低下し、管理後15年程度で伐採前の水準に回復した(図(1)-3)。森林管理によって河川水の$\mathrm{NO}_{3}^{-}$濃度が上昇することはよく知られており$^{8),14}$、皆伐によって上昇した$\mathrm{NO}_{3}^{-}$濃度が植生の回復に伴って低下することもよくみられ$^{15)}$、本試験の結果とも一致した。さらに、本試験地では1998年から河川水質のモニタリングが続けられており、これまでみられた伐採への応答とも一致していた。これらのことより、本試験地においても森林管理は河川水質の$\mathrm{NO}_{3}^{-}$濃度に影響を及ぼし、その結果は数年間続くこと、植生の回復に従って$\mathrm{NO}_{3}^{-}$濃度への影響は小さくなることが確認された。

伐採で供給された多量の枝条からは、分解に伴い多様な有機物が供給されると考えられるため、それらを含む河川水中の溶存炭素濃度・溶存窒素濃度の測定を行った。河川水中の溶存炭素濃度には森林管理に伴う傾向は明らかでなかった（図(1)-4）。一方、溶存窒素濃度（TDN）および有機窒素濃度（TON）は森林管理後に濃度が上昇し、20年程度で伐採前にもどるという$\mathrm{NO}_{3}^{-}$の場合と同様の変動がみられた（図(1)-5）。溶存態窒素のほとんどを$\mathrm{NO}_{3}^{-}$が占めているということもあるが、溶存有機態窒素も伐採後に高まる様子がみられた。つまり、森林管理直後はC/N比の低いものが流出するのに対して、森林管理から時間が経つとC/N比の高いもののみとなった。このことは、森林管理によって河川に流出してくる有機物の質が変化することを示しており、河川の水生生物の餌資源の供給として森林管理が重要であることが示唆された。

図(1)-4 2011-13年の河川水中の溶存炭素濃度の森林管理からの時間変化
図(1)-5 2011-13年の河川水中の溶存窒素濃度（TDN）および有機窒素濃度（TON）の森林管理からの時間変化

## （２）光環境の経時的変化

2012年5月から8月までの平均照度は、林齢と有為な負の相関を示した $ \left(\mathrm{R}^{2}=0.71,\mathrm{p}=0.02:\right. $ 図(1)-6)。これは、森林の成長とともに林冠が遮蔽し、開空度を下げるためと考えられる。本調査地では、30年生で約30％の間伐を行うが、それでも残された木の枝葉が伸長し、90年生以上の森林では、皆伐時の約1割程度まで林床部の光は減少する。

図(1)-6 林齢と林床における照度（Lux）の関係。図中の中抜き四角および誤差線は、2012年5月1日から8月21日までの各林齢の平均値と標準偏差をそれぞれ示す。
## （３）水生生物の生物量および種構成

本調查地に生息していた水生昆虫は、6目20科9属の計35分類であった。調査した6地点すべてに出現したのはサワガニ（採集食者）で、次いでガガンボ科とコカゲロウ科（共に採集食者）が多く見られた。これらの出現種・個体数密度は、同地域の水生生物群集を調べた先行研究 $ ^{16)} $ の結果とほぼ同じであった。水生生物を摂食機能群ごとに集計した現存量は、林齢および季節で異なっていた（図(1)-7）。破砕食者は、林齢によって現存量に違いが有為にみられ（p<0.001;表(1)-1）、かつその差には季節的な変化がみられた（p<0.01;表(1)-1）。とくに成熟林では破砕食者に属するヨコエビが優占していた。成熟林では、ヨコエビの餌となるリター供給量が増えたことが考えられる。一方、藻類を摂食する刈取食者は、一年を通じてみると、若齢林で多く見られた（図(1)-8）ものの同一地点における季節的な変動が大きく、林齢間で有為な差はみられなかった（p>0.05;表(1)-1）。ただし、林齢ごとの季節的な変化は有為に違いがみられ（p<0.05;表(1)-1）、卓越する季節は林齢によって異なるが、90年生以上の成熟林に少なく比較的若い森林に多く出現した（図(1)-7）。この傾向は、捕食者も同様であった（表(1)-1）。刈取食者と捕食者は匍匐型の移動形態をとり $ ^{17)} $ 、攪乱などの回復過程が似ているのかもしれない。また、採集食者は、季節において有為な差が有り（p<0.01;表(1)-1）、季節間の違いは、林齢によって異なった（p<0.05;表(1)-1）。これは、比較的小さなコカゲロウなどのように河川内で季節的な消長を示す種がこの機能群に属する一方で、サワガニなどのように一年中水中生活をする生物もこの分類群に含まれており、それらの林齢での出現傾向が異なるためと考えられる。すなわち、全体的にコカゲロウ類は生息するものの、サワガニの現存量は、成熟林で多く、その他の林齢と異なる季節的パターンを示した（図(1)-7）。濾過食者は、他の機能群とは、特異な傾向を示した。現存量の違いは、林齢のみで有為に異なり（p<0.05;表(1)-1）、23年生でその出現量が少なかった。2011年9月2日から4日にかけて日本に接近した台風12号は、調査地付近も高い降雨量を観測した。72時間の総雨量は、護摩檀山761mm、龍神1012mm、清水531mmであった $ ^{18)} $ 。23年生の森林では10月の生物量は全体的に低下した。固着性の濾過食者はその後も回復が遅れた可能性を示唆するものと考えられる（図(1)-7,8）。

表(1)-1 二元配置ネスト分散分析の結果。

捕食者	采集食者	濾過食者	破碎食者	刈取食者
Source of variation	d.f.	F-ratio	p-varue	F-ratio	p-varue	F-ratio	p-varue	F-ratio	p-varue	F-ratio	p-varue
Site	5	1.19	-	1.35	-	2.35	*	6.06	***	1.39	-
Season	3	2.41	-	5.51	**	2.14	-	2.6	-	1.23	-
Site x Season	15	2.02	*	2.09	*	1.06	-	1.03	-	2.11	*
Site [Season]	20	1.84	*	1.93	*	1.28	-	2.53	**	1.96	*

The symbol $ (-) $ denotes nonsignificant p-varue. $ *p<0.05 $ $ **p<0.01 $ $ * $ *p<0.001 $ .
図(1)-7 季節別にみた水生生物（摂食機能群ごと）の現存量と林齢の関係。

図(1)-8　一年間の水生生物（摂食機能群ごと）の現存量（平均）と林齢の関係。
図(1)-9 水生生物における生体バルク炭素（横軸）および窒素（縦軸）安定同位体比マップ。左は、2011年10月を右は、2011年12月を示す。上から3年、12年、23年、38年、49年および90年以上の森林を表す。
## （４）安定同位体分析の結果

バルク炭素・窒素安定同位体比分析により得られた食物網構造を図(1)-9に示した。水生生物の炭素同位体比（$\delta^{13}\mathrm{C}$）は、総じて林齢が増すにつれて低い値を示した。このことは、群集全体の食物網の起点となる炭素源が、伐採からの時系列にともなって水域から陸域へ変化していくようにみられる。しかし、これらの現象は河川生態学において開空度（光環境）によって議論されている$^{2),19}$。一般に河川では、上流ほど樹冠が閉鎖され水中への光照射量が減少するため、河川内部の生産性は低くなる。そのため、上流ほど陸上で生産される系外資源に依存する割合が多くなる。本調查地においても、森林が成熟するにつれ樹冠の開空度は減少し、光照射量が減少していたことから食物網の起点が内部生産から外部生産へシフトしたと考えることはできる（図(1)-10）。ただし、光量の低下による、藻類の同化効率の低下は藻類自体の$\delta^{13}\mathrm{C}$の低下を引き起こす$^{20}$。したがって、生物群集全体の炭素安定同位体比が低下したことについて、食物網の起点がシフトしたことと、付着藻類の炭素安定同位体比が低下したことは同時に引き起こされる可能性があり、バルク安定同位体の分析からは両者の効果を分離して議論することは困難である。

図(1)-10 2011年10月、12月における付着藻類およびリターの炭素安定同位体比（$\delta^{13}\mathrm{C}$）と林齢の関係。回帰直線は、付着藻類の$\delta^{13}\mathrm{C}$と林齢の関係を示す。回帰直線は2つの季節（10月および12月）をプールした。

そこで、水生生物のアミノ酸の窒素安定同位体比を分析し、得られた値を$\delta^{15}\mathrm{N}_{\mathrm{Glu}}-\delta^{15}\mathrm{N}_{\mathrm{Phe}}$ マップにプロットし、水中と陸上の異なる栄養起源が混在した河川食物網の構造推定を試みた（図(1)-11）。各地点で採集された付着藻類および付着藻類を専食すると想定される刈取食者の$\delta^{15}\mathrm{N}_{\mathrm{Glu}}$ および$\delta^{15}\mathrm{N}_{\mathrm{Phe}}$ の値は、予測される栄養段階に一致した。また、リターの値も陸上植物として予測される値に一致し、かつ水中の植物の値と分離することができた。このことから、アミノ酸の窒素安定同
位体比は河川生態系において生物の栄養起源や栄養段階の推定に有効であることが示された。ただし、捕食者と想定されるトウゴウカワゲラの栄養段階は、水域の生産者をもとにした推定式を用いると TL=2から2.5と計算され、予測される栄養段階を示す値と比べて過小評価することになる。トウゴウカワゲラのような高次捕食者は、さまざまな水生昆虫を捕食することで陸域と水域の両方の栄養起源を得ている可能性がある。そのような生物の場合は、両者の混合を考慮する必要がある。河川生態系では、陸域と水域双方の一次生産によって食物網が支えられていることから、栄養段階の上昇に伴うδ¹⁵N_{Glu-Phe}の変化と、栄養起源の混合モデルを考慮する必要があるだろう。また、サワガニのような採集食者においても様々な食物を雑食することから、藻類とリターと双方を栄養起源に持つ可能性が高く、アミノ酸安定同位体分析からもそれを示唆する値が得られた。一方、刈取食者であるヒラタカゲロウは、付着藻類の値から見積もられる栄養段階によく一致した。このように種の食性に関する生態的な情報や生体バルク同位体分析などの既存の方法による情報と補完することで、これまで困難であった河川生物の食物網構造の解明が出来る可能性が高い。

図(1)-11 水中（付着藻類）および陸上（リター）の異なる栄養起源と水生生物のフェニルアラニンδ¹⁵N（δ¹⁵Nₚₚ）とグルタミン酸δ¹⁵N（δ¹⁵Nₛₛ）の2次元プロット。

## （５）林齢に伴う生物多様性の変化

生物多様性の指標であるShannon-Wienerの多様度指数（ $ H' $ ）を用いて、分類群と摂食機能群のそれぞれの多様度を林齢間で比較した（図(1)-12a,b）。分類群の多様性は、林齢が上がるに連れて緩やかな減少が見られた。一方、水生生物の捕食形態のあり方から分類した摂食機能群でみた多様度は、森林成熟過程の中間段階にあたる23年生で最も低くなった。
(a)

(b)

図(1)-12 林齢と多様度指数（Shannon-Wienerの多様度指数（ $ H' $ ））との関係。(a)分類群の多様度、(b)摂食機能群ごとの多様度をそれぞれ示す。

成熟した森林には落ち葉を食べる破砕食者の一種であるヨコエビの占める割合が高く、分類群の多様度が低くなったと考えられた。また、23年生で見られた摂食機能群の多様性の低下は、石の隙間に網を張る濾過食者の減少と捕食者の増加によって生じていると考えられた（図(1)-8）。斜面地の森林では、伐採植林後10-20年後あたりで斜面崩壊が起きやすいこと $ ^{21} $ や、造網性の濾過食者は攪乱後の回復が遅いこと、反対に捕食者のトウゴウカワゲラは、移動能力が比較的高いことから考慮しても、23年生の摂食機能群の多様性の減少は、河床攪乱の影響によるものと考えられた。

安定同位体分析値をもとに算出された種の栄養段階（TP）と林齢の関係に着目し、捕食者であるトウゴウカワグラと、藻類食者のヒラタカゲロウのTPを林齢間で比較した。トウゴウカワグラのTPは、23年生をピークに中間段階の林齢で高い値を示した（図(1)-13a）。一方、ヒラタカゲロウのTPには大きな変化がみられなかった（図(1)-13b）。これは、トウゴウカワグラの食性が地点間で異なっていたことを示している。伐採後3年の森林や90年以上の成熟林では、TPが比較的低く、またヒラタカゲロウのTPと近い値を示していることから、藻類などの植物も摂食していたと考えられた。大型のカワグラ類は一般に肉食性であるが、藻類なども雑食することが知られる $ ^{21} $ 。本研究でもトウゴウカワグラのTPは、ほとんどの地点で2から3の間に位置していることから、植物と動物の両方を餌としていると考えられた。ただし、23年生の森林では、TPが3を上回っていた。同じ23年生の森林のヒラタカゲロウのTPが他地点と比較して高くはないことから、トウゴウカワグラのTPの上昇は下位の栄養段階からの影響とは考えにくい。したがって、トウゴウカワグラは、肉食性の動物を捕食していたと考えられる。23年生の森林で採集された捕食者はトウゴウカワグラのみであったことから、トウゴウカワグラは、共食いを行っていた可能性が高いと考えられた。
(a)

図(1)-13a,b 林齢の違いによる(a)トウゴウカワゲラおよび(b)ヒラタカゲロウの栄養段階(TP)の比較（値は各地点の年平均と標準偏差）

図(1)-14 林齢ごとの各栄養段階（TL）の生物量を示した栄養ピラミッド。図中の数字は、捕食者（TL3+TL4）に対する一次消費者（TL2）との比を表す。
各分類群の同位体比を元にアンフォールディング化し、栄養ピラミッドを作図した（図(1)-13）。森林の発達段階によって、栄養ピラミッドは大きく異なった（（TL3 + TL4）/TL2 = 0.38 - 4.19）。ほとんどの地点で一次消費者に対する高次捕食者（TL3, 4）の占める割合が1を上回った。ただし、伐採直後の森林と90年生以上の森林は低かった。伐採直後では刈取食者が優占した（図(1)-8）。伐採直後の森林河川は、光量が多く藻類の生産性が高いため、藻類食の一次消費者が卓越するものと考えられる。90年生以上の森林では、ヨコエビなどの破砕食者が優占した。成熟した森林は、破砕食者の餌となるリターの供給量が増えることが考えられる。また、周辺地域では、ヨコエビは成熟した森林ほど多くみられることが知られる（徳地ら未発表）。一方、23年生の森林では、高次栄養段階（二次および三次消費者）の占める割合が4.19と極めて高かった。分類群でみると、とくに固着生活を行う造網性のトビケラなど移動性の低い濾過食者やヨコエビなどの破砕食者の生物量が低いことがわかった（図(1)-7,8）。また、TPの解析からは捕食者のトビゴカワグラが共食いを行っていた可能性が示唆された（図(1)-13a）。これら群集の組成や個々の種の食性変化は、23年生の森林で台風による攪乱を大きく受けた結果と考えられ、さらに栄養ピラミッド構造にも影響することが示された。

図(1)-15 各林齢における生物多様性を示す複雑性指標（左から$\mathrm{D}_{\mathrm{V}},\mathrm{D}_{\mathrm{H}},\mathrm{D}_{\mathrm{C}}$）の比較。

安定同位体値から得られた生物多様性の複雑性を示す3つの指標（$\mathrm{D}_{\mathrm{V}},\mathrm{D}_{\mathrm{H}},\mathrm{D}_{\mathrm{C}}$）について林齢間で比較した（図(1)-15）。$\mathrm{D}_{\mathrm{V}}$は、23年生と90年以上の森林で低くなった。23年生で値が低くなったことは、摂食機能群でみた場合のShannon-Wienerの多様度指数（$H^{\prime}$）と同様であったが、90年以上の森林では傾向が異なった（図(1)-12）。$\mathrm{D}_{\mathrm{V}}$は一つの分類群が属する栄養段階の多様性を示すことから、複数の栄養段階にまたがる種が多い場合に大きくなることが予想される。しかし、雑食性とされる採集食者や濾過食者のバイオマスとの関係（図(1)-8）とは一致せず、メカニズムを明らかにすることはできなかった。$\mathrm{D}_{\mathrm{H}}$は、栄養段階あたりの分類群の多様性を表す指標とされ、分類群でみた場合の多様度指数（$H^{\prime}$）と似た傾向を示した。ただし、23年生では一致しなかった。$\mathrm{D}_{\mathrm{C}}$は栄養段階の数の多様性を示す指標で食物連鎖長などに関係すると考えられる。林齢間の比較から、森林の成熟とともに低くなる傾向が見られたものの、同様に林齢とともに低くなる分類群でみた場合の多様度指数（$H^{\prime}$）（図(1)-12）のパターンとは異なっていた。以上の結果から、分類群や摂食機能群別に算出したShannon-Wienerの多様度指数（$H^{\prime}$）との単純な比較やメカニズムの推定は難しいと考えられた。分類群や摂食機能群といった属性は、食性や生態的地位を推定する手が
かりの一つである。ただし、実際には生息地の環境状況によって、必ずしもその属性通りの振る舞いを実現するとは限らない。本研究においてもトウゴウカワグラのTPは地点間で異なっていた。安定同位体分析値を元にした、TPのアンフォールディンク化やD_{V}, D_{C}, D_{H}指標は、分類群や摂食機能群の属性と分離して生物間の関係や生態系構造を捉えることができる。また、3つの指標は、生態系の栄養転換効率を説明する重要な因子となることが理論的に示されており（サブテーマ（4））、生態系の生産性や安定性を診断するツールとして期待されている。フィールドへの適用事例の蓄積がまだ十分ではないが、多様度指数（H'）と比較して、より現実的な生物間の関係や食物網構造の特性を抽出できると考えられる。

以上の結果から、森林の成立過程は、河川生態系の生物多様性や機能に影響を及ぼすことを示した。このことは、河川生態系の生物多様性や生態系サービスを保全、維持する上で、森林の管理・施業が重要であることを示唆する。とくに人工林が多くを占める日本の国土環境においては、流域内の森林管理を視野に入れ、林齢を考慮することが求められると考えられる。また、安定同位体分析により測定される個体の固有値は、現実の栄養段階の推定や種間をつなぐ食物網構造解析に欠かせないものであり、種や分類群レベルで見た多様性評価に加えて、生物多様性の構造・機能を評価する上で重要な指標である。

## 5 ．本研究により得られた成果

## （1） 科学的意義

最新の安定同位体研究手法を用いることによって、森林の成立過程に伴う河川生態系への影響応答を明らかにした。とくに食物網構造の解析について、従来のバルク炭素・窒素安定同位体分析では困難であった、水域と陸上の生産者を起点とする物質の流れや両者の依存性を推定することを、アミノ酸窒素同位体比手法を用いることで解決する見通しを示すことができた。すなわち、若齢林から成熟林にいたる過程において、河川内部の藻類を起源とする食物網構造から、落ち葉など系外の有機物を起源への依存度を高めていく構造へ変化していくことを明らかにした。なお、森林伐採による物質循環の影響は多くの研究があるが、寿命の長い森林の回復過程を追った研究は例が少なく、同一地域でほぼ林齢違いのみ条件の異なるフィールドでの研究は世界でも希である。森林の光環境、炭素および窒素の循環過程、さらに生物群集の構成や多様性の変化、生態系機能への影響とそれらの関連についてまとめた本研究は、生態学、森林科学の分野において貴重な知見を提供できたと考えられる。これらの成果は、Entomological Science誌の発表を端緒に生態学の一流誌への発表準備を進めている。

また、2011年に大型の台風12号の影響で大雨に見舞われ、従来から最も攪乱に見舞われやすいとされる、発達初期の森林で攪乱後の生態系構造の特異な変化を観測することができた。理論研究を行ったサブテーマ（4）において開発された食物網複雑性指標の適用により、群集の種構成や多様性の変化のみでなく、栄養段階や生態系のピラミッドなどの構造の変化についても評価することができた。今後この手法を様々なフィールドに適用することによって、生物多様性観測について、種の多様性に加えて、食物網構造や機能など生態系レベルの多様性観測が期待できる。
## （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＞

さらなる一般性を確かめるために、様々な地域で河川生態系と森林の発達段階の関係を調査する必要があるが、森林の発達段階は河川生態系に強く影響し、どのような生物群集が成立するか予測し得る見通しがたった。日本は国土の大部分を森林が占め、その多くは人工林である。河川環境の保全、とくに生物多様性や生態系サービスの維持管理において、河川集水域の森林管理を盛り込んだ計画を立てる必要性を指摘する。また、安定同位体分析手法を多様性観測と併用することによって、食物連鎖や生態系ピラミッド、さらには生物多様性の複雑性指標から生態系の栄養転換効率や生産性を推定出来る可能性があり、今後、さらなる技術的応用にむけた研究の推進を進言する。

## 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) M. YOSHIMURA: Entomological Science, 15, 145-154 (2012) "Effects of forest disturbances on aquatic insect assemblages"

## 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) 富樫博幸、徳地直子、陀安一郎：日本生態学会第59回全国大会 (2012)

「山地渓流域の食物連鎖長：決定機構に果たす生産性の役割」

2) 富樫博幸、加藤義和、石川尚人、吉村真由美、徳地直子、大手信人、由水千景、陀安一郎：日本陸水学会 第77回大会（2012）

「アミノ酸の窒素安定同位体比から読み解く山地渓流域の食物網構造-護摩壇山試験地の事例-」

3) 富樫博幸、加藤義和、石川尚人、尾坂兼一、吉村真由美、由水千景、徳地直子、陀安一郎、大手信人：日本生態学会第60回大会 (2013)

「ミカン畑と魚類をつなぐ硝酸：土地利用が河川生態系へ及ぼす影響に関する安定同位体解析」

4) 富樫博幸、加藤義和、石川尚人、吉村真由美、徳地直子、大手信人、由水千景、陀安一郎：第124回日本森林学会大会 (2013)
「森林施業が河川生態系へ及ぼす長期的影響とその解明：安定同位体比を利用して」

5) N. Tokuchi, H. Togashi, N. Ohte, M. Yoshimura, Y. Kato and N. Ishikawa: US-Japan Joint Seminar on Responses of Catchment Hydrology and Forest Biogeochemistry to Climatic and Environmental Change (2013)

“Interecosystem connection between forest and river: Nutrient linkages”

6) H. Togashi, Y. Kato, N. F. Ishikawa, Y. Kohmatsu, C. Yoshimizu, M. Yoshimura, N. Ohte, N. Tokuchi and I. Tayasu: International Symposium on Connectivity of Hills, Humans and Oceans (2013) “Terrestrial versus aquatic resources contribution to stream food webs with various forest stand ages: Results from nitrogen isotopic ratios of amino acids”

7) N. Tokuchi, H. Togashi, N. Ohte, M. Yoshimura, Y. Kato and N. Ishikawa: US-Japan Joint Seminar on Responses of Catchment Hydrology and Forest Biogeochemistry to Climatic and Environmental Change (2013)

“Interecosystem connection between forest and river: Nutrient linkages”

8) H. Togashi and N. Tokuchi: 日本生態学会第61回大会 (2014)

9) N. Ohte, H. Togashi, N. Tokuchi, M. Yoshimura, Y. Kato, N. Ishikawa, M. Kondo, I. Tayasu : Japan Geoscience Union Meeting 2014, Yokohama, Japan, 2014 (2014)

“How does anthropogenic nitrogen input affect the nutrient dynamics and food web structures?”

## （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) W. F. Fagan, R. S. Cantrell, and C. Cosner (1999) How habitat edges change species interactions. The American Naturalist, 153: 165-182

2) R. Vannote, L. G. W. Minshall, K. W. Cummings, J. R. Sedell, and C. E. Cushing (1980) The river continuum concept. Can. J. Fish. Aquat. Sci., 37: 130-137

3) S. G. Fisher and G. E. Likens (1973) Energy flow in Bear Brook, New Hampshire: An integrative approach to stream ecosystem metabolism. Ecological Monographs, 43: 421-439

4）福島慶太郎、徳地直子（2008）皆伐・再造林施業が渓流水質に与える影響 -集水域単位で林齢