Silviase/jgov_v1.4_full_ann huggingface dataset:
##### 3.4.6.3 測定条件とサンプル準備

本研究では, Sb を対象として XAFS 測定を行った。

各元素の既知物質からなる標準試料の XAFS 測定は, 試料上流および下流の電離箱(ionization chamber)でのカウントの比を用いる透過法により行った。透過法用サンプルは, 試料に吸収係数調整用の窒化ホウ素(BN)を加えさらにめのう乳鉢で約 15 分混合し, フーリエ変換赤外分光分析装置(FTIR)用の錠剤成型機でディスク状に成型後, ポリエチレンバックにシーラーで密封して供試した。溶融飛灰および溶媒処理残渣中の Sb の XAFS 測定は, Sb 濃度が約 10,000~20,000mg/kg のものは標準試料同様透過法で, 10,000mg/kg 未満のものは光源と 90°の向きに設置した 19 素子 Ge 半導体検出器(19-SSD: 19 elements Solid State Detector)を用いる蛍光法により行った。蛍光法用サンプルは, 溶融飛灰および溶媒処理残渣を乾燥機中 105℃で乾燥後ポリエチレンバッグに保存したものを供試した。代表的な測定条件を表 3.4.3 に示す。また, 今回用いた標準試料を表 3.4.4 に, XAFS 測定を行ったサンプルを表 3.4.5 に示す。

表 3.4.3 代表的な測定条件

Element	Sb
Edge	K
Monochromator	Si(311)
Initial energy(eV)	30156
Final energy(eV)	31790
Step(eV)	0.5 $ \sim $ 10
Facility	PF-AR NW10A
SPring-8 BL01B1

表 3.4.4 用いた標準試料

Sb化合物
KSb(OH) $ _{6} $
Tripuhyite
Sb(V) sorbed on delta-MnO $ _{2} $
Sb(V) sorbed on Goethite
Sb(V) sorbed on Ferrihydrite
Sb $ _{2} $ O $ _{5} $
Sb $ _{2} $ O $ _{3} $
Sb $ _{2} $ S $ _{5} $
Sb $ _{2} $ S $ _{3} $
Sb

表 3.4.5 XAFS 測定サンプル

##### 3.4.6.4 解析

本研究では Sb K-edge XAFS について XANES および EXAFS 解析を行った。以下に解析手順を示す。

測定サンプル
溶融飛灰E
蒸留水洗净残渣
硫酸抽出残渣
硝酸抽出残渣
塩酸抽出残渣
熱水抽出残渣
酢酸抽出残渣
酢酸NH4抽出残渣
酢酸Na抽出残渣
クエン酸抽出残渣
水酸化Na抽出残渣

## ·XANES

計測された X 線吸収スペクトルには, 注目している核電子

による吸収以外に, 他の元素や他の核電子による吸収などが

含まれるので, まずこれらを除去する必要がある。これらの除去は吸収端よりも低いエネルギー側(pre-edge)の区間を選んで適当な式で表し, 吸収端より高エネルギーの領域へ外挿したものを差し引くことにより行う。規格化は対象となるスペクトルを定量的に扱うために行い, おおよそ吸収端後50eV前後の高さを1とする。こうして得た測定試料のスペクトルを標準試料のスペクトルと比較し, 試料のスペクトルが標準試料によって表されると考え, 指紋的な解析(パターンフィッティング)を行い指紋的に解析した。これは, 測定試料のスペクトルを標準試料のスペクトルの線形重ね合わせ(LCF: Linear Combination Fit)で表現することにより, 測定試料中対象元素のおおよその化学形態存在比
(対象元素あたりの mol%元素)を求めることができる。その際, 標準物質のスペクトルの和で合成されるスペクトルと対象試料のスペクトルとの差を表す値を R 值と呼び, R 值の値が小さいほど合成スペクトルが対象試料のスペクトルをよく再現できている。R 值は以下の式で表わされる。

$$ \mathrm{R}=\frac{\sum(XANES_{measd}-XANES_{calcd})^{2}}{\sum(XANES_{measd})^{2}} $$

## •EXAFS

EXAFS 振動は, 主に吸収原子の周辺約 3～4Å の原子分布を反映するといわれる。第一近接原子はほぼこの範囲に含まれ, 第二近接原子の変化も得られる可能性がある。

解析は, 測定データからバックグラウンドによる吸収分を除き EXAFS 振動を抽出し, 強度をエネルギー(eV)から波数(/Å)の関数に変換し $ k^{3} $ の重みをかける。以上より得られる関数は sin 関数でありフーリエ変換を行うと結合距離に対応した対象元素を中心とする動径構造関数が得られる, という手順で行う。通常, EXAFS 抽出振動の形状比較および指紋的解析(XANES のパターンフィッティングと同様), またはフーリエ変換スペクトルのカーブフィッティングを行う。カーブフィッティングは, フーリエ変換スペクトルをピーク毎に分けて逆フーリエ変換を行い, McKale の一回散乱理論や FEFF の多重散乱理論を用いて計算された理論スペクトルと比較することにより, 結合距離や位相数などをもとめる。

以上の XANES 解析および EXAFS 解析は XAFS 解析用ソフト REX-2000 Ver.2.5 (理学電機社製) を用いて行った。

### 3.5 蒸留水洗净美験

#### 3.5.1 概要

本研究で扱う試料の種類は大きく分けると, 都市ごみ焼却灰, 都市ごみ焼却飛灰, 都市ごみ灰溶融飛灰, 都市ごみガス化溶融飛灰, 下水汚泥焼却灰, 下水汚泥溶融施設残渣の6つに大別される。都市ごみ溶融飛灰の溶媒抽出法に関する研究は種々存在し, 抽出の第一段目に蒸留水を用いた洗浄を行うことで, 金属回収を阻害するNa, K, Ca, Clなどの水溶性元素を大量に溶解させ, その後の有価金属回収をスムーズに行えることが知られている $ ^{13} $ ~ $ ^{15} $ 。しかし, 今回扱う都市ごみ焼却残渣以外の下水汚泥焼却灰や下水汚泥溶融施設残渣に関しての知見は乏しい。そこで, 都市ごみ溶融飛灰からの金属回収の前処理として広く用いられている蒸留水洗浄の効果の比較を6つの残渣に対して行った。測定元素は, 水溶性が高く, 有価金属回収の阻害物質として知られているNa, K, Cl, Ca, さらに本研究の対象元素であるFe, Pb, Zn, Au, Pd, Pt, Ag, Sbの計12元素の測定を行った。
4) 泉美治, 小川雅彌, 加藤俊二, 塩川二郎, 芝哲夫: 機器分析のてびき 3, 共立出版, pp.43-72 (1996)

5) 日本コンクリート工学協会: JCI-SC4 硬化コンクリート中に含まれる塩分の分析方法, JCI 規準集, pp.106-126(2004)

6) 中塚大輔: 京都大学大学院工学研究科修士論文(1999)

7) 橋本芳一, 大蔵恒彦著、日本分析化学会編: 機器分析実技シリーズ, 放射化分析法・PIXE 分析法, 共立出版株式会社 (1986)

8) 環境庁監修, 浮遊粒子状物質対策検討会: 浮遊粒子状物質汚染予測マニュアル, 東洋館出版社, (1997)

9) 伊藤泰男, 海老原充, 松尾基之 監修・編集, 放射化分析研究会: 放射化分析ハンドブック 確度の高い多元素同時微量分析への実践, 社団法人日本アイソトープ協会(2004)

10) 高岡昌輝, 中塚大輔, 武田信生, 藤原健史: ごみ焼却飛灰中元素の定量に関する蛍光 X 線分析法の適用性, 廃棄物学会論文誌, 11(6), pp.333-342 (2000)

11) Fitspeaks: http://www.jimfitz.demon.co.uk/fitzpeak.htm 2012.2.2 閱覽

12) 太田俊明: X 線吸収分光法—XAFS とその応用—, アインーピー (2002)

13) 水谷聡, 渡辺信久, 橋本健: 溶融飛灰からの重金属類と塩分の湿式分離の試み, 第 16 回廃棄物学会研究発表会講演論文集, pp.893-895 (2006)

14) 橋本瞳: 都市ごみ焼却灰中塩素の効率的除去と除去機構の解明, 京都大学工学研究科 都市環境工学専攻 修士論文 (2007)

15) 岡田敬志, 牧志諒, 東條安匡, 松藤敏彦: 溶融飛灰中の塩素除去法に関する研究, 第 17 回廃棄物学会研究発表会講演論文集, pp.619-621 (2006)

16) 河合利幸: 溶媒抽出法による溶融飛灰からの亜鉛および鉛の回収, 京都大学修士論文(2003)

17) 坂本大輔, 山川徹郎, 成田弘一, 田中幹也: 溶媒含浸法を利用した有用金属回収技術の開発—溶媒含浸繊維によるパラジウムの回収—, 埼玉県産業技術総合センター研究報告, Vol.5, pp.10-13 (2006)

18) 岡田敬志, 松藤敏彦, 東條安匡: Ca, Si 含有量に基づく溶融飛灰からの Pb, Zn 回收方法選択に関する研究, 廃棄物学会論文誌, Vol.18, No.1, pp.8-19 (2007)

19) 齋藤千愛, 岡田治樹, Monica Joy Titus, 吉岡敏明, 溝口忠昭: 有機酸を用いた都市ごみガス化溶融飛灰からの重金属浸出, 廃棄物学会論文誌, Vol.18, No.3, pp.157-166 (2007)

20) 高岡昌輝, 蔵本康宏, 武田信生, 藤原健史: 逐次抽出法による飛灰中の亜鉛, 鉛, 銅およびカドミウムの化学形態推定, 土木学会論文集, No.685/VII-20, pp.79-90(2001)
#### 4.3.2 下水污泥焼却灰の濃度測定結果

表4.3.3 に下水污泥焼却灰8サンプルにおける金，銀，白金，パラジウム，アンチモン濃度を示す。なお，濃度測定における前処理方法は4.3節と同じである。さらに，Pd濃度と他の4元素の濃度の相関係数を表4.3.4に示す。参考として都市ごみ焼却残さの相関係数も併せて示した。下水污泥焼却灰はPd濃度とPt濃度の相関係数が0.956となり，非常に強い相関を示した。都市ごみ焼却残渣のPd濃度とPt濃度の相関も0.515であり他の元素と比べると高い数値であった。汚泥焼却灰は都市ごみよりも白金族元素であるPd，Ptを同時に回収しやすいと言え，回収源としてより適していると考えられた。なお，Pd以外の4元素においてそれぞれの相関を調べたが特に相関関係にある元素は見られなかった。

表 4.3.3 下水污泥焼却灰の濃度測定結果 (mg/kg)

Pd	Pt	Au	Ag	Sb
下水污泥烧却灰P	1.35	0.293	4.14	12.9	10.9
下水污泥烧却灰Q	1.45	0.239	1.64	92.5	9.89
下水污泥烧却灰R	2.30	0.428	2.13	30.5	13.3
下水污泥烧却灰S	3.42	0.450	2.90	92.4	10.1
下水污泥烧却灰T	4.30	0.497	3.48	57.2	8.27
下水污泥烧却灰U	1.09	0.227	1.78	41.8	16.1
下水污泥烧却灰V	4.96	0.568	4.44	36.0	12.3
下水污泥烧却灰W	4.42	0.596	3.10	25.7	12.5
平均(mg/kg)	2.91	0.412	2.95	48.6	11.7
標準偏差(SD)	1.56	0.144	1.05	29.9	2.42
相对標準偏差(RSD)	53.4	34.9	35.5	61.5	20.8
最大值(mg/kg)	4.96	0.596	4.44	92.5	16.1
最小值(mg/kg)	1.09	0.227	1.64	12.9	8.27

表 4.3.4 各試料の Pd 濃度と他金属濃度の相関係数

Pt	Au	Ag	Sb
污泥烧却灰	0.956	0.585	-0.0331	-0.309
都市ごみ烧却残渣	0.515	0.181	0.416	0.100

続いて, 都市ごみ焼却残渣と污泥焼却灰の種類別の Pd, Pt, Au, Ag, Sb 濃度および相対標準偏差を表 4.3.5, 図 4.3.6, 図 4.3.7, 図 4.3.8, 図 4.3.9, 図 4.3.10 に示す。

まず濃度に着目すると, Pd, Pt, Au に関してはどれも下水污泥焼却灰の濃度が最も大きく都市ごみ焼却残渣よりも豊富であった。Ag に関しては都市ごみと同程度のオーダーで含まれていた。Sb に関しては都市ごみと比較すると濃度は小さかった。Sb の下水污泥焼却灰濃度が小さくなった理由として, 主な使用用途は難燃助剤であるため, 下水污泥よりも都市ごみ中に流入してくるものの方が多

表 4.3.5 各種試料の濃度および相対標準偏差

濃度(mg/kg)	相対標準偏差(%)
污泥烧却灰	烧却灰	烧却飛灰	灰溶融飛灰	ガス化溶融飛灰	污泥烧却灰	烧却灰	烧却飛灰	灰溶融飛灰	ガス化溶融飛灰
Pd	2.91	0.118	0.0914	0.0715	0.287	53.4	96.4	64.7	80.9	49.0
Pt	0.412	0.0777	0.0604	0.0434	0.116	34.9	83.7	55.4	124	75.6
Au	2.95	0.521	0.348	0.829	0.770	35.5	91.6	41.4	46.3	39.3
Ag	48.6	20.9	56.0	40.9	67.5	61.5	90.1	34.1	42.9	61.5
Sb	11.7	90.0	453	329	426	20.8	87.5	36.3	115	39.0
表 4.5.5 溶融飛灰 E の組成

元素名	含有量	单位	分析機器
Cl	318000	mg/kg	XRF
K	126420	mg/kg	XRF
O	16.6	wt%	XRF
Na	116780	mg/kg	XRF
Zn	73035	mg/kg	ICP-MS
S	3.79	wt%	XRF
Si	3.27	wt%	XRF
Pb	15930	mg/kg	ICP-MS
Cu	0.592	wt%	XRF
Sn	0.528	wt%	XRF
Ca	6868	mg/kg	XRF
Fe	34244	mg/kg	ICP-MS
Br	0.417	wt%	XRF
Al	0.397	wt%	XRF
P	0.0536	wt%	XRF
Mn	0.0172	wt%	XRF
Au	1.12	mg/kg	ICP-MS
Pd	0.106	mg/kg	ICP-MS
Pt	0.128	mg/kg	ICP-MS
Ag	36.0	mg/kg	ICP-MS
Sb	2086	mg/kg	ICP-MS

表 4.5.6 蒸留水洗净後飛灰の組成

元素名	含有量	单位	分析機器
O	41.0	wt%	XRF
Zn	136108	mg/kg	XRF
Si	12.9	wt%	XRF
Pb	95502	mg/kg	XRF
Cl	6.50	wt%	XRF
C	5.77	wt%	ICP-MS
K	4.79	wt%	XRF
Na	4.40	wt%	ICP-MS
Fe	33165	mg/kg	XRF
S	2.72	wt%	XRF
Sn	1.89	wt%	XRF
Cu	1.84	wt%	XRF
Al	1.68	wt%	ICP-MS
Sb	14705	mg/kg	ICP-MS
Ca	0.912	wt%	XRF
P	0.211	wt%	XRF
Mg	0.197	wt%	XRF
Au	7.62	mg/kg	ICP-MS
Ag	112	mg/kg	ICP-MS

表 4.5.7 実験条件

硫酸	硝酸	盐酸	热水	醋酸	醋酸NH4	醋酸Na	公工酸	水酸化Na
搅拌時間（min）	60	60	60	60	60	60	60	60	5
液固比（L/S）	20	5	5	-	20	20	10	20	10
搅拌速度（rpm）	200	200	200	200	200	200	200	200	200
濃度	3.88vol%	3N	3N	-	1N	1N	3N	1N	3N
温度（℃）	25	25	25	90	25	25	25	25	90

##### 4.5.2.1 実験結果と考察

10g の蒸留水洗浄後の溶融飛灰に対して行った抽出プロセスの各種データを表 4.5.8 に示す。なお，抽出残渣割合は，蒸留水洗浄前の元飛灰を 100%として計算したものを示した。抽出前の溶融飛灰に含まれていた各金属を 100%として，蒸留水，各種溶媒への抽出割合を表 4.5.9 に示す。また，Au, Sb, Fe, Zn, Pb の蒸留水，各種溶媒への抽出割合をそれぞれ図 4.5.5，図 4.5.6，図 4.5.7，図 4.5.8，図 4.5.9 に示す。

Au は塩酸に最も抽出され, 他の溶媒は 47.9-61.6% の間に収まった。最も残留したのは熱水であった。熱水を用いた貴金属の溶媒抽出実験を行った先行研究は見られなかったため, 詳しい Au の溶出機構はわからなかった。

Sb, Zn は硫酸, 硝酸, 塩酸, 酢酸, クエン酸など抽出後 pH が 4 以下となった溶媒では, 多くが溶媒に抽出されることがわかった。したがって, 溶融飛灰中の Sb は酸性の溶媒に多く抽出されることが
Au は, 蒸留水洗浄後に対して硫酸, 硝酸, 酢酸, 酢酸アンモニウム抽出を行った後の残渣においてはさらに濃度が大きくなった。最も濃度が大きくなったのは酢酸抽出残渣で, 元飛灰の 7.65 倍の 7.67mg/kg であった。これは Au の鉱石品位の約 5mg/kg を上回っている。しかし, 蒸留水抽出後の残渣の濃度と比較すると濃縮割合は 1.1 倍程度で, 濃縮効果は蒸留水抽出と比較すると高くなかった。化学形態は XAFS 分析を行わなかったため推定できなかった。

## Sb は, 蒸留水洗浄後の酢酸, 酢酸ア ンモニウム抽出の残渣においてさらに濃

図 4.5.8 Zn の各種溶媒への抽出割合

図 4.5.9 Pb の各種溶媒への抽出割合

度が大きくなった。最も濃度が大きくなったのは酢酸アンモニウム抽出残渣で、元飛灰の8.38倍の17485mg/kgであった。これはアンチモンの鉱石品位12100mg/kgを上回っていた。しかし、蒸留水抽出後の残渣の濃度と比較すると濃縮割合は1.19倍程度で、濃縮効果は蒸留水抽出と比較すると高くなかった。化学形態に関しては次節のXAFS分析で推定した。

表 4.5.10 各プロセス残渣の金属濃度(mg/kg)

元飛灰	蒸留水抽出後	硫酸	硝酸	塩酸	熱水	酢酸	酢酸NH4	酢酸Na	夙工酸	水酸化Na
Au	1.12	7.62	8.30	8.48	6.54	6.72	8.57	7.67	7.24	7.552	6.20
Sb	2086	14705	9758	11688	10438	12698	16570	17485	14310	9902	12686
Fe	34244	33165	17460	28252	19794	18955	14567	22736	23802	17512	22374
Zn	73075	136108	33839	31576	28761	170353	58739	148727	183391	45178	152890
Pb	15930	95502	173836	143615	52108	40135	125886	32596	45385	88279	16222

図 4.5.10 各抽出残渣の Sb, Au の濃度比(元飛灰=1)
まず, 図 4.5.14 に元飛灰のスペクトル(実線)と蒸留水抽出後のスペクトル(点線)を重ねて示す。この図を見る限りでは, 蒸留水抽出前後でスペクトルに変化は見られないため, 蒸留水抽出によってアンチモンの化学形態が変わることはないと考えられた。実際に 90%以上が蒸留水抽出残渣に移行している。また, ピークトップの位置から, アンチモンは 5 価であることが考えられた。

また, 表 4.5.9 における硫酸からクエン酸までの第二段抽出残渣のスペクトルも同様に重ねあわせて観察したが, 特に変化は見られなかった。

次に, 蒸留水洗浄後残渣と, 第二段の各種溶媒抽出残渣の化学形態を比較するために, 変化の見られなかった第二段抽出残渣から代表として塩酸抽出残渣を重ねあわせたものを図 4.5.15 に示す。

ピークトップが塩酸抽出後のほうが若干低くなる

図4.5.13 元飛灰，抽出後残渣のSb-スペクトル

ており, 30495-30510eV で蒸留水洗浄後に見られた中央の盛り上がりが見られない。この特徴は, $ Sb_{2}O_{5} $ に見られる傾向である。なお, $ Sb_{2}O_{5} $ は難溶性であるため $ {}^{13)} $ , 図 4.5.6 で最終的に残渣に残留した Sb が $ Sb_{2}O_{5} $ であり, 溶媒に抽出された Sb 化合物の形態は吸着態であることが示唆された。

図 4.5.14 蒸留水洗净前後の

図4.5.15 蒸留水洗净後と
3) Eiji Fujimori, Kazuaki Minamoto, Hiroki Haraguchi: Comparative Study on the Distributions of Precious Metals (Ru, Rh, Pd, Pt, and Au) in Industrial Waste Incineration Ashes as Determined by Tellurium Coprecipitation and ICP-MS, Bull. Chem. Soc. Jpn., Vol.78, pp.1963-1969 (2005)

4) 貴田晶子, 宮崎徹, 倉持英敏: 製品中のレアメタルを含む多元素分析法, 廃棄物資源循環学会誌, Vol.22, No.1, pp.19-27 (2011)

5) 樋口能士: 焼却灰, 焼却飛灰, 溶融飛灰におけるレアメタルの賦存量と回収可能性に関する調査研究, 「大阪湾圈域における廃棄物・海域水環境保全に係る調査研究助成事業」調査研究報告書 (2008)

6) 濱岡真由:都市ごみ焼却残さにおける銀, パラジウムの賦存量と回収方法の検討, 京都大学特別研究 (2009)

7) Chang-Hwan Jung, Masahiro Osako: Leaching characteristics of rare metal elements and chlorine in fly ash from ash melting plants for metal recovery, Waste Management, Vol.29, Issue 5, pp.1532–1540 (2009)

8) 肴倉宏史, 大迫政浩, 鄭昌煥: 溶融飛灰・溶融メタルの処理・処分と資源化の現状に関する調査, 都市清掃 62, Vol.288, pp.191-197 (2009)

9) 平成 15 年版環境白書 環境省(2003)

10) 環境省大臣官房廃棄物・リサイクル対策部廃棄物対策課: 日本の廃棄物(平成 21 年度版) (2011)

11) JOGMEC Virtual 金属資源情報センター HP, http://www.jogmec.go.jp/mric_web/ 2011.12.20 閲覧

12) 産業調査会 事典出版センター: 実用水の処理・活用大事典(2011)

13) 日本化学会: 化学便覧 基礎編 I 改訂3版(1984)

14) 橋本瞳: 都市ごみ焼却灰中塩素の低減に関する検討, 第 17 回廃棄物学会研究発表回講演論文集, pp.586-588(2008)

15) 武田信生, 吉原福全, 樋口能士, 高岡昌輝, 大下和徹, 嶋田真次, 村上忠弘, 向井明, 内海尚樹: 平成20年度廃棄物処理等科学研究費補助金研究報告書 焼却灰及びばいじんにおけるレアメタルの賦存量とその回収に関する研究(K2002)(2009)

16) Fenfen Zhu, Masaki Takaoka, Kazuyuki Oshita, Yoshinori Kitajima: Chlorides behavior in raw fly ash washing experiments, Journal of Hazardous Materials, vol.178, pp.547-552 (2010)

17) 長倉三郎, 井口洋夫, 江沢洋, 岩村秀, 佐藤文隆, 久保亮五: 岩波 理化学辞典 第 5 版

18) 舩附淳志: 廃棄物熱処理残渣中重金属に対する逐次抽出法の確立, 京都大学修士論文(2005)
・角壯志、高岡昌輝、大下和徹、水野忠雄、森澤貞輔：一般廃棄物焼却残さ中のパラジウム、白金の分析と賦存量に関する研究、第21回廃棄物資源循環学会研究発表会、（石川）2010.11

## 研究発表（学会・研究会等）
（独）森林秘合研究所

森林植生研究領域 領域長 田中 浩

森林昆虫研究領域 昆虫多樣性チーム長 岡部貴美子

（独）森林総合研究所

東北支所 森林生態研究グループ長 柴田銃江

森林昆虫研究領域 領域長 牧野俊一

森林遺伝研究領域 領域長 吉丸博志

森林微生物研究領域 森林病理研究室 升屋勇人

平成20～22年度累計予算額：42,906千円（うち、平成22年度予算額：13,732千円）

予算額は、間接経費を含む。

[要旨] 里山景観の生物多様性がもたらす生態系サービスの評価にむけて、生態系サービスのポテンシャルを示す森林の生態系機能の定量化を、生物多様性インベントリデータをもとに試みた。主たる対象とした節足動物群（昆虫類を中心とする）には、容易に信頼性の高いサンプリングが可能であり、生態系機能の指標性も高いと考えられ、また花粉媒介(花粉を運ぶ：送粉)や捕食寄生(天敵を食べる：個体群制御)などの調整サービスの諸機能を代表する生物グループ(機能群)が比較的明確に抽出できるという利点がある。里山林での現地調査と既往文献のデータ解析によって、花粉媒介機能としてハナバチ・ハナアブ、捕食寄生（個体群制御）機能として寄生蜂・ゴミムシ・カリバチ、分解機能としてカミキリ・トビムシで代表させることが適当であること、また機能の指標として、種数が適当である場合と、個体数など他の指標がふさわしい場合とに整理できた。これらの定量的指標を用いて、花粉媒介および捕食寄生機能の変化を林齢の異なる北茨城の広葉樹二次林とスギ人工林で比較した結果、伐採直後の若齢林で機能が高く、またスギ人工林では機能が低下することが示唆された。他方、森林を構成する樹木が保持する野生鳥獣の食物資源供給機能の定量化を、樹木の繁殖サイズや植生の組成データなどをもとに、森林タイプや林齢の異なる林分で試みた結果、広葉樹林ではドングリなどのナッツ類(主として哺乳類の餌になる)の生産量は老齢林ほど多くなるが、サクラなどの液果類(主として鳥の餌になる)は、老齢林よりもむしろ中齢林の方が多いこと，他方スギ人工林では、果実を生産する広葉樹の侵入は少なく、食物資源の供給機能は期待できないことが明らかになった。多様な林齢の森林のモザイク的な配置とともに、原生的な森林が生態系機能の維持に持つ意義が示唆された。花粉媒介機能を、景観レベルでモデル化して解析した結果、森林および草地の合計面積とともに、広葉樹林の面積が正の効果を持つことが明らかになり、二次林を含む広葉樹林の保全の意義が示された。

[キーワード] 里山、生態系機能、生物機能群、節足動物、定量化
### 1. はじめに

国内外で急速に進行する生物多様性の喪失の進行を遅らせ、さらに回復させる必要性については、長い進化の歴史を背負った生き物すべての存在を次世代のために守るという倫理的・審美的な根拠と同時に、生物多様性が生態系の機能と人間生活にもたらすサービスを支えているという実利的な(現実的な)認識がある。多くの生態学者も、生物多様性の減少は総体的には生態系機能と生態系サービスの低下をもたらすだろうと考えているが、この関係は対象となる生態系のプロセスや生態系サービスによって、また関わる生物群や種によって複雑に変化することが予想される。生態系サービスの供給と回復力は、どちらも生物多様性の変化によって影響を受けるが $ ^{1} $ 、多くの生態系サービスの間には、互いにトレードオフの関係が成り立つことも知られており、生物多様性とさまざまな生態系機能、生態系サービスの間の複雑な関係とそこに働いているメカニズムを明らかにすることは、持続的な生態系管理手法を開発するために不可欠である。

森林生態系が持つ機能と人間生活にもたらすサービスも、森林生態系を構成する生物の多様性によって支えられている。大きな現存量によって他の生物の生息環境と食物資源を保証する生産者の樹木・植物と、消費者であるさまざまな動物が、捕食、花粉媒介、種子散布、分解などの複雑な生物間相互作用によって、生態系の機能を支えるプロセスを駆動している $ ^{2)} $ 。森林生態系がもたらすさまざまな生態系サービスの中には、生物多様性の減少の影響を受けにくいものも存在するが（たとえば水や木材の供給サービス、気候緩和や土砂流出防止などの調整サービスなど）、調整サービスの中の生物的防除（Biological control）や文化的サービス、基盤サービスの中の花粉媒介、栄養循環、動植物の生息環境の提供などのサービスは、生物多様性の変化の影響をもっともうけやすく、生物多様性の低下に対して脆弱と考えられる $ ^{3)} $ 。

日本の森林生態系は、奥山とよばれる高い標高域の山地林を除き、都市の近郊のみならず、山間の集落の周辺でも、長い人間の利用の歴史によって形成された里山林とよばれる二次的な自然林によって広く占められてきた。この里山域の森林生態系の生物多様性は、周辺の人間生活に様々な生態系サービスを提供してきた。その中には、先述した花粉媒介や害虫の個体群制御などの調整サービス、山菜やキノコなどの採取、伝統的な漁労などのマイナーサブシステンス（遊びと仕事を両方兼ねた活動）を含む文化的サービス、野生動物の生息場所を提供するという基盤サービスなどが含まれる。戦後、これらの里山林の多くは、木材生産性を上げることを第一の目的に皆伐され、スギ・ヒノキの人工林に転換された。また、戦後のエネルギー革命、化学肥料の開発による薪炭材・落葉の需要の低下に加えて過疎化等の影響も受け、放置された里山林、すなわち高齢の広葉樹二次林が多く見られるようになった。適度な人為の働きかけによって形成・維持されてきた二次的な自然環境は変質し、こうした環境に特有の多様な生物が消失したこと、過度な人工林化や森林改変によって天然林に特有の生物も分布域を縮小されていることなど、里山地域の生物多様性と生物多様性が維持してきた生態系サービスの一部は喪失の危機にある。

本研究では、里山域の二次的な森林生態系が現在さらされている過剰な人間活動や開発（オーバーユース）による危機と、それとは逆の、人間活動の低下や放棄（アンダーユース）による危機が、森林のもたらす生態系サービスに及ぼす影響を生態学的に検証する。そのために、里山域の人工林と広葉樹二次林を対象として、人間活動が森林の生物多様性と生態系機能（生態系サービスのポテンシャル）に与える正・負の影響を測定し、評価することを目指す。そのために、冷温帯域の太平洋側の緩やかな山間地（茨城県北茨城小川地域）と日本海側の急峻な山間地（福島
県只見地域）の里山景観内に試験地を設けて研究を進める。生態系機能のうち、生物多様性の影響が最も顕著に見られる代表的な調整機能について、その指標となりうる機能生物群を抽出し、生態系機能を定量的評価する手法を開発する。

## 2 ．研究目的

本研究では、森林の生物多様性が支える生態系サービスのポテンシャルとしての生態系機能を量的に評価するために、まず、生態系サービス（供給、調整、文化的サービス）に関与する指標的な生物群を抽出し、それら生物群の生息環境条件を明らかにする。次に、生態系機能（生産、花粉媒介、捕食寄生、分解など）サービスのポテンシャルに相当する生態学的な定量化手法を開発するほか、e-DNA（環境中から単離増幅過程を経ずに得たDNA）やDNAバーコーディングといったDNA情報を用いて、生態系機能につながる遺伝的多様性の定量化手法を開発する。そして、それらの定量化（生態系機能の評価）手法を用いて、森林タイプ・施業による生態系機能の違いを測定する。さらに、これらの機能を持つ生物群が維持する生態系の調整機能について、タイプや管理の仕方の異なる森林の構成パターンの違いによるランドスケープ間での比較を行い、森林の管理・配置がもたらすランドスケープレベルでの機能評価値の変動を解析し、天然生二次林に対する持続的な人的管理の減少と単一樹種からなる人工林への転換が流域に及ぼす調整機能低下の可能性を検証する。また、流域レベルでの森林管理の変化がもたらす調整サービスの変動を、河口域の藻場の形成を指標として定量的に評価する。最後に、新たな生物多様性・生態系機能評価の手法として、DNAバーコーディングを利用して、系統関係を考慮した森林の樹木多様性評価を試みるとともに、空中菌のインベントリ手法を開発し、菌類多様性を指標とした生態系機能評価の可能性を検討する。

### 3. 研究方法

## （１）生態系機能の指標となる機能グループ（機能生物群）の抽出

森林内で種数が多く、また生態系機能の持続性に直接的に関与する節足動物(主として昆虫)をターゲットとし、解析に用いた $ ^{4)} $ 。また生態系サービスには、供給、調整、文化、および基盤サービスなどがあるが、節足動物の持つ機能の多くは調整サービスを支えることから、調整サービスのポテンシャルを示す機能を対象とした。小川・里美地域での生物多様性インベントリで実際にサンプリングされた各分類群レベルでの種数、個体数データを用いて各分類群の機能を明らかにした。また、組成に関する文献データにもとづき、調整機能の中から、花粉媒介機能、捕食(寄生)機能、分解機能について指標種群を抽出した。どのレベルの分類群をとりあげるか、また種数・個体数など評価可能な定量的指標のどれが適当かを総合的に判断した。

## （２）森林タイプ間の機能量の比較

小川の各森林タイプでマレーズトラップ（飛翔性昆虫用）、ピットフォールトラップ（地上徘徊性昆虫用）、竹筒トラップ（生態観察も可能なトラップ）等で節足動物の同定、集計データの解析を行った。このデータ解析をもとに、林齢の異なる広葉樹天然林とスギ人工林での比較を行った。只見地域では誘引トラップ（特定の飛翔性昆虫用）、竹筒トラップによって対象節足動物群のサンプリングを行い、機能群の多様性インベントリデータを収集し、このサンプルをもとに指標的な花粉媒介機能生物群の定量評価を進める。
## （３）樹木による野生鳥獣の餌資源供給機能の定量評価

野生鳥獣は調整サービスの中の生物的防除（Biological control）の役割を果たす重要な機能群である。このことから森林は動物の生息環境の提供という基盤サービスの1つを提供しているといえる。樹木による野生鳥獣への餌資源の供給機能を評価するために、小川群落保護林の長期観測から得られた樹木の繁殖開始サイズに関するデータ、広葉樹二次林およびスギ人工林の組成・サイズ分布データ、種子のカロリーデータを用いて、相互に比較可能な定量評価を試みた。

## （４）ランドスケープレベルでの生態系機能の地域間での比較

ランドスケープ全体が強く人間活動の影響を受けてきた阿武隈山地と、背後に自然度の高いブナ林を維持しつつ里山的な利用を受けてきた只見地域の比較のために、只見地域の広葉樹林において、花粉媒介機能を代表するハナバチおよびハナカミキリの種数を観測した。採集にはバケツトラップを用いた。

## （５）ランドスケープレベルで森林がもたらす調整サービスの定量評価

既往調査に基づくデータ及び衛星画像を用いて、流域とその沿岸を単位として、全国規模の森林率、流域の降水量、流出点から20km圈内の地形傾斜、水質、風波指標を抽出したデータセットを作成し、森林が沿岸のアマモ場形成に与える効果を評価した。データセットは一級河川のうち小流域を除いた大流域と、その他の小流域の2つの流域規模とに分割して双方を比較の対象とし、それぞれ流出点・海岸線から20km圈内のアマモ場の分布との関係をモデル化した。

## （6） DNA解析にもとづく新しい多様性評価手法（e-DNA、DNAバーコーディング）の開発

DNA解析にもとづく新しい多様性評価手法（e-DNA、DNAバーコーディング）の開発を進めた。e-DNAについては、遺伝子の劣化を伴わない空中歯捕捉手法として昆虫の誘引トラップ容器の利用を検討した。菌の捕捉はその他の機能群調査と共通の只見のインベントリサイトで行った。これらの菌についてDGGE（変性剤濃度勾配ゲル電気泳動法）、T-RFLP（末端断片長多型解析）でのプライマーの選択、条件設定をすすめた。DNAバーコーディングについては、葉緑体DNA上のrbcL遺伝子塩基配列による系統関係を利用し、小川の調査林分内の遺伝的多様度の評価や林分間の相違度の推定に利用可能かどうかを確認した。
## 4 ．結果・考察

（１）生態系機能の指標となる機能グループ（機能生物群）の抽出

森林タイプ及び遷移段階の異なる林分で採集された節足動物の種数・個体数及び既往文献から森林性の節足動物の機能群とその機能を代表する分類群を抽出した。

その結果、花粉媒介機能としてハナバチ・ハナアブ(図42)、捕食寄生機能として寄生蜂・カリバチ・ゴミムシ(図43)、分解機能としてカミキリ・トビムシがそれぞれ生態系で優占すること、既存の文献情報から機能量が大きいと示唆されること、調査が容易であることなどの理由から、指標として適当であると結論した。

それぞれの機能の定量的評価には、種数と個体数の2つのパラメータを考慮するのが適当と考えられた。ハナバチ、ハナアブ、ゴミムシ、カリバチ、カミキリについては選好性を示す対象（花粉媒介者では花、捕食者では餌動物、分解者では樹木の種類）がそれぞれ幅広く、機能を示す対象生物はオーバーラップする（例：ニホンミツバチの好む花の種類は極めて多い。またクロマルマルハナバチの好む種類も多く、ミツバチの好みと部分的に一致する）。一方で1個体当たりの機能量の測定は現状では不可能

図42 ソバ訪花昆虫を構成する分類群（個体数）。ハナバチ類が最も優占する。

図43 小川広葉樹林優占樹種の食植者に対する捕食天敵者の組成（種数）

である。このことから、ある機能群の種数が増えることによって、機能を享受する受け手側の生物の種数も増えると予測することができる。従って実際にトラッピングによって定量評価する上では、種数を指標とすることが適当と考えた。これに対して寄生蜂は特定の寄主（寄生相手）に依存している割合が高い。またトビムシでは、同一分類群の中で菌食者、腐植者などの機能の細分化が行われている。従って、寄生蜂やトビムシでは個体数が指標として適当であると結論づけた。

## （２）森林タイプ間の機能量の比較

上述した機能群の抽出にもとづき、小川地域の広葉樹二次林およびスギ人工林での生物種インベントリデータから、各機能群の林齢(皆伐からの時間経過)および森林タイプに対する個体数・種数を指標として評価した森林の調整機能の変化を解析した。取り上げた調整機能の多くは、皆伐からの時間経過にともない低下すること、また人工林への転換によって低下することが示唆された。ただし、ゴミムシによる捕食機能やトビムシによる分解機能（細分化しないもの）など林齢及び人工林化の影響を大きく受けない機能群もあることも示された。花粉媒介機能を担うハナバチ及び捕食寄生機能を担う寄生蜂の2つの機能群については、アンダーユースとオーバーユース（人工林への転換）の両影響で、ポテンシャルな機能量が低下することが示唆された（図44，45）。
図44 花粉媒介機能を代表するハナバチ

の種数の森林タイプと林齢に対する反応

図45 捕食寄生機能を代表する寄生蜂（コマユバチ類）の個体数の森林タイプと林齢に対する反応

## （３）樹木による種子食者への食物資源供給機能の定量評価

森林を構成する樹木は、木材や繊維、水などの供給機能、あるいは炭素固定や酸素供給などの

基盤機能の大きな担い手であるが、樹木多様性が強く関わる生態系機能の1つとして、種子食者である野生鳥獣への食物資源の供給機能がある。対象樹木の果実生産量(堅果[ナッツ]と液果の2タイプ)を繁殖可能なサイズや樹木のサイズと繁殖量の相対成長関係をもとに幹ごとに推定し、各森林タイプの樹木の組成とサイズ分布から単位面積あたりの資源量(カロリーベース)の定量評価を試みた。

図46 野生動物に対して種子食物資源を供給する機能の評価

小川地域での森林インベントリデータから、広葉樹二次林では堅果類の資源量は林齢とともに増加するが、液果類では壮齢林で最も高く、老齢林では液果類の資源量が低下する可能性があること、また脂質系の液果類は若齢林に多いこと、他方、スギ人工林では林齢が増加しても、種子食者の食物資源の供給機能は期待できないことなどが示唆された（図46）。
## （４）ランドスケープレベルでの生態系機能の地域間での比較

只見地域の里山林では、新たな伐採活動がほとんど行われていないため、伐採直後の幼齢広葉樹二次林は存在しなかった。林齢10年程度の若齢コナラ林では、ハナバチ、ハナカミキリとも、老齢ブナ林と比べ、出現種数が少なかった（図47，48）。しかし、壮齢コナラ林では、ハナバチは、老齢ブナ林に匹敵する出現種数を、ハナカミキリも若齢ブナ林に比べて高い種数を示した。阿武隈山地での結果と同じく、二次的なコナラ壮齢林でも、老齢ブナ林と同様な機能を維持する可能性が示された。ただし、トラッピング手法・期間等が両者で異なり、この結果を単純に比較することはできないので、より詳細な解析や、追加的なデータが必要である。

図47 只見地域の広葉樹林でのハナバチ種数

図48 只見地域の広葉樹林でのハナカミキリ種数

## （５）ランドスケープレベルでの森林タイプ・面積が生態系機能（サービス）に及ぼす影響の評価

ハナバチ等による花粉媒介機能(サービス)の供給量を、周辺の森林面積・森林タイプをパラメータとして、モデル化した結果、森林および草地という自然植生の面積とともに、森林を構成する広葉樹林の面積が正の効果を持つことが明らかになった。また、針葉樹人工林と広葉樹林の配置は、花粉媒介ないし捕食天敵機能をもつハチ類の個体数に影響を及ぼしており、花粉媒介ないし捕食天敵サービスの供給の増加に、隣接する広葉樹林が重要であることが示唆された(図49)。流域スケールで森林が他の景観にもたらすサービスを沿岸部でのアマモ場の分布を指標として評価したところ、小流域で森林率が正の効果を持つことが明らかになった(図50)。

図49 森林タイプの組み合わせによるハナバチ・カリバチ類の個体数の違い
図50 小流域における森林率とアマモ場の数

（6）DNA解析にもとづく新しい多様性評価手法（e-DNA、DNAバーコーディング）の開発 e-DNAを用いた空中菌の多様性評価手法の開発においては、DGGE、T-RFLPでのプライマーの選択、条件設定を進め、一定の検出感度を得ることができた。また、森林内での胞子捕捉法としてトラップ利用法の有効性を確認した。また、樹木多様性の簡便な遺伝的評価手法として、菓緑体DNA上のrbcL遺伝子の一部領域（約600ベース）の塩基配列をもとにしたDNAバーコーディング手法を只見のインベントリサイトの森林データに適用し群集構造を検討した結果、スギ林でも広葉樹林でも、老齢に対して若齢や壮齢では、相対的に近縁種が共存しやすい傾向が見られた(図51)。つまり、施業により若齢・壮齢林分を一定割合配置することは、近縁種にとってのニッチを形成し、生物多様性に富む森林景観が形成されるということが示唆された。

図51 各森林タイプにおける近縁性の指標Net relatedness index（NRI, 灰色）およびNearest taxon index（NTI, 白抜き）. 添え字の異なる林分タイプ同士は有意に異なる
## 5 ．本研究により得られた成果

## （1） 科学的意義

本研究では、森林の生態系機能の中で、生物多様性が最も強く関与すると考えられる花粉媒介、捕食寄生、分解といった調整機能を対象として、それらの機能の指標となる節足動物の機能群を抽出し、種多様性をベースにした森林生態系機能の変動の定量的評価手法を開発した。これまで様々な生物群の種多様性評価は試みられてきたが、その生態系機能との結びつきを明示的に評価した例はなく、新しくまた意義ある試みと考える。さらに、森林の樹木がもつ種子食者への食物資源供給機能を、個々の樹木の繁殖生態および林分の種組成から統一的にカロリーベースで評価する試みも全く新しいものであり、野生生物を含む生態系管理にとって重要な情報を提供できる可能性がある。DNA解析にもとづく新しい多様性評価手法についても、空中菌の捕捉からその組成の解析に至る手法のベースを確立するとともに、DNAバーコーディングの森林群集レベルでの遺伝的多様性を加味した生物多様性評価への適用可能性 $ ^{5)} $ を確認することができた。基質嗜好性の高い空中菌、分解者という機能群である菌類を対象とした多様性評価のアプローチはその生態系における生物多様性評価に新たな側面を与えるものである。

## （２）地球環境政策への貢献

第三次生物多様性国家戦略では生物多様性に悪影響を与える脅威として、3つの主要な危機のほか、温暖化による危機をあげている。これらが種の多様性に大きな影響を与えるであろうことは概ね一般的な理解を得ているといえるが、定量化した実例がほとんどなかった。さらに国家戦略では生物多様性を「いのちと暮らしをささえる」基盤としてとらえており、人間社会における生物多様性の重要性を示しているが、生物多様性が果たす機能や人にもたらすサービスの定量化は、必ずしも進んでいなかった。本研究では生態系サービスの元となる生態系機能の定量化手法を開発したことから、生物多様性が支える生態系サービスの定量化の基盤ができたといえる。また第一の危機と第二の危機による生態系機能の劣化を数値化して示すことが可能になった。従って、国家戦略に基づく管理計画などで、管理の必要性の説明や管理後の予測に利用することが可能である。

また第二の危機は森林生態系に関して、社会の変化により里山との乖離が起こっていることを示唆する。我が国独特の里山的な人と自然の共生形態が劣化してゆくと生物の種多様性だけでなく、生態系機能にも影響を及ぼすことを明らかにしたことは、里山イニシアティブにおける自然共生の重要性を科学的に示したといえる。

さらに、公開シンポジウムにおいて、このような成果を地域住民の方々に普及・広報した。

### 6 \. 引用文献

1) ミレニアム生態系評価（2008）生態系サービスと人類の将来（横浜国立大学21世紀COE翻訳委員会訳）．オーム社

2) バスキン、イボンヌ（2001）生物多様性の意味—自然は生命をどう支えているのか、ダイアモンド社

3) Dobson, A., Lodge, D., Alder, J., Cumming, G. S., Keymer, J., McGlade, J., Mooney, H., Rusak, J. A., Sala, O., Wolters, V., Wall, D., Winfree, R. and Xenopoulos, M. A. (2006) Habitat loss, trophic collapse, and the decline of ecosystem services. Ecology 87: 1915-1924.
4) Abdul Malque, M., Ishii, H. T. and Maeto, K. (2006) The use of arthropods as indicators of ecosystem integrity in forest management. Journal of Forestry 104: 113-117.

5) Webb, C. O., Ackerly, D. D. and Kembel, S. W. (2008) Phylocom: software for the analysis of phylogenetic community structure and trait evolution. Bioinformatics 24(18): 2098-2100.

### 7. 国際共同研究等の状況

1) Conservation of Forest Biodiversity （森林の生物多様性保全のための日加共同プロジェクト）, Dr David Langor, Canadian Forest Service, Canada: 侵入生物、気候変動、森林の人為的改変等、森林の生物多様性の減少要因の解明のための日加二国間プロジェクトの立案中であり、現在、森林総合研究所とCanadian Forest Service間の了解覚書(MOU)締結の準備中である。

## 8 ．研究成果の発表状況

## （1） 誌上発表

## <論文(査読あり)>

1) Kikuchi, S., Shibata, M., Tanaka, H., Yoshimaru, H., Niiyama, K. (2009) Analysis of the disassortative mating pattern in a heterodichogamous plant, Acer mono Maxim. using microsatellite markers. Plant Ecology, Online First.

2) Taki, H., Inoue, T., Tanaka, H., Makihara, H., Sueyoshi, M., Isono, M., Okabe, K. (2010) Responses of community structure, diversity, and abundance of understory plants and insect assemblages to thinning in plantations. Forest Ecology and Management 259: 607-613.

3) Yamaura Y, Taki H, Makihara H, Isono M, Fujita Y, Okabe K. (2011) The revisitation of sites surveyed 19 years ago reveals impoverishment of longhorned beetles in natural and planted forests. Entomological Science 14:56-67.

4) Taki H, Yamaura Y, Okochi I, Inoue T, Okabe K, Makino S. (2010) Effects of reforestation age on moth assemblages in plantations and naturally regenerated forests. Insect Conservation and Diversity 3:257–265.

5) Yamakita, T., Watanabe, K., Nakaoka, M. (2010) Asynchronous local dynamics contribute to the stability of a seagrass bed in Tokyo Bay. Ecography in press.

## くその他誌上発表(査読なし)>

1) 牧野俊一 (2008) 森林昆虫の多様性と多義性. 山林 1489:54-57, 2008年6月

2) 岡部貴美子（2008）森林の適正配置及び森林計画：林業地域における生物多様性保全技術(大河内勇編). 日本林業科学技術振興所、東京、p78-87.

3) 牧野俊一 (2008) 森林タイプ・林齢と生物多様性との関係: 林業地域における生物多様性保全技術 (大河内勇編). 日本林業科学技術振興所、東京、p17-34.

4) 牧野俊一（2009）人工林の生物多様性：森林環境2009（福山研二・安田喜憲編）森林文化協会、東京、p74-82.

5)滝久智, 2010. 人工林の間伐は生物多様性を短期的に高める. 季刊森林総研 11:16-17.

6) 滝久智, 2010. 森林の生き物を考慮した景観（ランドスケープ）管理. 山林 1514:27-32.