JP2005052045A - 植物が環境に及ぼす影響の定量的評価システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、土壌―植物―大気の循環系における放射、エネルギー、水及び二酸化炭素の交換プロセスに基づいて、植生の環境への影響を評価するシステムを提供する。
【解決手段】植物が生育している一定範囲の評価地域をレーザ光切断法により観測し、評価地域の植物群落の三次元構造を一次元樹冠構造データとして得る樹冠構造データ取得手段１０と、一次元樹冠構造データと、地理情報システムによって得られる評価地域の地理情報とから、植物の生理・生化学的活動が評価地域の環境に及ぼす影響を時系列的に評価する評価手段２０とを備えている。
【選択図】 図６

Description

本発明は植物が環境に及ぼす影響の定量的評価システムに関する。

評価地域における植物群落の時・空間的な変化は、評価地域における水・熱の動きに影響を与えるのみならず、周辺地域の気象や大気環境にまで影響を及ぼす。従って、評価地域における環境変化を評価するために評価地域の植物群落を考慮した多数の評価システムが開発された。そのような評価システムは、評価地域に関する植物群落及び気象データ等の多数の情報を要求するため、その情報を収集するためには、人的・物的投資が必須不可欠である。例えば、森林開発による土地利用の変化により、今後予想される環境変化又は森林管理による水・熱輸送プロセスの変化を評価するためには、観測データを収集する必要があることから、評価に至るまで多大の時間、労働、物的投資を必要とし、効率性が悪い。そのような現状を踏まえて、情報要求を充足させるために様々な林冠及び気象に関する測定法が開発され、使用されている。

樹冠構造測定法とは、葉や枝等が形成する樹冠を測定し、それらの情報を数値データとして表す方法である。体表的な樹冠構造の情報としては、葉面積指数（ＬＡＩ：lear area index）、断面積指数（ＢＡＩ：Branch area index）、葉傾斜角及びそれぞれの垂直分布がある。例えば、ＬＡＩはＬＡＩ−２０００（Canopy Analyzer（LI-cor社））等の樹冠構造測定装置を用いて非破壊的に測定する方法と、リターフォールから葉面積を求めるリタートラップ法と、実際に葉を刈り取って破壊的に面積を測定する方法とがある。また、葉の傾斜角はクリノメータを用いて葉１枚１枚を測定することによりその情報が得られる。

植物群落において生じる水及びエネルギー交換プロセスを評価するために多くの数値モデルが開発され、それらのプロセスと樹冠構造との関係に関する研究が行われている。そのような数値モデルは、樹冠をどのように取り扱っているのかにより二つのタイプに分類される。一つの数値モデルは、図１（Ａ）に示すように、樹冠を１枚の葉として取り扱うbig-leaf型モデルである。他の一つのモデルとしては、図１（Ｂ）に示すように、樹冠の空間的構造の違いを考慮し、その構造が諸プロセスに及ぼす影響を詳細に評価する多層モデルがある。

これら従来の評価方法によっても、植物の生理・生化学的活動が評価地域の環境に及ぼす影響を評価することは可能である。

また、建物や樹木等のデザインを再現し、表面温度の予測ができる熱環境の予測方法等も知られている（特許文献１）。この予測方法は、空間構成要素を三次元空間に形成し、所定間隔ごとの高さについて、上記空間構成要素を切断し、生成された平面図形の座標を取得し、上記平面図形を所定のメッシュに分割し、この各メッシュに部位固有の情報を与え、上記各メッシュについて、熱収支計算を行い、表面温度を算出し、上記表面温度に基づき、熱環境評価指標を算出するものである。この方法を用いても、植物が生育している一定範囲の評価地域における植物が環境に及ぼす影響を評価できると考えられる。
特開２００３−９９６９７号公報

しかし、樹冠構造測定においてリタートラップ法を用いる場合は、リターフォールの空間性が大きいため、多数のリタートラップの設置が進められると同時に長期間の観測が要る。さらに、この方法は葉量と面積以外の他の情報が得られない大きな問題がある。また、ＬＡＩ−２０００等の測定装置は、簡便であるものの、樹冠の距離情報が得られないとともに、高価な装置であることからコストの高騰化が生じる。樹冠から葉を刈り取る方法は、環境にダメージを与えるとともに、同一の評価地域を継続して測定することを不可能にする。クリノメータを用いる葉傾斜角の測定は、葉１枚１枚を測定するため、非省力的であることや測定者による個人差が生じる懸念もある。

また、数値モデルのうち、big-leaf型モデルは、簡便であるが、モデルに用いられるパラメータの一部は、複雑な非線形的自然現象を単純に線形化させたため、様々な気象環境に対する適用性に問題がある。また、この方法は、対象地域の森林の詳細な微気象データを時系列的に取得しなければならず、そのために観測タワー等、観測施設設置等の一連の作業が必要である。また、多層モデルは、非線形的な自然現象を充分考慮したものの、パラメータが多い。特に、一部のパラメータは、経験的に与えられる。

他方、特許文献１の方法は、植物の表面からの蒸発散過程を考慮しておらず、植物が環境に及ぼす影響の評価には適切ではない。すなわち、熱環境は基本的に温度、湿度により変化するものであり、熱環境の正確な予測には、評価地域に生育している植物の影響が無視できない。特に、植物からの蒸散は大気の温度・湿度に影響し、それによって熱環境が変化する。この方法は、建物や樹木などのデザインを再現することを主眠として熱環境を予測しているので、植物の生理・生化学的活動を考慮してはいない。また、この方法は、評価地域の三次元構造を把握するものであり、将来予測には不適切である。

したがって、森林が生育している一定範囲の評価地域を対象にし、長期間・連続的なモニターリングを通してその評価地域における水・熱の循環の実態を明らかにした上で、その評価地域の生態系を構成する個々の環境空間の変化に伴う水文環境の変動を検知し、その影響を評価するシステムを開発する必要がある。

本発明は、土壌―植物―大気の循環系における放射、エネルギー、水及び二酸化炭素の交換プロセスに基づいて、植生の環境への影響を評価するシステムを提供することを解決すべき課題としている。

本発明の植物が環境に及ぼす影響の定量的評価システムは、植物が生育している一定範囲の評価地域をレーザ光切断法により観測し、該評価地域の植物群落の三次元構造を一次元樹冠構造データとして得る樹冠構造データ取得手段と、
該一次元樹冠構造データと、地理情報システムによって得られる該評価地域の環境情報とから、植物の生理・生化学的活動が該評価地域の環境に及ぼす影響を時系列的に評価する評価手段とを備えていることを特徴とする。

樹冠構造データ取得手段は、植物が生育している一定範囲の評価地域をレーザ光切断法により観測し、その評価地域の三次元樹冠構造を一次元樹冠構造データとして得る。レーザ光切断法によれば、非破壊的に評価地域を測定し、数多くの樹冠情報（葉面積指数、葉傾斜角、葉の鉛直分布等）を短時間に取得することが可能である。発明者らは、評価地域の三次元構造を一次元樹冠構造データとして得るレーザ光切断法を先に提案している（特願２００１−３４９８５７）。

樹冠構造データ取得手段は、図２に示すように、例えば、波長６８５ｎｍの赤色レーザ光と波長８３０ｎｍの近赤外レーザ光のいずれかを選択的に出射可能なレーザユニットと、測定対象物から反射された光の像（反射輝度）を撮像可能なＣＣＤカメラと、ＣＣＤカメラで撮影された画像データを記憶するとともに、レーザユニット及びＣＣＤカメラの動作を制御する汎用パーソナルコンピュータなどの制御装置で構成され得る。

また、本評価システムは、そうした樹冠構造データ取得手段で得られた一次元樹冠構造データと地理情報システム（ＧＩＳ： Geographic Information System）によって得られる評価地域の環境情報とから、植物の生理・生化学的活動が評価地域の環境に及ぼす影響を評価する。ＧＩＳによって得られる評価地域の地理情報は市販又は自治体により整備されているものに基づく。データベース化されるべき具体的な情報としては、図３に示すように、評価地域の地表面状態を表す土地利用情報（例えば、農地、都市、森林等）と、土壌型、地質及び地形等の土壌情報等の地理情報と、降雨量、風速、温度、湿度、及び日射量等の気象データがある。

数値モデルは、図４に示すように、土壌−植生−大気間における熱、水蒸気及び二酸化炭素交換を評価する一次元多層モデルである。各プロセスの評価は、微気象モジュールと生理・生化学的モジュールを結合することにより可能になる。具体的に、微気象モジュールは、葉面と土壌表面におけるエネルギー収支、乱流拡散を基礎とする微気象変化及び放射収支に関するモデルで構成される。また、生理・生化学的モジュールはコンダクタンスモデル、蒸散及び光合成に関するモデルで構成される。

数値モデルは、こうした一次元樹冠構造データとＧＩＳの情報とを用いて、土壌―植物―大気の循環系における放射、エネルギー、水及び二酸化炭素の交換プロセスに対して植物が及ぼす影響を評価する。数値モデルの詳細は以下で記述する。

「微気象モデル」
個々の葉と群落内大気との間で交換される運動量、熱、水蒸気及び二酸化炭素等は、乱流によって上下方向に輸送され、群落上の大気との間で交換が行われる。このとき、葉によるシンク／ソースの強度と乱流による輸送効率のバランスによって、群落内部の風速や気温等の平均分布が決まる。森林上の空気塊が森林内へ直接侵入すると、風は葉の茂る樹冠部ですぐ弱まるが、群落下部では緩やかに減少する。すなわち、群落内の平均風速は、葉面積密度（Ａ）の大きさやその分布によって異なる。この現象は、次のような２次モーメントの収支式より表現できる。場が定常で水平一様のとき、平均風速（ｕ（オーバーラインを省略する。））の運動方程式は、数１と書ける。

ここで、ｕ´ｗ´（オーバーラインを省略する。）は運動量のフラックスであり、ｃ_dは個葉の抵抗係数である。群落下の地面は、運動量を吸収するシンク（ｕ´ｗ´（オーバーラインを省略する。）＜０）となる。従って、群落内のいずれの高さでも、運動量輸送は下向き（ｕ´ｗ´（オーバーラインを省略する。）＜０）となる。乱流による群落内外への運動量の輸送は、葉面への顕熱や水蒸気の輸送と兼ね合ってスカラ（気温、湿度等）分布を決める。その過程を数２と表わす。

ｘはスカラであり、Ｓ_xは葉面と群落内の大気間の勾配により生じるスカラのソース（貯留）である。

群落上の空気塊が群落内に直接侵入するとき、群落外の低温低湿な空気が高温高湿の樹冠部を通り越して群落内に運ばれ、平均温度や平均湿度の局所的な勾配とは逆向きのフラックスが生じる。そのフラックス（ｗ´ｘ´（オーバーラインを省略する。））は数３と表わされる。

ここで、右辺第１項はシアー生成項、第２項は拡散項、第３項は圧力による再配分項、第４項はシンク／ソース項である。群落よりも上の接地境界層では、平均風速に比べ、シアーストレスが高さ方向にあまり大きく変化しない。そのため、上式における拡散項の寄与は大きくないと考えられる。ところが、群落内では、風の運動量は群落上部で強く吸収され、シアーストレスの大きさは群落上部から深さとともに急速に減少する。ここに、乱流輸送の効果が加わる結果、シアーストレスは正味として群落上部から下方へ輸送されることになる。

数３では、空気塊の直接侵入による運動量輸送の効果を表現しているため、数１と数３とを組み合わせると、風速の平均分布が計算される。同様に数２と数３とを用いることにより、スカラ成分の分布が得られる。３次クロージャーモデルは２２個の連立方程式で構成され、２２個の未知数は中心差分法により近似される。３次クロージャーモデルの詳細については、Meyers and Paw （1986,1987）を参照されたい。

「群落内の放射伝達」
群落の上端に入射する日射エネルギーは、群落中の葉や枝等に遮られ、吸収・反射・透過の過程を経て、下層に入るにしたがって弱くなる。植物の葉は、太陽光の全成分を吸収するわけではなく、光合成に有効な波長（ＰＡＲ）をよく吸収し、それより長い波長の近赤外域（ＮＩＲ）はほとんど吸収しない。樹冠を透過する日射光において散乱光と直達光により透過過程が異なるため、それらを考慮し日射透過プロセスを計算する。図５がそのプロセスの模式図である。図５から高さｚに流入する直達日射量（Ｑ_b）と高さｚ＋１から反射する散乱光（Ｑ_d）は、数４及び数５で表される。

ここで、τは透過率、ρは反射率、ｆ_bは直達光の率、Ｉ_bは散乱されずに通過する確率、Ｉ_dは散乱光が葉層を通過する確率を表す。数４と数５の下付き文字ｄは散乱光を、ｂは直達光を表す。また、↓は日射成分の下向き、↑は上向きを表す。

群落上端から入射した直達日射が散乱されず、透過する確率は数６と表わし、日射の散乱成分が樹冠を通過する確率は数７と表わす。

ここで、Ｈは太陽高度、Ｌは葉面積指数、Ｇは葉層内の葉面積と太陽光の入射方向に垂直な面への投影面積との比、Ωは葉の固まりを表す係数である。Ｇは、個葉の傾斜角α、方位角βから決まる同様の関数Ｇ_ｌ（α,β,Ｈ）を群落全体で平均化したもので与えられる。個葉の傾斜角の分布密度関数をｇ（(α)とすれば、Ｇは数８で表される。なお、個葉の関数Ｇ_ｌは数９で表される。

上式らは、短・長波全域の日射について成り立つが、ＰＡＲは葉に吸収されやすいので、葉の反射率、透過率の値は波長毎に区別して与える必要がある。

同様に、長波放射（Ｑ_l）も数１０と数１１とを用いて近似する。

ここで、Ｔ_sは葉表面温度、ε_lは射出率、σはステファンーボルツマン定数である。放射収支モデルの詳細はNorman （1979）を参照されたい。

「個葉のエネルギー収支」
個々の葉によって吸収される放射エネルギーは顕熱、蒸発散の潜熱、長波の再放射及び樹体貯熱に配分される。それぞれへのエネルギー配分の割合は、葉の周辺における風速・気温・湿度等気象条件の他、気孔の開閉度によって変化する。個葉のエネルギー収支は数１２で表される。

この式において、Ｒ_nは純放射量であり、Ｃ_pは空気の定圧比熱、ρ_aは空気密度、Ｔ_aは大気温度、Ｌ_vは水の蒸発の潜熱、ｇ_bとｇ_sとはそれぞれ葉面境界層コンダクタンスと気孔コンダクタンス、ｑ_s(Ｔ_s）とｑ_aとはそれぞれ葉表面における比湿と大気の比湿である。ここで、Ｒ_nは前述した放射収支モデルから計算された短波と長波放射の収支で与えられる。

上式の右辺各項は順に、葉が放出する長波放射エネルギー、顕熱及び潜熱交換を表す。その式に気象データやコンダクタンスの値を入力して葉面温度を求め、その温度を用いて顕熱及び潜熱が計算される。葉面温度Ｔ_sはPaw （1987）が提案した２次方程式の解として与えられる。このエネルギー収支は後述する光合成モデルと相互関係を保っている。具体的に、エネルギー収支式から求められた葉面温度は光合成モデルに入力され、光合成、呼吸量、気孔コンダクタンス等が計算される。そこで計算された気孔コンダクタンスは、またエネルギー収支式に入力データとして用いられる。これらのプロセスは数値的に解けられる。

降雨時の個葉による遮断蒸発過程はTanaka （2002）のモデルを用いて計算する。

「個葉光合成モデル」
個葉における光合成の生化学的環境反応はFarquharら （1980）のモデルを用いて数１３で計算する。

ここで、Ａ_nは二酸化炭素同化速度、Ｖ_cはカルボキシレーションの反応速度、Ｖ_oは酸素の同化速度、Ｒ_dは呼吸速度である。このモデルにおいて、単位葉面積あたりの二酸化炭素同化速度は、葉内二酸化炭素分圧に応じて、Rubisco酸素律速による同化速度（Ｊ_R）、光化学系電子伝達活性律速による同化速度（Ｊ_E）の最小値で与えられる。

Rubisco酸素律速による同化速度が最小値になった場合は、数１４で与えられる。

ここでＶ_cmaxはカルボキシレーション反応の最大速度、Ｃ_iは葉内の二酸化炭素濃度、Ｏ_iは葉内のＯ₂濃度、Γは葉内二酸化炭素濃度の補償点、Ｋ_cとＫ_oはそれぞれ二酸化炭素と酸素に対するMichaelis定数である。

最小値が、ＰＡＲに対する光合成の依存性を表す光化学系電子伝達活性律速の同化速度である場合、数１５で与えられる。

ここで、Ｊは電子伝達の飽和率であり、２次方程式の解として与えられる。

植物は気孔を通して、まわりの大気と二酸化炭素だけではなくＨ₂Ｏも同時に交換している。葉内の二酸化炭素同化速度と気孔コンダクタンス（ｇ_s）との関係は、数１６で表す（Collatz et. al, 1991）。

ここでＣ_sは葉表面の二酸化炭素分圧、ｒｈは相対湿度、ｍとｇ_oは係数である。このモデルは、葉に吸収されるＰＡＲ、大気と葉面の温度、大気の二酸化炭素分圧、水蒸気圧、および葉面境界層のコンダクタンスが既知であれば、Ａ_n、ｇ_s、葉表面の二酸化炭素分圧、水蒸気圧、葉内二酸化炭素分圧の変数が連立方程式によって与えられる。それらすべての変数は互いに非線形関係を持っているため、解を解析的に得ることはできず、数値的に繰り返し計算を行って求めることになる。

「土壌温度、水分移動」
土壌中の熱の移動は、主に伝導によって行われる。その他に、水、ガスの移動に伴っても輸送される。土壌は土粒子、水、気体から構成され、熱の移動はこれら３相の混合状態に大きく左右される。熱移動は数１７で与えられる。

ここでＣ_sは土の体積熱容量、λ_sは熱伝導率、Ｑ_Hは熱貯留量である。土壌中の温度分布は、時間変化するが、それは地表面に与えられるエネルギーで駆動される。したがって、地表面における放射、顕熱、潜熱フラックスの収支が境界条件として与えられる。

水のポテンシャル差によって移動が決まる土壌水分の分布は数１８で与えられる。

Ｋ_sは飽和透水係数、ｇは重力加速度、Ｕは植物の根からの吸収を表す。土壌水分は、流入する降雨、地面からの蒸発量、蒸散及び流出により変化する。降雨量及び地面蒸発量が境界条件として与えられる。

本数値モデルと他のモデルとの比較を表１に示す。表１において、「Ｈ−Ｃ」はHigher-Order Closure Model （Meyers and Paw U, 1986）、「２ｎｄ−Ｃ」はSecond-Order Closure Model （Wilson and Show, 1977）、「Ｎ」はNorman (1979)のModel「単葉scale up」は単葉から樹冠へのスケールアップ、「勾配」は勾配（ポテンシャル）差により移動すること、「×」は考慮されないこと、「○」は考慮されることを示す。

「評価システムの効果」
レーザ光切断法は、樹冠構造を非破壊的に測定するため環境保全的であり、葉面積指数、葉面積密度、断面積、及び葉・枝の傾斜角等とそれらの距離情報が短時間で得られる。

既存の地理情報や気象データ（自治体、気象庁メッシュデータ）の使用により、観測作業の軽減を実現し、高経済性（観測施設費や機器購入費の軽減）を発揮する。

伐採等の森林管理により森林構造が変わった場合、森林内水・熱輸送などの諸プロセスがどのように変化するのかが数値モデルにより予測可能になる。また、森林の成長や大気環境の変化が諸プロセスに及ぼす影響を予測することができる。さらに、数値モデルは地表面上で発生する諸プロセスを詳細に表現しているため、ＧＣＭ（Global Circulation Model）等に地表面過程評価モデル（Land Surface Model）として利用することができる。

評価システムにより得られたデータは、ＧＩＳ等と連携してデータベースを構築することにより、行政や森林所有者等へ森林管理情報として提供し、森林資源の有用な活用に資することができる。

「評価プロセス」
本評価システムは、図６に示すように、樹冠構造データ取得手段１０と、数値モデルを用いた評価を行う評価手段としてのパーソナルコンピュータ２０と、地理情報システム３０とからなる。樹冠構造データ取得手段１０は、レーザユニット１１により波長６８５ｎｍの赤色レーザ光と波長８３０ｎｍの近赤外レーザ光を走査し、測定対象物から反射された反射輝度をＣＣＤカメラ１２が撮影する。その画像データはパーソナルコンピュータ２０に記憶される。パーソナルコンピュータ２０は、ＣＣＤカメラ１２が取得した画像データを解析し、樹冠構造データを出力する。

数値モデルによる評価は、図７に示すフローチャートに従って行う。まず、ステップＳ１０において、解析された一次元樹冠構造データとＧＩＳによって構築された評価地域の地理情報及び気象データが入力される。そして、ステップＳ２０において、一次元樹冠構造データと、地理情報及び気象データとから、植物の生理・生化学的活動が評価地域の環境に及ぼす影響を時系列的に評価する。この際、まず、ステップＳ２１において、放射収支、表面温度、光合成、エネルギー収支、土壌表面のエネルギー収支、土壌温度・水分移動を計算する。そして、ステップＳ２２において、風速、温度、湿度、及び二酸化炭素等のプロファイルを計算する。また、ステップＳ２３において、エネルギー及び運動量フラックスプロファイルを計算する。これらステップＳ２１〜Ｓ２３は相互に関連性を有するため、一定の条件を満たすまで繰り返す計算を行う。そして、ステップＳ３０において、計算結果を出力する。

より具体的に計算プロセスを説明すると、
（１）気象データ（温度、湿度、風速、日射量、PAR、降水量、二酸化炭素濃度）と地理情報を読み込む
（２）LAIの鉛直分布を計算する。
（３）太陽高度、及び樹冠での放射（ＰＡＲ、ＮＩＲ）プロファイルを計算する。
（４）初期値の風速成分のプロファイルを計算する。
（５）気孔コンダクタンスを推定する。
（６）長波プロファイルを推定する。
（７）表面温度を計算してから、光合成、呼吸量、及び気孔コンダクタンスを計算する。
（８）土壌表面におけるエネルギー収支と表面温度、土壌水分及び温度の分布、土壌呼吸量を計算する。
（９）運動量、風速成分及びスカラ成分のプロファイルを計算する。
（１０）収束条件を満たすまで（７）〜（９）の過程を繰り返す。収束条件としては、樹冠の最上端層におけるエネルギーフラックスが０．５Ｗｍ^-2以下になることとした。
（１１）再び（１）の過程に戻り、次の時間ステップの計算を行う。

本評価システムを落葉広葉樹が優占する里山林であるトヨタフォレスタヒルズ内の小流域に適用し、本評価システムの有用性を検証した。発明者らは、トヨタフォレスタヒルズに試験流域を設け、２０００年から気象水文観測を行ってきた。具体的に、この評価地域内に微気象観測タワーを建設し、多高度に気象測器を取り付け、林内外の微気象観測を行った。風、水分、熱や二酸化炭素の変動量は、超音波風速風向温度計（ＤＡＴ−６００，Kaijo社）とオープンパースの水・二酸化炭素変動計（ＬＩ−７５００，Li-Cor社）を用い、２０Ｈｚで変動を計測した。本実施例では２００３年５月のデータを用いて解析を行った。

諸プロセスの交換場である地上部を20層に分層し計算を行った。さらに、樹冠部で行われる交換プロセスが大気境界層に及ぼす影響を考慮するため、大気層を樹高（１２ｍ）の２倍に設定し、全６０層（３６ｍ）を計算の対象にした。層の数は、目的に従い、自由自在に変更可能である。計算に用いられたパラメータは表２で示す。

「計算結果」
レーザ光切断法により得られたトヨタフォレスタヒルズの樹冠構造を図８に示す。地面から５ｍ〜１０ｍ間に葉、枝、及び幹などが集中しており、その高さが水、熱およびＣＯ₂の交換場であることを示唆している。

トヨタフォレスタヒルズにおけるエネルギー収支の日変化の測定値と本評価システムによる計算結果を図９に示す。図９において（Ａ）は純放射量、（Ｂ）は潜熱、（Ｃ）は顕熱、（Ｄ）は二酸化炭素のフラックスである。ここで、顕熱、潜熱、及び二酸化炭素フラックスの測定値は渦相関法を用いて得られた結果である。二酸化炭素のフラックスがマイナスになるのは樹木が二酸化炭素を吸収することを意味する。プラスの値は、呼吸による二酸化炭素の放出を表す。

時間経過によるエネルギーフラックスの空間分布を図１０に示す。（Ａ）は純放射量、（Ｂ）は潜熱、（Ｃ）は顕熱である。単位はすべてＷｍ^-2である。

また、降雨時、樹冠上の付着水分量と遮断蒸発量の計算値を図１１に示す。

降雨時、樹冠上の付着水分量と二酸化炭素フラックスとの時間―空間分布を図１２に示す。（Ａ）は降雨量（ｍｍ）、（Ｂ）は樹冠上の付着水分量（ｍｍ）、（Ｃ）は葉の裏面の乾燥率、（Ｄ）は二酸化炭素フラックス(μmol ｍ^-2 ｓ^-1)である。

土壌表面における評価システムの計算値と実測地の比較を図１３に示す。図９から図１３において実線は計算値であり、丸点は測定値である。

「考察」
評価システムにより予測された潜熱は実測値より過大評価、またＣＯ₂フラックスは過小評価される傾向がみられたが、計算値は実測値と高い相関を示した（図９）。本評価システムが適用された森林流域には多数の樹木が混在し、流域内の様々なプロセスに及ぼす影響は樹木により異なる。しかし、本評価システムは試験流域内の一部の優占種から得られたパラメータを用いて計算を行った。すなわち、パラメータには諸プロセスに対する樹木個体の影響度が充分考慮されておらず、一部の樹木により平均化された値である。そのようなパラメータを用いて計算したにも関わらず計算値が実測値とよく一致したことは、パラメータ化の正当性より評価システムが林分の空間構造を考慮した結果であるに間違いない。図８で示すように試験流域は高さ５〜１０ｍ間で葉や枝等が集中している。そのような林分構造の影響により放射エネルギーの吸収や潜熱・顕熱フラックスの交換が５〜１０ｍ間で主に行われていることが評価システムにより表現された（図１０）。さらに、その高さは大気と葉面とのＣＯ₂交換の主な場所でもある（図１２（Ｄ））。葉量が多くなると同然吸収されるエネルギー量も増えるが、同時に遮断する降雨量も多くなる。従って、遮断蒸発量が増加し、樹冠部の微気象環境が変化する。この変化は結局樹冠部においての諸プロセスに影響する。例えば、遮断蒸発量が多くなると葉面温度が低下する。温度の低下は呼吸量の減少や大気と葉面間の飽差の減少をもたらし気孔のオープンに適した環境を与える。その結果、固定されるＣＯ₂量も多くなる。降雨の終了後、流入するエネルギーの増大により遮断蒸発量が増加し、時間の経過により主な水蒸気の変動量は徐々に蒸散量が支配していくパターンになる（図１１）。このように様々な気候環境における諸プロセスが評価システムによりよくシミュレートできた。

こうして、この評価システムでは、土壌―植物―大気の循環系における放射、エネルギー、水及び二酸化炭素の交換プロセスによる環境への影響を評価することができた。しかし、一部のプロセスに関する評価システムの予測においては実測地と差が見られた。その一つの例が図１３である。土壌表面温度は、土壌内及び林内における諸プロセスの境界条件として用いられる。そのため、予測値の誤差は諸プロセスへの誤差に直接つながる。例えば、高い土壌表面温度は土壌温度との高い勾配をもたらし、高い地面蒸発また顕熱の原因になる。このような土壌面におけるエネルギー配分は流域全体のエネルギー収支に影響する。予測値の誤差にはいろんな原因があるが、特に評価システムに用いられたパラメータの影響も大きい。したがって、評価システムによる計算値とパラメータとの感度分析を行った。その結果、評価システムの計算は個葉の抵抗係数、Ｃ_dに対して大きく依存していることが明らかにされた。係数Ｃ_dは葉量と林分内の微気象環境との関係を表すものである。葉量の変化は林分微気象環境に影響し、その結果、諸プロセスにおいて変化が生じる。流域内の諸プロセスは林分構造に大きく依存していることが、諸プロセスに対する係数Cdの影響からも明確になる。したがって、本評価システムを他流域に適用するに当たっては流域の林分構造に関する情報収集が最優先的に行うべきであることを示唆する。

「参考文献」
Collatz, G.J. et al. (1991) Regulation of stomatal conductance and transpiration: a physiological model of canopy processes. Agri. For. Meteorol., 54, 107-136.
Farquhar, G.D. et al. (1980) A biochemical model of photosynthetic CO2 assimilation in leaves of C3 species. Planta, 149, 78-90.
Meyers, T.P. and Paw U, K.T. (1987) Modeling the plant canopy micrometeorology with higher-order closure principles. Agr. For. Meteol., 41, 143-163.
Norman, J.M. (1979) Modeling the complete crop canopy. ASAE Mon. 249-277.
Paw U, K.T. (1987) Mathematical analysis of the operative temperature and energy budget. J. Therm. Biol., 12, 227-233.
Tanaka, K. (2002) Multi-layer model of CO2 exchange in a plant community coupled with the water budget of leaf surfaces. Ecol. Model. 147, 85-104.
Baldocchi, D.D. and Harley, P.C. (1995) Scaling carbon dioxide and water vapor exchange from leaf to canopy in a deciduous forest: model testing and application. Plant Cell Environ. 18, 1157-1173.
Meyers, T.P. and Paw U, K.T. (1986) Testing of a higher-order closure model for modeling airflow within and above plant canopies. Boundary Layer Meteorol., 37, 297-311.
Pyles, R.D., Weare, B.C. and Paw U, K.T. (2000) The UCD advanced canopy-atmosphere-soil algorithm: comparisons with observations from different climate and vegetation regimes. Q.J.R. Meteorol. Soc. 126, 2951-2980.
Watanabe, T. and Mizutani, K. (1996) Model study on micrometeorological aspects of rainfall interception over an evergreen broad-leaved forest. Agr. For. Meteorol. 80, 195-214.
Wilson, W. and Shaw, R.H. (1977) A higher order closure model for canopy flow. J. Appl. Meteorol. 16, 1197-1205.

従来の数値モデルに係り、図（Ａ）は単層モデル法の模式図、図（Ｂ）は多層モデルの模式図である。 本発明に係る樹冠構造データ取得手段の構成図である。 本発明に係る地理情報システムの構成図である。 数値モデルの模式図である。 本発明に係る放射収支モデルの模式図である。 本評価システムのブロック構成図である。 本評価システムの評価手段である数値モデルの処理フローチャートである。 評価地域の樹冠構造を示すコンピュータの画面図である。 評価地域のエネルギー収支の日変化の測定値と本評価システムによる計算結果を示すグラフである。 時間経過によるエネルギーフラックスの空間分布を示すコンピュータの画面図である。 降雨時、樹冠上の付着水分量と遮断蒸発量の計算値を示すグラフである。 降雨時、樹冠上の付着水分量と二酸化炭素フラックスとの時間―空間分布を示すコンピュータの画面図である。 土壌温度の日変化を示すグラフである。

符号の説明

１０…樹冠構造データ取得手段
２０…評価手段（パーソナルコンピュータ）

Claims (6)

1. 植物が生育している一定範囲の評価地域をレーザ光切断法により観測し、該評価地域の植物群落の三次元構造を一次元樹冠構造データとして得る樹冠構造データ取得手段と、
   該一次元樹冠構造データと、地理情報システムによって得られる該評価地域の環境情報とから、植物の生理・生化学的活動が該評価地域の環境に及ぼす影響を時系列的に評価する評価手段とを備えていることを特徴とする植物が環境に及ぼす影響の定量的評価システム。
2. 前記一次元樹冠構造データは、高さ方向に分割された各層毎に得られる葉面積指数からなることを特徴とする請求項１記載の植物が環境に及ぼす影響の定量的評価システム。
3. 前記地理情報は、土地利用情報及び気象データを含むことを特徴とする請求項１又は２記載の植物が環境に及ぼす影響の定量的評価システム。
4. 前記地理情報は、土壌型、地質及び地形等の土壌情報を含むことを特徴とする請求項３記載の植物が環境に及ぼす影響の定量的評価システム。
5. 前記気象データは、前記評価地域の降雨量、風速、温度、湿度及び日射量からなることを特徴とする請求項３又は４記載の植物が環境に及ぼす影響の定量的評価システム。
6. 前記評価手段は、水、エネルギー及び二酸化炭素の変動量と収支とを評価することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の植物が環境に及ぼす影響の定量的評価システム。