研究内容
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研究テーマ1 森林流域における降雨流出過程の研究
森林の公益的機能のうち、液体の水の動きにかかわる機能として洪水緩和機能、水源涵養機能、水質浄化機能が挙げられています（林野庁ホームページ等）。これは、降水（雨+雪）が森林に到達したのちに、樹木の表面（葉・枝・幹）に触れ、地面に到達し、浸透してやがては川として森林から出ていくというプロセスにおいて、水がどのように配分されるか、その時に水質がどのように変化していくか、ということを指します。大雨の時には水が急激に流出することを防ぎ、川の水量が急増することを防ぐこと。森林水文学において、この仕組みの研究は「降雨流出過程の研究」と総称されます。
ところで、「公益的機能」という言葉には、「森林があることによって人間が受けられるメリット」という意味が含まれており、例えば水質「浄化」機能というからには、森林を通ることで水がきれいになることが必要不可欠となるでしょう。
しかし、森林があるだけで、そのメリットはいつも得られるのでしょうか? 森林も生物なので、成長し、歳を取ります。また、大きな地球環境問題として誰もが関心を持つ地球温暖化に対して、森林がどのような役割を果たし、逆に森林は温暖化の影響をどのように受けるのでしょうか? そして、その影響を受けた後も、これまでと同じように機能を発揮し続けられるのでしょうか?
このような現象を調べ、その仕組みを明らかにするには、森林を長期間にわたって観測し続ける必要があります。当研究室の主要な研究課題の1つは、長期の森林モニタリングを元に、森林がどう変化するか、それは何の影響か、その結果渓流水の量や質にどのような変化が生じるかを明らかにすることです。この研究は京都大学農学研究科森林水文学研究室のメンバーとともに、滋賀県南部の桐生水文試験地を主要な観測フィールドとして行っています。
研究テーマ2 森林流域における水質形成機構
研究テーマ１とも強く関わりますが、降水から渓流水に至る水移動過程において、水は植生、土壌、岩石などと接し、また、履歴(いつから流域内に存在しているのか、何にどれだけ触れていたのか、など)の異なる水と水が混合することにより、水質が形成されていきます。水質項目は主に生物活動の影響を受けやすい物質や、岩石風化に由来する物質など多種に及び、それぞれ濃度形成の特徴が異なります。さらには、季節や降雨時・無降雨時などの条件によっても変化します。
したがって、水質はその時点の森林生態系内の状態を反映していると言え、水質を調べることには人間で言う血液検査、健康診断のような役割があります。
人間が時間とともに年を取るのと同じく、生態系も時間とともに変化していきます。また、長い時間の間には、怪我したり病気になったりするのと同様に、生態系にも人為的・自然的な撹乱が生じることがあります。それに伴って水質も変化する可能性がありますが、その対応関係を明確にすることは当研究室で取り組んでいる大きな課題です。
一方で、これを逆の発想で利用することもあります。水質などを水の動きの目印として用いる、トレーサー研究がそれに当たります。トレーサー(Tracer)は、日本語では追跡子と訳されます。トレーサーはテーマ１の降雨流出過程の研究を行う上で、非常に有効な道具ですし、後述の研究テーマ３や４もスケールの異なるトレーサー研究と言えます。トレーサーを用いた研究は、当研究室が得意とする分野です。
研究テーマ3 樹木の水利用
蒸発・蒸散は液体の水を気体に変え、大気に戻す作用で、降水から流出に至る水の流れに対して、逆方向の流れと言えます。特に森林流域においては、樹木による遮断蒸発や、根からの吸水と葉からの蒸散の過程は水循環において大きな役割を果たすだけでなく、土壌の水分保持のために使用される間隙を空にしたり(土を乾かす作用)、いわゆる「打ち水効果」のように気温上昇を和らげる作用など、水源かん養機能や快適環境形成機能などにも関わる重要な過程です。
本研究室では、水の安定同位体比(δ18O,δ2H)を用いて、樹木はどのような水(吸水深度や、いつ降った水か)を利用しているか、それが流域環境や季節の違いによりどのように変化するかを調べています。
研究テーマ4 酸素･水素安定同位体比空間分布から見る全国規模の水循環
水分子の酸素・水素の安定同位体比(δ18O・δ2H)は水の相変化(水蒸気・水・氷)に応じて値が変化します。その変化度合いは気温、すなわち相変化を生じさせるエネルギーの大小に応じて異なります。この特性は水循環を追跡するうえで大変有用です。海水が蒸発し、その水蒸気が凝結して雲となる過程。その雲が陸地に輸送され、雨や雪を降らしながらさらに内陸に輸送される過程。降水が土壌に浸透し、一部は地表面から蒸発、残りが貯留され、過去に浸透した水と混合しながら流出する過程。そのそれぞれで同位体比に変化が生じます。さらに、これらの値は地域ごとに特徴があることがわかっています。
この特性を利用し、全国規模、あるいは世界規模で渓流水や地下水の安定同位体比空間分布を示し、その成因を考察することをIsoscape研究と言います。IsotopeとLandscapeをあわせた造語です。特に、気温などの環境パラメータが影響することから、気候変動が水循環家庭に与える影響、水資源の脆弱性評価などにつなげることが可能と考えて、研究を進めています。