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白刺砂堆の退化と土壤水分の関係(その1)

2017年 5月18日

王月, 李程, 張清涛, 梁暁健, 邱国玉:北京大学環境・能源学院

李愛徳, 楊自輝:甘粛民勤荒漠草地生態システム国家野外科学観測研究ステーション甘粛省治沙研究所

概要:

 ここ数十年来、中国北西部の乾燥地帯の白刺(ハクサ)の砂堆は退化が深刻で、固定砂丘の活性化や流砂によるオアシスの埋没を引き起こし、深刻な被害をもたらしている。どうすれば白刺砂堆の安定を長期的に保持し、白刺砂堆の活性化を防止できるかは、オアシス保護と砂漠化対策にとってすぐにでも解决しなければならない問題となっている。長年の野外観察を土台として、「土壤水分の収支不均衡によってもたらされた土壤水分の減少が白刺砂堆の退化の主要な原因である」という研究仮説が提起されている。だが長期的な野外観測試験の不足から、この仮説はまだはっきりと証明されていない。この仮説を証明するため、甘粛省民勤のオアシス周囲で、「原形」「発育」「安定」「死亡」という4つの退化段階の白刺砂堆を選択し、2008年1月から2012年6月まで、中性子水分計と土壤加熱乾燥重量測定法を利用して、土壤水分に対する長期的な観測を行った。その結果として、次のようなことが明らかとなった。各標本地の土壤含水量はいずれも、2008年に最大となり、2009年と2011年がこれに次ぎ、2010年が最小となる傾向を示した。年間の土壤含水量の変化は、春季が最低で、夏季に徐々に増加し、その後、徐々に減少する。発育段階別に見ると、土壤含水量は原形段階で最大となり、降水は容易に下方浸透した。安定と死亡の両段階の白刺砂堆は土壤含水量がとても低く、降水が下方浸透しにくく、大量の降水の発生した時だけ、水分は下方浸透した。すなわち安定と死亡の両段階の白刺砂堆の土壤水分が恒常的に植物のしおれ点以下にあることが、白刺砂堆の退化をもたらす重要な原因と考えられる。このように「土壤水分の減少が白刺砂堆の退化の原因である」という研究仮説が証明された。この研究結果は、植物による砂固定の実践活動に対して今後、積極的な参考意義を持つものとなる。

キーワード:白刺砂堆;土壤水分;退化

 白刺(ハクシ、Nitraria)は、荒漠とオアシスの推移帯に幅広く分布し、中国北西部の乾燥地帯の荒漠や半荒漠の植生の重要な個体群となっている。白刺は砂に埋もった後、大量の枝と不定根を芽生えさせ、大量の流砂をせき止めて蓄え、固定することができ、白刺砂堆(Nitraria dunes)を形成する。荒漠・オアシス推移帯では、広範囲に広がった白刺砂堆がオアシス周囲の大量の流砂を固定し、オアシスの安全の保護に重要な役割を果たしている。白刺砂堆は形成から衰退まで、「原形」「発育」「安定」「死亡」の4つの退化段階に分けることができる。原形と発育の段階の砂堆は、周期的に砂に埋もれることから、砂源が十分に供給され、白刺が旺盛に生長する。砂堆が徐々に高さを増し、大きくなると同時に、白刺砂堆もこれに伴って高さと大きさを増していく。安定段階に至ると、砂源の制限と乱流の増大、風速の増大、侵食の増大によって、砂堆の長さと幅は引き続き増加するが、白刺の灌木はそれ以上高くはならず、表面には土壤クラストが形成され始める。安定後の白刺砂堆は二種類の遷移結果を呈する。一つは、砂丘がさらに安定し、土壤クラストが徐々に厚さを増し、コケ植物や地衣植物、地域性植生が出現し、砂堆の長期的な安定を有効に維持する。もう一つは、クラストの存在によって、降水の下方浸透が阻止され、白刺は水不足によって退化さらには死亡し、砂丘が活性化し、再び流動砂地となる。

 荒漠・オアシス推移帯はオアシス化(開荒)過程と荒漠化(土壤退化)過程の最も活発な地区であり、内部の水分やエネルギーの良性の循環と天然植生の順序だった遷移は、荒漠とオアシスの安定発展を維持する生命線となっている。ここ数十年来、水資源の過度な採掘利用により、中国北西部の乾燥地帯の地下水位は急激に下降し、砂漠化の進行は加速し、白刺砂堆の退化は非常に深刻となっている。白刺群集は徐々に衰退し、一部地区の砂堆は毎年3—5mの速度でオアシスへと移動している。トングリ砂漠とバダインジャラン砂漠が交差する民勤荒漠・オアシス推移帯は、中国で砂漠化が最も深刻な地区の一つである。水資源の過度な開発利用や多年流出系水資源の減少、地下水位の絶え間ない下降、白刺の絶え間ない退化、白刺砂堆の活性化・解体の深刻化、オアシスの萎縮は、土地の荒漠化や塩類化などの多くの生態問題を引き起こしている。

 土壤水分は、水文学的循環の重要な構成要素である。乾燥地帯では、土壤の含水量は、植物の生長・発育を制限する重要な生態要素であり、植物群集の生長・発育とその生産力に影響を与えている。中国内外の学者は現在、土壤水分の時空における動態と運動メカニズム、植生類型や生物クラスト、降水の土壤水分に対する影響などについて大量の研究を行っている。荒漠区の土壤水分変化の過程は複雑であり、地形や降水、蒸発、土壤特性、砂固定植生の類型・組成などの各種の環境因子と密切に関係している。長年の野外観察を通じて、我々は、土壤水分の減少が白刺砂堆の退化の主要な原因であると考えるようになった。だが現在は、長期的な観測データの下支えを欠くことから、この仮説は、短期的または間接的な定性の方法を通じてしか裏付けることができなかった。このため本研究は、土壤水分の長期的な観測を土台として、異なる退化段階の白刺砂堆の土壤水分の動態を研究し、「土壤水分の減少は白刺砂堆退化の原因である」という研究仮説を検証し、白刺砂堆の長期的な安定の維持または退化の遅延に参考の根拠を提供することをねらいとした。

1 研究エリアの概況

 民勤は、甘粛省河西回廊の北東部、石羊河流域の下流に位置し、地理座標は東経103°02'—104°02'、北緯38°05'—39°06'、南は凉州区、西は金昌に隣接し、東・西、・北の3方向で内蒙古自治区と接している(図1)。トングリとバダインジャランの両砂漠の間にあることから、3方向を砂で囲まれている。全県の総面積は1.60×104km2で、そのうち砂漠と戈壁(ゴビ)、侵食山地、塩類化した岸辺などが91%を占め、オアシスはわずか9%を占めるにすぎず、オアシスの縁の風砂線は408kmに達している。この地区は、温帯大陸性乾燥気候区に属している。気候は乾燥し、日照は十分で、熱量は豊富で、一日の気温差は比較的大きく、降水量は少なく、風は大きく砂が多い。通年の日照時間は3028h、太陽の放射総量は574kJ/cm2、年平均風速は2.8mm/s、長年の平均気温は7.8℃、長年の平均降水量は115mm、蒸発量は2644mmで、全国で最も乾燥した地区の一つである。民勤県内には、域内で産出される地表水資源がなく、唯一の地表水資源は石羊河である。

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図1 研究エリアの地理的位置

Fig.1 Location map of study area in China

 研究エリアは、民勤県薛百郷内にあり、甘粛民勤荒漠草地生態システム国家野外科学観測研究ステーションを拠点とし、トングリ砂漠-民勤オアシス推移帯の典型的な雨養型白刺砂堆群集を標本地とした。野外調査を土台として、白刺砂堆の退化段階に対する学者らの研究を参考とし、研究エリアの白刺砂堆の形態や土壤、植生の特徴と結びつけ、原形段階(Site 1、略称S1)、発育段階(Site 2,略称S2)、安定段階(Site 3,略称S3)、死亡段階(Site 4,略称S4)の4つの標本地を構築した。各標本地の地理的位置と高度は図2と表1を参照。

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図2 試験地と異なる退化段階の白刺砂堆標本地の分布図

Fig.2 Satellite image of Minqin desert-oasis ecotone study area with the position of the measurement sites for Nitraria dunes in different degradation stages

表1 異なる退化段階の白刺砂堆標本地の地理的位置と高度 Table 1
Longitude, latitude, and altitude of four measurement sites
S1とS2、S3、S4はそれぞれ、原形段階と発育段階、安定段階、死亡段階の白刺砂堆標本地を指す。MQNSは甘粛民勤荒漠草地生態系統国家野外科学観測研究所、AMSは自動気象観測所を指す。 S1, S2, S3, S4, Minqin national station for desert steppe ecosystem studies (MQNS) and automatic meteorological station (AMS) indicated. The four small pictures represent the Nitraria dunes in early growth stage (S1) , rapid growth stage (S2) , peak growth stage (S3) , and senescence (S4) respectively
標本地・気象観測所
Measurement sites
緯度
Latitude
経度
Longitude
海抜
Altitude/m
標本地 1Site 1 38°37'48.4″N 102°55'05.0″E 1409
標本地2 Site 2 38°36'40.2″N 102°56'42.5″E 1415
標本地3 Site 3 38°35'05.1″N 102°58'28.6″E 1389
標本地4 Site 4 38°35'19.5″N 102°58'15.2″E 1369

2 研究方法

2.1 気象観測

 野外調査を経て、標本地1付近に、平らで開けたエリアを選んで、自動気象観測所を設立し、検査と試運転を行い、2010年5月12日から通常運用を始めた。観測した気象データは降水量で、計器の機種は「7852M-AB」(DAVIS、米国)、設置高度は2m、精度は±0.2mmである。気象観測所は、太陽エネルギーを動力として採用し、データ収集器「DT500 series 5」(Datataker、オーストラリア)を利用して、観測と記録を連続的に自動で行った。データ収集の間隔は5sで、10minごとに一度、降水総量を記録した。観測期間は、2010年5月12日から2012年6月17日である。2008年1月1日から2010年5月11日までの降水データは、中国気象科学データ共有サービスサイト(http://cdc.cma.gov.cn)中の民勤気象観測所のデータを補正することによって獲得した。民勤気象観測所(38°38'0.02″N,103°4'59.88″E)は、1号標本地から14.37km離れている。同観測所で観測された2010年5月12日から2012年6月17日までの降水データと実測データとの相関分析と線形回帰分析を行った。その結果、両者には顕著な相関があり、相関係数は0.927(P<0.01)だった。その後、線形相関係数を利用して、自動観測地点の一連の観測データを2008年1月1日まで延長した。

2.2 土壤水分観測

 土壤水分の観測は二つの部分に分けられる。中性子水分計を利用して、4つの標本地の白刺砂堆の土壤含水量をそれぞれ連続観測する。それぞれの標本地で代表的な白刺砂堆を選び、CNC503DR型中性子水分計(北京核安核子儀器有限公司)を使用し、2008年1月から2012年6月まで毎月1回、土壤含水量を観測した。それぞれの標本地の土壌を深さによって10、30、50、70、90、110、130、150、170、190cmの合計10の層に分ける。死亡段階の白刺砂堆の深層土壤(深さ150—190cm)は粘土であり、砂土ではない。粘土の土壤含水量と砂土の土壤含水量は比較できない。そのため死亡段階のこの深さの土壤含水量は本稿においては議論しない。2011年8月、リングせん断法を用いて、各標本地の各層の土壤の容積重量を測定し、アースオーガーを用いて、中性子観測管の周囲に対称的に2—4点を取ってサンプルとし、一層ごとに3回繰り返した。測定の深さは、中性子計器の測定の深さと一致する。中性子計器の観測した低速中性子は主に、高速中性子と土壤中の水素原子との衝突によって得られたものである。土壤が湿っているほど、計器周囲の衝突の機会は増え、低速中性子が計器に入る可能性も高くなる。中性子の測定数と土壤含水量は正の比をなすことから、中性子の測定数比と土壤含水量の校正直線を作った後、これに基づいて土壤含水量を計算することができる。

 本研究では、各標本地の体積含水率と中性子水分計の目盛りの比の校正方程式を次式とする。

θ=0.0003R/Rs+0.0081 (1)

 式中、θは土壤体積含水量(cm/cm)、Rは土壤の中性子測定値、Rsは標凖測定値、R/Rsは中性子数の比である。

 加熱乾燥重量測定法を採用し、降雨の前後に、4つの標本地の白刺砂堆の土壤含水量を観測した。それぞれの標本地で、5つから7つの典型的な白刺砂堆を選び、深さ0—100cmの土壤含水量を観測した。5、10、15、20、30、50、70、100cmの8層に分け、各層で3回繰り返した。測定時には、アースオーガー法または断面法を用いて、それぞれの深さの土壌サンプルを特製のアルミ容器に収集し、アルミ容器を密封後、実験基地にすばやく持って帰り、精度0.01gの秤を用いて、アルミ容器と土壤の新鮮重量を測定し、乾燥箱で105℃の温度で24h乾燥させ、恒量に達した後、アルミ容器と土壤の乾燥重量を測定する。サンプル収集日はそれぞれ2010年5月15日、5月20日、7月1日、7月6日、7月15日、7月24日だった。

(その2へつづく)

参考文献

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※本稿は王月, 李程, 李愛徳, 楊自輝, 張清涛, 梁暁健, 邱国玉「白刺沙堆退化与土壌水分的関系」(『生態学報』第35卷第5期(2015年3月)、pp.1407-1421)を『生態学報』編集部の許可を得て日本語訳・転載したものである。記事提供:同方知網(北京)技術有限公司


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