Clarifying Forest-Water Interactions using environmental isotope tracers and development of element cycling analysis method

• Project/Area Number: 20K06140
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 40010:Forest science-related
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: Kato Hiroaki 筑波大学, 生命環境系, 准教授 (90732636)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2020: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: 森林 / 水循環 / 降下放射性核種 / 放射性セシウム / Pb-210 / トレーサー / 放射性核種 / 樹冠遮断 / 移行 / 水・物質循環 / 天然放射性核種 / トレーサ / 水物質循環 / 環境同位体トレーサー / 安定同位体

Outline of Research at the Start

我々が利用できる水や土壌などの自然資源は、地球表層すなわちクリティカルゾーンの水物質循環システムにより維持されている。そのため、気候変動に対する変化予測や環境管理において、大気-植生-土壌間でのシームレスな水・物質輸送過程の解明が不可欠である。そこで本研究では、環境同位体トレーサーを用いて森林-水相互作用の解明を行うとともに、新しい森林物質循環解析手法を開発することを目的とする。特に、福島原発事故由来の放射性セシウムの動態解析データをハブに、天然放射性核種や安定同位体比を相補的に併用した水・物質トレーシング研究を行い、国内外で利用可能な高精度かつ汎用性の高いマルチトレーサー手法の構築を目指す。

Outline of Final Research Achievements

In this research project, to investigate the possibility of using atmospheric fallout radionuclides as tracers of material cycles in forest ecosystems, the canopy water balance and litterfall deposition rate were calculated and the radionuclide fluxes transferred with them in the experimental forests were clarified. By comparing radionuclide concentrations in rainwater that passed through the canopy (throughfall and stemflow) and tree components (e.g., branch and foliage), it was found that the transfer coefficient from tree body to rainwater changed with time. Field data were also obtained to suggest that deposition fluxes to the soil vary depending on the transfer pathway from the tree canopy to the forest floor, and that canopy density and preferential infiltration flow can explain the heterogeneous distribution of atmospheric fallout radionuclides and materials on the forest floor.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

森林の水・物質循環研究において，従来から水の安定同位体や溶存イオン等がトレーサーとして用いられており、近年では森林を含むクリティカルゾーンの環境動態解析に広く応用されている。一方で，福島原発事故後に放射性セシウムの環境動態研究が飛躍的に増加したものの，森林での物質循環トレーサとしての利用可能性は未だ調査されていない。本研究課題においては，福島事故由来の放射性セシウムと天然放射性核種の森林環境動態を通じて，大気-森林-雨水-土壌間のシームレスな水・物質循環を定量的に解析できる可能性が示され，森林物質循環解析のツールとして国内外の森林水文・生態学のさらなる発展に寄与することが期待される。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Delaware(米国)
• [Int'l Joint Research] ウクライナ農業放射線研究所(ウクライナ)
• [Int'l Joint Research] デラウェア大学(米国)
• [Journal Article] Vertical distribution and transport of radiocesium via branchflow and stemflow through the canopy of cedar and oak stands in the aftermath of the Fukushima Dai-ichi Nuclear Power Plant accident (2022)
  • Author(s): Saidin Zul Hilmi、Levia Delphis F.、Kato Hiroaki、Kurihara Momo、Hudson Janice E.、Nanko Kazuki、Onda Yuichi
  • Journal Title: Science of The Total Environment Volume: 818 Pages: 151698-151698
  • DOI: 10.1016/j.scitotenv.2021.151698
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Distribution of radiocesium and its controlling factors under the Japanese cedar canopies (2022)
  • Author(s): Kato, H., Onda, Y., Maejima, K.
  • Journal Title: Journal of Environmental Management Volume: 314 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1016/j.jenvman.2022.115064
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mode of Atmospheric Deposition in Forests Demonstrates Notable Differences in Initial Radiocesium Behavior (2022)
  • Author(s): Anderson, D., Kato, H., Onda, Y.
  • Journal Title: Environmental Science & Technology Volume: 56 Issue: 22 Pages: 15541-15551
  • DOI: 10.1021/acs.est.2c03451
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Scots pine stands biomass assessment using 3D data from unmanned aerial vehicle imagery in the Chernobyl Exclusion Zone (2021)
  • Author(s): Holiaka Dmytrii、Kato Hiroaki、Yoschenko Vasyl、Onda Yuichi、Igarashi Yasunori、Nanba Kenji、Diachuk Petro、Holiaka Maryna、Zadorozhniuk Roman、Kashparov Valery、Chyzhevskyi Ihor
  • Journal Title: Journal of Environmental Management Volume: 295 Pages: 113319-113319
  • DOI: 10.1016/j.jenvman.2021.113319
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Radionuclides from the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant in terrestrial systems (2020)
  • Author(s): Onda, Y., Taniguchi, K., Yoshimura, K., Kato, H., Takahashi, J., Wakiyama, Y., Coppin, F., Smith, H.
  • Journal Title: Nature Reviews Earth & Environment Volume: 1 Issue: 12 Pages: 644-660
  • DOI: 10.1038/s43017-020-0099-x
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Spatial variation and radiocesium flux of litterfall in hardwood-pine mixed forest and cedar plantations based on long-term monitoring data (2020)
  • Author(s): Hisadome, K., Onda, Y., Loffredo, N., Kawamori, A., Kato, H.
  • Journal Title: Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry Volume: 326 Issue: 2 Pages: 1491-1504
  • DOI: 10.1007/s10967-020-07433-w
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 大気沈着形態が森林の放射性セシウムの初期挙動 に及ぼす影響 (2023)
  • Author(s): 加藤弘亮，Anderson Donovan，恩田裕一
  • Organizer: 第134回日本森林学会大会
• [Presentation] 福島における放射性物質分布調査 （1）福島県の森林における放射性セシウムの長期移行状況 (2022)
  • Author(s): 加藤弘亮，庭野佑真，飯田光，恩田裕一
  • Organizer: 日本原子力学会2022年秋の大会
• [Presentation] Effects of stemflow on radiocesium infiltration into the forest soil (2022)
  • Author(s): Kato, H., Iida, H., Shinozuka, T., Niwano, Y., Onda, Y.
  • Organizer: Europe Geoscience Union General Assembly 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] スギ樹幹基部における雨水及び溶存態Cs-137の浸透フラックスと樹幹流の影響 (2022)
  • Author(s): 飯田光、加藤弘亮、篠塚友輝、赤岩哲、庭野佑真、Anderson Donovan、恩田裕一
  • Organizer: 第133回日本森林学会大会
• [Presentation] 福島原発事故から10年間の森林における放射性セシウムの移行と分布 (2021)
  • Author(s): 加藤弘亮，恩田裕一，サイディン ズル ヒルミ，飯田光，赤岩哲，篠塚友輝
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合（JpGU） 2021年大会
• [Presentation] 福島における放射性物質分布調査(8) 高沈着量地域の森林源頭部流域における溶存態137Csの流出経路の推定 (2021)
  • Author(s): 加藤弘亮，赤岩哲，庭野佑真，飯田光，篠塚友輝，恩田 裕一
  • Organizer: 日本原子力学会2021年秋の大会
• [Presentation] 福島における放射性物質分布調査(9)福島県浪江町のスギ林における雨水及びCs-137の深部浸透に対する樹幹流の影響 (2021)
  • Author(s): 飯田光，加藤弘亮，篠塚友輝，赤岩哲，庭野佑真，恩田裕一
  • Organizer: 日本原子力学会2021年秋の大会
• [Presentation] Transfer of the Fukushima accident-derived radiocesium by hydrological processes in Japanese forests (2021)
  • Author(s): Hiroaki Kato, Tomoki Shinozuka, Satoru Akaiwa, Hikaru Iida, Zul Hilmi Saidin, and Yuichi Onda
  • Organizer: Europe Geoscience Union General Assembly 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 福島原発事故から10年目の森林における 水文過程にともなう放射性セシウムの移行状況 (2021)
  • Author(s): 加藤弘亮、篠塚友輝、赤岩哲、飯田光、恩田裕一、ズル・ヒルミ・サイディン
  • Organizer: 福島大学環境放射能研究所第7回成果報告会
• [Presentation] 日本の森林における 水文過程にともなう放射性セシウムの移行 (2021)
  • Author(s): 加藤弘亮、篠塚友輝、赤岩哲、飯田光 恩田裕一、ズル・ヒルミ・サイディン
  • Organizer: 第132回日本森林学会大会
  • Invited
• [Presentation] ギ人工林における林内雨が土層へのセシウム137の下方浸透に及ぼす影響 (2021)
  • Author(s): 飯田光、加藤弘亮、篠塚友輝、赤岩哲、恩田裕一
  • Organizer: 第132回日本森林学会大会
• [Presentation] 福島における放射性物質分布調査 (9) 福島県川俣町及び浪江町の森林における放射性セシウム移行状況 (2020)
  • Author(s): 加藤弘亮、篠塚友輝、飯田光、ズル・ヒルミ・サイディン、赤岩哲、恩田裕一
  • Organizer: 日本原子力学会2020年秋の大会
• [Presentation] 福島における放射性物質分布調査 (12) 福島県浪江町のスギ林における樹幹流が放射性セシウムの土層への浸透に及ぼす影響 (2020)
  • Author(s): 飯田光、加藤弘亮、篠塚友輝、赤岩哲、恩田 裕
  • Organizer: 日本原子力学会2020年秋の大会
• [Book] Environmental transfer of radionuclides in Japan following the accident at the Fukushima Daiichi Nuclear Power plant. Report of Working Group 4 transfer processes and data for radiological impact assessment subgroup 2 of Fukushima data. (2020)
  • Author(s): Hashimoto, S., Komatsu, M., Imamura, N., Ohashi, S., Kato, H., Nishina, K., Tagami, K., Uchida, S., Shaw, G., Wood, M., Beresford, N., Howard, B., Fesenko, S., Thiry, Y.
  • Total Pages: 360
  • Publisher: International Atomic Energy Agency, Vienna, Austria
  • ISBN: 9789201179203