Clarifying the mechanisms of succession through belowground interactions on volcanoes
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22K06397
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 45040:Ecology and environment-related
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
露崎 史朗 北海道大学, 地球環境科学研究院, 教授 (10222142)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
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| Keywords | 撹乱 / 火山遷移 / 地下部イメージ画像 / 地上部地下部相互作用 / 根系 / 地下部種間相互作用 / スキャナーボックス / 一次遷移 / 植生 / 火山 / 非破壊的測定 / 遷移 / 地下部相互作用 / 先駆種 |
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| Outline of Research at the Start |
遷移において草本植物地下部を介した種間相互作用による遷移機構を非破壊的測定により明らかとする。一次遷移初期には、草本が優占し、かつ地下部競争(土壌資源競争)が強く、競争とは相反する定着促進効果も重要な遷移機構となることが多い。しかし、地下部種間相互作用の定点継続観測は、掘り取り等の破壊的方法では不可能である。そこで、スキャナ法による草本群集の地下部動態の測定を中心に添え、播種実験を行うことで、(1)実生段階での地下部種間相互作用の定量化、(2)草本植物における非破壊的地下部動態測定法の確立、(3)地下部を介した種間相互作用による遷移機構の解明を行う。
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| Outline of Annual Research Achievements |
火山遷移において、地下部での種間相互作用による遷移機構・動態解明には、非破壊的な地下部の継続定点観測が必要である。しかし、野外における地下部測定は破壊的手法に依存していたため継続観測が不可能であった。特に、噴火堆積物の移動を伴う火山における噴火後の植物侵入過程では、破壊的測定では検出できない地下茎の発生時期、発達様式、寿命等に関する情報が必要である。そこで、スキャナ箱を火山噴火跡地に埋設し、非破壊的に地下部動態の経時測定を開始した。スキャナ箱は、裸地、ススキ草地およびオオイタドリ草地に2022年度に設置した。設置初年度には、スキャナ箱設置の際、根茎の破損を伴うため、成育が遅延するため、測定には適さないことが知られている。そのため、2022年に設置したスキャナ箱の保守管理と画像撮影を並行して行ったが、夏季には根系発達が認められ、画像中の根系による種同定および成長測定が可能であることを確認した。翌年度(2024年度)に定期的に画像取得を行うことで、ほぼ意図した画像の取得が可能である展望を得ている。
裸地では、自然移入実生が少ないため、オオイタドリとススキの種子をスキャナボックスの片面に播種した。これらの発芽は順調であり、自然移入実生に加えて、これらの発芽個体を用いて地下部および地上部の成長解析に使用する。設置した環境測定機器は、複数個がシカ・ウサギ等による被害を受け破損した。特に、裸地での破損が著しかった。それらを除けば、順調にデータは記録できた。したがって、これまで、データは順調に取得できており、解析方法についてもフォーマットはほぼ作ることができた(Zhao, et al. 2024)。これらを用い、概ね当初の研究目的は達成できており、翌年度末までには十分な成果をあげられる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2023年度までに、スキャナ箱設置・保守・画像撮影は予定通り実施できた。本スキャナ箱壁面の根系発達を、埋設時の影響から解除され自然に近い状態で測定するためには、土壌・根系が安定するまでに時間を要するが、撮影画像を確認した結果、自然移入個体では、回復も早く2023年度以降の画像は解析に使用できる。播種個体については、根系発達が不十分であったため、2023年データよりも2024年度の画像を使用し解析する。
これまで、スキャナ箱の維持・管理・調整と画像撮影を行い、同時に環境測定を行ってきた。これらは、機器の破損や記録異常に伴うデータの欠損を除けば、概ね実施できた。機器破損は、大型哺乳類によるものだが、想定内の破損数であり大きな問題とはなっていない。ただし、数個のスキャナ箱で、画像撮影面が、噴火降灰物により傷ついたため、現段階では撮影に影響がないが、傷の拡大等が進行すれば、箱の付替えの可否等を検討する必要がある。
これらのデータ解析、特に根系分布については、根系解析ソフトARATAが使える(Zhao et al. 2024)。ただし、種同定や根系形態の判別は目視によるなど課題は残されている。しかし、結果的に単純な植物群集を測定に選んでいるため、種同定等は比較的容易で、本研究においては大きな支障とはなっていない。
素解析段階だが、画像から根茎の長さと直径は測定できた。これらを時系列に並べることで根系の加入・死亡・伸長成長・直径成長が測定可能である。根茎抽出の際に、種同定について、植生調査の結果と標本観察をもとにした機械学習などを用いた自動化がどこまで可能なのかを検討した。結論としては、自動化が困難な部分については、マニュアル操作に頼ることになるが、測定はむしろ自動化するよりも高い場合もあり、時間を要するが十分に可能である。今後、他の画像解析ソフト等の検討も必要となる。
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| Strategy for Future Research Activity |
全体として、当初の計画を大幅に変更することなく、研究は推進できており、今後も、概ね計画に沿った研究を進める予定である。
根茎発達様式の測定を開始し、良好な画像取得の展望を得ており、2024年度積雪前まで撮影予定である。
スキャナ箱が破損していないもの、及び、撮影面に傷がついた程度であれば、撮影画像は解析可能であることを確認した。したがって、スキャナ箱および設置機器の保守・管理は常時行う予定である。
解析については、これらで撮影された画像を用いて、解析可能な画像特性の抽出を試みているが、根系形態は600 dpiで十分に測定できた。これらの画像を時系列に沿って解析することで、根系の長さと太さの成長速度、深度分布変化、種間関係等の定量化が行える。根系の種同定は、目視により行わなければならないが、相対的に種組成が単純なため、同定が容易であることが、結果的に幸いした。
現在、同一部位を撮影した複数画像を時系列に沿ったオーバレイ等の解析の準備を行い、2024年度に取得する植物成育期から停止期にかけての画像を取得することで、根系寿命推定等も可能性を検討する。加えて、画像から抽出された情報の数値化精度を向上させることを試みている。特に、オオイタドリ草地とススキ草地では、同一種でも根茎発達様式が大きく異なる可能性が高い。残念ながら2023年秋の段階では、播種個体の根系成育は、解析には不十分なサイズにしか達しておらず、明瞭な傾向が抽出できなかった。2024年度の画像を用いて再解析を行い、より確かなものとしたい。これらを用いて、(1)実生段階での地下部種間相互作用の定量化、(2)草本植物における非破壊的地下部動態測定法の確立、(3)地下部を介した種間相互作用による遷移機構の解明を行う。
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Report
(2 results)
Research Products
(13 results)
