2020 Fiscal Year Research-status Report
Study on regulating factors on deposition, absorption, and emission of reactive N such as ammonia on tree-leaf surface
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19K12315
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| Research Institution | Asia Center for Air Pollution Research |
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Principal Investigator |
佐瀬 裕之 一般財団法人日本環境衛生センターアジア大気汚染研究センター, 生態影響研究部, 部長 (20450801)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
諸橋 将雪 一般財団法人日本環境衛生センターアジア大気汚染研究センター, 生態影響研究部, 研究員 (40761606)
松田 和秀 東京農工大学, 農学部, 教授 (50409520)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 反応性N / 葉面吸収 / 放出ポテンシャル / 葉面濡れ性 / アンモニア放出 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
反応性Nの葉面における沈着・吸収・放出プロセスの解析のため、加治川試験地（KJK：新発田市）と東京農工大学FM多摩丘陵（FMT：八王子市）で現地観測を行った。KJKでは、主に沈着・吸収プロセスの解明のため、夏季の林内雨集中調査を実施した。FMTでは、大気観測タワーにより、アンモニア（NH3）の沈着・放出フラックスを測定し、その制御因子の検討を行った。また、両サイトで、樹木葉を定期的に採取、葉面の濡れ性（水滴の接触角）測定、樹木葉中のアンモニウムイオン（NH4+）濃度を分析し、吸収・放出プロセスとの関連性を評価した。
KJKで観測したNH4+及び硝酸イオン（NO3-）の沈着量は、林外雨と林内雨で同等であり乾性沈着の寄与は確認できなかったが、樹木葉との交換が小さいナトリウム（Na）をトレーサーとした樹冠収支モデルによる計算から、従来吸収が示唆されてきたNH4+に加え、NO3-でも吸収が生じている可能性が示された。正味の林内沈着量は、葉面濡れ性が高いほど小さくなり、イオン吸収が促進されることが示唆された。アポプラスト液のNH4+濃度と水素イオン濃度（H+）の比（[NH4+]/[H+]）である放出ポテンシャルΓ-sと、新鮮葉全葉を直接抽出した時の比であるΓ-bulkの間に正の相関関係があり、Γ-bulkの指標としての有効性が示唆された。
FMTのタワー観測では、着葉期は日中にNH3の放出が確認された一方で、落葉期には日中に沈着が確認された。また、土壌からのNH3放出は確認されるが、森林全体からのNH3放出量への寄与は小さいと推計された。NH3双方向抵抗モデルを用いた解析では、放出ポテンシャルΓに大きく依存していたが、そのモデル推定値は樹木葉の実測値よりも1桁ないし2桁高く、ΓだけでNH3放出フラックスを説明することは困難であり、再気散プロセスの再現を含めた検討の必要性が示唆された。
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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
従来指摘されてきた反応性N（Nr）の葉面吸収が、より高い時間分解能の観測データと樹冠収支モデルから確認され、葉面濡れ性の増大により吸収が促進される可能性が示唆された。加治川試験地（KJK)は渓流水の長期データから、生態系のN飽和が進行しつつあることが示唆されているが（Sase et al. 2021, Atmospheric Environment）、必ずしも樹木単位でのN利用とは一致せず、葉面からまだNr吸収が生じることは一つの発見であった。葉内（アポプラスト液）のNH4濃度は、林内雨濃度に比較すると高いことが多く、濃度勾配で生じるとされるNH4吸収を林内雨との関係で説明することはできない。葉面に乾性沈着した硫酸アンモニウム粒子等は大気中の水蒸気により潮解し水膜を葉面に形成することが指摘されており（Burkhardt 2010, Ecological Monographs）、その高濃度水膜との間で吸収プロセスが進むことが考えられる。これは大気からのNH3ガスやN含有粒子の乾性沈着によって、樹木自身のN需要と関わりなく生じることから、N飽和を促進する要因となっているという新たな仮説が考えられる。
一方でタワー観測で確認されたNH3フラックスを生じさせるような高い放出ポテンシャル（高濃度のNH4+と低濃度のH+）は葉内（アポプラスト液等）濃度としては考えにくくこれだけでは説明できないことが分かった。同様に上記のような葉面に生じる高濃度水膜を仮定すると、そこからの気散として説明できる部分が多い可能性が考えられた。
このように、Nrの葉面における吸収・沈着・放出プロセスに関して理解が進み、新たな視点が得られつつある。よって、おおむね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
ここまでの観測結果から、森林において反応性N（特にNH3あるいはNH4+）の吸収・放出が生じており、吸収については葉面濡れ性が大きく寄与していること、放出については着葉期に主に生じていることが明らかとなり、特に葉面での吸収・放出プロセスの重要性が示唆された。一方で、樹木葉側の重要な因子と考えられてきた葉内（アポプラスト液あるいは新鮮葉全葉）のNH4+やH+の濃度、それらの比から算出される放出ポテンシャルだけでは、吸収も放出も説明が困難であることも判明した。すなわち、「大気・降水の濃度」と「葉内濃度」という2項目間のバランスだけでなく、「大気・降水の濃度」、「葉面でのガス・粒子沈着による水膜形成とそこからの再気散」、そして「葉内濃度」という3項目間のバランスを考慮すべきという考えに至った。
今後の研究においては、特に水膜形成とそこからの再気散と葉内濃度に着目し、進めていくつもりである。具体的には、水膜形成と再気散はフィールド観測で詳細に見出すのは困難であるため、大気・降水の濃度や葉内濃度に関して追加データを取得しつつ、関連データとともに精査し、これまでの吸収・放出で考えられてきたモデルを再検討・修正していくことにより、葉面で生じているであろう現象を描写できるのではないかと考えている。
フィールド観測やその後の実験等は、夏季・秋季の限られた期間において、複数名で動く必要があり、COVID-19流行状況によっては、大きく支障が出る場合がある。本研究は最終年度であるが、この状況如何によっては、研究期間の延長も含めて検討する。
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| Causes of Carryover |
COVID-19流行により、国際学会・国内学会出席、研究打ち合わせ等の旅費を全く支出しなかった。次年度においては、COVID-19流行状況を見ながら、可能であれば学会等への参加を試み、そこで支出することとしたい。一方で、それが叶わない場合は、論文発表時のオープンアクセス化等によるアウトリーチ活動に充てることを想定する。あるいはここまでの進捗で特定されつつある検討項目をさらに掘り下げることも視野に入れ、その場合は研究期間延長も含めて検討する。
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