100711 3モデル紹介資料

National Institute for Agro-Environmental Sciences, JapanNational Institute for Agro-Environmental Sciences, Japan

３．数値モデルの事例３．数値モデルの事例


数値モデルは多様• 何を求める？

個別要素：　河川水 NO3- 濃度， N2O 発生量，など

複合要素：　陸域生態系の N 蓄積， N 循環の再現，など

• 時空間スケールは？時間：　時，日，週，隔週，月，年空間：　プロット，小集水域，流域，地域，全球

• 対象とする過程は？重要な過程のみ ⇔ なるべく多くの過程

• 既往モデル（メカニスティックモデル）の例NIAES- 新藤モデ

ル， Century ， DNDC ， PnET ， MAGIC


NIAES- 新藤モデル

魚貝類

輸入輸入

環境（地下水、河川へ）

畜産品

家畜

（牧草）

窒素固定(農地）

食物

飼料

（下水処理）

農地

人

作物

NH3

化学肥料

エネルギー

図７　新藤モデルのプロセスフロー


地下水層

河川

土壌

海へ

☆土壌中での有機物分解と窒素無機化　　（ RothC モデル＋ Parton の式）

☆ 土壌中、地下水中での脱窒など　　（一次反応）　　 dC /dz = - kT C/u　　 CZ= C0 ・ exp(-kT ・ z/u)　　 kT = Q10

(T–20)/10·k20

C0 : N concentration at 0 m the depth

CZ :N conc. at z m depth

kT : Reaction coefficient at T ℃u: flow rate (m/y) =precipitation – evapotranspiration

☆河川を通じて海まで流出図８　新藤モデルの計算スキーム

• 新藤モデルの特徴主な計算対象：　河川水 N 濃度（メッシュ間の水平輸送

考慮）地域規模の広域評価， N フローのシナリオ設定を含む


Century-SOM (forest)• 名称：　 Century-Soil Organic Matter sub-model• モデルの特徴

主な計算対象：　森林生態系の C と N のフラックス時空間単位：　日単位；プロットスケール草地土壌を対象とした Century SOM サブモデルを森

林土壌向けに改良（追加要素：木部リターのプール； N の無機化・有機化；菌根菌を介した N 吸収）

土壌有機物を３型に区分（ active, slow, resistant ）硝化・脱窒など N 関連過程の表現は簡易

• 関連文献Kirschbaum & Paul (2002) Soil Biol. Biochem. 34:341-354

Parton et al. (1988) Biogeochem. 5:109-131

Parton et al. (1987) Soil Sci. Soc. Am. J. 51:1173-1179


図９　 Century SOM (forest) モデルのスキーム（ Kirschbaum & Paul 2002 に基づき作成）

気温および土壌水分などはインプットデータとして与える

生長量

CO2

幹

無機窒素NH4

+, NO3-

沈着・窒素固定溶脱

代謝リター構造リター木部リター（細）

土壌有機物（分解：早）

土壌有機物（分解：遅）

土壌有機物（難分解）

枝

葉など

粗根

細根

木部リター（粗）

木部リター（粗）代謝リター構造リター菌根菌吸収

Loss

CO2

CO2

CO2

CO2 CO2 CO2

CO2

CO2

CO2 CO2

光合成

NおよびCの流れ Nの流れ Cの流れ


DNDC• 名称：　 Denitrification-Decomposition model• モデルの特徴

主な計算対象：　有機物分解・脱窒に伴うガス発生時空間単位：　土壌が十分湿っている条件（脱窒が起きる条件）では１時間・他は１日単位；プロットスケール

熱・水移動，有機物分解，脱窒の３サブモデル土壌を複数の層として扱う初期の DNDC は硝化を簡易に扱っている必要な入力データは非常に多い

• 関連文献Li et al. (1992) J. Geophys. Res. 97, D9:9759-9776

National Institute for Agro-Environmental Sciences, JapanNational Institute for Agro-Environmental Sciences, Japan図１０　 DNDC モデルのスキーム（ Li et al. 1992 に基づき作成）

残渣（リター）極易分解性易分解性難分解性

微生物バイオマス易分解性難分解性

易分解性腐植難分解性腐植

不活性腐植

DOC 脱窒菌バイオマス NO3

-

NH4+

植物吸収

N肥料，N湿性沈着

NH3 N2OCO2月平均気温・日長

日蒸発散

日平均気温

層間の熱・水の移動

層別地温層別土壌水分

降水量

年平均地温

気候シナリオのデータ

分解・脱窒サブモデルへ

熱・水移動サブモデル分解サブモデル

熱・水移動サブモデルより地温と水分条件の補正係数

NO3-

NO2-

N2O

N2

N2O N2

脱窒菌ﾊｲ゙ｵﾏｽ

DOCCO2

NO3-

還元菌

NO2-

還元菌

N2O還元菌

脱窒サブモデル

熱・水移動サブモデルより地温と水分条件の補正係数脱窒サブモデルへ

分解サブモデルより


PnET-CN• 名称：　 Photosynthesis-Evapotranspiration

model of carbon, water and nitrogen interactions in forest ecosystems

• モデルの特徴：主な計算対象：　森林生態系における C と N のフ

ラックス時空間単位：　月単位；プロット規模～流域規模森林植生の植物生産を求めるオリジナルの PnET モ

デルを C ， N ，水循環の表現において改良植物生産は，葉 N 含有率と光合成速度との関係，飽差と水利用効率との関係を用いて簡易に表現

• 関連文献Aber & Federer (1992) Oecologia 92:463-474

Aber et al. (1997) Ecol. Model. 101:61-78

National Institute for Agro-Environmental Sciences, JapanNational Institute for Agro-Environmental Sciences, Japan図１１　 PnET-CN モデルのスキーム（ Aber et al. 1997 に基づき作成）

木部C/ N

木部

枯死木部

植物C/ N

細根

土壌

無機窒素NH4

+, NO3-

葉芽C/ N

樹冠

積雪

土壌水

水の流れ炭素および窒素の流れ

木質分解

木部リター

木部生産

根リター

転流

転流

無機化

転流

葉リター

葉生産

有機物

窒素吸収

葉呼吸総光合成

土壌呼吸

土壌溶液への溶解

浸出

降水

表面流去

融雪

雪・雨分配

水分吸収

蒸散樹冠遮断生長・維持呼吸


PnET-N-DNDC• PnET ， DNDC ，および硝化モデルを結合• モデルの特徴

主な計算対象：　森林土壌からの N2O と NO の放出時空間単位：　時間単位；プロット規模植物生産の表現に優れた PnET と有機物分解・脱窒

の表現に優れた DNDC をつないで改良新たな追加要素：　生態系変動要因（ ecological

drivers: 気候，土壌，植生，人間活動）の土壌環境条件（地温，土壌水分， pH ，酸化還元電位，基質濃度）への影響

必要な入力データは DNDC よりもさらに多い

• 関連文献Li et al. (2000) J. Geophys. Res. 105, D4:4369-4384

National Institute for Agro-Environmental Sciences, JapanNational Institute for Agro-Environmental Sciences, Japan図１２　 PnET-N-DNDC モデルのスキーム（ Li et al. 2000 に基づき作成）

生態系変動要因

土壌環境要素

気候土壌植生人間活動

土壌条件森林生長

有機物分解

窒素系ガス放出 NO, N2O, N2, NH3フラックス

脱窒硝化

地温土壌水分 pH 嫌気域（仮想的）基質（NH4+, NO3

-, DOC）

NO3-

DOC

NO3-還元菌

NO2-還元菌

N2O還元菌

NO2-

N2O

NO

N2 N2O NO NH3

NO3-

DOC 硝化菌 NH4+

NH3 NH4+吸着

極易分解性リター

易分解性リター

難分解性リター

易分解性微生物難分解性微生物

易分解性腐植難分解性腐植

不活性腐植

CO2

DOC

NH4+

水要求

根の水分吸収

水ストレス

光合成

葉中N

根のN吸収

ﾊｲ゙ｵﾏｽ生産

N要求

地上部呼吸

CO2

種子

木部

根根呼吸

年平均地温

LAI→アルベド

地温鉛直分布

日潜在蒸発散

蒸散蒸発層間水移動

土壌水分鉛直分布

酸素拡散

酸素消費

Eh鉛直分布

有機物分解への地温・土壌水分の影響

NO・N2Oの交換


MAGIC• 名称：　 Model of Acidification of Groundwater in

Catchments (MAGIC)• モデルの特徴

主な計算対象：　土壌および土壌溶液の化学性時空間単位：　任意（水質データの単位），小集水域

規模渓流水と地下水（土壌溶液）の水質が同じと仮定し，渓流水水質と一致するよう土壌の化学性を逆推定

各変数は時間的に不連続渓流水水質＝地下水（土壌溶液）水質という仮定に無

理のない空間規模に適用可能（水質データが不可欠）

• 関連文献Cosby et al. (1985) Water Resources Res. 21:51-63

Cosby et al. (1985) Water Resources Res. 21:1591-1601

National Institute for Agro-Environmental Sciences, JapanNational Institute for Agro-Environmental Sciences, Japan図１３　 MAGIC モデルのスキーム（ Cosby et al. 1985 に基づき作成）

小集水域末端の渓流水水質 ≒ 地下水水質

陽イオン交換反応

(1) 交換性陽イオンフラクション（Al, Ca, Mg, K, Na）

(2) 塩基飽和度(3) 選択係数： Al VS Ca(4) 選択係数： Ca VS Na(5) 選択係数： Mg VS Na(6) 選択係数： K VS Na

(7) Al(OH)3 + 3H+ = Al3+ + 3H2O(8) Al3+ + H2O = Al(OH)2+ + H+

(9) Al3+ + 2H2O = Al(OH)2+ + 2H+

(10) Al3+ + 3H2O = Al(OH)30 + 3H+

(11) Al3+ + 4H2O = Al(OH)4- + 4H+

(12) Al3+ + F- = AlF2+

(13) Al3+ + 2F- = AlF2+

(14) Al3+ + 3F- = AlF30

(15) Al3+ + 4F- = AlF4-

(16) Al3+ + 5F- = AlF52-

(17) Al3+ + 6F- = AlF63-

(18) Al3+ + SO42- = Al(SO4)+

(19) Al3+ + 2SO42- = Al(SO4)2-

(20) pCO2 = CO2(aq)(21) H2O + CO2(aq) = H+ + HCO3

-

(22) HCO3- = H+ + CO3

2-

(23) H2O = H+ + OH-

(24) (H+) - (OH-) + 2(Ca2+) + 2(Mg2+) + (K+) + (Na+) + 3(Al3+) + 2(Al(OH)2+) + (Al(OH)2+) - (Al(OH)4-)+ 2(AlF2+) + (AlF2

+) - (AlF4-) - 2(AlF5

2-) - 3(AlF63-) + (Al(SO4)+) - (Al(SO4)2-)

- (Cl-) - (F-) - (NO3-) - 2(SO4

2-) - (HCO3-) - 2(CO3

2-) = 0

無機アルミニウム平衡反応無機炭素平衡反応

イオンバランス： Σ 陽イオン－ Σ 陰イオン＝ 0

小集水域末端における渓流水の水質データと一致するように未知数を逆推定

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