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九州大学学術情報リポジトリ Kyushu University Institutional Repository Relationship between Canopy Architecture and Crop Production with Reference to Light and CO_2

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九州大学学術情報リポジトリ

Kyushu University Institutional Repository

Relationship between Canopy Architecture and

Crop Production with Reference to Light and

CO_2 Environment : III. Relations between

Canopy Architecture and Construction Factors

for CO_2 Diffusion in Some Crop Stands

広田, 修

九州大学農学部栽培学教室

武田, 友四郎

九州大学農学部栽培学教室

https://doi.org/10.15017/22241

出版情報:九州大學農學部學藝雜誌. 41 (3/4), pp.171-184, 1987-03. Faculty of Agriculture,

Kyushu University

バージョン:

権利関係:

(2)

,f~A&%$qZs (Sci. Bull. Fat. Agr., Kyushu Univ.)

2241% %3*4C- 171-184 (1987)

Relationship between Canopy Architecture and Crop Production

with Reference to Light and CO2 Environment

III. Relations between Canopy Architecture and Construction

Factors for CO2 Diffusion in Some Crop Stands

O

SAMU

HIROTA and T

OMOSHIRO

T

A K E D A

Laboratory of Crop Husbandry, Faculty of Agriculture,

Kyushu University 46-06, Fukuoka 812

(3)

Crops used for measuring wind speed in canopies. Variety Year Locate 1981 198L 1982 1 1 1983 1983 ll~ 円 友 回 修・武 出 広 172 Table 1. Area m' 20x 20 1己OX200 200 x 200 20 x 20 80X 40 11 100 x 60 Kyushu Univ 1 1 Fukuoka Agric. Inst Saga Prefec. Kawazoe Kyushu Univ 11 Saga Prefec. Kawazoe Saga Agric. Inst Hatakinumochi Asakaze Fukuyutaka Plainsman 11 Plainsman 1 1 Koganebare Crop barnyard millet upland rice wheat soybean grain sorghum (short tyアpe) 11 (tall type) grain sorghum (short type) 1 1 (tall type) N白 ー ょ っ 臼 今 、 υ 々 守 口 J ι U 戸 i o k v n y 2. 植被内の風速の減衰係数 植被内の風速と植被面の風速との聞には, nce た.風速の測定地点は植被の高さによって変えた. U(z)二 Uhexp [ β(1-z/h)J …・・・ ・・・・(1) ただし ,U(z),植被内の風速cm/sec;Uh,植被面 の風速cm/sec;

s

,風速の減衰係数

z

,h,それぞ れ植被内の任意の高さ,植被面の高さcm の関係があることが知られている (Goudriaan,1977 ; Inoue, 1963; Uchijima and Wright, 1964).したがっ て,群落構造と植被内の風速の関係は各々の群落にお ける風速の減衰係数

d

を比較することによって明ら かにされる. Fig.7は植被内の任意の高さ(植被面の高さに対す る相対値)に対して,風速(植被面の風速に対する相 対値)を片対数グラフにプロットしたものである.植 被内の高さ (l-z/h)に対する風速 (U(Z)/Uh)の回

結果および考察

1. 各作物価体群の生産構造 Fig.1から Fig.6まで各作物個体群の生産構造を示 した.草高,葉身の傾斜角および葉面積の垂直分布等 により,これらの作物個体群は次のように類型化する ことができる. 草高はグレインソルガム (Fig.4,5)の長稗系統の 180~200 cm を除いて,他は 70~100cmであり,作物 問に大きな差はない.葉身の傾斜角については,大豆 個体群(Fig.3)は典型的な水平葉タイプである.葉面 積密度は栽培ヒエ(Fig.l)と大豆個体群では植被の上 層で高く,陸稲 (Fig.1)と小麦 (Fig.2)では下層で 高い.グレインソルガムの短・長の両系統および水稲 個体群では葉面積の垂直分布は紡垂型をしている. -4 _ ,__3 x 10~ g/cm 8 12 d.m.w. 4 -2 __2,__3 LAD x 1D " cm"/cm 10 8 6 4 0 100

-2 2, 3 10" cm"/cm 0 8 4 LAO 4 8 12 wheat 80 20 E 60 u

.

.

.

急 40 F ω .<= 100 ~ 60

'

"

'

"

.<= 40 ~ 80 20

Fig. 2. Productive structure of wheat (var Asakaze) population. O Fig.1.Productive structure of barnyard millet and upland rice (var. Hata kinumochi) populations.

(4)

数 種III!体群のC02拡散の構成要因 173

L

A

D

3D ー2 2, 3

x

10~ cm~/cm 20 10

ー ζυ 吋 J m p L , , , n フ ﹄ -凋 U守 n u l x 00

w

-m

-A U A 守 100

80

E u

60

ふJ ..c

:

'ri

40

Q.J 」 コ

1

E

:

:

:

:

:

i

s

t

e

J

O soybean Fig. 3. Productive structure of soybean (var.Fukuyutaka) population. ー2__2,__3 ~, n-4 ,___3 ;xlO <-cm'-Icm.... d.m.w. xlO ' g/cm 20日I L.A. density e n v y t -a t L n u n c l 160 140 しA. dens¥ty ><10-2 cm2/cm3 16 12 100 -4 _ ,__3 d.m.w. ')(10--' g/cm 12 120 15 short type 80 n u n u z

a M 司 ε υ N 20

Fig. 4. Productive structure of grain sorghum (var.Plainsman) population. 1982

(5)

Jl~ L.A.desity 一2 2, 3 x 10 -cm-

I

c

m 四 友 田 修・式 D.門.weight 4 , 3 x 10 ~ g/cm 回 l広 174 L.A. densHy 12 L .A. densi ty lli short typ巴 180 160 140 じ:ーー .... F= 4.23 120 EU ふ 100 .c

. , . , U .c 80 60 40 20 Fig.5.Productive structure of grain sorghum (var. Plainsman) population.1983. -4 3 x 10 sucm 8 12 -2 2. 3 x 10 -c同 Icm 8 4 0

1

6

ear

l

eL

J

:

:

:

:

:

:

:

:

d....v. 4 LAD 100

60

40

80 E u μ z m r u z 20 Fig. 6. Productive structure of rice (var. Koganebare) population .

o

(6)

175 数種{固体群のC02拡散の構成要因 1・z/h 0.4 0.6 1・ Zlh 0.4 0.6 1.0

B

0.8 0.2

1.0 up1and rice LAI

=

3.7 B • 1.61

A

0.8 ー 0.2 0 1.0 0.5 wheat h. 80 cm LAI

=

3.9 B = 3.0

-•

.

0.1 0.05 1.0

D

¥

¥ 8

ド:え

B

¥

0.8 0.6 0.4 0.2

0.8

¥

¥

¥¥Z

t

、 、

g

。、

soybean 90 Cm LAI= 7.9 s

=

4.3

、 、

barnyard mi 11 et

LAI 5.0

B = 3.05

占、 1.0

c

0.6 0.4 0.2 1 .0~ . r:: = コ、 、 ニ コ 0.5 吃 コ

'

"

'

"

c. 凶 、 コ C ~

B

2.71 2.37 grain sorghurn

short Otall

gsrhao i rtn sorghum

o

tall 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.1 D 1.0

E

B

金 企 0.5 0.1 rlce

Fig. 7. Relationship between wind speed and height in di百erentcrop canoples.

s

= h [~d~

r

...(2) 帰式 ただし ,

C

d

'

抵抗係数 ;

!

L

'

葉面積密度cm2 /cm 3 ;

1

m

,混合距離cm で表わされている.

(

2

)

式に示された葉面積密度んに 群落の平均的な葉面積密度として

Fdh

を代入する左

d

二 川

1

3

[

f

]

'

3

...(3) ただし ,FL'葉面積指数

となる.また, Kondo and Akashi (1976) によると 混合距離んは植被の中央部では, l n q

β

(

1-

-

f

)

+

b

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

(l) ただし ,b,定数 を用いて,統計的に風速の減衰係数

3

を求めることが できる.計算結果を図巾に示し,さらに Table2にま とめた. Fig.7および Table2に示すようにグレイン ソルガムにおいては長得系統は短稗系統に比べて,風 速の減衰係数βは小さい.これはいかなる理由による ものであろうか. Inoue (1963) によると

d

は,

(7)

四 郎 友 田 修・武 円 口 f J 広 176

4

x

3

(

4

)

m - CdfL ただし

,x,

Kannan定 数0.4 で示されている. (4)式を (3)式に代入して整理する と, Table 2. Characteristics of foliage and attenuation coefficients of wind speed. β21 ; 311 Height cm LAI 0.46 0.51 0.80 0.37 0.54 3.1 1.

6

3.(1 4.3 2.i F 3 L F d

c

一 X 14 一 ワ μ 一 q べ υ 一 一 ' h H L Jj d C 1 一h u 一3 β μ となり,減衰係数 β は 葉 面 積 指 数FLと 抵 抗 係 数Cd で表わされる. 葉面積指数と j成衰係数dの聞には Fig.8に示すよ うに,正の相関があり回帰直線が求められる[Fig.8に は堀江(1981)がまとめたデータも記入した).しかし ながら, Fig.8において回帰直線から離れたデータが みられる.すなわち,大豆個体群においてβは推定値 よりも高いが,グレインソルガムの長稗系統と陸稲個 体群では推定値を下まわっている.ごの点について, 以下で考察する. (5)式において減衰係数β を決定づけている要因と して,葉面積指数以外には抵抗係数Cdがある.Thom (1968)は模擬葉を使って個葉の抵抗係数を測定し, 水平葉は抵抗係数が小さいことを報告している.した 2.4 0.32 2.9 0.45 1)Attenuation coefficient of wind speed, estimated from relationship between relative canopy height and relative wind speed in the canopy [eq. (1) and eq.(1)') 2)Attenuation coefficient of wind speed,

estimated from relationship between downward cumulative LAI and relative wind speed in the canopy [eq.(6)). 0.38 0.42 100 70 80 90 ;'.0 3.7 3.9 7.9 2.1 2.i 80 200 180 100 5.1 5.7 4.2 3.8 Crop bamyard millet upland rice wheat soybean grain sorghum (short type) grain sorghum (tall type) grain sorghum (short type) grain sorghum (tall type) nce NCl tiq ノ ︼ q ︿ d A す U 8 6 i 100 4.7 9

5

.tJト

o

a

-E a・ * * φ 電 i v vAau

﹃ ,

n u

n3nu 内 ζ

.

r

n U

V

barnyardm且llet graln 9orghum.. 9hort type tall type

+

A

.

wheat • upl副 drice モ}-8oybe81l

s凶 flower corn

o

rice A r〆 A

~.

+

4

2

3

.

.

リ VCUFU 一 ﹁ ﹄ ﹄ UoucoFμ

司 コ

CUHH4

O

O

1

0

Fig. 8. Relationship between leaf area index and attenuation coe伍cients(s)of wind speed in di仔erent

crop canopies

fromHorie, T. (1981).

8

6

L

A

I

4

2

(8)

数種個体群の CO2拡散の構成要因 177 がって,大豆個体群の減衰係数βが大きいのは抵抗係 数以外の要因が考えられなければならない.一方,陸 稲 個 体 群 で は イ ネ 科 の 他 の 作 物 よ り も 減 衰 係 数

3

は 小さくなっているが,抵抗係数は他のイネ科作物と比 較して大きく違わないと考支られるので, ごれしも抵抗 係数以外の要因が考えられなければならない(1)式 から (5)式 の 展 開 の 過 程 で 群 落 を 構 成 す る 要 因 と し て,葉面積指数,草高および葉の傾き等を考慮したが (ただし,葉の傾きは便宜的に抵抗係数

C

dて、表わさ れている ),葉面積指数の垂直分布を考慮していない. すなわち,大豆個体群では植被の上層で葉面積密度が 8 1.0

s

O. 1 ~

0.05ト

B

• barnyarde;illet 0.46 o up1and rice 目。51 1.0 ¥ ニ コ.c gra i n sorghum N = コ D目5~.

• short o tall て コ

'

"

ν 帥 Q.

c O F 玄 • 0 0.5

t

企 企 4

4

B

r1ce 0.45 高い (Fig.3)のに対し, ~i 稲個体群では植被の下層で 密度が高い (Fig.l)ことが上記の結果に関係している と考えられる.なお,小麦個体群においては陸稲個体 群と同様にド層に葉が集中している (Fig.2)にもかか わらず,減衰係数が大きくなつでいる.二れは Fig.2 に示すように出穂、による影響があったものと考えられ る. さて, Inoue (1963) および Goudriaan(1977) の値 被 内 の 風 速 モ デ ル に 用 い ら れ た 風 速 の 減 衰 係 数 β に 組込まれていないが,群落構造の重要な決定要因であ る 葉 面 積 密 度 が 減 衰 係 数 β に 及 ぼ す 影 響 に つ い て 調 Cumu1ative LAJ 10 0 10

A

B

8

O

s

O • wheat 0.80 o soybean 0.37 s'

C

graln sorghum s

0

0,42 • short 0.54 0,32 o ta11 0.38

s

8

g 8

2

.

8

C .0

.

E

(9)

178 広 田 修 ・ 武 田 友 四 郎

1.0

0

.

8

ト 4ヨー

0.6

α

A

OA

0.2

o

2

4

6

LAI

8

Fig. 10. Relationship between leaf area index and attenuation coefficient(β')of wind speed in different crop canopies Symbols are the same as in Fig. 8. べる.Oikawa (1978a)は植被内の風速の減衰をもたら す主な要肉は葉面積であることから,植被面から下向 きに測った積算葉面積指数と風速との間に,

C

,二 仁hexp ( -;3'

F

)

・・・ ...一 ...(6) ただし, ;3',減衰係数 F,積 算 葉 面 積 指 数 UF, Fにおける風速 の関係を導いている. ;3'は風速の減衰係数であるが, (1)式における減衰係数 β と異なり,積算葉面積指数 と風速の関係から求められる.したがって,減衰係数 ;3' i土高さ方向の葉面積の分布とは無関係に求められ るものである.Fig.9において減衰係数〆を求めた. 試みに〆を葉面積指数に対してプロットすると,予期 し た よ う に 両 者 の 問 に は 何 ら の 相 関 も 不 し て い な い (Fig.10).しかしながら Fig.8において大きな減衰 係数dを不した大豆個体群では, 1威 衰 係 数 〆 は む し ろ小さな値となっている.したがって,葉面積の垂直 分 布 が 風 速 の 減 衰 係 数

J

に関係していることは明ら かであろう.なお, Rauner (1976)は広葉樹の群落に おいて, (6) 式から求められる減衰係数 β' は O.25~0 35であることを報告している.これは本研究における 広葉塑の大豆個体群について得られた0.37とほぼ近 L 汁直といえる. っきに問題となるのは Fig.8に示したグレインソ ルガムの長梓系統の減衰係数

3

が小さい理由である.

1

E

面積の垂直分布は

f

也の作物と同様に,グレインソル カムの長得と短秤系統は共に紡垂型をしているので,

1

0

このことは理由にならない.その証拠として, Fig.10 に 示 し た よ う に 葉 面 積 指 数 に 対 す る 風 速 の 減 衰 係 数 グ も 小 さ い . 減 衰 係 数 β は (5)式に示したように葉面 積指数のほかに抵抗係数Cdが関係している.Fig.10 に示した,葉面積指数に対してプロッ卜した場合の風 速 の 減 衰 係 数βFはグレインソルガムの長稗系統と大 豆個体群で小さい. (5)式に従えば,グレインソルカや ムの長得系統と大豆個体群では抵抗係数

C

dが小さい ことを予想させる.つぎに抵抗係数について検討する. 3. 抵 抗 係 数 群溶における葉身の風に対する抵抗係数

C

dは植被 上および植被内の風速の垂直分布ならびに葉面積密度 の垂直分布から求められる.以下で抵抗係数の算出法 を簡単に説明する. 植 被 内 の 風 に 対 す る 単 位 空 間 あ た り の 抵 抗 力 Dr(;:') (drag forc巴)は, ρf(;:')二 ρ

C

d(;:,)五(;:, )ιア'(;:,)...・H ・..…………(7) ただし ,Df(;:,), 抵抗力gcm/ cm3sec' :ρ,空気密 度g/cm3 て、表わされる.いま,群落内の風によって生じる勇断 力 (shearing stress) をr(;:, )とすれば, Df(;:')と r(引の間には, dr(;:, ) 二 Df(;:') ………・ ・・・・・・・・ ・・ (8) d(;:,) の関係が成り立つ.したがって,(7)式と

(

8

)

式よ , ) t r( ),:;二 rh ρ{Cd(;:'山 ;:,)U'(;:, )d, .:;...(9) が得られる.ただし , rhはReynolds応力であり, rh 二 pU; ...・H ・..………...一………・・(0) ただし U判 摩 擦 速 度cm/sec で定義されている. ここで,摩擦速度む*は植被上の風速 U(;:,)と高さ

z

との聞に成り立つ, む(;:,)二立土ln-;:,三互……-………… ・・・ (ll)

x

;:,。 ただし ,d,地面修正量cm.Zo,粗度長cm を使って,植被上の風速の垂直分布から求めることが できる. さて,抵抗係数Cdを得るために, [(0)二0,Cd(z) = Cd(const) と仮定ずると (Uchijimaand Wright, 1964), (9)式 より,

(10)

数種個体群のC02拡散の構成要因 179 th rh ・ ・・・・・・ ・・・・・ ・(12)

ρ

I

Lア~fL(Z

)

d

z

が得られる.ただし Umは植被内の平均風速で,

Thom

(1

9

7

1

)

により,

l

ι

T'(Z

l

f

r

(

z

)

d

z

ι3zJOPh ………(13)

l

(

z

)

d

z

6

wheat

ノグ/

5

lII. 4 3l

2

4

6

grain sorg. short

ZJ

.

ν

/f/

!

/

- ・色/ 巴 3

'

2

4

r

l

e

5

4 3

2

4 と定義されている. したがって,群落における抵抗係数を得るには,ま ず (11)式に不した楠被上の風速の垂直分布から摩擦 速度U*を求める必要がある.

F

i

g

.

l

l

I

こ小麦,大豆, グレインソルガムの短稗と長稗系統および水稲の各植 被上の風速と高さの関係を(11)式に基づいて示した. 以上のようにして求めた各々の作物(同体群の抵抗係 数Cdを植被内の平均風速 Um ((13)式参照〕に対し

soybean

J

2

4

t

L

6

2

4

6

wind speed

m l冨

ec

F

i

g

.

1

1.

Wind s

p

e

e

d

s

[

U

(

z

)

]

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l

n

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d

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e

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r

o

p

s

t

a

n

d

s

(11)

180 J

IE 修 ・ 武 田 友 四 郎 O.() +' C ω 8 0.4 ~ 」 、 司 ω O O

'

"

2

0.2 てフ

• •

A

••

.

-

wheat

ι

F

-b

-A

i 岨 i

a

O O 50 100 150 mean wind speed in the canopy cm/sec Fig. 12. Relationships between mean wind speeds in the canopy and drag coe侃clents of wheat and soybean plant populations. Arrows indicate the mean drag coefficients.

ふJ C むO. ~

刊 、 司 "-

.

< 0 0 : i 'O.21 L て3

a

.

.

.

.

.

.-

-

-•

.

.

.

.

_

-

L - grain sorghum(short) ... 但邑..,・H .語i"L- 一一一一一一一~grain sorJl;;hum( tall ) 国巴情l 圃 圃 n

100 150 50 mean ...ind speed in the canopy cm/sec Fig. 13. Relationships between mean wind speeds in the canopy and drag coe伍CIents of grain sorghum and rice plant popula. tions. Arrows indicate the m巴an drag coefficients . てプロッ卜した(Figs.12, 13). 各個体群ともに抵抗係 数はカミなりのばらつきはあるが,大豆は0.10,グレイ ンソルガムの長稗系統では0.08であり,これらは他の

f

乍物よりも小さい.大豆個体群において抵抗係数が小 さいのは, Thom (1968)がモデル葉を用いた風洞実験 で得た,水平タイプの抵抗係数が小さいこ

E

と一致す る.グレインソルガムの長稗系統で抵抗係数が小さい のはどのような理由によるものであろうか.グレイン ソルガム

ω

短稗系統の抵抗係数も小麦・水稲などと比 較してやや小さい傾向がある.したがって, Thom (1968) の実験結果に従えば,グレインソルガムの葉 身の傾斜角は;}:.稲などにくらべて小さいことが予想さ れる.本研究においては,葉身の傾斜角の調査を行っ ていないので,葉の↑頃きの程度を知る意味で,短波放 射の消散係数について,水稲とグレインソルガムにつ い て 比 較 し て み る 〔 広 田 ら ( 1978), 武 田 ・ 広 田 (1983) J.水稲の消散係数は 0.30でグレインソルガム は O.32~0.34 であり,ややグレインソルガムの消散係 数が大きい. このことはグレインソルガム個体群の傾 斜角が大きいことを示唆している.グレインゾルガム の低抗係数が比較的に小さいのは葉身の傾斜角が小さ いことが一つの理由になっていると考えられる.さら にグレインソルガムの長稗型の方が短稗型よりも抵抗 係数が小さい理由として,長得型の葉身が風によって はためき(自uttering)やすいことが挙げられる. Oik. awa (l978a, 1978b)は葉のはためにきにより抵抗係数 が小さくなることを指摘している. さて,先に述べたThom (1968) のモテゃル葉による 実験では,葉身の傾斜角が 0~90 度の間で,抵抗係数 は0.05から 0.50まで変化した. Rauner (1976)によ ると広葉樹群落における抵抗係数は平均0.03であり, Thom (1968)によるモデル葉の傾斜角が O度の抵抗係 数よりもかなり小さい.実際の植物群落で,葉身の傾 斜角がO度ということはあり得ないので,このことを 考慮すると,上記の広葉樹の抵抗係数は極端に小さい と言える.本研究においてもグレインソルカ、ムの長稗 塑個体群で抵抗係数は小さいが,このように草高の高 し〉群落において,抵抗係数が小さいのは一般的に如何 なる理由によるのか,この点に疑問が残る. 4. 拡 散 係 数 以上の結果をもとに植被内のC02拡 散 に つ い て 考 察する.拡散係数Dは, D(z)二 U(z)i(z )lm(z)……...・H・...(14) ただし ,D(z),拡散係数cm'/sec;む(z),風速cm/ scc ; i(z),相対乱流強度;lm(z),混合距離cm て、表わされているが,植被の中央では(1

4

)

式に,(1) および

(

4

)

式を代入して得られる(1

5

)

式, D(z)二 Uhexp

1

-

CdFL 0 } ..2

(

1

斗│

L ~". L 3.2x ¥ h I

J

4 x3 (z)~.~... ・ H ・-…一…(1 5) Cd !L(Z) によって考察する. 拡散係数D(z)は(15)式によって明らかなように, 高さ方向(相対値)に対して減衰し,その減衰係数は 風速の減衰係数β[(5)式〕で示される.このことは群 落内の拡散係数の減衰は風速の減衰と強く関係してい ることが示唆される. さて, (5)式および(15)式から明らかなように,

(12)

数種個体群のCO,拡散の構成要因 181 風速および拡散係数の減衰係数はさらに抵抗係数

Cd

に比例している.大豆の抵抗係数

C

d

はすでに述べた よ う に 水 稲 に 比 べ て 小 さ い の で あ る が (Figs.12, 13), Fig.8に示したように,減衰係数は他の作物に比 べて同じか,あるいはLAIが大きい段階ではむしろ大 きくなっている.このことは風速あるいは拡散係数の 減衰にはLAIおよび抵抗係数

C

d以外の他の要素,例 えば大豆個体群では Fig.3 に示すように葉面積密度 が上層に集中していることが上記のことに影響を与え ていると考えられる.また,グレインソルガムの長稗 型と短稗型の減衰係数を比較した場合,抵抗係数

Cd

が小さい長稗型で減衰係数は小さくなることが示唆さ れる (Fig.13). 次に拡散係数D(z)の構成要素である混合距離1m と相対乱流強度iについて述べる.混合距離んは抵 抗係数

C

d

に逆比例しており(

(

4

)

式],抵抗係数が小 さい大豆やグレインソノレガムの長程型で混合距離は大 きしその結果,拡散係数を大きくしている.相対乱 流強度 i(z) は植被内部で O.3~O.6 の問で変動して いるが,作物問のはっきりした違いは見られなかった (武田・広田, 1983). 同様なことは Cionco(1965) も指摘している. 5. 群落構造と CO2拡散 以上述べたことをもとにして,ここで,群落構造と C02拡散の関係について整理しておし 群落構造に関して, C02拡散は三つの場面で関係し ている.第ーは大気からのC02拡散であり,これは主 に草高と関係しており,草高が高いほど拡散係数は大 きい (Monteith,1973:武田・広田, 1983). 第二は植 被内でのC02拡散であり,これは葉の傾き,および葉 wind speed 1. Re1ation between canopy height and CO

2 d工ffusion boundary layer wind speed at canopy surface U(h) drag coefficient C d resistance r ' a CO_ diffusion coefficie"t D(z) l F h u + U C

白 、

J nz a u , f t、 1 4 m -ム σ b n l x - ム m

2. Relation between a profile of leaf area density and CO

2 diffusユon attenuation coefficient of wind speed

B

CO_ diffusion coefficient D(z) wind speed in the canopy U(z) boundary layer res工stance a r

3. Relation between leaf inclination angle and CO

2 diffusion drag coefficient C d attenuation coefficient of wind speed

CO_ diffusion coeff

cient D(z) h u + u o b n

l e Z 1 ム, f

m u b 可 ム n

. 、

-X

、 ム m

boundary layer wind speed in the canopy U(z) resistance r ' a leaf width

w

4. Realtion between leaf width and CO

2 diffusion boundary layer

Fig. 14.

R

巴lationbetween component factors of the foliage and those of CO2 diffusion in the canopy

resistance

a

(13)

182 広 田 修 ・ 武 田 友 四 郎

面積密度と関係が深い (Kondo and Akashi, 1976; Monteith, 1973; Thom, 1968). 第三として,葉面境 界層でのC02拡散である.これは葉の大きさが関係す る(堀江, 1981). ここでは群落構造と最も関係が深い植被内での拡散 係数について,その構成要素と群落構造との関係を検 討する. 植被l吋の高さ

z

における拡散係数は,風速,相対乱 流強度および混合距離の積として(14)式で示されて いる.以下この式に基づいて検討する. まず,風速 U(z)は(1)式で示したように,植被面 風速 Uhと減衰係数βで表わされる.

i

威衰係数βは (5)式に示したように葉の傾きに関係している抵抗係 数

C

dと,葉面積指数rIで表わされる. つぎに, (14)式における混合距離んは (4)式に示 すように,草高と関係が強い葉面積密度んと関係して いる.群落構造を特徴づける要素(草高,葉の jt噴き等) とCO,拡散にかかわっている各要素との関連をまと めると Fig.14のようになるであろう. まず,草高とC02拡散に関する構成要素との関係は 次のようである.グレインソルガムの同質遺伝子系統 を用いた実験では,草高の高い群落では草高の低い群 落よりも植被面の風速 Uhは大きく,植被内での風速 の減衰係数β(Fig.8) および風に対する抵抗係数

C

d は小さい傾向があった(武田・広田 ,1983). これらの ことは草高が高い群溶での葉面境界層んを小さくし ていると考えられる.また,草高の高い群落では葉面 積密度fLが 小 さ い の で 混 合 距 離 ん が 大 き い

[

(

4

)

式J.このため, (14)式より明らかなように拡散係数 D(z)は大きくなる. つぎに,大豆個体群で見られるように,葉面積が植 被の上層に集中している群落と,水稲個体君主のように, 葉面積が紡垂型に分布している群落ではCO,拡散に 関してはどちらのほうが有利であろうか.風速の減衰 係数βは Fig.8のヒマワリや大豆に見られるように, 同じLAIで比較したばあいに他の作物よりも大きい 傾向がある.このことは植被内の風速を低下させ,拡 散係数と葉面境界層抵抗を小さくし,群落光合成を低 下させる可能性がある. 葉の傾きに関しては, Thom (1968)は大豆のような ぶ平葉却の葉では抵抗係数

C

d

が小さいことを確かめ て い る . こ の こ と は 混 合 距 離

1

m

を大きくし

[

(

4

)

式],減衰係数〆を小さくする

(

(

5

)

式]ので拡散係数 f)

(

z

)

を大きくし,かつ葉面境界層んを小さくする. したがって,水平型の葉で形成される群落では, C02 拡散に関する限りは有利なことが予想される. 葉の大きさと CO,拡散に関しては,現在のところ 個々の葉の大きさと (4)式および (5)式に示された 群落構造の各構成要素との関係を調べた例は見られな い.しかしながら,葉の大きさは直接に葉面境界層抵 抗ねに関係しており,大きな葉では葉面境界層抵抗 んも大きい(堀江, 1981). きて,上に述べたことは群落構造とCO,拡散との関 係についてであるが,言うまでもなく群落構造はC02 拡散に関係すると同時に受光とも強く関係している. むしろ,群落光合成にとっては,光条件はもっとも重 要な環境要因である.群落を構成する各要素はCO2拡 散と受光との両面で群落光合成に影響を与えている. たとえば,葉の傾きは受光の面からは直立葉が良いと されている.しかしながら,先に述べたように,直立 葉却の群落は抵抗係数が大きいので,植被内での風速 の急激な減衰を招きやすい.このような場合には ,C02 拡散および受光の両面から検討して群落光合成を最大 にするような棄の傾きが決められるべきであろう.し たがって,これまでに述べたCO,拡散に関与する群落 の各構成要素が群落光合成におよぼす影響をそれぞれ 量的に評価する必要がある.しかしながら,実際には, 評価しようとする構成要素のみを任意に変化させと, 他の要素はすべて同じ個体群を作り出すことはほとん ど不可能でトある.本研究では草高の異なった個体群を 得るために同質遺伝子系統のグレインソルガムを用い たが,これも個葉光合成および光の減衰係数などで若 干の違いが見られた. 以上のことを考慮して ,

N

報では草高の異なった群 落のC02拡散を媒介とする群落光合成への影響につ いては,実測データをもとに比較する.すなわち,上 記のグレインソルガムをもちいて草高の違う個体群を 作り,光,風, CO,および個葉光合成の測定を行い, 群落光合成のシミュレーションにより両者の比較を行 う.

f

也の構成要素については,これまでに得たC02拡 散に関するデータをもとに,シミュレーシヨンによっ てそれぞれの構成要素が群落光合成におよぽす影響に ついて考察する.

摘 要

群落構造はC02拡散に強く関係している.群落内の C02

t

広散係数は届¥iA,相対乱流強度および混合距離の 積で表わされる.拡散係数はこれらのうち風速に特に 支配される傾向が強い.本報では群落構造と風速の減 衰係数,およびその構成要素の一つである抵抗係数と

(14)

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Summary

It

is clear that a canopy architecture affects the CO2 diffusion in a foliage. The COZ

diffusion coefficient is expressed by

where

D

is diffusion coefficient, U is wind speed,

i

is relative turbulence intensity and I, is

mixing length.

In this paper we show the relation of canopy architecture with attenuation coefficient @)

of wind speed

(U)

in the canopy and drag coefficient (C,) as one of the construction factors

of p.

(15)

184 Ii EI @*Tit EH E Iv3 m

From the profiles of the wind speed above and within the canopies of barnyard millet,

upland rice, paddy rice, wheat, soybean and short and tall types of grain sorghum, the

attenuation coefficients (/3) of wind speed and drag coefficients (C,) of leaves in these canopies

were obtained.

The ,9 obtained from the wind profile in the canopy can be expressed as

B m (;r.Cd

where E;i is leaf area index. Though Cd of the horizontal foliage was smaller than that of

vertical foliage, fi of the soybean canopy was larger than paddy and upland rice vertical

foliages compared on the same

FL.

This resulted from the soybean canopy having large leaf

area density (LAD) in upper layers of the foliage.

The $ of the tall type of grain sorghum was smaller than that of the short type. This

resulted from the small Cd of the tall grain sorghum canopy.

As mentioned above, it was found that the attenuation coefficient (p) of wind speed was

affected by not only leaf inclination but also vertical distribution of leaf area and canopy

height.

Fig.  9 .   Relationship between wind speed and downward cumulative LAI i n  d i f f e r e n t  crop canopies 

参照

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