三橋 弘宗

We would like to introduce our recently developed systems for taking images of herbarium specimens and for the automatic extraction of data from specimen labels at the Herbarium of the Museum of Nature and Human Activities, Hyogo, Japan (HYO). Firstly, we designed a low-cost, but high-quality specimen imaging system for non-professional photographers to obtain images rapidly (Takano et al. 2019). Our system uses a mass-produced, mirrorless single-lens reflex (SLR) camera (SONY ILCE6300) with a zoom lens (Samyang Optics SYIO35AF-E35 mm F/2.8). We made a photo stand by ourselves to reduce costs. In addition, we have adopted an LED (light-emitting diode) lighting system with high color rendering. This imaging system has been introduced, with some improvements or adjustments for available space, to various herbaria in Japan (e.g., University of Tokyo (TI), Kyoto University (KYO)), contributing to the digitization of herbarium specimens across Japan. Next, we developed a system to extract label information from specimen images. The specimen image was uploaded to Google OCR and data were extracted in the form of text. Uploading the whole specimen image decreased the reading accuracy of the software because the plant images behaved as OCR (Optical Character Reader) noise. Therefore, the label part was cut out from the whole specimen image by using D-Lib*1 and uploaded to tesseract OCR*2 for OCR extraction of the label information (Aoki 2019, Takano et al. 2020). When installing this system for HYO, we designed it as an application accessible externally via the internet, which proved very useful during the coronavirus pandemic: part-time workers checked and conducted label data input from home. Finally, we decided to develop a system that would automatically label the text data extracted by OCR and input them into the appropriate cells of the database. Even though the text data could be extracted from specimen images, it needed a human to input them into the database. Therefore, we adopted Named Entity Recognition (NER), a system that extracts named entities such as place names, identifying proper nouns from unstructured text data. It enables information recorded in herbarium specimens to be tagged as named entities. We tried text matching at first, but the result was not satisfactory, so we started to use machine learning instead. We compared three natural language libraries for Japanese: BERT (Bidirectional Encoder Representations from Transformers), Albert (A Lite version of BERT), and SpaCy. Despite BERT and SpaCy returning similarly high f-scores (indicating good performance), we decided to use SpaCy because it runs better on ordinary PCs or servers. With sufficient machine learning after the creation of a text corpus (a specialised dataset) specific to labels on herbarium specimens, we successfully developed the application. The project files are available on GitHub*3 (Takano et al. 2024). We then examined whether this system could be applied to non-plant specimen images, i.e., fishes or birds, and found that it could efficiently extract data. Therefore, we decided to publicize this system on the cloud server and share it with other natural history museums in Japan*4. Curators can obtain a unique ID and password and upload specimen images from their collection to extract label data. The digitization of natural history collections in Japan has been long behind other countries, and this system will help to accelerate it. The system mentioned above is specialized for the natural history collections of Japan, but we believe it is possible to build similar programs in other countries, and we hope our experience will contribute to the mobilization of the world’s natural history collections.

Aim Natural disaster risk reduction (DRR) is becoming a more important function of protected area (PAs) for current and future global warming. However, biodiversity conservation and DRR have been handled separately and their interrelationship has not been explicitly addressed. This is mainly because, due of prevailing strategies and criteria for PA placement, a large proportion of PAs are currently located far from human-occupied areas, and habitats in human-occupied areas have been largely ignored as potential sites for conservation despite their high biodiversity. If intensely developed lowland areas with high flooding risk overlap with important sites for biodiversity conservation, it would be reasonable to try to harmonize biodiversity conservation and human development in human-inhabited lowland areas. Here, we examined whether extant PAs can conserve macroinvertebrate and freshwater fish biodiversity and whether human-inhabited lowland flood risk management sites might be suitable to designate as freshwater protected areas (FPAs). Location Across Japan. Methods We examined whether extant PAs can conserve macroinvertebrate and freshwater fish biodiversity and analysed the relationship between candidate sites for new FPAs and flood disaster risk and land use intensity at a national scale across Japan based on distribution data for 131 freshwater fish species and 1395 macroinvertebrate species. Results We found that extant PAs overlapped with approximately 30% of conservation-priority grid cells (1 km(2)) for both taxa. Particularly for red-listed species, only one species of freshwater fish and three species of macroinvertebrate achieved the representation target within extant PAs. Moreover, more than 40% of candidate conservation-priority grid cells were located in flood risk and human-occupied areas for both taxa. Main conclusions Floodplain conservation provides suitable habitat for many freshwater organisms and helps control floodwaters, so establishing new FPAs in areas with high flood risk could be a win-win strategy for conserving freshwater biodiversity and enhancing ecosystem-based DRR (eco-DRR).

Major international herbaria, natural history museums and universities have recently begun to digitise their collections to facilitate studies and improve access to collections. In Japan, more than 10 million herbarium specimens are housed in various universities/museums; however, only 1% of these have been digitised. In this paper, we describe a new method for imaging herbarium specimens that is applicable to local/small herbaria. It is safe, fast, simple and inexpensive, but also satisfies usage guidelines for minimum image quality and can produce digital files suitable for long-term storage and future post production. During an eight-month trial at the Museum of Nature and Human Activities, Hyogo, with three part-time workers using a custom-made copy stand and a mirrorless interchangeable lens camera with a large LED light bank system, we were able to image 73,180 herbarium specimens (571 per day on average), obtaining two RAW and two JPEG files for each specimen.

谷津田は関東における里山の代表的な景観であり、生物多様性が高く保全優先度の高い環境であると認識されている。特に首都圏近郊では都市化が進み、残された自然としての重要度は高い。ニホンアカガエルは谷津田の健全性の指標動物であるとされ、本種の谷津環境の利用状況やその景観的な生息適地はこれまで多く議論されてきている。本種は茨城県を除く関東地方のすべての県でレッドリストに掲載されている地域的な絶滅危惧種であり、乾田化やU字溝による移動阻害、都市化による生息地の消失、分断化が主な脅威として認識されている。しかし、本種を指標として谷津田の保全に取り組む上で参照可能な、陸上の移動可能距離（500 m?1 km程度）を挟む100 m?5 km程度の小さなスケールでの個体群の連続性評価に関する知見はほとんどない。本研究では、首都圏の主要都市である千葉市の中心地から5 kmの都市近郊にあり、保全活動が盛んな谷津田環境である坂月川ビオトープとその周辺に位置するニホンアカガエルの主要な生息地4か所および坂月川ビオトープの下流に点在する小規模繁殖地について、その遺伝的多様性や遺伝的構造の有無、繁殖地間での遺伝的交流の有無の評価を2種類の遺伝マーカー（ミトコンドリアDNAおよびマイクロサテライト多型）により実施した。遺伝的多様性の解析結果では、都川水系に属する坂月川ビオトープおよび大草谷津田いきものの里で遺伝的多様度が比較的低く、鹿島川水系に属する2地点は比較的高い状況が確認された。STRUCTURE解析では、鹿島川水系の2地点は類似したクラスター組成を持ち、都川水系の坂月川ビオトープおよび大草いきものの里はそれぞれ個別のクラスター組成を持っていたが、ミトコンドリアDNAの遺伝的距離による主座標分析では鹿島川水系の1地点も他の地点と離れて配置された。また、坂月川沿いに点在する繁殖地が途切れた約1 kmのギャップを境に、上下流の遺伝的構造が不連続に変化している状況が異なる手法で共通に得られた。本調査地のような都市近郊では、生息地の縮小がもたらす遺伝的浮動により生息地ごとに遺伝的組成が変化し、孤立化によってその差異が維持されている可能性も高い。これらの結果を受け、上下流の遺伝的構造が不連続に変化している地点間での、中継地となる繁殖可能水域や陸上移動しやすい植生の創出などの具体的な保全対策について議論した。

兵庫県西部を流れる千種川は清流として知られる一方, しばしば大雨による河川氾濫が発生している. 2016年まで, 災害防止の目的で河川整備工事が行われたが, 工事による河川環境の変化や河川生態系への影響が懸念されている. 本研究では千種川の水循環や人為改変の環境影響評価の研究に必要な基礎データを得ることを目的として, 2015年8月9日に採取された河川水試料83点について, 水の水素・酸素同位体比を分析した．分析の結果は地理情報システム（GIS）により流域地図にマッピングした. 結果として, 千種川流域では, 水素・酸素同位体比ともに上流部で低い値を示し, 主要支流の佐用川や, 千種川下流に流入する支流では高い値を示した. また, 上流～中流では高度効果の影響を受けた降水の寄与がみられており, 千種川流域全体で蒸発の影響が大きいことが推測される.

流域スケールの流程区分は、河川環境マネジメントにおいて重要で、近年、保全計画で利用されることが増えている。流域スケールの流程区分は、河川に間隔をあけて配置された調査地点の生物データでつくられることが多い。河川で連続して生物データを取得するには多大な労力が必要であり、連続して取得した生物データで流域全体の流程区分を検証した研究はみられない。そこで、本研究では、植生図作成と比べ、より少ない労力で河川植生の連続したデータを取得する方法、および、そのデータを用いた流程区分方法を提案し、得られたクラスターの妥当性を検証した。河川区域を500 mの等間隔で区切った区域（ユニット）を地図上でつくり、現地調査でユニットに出現する植生単位を記録した。ユニットごとに植生単位の在不在を記録したデータを非計量多次元尺度構成法を用いて2次元に集約し、この2次元座標を用いてK-means法による非階層クラスター分析でユニットを分割した。指標指数（IndVal）を用い最適な分割と各クラスターの指標群落を選定した。クラスターの空間分布と指標群落、平均川幅から各クラスターの特徴を考察した結果、本研究の手法で得られたクラスターは、河川植生の立地特性や流程分布を反映した分割となっており、妥当な流程区分であった。植生図をつくるより少ない労力で流域スケールの流程区分が得られることから、河川環境マネジメントに有用な方法であり、今後、他の河川で検証する価値のある方法だと言える。

Stream grazers have a major impact on food web structure and the productivity of stream ecosystems; however, studies on the longitudinal (upstream versus downstream) and temporal changes in their drift dynamics and resulting distributions remain limited. Here, we investigated the longitudinal and temporal distributions and drift propensity of a trichopteran grazer, the caddisfly, <italic>Micrasema quadriloba</italic> , during its life cycle in a Japanese stream. The distribution of larvae significantly shifted downstream during the fifth instar larval stage during late winter; with periphyton abundance (i.e. their food source) showing similar shifts downstream. Therefore, our results show that the drift dispersal the caddisfly occurs in response to decline in available food resources (i.e. food-resource scarcity) and an increase in food requirements by growing individuals. Furthermore, our results show that this observed longitudinal shift in larval distribution varies through their life cycle, because the drift dispersal of fifth instar larvae was greater than that of immature larvae. The correlation between periphyton abundance and drift propensity of fourth instar larvae was not statistically significant, whereas that of fifth instar larvae was significantly negative. In conclusion, we detected an ontogenetic shift in drift propensity, which might explain the longitudinal and temporal distributions of this species.

河川を含む淡水生態系の生物多様性は急速に低下しており、その効果的な保全のため、広域スケールでの生物多様性の現状評価と将来予測が求められている。1990年に開始された河川水辺の国勢調査（水国）は、日本で唯一の国土スケールでの河川環境に関する定量調査事業で、日本の河川生物の保全に対する重要性は今後さらに高まることが予想される。そこで本稿では、保全生態学的研究への水国データの効果的な活用を目指して、水国の概要とデータを利用する際に注意すべき課題について解説するとともに、データを活用した研究事例を紹介する。課題は、調査地点、時期といったデータの質に影響を及ぼす「調査手法」に関するものと、研究者がデータを利用する際に直面する「データ整備」に関するものに分けられた。研究事例では、2001年から2005年の水国3巡目で得られた魚類と底生動物のデータを利用した全国スケールの解析を行った。魚類は純淡水性と通し回遊性に分け、底生動物は、水生昆虫類と貝類に分けて種数または分類群数と希少性指標（レッドリストの各カテゴリーに掲載されている種数から算出）を算出し、それぞれの全国的な傾向を検証した。解析の結果、種数と分類群数の全国的な空間分布は、魚類の生活型（純淡水性・通し回遊性）や底生動物の分類群（水生昆虫類・貝類）によって異なることが示された。その一方、各生活型もしくは各分類群の種数または分類群数と希少性指標の分布は空間的に一致する傾向にあり、種数や分類群数の多い地区ほどレッドリスト掲載種が多い傾向にあることが示された。つまり、魚類の生活型や底生動物の分類群によって異なるものの、数多くの種と希少性の高い種の両者を類似した地域で保全できる可能性が示唆された。今後、水国のデータがもつ有効性が広く認識されることで、国土スケールでの生物多様性の変化や将来予測といった保全研究への活用が進み、環境変化に対する河川生物多様性の保全方法などの提言につながることが期待される。

We compared the environmental and biotic characteristics of farm ponds with and without the invasive fish, largemouth bass (Micropterus salmoides), and bluegill (Lepomis macrochirus), with varying degrees of aquatic vegetation cover in western Japan. Redundancy analysis (RDA) revealed that aquatic vegetation cover and pond area were significant environmental variables in explaining the variance in aquatic organisms. Aquatic vegetation cover predominantly affected Odonata and Hemiptera larvae, and the native cyprinid, Hemigrammocypris rasborella, while the pond area mainly affected the two exotic fishes (largemouth bass and bluegill), Viviparidae, Oligocheata, Ephemeroptera, and chironomid larvae. In the RDA biplot for aquatic organisms, the RDA1 axis appeared to separate the exotic fish group (bluegill, largemouth bass, Gammaridae, Oligochaeta, Viviparidae, Ephemeroptera, Trichoptera, and chironomid larvae) from the native fish group (H. rasborella, Oryzias latipes, Rhinogobius sp., Odonata, shrimps, and Hemiptera larvae). The best path model results indicated that the presence of piscivorous largemouth bass had a significantly negative effect on native fish numbers; largemouth bass also had a positive indirect effect on benthic organism numbers. Our data suggest that the depletion of native fishes via top-down effects by exotic largemouth bass may indirectly increase the number of benthic organisms as a result of trophic-cascading effects.

近年、管理を放棄した竹林が隣接地に拡大し、景観や生態系を乱す現象が問題になっている。集落等の小規模な単位で局所的な整備事業は進められているが、広域的な管理計画に基づく整備はほとんど行われていない。効率的に竹林整備を行うためには、広域を対象に適切な手法によって構築したモデルを用いて拡大の可能性が高い場所を予測し、管理労力を集中するといった計画を立案しなければならない。しかし、タケ類のように人為的に導入された移入種かつ栄養繁殖を行う植物の分布拡大予測は、不均質な侵入履歴や分布の偏りや隣接効果などの制約事項が多く、さらに環境要因に対する非線形応答を示す場合もあり、一般的な統計モデルの適用が難しい。そこで本研究では兵庫県豊岡市において1976年と2007年の間の竹林拡大から上述の問題を統制した上で、侵入確率の高い場所を予測する空間明示モデルを構築し、実際の管理に向けた将来予測を行った。予測手法には機械学習法の一つであるMaxEntを利用し、1)栄養繁殖の影響を統制するため既存の竹林パッチから拡大可能な範囲を明らかにし、2)予測範囲をその範囲に絞った上で侵入確率について物理環境を説明変数として予測モデルを構築するという2段階の解析を実施した。モデル構築の第1段階の結果から、広域的に見た場合、竹林の拡大には拡大前の竹林パッチからの距離が強く貢献しており、物理的環境要因の制約は顕著ではないことが示された。このことはクローン増殖を行うタケ類の生理的統合による栄養分等の転流が物理環境の影響を軽減していることを示唆している。完成したモデルは1976年から2007年の間の拡大を約70%説明することができた。モデルを利用して複数の管理シナリオ下における将来予測を行った結果、小面積の竹林から優先的に除去を行うことが将来の竹林面積を縮小させる上で最も有効であることが示された。得られた結果に基づき、竹林の管理計画立案に向けた課題を議論した。

Propagule pressure plays an important role in the invasion of alien plants into riparian areas. In this study, we focused on propagule pressure from both neighboring riparian areas and anthropogenic land-use areas because propagules are likely to originate from both sources. We tested the effects of whether neighboring units contained the alien plant species, focusing on the direction of invasion by alien plant species into the focal unit, and how much anthropogenic land was contained within the unit, focusing on both farmland and urbanized areas, on alien plant occurrences in Hyogo Prefecture, Japan. We modeled the occurrence of 10 alien plants using generalized linear models to evaluate species invasions by both propagules from both neighboring units and anthropogenic land within a unit. We also investigated the biological and ecological plant attributes that are likely related to invasion success, such as seed dispersal methods, seed size, and clonality, and tested the relationships between the model results and each species' attributes. Results showed that the occurrence of an affected neighboring unit was positively associated with the occurrence of all 10 alien plants. Note that two alien invasive species were influenced by upstream flow direction, six species by downstream flow direction, and in two species, propagule supply was not distinguished by direction. In short, the dominant direction of dispersal was against the stream current, while dispersal in the downstream direction was less common. Species attributes were associated with these directions of dispersal. In addition, anthropogenic land was positively associated with the occurrence of most alien plants, although this effect was weaker than the neighbor unit effects. These results indicate that alien plants spreading into riparian areas do not always follow the natural flow regime; rather, they spread against the flow regime in some cases. We discuss an ecological explanation for these results and provide perspectives for future river management of alien plants that invade the riparian zone. © 2013 Elsevier B.V.

1. While flooding creates diverse habitats for plants and animals in riparian ecosystems, it presents a nuisance to human settlement. Thus, such areas that are frequently disturbed by flooding are more likely to experience strong artificial control measures. 2. This hypothesis was tested and a method was developed to identify these areas using river maps. The effects of two terrain components that could potentially influence flooding frequency (the number of confluences and the degree of meandering per unit area) on both the distribution of threatened species and the degree of artificial modification were examined at two different scales (grid sizes) using two riparian data sources. 3. The numbers of threatened plant species and artificial constructions increased with the number of confluences and the degree of meandering per unit area. The number of threatened plant species was not correlated with the number of artificial constructions. 4. In addition, the results suggest that confluences and meanderings provide different habitat conditions for threatened plant species. Confluences may provide more frequently disturbed habitats, whereas meanderings may provide relatively stable habitats. 5. Based on these results, through flooding, both confluences and meanderings are important for creating and maintaining the diverse habitats used by threatened species, but these habitats are also currently threatened by artificial controls. We suggest that a per-unit-area confluence density and river length map is a helpful tool for locating local biodiversity hot spots. The identification of major reservoirs of biodiversity that are currently threatened can improve conservation and management planning. Copyright (C) 2011 John Wiley & Sons, Ltd.

群集のもつ複雑な情報を要約できる環境類型区分や生物指標は生態系管理において重要なツールとなる。河川環境の目標設定などにも有用なツールであるが、先行研究の多くで、環境類型区分の適正評価、生物指標の選択基準が客観的かつ定量的でないため、研究事例の比較検証ができず、我が国では実務に応用するに至っていない。モデルに基づくクラスター分析(Model-Based Clustering)と指標指数(IndVal)を組み合わせることで、複数の区分方法からクラスターと生物分布の一致率(=指標性)を基準に環境類型区分の適正を評価でき、閾値を設定することで客観的に生物指標(本研究では指標群落)を選定できる。本研究では、この手法を用いて流域単位で植生の環境類型区分をつくる場合に、どの様なデータ取得方法が適しているか、また、生物データだけでつくる方法、環境要因データだけでつくる方法、生物データと環境要因データでつくる方法のどのタイプが適しているかを比較検証した。兵庫県の市川水系において、調査範囲と調査区の設定方法の異なる3つのデータセットを準備し、それぞれについて3タイプの環境類型区分をつくり、指標性の高さと選定された指標群落の種類で適正を評価した。その結果、流域単位で指標性の高い環境類型区分を得るためには、3タイプ別では安定して高い指標性を示す生物データと環境要因データでつくる方法が、3つのデータセット別では流域全体に配分した調査地点の一定区間で植生図を作成する方法が適していることが示唆された。また、選定された指標群落は各クラスターの状況をよく反映していた。本研究の結果から、指標性の高い環境類型区分を得るためには、下流域で連続して作成されることが多い植生図の作成労力で流域全体に配分した調査点で植生図をつくり、セグメントを用いた環境類型区分を生物データと環境要因データでつくる方法に代えたほうが良いことが示唆された。