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けんじはぎにわ
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1 1 生態環境計測学 2017/10/25 生態系物質循環と計測デザイン植山雅仁

2 2 全球の気温 * 年平均に対する相対値 (IPCC, 2013; 第 5 次報告書 )

3 3 環境変動は生態系にどのように影響? それをどうやって評価するか?

4 4 生態系をとりまく物理化学環境日射降水量顕熱蒸発散呼吸風光合成湿度気温 CO 2 地中熱流量土壌水分

5 5 フラックスとプールフラックス (Flux) 熱物質など物理量がある面積を通って輸送される量単位面積単位時間当りに輸送される量 ( 農業気象学用語解説集, 1997) 顕熱フラックス潜熱フラックス地中熱流量光合成速度呼吸速度 CO 2 フラックスなど

6 6 フラックスとプール大気プールフラックスフラックス植物プール

7 7 フラックスとプールフラックス : 輸送量プール : 蓄積量大気プールフラックス植物プール純光合成 60 (Pg y -1 ) 大気 762 Pg 植物 650 Pg 枯死 60 (Pg y -1 ) 土壌 1500 Pg 全球での炭素循環の一部 (Chapin et al., 2012) 分解 56 (Pg y -1 )

8 8 大気ー生態系間のエネルギーの流れ

9 9 地球のエネルギー収支短波放射長波放射太陽放射 100 大気の吸収 19 大気の散乱雲温室効果気体顕熱フラックス潜熱フラックス 24 4 雲の吸収純放射量 Chapin et al., 2012

10 10 生態系における放射収支ステファンボルツマンの法則 Rl =σt b 4 Rl Rl Rl =εσt s 4 Rs Rs アルベド Rn = Rs - Rs + Rl - Rl

11 11 生態系におけるエネルギー収支分配の割合は植生気象気候条件によって異なる Rn 大気を暖める Rn = H + le + G + M 水を蒸発させる H 地中を暖める le M G

12 エネルギーフラックス (W m -2 ) 12 高緯度 ( アラスカ ) の森林 : 7 月 Rs Rs Rl Rl 時刻

13 エネルギーフラックス (W m -2 ) 13 高緯度 ( アラスカ ) の森林 : 3 月 Rs Rs Rl Rl 時刻

14 エネルギーフラックス (W m -2 ) 14 高緯度 ( アラスカ ) の森林 : 7 月 H le G Rn 時刻

15 15 高緯度 ( アラスカ ) の森林 : 3 月エネルギーフラックス (W m -2 ) H le G Rn 時刻

16 エネルギーフラックス (W m -2 ) エネルギーフラックス (W m -2 ) 16 熱収支 Rs Rs Rl Rl H le G Rn 月

17 アルベドアルベド 17 アルベド月

18 18 アルベド海洋 7 ( 近藤, 1994)

19 19 全球の気温 * 年平均に対する相対値 (IPCC, 2013; 第 5 次報告書 )

20 20 アイス - アルベドフィードバック 2010 年 4 月 30 日 4 月における観測史上最低の雪氷面積 (2016 年により最低が記録された )

21 21 過去 30 年間平均アイス - アルベドフィードバック 2012 年 9 月 16 日観測史上最低の海氷面積 NASA/Goddard Space Flight Center Scientific Visualization Studio The Blue Marble data is courtesy of Reto Stockli (NASA/GSFC).

22 22 過去 30 年間平均アイス - アルベドフィードバック 2017 年 9 月 13 日観測史上 8 番の最小海氷面積

23 23 海氷域面積 (x 10 6 km 2 ) (NSIDC;

24 24 アイス - アルベドフィードバック気温上昇雪氷減少アルベド低下純放射量の増加顕熱 ( 潜熱 ) フラックスの増加正のフィードバック

25 25 大気ー生態系間の炭素の流れ

26 26 生態系における炭素の流れ NEE = R auto + R heter GPP 分配 CO 2 気孔光合成 (GPP) 落葉従属栄養呼吸 ( 微生物分解 ; R heter ) NEE : 正味生態系交換量 (Net Ecosystem Exchange) 独立栄養呼吸 (R auto )

27 27 生態系における炭素の流れ総一次生産量 ( 光合成 ) (Gross Primary Productivity) 生態系呼吸量 RE 独立栄養呼吸 (R auto ) 従属栄養呼吸 ( 微生物分解 ; R heter ) NEE = R auto + R heter GPP NEE = RE GPP NEE : 正味生態系交換量 (Net Ecosystem Exchange)

28 CO 2 フラックス (μmol m -2 s -1 ) 光合成光量子束密度 (μmol m -2 s -1 ) 28 高緯度 ( アラスカ ) の森林 : 7 月 NEE RE GPP PPFD 時刻 0

29 光合成光量子束密度 (μmol m -2 s -1 ) 気温 ( o C) 29 高緯度 ( アラスカ ) の森林 PPFD 気温月 -30

30 CO 2 フラックス (g C m -2 day -1 ) 気温 ( o C) 30 高緯度 ( アラスカ ) の森林 NEE RE GPP 月

31 積算 CO 2 フラックス (g C m -2 ) 31 高緯度 ( アラスカ ) の森林の年間収支は? NEE RE GPP 月

32 32 炭素循環フィードバック気候の変化植生の変化温室効果ガス収支の変化 (CO 2, CH 4 )

33 33 全球の気温 * 年平均に対する相対値 (IPCC, 2013; 第 5 次報告書 )

34 34 炭素循環フィードバック : 将来は? 放出人為放出大気蓄積吸収陸域海洋 2050 (Cox et al., 2000; Nature) * モデルは発展途上なのでひとつの仮説として結果を解釈すること

35 35 陸上生態系の吸収量 (GtC yr -1 ) 炭素循環フィードバック : 将来は? 吸収放出 Friedlingstein et al. (2006; J. Climate)

全球の平均昇温 ( ) 36 IPCC AR4 による温暖化の将来予測 http://www.ipcc.

36 全球の平均昇温 ( ) 36 IPCC AR4 による温暖化の将来予測

37 37 地球システム日射量 vs 光合成気温 vs 植物活性炭素循環フィードバックなどエネルギー循環炭素循環水循環蒸発散量 ( 潜熱フラックス ) 温度と水の相変化など

38 38 気象環境要因風降水気温飽差 ( 湿度 ) 放射 CO 2 濃度放射エネルギー交換水循環物質循環炭素循環土壌要因土壌水分地温地中熱流量表面温度

39 39 気象的要因風降水気温飽差 ( 湿度 ) 光 CO 2 濃度放射様々な要因が複雑に絡んでいる! 群落光合成 : 日変化 : エネルギー循環水循環物質循環風速日射気温湿度土壌水分季節年次変化 : 気象土壌要素葉量細根量長期変化 : CO 2 濃度窒素樹齢遷移炭素循環土壌要因土壌水分地温地中熱流量表面温度

40 40 観測のデザイン様々な要素を計測植物機能のメカニズムが明らかに長期的モニタリングでは対象とする現象に関連する多くの要因が長期的に計測されていることが重要 * 1 つ環境要素が欠けているだけでデータを正確に評価できないことがある長期モニタリングを実施する際は事前に綿密な計画が必要であると同時に追加で計測する必要がある環境要因がないかを注視してデータをみる必要がある

41 41 観測のデザイン富士北麓フラックス観測サイトの場合森林生態系 - 大気間の CO 2 エネルギー収支 ( フラックス ) の観測林内微気象地下環境の観測森林生態系の構造の調査森林植物の生理機能の調査森林植生のフェノロジーの調査土壌生態系の機能の調査森林生態系のバイオマス生理機能のリモートセンシング観測

42 42 観測のデザイン富士北麓フラックス観測サイト赤外線ガス分析計雨量計放射計超音波風速温度計温湿度風速分布幹呼吸測定チャンバー放射計類魚眼カメラ土壌呼吸測定チャンバー

43 43 復習事項生態系のエネルギーと炭素の流れ地表面の熱エネルギー収支生態系の炭素収支数式フィードバック機構観測デザイン

44 44 引用参考文献 Baldocchi, D Breathing of the terrestrial biosphere: lessons learned from a global netwrok of carbon dioxide flux measurement systems. Australian Journal of Botany, 2008, 56, Chapin Ⅲ, F. S., Matson, P. A. and Vitousek, P. M Principles of terrestrial ecosystem ecology 2nd edition, New York, Springer-Verlag Press, 529pp. Cox, P. M., Betts, R. A., Jones, C. D., Spall, S. A., and Totterdell, I. J. 2000; Acceleration of global warming due to carbon-cycle feedbacks in a coupled climate model. Nature, 408, Friedlingstein, P. et al. 2006; Climate-carbon cycle feedback analysis: Results from the C 4 MIP model intercomparison, J. Climate, 19, 近藤純正, 1994: 水環境の気象学地表面の水収支熱収支 -, 朝倉書店, 350pp. 日本農業気象学会編, 1997: 新編農業気象学用語解説集生物生産と環境の科学, 313pp. 文字信貴平野高司高見晋一堀江武桜谷哲夫, 1997: 農学生態学のための気象環境学, 丸善, 199pp. Randerson, J.T., Chapin, III, F.S., Harden, J.W., Neff, J. C., and Harmon, M. E., 2002: Net ecosystem production: A comprehensive measure of net carbon accumulation by ecosystems. Ecol. Appl., 12,

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<4D F736F F F696E74202D E90B691D48AC28BAB8C7691AA2E8ACF91AA E B8CDD8AB B83685D> 1 生態環境計測学 215/1/14 生態系物質循環と計測デザイン植山雅仁 2 全球の気温 * 1961-199 年平均に対する相対値 (IPCC, 213; 第 5 次報告書 ) 1 3 環境変動は生態系にどのように影響? それをどうやって評価するか? 4 生態系をとりまく物理環境日射降水量顕熱蒸発散呼吸風光合成湿度気温 CO 2 地中熱流量土壌水分 2 5 フラックスとプール