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1 生態気象学特論 Carbon Cycle in Plant Canopy Ecosystem process and modeling 生態気象 植山

2 Ecosystem Processes Material Cycle: Water, Carbon, Water, and Energy Examples : 光合成 呼吸 分解蒸発 蒸散 昇華 流出成長 分配 脱窒

3 Compartment (Pool) Leaf Stem Litter Soil Root

4 Flux Carbon Photosynthesis Respiration Leaf sprout decomposition litterfall decomposition Retranslocation Respiration decomposition mortality

5 Flux water Transpiration Intercepted evaporation Precipitation Soil evaporation sublimation Precipitation Snow Outflow Snow melt

6 Flux nitrogen deposition Leaf sprout denitrification Litterfall retranslocation (N-fixation) mortality nitrification immobilization

7 Compartment Model Explaining ecosystem processes using Compartment and Flux C1 F F F t C 1 : Compartment1(e.g., leaf, stem, or root) (kg m -3 ) t : Time (day) F i : Flux among compartments (e.g., photosynthesis, respiration, or litterfall) (kg m -2 day -1 )

8 Carbon Flux NPP = GPP Ra NEP = NPP Rh NEE = -NEP NBP = NEP + F CO + F CH4 + F VOC + F DIC + F DOC + F POC - F Fire (Chapin et al., 2006)

9 Carbon Flux NPP = GPP Ra NPP : Net Primary Productivity 純一次生産量 GPP : Gross Primary Productivity 総一次生産量 Ra : Autotrophic respiration 独立栄養呼吸 (Chapin et al., 2006)

10 NPP ( 純一次生産量 ) NPP = GPP Ra CUE = NPP / GPP Carbon Use Efficiency ( 炭素利用効率 ) Slope = 0.53 森林について (De Lucia et al., 2007)

11 Carbon Flux NEP = NPP Rh NPP : Net Primary Productivity 純一次生産量 NEP : Net Ecosystem Productivity 純生態系生産量 Rh : Heterotrophic respiration 従属栄養呼吸 (Chapin et al., 2006)

12 Carbon Flux NEE = -NEP NEE : Net Ecosystem Exchange 正味生態系交換量 NEP : Net Ecosystem Productivity 純生態系生産量 (Chapin et al., 2006)

13 Carbon Flux NBP = NEP + F CO + F CH4 + F VOC + F DIC + F DOC + F POC - F Fire NBP : Net Biosphere Productivity 正味生物圏交換量 F : Flux ( フラックス ) CO : 一酸化炭素 CH4 : メタン VOC : 揮発性有機物 DIC : 溶存無機炭素 DOC : 溶存有機炭素 POC : 粒子性有機炭素 Fire : 火災 ( その他の撹乱 ) (Chapin et al., 2006)

14 Carbon Flux

15 Photosynthesis (leaf-scale) Chloroplast Thylakoid ( 膜内にクロロフィル ) photochemical reaction Stroma Calvin cycle Grana Photosynthetically active radiation:400~700 nm

16 クロロフィルの励起による NADPH の生成 Photosynthesis (leaf-scale) 酵素ルビスコ触媒の酵素反応 葉温 カルボキシル化 ホスホグリセリン酸 チラコイド 光呼吸 ストロマ NADP ( ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸 ) (Chapin et al., 2011)

17 Photosynthesis (Chapin et al., 2011)

18 Photosynthesis ( 光が十分な場合 ) (Chapin et al., 2011)

19 Photosynthesis A = min (Aj, Ac) ( 彦坂, 2016)

20 Photosynthesis A = min (Aj, Ac) Ci = 270 umol m -2 s -1 (Bernacchi et al., 2013)

21 Gas diffusion A = g t * (C a - C m ) C m C a (Chapin et al., 2011)

22 Gas diffusion Continuum A = 1/r t * (C a - C m ) r t = r b + r s + r m r b C a A = 1/r m * (C i - C m ) r s C m C l C r i m A = 1/r s * (C l - C i ) A = 1/r b * (C a - C l )

23 Gas diffusion A = g t * (C a - C m ) コンダクタンスは抵抗の逆数 g = 1 / R r b C a A = g m * (C i - C m ) r s C m C l C r i m A = g s * (C l - C i ) A = g b * (C a - C l )

24 Gas diffusion Boundary-Layer Conductance (g b ) : 葉の形状 風速 etc Stomatal Conductance (g s ) : 気孔の数 開度 Mesophyll conductance (g m ) : 葉の厚さ 水分条件 etc

25 Gas diffusion 気孔コンダクタンス 蒸散による水損失を低減 CO 2 取り込みによる生産の最大化 Hydropassive Hydroactive

26 Gas diffusion WUE (water use efficiency) 水利用効率 = 光合成 / 蒸散 ( 米国 ; 老齢林 ) 1g の CO 2 獲得に 227g の水の損失 大気飽差 (kpa) (Tang et al., 2006)

27 Modeling Stomatal Conductance Jarvis 型モデル (Empirical) (Running and Warning, 1998)

28 Modeling Stomatal Conductance Jarvis 型モデル 最大気孔開度のときの気孔コンダクタンス g sw = g sw_max * f(t) * f (VPD) * f (PAR) * f (CO 2 ) * f (SWC) 気孔開度 (0~1) 潅水の経過日数によって気孔が決まるような関数 (Bond-Lamberty et al. 2007)

29 Modeling Stomatal Conductance g sw = A h s / C a * m + b 経験定数 ( パラメータ ) 光合成速度 大気 CO 2 濃度相対湿度 Ball 型モデル (Empirical) (Monson and Baldocchi, 2014)

30 CO 2 濃度上昇で生態系プロセスは どう変化するか? 光合成速度 気孔コンダクタンス 蒸発散 土壌水分 窒素制限?

31 Photosynthesis - Condutance (von Caemmerer et al. 2009)

32 FACE (Free-Air Carbon Dioxide Enrichment) 開放系大気 CO 2 濃度増加実験

33 FACE (Free-Air Carbon Dioxide Enrichment) 開放系大気 CO 2 濃度増加実験 0 60% CO 2 増加による光合成の変化率 (%) (Long et al., 2004)

34 Photosynthesis vs Nitrogen content (Chapin et al., 2011)

35 Canopy photosynthesis 群落光合成 = 個葉光合成 x 葉面積?? PPFD (μmol m -2 s -1 ) (de Pury and Farquhar, 1997)

36 Radiation transfer - photosynthesis in plant canopy

37 Radiation transfer - photosynthesis in plant canopy Direct Diffuse

38 Direct beam Diffuse beam (Rayleigh scattering)

39 Direct beam

40 Diffuse beam (Mie scattering)

41 Radiation transfer - photosynthesis in plant canopy sunfleck

42 Radiation transfer - photosynthesis in plant canopy

43 Radiation transfer - photosynthesis in plant canopy Radiation at sunlit leaf PPFD sun = PPFD direct + PPFD diffuse + PPFD scatter Radiation at shaded leaf PPFD shade = PPFD diffuse + PPFD scatter

44 Radiation transfer photosynthesis in plant canopy 実際に近い条件 葉面積指数 (m 2 m -2 ) 6 (de Pury and Farquhar, 1997)

45 Carbon flux NPP = GPP Ra NPP : Net Primary Productivity 純一次生産量 GPP : Gross Primary Productivity 総一次生産量 Ra : Autotrophic respiration 独立栄養呼吸 (Chapin et al., 2006)

46 Autotrophic respiration Ra = Rg + Rm Ra : Autotrophic respiration 独立栄養呼吸 Rg : Growth respiration 成長呼吸 Rm : Maintenance respiration 維持呼吸

47 Autotrophic respiration (Chapin et al., 2011) 1 g の乾物を生成する際のコスト

48 Autotrophic respiration Growth respiration (Miyama et al., 2006) Maintenance respiration Seasonality in autotrophic respiration at a temperate forest

49 NPP ( 純一次生産量 ) NPP = GPP Ra CUE = NPP / GPP Carbon Use Efficiency ( 炭素利用効率 ) Slope = 0.53 (De Lucia et al., 2007)

50 NPP ( 純一次生産量 ) NPP = GPP Ra CUE = NPP / GPP (De Lucia et al., 2007)

51 NPP ( 純一次生産量 ) NPP = GPP Ra (Chapin et al., 2011)

52 純一次生産量

53 Allocation( 分配 ) 各要素への NPP の分配率の代表値 (Chapin et al., 2011)

54 Allocation( 分配 ) リービッヒの最小律

55 Allocation( 分配 ) 光に制限地上部へ多く配分水 栄養分に制限地下部へ多く配分

56 分配 葉 木部 地下部 (Littonet al., 2007GCB)

57 Carbon Flux NEP = NPP Rh NPP : Net Primary Productivity 純一次生産量 NEP : Net Ecosystem Productivity 純生態系生産量 Rh : Heterotrophic respiration 従属栄養呼吸 (Chapin et al., 2006)

58 Decomposition NEP = NPP Rh (Chapin et al., 2011)

59 Decomposition 粗大有機物 CWD Litter Litter Litter Soil Soil Soil Litter *CWD : coarse woody debris Soil

60 従属栄養呼吸 (mg CO 2 g -1 liiter d -1 ) Decomposition (O Connell et al., 1990) リター中の含水率 (%)

61 Carbon flux (Ueyama al., 2009) Black spruce forest in Alaska

62 Methane budget in terrestrial ecosystems Ecosystem process and modeling GWP = 28 at 100 years

63 Greenhouse gas & radiative forcing (IPCC AR5, 2013)

64 CH 4 concentration (ppb) Methane nd Greenhouse Gas Pre-industrial level 722 ppb Mauna Loa, Hawaii, USA Year 2016

65 Methane emission 678 Tg CH 4 yr -1 (Kirshke et al. 2013; Nature Geo.)

66 Methane emission 678 Tg CH 4 yr -1 Biomass burning Fossil fuel wetland Agriculture (Kirshke et al. 2013; Nature Geo.) Others Wild animals Termites

67 Methanogenic Archaea Biomass burning Fossil fuel wetland Agriculture (Kirshke et al. 2013; Nature Geo.) Others Wild animals Termites

68 Methane sink Stratospheric OH 632 Tg CH 4 yr -1 Soil Methanotroph (bacteria) Tropospheric OH-radical (83%)

69 (McEwing et al., 2015l Plant Soil)

70 Methane process in wetland (Riley et al., 2011; Biogeosciences)

71 Seasonality Boreal fen at Finland (Rinne et al., 2007; Tellus B)

72 Methane emission vs water table Norther wetland across permafrost zones High emissions Dry Wet (Oleefeldt et al., 2013; GCB)

73 Methane emission at wetlands (Riley et al., 2011; Biogeosciences)

74 Modeling Global methane emission (Melton et al., 2013; Biogeosciences)

75 Wetland area (Melton et al., 2013; Biogeosciences)

スライド 1

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