1 生態環境計測学 216/12/7 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 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 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 3
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 7 76 6 フラックス植物プール 71 65 純光合成 6 (Pg y -1 ) 大気 76 Pg 植物 65 Pg 枯死 6 (Pg y -1 ) 土壌 15 Pg 全球での炭素循環の一部 (Chapin et al., 22) 分解 55 (Pg y -1 ) 8 大気ー生態系間のエネルギーの流れ 4
9 地球のエネルギー収支 短波放射 長波放射 太陽放射 1 大気の吸収 17 大気の散乱 7 2 4 12 57 雲温室効果気体 顕熱フラックス 潜熱フラックス 23 3 雲の吸収 純放射量 12 95 7 49-19 文字ら, 1997; Chapin et al., 22 1 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 5
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 高緯度 ( アラスカ ) の森林 : 7 月 Rs エネルギーフラックス (W m -2 ) 6 Rs Rl 5 Rl 4 3 2 1 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 時刻 6
13 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 ) 6 5 4 3 2 1 Rs Rs Rl Rl 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 時刻 14 高緯度 ( アラスカ ) の森林 : 7 月 エネルギーフラックス (W m -2 ) 4 3 2 1-1 H le G Rn 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 時刻 7
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 ) 16 12 8 4-4 H le G Rn 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 時刻 16 エネルギーフラックス (W m -2 ) 熱収支 45 4 35 3 25 2 15 1 5 Rs Rs Rl Rl エネルギーフラックス (W m -2 ) 2 15 1 5-5 H le G Rn 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 月 8
17 アルベド.8.6 アルベド.4 アルベド.2. 1..8.6.4.2. 23 24 25 26 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 月 18 アルベド 海洋 7 ( 近藤, 1994) 9
19 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 ) 2 アイス - アルベド フィードバック 21 年 4 月 3 日 4 月における観測史上最低の雪氷面積 (216 年により最低が記録された ) http://www.nnvl.noaa.gov/mediadetail.php?mediaid=413&mediatypeid=1&sms_ss=blogger&at_xt=4d27e83ffa6a164d%2c1 1
21 過去 3 年間平均 アイス - アルベド フィードバック 212 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). http://www.nasa.gov/topics/earth/features/212-seaicemin.html 22 海氷域面積 (x 1 4 km 2 ) (NASA; http://climate.nasa.gov/vital-signs/arctic-sea-ice/) 11
23 過去 3 年間平均 アイス - アルベド フィードバック 216 年 9 月 1 日観測史上 2 番の最小海氷面積 https://www.nnvl.noaa.gov 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 12
25 大気ー生態系間の炭素の流れ 26 生態系における炭素の流れ NEE = R auto + R heter GPP CO 2 分配 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 ) 13
27 生態系における炭素の流れ 生態系呼吸量 独立栄養呼吸 RE (R auto ) 総一次生産量 ( 光合成 ) (Gross Primary Productivity) 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 高緯度 ( アラスカ ) の森林 : 7 月 CO 2 フラックス (µmol m -2 s -1 ) 2 15 1 5-5 -1 NEE RE GPP 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 時刻 PPFD 14 12 1 8 6 4 2 光合成光量子束密度 (µmol m -2 s -1 ) 14
29 高緯度 ( アラスカ ) の森林 光合成光量子束密度 (µmol m -2 s -1 ) 6 5 4 3 2 1 PPFD 気温 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 月 2 1-1 -2-3 気温 ( o C) 3 高緯度 ( アラスカ ) の森林 CO 2 フラックス (g C m -2 day -1 ) 8 7 6 5 4 3 2 1-1 -2 NEE RE GPP -3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 月 2 1-1 -2 気温 ( o C) 15
31 高緯度 ( アラスカ ) の森林の年間収支は? 積算 CO 2 フラックス (g C m -2 ) 8 7 6 5 4 3 2 1-1 NEE RE GPP 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 月 32 いろいろな森林を比べると (Baldocchi, 28) CO 2 吸収量 (g C m -2 year -1 ) 植物生育期の長さ ( 日 ) 16
33 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 ) 34 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 ) 17
35 炭素循環フィードバック : 将来は? 放出 人為放出 大気蓄積 陸域吸収海洋 25 (Cox et al., 2; 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 36 炭素循環フィードバック : 将来は? 陸上生態系の吸収量 (GtC yr -1 ) 吸収 放出 Friedlingstein et al. (26) 18
37 IPCC AR4 による温暖化の将来予測 全球の平均昇温 ( ) http://www.ipcc.ch/publications_and_data/ar4/wg1/en/spmsspm-projections-of.html 38 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 ) 温度と水の相変化水の相変化など 19
39 気象的要因風 降水 気温 飽差 ( 湿度 ) 光 CO 2 濃度 放射 エネルギー循環 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 4 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 : 水循環風速 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 エネルギー循環 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 2
41 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 42 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 http://db.cger.nies.go.jp/gem/warm/flux/1forest/fujihokuroku/observations.html 21
22 43 観測のデザイン観測のデザイン観測のデザイン観測のデザイン土壌呼吸測定チャンバー土壌呼吸測定チャンバー土壌呼吸測定チャンバー土壌呼吸測定チャンバー土壌呼吸測定チャンバー土壌呼吸測定チャンバー土壌呼吸測定チャンバー土壌呼吸測定チャンバー赤外線ガス分析計赤外線ガス分析計赤外線ガス分析計赤外線ガス分析計赤外線ガス分析計赤外線ガス分析計赤外線ガス分析計赤外線ガス分析計超音波風速温度計超音波風速温度計超音波風速温度計超音波風速温度計超音波風速温度計超音波風速温度計超音波風速温度計超音波風速温度計温湿度 風速分布温湿度 風速分布温湿度 風速分布温湿度 風速分布温湿度 風速分布温湿度 風速分布温湿度 風速分布温湿度 風速分布富士北麓フラックス観測サイト雨量計雨量計雨量計雨量計雨量計雨量計雨量計雨量計放射計放射計放射計放射計放射計放射計放射計放射計幹呼吸測定チャンバー幹呼吸測定チャンバー幹呼吸測定チャンバー幹呼吸測定チャンバー幹呼吸測定チャンバー幹呼吸測定チャンバー幹呼吸測定チャンバー幹呼吸測定チャンバー魚眼カメラ魚眼カメラ魚眼カメラ魚眼カメラ魚眼カメラ魚眼カメラ魚眼カメラ魚眼カメラ放射計類放射計類放射計類放射計類放射計類放射計類放射計類放射計類 44 復習事項復習事項復習事項復習事項生態系のエネルギーと炭素の流れ観測デザイン地表面の熱 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
45 引用 参考文献 Baldocchi, D. 28. Breathing of the terrestrial biosphere: lessons learned from a global netwrok of carbon dioxide flux measurement systems. Australian Journal of Botany, 28, 56, 1-26. Chapin Ⅲ, F. S., P. A. Matson, and H. A. Mooney. 22. Principles of terrestrial ecosystem ecology. Springer-Verlag Press, New York, 436 pp. Cox, P. M., Betts, R. A., Jones, C. D., Spall, S. A., and Totterdell, I. J. 2; Acceleration of global warming due to carbon-cycle feedbacks in a coupled climate model. Nature, 48, 184-187. Friedlingstein, P. et al. 26; Climate-carbon cycle feedback analysis: Results from the C 4 MIP model intercomparison, J. Climate, 19, 3337-3353. 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, 35pp. 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., 22: Net ecosystem production: A comprehensive measure of net carbon accumulation by ecosystems. Ecol. Appl., 12, 937-947. 23