A modeling study on forest soil moisture in the permafrost region under future climate conditions: wet or dry?

• Project/Area Number: 17K08019
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Agricultural environmental engineering/Agricultural information engineering
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 中井 太郎 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 特任助教 (50400015)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 太田 岳史 名古屋大学, 生命農学研究科, 教授 (20152142) ; 飯島 慈裕 三重大学, 生物資源学研究科, 准教授 (80392934)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2019: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2018: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2017: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
• Keywords: 永久凍土 / 気候変動 / 土壌水分動態 / 活動層 / 北方林 / 凍結・融解過程 / 土壌水分 / 土壌物理モデル

Outline of Annual Research Achievements

環北極域の森林（北方林）は北東ユーラシアを中心として永久凍土上に成立している。この地域では将来、大幅な気温上昇とともに降水量の増加が見込まれており、気温上昇による凍土の融解深（季節融解層（活動層）の厚さ）の深化に伴う根圏土壌の乾燥化、および降水量増加による根圏土壌の湿潤化という真逆の可能性が示唆されている。このような背景から、将来の気候変動が永久凍土と共生的に分布する北方林の成長・維持に及ぼす影響を評価・予測するため、北方林と凍土のインターフェイスである根圏土壌の水分動態を解明することを目的として、1年4ヶ月の研究を実施した。
当該研究課題では、東シベリアのカラマツ林を対象に、凍結・融解過程を考慮した土壌物理モデルを構築した。このモデル構築は、気候変動条件下の森林の動態を再現できる陸域生態系動態モデルS-TEDyの土壌物理サブモデルを改良する形で進めた。
地温の鉛直分布の計算には正弦変動モデルを採用し、熱伝導率と体積熱容量の計算に凍結・融解の影響を組み込んだ。土壌表面の地温は、雪がない場合は地表面熱収支式を解いて表面温度を与え、雪がある場合には雪の断熱効果を考慮して求めた。
一方、土壌水分の計算では根圏土壌を一層で扱い、その中で液体水と氷の量を表現するため、氷点下の土壌中の過冷却水の最大存在量が温度に依存して変化することを表現したモデルを組み込んだ。すなわち、氷点下の土壌層全体の液体水はこの過冷却水の最大存在量に従い、それを超える土壌水分は凍結すると仮定した。
これらの改良により、東シベリアのカラマツ林で観測された地温および液体水の土壌水分の季節変化を概ね再現することができた。また、秋の凍結前の土壌水分が氷となって翌年の春の融解まで保存される効果が表現された。このように、永久凍土地域の森林の地温と土壌水分を比較的単純なモデルで表現可能にしたことが当該研究課題の成果である。

Research Products

• [Journal Article] Extremely dry environment down-regulates nighttime respiration of a black spruce forest in Interior Alaska (2018)
  • Author(s): Nagano, H., Ikawa, H., Nakai, T., Matsushima-Yashima, M., Kobayashi, H., Kim, Y., Suzuki, R.
  • Journal Title: Agricultural and Forest Meteorology Volume: 249 Pages: 297-309
  • DOI: 10.1016/j.agrformet.2017.11.001
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Using digital cover photography to track the canopy recovery process following a typhoon disturbance in a cool-temperate deciduous forest (2018)
  • Author(s): Toda, M., Nakai, T., Kodama, Y., Hara, T.
  • Journal Title: Canadian Journal of Forest Research Volume: 48 Issue: 7 Pages: 740-748
  • DOI: 10.1139/cjfr-2018-0005
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Thermokarst development detected from high-definition topographic data in Central Yakutia (2018)
  • Author(s): Saito, H., Iijima, Y., Basharin, N.I., Fedorov, A.N., Kunitsky, V.V.
  • Journal Title: Remote Sensing Volume: 10 Issue: 10 Pages: 1579-1579
  • DOI: 10.3390/rs10101579
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Modeling the Effect of Moss Cover on Soil Temperature and Carbon Fluxes at a Tundra Site in Northeastern Siberia (2018)
  • Author(s): Park Hotaek、Launiainen Samuli、Konstantinov Pavel Y.、Iijima Yoshihiro、Fedorov Alexander N.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Biogeosciences Volume: 123 Issue: 9 Pages: 3028-3044
  • DOI: 10.1029/2018jg004491
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Permafrost livelihoods: A transdisciplinary review and analysis of thermokarst-based systems of indigenous land use (2017)
  • Author(s): Crate, S., Ulrich, M., Habeck, J.O., Desyatkin, A.R., Desyatkin, R.V., Fedorov, A.N., Hiyama, T., Iijima, Y., Ksenofontov, S., Meszaros, C., Takakura, H.
  • Journal Title: Anthropocene Volume: 18 Pages: 89-104
  • DOI: 10.1016/j.ancene.2017.06.001
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Differences in behavior and distribution of permafrost-related lakes in Central Yakutia and their response to climatic drivers (2017)
  • Author(s): Ulrich M., H. Matthes, L. Schrrmeister, H. Park, Y. Iijima, A. Fedorov
  • Journal Title: Water Resources Research Volume: 53 Issue: 2 Pages: 1167-1188
  • DOI: 10.1002/2016wr019267
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 特集 北極 地球温暖化がもたらすもの 寒い大地の大きな変化 (2017)
  • Author(s): 飯島慈裕
  • Journal Title: 地理 Volume: 7月号 Pages: 34-41
• [Presentation] Response of larch forest ecosystem to wetting permafrost active-layer in eastern Siberia (2018)
  • Author(s): Kotani, A., Iijima, Y., Maximov, T.C. Ohta, T.
  • Organizer: 2018 IBFRA Conference (The International Boreal Forest Research Association)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 東シベリア・カラマツ林の動態および土壌の凍結・融解過程のモデル化 (2018)
  • Author(s): 中井太郎・熊谷朝臣・飯島慈裕・太田岳史・小谷亜由美・Trofim C. Maximov・檜山哲哉
  • Organizer: 日本農業気象学会75周年記念大会（2018年全国大会）
• [Presentation] Modeling of larch forest dynamics under a changing climate in eastern Siberia (2017)
  • Author(s): Nakai, T., Kumagai, T., Iijima, Y., Ohta, T., Kotani, A., Maximov, T.C., Hiyama, T.
  • Organizer: AGU 2017 Fall Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Application of terrestrial ecosystem dynamics model to a larch forest in eastern Siberia (2017)
  • Author(s): Nakai, T., Kumagai, T., Hiyama, T.
  • Organizer: The 2nd Asian Conference on Permafrost (ACOP2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 東シベリアで永久凍土荒廃が引き起こす景観変化：地域社会との認識と行動に向けて (2017)
  • Author(s): 飯島慈裕・齋藤仁・藤岡悠一郎・後藤正憲・中田篤・高倉浩樹
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2017