Long-term response of soil carbon dynamics to deforestation as revealed by a soil organic carbon model

• Project/Area Number: 20K12143
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 63010:Environmental dynamic analysis-related
• Research Institution: Japan Atomic Energy Agency
• Principal Investigator: Ota Masakazu 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 原子力基礎工学研究センター, 研究職 (00772865)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小嵐 淳 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 原子力基礎工学研究センター, 研究主席 (30421697) ; 高木 健太郎 北海道大学, 北方生物圏フィールド科学センター, 教授 (20322844) ; 梁 乃申 国立研究開発法人国立環境研究所, 地球環境研究センター, 室長 (50391173)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2020: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
• Keywords: 土壌炭素 / 森林伐採 / モデル / 炭素循環 / 野外観測 / 地球温暖化 / 土壌有機炭素

Outline of Research at the Start

地球温暖化の将来予測には、世界規模で進行している森林伐採の影響評価が不可欠である。伐採区では、土壌中の炭素循環が変化し、それまで土壌に有機物として貯留されていた炭素がCO2として大気中へ放出される可能性がある。近年、森林では土壌炭素の5割超が表層20cmから30cm以深に存在することが判明し、伐採による表層以深の土壌からの炭素放出機構解明と放出量評価が喫緊の課題である。本研究は、土壌の浅部から深部まで炭素動態を計算可能な数値モデルと、伐採サイトでの観測・分析を通して、森林伐採時の土壌からの炭素放出機構を再現・解明し、更に、過去の国内林伐採による炭素放出量の評価とその将来予測を実施する。

Outline of Final Research Achievements

To elucidate the response mechanism of soil carbon cycle to deforestation, a forest carbon cycle model was developed and applied to a clear-cutting and afforestation site in Japan. Model calculations showed that this site, which was a sink for atmospheric CO2, became a CO2 source after clear-cutting. This was due to the rapid decomposition and release of CO2 from the plant residues supplied to the surface and soil during the clear-cutting. Since most of the plant residues were decomposed and lost, the increase in the soil carbon and CO2 release was relatively small. After the clear-cutting, CO2 fixation at the site was restored as the undergrowth (sasa) flourished, and the site returned to being a CO2 sink in about 4 years. Thus, the development and use of a new model successfully predicted the carbon cycle during deforestation.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

地球温暖化の将来予測には、世界規模で進行する森林伐採に伴う炭素（二酸化炭素（CO2））放出量の評価が不可欠であり、このためには森林地上部のみならず、既往研究では困難であった地下部の炭素動態の予測が求められる。本研究は独自開発した数値モデルと野外観測を融合することで、地上植生、表層有機物層、および浅部土壌から深部土壌にわたる炭素動態の予測を可能にし、森林伐採時の伐採区の炭素循環の応答機構の解明に成功した。得られた成果は、全球炭素循環解析のため陸域炭素循環モデルの構築やパラメタライズ、伐採区からの炭素放出量評価に役立てることができ、地球温暖化の将来予測の計算精度向上に資するものである。

Research Products

• [Journal Article] Long-term monitoring on the dynamics of ecosystem CO2 balance recovering from a clear-cut harvesting in a cool-temperate forest (2022)
  • Author(s): Takagi K., Aguilos M., Liang N., Takahashi Y., Saigusa N., Koike T., Sasa K.
  • Journal Title: Eurasian Journal of Forest Research Volume: 22 Pages: 49-51
  • DOI: 10.14943/EJFR.22.49
  • ISSN: 1345-8221
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ten years of warming increased plant-derived carbon accumulation in an East Asian monsoon forest (2022)
  • Author(s): Zhang, J., Kuang, L., Mou, Z., Kondo, T., Koarashi, J., Atarashi-Andoh, M., Li, Y., Tang, X., Wang, Y., Penuelas, J., Sardans, J., Hui, D., Lambers, H., Wu, W., Kaal, J., Li, J., Liang, N., Liu, Z.
  • Journal Title: Plant and Soil Volume: 481 Issue: 1-2 Pages: 349-365
  • DOI: 10.1007/s11104-022-05642-8
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Exploring a best vegetation index to explain the seasonal variation of a forest photosynthesis using a hyper-spectral camera equipped with liquid crystal tunable filter (2021)
  • Author(s): Yoshikawa, K., Takagi, K., Yazaki, T., Hirano, T., Hayakashi, S., Ide, R., Oguma, H., Hirose Y., Kurihara, J.
  • Journal Title: Journal of Agricultural Meteorology Volume: 77 Issue: 4 Pages: 253-261
  • DOI: 10.2480/agrmet.D-21-00005
  • NAID: 130008102732
  • ISSN: 0021-8588, 1881-0136
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Inter-annual variation of soil respiration and its spatial heterogeneity in a cool-temperate young larch plantation in northern Japan (2020)
  • Author(s): Lifei SUN、TAKAGI Kentaro、TERAMOTO Munemasa、HAYAKASHI Shintaro、Naishen LIANG
  • Journal Title: Journal of Agricultural Meteorology Volume: 76 Issue: 3 Pages: 119-127
  • DOI: 10.2480/agrmet.D-19-00026
  • NAID: 130007872065
  • ISSN: 0021-8588, 1881-0136
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 放射性炭素で見る土壌炭素動態 (2023)
  • Author(s): 小嵐淳, 安藤麻里子, 梁乃申, 近藤俊明, 高木健太郎, 平野高司, 高木正博, 石田祐宣, 寺本宗正, 永野博彦, 市井和仁, 石塚成宏, 平舘俊太郎, 伊藤雅之, 孫力飛, 國分陽子, 藤田奈津子
  • Organizer: 第70回日本生態学会大会
• [Presentation] モンスーンアジア域における土壌温室効果ガスフラックスに関する研究の課題と展望 (2023)
  • Author(s): 梁乃申, 高木健太郎, 平野高司, 石田祐宣, 近藤俊明, 小嵐淳, 安藤麻里子, 寺本宗正, 高木正博, 市井和仁, 山貫緋称, Yiping ZHANG, Derrick Y.F. LAI, Po-Neng CHIANG, 孫力飛, 高橋善幸, 曾継業, Azian MOHTI
  • Organizer: 第70回日本生態学会大会
• [Presentation] 長期温暖化実験による北海道最北の森林泥炭地における三年間の土壌CO2とCH4フラックスの変化 (2023)
  • Author(s): 馬鋭麒, 高木健太郎, 平野高司, 孫力飛, 梁乃申, 高橋善幸, 寺本宗正, 近藤俊明, 小嵐淳, 安藤麻里子, 石田祐宣, 高木正博, 市井和仁
  • Organizer: 日本農業気象学会2023年全国大会
• [Presentation] 放射性炭素を利用した微生物呼吸の年代とその影響因子の評価 (2022)
  • Author(s): 安藤麻里子, 小嵐淳, 梁乃申, 高木健太郎, 近藤俊明, 平野高司, 寺本宗正, 高木正博, 石田祐宣, 市井和仁, 孫力飛, 國分陽子, 藤田奈津子
  • Organizer: 第134回日本森林学会大会
• [Presentation] 地温上昇処理が冷温帯植林泥炭地のメタン吸収量に与える影響 (2022)
  • Author(s): 高木健太郎、平野高司、孫 力飛、梁 乃申、高橋善幸、寺本宗正、近藤俊明、小嵐 淳、安藤麻里子、石田祐宣、高木正博、市井和仁
  • Organizer: 第69回日本生態学会全国大会シンポジウム「気候変動の鍵を握る土壌におけるメタン吸収と温暖化の影響」
• [Presentation] 日本を中心としたアジア域の森林における土壌メタン吸収の過去、現状と将来 (2022)
  • Author(s): 梁 乃申、寺本宗正、高木健太郎、平野高司、近藤俊明、小嵐 淳、安藤麻里子、高木正博、石田祐宣、ZHANG Yiping、LAI YF Derrick、CHIANG Po-Neng、市井和仁、山貫緋称、孫 力飛、高橋善幸、曾 継業、AZIAN Mohti
  • Organizer: 第69回日本生態学会全国大会シンポジウム「気候変動の鍵を握る土壌におけるメタン吸収と温暖化の影響」
• [Presentation] Upscaling and Intercomparison of soil respiration in Japan (2021)
  • Author(s): 1.Hina Yamanuki, Kazuhito Ichii, Yuhei Yamamoto, Shunji Kotsuki, Lifei Sun, Naishen Liang, Munemasa Teramoto, Hirohiko Nagano, Takashi Hirano, Kentaro Takagi, Sachinobu Ishida, Masahiro Takagi, Toshiaki Kondo, Jun Koarashi, et al.
  • Organizer: AsiaFlux Online Conference 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ミミズのフン団粒が土壌からのCO2放出に及ぼす影響 (2021)
  • Author(s): 田中草太、永野博彦、安藤麻里子、小嵐淳
  • Organizer: 第68回日本生態学会大会
• [Presentation] Soil organic carbon and its water-extractable fraction in volcanic ash soils in a Japanese temperate forest: relations to phosphate absorption coefficient and their implication (2020)
  • Author(s): Hirohiko Nagano, Sota Tanaka, Mariko Atarashi-Andoh, Jun Koarashi
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Book] Hokkaido Region, The soils of Japan (2021)
  • Author(s): Nakatsuji, T., Shiga, H., Takeuchi, H., Tsukamoto, Y., Gotou, E., Watanabe, Y., Sakurai, M., Fueki, N., Hikasa, Y., Hayashi, T., Sakaguchi, M., Saigusa, T., Yagi, T., Sakai, O., Satoh, F., Shibata, H., Takagi, K., et. al.
  • Total Pages: 372
  • Publisher: Springer, Singapore
  • ISBN: 9789811582295