森林光合成とフェノロジーへの気候変動ストレス影響の生理生態学的解明と将来変動予測

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19H03301
• Research Institution: Gifu University
• Principal Investigator: 村岡 裕由 岐阜大学, 流域圏科学研究センター, 教授 (20397318)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 村山 昌平 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 総括研究主幹 (30222433) ; 中路 達郎 北海道大学, 北方生物圏フィールド科学センター, 准教授 (40391130) ; 野田 響 国立研究開発法人国立環境研究所, 地球システム領域, 主任研究員 (60467214) ; 永井 信 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 地球環境部門(地球表層システム研究センター), 主任研究員 (70452167)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 森林光合成 / フェノロジー / 気候変動 / 炭素循環 / 生理生態

Outline of Annual Research Achievements

本年も新型コロナ感染症拡大により研究活動等は影響を受けたが，以下の成果を得た。
岐阜・高山の落葉広葉樹林では引き続き林冠木の個葉生理生態学的特性のフェノロジーの調査を温暖化実験区と対象区で行った。春の気温の年変動は展葉期を14―16日変動させ，個葉の光合成生産を14―24％変動させると推定された。長期観測と温暖化実験での傾向には大差は認められず，これらの知見から信頼性の高いフェノロジーモデルの構築が可能となる。昨年より延期された国際研究集会を9月にオンライン開催し，成果を発表した。
高山サイトでCO2フラックス・濃度，気象等の観測を継続した。20年程の長期観測データの解析より，年積算正味炭素収支の年々変動は，夏季の炭素収支に依存しており，夏季の日射量・葉面積指数および生物季節の年々変動と高い相関があることが示された。また，数年スケールの変動には台風来襲等による攪乱が影響を及ぼしていることが示唆された。
極端気候などの気象災害や虫害などに対する樹種耐性についてリモートセンシングによって評価し，前年度に有効性が示唆されたGreen Ratioに基づく観測を北海道の落葉広葉樹林において継続し，多地点の定点カメラ観測を実施した。
落葉広葉樹林林冠の分光反射率の季節変化の決定要因を群落放射伝達モデルと個葉放射伝達モデルにより解析した。LAIと個葉の分光特性の季節変化および群落内の幹枝の構造も考慮することにより，実際の林冠反射率の季節変化を再現できた。衛星により観測される森林の季節変化パターンの解析には，個葉や林冠構造に関する知見が不可欠であることが示された。
詳細な地上観測値に基づいて開発した統計的なモデルにより，開葉日と落葉日を100年スケールで推定し，標高に沿った開葉日と落葉日の傾度の時間変化を評価した。また，推定値の妥当性を新たな地上観測値や高空間分可能を持つ衛星データを用いて検証した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

高山における個葉・林冠のフェノロジー，CO2フラックス等の長期観測により，気象条件の年変動が春の展葉の変化を通じて樹木の着葉期間に影響を与えるとともに，夏期の気象条件による光合成活性への影響，落葉広葉樹林の光合成生産量・炭素収支量の年変動を生じることが明らかとなった。これらの森林生態系構造・機能が極端気象のような短期的な気候変動ストレス，気温変化のような長期的な気候変動ストレスを検出する必須観測項目であることが示された。個葉・林冠の生理生態的特性に関する知見，及びCO2フラックスに関する知見はそれぞれ論文執筆中である。
これらの短期から長期的な気候変動の影響を検出するためには近接・衛星リモートセンシングの利用が重要である。本研究では自動撮影画像や分光放射計により得られた個葉・林冠の分光反射情報の解析，および個葉と群落の放射伝達モデルの高度化をすることにより，個葉・林冠のフェノロジーの遠隔観測と生理生態学的な検証に必要な生理生態学的知見を得た。個葉・群落の放射伝達モデルによる研究成果は総説論文として出版された。
本研究課題の代表者や分担者は，高山や苫小牧で長期にわたり自動撮影画像と衛星リモートセンシングを用いた景観スケールでのフェノロジーの観測とモデル化に取り組んできた。本研究課題を含む20年ほどの観測知見に基づいて経験的な予測モデルを開発し，それを過去100年の気温情報により解析したところ，日本の森林の多くが分布する山地では標高によって気候変動影響の程度が異なることが示唆された。この知見は生態系機能や生態系サービスに対する気候変動影響の予測および適応策の検討に重要な知見となる。
2020年から延期された第13回ILTER-EAP会合をオンライン形式にて9月に主催し，東アジア・東南アジア・オセアニアの生態系研究の現状と将来展望を議論した。また研究成果は国内の多数の学会等で発表した。

Strategy for Future Research Activity

最終年度の本年は，個葉から林冠スケールでの光合成特性のフェノロジーと年変動，およびこれらの生態系スケールでのCO2動態との関係について，数年から25年スケールでの気候変動影響を検証するとともに，今後の顕在化が懸念される極端気象の影響評価を行う。以上を総合的に評価することにより，冷温帯地域の落葉広葉樹林の光合成生産力に対する気候変動ストレスについて評価するとともに新たな仮説を提示する。個葉・群落の分光―生理生態学的モデルに基づいてリモートセンシングによる森林機能の検出技術の検証を行い，環境変動下での落葉広葉樹林の生態系機能観測のさらなる技術革新とネットワーク化の効果と重要性を発信する。
高山サイトの主要林冠木の個葉光合成特性や林冠葉面積指数のフェノロジーと経年変動と，CO2フラックスデータとを照合することにより，樹木の光合成生産力と生態系炭素収支の関係を解明する。特に，長期観測データに基づいて炭素収支の年々変動，長期トレンドの変動要因の分析，及び夏季の天候や台風による攪乱の影響の解明を進める。これらの結果をとりまとめた論文を発表する。長期観測データはAsiaFluxやWDCGG等の各種データベースへ登録してオープンデータ化により関連科学に貢献する。
苫小牧サイトでの林冠画像および分光放射計の解析を行い，強風などの極端気候や虫害の影響検出モデルの高精度化を試みる。衛星観測バンドを考慮した長期トレンドの評価や広域化に向けた解析法を検証する。
東アジア域におけるリモートセンシングによる植物季節や土地利用土地被覆の時空間分布の観測・解析評価に関する不確実性・課題点・今後の見通しを総説論文としてまとめる。当地域を対象とした，観測サイト間の連携強化や，生物多様性及び地球観測に関する国際的なネットワークの発展に貢献する。

Research Products

• [Journal Article] Evaluating the soil microbe community‐level physiological profile using <scp>EcoPlate</scp> and soil properties at 33 forest sites across Japan (2022)
  • Author(s): Nakamura, M., Terada, C., Ito, K., Matsui, K., Niwa, S., Ishihara, M., Kenta, T., Yoshikawa, T., Kadoya, T., Hiura, T., Muraoka, H., Ishida, K., Agetsuma, N., Nakamura, R., Sakio, H., Takagi, M., Mori, A. S., Kimura, M. K., Kurokawa, H., … Tokuchi, N.
  • Journal Title: Ecological Research Volume: 37 Pages: 432～445
  • DOI: 10.1111/1440-1703.12293
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Plant ecophysiological processes in spectral profiles: perspective from a deciduous broadleaf forest (2021)
  • Author(s): Noda Hibiki M.、Muraoka Hiroyuki、Nasahara Kenlo Nishida
  • Journal Title: Journal of Plant Research Volume: 134 Pages: 737-751
  • DOI: 10.1007/s10265-021-01302-7
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Area-ratio Fraunhofer line depth (aFLD) method approach to estimate solar-induced chlorophyll fluorescence in low spectral resolution spectra in a cool-temperate deciduous broadleaf forest (2021)
  • Author(s): Nakashima Naohisa、Kato Tomomichi、Morozumi Tomoki、Tsujimoto Katsuto、Akitsu Tomoko Kawaguchi、Nasahara Kenlo Nishida、Murayama Shohei、Muraoka Hiroyuki、Noda Hibiki M.
  • Journal Title: Journal of Plant Research Volume: 134 Pages: 713～728
  • DOI: 10.1007/s10265-021-01322-3
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] How did the characteristics of the growing season change during the past 100 years at a steep river basin in Japan? (2021)
  • Author(s): Shin Nagai、Saitoh Taku M.、Nasahara Kenlo Nishida
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 16 Pages: e0255078
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0255078
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Microbial seasonality promotes soil respiratory carbon emission in natural ecosystems: A modeling study (2021)
  • Author(s): He Liyuan、Lai Chun‐Ta、Mayes Melanie A.、Murayama Shohei、Xu Xiaofeng
  • Journal Title: Global Change Biology Volume: 27 Pages: 3035～3051
  • DOI: 10.1111/gcb.15627
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] TKY サイトにおける長期観測により明らかになった炭素収支の年々変動と長期トレンド (2022)
  • Author(s): 村山 昌平，近藤 裕昭，石戸谷 重之，前田 高尚，山本晋，亀崎 和輝，三枝信子，村岡裕由
  • Organizer: 第６回流域圏保全研究推進セミナー
  • Invited
• [Presentation] Asia-Pacific Biodiversity Observation Network (APBON) Strategic Plan 2030. (2021)
  • Author(s): Muraoka H., Takeuchi Y., Yamakita T., Kano Y., Nagai S. and Nakaoka M
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2021年大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Seasonal variation in Solar Induced chlorophyll Fluorescence detected by multi-vertical layer spectroscopy in a canopy of cool-temperate deciduous forest in Takayama, Gifu (2021)
  • Author(s): Morozumi T., Kato T., Tsujimoto K., Buareal K., Nakashima N., Sakai Y., Kobayashi H., Nasahara K., Akitsu T., Murayama S., Noda H.M. and Muraoka H.
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2021年大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Biodiversity and ecosystem observations in Asia-Oceania region - Insights from ecosystem research in changing environment - (2021)
  • Author(s): Muraoka H.
  • Organizer: The 4th Asia-Oceania GEO Workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 社会の環境課題対応に資する生態系研究と連携 (2021)
  • Author(s): 村岡裕由
  • Organizer: JapanFlux データ利用・共同研究促進ワークショップ
  • Invited
• [Presentation] Combining multi-year observation and open-field warming experiment to investigate leaf phenology in a deciduous broadleaf forest (2021)
  • Author(s): Muraoka H.
  • Organizer: 13th ILTER-EAP Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Asia-Pacific Biodiversity Observation Network report (2021)
  • Author(s): Muraoka H., Runi Sylvester Pungga and Trisurat Y
  • Organizer: The 14th AOGEO Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] カーボンニュートラルとは？ 地球温暖化と脱炭素：地球規模の問題を自分の問題として捉える (2021)
  • Author(s): 村岡裕由
  • Organizer: 岐阜大学公開講座 カーボンニュートラルでひろがる地域活性化の可能性
• [Presentation] 南鳥島及び飛騨高山落葉広葉樹林観測サイトにおいて観測された大気中二酸化炭素安定同位体比の変動の比較 (2021)
  • Author(s): 村山 昌平，坪井 一寛，石島健太郎，石戸谷 重之，松枝秀和，森本真司，佐藤幸隆，幸田笹佳，雪田一弥，佐藤祥平，池田諒，洞口拓也
  • Organizer: 日本気象学会2021年度春季大会
• [Presentation] Continuous measurement of atmospheric methane mixing ratio at a cool-temperate deciduous forest site, Takayama, Japan (2021)
  • Author(s): 村山 昌平，石戸谷 重之，堀 知行，吉竹晋平，前田 高尚
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2021年大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ひまわり８号を用いた地表面温度プロダクトの構築とその検証 (2021)
  • Author(s): 山本 雄平，市井 和仁，Minseok Kang，Youngryel Ryu，村山 昌平
  • Organizer: JapanFlux データ利用・共同研究促進ワークショップ
• [Presentation] Uncertainty quantification in operational retrieval algorithms of land surface temperature from Himawari-8/AHI dat (2021)
  • Author(s): 山本 雄平，市井 和仁，Minseok Kang，Youngryel Ryu，村山 昌平
  • Organizer: AsiaFlux Online Conference 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Estimating diurnal GPP variations in East Asia using Himawari-8 data (2021)
  • Author(s): Yui Shikakura，市井 和仁，山本 雄平，村山 昌平，Minseok Kang，Youngryel Ryu
  • Organizer: AsiaFlux Online Conference 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 大気観測に基づくCO2排出・吸収量評価 -ゼロエミッション技術実装効果の検証に向けて - (2021)
  • Author(s): 村山 昌平，石戸谷重之
  • Organizer: 第16回再生可能エネルギー世界展示会＆フォーラム
• [Presentation] 森林生態系と炭素循環 (2021)
  • Author(s): 村山 昌平
  • Organizer: 第14 回ゼロエミッション活動紹介セミナー
  • Invited