根圏凍結条件下のクロトウヒの光合成が年間のCO2収支に及ぼす影響の解明

• 研究課題/領域番号: 19K03998
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分17030:地球人間圏科学関連
• 研究機関: 大阪公立大学 (2022); 大阪府立大学 (2019-2021)
• 研究代表者: 原薗 芳信 大阪公立大学, 大学院農学研究科, 客員研究員 (90137240)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2021年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2020年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2019年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
• キーワード: 光合成 / 根圏凍結 / クロトウヒ / 温暖化予測 / 光合成開始(On-Set ) / 炭素収支 / 不凍水 / 凍結根圏環境 / CO2吸収 / 温暖化 / 積雪量増加 / 北方林 / CO2収支 / 凍土植生 / 不凍結水 / 温室効果気体

研究開始時の研究の概要

Alaska大学Fairbanks 校（UAF）のフラックス観測施設（UAFサイト）で，凍土融解前にクロトウヒ群葉のCO2 交換量をチャンバ3組で2年次にわたり測定する。根圏凍結下での光合成の可能性とそれを支える不凍水の存在を検証する。
UAFサイトでは群落レベルでCO2収支を通年観測しており，観測データとチャンバ測定結果とを相互比較し，さらにチャンバ測定結果のパラメータを生態系炭素収支の広域的評価モデルに組み込み（研究協力者，植山准教授）モデルによるCO2 収支評価を含めて，従来の定説を覆す根圏凍結下のCO2吸収を評価し，それが広域的CO2 収支と大気濃度に及ぼす影響を検討する。

研究成果の概要

凍土凍結下でのクロトウヒの光合成を観測的に明らかにしようとして，2019年秋期にAlaska大学Fairbanks 構内林に，チャンバー3個による光合成測定装置を設置した。COVID19感染拡大により翌年3月から大学構内の立入りができず研究を中断した。
2022年4月上旬に観測を再開したが，地温センサーやチャンバーのセンサーは一部破損し，制御用のリレーや電磁弁の動作不良のためデータを取得できなかった。データロガーの配線や光合成測定用のチューブ配管などの再接続，センサーの交換を行ったが，光合成測定に不可欠な流量調節マスフローコントローラが完全作動せず，観測データを取得できないまま研究を終えた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

高緯度生態系の光合成開始時期（ON-Set）は陸域の炭素収支に重要である。本研究は根圏が凍結し水利用が困難な環境で，光合成が始まっていることを実証する試みである。先行研究で従来のOn-Set以前の光合成開始を把握したので，本研究では反復回数を増やし不凍水による光合成の可能性を実証する計画であったが，2年半に及ぶ学内入構制限のため期間内に実施できなかった。
凍土凍結中の光合成開始によりCO2 固定が増加することから，生態系の炭素固定量の詳細把握につながり，地球温暖化予測モデルの精度向上に有益情報であると共に，人為的排出量の削減指標策定など政策的にも重要な知見を得る予定であった。

研究成果

• [雑誌論文] Snow disappearance timing associated with elevation and vegetation type determines heterogeneity in spring onset in interior Alaska (2023)
  • 著者名/発表者名: Kawashima, S., Ueyama, M., Harazono, Y., Iwata, H., & Kobayashi, H
  • 雑誌名: Polar Science 巻: 35 ページ: 10098-10098
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Composition and Dynamics of the Planetary Boundary Layer of the Dark and Cold Atmospheres (2023)
  • 著者名/発表者名: Javier Fochesatto 他24名
  • 雑誌名: Overview of the IGAC-ALPACA 巻: BAMS-AMS
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Methane and carbon dioxide emissions from the forest floor of a black spruce forest on permafrost in interior Alaska (2022)
  • 著者名/発表者名: Ueyama, M., Iwata, H., Endo, R., Harazono, Y.
  • 雑誌名: Polar Science 巻: 35 ページ: 100921-100921
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Spring onsets of a young forest in interior Alaska determined based on time-lapse camera and eddy covariance measurements. (2021)
  • 著者名/発表者名: Kawashima, S., Ueyama, M., Okamura, M., Harazono, Y., Iwata, H., Kobayashi, H.
  • 雑誌名: Journal of Agricultural Meteorology 巻: 3 ページ: 190-199
  • NAID: 130008064100
  • 査読あり
• [雑誌論文] Lessons learned from more than a decade of greenhouse gas flux measurements at boreal forests in eastern Siberia and interior Alaska. (2021)
  • 著者名/発表者名: Hiyama, T., Ueyama, M., Kotani, A., Iwata, H., Nakai, T., Okamura, M., Ohta, T., Harazono, Y., Petrov, R. E., Maximov, T. C.
  • 雑誌名: Polar Science 巻: 27 ページ: 100607-100607
  • DOI: 10.1016/j.polar.2020.100607
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Cooling and moistening of the planetary boundary layer in interior Alaska due to a postfire change in surface energy exchange. (2020)
  • 著者名/発表者名: Ueyama, M., Yamamori, T., Iwata, H., Harazono, Y.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research Atmospheres 巻: 125 号: 18
  • DOI: 10.1029/2020jd032968
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Fluctuations of CO2 in Free-Air CO2 Enrichment (FACE) depress plant photosynthesis, growth, and yield. (2020)
  • 著者名/発表者名: 1.L.H. Allen,, B.A. Kimball, J.A. Bunce, M. Yoshimoto, Y. Harazono, J.T. Baker, K.J. Boote, J.W. White
  • 雑誌名: Agricultural and Forest Meteorology 巻: 284 ページ: 1-11
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Carbon dioxide balance in early-successional forests after forest fires in interior Alaska, (2019)
  • 著者名/発表者名: 2.Ueyama M., Iwata, H., Nagano, H., Tahara, N., Iwama, C., and Harazono, Y
  • 雑誌名: Agricultural and Forest Meteorology 巻: 275 ページ: 196-207
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 長期観測データからの深い情報抽出と多点解析による情報の一般化 (2023)
  • 著者名/発表者名: 植山雅仁 他 38名
  • 学会等名: 日本農業気象学会2023年全国大会
  • 招待講演
• [学会発表] 北方林の森林火災による土地被覆変化が対流性降雨の特性に与える影響 (2023)
  • 著者名/発表者名: 落合悠介・岩田拓記・植山雅仁・原薗芳信
  • 学会等名: 日本農業気象学会2023年全国大会
• [学会発表] 極夜の大規模フラックス, 観測データが示す現象とその理解 (2023)
  • 著者名/発表者名: 原薗芳信・間野正美・宮田昭
  • 学会等名: 日本農業気象学会2023年全国大会
• [学会発表] 10年規模気候変動下におけるアラスカ北方林での大気と土壌の物理的相互作用 (2023)
  • 著者名/発表者名: 大久保香穂，岩田拓記，原薗芳信，植山雅仁，永野博彦
  • 学会等名: 日本農業気象学会2023年全国大会
• [学会発表] A Model-aided Analysis on the Spring Snowmelt Timing in Alaskan Black Spruce Forests underlain by Permafrost. (2023)
  • 著者名/発表者名: Ikawa, H., Nakai, T., Harazono, Y., Iwata, H., Nagano, H., Saito, K., Ueyama, M., Kobayashi, H.
  • 学会等名: International Symposium on Agricultural Meteorology 2023, Yamaguchi
  • 国際学会
• [学会発表] 北方林の森林火災による土地被覆変化が対流性降雨の特性に与える影響 (2022)
  • 著者名/発表者名: 落合悠介・岩田拓記・植山雅仁・原薗芳信
  • 学会等名: 日本農業気象学会関東甲信越支部2022 年度例会
• [学会発表] Factors for local-scale spatiotemporal variation of spring onsets of vegetation in interior Alaska (2022)
  • 著者名/発表者名: Shihori Kawashima, Masahito Ueyama, Yoshinobu Harazono, Hiroki Iwata, Hideki Kobayashi
  • 学会等名: PAWCs国際シンポジウム
  • 国際学会
• [学会発表] he effect of Land Surface Change after Forest Fires on Convective Rainfall in Alaskan Boreal Forests (2022)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Ochiai, Hiroki Iwata , Masahito Ueyama, Yoshinobu Harazono
  • 学会等名: AsiaFlux2022
  • 国際学会
• [学会発表] Methane emissions from the forest floor of a black spruce forest on permafrost in interior Alaska. (2022)
  • 著者名/発表者名: Ueyama, M., Iwata, H., Endo, R., Harazono, Y.
  • 学会等名: International Symosium Pan-Arctic Water-Carbon Cycles and Terrestrial Changes in the Arctic: For Resilient Arctic Communities, Online
  • 国際学会
• [学会発表] Factors for local-scale spatiotemporal variation of spring onsets of vegetation in interior Alaska. (2022)
  • 著者名/発表者名: Kawashima, S., Ueyama, M., Harazono, Y., Iwata, H., Kobayashi, H.
  • 学会等名: International Symosium Pan-Arctic Water-Carbon Cycles and Terrestrial Changes in the Arctic: For Resilient Arctic Communities, Online,
  • 国際学会
• [学会発表] 人工衛星データを用いた内陸アラスカの生育期開始における地域スケールの空間変動の解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 川嶋しほり・植山雅仁・原薗芳信・岩田拓記・小林秀樹
  • 学会等名: 日本農業気象学会全国大会, オンライン
• [学会発表] 大気境界層モデルを用いた北方林サイトにおける対流性降雨の再現 (2022)
  • 著者名/発表者名: 落合悠介・岩田拓記・植山雅仁・原薗芳信
  • 学会等名: 日本農業気象学会全国大会, オンライン
• [学会発表] 10年規模気候変動下におけるアラスカ北方林での大気と土壌の物理的相互作用 (2022)
  • 著者名/発表者名: 大久保香穂・岩田拓記・原薗芳信・植山雅仁・永野博彦
  • 学会等名: 日本農業気象学会全国大会, オンライン
• [学会発表] Factors for geographical distribution of spring onsets of vegetation in interior Alaska. (2021)
  • 著者名/発表者名: Kawashima, S., Ueyama, M., Harazono, Y., Iwata, H., Kobayashi, H
  • 学会等名: iLEAPS-Japan研究集会2021 大気―陸面プロセスの研究の進展：観測とモデルによる統合的理解,
• [学会発表] アラスカ北方林における大気と土壌の物理的相互作用. (2021)
  • 著者名/発表者名: 大久保香穂・岩田拓記・植山雅仁・原薗芳信・永野博彦
  • 学会等名: 日本農業気象学会関東支部大会, オンライン
• [学会発表] 森林火災による土地被覆変化が対流性降雨の特性に与える影響 (2021)
  • 著者名/発表者名: 落合悠介・岩田拓記・植山雅仁・原薗芳信
  • 学会等名: 日本農業気象学会関東支部大会, オンライン
• [学会発表] 永久凍土上のクロトウヒ湿地林からのメタン放出の10年変動 (2021)
  • 著者名/発表者名: 岩田拓記・植山雅仁・原薗芳信・永野博彦
  • 学会等名: 日本農業気象学会全国大会
• [学会発表] 内陸アラスカの植生の春のフェノロジーの評価 (2021)
  • 著者名/発表者名: 川嶋しほり・植山雅仁・原薗芳信・岩田拓記・小林秀樹
  • 学会等名: 日本農業気象学会全国大会
• [学会発表] A variation in surface energy balance during the early vegetation succession stage after wildfire interior Alaska. (2020)
  • 著者名/発表者名: Iwata, H., Ueyama, M., Harazono, Y
  • 学会等名: Sixth International Symposium on Arctic Research,
  • 国際学会
• [学会発表] 積算温度モデルを用いた内陸アラスカの種特有の植物季節現象の評価と将来予測 (2020)
  • 著者名/発表者名: 川嶋しほり・植山雅仁・原薗芳信・岡村幹太・岩田拓記・小林秀樹
  • 学会等名: 日本農業気象学会全国大会2020
• [学会発表] Estimating greenhouse gas budgets in high-latitude ecosystems with an improved ecosystem model using eddy covariance data. (2020)
  • 著者名/発表者名: Okamura, M., Ueyama, M., Ito, A., Ichii, K., Iwata, H., Euskirchen, E. S., Goeckede, M., Sonnentag, O., Flanagan, L. B., Harazono, Y., Helbig, M., Hirano, T., Oechel, W. C., Zona, D
  • 学会等名: Sixth International Symposium on Arctic Research,
  • 国際学会
• [学会発表] Decade long observations of greenhouse gases fluxes at burned and unburned boreal forests in interior Alaska. (2020)
  • 著者名/発表者名: Ueyama, M., Iwata, H., Harazono, Y.
  • 学会等名: Sixth International Symposium on Arctic Research,
• [学会発表] Current status of greenhouse gas balance in the Arctic black spruce forest based on the long-term observation and the future progress. (2019)
  • 著者名/発表者名: Harazono, Y., Ueyama, M., Iwata, H., Hiyama, T
  • 学会等名: 20th Conference on Agricultural and Forest Meteorology Korea
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Estimating CH4 fluxes across high latitude ecosystems using VISIT model. (2019)
  • 著者名/発表者名: Okamura, M., Ueyama, M., Ito, A., Ichii, K., Iwata, H., Euskirchen, S. E., Goeckede, M., Sonnentag, O., Flanagan, L. B., Harazono, Y., Helbig, M., Hirano, T., Oechel, W. C., Zona, D
  • 学会等名: iLEAPS/IGAC-Japan 合同研究集会 2019
• [学会発表] Estimation of greenhouse gas budget over high-latitude ecosystems using a process-based ecosystem model, VISIT. (2019)
  • 著者名/発表者名: Okamura, M., Ueyama, M., Ito, A., Ichii, K., Iwata, H., Euskirchen, S. E., Goeckede, M., Sonnentag, O., Flanagan, L. B., Harazono, Y., Helbig, M., Hirano, T., Oechel, W. C., Zona, D.
  • 学会等名: AsiaFlux2019 -20th Anniversary Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] Estimating high-latitude methane fluxes based on the satellite data-driven Terrestrial Carbon Flux Model. (2019)
  • 著者名/発表者名: Luo, J., Ueyama, M., Okamura, M., Watts, J. D., Iwata, H., Euskirchen, S. E., Goeckede, M., Sonnentag, O., Flanagan, L. B., Harazono, Y., Helbig, M., Hirano, T., Oechel, W. C., Zona, D
  • 学会等名: AsiaFlux2019 -20th Anniversary Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] タイムラプスカメラによる内陸アラスカの植生の春の生物季節現象の評価. (2019)
  • 著者名/発表者名: 川嶋しほり・植山雅仁・原薗芳信・岡村幹太・岩田拓記・小林秀樹
  • 学会等名: 日本農業気象学会近畿支部大会
• [学会発表] 北極域クロトウヒ林における温室効果ガス収支の長期観測研究の現状と課題 (2019)
  • 著者名/発表者名: 原薗芳信，植山雅仁，岩田拓記，檜山哲哉
  • 学会等名: 日本農業気象学会2019年全国大会,
• [備考] MicroMet and GHG fluxes in Alaska(PFRR)
  • URL: https://ads.nipr.ac.jp/dataset/A20210413-001
• [備考] MicroMet and GHG fluxes in Alaskan black spruce
  • URL: https://ads.nipr.ac.jp/dataset/A20210413-002
• [備考] CO2 ＆ CH4 fluxesa for Alaskan black spruce
  • URL: https://ads.nipr.ac.jp/dataset/A20210930-001
• [備考] UAF-site realtime-Mivrometeorology data View
  • URL: http://monitors.iarc.uaf.edu/uaf-north-campus/