カラマツ林における太陽光誘起クロロフィル蛍光による光合成推定：モデルと観測の融合

• 研究課題/領域番号: 21K17873
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分63010:環境動態解析関連
• 研究機関: 国立研究開発法人国立環境研究所 (2022-2023); 北海道大学 (2021)
• 研究代表者: 両角 友喜 国立研究開発法人国立環境研究所, 地球システム領域, 特別研究員 (40866638)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2023年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2022年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2021年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
• キーワード: リモートセンシング / 放射伝達モデル / 植物生理生態 / クロロフィル蛍光 / 炭素循環 / フラウンホーファー線深度法 / 林冠構造 / 観測幾何

研究開始時の研究の概要

気候変動の将来予測のために生態系CO2吸収量の観測精度向上が鍵である。そこで陸上植物の光合成による生態系CO2吸収量(総一次生産量)を求めるため、高分解能分光放射計を用いて太陽光誘起クロロフィル蛍光(SIF)リモートセンシングを行う。この際に３次元放射伝達モデルを用いてSIFの林冠幾何・分光特性に起因する林冠構造依存性を解析することで、モデル・観測を融合させたより頑強な光合成推定を目指す。本研究ではユーラシア東部の重要な生態系タイプであり今後変動が注目されるカラマツ林(富士北麓)の観測タワーを利用し、SIFの変動要因と林冠構造依存性を明らかにし生態系CO2吸収量の推定精度を向上させる。

研究成果の概要

森林の光合成推定についての蛍光観測と群落３次元放射伝達モデルを組み合わせた解析を実施することで、森林の空間構造と光合成プロセスに基づく遠隔観測手法を確立した。富士山麓カラマツ林の可視近赤外分光から太陽光誘起クロロフィル蛍光SIFを導出した。生育期の林冠における蛍光は晴天時の日中には1.0 mW m-2 nm-1 sr-1 程度検出され、林冠のCO2フラックスと相関が示された。カラマツ林の個葉測定と毎木調査に基づきモデルを作成しSIF放射方向の特性の評価を行った。さらにSIF蛍光収率をSIFから求めると高い大気飽差がみられる条件で光合成活性の低下に応答した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

森林の二酸化炭素吸収を考える際に、地上観測による正確な評価に加えて、離れた地点について調べるリモートセンシングによる広域評価は欠かせない。本研究では太陽光誘起クロロフィル蛍光という分光シグナルに着目し、その研究例がほどんどない主要樹種であるカラマツ林において変動要因を放射伝達のプロセスに基づき明らかにすることで、より高度な光学衛星データ解析・検証や全球物質循環モデルの進展に寄与する。北半球や国内の寒冷地に広く分布するカラマツ林の炭素吸収機能の検出技術の発展は気候変動の要因と影響解明において重要である。

研究成果

• [雑誌論文] Row orientation influences the diurnal cycle of solar-induced chlorophyll fluorescence emission from wheat canopy, as demonstrated by radiative transfer modeling (2023)
  • 著者名/発表者名: Morozumi Tomoki、Kato Tomomichi、Kobayashi Hideki、Sakai Yuma、Tsujimoto Katsuto、Nakashima Naohisa、Buareal Kanokrat、Lan Wu、Ninomiya Hideki
  • 雑誌名: Agricultural and Forest Meteorology 巻: 339 ページ: 109576-109576
  • DOI: 10.1016/j.agrformet.2023.109576
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 森林・農地における太陽光誘起クロロフィル蛍光(SIF)観測とモデリングの進展 (2024)
  • 著者名/発表者名: 両角友喜, 野田響, 小林秀樹, 加藤知道
  • 学会等名: 日本農業気象学会2024 年全国大会
• [学会発表] Detection of midday depression with canopy-level solar-induced chlorophyll fluorescence and gross primary productivity: impact of heat extreme events in a deciduous needle-leaved forest (2023)
  • 著者名/発表者名: Tomoki Morozumi, Hibiki Noda, Tomomichi Kato, Hideki Kobayashi, Yuma Sakai, Yoshiyuki Takahashi
  • 学会等名: AGU23
  • 国際学会
• [学会発表] カラマツ林の総一次生産量推定における林冠上端の太陽光誘起クロロフィル蛍光SIFの構造的および植物生理学的効果 (2023)
  • 著者名/発表者名: 両角 友喜, 野田 響, 加藤 知道, 小林 秀樹, 酒井 佑槙, 高橋 善幸
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合大会2023 (JpGU)
  • 国際学会
• [学会発表] Full-spectral observation of leaf-level chlorophyll fluorescence to bridge the gap between tower and satellite observed solar-induced chlorophyll fluorescence (SIF) in a temperate deciduous forest and a subtropical evergreen forest in Japan (2023)
  • 著者名/発表者名: Morozumi T., Noda H., Kato T., Kobayashi H., Takahashi Y., Matsumoto K.
  • 学会等名: The iLEAPS OzFlux Joint Conference 2023
  • 国際学会
• [学会発表] 中部日本富士北麓落葉針葉樹林冠上におけるサブナノ分光計測を用いた太陽光誘起クロロフィル蛍光の評価 (2022)
  • 著者名/発表者名: 両角友喜, 加藤知道, 野田響, 高橋善幸
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合大会2022年大会(JpGU2022)
• [学会発表] A modeling study for forest structure effect on Solar-Induced chlorophyll Fluorescence in a relatively sparse canopy of the temperate larch forest in Mt. Fuji, Japan (2022)
  • 著者名/発表者名: Morozumi T., Noda H., Kato T., Kobayashi H., Sakai Y., Takahashi Y.
  • 学会等名: AGU Fall Meeting 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Red and far-red solar-induced chlorophyll fluorescence responding to air temperature, humidity, and leaf growth in a Japanese larch forest site on a spring-summer transition (2022)
  • 著者名/発表者名: Morozumi T., Noda H., Takahashi Y., Kato T.
  • 学会等名: AsiaFlux 2022
  • 国際学会
• [学会発表] 富士カラマツ林における林冠太陽光誘起クロロフィル蛍光の算出手法と雲量による影響 (2022)
  • 著者名/発表者名: 両角友喜, 加藤知道, 野田響, 高橋善幸
  • 学会等名: 第69回日本生態学会
• [学会発表] Ground based observation of solar induced chlorophyll fluorescence using a fine resolution spectrometer across multiple sites in cool temperate to sub-tropical ecosystems, Japan (2021)
  • 著者名/発表者名: Morozumi T., Kato T., Nakashima N., Kanokrat B., Tanatarakeree K., Kobayashi H., Sakai Y., Tsujimoto K., Noda H., Takahashi Y., Takagi K., Hirano T., Ueyama M., Ono K., Matsumoto K., Akitsu T.K., Nasahara K.N., Murayama S., Muraoka H.
  • 学会等名: iLEAPS-Japan 研究集会2021
• [備考] 地球環境研究センターニュース 観測現場発 季節のたより［27］ 黄緑色のカラマツ林
  • URL: https://cger.nies.go.jp/cgernews/202401/398006.html