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遠隔探査と地上多点観測による北方林の長期炭素動態の環境・群落構造への依存性の解明

研究課題

研究課題/領域番号 23K23643
補助金の研究課題番号 22H02378 (2022-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2022-2023)
応募区分一般
審査区分 小区分40010:森林科学関連
研究機関北海道大学

研究代表者

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)

研究分担者 吉田 俊也  北海道大学, 北方生物圏フィールド科学センター, 教授 (60312401)
小林 真  北海道大学, 北方生物圏フィールド科学センター, 准教授 (60719798)
佐藤 永  国立研究開発法人海洋研究開発機構, 地球環境部門(北極環境変動総合研究センター), 副主任研究員 (50392965)
森 章  東京大学, 先端科学技術研究センター, 教授 (90505455)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
17,940千円 (直接経費: 13,800千円、間接経費: 4,140千円)
2024年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
2023年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円)
2022年度: 12,610千円 (直接経費: 9,700千円、間接経費: 2,910千円)
キーワード森林 / 炭素循環 / リモートセンシング / レーザー測量 / 景観
研究開始時の研究の概要

複数時期の航空機レーザ測量や衛星・多点毎木調査データを併用して、森林の炭素蓄積量やその変化に関する数千以上の林分サンプルを取得し、景観スケール(~100 km2)の森林の生産量や枯死量を林分スケール(~1ha)の空間分解能で評価する。森林の炭素動態に及ぼす立地環境や植物種・林齢・群落構造の影響を明らかにするとともに、炭素動態の時間変動の規模や履歴効果について明らかにする。

研究実績の概要

航空機レーザ測量データを用いて昨年度解析を行った2014年から2022年までの8年間(後期)の森林バイオマスの変化量の特徴について、より詳細な解析を継続した。この期間の森林バイオマスは、年平均0.82±0.99 MgC/ha増加しており、2004年から2014年(前期)の年平均値(0.42±0.66 MgC/ha)のおおよそ2倍であった。減少したバイオマス量の平均値には前期と後期で大きな違いは見られない一方,増加分は前期が1.20 ± 0.49 MgC/ha/年 であったのに対し,後期が1.66 ± 0.55 MgC/ha/年と約1.4倍大きくなっており,この変化が正味の変化量に影響したことが明らかになった。同一1haメッシュで前期と後期のバイオマス変化量を比較すると正の相関(r2 =0.44)が見られ,1haスケールでは前期のバイオマス変化の傾向が後期においても継続する場合が多いことが明らかになった。
発達した針広混交林25haを対象に現地観測とレーザ測量それぞれで1haあたりの枯死量を比較した結果、現地観測では1.14 MgC/ha、レーザ測量では1.00 MgC/haとなり、両者は概ね一致した。レーザ測量による推定は概ね妥当であることが明らかになった。樹種としてはトドマツ、樹高減少要因としては幹折れの割合が多かった。
これまで開発した機械学習モデル手順を用いて、北海道全域の森林地上部バイオマスを人工林と天然林に分類し推定した結果、684-1034 TgC (平均166.6 Mg/ha)の範囲であった。2004年から2014年の森林地上部バイオマスの変化は、0.92-1.19 Mg/ha/年であった。推定値の妥当性やモデルの向上について、引き続き検討していく予定である。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

航空機レーザ観測データの解析では、バイオマス変化量を成長成分と枯死成分に分けた解析を行い、定量的な森林の炭素循環過程を明らかにすることができた。その結果、直近8年の森林バイオマス変化が前10年の2倍となった理由について、直近8年の増加成長分が前10年の約1.4倍大きくなっており,この変化が正味の変化量に影響したことが明らかになった。また直近8年と前10年の炭素動態を比較し、経年変化の規模を明らかにした。同一1haメッシュで前期と後期のバイオマス変化量を比較すると正の相関(r2 =0.44)が見られ,1haスケールでは前期のバイオマス変化の傾向が後期においても継続する場合が多いことが明らかになった。発達した針広混交林25haを対象に現地観測とレーザ測量それぞれで1haあたりの枯死量を比較した結果、両者は概ね一致した。
UAVレーザ測量を行い、航空機レーザ測量で得られた樹冠標高・地面標高の精度検証を行った。その結果、急傾斜地では測定点密度の高いUAV測量が地面標高の精度が高いものの、UAVと航空機レーザ測量の結果は概ね一致することが明らかになった。
開発した衛星情報によるバイオマス推定アルゴリズムを用いて、北海道の森林バイオマスとバイオマス変化の推定を行った。推定値の妥当性やモデルの向上について、引き続き検討を行う必要があるものの、概ね妥当な推定を行うことができた。
以上より当初予定していた年次計画の通り研究が進んでいる。

今後の研究の推進方策

2004年、2014年、2022年に行われたレーザ測量とUAV測量結果を利用して推定した、広域(225km2)における1ha毎の前10年と直近8年の森林バイオマス変化(成長・枯死・正味変化)を基に、バイオマス変化と群落構造や環境要因との関係や、18年2時期のバイオマス変化の比較、前10年の変化が直近8年に及ぼす影響について継続して解析を行う。
履歴が明らかな0~50年生の森林で観測した、樹種別・年代別の森林構造・環境調査結果を利用して、森林の発達段階や機能性、多様性と森林バイオマス変化の関係を明らかにする。
長期森林動態情報や樹木の成長と枯死、枯死要因に関する現地調査結果を利用して、樹種毎の成長と枯死の特徴、枯死発生の種・立地環境・サイズ依存性を明らかにする。得られた結果を樹木の成長と枯死に関する森林動態モデルのパラメータと比較し、モデルの改良を行う。
上記結果から以下の問いについて明らかになったことを取りまとめる。
①林分スケール(~1ha)の森林の生産量や枯死量は、景観スケール(~100 km2)で見るときにどの程度の面的バラツキを持っているのか、また数十年の時間スケールでどの程度定常的なのか。②これら森林の資源量変化の面的なバラツキは、立地環境や植物種・林齢・群落構造によって説明ができるのか。③森林の生産量や枯死量と環境要因・森林構造との間にみられる定性的な関係について、個体ベースの森林動態モデルを用いて説明できるのか、どのような攪乱・立地環境要素が重要なのか。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (15件)

すべて 2024 2023 2022

すべて 雑誌論文 (8件) (うち国際共著 2件、 査読あり 8件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 3件、 招待講演 1件)

  • [雑誌論文] Which native legume or non-legume nitrogen-fixing tree is more efficient in restoring post-landslide forests along an environmental gradient?2024

    • 著者名/発表者名
      Makoto Kobayashi、Utsumi Shunsuke、Zeng Ruiqi、Mamiya Wataru、Miyazaki Tohru、Okuyama Tomohiro、Tanaka Fumiya、Yamada Takashi、Yoshida Toshiya
    • 雑誌名

      Forest Ecology and Management

      巻: 554 ページ: 121672-121672

    • DOI

      10.1016/j.foreco.2023.121672

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Long-term Consequences on Soil Fungal Community Structure: Monoculture Planting and Natural Regeneration2023

    • 著者名/発表者名
      Naka Minagi、Masumoto Shota、Nishizawa Keita、Matsuoka Shunsuke、Tatsumi Shinichi、Kobayashi Yuta、Suzuki Kureha F.、Xu Xinyu、Kawakami Tomoya、Katayama Noboru、Makoto Kobayashi、Okada Kei-ichi、Uchida Masaki、Takagi Kentaro、Mori Akira S.
    • 雑誌名

      Environmental Management

      巻: 73 号: 4 ページ: 777-787

    • DOI

      10.1007/s00267-023-01917-7

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Presence of understory dwarf bamboo determines ecosystem fine root production in a cool-temperate forest in northern Japan2023

    • 著者名/発表者名
      Yanagawa Sanae、Fukuzawa Karibu、Takagi Kentaro、Shibata Hideaki、Satoh Fuyuki
    • 雑誌名

      Journal of Forest Research

      巻: in press 号: 3 ページ: 1-9

    • DOI

      10.1080/13416979.2023.2169981

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Modeling forest above-ground biomass using freely available satellite and multisource datasets2023

    • 著者名/発表者名
      Hojo, A., Avtar, R., Nakaji, T., Tadono, T., Takagi, K.
    • 雑誌名

      Ecological Informatics

      巻: 74 ページ: 101973-101973

    • DOI

      10.1016/j.ecoinf.2023.101973

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Reconstructing spatiotemporal dynamics of mixed conifer and broad-leaved forests with a spatially explicit individual-based dynamic vegetation model2023

    • 著者名/発表者名
      Satoh, H., Shibuya, M., Hiura, T.
    • 雑誌名

      Ecological Research

      巻: - 号: 3 ページ: 465-478

    • DOI

      10.1111/1440-1703.12385

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 知床国立公園の森林再生地における林冠構造の評価:適応的管理の視点から2022

    • 著者名/発表者名
      鈴木紅葉・小林勇太・高木健太郎・早柏慎太郎・草野雄二・松林良太・森章
    • 雑誌名

      保全生態学研究

      巻: 27 号: 2 ページ: 283

    • DOI

      10.18960/hozen.2118

    • ISSN
      1342-4327, 2424-1431
    • 年月日
      2022-10-25
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Long-term monitoring on the dynamics of ecosystem CO2 balance recovering from a clear-cut harvesting in a cool-temperate forest2022

    • 著者名/発表者名
      Takagi K., Aguilos M., Liang N., Takahashi Y., Saigusa N., Koike T., Sasa K.
    • 雑誌名

      Eurasian Journal of Forest Research

      巻: 22 ページ: 49-51

    • DOI

      10.14943/EJFR.22.49

    • ISSN
      1345-8221
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Accuracy Assessment of Photochemical Reflectance Index (PRI) and Chlorophyll Carotenoid Index (CCI) Derived from GCOM-C/SGLI with In Situ Data2022

    • 著者名/発表者名
      Sasagawa Taiga、Akitsu Tomoko Kawaguchi、Ide Reiko、Takagi Kentaro、Takanashi Satoru、Nakaji Tatsuro、Nasahara Kenlo Nishida
    • 雑誌名

      Remote Sensing

      巻: 14 号: 21 ページ: 5352-5352

    • DOI

      10.3390/rs14215352

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 3反復航空機Lidar測量による18年間2時期の森林バイオマス変化量の広域評価2024

    • 著者名/発表者名
      細田理仁、高木健太郎
    • 学会等名
      日本農業気象学会2024年全国大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 気候変動下で北海道の天然林はどう変わる?動的植生モデルによる予測2024

    • 著者名/発表者名
      佐藤永、小幡愛、日浦勉
    • 学会等名
      第71回日本生態学会大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Fifty-year Dynamics of Organic Matter Decomposition Following Soil-scarification Practices : Comparing Natural Regeneration and Monospecies Planting2024

    • 著者名/発表者名
      Takeuchi Rie、Nishizawa Keita、Kobayashi Yuta、Masumoto Shota、Suzuki F Kureha、Kawakami Tomoya、Makoto Kobayashi、Katayama Noboru、Okada Keiichi、Tatsumi Shinnichi、Matsuoka Shunsuke、Uchida Masaki、Takagi Kentaro、Mori S Akira
    • 学会等名
      第71回日本生態学会大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 環境変動下での樹木落葉分解における種多様性効果2024

    • 著者名/発表者名
      林夏帆、高木健太郎、梁乃申、上田実希、岡田慶一、森章
    • 学会等名
      第71回日本生態学会大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Navigating the maze in science and practice: my struggles to unravel and link the causes and consequences of biodiversity2024

    • 著者名/発表者名
      Mori Akira
    • 学会等名
      Netherlands Annual Ecology Meeting
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Long-term CO2 and O3 flux monitoring in a cool-temperate forest to evaluate the effect of forestry management activities2023

    • 著者名/発表者名
      Takagi Kentaro、Takahashi Yoshiyuki
    • 学会等名
      AsiaFlux Conference2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Context dependent usefulness of nitrogen fixing trees for the restoration after landslides in sub-boreal forests2023

    • 著者名/発表者名
      Makoto Kobayashi 、Yoshida Toshiya、Yamada Takashi、Utsumi Shunsuke
    • 学会等名
      20th IBFRA Conference
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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