北方森林生態系における大規模撹乱後の植生遷移にともなう炭素動態の変化

2015 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 25241002
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 平野 高司 北海道大学, (連合)農学研究科(研究院), 教授 (20208838)
• 研究分担者: 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, 准教授 (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, 主任研究員 (50391173) ; 渡辺 力 北海道大学, 低温科学研究所, 教授 (60353918)
• 研究期間 (年度): 2013-10-21 – 2017-03-31
• キーワード: 森林撹乱 / CO2収支 / バイオマス / 土壌呼吸 / ハイパースペクトル画像 / クロロフィル指標 / 群落微気候

研究実績の概要

苫小牧サイトと天塩サイトでは、渦相関法やチャンバー法によるCO2フラックス観測、植生遷移と植物バイオマス蓄積量のモニタリングを継続し、データとして蓄積した。また、植物の光合成パラメータを得るため、デジタルカメラに加え、新たにハイパースペクトルカメラを設置し、通年でスペクトル画像を取得した。さらに、森林群落内外の微気候や乱流輸送を再現するモデルの開発とその検証のため、無人小型航空機を用いた気温観測システムを作成し、飛行観測テストを実施した。
苫小牧サイトでは、撹乱後の表土を残したサイト（苫小牧A）と表土をはぎ取ったサイト（苫小牧B）の種組成とバイオマス蓄積量を比較した。撹乱10年後、苫小牧Aではシラカンバなどの落葉広葉樹が増加し、一方、苫小牧Bでは、カラマツとシラカンバの落葉樹林となった。樹高2m以上の木本バイオマスは両サイトで同程度であったが、下層植生バイオマスは表土剥ぎ取り区の方がかなり小さかった。
苫小牧Aサイトにおいて、土壌呼吸量、及び、草本・灌木のCO2収支のデータを取りまとめた。その結果、土壌呼吸量は撹乱後増加傾向にあったが、撹乱6年後以降の微生物呼吸量は土壌呼吸量と有意差はなく、根呼吸の寄与が小さいことがわかった。また、総光合成量、総呼吸量、正味光合成量ともに、撹乱後増加傾向にあったが、その増加は2012年以降頭打ちになった。
得られたスペクトル画像を用いてクロロフィル指標（CIとCCI）を計算し、地上で測定した実測のSPAD値と比較した。その結果、クロロフィル指標は7月をピークとする季節変化が観察され、SPADと有意な相関関係がみらえた。したがって、ハイパースペクトル画像から得られたこれらの指標を用いることで、植物のフェノロジーが検出され、クロロフィル量の空間分布を推定できることが推察された。
無人小型航空機を用いた気温観測システムを用いた微気象観測の結果、解析に必要なデータが取得された。

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

苫小牧・天塩の両サイトにおける観測データの蓄積・整理・解析が順調に進められた。また、ハイパースペクトルカメラの撮影および解析手法が確立され、デジタルカメラや分光放射計のデータ蓄積も進んだため、光合成パラメータ取得の体制が整った。

今後の研究の推進方策

当初の予定通り、苫小牧A、天塩において、CO2フラックス、土壌呼吸、植物のバイオマス、ハイパースペクトルカメラ、デジタルカメラ、分光放射計のデータの蓄積を続け、カメラや放射計から得られた植生指数とタワー、チャンバー、バイオマス変化から算出された炭素動態の結果との関係を明らかにする。また、苫小牧Bにおいて、種組成と植物バイオマスの測定を行い、純一次生産量(NPP)の評価により、撹乱の種類が種組成やバイオマス回復に及ぼす影響を検討する。北海道大学と国立環境研究所での一部のデータの共有化を行い、渦相関法とチャンバー法によるCO2フラックスの比較を行い、サイトの炭素動態を詳細に検討する。さらに、撹乱影響の数値シミュレーションもすすめ、撹乱の有無でCO2フラックスがどのように変わるかの数値実験を行う。このように得られた情報をもとに、サブテーマ4の「大規模撹乱後の植生遷移における炭素動態の変化の解明」を進める。

研究成果

• [雑誌論文] Roles of dominant understory Sasa bamboo in carbon and nitrogen dynamics following canopy tree removal in a cool-temperate forest in northern Japan (2015)
  • 著者名/発表者名: Fukuzawa, K., Shibata, H., Takagi, K., Satoh, F., Koike, T. and Sasa K.
  • 雑誌名: Plant Species Biology 巻: 30 ページ: 104-115
  • DOI: 10.1111/1442-1984.12086
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photosynthetic traits of Siebold's beech seedlings in changing light conditions by removal of shading trees under elevated CO2 (2015)
  • 著者名/発表者名: Watanabe, M. Kitaoka, S., Eguchi, N., Watanabe, Y., Satomura, T., Takagi, K., Satoh, F. and Koike, T.
  • 雑誌名: Plant Biology 巻: 18 ページ: 56-62
  • DOI: 10.1111/plb.12382
  • 査読あり
• [雑誌論文] Response of a wild edible plant to human disturbance: Harvesting can enhance the subsequent yield of bamboo shoots (2015)
  • 著者名/発表者名: Katayama, N., Kishida, O., Sakai, R., Hayakashi, S., Miyoshi, C., Ito, K., Naniwa, A., Yamaguchi, A., Wada, K., Kowata, S., Koike, Y., Tsubakimoto, K., Ohiwa, K., Sato, H., Miyazaki, T., Oiwa, S., Oka, T., Kikuchi, S., Igarashi, C., Chiba, S., Akiyama, Y., Takahashi, H. and Takagi, K.
  • 雑誌名: PLOS one 巻: 10（12） ページ: e0146228
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0146228
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Ecophysiology of deciduous trees native to Northeast Asia grown under FACE (Free Air CO2 Enrichment) (2015)
  • 著者名/発表者名: Koike, T., Watanabe, M., Watanabe, Y., Agathokleous, E., Eguchi, N., Takagi, K., Satoh, F., Kitaoka, S. and Funada, R.
  • 雑誌名: Journal of Agricultural Meteorology 巻: 71 ページ: 174-184
  • DOI: 10.2480/agrmet.D-14-00020
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Fine-root dynamics and consequent variation in soil respiration in northern forest (2016)
  • 著者名/発表者名: Sun, L., Hirano, T., Yazaki, T., Naishin Liang, N., Teramoto, M.
  • 学会等名: International Symposium on Agricultural Meteorology
  • 発表場所: 岡山大学（岡山県・岡山市）
  • 年月日: 2016-03-17 – 2016-03-17
  • 国際学会
• [学会発表] ハイパースペクトルカメラを用いた森林跡地におけるクロロフィル指標の時空間変動解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 吉川慶・矢崎友嗣・井手玲子・栗原純一・平野高司
  • 学会等名: 日本農業気象学会全国大会
  • 発表場所: 岡山大学（岡山県・岡山市）
  • 年月日: 2016-03-16 – 2016-03-16
• [学会発表] 森林回復過程における土壌呼吸および微生物呼吸の評価 (2016)
  • 著者名/発表者名: 矢崎友嗣・平野高司・梁乃申・寺本宗正・孫力飛
  • 学会等名: 日本農業気象学会全国大会
  • 発表場所: 岡山大学（岡山県・岡山市）
  • 年月日: 2016-03-16 – 2016-03-16
• [学会発表] ドローンを用いた大気境界層気温分布観測 (2016)
  • 著者名/発表者名: 下山宏・渡辺力
  • 学会等名: 日本農業気象学会全国大会
  • 発表場所: 岡山大学（岡山県・岡山市）
  • 年月日: 2016-03-15 – 2016-03-15
• [学会発表] 大規模撹乱後森林跡地における土壌呼吸及び微生物呼吸の長期変化 (2015)
  • 著者名/発表者名: 矢崎友嗣・平野高司・梁乃申・寺本宗正・孫力飛
  • 学会等名: 日本農業気象学会北海道支部大会
  • 発表場所: 旭川市大雪クリスタルホール（北海道・旭川市）
  • 年月日: 2015-12-07 – 2015-12-07
• [学会発表] ハイパースペクトルカメラを用いた植生情報のモニタリング (2015)
  • 著者名/発表者名: 吉川慶・矢崎友嗣・井手玲子・栗原純一・平野高司
  • 学会等名: 日本農業気象学会北海道支部大会
  • 発表場所: 旭川市大雪クリスタルホール（北海道・旭川市）
  • 年月日: 2015-12-07 – 2015-12-07
• [学会発表] 落葉樹林と常緑針葉樹林における土壌呼吸速度の変動特性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 孫力飛・平野高司・矢崎友嗣・梁乃申・寺本宗正
  • 学会等名: 日本農業気象学会北海道支部大会
  • 発表場所: 旭川市大雪クリスタルホール（北海道・旭川市）
  • 年月日: 2015-12-07 – 2015-12-07
• [学会発表] 森林伐採やその後の植生の回復が土壌の炭素動態に与える影響 (2015)
  • 著者名/発表者名: 高木健太郎・梁乃申・寺本宗正・三枝信子
  • 学会等名: 農業環境工学関連5学会2015年合同大会
  • 発表場所: 岩手大学（岩手県・盛岡市）
  • 年月日: 2015-09-17 – 2015-09-17