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陸域生態系炭素循環研究の現状と 共生第二課題における研究計画

陸域生態系炭素循環研究の現状と 共生第二課題における研究計画. 名古屋大学大学院 環境学研究科地球環境科学専攻. 市井　和仁. 2002.12.16 共生第二 連絡会議. 1. はじめに. 地球の炭素循環. [Sarmiento and Gruber, 2002]. 陸域・海洋の炭素収支. CO 2 /O 2 based method. [Prentice et al., 2001; IPCC TAR]. 1980s 1990s Atmosphere increase 3.3 ± 0.1 3.2 ± 0.1

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  1. 陸域生態系炭素循環研究の現状と 共生第二課題における研究計画 名古屋大学大学院 環境学研究科地球環境科学専攻 市井　和仁 2002.12.16 共生第二 連絡会議

  2. 1. はじめに 地球の炭素循環 [Sarmiento and Gruber, 2002]

  3. 陸域・海洋の炭素収支 CO2/O2 based method [Prentice et al., 2001; IPCC TAR] 1980s1990s Atmosphere increase 3.3 ± 0.1 3.2 ± 0.1 Emissons (fossil fuel, cement) 5.4 ± 0.3 6.3 ± 0.4 Ocean-atmosphere flux -1.9 ± 0.6 -1.7 ± 0.5 Land atmosphere flux* -0.2 ± 0.7 -1.4 ± 0.7 *partitioned as follows Land use change 1.7 (0.6-2.5) NA Residual terrestrial sink -1.9 (-3.8-0.3) NA 1) Comparable global data on land-use changes through the 1990s are not yet available. 2) Error bars denote uncertainty (±1 sigma), not interannual variability, which is substantially greater.

  4. 陸域・海洋の炭素収支の緯度帯分布 Zonal distribution of terrestrial and oceanic carbon fluxes. Results are shown for the 1980s (plain bars) & for 1990–96 (hatched bars). [Schimel et al., 2001]

  5. 植生炭素循環変動のメカニズム CO2による肥沃化 窒素付加による肥沃化 気候変動 森林再成長 土地利用変化 将来のCO2増大＆気候変動 CO2効果　→　持続(飽和) 窒素効果　→　持続(飽和) 気候変動　→　どちらへ向くか? 気温・降水(水収支)・日射 森林再成長　→　伐採・植林が減ると? [Sarmiento and Grube, 2002などを参考]

  6. 植生分類 [Defries et al., 1998]

  7. Potential Climate Limitation Limit Factor Water Radiation Temperature [Churkina and Running, 1998]

  8. Northern mid and high latitude Satellite-based(AVHRR GIMMS data) NDVI trend (1982-1999) (NDVI: Normalized Difference Vegetation Index) [Zhou et al., 2001]

  9. Changes in growing season 82 84 86 88 90 92 94 96 98 00 (year) NDVI増加のタイミングの変化(植生成長開始時期) 最大NDVI 増大 NDVI 過去18年間の NDVI の変化 (模式図) 成長開始の早まり 成長終了の遅れ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Month [Zhou et al. 2001]

  10. 植生変動メカニズムの推定(陸域生態モデル-衛星観測)植生変動メカニズムの推定(陸域生態モデル-衛星観測) LAI変動要因の推定 衛星・モデルLAIの比較 [Lucht et al., 2002]

  11. Global mapping of NPP trend (1982-1999) NPP kgC/yr Based on MODIS NPP algorithm (Satellite-based LAI & FPAR) (Light Use Efficiency Approach: GPP= APAR * LUE) [Nemani et al., 2002 in MODIS vegetation workshop]

  12. Recent trend in NCEP surface solar radiation (1982-1999)

  13. 2. 陸域生態系の物質・エネルギー循環の概要 Sim-Cycle MATSIRO ? [Bonan, 1995]

  14. 60 PgC/yr 炭素循環 120 PgC/yr 60 PgC/yr 1.7 PgC/yr GPP : Gross Primary Production NPP : Net Primary Production (GPP - Rplant) NEP : Net Ecosystem Production (GPP - Rplant - Rheterortr) NBP : Net Biome Production (NEP – Fdisturb) [Chapin et al., 2002]

  15. 水循環 [Waring and Running, 1998]

  16. 窒素循環 [Chapin et al., 2002]

  17. 炭素・水循環の結合 [Arora, 2002]

  18. 陸上生態系の炭素循環 [伊藤, 2001]

  19. 個葉のガス交換 Example: 気孔コンダクタンス（GS） GS=GSMIN+ a•PC f(CDATM) • f(VPD) f(CDATM)=(CDATM-CDCMP) f(VPD)=(1+VPD/b) (Ball-Berry モデル)

  20. 光合成生産（GPP: Gross Primary Production） 物質生産理論に基づく個葉から キャノピーへのスケールアップ （指数関数的光減衰を考慮）

  21. 独立栄養的呼吸（AR: Autotrophic Respiration） ◆植生の呼吸に伴うCO2放出 ◆ ２コンポーネントモデル 成長呼吸(ARG)+維持呼吸(ARM) ◆ ARMは温度依存+サイズ依存 呼吸活性のサイズ依存性 ARM=ARMSAP+ARMHEART Thin (young) Thick (old)

  22. 従属栄養的呼吸（HR: Heterotrophic Respiration） ◆土壌有機物の分解に伴うCO2 放出（微生物呼吸） ◆リターと鉱質土層で個別計算 ◆指数関数的温度依存性には Lloyd and Taylor (1994) ◆水分依存性：水分増加による 　微生物活動の促進と過湿に 　よる抑制効果 air space moisture

  23. 分配・成長・枯死 光合成 リターフォール 維持呼吸 一定割合で枯死 光合成産物 (落葉樹の季節性) 分配 最適葉量 成長呼吸 純一次生産 e.g. 高木、 低木、草本etc. 分解 生態系 純生産 [e.g. constant fraction : Biome-BGC]

  24. C, N, H2O, 気候の相互作用 [in Biome-BGC] Atmosphere 光合成 Water Vapor 呼吸 Radiation Plants Nitrogen 分解 枯死 落葉 Soil Water Temperature Soil Organic Matter 気候 Nitrogen Water [e.g. Thornton, 1998]

  25. 3. 陸域生態系モデル研究(モデル相互比較) 陸域生物圏Net Primary Production(NPP)相互比較 [Cramer et al. 1999] 20世紀の陸域炭素収支の推定(人為的影響も考慮) [McGuire et al. 2001] DGVM(Dynamic Global Vegetation Model)相互比較 [Cramer et al. 2001]

  26. 陸域生物圏Net Primary Production(NPP)相互比較 Annual NPP (g C m 2) estimated as the average of all model NPP estimates. [Cramer et al. 1999] Comparison of the latitudinal distribution of the mean annual NPP [Kicklighter et al. 1999]

  27. 20世紀の陸域炭素収支の推定(人為的影響考慮)20世紀の陸域炭素収支の推定(人為的影響考慮) [McGuire et al., 2001] Land use change Houghton Ramankutty&Foley

  28. DGVM(Dynamic Global Vegetation Model)相互比較 [Prentice et al., 2001]

  29. DGVM相互比較 (緯度帯分布) CO2&気候変動 [Cramer et al., 2001]

  30. 4. 統合モデルにおける陸域植生の影響(GCM+物質循環) 主な研究 Hadley Center [Cox et al. 2000]　（IPCC IS92a) TRIFFID [Cox 2001] IPSL [Dufresne et al., 2002; Berthelot et al., 2000] (SRES A2) SLAVE [Friedlingstein et al. 1995] Bern-CC model [Joos et al., 2000] (SRES A1B) LPJ [Sitch 2000] (Intermediate Complexity Model) A2 IS92a A1B SRES Emission Scenario [Joos et al. 2001]

  31. Hadley/IPSLの比較 Hadley [Cox et al., 2000] IPSL [Dufresne et al., 2002]

  32. (Hadley) (IPSL) CO2のみを変化させた際の植生・土壌の炭素量の変化 DGVM studies : prescribed CO2 concentration Cox et al. & Defresne et al. : const climate under CO2 emission [Defresne et al., 2002]

  33. 植生・土壌の炭素量の変化(Total & Amazon) [Dufresne et al. 2002] 気候変化なし

  34. IPSL Result Coupled vs const Climate 乾燥化→NPP減少 [Berthelot et al., 2002]

  35. Bern-CC Model Release Pre-industrial との比較 生物圏炭素量の変化 (kgC/m2) Uptake アマゾン湿潤化→生物圏C増加 降水量の変化 (mm/day)

  36. Bern-CC Model Amazonの死滅(土壌水分減) Cox et al. [2000] ? 熱帯林の増加 [Joos et al., 2001]

  37. Bern-CC/IPSLの比較 A2 A1B A2 A1B Bern-CC [Joos et al., 2001] IPSL [Dufresne et al., 2002]

  38. Bern-CCの感度解析 CO2肥沃化なし CO2肥沃化2000年で飽和 CO2×2; 4.5℃ CO2×2; 2.5℃ CO2×2; 0.0℃ 呼吸温度依存性無 [Joos et al., 2001]

  39. 結合モデルのまとめ Hadley,IPSL,Bern-CCともに結果が大きく異なる 将来の地球環境における植生/土壌の炭素分配 GCMの結果に依存(特に水循環) 土地利用変化は考慮されていない 動的な植生分布も重要か?(感度解析の必要有) モデル中身の議論・地域的な議論が不足 窒素循環の考慮 生態系モデルが十分に成熟していない 様々な検証・フィールドデータの取り込みが不十分

  40. 5. 今後の計画 現在 Biogeochemistry Biophysics (+GCM) Sim-Cycle MATSIRO Ecosystem State (Biogeography) 2003年度春～夏? Biogeochemistry Biophysics (+GCM) Sim-Cycle MATSIRO Ecosystem State (Biogeography) Farquhar型 光合成モデル

  41. Sim-CycleとMATSIROの結合(素案) MATSIRO Sim-Cycle(remove H2O cycle) × [Arora, 2002]

  42. 第二段階 Biogeochemistry Biophysics (+GCM) Sim-Cycle MATSIRO Ecosystem State (Biogeography) 2004年度 or 2005年度 Biogeochemistry Biophysics (+GCM) Sim-Cycle MATSIRO Ecosystem State (Biogeography) Land use change N-cycle (?)

  43. 今後の課題　:MATSIRO-SimCycle結合以外には? 1) モデルの検証 – 過去の陸域炭素循環を推定できないか? 点的な植生パラメータ Fluxデータ(NEP) 空間的な植生パラメータ LAI, FPAR(?), NPP(他モデル) 時系列的な植生パラメータ LAI, FPAR(?), NPP(他モデル) 2) 人為的プロセス・窒素循環等の導入によるモデル改造 土地利用変化・火災等 様々なフィールドスタディーの結果の適用 Dynamic部分の作成 3) 感度解析 異なるアルゴリズムの利用 様々なフィールドスタディーの結果の適用 4) 忘れてはならないこと GCMの特性の把握(e.g. 温度上昇・水循環変化等)

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