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光合成不適期間の効果を 組み込んだ 最適 葉寿命モデルの数理解析

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光合成不適期間の効果を 組み込んだ 最適 葉寿命モデルの数理解析 - PowerPoint PPT Presentation


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光合成不適期間の効果を 組み込んだ 最適 葉寿命モデルの数理解析. 20130308 関 元秀,高田壮則 北大(院)地球 環境. ;構成コスト ;最大光合成速度 ;初期呼吸速度 ;葉寿命限界 ;光合成 好適 期間長. 展 落葉戦略. 葉寿命 (事故がないときの)葉の活動期間 《 葉寿命 》 = 《 ある 葉の 落葉日 》 - 《 その 葉 の 展 葉日 》 平均葉寿命は一般に 個 葉を構成する際に必要な炭素消費量 と、正 の相関 最大光合成速度 と、負 の 相関 インターバル

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Presentation Transcript
slide1

光合成不適期間の効果を組み込んだ最適葉寿命モデルの数理解析光合成不適期間の効果を組み込んだ最適葉寿命モデルの数理解析

20130308

関 元秀,高田壮則

北大(院)地球環境

slide2

;構成コスト

;最大光合成速度

;初期呼吸速度

;葉寿命限界

;光合成好適期間長

展落葉戦略
  • 葉寿命
    • (事故がないときの)葉の活動期間
    • 《葉寿命》=《ある葉の落葉日》-《その葉の展葉日》
      • 平均葉寿命は一般に
        • 個葉を構成する際に必要な炭素消費量と、正の相関
        • 最大光合成速度と、負の相関
  • インターバル
    • 《インターバル》=《次の葉の展葉日》-《前の葉の落葉日》
      • 落葉樹:個木単位で、少なくとも晩秋と春先の間にインターバル
      • 常緑樹:個木単位では、明確なインターバルが見えない
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;構成コスト

;最大光合成速度

;初期呼吸速度

;葉寿命限界

;光合成好適期間長

種間分散

主に菊沢(2005)により作成

a: Wright et al. (2004)

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;構成コスト

;最大光合成速度

;初期呼吸速度

;葉寿命限界

;光合成好適期間長

緯度等に沿った分散
  • ;年ごとの光合成好適期間の長さ
    • 過度に低温でない期間(5℃~)

    • 過度に乾燥していない期間
  • 平均葉寿命は、と関連
    • 常緑樹:負の相関(Xiao, 2003)
    • 落葉樹:正の相関(Kikuzawa et al., 2013)
eurya japonica

;構成コスト

;最大光合成速度

;初期呼吸速度

;葉寿命限界

;光合成好適期間長

ヒサカキ(Eurya japonica)温帯・常緑・年複数回展葉
  • Nitta & Ohsawa (1997)
    • 千葉・清澄山での調査
      • 光合成不適期間が存在()
    • ​葉寿命:2~3年(Cf:牛原,2007)
      • ​常緑
    • ​展葉期が年3回
      • 冬以外

展葉

展葉

展葉

展葉

展葉

展葉

1995

1994

1996

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;構成コスト

;最大光合成速度

;初期呼吸速度

;葉寿命限界

;光合成好適期間長

炭素収支の観点からの最適葉寿命モデル
  • 【前提】各個葉は、個木の炭素同化物収支を最大化しているはず
  • 葉寿命を、個木収支を最大化するための植物の戦略として取り扱う
    • 個葉の炭素収入力(光合成性能)は経時劣化
      • 新しい葉ほど良い
    • 個木は、個葉の構成・保持のために炭素を支出
      • 新しい葉に代えるタイミングが重要
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;構成コスト

;最大光合成速度

;初期呼吸速度

;葉寿命限界

;光合成好適期間長

本研究
  • ​Kikuzawaの最適葉寿命モデルの、一般のについての解析手法を開発した
slide8

;構成コスト

;最大光合成速度

;初期呼吸速度

;葉寿命限界

;光合成好適期間長

モデル個体設定
  • 「理想木本」
    • 既に成木で、成長せず、永遠に生き続ける
    • 同時につけておける個葉の最大数は1枚
      • ​《つけている》/《いない》の2状態
    • 展開する個葉の潜在的性能は、何枚目の葉であっても同じ
    • 【戦略】葉寿命と、インターバル決定戦略
      • 全ての葉が寿命
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;構成コスト

;最大光合成速度

;初期呼吸速度

;葉寿命限界

;光合成好適期間長

モデル瞬間炭素収支
  • 個木が、時刻で葉齢の個葉をつけている場合
  • 瞬間収支率:
    • ​;潜在的光合成性能
    • ​;個葉維持に必要な支出
        • ​;限界葉寿命
        • ​;戦略的葉寿命()
    • ​;環境状態(好適/不適)
        • ​;各光合成好適期の長さ
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;構成コスト

;最大光合成速度

;初期呼吸速度

;葉寿命限界

;光合成好適期間長

モデル目的関数
    • 第葉の生涯純生産量:展葉時刻と葉寿命の関数
      • ​;【戦略】個木が従うインターバル決定ルール
      • ​;《葉齢》=《現在時刻》-《展葉時刻》
  • 【目的関数】;ある充分大きな時刻での、個木の収支
      • ;戦略に従う個木が時刻までに展落葉させる個葉の枚数
    • は《個木の長期的平均操業効率》に比例
                  • 単位時間あたりの収支増分(Kikuzawa, 1991)
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;構成コスト

;最大光合成速度

;初期呼吸速度

;葉寿命限界

;光合成好適期間長

非季節性環境:(熱帯湿潤地域)
  • どの時刻に展開した葉も、稼ぎは同じ
    • インターバルを置くことに意味はない
      • ​即時交換ルールが最高効率
        • 第葉の落葉直後に、第葉を展開
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;構成コスト

;最大光合成速度

;初期呼吸速度

;葉寿命限界

;光合成好適期間長

非季節性環境:最適葉寿命()
  • どの時刻に展開した葉も、稼ぎは同じ
    • 任意の一枚に注目し、操業効率を最大化
      • 第葉(存在期間:時刻~時刻)
        • 収支:
  • 《操業効率》=《単位時間あたりの収支増分》

Kikuzawa(1991)の指標

Kikuzawa(1991)の

  • 一般に葉寿命が長いのは
  • 個葉構成コストの大きい葉
  • 最大光合成速度の小さい葉
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;構成コスト

;最大光合成速度

;初期呼吸速度

;葉寿命限界

;光合成好適期間長

2季節性環境:環境との相違
  • どの時刻に展開した葉も、稼ぎは同じとは言えない
    • 《好適期間内に展開した葉の稼ぎ》

《不適期間近辺に展開した葉の稼ぎ》

        • 最も生産性の高い歳頃に、光合成ができない
    • 適切なインターバルを置けば、収支が大きくなる
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;構成コスト

;最大光合成速度

;初期呼吸速度

;葉寿命限界

;光合成好適期間長

2季節性環境:インターバル決定戦略
  • 3つの簡潔なルールを取り上げる
    • ​:即時交換ルール(Immediate replacement)
      • 既存の葉を落としたら、直後に次の葉を展開
    • ​:春先開葉ルール(Spring flushing)
      • 既存の葉を落としたら、次の整数時刻(=春先)に次の葉を展開
    • ​:複合展葉ルール(Combined foliation)
      • 既存の葉を落としたのが
        • 光合成好適期間内なら、直後に次の葉を展開
        • 光合成不適期間内なら、次の春先に次の葉を展開
  • 各戦略について、その下でを最大化する葉寿命を求める

必ず常緑

落葉or常緑

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;構成コスト

;最大光合成速度

;初期呼吸速度

;葉寿命限界

;光合成好適期間長

2季節性環境:解析方針
  • どの時刻に展開した葉も、稼ぎは同じとは言えない
    • 稼ぎと期間が同じになるような、枚ごとのグループ分けができれば、その後の手順は同じ
      • グループ1:第葉~第葉
        • 存在期間:時刻~時刻
        • 稼ぎ:
      • グループ2:第葉~第葉
        • 存在期間:時刻~時刻
        • 稼ぎ:
      • グループ3:第葉~第葉
  • 《操業効率》=《単位時間あたりの収支増分》
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;構成コスト

;最大光合成速度

;初期呼吸速度

;葉寿命限界

;光合成好適期間長

最適化作業例
  • 即時交換ルールの場合
    • では
      • 最適葉寿命は、、、
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;構成コスト

;最大光合成速度

;初期呼吸速度

;葉寿命限界

;光合成好適期間長

1. 即時交換ルール最適葉寿命()
  • の形になることが多かった
      • ;整数
      • ;比較的小さな整数
    • :葉の付け替えを春先に行う「ユズリハ型」
      • はに最も「近い」整数
  • 常緑樹の葉寿命が長いのは
  • 個葉構成コストの大きい葉
  • 最大光合成速度の小さい葉
  • 光合成好適期が短い環境

常緑

Cf.

どの葉寿命でも

赤字

高緯度

低緯度

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;構成コスト

;最大光合成速度

;初期呼吸速度

;葉寿命限界

;光合成好適期間長

2. 春先開葉ルール最適葉寿命()
  • 必ず(または)の形になる
      • ;整数
    • 晩秋に落葉する生活史
    • さらに
      • なら落葉樹
      • なら常緑樹
  • 落葉樹の葉寿命が長いのは
  • 光合成好適期が長い環境

どの葉寿命でも

赤字

落葉

常緑

高緯度

低緯度

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;構成コスト

;最大光合成速度

;初期呼吸速度

;葉寿命限界

;光合成好適期間長

3. 複合展葉ルール最適葉寿命()
  • の形になることが多かった
      • ;整数
      • ;比較的小さな整数
    • :と全く同じ(晩秋落葉、春先展葉)
    • :「ヒサカキ型」

どの葉寿命でも

赤字

落葉

常緑

高緯度

低緯度

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;構成コスト

;最大光合成速度

;初期呼吸速度

;葉寿命限界

;光合成好適期間長

:「ヒサカキ型」年回展葉
  • 標本存在地点(清澄山)の推定
  • を選ぶと、、、()

slide21

;構成コスト

;最大光合成速度

;初期呼吸速度

;葉寿命限界

;光合成好適期間長

まとめ
  • 2季節性環境で最適葉寿命を求める方法を開発
  • 葉寿命を最適化(個木炭素収支を最大化)すると、、、
    • 即時交換
      • 葉の付け替えを春先に行う「ユズリハ型」になりやすい
      • 常緑樹葉寿命の、との負の相関
    • 春先開葉
      • 晩秋に落葉する生活史になる
      • 落葉樹葉寿命の、との正の相関
    • 複合展葉
      • 晩秋落葉・春先開葉になりやすい
      • が大きい環境では「ヒサカキ型」になることがある
  • 発展研究
    • 個木間の光等を巡る資源競争の導入(ESSモデル)
    • 1年の中で、性能の異なる葉を展開する戦略も含むモデリング