Transcript ichii_02.12.16 9991KB

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
CO2/O2 based method
[Prentice et al., 2001; IPCC TAR]
Atmosphere increase
Emissons (fossil fuel, cement)
Ocean-atmosphere flux
Land atmosphere flux*
*partitioned as follows
Land use change
Residual terrestrial sink
1980s
3.3 ± 0.1
5.4 ± 0.3
-1.9 ± 0.6
-0.2 ± 0.7
1990s
3.2 ± 0.1
6.3 ± 0.4
-1.7 ± 0.5
-1.4 ± 0.7
1.7 (0.6-2.5) NA
-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.
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]
植生炭素循環変動のメカニズム
CO2による肥沃化
将来のCO2増大＆気候変動
窒素付加による肥沃化
CO2効果 → 持続(飽和)
気候変動
窒素効果 → 持続(飽和)
森林再成長
気候変動 → どちらへ向くか?
気温・降水(水収支)・日射
土地利用変化
森林再成長 → 伐採・植林が減ると?
[Sarmiento and Grube, 2002などを参考]
植生分類
[Defries et al., 1998]
Potential Climate Limitation
Limit Factor
Water
Radiation
Temperature
[Churkina and Running, 1998]
Northern mid and high latitude
Satellite-based (AVHRR GIMMS data) NDVI trend (1982-1999)
(NDVI: Normalized Difference Vegetation Index)
[Zhou et al., 2001]
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)
NDVI
最大NDVI
増大
過去18年間の
NDVI の変化
(模式図)
成長開始の早まり
1
成長終了の遅れ
2 3 4 5 6 7 8
Month
9 10 11 12
[Zhou et al. 2001]
植生変動メカニズムの推定(陸域生態モデル-衛星観測)
衛星・モデルLAIの比較
LAI変動要因の推定
[Lucht et al., 2002]
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]
Recent trend in NCEP surface solar radiation
(1982-1999)
2. 陸域生態系の物質・エネルギー循環の概要
Sim-Cycle
MATSIRO
?
[Bonan, 1995]
炭素循環
60 PgC/yr
120 PgC/yr
60 PgC/yr
1.7 PgC/yr
GPP
NPP
NEP
NBP
: Gross Primary Production
[Chapin et al., 2002]
: Net Primary Production (GPP - Rplant)
: Net Ecosystem Production (GPP - Rplant - Rheterortr)
: Net Biome Production (NEP – Fdisturb)
水循環
[Waring and Running, 1998]
窒素循環
[Chapin et al., 2002]
炭素・水循環の結合
[Arora, 2002]
陸上生態系の炭素循環
[伊藤, 2001]
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)
400
GS (mmol H2O m-2 s-1)
CO -気孔
600
2
1000
GS (mmol H2O m-2 s-1)
GS (mmol H2O m-2 s-1)
1200
飽差-気孔
500
800
400
200
0
0
250
300
(PC=10,VPD=10)
(PC=5,VPD=10)
(PC=10,VPD=20)
200
(PC=10,CDATM=350)
(PC=10,CDATM=700)
(PC=15,CDATM=700)
200
150
100
100
200
400
600
Atm. CO2 (ppmv)
800
1000
(CDATM=350,VPD=10)
(CDATM=700,VPD=7)
(CDATM=700,VPD=20)
300
400
600
光合成-気孔
350
50
0
0
0
5
10
15
20
VPD (hPa)
25
30
0
5
10
15
-2 -1
PC (µmol CO
m s )
2
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）
独立栄養的呼吸（AR: Autotrophic Respiration）
AR (Mg C ha-1 mon-1 )
4
◆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
AR=ARG+ARM
3
2
ARG (成長呼吸)
1
ARM (維持呼吸)
0
0
0.5
1
-1
1.5
-1
Growth Rate (Mg C hamon )
呼吸活性のサイズ依存性
ARM=ARMSAP+ARMHEART
6
ARM (relative)
5
ARM=ARM0•Q10(Tem-15)
Thin
(young)
4
3
2
Q10=2
Q10=f(Tem.)
Thick
(old)
1
0
-10
0
10
20
Tem. (°C)
30
40
従属栄養的呼吸（HR: Heterotrophic Respiration）
◆指数関数的温度依存性には
Lloyd and Taylor (1994)
10
Q10=2.0
8
Relative HR
◆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
6
Lloyd & Taylor (1994)
4
2
◆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
0
0
10
20
30
40
Soil Temperature (°C)
1
air space
Relative HR
0.8
moisture
0.6
0.4
水分-HR曲線
0.2
0
0
0.2
0.4
0.6
土壌含水率 (WHC比)
0.8
1
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
分解
e.g. 高木、
低木、草本etc.
生態系
純生産
[e.g. constant fraction : Biome-BGC]
C, N, H2O, 気候の相互作用
[in Biome-BGC]
Atmosphere
Water Vapor
光合成
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]
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]
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]
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
DGVM(Dynamic Global Vegetation Model)相互比較
[Prentice et al., 2001]
DGVM相互比較 (緯度帯分布)
CO2&気候変動
[Cramer et al., 2001]
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]
Hadley/IPSLの比較
Hadley [Cox et al., 2000]
IPSL [Dufresne et al., 2002]
CO2のみを変化させた際の植生・土壌の炭素量の変化
(Hadley)
(IPSL)
DGVM studies
: prescribed CO2 concentration
Cox et al. & Defresne et al. : const climate under CO2 emission
[Defresne et al., 2002]
植生・土壌の炭素量の変化(Total & Amazon)
気候変化なし
[Dufresne et al. 2002]
IPSL Result
Coupled vs const Climate
乾燥化→NPP減少
[Berthelot et al., 2002]
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)
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]
Bern-CC/IPSLの比較
A2
A1B
A2
A1B
Bern-CC [Joos et al., 2001]
IPSL [Dufresne et al., 2002]
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]
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
5. 今後の計画
現在
Biogeochemistry
Biophysics
(+GCM)
Sim-Cycle
MATSIRO
Ecosystem State
(Biogeography)
2003年度春～夏?
Biogeochemistry
Sim-Cycle
Farquhar型
光合成モデル
Biophysics
(+GCM)
MATSIRO
Ecosystem State
(Biogeography)
Sim-CycleとMATSIROの結合(素案)
MATSIRO
Sim-Cycle(remove H2O cycle)
×
[Arora, 2002]
第二段階
Biogeochemistry
Biophysics
(+GCM)
Sim-Cycle
MATSIRO
Ecosystem State
(Biogeography)
2004年度 or 2005年度
Biogeochemistry
Sim-Cycle
Land use change
N-cycle (?)
Biophysics
(+GCM)
MATSIRO
Ecosystem State
(Biogeography)
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)