アラスカ北極域生態系における陸域炭素循環の解明

植山雅仁

研究背景
近年、地球温暖化が深刻な問題となってきており、温室効果気体の動態および炭素循環の解明にむけて様々な陸域生態系においてCO2交換量の測定が地球規模で行われています。 その中でも、北極域では低緯度に比べて温暖化が近年になって顕在化してきており、将来の気候変動に対する陸域生態系の応答に関して注目が集まっています。

北極域生態系は寒冷な気候のため、有機物の分解が遅く土壌に大量の有機炭素を蓄えていることから、これまでCO2の大きな吸収源として機能してきました。 しかしながら、これまで長い年月をかけて蓄えられてきた土壌炭素が、温暖化が進行することで急激に分解されることが懸念されています。 もし、急激に土壌炭素が分解されることがあれば、北極域生態系のCO2の吸収能力が低下してしまうことを意味します。 一方で、温暖化はこれまで寒冷な気候によって生育が制限されいた植物の生育を促進させることから、CO2の吸収量を増加させるといった効果も期待できます。 以上のように、将来の温暖化に伴って北極域のCO2吸収量は増える可能性も減る可能性もあり、高緯度生態系の炭素収支は依然として不確定性が高い分野であると言えます。

以上の様な研究背景から、温暖化が顕在化している北極域の一地域であるアラスカにおいて、陸域生態系の温室効果気体の吸収量を長期的にモニタリングし、 将来の陸域生態系の温室効果気体の収支を高精度に評価するための手法に関して研究を行なっています。

共同研究の歩み
アラスカにおける陸域生態系における炭素循環解明に関する研究は、アラスカ大学・国際北極圏研究所(IARC)において2002年から実施されており、 現在までに、アラスカ大学、岡山大学、福島大学、大阪府立大学、宇宙航空研究開発機構(JAXA)などの研究機関と共に共同研究が進められています。 これまでも、日本の研究者はもとより、学部生、院生などが多数参加し、幅広い成果が得られています。

 

現地観測
老齢 クロトウヒ林
観測は、アラスカ第二の都市であるフェアバンクスにおいて実施しています。 観測サイトは、アラスカ大学フェアバンクス校内の演習林において実施しています。 この森林は、北米大陸の北方林を優先する種であるクロトウヒ林です。 このサイトでは、2002年秋よりCO2交換量などの微気象観測が連続的に実施されており、高品質なデータが蓄積されています。 夏季の気温は最高で30度程度、冬季は-50度近くまで気温が下がります。

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クロトウヒ林におけるタワー観測 (左:夏季、右:冬季)

 

森林火災の焼け跡
北方林では、大気が乾燥する夏に度々、森林火災が起こります。 森林火災は、老齢で活性が弱くなった森林を燃やし、新たな植物が生育するチャンスを作るという意味では森林を若返らせる機能があると考えられています。 将来の温暖化において大気が乾燥することで森林火災が頻発することがいくつかの研究で指摘されており、頻繁な火災は逆に生態系を疲弊させる恐れがあることが懸念されています。 我々の研究チームでは、2004年の大規模火災によって消失したクロトウヒ林の焼跡において、植物の回復過程に森林のCO2収支のモニタリングを2008年夏季よりCO2交換量の連続測定を開始しました。

 

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アラスカ・Poker Flat Research Range における森林火災の跡地におけるタワー観測

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観測サイトとオーロラ

 

データ公開
観測データは、次のリンクからダウンロードできます。

 

これまでの研究成果

Ueyama, M., Harazono, Y., Okada, R., Nojiri, A., Ohataki, E. and Miyata, A., 2006: Controlling factors on the inter-annual CO2 budget at a sub-arctic black spruce forest in interior Alaska, Tellus, 58B, 491-501.

Ueyama, M., Harazaono, Y., Okada, R., Nojiri, A., Ohtaki, E. and Miyata, A., 2006: Micrometeorological measurements of methane flux at a boreal forest in central Alaska. Mem. Natl Inst. Polar Res., Spec. Issue, 59, 156-167.

Kim, Y., Ueyama, M., Nakagawa, F., Tsunogai, U., Harazono, Y. and Tanaka, N., 2007: Assessment of winter fluxes of CO2 and CH4 in boreal forest soils of central Alaska estimated by the profile method and the chamber method: A diagnosis of methane emission and implications for the regional carbon budget. Tellus, 59B, 223-233.

Ueyama, M. and Harazono, Y. 2007b. Continuous observation at a sub-arctic black spruce forest in interior Alaska. AsiaFlux Newsletter 22, 25-33.

Iwata, H., Harazono, Y., and Ueyama, M. 2012. The role of permafrost on water exchange of a black spruce forest in Interior Alaska. Agric. Forest Meteorol., 161, 107-115.

Kitamoto, T., Ueyama, M., Harazono, Y., Iwata, T. and Yamamoto, S. 2007: Applications of NOAA/AVHRR and observed fluxes to estimate regional carbon fluxes over black spruce forests in Alaska. J. Agric. Meteorol., 63, 171-183.

Date, T., Ueyama. M., Harazono, Y., Ota, Y., Iwata, T. and Yamamoto, S. 2009: Satellite observations of decadal scale CO2 fluxes over black spruce forests in Alaska associated with climate variability. J. Agric. Meteorol. , 65, 47-60.

Ueyama, M., Harazono, Y., Kim, Y. and Tanaka, N. 2009: Response of the carbon cycle in sub-arctic black spruce forests to climate change: Reduction of a carbon sink related to the sensitivity of heterotrophic respiration. Agric. Forest Meteorol.,149, 582-602.

Iwata, H., Harazono, Y., and Ueyama, M. 2010. Influence of source/sink distributions on flux-gradient relationships in the roughtness sublayer over an open forest canopy under unstable conditions. Boundary Layer Meteorol., 136, 391-405.

Ueyama, M., Harazono, Y., and Ichii, K. 2010. Satellite-based modeling of the carbon fluxes in mature black spruce forests in Alaska: a synthesis of the eddy covariance data and satellite remote sensing data. Earth Interactions, 14, 1-27.

Iwata, H., Ueyama, M., Harazono, Y., Tsuyuzaki, S., Kondo, M., and Uchida, M. 2011. Quick recovery of carbon dioxide exchanges in a burned black spruce forest in interior Alaska. SOLA, 7, 105-108.

Iwata, H., Harazono, Y., and Ueyama, M. 2012. The role of permafrost on water exchange of a black spruce forest in Interior Alaska. Agric. Forest Meteorol., 161, 107-115.

Iwata, H., Harazono, Y., and Ueyama, M. 2012. Sensitivity and offset changes of a fast-response open-path infrared gas analyzer during long-term observations in an Arctic environment. J. Agric. Meteorol., 68, 175-181.

Ueyama, M., Iwata, H., Harazono, Y., Euskirchen, E. S., Oechel, W. C., and Zona, D. 2013. Growing season and spatial variations of carbon fluxes of arctic and boreal ecosystems in Alaska. Ecological Applications, 28, 1798-1816.

Ueyama, M., Iwata, H., and Harazono, Y. 2014. Autumn warming reduces the CO2 sink of a black spruce forest in interior Alaska based on a nine-year eddy covariance measurement. Global Change Biol., 20, 1161-1173, doi: 10.1111/gcb.12434.

Ueyama, M., Kudo, S., Iwama, C., Nagano, H., Kobayashi, H., Harazono, Y. and Yoshikawa, K., 2014. Does summer warming reduce black spruce productivity in interior Alaska?, J. Forest Res., 20, 52-59.

Harazono, Y., Iwata, H., Sakabe, A., Ueyama, M., Takahashi, K., Nagano, H., Nakai, T., and Kosugi, Y. 2015. Effects of water vapor dilution on trace gas flux, and practical correction methods. J. Agric. Meteorol., in press.

Iwata, H., Harazono, Y., Ueyama, M., Sakabe, A., Nagano H., Kosugi, Y., Takahashi, K., and Kim, Y. 2015. Methane exchange in a poorly-drained black spruce forest over permafrost observed using the eddy covariance technique. Agric. Forest Meteorol, in press.

Kobayashi, H., Yunus, A. P., Nagai, S., Dam, B. V., Harazono, Y., Bret-Harte, D., Ichii, K., Ikawa, H., Iwata, H., Kim, Y., Nagano, H., Oechel, W. C., Sugiura, K., Ueyama, M., Zona, D., and Suzuki, R. 2016. Latitudinal gradient of forest understory and tundra phenology in Alaska as observed from satellite and ground-based data. Remote Sens. Environ., 177, 160-170.

Ueyama, M., Tahara, N., Iwata, H., Euskirchen, E. S., Ikawa, H., Kobayashi, H., Nagano, H., Nakai, T., and Harazono, Y. 2016. Optimization of a biochemical model with eddy covariance measurements in black spruce forests of Alaska for estimating CO2fertilization effects. Agric. Forest Meteorol., 222, 98-111.

 

研究資金

ArCS 北極域研究推進プロジェクト