土壌 | 鄭州海洋オアシス有限公司

Scientific Reports volume 13、記事番号: 888 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

インドでは、年間降水量の 70% 以上が 6 月から 9 月の夏のモンスーンに見舞われます。年間を通じて降水量は少なく、散在しています。衛星データとモデルシミュレーションを組み合わせて、土壌と植生の連続体が水の自然なコンデンサーとして機能し、降水による水分供給が年間よりも少ない場合、約135日間にわたってモンスーンパルスを蓄え、蒸発散を通じて水分を大気中に放出することを示した。蒸発散損失。キャパシタ期間中のインドの植生の一次総生産性の合計は、年間 GPP 合計値のほぼ 35% を占めます。それは主に期間の初めの土壌水分、つまり土壌の水分容量の尺度に依存し、相関は 0.6 です。インドが最近の世界の緑化に 2 番目に大きく貢献していることを考えると、その土壌と植生の水の容量は世界の炭素バランスに重要な役割を果たしています。

陸上から大気へのフィードバックは、水、エネルギー、炭素の循環を結び付ける蒸発散（ET）によって引き起こされます。地球上のETの約64%は植物からの蒸散によってもたらされています1。したがって、植生からの蒸散は、水循環の大気成分において重要な役割を果たしています。蒸散を変化させる植生における生物物理学的プロセスは、陸地と大気の二酸化炭素交換も制御します2,3。したがって、植生における生物物理学的変化の波及は、地球規模および地域の気候に大きな影響を与える可能性があります4。研究では、降水量、気温、総陸水貯留量、放射線などの気候変数が植生の成長と生産性に強い影響を与えることが示されています5、6。同時に、古くて多様な森林は、植生の種類に関係なく、気候変動が炭素循環と水循環に及ぼす影響を緩和する上で重要な役割を果たしています7。

植生は大気 8、9、10、11 および水文学 12 のプロセスに非常に強力なフィードバックを持っており、地球システムの将来の軌道に重要な役割を果たすでしょう 13。植生パターンの変化は、浸透速度、ひいては土壌水分と地下水貯留を変化させる可能性があるため、水の生産量、特に低流量に影響を与えます14。地下水は、蒸発散量を長期間維持することにより、複数年にわたる降雨の持続性を向上させることができます15。 CO2 濃度が高い場合の比較的早期の気孔閉鎖と土壌水分の増加に起因する蒸散量の減少により、植物は将来的に水の利用可能性を高める可能性があります16、17、18。しかし、最近の研究では、CO2施肥による葉面積の増加による生育期の長期化と、温暖化による大気の蒸発要求量の増加により、蒸発散量が増加する可能性があることも示しています11、12、19、20、21。根域の土壌水分は蒸発散量の制限因子として機能する可能性がありますが 22、根の深い植生はより深い土壌層から水を取り込んで土壌表層の水分不足を補い、蒸発散量を維持することができます 23。北アメリカのモンスーン地域では、蒸発散量に対する土壌水分制御が植生とその季節学の変化とともに進化しています24。蒸発散の促進における土壌と植生の連続体の役割は、土壌水分と蒸発散の結合を捕捉する際の地球システムモデル (ESM) が不十分であることを考えると、非常に重要である25、26、27、28。現在の ESM は、観測を支援した高度な結合メカニズムの助けを借りて、陸地と大気の相互作用 29 を制御するさまざまなプロセスを捕捉しようとしています。しかし、依然として合意に達することができていない30、31、32。これらの相互作用のモデル化における ESM 間の大きな広がりは、地球システムのさまざまなコンポーネント間の複雑な相互作用とフィードバックによって発生します 33,34。これは、さまざまな要素間のこれらの結合を正確に監視する必要性を強調しています。特にETなどの重要なプロセス。

インドの夏モンスーン降雨量 (ISMR) は 6 月から 9 月までの 4 か月間にわたり、インド全土の年間総降雨量のほぼ 80% を占めていますが、同時に非常に高い空間的および時間的変動も示しています 35,36。予想のとおり、降雨はこの地域の植生の成長と分布に影響を与えます37。総地理的面積が 320 万 km2 を超えるインドには、広大な植生があり、約 21% が森林、59% が農地です38。他の植生タイプは、低木、草原、湿地です38。耕作地が大半を占めるインド・ガンジス平原とインド中央部は、土地と大気のフィードバックの世界的なホットスポットと考えられている39。インド上空での森林伐採の可能性により、蒸発散量とそれに伴う降水の再利用が減少する可能性があり、ISMR40が弱まる可能性がある。植生は、インド北東部における夏のモンスーン期の開始と降雨量にも重要な影響を及ぼします 41,42。

陸域の水循環は炭素循環と強く結びついており、植物の炭素吸収の制御に大きな役割を果たしています。熱帯林は、炭素の吸収と蒸発冷却の両方を通じて、地球温暖化の影響を緩和できます43。地球規模で、陸上植生は大気中の CO244 の 30% を吸収しているため、土壌水分動態に対する CO244 の影響と、ひいては総一次生産性へのフィードバックが重要なプロセスとなります。インドは、最近の世界的な緑化への貢献度が 2 番目に高く、陸上炭素の吸収において重要な役割を果たしています45。モンスーン地域における強い生物圏フィードバック 46 と、ISMR に関連する巨大な空間的および時間的変動を考慮すると、水循環に対する植生の役割と CO2 吸収への影響の分析は不可欠です。インドには、世界で最も活発な生物多様性ホットスポット 8 つのうち 2 つが天然林です48。さらに、インドの耕作地のかなりの部分も天水で賄われています49。強い季節降雨パターンがあるため、ポストモンスーンやその他の乾季における天水農業と森林システムの持続可能性は、インドの土壌水分と植生の連続体の特有の特徴にあります。このような特徴は、私たちの知る限り文献ではまだ調査されていません。このような特性は、地球規模の炭素循環にも強い影響を与えると予想されます。ここでは、観測およびシミュレーションされた水文学変数と、インド上空で観測された一次総生産性 (GPP) データを分析することで、同じことを理解することを目指しています。

我々は、1901 年以降にインド気象局 (IMD) が観測した観測所データ 50 から開発された毎日のグリッド降水量データを使用しました。さらに、欧州宇宙機関 (ESA) から土壌水分データを取得しました。この製品は、ニューラルネットワーク 51 を使用して、2010 年以降の土壌水分および塩分ミッション (SMOS) データと、2003 年から 2010 年の EOS 用高度マイクロ波走査放射計 (AMSRE) データを結合し、2003 年以降の連続データセットを提供します。この製品は、L バンドベースの SMOS 土壌水分データを ESA CCI SM データセットに組み込むために開発されました。 SMOS 製品は、後に 2017 年にリリースされた v03.2 から ESA CCI 土壌水分に含まれるようになりました。私たちは、地球規模土地蒸発アムステルダムモデル ( GLEAM)、バージョン 3。GLEAM は、1980 年から 2015 年まで、地球規模の測定、衛星データ製品、および再解析製品を使用して、0.25° × 0.25° の空間解像度 52,53 でさまざまな ET コンポーネントを開発しました。また、可変浸透容量モデルも使用しました (詳細)インド全土の蒸発散量の変動を引き起こす可能性のある要因を特定するための、研究地域における実験シミュレーションに関する方法)。 2001 年から 2015 年の期間の研究では、雲と地球の放射エネルギーシステム (CERES) によって提供される毎日の表面下向き短波放射と光合成活性放射値が使用されています。この製品には、地域的な日内放射束の変動を考慮して静止衛星からの放射束が組み込まれています。 Terra と Aqua の間の CERES 衛星測定値 54,55。次に、Terra 衛星 56 に搭載された中解像度イメージング分光放射計 (MODIS) からの 500 m の空間解像度での 8 日間の一次総生産性 (GPP) 積 (MOD17A2H) を使用して、この地域の水文学フラックスと炭素循環の関連性を理解します。 2001 年から 2015 年の期間。

図 1a は、インド全土で平均化された観測降水量の気候学を示しています。 8月前半にピークに達し、9月には撤退し始めます。図 1b は、表層土壌水分の気候学を示しています。これは、降水量と同じパターンに従います。サテライト土壌水分は主に降水量によって引き起こされる土壌の上部数センチメートルのみを考慮しているため、この動作は予想されます。図 1c は ET の気候学と、インド全土で平均化されたその成分を示しており、モンスーンの退潮期中に ET が増加し続けていることを示しています。しかし、土壌蒸発量はモンスーンのピーク後にすぐに低下し始め、降水量と表面土壌水分の気候学に従います。植物からの蒸散は、モンスーンの後退中にETの増加を引き起こします（図1c）。モンスーンの後退期の高い ET が、インド亜大陸の大気中の湿気負荷の主な原因であることは注目に値します 47,57。したがって、モンスーン引き下がりの間の水循環の維持における植生の役割は驚くほど大きい。ここでは、雨が降らない乾燥した時期に陸地と大気の相互作用を維持する上での植生の役割を理解することも目的としています。降水量が多い時期に水を蓄え、乾燥した時期にその水を大気中に放出する植物の能力は、湿潤容量と呼ばれます58。降水量とETの気候学に基づいて、モンスーン降水量のピーク後の3つの期間を定義します。ここでは、1 年以内の水循環のさまざまな要素に関連する低周波変動を回避するために、気候学を考慮しました。降水量のピークと総ETの間の最初の期間（黄色の網掛け）は、遅延応答期間と呼ばれます。この期間中、水分の利用可能性が高く、降水や放射線による水分の供給により、総ETと蒸散量が増加します。ここでの遅延とは、降水量のピークに対して時間的に遅れたETのピークを指します。降水量がピーク値から 55% 減少したにもかかわらず、この期間の 1 日あたりの平均 ET はほぼ 13% 増加しました。ただし、この期間の降水量はETよりも多いため、この期間は水分が過剰になります。研究によると、インド地域における植生活動とフィードバックプロセスの季節変動は主に放射線と降水量によって制御されていることが示されています59,60。したがって、この期間の ET の増加は高放射線に起因すると考えられ、水分過剰状態でのプラントプロセスの駆動における放射線の役割が強調されます。この期間の降水量は年間総降水量のほぼ 28% を占めますが、ET は年間総降水量の約 20% です。日平均入射放射線量は年間日平均の 97% であり、プラントの需要を満たしています。応答が遅れる期間は、インド大陸全体で空間的に平均すると約 50 日間続きます。 2 番目の期間 (図の斜線部分) は、ET がピークから低下し、降水量が依然として ET を超える期間です。これをプリキャパシタ期間と定義します。約 50 日間にわたるプレキャパシタ期間 (空間平均の気候学に基づく) では、降水率 (57%) と放射線量 (18%) の両方が低下し、ET (33%) の減少につながります。、プリキャパシタ期間の開始から。ただし、ET の減少は降水量の減少よりも遅いです。プレキャパシタ期間中の総 ET は、総年間降水量の 12% の降水量に対して、総年間 ET の約 17% を占めます。 3 番目の期間、つまりコンデンサ期間 (図の灰色の陰影) は、ET が降水量よりも高い段階です。インド大陸全体で空間平均すると、降水量とETの割合はどちらも約29%減少しますが、キャパシタ期間中のETは年間合計ETのほぼ25%を占め、これは主に蒸散（年間合計蒸散量の27%）によって引き起こされます。キャパシタ期間中の降水量は年間総降水量のわずか 12% にすぎません。直感的には、ET とそれに関連する植物プロセスは、この期間の降水量が少ないため、水分制限条件下で維持されるとは予想できません。表面温度、放射線、風速などの要因はETの決定に大きな役割を果たしますが、現在の研究ではそれらを明確に考慮していません。ただし、コンデンサの周期の定義では、因果関係が暗黙的に考慮されています。たとえば、モンスーンの退潮後に放射線が増加し始めますが、これは典型的なコンデンサ期間の始まりです。季節の変わり目で風向きも変わります。したがって、季節的気候の場合、その原因要因がコンデンサ期間の定義に組み込まれます。私たちは、この期間のETプロセスは土壌と植生の連続体によって維持されていると仮説を立てています。土壌と植生は、モンスーン期間、遅延応答期間、およびプリキャパシタ期間中に湿気を受け取ります。蓄えられた水分は、コンデンサーが比較的乾燥している期間中に大気中に放出され、植物の活動をサポートします。したがって、土壌と植生はインドのモンスーンの水循環においてコンデンサーとして機能する可能性があります。コンデンサの使用日数 (図 1 の灰色の陰影) は、インド全体で空間平均すると、通常約 135 日間に及ぶことがわかります (図 1c)。

ISMR は空間変動が非常に大きく、降水量は北西部の砂漠で約 300 mm、インド北東部と西ガーツ山脈では約 3000 mm です。それに応じて、気候によって生態系の多様性も高まります。したがって、コンデンサの日々の空間変化を研究することが不可欠です。図 2 は、インド上のさまざまな均質な気象区分について同じことを示しています。さまざまなゾーンにわたる降水量とETの高い空間変動の役割は、ETが降水量を超えるさまざまなゾーンのキャパシタ期間の開始日から非常に明らかです。コンデンサの日数は通常 145 日から 245 日の間で変化することがわかりました。分析では、ジャンムー・カシミール地方と北東部の丘陵地帯の 2 つの地域を除外しました。これら 2 つの地域には、適切に分散された雨量計ネットワークがありません。したがって、グリッド製品には品質上の問題が発生する可能性があります。北インド、中央インド、および西部ゾーンでは、コンデンサーの稼働日数が 200 日を超えています。北インドと中央インドは、土地と大気のフィードバックの世界的なホットスポットです 39。したがって、土壌と植生の水分コンデンサ効果は、これらの地域の水循環に重大な影響を与える可能性があります。 9月以降のISMRの突然の後退により、この地域の降水量が減少し、モンスーン後の蒸発散量が高くなるため、中央ゾーンにはプレキャパシタ期間が欠けていることに注意する必要があります。インドの南部地域は、降水量の大部分が北東モンスーン期に集中しており、その影響が土地と大気の相互作用に及ぼす影響は、蓄電期間の開始の遅れから見ることができます。しかし、北東モンスーンの季節は ISMR の撤退段階を混乱させるため、南部ゾーンでは遅延応答期間またはプリキャパシタ期間を定義できませんでした。湿気の多い北東地域と西ガーツ地域は、年間を通じて複数回の降雨があり、コンデンサーの寿命が短くなります。しかし、どちらも生物多様性に富み61、西ガーツ山脈は世界で最も暑い生物多様性ホットスポット8つのうちの1つ48であるため、乾季の土地と大気の相互作用を維持する上で土壌と植生の連続体の役割は極めて重要である。西ガーツ地域では、植生が季節内時間スケールで重要な役割を果たすことも報告されています58。私たちは、このようなコンデンサの効果が乾季の間でも継続し、陸地大気の相互作用を維持していることを発見しました。

インド上のさまざまな均質な気象区分にわたるコンデンサー日数の空間変動 (2001 年から 2015 年の期間の気候学)。黄色の影付きの領域、斜線付きの領域、および灰色の領域は、それぞれ遅延応答期間、プリキャパシタ期間、およびキャパシタ期間に対応します。プロットは Origin 2018 で作成されています。

衛星由来の土壌水分データは、根域の土壌水分に関する情報を提供しません。したがって、そのようなデータを使用して土壌-植生容量における土壌水分の役割を理解することはできません。ここでは、根域の土壌水分を推定するために、可変浸透容量 (VIC) モデルを使用して水文シミュレーションを実行しました (詳細は方法を参照)。このモデルでは 3 層の土壌を考慮しています。最上層は地表から深さ0.3mまで広がっています。中間層と底層の厚さはそれぞれ約 1 m ～ 2.5 m と 0.2 m です。大部分の作物では、根域は土壌の第 2 層にあります。 3 番目の層は、より深い土壌層を表します。 VIC は、補足図 1 に見られるように、インド全土で平均化された ET と表層土壌水分を十分にシミュレートできます。シミュレーションされた土壌水分は 30 年間のものであるため、最上層の土壌水分のピークは衛星データと比較してシミュレーションではわずかに遅れています。最上層の深さは cm で、衛星の推定値は 5 cm 未満です。さまざまな層のETの成分と土壌水分のシミュレートされた気候学を図3に示します。シミュレートされたパターンも観察を厳密に追跡しており、蒸散はETのピークの遅延に寄与しています。土壌蒸発量はシミュレーションの初期段階でいくらか低下します。図 1 と同じアプローチを使用して、コンデンサの日数を特定します。シミュレーションでは、コンデンサの日数が約 110 であることがわかり、観測結果と一致しています。また、層 2 のシミュレートされた土壌水分は、コンデンサー期間中により速く減少し始めることもわかります。層 2 は根域を表すため、土壌水分が ET およびその他の植生プロセスの維持に積極的に関与し、その結果、より速く減衰すると結論付けられます。モンスーン、遅延応答期間、およびプレキャパシタ期間中の降水によって供給される根域の土壌水分は、植物によって土地と大気の相互作用を維持するために利用されます。さらに、キャパシタ期間中の総蒸発散損失とキャパシタ期間の開始時の利用可能な土壌水分（層 1 と 2 の合計）との間に 0.63 の相関関係が観察されました。より深い層の土壌水分は、季節変動が限られているため、変動がはるかに少なくなります。図3と同様の地域プロットを補足図に示します。 2～7。

(a) 観測された降水量 (b) VIC はさまざまな土壌層の水分含有量をシミュレート、(c) VIC は 2001 年から 2015 年の期間の総蒸発散量とその成分をシミュレートした気候学。影付きの黄色、斜線、灰色の領域は遅延応答期間に対応します。、それぞれプリキャパシタ期間とキャパシタ期間です。プロットは Origin 2018 で作成されています。

VIC は、コンデンサ期間が 133 ～ 246 日の範囲で、すべての領域にわたってほぼ同様の空間変動をシミュレートします。 VIC は西ガーツ山脈のコンデンサー日数を過小評価していますが、これはこの地域の起伏のある地形がモデルで適切に表現されていないことが原因である可能性があります。しかし、地域的なコントラストは明確に表されており、根域の土壌水分の役割はすべての地域ではっきりと見えます。根域の土壌水分のより大きな減少が北部および中央域で観察され、これらの地域の植生が根の水分摂取に依存していることが浮き彫りになりました。これら 2 つのゾーンは、陸地と大気のフィードバックの世界的なホットスポットであるため、その関連性がさらに高まります。モンスーン前の季節に降水量が多い西ガーツ山脈と北東地帯では、蓄電期間が短くなるため、根域の土壌水分の減少が少なくなります。砂漠の下の広い地域や植生が乏しい西部地域でも、根域の土壌水分の減少率が低いことが示されています。

モンスーンのピークの後、モンスーンの後退とそれに続く後退により、表面放射線が増加し、晴天の状態になります。遅延応答期間中、土壌と植物の連続体における水の貯蔵が強化された高放射線により、大気中のCO262の吸収が速くなり、期間の開始時の値よりGPPが15％増加します（図4b）。変数光合成活性放射（PAR、図4a）を使用しても同様の結果が得られました。プレキャパシタ期間とキャパシタ期間では、降水量の減少により GPP が低下します。降水量が GPP63 の最も支配的な気候要因であるため、これは予想されています。しかし、降水不足キャパシタ期間中であっても植生は炭素を吸収し続けるため、この期間中の GPP は増加し、年間総 GPP の約 35% を占めます。注目すべきことに、この期間の降水量は年間総降水量の 12% にすぎません。さらに分析すると（図4c）、コンデンサー期間中のGPPがこの期間の初めの土壌水分と約0.6の強い相関関係を示すことが観察されました。この相関関係の推定では、キャパシタ期間の開始時の表層と中層の土壌水分の合計を考慮しました。この期間中の GPP は、モンスーン期の降雨、遅延応答、およびプリキャパシタ期間中に発生した蓄積された土壌水分によって維持されていると推測されます。土地と大気の相互作用における土壌水分と植生の連続体の役割を強調することで、私たちの研究は、モンスーンの降水量が減少した後でも陸上に水を蓄えるバッファーとして機能し、乾期にそれを使用する能力を強調しています。世界的な研究では、炭素吸収の変動の制御における土壌水分の役割も示唆されています3。ただし、このような分析は現在の状況では実行されませんでした。コンデンサー時代の降水量も GPP と 0.7 という強い相関関係があります。しかし、ET（土壌からの水分損失）は降水量（土壌への水分供給量）よりも高いため、総降水量は植物の必要な水量を供給するには十分ではありません（図1）。この水分バランスは、GPP の維持における土壌水分の役割をさらに強調します。

(a) 2001 年から 2015 年までの光合成活性放射 (PAR) と下向きの表面短波放射 (表面 SWR) の気候学。(b) 2001 年から 2015 年までの GPP の気候学。黄色の影、斜線、灰色の領域は遅延応答期間に対応します。、それぞれプリキャパシタ期間とキャパシタ期間です。 (c) キャパシタ期間の開始時の土壌水分と期間中に生成される総 GPP との関係。 2 つの変数間で 0.57 の線形相関 (p = 0.05 で統計的に有意) が観察されます。プロットは Origin 2018 で作成されています。

さまざまな植生被覆を持つさまざまな均質な気象区画にわたる GPP の地域分析は一貫しており、インドの陸地で観察されたものと類似しています (補足図 8)。ただし、GPP の気候は気象学的および植生の特性に応じて区画ごとに異なります。北東および西ガーツ地帯は、広大な森林に覆われた豊かな植生に恵まれています。これらの領域の GPP は、コンデンサ期間中に非常によく維持され、わずかに低下した後に回復します。ただし、北部、中部、西部地域では、コンデンサ期間の終わりまでに非常に低い GPP が見られますが、北部と西部地域では GPP が安定または増加する期間が見られますが、これはそれぞれ西風擾乱 64 と農業の影響によるものと考えられます。 2つの地域で。南部ゾーンの GPP のピークがキャパシタ期間の開始とほぼ一致していることも興味深い点であり、これは GPP がその地域の降水量に強く依存していることを示しています。サブディビジョン間の GPP パターンの空間変動の背後にあるもう 1 つの理由は、補足図 9 に示すように、表面の下向き短波放射の変動です。この発見は、植物の生産性の向上における静電容量期間中の放射と水分の相乗的な寄与をさらに示しています。コンデンサー期間の開始時の土壌水分により、コンデンサーはインド大陸全体に移動します。コンデンサー期間GPPと初期土壌水分のゾーンレベル相関分析は、この議論をさらに強化します（補足図10）。コンデンサー期間 GPP に対する初期土壌水分の役割は、統計的に有意な相関関係を持ち、区画全体にわたって顕著です。

インドの大陸は、世界的な陸地と大気のホットスポットの 1 つであることが知られており 39,57、高度な灌漑によってさらに強化されています。土地と大気のフィードバック研究は、後退するモンスーンを維持する上での ET の役割を強調しているが、モンスーンと主要作付期の後に ET と植物の生産性を維持するプロセスを理解するための分析は不足している。私たちは今回の研究でも同じことを探求しましたが、それはユニークであり、私たちの知る限り文献では報告されていません。私たちは、土壌と植物の連続体によって蓄えられた水が、モンスーン後のインドの陸地水循環を推進していることを発見しました。この貯蔵された水は、降水量が減少する年間の残りの期間に植物の必要量を維持します。土壌と植物の連続体の静電容量は、この水の貯蔵能力を活用することで、ET、生産性、土地と大気のフィードバックを維持します。

私たちの結果は、インドにおけるモンスーン後の植生の生産性を説明するだけでなく、オーストラリア、南米、アフリカなどの他のモンスーン地域における乾季の植物の生産性を理解するための基礎を提供することもできます。温暖化世界における地球規模の土地と大気のフィードバック、炭素循環、および植生の反応に対するこれらのプロセスの影響は、どれだけ強調してもしすぎることはありません。熱帯モンスーン地域は、大気中の CO2 のかなりの部分を吸収します。以前の文献 2、3 では、植物の炭素吸収の変動を制御する際の土壌水分と総水貯蔵量の役割が示されています。私たちの研究は、植物の生産性に対する水の貯蔵の役割に関する仮説をさらに強化します。現在の研究はさらに地球規模のモンスーン地域に拡張され、土壌と植物の連続体の水分容量とそれに関連する水の貯蔵、およびそれらが陸域の炭素吸収において果たす役割を明らかにする予定である。

現在の研究の主な注意点の 1 つは、この地域の土壌水分と蒸発散量に関する継続的な水文観測が行われていないことから生じています。衛星ベースの土壌水分は土壌の上部数センチメートルのみを表しており、層間での水分交換や植生を介した大気中への水分交換を提供できない可能性があります。さらに、GLEAM アルゴリズムでは、ET フラックスの計算に表層の土壌水分のみが考慮されるため、灌漑と植生と大気との相互作用の両方の役割が無視されます。広大な灌漑地域が存在する調査地域では、このようなプロセスを無視することはできません。さらに、インドには観測所が不足しているため、AMSRE-SMOS土壌水分製品とGLEAM製品の検証は不十分です。この研究のもう 1 つの主要な制限は、炭素施肥を考慮していない MODIS GPP 製品に起因します。したがって、長期にわたって水文変数と植生変数を正確に捕捉するには、空間的に分散した大規模な観測ステーションと磁束塔が必要です。現在の研究で採用されている VIC モデルは、広範な植生の不均一性と灌漑に依存した農業システムを持つ研究地域にとって重要である灌漑や植生変動の影響も考慮していません65。したがって、将来の研究は、地域のばらつきとともに、地域のキャパシタ期間に対する灌漑と変動する植生の影響を理解することに向けられる必要があります。土壌水分と植生のコンデンサ効果は、データが物理的気候と炭素循環に及ぼす影響をさらに定量化する必要があることを強調する確実な発見です。

土地と大気の相互作用における土壌水分と植生の連続体の役割を強調することで、私たちの研究は、モンスーンの降水量が減少した後でも陸上に水を蓄えるバッファーとして機能し、乾期にそれを使用する能力を強調しています。したがって、大気への水分供給を維持する上での植物の役割は極めて重要です。インドのさまざまな気候帯における 145 ～ 245 日の変動から明らかなように、植生のコンデンサ特性は、その地域の気候、植生の種類と分布に依存します。我々は、これらの地域の一部では、植生の静電容量効果がより強力な陸地大気フィードバックを引き起こす可能性があることを示しました。モデリング研究は、インドの植生の静電容量特性をさらに裏付けており、これは根域の水分含有量によって強化されています。

インドが最近の世界的な緑化への 2 番目に高い貢献国であることを考えると、土地の炭素隔離の可能性を理解する上でのコンデンサーデーの役割は、特に国家が決定する貢献への追加貢献国として、また土壌の健全性を高める上で非常に大きいことがわかります。そして作物の収量。私たちの結果には、南米のアマゾン森林など、他のモンスーン地域における植生の水分静電容量特性の分析も必要です。最後に、インドにおける水と炭素循環との強い関連性は、南アジアの地域地表モデルの開発に向けて、水文学および生物地球化学の科学コミュニティ間のより強力な相互作用を必要としています。

IMD からのグリッド降水量データ、組み合わせた AMSRE-SMOS 土壌水分データ、および GLEAM からの ET フラックスが最初に抽出され、空間的に平均化されて、インド大陸の気候学が決定されました。 ET 応答の空間的変動を理解するために、インドの気象学的に均質な地域の空間平均を考慮しました 66。可変浸透容量 (VIC) モデルは、ET のより深い土壌層の相互作用をモデル化するために使用されています。 VIC は半分布型中規模水文モデルです。これは、水とエネルギーのバランス方程式を離散グリッド上に統合します67。 VIC は、毎日/準日単位の時間ステップでの水とエネルギーのバランスに基づいて、土地と大気のフラックスを計算できます。現在の研究では、VIC は 0.5° × 0.5° のグリッドサイズで毎日の時間スケールで実行されます。降水量、最高気温、最低気温に関する気象情報は IMD から取得されます。風速は ERA 中間再解析から得られます。次に、さまざまな気象入力がモデルのグリッド解像度に変換されます。 3 つの入力変数の日次時系列を含むグリッド単位の気象入力ファイルが、VIC シミュレーションの入力として提供されます。 VIC の各グリッドセルは、サブグリッドの不均一性を考慮して、さまざまな土地被覆タイプで覆われた小さなタイルに分割されます。各グリッドにわたる植生タイプの変動とその根の分布は、国際地圏・生物圏プログラム (IGBP) 分類に従って MODIS (MCD12Q1)68 によって提供される土地利用土地被覆 (LULC) マップから開発された植生パラメーターファイルで表されます。 VIC で使用されるさまざまな植生タイプの植生パラメータは、植生ライブラリファイルで提供されます。ここでは、MODIS Terra 衛星 (MOD15A2H)69 から取得した葉面積指数 (LAI) の値を用いて、植生特性の気候学を取得しました。 MODIS 製品 MCD43A370 のアルベドと、線形関係 72 に基づいて MODIS 正規化植生差分植生指数 (NDVI) 製品 MOD13Q171 から導出された植生被覆率を使用しました。土壌の特性は、各グリッドセル全体で同じであると見なされます。土壌特性を指定する土壌パラメーターファイルは、食品農業機関の土壌マップに基づいて VIC モデルに提供されるグローバル土壌パラメーターファイルから作成されます。 VIC は、サブグリッドレベルでの土壌水分容量の変動、ベースフローの非線形後退、および地形を研究するのに適しています。現在の研究では、3 つの土壌層を考慮します。可変浸透能力パラメータは表土への浸透を制御しますが、表層から大気への水分の損失は主に土壌の蒸発によって促進されます。潜在蒸発散量は、蒸気圧不足と正味放射の関数として考慮して、ペンマン・モンティス方程式を使用して計算されます。樹冠による降雨の遮断は、LAI の関数として計算されます。流出の計算は最下層に基づいて行われます。 VIC モデルの主な欠点の 1 つは、グリッド間の非チャネル流れが考慮されておらず、水が大気からのみグリッドセルに侵入できることです。原稿内のすべての数値は、7 日間の移動ウィンドウ平均を適用した後、Origin 2018 を使用してプロットされました。コンデンサー期間の開始時の総 GPP と土壌水分の間のピアソンの相関係数は、MATLab 2020 で決定されます。

IMD が提供するグリッド降水量および気温データは、IMD Web サイト (https://www.imdpune.gov.in/Clim_Pred_LRF_New/Grided_Data_Download.html) で入手できます。 GLEAM モデルの蒸発散製品は、モデル Web サイト (https://www.gleam.eu/) で入手できます。 SMOS と AMSRE 土壌水分を組み合わせた SMOS レベル 4 の土地調査製品は、SMOS レベル 3 および 4 データのフランスの地上セグメントである Center Aval de Traitement des Données SMOS (CATDS) の Web サイトからダウンロードできます (https://www.catds. fr/Products/Available-products-from-CEC-SM/L4-Land-research-products)。さまざまな MODIS 衛星陸上製品は、Land Processes Distributed Active Archive Center (LP DAAC) (https://lpdaac.usgs.gov/) から入手できます。 VIC シミュレーションが利用可能になります。 CERES の放射線データは、CERES の Web サイト (https://ceres.larc.nasa.gov/data/) からダウンロードできます。

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リファレンスをダウンロードする

この研究は、科学技術省のスワルナジャヤンティフェローシップスキームによって、プロジェクト番号 2 を通じて財政的に支援されています。 DST/SJF/E&ASA-01/2018-19; SB/SJF/2019-20/11、および戦略的プログラム、大規模イニシアチブおよび協調行動イネーブラー (SPLICE)、およびプロジェクト番号 2019 による気候変動プログラム。 DST/CCP/CoE/140/2018。 SG は、チューリッヒ工科大学の Sonia I Seneviratne 教授に技術的な議論をしていただいたことを認めます。 RM は、IIT ボンベイ校の客員教授職と UMD の名誉教授職に感謝の意を表します。著者らは、建設的なコメントを寄せてくれた編集者と査読者に心から感謝します。

土木工学科、インド工科大学ボンベイ校、ポワイ、ムンバイ、400076、インド

ドーン E. セバスチャン & スビマルゴーシュ

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ドーン・E・セバスチャン

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ラグー・ムルトゥグデ

気候研究学際プログラム、インド工科大学ボンベイ校、ポワイ、ムンバイ、400076、インド

ラグー・ムルトゥグッデ & スビマル・ゴーシュ

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SG と RM がアイデアを思いつき、問題を設計しました。 DES は SGSG からの入力を使用して分析を実行し、DES が結果を分析しました。 SG と DES が論文を執筆しました。 RMは原稿をレビューしました。

スビマル・ゴーシュへの手紙。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Sebastian, DE、Murtugudde, R. & Ghosh, S. 土壌 - 植生水分コンデンサーは、インド全土で乾季の植生の生産性を維持します。 Sci Rep 13、888 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-27277-6

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受信日: 2022 年 10 月 4 日

受理日: 2022 年 12 月 29 日

公開日: 2023 年 1 月 17 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-27277-6

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理論および応用気候学 (2023)

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