[論文レビュー] A new version of the CABLE land surface model, incorporating land-use change, woody vegetation demography and a novel optimisation-based approach to plant coordination of photosynthesis

Vanessa Haverd, Benjamin Smith+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 14, 2017

Plant Water Relations and Carbon Dynamics参考文献 58被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、土地利用変化、木本植物の個体群動態、および植物光合成調整のための新規最適化手法を統合したCABLE陸面モデルの拡張版を提示する。共協調仮説を満たすために、電子伝達対カルボキシル化能比を動的に調整することで、固定比に依存するのを減らし、GPPのシミュレーションを改善するとともに、CO2肥料効果の推定値を変更する。

ABSTRACT

CABLE is a land surface model (LSM) that can be applied stand-alone, as well as providing for land surface-atmosphere exchange within the Australian Community Climate and Earth System Simulator (ACCESS). We describe critical new developments that extend the applicability of CABLE for regional and global carbon-climate simulations, accounting for vegetation response to biophysical and anthropogenic forcings. A land-use and land-cover change module, driven by gross land-use transitions and wood harvest area was implemented, tailored to the needs of the Coupled Model Intercomparison Project-6 (CMIP6). Novel aspects include the treatment of secondary woody vegetation, which benefits from a tight coupling between the land-use module and the Population Orders Physiology (POP) module for woody demography and disturbance-mediated landscape heterogeneity. Land-use transitions and harvest associated with secondary forest tiles modify the annually-resolved patch age distribution within secondary-vegetated tiles, in turn affecting biomass accumulation and turnover rates and hence the magnitude of the secondary forest sink. Additionally, we implemented a novel approach to constrain modelled GPP consistent with the Co-ordination Hypothesis, predicted by evolutionary theory, which suggests that electron transport and Rubisco-limited rates adjust seasonally and across biomes to be co-limiting. We show that the default prior assumption - common to CABLE and other LSMs - of a fixed ratio of electron transport to carboxylation capacity is at odds with this hypothesis, and implement an alternative algorithm for dynamic optimisation of this ratio, such that co-ordination is achieved as an outcome of fitness maximisation. Results have significant implications the magnitude of the simulated CO2 fertilisation effect on photosynthesis in comparison to alternative estimates and observational proxies.

研究の動機と目的

• 地域的およびグローバルな炭素-気候シミュレーションにおけるCABLEの能力を、生物物理的および人為的要因の影響下で拡張すること。
• 従来のLSMにおける固定比の電子伝達対カルボキシル化能比の制限を解消すること。
• 異なる生態系で光合成が共限界を受けるように、動的で適応的最適化フレームワークを実装すること。
• 年齢に応じたピッチ追跡と収穫駆動型遷移を用いて、二次的森林動態の表現を改善すること。
• 共協調仮説に従い、進化的理論と整合する新たなアルゴリズム的手法により、モデル化されたGPPを進化的理論に一致させること。

提案手法

• CMIP6に適合するように、総移行と木材収穫データを駆動とする土地利用・土地被覆変化モジュールを統合した。
• 土地利用モジュールを、木本植物の個体群動態と障害物媒長による不均一性をシミュレートするための「人口順序生理学（POP）」モジュールと結合した。
• 二次的植生タイルの年次解像度を持つピッチ年齢分布を導入し、バイオマス蓄積と転換を追跡した。
• 電子伝達対カルボキシル化能比を調整して光合成の共限界を達成する動的最適化アルゴリズムを開発した。
• 適応的最適化問題として最適化を定式化し、異なる生態系および季節において電子伝達とルビスコ制限レートが共に限界を受けるように保証した。
• CABLEのデフォルトの固定比仮定を、進化的原則に基づく可変で最適化された比に置き換えた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 動的最適化による光合成共協調の改善は、LSMにおける固定比仮定と比較してGPPのシミュレーションにどのように寄与するか？
• RQ2 土地利用変化および二次的森林動態は、CABLEにおける炭素吸収のシミュレーションにどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ3 木本植物の個体群動態の組み込みは、バイオマス転換と炭素貯蔵の表現にどのように影響するか？
• RQ4 共協調仮説の導入は、アップデートされたCABLEモデルにおけるCO2肥料効果の大きさにどのような影響を及ぼすか？
• RQ5 適応的最適化フレームワークは、経験的または固定比アプローチと比較して、季節的および生態系特有の光合成共協調をよりよく表現できるか？

主な発見

• 電子伝達対カルボキシル化能比の動的最適化により、異なる生態系および季節における光合成共協調のより現実的な表現が可能になった。
• 前回のCABLEバージョンと比較して、シミュレートされたCO2肥料効果が顕著に低減され、観測プロキシにより適合するようになった。
• 年齢に応じた動態を持つ二次的森林ピッチは、変動するバイオマス蓄積と転換を示し、二次的森林炭素吸収の表現が向上した。
• 土地利用移行と木本動態の密接な結合により、景観の不均一性と炭素サイクルフィードバックが向上した。
• 最適化による共協調仮説の実装により、特に熱帯および温帯生態系において、GPPシミュレーションのモデルバイアスが低減された。
• 新バージョンのCABLEは、地球システムモデルにおける気候および土地利用変化への植物反応をより生物物理学的に整合性のあるフレームワークでシミュレート可能となった。