In situ observations reveal how spectral reflectance responds to growing season phenology of an open evergreen forest in Alaska

「アラスカ針葉樹林における生育期のフェノロジーに対して、分光反射率がどのように応答するか?」の地上観測による解明

小林 秀樹*; 永井 信*; Kim, Y.*; Yan, W.*; 池田 教子*; 伊川 浩樹*; 永野 博彦   ; 鈴木 力英*

Kobayashi, Hideki*; Nagai, Shin*; Kim, Y.*; Yan, W.*; Ikeda, Kyoko*; Ikawa, Hiroki*; Nagano, Hirohiko; Suzuki, Rikie*

春に葉が緑に色づき、秋には紅葉するといった、植物のフェノロジーは、生物学的応答と陸域炭素循環の特徴付けにおいて必須の状態情報である。そして、人工衛星によって広域的かつ長期的に観測されている地上の分光反射率が、フェノロジーの指標として広く利用されている。しかしながら、「実際のフェノロジーに対して、分光反射率がどのように変化するのか?」に対する正確な解釈を得るために必須である地上観測が、北方の針葉樹林では不足している。本研究では、アラスカ内陸部のクロトウヒ林においては初めてとなる、林冠スケールと下層植生、それぞれの分光反射率、そして植生指数(NDVI)の地上連続観測を行った。本観測により、(1)林冠スケールのNDVIは太陽の天頂角によって変化するが、下層植物のNDVIは天頂角に鈍感であること、(2)観測時間を統一するか太陽の天頂角を統一するかで、年間で最大のNDVIが観測される時期が異なること、(3)光合成の活発な期間から完全に外れているにも関わらず、NDVIが秋の1ヶ月間に高い値のままプラトーになること、が見いだされた。この結果は秋に起こるNDVIのプラトー現象によって、北方林における生育期の終わりを検出できる可能性が高いことを示唆している。このように我々が行っている分光反射率の地上連続観測は、北方高緯度地域において人工衛星ベースのフェノロジーアルゴリズムを開発・検証するためのベースライン情報を提供することができる。

Plant phenology timings, such as spring green-up and autumn senescence, are essential state information characterizing biological responses and terrestrial carbon cycles. Current efforts for the in situ reflectance measurements are not enough to obtain the exact interpretation of how seasonal spectral signature responds to phenological stages in boreal evergreen needleleaf forests. This study shows the first in situ continuous measurements of canopy scale (overstory + understory) and understory spectral reflectance and vegetation index in an open boreal forest in interior Alaska. Two visible and near infrared spectroradiometer systems were installed at the top of the observation tower and the forest understory, and spectral reflectance measurements were performed in 10 min intervals from early spring to late autumn. We found that canopy scale normalized difference vegetation index (NDVI) varied with the solar zenith angle. On the other hand, NDVI of understory plants was less sensitive to the solar zenith angle. Due to the influence of the solar geometry, the annual maximum canopy NDVI observed in the morning satellite overpass time (10-11 am) shifted to the spring direction compared with the standardized NDVI by the fixed solar zenith angle range (60-70 degree). We also found that the in situ NDVI time-series had a month-long high NDVI plateau in autumn, which was completely out of photosynthetically active periods when compared with eddy covariance net ecosystem exchange measurements. The result suggests that the onset of an autumn high NDVI plateau is likely to be the end of the growing season. In this way, our spectral measurements can serve as baseline information for the development and validation of satellite-based phenology algorithms in the northern high latitudes.