課題名

B-52 アジア太平洋地域における地球温暖化の局地植生への影響とその保全に関する研究

課題代表者名

大政 謙次(環境庁国立環境研究所生物圏環境部環境植物研究室)

研究期間

平成8−10年度

合計予算額

104,33810年度 36,265)千円

研究体制

(1) モンスーンアジアにおける温暖化とENSOの植物への影響に関する研究

(環境庁国立環境研究所、龍谷大学、愛知大学、東京農工大学)

(2) 中国の森林/草原植生に及ぼす地球温暖化の影響とその保全に関する研究

(環境庁国立環境研究所、宮崎公立大学)

(3) 湿潤温亜寒帯林における温暖化で引き起こされる森林の動態に関する研究

_甲伐修念き起こされる現植生の動態と分布の変化(農林水産省林野庁森林総合研究所)

大面積長期観測林を用いた温暖化が森林の自律機能に及ぼす影響に関する研究

(農林水産省林野庁森林総合研究所、大阪大学、京都大学、九州大学)

(4) 湿潤熱帯山岳における森林植生帯閾値と地球温暖化のインパクト評価に関する研究

(農林水産省林野庁森林総合研究所)

 

研究概要

1.序

 東アジアから東南アジアにかけて広がるモンスーンアジア地域では、温暖化に伴い、モンスーンの発生状態や強さ、期間などが、地域により大きく変動する。特に、温暖化とエル・ニーニョやラニーニャ(ENSO)との関係は重要で、IPCC1995)の報告書でも、このことが指摘されている。温暖化は、高山/亜高山、森林/草原、草原/砂漠といった植生の境界域で、生態系に大きなストレスを及ぼし、植生を脆弱化させる。IPCCに関連した温暖化の影響研究において、炭酸ガスの循環への寄与が大きい大森林地帯だけでなく、これらの脆弱な境界域での植物遷移や生産力の変化を調べることが、脆弱な植生の影響予測といった観点だけでなく、温暖化の指標や保全のための研究として求められている。また、温暖化影響とモンスーンやENSOなどによる局地的な異常気象との関係についての研究は、その重要性にもかかわらず十分に行われていないのが現状である。現在、IGBP GCTEに関連したプロジェクトでも、世界各地にトランセクトを設けて、気候変動と生態系との関係についての調査研究を実施しており、国際的なネットワーク下での共同研究が求められている。そこで、本研究では、我が国のほか、中国や東南アジアの脆弱性が懸念される地域を対象として、IGBPなどの研究グループとの共同プロジェクトとして実施する。

 

2.研究目的

 地球温暖化は、局地気象に様々な影響を及ぼし、植生を脆弱化させる。このことは、植生が炭酸ガスの吸収源としての機能を失うだけでなく、多様な生物の生息の場が消失することを意味する。特に、炭酸ガスの固定能の大きい森林、脆弱化しやすい高山や乾燥地域などの植生ではこのことが大きな問題となる。しかし、この脆弱化の程度は地域によって異なると考えられ、また、環境変動による生態系の応答が複雑なために、脆弱化のプロセスは必ずしも明確になっていない。

 一方、温暖化の指標として、植生の脆弱化や生理生態学的な変化を利用した評価法の確立が望まれている。特に、開花や紅葉、生殖生長(作物収量を含む)といった生物季節の変化は、指標として有望であるが、局地的な環境変化の指標としてどの程度使えるかは明確にされていない。

 そこで、本研究では、アジア太平洋地域において、地球温暖化に伴う植生の脆弱化が問題になる地域を選定し、その地域特有の局地環境の変動が、植生の脆弱化のプロセスにどのように影響するかを明らかにするとともに、植生保全に関する知見を得ることを目的とする。また、エルニーニョなどに伴う局地環境の変化が生物季節や作物収量の変化にどのように影響を与えるかを統計的な解析により明らかにし、その気候変動に対する指標性を明らかにすることを目的とする。さらに、炭酸ガス吸収源としての寄与の大きな森林を対象として、温暖化が森林植生にどのような影響を及ぼすかについても明らかにすることを目的とする。

 

3.研究内容・成果

(1)モンスーンァジアにおける温暖化とENSOの植物への影響に関する研究

 エル・ニーニョ現象は、数年に一度起こるペルー沿岸から日付け変更線に至る東部赤道太平洋海面水温の異常昇温現象で、世界で発生する干ばつや洪水などの異常気象と密接に関係しており、農作物や陸上生態系に大きな影響を与えている。そこで、モンスーンアジア地域において、これまでに発生したエル・ニーニョの規模(開始時期、終息時期、継続期間、面積、海水温の平年からの偏差)を調べ、干ばつや洪水をもたらす気温及び降水量との関係を調べた。また、植物の重要な生理反応である植物季節現象との関係についても併せて検討した。

 研究の結果、異常気象やその影響は、エル・ニーニョの発生した年でも、エル・ニーニョの規模によって、地域的に広がりを持って変動することがわかった。しかし、エル・ニーニョ年と海水温が低下するラニーニャ年の両者の差が3738°Nに沿う帯状の地域の北側と南側で影響の傾向が異なることが極めて明瞭に現われた。エル・ニーニョ年に北側で現われる現象がラ・ニーニャ年では南側で見られることもわかった。また、エルニーニョ年とラニーニャ年の発生年(季節単位)を選び、ソメイヨシノの開花日の遅速の差を求めたところ、エルニーニョ年には13月が温暖なため早く開花するが、その正の影響は38°N以南で顕著であることがわかった。また、中国における生物季節については、わが国のソメイヨシノの開花を指標とした遅速の関係を求めた。さらに、エルニーニョ年およびラニーニャ年における雪害を調べたところ、エルニーニョ年にはラニーニャ年に比べ、北陸地方の雪害の発生件数が一桁少ない傾向があること等がわかった。生物季節現象は、異常気象に敏感に反応することから、温暖化に伴う局地気象の変動の指標としても有効であることがわかった。

 

(2)中国の森林/草原植生に及ぼす地球温暖化の影響とその保全に関する研究

 中国本土の植生気候・農業気候への地球温暖化の影響を予測するため、中国の気象資料および大気大循環モデル(MRI-CGCM)のシナリオ(年率1%で大気中の二酸化炭素濃度が暫時上昇、100年経過した場合)を用いて、中国の予想気象値を解析し、以下の結果を得た。温暖化期間100年では、年平均気温の上昇は北部で45℃、南部沿海地域で約23℃であり、全域においてIPCC報告(1995)の予想値(約2℃)より上回った。暖かさ指数は北部の約50%から南部の10%弱へと変化するが、その絶対値は2030℃・月の範囲にあった。有効積算気温の増加は北部の約900℃・日から南部の約1000℃・日まで増加した。中国の東部季節風地域では、暖かさ指数および有効積算気温の緯度に伴う変化は簡単な指数関数で近似でき、温暖化によるこれら温度資源の等量線の移動を予測できた。有効積算温度分布では、東部では緯度と平行な等量線図が得られたが、西部地域(四川省中部以西:青蔵高原地域や西北乾燥砂漠地域)では複雑であった。雨量や純放射量から計算した放射乾燥度分布から、中国西部地域の放射乾燥度域や乾燥・砂漠気候域の存在を確認した。100年後の乾湿係数から、温暖化によって砂漠気候や草原気候が増加し、若干乾燥化が促進されることが推定された。

 中国森林地域の主要樹木である、馬尾松、油松、千頭柏、杉木の4種に関して、環境制御室を用い、地球温暖化に伴う環境変動に対する生育反応実験を行い、以下の結果を得た。温度(2537℃)−生長反応実験から、4種とも30℃程度から温度上昇による生育抑制が認められたが、特に杉木の生長は顕著に抑制された。生長解析を行った結果、温度上昇による相対生長率(RGR)の抑制影響は、全種において純同化率(NAR)が影響を受けたことに因っており、光合成産物の分配はほとんど影響を受けていなかった。湿度(RH4070%)−生長実験から、乾燥化によって馬尾松が顕著な生育抑制を受けたが、他の種はほとんど影響を受けなかった。生長解析の結果、馬尾松のRGRの変化は、NARの変化に因っており、また全種において光合成産物の分配には顕著な変化は認められなかった。野外でこれらの樹木種は混在しているが、地球温暖化の進行により樹木種の分布や種組成が変化する可能性が示唆された。

 

(3)湿潤温亜寒帯林における温暖化で引き起こされる森林の動態に関する研究

 _甲伐修念き起こされる現植生の動態と分布の変化

  日本の山岳地植生に影響する要因としては、温度と積雪がとくに重要である。本課題では、温暖化の積雪環境への影響予測、雪田草原、亜高山帯針葉樹林、風衝低木林などを対象として温度と積雪の影響予測、ブナ林の種多様性やダケカンバの植物季節への温暖化の影響予測を行った。温度と冬季降水量から積雪水量を推定する式を開発し、1kmメッシュごとの最大積雪水量を推定した。気温のパラメーターを変化させることにより、気温の変動に対する積雪量変化の地域分布の推定が可能である。気温の変化に対する最大積雪水量の変動割合は本州日本海側の平野部が顕著であり、東北中央部においても同様の減少傾向が予想された。雪田草原の影響を融雪量と植物分布の関係からみると、気温の上昇によって雪田草原の大きさそのものの変化は小さいが、雪田草原内の消雪時期を反映して植物種の組成や分布が大きく変化することが予測された。花粉分析の結果、湯森山周辺では、現在みられるアオモリトドマツ林が成立した時期はおおむね1000年前であるが、現林分の最上部まで広がったのはさらに新しい時代であった。風衝低木群落では、温暖化で春季の気温・地温が上昇することによって、結実までに長い期間を必要とする低山性の種により有利に働く。そのため、北方に分布の中心を置く種に代わってこれらの種が優占していく変化が予想される。関東甲信越のブナを含む森林の温暖化の影響として、日本海側ではブナ林の種数の若干の増加が、また太平洋側では種数にあまり変化がないことが予想された。この他、アオモリトドマツの樹冠破壊、ダケカンバの植物季節についての調査・解析を実行した。

 

 大面積長期観測林を用いた温暖化が森林の自律機能に及ぼす影響に関する研究

  本研究は地球圏−生物圏国際共同研究計画(IGBP)の一部を推進するために、わが国の湿潤温帯林を代表するブナ天然林(小川試験地)において、環境と樹木の生産に関する生態生理研究を推進し、長期観測により群落動態メカニズムを解明し、群落動態モデルを作成することを目的とする。

  そこで、長期間・大面積調査地の観測データに基づいて森林動態計算機シミュレイターを構築し、その挙動を解析した。1987年から6年間にわたる小川群落保護林の6ha毎木調査地の動態データーによって各樹木個体を構成する幹の生長・消失・新規加入といった挙動を樹種ごとの形質を数理モデルによって評価し、シミュレイターによって統合した。1987年から400年間にわたるシミュレイションの結果、小川保護林の樹種の構成比率に大きな変動が予測された。現在の林冠木である樹種群が、より新規加入速度の大きな樹種群に取って代わられ、その帰結として森林全体の合計胸高断面積の予測値が減少した。一方、環境変動によって生長量が増大するという想定下での400年間のシミュレイションでは、樹種交代は生じるものの、森林の胸高断面積の予測値はむしろ増大した。

 

(4)湿潤熱帯山岳における森林植生帯閾値と地球温暖化のインパクト評価に関する研究

 森林生態系の温暖化への応答予測の大きな問題となっているのは、温度と栄養塩がどのような相互作用をみせるのかということである。そこで、ボルネオ島のキナバル山において、異なる栄養塩の供給下にある熱帯降雨林生態系がどのように温度に制限されているのかを、温度を標高で代表させ、リンの供給能を地質で代表させることによって、3年間に渡って調査した。材成長に落葉落枝量を加え地上部純一次生産を表すと、リンの供給に関係なく温度と一次生産には有意な正の相関が見られた。一次生産の温度依存性は、リン供給が貧弱な超塩基性岩上で大きかった。葉のリンと窒素濃度を調べることにより、樹木は温度上昇に対して葉の窒素とリンを減少させて適応するが、リンの供給が少ない条件下で温度が上昇すると炭素固定のためのリンヘの要求量が急激に低下して温度上昇への反応性が大きくなることが示唆された。温暖化の応答シナリオとして、栄養塩の制限が無い場合、熱帯林の純一次生産の温度依存性は相対的に低く、温度1℃の上昇に対して乾物生産量67g/m2/yr)の増収となる。栄養塩の制限がある場合、温暖化に伴い単位炭素を固定するための栄養塩(酵素)要求が緩和され、見かけの熱帯林の温度依存性は相対的に高くなり、温度1℃の上昇に対して乾物生産量104g/m2/yr)の増収となる。しかし、リターの分解速度は純一次生産に対して指数関数的に増加し、温度の上昇に対する短期的な炭素収支はどのような栄養塩状態でもネットでマイナスになる可能性がある。これは短期的応答として熱帯林からの炭素放出を意味する。しかし、そのような短期的なフィードバックを無視し、生産と分解のバランスとして長期的な熱帯林の総炭素貯留量を予測すると、栄養塩の制限がない場合、平均気温が上昇して分解速度が生産速度を上回り土壌中の炭素貯留量が減少しても、長期的には減少分を地上部のバイオマス増加が補い、単位栄養塩当たりの炭素量は変わらずネットでの生態系の炭素総量は変化しない。栄養塩の制限がある場合、平均気温が上昇すると生態系の単位栄養塩当たりの炭素量が増加することによって生態系の炭素貯留量は著しく増加する。

 

4.考察

 モンスーンアジア地域における温暖化とENSOの植物への影響を解析した研究(1)では、エルニーニョ現象やラニーニャ現象の特質と同年の生物季節現象や雪害の程度などの間には密接な関連性があることが明らかにされた。このことは、生物季節現象を指標として、温暖化伴う異常気象発生の予測に十分利用しうることを示している。今後、こうした生物季節現象に基づいた指標をもとに、気候変動の傾向や各種気象災害の発生、農作物の収量などの確度の高い予測のための手法の確立が期待される。

 また、中国を対象とした研究(2)では、中国の主要樹木の温暖化影響が検討され、温暖化が中国の樹木の生育や分布におよぼす影響が予測された。さらに、モデル解析等によって、50100年後の植生気候等の予測がなされた。中国は、人口、面積ともに大きい上、今後資源消費大国となるものと予想されており、地球温暖化が将来の中国での植物の生育や気候に及ぼす影響を予測することは重要である。今後、温暖化が中国の気候分布や植物生育におよぼす影響をより詳細に検討してゆくことが必要であろう。

 さらに、日本の森林地域を対象として行った研究(2)−,らは、日本の森林を対象として、温暖化に伴う積雪量分布の推定がなされ、消雪時期の変動に伴って植物種の分布や組成が大きく変動することが予想された。日本の森林での温暖化影響予測を行ううえで積雪現象の評価が重要性をもつことが示された。この研究からは、温暖化による植生影響が、温度上昇分に応じて植生帯が北方や高標高方向に移動するという単純化したモデルのみではとらえられない側面を予測することができた。

 向じく、日本の森林地域を対象として行った研究(3)−△任蓮6年間にわたる森林の現地調査データを基礎として森林動態計算機シミュレイターを構築することができた。このシミュレイターによって400年という長い時間スパンでの森林植生の動態の予測が可能となった。今後、この研究から得られた成果に基づいて、より精細な群落動態モデルが確立され、より精細な予測が可能となってゆくことが期待される。

 そして、湿潤熱帯山岳の森林を対象とした研究(4)では、現地調査によって、栄養塩の制限がある場合とない場合での熱帯林生産温度依存性の様相が明らかにされた。生産と分解は生態系における物質循環を決定づける重要な要因であり、ここで得られた知見は、温暖化に伴う森林生態系の推移を予測するうえで重要性の高いものである。

 地球温暖化による環境変動が植生におよぼす影響は地域や植生の形態によって大きく異なっていると予測される。ここで行われた各研究では、対象とした地域や対象とした植生形態、およびその規模は多様であるが、過去の気象条件等の解析や現地調査、環境制御温室での生育実験などを通じて、温暖化にともなう各対象域の将来の植生の変動の様相を提示することができたと考えることができる。さらに、生物季節現象と気象現象や自然災害との関連性の解析は、今度異常気象による影響の事前予測手法を確立するうえで重要性をもっているといえよう。

 

5.研究者略歴

研究代表者:大政謙次

1950年生まれ、愛媛大学大学院農学研究科卒業、工学博士、国立環境研究所生物圏環境部環境植物研究室長、現在、東京大学大学院農学生命科学研究科教授

主要論文:

1) K. Omasa, K. Kai, H. Taoda, Z. Uchijima and M. Yoshino (eds.) "Climate Change and Plants in East Asia", Springer-Verlag, pp.215. (1996)

2) K. Omasa: Image instrumentation of chlorophyll a fluorescence. Proc. SPIE 12th Annual International Symposium on Aerospace/Defense Sensing, Simulation, and Controls. (1998)

3) K. Omasa: Effects of climate change on plants in East Asia. Global Environ. Res., 1: 59-69.(1998)

 

サブテーマ代表者

(1) 大政謙次

1950年生まれ、愛媛大学大学院農学研究科卒業、工学博士、国立環境研究所生物圏環境部境部環境植物研究室長、現在、東京大学大学院農学生命科学研究科教授

主要論文:

1) K. Omasa, K. Kai, H. Taoda, Z. Uchijima and M. Yoshino (eds.) "Climate Change and Plants in East Asia", Springer-Verlag, pp.215. (1996)

2) K. Omasa: Image instrumentation of chlorophyll a fluorescence. Proc. SPIE 12th Annual Internationa1 Symposium on Aerospace/Defense Sensing, Simulation, and Controls. (1998)

3) K. Omasa: Effects of climate change on plants in East Asia. Global Environ. Res., 1: 59-69.(1998)

 

(2) 清水英幸

1954年生まれ、東京大学理学部卒業、農学博士、国立環境研究所生物圏環境部環境植物研究室主任研究員、現在、国立環境研究所地球環境研究センター研究管理官

主要論文:

1) H. Shimizu, Y. Fujinuma, Y. Kubota, K. Totsuka and K. Omasa: Effects of low concentrations of ozone (O3) on the growth of several woody plants. J. Agr. Met., 48 (5), 727-730. (1993)

2) H. Shimizu, Y. Fujinuma and K. Omasa: Effects of carbon dioxide and/or relative humidity on the growth and the transpiration of several plants. Acta Horticulturae, 440, 175-180. (1996)

3) H. Shimizu, K. Kai and K. Omasa: Effects of elevated concentrations of CO2 and O3 singly or in mixture on the growth of severa1 herbaceous wild plant species J. Agr. Met., 52 (5), 801-805. (1997)

 

(3) ‘重帖々

1945年生まれ、広島大学理学部卒業、現在、森林総合研究所森林環境部植物生態科長

主要論文:

1) H. Taoda: Succession of Pinus thunbergii forest on coastal dunes, Hototuba Coast, Kyushu, Japan. HIKOBIA, 10, 119-128. (1988)

2) 峠田 宏:東京都及び周辺地域の着生植生、20年間の変化と調査法の問題点、日本蘚苔類学会誌、5, 193-196.

3) H. Taoda: Tolerance of some epiphytic bryophytes to sumulated acid rain. Proc. Bryo1. Soc. Jpn., 6, 237-243, (1996)

◆‐硝寨朮

1953年生まれ、東京大学大学院農学研究科博士過程卒業、農学博士、現在、森林総合研究所森林環境部植物生態科環境生理研究室長

主要論文:

1) 松本陽介、丸山 温、森川 靖:スギの水分生理特性と関東平野における近年の気候変動−樹木の衰退現象に関連して−、森林立地、34 (1), 2-13.(1992)

2) Y. Matsumoto, Y. Maruyama, A. Ishida, H. Tasaka and M. Y. Mangsor: Effects of pretreatment on leaf osmotic potential of seedlings of 11 tropical timber species, Proceedings of the 2nd International Symposium on the Asian Tropical Forest Management, p.300, PUSREHUT, Samarinda, Indonesia (1998)

3) K. Kimura, A. Ishida, A. Uemura, Y. Matsumoto and I. Terashima: Effects of current-year and previous-year PPFDs on shoot gross morphology and leaf properties in Fagus japonica. Tree Physiology, 18, 459-466. (1998)

 

(4) 北山兼弘

1958年生まれ、ハワイ大学植物学科Ph. D. (Botanical Sciences)、米国連邦東西文化研究センター環境政策研究所研究員、現在、森林総合研究所海外森林環境変動研究チーム主任研究官

主要論文:

1) K. Kitayama, E. Schuur, D. R. Drake and D. Mueller-Dombois: Fate of a wet montane forest during soil aging in Hawaii. Journal of Ecology 85:669-679. (1997)

2) K. Kitayama, H. Raitio, D. Mueller-Dombois, and E. Schuur: Wood volume, foliar chemical compositions and soi1. N mineralization in Metrosideros polymorpha (Myrtaceae) stands on Haleakala ,Hawaii. Biotropica 30: 330-338, (1998)

3) K. Kitayama, S. Aiba, N. Majalap-Lee, and M. Ohsawa: Soil nitrogen mineralization rates of rainforests in a matrix of elevations and geological substrates on Mount Kinabalu, Borneo. Ecological Research 13: 301-312. (1998)