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気候帯毎に異なる複雑な生態系を再現する生態系モデルの開発・応用. 今回の内容 1. はじめに 2. 生態系モデル 3. 鉄と植物プランクトン 4. 植物プラクトンの棲み分け. COE 研究員 吉江 直樹. はじめに. 21 世紀 COE 「生態地球圏システム劇変の予測と回避」 の元での研究として・・・ 特に海洋に注目し、 海洋生態系モデルの開発・改良・応用を通して、 海洋生態系がどのように決まるかというメカニズムの解明をめざす メカニズムの解明は、劇変の予測や回避につながる. メカニズムの解明に向けて.
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気候帯毎に異なる複雑な生態系を再現する生態系モデルの開発・応用気候帯毎に異なる複雑な生態系を再現する生態系モデルの開発・応用 今回の内容 1. はじめに 2. 生態系モデル 3. 鉄と植物プランクトン 4. 植物プラクトンの棲み分け COE研究員 吉江 直樹
はじめに 21世紀COE「生態地球圏システム劇変の予測と回避」の元での研究として・・・ • 特に海洋に注目し、海洋生態系モデルの開発・改良・応用を通して、海洋生態系がどのように決まるかというメカニズムの解明をめざす • メカニズムの解明は、劇変の予測や回避につながる
メカニズムの解明に向けて • 「物質循環と海洋生態系の融合」 （山中康裕・橋岡豪人と共に）日本近海を表現し、観測と直接比較できるような領域生態系モデルの開発・応用を行っている。 • “NEMURO”(国際研究計画PICESの標準モデル)の開発・応用 (Yoshie et al., 2003, Yamanaka et al., 2004, Yoshie and Yamanaka 2005, Yoshie et al., 2004, Eslinger et al., 2004, Kishi et al., 2004) • 鉄散布実験(SEEDS)の再現・解析(Yoshie et al., 2004, Fujii et al., 2004) • 拡張版NEMURO ”eNEMURO”の開発・応用
メカニズムの解明に向けて • 「現場観測とモデルの融合」 （鈴木光次・斎藤宏明と共に）モデル解析だけではなく、現場観測や室内実験も行い、文献値のない生理パラメータを補いながらモデリングを行っている。 • 鉄濃度と植物プランクトン生理パラメータの観測 ・解析(Yoshie et al., 2005)
“NEMURO” モデル 窒素・ケイ素循環、植プラ２グループ、動プラ3グループ
“NEMURO with 炭素・カルシウム循環” 炭酸系・カルシウム循環の追加、大気海洋間のガス交換計算可
なぜ鉄が海洋生態系に重要なのか？ • 微量栄養塩としての鉄が不足→植物プランクトンが制限される • 鉄は、通常ダストにより海洋へ供給される • CO2を海洋に吸収させる方法の一つとして鉄散布がある SEEDS植物プランクトンの大増殖と劇的な種組成の変化が観測、Scienceに掲載 • 我々はSEEDSに正式なモデリングチームとして参加し、その特集号であるProg. Ocea. に２本掲載 これまでの鉄散布実験
SEEDS の再現とメカニズムの解析 • 鉄施肥による変化珪藻ブルーム、栄養塩激減、pCO2激減 • 植物プランクトンの優占グループ 羽状目珪藻 中心目珪藻鉄への応答性の異なる２グループの珪藻を明に表現できる生態系モデルを開発 • 鉄施肥から約５日後に珪藻ブルーム開始タイムラグのメカニズムを解析 • 沈降粒子観測期間中(13日間)はわずかしか増加せず、生成された大量の粒子は表層に留まっていた。 観測期間後も含めた鉄施肥の影響の全体像を見積った 羽状目珪藻 中心目珪藻
沈降粒子 動プラ 植プラ 炭酸系 溶存有機物 栄養塩 羽状目：鉄に無反応 中心目：鉄に敏感 普段 ：鉄不足により活性低 鉄施肥：活性が非常に高 これまでは、珪藻を一種(グループ)として取り扱っていた “NEMURO for SEEDS” PL
珪藻２種モデル ブルーム規模：一致 タイミング ：一致 珪藻１種モデル ブルーム規模：一致 タイミング ：早すぎ 珪藻１種モデル、珪藻２種モデル、観測との比較 植物プランクトン １種モデルIN ２種モデルIN ２種モデルOUT 硝酸塩 fCO2
鉄施肥前は、鉄不足により著しく活性が低く、非常にマイナーな中心目ケイ藻が、鉄施肥前は、鉄不足により著しく活性が低く、非常にマイナーな中心目ケイ藻が、 鉄の豊富な環境で、本来の非常に早い増殖速度を示し、急増し始め、 植物プランクトン全体に影響を及ぼすほどメジャーになるまでに時間がかかった。 鉄施肥とブルーム開始までのタイムラグについて 中心目のVmax 増殖速度 Vmax （珪藻全体のVmax） 羽状目のVmax 生物量 中心目の生物量 羽状目の生物量 植プラ全体の活性の指標, Suzuki et al., 2004
植プラ：約40日で元に 戻る 栄養塩：約40日で元 の半分まで再生 輸送生産：20日目頃にピーク、48日頃には元に戻る POCは、48日までの量を100%とすると、観測期間終了後に、その大部分85%が沈降 観測期間(13日間) ブルームのピーク までは捉えられた 観測終了後はどうなったか？ 植物プランクトン Chl.a 栄養塩 Si(OH)4 NO3 100m以深への輸送生産 Opal flux POC flux 積算した輸送生産と基礎生産 SGPP SNPP SPOC flux
鉄と植物プランクトン（SEEDS）のまとめ • 珪藻ブルームが数日後に始まるのは、生理的適応ではなく、鉄に敏感なマイナー種がメジャーになるのに時間がかかるためである。 • 鉄施肥の影響は約40日間ほど続き、観測期間はその全てを観測するには短すぎた。 • 鉄施肥(硫酸鉄350kg, 面積250km2)により、1720 tCの炭素が大気から海洋へ取り込まれ、3870 tCが100m以深へ輸送されたと見積もられた。 • この効果を樹木に換算すると、高さ30mの樹木1900本分に相当する。(武田 per com.)
海洋生態系の亜寒帯・亜熱帯での違い • 亜寒帯域の生態系低温富栄養植プラが多い大型ケイ藻優占 SEEDS KNOT A7 • 亜熱帯域の生態系高温貧栄養植プラが少ない小型植プラ群優占 Chl.a濃度の分布(SeaWiFS年平均値)
なぜ”eNEMURO”を開発する必要があるのか？ • “NEMURO”亜寒帯を想定(A7,KNOT,SEEDSなどで研究)、亜熱帯の再現性は低かった。 • “eNEMURO”1. 亜熱帯で優占する小型生物群を追加2. 温度依存性を亜寒帯グループと亜熱帯グループで変更 • 気候帯毎に生理パラメータを変更することなく、現実的な生態系を再現でき、温暖化に伴う生態系の変化(棲み分けなど)を表現できるようになる。海洋版DGVM (Dynamic Global Vegetation Model)の第一歩!!
拡張版NEMURO “eNEMURO” ケイ藻２グループ化、小型生物群の追加
モデルに与える境界条件 • 気候帯の異なる２つ(A7,B1)を設定
eNEMUROで再現された植プラの棲み分け • 気候帯の違いにより、植物プランクトンの棲み分けが再現されている。
境界条件を徐々に北から南のものへ変化させる境界条件を徐々に北から南のものへ変化させる
水温の変化の与え方を二つ用意 光・混合層・深層栄養 塩濃度は季節変化ありで変化させる 大きく異なる温度依存性 直感的にはこうなりそう!
水温 低高 栄養塩供給 優占種の遷移（年平均） 適遅 北 南 混合層 深適 光量 弱適 • Case１ 水温季節変化なし温度依存性によく似た遷移気候帯による境界は明確季節変化は重ならない • Case２ 水温季節変化ありなだらかな優占種の遷移気候帯による境界は不明瞭季節的に共存共栄している 注：対数プロット、ハッチは季節変化幅
南でも冬には そこそこ頑張れる 北でも夏には そこそこ頑張れる 水温と栄養塩 優占種の遷移(季節毎) 北 冬季の混合により 冬 春 夏 秋 南 全植プラに占める優占率(%) 平均水温 北 亜寒帯グループ 亜熱帯グループ 春のブルーム 南 瞬間的にはどちらかが優占する 植プラの時間スケールが季節変化よりも早いため
棲み分け(eNEMURO)のまとめ • 季節毎に見ると植物プランクトンは、夏には亜熱帯グループが北に、冬には亜寒帯グループが南に張り出すというような、気候帯を越えた広い分布をする。 • 年平均で見ると植プラの棲み分けは、それらの温度依存性が大きく異なる場合であっても、季節的な共生により亜寒帯から亜熱帯にかけてなだらかに遷移する（明瞭な境界はない）。
まとめ１ 「劇変の回避法」としての大規模な鉄散布について • 鉄と植物プランクトンとの関係モデリングにより、CO2吸収量を見積もり、鉄散布時の生態系変動のメカニズムを明らかにした。 • 明らかになった問題点実際には生態系が大きく変化してしまう。今後の課題として、その影響がどの程度なのかを予測する必要がある。
まとめ２ • 植物プランクトンの棲み分けについて海洋生態系では、季節内で素早く応答するため、植物プランクトンは様々な海域で共生できる。陸上生態系と対照的な振る舞いをする（熱帯雨林とタイガ林が季節的に大移動するようなもの）。 • 海洋生態系の温暖化への応答について植プラは、様々な海域に適応できるため、温暖化に対して穏やかに応答するだろう（新たな作業仮説!?）。
