森林の樹木多様性と生態系機能 黒川　紘子　　東北大学大学院生命科学研究科

 多様性と生態系機能  

 多様性と生態系機能を評価する指標ー植物形質の重要性  

 植物形質情報の蓄積 @Y.Takeuchi

森林の生態系機能

地上部（光合成）

地下部（分解）

一次生産、炭素固定

土壌形成、炭素／栄養塩循環 熱帯雨林の断面図  (Whitmore,  T.C.  1984より）

生態系サービス：人間が生態系から得られる利益

ミレニアム生態系アセスメント（http://www.millenniumassessment.org/en/about.slideshow.aspx）に加筆

調節サービス 生態系プロセスの制御により得られる利益

気候の制御

病気の制御

洪水の制御

無毒化

供給サービス 生態系が生産する

モノ

• 食糧

水

燃料 • 繊維

• 化学物質

遺伝資源

文化サービス 生態系から得られる非物質的利益

精神性

リクリエーション

• 美的な利益

発想

教育

• 共同体としての利益

象徴性

基盤サービス 他の生態系サービスを支えるサービス

土壌形成 栄養塩循環 一次生産

光合成 水循環

多様性と生態系機能の関係

種数

Tilman  et  al.  (2002)  . In  Loreau,  M.  et  al.  eds.  “Biodiversity  and  Ecosystem  Func:oning.  Synthesis  and  Perspec:ves”  

h9p://www.cedarcreek.umn.edu/

現存量（g m-2）

生物多様性を操作する実験

  小規模な草地実験系   実験区内の種数を操作   一次生産量を測定

多様性と生態系機能の関係

種数 現存量の時間的安定性

Tilman  et  al.  (2006)  Nature h9p://www.cedarcreek.umn.edu/

生物多様性を操作する実験

  小規模な草地実験系   実験区内の種数を操作   一次生産量を測定

Costanza  et  al  (2007)  Ecological  Economics  

植物の多様性と生産性  （森林を含む野外データのメタ解析）

地上部 純一次生産量

降水量 種数

生態系機能における多様性の効果は？  

 一般的にプラスの効果が多いが、まだわからない部分も多い（とくに生態系機能の安定性について）  

 マイナスの効果は殆どない  

Balvanera  et  al.  (2006)  Ecology  Letters

効果  -­‐1                                      0                                  1

生産性

栄養塩循環

浸食の制御

多様性の調節  

生態系機能の  安定性  

「多くの様々な」種がいることの意味

生態特性が少しずつ異なる

成長速度  (%

 yr-­‐1)

死亡率  (%  5yrs-­‐1) Wright  et  al.  (in  press)  Ecology

同じ形  =  同じ環境条件を利用、また生態系機能に与える影響が同じ（機能群が同じ）  

生態系の機能量にプラスの効果

様々な環境条件を利用できる

機能群が多様 機能群が一つ

生態特性の異なる種が多くいると？  

生態系機能に与える影響が様々（機能群が多様）

高い生態系機能 低い生態系機能

生態特性の異なる種が多くいると？  

環境変動に対する  反応が様々  

環境変動に対する  反応が似ている  

環境変動に対して安定   環境変動に対して不安定  

Elmqvist  et  al.  (2003)  Fron:ers  in  Ecology  and  the  Environment

同じ形  =  生態系機能に与える影響が同じ（機能群が同じ）  

同じ色  =  環境変動に対する反応が同じ  

予測不確実な環境変動に適応できる

機能群内の種の環境変動に対する反応が様々

生態特性を指標する植物形質  ー機能形質ー

 植物の生態特性（成長速度、生存率、繁殖特性、落葉分解速度、環境変動に対する反応、など）を反映   生態系機能に影響する  

葉サイズ、形  葉重/面積比  養分  防衛物質  

材密度 種子サイズ  散布様式

指標としての形質（１）  光合成速度・葉の寿命にかかわる形質

Wright  et  al.  (2004)  Nature:  2,548種、219科、175サイト(GLOPNET  dataset/ARC-­‐NZ  VegetaXon  FuncXon)  を改変  

LMA

指標としての形質（２）  成長速度にかかわる形質

Poorter  et  al.  (2008)  Ecology

成長速度(cm  cm

-­‐1  yr-­‐1)  

成長速度(cm  cm

-­‐1  yr-­‐1)  

葉面積/葉重(mm2  mg-­‐1) 材密度(g  cm-­‐3)

Cornwell  et  al.  (2008)  Ecology  LeBers

 どの生態系でも、落葉分解速度は種の資源獲得戦略に関わる性質（Ｎ，Ｐ、ＬＭＡ，リグニン、炭水化物）に規定される

指標としての形質（３）  落葉分解速度にかかわる形質

分解を促進

生葉の性質  

窒素  濃度

葉重/葉面積比

落葉の性質  

窒素濃度

リン濃度

リグニン濃度

炭水化物  濃度

分解を抑制

プロットデータ 樹木群集構造／動態  

生態系機能 純一次生産（炭素吸収）  炭素／栄養塩循環（炭素貯留）  

植物機能形質データ LMA,  窒素含量→光合成速度  フェノール類含量→被食率  リグニン含量→分解速度  

機能形質による多様性・生態系機能の評価

多様性損失による生態系機能量変化の予測

LMA  (葉重／葉面積）

光合成速度

原生林   二次林  リグニン含量の多い樹木（材として有用）が選択的に伐採される

リグニン含量 リグニン含量

モデル計算により、分解速度が○○%速くなり、炭素貯留が△△%減る。

モデル

炭素貯留の予測（例）

原生林 若い焼き畑林  （<20年）

古い焼き畑林  （30~50年）

択伐林

葉重／葉面積比(g  m-­‐2) 葉重／葉面積比(g  m-­‐2) Kurokawa  et  al.  (in  revision)  

個体数

個体数

127

99 98

102

伐採や焼き畑をすると、樹木群集の光合成/成長速度に関わる形質が変化する

森林利用の影響を評価する(1)  光合成/成長速度に関わる形質の変化

森林利用の影響を評価する(2)  落葉分解速度に関わる形質の変化

原生林 若い焼き畑林  （<20年）

古い焼き畑林  （30~50年）

択伐林

リグニン濃度(%) リグニン濃度(%) Kurokawa  et  al.  (in  revision)  

個体数

個体数

22.8

18.8

19.6 19.6

伐採や焼き畑をしても、樹木群集の落葉分解速度に関わる形質は大きく変わらない

筑波山のブナ林衰退。冬の高温と降水量の減少が原因といわれている

温暖化の影響  ブナの分布域の変化

                       (A) 実際のブナの分布、(B) 現在の気候条件から推定される分布域 (C) CCSR/NIES シナリオによって推定される 2091-2100の分布 (D) RCM20 シナリオによる 2081-2100の分布.      

：分布に適する場所  

ブナ林の分布に適した地域の減少

ミズナラ、クリ、コナラなどの落葉広葉樹に交替

機能形質データを使って、生態系機能の変化を予測

 現在集約されているデータ

• >64,000種  • >700形質  • >2,500,000のデータエントリー（うち1,069,270データは地理的情報もあり）  • 2,676地点  

 主要な形質 • 葉の面積  • SLA  • 葉の寿命  • 光合成能  • 葉の窒素濃度  

• 葉のリン濃度  • 呼吸  • 材密度  • 窒素固定能  • 成長型

• フェノロジー  • 光合成経路  • 最大植物高  • 植物の寿命  • 種子乾重   etc…

形質情報の蓄積  全球規模植物機能形質データベース：TRY  

IGBP-­‐DIVERSITAS-­‐QUEST  iniXaXves

形質情報の蓄積  日本における取り組み：  

J-­‐BON（日本生物多様性観測ネットワーク）   GEO  BON（地球観測に関する政府間会合生物多様性観測ネットワーク）といった国際的な取り組みに呼応して、2009年に組織された科学者を中心とする生物多様性観測に関するネットワーク  

  生物多様性損失の現状を把握し、気候変動との相互作用や人間社会への影響を評価し、生物多様性の保全・管理・持続的利用のための対策に科学的裏付けを与えることが主目的

•  生物多様性に関する国内の政府機関、研究機関、研究プロジェクト、NGO、研究者などの連携を促進し、生物多様性観測データを関係者が広く共有し、協力して分析を進める  

•  これまでのプロジェクトで十分に達成できていない課題を特定し、新たなプロジェクトを組織する  

GEO:  地球観測に関する政府間会合   2002年のG8の提案により、Global Earth Observation System of Systems (GEOSS)が発足

GEOSS 全球地球観測システム

生物多様性

生態系

GEO Biodiversity Observation Network (GEO-BON)

Ecosystem extent

Ecosystem attributes Distribution

of species

Abundance of populations

Uses of organism

Cladistic relationships

Species Interactions

EC-06-02 Ecosyst classif task GBIF

National Museums & Herbaria

CBOL

CoML

BirdLife Intl

GOOS

Natl resource & conservation agencies

IUCN

DA-07-03 Global Land Cover

FAO FRA

BI-07-02 Invasive species

BI-06-03 Specimen data

AG-06-04 Global Forest cover

GOFC/GOLD

GTOS USGS TNC NASA ESA

Biodiversity Observation

Network

Lay and expert observers

Lay and expert observers

GBIF

National Resource agencies

FAOStat Taxonomic specialists

GISP

GEO-BON: 多くの観測が行われている 生態系レベル 種レベル

遺伝子レベル

コーディネーター：DIVERSITAS

GEOBON Conference

1st AP BON

2008

2009

2010

2011

2012

2011 – 2015の実行計画を作成中

GEOBON Meeting 3rd AP BON 2nd AP BON

1st J BON

2nd J BON

J BON, AP (Asia-Pacific) BONの歴史

形質情報の蓄積  日本における取り組み：  

J-­‐BON（日本生物多様性観測ネットワーク）   J-­‐BONワーキンググループ

–  1:  遺伝子・系統多様性 –  2:  陸上種モニタリング –  3a:  森林 –  3b:  農地・草原・里山 –  4:  陸水 –  5:  海洋 –  6:  保全・再生・生態系サービス –  7:  リモートセンシング –  8a:  評価・予測 –  8b:  インターフェース

植物形質データベース構築に関するネットワーク形成

 2009年3月 日本生態学会盛岡大会 企画集会「植物機能的性質の統合に向けて」

 2010年10月 研究集会／ワークショップ「植物性質データベースの構築と活用」

湖沼・湿地  

草原  

森林  

準コアサイト  コアサイト  

JaLTER  site  network  (April  2008)  

日本長期生態学研究ネットワークJapan  Long-­‐Term  Ecological  Research  Network  (JaLTER)  

モニタリングサイト  1000    

まとめ  予測不確実な環境変動（温暖化など）の影響を緩和するために、多様性の損失を避ける必要がある  

　　特に人為的撹乱は特定の性質の種を減らす可能性があるが、温暖化の影響を緩和するにはいろいろな特性の種を残しておく必要がある  

　　（→生態系の温暖化適応策）  

 生態系機能を指標するための形質データの蓄積が必要　  　　多様性の機能や森林管理の影響を定量的に評価／予測するには、簡単に測定できる生態系機能の指標が必要  

　　（→生態系サービスの定量化や評価は、保全や利用の為の経済メカニズム導入には不可欠）  

  REDD+への貢献  　　温暖化緩和策とのコベネフィットを期待した「森林の減少・劣化を防止することによる森林からの温室効果ガスの排出削減(REDDおよびREDD+)」の導入に欠かせない評価やモニタリング手法(MRV:measuring,  reporXng  and  verificaXon)に貢献できる