足元の枯れ枝や葉っぱには、実は地球規模の変化の大きな秘密が隠されているのです。

制作：中国科学普及協会

著者: 張雲宇、孫涛（中国科学院応用生態研究所）

プロデューサー: 中国科学博覧会

編集者注：科学技術の仕事の謎を解明するために、中国の最先端技術プロジェクトは「私と私の研究」と題する一連の記事を立ち上げ、科学者に独自の記事を書いて科学研究の経験を共有し、科学の世界を創造するよう呼びかけました。科学技術の最前線に立つ探検家たちと一緒に、情熱、挑戦、驚きに満ちた旅に出ましょう。

空と大地は暗く黄色く、宇宙は広大で無限です。約38億年前、地球上に最初の生命が誕生しました。数十億年後、約240万年前にホモ・ハビリスが石器を使い始め、人類が誕生しました。

生命の広大な旅路を振り返ることは、生命と環境の共存の歴史を俯瞰することでもあります。何百万もの生物の誕生、進化、そして絶滅を知った後、私たちは疑問に思わずにはいられません。私たちが住んでいる環境とは何なのでしょう?自然とは何でしょうか？私たちと自然との関係は何でしょうか?私たちは自然とどう付き合っていけばいいのでしょうか？

黒龍江省大興安嶺の冬の雪景色（冷温帯林）

（写真提供：veerフォトギャラリー）

人間と自然の関係についての研究は古代から行われてきました。風、霜、雨、雪、日の出と日の入り、月の入りなどを人々が長い間観察した結果、有名な「二十四節気の歌」が生まれました。しかし、気候は静止しているわけではなく、特に地球規模の変化がますます顕著になっている今日ではなおさらです。

18 世紀の産業革命以来、窒素肥料の大量使用、廃棄物による汚染、温室効果ガスの増加、土壌汚染など、多くの人為的な問題が私たちの住む環境に大きな影響を与えてきました。 「地球規模の変化の中で、私たちが依存している自然をいかに守るか」は、私たちの世代が向き合わなければならない課題です。

ゴミの分解

太陽からの光エネルギーと空気中の二酸化炭素（CO₂）は、植物の葉での光合成によってデンプンに変換され、そこからエネルギーと物質が生態系に入り込みます。秋になると、木々は枯れた枝や葉（落ち葉）を落とします。これらは土壌生物の餌となり、土壌中の動物、菌類、細菌によって分解されます。エネルギーは徐々に失われ、物質の一部は循環し続け、物質の一部は地中に封じ込められます。

ある意味で、分解は光合成の「逆のプロセス」です。分解がなければ、地球はさまざまな生物学的残骸で満たされ、エネルギーの流れと物質の循環は停滞するでしょう。分解速度が速まると、土壌に蓄えられた炭素がCO2として放出され、温室効果と地球温暖化が悪化します。

海、川、草原、砂漠、沼地...地球上の複雑な生態系の中で、森林は最も複雑で完全かつ「回復力のある」生態系です。北半球の温帯林の土壌には大量の炭素が蓄えられており、これは無視できない巨大な炭素プールとなっています。

色とりどりの枯れ葉と枝

（写真提供：veerフォトギャラリー）

長年にわたる多くのゴミ分解実験を経て、学術界では気候、分解者、ゴミの質がゴミ分解速度の主な調節因子であると広く信じられており、これに基づいてゴミの分解メカニズムを説明するために「ゴミ分解三角形」を提唱しています。

気候要因の中で、気温と降水量は地球規模での分解の主な要因です。分解者には細菌、菌類、土壌動物などが含まれます。分解剤の活性が高いほど、分解速度は速くなります。落葉の品質には、落葉の化学的性質（化学物質の種類や含有量）と構造的性質（葉の形状など）に大別できる、さまざまな内容が含まれます。

その中でも窒素含有量は非常に重要な指標です。森林の分解者は主に落葉を分解することで生存に必要なエネルギーと窒素を得ているため、「落葉に含まれる窒素含有量が多いほど分解速度が速い」と古くから信じられてきました。これらの結論は主に短期的な実験に基づいていますが、ゴミの分解は数年から数十年にわたって続くゆっくりとしたプロセスです。

同時に、現在の地球規模の変化では、化石燃料の燃焼と肥料の過剰使用により、大量の窒素元素が生態系に入り込み、地球の窒素沈着プロセスを加速させ、植物の窒素含有量と落ち葉の質にも影響を与え、それによって分解速度に影響を与える可能性があります。

温帯林における10年間の落葉分解実験

落葉樹の窒素含有量は樹種によって異なります。そこで、私たちの瀋陽応用生態研究所の研究者たちは、中国の温帯林に生息する62種の木本植物から落ち葉を収集し、10年間にわたる現地分解実験を実施しました。実験の最初の 5 年間では、窒素濃度の高いゴミは窒素濃度の低いゴミよりも速く分解しました。

落ち葉

（写真提供：veerフォトギャラリー）

しかし、6年目からは、このパターンが逆転し、窒素含有量の高い落葉の分解率は徐々に低下しました。分解終了時、窒素含有量の高い種の平均落葉残渣は窒素含有量の低い種の1.78倍でした。これは、窒素含有量の少ないゴミの方が分解度が高いことを示しています。

分解微生物の残渣はアミノ糖で表現できます。上記の結果の考えられる理由と、このプロセスにおける分解者の活動を探るために、この実験では同位体を使用して落葉樹林内のアミノ糖を標識しました。 6年目から、落葉残渣の質量値はアミノ糖濃度と正の相関関係を示しました。

上記の 2 つの結果は、実験中に何が起こったかを説明しています。窒素含有量の高いゴミは多くの微生物分解者を引き付けたため、初期段階で急速に分解しました。分解が進むにつれて、多くの微生物の産物と残留物が窒素含有量の高い落葉の上に蓄積し、そこで固く結合してそれ以上の分解を阻害しました。したがって、実験プロセスは逆転し、窒素含有量の高いリターの分解は窒素含有量の低いリターに比べて不完全でした。

上記の規則は同じ温帯林の樹種にも適用されますか?

私たちは、葉の質が大きく異なる2種類の樹木（Acer truncatumとQuercus mongolica）を選択し、6年間の葉面窒素施肥実験を実施しました。両樹種の6年間の分解期間中、窒素を豊富に含んだ処理を施した葉はより速く分解しました。しかし、3年後にはこれらの葉の分解速度は鈍化し始めました。これは、同じ温帯樹種内でも、窒素濃度と分解の関係が時間の経過とともに逆転する可能性があることを示唆しています。

Acer pictum 亜種単核症

(画像出典: 中国植物画像ライブラリ)

ミズナラ（Quercus mongolica）

(画像出典: 中国植物画像ライブラリ)

しかし、上記の実験はすべて私の国で実施されました。では、このルールは世界中の温帯林でも有効なのでしょうか?

チリ、コルコバード国立公園の温帯林

（写真提供：veerフォトギャラリー）

私たちは、公開されている長期分解実験 32 件を収集し、120 種の 437 件の測定値のデータベースを構築し、北方林と温帯林の両方で落葉窒素含有量と落葉残留質量の間に一般的な関係があるかどうかを初めて検証しました。

データベース内の落葉の窒素濃度範囲は約 11 倍異なりますが、結果は、異なる樹種の落葉の窒素含有量が落葉の残留質量と依然として正の相関関係にあることを示しています。これは、世界中の北方林と温帯林において、落葉樹の窒素含有量が高いほど、分解によって生成される落葉樹の残留質量が大きくなることを意味します。

落葉窒素含有量と分解速度の関係は逆転する可能性がある

情報革命の現代において、科学者は日々の天気予報、都市開発が土地に及ぼす影響、農業や畜産業の管理、気候シミュレーション、さらには地球そのもののシミュレーションなど、さまざまなモデルを使用して予測を行っていますが、モデルは完全に正確というわけではありません。モデルを活用するには、科学的事実に準拠したフレームワーク、完璧なパラメータ設定、十分なデータがすべて不可欠です。

多くの既存の生態系モデルや地球システムモデルでは、落葉窒素含有量と分解速度の関係は正の比例関係として決定されることが多い。しかし、私たちの研究結果によると、この正の比例関係は時間の経過とともに逆転することがわかりました。

環境に優しい世界、グリーンワールドコンセプト

（写真提供：veerフォトギャラリー）

初期分解に影響を与える要因に基づいて長期的な分解のダイナミクスを予測すると誤解を招く可能性があるため、関連する研究で、落葉窒素含有量が分解速度に及ぼす段階的な影響を組み込むために、関連するパラメータを変更する必要があるかもしれません。さまざまな分解段階における落葉マトリックス窒素含有量の対照的な影響は、大気中の窒素沈着量の増加、気候条件の変化、およびその他の環境変化の条件下での将来の陸上生態系の炭素循環を理解し、予測を改善するために重要です。

誰かが疑問を投げかけるかも知れません。炭素と同様に、窒素も自然界では有機状態と無機状態で存在することが知られています。では、どのような実験で「実際の」窒素沈着をシミュレートできるのでしょうか?有機窒素と無機窒素の区別は結果に影響しますか?窒素の分解プロセスにはいくつの経路がありますか?他の要素と相互作用しますか?

私たちが見る限り、前方にはほんの少しの距離しかありません。しかし、濃い霧の向こうに、希望を持つ人々を孤独な真実が待っていることは、私たちにはまだ分かります。

参考文献:

[1] MA Bradford、B. Berg、DS Maynard、WR Wieder、SA Wood、「落葉分解を支配する主要な要因の理解」[J]。生態学ジャーナル、2016年、104、229-238。

[2] AMチューリング。コンピューティング機械と知能[J]。マインド、1950年、49:433-460。