気候変動が紅葉を早める理由

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新たな研究により、気候変動によって秋の葉の色づきが早まっていることが明らかになりました。
この変化は、光合成の際に樹木が吸収できる炭素量に起因するもので、生態学の教授であるフィリップ・ジェイムズが解説します。
落葉樹が1年間に吸収できる炭素量には上限があり、その上限に達すると葉が色づき始めます。
春から夏の生育期における光合成活動が10%増加するごとに、樹木は平均して8日早く葉を落とします。

北半球では日照時間が短くなり気温が下がると、葉が色づき始めます。葉がまだ木に残っている間は見事な秋の彩りを楽しむことができ、その後は散歩の際に赤、茶、金色の絨毯を踏みしめて歩くこともできます。

春に気温が再び上昇すると、樹木の生育期が再開します。温暖な時期を通じて、樹木は大気中の二酸化炭素を取り込み、それを複雑な分子として蓄え、副産物として酸素を放出します。これを一言で言えば、光合成のプロセスです。光合成が盛んになるほど、より多くの炭素が閉じ込められます。

二酸化炭素が気候変動の主な要因であることはよく知られており、植物によって大気中からより多くの二酸化炭素が取り除かれるほど好ましいといえます。気候が温暖化して生育期が長くなるにつれ、一部の研究者はと示唆しており、樹木や他の植物によって、これまでよりも多くの二酸化炭素が吸収されるだろうと考えています。しかし新たな研究は、この理論を覆すものであり、気候変動への適応方法に大きな影響を与える可能性があります。

限界に達する

スイス連邦工科大学のデボラ・ザニ氏が率いる研究者らは、秋に樹木の葉が色を変える時期が、前年の春と夏における植物の生育によってどの程度決まるのかを調査しました。

従来、気温と日長が、葉が色づいて落ちる時期を決める主な要因であると考えられてきており、そのため一部の科学者は、気温の上昇によってこのプロセスが季節の後半まで遅れるだろうと想定してきました。セイヨウトチノキ、シラカンバ、イングリッシュオークを含むヨーロッパの落葉樹種を研究した結果、新たな研究の著者らは、各樹木が季節ごとにどれだけの炭素を吸収し、それが最終的に葉が落ちる時期にどのように影響したかを記録しました。

光合成の速度が上がるにつれ、葉は年の早い時期に色づいて落ちるようになりました。Image: Science Magazine

使用したデータは汎ヨーロッパ生物季節学プロジェクトのもので、最長〜65年間にわたり一部の樹木を追跡してきたこのプロジェクトのデータを用いた長期観測研究において、研究者らは光合成の速度が上がるにつれ、葉は年の早い時期に色づいて落ちることを確認しました。春から夏の生育期における光合成活動が10%増加するごとに、樹木は平均して8日早く葉を落とします。

気候制御された環境下で行われた5年生のヨーロッパブナとシモツケ属の樹木を用いた実験により、この予想外の結果の背景にあるものが示唆されています。これらの試験では、樹木を直射日光、半日陰、全日陰の環境に置きました。結果から、樹木が一生育期において行える光合成量には上限があることが示されています。水をバケツに満たすことに例えてみてください。ゆっくり注ぐこともできれば速く注ぐこともできますが、バケツがいっぱいになると、それ以上水を入れる場所はなくなります。

この研究により、落葉樹が1年間に吸収できる炭素量には上限があり、その上限に達するとそれ以上は吸収できないことが明らかになりました。その時点で、葉が色づき始めます。この上限は、栄養素、特に窒素の利用可能性と、植物自体の物理的構造、特に水や溶解した栄養素を運ぶ内部の管によって決まります。窒素は植物が成長するために必要な重要な栄養素であり、総生長量を制限するのはしばしば利用可能な窒素の量です。そのため、農家や園芸家はこの制限を克服するために窒素肥料を使用しています。

これらの制約を総合すると、生育期における炭素の吸収は、樹木および草本植物において自己調節的な仕組みとなっていることを意味します。吸収できる炭素量には限りがあります。

秋の紅葉が早まる

大気中の炭素濃度が上昇している世界では、これらの新たな知見は、気温の上昇と生育期の延長によって、温帯の落葉樹がより多くの二酸化炭素を吸収できなくなることを示唆しています。研究の予測モデルによると、樹木の生育期が22日から34日延びると予想される2100年には、葉が木から落ちる時期は現在より3日から6日早くなると予測されています。