研究者らは、世界で唯一の密閉型熱帯雨林であるアリゾナ州のバイオスフィア2を、4か月間にわたる制御された干ばつと回復の過程に置きました。
「水、大気、生命のダイナミクス」、略称WALDと呼ばれるこの実験は、干ばつと再湿潤の過程全体を通じて、可能な限りのデータを収集することを目的としていました。
実験生態系により、研究者は生態系全体がストレスに対して示す包括的な反応を理解することができます。
研究結果は、Scienceに掲載されており、熱帯雨林の炭素貯蔵量が約70％減少したことが明らかになりました。これは、気候変動が進行する中で、森林が大気中の二酸化炭素を吸収・貯蔵する能力に対する懸念を裏付けるものです。
一方で研究者らは、複雑に絡み合った水利用の戦略と土壌の相互作用が、極端な干ばつに直面しても森林の安定性を支えうることも明らかにしました。
「この森林は、ある意味で驚くほど干ばつに対して強靭でした」と、本プロジェクトの三人のリーダーの一人であり、アリゾナ大学農業生命科学カレッジ内の同大学天然資源・環境学部の助教授であるローラ・メレディス氏は述べています。
同大学のバイオスフィア2にあるガラス張りの熱帯雨林は、テニスコート7面分の広さに90種の植物が生育しており、研究者らが生態系全体の干ばつを再現することを可能にしました。
「水、大気、生命のダイナミクス」と呼ばれるこの実験は、水、大気、生命のダイナミクス（略称WALD。ドイツ語で「森林」を意味します）は、干ばつと再湿潤の過程全体を通じて、可能な限りのデータを収集することを目的としていました。研究者らは、ほぼ2マイル（約3.2km）にわたるテフロン製チューブと、133を超えるセンサーを、約3エーカーの熱帯雨林全体に配置し、大気中および植生の炭素プールから、微生物叢や深層水土壌のプロセスに至るまで、あらゆる項目の測定を同時に行いました。
「安定同位体を用いて、通常時と深刻な干ばつ時の生態系における炭素と水の移動を追跡しました。その結果、植物と生態系の相互作用について驚くべき知見が得られました」とメレディス氏は述べています。
「重要なのは、個々の植物がすべて同じように干ばつに反応したわけではないということです。干ばつに対して非常に敏感で、安全策として重要な炭素および水の循環をすぐに減速させた植物もあれば、より干ばつに耐性があり、より危険な干ばつ条件下でも機能を維持した植物もありました。」
実験において研究者らは、植物の反応を次の基準で分類しました。干ばつ耐性および干ばつへの感受性を、大型の樹冠を持つ樹木と下層植生の双方について分類しました。
「大型で干ばつに耐性のある樹木と、干ばつに敏感な樹木との間で、最も驚くべき反応の一つを観察しました」と、ドイツのフライブルク大学で生態系生理学の教授を務め、本プロジェクトのリーダーの一人でもあるクリスティアーネ・ヴェルナー氏は述べています。
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大型で干ばつに敏感な樹木は一般的に最も多くの水を消費し、特に表層土壌からの取水が多くなります。干ばつ時に表層土壌が最初に乾燥したため、これらの樹木は水不足の影響を最も早く、最も深刻に受けたと、ヴェルナー氏は説明しています。研究者らは、干ばつに敏感な樹木はただちに深層土壌の水資源を利用するだろうと想定していました。
「しかし実際には、これらの樹木は水の消費を大幅に減らし、非常に極端な干ばつの下でようやく深層の水の蓄えに頼ったのです」とヴェルナー氏は述べています。「このようにして、深部にある水の蓄えを可能な限り長く温存していました。」
大型で干ばつに耐性のある樹木は、樹冠の葉を最も長く保持し、継続的な日陰を提供するとともに、下層植生が表層土壌のさらなる乾燥にさらされることを防いでいました。
「植物の中で干ばつへの反応が多様であったことは、干ばつが最も深刻な時期においても、また雨の到来によって水分が再び利用可能になった際に素早く対応する点においても、生態系全体の炭素と水の循環機能の維持に役立ちました」とメレディス氏は説明しています。
干ばつ・ストレスの増大に伴い、森林システムにおける炭素貯蔵は著しく減少した一方で、植物はより多くの揮発性有機化合物（VOC）を放出しました。VOCは、土壌微生物と植物の間のコミュニケーションやシグナル伝達に関与しています。VOCは、植物がストレスに対処する上で特に重要です。
結果によると、イソプレン、ヘキサナール、モノテルペンを含むさまざまなVOCの放出が連続して起こりました。このうちモノテルペンは、雲の凝結や降雨の形成を支えることができ、干ばつに対する防御機構として働く可能性があります。
植物は大気中へのVOCの強力な放出源でしたが、土壌中の微生物がそれらの化合物の一部を捕捉し、熱帯雨林の上空の大気中に放出される総量を軽減しました。
「植物のVOC排出に対する土壌微生物のこの相殺的な役割は、VOC排出深刻な干ばつ下においても持続しており、大気プロセスにおける微生物活動の役割をより適切に考慮する必要があることを示しています」とメレディス氏は述べています。
WALD研究チームは、実験から得られたデータの分析を引き続き進めており、現在は生態系の最も小さな規模、すなわち微生物の生命に焦点を移しています。チームは、土壌および根の微生物叢のゲノムおよびメタボロームのプロファイルを把握することにより、これらの小規模における炭素と水の循環の仕組みを明らかにすることを目指しています。
「バイオスフィア2が有するような実験生態系は、研究者が生態系全体のストレスに対する包括的な反応を理解することを可能にします」とメレディス氏は述べています。「地球規模の変化に応じた生態系の機能を理解し予測するためには、観測研究とモデリング研究の両方において、植物の機能群と、土壌および大気との相互作用を考慮する必要があります。」
