海草、ケルプの藻場、マングローブなどの水生植物は、自らの生息環境を実質的に作り出す能力から、しばしば「生態系エンジニア」とみなされます。水生植物の葉や葦は水の流れを弱め、近くに堆積物が沈積するのを促し、さらに多くの植物が育つ土台を形成します。
こうした水中の森は何百もの生物に隠れ場所を提供し、海岸線を侵食から守る働きもします。しかし、ここ数十年で世界各地の広大な水生植物群落が失われました。米国では湿地1億エーカーに加え、海草やケルプの藻場も数千エーカーが失われています。
沿岸の湿地やマングローブの存続を大きく左右するのが、堆積物の輸送、つまり堆積物が地域内をどのように流れるかです。植物の成長は、海底への堆積物の蓄積に依存します。強い嵐や海流が堆積物を運び去ると、水中の森も流され、海岸線や河岸が侵食にさらされることがあります。
今回、MITの研究者らは、湿地などの水生植物が生育する地域で、堆積物がどのように、またいつ移動するのかを科学者が理解するのに役立つ簡単なモデルを開発しました。研究者らによると、技術者はこのモデルを使って、海草やマングローブなどの水中植物群落をより効果的に回復させる方法を設計できる可能性があります。たとえば、このモデルを使えば、水生植物が侵食されにくい場所を特定できるかもしれません。
「湿地は沿岸地域を守るため非常に重要ですが、侵食されています」と、MIT土木・環境工学科の大学院生、Qingjun Yangは述べます。「このモデルを使えば、応力がどのように変化するかを技術者がシミュレーションし、方程式に基づいて、ここやあそこに植物を植えることが有効かどうかを判断できます。」
Yangと同僚のHeidi Nepf（MIT土木・環境工学科のDonald and Martha Harleman教授）、および博士研究員のFrancois Kergerは、その研究成果を学術誌 Water Resources Research
に発表しました。
流れを捉える
水生環境における堆積物輸送を推定するうえで重要な要素の一つが、「底面せん断応力」です。これは海底で水が及ぼす摩擦で、堆積物が海底をどのように移動するかを科学者が把握する手がかりになります。既存のモデルや方程式は、植物のない水中環境について底面せん断応力を計算します。しかし、植物がより複雑な流れや渦を生み、堆積物輸送の様子を捉えにくくするため、植生のある地域に適用できるモデルはありませんでした。
Yangと同僚らは、まず葦のような単純な環境で堆積物輸送を再現する制御実験を設定し、植生のある環境における底面せん断応力のモデル開発を目指しました。
底面をプラスチックで覆った長さ10メートルの大型循環水槽に、研究者らは頑丈な湿地の葦を模した細いダボを何千本も立てました。次に、水中にポリマー粒子を投入し、ポンプを動かして水槽内の水を循環させました。
レーザードップラー流速測定法と呼ばれる手法を用い、さまざまな深さと位置から一対のレーザーを水槽に照射しました。研究者らはレーザーの後方散乱、つまり反射光を使って、特定の位置における粒子の速度を算出しました。粒子は非常に小さいため、その速度は周囲の水塊、すなわち水分子の集まりの速度と等しくなります。続いて研究者らは、速度の測定値を、水塊同士の間および底面で生じる摩擦、つまり応力の推定値に換算しました。
海底を形づくる
複数回の試験の後、研究者らは、水塊が別の水塊に及ぼす摩擦が、深さに対して線形に変化する関係に似ていることを観察しました。水塊は深いほど大きな摩擦を受け、応力は底面で最大となりました。この線形関係は、「壁法則」と呼ばれる、確立された底面せん断応力の理論とは対照的です。この理論は主に植生のない地域に適用されてきたもので、水生環境では深さにかかわらず底面付近の応力が一定だと一般に仮定します。
Yangは、グループの実験で観察された線形の応力に基づいて、底面せん断応力の方程式を開発しました。さらにこの方程式を用い、底面より上の任意の位置における水塊の速度から、底面の摩擦を正確に予測しました。
Yangによると、このモデルが最も適しているのは、比較的滑らかな底面と、海底から水面まで伸びる葦のような細長い抽水植物がある環境です。
「このモデルを使えば、堆積物が流れ始めるのにどれだけのエネルギーが必要か、また流れがどれほど速くなければならないかを予測できます」とYangは述べます。「流れが速いほど、底面にかかる摩擦は大きくなり、堆積物は動き始めやすくなります。そうすれば土地がどのように変化するか、また大きな侵食を受けずに植物や土壌が存続できるよう、どのように植生や土壌を形づくり、設計すればよいかが分かります。」
「誰もが想像できるように、植物があると流れのパターンは非常に複雑になります。植物群落を通る流れ場に関係する統計量をモデル化し、統計的な観点からしか問題に取り組めません」と、研究に関与していないミラノ工科大学の土木工学教授、Francesco Ballioは述べます。「このモデルは、河川や湿地など、植生のある水域システムの流れ場を計算するためにすでに利用できます。……その結果、水域の管理や再生に用いる、より複雑な生態水理学モデルの構成要素として組み込むことも可能です。ただし、そのためには検証が必要です。」
この研究は、一部、米国国立科学財団の助成を受けました。 この記事はMIT News
との協力により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムによる見解への賛同を意味するものではありません。 アジェンダの最新情報を受け取るには、週刊ニュースレターにご登録ください
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著者：Jennifer ChuはMIT Newsの寄稿ライターです。
