科学者の「台帳」の宝庫が森林の炭素収支を記録するのに役立つ

森林生態系は炭素隔離のスーパーマンであるが、実は炭素を排出している。

森林について話すとき、まず頭に浮かぶのは、青々とした枝と葉を持つ背の高い木々です。森林は陸上植物の大きなグループであり、大気中の二酸化炭素を吸収し、光合成によって酸素を放出します。彼らは陸上生態系における「炭素固定のスーパーマン」であり、天然の酸素バーであり、二酸化炭素などの温室効果ガスによる気候温暖化の緩和に重要な貢献をしてきました。

これを裏付ける証拠もあります。中国科学院が実施した「気候変動対応のための炭素収支認証と関連問題」（以下、「炭素特別プロジェクト」という）の「生態系の炭素隔離」プロジェクトに関する研究によると、中国の森林生態系は炭素隔離の主体であり、炭素隔離の約80％を占めていることが明らかになった。

図1 森林生態系

（写真提供：veerフォトギャラリー）

しかし、私たちはしばしば一つの問題を見落としています。それは、森林生態系は光合成によって二酸化炭素を吸収し、炭素を固定するだけでなく、実際には呼吸によって炭素を放出しているということです。

いわゆる「炭素収支」は、炭素吸収量から炭素排出量を差し引くことによって得られます。炭素吸収量が炭素排出量を上回る場合、炭素吸収源として現れ、これを通常森林炭素吸収源と呼びます。炭素排出量が炭素吸収量よりも多い場合、炭素源として現れます。

炭素隔離はそれほど単純ではありません。 「収支計算」を計算してみよう

森林の炭素吸収源を確保するには、炭素吸収量が炭素排出量より大きくなければなりません。それでは、この「収支計算書」の計算方法を見てみましょう。

森林の炭素吸収源は、森林生態系の炭素循環の各構成要素の大きさによって測定されます。植物が光合成によって大気中の二酸化炭素を吸収して固定する有機炭素の量が、総一次生産性 (GPP) を形成します。森林の炭素吸収源の価値を計算するには、炭素排出量を差し引くことも必要です。

まず、植物の地上部と地下根の呼吸消費量を差し引いて、純一次生産性（NPP）に変換する必要があります。純一次生産性は、具体的には、植物の地上部および地下部のバイオマスの年間成長と、落葉、枝、花、果実などの落葉の量として表され、直接測定することができます。

第二に、植物は土壌上で生育し、完全な生態系として、土壌微生物の従属栄養呼吸の消費も差し引いて、最終的に純生態系生産性（NEP）、つまり森林の炭素吸収源を得る必要があります。

もちろん、より広い時間的・空間的範囲を考慮すると、さまざまな自然および人為的干渉（火災、害虫や病気、伐採など）によって引き起こされる非呼吸性炭素放出を差し引くことも必要です。

図2 森林生態系における炭素循環の模式図

（画像出典：著者自作）

森林の炭素排出において、土壌が二酸化炭素を生成し大気中に放出するプロセスは、土壌呼吸（つまり土壌炭素排出）と呼ばれることが多く、主に有機物を分解する微生物の従属栄養呼吸と根の独立栄養呼吸が含まれます。

土壌炭素排出量の測定では、通常、一定期間土壌表面を空気室で覆い、時間の経過に伴う二酸化炭素濃度の変化を測定することで土壌炭素排出率を計算します。現在、二酸化炭素濃度の測定は、赤外線ガス分析法またはガスクロマトグラフィー法によって一般的に行われています。土壌呼吸は地下の「ブラックボックス」であり、依然として大きな不確実性が残っています。

この説明は非常に複雑であり、明確に理解するには科学者の助けが必要です。

図3 土壌呼吸測定室

（写真提供：著者撮影）

森林生態系データベース: 炭素収支の宝庫

私の国は森林生態学の分野で多くの研究を行ってきました。

先人の研究成果を体系的に整理・集約し、バイオマスデータベース（Luo et al., 2014）、落葉データベース（Jia et al., 2016）、土壌炭素排出データベース（Sun et al., 2022）など、中国の森林生態系の炭素循環のさまざまな構成要素のデータベースや、森林資源目録データ、炭素特別調査データを構築しました。数世代にわたる科学者による現地調査やサンプル区画での測定のたゆまぬ努力の結果、炭素吸収から炭素排出まで、全国規模で貴重なデータが大量に蓄積されてきました。

これらのデータは、我が国のカーボンピークとカーボンニュートラルの戦略目標に効果的に貢献することができます。たとえば、我が国の森林生態系の炭素吸収量、排出量、炭素吸収源の大きさは、森林分布面積に基づいて計算されます。主要な気候要因（気温、降水量など）を使用して、将来の気候変動シナリオにおける自国の森林炭素収支の変化傾向を予測するモデルを確立します。排出量削減と吸収源拡大の観点から、地域特性に応じた森林炭素固定促進のための管理方策（植林樹種の選定、炭素固定最大成長段階の決定、適正密度等）を検討し、最終的には森林炭素吸収源の正確な評価・予測と適切な森林管理方策の策定のための基礎データと科学的裏付けを提供します。

最近、中国科学院植物研究所は、異なる時間スケールでの森林土壌炭素排出量のデータベースを構築しました。このデータベースには、土壌炭素排出量と観測方法、地理的位置、森林の林分特性、時間、月、年スケールの気候要因などの詳細な情報が含まれており、サンプル数は合計11,297件に上ります。

研究によると、我が国の森林土壌からの年間炭素排出量は260～2058 g C m^(-2) yr^(-1)の範囲で変動し、平均は852 g C m^(-2) yr^(-1)です。一般的に、同じ気候帯内では、常緑樹林は落葉樹林よりも多くの炭素を排出し、広葉樹林は針葉樹林よりも多くの炭素を排出します。

これまでの大規模な森林炭素排出研究ではしばしば無視されてきた竹林が、平均1134 g C m^(-2) yr^(-1)という最も高い炭素排出率を示していることは注目に値する。

このデータベースの構築は、我が国、さらには世界の森林炭素循環を研究し、大規模な炭素収支評価の不確実性を軽減する上で重要な理論的かつ実践的な意義を持ち、我が国の「二重炭素目標」の実現に役立ちます。

図4 中国の森林生態系における異なる気候帯における土壌炭素排出量の比較

EBF: 常緑広葉樹林、DBF: 落葉広葉樹林、ENF: 常緑針葉樹林、DNF: 落葉針葉樹林、MF: 針葉樹と広葉樹の混交林、BB: 竹林。

(a) 冷温帯、(b) 温帯、(c) 亜熱帯、(d) 熱帯。

（画像出典：著者自作）

デュアルカーボンの目標に向けて、科学研究が進行中

「カーボンピークとカーボンニュートラル」には科学技術の支援が必要です。私たちが二重炭素目標を提唱するのは、決して人々の生活の質を低下させるためではなく、私たちの共通の家を守り、人類の持続可能な発展を達成することに貢献するためです。その中で、科学技術革新は経済社会の発展とカーボンピーク・カーボンニュートラルの両立を実現するための鍵となります。

中国科学院は2022年3月、「中国科学院カーボンピーキングとカーボンニュートラルに向けた科学技術支援戦略行動計画」も正式に発表した。現在、炭素隔離分野の科学者だけでなく、発電やエネルギー消費の側も努力を続けています。徹底的な研究を必要とする一連の基礎科学的問題もあります。デュアルカーボンを支える科学技術の道のりは長く困難であり、私たちはさらに努力する必要があります。

参考文献:

[1]Fang JY、Yu GR、Liu LL、Hu SJ、Chapin FS。 2018年。中国における気候変動、人間の影響、炭素隔離。 NAS、115、4015-4020。

[2]Jia BR、Zhou GS、Xu ZZ 2016.森林の落葉とその構成：中国の新しい観測データセット。生態学、97(5):1365.

[3]Luo Y、Zhang X、Wang X、Lu F. 2014.中国の森林生態系におけるバイオマスとその配分。生態学、95(7):2026.

[4]Sun HR、Xu ZZ、Jia BR。 2022. 2000年から2018年までの中国全土の森林生態系におけるさまざまな時間スケールでの土壌呼吸データセットの編集。地球システム科学データ、14(7): 2951–2961。

制作：中国科学普及協会

著者: 賈秉瑞 (中国科学院植物研究所)

プロデューサー: 中国科学博覧会