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南極海の二酸化炭素吸収:微細藻類の量だけでなく種類が鍵となる -優占群集の違いが夏期の炭素収支を左右していた-

海洋は大気中の二酸化炭素(CO₂)の主要な吸収源の一つであり、人為起源CO₂の2〜3割に相当する量を吸収していると言われています。また、海洋がこれまで吸収してきた人為起源CO₂の約4割が南極海(南大洋)で吸収されたと見積もられています。このCO₂吸収には海水中に浮遊する微細藻類(以下「植物プランクトン」という。)の光合成が重要な役割を担っています。植物プランクトンの光合成によって、海水中に溶け込んだCO₂が有機物として固定されると、その一部は食物連鎖によって形を変えながら海洋の表層から中深層へと運ばれていきます(図1)。その結果、表層海洋のCO₂分圧^※(注記)2は低下し、その分海洋は大気からCO₂を取込みやすくなります。この一連の過程は生物ポンプと呼ばれており、大気中のCO₂を除去する重要な過程の一つです。この生物ポンプの効率は、優占する植物プランクトン群集によっても変化すると考えられています。例えば、植物プランクトンのうち、珪藻類(図2)は比較的大型で比重の重いケイ素の殻を持つため、固定した炭素を効率よく中深層へ輸送すると考えられています。一方、ハプト藻類(図2)に属する円石藻のように、炭酸カルシウムの外殻を形成する過程^※(注記)3においてCO₂を海水中に放出する群集も存在します。
近年の研究から、地球温暖化を始めとする海洋環境の変化に伴って、優占する植物プランクトン群集が変化する可能性が指摘されています。実際、地球上で最も温暖化が進行している場所の一つである南極半島の周辺海域では、植物プランクトンの量や優占群集の変化が報告されています。しかし、このような変化が大気−海洋間におけるCO₂の吸収や放出に与える影響については、南極海のごく限られた海域でしか調査されていませんでした(図3)。そこで本研究では、これまで調査が行われていない南極海インド洋区を広域的に対象として、優占する植物プランクトン群集や正味の光合成速度(純基礎生産力)の変化が海洋のCO₂分圧に与える影響を船舶観測と衛星画像解析により初めて評価しました。

本研究では、南極海インド洋区の季節性海氷域において東京海洋大学付属練習船「海鷹丸」で南半球の夏期(12月〜2月)に実施された船舶観測のデータを用いました。表層海洋のCO₂分圧の変化に対する生物的影響を調べるため、純基礎生産力、植物プランクトンの現存量^※(注記)4、群集組成^※(注記)5との関係を解析しました。
研究対象海域において、表層海洋のCO₂分圧は珪藻類の現存量が増えると減少する傾向にありましたが、その他の群集(ハプト藻類)の現存量との間にそのような関係は見られませんでした(図4)。この結果はウェッデル海で報告された傾向とは異なっていましたが、南極半島の周辺海域で報告された傾向とは同様でした(図3)。この結果と従来研究との比較から、植物プランクトン群集の変化が海洋のCO₂分圧に与える影響は、南極海の中でも海域によって異なることが示唆されました。
次に、船舶観測で得られた海洋のCO₂分圧と純基礎生産力の関係を適用して、衛星画像から算出される純基礎生産力分布からCO₂分圧の広域分布と長期変動を推定しました。本研究で再現された南半球の夏期(12月〜2月)のCO₂分圧の10年間平均値の分布は、現場観測データから作成されたTakahashi et al. (2009)の南半球の夏期(12月〜2月)のCO₂分圧平年値の分布とよく一致していることが確認できるとともに、より詳細な空間分布を再現することができました(図5)。
さらに推定した海洋のCO₂分圧を用いて、1997/1998年から2006/2007年までの夏期の大気−海洋間のCO₂収支を計算しました。その後、植物プランクトン優占群集識別アルゴリズムPHYSAT^※(注記)6を用いた衛星画像解析から、研究対象海域に優占する珪藻類とハプト藻類を推定し、大気−海洋間のCO₂収支との関係を調べました。その結果、珪藻類が多く存在する年ほど、大気から海洋へのCO₂吸収量も増加傾向にあることが分かりました(図6)。

本研究で、これまで報告がなかった南極海インド洋区における夏期の炭素収支に植物プランクトン群集の変化が影響を与えることが明らかになりました。一方で、その影響は南極海の中でも海域によって異なることが示唆されました。今後も様々な観測プラットフォームを活用し、未調査海域における関係性や既に調査した海域での関係性変化を明らかにすることで、温暖化等の気候変動によって生じる可能性がある植物プランクトンの群集変化が海洋の炭素循環に与える影響の解明に貢献できると考えています。また、こうした知見は、気候モデルの精緻化を通じて気候変動の将来予測の向上に役立ちます。

※(注記)1 優占:本研究では、特定の植物プランクトン群集の現存量が全植物プランクトン現存量の50%以上を占めた状態を指す。
※(注記)2 海洋のCO₂分圧:海水中に含まれるCO₂の量(表層海水と平衡にした空気を測定して得られる)を、圧力を単位として示す指標で、大気中のCO₂分圧との差でその場の海洋がCO₂を吸収するかが決定される。
※(注記)3 Ca²⁺ + 2HCO₃⁻ => CaCO₃(炭酸カルシウム)+ CO₂ + H₂O
※(注記)4 現存量:本研究では植物プランクトンの持つ主要な光合成色素クロロフィルaの濃度として示される。
※(注記)5 群集組成:本研究では植物プランクトンが持つ各色素を高速液体クロマトグラフィー法で抽出し、その含有パターンから群集組成と現存量を見積もった。
※(注記)6 PHYSAT:海から出てくる光の情報(正規化射出輝度)を基に、海域に優占する植物プランクトン群集を識別するためのアルゴリズム(Alvain et al., 2005, 2008)。

Alvain et al. (2005), Deep-Sea Res. I, 52, 1989–2004: Alvain et al. (2008), Global Biogeochem. Cy. 22, GB3001, doi:10.1029/2007GB003154: Brown et al. (2019), Nat. Clim. Chang., 9, 678–683, doi:10.1038/s41558-019-0552-3: Moreau et al. (2012), Mar. Ecol. Prog. Ser., 446, 45–59: Moreau et al. (2013), Deep-Sea Res. I, 82, 44–59: Takahashi et al. (2009), Deep-Sea Res. II, 49, 1601–1622

本研究は、JSPS科研費(19K20445、17H06319)および南極地域観測事業の支援により行われました。

【タイトル】Effects of phytoplankton community composition and productivity on sea surface pCO₂ variations in the Southern Ocean
【著者】Takao S., Nakaoka S., Hashihama F., Shimada K., Yoshikawa-Inoue H., Hirawake T., Kanda J., Hashida G., Suzuki K.
【雑誌】Deep-Sea Research Part I
【DOI】10.1016/j.dsr.2020.103263
【URL】https://doi.org/10.1016/j.dsr.2020.103263【外部サイトに接続します】
※(注記) 下線で示した著者が国立環境研究所所属です。

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大気・海洋モニタリング推進室 研究員 髙尾 信太郎

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