世界の森林における生産性の増加とともに植物多様性の土壌呼吸への正の影響は弱まる

気候と森林にとってこれが重要な理由

森林は地表で静かに呼吸しており、根や微生物が有機物を分解することで二酸化炭素を放出します。この土壌の「呼吸」である土壌呼吸は地球上で最大級の炭素フラックスの一つであり、気候に強く影響します。同時に、森林は植物種の急速な喪失に直面しています。本研究は、一見単純だが重要な問いを投げかけます：森林により多くの植物種がいると土壌呼吸は増えるのか、そしてその答えは、まばらで生育が厳しい森林と豊かで高生産性の森林で異なるのか？

土壌の暮らしと森林の隠れた呼吸

土壌呼吸とは、根の成長や微生物による死葉・枯死木の分解に伴って地表から継続的に二酸化炭素が放出される現象です。世界的に見て、このフラックスは植物の光合成に次ぐ規模であり、したがって小さな割合の変化でも、土壌に固定される炭素と大気に戻る炭素の量を変え得ます。多数の小規模実験は、植物種が多いほど土壌の生物活動や有機物が増える傾向を示しており、多様性が土壌呼吸を高める可能性を示唆しています。しかし、そうした多くの実験は短期的で草原に偏っていたり、扱う種数が限られていたりするため、世界の森林と気候帯を横断して植物多様性が土壌呼吸をどう形作るかは未解明のままでした。

点在する測定値から世界像を構築する

この問題に取り組むため、著者らは複数の大規模データセットを集め、現代の機械学習と組み合わせました。世界中で収集された6,000以上の土壌呼吸の現地測定値を用い、気候、土壌、植生の特徴から月別土壌呼吸を高解像度で予測する深層学習モデルを訓練しました。次に、樹種多様性と全維管束植物（樹木、低木、草本を含む）の豊富さの世界地図、および衛星に基づく森林の生産性指標である純一次生産の地図を重ね合わせました。気温、降水、土壌特性、植生特性を統制することで、植物多様性そのものが土壌呼吸の変動にどれほど寄与するかを明らかにできました。

資源が乏しい場所で多様性は最も役立つ

全球解析は明確でありながら微妙なパターンを示します。寒冷、乾燥、あるいは養分不足で成長が制約される低〜中程度の生産性の森林では、植物種が多いほど土壌呼吸が強く関連して増加します。そこでは、さまざまな根の深さ、根分泌物、落葉の種類が混ざり合い、活発な微生物群集を支えて土壌系をより効率的に潤しているようです。しかし、生産性が上がり森林のバイオマスが豊かになるにつれて、種を追加したときの利益は小さくなります。温暖で湿潤、濃密な樹冠を持つような非常に生産性の高い森林では、気候や土壌の影響を考慮に入れると多様性による追加の効果は小さくなったり、わずかに負になることさえあります。

より多くの種がほとんど効果を追加しなくなるとき

本研究は、生産性の高い森林で多様性効果が薄れる理由をいくつか示唆します。条件がすでに有利な場所では、数種の優占種が大量の有機物を土壌に供給し、高い基礎的な微生物活動と土壌呼吸を確立します。追加される種は同様の機能を共有していることが多く、それらの存在は余分な機能をほとんど付け加えない—これが機能的冗長性という概念です。光や養分を巡る強い競争は成功する少数の種をさらに有利にし、他の種が土壌プロセスに寄与する重要性を下げます。こうした環境では、温度や水分などの非生物的要因が土壌呼吸の主要な駆動要因となり、生物多様性の限界寄与は減少します。

炭素と多様性を守ることへの含意

非専門家にとっての主要なメッセージは、植物多様性がどこでも同じ役割を果たすわけではないということです。低〜中生産性の森林では、種が一つ増えるごとに土壌がより活発になり、栄養循環や炭素の動きに寄与します。しかし、最も生産性の高い森林では、単に種を追加しても土壌呼吸はあまり変わらない可能性があり、システムが既にほぼ飽和状態で動いているためです。この文脈依存の振る舞いは気候政策にとって重要です。とりわけ生産性の低い森林での植物多様性の保護は重要で、そこでは種の喪失が長期的な炭素貯留や生態系の健全性を支える土壌プロセスを弱める恐れがあります。炭素・気候モデルに現実的な多様性効果を取り込むことは、森林、土壌、大気が進行中の環境変化にどう応答するかをより正確に予測する能力を高めます。

引用: Laffitte, B., Yang, Z., Jian, J. et al. Plant diversity’s positive effect on soil respiration diminishes with increasing productivity in global forests. Nat Commun 17, 3023 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69594-8

キーワード: 森林の生物多様性, 土壌呼吸, 炭素循環, 生態系の生産性, 気候フィードバック