微生物の成長促進に伴う資源制約の強化が成熟林におけるCO2上昇への応答を弱める

大気中の余分な炭素が森林の成長増加を保証しない理由

大気中の二酸化炭素が増えると、多くの人は森林が単純に成長を早め、この余分な炭素をより多く吸収して気候変動を緩和すると期待します。しかし、森林は炭素だけで生きているわけではありません。土壌からの栄養素も必要であり、それらは広大な微生物コミュニティと共有されています。本研究は、成熟したオーストラリアのユーカリ林で10年間にわたり大気中のCO2を高めたときに何が起きるかを調べ、飢えた土壌微生物が森林による炭素固定能力を抑制し得ることを明らかにします。

現実世界での森林実験

小さな鉢植えや短期試験を超えるために、研究者らはEucFACEと呼ばれる大規模な屋外実験をオーストラリアの在来ユーカリ林で実施しました。そこでは巨大な金属リングが林床の区画を囲み、周囲のリングと比べて大気中に穏やかに追加のCO2を放出して、今世紀後半に予想される濃度に引き上げます。一方で近接するリングは現在の濃度のままです。この場所の土壌は植物成長に重要な栄養素であるリンが乏しいことが特徴です。以前の研究では、追加のCO2は当初樹木の光合成を高めたものの、バイオマスは大きく増えず、追加された炭素の多くが土壌から呼吸として大気に戻されることが示されました。研究者たちは土壌微生物がリンを溜め込み樹木の成長を制限しているのではないかと疑っていましたが、微生物が炭素や栄養不足にどう応答するかを直接検証する必要がありました。

土壌微生物に何が足りないかを試す

研究チームは、10年にわたる処理後の通常CO2リングと高CO2リングの土壌を収集しました。実験室では2種類の試験を行いました。まず、短期間にわたり土壌に炭素・窒素・リンのさまざまな組み合わせを添加し、微生物の成長と呼吸がどれだけ速く進むかを測定しました。ある添加によって成長が急増するなら、その資源が最も不足していることを示します。次に、リーフリッター（落ち葉）を大量に添加し、窒素やリンの追加の有無で6週間にわたる長期試験を行い、時間を通じた微生物の成長、酵素活性、栄養蓄積の応答を観察しました。

微生物はまず炭素を渇望し、次いでリンを欲する

リンが乏しいことが予想されたこの林でも、微生物の成長は主に炭素によって制限され、次いでリンによる制限が見られました。言い換えれば、土壌中の分解者は、植物自体がリン不足で抑えられているにもかかわらず、利用しやすい炭素の不足に最も強く制約されていたのです。炭素と落ち葉の添加は微生物の成長を強く刺激し、これらにリンを組み合わせると効果がさらに増幅され、両方の資源が重要であることが確認されました。驚くべきことに、長期のCO2上昇曝露はこのような制約をさらに強めました：高CO2土壌の微生物は炭素とリンが供給されるとより大きな成長反応を示し、両者に対してより飢えている状態になっていることを示しました。

成長が速くなった微生物、だがコミュニティの顔ぶれはほぼ同じ

なぜ、植物由来の炭素流入が増えているにもかかわらず微生物が炭素でより制限されるようになるのでしょうか。著者らは、追加された根の分泌物や落ち葉が「コピオトロフ（copiotrophic）」な微生物、つまり資源が豊富なときに速く成長するがその速度を維持するには多量の燃料を必要とする生物を有利にするためだと提案します。測定結果はこの考えを支持しました：全体として微生物の成長速度は高CO2下で高く、主に細菌がその駆動力でしたが、呼吸、総バイオマス、および広いコミュニティ組成はほとんど変化しませんでした。有機物から炭素やリンを引き出すことに特化した酵素の寄与が大きくなり、微生物がこれらの乏しい資源を獲得する努力を強めたことが示されました。同時に、微生物はリンを利用可能になると効率的に自らのバイオマスに固定し、局所的な栄養循環をさらに締め付けました。

森林の炭素貯留にとっての意味

浮かび上がる像は、追加の大気CO2が土壌により多くの炭素を供給するものの、主に速く成長する微生物群を加速させ、これらは炭素とリンの両方を渇望する成熟林です。こうした微生物は新しい落ち葉を素早く消費し、古い有機物から栄養を採掘し、リンを細胞内に不溶化します。その結果、樹木に残るリンは減り、流入した炭素の多くは木材や長寿命の土壌プールに蓄えられるのではなく速やかに大気に戻されます。一般向けの要点は、CO2を増やしたからといって森林がより多くの炭素を確実に固定するわけではないということです。むしろ、根と微生物間の栄養を巡る目に見えない綱引きが、特に古くリンが乏しい生態系では森林の長期的な炭素吸収能力を弱め得るのです。

引用: Yuan, M., Macdonald, C.A., Hicks, L.C. et al. Strengthened resource limitation driven by accelerated microbial growth dampens response to elevated CO₂ in a mature forest. Commun Earth Environ 7, 261 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03365-7

キーワード: CO2濃度上昇, 土壌微生物, 森林の炭素, リン制限, EucFACE