Trading Water for Carbon with Biological Carbon Sequestration
Robert, B. J., Esteban, G. J., Roni, A., Somnath, B. R., Damian, J. B., Charles, W. C., Kathleen, A. F., …Brian, C. M. (2005). Trading Water for Carbon with Biological Carbon Sequestration. Science, 310, 1944-1947.
DeepL翻訳
生物学的炭素隔離を利用した炭素のための水の取引
要旨
炭素隔離戦略は、その環境への影響を完全に考慮することなく植林を強調している。我々は、現地調査、600以上の観測結果の統合、気候と経済のモデル化を組み合わせて、植林によって河川流量が大幅に減少し、土壌の塩分化と酸性化が増加したことを記録した。植林によって、世界全体で年間227ミリの流量が減少し（52％）、13％の河川が少なくとも1年間完全に乾燥した。米国の植林シナリオの地域別モデリングでは、気候のフィードバックがこのような水の損失を相殺する可能性は低く、水の損失を悪化させる可能性があることが示唆されている。プランテーションは、地下水の涵養と湧水を抑制するのに役立つが、河川の流量を減少させ、一部の土壌を塩分化したり酸性化させたりする可能性がある。
本文
植林は、炭素貯留のためのツールの中でも特に注目されている(1-8)。植林は一般的に、特に松やユーカリなどの常緑樹種では、より高い生産性とバイオマスと年間の蒸散量と降雨の遮断を両立させている(9-12)。水収支に影響を与えるだけでなく、プランテーションは、余分なバイオマスの化学量論のバランスをとるために、基 本陽イオンやその他の栄養素を追加で必要とする。その結果、貯留と水の収量や土壌肥沃度とのトレードオフ（養分の枯渇や酸性度の増加を含む）が生じる可能性がある。我々の研究の目的は、炭素隔離のトレードオフと利益を説明し、持続可能な隔離政策のための潜在的な問題と管理の必要性を特定することであった。我々は、世界的な合成データ、フィールドワーク、地域モデルを用いて、植林に伴う水文学と生物地球化学の変化を調査した。植林が水の収量、土壌化学、酸性度をどの程度変化させたかを、区画（ha）、集水域（ha～km2）、地域（>104km2）のスケールで評価し、炭素貯留の環境上の利点と他の環境サービスへの影響を比較した（13）。
漁獲地の年間観測データ504件をグローバルに分析した結果、植林を行った場合、植林後数年以内に河川流量が劇的に減少することがわかった（図1、A、C）（P < 0.0001）。データベースのすべての年代において、草地、低木地、または農地への植林は、平均して年間180mm-1、38％の流量を減少させた（図1）（P < 0.001）。一部のケースでは初期にわずかに増加した後（図1）、6～10年目の平均で年間155mmと42％の大幅な減少が観察され、10～20年目の植林ではさらに大きな減少が見られ、年間227mm-1、流量の52％となった（図1、A、C）。おそらく最も重要なことは、13％の小川が少なくとも1年間完全に枯れてしまったことであろう（図1C）。乾燥した地域（年間平均降水量（MAP）が1000mm未満）での植林は、湿潤な地域よりも小川の流れが完全になくなる可能性が高かった。平均年間降水量（年間降水量が流出水として失われる割合）は、植林によって約20％減少した（図1D）（P < 0.0001）。年間降水量の30％未満の淡水の国では、植林は水資源に大きな影響を与える可能性がある（図1B）。
図1.
植林年代別の流量と年間再生可能水の変化、および国別の再生可能水の相対的な豊富さの変化。植林年代の関数としての渓流流量の変化（A）と割合（％）（C）。D）年間再生可能水の推移（年間流水量を年間降水量で割ったもの）。B）国別の平均再生可能淡水量（mm）対平均年間降水量（mm）。線は、MAP に占める再生可能水の割合を 10％、20％、30％と定義している。(13)を参照。
地域スケールでの気候フィードバックは、場所の位置、気候、生物物理学的特性に応じて、蒸散と対流降雨の増加(14-17)により、これらの水損失の一部を相殺する可能性がある。潜在的な気候フィードバックを評価するために、まず、森林・農業セクター最適化モデル-温室効果ガス（FASOMGHG）（7, 18）を用いて、C 隔離のための支払いを Mg C あたり 50 ドルと 100 ドルの植林地に転換すると予測される米国の土地を推定した（13）；Mg C あたり 100 ドルの価格をシミュレートした場合、FASOMGHG は 7,200 万 ha の土地が当初は非灌漑農業と牧草地から林業に転換すると推定している（図 2、A、B）。次に、地域大気モデリングシステム（RAMS）（19）を用いて、これらの経済的な土地利用の変化のシナリオ（13）を用いて、潜在的な水文気象のフィードバックを調べました。
図2.
植林を用いた経済的炭素貯留シナリオにおける植生と気候のフィードバック。(A) 各モデルのグリッドセルにおける主な土地被覆の種類を以下のカテゴリーに集約したもの。(1)常緑針葉樹林、(2)落葉広葉樹林、(3)その他の森林、(4)草木・低木林、(5)砂漠・半砂漠、(6)農地。(B) 作物や牧草地を針葉樹(i)と広葉樹(ii)の植林地に置き換えたモデルグリッドセル（100ドル隔離シナリオ）。月平均のアンサンブル平均の100ドル支払いシナリオ（B）と現在の植生（A）との差。C）蒸発散散量（mm/日）、（D）地表付近の気温（℃）、（E）累積総降水量（mm）、（F）グリッド下の対流降水量（mm）。(C)～(F)は、Wilcoxon 符号付き順位検定を用いて 90%レベルで有意な差が認められた地域のみを示している。
米国のシミュレーションによれば、植林による水の使用量の増加と河川流量の減少は、より大きなスケールでの大気のフィードバックによって相殺されるとは考えられない（図２）。気候シミュレーションでは、植林地は、夏季の蒸発散散量（ET）を0.3 mm day-1以上増加させ、夏季の地表気温を0.3℃も低下させ、降水量を30 mm/月も低下させることが示された（図2）（それぞれP < 0.10）。局所的な対流による降雨量の増加は、フロリダ州北部とジョージア州南部を除き、植林に伴う証拠は見られなかった（図2）。熱帯域(17, 20)とは異なり、ここでモデル化された温帯域では、大気中の水分が凝縮して雲を形成するのに十分なエネルギーを持っていなかったため、ET 値の上昇は降水量の増加にはつながらなかった。さらに、植林地では顕熱がないため、対流に利用可能なエネルギーが減少し、降水量は全般的に減少し、特に対流成分が減少した（図2F）。
プランテーションは、草地や低木地、農地に比べて水の需要が多いだけでなく、栄養分の需要も増加している。これらの要求は、肥沃度と持続可能性に影響を与える形で土壌化学を変化させる。全球合成データによると、草地や低木地の植林は、Na濃度、交換可能なNaの割合（ESP）、土壌酸度を有意に増加させ、土壌の塩基飽和度を低下させており、場合によっては土壌の塩分化やソーダ性を示唆している（図3）。土壌の塩基交換複合体の飽和度は、全球の26の対の観測で平均して4分の1に減少した（59％から45％；P = 0.002）（図3）。この結果は、交換可能なCa、Mg、Kの減少が原因であり、交換可能なNaは42のペアの観測で2倍になった（P = 0.007）（図3）。さらに、交換可能なナトリウムの割合は、36 組で 2 倍以上に増加し、プランテーションでは平均 3.4%から 7.8%に増加した（P = 0.001）。ESPは全世界で36組中29組で増加し、4つのケースでは土壌の物理的劣化に関連した15％の重度のソーディック閾値を超えていた。植林地と自生植生の間での栄養循環、根の深さ分布、水の消費量の違い(9-12, 21, 22)がこれらのパターンを説明しており、Ca、Mg、Kは土壌からバイオマスプールに再分配され、Naは根によって排除され、土壌に集中していた(22)。
図 3.
プランテーションが土壌の pH と化学的性質に及ぼす影響（平均値±SE）。草地や低木地と隣接する植林地の土壌化学的性質を比較した 52 件の研究（13 件）のデータを分析した。比較は、土壌 pH（メインパネル）、塩基飽和度（％）、交換可能な土壌 Na 濃度（cmol kg-1）で行った。
プランテーションは、土壌の養分を再分配したり排除したりするだけでなく、酸性のリター、キャノピー浸出物、分解生成物を生成する。世界的に見ると、植林地の土壌は114例中98例で酸性化が進んでおり、植林によってpHの中央値は0.3単位（P < 0.0001）低下した（図3）。また、0.5～1.6 の pH 単位の低下が 4 分の 1 で観察された（図 3）。酸性化していないプランテーションは、石灰岩のような緩衝性の高い母材の上で生育する傾向があった。
上記で定量化された、水の使用量の増加と栄養分需要の増加という二つの特徴は、科学者や土地管理者がプランテーションの環境コストと便益を予測するのに役立つはずである。地域によっては、大規模な植林を行うと、土壌の肥沃度や塩分濃度に強い悪影響を及ぼす可能性がある（図 4）。例えば、アルゼンチンのパンパスは世界最大級の未耕作草原であり、浅い淡水レンズの下には汽水性の地下水があり、飲料水を供給している(22)。草地と植林地の間の３本のトランセクトに沿って垂直電気探査（VES）を行ったところ、ユーカリがこの淡水レンズを除去し、植林地境界での抵抗率が低下し、植林地の地下水の電気伝導度（EC）と塩分濃度が高くなっていることがわかりました（図４、A～D）。VESトランセクトのデータは、井戸やボーリング孔から地下水の化学物質を直接サンプリングすることで確認され、プランテーションの下では、周囲の草原や農地と比較して、ECが15倍以上に増加していることが示された（P < 0.001）（図4D）。
図4.
アルゼンチン・パンパ州のプランテーションが地下水の塩分濃度と電気伝導率に及ぼす影響。(A～C) カステッリの植林地と草原の境界を垂直方向の電気探査により3つの区間に分けて示し、赤が淡水化した水（抵抗率が高い）、青が塩分濃度の高い水（抵抗率が低い）を示している。(D) カステリ農園内外の9箇所の地下水の電気伝導度（dS m-1）を直接測定したもの。(E) 8箇所の草地/植林地ペア17箇所の浅い地下水サンプルの電気伝導率（dS m-1）。Ceta, Celtis tala; Euca, Eucalyptus camaldulensis; Eugl, Eucalyptus globulus; Piha, Pinus halepensis; Pipi, Pinus pinaster; Pita, Pinus taeda; Pode, Populus deltoides; Quro, Quercus robur.
パンパスの8つの地点で、17の在来草地と植林地を対にした解析を行った結果、観測された塩分濃度は植林された樹木の種類に依存せず、土壌の質に強く依存していることがわかった（図4E）。細い土壌では、地下水の水理伝導率が低すぎて地下水の横方向への移動が十分ではなく、粗い土壌では、塩分の蓄積を除去するために根圏を通って塩分の浸出が十分に行われた可能性がある。中質土壌の塩分濃度の上昇は、少なくとも2つのメカニズムによって生じた。一つは木の根によって排除されたNaやClなどの塩類の蓄積であった。もう一つは、塩分を含んだ地下水の湧水である。これらのメカニズムは、オーストラリア南部(23)やロシアのカスピ海草原(24)では、地下水の塩分濃度が5倍以上に増加していることと関連している。世界各地の草原や農業地域では、浅い地下水と同様の中間的なテクスチャーの土壌を持つ地域として、ハンガリーのホルトバージ草原、ロシアの西部シベリア草原、パラグアイとアルゼンチンの東部チャコ農地などがある(22)。私たちは、これらの場所でもプランテーションが広範囲に植えられた場合には、土壌を塩水化させる可能性があると予測しています。
他の地域では、森林再生や植林によって水質が改善される場合もある。特筆すべき例は、オーストラリア南西部の広大なユーカリ林であり、4.4百万ヘクタールの土地が塩分濃度の悪影響を受けている。この塩分濃度の低下は、森林が農業に転換された後の地下水の涵養量の増加と水位の上昇に起因している。したがって、オーストラリア南西部の植林と森林再生は、炭素の吸収と水使用量の増加、涵養量の減少、水位の低下、農業に伴う干潟の塩分濃度の低下という二重の環境上の利点がある(25)。米国中部の農地帯では、農地を森林に広く転換することで、作物生産からの養分、殺虫剤、浸食の流出が減るため、地域の水質も改善される可能性がある(26)。
世界的な分析や現地調査で得られた水利用と土壌化学の一般的な傾向は、土地の歴史、土壌の質、地下水の利用可能性と質などの地域的な要因を 考慮して調整する必要がある。オーストラリア南部やアフリカのサヘルなどの地域では、塩分を含んだ地下水を作物の根圏より下に保つために植林が成功しているが、回復した面積は元の面積に 比べて少ないことが多い(27)。プランテーションは、湛水した土壌を乾燥させ、洪水を軽減するためにも利用されている(27, 28)。水資源および土壌資源に対する森林再生の共益性は、かつての森林が農作物に取って代わられ、水質と涵養を農耕前のレベルにまで回復させ る可能性がある場合に最も大きくなると考えられる（28）。氾濫原の森林再生は、生物多様性の維持、浸食の減少、水質の改善、ピークフローの緩和、 地下水の流出（上昇流）の抑制にも有益である。
これらの事例は、我々の分析で示されているように、炭素吸収を最大化する一方で、流出や地下水の涵養に大きな影響を与 える単独栽培の植林とは対照的である。このような状況では、プランテーションは、河川流量の減少（10, 12, 29）や土壌 pH の低下、塩基飽和度の低下などの副作用をもたらす可能性が高い。極端なケースでは、塩水化やソーディシティが発生する可能性がある。第二回転プランテーションから得られるデータは少ないが、収穫後には陽イオンやその他の栄養分がサイト外に排出されるため、これらの影響が悪化する可能性が高い。上記の枠組みでは、利用可能な地下水の存在と種類、生物物理的蒸発需要、土壌の質感に基づいて、塩分濃度に対するプランテーションの潜在的なプラスとマイナスの便益を予測することができる。
プランテーションは、地球の炭素循環を管理するための実証済みのツールを提供します。京都議定書のクリーン開発メカニズムは、国の持続可能な開発目標に合致している場合には、炭素隔離によってCO2排出量の一部を相殺することを認めています。欧州連合（EU）の温室効果ガス排出量取引制度のような新しい炭素取引所は、このようなオフセットを現実のものにするのに役立っています。プランテーションを収容するための土地の需要が増加するにつれ、問題を回避し、土地を成功的かつ持続的に管理するためには、より包括的な環境計画が必要となる。そのための一つの方法は、炭素隔離のものと、得られたり失われたりした他の生態系サービスの価値を比較することである。生態系サービス評価の分野はますます高度化しており、他のいくつかのサービスについても市場が開かれつつある。交換協定を交渉する際には、プランテーションの共益性やトレードオフを考慮する必要があります。生物学的炭素隔離のためのプランテーションの栽培が増加しているため、河川流量の減少や土壌や水質の変化が起こる可能性があると考えられる。
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参考文献
