気候変動影響評価に資する光合成活性の高時空間観測システムの構築（令和 8年度）

Development of high spatiotemporal observation system of photosynthetic activity for the assessment of climate change impacts

近年頻発する海洋熱波を始めとする極端海洋現象による低次生態系や大気ー海洋間二酸化炭素（CO2）交換量への影響が危惧されています。本研究では、極端海洋現象ーCO2濃度ー植物プランクトンの生理状態（光合成活性）の相互作用の解明と海洋炭素循環への影響を評価するための高時空間観測システムを構築し、北太平洋におけるCO2濃度と光合成活性の季節変動を同時に把握できる世界初のデータセットを創出します。

• 主たるもの：基礎科学研究
• 従たるもの：モニタリング・研究基盤整備

本研究課題では「船舶による高時空間解像観測」と「全球気候モデルによる数値計算」を軸に以下の研究項目を設ける。

研究項目1. 海洋表層CO2濃度と光合成活性の同時観測システムの構築

【CO2濃度と光合成活性の同時観測】
協力商船では船底（約5 m深）から汲み上げた海水をCO2観測システム（CO2計：LI-7000, Licor）と研究海水採取用に分岐している。この経路を一部改修することで、海洋表層のCO2濃度と植物プランクトンの光合成活性データの同時取得を目指す。海盆スケールにおいて季節的な変化が予想される植物プランクトン群集を対象とするため、英国チェルシー社の開発した最新卓上型蛍光光度計LabSTAFを用いて、高速フラッシュ蛍光光度法（Kolber et al., 1998）によって植物プランクトン群集の光合成系II（PSII）パラメータ（光合成活性データ）を20-30分間隔で連続して測定する。植物プランクトンは、その現存量指標であるクロロフィルa色素以外にその群集に特異的な光合成補助色素を有するため、異なる7つの励起波長を照射可能な同蛍光光度計によって、植物プランクトンの群集構造と光合成活性の状態を同時に把握する。多波長励起光で得られた光合成活性パラメータは、光合成量と群集組成を同時に推定可能なアルゴリズム開発を念頭に置いた基盤データとして用いる。一方、蛍光光度計を制御するシステムは既存のCO2観測システムとは独立しているため、CO2観測システムの開発チームと協議し、両システムのデータを同時制御する機構を新たに設ける。また、本課題終了後も観測とデータ管理を維持できるよう観測やデータ管理に対する人的省力化を検討する。

【その他の海洋環境データの取得】
洋上大気・海洋表層のCO2観測に加えて、航行中は水温・塩分（SBE21/SBE45, Seabird）、光合成有効放射量（ML-020P、Eiko）、硝酸塩濃度（OPUS、TriOS）、溶存酸素濃度（AROW2、JFEアドバンテック）を連続測定する。また、栄養塩類（硝酸塩+亜硝酸塩、リン酸塩、ケイ酸塩、アンモニア）は航行中に取得した海水試料（-70ºCで船上保管）を国環研実験室にあるオートアナライザ（QuAAtro39, BLTEC）で分析する。植物プランクトン群集組成データに関しては、宇宙航空研究開発機構・第三回地球観測研究公募で取得した高速液体クロマトグラフィー（HPLC）植物色素サンプルを活用する。また航行中の植物プランクトン群集組成の時空間分布については環境省・地球環境保全等試験研究費で取り組んでいる光学式センサによる推定値等も活用することで、本課題で取得される光合成活性データの時空間変動要因についても多角的な観点から解析する。一方、協力商船の観測だけでは空間的なサンプリング頻度に限界があるため、既存の衛星を用いた広範囲なリアルタイム観測との連携や過去に協力商船で取得された植物色素データの活用についても検討する。

【極端海洋現象の影響評価】
海洋熱波の発生は衛星海面水温およびJRA-55等の再解析データを用いて、Hobday et al. (2016)に従って定義する。また酸性化指標は協力商船で得られる海洋表層CO2濃度、水温・塩分データからCO2SYSプログラムを用いて算出する（Lewis and Wallance, 1998）。海洋熱波域（または高い酸性化指標域）の内外におけるCO2濃度、光合成活性、その他の環境データを比較することで、極端海洋現象−CO2濃度変動−生物的要因の相互作用と海洋炭素循環への影響を評価する。

研究項目2. 13C法による船上培養実験と光合成活性との比較
研究項目1において卓上型蛍光光度計LabSTAFで測定した光合成活性パラメータと13C法を用いた光合成-光曲線実験および疑似現場法による24時間培養実験の結果を比較し、炭素ベースの固定速度との関係を把握する。協力商船では培養実験を実施できないため、地球環境保全等試験研究費で共同調査を実施している他機関の海洋調査航海において上記培養実験を実施し、光合成活性パラメータと比較する。蛍光光度計による光合成活性パラメータと炭素トレーサー法との関係式は従来研究でも提案されているが、本研究課題ではLabSTAFで得られる多波長励起光による光合成活性パラメータを活用することで、群集組成の違いを考慮した炭素固定速度の推定法についても検討する。また、海洋調査航海においては可能な限り鉛直方向での採水も実施し、海面での値と水柱積算値との関係性を評価する。

研究項目3. 海洋環境および生態系プロセスの再現性評価
本研究課題では、これまで蓄積してきた既存の現場観測データも最大限活用し、全球気候モデルを用いた「極端海洋現象に伴う低次生態系への影響評価・予測」を行うための前段階として、次の方法でより詳細な解析を実施する全球気候モデルを選定する。
国環研の協力商船で蓄積してきた海洋環境データセット（蛍光法によるクロロフィルa濃度や栄養塩類などの10年規模データ）とCMIP6炭素循環マルチモデル（Séférian et al., 2020）の過去再現実験結果を基に、海洋熱波域（または高い酸性化指標域）の内外における各データの頻度分布を比較することで極端現象発生時のCMIP6モデルの海洋環境と生態系プロセスの再現性を評価し、10年規模の時間スケールにおける再現性の点から上位・下位それぞれ5モデルを選定する。一方、CMIP6に用いられる海洋生態系モデルだけでは再現が難しい生態系プロセスも存在するため、FlexPFT（Smith et al., 2016, Masuda et al., 2021）のような細胞レベルの生理モデルの活用も検討する。

研究項目4. 極端海洋現象に伴う低次生態系への影響評価・予測
研究項目3において選定したCMIP6炭素循環モデル（再現性評価における上位5モデル）を用いて、北太平洋における極端海洋現象（海洋熱波や海洋酸性化）の出現頻度・期間・範囲を将来予測シナリオ別に定量化する。また、極端海洋現象発生域の内外における低次生態系に関するデータの頻度分布を抽出する。次に再現性評価における下位5モデルに対して同様の解析を実施する。得られた2つのグループの結果を比較することで、10年規模の現場観測データに対する再現性評価に基づいて解析に使用する全球気候モデルに制約を設けることで、極端海洋現象に伴う低次生態系へ影響予測の不確実性がどのくらい低減されるのかを評価する。また研究項目1-4に関連する研究成果の発表と論文執筆に研究期間を通じて取り組む。

研究項目1. 海洋表層CO2濃度と光合成活性の同時観測システムの構築
【CO2濃度と光合成活性の同時観測】
第三年次までのシステム改修により、同時観測システムで安定した連続データを取得することが可能となった。第四年次でも引き続き観測データの収集を行うとともに、データ公開の準備を進める。測定プロトコルごとにクロロフィルa濃度と関連付けたLabSTAFデータを用いることで、得られるパラメータの信頼区分の検証を実施する。

【その他の海洋環境データの取得】
洋上大気・海洋表層のCO2分圧、水温・塩分、光合成有効放射量（PAR）、硝酸塩濃度、溶存酸素濃度などの協力商船で取得される連続データの統合データセットの構築作業を継続する（昨年より対応する高度技能専門員を雇用）。

【極端海洋現象の影響評価】
衛星データおよび再解析データを用いて、新たに得られた航海データと同期した海洋熱波の発生場所・期間の特定を行う。その際、海洋熱波の積算日数を始めとする時間的な変化を組み込んだ解析を行うことで極端海洋現象−CO2濃度変動−生物的要因の相互作用と海洋炭素循環への影響を評価する。この際、アドバイザーよりコメントのあった植物プランクトン群集組成の変化も含めた解析を実施する。

研究項目2. 13C法による船上培養実験と光合成活性との比較
【光合成-光曲線実験（炭素固定速度の把握）】
第三年次に練習船「海鷹丸」で取得した疑似現場法による24時間培養実験サンプルを分析する。

【光合成活性パラメータと炭素固定速度の比較】
これまでに取得した13C法による船上培養実験の結果を用いて、卓上型蛍光光度計で得た光合成活性パラメータによるバイオマスベースの基礎生産速度の比較を行う。また、LabSTAFデータから推定した基礎生産量を衛星画像ベースの結果（例えばCAFEモデル）と比較することで既存モデルの改良へと繋げる。

研究項目3. 海洋環境および生態系プロセスの再現性評価
研究項目4. 極端海洋現象に伴う低次生態系への影響評価・予測
研究項目3および項目4で当初予定していたCMIP6炭素循環マルチモデルのデータ解析は実施しないこととするが、CREST海洋カーボンの研究者と協力して電子伝達系を含む光合成活性モデルの開発に向けた現場データの整備を実施する。
研究項目3で解析を続けてきた協力商船で蓄積してきた海洋環境データセット（栄養塩、水温、Chla濃度等）および研究項目1で取得した光合成活性データを用いて、これらの変動と極端海洋現象発生域の関連性について解析・評価を継続する。特に、LabSTAFで得られた光合成活性データ（Fv/Fm等）や同データから推定した炭素固定量、および海洋表層のCO2分圧が海洋熱波の発生条件（頻度、期間、強度）でどのように変化するのかを定量的に評価する。具体的には海洋熱波発生海域および非発生海域において、硝酸塩濃度、水温、Chla濃度と関連付けた光合成活性データ（Fv/Fm、ETR（光合成-光曲線から得られる電子伝達速度）等）およびCO2分圧に対するクラスタリング解析を実施することでグループ化を行う。植物色素データが利用できる測点においては、各グループにおける光合成活性と群集組成の変化の関係性も評価する。また、これらの諸条件を光合成活性モデルへ組み込むために必要な実験系のデザインを現場観測データの観点から提案することで、極端現象による低次生態系や炭素循環への影響を評価するための次世代モデル開発に貢献する。

北海道大学、東京大学、京都大学、水産研究所、長崎大学、タスマニア大学（豪州）