生態系は様々な環境変化に応答し常に動的に変化しています．本研究室では，サンゴ礁域やマングローブ域を研究対象として，生態学的な調査や地球化学的な手法を用いた水質等のモニタリングや生物実験，物理観測等を通して，生態系の複雑な挙動の理解および予測を行うための生態系の統合モデリングシステムの開発を行っています．これらを通して，近年の地球温暖化や海洋酸性化などに代表されるグローバルな環境変化やローカルな人為影響下での生態系の動態や，持続可能な人間－生態系のあり方について研究を進めています．
造礁サンゴを取り巻く環境は，様々なストレスや因子が複合的に絡み合っているため，飼育実験等でその影響の評価を試みた場合，膨大な実験の組み合わせが必要になってしまいます。さらにはサンゴ礁内の水温や炭酸系，栄養塩などの環境は一定ではなく，非常にダイナミックに変動していることが知られています．このように，複雑かつ複合的な影響を飼育実験によって評価することはかなり難しいことと言えます。
そのため，各環境要素に対するサンゴの応答の素過程を記述し，モデルによって複合的なストレスに対する影響を評価することは有効な手法の一つと考えられます。そのような発想からサンゴの内部応答の物理・化学・生理学的素過程を詳細に記述した，サンゴポリプモデルの開発を進めています．下はその概念図です。
サンゴポリプモデルの概観（上）とアラゴナイト飽和度に対する石灰化応答（下）(Nakamura et al. 2013)
このモデルは，現在のところ， サンゴの光合成や呼吸、Light-enhanced calcificationといった石灰化の基本応答や、流れに対する代謝応答、閉鎖環境での応答、海洋酸性化に対する応答などを再現することができるよ うになっています。
そこで，さらに多様な環境変化に対する応答を評価するため，高水温に伴うサンゴの白化現象（サンゴが細胞内で共生している褐虫藻を放出/消化してしま う現象．この状態が長く続くとサンゴは死亡してしまう．）や栄養塩，赤土の影響などのストレスに対する応答の素過程の解明や，そのモデル化に取り組んでい ます。
近年使われるようになってきた “Blue carbon” という言葉に代表されるように，浅海域の生態系は非常に多くの炭素を蓄積しています。また，活発な生物活動によって，炭素を含む様々な生元素が活発に循環していることが知られています。サンゴ礁域やマングローブ域などで，24時間採水や空間採水，メソコスム実験，コアリングなどを通して地球化学的な手法を用いることで，炭素や窒素，リンなどが生物にどのように，またどのぐらい取り込まれ，蓄積し，一方で還っていくのかといった，生態系内のコンパートメント間のフラックスや各コンパートメントへの蓄積量，系内外への流入出フラックスなどを推定することで，系全体の物質循環の解明にむけた研究を行っています。
サンゴ礁で行った現場型メソコスム実験
サンゴ礁のように非常に遠浅な海域では，流動環境や熱環境，水質などが非常にダイナミックに変動しています。このようなダイナミックな変動下で，サンゴ礁生態系が環境に対してどのように応答するかを探るために，上述のサンゴポリプモデルを3次元流動-物質循環モデルに結合させた生態系の統合モデリングシステムの開発を進めています。
サンゴ礁生態系のリーフスケール統合モデル概観 (Nakamura et al., 2020）
シミュレーションにより再現された、白保サンゴ礁域の全炭酸（DIC）、アルカリ度(TA）および溶存酸素濃度（DO）（上段）および、サンゴポリプモデルにより計算された正味の光合成速度（Pn）、石灰化速度（G）、体内に貯蓄された有機炭素濃度（下段）。
上の図は，開発を進めている統合モデルシステムのシミュレーション結果です．リーフ内のローカルな流動環境や、環境-サンゴの代謝の相互作用による水質の変化に応答してサンゴの代謝が時空間変動していることがこのモデルの数値シミュレーションによって確認されます。このように，サンゴの環境に対する応答を再現できる点がサンゴポリプモデルの最大の特徴です。
今後，このシステムの高度化を図るとともに，このシステムを用いてグローバルやローカルな環境変化に対しサンゴ礁生態系がどのような応答をするかを予測/評価するためのシナリオ解析等を進めていく予定です。
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YAEYAMA3: Sea surface/bottom temperature
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YAEYAMA2: Sea surface/bottom temperature
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宮城県南三陸町志津川湾の湾内環境を理解するために、以下のような問題意識やフレームワークで現地観測やモデル開発を行っています。
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Integrated Model Development for Coral Reef Ecosystems
In extremely shallow waters often found in reef areas, various physiochemical factors including water flow characteristics, thermal environments, and water quality undergo dynamic changes. In order to understand how a coral reef ecosystem responds to the environment under such dynamic fluctuations, an integrated model based on simulation and onsite observation must be the key.
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