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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志津川湾のような半閉鎖性内湾は、陸域からの淡水の流入や、栄養塩や有機物、土砂等の流入、湾内での生化学反応、外洋水の差し込みなど様々な影響を受け、複雑な流動環境・水質環境となっていることが知られています。持続可能な水産資源の利用や養殖業を営むためには、これらのプロセスを理解し、湾内環境を精度良く把握することが不可欠です。さらには、近年の人為起源の大気CO2濃度の増加に伴う地球温暖化や海洋酸性化は、特に夏場の湾内水塊の成層化を深刻化させ、底層での貧酸素化および酸性化を深刻化させる恐れがあります。そして、その酸性化の進行は、カキなど炭酸カルシウムの殻を持つ水産資源に深刻な影響を及ぼす可能性が示唆されています。そのような問題意識から、本研究では、陸域―海域―生態系統合モデルを用いた志津川湾デジタルツインの開発を行うことで、数値シミュレーションによって水産資源の動態も含めた湾内環境や生態系を完全再現し、現在および気候変動下の将来において持続可能な最適な水産資源の利用や養殖の在り方を探索することを目指しています。
志津川湾で興味深いことの一つとして、震災後に、漁港の方々の英断でカキの養殖筏の数を減らすことで、逆にカキ一個体あたりの成長速度が上がり、全体として水揚げ量を上げることに成功した事例が挙げられます。これは、震災前は過密養殖であったことを示しており、また、最適な養殖密度に保つことが如何に重要性であるか示しています。最適な養殖密度の推定のためには、過密養殖による負の影響を適切かつ定量的に評価することが非常に重要です。過密養殖の影響としては、カキの餌資源である植物プランクトンの奪い合いという生物学的な側面と、カキ筏による形状抵抗の増加によって海水交換が滞りやすくなることで、餌資源の枯渇や環境悪化を招くという物理学的な側面の両方の影響が考えられます。また、ワカメ養殖とカキの餌となる植物プランクトンとの栄養塩を巡る競争関係も考慮する必要があります。これらの生物学的プロセスと物理学的プロセスの両面をモデル化することで、最適で持続可能な養殖密度を明らかにすることを目指しています。
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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.