Abstract

新しい仮説は、森林被覆が以前に認識されていたよりも降雨量を決定する上ではるかに大きな役割を果たしていることを示唆している。 森林に覆われた地域が大気中の水蒸気の中で大規模な流れをどのように生成するかを説明します。 この仮説の下では、アマゾンやコンゴ川流域のような大陸の内部では、内部から海岸までの森林被覆がほぼ連続しているため、高い降雨が発生します。 基礎となるメカニズムは、大気圧差を生成する際の蒸発と凝縮の役割を強調し、既存のモデルで無視されたいくつかの現象を説明します。 これは、局所的な森林の損失でさえ、湿った大陸を乾燥した条件に反転させることがあることを示唆している。 それが精査を生き延びるならば、この仮説は私たちが森林の損失、気候変動、水文学、そして環境サービスをどのように見るかを変えるでしょう。 それはマクロ生態学および景色の生態学、水文学、森林回復および古気候の調査の新線を提供する。 また、森林保全のための説得力のある新しい動機を提供します。

生命は地球の水循環、特に海洋から陸へ水分を運ぶ過程に依存する。 植生の役割は議論の余地があります。 多くの部分的に森林に覆われた地域の地元の人々は、森林が雨を”引き付ける”と信じていますが、現代の気候専門家のほとんどは反対します。 しかし、新しい仮説は、地元の人々が正しいかもしれないことを示唆しています。

世界の水文学システムは急速に変化している。 多くの地域の食料安全保障は、降雨パターンの変化によって大きく脅かされている（Lobell et al. 2008). 一方、森林破壊は、すでに森林から派生した蒸気流をほぼ五パーセント減少させており（推定3000立方キロメートル/年の地球の地上由来の合計67,000km3）、減速の兆候はほとんどない（Gordon et al. 2005). 植生被覆が気候にどのように影響するかを理解する必要性は、これまで以上に緊急ではありませんでした。

MakarievaとGorshkovは、森林が湿った空気を引き付ける方法と、アマゾン盆地などの大陸地域がどのように湿ったままであるかを説明する仮説を開発した（Makarieva et al. 2006年、Makarieva and Gorshkov2007年、および関連するオンラインディスカッション、以下、総称して”Makarieva and Gorshkov”）。 含意は相当である。 従来のモデルは、通常、大陸規模の森林破壊後の降雨量の「中程度の」20〜30％の減少を予測しています（Bonan2008）。 対照的に、MakarievaとGorshkovは、比較的局所的な清算でさえ、最終的には大陸全体の気候を湿潤から乾燥に切り替える可能性があり、内部の降水量は95％以上減少し

MakarievaとGorshkovの出版物は技術的なものであり、仮説の背後にある物理学を詳述していますが、基本的な考え方とその意義をより多くの人に説明します。 私達は考えが確実、利点の通知なぜであるか注目によって始まる。 次に，森林-気候相互作用の従来の理解とＭａｋａｒｉｅｖａとＧｏｒｓｈｋｏｖの提案を要約した。 私たちは熱帯林に焦点を当てています。 これらの森林を特別なものにするものを検討した後、我々はMakarievaとGorshkovの仮説に関連する様々な意味と研究機会を検討します。 最後に、私たちは森林保全のためのこれらのアイデアの重要性を強調しています。

かなりの研究にもかかわらず、地球規模の気候を決定するメカニズムはまだ十分に理解されていません。 気候物理学に関するコンセンサスの要約は、事実よりも不確実性の詳細に多くの言葉を費やす必要があります（例えば、IPCC2007）。 ここ数十年で認識された進歩にもかかわらず、すべての重要な洞察が何千もの出版された記事の中ですぐに注目されるわけではありません。 マカリエヴァとゴルシコフの研究は、大気の挙動の方程式に焦点を当てていますが、不当に無視されているようです。 私たち自身の評価だけでなく、私たちが相談した専門家の同僚の評価は、MakarievaとGorshkovの仮説が興味深く重要であるということです。 それは今精査され、評価されなければならない。

従来の理解

森林破壊は、様々な地域（サヘル、西アフリカ、カメルーン、中央アマゾニア、インドを含む）の降雨量の減少、モンスーンの弱体化に寄与していると関係している（Fu et al. 2002年、Gianni et al. 2003年、MalhiおよびWright2005年）。 しかし、リンクは不確実なままです。

観測は、大規模な森林破壊がしばしば雲の形成と降雨を減少させ、季節性を強調することを示唆している(Bonan2008)。 森林の清掃は、湿った空気が森林から引き出される独特の対流駆動の”植生の微風”を引き起こす可能性があります（Laurance2005）。 キャノピーの粗さと温度駆動対流に起因する大気の乱流は、時々断片化された森林被覆に関連する降雨の局所的な増加を説明すると考えられている（Bonan2008）。

実験的な調査の機会は限られているため、気候研究者は理解を進めるためにシミュレーションモデルに大きく依存しています。 現代のほとんどのモデルは、森林伐採後の降雨量の局所的な減少を意味し、地域的および大陸間の気候への影響（Bonan2008）を暗示しています。 気候モデラーにとって、森林破壊に関連する主な変化は、葉面積指数の減少、発根深さ、キャノピーの粗さおよび粗さの長さ（空気の流れに影響を与える尺度）、およ しかし、これらの変化、それらの相互作用と影響、および文脈とスケールへの依存は、広範な用語でのみ理解されています。 多くの不確実性、特に蒸発、対流、雲の発達、エアロゾルと土地の被覆の影響、および雲の被覆の変化が降雨の変化にどのように変換されるかについては、

大気中の水分は海洋および陸上の蒸発に由来する。 陸上の源に由来し、地元の降雨に寄与する雨は”リサイクル”と呼ばれています。”濡れた大陸のインテリアの従来の説明は、そのようなリサイクルを強調していますが、数字は加算されますか？

再利用された雨の割合は、考慮される地域の範囲に依存する尺度であり、湿潤地域と乾燥地域の間で一貫した違いはほとんど示されていない。 2005年）、米国中西部の夏の雨のための50パーセント以上（BosilovichおよびSchubert2002年）、およびサヘルのための90パーセント以上（Savenije1995年）。 湿った地域について困惑しているのは、リサイクルの割合ではなく、川を流れるものを置き換えるために必要な大気中の水分の内向きの流れを駆動するものの問題である(Savenije1996)。

従来の理論では、大陸内部の平坦な低地が湿潤な気候をどのように維持しているかについて明確な説明は提供されていません。 MakarievaとGorshkovは、”従来のメカニズム”（リサイクルを含む）のみが適用される場合、降水量は海洋からの距離とともに指数関数的に減少するはずであることを示 研究者は、以前に観測された降水パターンを説明するために欠けているメカニズムに困惑しています（Eltahir1998）。 MakarievaとGorshkovの仮説は、エレガントな解決策を提供しています：彼らはそれを”ポンプ”と呼んでいます。”

大気水分ポンプ

温度と対流によって駆動される圧力勾配は、従来の気象科学における空気の流れの原理的なドライバーであると考えられています。 MakarievaとGorshkovは、蒸発と凝縮の重要性が見落とされていると主張している。

MakarievaとGorshkovは、典型的な大気条件下では、地表付近の水蒸気の分圧が、その上の大気中に保持されている水の重量を大きく上回るという事実に注意を 彼らは、この不均衡が強力な気流を発生させる可能性があると主張している。 力は、対流圏（下層大気）の高度に伴って温度と圧力の両方が低下する方法に起因します。 縦の温度の低下（”経過率”）が1の臨界値よりより少しのとき。Kmあたり摂氏2度（°C）、大気中の水は静的で気体状態のままである可能性があります。 しかし、世界の平均経過率はkmあたり6℃を超えています。 これらの高い速度では、水蒸気が上昇し、凝縮する。 この気液相変化の間に起こる大気体積の減少は、空気圧の減少を引き起こす。 この圧力の低下は、日常的に見落とされてきました。

地球表面付近の気流は、圧力が最も低い場所に流れます。 MakarievaとGorshkovによると、これらは最高の蒸発速度を持つ領域です。 赤道気候では、森林はオープンウォーターを含む他のカバータイプよりも高い蒸発速度を維持します。 したがって、森林は他の場所から湿った空気を吸い込み、森林面積が大きいほど湿った空気の量が大きくなります（図1参照）。 この付加的な湿気はぬれた区域上の雲として凝縮する水の大きい割合が他の所でから引かれる正帰還を発生させる順番に上がり、凝縮する。 ドライバー（太陽放射）と基本的な熱力学的概念との関係は、従来のモデルと同じであるため、ほとんどの挙動は同じです—違いは凝縮がどのように組み込

MakarievaとGorshkovの推定値は、凝縮からの体積変化を取り入れて、森林被覆が十分であるとき、大陸内の高い降雨を維持するのに十分な湿った空気が引き込まれることを示唆している。 したがって、凝縮は、なぜ大陸の降水量が海からの距離とともに常に減少しないのかを説明するメカニズムを提供する。

蒸発と森林

蒸発の二つのタイプを区別します。 蒸散は植物内からの蒸発流束である; 植物は気孔（葉および他の表面の気孔）の制御によってこの流れを定める。 湿った表面、土壌、および開放水からの蒸発も重要です。 どの経路が全体的な蒸発に最も寄与するかは、条件に依存する（Calder2005、Savenije2004）。

森林は他の植生よりも多くの水分を蒸発させ、典型的には草本被覆からのフラックスを10倍超えている(Calder2005)。 閉鎖された熱帯林は、典型的には年間1メートル以上の水を蒸発させる(Gordon et al. 2005). いくつかは二メートル以上蒸発する（Loescher et al. 2005).

森林の蒸発は、キャノピーの高さと粗さから利益を得、乱流気流につながります。 これは、洗濯物が地面に平らに置かれたときよりもライン上でより迅速に乾燥するのと同じ理由であるため、「物干し効果」と呼ばれています（Calder2005）。 水分が十分である場合、森林の蒸発は、主に日射および天候によって制約される（Ｃａｌｄｅｒ ｅ ｔ ａ ｌ． 1986,Savenije2004). 大きな熱帯の木は、毎日数百リットルの水を蒸散させることができます（Goldstein et al. 1998).

水の埋蔵量は重要です。 高い茎容積を有する植物は、茎の水貯蔵量が昼までに枯渇し、夜間に補充されるので、蒸散が根の取り込みを上回ることを可能にする（Goldstein et al. 1998年、Sheil2003）。 木（および森林リアナ）は、典型的には他の植生よりも深い根を有し、したがって干ばつの間に地下の水分にアクセスすることができる（Calder et al. 1986年、Nepstad et al. 1994). 多くの森林土壌は良好な水の浸透と貯蔵を持っています—森林破壊でしばしば失われる特性（Bruijnzeel2004）。 夜間の根による森林土壌プロファイルを通る土壌水の垂直転座もまた重要であり得る（Ｌｅｅ ｅ ｔ ａ ｌ． 2005). いくつかの場所（特に、雲林および沿岸霧にさらされた森林—では、豊富なコケ植物および密な葉が効率的な霧および露の遮断に寄与する（Dietz et al. 2007).

MakarievaとGorshkovは、雨が降ったときに森林が影響を与える可能性があることを示唆しています。 凝縮した水分が蓄積し、湿った空気が上昇することによって生成される浮力が十分に低いと、降水が発生します。 彼らは、植物が気孔を閉じると蒸発が減少し、水分ストレスを軽減するために1日の後半にしばしば起こることに注意している(Pons and Welschen2004)。 この減少は、ほとんどの熱帯雨が多くの陸上（海洋ではない）の設定で正午以降に降る理由を説明するのに役立つかもしれない（Nesbitt and Zipser2003）。 この予測には調査が必要です。

降雨は

MakarievaとGorshkovの仮説は、2つのタイプの海岸から大陸内部の降雨の傾向を予測します（地域のisohyetsに垂直な横断経路に従う;Savenije1995）。 彼らは、場所や季節性にかかわらず、森林のない横断部は海岸からの距離が増加するにつれて年間降雨量が指数関数的にほぼ減少するのに対し、森林に覆われた横断部は何も示さないことを提案し、実証している(図2)。

地球規模の気候モデルは、これらの降雨パターンに適合するかもしれないが、彼らはそれらを予測していません。 これは重要な区別です。 MakarievaとGorshkovが指摘しているように、”GCMsにおける大気対流の現代的な表現は、理論ではなくパラメータ化であることが広く認められている。”

季節降雨

マカリエワとゴルシコフの仮説は季節熱帯地方にどのように適用されますか？ これらのモンスーン気候は、湿った状態と乾燥した状態の2つの状態を切り替えます。 このスイッチは、赤道地域外の太陽エネルギーの年間リズムと、陸と海への異なる影響によって駆動されます。 古典的な温度ベースの説明ではなく、MakarievaとGorshkovの見解では、スイッチングは相対的な蒸発流束に依存しています。 太陽エネルギーの減少した季節には、土地は開放水よりも水分を蒸発させず（海洋の蒸発は冬でも実質的なままである）、海は土地から空気を引き抜き、乾季につながる（図1cを参照）。 強い日差しが戻ってくると、太陽エネルギーは再び土地が隣接する海よりも多くの水分を蒸発させるのに十分であり、古典的なモンスーンをマークする気流のスイングを引き起こします。 このスイッチングは蒸発-降雨システムに関与する正のフィードバックに依存する。

しかし、熱帯降雨の季節的変化の全てが類似しているわけではない。 熱帯の南アメリカの多くは長期の乾季を経験しますが、海岸に出入りする気流の明確な切り替えはありません（Zhou and Lau1998）。 特に、これらの森林の広大な地域は、雨季ごとに補充される深い土壌水分埋蔵量にアクセスすることによって、乾季を通じて緑色のままである（Juarez et al. 2007年、Myneni et al. 2007). 結果として得られる乾季の蒸発は、海上でのより低い空気圧の影響を完全に克服するわけではありませんが、MakarievaとGorshkovによると、差を小さく保ち、陸上雨の可

MakarievaとGorshkovの仮説では、湿った季節は、高い陸上の蒸発が先行すれば早く始まり、蒸発が低い場合は後で（またはまったく）始まる可能性があります。 この予測は、深刻な干ばつが植生の蒸散能力を低下させ、雨季の発症を遅らせるアマゾニア南部の観測と一致している（Fu and Li2004）。 森林の損失と蒸発の減少は、モンスーンの雨の浸透を減らし、雨季の期間を短縮することができます。

空間的文脈と切り替え状態

MakarievaとGorshkovのアイデアは、海洋によって緩衝されていない内陸の気候システムが沿岸地域よりも土地被覆の変化に脆弱であることを意味する従来の気候モデルに同意するが、それをはるかに超えている(Zhang et al. 1996）、沿岸地域における森林の損失は、典型的にはより広い気候的影響を有する（van der Molen et al. 2006). MakarievaとGorshkovによると、海岸から大陸の内部に湿った空気を運ぶために必要なほぼ連続した森林が切断されると、大気中の水分の流れが止まります。 このように、海岸近くの森林の帯をきれいにすることは、湿った大陸の内部を乾燥させるのに十分かもしれません。 さらに、より大きな森林ゾーン内で十分な森林をきれいにすると、海から陸への純水分輸送が陸から海への純水分輸送に切り替わり、森林の残渣を乾燥させる可能性があります。 明らかに、そのようなリスクは評価され、理解される必要があります。

実例として、マカリエヴァとゴルシコフは、森林に覆われたオーストラリアが先史時代の入植者によって砂漠に”切り替えられた”と提案している。 アボリジニの燃焼は沿岸の森林を減少させ、大陸の乾燥につながった。 これは信頼できますか？ 陪審員は残っている。 世界の大部分が現在よりも乾燥していた最終氷期の間に、人間はオーストラリアに到着しました。 確かにオーストラリアは過去に十分に森林に覆われていましたが、その後再び、乾燥したエピソードは人間の到着の前に起こっています（Morley2000）。

さらなる証拠の探索

トランセクトデータとモンスーンのタイミングを除いて、マカリエヴァとゴルシコフの仮説の証拠を求めることができますか？ おそらく、消えていく森に囲まれた深い大陸のインテリアでは、パターンが理想的です。 残念なことに、雨や森林に関する長期的なデータが入手可能な場合は、海洋気候が優勢な沿岸地域と、降雨が地形によって支配される山岳地域からのも インド南部のカルナータカ州の森林伐採された麓の一世紀の降雨記録は、年間雨日数のわずかな減少に関連しているという広く引用された観察は、したがって、あまり明るいものではない(Meher-Homji1980)。

気候変動に関するデータはより明らかになるかもしれない：MakarievaとGorshkovの仮説は、森林の損失が安定化フィードバックの損失と気候不安定性の増加と関連していることを示唆している。 ブラジルの大西洋林では、樹木被覆の減少と降雨量の局所的な年間間変動の増加との間に、そのような相関が検出されている（Webb et al. 2005).

新しい調査

MakarievaとGorshkovの仮説は、多くの異なる分野に影響を与えています。 私たちはいくつかを簡単に検討します。

MakarievaとGorshkovの森林と非森林の横断面における明確な降雨パターンの予測と実証は説得力があります。 しかし、これらは一般化されています: 彼らは、各トランセクト内の地形とカバーの種類の変化、および空気循環パターンの影響を無視します（理想的なトランセクト方向は年によって異なります）。 彼らは、森林被覆がしばしば最も速く消えている地域である混合森林/非森林横断上の湿った空気の挙動を予測していません。 衛星観測（例えば、Ｗａｎｇ ｅ ｔ ａ ｌ． 2009年）および国際地球圏生物圏プログラムtransectsからのものなどの様々な既存のデータは、これらのパターンについてより多くの光を当てる可能性がある（参照www.igbp.kva.se）。 より多くのフィールドデータに加えて、メカニズム、シナリオ、および結果を探求することができるローカルおよび地域のシミュ

変更された景観における水文学的トレードオフは規模に依存する。 標準的なビューでは、フィールドデータによって十分に検証され、森林のキャノピーの顕著な減少は、蒸発に失われた水の減少と局所的な流出の増加をもたらす（Calder2005）。 対照的に、MakarievaとGorshkovの仮説は、森林によって蒸発した水は通常関心を持って返されることを示唆しているので、森林が枯渇した場合、降雨量の減少が予想され、

森林劣化における火災被害の役割は、確立された肯定的なフィードバックである：森林がすでに燃えているか、または他の方法で妨害され、損傷された後、それはより可燃性になり、したがって再び燃える可能性が高くなる（Laurance2005）。 MakarievaとGorshkovの仮説は、このサイクルに干ばつを追加します。 火災は、森林を湿った不燃性に保つ特性を損なう—MakarievaとGorshkovのポンプを駆動するのと同じ特性。 火は油圧上昇に責任がある葉区域および根密度を減らし、こうしてunderstory湿気を維持する植物の機能を弱める。 蒸発が減少すると降雨量が減少し、干ばつの増加、燃焼性の向上、火災リスクの増加につながり、劣化サイクルに追加の歓迎されない正のフィードバックが追加されます。

MakarievaとGorshkovの仮説は、景観生態学におけるフィードバックの役割に関する疑問を提起する。 例えば、最も競争力のある葉のphenological行動は気候に依存しています。 樹木の中では、常緑樹の葉は季節の予測不可能性が高く、水分の利用可能性の季節変動が低いことが好まれ、落葉性の葉は季節の予測可能性だけでな また、落葉樹の中には落葉樹もある（すなわち、落葉樹ではない）。、新しい葉を生成する）よく前に—といくつかの唯一の後に—雨が来る、前者は、より予測可能な季節の文脈で好まれ、後者は、より不規則な条件で。 MakarievaとGorshkovの仮説は、これらの行動は、蒸発速度に影響を与えることによって、気候に影響を与えることを意味する。 モンスーン地域では、常緑樹と早期フラッシング落葉植物は、乾季がより早く、より定期的に終了するのに対し、遅フラッシング落葉樹林はより長い乾季を経験する。 MakarievaとGorshkovの仮説を適用すると、これらの現象学的行動は、それらが最も適応される気候条件に有利であることが期待される。

しかし、すべてのフィードバックが必ずしも肯定的であるとは限りません。 例えば、常緑樹は、多くの季節の熱帯林のキャノピーのかなりの割合を占めており、その支配は長い乾季に好まれているように見える（Schnitzer2005）。 その結果、降雨量が増加すると、リアーナの上に木が有利になるはずです。

進化と創発の安定性。

森林は雨を発生させるために進化しましたか？ このアイデアは、創発的な自己安定化行動（または”Gaia”;例えば、Lenton and van Oijen2002）の多くの議論された可能性に触れています。 樹木や森林は地球の歴史の中で何度も進化しており、豊かで自己給水の陸上生息地を生み出す傾向が繰り返されていることを示唆しています。 以前の議論が示すように、自己安定化相互作用が生じる範囲がある（Makarieva and Gorshkov2007も参照）。 しかし、効果的な森林ポンプに必要な特性も個々の樹木に利益をもたらすため、ポンプは個々のレベルの競争の進化的結果として現れるように見えます。

古気候。

MakarievaとGorshkovの仮説は、気候スイッチを備えており、古い論争に新しいひねりを与えています。 過去50,000年間の以前は無人の地域での人間の到着は、特に（上記のオーストラリアの例のように）より大きな動物相の間で、常に絶滅に関連しています。 自然現象と見なされる気候変動の同時の役割は、引き続き議論されている（Koch and Barnosky2006）。 深刻な気候への影響が古代の人為的な生息地の変化に起因する可能性がある場合、一連の出来事をこの枠組みで再評価する必要があります。

MakarievaとGorshkovの仮説は、地球の歴史を中断する壊滅的な出来事の後に森林がどのように再確立されるかを教えてくれません（Morley2000）。 この質問では、異なるスケールで空間的に動作するフィードバックプロセスとしきい値、およびそれらに作用する影響を解明する必要があります。 確かに、この仮説は、そのような緑化が起こらないと主張していない。 おそらく、降雨量が海岸からの距離とともに指数関数的に減少する湿った沿岸の場所でさえ、森林は確立することができ、それによって湿った空気を引き寄せるように徐々に内陸に進むことができます。 マカリエヴァとゴルシコフの仮説は、アフリカではなく南アメリカが過去の氷期を通じて大規模で湿った内陸気候をどのように維持していたかを明らかにする可能性がある。 おそらくアフリカでは、大規模な草食動物と火を持つ祖先の人間の存在が、森林と非森林の植生のバランスに影響を与え、安定性を低下させ、気候を切

MakarievaとGorshkovは、自然で無傷の森林だけが大気ポンプを維持できると提案しているのとは対照的に、二次林とプランテーションは望ましい蒸発特性を持つこ 2008). そのような植生の可燃性が高いほど、湿潤環境が少なく、ポンプの効果が低いことを意味するが、そのような特性は避けられず、管理の影響を受ける可能性がある。 これらの特性を調査する必要があります。

砂漠を緑化する。

いつか世界の砂漠に植林できますか？ MakarievaとGorshkovの仮説は、私たちがかもしれないことを示唆しています。 ほとんどの従来のモデルとは対照的に、MakarievaとGorshkovの計算は、これらの地域に森林が確立されると、生物ポンプはそれらに水を供給するのに十分強力である 規模、および避けられない技術的および倫理的課題にもかかわらず、そのようなプロジェクトは、二酸化炭素濃度が上昇するにつれて資金を供給し、実

見通し

マカリエワとゴルシコフの仮説が有効であることが証明されれば、生物ポンプ機構が他のプロセスとどのように相互作用して、地域、地域、地球規模の気候のより完全な説明を提供するかについて重要な疑問が残るだろう。 仮説に欠陥があることが証明された場合、湿った大陸の内部を説明するメカニズムが依然として必要である。

生物ポンプの受け入れは、社会が森林被覆に置く価値を高めるだろう。 水についての地域の懸念を高めることによって、MakarievaとGorshkovの生物ポンプの受け入れは、そうでなければ森林被覆を維持するためにほとんど気にしな

謝辞

私たちは、Anastassia Makarieva、Victor Gorshkov、Antonio Nobre、Ian Calder、Meine van Noordwijk、Wolfgang Cramer、そして三つの匿名のレビュアーに貴重なコメントを感謝します。 また、Claire MillerとMiriam van Heistの編集提案、およびciforライブラリとWageningenライブラリの参考文献の検索にも感謝します。 D.S.は、国際林業研究センターへの欧州委員会の助成金、および熱帯森林保全研究所への野生生物保全協会の支援によって支援されました。

引用文献

著者ノート