Crown snow amplifies snowpack-driven bending stress through trunk form change in snow-buried subcanopy and understory woody plants: a structural-mechanical model for Fagus crenata in a heavy snow forest

日本の山岳地帯の深い冬、地表の下では、静かではあるが強力な闘いが繰り広げられている。雪線より上のそびえ立つ樹木が風にさらされている一方で、林床にある若い苗木や小さな木々は、高さ5メートル近くに達することもある巨大で流動的な氷と雪の塊の中に完全に埋もれ、閉じ込められている。数ヶ月間、これらの若い植物は単に雪の下に置かれているのではない。雪によって押しつぶされているのだ。雪の層が幹に押し付ける重みは、絶え間ない曲げる力を生み出し、茎を折ったり、樹木を永久に変形させたりすることがある。埋もれた植物がこの圧力にどのように耐えているのかを理解することは、単なる植物学の問題ではない。それは、気候が温暖化するにつれて森林がどのように変化するかを理解するための鍵となる。気温が上がると、降る雪はより湿り気を帯びて重くなり、枝に付着しやすくなり、より高い密度で蓄積するようになる。この変化は、森林の床を形作る機械的な力を変える恐れがあり、どの若い木が明日の樹冠へと生き残るかを決定づける可能性がある。

研究チームは、日本の多雪地帯で見られる特定の種類のブナの木に焦点を当て、この埋没によるストレスが具体的にどのように作用しているのかを解明するために調査を行った。彼らは、実際の樹木の「デジタルツイン」として機能するコンピュータモデルを構築し、雪が解けるのを待つことなく、冬の間のゆっくりとした押しつぶすような重みをシミュレートできるようにした。彼らの研究は、驚くべき二段階のプロセスを明らかにしている。冬の早い時期に樹冠に積もった雪は、直接的に木を折るわけではない。その代わりに、幹を曲げ、樹木の形状を変えてしまう。この新しい曲がった形状が、その後の冬における出発点となる。つまり、深い雪の層が幹に押し寄せる際、木がすでに傾いているため、もし直立していた場合よりもはるかに強い力がかかるのである。樹冠への初期の雪は「静かな引き金」として作用し、その後に続く深い雪によるより大きなダメージへの舞台を整える。

モデルを構築するために、研究者たちは山形県に赴き、深雪を掘り下げて、冬の間ずっと埋もれていた12本の若いブナの木を露出させた。彼らは、これらの木が夏場の直立した状態と比較して、どの程度曲がり、傾いているかを注意深く測定し、木材の剛性をテストした。その結果、樹木は確かに雪によって湾曲した形状へと押し込まれていることが分かった。これらの実測値を用いて、彼らは樹木の幹を連続的で柔軟な棒として扱う構造モデルを作成した。モデルは冬を二つの明確なフェーズに分けてシミュレートする。第一に、樹冠に蓄積する雪の重みを適用する。これは、樹木の先端に載った重りのように作用する。第二に、周囲の雪の層による圧力を適用する。これは、埋もれた幹の全長に対して押し寄せる力である。極めて重要なのは、モデルが第一フェーズで樹木が取った形状を「記憶」し、その曲がった形状を第二フェーズの出発点として使用することである。

シミュレーションの結果、二種類の雪の間には明確な役割分担があることが示された。樹冠に載っている雪は、たとえ重いものであっても、木材に直接的なストレスを与えることはほとんどなかった。それは単独で木を折るほど強力ではなかったのである。しかし、この樹冠雪は幹を著しく曲げるには十分であった。幹が曲がると、状況は劇的に変化した。埋もれた幹の全長に沿って分散して働く深い雪の層の圧力が、危険なストレスの主な発生源となった。しかし、それがどれほどのストレスを生むかは、押し返されている樹木の形状に完全に依存していた。初期の樹冠雪によって深く曲げられた木は、直立した木よりも、深い雪の層からはるかに高いストレスを受けることが判明した。実際、研究者たちは、樹木が事前に樹冠雪によって曲げられているという理由だけで、深い雪によるストレスが大幅に増幅されることを発見した。

この発見は、温暖化する気候における隠れた危険を示唆している。これらの多雪地域では、総降雪量はそれほど変わらないかもしれないが、雪の「質」が変化している。気温の上昇は、乾燥した粉雪よりも重く、枝に付着しやすい湿った雪をもたらす。これは、初冬の樹冠雪の負荷が増加することを意味する。モデルによれば、樹冠の負荷が重くなると、深い雪が到着する前に若い木がより大きく曲げられることになる。この余分な曲がりが、季節が進んで深い雪が到来した際、木を押しつぶす圧力に対してより脆弱にし、たとえ総雪深が変わらなくても、折れるリスクを高めるのである。ダメージの原因は樹冠雪そのものではなく、それが樹木を再形成し、後に続く重みに耐えられなくさせるという点にある。

また、本研究は樹木の形状がいかに運命を左右するかについても強調している。自然に直立している若い木は、通常の降雪条件下ではストレスが少ない。しかし、雪が非常に深くなった場合、傾いている木には、直立した木にはない安全装置がある。すなわち、傾いた木が地面に押し付けられると、ストレスの増加が止まるのである。対照的に、直立した木は、雪が深まるにつれてストレスが増し続け、制限がない。これは、平均的な年には直立していることが有利だが、極端な年にはリスクとなるという、複雑なトレードオフを生み出している。研究者たちは、モデルが曲がりやストレスを正確に予測した一方で、木材を完全な弾性体として扱っており、現実で起こる緩やかな塑性変形や段階的な破断まではシミュレートしていないと指摘した。フィールド調査では、モデルが破断すると予測したストレスに耐えて生き残っている木が多く見られ、木材が時間をかけて負荷に適応し、ゆっくりと変形できることを示唆している。

結局のところ、この研究は、雪がいかにして森林の未来を形作るかについての機械的な説明を提供している。雪に埋もれた若い木の生存が、どの個体が将来、樹冠を形成する大人へと成長するかを決定する。もし湿った雪がより一般的になれば、初期の樹冠負荷による曲がりの増加が均衡を崩し、深い雪の重みの下でより多くの若い木が失敗（枯死・破断）する原因となり得る。このモデルは、変化する冬の天候と森林の物理的な生存を直接結びつけることで、こうした結果を予測する方法を提示している。雪の負荷が一種の「記憶」を持って作用すること、つまり最初の負荷によって残された形状が二番目のダメージを決定するということを理解することで、科学者は森林が変化する気候にどのように反応するかをより正確に予測できるのである。