高校生物 生産構造図と層別刈取法—高さ別の同化器官と非同化器官を読み取る｜武蔵野個別指導塾

葉と茎の乾燥質量を高さ別に読み、採取面積の換算と光条件を推測する際の限界まで確かめます。

よくあるのは、高校生が草地の図を見て、左右の棒の長さをそれぞれの層にいる植物の個体数だと読む場面です。上の棒が長ければ上に多くの個体がいる、と結論してよいでしょうか。実際には1個体が複数の高さに葉や茎を伸ばすこともあります。棒が表す量と、試料をどのように分けたかを押さえると、植物群落の立体的なつくりが見えてきます。

高さの資料で何を問うか

生産構造図では、高さの区間ごとに、葉などの同化器官と茎などの非同化器官がどれだけあるかを読みます。まず問われるのは、ある高さでどちらの器官の乾燥質量が大きいかです。左右のどちらが葉かは図の凡例で決まるため、いつも左が葉だと覚えるのではなく、その資料で確かめます。

次に、層ごとの値を足して群落全体の量や割合を求めます。ただし、層の値が面積当たりの質量なのか、採取した試料そのものの質量なのかを見分けます。最後に、葉の配置と光条件の関係を考えます。光を受ける位置と葉が重なることは関係しますが、構造図だけで各層の光の強さや光合成速度の実測値まで決まるわけではありません。

棒に入っているもの

層別刈取法は、一定面積の植物群落を高さごとの層に分け、各層に含まれる器官の量を調べる方法です。地上部を対象とする資料なら、地下部は含みません。高さは地表から測り、層の境界を先に決めます。境界をまたぐ葉や茎は、その部分が存在する高さごとに分けます。個体ごとの背丈で分類するのではありません。

同化器官は光合成を行う器官で、典型的には葉です。非同化器官は、ここでは茎など、資料で葉と分けられた部分を指します。緑色の茎が光合成する場合もあるので、実際の資料ではどの部位をどちらに分類したかが重要です。枯れた部分を含むかどうかも条件に従います。

図1のように、同じ高さの左右の棒は、同じ地表面積の上にある2種類の器官の乾燥質量を表します。棒が横に長いほど、その層の面積当たり乾燥質量が大きいという意味です。縦方向は高さであり、棒の上下の位置を足して質量にすることはできません。図1は考え方を示す自作の模式図です。

図1では上層の葉の棒が下層より長く、茎は両層にあります。植物の個体数、葉の枚数、各個体の背丈はこの棒から直接は決まりません。質量は、水分を含む生の重さではなく、乾燥させた試料の質量でそろえます。水分量の違いが比較を左右するのを抑えるためです。乾燥が不十分なら残った水の分だけ質量が大きくなり、土や別の器官の混入も結果をゆがめます。

一般に広葉型の群落では同化器官が上の方に集中し、イネ科型では細長い葉などの同化器官が比較的下の層まで分布する傾向があります。型は分布の特徴を表す整理であって、1枚の葉の形や種名だけで判定する規則ではありません。群落内の光は上の葉で遮られるため、下ほど弱くなることが多い一方、隙間や葉の向きでも変わります。図の形から光の届き方を考えるときは、その傾向と個々の測定を区別します。

面積換算は、試料の乾燥質量を採取面積で割ります。同じ区画から得た各層の値なら、換算してから足しても、試料の質量を足してから換算しても同じです。これは共通の面積を分母に持つ分数の和だからです。異なる面積の区画では、換算前の質量をそのまま比べられません。以下の数値と図は、計算のための自作資料です。

基本と標準の資料を読む

基本例題

地上部を対象に、面積1 m²の区画を高さ0〜50 cmと50〜100 cmに分けました。乾燥質量は下層の葉が20 g、茎が40 g、上層の葉が60 g、茎が30 gでした。図2はこの資料を表します。葉と茎の合計をそれぞれg/m²で、上層にある葉の割合を百分率の整数で求めてください。

図2の横の長さは乾燥質量を表し、左が葉、右が茎です。縦は地表からの高さで、各棒はその区間の合計を示します。個体がどこに根を張るかや、区間内で器官が均等に分布するかは表しません。

葉の合計は20 + 60 = 80 g/m²、茎の合計は40 + 30 = 70 g/m²です。区画が1 m²なので試料のgの値と面積当たりの数値が一致します。上層の葉の割合は次のように計算します。

(上層の葉の質量)/(全層の葉の質量)・100
= (60)/(20 + 60)・100
= 75 %

答えを戻すと、葉80 g/m²の75 %は60 g/m²です。残り25 %は20 g/m²で、下層の条件にも一致します。分母を葉と茎の合計150にすると、上層の葉が全器官に占める割合になり、求められた割合とは別です。

標準例題

別の地上部の資料では、面積0.5 m²の区画を下から3層に分けました。葉の乾燥質量は順に5 g、15 g、20 g、茎は順に15 g、10 g、5 gです。各器官の合計をg/m²で求め、葉の面積当たりの質量のうち最上層の割合を整数の百分率で答えてください。あわせて、葉が上部に集中するという説明がこの資料に合うか述べてください。

まず区画内の葉は5 + 15 + 20 = 40 g、茎は15 + 10 + 5 = 30 gです。面積0.5 m²で割ると葉は80 g/m²、茎は60 g/m²です。層別に換算する別解では葉が10、30、40 g/m²なので、合計は同じ80 g/m²になります。最上層は40 g/m²ですから、葉の合計に対する割合は(40)/(80)・100 = 50 %です。

検算では、80 g/m²に0.5 m²をかけて40 g、60 g/m²に0.5 m²をかけて30 gに戻ります。最上層の葉も80 g/m²の50 %で40 g/m²となり、採取区画では20 gです。葉の質量は下層から上層へ増え、半分が最上層にあるため、上部に集中するという説明はこの資料に合います。ただし、これだけで光の強さや群落全体の代表性は確定しません。

配置の違いと測定の確かさ

発展例題

地上部を調べる同じ面積の区画を、同じ幅の下・中・上の3層に分けます。資料Aの葉の乾燥質量は下から10、20、60 g/m²、資料Bは30、30、30 g/m²でした。いずれも自作の資料です。各資料の葉の合計をg/m²で求めてください。上層の割合は百分率で計算し、小数第1位を四捨五入して整数で示してください。また、葉の分布から予想できることと、この数値だけでは決められないことを述べてください。

AもBも合計は90 g/m²です。上層の割合はAが(60)/(90)・100で約67 %、Bが(30)/(90)・100で約33 %です。整数に四捨五入しています。丸める前の割合はそれぞれ(2)/(3)、(1)/(3)です。90にこれらをかけると60と30に戻り、元の上層の量に一致します。

Aは上層への集中が大きく、Bは3層に同じ質量が分布します。Aでは上の葉によって下への光が遮られる状況を考えられます。しかし、質量が同じでも葉の面積や向きは同じとは限りません。Bの下層の光が必ずAより強いとも、光合成速度が必ず大きいとも、この表だけからは断定できません。別解として、Aの下2層の合計30と上層60を比べても、上層への集中が読み取れます。

比較を確かめるには、群落ごとに複数の独立した区画を設け、区画面積、層の境界、器官の分類、乾燥の条件をそろえて資料を取る計画が考えられます。位置は偏らないよう選び、各区画の値と平均の両方を残します。光条件も問うなら、それぞれの高さの光を別に測り、測定位置と時点を対応させます。ここでは採取や乾燥の実践手順ではなく、資料の設計を考えています。

たとえば1区画がたまたま葉の密な場所に重なると、群落の平均を大きめに見積もることがあります。逆に隙間に当たれば小さめになりえます。反復によって区画間のばらつきを見ることはできますが、偏った位置ばかりを増やしても偏りが自動的に消えるわけではありません。境界付近の器官を二重に数えると合計が増え、分類漏れがあれば減ります。試料を混ぜる前に層と器官の記録を対応させ、再確認できるようにすることが必要です。

高さを縦軸、乾燥質量を横軸とする図では、幅の違う層を比べるときにも注意します。幅が広い層には多くの器官が入りやすいため、棒の長さだけで単位高さ当たりの密度を比べられません。等しい層幅で描くか、比較の目的に応じて層幅で割った量を別に示します。区画面積が同じでも、層幅が違う問題は残ります。

読み違いを修正する

図2で上層の葉が60なので「上層に植物が60個体いる」と答えたとします。60の単位はg/m²ですから、これは個体数ではなく葉の乾燥質量です。1個体の葉が上下両層に入ることもあり、棒を個体の集まりと読み替える根拠はありません。図3のように、まず単位と凡例に戻ると、言い直すべき量が見つかります。図3は誤読と修正を示す自作の模式図です。

もう1つの誤りは、上層の葉60を下層の葉20で割って3倍と出した後、それを上層の割合300 %と呼ぶことです。3倍は下層を基準にした比較であり、全葉に占める割合は上層を全葉80で割ります。問いにある「何に対する割合か」を分母に書いてから計算すると混同を防げます。

また、葉が多い層は必ず光が弱い、という一方向の断定も避けます。上方に葉があると下への光を遮りうるものの、測定点が葉の上か下か、葉の向きや隙間がどうかで光は変わります。棒の長さは葉の質量であって、光を直接示す棒ではありません。図にない量を推測するときは、その推測に必要な観察を添えます。

練習問題

次の5問は地上部についての自作資料です。乾燥質量を用い、面積換算後の値にはg/m²を付けて答えてください。割合は指定の形で示します。

1. 面積2 m²の区画で、下層の葉が18 g、上層の葉が42 gでした。葉の合計をg/m²で求め、上層が葉全体に占める割合を整数の百分率で求めてください。
2. 面積0.25 m²の区画で、下・中・上層の茎がそれぞれ6 g、4 g、2 gでした。各層と合計をg/m²で求めてください。
3. 面積1 m²で、下層の葉が36 g、上層の葉が24 gです。上層の葉が下層の何倍かを、小数第3位を四捨五入して小数第2位まで求めてください。上層が葉全体に占める割合は整数の百分率で示し、2つの計算の分母の違いも説明してください。
4. 同じ層幅の下・中・上層について、群落Cの葉は順に12、24、36 g/m²、群落Dは24、24、24 g/m²でした。両者の合計を求め、葉の上部への集中を比較してください。この資料から下層の光の強さを数値で決められるかも答えてください。
5. 異なる2区画の地上部を比較します。区画Eは1 m²で葉が45 g、区画Fは3 m²で葉が90 gでした。葉の量を面積当たりに直して比べ、さらに1区画ずつの結果から群落全体を比較する際の問題点を1つ述べてください。

答えと考え方

1. 合計は(18 + 42)/(2) = 30 g/m²です。上層の割合は(42)/(60)・100 = 70 %です。30 g/m²を2 m²に戻すと60 g、その70 %は42 gで条件に合います。面積が同じ区画内の比なので、換算前の質量でも割合を求められます。
2. 順に24、16、8 g/m²、合計48 g/m²です。それぞれに0.25 m²をかけると6、4、2 gに戻り、合計も12 gです。合計を先に12 gとし、0.25 m²で割っても48 g/m²です。
3. 倍率は(24)/(36) = (2)/(3)で、約0.67倍です。小数第3位を四捨五入しました。割合は(24)/(36 + 24)・100 = 40 %です。倍率の分母は下層、割合の分母は上下の葉の合計です。丸める前の(2)/(3)に36をかけると24、60の40 %も24です。
4. 両群落とも合計72 g/m²です。Cの上層は36 g/m²で合計の半分、Dの上層は24 g/m²で合計の(1)/(3)ですから、Cの方が上部への集中が大きいといえます。72の半分は36、(1)/(3)は24で元の値に戻ります。光の強さは葉の配置や光の測定を含まないため、数値で決められません。
5. Eは45 g/m²、Fは30 g/m²で、面積当たりではEが大きいです。面積をかけ戻すとそれぞれ45 gと90 gです。ただし、各区画が群落の典型とは限らず、選んだ場所によるばらつきが見えません。独立した複数区画の資料を比較すると、ばらつきも検討できます。

覚えておくこと

• 棒の凡例、単位、高さの境界を先に読む。
• 層ごとの乾燥質量は個体数ではない。
• 面積をそろえて器官と層ごとに比較する。
• 葉の配置から光を考え、測定していない値は断定しない。
• 区画の反復と採取・分類・乾燥の誤差を点検する。

答案のどこを見直すか

個別指導で確かめるなら、まず生徒自身に横棒の端に単位を書き、葉と茎がそれぞれどの側かを図に書き込んでもらいます。次に、割合の分母を言葉で示してから式に直し、求めた値を元の面積や質量へ戻します。計算が合っていても分母の意味が違えば、答えは別の問いへの答えです。

光についての記述は、図から直接読んだ葉の分布と、そこから考えた光の通り方を線で区切って点検します。測定値がないときに断定していないか、複数区画を比べる必要を説明できるかも確認します。高さごとの量と、その量から言える範囲を分けることで、生産構造図は群落の立体的な姿を考える資料になります。