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放射性炭素分析で見る
土壌有機物の動態と多様性

小嵐 淳

発表の構成１． 炭素循環と土壌有機物
２． 放射性炭素（14C）の利用
３． 森林表層土壌における有機物の動態と多様性
４． まとめ2/24

陸域における炭素循環

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土壌・ 炭素を有機物として貯留
・ 炭素貯留量は、大気の２～３倍、植物体が保持する炭素量の３～５倍に相当
・ その炭素貯留能をもって、大気中CO2濃度の安定化に貢献
Diagram adapted from U.S. DOE, Office of Science.
Data source: IPCC AR5, Working Group I Report (2013).

炭素循環と地球環境変化

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炭素循環と地球環境の相互作用

正のフィードバック効果
温暖化による温度上昇は、土壌有機物の分解を促し、土壌からの炭素放出量の増大によって、さらなる温暖化を引き起こす可能性が危惧

タイミングや規模、炭素循環全体への影
響の程度は不明

地球環境変化の予測のカギ
土壌に大量に貯留する炭素が、環境変化に対してどう応答するか？

土壌有機物（炭素）の動態

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土壌有機物は、多様な、そして複合的なプロセスによってその動態（分解性）が規定されている。

有機物自体の分解性
・ 分子構造の違い（糖類、セルロース、リグニン）
・ 微生物の代謝産物（より分解しにくい構造へ）

物理的な隔離・ 土壌構造内部への有機物の閉じ込めによる、微生物や酵素からの隔離鉱物との相互作用
・ 鉱物（粘土鉱物）への吸脱着
・ 有機物―金属複合体の形成

・ 微生物の存在密度
Schmidt et al. (2011) Nature.

土壌炭素の環境変化に対する応答を解明するためには、土壌有機物の多様な分解特性を定量的に把握することが重要

発表の構成１． 炭素循環と土壌有機物
２． 放射性炭素（14C）の利用
３． 森林表層土壌における有機物の動態と多様性
４． まとめ6/24

放射性炭素（14C）の特徴と起源

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主な特徴
・ 炭素の放射性同位体
・ 半減期： 5730年
・ 自然界の存在割合： 12C (98.9%)、13C (1.1%)、14C (10−10%)→ 12Cと同じように動く（光合成、土壌有機物、分解、CO2・・・）

主な起源
・ 自然起源14C
宇宙線により大気圏上層で恒常的に生成・ 核実験起源14C
主に1951～1962年に集中して大気圏内で生成大気中の14C同位体比の変化
自然生成と放射性壊変が平衡

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核実験起源14Cにより急激に増加
その後、陸域や海洋への移行により年々低下

大気CO2中の14C同位体比の変化
14C同位体比の表記法： Δ14C値

1950年の大気CO2の14C同位体比との差を千分率で表した値（単位：‰）・ Δ14C ＜ 0 ‰： 放射性壊変の結果を反映。値が低いほど古い炭素・ Δ14C ＞ 0‰： 核実験起源14Cの混入。1950年以降の大気CO2を起源とする炭素を含む。

核実験起源14Cのトレーサー利用の原理

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土壌有機物のΔ14C値は、「炭素がどのくらい長く土壌中に留まっているか」という時間情報を与える。
大気CO2光合成

Trumbore (2000) Ecol. Appl.
Koarashi et al. (2009) Glob. Change Biol.

(14C)

リターフォール

CO2放出

交換の速い土壌有機物
交換の遅い土壌有機物
核実験以降に供給された有機物（核実験14Cの混入：小）（自然14Cの放射性壊変）

核実験以降に供給された有機物（核実験14Cの混入：大）微生物による分解
土壌有機物のΔ14C値は、炭素が入れ替わる速度に応じて決定

土壌有機物のΔ14C値を調べることで、分解特性を定量化できる

炭素の平均滞留時間の推定

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炭素と14Cの土壌への供給及び土壌有機物の分解をモデル化し、土壌有機物のΔ14C値と平均滞留時間（MRT：分解速度の逆数）の関係を導く。
2007年

実測値

MRTが比較的短い場合、そのMRTに応じて、核実験14Cの混入の程度や様子が変わる（Δ14C＞0‰） 。

MRTが長い場合、核実験14Cの混入は少なく、放射性壊変の影響を受ける（Δ14C＜0‰）。

モデルのMRTを可変させて、土壌採取年の実測値（Δ14C）を取りうるMRTを探す。

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加速器質量分析（AMS）による Cの測定

固体（土壌）試料

気体試料

CO2分離・精製・回収

燃焼・ガス化

加速器質量分析装置による14C測定
グラファイト化・ターゲット作成（Fe触媒、H2還元法）＜2 mgの炭素量で14C同位体比を測定できる

発表の構成１． 炭素循環と土壌有機物
２． 放射性炭素（14C）の利用
３． 森林表層土壌における有機物の動態と多様性
４． まとめ12/24

森林表層土壌における有機物

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研究のねらい・ 日本の森林表層土壌に貯留する有機物は、分解性の観点で、どのくらい多様であるか？
・ 土壌有機物の分解性を規定する要因は何か？

研究のアプローチ（１） 国内の、気温、植生、土壌の鉱物学的特性が異なる森林で、土壌（深さ20 cmまで）を採取（２） 土壌有機物の14C同位体比を分析し、MRTを推定（３） MRTの分布に基づいて、土壌有機物がもつ多様な分解性を「滞留時間別の炭素貯留量」として定量的に表現する。

調査地

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調査地

平均気温（℃）

降水量（mm）

土壌型

植生

① 北海道

7.21167

アンドソル

ミズナラ、シラカバ

0.62008

② 愛知

8.6

1972

カンビソル

カラマツ

0.72009③ 茨城１

13.51236

アンドソル

スギ

1.2

2010

④ 東京

14.11572

アンドソル

コナラ

1.3

2010

⑤ 岩手

6.11207

アンドソル

ブナ

1.5

2005

⑥ 茨城２

10.7

1910

アンドソル

ブナ、ミズナラ

2.1

2007

・ 年間平均気温、植生、土壌鉱物特性等が異なる場所

Alp
採取年（kg m−2）

調査地●

・ 年間平均気温は、6.1～14.1℃●●

・ 落葉性森林。ブナやミズナラなどの広葉樹から、スギやカラマツなどの針葉樹まで。
・ ピロリン酸ナトリウムによって抽出されるアルミニウムの量（Alp：Al‐有機物複合体）は、0.6～2.1 kg m−2

●

● ●●●

●
●
●
● ●
● 調査済み● 調査予定多様な分解性を表現するためのアイディア
森林表層土壌

アイディア １

アイディア ２

深さによって有機物の量や分解性が異なる同じ深さ（層）でも、様々な形態・分解性の有機物が存在

深さで分ける

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分画で分ける
画分A
画分B

深さ0–20 cm

画分C

土壌に対して１つのMRTしか得られず、１つの土壌がもつ多様な分解性を表現できない。

・・・

0 –20 cmの土壌の有機物をひとまとめ厚さ数cmごとの層に分ける

層ごとに有機物を分画（化学的、物理的方法）

層の数だけ、各層を代表するMRTが得られる。

層の数×画分数のMRTが得られる。
Koarashi et al. (2009) Glob. Change Biol.

土壌有機物の分画

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化学抽出をベースとした分画法

直接、炭素量とΔ14C値を測定
植物残渣画分測定した画分の炭素量とΔ14C値に基づいて、マスバランス計算
により、炭素量とΔ14C値を算出
最終的に知りたい画分

Koarashi et al. (2009) Glob. Change Biol.

土壌有機物中の14Cの分布

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大気CO2

・ リター層と土壌中の植物残渣画分（PDF）のΔ14C値は、大気CO2よりも若干高い。
・ 土壌中のΔ14C値は、深さとともに、また化学抽出に対する安定性とともに減少。
・ 酸抽出画分（ASF）とアルカリ抽出画分（BSF）は、深さ10cm程度までにおいてΔ14C> 0‰であり、核実験起源14Cの混入が認められる。
・ 抽出されない画分（BISF）は、全深さを通して、Δ14C値が低い（<0‰）。
土壌を深さごとに分画することで、Δ14C値の異なる有機物に分けることに成功。

土壌有機物のMRTの分布18/24得られたΔ14C値に基づいて、各深さ、各画分のMRTを推定した。

・ MRTは、深さとともに、また化学抽出に対する安定性とともに増加。
・ MRTは、数年（リター層やPDF）から、最大で2300年（採取した最下層のBISF）までの広い範囲で推定された。
土壌を深さごとに分画することで、MRTの異なる有機物（各土壌につき25–35種類）に分けることに成功。

14C分析が示す土壌有機物の多様な分解性19/24
土壌有機物の多様な分解性を、「滞留時間別の炭素貯留量」として定量化する。

・ 土壌の炭素貯留「量」： 5.8–14.1 kgC m−2 （従来までの研究でわかること）
・ 土壌有機物の「分解性」も土壌によって異なる。MRT>100年の炭素の、全土壌炭素に占める割合は、53–91%
・ ピロリン酸抽出Al量（Alp）が多い土壌ほど、MRTの長い有機炭素が多い傾向。
Al‐有機物複合体の形成が>100年の長い時間スケールの土壌炭素動態を規定

温暖化に対する土壌炭素の応答の予測
予測計算における仮定
・ 0.5℃/10年の温度上昇
・ Q10＝2（10℃上昇で分解速度が2倍）
・ 土壌への炭素供給量は不変

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⑤岩手
⑥茨城２③茨城１④東京②愛知①北海道

・ 温暖化の進行によって2120年までに消失する土壌炭素の量は、0.6–1.4 kgC m−2（土壌炭素貯留量の8.3–14.6%に相当）
・ 土壌炭素の温暖化に対する応答の「規模」や「様子」は、土壌によって異なる。
・ 長期的には、貯留量が多くMRTの長い有機炭素の分解放出が相対的に重要に。
土壌有機物の分解性の定量的な理解が、温暖化応答予測において重要土壌有機物の分子構造

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13C‐NMRスペクトル・ 土壌有機物の炭素組成は土壌によって異なる。
・ 抽出される、もしくは抽出されない有機物も、土壌によって異なる。
・ 分子構造とMRT（Δ14C値）の間に一貫性のある関連性は見出せない。
有機物の分解性を規定する種々の要因の相対的重要性は土壌によって異なる。

分画法の比較から見える課題

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分画と14C分析を組み合わせた方法は、土壌有機物の動態解明に有効であるが・・・

比重分画法
有機物と鉱物の相互作用に着目した方法

・ 分画法によって、異なる「滞留時間別の炭素貯留量」が得られた。
・ 化学分画でより幅広いMRT分布。比重分画で得られた有機物画分は、MRTの観点でより不均質性が高い。
・ いずれの有機物画分も、新しい炭素と古い炭素が混在（土壌プロセスと関連付けつつ）より均質な画分を得る分画手法の確立が必要

まとめ

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 放射性炭素分析によって、土壌有機物の分解性が極めて多様であることを示した。
 土壌はその炭素貯留「量」のみでは推し量ることのできないCO2放出ポテンシャルを有している。
 土壌有機物の多様な分解性と、それを規定するメカニズムを定量的に解明することが、将来の地球環境を予測する上で重要である。
 放射性炭素の利用は、この目的の達成において有用な手段となりうるが、課題も残っている。
 土壌炭素動態の定量化（見える化）と、土壌有機物の分解・安定化プロセスの解明に向けた取り組みを継続していく。

謝 辞

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［ 日本原子力研究開発機構 ］
安藤 麻里子氏、國分 陽子氏、牧元 しのぶ氏、石原 真樹子氏、松村 和美氏、
青森研究開発センターAMS管理課の皆さま［ 森林総合研究所 ］
石塚 成宏氏［ 農業環境技術研究所 ］
平舘 俊太郎氏本研究は、科研費23380096, 20710016の助成を受けたものです。