陸域生態系における炭素循環に関する研究
地球環境問題の解決に貢献するために、放射性炭素（14C）の環境中での分布や動きに着目した観測・実験や、数値シミュレーションモデルの開発・利用を通して、以下を解明することを目指して研究に取り組んでいます。

① 陸域（特に森林土壌）での炭素動態② 炭素動態を規定する要因・プロセス③ それらの地球環境変化との相互作用

日本原子力研究開発機構
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小嵐 淳

炭素循環と地球環境変化
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

ニーズ
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タイミングや規模、炭素循環全体への影
響の程度は不明

炭素循環に関する科学的理解の深化とそれに基づく地球環境変化の予測

森林生態系における炭素の動態
森林では、炭素がどのように動いて（留まって）いるのか？
従来の研究手法（炭素を測定する方法）

貯留量や移動量は調べることができる。

我々の研究手法
14Cを利用することにより、炭素が動く（留まる）時間スケールを解明できる。

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小野ら、第123回日本森林学会大会 (2011)

放射性炭素（14C）の特徴と起源
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
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大気中の14C同位体比の変化

5/22核実験起源14Cのトレーサー利用の原理

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加速器質量分析（AMS）による14Cの測定① 試料

固体（土壌）④ 加速器質量分析装置による14C測定

気体

燃焼・CO2化② CO2分離・精製・回収＜2 mgの炭素量で14C同位体比を測定できる！

③ グラファイト化
CO2からグラファイトを作成（Fe触媒、H2還元法）
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試料ターゲット研究事例の紹介① 森林表層土壌有機物の多様な分解性を解明② 土壌呼吸（CO2フラックス）の起源を分離③ 土壌中の水溶性有機炭素の動態を解明④ 細根の14C同位体比が示すこと⑤ 下層土壌の地球炭素循環への関与を発見⑥ 土壌炭素動態モデルの開発と利用⑦ 森林渓流における有機炭素の流出を観測
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① 森林表層土壌有機物の多様な分解性を解明
調査地
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植物残渣画分

● 調査済み● 調査予定Koarashi et al. (2009) Glob. Change Biol.

大気CO2

平均滞留時間の推定
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→ 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。
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土壌有機物の多様な分解性を「滞留時間別の炭素貯留量」として見える化

ピロリン酸抽出Al量（Al‐有機物複合体）

土壌有機物の分解を考慮して、土壌炭素の温暖化に対する応答を予測

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② 土壌呼吸（CO2フラックス）の起源を分離
各起源の14C同位体比の違いを利用して、土壌呼吸起源を分離する

CO2フラックスのマスバランス： Froot + FSOM + Flitter = Ftotal
密閉チャンバー法で測定14Cのマスバランス： Δ14Croot · Froot + Δ14CSOM · FSOM = Δ14Ctotal-litter · (Ftotal- Flitter)
大気中と同じ12/22

土壌有機物の14C分布から推定リターを除いた状態で密閉チャンバー法で測定

Atarashi‐Andoh et al. (2012) Agr. For. Meteorol.

根呼吸

土壌分解

リター分解/m /s)

300

22502214615046331003924352CO フラックス (μgCO200503853263133303001732322978952

10月

各土壌呼吸起源CO2のΔ14C値(2007年）

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起源別CO2フラックス③ 土壌中の水溶性有機炭素の動態を解明
落葉・落枝（リター）

CO2?
土壌有機物（固相）?
?

水溶性有機炭素（WEOC）

?

根微生物?

? 下方浸透・河川流出14C (‰)‐50050WEOCのΔ14C ＞ 大気CO2のΔ14C
100

現在

FH層

WEOC

0‐5cm

疎水性150

近年堆積した森林表層リターの分解による浸出ではなく、数十年以上の滞留時間を持つ土壌有機物から生成

親水性

5‐10cm

土壌10‐15cm

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Nakanishi et al. (2012) Eur. J. Soil Sci.

WEOCの起源は季節によって大きく変化する
14C / ‰−50FH

050100融雪期は、雪解け水による落葉・落枝起源DOCの影響が大きい

現在の
大気CO2

梅雨期から秋季まで、WEOCの主要な起源は土壌有機物であるが、微生物活動に伴う濃度の季節変化がある

0–5 cm

5–10 cm10–15 cm

15/22150● 2009年5月■ 2009年6月◆ 2009年8月▼ 2009年10月▲ 2010年5月

四季のある日本においては、WEOC
動態は季節依存性が高い

Nakanishi et al. (2014) J. Environ. Radioact.

④ 細根の14C同位体比が示すこと

生根のΔ14C値は、5～20年前の大気中CO2のΔ14C値と同等
16/22→ 細根の寿命（ターンオーバー）が想定以上に長いか、植物体内に貯留した炭素により形成

⑤ 下層土壌の地球炭素循環への関与を発見

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Koarashi et al. (2012) J. Geophys. Res.

核実験起源14C

検証

 14C同位体比が核実験以降に増加
 増加は大気中の増加よりも20年以上遅れて出現→ 数十年程度で入れ替わる炭素が相当量存在し、その貯留量は環境変化に対して遅れて影響を受ける
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Koarashi et al. (2012) J. Geophys. Res.

⑥ 土壌炭素動態モデルの開発と利用
陸面水循環に伴う、土壌中の深さ方向の炭素移行を考慮
 地上リター（落葉等）及び地下リター（根の枯死等）による炭素供給
 SOC（固相中有機炭素）間のDOC（溶存有機炭素）の吸脱着挙動
 土壌中鉛直水フラックスに伴うDOCの移行 土壌有機物の分解: 分解性の異なる3つの炭素プールを考慮 (Parton et al., 1987)
AbovegroundC input

O‐horizon(3 y)

Decomposition ao1

ActiveSOC(1.5 y)BelowgroundC input

DOC(1.5 y)
a12

F(q)

a13
Decomposition

BelowgroundC input

SOC(1.5 y)SOC flow
DOC flow
CO2 flow

Leaching

Slow
a21
SOC
DOC
(25 y)(25 y)
a23

Root uptake

Passive
SOC
DOC(1000 y) (1000 y)
PercolationDOC(1.5 y)
SOC(25 y)

DOC(25 y)
SOC
DOC(1000 y) (1000 y)

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Ota et al. (2013) J. Geophys. Res.

根の深さ分布が異なる森林土壌に対して、下層土壌における滞留時間別（炭素プール別）の炭素貯留量をシミュレーション解析
 根の深さ分布により、土壌中の炭素貯留プロファイルが異なる。
 下層土壌炭素の39‐73%が数10年で分解される成分によって構成
 下層土壌が貯留する炭素の量は、気候変動や生態系の変化、土地利用形態の変化によって、大きく変化する可能性を示唆(a)zroot = 0.11 m

0χss (g‐C kg−1)
48 12

Soil depth (m)

01
2

total
activeslow
passive(b) zroot = 0.41 m
0χss (g‐C kg−1)
48 12(c) zroot = 0.99 m0(d)Sbelow

χss (g‐C kg−1)
Sbelow (kg‐C m−3 y−1)
4
812 0 1 2 3 4zroot = 0.11 m
zroot = 0.41 m
zroot = 0.99 m

320/22Ota et al. (2013) J. Geophys. Res.

⑦ 森林渓流における有機炭素の流出を観測

林外

下流

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Matsunaga et al. (2015) J. Radioanal. Nucl. Chem.

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