広域評価特集
解 説35
Lectures., December 2012, Vol. 122, 35 ‒ 39

広域評価を目指した室内実験および圃場観測：硝化を例とした
実験室とモニタリングのつながりについての小考察
木庭啓介 1
Laboratory experiment and ﬁeld monitoring for regional scale analysis: a thought on the relation oflaboratory and monitoring by the example of nitriﬁcation
Keisuke KOBA1

1. 実験室と野外の間にある壁

1. 1 モニタリングから得られる情報「A」は現場状態のモニタリングの一部である．土壌

土壌中での生物地球化学プロセスを考える際には，しを定期的に採取し抽出して硝酸イオンの現存量を測定す

ばしば野外における連続観測により得られるモニタリン

るのは労力がかかり，現場の攪乱もしばしば大きいこと

グデータと，その結果を解釈するために行う室内実験でがある．そのため，テンションライシメーターを設置し，得られるデータとの間にある隔たりはどのようなものな

これにより土壌溶液を経時的に採取し，土壌溶液中の硝のか，また，どのようにつなげることが可能なのか，と酸イオン濃度をモニタリングすることがしばしば行われいうことが問題となる．本稿では，実験室と野外をつなる（たとえば Hobara et al., 2001）．しかし，土壌採取にげる試みとして，ある陸上生態系での硝化活性（土壌中しても土壌溶液採取にしても，連続的な経時変化ではなで微生物によりアンモニウムイオンが硝酸イオンへと酸くスナップショットの情報であり，硝酸イオン濃度が夏化される反応）の推定を通じて，この点について考察しに高く冬に低い傾向があるといった漠とした情報は得らてみる．

れるものの，濃度形成メカニズムについて結論を導くことは難しい．少しでもメカニズムに迫るために，スナッ

ある陸上生態系を対象として，硝酸イオンの挙動を理プショットデータセットの中で，pH やアンモニウムイ

解したいというような状況の場合，下記のような４種類

オン濃度，溶存有機態炭素濃度などの要素と硝酸イオンのデータを扱うことが多い；

濃度との相関を調べることはできるが，相関は相関でし
かなく，必ずしも因果関係を示すものではないため，硝A

土壌や土壌溶液を採取し，土壌中の硝酸イオン濃酸イオン濃度を決定するプロセスの解析が容易でないこ度を測定して得られるデータとが多々ある．また，ある生態系全体の硝酸イオンの挙B

土壌を採取した後，実験室で培養し，土壌中の硝酸動を理解する，という大きな目標に対しては，採取したイオン濃度の時間的変化から正味の（または見かけ

個々のサンプルの代表性，言い換えればどれだけの数の上の）土壌の硝酸イオン生成速度，つまり純硝化速サンプルを，どれだけの頻度で，どのように採取し，測度を測定して得られるデータ定すべきか，という大きな問題にも直面することになる．

C

土壌を採取し，重窒素（15N）でラベルされたアン
15

D

1. 2 実験室での操作実験から得られる情報

モニウムイオンや硝酸イオンを用い， N の濃度変「B」，「C」，「D」の手法は「A」の手詰まり状態を打化 を 追 跡 す る（ 同 位 体 希 釈 法 ; Davidson et al.,

破するため，メカニズムに迫るために行う積極的なアプ

1991）ことで土壌の総硝酸イオン生成速度（総硝化

ローチであり，これらを「実験室でのデータ」と見なす

速度）を測定して得られるデータことができよう．これらのアプローチにおいては土壌をB や C について，温度や水分といった環境要因を現場から採取して実験室で実験している時点で，解析で変化させて，土壌の純硝化速度，総硝化速度を測定

きるものは植物や大気沈着による影響を除去した環境下して得られるデータ

でのメカニズムに限定される，ということに留意する必要がある．そして，特に森林のように窒素制限下にある

これらについて考えて行くこととする．

生態系においては，大気沈着由来の硝酸イオンは，土壌1の硝酸イオンの現存量に影響しないのか，そして，大気Institute of Agriculture, Tokyo University of Agriculture andTechnology
Saiwai‒cho 3‒5‒8, Fuchu, Tokyo 183‒8509, Japan.
Corresponding author : 木庭啓介，1 東京農工大学農学研究院
2012 年 9 月 18 日受稿，2012 年 11 月 12 日受理
土壌の物理性 122 号，35 ‒ 39（2012）

沈着由来の硝酸イオンの影響を排除した場合，純硝化速度の測定にバイアスがかかるのではないのか，という疑問が生じる．しかし，例えば森林表層鉱質土壌（0 ‒ 10 cm
深）を考えてみると土壌へ 15N ラベルされた硝酸イオン

土壌の物理性 第 122 号（2012）36

を 添 加 す る と， そ の 滞 留 時 間 は 数 日 程 度 で あ る しを変化させ，できるだけ野外で土壌が経験している環境（Davidson et al., 1992），土壌中における硝酸イオンのを再現しながら培養することが可能である（例えば生産（硝化）及び消費（微生物による吸収）に比べれば，

Xiang et al., 2008）．しかし，このような対処法はかな

外部からもたらされる大気沈着由来の硝酸イオンのインりの労力を必要とするので，残念ながら一般的ではない．

プットは相対的に小さく無視できると考えられてきた．

つまり，野外での環境を実験室で再現して実験を行うとしかし，この前提に疑問を投げかける結果が報告されていうのは容易ではない．

きている．近年になって，大気沈着硝酸イオンと土壌でメタンや硝酸イオンのような回転速度の大きい物質の生成された硝酸イオンを区別する新しい指標として硝酸挙動を追跡するには，その純生成（消費）速度でなく，イオン酸素同位体比異常（Δ17O）というものが提案さ

総生成（消費）速度を求めなければならないことはよくれている．これは O， O そして O の自然存在比が，知られている．そのため「C」のような場合，15NH4+ や

大気沈着硝酸イオンとそれ以外で異なることを利用した15指標である．大気沈着硝酸イオンが 25 〜 35 ‰と大きな求めることが一般に行われる．しかし，どうしても土壌Δ17O 値をとるのに対し，土壌中で生成される硝酸イオに窒素を添加した上で培養することになる．通常 1 日やンは 0 ‰という値をとる（Michalski et al., 2003）．このΔ17O を用いた Costa et al.（2011）は，0 ‒ 30 cm 深の森

2 日という短期間の培養ではあるが，様々な微生物が利林土壌において，土壌中に存在する硝酸イオンのうち約は，特に森林土壌のような窒素制限下にある対象におい9 % が大気沈着由来の硝酸イオンであることが明らかにては大きいものであると危惧される．この変化の大きさした．これは，一般に窒素が足りないと考えられているを見積もるために Concentration test と呼ばれるよう森林生態系においても，大気沈着で供給された硝酸イオ

な，窒素添加量を変化させたときの反応速度の違いを見

ンの約 1 割が，微生物や植物に使われないまま土壌中にる試験がある（Groﬀman et al., 2006）．しかし，15N の存在し続けていることを示している．また，より窒素が追跡による総硝化速度の測定は試料の処理が大変煩雑で豊富にある窒素飽和林でも，このように使い切れていなあり，純硝化速度測定と比較して膨大な労力がかかるた

い大気沈着由来の硝酸イオンが土壌中に存在していたこ

め，Concentration test の実施を困難にしている．

16

17

18

NO3‒ を添加し，15N の行方を追跡することで総速度を用する窒素を土壌に添加することによる窒素循環の変化とが報告されている（Michalski et al., 2004）．これらの「D」の手法は，たとえば地温と硝化速度の関係を異新たな知見は，土壌のみを硝酸イオンの生成源として土なる温度環境での培養実験を通じて求め，その関係とモ壌硝酸イオンの解析を行うという前提が実際には成り立

ニタリングされた膨大な地温データから年間の硝化速度

たないことを強く示唆している．さらには，森林の植物を求める，というような流れでよく用いられる（窒素固や微生物は本当に硝酸イオンを必要としているのか，そ定の例ではあるがたとえば Hobara et al., 2006）．これはして窒素制限下に本当にあるのか，という窒素循環を考最良の手続きだと考えられるが，実際のところ，B の手える上で大変重要な問いを投げかけるものである．

法のところでも述べたように制御できる環境要因は数少では，「B」として挙げられた実験室に持ち帰った土

なく，それらだけで本当に現象を説明できるのかという壌を培養するという作業は，実際，どれほど野外の状況問題がある．さらには，硝化の場合は基本的に純硝化速からかけ離れているのだろうか．陸水学や海洋学では，度の推定であり，硝酸イオン生成と硝酸イオン消費とい実験室における培養実験と現場との乖離を表す用語としう全く異なるプロセスの差分を少ない環境要因で説明して bottle eﬀect という言葉がある（Zobel and Andersonているわけで，現象を完全に説明しきれてはいない．

1936, Hammes et al., 2010）．元々，微生物バイオマスが小さく，更に微生物が定着する有機物の少ない水環境に

2. 壁を超える，そして壁を壊すためのツールは？

おいては，水試料をボトルに採取し培養すると，接着し「A」の硝酸イオン濃度データは，それだけの硝酸イ

うる広大な物理面（ボトルの壁面）が与えられることにオンが現場に確かに存在していたという点で大変重要ななり，微生物の増殖が促進される可能性がある．そこで，のであるが，その解釈においては，濃度情報が持つ意味

異なるボトルの大きさによって微生物群集の大きさ，構というものが大変曖昧なことが問題となる．現場で観測造，その機能，さらには物質循環プロセスに大きな違い

された土壌の硝酸イオン濃度は，植物の吸収，微生物にが出てくるという懸念を示したものが bottle eﬀect といよる吸収，微生物による硝酸イオン生成，そして脱窒（貧う語句であると筆者は理解している．土壌を対象とした酸素環境で微生物が酸素呼吸の代わりに硝酸呼吸を行う

場合，この点に関しては，土壌という媒体が微生物にとっこと），そして大気沈着による供給ならびに下方への移ての広大な接着面積をすでに有しているため，考慮する動，の差し引きの結果である．また一方で，その濃度の必要はあまりないと言える．ところが野外と実験室，特高低が微生物や植物の硝酸イオン利用を制御するため，に培養環境との間には，前述した植物による硝酸イオン

あるプロセスの原因ともなりうる．この，結果であり原吸収，大気沈着硝酸イオンの供給がないというだけでな因でもあるという濃度データの二面性により，どうしてく，他にも水の動きがない，一定の温度，一定の水分環

もその解釈は混乱してしまう．結局解析といっても，例

境である，などといった多数の違いがある．この中で温えば土壌の C/N 比といった硝化速度を制御していると度や水分といった要因については，丁寧にこれらの要因考えられる環境要因と硝酸イオン濃度の相関を取るとい広域評価特集

解説：広域評価を目指した室内実験および圃場観測37

うことしかできず，議論は曖昧なものとなってしまうこいうものがどうしても現場環境とは異なるのだということがある（濃度データをどう考えるかについては，陸水とを改めて念頭に置き，現場とは異なる生態系を扱って生態系を対象としているが Dodds 2003 が参考になる）．

いるという自覚を持った上で，少しでも一般性を持ったある硝酸イオン濃度がどのように形成されたのかにつ

解析へとつなげられるような実験設定が必要であろう．

いての何かしらの情報を与える手段，つまりある物質の得られた結果は，「ある場所の土壌を用いた解析結果」

濃度情報にその物質の生成及び消費情報を与える手段はとして終わるのではなく，その土壌のパラメーターを詳

いくつかある．たとえば生態学的化学量論の考えにそっ細に列記し，「ある条件下の土壌の解析結果」として，て，上記に挙げた土壌の C/N 比や，海洋であれば一次得られた結果を他の土壌環境下の現象へ外挿しやすくす生産者である植物プランクトンがとるとされる Redﬁeld

る，というようなことが必要である．また，培養の際は，比（C：N：P = 106：16：1），さらにはこの Redﬁeld 比からどれだけ窒素が過剰かをあらわす N*（N* = N ‒16 × P；

様々な物質が生成され同時に消費されてしまうため，
15

N を用いた総速度の測定がどうしても必要になってく

Gruber and Sarmiento 1997）を用い，土壌中の微生物

る．総速度の測定においては，物質の添加が不可欠であ

活動や，ある環境の一次生産が窒素供給によって制限さるため，上記に述べた Concentration test を，与える物

れているか，それともリン供給が制限しているかを議論

質濃度に関して実施し，窒素の添加が物質循環系に与えすることができる．これらをベースにすると，たとえばている影響を自分たちで判断できるような材料を得てお硝酸イオン濃度が高いのは窒素が過剰であるために硝酸くことが肝要と考える．これを実現するためには，よりイオンを使い切れていない状態である，というような議容易に 15N 濃度を測定できるような方法論が必要であろ論へと展開することができる．また，たとえば硝化につう（Isobe et al., 2011）．

いては，土壌中の（アンモニア酸化酵素をコードする遺伝子）の存在量を測定することで，実際に硝化を

2. 2 代謝ガス測定の土壌生物地球化学プロセス解析への可能性担っている微生物が存在していることを確認することが土壌培養中でも，総速度と純速度の区別をあまり考えできるであろう（Isobe et al., 2012）．また，後述するよずに解析できるデータがいくつかある．ガス濃度は，土

うに，物質循環プロセスが駆動することに付随して循環壌培養中に継続的に，比較的物質循環系の変化を少なく系から漏れ出てくるガス（たとえば CO2）というものは，

押さえたまま測定できるものの一つである．たとえば前そのものが再利用されることがない条件下では，駆動し述した CO2 は土壌培養中，無機化によって生成されるているプロセスのよい指標となり得ると考えられる．

のみとほぼ考えられるので，土壌からの CO2 放出は，

2. 1 安定同位体の利用

直接的に無機化速度を測定できる良いパラメーターであ

筆者は濃度情報に生成プロセス及び消費プロセスの情る．また，多くのガスは土壌中で吸着などをあまり考え報を与えるツールの 1 つである安定同位体自然存在比になくても良いと思われるため，そのガスが生成された土着目して研究を行ってきた．たとえば微生物が硝酸イオ

壌微環境の情報を保持したまま放出される．すなわち，

1416ンを脱窒で利用するときには選択的に N と O を消費

土壌中でのあるガスの濃度勾配は土壌培養中の土壌酸化するために，硝酸イオンの窒素と酸素の安定同位体自然還元環境について，重要な情報を連続的に示している可15

18

存在比（δ N とδ O）は 1：1 の割合をもって上昇する能性がある．近年，Barometric Process Separation（In-と考えられている（Granger et al., 2008）．また大気沈gwersen et al., 1999）という手法が開発され，培養容器

18

着硝酸イオンは大変高いδ O 値をとることも知られて中の大気圧と大気組成の変化を詳細に測定してゆくこといる（Durka et al., 1994）．このような特性を用いるとで，総硝化速度を見積もる試みがなされている．硝化反1518硝酸イオンのδ N とδ O は，土壌中の硝酸イオンが大応で O2 は消費されるので O2 濃度の減少と共に気圧は気沈着により供給されたのか，それとも土壌中で硝化に減少し，脱窒反応では，CO2 が発生するので CO2 濃度

よって生成されたのか，また，脱窒によって消費されたの上昇と共に気圧が上昇し，微生物の呼吸では O2 が消のか，吸収によって消費されたのか，という生成消費プ

費され CO2 が放出されるため，O2 濃度の減少と CO2 濃

ロセスの種類と規模について，半定量的ではあるが情報度の上昇がみられるが気圧の変化はみられない．この特を与えてくれる（Ohte 2012）．たとえば，Osaka et al.

徴を利用し，土壌を閉鎖培養容器内で培養しながらガス（2010）では，地下水中の硝酸イオンが脱窒を受けるだ

濃度と気圧の変化を観測することで，15N を用いると大けでなく同時に硝化による生成を受けているという複雑変煩雑である総硝化速度の測定を多数行い，より時間分

15

18な状態にあることをδ N とδ O の解析から示している．

解能の高いデータを用いてシミュレーションモデルを構

しかし，δ15N とδ18O を用いた解析も，上記に半定量的築できた例がある（Stange and Neue 2009）．このようと記載しているように，上記の同位体比の変動パターンに，基質添加のように物質循環系に大きな変化を与えずが，微生物群集，基質濃度，pH などの環境要因によっかつ連続的に観測が可能なガス濃度・ガス組成というもて変化してしまう可能性があることが，どれだけの硝化のは，今後，土壌培養のデータをより詳細に解析し，野と脱窒が生じているか，という定量的な議論を可能にし外での現象につなげてゆくための，重要な観測要素になないという重大な欠点を有している．

り得るかもしれない．現在，そのような測定を行おうと「B」，「C」，「D」の培養実験においては，土壌培養とする場合，多くの場合ガスサンプルを時系列で採取して，土壌の物理性 第 122 号（2012）38

ガスクロマトグラフィー（GC）にシリンジで打ち込むて，ある期間の平均的な大気沈着硝酸イオンインプットということが主流であるが，測定技術の進歩により今後

速度とその平均的なΔ17O 値，さらにある生態系内の平均は，より短い分解能（たとえば秒単位，それ以下）で，的な硝酸イオンのΔ17O から，生態系内での総硝化速度

ガス濃度・ガス組成を連続的にモニタリングしてゆけるを求めることができるというものである．この手法は，

よ う に な る と 思 わ れ る． た と え ば，Membrane Inlet

個別のサンプルから得られたデータの積み上げでなく，Mass Spectrometry （MIMS：Sheppard and Lloyd

トップダウン的に集水域の硝酸イオンインプットおよび2002），オプトード（Blossfeld et al., 2011）やマイクロ

アウトプットから，全く循環系を変化させることなしに，センサー（Jørgensen and Elberling 2012）を用いた連

時間・空間平均した硝化速度を見積もることができるも続的 O2，N2O ガスの観測などはすでに始まっている．

のである．もちろん，上記にあるように，ある生態系で近年のレーザー分光を用いたガス濃度とその安定同位体の平均的な硝酸イオンインプット量とそのΔ17O を見積

自然存在比の連続測定技術は，これまでのガス測定の煩もるということは容易ではなく，さらに定常状態を仮定

雑さを一気に解消し，更に総速度の情報を有する安定同するということは，農地のようなダイナミックに窒素循

位体自然存在比の測定も可能になるということで，大変環が変化する生態系では問題の残るところであり，まだ注目されている（たとえば Mohn et al., 2012）．これら

まだ改善の余地がある．さらに，硝酸イオンのΔ17O 測の技術を用いることで，より詳細に土壌環境，土壌プロ

定は大変複雑な測定装置を必要とするため，まだ世界的セスの情報が得られるだけでなく，測定の煩雑さが軽減にもほとんど行われていない．しかしながら，これまでされることでより多くの土壌を対象にすることが可能と行われてきた土壌培養からの，ボトムアップなアプロー

なる．さらにその結果，Concentration test の実施や，チに加えて，このようなトップダウン的な全く別の手法

これまで手が回らなかった環境要因の測定が可能となっを用いることにより，少しずつではあるが生態系全体のたりすれば，より野外での現象へと外挿可能なデータ

プロセス解析・プロセス推定へと近づくことが可能であ

セットの構築が可能となると期待できる．

ると期待される．

2. 3 新たな安定同位体ツールの可能性：硝酸イオンの
Δ17O

謝辞

最後に，土壌培養を基礎としたデータの解析を行って本稿の執筆機会を与えていただいた東京農工大学農学

も，集水域全体の現象へとつなげるには，空間的・時間

部木村先生，農業環境技術研究所片柳博士，ならびにこ的異質性という大きな壁がまだ残っている．これについれまで長きにわたり様々な形でご指導いただいている東ては，土壌培養実験を丁寧に外挿してゆくしかないと個

京大学農学部大手先生，京都大学農学部徳地先生のお名

人的には考えているものの，果たして，正しく外挿でき前を特に挙げさせていただき感謝の意を示したいと思いるのかという疑問は常に残る．硝化速度を例としてみれます．また，本稿に対してご意見をいただいた東京大学

ば，総硝化速度測定は 1 日間培養した結果で求めること

農学部磯部先生，黒岩様にも深くお礼申し上げます．ま15が多く，しかも N でラベルされた窒素化合物を土壌にた，編集委員の中央農業試験場中辻敏朗先生，並びに査

添加しなければならない．一方，よく用いられている純読者の方には原稿の改訂において大変多くのご尽力を頂

硝化速度の測定では土壌を 1 月間ほど培養する．この間，きました．ここに御礼申し上げます．

土壌中では大量の硝酸イオンが生成し同時に消費されており，得られる純硝化速度は土壌微生物の要求速度を超えた分の硝酸イオン生成速度となる．つまりは 1 ヶ月間
土壌培養により得られる純硝化速度は，微生物が使い切れなかった硝酸イオンについての指標であり，言い換えれば，植物にとっての硝酸イオンの可給性についての良いパラメーターであると考えられるが，実験室内の一定
温度，一定水分環境で測定された可給性に意味があるのかという疑問が残る．
近年，角皆ら（2010）は，上述したΔ17O を用いて，利尻島の集水域の総硝化速度を求めている．これは，Δ17

O が脱窒や硝酸吸収では変化せず，大気沈着硝酸イオンのΔ17O が 25 ‰程度と高いのに対し，湖水中で生成される硝酸イオンはΔ17O = 0 ‰と一定であるということを
利 用 し た も の で あ る（Michaski and Thiemens 2006，
Tsunogai et al., 2010）．詳 細 は 角 皆 ら（2010），そ し て
Tsuinogai et al.（2010）を参照願いたいが，この手法は定常状態を仮定し，生態系内での硝酸イオンの消費はΔ
17

O を変化させることがないというΔ17O の特長を生かし

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旨

土壌中での生物地球化学的プロセスの解析，特に生元素の挙動の解析においては，様々な物理的，化学的そして生物的な影響を生元素が同時に受けるため，極めて困難である．そのため，しばしば実験室内で，制御環境下における生元素の挙動を追跡し，得られた結果を野外モニタリングデータの解析へと外挿するが，その際にはいくつか大きなギャップがある．本稿では，このような実験室で得られる結果と野外モニタリングのつながりについて，特に硝化活性というものを中心に，どのような問題があり，どのような解決策があり得るかについて解説する．特に近年，ガス濃度測定や安定同位体比の利用について，新たな測定解析手法が提案されてきており，本稿ではそれらについて特に解説して行く．
キーワード：室内実験，圃場観測，硝化39