広域評価特集
解 説41Lectures., December 2012, Vol. 122, 41 ‒ 44

季節的な土壌凍結が一酸化二窒素生成・排出動態に及ぼす影響：室内実験から野外観測への示唆
柳井洋介 1
Eﬀect of seasonal soil-freezing on N2O production in soil followed by the emission from soil: Implications
from in-vitro soil incubation to in-situ monitoring.
Yosuke YANAI1

1. はじめに

将来予測に向けた観測方針にも言及している : ①農耕地からの N2O 排出量を正確に推定するためには長期に渡筆者は，2007 年の日本土壌肥料学会全国大会で「窒り観測を続けることが必要である②その際，通年での観素循環における冬季の位置づけ」なるセミナーに参画し，測を基本とし密な時系列データを取得するべきである③

広域にわたる通年での物質循環をどう捉えるかを討論す

耕地土壌での N2O 生成強度は土壌の理化学性だけでなる機会を得た（柳井ら，2008）．当時の筆者は室内実験

く営農管理形態にも依存することは明白であるから，地の結果しか有していなかったものの，培養実験で感じ域の土壌や管理形態をよく代表する場所を網羅して観測取ったメカニズムが現場でどう作用しているかを知りた

計画を立案すべきである④そうすることで土壌・気象・くて仕方がなかった．幸いなことにこのセミナーの前後

営農管理などの要因がどのように土壌からの N2O 排出で居住地を東京から北海道へ移し，同時に主たる研究の速度を制御しているかを知ることとなり⑤知見の積み重手法を実験室内での土壌や微生物菌体の培養から試験圃ねにより，実測し得ない広大な地域に渡る N2O 排出挙場での観測へ変えることとなった．本稿では，室内実験動を予測したり将来の N2O 排出量を予測したりする際から圃場でのモニタリングに移って感じたことおよび得に利用できるツールの開発に貢献するだろう．筆者はこられた結果の背景を記す．

れを参考に「通年での定点観測の実施」が実態解明と広2. 研究対象域評価と将来予測の第一歩であると考えるに至った．そこで，冬季の地温や水移動特性が異なる試験区（除雪に筆者が関心を寄せたのは，季節的に凍結した土壌が融より土壌凍結をより発達させる区と融雪材の散布により解する際に短期集中的に一酸化二窒素（以下 N2O）を消雪日を早める区）を 1 筆の試験圃場の中に作りモニタ排出するという現象である．Flessa et al.（1995）は , 年リングを行う計画を立案し実施した．この実験計画は，

最大 N2O 排出速度を施肥後ではなく冬季に凍結した土屋外での観測ではあるものの管理された農地のあるがま壌が融ける時に観察した . 通年にわたる観測で得られた‒‒
N2O 排出量 9. 4 ‒ 16. 8 kg N2O ‒ N ha 1 yr 1 は Bouwman

まを観測するのとは異なる，小規模野外操作実験（仲岡，（1990）が推計した排水良好な耕地における年間排出量より高く，このことの原因として，N2O 排出速度の計2008）の範疇にあるものである．

3. アプローチ測が必ずしも通年で行われていないこと = 土壌凍結が3. 1. 発散した室内実験

起こる温帯から寒帯の地域での推計値が過小評価となっこの計画の立案に至るに先立ち，「現場での N2O 排出ている可能性を指摘した．実際，Röver et al.（1998）の速度の計測は時空間変動が大きくて難しい，したがって観測では 1 年間 365 日のうち 3 月から 11 月の 275 日間

N2O の生成に関与する微生物の生態メカニズムからの N2O 排出量は年間値の 22 %（無施肥区）および 33 %N2O 排出量を逆算して広域評価につなげよう」とする（施肥区）であり，土壌の凍結融解がおこる 12 月から 2モデリングの発想で研究を行っていた時期があった．研

月の 90 日間のデータを含めない（観測せずゼロとみな究史上では，季節凍土が排出する N2O は脱窒の産物です）ことによる年間排出量の過小評価を如実に例示してあるとされていたことから（柳井ら，2007），土壌の凍いる．Flessa et al.（1995）は , 結論において広域評価や結融解による N2O 還元活性の損失もしくは N2O 還元酵素を持たない微生物の優占化が生成された N2O を大気

1

NARO Institute of Vegetable and Tea Science Tsukuba, Ibaraki
305 ‒ 8666, Japan.
Corresponding author : 柳井洋介，1 農研機構野菜茶業研究所
2012 年 9 月 18 日受稿，2012 年 10 月 15 日受理
土壌の物理性 122 号，41 ‒ 44（2012）

へ漏らしている，と仮説を立て実験を行なっていた．結果として，実験室内で行う土壌の凍結融解処理が現場と異なっていたからなのか，土壌凍結によって N2O 還元酵素の活性が下がるというデータはほとんど得られな

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土壌の物理性 第 122 号（2012）

かった . その代わりに , 土壌凍結によって脱窒能（硝酸る研究会での出会いがきっかけとなって解決した．これ

塩を N2O に還元する活性）は高まるというデータを多らの結果として，現場（北海道河西郡）での予備試験を数得た（Yanai et al., 2007 b）．後者の結果は , 凍結融解

2007 年 11 月から行い，本試験を 2008 年 11 月から 2010

で微生物菌体由来の有機物が可溶化すること（Yanai et年 10 月まで実施し，土壌凍結が発達した条件で融雪開al., 2004）と密接に関連している可能性が高いが，当時始から消雪にかけて，土壌ガス中で N2O 分圧が上昇すはそのように考えられなかった．また，N2O 還元酵素るときに酸素分圧が低下することを観察することに成功を有さず温度が下がっても活性がそれほど下がらない糸した（Yanai et al., 2011）.

状菌が凍結融解条件下の土壌での N2O 生成に関与しているのではないかと考え，脱窒能を有する糸状菌の分離・

4. 観測による仮説検証を終えて検定方法を確立したが（Yanai et al., 2007 a），実際には4. 1 現象理解とモデリング・広域評価へのギャップ時間的な制約で検証に至らなかった．一方で，土壌の凍予備試験と本試験 1 年目は室内実験の結果から予想さ結条件に着目した実験では，凍結前の水分条件次第で融れる範囲の観測結果，すなわち「土壌凍結が発達するほ解時に N2O が排出されないことがあること，また，炭ど土壌中で酸素分圧が低下して N2O 分圧が上昇する」

素源の添加で融解時の N2O 排出量が増えることを見出を得ることができた．一方で，本試験 2 年目には「土壌した（未発表）．結局，モデリングの発想で研究に着手し凍結が発達しても酸素分圧の低下はわずかで N2O 賦存たはずが定性的な事実の列挙に終始し，定量的な議論に量の増加も小さい」としか言いようのない結果を得るこ達することなく「土壌凍結は脱窒反応 straightforwardととなった．本試験 1 年目の結果では，土壌が雪氷で覆denitriﬁcation（Mørkved et al., 2006） の誘発因子であわれる 11 月から 4 月の半年間にわたる N2O 排出量は土る」と研究史の再現および言い換えに留まってしまった .

壌の積算寒度もしくは年最大土壌凍結深だけで近似でき

3. 2 仮説を練り直して野外観測へていた（Yanai et al., 2011）．しかし，本試験 2 年目の以上で室内実験は締切に追われるように完結すること結果も包括する説明をしようとすると，融解期の積雪深となったが，当時の議論を思い出したある日，「凍結融が無視しえない役割を果たしているかもしれないとする解条件で脱窒，生化学的な硝酸還元反応が起きていると解釈を得たが（柳井ら，2012），その検証に着手するこ言っているようだが，それは土壌中で N2O 分圧が上がとはできず，現象のモデル化には至らなかった．本稿でると同時に酸素分圧が下がっているということではないはその詳細には触れないが，その代わりに，野外観測でか」「酸素分圧の低下が起きていると連呼しているよう得た結果をモデル化したり広域評価に利用しようとしたに聞こえるが，一度でも測ったのか」と批判的な考えがとき，もしまた培養実験で物質循環研究にアプローチで頭をよぎった．「凍結融解条件で微小嫌気部位が存在すきる境遇にあったらどのようなことをしうるかを想像しることを考察する論文はあるけれども，そう考察するこて本稿の結びとする．とで実測不可能とみなしているだけではないか」「微生4. 2 モデルと観測をつなぐ培養実験と学理の構築

物の細胞膜近傍の酸素分圧はわからなくても，酸素分圧ひとつは，物質循環を表現する既存のモデルの勉強との低下はマクロポアでもある程度検知できるのではない

それの改良に必要な速度論パラメータの取得である．最か」，とみるみる思い立ち，検証したくなった．実施す

善は自らシミュレーションモデルを構築することであるるにあたっての問題は，土壌が凍結融解する条件で土壌が， 例 え ば DNDC（Li et al., 1992） や ecosys（Grant

ガスを採取して分析する方法と，観測に適したサイトをand Pattey, 1999）といった物質循環に関する既存のシ見つけることであった．しかし，大きな困難に遭遇するミュレーションモデルで硝酸化成や脱窒といった N2Oことなく解決した．酸素は空気中の多量成分なので熱伝生成プロセスがどのように記述されているかを知り，自導度検出器で検出できる．しかし，カラムでの酸素とアらの実感や観測しているサイトの状況を説明するためにルゴンの分離が難しく，専用のシステムを組む必要があ

どういったパラメータを調整するか，そのパラメータをる（Yoh et al., 1998）のだが，分析システムを開発者か取得するためにどういった実験系を組む必要があるかをら借りることができた．また，土壌中からガスを採取す考案することが，次善の策ではないかと考えている．こるにあたって，融解期の表層土壌は永久凍土地帯の活動れまでに筆者が行ってきた実験，例えば菌密度の測定（柳層下端と同じで体積含水率が非常に高く，土壌孔隙から井 ら，2003） や 生 育 曲 線 の 取 得・ 解 析（Yanai et al.,

ガスを吸引採取しようとすると水の混入が不可避である

2007b, Yanai et al., 2008）は，経験と勘を養うには十分ことが予想され，安定的な試料採取の妨げとなると考えであったがモデル化という出口に対しては必ずしも適切られた．このことは，水を通さずガスのみを通す孔のなではなかった．土壌の硝酸化成能や脱窒能のモデル化，い高分子膜を土壌中にあらかじめ埋設しておくこと（柳すなわち見かけのミカエリス定数の取得や温度依存性の井・常田，2009）により回避したことに加え，空間代表評価ができていなかったのは，設計段階での勉強不足を性の高い試料を得る手段ならびに酸素センサーと連結す認めざるを得ない．

ることで連続自動計測の手段にまで拡張することができもうひとつは，土壌中での生成・消失反応と移動現象た．サイトについては，2006 年に永久凍土帯（ヤクーを区別する論理の構築である．筆者が実施した観測ツク）での土壌ガス組成調査に行った直後に参加したあ（Yanai et al., 2011）では土壌ガス分圧を 4 深度で測定し広域評価特集

解説：季節的な土壌凍結が一酸化二窒素生成・排出動態に及ぼす影響：室内実験から野外観測への示唆 43

たが，質量保存則に基づいて定量的な解析を試みようとすると，時折よくわからない解析解（土壌中ガス賦存量変化量が地表面フラックスと比べて異様に小さい，消費反応を無視しうる二酸化炭素でも生成項がマイナスになるときがある，など）に直面する．このことは，試験設計が解析に相応しくなかったためなのか，もしくはそういう現象・事実として受け入れなければならないのか，思案し続けている．ガスの土壌中賦存量を計算すると，水への溶解度が高い N2O は液相に溶存している量の方が気相中に存在している量より多い場合が少なくない．
賦存量変化の時系列をみていると，N2O の地表面排出と同時に地下への溶脱も起きていることが示唆されるものの，環境影響評価として，また単に解析解として，どのように表現すべきかいいアイデアが浮かばない．こういった懸念は，土壌物理学の基礎に立ち返ると，水移動の解析手法を理解することなく，溶質の挙動を考慮しないで，ガスの生成・移動を興味のままに論じようとしていたことに起因するのかもしれないと思えてくる．このことは，N2O や硝酸塩の安定同位体比の解析に着手してから（山崎ら，2011，柳井ら，2011）強く思うようになった．データは恐らく真実を物語っている，しかしそれをうまく汲み取れなければ意味がない，なぜ一意的な解釈ができないのか，複雑系であるが故のやむを得ないことなのか，もっと基礎的・基本的・単純な系であれば適切に解釈できるのか，と悩みは尽きない．

5. おわりに悩むのは研究の上では大事なことである．一方で，農業活動の環境負荷を明らかにする目的を果たすことも忘れてはなるまい．たとえ限られた事例調査が基であったとしても，その挙動がある程度の広さをもった地域で生じているとしたら…と実空間における現象として解釈を拡張して思考することを「不正確さ」を理由に避けていては，議論の進展は望めない．問題の解決を阻む内外に潜む要因を明らかにしていくためにも，筆者自身も未着手の解析をどういう形であれ進めていかなければなるま
いと，本稿の執筆を通じて痛感した次第である．

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土壌の物理性 第 122 号（2012）

要旨

土壌の季節的な凍結融解がもたらす短期集中的な一酸化二窒素（N2O）の排出について，実験室内での微生物生態生理学的な研究から得た示唆をもとに計画した観測の，方法と得られた結果を概観した．土壌中で N2O 分圧が上昇するときに酸素分圧の低下が伴うことを季節凍土で示すことはできたものの，季節凍土での土壌ガス中酸素分圧を決定するメカニズムの解明には至らず，現象の理解ならびに広域評
価方法の提案に課題が残された．一方で，農地での環境負荷をモデリングするために必要な実験室内での培養実験もあるはずで，土壌微生物反応の定量化とともに物質の生成及び消費反応と移動現象を区別する学理の構築がより一層望まれる．
キーワード：培養実験，野外観測，脱窒，一酸化二窒素，モデリング