名古屋大学加速器質量分析計業績報告書, ⅩⅩⅠ , 2010.03

土壌有機物分解二酸化炭素の炭素同位体比Thecarbonisotopi
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守屋耕一 1・.森泉純 1 ・山津弘実 1 ・飯田孝夫 lKoichiMoriya 1 ・ ， JunMoriizu皿iI， H
iromiyamazawa1, TakoIida11

名古屋大学大学院工学研究科

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fEngine町ing， NagoyaU凶V町sity， Chikusa Nagoya464・8603 ， Japan.

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Keywords:SOMD, SOM,

13C

キーグ -F:~.益事手宇'lli4h ; 二士喜害予r~野4ÞI分解三度化炭表 ;'/iJËi炭素'/P!{Jtf;fi:tt

1.はじめに

森林土壌は、森林に存在する有機炭素の約 3/4 を土壌有機物 (SOM) として保持している。これら
SOM が地球温暖化に対しどのように応答するかは、重要な課題の一つである。土壌から大気中への CO 2 フラックス(土壌呼吸フラックス)は、主に根の呼吸とリター及び SOM の分解により生じる。
根の呼吸とリター及び SOM の分解はその温度応答が異なると考えられている。したがって、土壌呼吸ブラックスを供給源毎に分けて評価することは重要である。炭素同位体をトレーサーとした従来の解析では、供給源の一つである SOM 分解に由来した CO 2 (SOMD-C0 2 ) の炭素同位体比にはSOM と等しい同位体比が仮定されてきたロそのため本研究では、その仮定の妥当性を検証するた
めに、土壌有機物分解における同位体比の変化の有無を調べた。さらに、異なる深さの土壌でその変化に差異が生じるかを調べた。

− 145 −

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2. 観測及び実験方法

愛知県豊田市(35 0 12'N， 137 0 24'E，標高 1010 m)のカラマツ林(Larix leptolepis)で土壌空気及び土壌コアの採取を行った。土壌 CO 2 の安定炭素同位体比の測定を目的としたため、化学反応による同位体分別を生じないグラブサンプリング法により土壌空気を採取した。土壌空気は、観測サイトの土壌深さ 10 ・ 20 ・ 40 ・ 60 ・ 80cm から採取を行った。土壌コアは、観測サイトのリターを取り除いた
地表面を土壌深さ o cm とし、土壌深さか60 cm まで採取を行った。採取した土壌コアは、現地で厚さ 5cm の土壌コアに切り分け持ち帰った。土壌コアは SOM の安定炭素同位体比測定に用いたロ

SOMD・CO 2 採取のための実験は次のような手順で行ったロ観測サイトで SOMD・ CO2 採取実験用の土壌を、土壌深さか 15 cm 及び 3ü-45 cm の層から採取した。実験室内で採取した土壌を 2 m mのふるいにかけた後、さらに細根や礎をハンドピッキングにより取り除いた。続いて土壌を容積 7Lの密閉容器に封入し、容器内空気を CO 2 フリーの空気で置換した後密閉した。土壌の封入量は、 0-15cm 土壌は約 100 g、

3 ü-45αn 土壌は約 300 g とした。密閉後恒温槽にて 30 0 C で保存し、 24h 経過後に容器内のガスを採取し、 SOMD-C0 2 の安定炭素同位体比 (ð 13 C) を測定した。また実験に用いた土壌の ð 13 C 値は、土壌を 850 0 C で燃焼して得られた CO 2 中の炭素同位体比を測定することで決定した。 ð\3 C 値の測定は、名古屋大学年代測定総合研究センターの同位体比質量分析計σinnig岨

MAT252 , Th
ermoFisherScientific) を用いた。
3. 結果

3・1. 観測結果
観測により得られた土壌空気中 CO 2 と SOM の ð 13 C 値の分布を Fig.l に示す。土壌空気中∞z とSOM の δ13C 値には 4%。程の差がある。土壌空気中 CO 2 は、 SOM 分解や根呼吸により生成した後、土壌中の間隙を拡散し大気へと放出されていく。したがって、 SOM 分解過程以外にも、1. ð 13 C 値の大きい大気 CO2 (ð 13 C=-7.8 %。程度)の混入、 2. 1
2C02• 13C02 の拡散係数の違い、 3. 根呼吸 CO 2 の混合などにより、土壌空気中 CO 2 の ð 13 C 値は変化する。そのため観測結果からは SOM 分解過程でSOM と SOMD-C02 のが3C 値に差が生じているか判断できなかった。

13ﾕ C(%0)‑30‑25‑20‑15‑10‑5勾L

凋斗AUnununu

ZO(g)室。za4ト笈師12'18

略委側:ms'1 lJ2880
Fig.
l

土壌空気中 CO2 (図中・)及び SOM(図中・)の δ日C 値の土壌深さ分布− 146 −名古屋大学加速器質量分析計業績報告書, ⅩⅩⅠ , 2010.03

3・.2. 実験結果
13SOMD-C0 2 及び SOM の ð C 値測定の結果を Fig.2 に示す。表層土壌では SOMD-C0 2 及び SOMの ð 13 C 値に有意な差は無かったが、深部土壌では 4.5%。程度の差が生じたロ次のような

‑
25‑
30ﾖ
13C(%の20‑15(n=5)

(n=7)

Fig.
2

SOMD・CO 2 及び SOM の ð 13 C 値測定結果理由から SOMD-C02 の ð 13 C 値が過大評価されている可能性がある。
1.容器の漏れによる実験窒内の空気が混入
2.

土壌中水分に溶解していた CO 2 の放出

これらの影響を検討するため、追加実験を行ったロ

3-2・1.

密閉容器の漏れの補正

13ð C 値の大きい(ートー 10 %0)実験室内の空気が混入することで、 SOMD-C02 の ð 13 C 値が過大評価される可能性があるため、これを検討した。
密閉容器の漏れによりどの程度実験室内空気が混入するかを、次の手順で実験を行い評価した。

密閉容器に空気バランスの CO 2 濃度 10220ppmv のガスを流入し、容器内の初期 CO 2 濃度 (Co) を 2500ppmv 程度に置換した。その後コックを閉じて、容器を密閉し 24 時間程度(の保存した。 24 時間経過後、容器内の CO 2 濃度(のを測定した。続いて実験室内の CO2 濃度(C，附m) を測定した。これにより式(1)で定義される容器の漏れ率 k (8. 1 ) を求めた。

,I (1)1̲(c.‑C̲̲̲̲k= ・仇I -~:roomC 一 Croom )t l

この実験を 4 回行い、結果の平均より密閉容器の漏れ率を
7 1(8‑)
k=(5.68 土 0.32) x
10‑とした。この値と SOMD-C0 2 採取時の実験室内の CO2 濃度 (Croom)及び密閉時間 t を式(2) に代入し、容器の漏れにより混入した CO2 の量 CLeak を決定した。

ι叫 =Co ・ e- kt +C削m ・ (l-e お)
田 Croom '(l‑e‑kt)(2)

続いてマスバランス式。)を用いて正味の SOMD-C02 の炭素同位体比を算出した。

− 147 −

名古屋大学加速器質量分析計業績報告書, ⅩⅩⅠ , 2010.03

613C測醐 C測定値 -ð ClÆak ・ ClÆak
13δ13Cmm ー叫 =円。)......SOMD ーζ:023-2 ・ 2. 土壌液層の影響

土壌液相には CO2 が溶け込み炭酸として存在している。 30 0 C では、 CO2(g) と CO2(aq)の問で41%。、 CO 2 (g) と HC0 3ーの間で 7.3 92 %。の同位体効果が生じるとされている仰ook eta
1.1986;Zhan
1.0getalふしたがって、土壌中に溶けていた高い δ13C 値をもっ炭素が液層から放出され、採取した CO2の δ 13C 値が SOMD-C0 2 の δ 13C 値より高い値を示した可能性がある。
土壌を保存していたサンプリングバッグ内部の CO2 濃度は、
表層土壌保存用… 577 1.3:
t 26.7ppmv

深部土壌保存用… 1009.6 :t6.7ppmv

だったロ土壌は一定条件で長時間保存していたため、袋内部のガス部分と土壌液相で CO2 放出とCO 2 溶解は平衡に達していたと考えられる。この測定によって得られた CO 2 濃度と、 SOMD-C02
採取に用いた土壌の含水量をへンリーの法則に代入し、それぞれの実験開始時に土壌液相に溶解していた CO 2 の量 C仰を求めた。また、 SOMD-C02 採取実験の終了時の CO 2 濃度から、実験終了時に土壌液相に溶解していた CO2 の量 CdJを求めた。得られた C~山及び C如、マスバランス式， (4) を用いて正味の SOMD-C02 の炭素同位体比を算出したロð 13 C加・ C加 +813Cm皿・ Cso.四 =613cd山 *.C如 *+δ13C測定値・ C測定値

(4)3 ・2 ・ 3. 補正後の結果

SOMD-C0 2 及び SOM の ð 13 C 値測定の結果を Fig. 3 に示す。補正により SOMD-C0 2 の δ 13C 値は表層土壌では 0.3 %0、深部土壌では1.1%。小さい値になった。密閉容器の漏れや土壌液層からの CO 2放出を考慮しても、深部土壌では 3 .4 %。程度の有意な差が生じていたことから、 SOM 分解過程でこの差が生じていると判断した。

‑30Fig.
3‑2513C(%0)

‑20‑
15

補正後の SOMD-C0 2 及び SOM のがで値測定結呆− 148 −

名古屋大学加速器質量分析計業績報告書, ⅩⅩⅠ , 2010.03

4. 考察

c13

深部土壌で SOMD-C0 2 及び SOM の

口昌分解性SOM 伊E値中値に差が生じた原因として、.随分解性SOM ð臼C値小1. SOM 分解過程での同位体効果2. Ô 13 C 値の大きい SOM の選択的ノ対軍

口 SOMD-C02
圏回M

表層土壇が挙げられる。この内前者は、表層土壌

13
C果において誤差を考慮しでも 0.5%。程度しかないことから、同位体効果の影響はの差

深部土壇

0.
5 %。以下と考えられる。そのため後者
SOM 分解過程では生じていると考えら
CO 2 として放出されやすい SOM(易ノ対軍の結•Fig.4がmm-----4il-→伊Cれる。

SOMD-C0 2 と SOM の関係予想

性13SOM)は大きいが3C 値を持っており、 SOMD-C0 2 の ô c 値を反映すると考えられる。表層土壌ではこの易分解性 SOM が多量存在するため SOM の ô 13 c 値も易分解性 SOM の δ13c 値を反映し、

SOMD-C02 及び SOM の ô 13 c 値には差が生じない。一方、分解の進んだ深部土壌では、易分解性SOM の量が減少し難分解性 SOM の相対的な量が増すため、 SOMD-C02 及び SOM の ô 13 c 値には差が生じる σig.4)。しかし、この考えでは分解が進むほど、 SOM の ô 13 c 値は小さくなり SOM の ô 13 c値の土壌深さ分布を説明できないロしたがって実際には Fig.5 に示すようながで値及び分解性の異なる複数の SOM の分解が実環境では起きていると考えられる。

口易分解性SOM 晶13C値中. 中分解性SOM ö13c値太.腫分解性SOM 伊C値小口 SOMD-CO，

表層土壌

圏 SOM
δ13C

深部土壌bFig.5

ト咽口惨

δ13C

SOMD-C0 2 と SOM の関係予想図

5. 結論
窒内実験により SOMD-C02 の ô 13 c 値の測定を行った。表層土壌では SOMD-C0 2 及び SOM のが 3C値に有意な差は無かったが、深部土壌では SOM より SOMD-C0 2 の方が 3 .4 %。程度 ô 13 c 値が大きい− 149 −

名古屋大学加速器質量分析計業績報告書, ⅩⅩⅠ , 2010.03

ことが確認された。この差は、 ð 13 C 値の大きい SOM の選択的分解により生じていると考えられる。
今後これらの実験結果について詳細に検討すると共に、地表面からの CO2 ブラックスを生成源毎に分別する際に、どの程度影響するか評価する必要がある。

参考文献
MookW.G ，叫'c ina凶ospheric CO2 • Ne也erlands Jouma1ofSeaResearch" , 20(2/3), 211-223 , 1986
zha且g J. , QuayP.D. ，阻d W
ilburD.0. ，“C町.bon isoωpe fr
actionationdurin
gg副-wat町田change 阻ddissolutionofC02" , Geochim, Cosmochim, Acta, 59:107・ 114， 1995
日本語要旨

土壌から大気中への CO2 ブラックスを生成源毎に分けて評価することは、森林内の炭素循環を理解する上で重要であるロ炭素同位体利用による従来の解析では、生成源の一つである土壌有機物(SOM)の分解に由来する CO2 (SOMD-C0 2) の炭素同位体比には SOM と等しい同位体比が仮定されてきた。そのため本研究では、仮定の妥当性を検証するために、山地森林での土壌中 CO 2 および SOMの炭素同位体比の観測を行うとともに、室内実験にて土壌有機物分解における同位体比変化の有無を調べたロ実験により表層土壌では、 SOM と SOMD-C0 2 の ö 13 C 値の聞に有意な差はなかったが、深部土壌では SOM より SOMD-C02 の ö 13 C 値が大きいことが確認された。

− 150 −

名古屋大学加速器質量分析計業績報告書, ⅩⅩⅠ , 2010.03[H21 年度分10 学会発表など
蜂谷真史、森泉純、山海弘実「安定炭素同位体比を用いた森林土壌呼吸中の根呼吸量の評価」
第 43 回日本保健物理学会 ポスタ一発表学生の部 2009 年 6 月 3~4 日

大阪
守屋耕一、森泉純、山津弘実、小嵐淳、安藤麻里子「土壌有機物とそのノ崩事放出 CO，の炭素同位体比」

蜂谷真史、森泉純、山津弘実「炭素同位体比を用いた森林土壌呼吸中の根呼吸量の評価」
日本地球化学会第 56 回年会2009 年 9 月 15~17 日

広島大学
守屋耕一、森泉純、山漂弘実、小嵐淳、安藤麻里子「土壌有機物州事 CO，炭素同位体比の経時変化」
蜂谷真史、森泉純、山津弘実「炭素同位体比を用いた森林床根呼吸の評価」
炭素 14 の環境中移行挙動評価専門研究会 2009 年 11 月 5~6 日
京都大学原子実験所、大阪府熊取町
江川紗矢香
P'C環境中蓄積評価のための水田土壌有機物分解の加速実験」

日本原子力学会中部支部第 41 回研究発表会 口頭発表
名古屋大学
蜂谷真史、森泉純、山津弘実「炭素同位体を用いた森林土壌呼吸中の根呼吸の評価」
第 3 回日本保健物理学会学生発表会
神戸大学

口頭発表

2009 年 11 月 30 日 ~12 月 1 日

2009 年 12 月 17~18 日【 H20 年度分10投稿論文WeiLIU, ]unMORIIZUMI , HiromiYAMAZAWAandTakao IIDA,Transfor
mationofSoilO
rganicMaterina]
apaneseL
archF
orest:RadiocarbonandStableC
arbonIsotopeCompositionsVersusSoilDepth.
upplement5, 158‑
160(2008).
]
ournalofNuclearScienceandTechnology, S0 学会発表など
伊藤恒太、森泉純、山津弘実、飯田孝夫「安定炭素同位体比を用いた森林内 CO，ブラックスの定量評価」
第 14 回大気化学討論会 2008 年 10 月 29~31 日
独立行政法人海洋研究開発機構・横浜研究所(横浜市)
守屋耕一、森泉純、山津弘実、飯田孝夫「土壌有機物とその分解により生成する∞2 の安定炭素同位体比」
日本原子力学会中部支部第 40 回研究発表会 2008 年 12 月 9~10 日
名古屋大学
伊藤恒太、森泉純、山津弘実、飯田孝夫「安定炭素同位体比を用いた森林内 CO，ブラックスの定量評価」
蜂谷真史、山津弘実、森泉純、飯田孝夫「炭素同位体比を用いた森林土壌呼吸への根呼吸寄与率の評価」
守屋耕一、森泉純、山津弘実、飯田孝夫、小嵐淳、安藤麻里子「土壌有機物とその分解により生成する CO，の安定炭素同位体比」
日本保健物理学会学生発表会 2008 年 12 月 11~12 日
東京大学ラジオアイソトープセンター− 151 −