窒素・炭素循環連結モデルによる土中の有機物分解の検討
Decomposition of Organic Matter in a Soilbased on a Coupled Nitrogen-Carbon Cycling Model
三木真隆・取出伸夫
三重大学大学院生物資源学研究科
要旨
植物遺体の分解実験（広瀬 1973）に対して窒素・炭素循環モデルを適用し，一次分解定数や腐植の生成割合を決定し，有機物分解過程の窒素と炭素の形態を検討した．C/N 比が大きい植物遺体ほど，分解定数が小さい．C/N 比が 20 以上の植物遺体では，分解初期において土から無機化された無機態窒素の有機化が生じた．さらに分解が進行すると，CO2 の発生により C/N 比は 20 以下に低下し，窒素の無機化が生じる有機物分解過程へと変化し，最終的に NH4 と腐植に分解された．
テーマ：土壌物理研究の最前線 Trend in Soil Physics
キーワード：窒素循環，有機物分解，C/N 比，一次分解
Key Words: Nitrogen cycle, Decomposition of organic matter, C/N ratio, First-order degradation
１.はじめに
土中では微生物による有機物分解過程で，ア腐植の生成に必要な窒素の要求量に応じて，アCarbon dioxi

ンモニアの無機化と有機化が生じる（経路 7）．

③④

Decomposable Pool 1

ンモニア態窒素の有機化・無機化が生じる．有機

Plant residue

化・無機化は分解物と生成物の C/N 比に応じてDecomposable Pool 1

は，土中の有機物分解に伴う炭素循環モデルとPlantSoilresidue①❺に添加した植物遺体の分解実験（広瀬 1973）に対してモデルを適用して一次分解定数の求め，有機物分解過程の窒素と炭素の形態について検討した．
２．窒素・炭素循環連結モデル②④Humus❻Biomass❽

Decomposable Pool 2❼②❻

ManurePlantresidue①❺

UreaBiomass❾❽❼

Urea❾Ammonium(NH4-N)❼Ammonium(NH4-N)❿Nitrate
Carbonroute(NO3route-N)
Nitrogen⓫

Plant uptake
N2 gasFig.1 窒素・炭素循環連結モデル
Carbon route
Nitrogen route

Plant uptake
Leaching (water flow)

３.有機物分解実験
広瀬（1973）は，乾田作土層から採取した風乾Fig.1 の 2 種類の分解プールにおいて，有機土（水田土）100g に対して炭素 400mg 相当の態炭素はバイオマスと腐植の炭素画分，二酸化C/N 比が異なる様々な 10 種類の植物遺体を加炭素に分解される（経路 1,2,3）．この反応は一次え，70 日間の無機態窒素量と炭酸ガス量を測定分解であり，生成割合は一定である．バイオマス

した．無機態窒素量については継時的に測定さは分解プール内で再び有機物として分解される．

れていたが、炭酸ガスについては 70 日後の発生

一方，有機態窒素はバイオマスと腐植の窒素画量しか測定されていなかった．そのため，今回は分に利用され，分解と生成速度は，C/N 比を用い無機態窒素量の変化に対して窒素・炭素循環モて有機態炭素の分解速度で表せる．このとき，有デルを適用した．

機物の分解による窒素の供給量と，バイオマスとHumus❻❺③Biomass

窒素・炭素循環モデル（Fig. 1）を地球科学反応プ
ログラム PHREEQC へ移植した．そして，畑地土①

Carbon dioxide③

進行するため，土中の窒素循環のモデル化にの連結が必要である．本研究では，LEACHM の②

まず，水田土のみの無機態窒素量から水田土0.07の分解定数を決定した．次に，水田土と植物遺体らの生成量の和と仮定し，植物遺体の分解定数を決定した．その際，70 日間で有機物は完全に分解すると仮定して，腐植の生成割合を決定し，

水田土 (14.2)

100.0140.006
ウィーピングラブグラス(38.8)

0.002稲わら (64.5)00104050600.77040350.6

分解定数 K

解定数は大きく減少した．C/N 比が高い植物遺体
ほど，タンパク質，糖，デンプン含量が低く，また，セルロース

0.525200.3

150.20.1

いため，分解定数が小さくなったと考えられる．

0分解定数

Fig.4 は，最も C/N 比が大きい稲わらに対して，決定した反応定数、腐植の生成割合から求め02040600.016

NH4

植物有機物

0.012

80

C/N比
無機態窒素生成量

Fig.3
Concentration[g/100gsoil]

1050

た窒素成分の形態変化である．水田土は 28 日

300.4

セルロース，ペクチン，セミセルロースの含量が高素が有機化されて取り込まれたことを示す．さら30

Fig.2 無機態窒素生成量と C/N 比の関係である．C/N 比が 20 程度まで分は，水田土の有機物分解により無機化された窒20

Elapsed time [day]Fig.3 は，一次分解定数およびセルロース含量定した無機態窒素の減少量よりも大きい．これ70

チモシー (20.5)

0.008

おいて有機化が生じ，無機態窒素は減少した．

増加している．このプール内の窒素増加量は測60

オーチャードグラス(16.4)

0.01が高いウィーピングラスと稲わらでは，分解初期にた．14 日目までの植物分解プール内の窒素量は50

れんげ (16.3)

は，10 日程度で無機化はほぼ終了した。C/N 比

後では，31.5%が NH4，58.1%が腐植に変化し400.012

解が速い．特に C/N 比が 10 以下の植物遺体は 70 日後も分解が継続している．そして，70 日30b)[day]
C/N比15以上
Elapsed time0.004

無機態窒素は増加した．C/N 比が小さいほど分後には有機物分解が終了するのに対し，稲わら

200.016

NH4-N [g/100gsoil]

物遺体では，分解初期化から無機化が進行し，ラジノクローバー (11.3)

0.02

0.018

しては，140 日後の無機態窒素量を推定し，腐食値と計算結果である．C/N 比が 20 程度以下の植

綿実粕 (7.7)

0.03

00.02 0

ただし，C/N 比が小さく分解の遅い植物遺体に対Fig.2 は，各植物遺体の無機態窒素量の実測なたね粕 (6.6)

0.04

0.01

無機態窒素量の測定値と計算値を適合させた．の生成割合を決定した．

0.05

植物バイオマス0.008
腐植
水田有機物0.004

水田バイオマス00142842

Elapsed Time [day]56

Fig.4 窒素成分の変化に，分解に伴う CO2 の発生により C/N 比は低下していく．15 日後には C/N 比が 20 以下になり，窒素の無機化が生じる有機物分解過程へと変化する．

セルロース含量[%]

定値は，水田土のみの窒素生成量と植物遺体かNH4-N [g/100gsoil]

を 2 種類の分解プールと考え，無機態窒素の測a) C/N比15以下

大豆粕 (5.6)

0.06

引用文献
広瀬春朗，1973，各種植物遺体の有機態窒素の畑状態土壌における無機化について，日本土壌
肥料学雑誌 第 44 巻 第 5 号 p.157～16370