名古屋大学加速器質量分析計業績報告書, ⅩⅩⅠ , 2010.03

炭素同位体比を用いた森林土壌呼吸中の根呼吸の評価
Estima姐on ofrootr
espirationtoaforest‑floorC O2flux

usingcarbonisotopes
蜂谷真史 l事・森泉純 1 ・山津弘実 lM.Hachiya1・， J.MoriKlimt， H.Yarnazawa1

1 名大院・工(lGraduated schoo
lofEngineering, NagoyaUniv.
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O:M沼achiya;E'泊ai]:hach.砂'a-masashi09.露1ees.nag.のra-u.a匂P

Abstract
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K忌ywords :roo
trespiration, soilrespiration, carboncycle, carbonisotope, globa1clintat
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L盆重大気中に約 0.04%存在する二酸化炭素(以下、 CO2 ) は、メタン、 E酸化窒素、アロンおよびハロンなどのハロカーボン類と同様に赤外線を吸収し、温室効果ガスと呼ばれる。大気中 CO 2 濃度は約 200 年前から増え始め、現在では年間1. 8ppmv ずつ増加し続けている 1L ECC(気候変動に係わる政府間パネノレ)の第四次評価報告書によれば、温室効果ガスの地球温暖化への寄与割合は CO2 が最も大きく約 63% 、次いでメタンが 20% 、フロンおよびハロンが 14% 、亜酸化窒素が 6% であり、 CO2 が地球温暖化に最も寄与していると推定されている叱森林は大気中 CO 2 の吸収源および放出源としてその重要性が認識されている。原子力発電所や核燃料再処理施設から放出される放射性炭素同位体である 14C は大気中では主に 14 C02 として存在し、 CO 2と同じような動態を示す。 14 C は 5730 年という半減期をもち、原子力利用に伴う大気中放出核種の中で最も集団線量に寄与すると考えられている九森林床中での CO 2 生成源には土壌有機物分解と根呼吸があり、地球温暖化及び気候変動の将来予測のためにはそれら生成源ごとの定量評価が必要である。
既往研究では土壌有機物分解起源 CO 2 (以下、 SOMD-C0 2 ) の同位体比が有機物自身の同位体比と− 61 −

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異なる、根呼吸の直接的な測定が困難である等の問題があった。そのためこれまでは根呼吸を精度良く、定量的に評価することは困難であった。
本研究では、観測サイトでの土壌呼吸 CO 2 のフラックス、土壌中 CO2 の濃度及びそれらの炭素同位体比の現地観測を行った。そして安定同位体比を考慮した土壌中 CO2 輸送の一次元ボックスモデ
ルを考案し、根呼吸の土壌深さ分布を計算した。そしてトレンチング法を用いた根呼吸量の測定結果と比較を行い、計算結果の妥当性を評価した。

2 現地観測及び室内実験

2-1

観測サイト

観測は 2008 年の 6，7， 11 月と 2009 年の 6 月に行った。観測地は愛知県豊田市稲武町。 5 0 12'N， l3702
4'E)、名古屋大学生命農学噺究科・農学部付属演習林(フィールド教育支援センター稲武フィールド)内にあるカラマツ林である。カラマツは植林されたものであり、樹齢は約 45 年、樹高は約 23m である。
観測地の標高は約 101 0m、アメダス(地域気象観測システム，標高 505 m，気象庁)によると、 2008 年の稲武町の年降水量は 1884.5mm、平均気温は 1 1.9 "cであった。

2‑2 土壌呼吸 CO2
土壌呼吸 CO2 のフラックス及び炭素同位体比の測定には容積 144L のチャンパー(以下、 144L チャンパー)を用いて密閉チャンパー法 4) と通気チャンパー法 5) を併用して測定した。 144L チャンパーは上面に取り外しが可能なふたが付いた直方体型関口容器であり、観測サイトへ設置するときに土壌深さ 2 cm まで挿入した。測定時以外はチャンパー内外の状態を等しく保つために、上面のふたを外しておいた。チャンパー内に土壌呼吸を蓄積させる聞はふたを被せ、チャンパー内に濃度差が生じないように内部に取り付けた小型ファンにより空気を捷枠した。チャンパー内の空気は土壌表面から 20 岨上部の空気採取口から流量 3Lm皿ー 1 で 5min 採取した。蓄積開始前に土壌表面及び土壌深さ 5cm の土壌温度を測定した。
3
土壌呼吸 CO2 ブラックス F[gC m‑sつは、チャンパー内の CO 2 濃度が時間とともに一次関数的に増加すると仮定してチャンパー内の CO 2 濃度の時間変化から求められる。土壌呼吸 CO2 ブラックスの算出式を以下の式(2-1) に示す。

‑
F-E.
主主S11t(2‑1)

ここで、 y はチャンパー内容積[m3 ] 、 A はチャンパーの開口部面積 [m2 ] 、 Llt はチャンパーの密閉時間 [s] 、必C は CO 2 濃度の増加量[gC m- 3 ] である。
土壌呼吸 CO2 の炭素同位体比は、 144L チャンパーによって採取された空気の CO2 濃度と炭素同位体比から求められる。チャンパー密閉後に蓄積された CO 2 が土壌呼吸によるものであると仮定すると、質量保存則から式0 ・2)が導かれる。

次~ﾔC̲̲̲= ~~f
国L' .

Cf

一次ご -cCf-C，。

− 62 −(2‑2)

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ここで、 C は COョ濃度 [gC m-3 ] 、 öC は 8 値表示の炭素同位体比[%0]である。添え字の 0、 f， 聞はそれぞれ密閉前のチャンパー内空気、密閉後のチャンパー内空気、及び土壌呼吸を表す。

2‑3 土壌中 CO 2
本研究では土壌中 CO 2 の濃度及び炭素同位体比の測定を目的としているので、土壌中空気採取時に同位体効果の生じにくいグラブサンプリング法を使用した。サンプリング管は、 2004 年 4 月に観測サイトに設置したものを用いた。サンプリング管は土壌深さlO cm 、 20c皿、 40c皿、 60cm 、 80cmの 5 深度に採取口が位置していた。土壌中空気を採取する際、始めにゴム栓およびサンプリング管内に残存している空気を廃棄するために、シリンジで 5 mL空気を抜き取り、その後シリンジで土壌空気をlO cm、 20 四では 200 mL、 40 c皿、 60cm、 80cm では 100 mL採取し、容積 5L のアルミニウムパックに移した。採取した空気の αh 濃度及び炭素同位体比を測定した。

2‑4 トレンチング法
土壌呼吸 CO2 の発生源には土壌有機物分解と根呼吸の 2 つの要素が含まれている。トレンチング法とは土壌中に存在している植物の根を破壊することで土壌呼吸 CO 2 中の根呼吸の寄与を 0 とする方法である。
トレンチング法を用いた土壌呼吸 CO2 の観測を行うために観測サイト内に直径 14.5 c:皿の塩化ピニル製円筒管を設置した(以下、トレンチトプロット)。同時に、トレンチトプロットと比較するため、トレンチングを行っていない測定点(以下、コントロールプロット)として、直径 10 cm の塩化ピニル製円筒管を土壌に 4c皿の深さまで挿入して設置した。土壌呼吸 CO2 フラックスの測定には容積 lL のチャンパーと非分散型赤外吸光式 CO2 濃度分析計 (LI・840C0 2 G田An叫yzer， LI-COR) 及びポンプが一体となった測定システムを用いた。それぞれの測定地点で土壌表面及び土壌深さ 5cm の土壌温度を測定した。

主三芝生貴重
3・1ボックスモデルの概要

土壌呼吸の構成要素は大きく分けて土壌有機物ノ対軍と根呼吸の二つに分けられる。土壌有機物分解の活性は土壌深さ、土壌温度、土壌含水率、 CO 2 濃度といった環境因子に依存することが知られているべしかし、根呼吸は土壌温度、土壌含水率に対して依存性を持つことが報告可されているだけで、定量評価には至っていない。そこで本研究では、

12C02 および C02 の土壌中の輸送についての一13次元ボックスモデルを作成し、根呼吸の土壌深さに対する依存性を解析、評価した。そしてトレンチング法を用いた観測結果との比較から計算結果の妥当性を検討した。更に、モデルの計算精度を評価するために土壌呼吸 CO 2 ブラックスと SOMD-C02 生成率についての感度解析を行った。
土壌中で生成された CO2 は拡散により上下方向に輸送される。土壌を深さ毎に層(以下、ボックス)に区切り、任意のボックス z についての 12C02 および 13C02 の収支方程式を式0・1)、式0・.2) に示す。

ニ (Ciー1 ・ Ri~l +Ci1.Riai ι:‑{C(Rt+Ri‑)}+(SSOM
D.
i+Sroot.J.dii.
1)dt+− 63 −。ー 1)

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̲1• Ri~1 +ﾖ C:1)‑ {Ö叱 ， Ci .(Rt+Ria---L」 =(δ吋'i-l • C+1• C+1• Ri‑)}
iiidtslalt + 1 11(3‑2)+(Ö CSOMD ,i • SSOMD ,i +Ö C制. Sroot ,J' di13

13

ここで a， はボックス z の気層率 [m3 m，3] 、 C はボックス z 中の CO 2 濃度 [gC m，3] 、 S回'MD，i はボックス i
での SOMD-C0 2 生成率 [gC g l .-1] 、 Sro耐はボックス z での根呼吸の CO2 生成率 [gC g l .-1] 、 d， はボック,,13ス z での乾燥バルク密度 [g 皿 3] 、 ð C， はボックス z 中の CO 2 の Ò C 値開。]、 ð CsoMD" はボックス i でのJ3J3SOMD-C0 2 の Ò 13 C 値開。]、 ð C，酬は根の Ò 13 C 値[%.]、 R".I土ボックス z から上方向への交換率 [.-1] 、 R，J3

はボックス i からの下方向への交換率 [.-1] である。

式0・1)、式0・.2) 中の未知数は、 Sroot，i、 Rj_、 Ri+J であり、方程式二つに対して未知数が五つ存在し、解析的に解くことは不可能である。以下の仮定及び境界条件を導入することで方程式中の未知数を二っとし、 12 CO 2 と 13 CO2 の方程式を連立させて上端のボックスから S間t について逐次計算を行った。

仮定 1.土壌中 CO 2 は定常状態 (àC /í.t. = む)

仮定 2. 隣接したボックス同士の∞2 交換率は同じ(咋=に孟=ふ)
境界条件1.

大気.土壌聞の正味の CO2 輸送量は土壌表面 CO2 ブラックスと等しい

境界条件 2.

最下端のボックスでの CO 2 の下方向への輸送はなし

3 ・2モデルへの入力値

土壌中 CO2 濃度及びその Ò 13 C、境界条件として使用した土壌呼吸∞ョフラックスは、現地観測により得られた測定結果を使用した。

SOMD-C0 2 の生成率は Kawai(2008) らの経験式モデル酌を用いて、ボックスの深さごとの CO2 生成率を入力値とした。 SOMD-C02 の Ò 13 C はKaw副(2008) らの実験方法のに基づいて室内実験を行い、その測定結呆を入力値として使用した。

4 計算結果根呼吸の CO2 生成率の土壌深さ分布の計算結果を Fig.l に示す。

− 64 −

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10gCg
CO
productionrateofroot:S ,oot (10‑‑IS‑I)
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幽鯵鋤June 25th20090.
4
図 1

根呼吸率の土壌深さ分布の推定結果

Fig.1Estimateddept
hprofi
1eofroot 問spiration rate.
Fig.1 より、根呼吸の CO2 生成率は土壌深さに対して減少傾向にあることが示された。さらに、
表層 10cm 以浅において、根呼吸全体のうちの 80 %以上を占める結果となった。

Tab1e 1 にトレンチング法を用いた土壌呼吸 CO2 ブラックスの観測結果と観測及び計算により得%られた土壌呼吸 CO 2 ブラックスに対する根呼吸寄与割合の結果を示す。ここで、根呼吸寄与割合

Rroot は以下の式(3・3)で表わされる。

時伊表 1(3‑7)

土壌呼吸 CO 2 フラックスの測定結呆及び根呼吸寄与割合の推定結呆Tab1e1Observedandca1cu1ated 企actiona1∞ntribution ofrootrespirationRroto旬.1 soi1respiration.
oott

Date 皿20082SSoi
lrespiredCO.
"')
2fl阻 (10" gCmControlplot

Trenchedplot

Froot(10" gC 皿ー28勺RrootOb田rvation

Esti皿ation

Obs町vation

E武也a阻on.4
10June 1.
829July 3

ｱ 0.
60.
9 ｱ0.
30.
520.
870.
360.
34

土2.
12.
7 ｱ0.
71.
151.550.
30310.

17Nov. 0.
8

土0.
30.
7 ｱ0.
20.
080.
290.
100.
25Tab1e 1 より、実iJlU .計算ともに根呼吸量は 7 月に最大の値となり、 11 月に最小の値となった。
根呼吸寄与割合は実測・計算ともに 6 月に最大の値となり、 11 月に最小の値となった。これらの結呆は細根の多い土壌表面で根呼吸量が多い、土壌温度の高い夏季に根呼吸量が多い、植物の生長の− 65 −

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著しい初夏に根呼吸寄与割合が大きいという根呼吸の特徴的と一致するものであった。

生藍重量
森林床中の根呼吸量評価を行うために、土壌中 CO2 輸送の一次元ボックスモデルを考案し、根呼吸の CO 2 生成率の土壌深さ分布を明らかにした。根呼吸の CO2 生成率は土壌深さに対して減少傾向にあることが示された σïg.l)。計算結果とトレンチング法を用いた現地観測の結果の比較では、季節変動の再現を含めおおむね一致した結果であった(Table 1)。計算結果はこれまでに報告されている根呼吸の特徴と矛盾しないものであった。

量豊
名古屋大学年代測定総合研究センターの中村俊夫教授、小田寛貴助教授、池田晃子技官、太田友子氏には MASS やその他諸々の測定機器の使用方法の指導等、様々なご協力をしていただきました。ここに深く感謝いたします。

室主玄車E1)Annua1R，句ort onAtmosph町ic 岨dM町恒.eEnvironm四tMoniω，ring NO.7ObservationResultsfor2005.
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mateChange, Cli
mateCha時e2007.TheScien世自cB描is， CarnbridgeUniversity 町田s.2007.
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olume48 , 2006, p2-36 ,4)YagiK.姐d K. M血出凶. Effec
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landEn吋ron皿四t 24, (2001 ), p781・7908) NoboruK紅白umi.lllus甘'ation of 住eeroo胞. (1979).
要旨

土壌呼吸 CO 2 の放出は全球的な炭素循環と環境中の 14C 移行において、加えて、大気中 CO 2 の増加による全球的な気候変動を予測するためにも、非常に重要な要素である。土壌中には CO2 を生成する 2つの要素、土壌有機物分解と根呼吸が存在するロ前者は比較的良く理解されつつある一方、根に由来する CO 2 放出は十分な評価がなされていない。本研究の目的は、根呼吸速度の深さ分布を評価することである。ボックスモデルを開発し、計算結呆の正確性をトレンチ法による土壌呼吸 CO 2 ブラックス観測値− 66 −

名古屋大学加速器質量分析計業績報告書, ⅩⅩⅠ , 2010.03と比較した。計算結果は、深いほど小さい根呼吸速度分布を示した。これは根呼吸を支配する細根の分布による。根呼吸による CO，フラックスの計算結果は観測結果とほぼ一致した。

− 67 −