Abstract

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CO₂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、土壌呼吸フラックスを供給頒毎に分けて評価することは重要である。炭茶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CO₂ (SOMD-CO₂)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、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。
2.親測及び実験方法
愛知県豊田市(35°12′N, 137°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CO₂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プサンプリング法により土壌空気を採取した。土壌空気は、親測サイトの土壤深さ10・20・40・60・80 cm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0 cmとし、土壌深さ0~60 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。 SOMD-CO₂採取のための実験は次のような手順で行った。観測サイトで SOMD-CO₂採取実験用の土壌を、土壌深さ0~15 cm及び30~45 cmの層から採取した。実験室内で採取した土壌を2 mmのふるいにかけた後、さらに細根や礫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、0~15 cm土壌は約100 g、 30~45 cm土壌は約300 gとした。密閉後恒温槽にて30℃で保存し、24 h経過後に容器内のガスを採取し、SOMD-CO₂の安定贷素同位体比(δ¹³C)を測定した。また実験に用いた土壌のδ¹³C値は、土壌を850℃で燃焼して得られたCO₂中の炭素同位体比を測定することで決定した。δ³C 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(Finnigan MAT252, Thermo Fisher Scientific)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CO₂とSOMのδ¹³C値の分布をFig. 1に示す。土壌空気中CO₂とSOMのδ ³ C値には4 ‰程の差がある。土壌空気中CO₂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. δ 13 C値の大きい大気CO₂(♂¹³C=-7.8 ‰程度)の混入、2. ¹²CO₂・¹³CO₂の拡散係数の違い、3.根呼吸CO₂の混合などにより、土壌空気中CO₂のδ¹³C値は変化する。そのため親測結果からはSOM分解過程でSOMとSOMD-CO2のδ¹³C値に差が生じているか判断できなかった。
3-2.実験結果
SOMD-CO₂及びSOMのδ 13C値測定の結果をFig. ２に示す。表層土壌ではSOMD-CO₂及びSOMのδ 3 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。次のようなSOMD-CO2及びSOMのδ¹³C値測定結果Fig. 2理由からSOMD-CO₂のδ¹³C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室内の空気が混入2.土壌中水分に溶解していたCO2の放出これらの影響を検討するため、追加実験を行った。
3-2-1.
δ¹³Ｃ値の大きい(-8~ -10 ‰)実験室内の空気が混入することで、SOMD-CO2のδ¹³Ｃ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CO₂濃度10220 ppmvのガスを流入し、容器内の初期CO₂濃度(Co)を2500 ppmv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(n保存した。24時間経過後、容器内のCO₂濃度(C)を測定した。続いて実験室内のCO₂濃度(C nom )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 (s ¹)を求めた。
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k = (5.68 ± 0.32) ×10 7 (s 1 )とした。この値とSOMD-CO₂採取時の実験室内のCO₂濃度(C room )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Creekを決定した。 C Leak = C o · e-k' + C room · (1 − e-k' ) (2) ≈ C room · (1 − e −kr )統いてマスバランス式(3)を用いて正味のSOMD-CO2の炭素同位体比を算出した。

3-2-2.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℃では、CO₂(g)とCO₂(aq)の間で1.041 ‰、CO₂(g)とHCO₃の間で7.392 ‰の同位体効果が生じるとされている(Mook et al. 1986; Zhang et al.)。したがって、土壌中に溶けていた高いδ¹³C値をもつ炭素が液層から放出され、採取したCO₂のδ¹³C慎がSOMD-CO₂のδ¹³C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… 5771.3 ± 26.7 ppmv深部土壌保存用… 1009.6 ±  6.7 ppmvだった。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CO2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 CO2濃度と、SOMD-CO2採取に用いた土壌の含水量をヘンリーの法則に代入し、それぞれの実酸開始時に土壌液相に溶解していたCO2の量Cdgを求めた。また、SOMD-CO2採取実験の終了時のCO2濃度から、実験終了時に土壌液相に溶解していたCO 2の量C ame*を求めた。得られたC ame及びC ame*とマスバランス式(4)を用いて正味のSOMD-CO₂の炭素同位体比を算出した。 δ 13 C diss · C diss +δ 13 C somo · C somo =δ 13 C diss * · C diss * +δ 13 C測定値· C測定値(4)
3-2-3.補正後の結果
SOMD-CO₂及びSOMのδ¹³C値測定の結果をFig. 3に示す。補正によりSOMD-CO₂のδ¹³C値は表層土壌では0.3 ‰、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CO₂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。
4.考察
楽部土壌でSOMD-CO2及びSOMの値に差が生じた原因として、 813C 1. SOM分解過程での同位体効果2. ♂¹³C値の大きいSOMの選択的分解が挙げられる。この内前者は、表層土壌果において誤差を考慮しても0.5 ‰程度しかないことから、同位体効果の影響は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CO2として放出されやすいSOM(易分解の結の差がれる。越SOMは大きいよ¹Ｃ値を持っており、SOMD-CO₂のδ¹³Ｃ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δ¹³C値も易分解性SOMのδ¹³C値を反映し、 SOMD-CO2及びSOMのδ 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-CO2及びSOMのδ³C値には差が生じる(Fig. 4)。しかし、この考えでは分解が進むほど、SOMのδ 3 C値は小さくなりSOMのδ 13 C値の土壌深さ分布を説明できない。したがって実際にはFig. 5に示すようなδ¹³C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。
5.結論
室内実験によりSOMD-CO2のδ¹³C値の測定を行った。表層土壌ではSOMD-CO2及びSOMのδ¹³C値に有意な差は無かったが、深部土壌ではSOMよりSOMD-CO2の方が3.4 ‰程度δ¹³C値が大きいことが確認された。この差は、δ¹³C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フ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。 Mook W. G, "13C in atmospheric CO2. Netherlands Journal of Sea Research", 20(2/3), 211-223, 1986 Zhang J., Quay P. D., and Wilbur D. O., "Carbon isotope fractionation during gas-water exchange and dissolution of CO2", Geochim, Cosmochim, Acta, 59:107-114,1995土壌から大気中へのCO₂フラックスを生成頒毎に分けて評価することは、森林内の炭茶循環を理解する上で重要である。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CO 2 (SOMD-CO 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CO₂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。実験により表層土壌では、SOMとSOMD-CO₂のδ¹³C値の間に有意な差はなかったが、深部土壌ではSOMよりSOMD-CO₂のδ¹³C値が大きいことが確認された。 【H21年度分】 ○学会発表など蜂谷真史、森泉純、山澤弘実「安定炭素同位体比を用いた森林土壌呼吸中の根呼吸基の評価」第43回日本保健物理学会　ポスター発表学生の部　2009年6月3～4日大阪守屋耕一、森泉　純、山澤弘実、小嵐　淳、安藤麻里子「土壌有機物とその分解放出CO,の炭素同位体比」蜂谷真史、森泉 純、山澤弘実「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、山澤弘実、小嵐　淳、安藤麻里子「土壌有機物分解CO₂炭素同位体比の経時変化」蜂谷真史、森泉純、山澤弘実「炭泰同位体比を用いた森林床根呼吸の評価」  京都大学原子実験所、大阪府熊取町江川紗矢香「℃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　2009年11月30日～12月1日名古屋大学蜂谷真史、森泉純、山澤弘実「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　口頭発表　2009年12月17～18日神戸大学○投稿論文Wei LIU, Jun MORIIZUMI, Hiromi YAMAZAWA and Takao IIDA, Transformation of Soil Organic Mater in a Japanese Larch Forest: Radiocarbon and Stable Carbon Isotope Compositions Versus Soil Depth. Journal of Nuclear Science and Technology, Supplement 5, 158-160 (2008).〇学会発表など伊藤恒太、森泉　純、山澤弘実、飯田孝夫「安定炭素同位体比を用いた森林内CO,フ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、山澤弘実、飯田孝夫「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、山澤弘実、飯田孝夫「安定炭素同位体比を用いた森林内CO₂フラックスの定量評価」蜂谷真史、山澤弘実、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、山澤弘実、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