地球表層最大の炭素プールの反応性：土壌と海底堆積物の共通メカニズムの検証

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15H02810
• 研究機関: 国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構
• 研究代表者: 和穎 朗太 国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構, 農業環境変動研究センター 気候変動対応研究領域, 上級研究員 (80456748)
• 研究分担者: 諸野 祐樹 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 高知コア研究所, グループリーダー代理 (30421845) ; 平舘 俊太郎 国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構, 農業環境変動研究センター・有害化学物質研究領域, 上席研究員 (60354099) ; 長尾 眞希 (浅野眞希) 筑波大学, 生命環境系, 助教 (80453538)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: 炭素循環 / 土壌有機物 / 地球温暖化 / 土壌鉱物 / 堆積物 / 生物地球化学

研究実績の概要

土壌と海洋堆積物に含まれる有機物の安定化（微生物分解の抑制）に共通するメカニズムとして鉱物粒子およびその他の無機成分との様々な結合の重要性が認識されつつある。その中で我々は、鉱物組成および有機物存在量が異なる土壌および堆積物試料を用いて研究を進めている。

二年目であるH28年度は、海洋堆積物においては、鉄と有機物の相互作用に着目し分析手法の検討および河川・河口堆積物の分析を進めた。背景には、海洋堆積物中の有機炭素の2割前後が鉄との結合によって安定化しているというNature論文（Lalonde et al.,2012)がある。カナダグループによるこの論文は、我々が開発した手法（Wagai&Mayer,2007,GCA）を一部変更して得た結果であるが、彼らの手法にバイアスがある可能性があった。そこで我々の手法との比較検討を行い、システマチックな誤差が生じる事を突き止めた。更に、米国ミシシッピ川の懸濁粒子、河川堆積物、および河口の海底堆積物を対象に、鉄結合態の炭素を定量し、河川から海洋に向かい低下してゆくことを明らかにした。

土壌については、これまで採取した土壌の比重画分の化学分析から、植物残渣を主体とする低比重画分中に放射性炭素年代が古いサンプルが多々見られることが分かった。その主体は微細な炭化物に無機成分（特にアルミニウムや鉄）が付着したものであることを、電子顕微鏡および放射光源を用いた走査型透過軟X線顕微鏡（STXM）を用いて明らかにした。また、2016年5月にはアメリカの研究者が主催する鉱物による土壌有機物の安定化に関するワークショップに参加し、粘土と金属酸化物による安定化作用、最新実験結果と既存の物質循環モデルの乖離などについて議論し、その後これらのテーマで共同研究を開始した。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

概要で示した通りの実験に加え、土壌についても海洋堆積物についても、海外の研究者との共同研究が進み、予定以上のペースで進んでいると言える。

今後の研究の推進方策

本年度は、本課題を更に発展させるために国際共同研究強化費を利用してフランス（INRAおよびAgro Paris Tech）で有機物安定化メカニズムの研究を進める予定であるが、同時に本課題も着実に進めていく。
具体的には、これまで物理分画手法を用いて分離した画分の物性（例、比表面積、活性鉄・アルミニウム含量、物理構造等）と有機物の性質（炭素・窒素濃度、安定同位体比、放射性炭素年代）の分析を継続すると共に、分析結果のまとめを行っていく。
特に、炭化物のように有機物の分子構造上の理由で安定化している炭素と、タンパク・鉱物複合体のように易分解性の化合物が無機成分との相互作用によって安定化している炭素プールが物理分画手法によってどの程度効果的に分離できているかについての解析を進める。
更に、各画分サンプルの表面特性（有機物との相互作用）を有機物除去前後のガス吸着分析から明らかにし、鉱物マトリックス中の有機物の存在形態と反応性について考察を深める。また、有機物の安定化に大きく寄与すると考えられるAlおよびFeの存在形態および土壌構造中における存在部位の解析をスペクトロスコピー分析を用いて進める。
また、米国の研究者らと協力して既存土壌データのメタ解析を行い、土壌有機物の貯留および安定化を規定する土壌理化学性パラメーターの探索を行う。より具体的には、土壌炭素貯留は、従来考えられてきた粘土含量よりも、我々の研究からも明らかになってきた活性鉄・アルミニウム含量によって規定されるという仮説を検証する予定である。

研究成果

• [国際共同研究] US Geologial Survey/US Forest Service/University of Hawaii(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: US Geologial Survey/US Forest Service/University of Hawaii
  • 他の機関数: 11
• [国際共同研究] Max Plank Institute for Biogeochemistry(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Max Plank Institute for Biogeochemistry
• [学会発表] Representation of diffusion controlled carbon stabilization in reactive transport models (2016)
  • 著者名/発表者名: Aaron Thompson, Jennifer L Druhan, Marco Keiluweit, Rota Wagai, Alain F Plante, Corey R Lawrence, Asmeret Asefaw Berhe, Carlos A Sierra, Craig Rasmussen, Erika Marin-Spiotta, Joseph C Blankinship, Joshua Schimel, Katherine A Heckman, Susan E Crow, William R Wieder
  • 学会等名: American Geophysical Union 2016 Fall Meeting
  • 発表場所: サンフランシスコ（アメリカ合衆国）
  • 年月日: 2016-12-15 – 2016-12-15
  • 国際学会
• [学会発表] The Soil Carbon Paradigm Shift: Triangulating Theories, Measurements, and Models (2016)
  • 著者名/発表者名: Joseph C Blankinship, Susan E Crow, Joshua Schimel, Carlos A Sierra, Christina Schaedel, Alain F Plante, Aaron Thompson, Asmeret Asefaw Berhe, Jennifer L Druhan, Katherine A Heckman, Marco Keiluweit, Corey R Lawrence, Erika Marin-Spiotta, Craig Rasmussen, Rota Wagai, William R Wieder
  • 学会等名: American Geophysical Union 2016 Fall Meeting
  • 発表場所: サンフランシスコ（アメリカ合衆国）
  • 年月日: 2016-12-13 – 2016-12-13
  • 国際学会
• [学会発表] Beyond clay - using selective extractions to improve predictions of soil carbon content (2016)
  • 著者名/発表者名: Craig Rasmussen, Asmeret Asefaw Berhe, Joseph C Blankinship, Susan E Crow, Jennifer L Druhan, Katherine A Heckman, Marco Keiluweit, Corey R Lawrence, Erika Marin-Spiotta, Alain F Plante, Christina Schaedel, Joshua Schimel, Carlos A Sierra, Aaron Thompson, Rota Wagai, William R Wieder
  • 学会等名: American Geophysical Union 2016 Fall Meeting
  • 発表場所: サンフランシスコ（アメリカ合衆国）
  • 年月日: 2016-12-13 – 2016-12-13
  • 国際学会
• [学会発表] Studies on soil organic matter dynamics and organic-mineral aggregation towards land sustainability (2016)
  • 著者名/発表者名: Rota Wagai
  • 学会等名: Max-Schonleutner Award Seminar, Technische Universitat Munchen
  • 発表場所: フライジング （ドイツ）
  • 年月日: 2016-08-03 – 2016-08-03
  • 招待講演
• [学会発表] Nature of organo-mineral particles at a lower level of aggregate hierarchy among contrasting soil types (2016)
  • 著者名/発表者名: 浅野眞希, 和穎朗太, 山口紀子, 武市泰男, 平舘俊太郎, 菅大暉, 小野寛太, 高橋嘉夫
  • 学会等名: 地球惑星連合大会（JpGU)
  • 発表場所: 幕張メッセ国際会議場（千葉県千葉市）
  • 年月日: 2016-05-22 – 2016-05-22
• [学会発表] Organo-mineral associations at different levels of soil aggregate hierarchy: What do we get from physical fractionation? (2016)
  • 著者名/発表者名: 和穎朗太，浅野眞希，梶浦雅子，平舘俊太郎
  • 学会等名: 地球惑星連合大会（JpGU)
  • 発表場所: 幕張メッセ国際会議場（千葉県千葉市）
  • 年月日: 2016-05-22 – 2016-05-22