研究概要

農林生態系における物質循環とそのモデル化に関する研究概念と目的

波多野 隆介
北海道大学大学院 農学院 環境資源学専攻
地域環境学講座 土壌学研究室

キーワード:農林生態系、物質循環、温室効果ガス、硝酸溶脱、河川流出

土壌植物系

地球表面では、エネルギーと物質が絶えず流入と流出を繰り返している。すなわち地球表層は、Fig. 1に示すように「開放系」であり、エネルギーも物質も通さない「断熱系」、エネルギーは通すが物質は通さない「閉鎖系」ではない。しかも、単にエネルギーと物質が素通りするのではなく、流入と流出の間にさまざまな秩序が作り出され、それとともに増大したエントロピーが排出される。すなわち「第2種開放系」である(例えば、エントロピーと秩序、1992)。陸域からのエントロピーは、蒸発や流出、あるいは揮散の過程に乗って水とともに低分子として排出され、降雨や降下物として再び陸域に戻るという「地球化学的物質循環」に組み込まれている。そして、この循環過程において、土壌植物系は水や物質を積極的に取り込み、光合成による有機物生産を通した秩序を作り出すとともに、蒸散や呼吸により積極的に物質を排出している。

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すなわち、土壌植物系では、Fig. 2に示すように、光合成、成長、腐植合成、粒団生成、物質集積などの秩序形成過程が、呼吸、枯死、有機物分解、粒団崩壊、溶脱などの秩序の崩壊散乱過程を伴なって生じ、見かけ上余ったエネルギーと物質はエントロピーとして系外に排出される(Addiscott, 1994)。このことは、地球化学的物質循環において土壌植物系は水と物質の流入と流出の速度を調整していることを意味している。

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土壌植物系における物質循環

土壌植物系における栄養塩の動態はFig. 3のように描くことができる(Seitzer and Nelson, 1972)。大気からの流入は降雨による湿性沈着物と塵による乾性降下物があり、土壌を通して系外へ溶脱する。この過程は「地球化学的過程」である。この流入と流出の間に、植物からの溶脱、落葉と落枝、リターの分解溶脱、根の脱落分解、土壌中での有機化、無機化、可給化、不可給化、植物吸収が生じており、これらは循環系になっている。この循環系は「生物地球化学的循環」と呼ばれる。すなわち土壌植物系は地球化学的過程において流入した物質を、生物の作用により異質なものに変え、系外に排出しており、地球化学的循環の質を修正していることになる。さらに植物体内では、吸収物質の代謝が生じ、成長に伴なう器官への分配と、枯死による器官間の移行という、「生物化学的過程」が生じている。

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土壌生成過程と物質循環

土壌は生物地球化学的循環過程において生じた歴史的自然物である(例えば、ペドロジー、1977)。すなわち、Fig. 4に示すように、光合成を起点として生じた有機物の蓄積とその分解と腐植化、腐植化過程で生じた各種酸による岩石の化学的風化の促進と、それに伴なう物質の溶脱と主に負荷電を有する微細な粘土鉱物の合成、さらに粘土鉱物は腐植物質と化合し有機無機複合体となり、それらは粗粒子間を架橋して粒団化を促し、土壌構造を作り出していく。その結果、形態的には表層には腐植を多く含むA層を、そしてその下には粘土鉱物を多く含み、物質の集積が顕著で土壌構造が発達したB層がみられるようになる。岩石由来の溶脱物質は主にケイ酸と塩基性陽イオンであり、地中へ浸透する水量と、粘土腐植複合体の荷電、対イオンとなる重炭酸イオンやその他陰イオン濃度に規定され、下層に集積したりさらに水圏へ溶脱する(例えば、最新土壌学、1997)。すなわち土壌からの浸出水が水圏の水質を決めている。同時に土壌はもともとの岩石に比べて、アルミニウムと鉄、および有機物含量が高まっていく。

有機物分解過程では、植物が高分子化合物に合成した栄養塩類、炭素、窒素が低分子化合物や金属イオンとして解放され、溶存態、ガス態となる。解放された栄養塩は、岩石由来のものとともに、土壌溶液に溶存し、植物吸収と溶脱集積過程に組み込まれていく。解放された炭素のほとんどは二酸化炭素あるいはメタンとして大気へ放出される。二酸化炭素は再び光合成過程により固定され、メタンは土壌に酸化吸収される。さらにこの二酸化炭素と根の呼吸により生じた二酸化炭素の一部は土壌溶液に溶存し、溶脱集積過程に組み込まれる。そのなかには有機酸も含まれている。また当初岩石に存在しない窒素は炭素と同様大気から取り込まれるが、アンモニアとして解放され、高pH条件では一部は大気に直接放出されるが、普通土壌溶液に溶存しアンモニウムイオンとなり、有機無機複合体の荷電に吸着される。アンモニウムはさらに硝酸化成を受け、硝酸イオンとなり、植物吸収と、溶脱集積過程へとりこまれる。その過程で亜酸化窒素ガスが放出される。また土壌の粒団内部などに嫌気的サイトが発達すると、硝酸は脱窒され、亜酸化窒素、窒素ガスとなって、大気へ放出される(例えば、土壌圏と大気圏、1994)。以上のように有機物へ合成された各種元素は、土壌生成過程において、微生物の作用で低分子化されて接地大気や土壌中に拡散し、植物吸収により再固定される生物地球化学的物質循環が成立するとともに、吸収量以上のものは、大気圏へ放出されたり、溶脱過程に組み込まれて水圏へと流出するのである。すなわち、この生物地球化学的物質循環を基軸とする土壌生成過程は、土壌の質を決定するのはもちろんのこと、大気圏と水圏の質も決定する過程であるということができる。

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人間生活を含む地域における物質循環

農業により生産された作物、家畜は食糧として地域に流通する。その生産のために肥料や堆肥、飼料が投入されており、栽培作物残渣や家畜糞尿は堆肥となったり、廃棄され、食糧の消費とともに、人からも屎尿やゴミが生じる。このことは地域における有機物のフローとして捉えることができる(松本・三輪・袴田、1990)。それとともに、元素は有機物に取り込まれたり、有機物から解放されて地域を循環する。窒素を中心にみると、この循環系はFig. 5のように描くことができる(三輪・岩本、1988;三輪・小川、1990)。

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Fig. 5は、先に述べた森林生態系も加えて、農地生態系、人間生活系が地域を構成しているとして示してある。森林生態系における窒素フローは、地球化学的物質循環により、大気から降雨や塵による湿性および乾性沈着物として生態系に与えられており、また一部は窒素固定されている。樹木から土壌へのリター還元と樹木の吸収を主体とした自己施肥的な循環系が成り立っている。吸収し残した窒素は溶脱されたり脱窒したりもしているであろう。一方、農地生態系においては、大気からの沈着物、窒素固定以上に、1970年以降の集約農業の確立により、多くの肥料、堆肥による窒素が土壌へ供給される。そのため、植物吸収で回収される量を越えて供給され、土壌中に残存した窒素は、土壌を肥沃にする場合もあるが、降雨により溶脱もされる。作物残渣の一部は堆肥化されて循環系に組み込まれるが、収穫部位は出荷されて人間生活系へ供給される。また作物残渣の一部や飼料作物、草は、家畜の飼料となる。家畜の飼料は地域外からも購入されている。家畜の排泄糞尿は堆肥化され、循環系に組み込まれるものと、廃棄されるものもある。農地生態系では、自然による窒素の持ち込み以外に、肥料と家畜飼料により窒素が持ち込まれている。持ち出しは、出荷と、廃棄、農地への蓄積から生じる溶脱、あるいは脱窒である。これらのうち、廃棄、溶脱は環境への負荷をもたらす要因となる。我が国では、人間生活系においては、地域近郊の農村からの供給と、生活系からの屎尿の農地への還元が成り立っていた時代もあるが(橋元、1977)、現在は食糧はほとんどが地域外から購入されており、屎尿はほとんどが処理場へ廃棄されており、循環は成立せず、環境への流出が必ず生じる系となっている(三輪・岩本、1988)。

人間活動による物質循環のゆがみ

窒素循環の変化:国連環境計画(UNEP)は窒素負荷を21世紀の重要な問題として位置付けている(GEO2000, 1999)。農林水産業は、その元素循環を高度に利用して営まれている。しかし、その生物生産過程と消費過程において環境負荷が顕在化している。生元素の環境での循環量が大きくなりすぎているのである。人間活動によって、植物の吸収できる窒素量が少なくとも2倍に増加し、現在では地球全体における固定窒素の供給のうち、自然プロセスによるよりも、人間活動によって供給される量の方が多くなっている(Vitousek, 1997)。窒素はアミノ酸から硝酸まで-3から+5までの酸化状態を取ることにより、あらゆる環境中に存在し、生物生存の最も重要な生元素である。Galloway and Cowling (2002)によれば1890年から1990年の100年の間に、化学肥料の出現とマメ科作物栽培の拡大、化石エネルギー燃焼によって、人為由来窒素の陸圏へのインプットは1500万tから1億4000万tに増加している。この間、自然のマメ科植物による陸域へのインプットは1億tから8900万tに減少しており、現在では地球全体における固定窒素の供給のうち、自然プロセスによるよりも、人間活動によって供給される量の方が多くなっている。人間活動によって、陸上植物の吸収できる窒素量は少なくとも2倍に増加していることになる。それに伴い陸圏から水圏への流出は500万tから2000万tに増え、大気圏-陸圏間のNHxの揮散と沈着、NOxの放出と沈着も著しく増加している。

人間起源の窒素全体の64%は無機窒素肥料である。世界全体の肥料使用量は1980年代後半よりは減少しているが、消費量は途上国でなお増加している。施用した窒素のうち植物に吸収されるのは半分以下で、残りは大気に逃げたり、地表水に溶けたり、地下水に溶け込んだりしている。マメ科作物の栽培が人為的窒素の25%、化石燃料の燃焼が約12%を占めている。その他のソースとしては、バイオマス燃焼、湿地の排水(土壌中の有機態窒素の放出)、林地の耕地への転換などが3%である(Vitousek, 1997)。窒素負荷の88%が食糧生産と消費に関わって生じている。

酸性化:森林生態系では大気からの流入が土壌植物系への主たるインプットである。森林生態系では、植物の生産を自然に依存しており、主に窒素が植物生育の制限となると考えられる。しかし、このことは相対的なことであって、大気から多くの窒素が供給されれば、土壌中に窒素は余るか、あるいは、土壌由来の他の元素が生育制限となる。酸性降下物は、酸の供給が、土壌の風化を促進し、塩基消費や溶脱が多くなり、土壌酸性を招き、溶出したアルミニウムイオンが植物生育を制限するといわれている(例えば、地球環境変動と農林業、1995)。それとともに、土壌から大気へ揮散したアンモニアが降雨に溶解して供給され、土壌中で硝酸化成を受けて酸を供給し、硝酸と塩基が吸収された後、土壌が酸性化することも知られている(van Breemen et al., 1987)。アンモニアは主に家畜糞尿から揮散するアルカリ物質であり、農業生態系が森林生態系に影響を与えている。そもそも、窒素は主要な植物生育制限要素である。降雨に溶解したアンモニウム態窒素の供給による土壌の酸性化は、土壌の風化による塩基の供給速度がおいつかなくなったために生じた相対的なものである。すなわち、植物は酸を出して岩石の化学的風化を促進し、土壌を生成するとともに、栄養塩を吸収しているが、窒素の添加により、塩基類の植物要求量が増し、風化による塩基供給速度が吸収速度より相対的に低下したことが原因であると考えることもできよう。

硝酸溶脱:土地利用型農業は、自然において、生物地球化学的物質循環の速度をコントロールして、有機物資源を多く得ようとするものであり、耕地において肥料を与え土壌も改良して、作物を生産している。この場合には、人は作物生育に必要な要素を要求量に見合う分、その都度与えることができる。したがって、植物は栄養塩を吸収し残すことがある。それらの残存栄養塩は、土壌から揮散したり、溶脱過程に組み込まれて大気圏、水圏へ流出していくことになり、環境へ負荷をかける。そのなかでも、硝酸態窒素は重要な植物栄養要素であるが、農地で蓄積しやすく、降雨とともに流出しやすい(例えば、硝酸性窒素による地下水汚染対策ハンドブック、1993)。高濃度では人体に影響があり、水質基準は10 mg N / Lとなっている(WHO)。北海道では、44市町村の9528箇所の井戸の611箇所(5.7%)で硝酸態窒素濃度が10 mg N / Lを越えたという(北海道,2002)

温室効果ガス発生:19世紀以降、産業の発展に伴い人類は石炭や石油などを大量に消費するようになり、大気中の二酸化炭素の量は200年前と比べ30%程増加している。気候変動に関する政府間パネル (IPCC, 2001)は、これからも人類が同じような活動を続けるとすれば、21世紀末には二酸化炭素濃度は現在の2倍以上となり、その結果、地球の平均気温は今より最大5.8度上昇し、それにより極地の氷が溶け出し最大80 cm海水面が上昇すると予測されている。経済協力開発機構(OECD, 2000)は1995年から1997年における温室効果ガス放出をCO2換算(CO2 equivalents)として報告したが、その全放出量は14,142百万トンであり、その82%がCO2、10%がCH4、7%がN2Oであるとした。CO2に関して農業部門の寄与率はわずか1%であるが、CH4とN2Oに関して農業部門はそれぞれ39%、60%と大きな寄与率を示している。

CH4に関しては、大気での増加量が37 Tg C、湿地などの自然生態系からの放出量が160 Tg C、水田や家畜などの人為発生源からの発生量が375 Tg C、大気圏でのOHラジカルによる吸収が490 Tg C、土壌による吸収が30 Tg Cと見積もられている(IPCC, 1996)。CH4は、還元条件下で生成され酸化条件下で消費されるため、土壌の酸化還元状態がCH4の生成と消費を決定づける(Mer and Roger, 2001)。また、森林の伐採が土壌のCH4吸収能を低下させ(Dobbie et al., 1996)、森林土壌や農耕地において施肥などによるアンモニアの添加が、土壌のCH4吸収能を低下させることが知られている(Steudler et al., 1989; Prime, 1997)。N2Oに関しては、大気での増加量は、3-4.5 Tg N、海洋や熱帯林などの自然生態系からの放出量が4.2-10.6 Tg N、農耕地などの人為的発生源からは0.93-5.8 Tg Nの放出、成層圏で7-13 Tg Nが分解されていると見積もられている(IPCC, 1996)。現時点でも農耕地の寄与は大きく、さらに投入する窒素のインプット量の増大によって大きくなることが予想されている(Bouwman, 1990)。このように陸域生態系は温室効果ガスの主要な放出源や吸収源になっており、人類の生態系へ対する様々なインパクトがその動態を大きく変えると思われる。

CO2に関しては、1990年代の地球全体の収支は化石エネルギー消費とセメント製造により毎年6.3±0.6 Gt C y-1が大気に放出され、そのうち毎年3.3±0.2 Gt C y-1づつ大気に貯留され、2.3±0.8GtC y-1が海に吸収され、これらの差し引きから0.7±1.0 Gt C y-1が陸域に蓄積されていると見積もられている(IPCC, 2000)。この大気貯留速度は1980年代と変わらないが、化石エネルギ消費量は0.8 Gt C y-1増加しており、その増加分は、海への吸収を0.3 Gt C y-1増加させ、陸域への貯留を0.5 Gt C y-1増加させている。Hougton(1999)、Hougtonら(1999)、Hougtonら.(2000)は土地利用や土地利用の変化による陸域からの炭素放出を見積もり、1990年代には1.6±0.8 Gt C y-1、80年代には1.7±0.8 Gt C y-1とほとんど変化していない。すなわち、陸域の貯留量が0.7 Gt C y-1となるためには、この土地利用や土地利用変化による炭素放出量を加えた2.3 Gt C y-1が真に陸域に吸収されていることになる。この海の二酸化炭素吸収に匹敵する量の陸域吸収は、森林による二酸化炭素吸収効果であると考えられている。しかも、この陸域吸収は1980年代から0.4 Gt C y-1増加している。このことからも、森林が大気の二酸化炭素濃度の上昇による施肥効果をうけ、さらに窒素降下物の増加(Vitousek et al., 1997)も森林の生育を促進しているとも考えられている。

物質循環研究へのアプローチ

土壌植物系における物質循環は、生物活動の大きさにより、さまざまに変化すると考えられる。Fig. 4にも見たように、土壌植物系は、物質変換を伴ないながら物質の流出入が生じる、第2種開放系であった。メタン、二酸化炭素、亜酸化窒素のような地球温暖化ガスを始めとするさまざまなガスの大気との交換、栄養塩の水圏への流出が常時生じている。そのことが、土壌の質を維持し、大気の質、水質に恒常性をもたせてきたと考えられる。しかし、このことが土壌植物系における物質循環において成立しているという認識には至っていないのではなかろうか。経済協力開発機構(OECD)における「農業と環境」の指標化において、土壌の質が取り上げられようとしている(環境保全と農林業、1998)。そこでは土壌の脆弱性を評価しようとしており、人間活動を多く受け入れることができる土壌が資質の高い土壌であることを前提にしている。

1994年国際土壌学会は土壌の質の問題を提起している。それを受けて合衆国土壌学会(SSSA)は土壌の質を「自然あるいは圃場において植物と動物を持続的に生産し、水質を維持しさらに浄化し、人類の健康と生物の生存を支える機能を生み出す能力」と定義し(SSSA, 1995)、さらに研究を要する問題であることを認めるに至った。1997年には「さまざまなスケールからみた土壌の質と水質」について国際ワークショップが開催されている(Finke et al., 1998)。

研究の目的

我々が行なう研究は、土壌植物系における生物地球化学的物質循環に関連して生じる可能性がある環境問題を理解し、解決するための基礎研究である。地域においては、農地生態系の一部と人間生活系からの窒素を始めとする栄養塩の流出が生じやすいと予想され、その機構を調査する。酸性雨の自然生態系への影響を知るため、汚染源になっていない森林生態系における物質循環に関する基礎データを集める。地球温暖化など地球環境への負荷物質である二酸化炭素、メタン、亜酸化窒素のような物質のさまざまな生態系における動態を把握する。また、それらを行うためには、計測と見積もり方法の検討が必要である。物質循環の観点にたてば、定量的計測が要求される。また環境の質の観点にたてば、濃度データは極めて重要である。汚染源の特定のためには、空間的に多点数を集める必要がある。さらに汚染時期の特定のためには、時系列でデータを得なければならない。それらを可能な限り簡単なモデルにより表現する必要がある。

本研究は、以下の項目を把握することを目的とする

  1. 森林生態系への窒素降下物の影響評価
  2. 森林生態系における温室効果ガス(亜酸化窒素、メタン、二酸化炭素)の動態
  3. 農地生態系における硝酸溶脱
  4. 河川への栄養塩流出
  5. 農地生態系における温室効果ガス(亜酸化窒素、メタン、二酸化炭素)の放出
  6. 食糧の生産と消費にともなう地域の窒素循環
  7. 統合モデルの構築

参考文献

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