湿地からの温室効果ガス排出

湿地は土壌や植物からの排出を通じて大気中のメタンの約20～30％を占めている。^{[ 15 ]}

亜酸化窒素は、二酸化炭素の 300 倍の地球温暖化係数を持つ温室効果ガスであり、 21 世紀に排出されるオゾン層破壊物質の主要因です。 ^{[ 10 ]}主に人為的発生源からの過剰な栄養素は、脱窒および硝化プロセスを通じて湿地土壌からの N2O フラックスを_大幅に増加させることが示されています(下の表を参照)。^{[ 16 ] [ 8 ] [ 17 ]}ニューイングランドの塩性湿地の潮間帯での研究では、過剰な栄養素レベルは N2O を隔離するのではなく、N2O の排出量を増加させる可能性があることが示されまし_た。^{[ 16 ]}

南半球の湿地からの亜酸化窒素フラックスに関するデータは不足しており、堆積物の生物地球化学を変化させる優占生物の役割を含む生態系ベースの研究も不足している。水生無脊椎動物は、潮下帯の堆積物と水柱内に生息する脱窒細菌を摂取することにより、生態学的に重要な亜酸化窒素を放出するため^{[ 18 ]}、一部の湿地における亜酸化窒素の生成にも影響を与えている可能性がある。

^aフラックス率は単位面積あたりの時間当たりのフラックスとして示されています。正のフラックスは土壌から空気へのフラックスを意味し、負のフラックスは空気から土壌へのフラックスを意味します。 ^{[ 33 ]}負の N₂O フラックスは一般的であり、土壌による消費が原因です。 ^{[ 34 ]}

発酵は、特定の種類の微生物が必須栄養素を分解するために用いるプロセスです。酢酸分解メタン生成と呼ばれるプロセスでは、古細菌の分類ドメインに属する微生物が、酢酸と_H₂ - _CO₂を発酵させてメタンと二酸化炭素を生成します。

H ₃ C-COOH → CH ₄ + CO ₂

湿地の種類や古細菌の種類によっては、メタンを生成する別のプロセスである水素資化性メタン生成も起こり得る。このプロセスは、古細菌が二酸化炭素を用いて水素を酸化し、メタンと水を生成することによって起こる。

4H₂ + _CO₂ → _CH₄ + _2H₂O​​

土壌プロファイルを通じた拡散とは、メタンが土壌や水域を通って大気中へ移動する過程を指します。拡散経路の重要性は、土壌や植生の種類によって湿地ごとに異なります。^{[ 41 ]}例えば、泥炭地では、死んでいるが腐敗していない有機物の量が多すぎるため、土壌を通じたメタンの拡散は比較的遅くなります。^{[ 42 ]}さらに、メタンは水よりも土壌中を速く移動できるため、乾燥していて土壌の締まりが緩い湿地では拡散がより大きな役割を果たします。

植物の通気組織とは、特定の種類の植物の組織内にある導管状の輸送管を指します。通気組織を持つ植物は、ガスが植物の根と直接行き来できる多孔質の組織を持っています。メタンはこの輸送システムを使用して土壌から大気中へ直接上昇することができます。^{[ 42 ]}通気組織によって作られる直接的な「シャント」により、メタンは植物によって根に運ばれる酸素による酸化を回避できます。

気泡放出とは、メタンガスの泡が突然空気中に放出される現象を指します。これらの泡は、土壌中にメタンガスが蓄積され、メタンガスのポケットが形成されることによって発生します。閉じ込められたメタンのポケットが大きくなるにつれて、土壌のレベルも徐々に上昇します。この現象は、圧力が上昇し、泡が破裂するまで続きます。破裂すると、メタンガスは土壌中を非常に速い速度で上昇するため、土壌中のメタン酸化細菌によって消費される時間がありません。このガスの放出に伴い、土壌のレベルは再び低下します。

湿地での沸騰は、土壌内の圧力ポケットの存在を検出できるピエゾメーターと呼ばれる繊細なセンサーで記録できます。水頭も、圧力の蓄積と解放の結果として土壌がわずかに上昇および下降するのを検出するために使用されます。ピエゾメーターと水頭を使用して、米国北部の泥炭地で沸騰がメタンの発生源として重要であるかどうかを判断する研究が行われました。沸騰が米国北部の泥炭地におけるメタン排出の重要な発生源であることが判明しただけでなく、大雨の後に圧力が上昇することも観察され、降雨が湿地でのメタン排出に直接関係していることが示唆されました。^{[ 44 ]}

まず考慮すべき制御因子は、地下水位です。水たまりや地下水位の位置は、メタンの生成や酸化が起こる可能性のある領域を決定するだけでなく、メタンが空気中に拡散する速度も決定します。メタン分子が水中を移動する場合、高速で移動する水分子に衝突するため、表面に到達するまでに時間がかかります。しかし、土壌中を移動する方がはるかに容易で、大気中への拡散も容易になります。この移動理論は、干ばつによる地下水位の低下後にメタンが大幅に増加した湿地での観察によって裏付けられています。^{[ 12 ]}地下水位が地表と同じかそれより高い場合、メタンの輸送は主に気泡放出と維管束または加圧された植物を介した輸送によって始まり、加圧換気を使用する植物から日中に高レベルの放出が発生します。^{[ 12 ]}

温度も考慮すべき重要な要素であり、環境温度、特に土壌温度は、細菌による生産または消費の代謝速度に影響を与えます。さらに、メタンのフラックスは季節とともに毎年発生するため、温度変化と地下水位が連携して季節サイクルを引き起こし、制御していることを示唆する証拠が提供されています。^{[ 45 ]}

土壌の組成と基質の利用可能性は、メタン生成菌とメタン酸化菌が利用できる栄養素を変化させ、メタンの生成と消費の速度に直接影響します。たとえば、酢酸または水素と二酸化炭素のレベルが高い湿地の土壌は、メタン生成に適しています。さらに、植物の種類と植物の分解量は、細菌が利用できる栄養素と酸性度に影響します。ミズゴケのフェノール化合物などの植物浸出物も、土壌特性と相互作用してメタンの生成と消費に影響を与える可能性があります。^{[ 46 ]}セルロースの一定の利用可能性と土壌pHが約6.0であることが、メタンの生成と消費に最適な条件を提供すると決定されていますが、基質の質は他の要因によって覆される可能性があります。^{[ 12 ]}土壌のpHと組成は、地下水位と温度の影響と比較する必要があります。

生態系純生産量（NEP）と気候変動は、湿地からのメタン排出量と直接的な関係があることが示されている包括的な要因です。地下水位の高い湿地では、NEPはメタン排出量に応じて増減することが示されていますが、これはおそらくNEPとメタン排出量の両方が基質利用可能性と土壌組成によって変動するためです。地下水位の低い湿地では、土壌への酸素の出入りによってメタンの酸化とメタン生成の阻害が促進され、メタン生成が土壌深部の要因に依存するようになるため、メタン排出量とNEPの関係は無効になります。

気候変動は、湿地内の地下水位、気温、植物構成など、生態系内の多くの要因に影響を与え、これらはすべてメタン排出量に影響を与える要因です。しかし、気候変動は周囲の大気中の二酸化炭素量にも影響を与える可能性があり、その結果、大気へのメタンの流入が減少します。二酸化炭素濃度が2倍になった地域では、メタンフラックスが80%減少することが示されています。^{[ 12 ]}

人間は開発、住宅建設、農業の名のもとに湿地を干拓することが多い。湿地を干拓すると地下水位が低下し、土壌中のメタン酸化細菌によるメタンの消費が増加する。^{[ 12 ]}しかし、干拓の結果、水で飽和した溝が形成され、温暖で湿潤な環境のため、大量のメタンが放出されることになる。^{[ 12 ]}したがって、メタン放出への実際の影響は、いくつかの要因に大きく左右される。排水路の間隔が十分に広くない場合、飽和した溝が形成され、ミニ湿地環境が作られる。さらに、地下水位が十分に低下すると、湿地はメタンの発生源からメタンを消費するシンクへと変化する可能性がある。最後に、元の湿地の実際の構成によって、干拓や人間の開発が周辺環境に与える影響が変わる。