土壌炭素

土壌炭素は、地球全体の土壌に蓄えられた固体炭素です。これには、土壌有機物と炭酸塩鉱物としての無機炭素の両方が含まれます。これは、私たちの生態系における土壌の容量にとって不可欠です。土壌炭素は、地球規模の炭素循環に関する炭素吸収源であり、生物地球化学、気候変動の緩和、および地球規模の気候モデルの構築に役割を果たしています。微生物は、土壌中の炭素を分解する上で重要な役割を果たしています。気温の上昇によるそれらの活動の変化は、気候変動に影響を与え、さらには寄与する可能性があります。^[1]人間の活動は、土壌有機炭素の大規模な損失を引き起こしました。たとえば、人為的な火災は土壌の表層を破壊し、土壌を過度の酸化にさらします。

土壌炭素は、無機と有機の2つの形態で存在します。土壌無機炭素は、母材の風化、または土壌鉱物と大気中のCO ₂との反応によって生じた鉱物形態の炭素で構成されています。炭酸塩鉱物は、砂漠気候における土壌炭素の主な形態です。土壌有機炭素は、土壌有機物として存在します。これには、新鮮な植物残骸などの比較的利用可能な炭素と、植物残骸に由来する物質（腐植土や木炭）に含まれる比較的不活性な炭素が含まれます。^[2]土壌炭素は陸生生物にとって重要であり、最も重要な炭素プールの1つであり、炭素の大部分は森林に蓄えられています。^[3]生物的要因には、固定炭素の光合成による同化、バイオマスの分解、および土壌生物の多様なコミュニティの活動が含まれます。^[4]気候、景観ダイナミクス、火災、鉱物学は、重要な非生物的要因の一部です。人為的要因により、土壌炭素の分布はますます変化しています。工業的窒素固定、農業慣行、土地利用およびその他の管理慣行は、土壌炭素を変化させた人為的活動の一部です。^[5]

土壌炭素の分布と蓄積は、生物的、非生物的、人為的要因の影響を受ける複雑で動的なプロセスから生じます。^[6]正確な量を測定することは困難ですが、土壌炭素は土地利用の変化、森林伐採、農業慣行によって失われています。^[7]多くの環境要因が陸上生態系に貯蔵される炭素の総量に影響を与えますが、一般的に、一次生産と分解が陸上に貯蔵される炭素の総量のバランスをとる主な要因です。^[8]大気中のCO2_は光合成生物によって吸収され、陸上生態系に有機物として貯蔵されます。^[9]

正確な量を計測することは困難ですが、人間の活動により土壌有機炭素は大幅に減少しています。^[10]世界中の土壌に蓄えられている2,700 Gtの炭素のうち、1550 GtCは有機炭素、950 GtCは無機炭素で、これは現在の大気中の炭素の約3倍、現在の化石燃料による年間排出量の240倍に相当します。^[11]土壌炭素の残りは泥炭と湿地（150 GtC）と土壌表面の植物の落ち葉（50 GtC）に蓄えられています。これは大気中の780 GtC 、すべての生物に含まれる600 GtCに相当します。海洋の炭素プールは38,200 GtCを占めています。

約60 GtC/年が土壌に蓄積されます。この60 GtC/年は、陸上植物の光合成によって大気から取り込まれる120 GtC/年のうち、植物の呼吸による60 GtC/年を差し引いた残りです。同等の60 GtC/年が土壌から呼吸され、60 GtC/年の植物呼吸と合わせて大気中に戻ります。^{[12] [13]}

気候変動は、土壌の形成だけでなく、土壌の化学的・物理的性質の発達においても主要な要因である。したがって、気候の変化は、まだ完全には理解されていない多くの方法で土壌に影響を及ぼし、肥沃度、塩分、水分、温度、SOC、隔離、凝集などの変化が予測されている。^[14] 1996年に、土壌の物理的変化を定量化するために、最小制限水域（LLWR）が作成されました。この指標は、利用可能な水容量、土壌構造、空気中の多孔性、土壌強度、および酸素拡散速度の変化を測定します。^[14] LLWRの変化は生態系を変えることが知られていますが、その容量は地域ごとに異なります。たとえば、気温が急激に変化しやすい極地では、永久凍土が溶けてより多くの土地が露出し、植物の成長率が高まり、最終的には炭素吸収が高まります。^{[15] [16]}対照的に、熱帯環境では土壌の団粒レベルが気温の上昇とともに低下するため、土壌の質が悪化します。

土壌には炭素隔離能力もあり、二酸化炭素は植物の吸収によって土壌に固定されます。^{[17]これは地中の}土壌有機物（SOM）の大部分を占め、土壌の最初の数メートルだけで炭素の大きな貯蔵プール（約1500 Pg）を形成し、その有機炭素の20〜40％は100年を超える滞留寿命を持っています。

土壌有機炭素は、生きている土壌生物と、バイオマスに由来する死んだ生物物質に分けられます。これらが一緒になって土壌食物網を構成し、生きている要素は生物物質要素によって維持されています。土壌生物には、ミミズ、線虫、原生動物、菌類、細菌、さまざまな節足動物が含まれます。

植物の老化によって生じた残骸は、土壌有機炭素の主な供給源です。細胞壁にセルロースとリグニンを多く含む植物材料は分解され、呼吸されなかった炭素は腐植として保持されます。セルロースとデンプンは容易に分解されるため、滞留時間は短くなります。より持続性のある有機炭素には、リグニン、腐植、土壌団粒に包まれた有機物、木炭などがあります。これらは変質しにくく、滞留時間が長くなります。

土壌有機炭素は表土に集中する傾向があります。ほとんどの高地土壌の表土の有機炭素含有量は 0.5% ～ 3.0%です。有機炭素含有量が 0.5% 未満の土壌は、主に砂漠地帯に限られます。有機炭素含有量が 12 ～ 18% を超える土壌は、一般に有機土壌に分類されます。湿地生態系、洪水堆積、火災生態系、および人間の活動を支える土壌では、高レベルの有機炭素が発生します。

火災由来の炭素は、ほとんどの土壌に未風化木炭や風化した黒色炭素として存在します。^{[20] [21]}土壌有機炭素は通常5～50%が木炭に由来し、^[22]モリソル、チェルノーゼム、テラプレタ土壌では50%を超えるレベルにまで達します。^[23]

根の分泌物は土壌炭素のもう一つの供給源です。^{[24]光合成中に固定された植物の総炭素の5～20％は、}根圏の共生生物を支える根の分泌物として供給されます。^{[25] [26]微生物の個体数は、通常、隣接する}土壌全体よりも根圏で多くなります。

砂質土の土壌有機炭素（SOC）濃度は土壌の嵩密度に影響を及ぼし、SOCが増加すると嵩密度は減少します。^[27]嵩密度はSOC貯蔵量を計算するために重要であり^[28]、SOC濃度が高いほどSOC貯蔵量が増加しますが、嵩密度の低下によりその影響はいくらか軽減されます。土壌有機炭素は、砂質土の土壌肥沃度の指標である陽イオン交換容量（CEC）を増加させました。砂質土ではpHが高いほどSOCが高くなりました。^{[29] は}、CECの変動の最大76％がSOCによって引き起こされ、CECの変動の最大95％がSOCとpHに起因することを発見しました。土壌有機物と比表面積はCECの変動の97％を占めることが示されており、粘土含有量は58％を占めています。^[30]土壌有機炭素は、シルトと粘土含有量の増加に伴って増加しました。シルトと粘土のサイズ分率は、土壌団粒内のSOCを保護する能力を持っています。^[31]有機物が分解すると、有機物はシルトや粘土と結合して団粒を形成します。^[32]土壌有機炭素は、砂粒よりもシルトや粘土粒の方が多く、一般的に粘土粒が最も多くなります。^[33]

有機炭素は、土壌 生態系サービスを提供する土壌の能力にとって不可欠です。この能力の状態は土壌の健全性と呼ばれ、これは土壌を非生物的要素ではなく生きたシステムとして理解することの価値を伝える用語です。土壌の健全性を評価するために使用される特定の炭素関連のベンチマークには、 _CO2放出、腐植レベル、微生物の代謝活動 などがあります。

土壌と大気の間の炭素の交換は、世界の炭素循環の重要な部分です。^[34]土壌の有機物に関連する炭素は、土壌と集水域の健康の主要な構成要素です。土壌有機物と土壌炭素の変動にはいくつかの要因が影響しますが、現代において最も重要なのは、人間と農業システムの影響です。

正確な量を測ることは難しいが、人間の活動は土壌有機炭素の膨大な損失を引き起こしている。^{[10]まず第一に}火の使用であり、これにより土壌被覆が除去され、土壌有機炭素の即時かつ継続的な損失につながる。耕作と排水はどちらも土壌有機物を酸素と酸化にさらす。オランダ、イースト・アングリア、フロリダ、カリフォルニア・デルタでは、耕作と排水の結果、泥炭地の酸化による沈下が深刻であった。土壌を露出させる放牧管理（回復期間が長すぎるか不十分なため）も土壌有機炭素の損失を引き起こす可能性がある。

土壌炭素の自然な変動は、気候、生物、母材、時間、地形の結果として発生します。 ^[35]現代の最大の影響は人間のものです。たとえば、オーストラリアの 農業土壌の炭素は、歴史的には現在の範囲である1.6～4.6%の2倍であった可能性があります。^[36]

農家は長い間、土壌中の有機成分を維持または増加させるために慣行を調整することが推奨されてきた。一方では、炭素の酸化を促進する慣行（作物の刈り株の焼却や過耕作など）は推奨されず、他方では、有機物の混合（肥料など）が推奨されてきた。土壌炭素の増加は単純な問題ではなく、土壌生物の相対的な活動によって複雑になる。土壌生物は炭素を消費および放出することができ、窒素肥料 の添加によってさらに活発になる。^[35]

ヨーロッパの土壌の有機炭素/物質含有量に関する最も均質で包括的なデータは、土地被覆、気候、地形に関する関連データベースと組み合わせてヨーロッパ土壌データベースから抽出および/または導出できるデータです。モデル化されたデータは、ヨーロッパの土壌の表層における炭素含有量 (%) を示します。利用可能な国家データセットのインベントリでは、欧州連合の 7 つの加盟国が有機炭素に関するデータセットを利用できます。記事「ヨーロッパのネットワークを通じて収集されたデータに基づくヨーロッパの土壌有機炭素の推定」( Ecological Indicators 24、^[37] pp. 439–450) では、国家データとモデル化されたデータの比較が行われています。LUCAS 土壌有機炭素データは測定された調査地点であり、地域レベルでの集計結果^[38]は重要な知見を示しています。最後に、農業用土壌の土壌有機炭素を推定するための新しいモデル提案では、EU の農業用土壌の現在の最大 SOC ストックが 17.63 Gt ^[39]と推定されています。このモデリングフレームワークは、土壌侵食の要素を統合して横方向の炭素フラックスを推定することで更新されました。^[40]

土壌炭素に関する最近の文献の多くは、気候変動を相殺する大気中の炭素吸収源としての役割、または可能性に関するものです。この強調にもかかわらず、土壌炭素が増加すると、土壌と集水域の健康状態のより広範な側面が改善されます。これらの利点は、天然資源システムの複雑さと土壌の健康を構成するものの解釈のために定量化するのが困難ですが、次の点でいくつかの利点が提案されています。

• 侵食や堆積の減少: 土壌団粒の安定性が高まると、侵食に対する抵抗力が高まります。土壌が高水分レベルでも構造強度を維持できる場合、土砂移動は起こりにくくなります。
• 生産性の向上: より健全で生産性の高い土壌は、社会経済状況の改善に貢献します。
• よりきれいな水路、栄養素、濁度: 栄養素と堆積物は、浸出したり洗い流されたりするのではなく、土壌に保持される傾向があるため、水路から排除されます。
• 水バランス: 土壌の保水能力が高まると、地表への流出と地下水への補給が減り、土壌に蓄えられた水は植物が利用できる状態になります。
• _{気候変動: 土壌には、大気中のCO2として存在し、}地球温暖化に寄与する可能性のある炭素を保持する能力があります。
• 生物多様性の向上: 土壌有機物は土壌植物の健全性に貢献し、その結果、より広範な生物圏における生物多様性との自然なつながりに貢献します。

森林土壌は、大きな炭素プールを構成しています。森林破壊などの人為的活動は、このプールからの炭素の放出を引き起こし、大気中の温室効果ガス（GHG）濃度を大幅に増加させる可能性があります。^[41]国連気候変動枠組条約（UNFCCC）の下では、気候変動に関する政府間パネルの適正実施指針に従って、各国は、5つのプール（地上および地下のバイオマス、枯れ木、リター、土壌炭素）すべての炭素貯蔵量の変化、および土地利用、土地利用の変化、林業活動に関連する排出量と除去量を含む、GHG排出量と除去量を推定し、報告する必要があります。^{[42] [43]}熱帯の森林破壊は、世界全体の人為的GHG排出量の約25％を占めています。^[44]森林破壊、森林劣化、土地管理慣行の変化は、土壌から大気への炭素の放出を引き起こす可能性があります。これらの理由から、森林破壊と森林劣化による排出量の削減と UNFCCC に基づく GHG 報告には、 土壌有機炭素貯蔵量と貯蔵量の変化に関する信頼性の高い推定値が必要です。

タンザニア政府は、国連食糧農業機関^{[45]および}フィンランド政府の財政支援と協力し、調査とモデリングに基づく方法の両方を用いて土壌炭素貯蔵量を推定する森林土壌炭素モニタリングプログラム^[46]を実施している。

西アフリカでは、土壌有機炭素を多く含む森林が大幅に減少している。^{[47] [48]}これは主に、焼却による土地開拓を利用した小規模で機械化されていない農業の拡大によるものである^[49]

• バイオチャー
• 生体隔離
• 炭素循環
• カーボンファーミング
• 炭素隔離
• 粗い木質残骸
• 菌根菌と土壌炭素貯蔵
• 土壌再生と気候変動