Loading article…
土壌呼吸とは、土壌生物が呼吸する際に二酸化炭素が生成される現象を指します。これには、植物の根、根圏、微生物、動物の呼吸が含まれます。
土壌呼吸は、土壌から二酸化炭素（CO₂ ）の形で炭素を放出する重要な生態系プロセスです。CO₂は植物によって大気から取り込まれ、光合成の過程で有機化合物に変換されます。植物はこれらの有機化合物を利用して構造要素を構築したり、呼吸によってエネルギーを放出したりします。植物の呼吸が地下の根で起こると、土壌呼吸に加わります。時間が経つにつれて、植物の構造要素は従属栄養生物によって消費されます。この従属栄養生物による消費によってCO₂が放出され、このCO₂が地下の生物によって放出されると、土壌呼吸とみなされます。
生態系における土壌呼吸の量は、いくつかの要因によって制御されます。土壌の温度、水分、栄養分含有量、酸素濃度によって、呼吸速度は大きく異なります。これらの呼吸速度は、さまざまな方法で測定できます。また、呼吸される植物構造の構成要素、この場合は光合成経路の種類（ C3 / C4）を分離するために、他の方法を用いることもできます。土壌呼吸は、凝集体内の酸素勾配によって小さな無酸素微小領域が形成され、そこで嫌気性代謝が優勢になるため、空間的に変化する可能性があります。
土壌呼吸速度は、人間の活動によって大きく影響を受ける可能性があります。これは、人間が土壌呼吸の様々な制御因子を変化させる能力を持ち、長年にわたって実際に変化させてきたためです。地球規模の気候変動は、大気中の二酸化炭素濃度の上昇、気温の上昇、降水パターンの変化など、数多くの変化要因から成り立っています。これらの要因はすべて、地球全体の土壌呼吸速度に影響を与える可能性があります。人間による窒素施肥の増加も、地球全体の土壌呼吸速度に影響を与える可能性があります。
土壌呼吸とその生態系全体における速度を理解することは極めて重要です。なぜなら、土壌呼吸は地球規模の炭素循環だけでなく、他の栄養循環においても大きな役割を果たしているからです。植物組織の呼吸は、二酸化炭素だけでなく、窒素などの他の栄養素も放出します。土壌呼吸は、地球規模の気候変動との正のフィードバックにも関連しています。正のフィードバックとは、システムの変化が、その変化と同じ方向の反応を生み出す現象です。したがって、土壌呼吸速度は気候変動の影響を受け、気候変動を増幅させることで反応する可能性があります。
細胞呼吸はすべて、有機化合物からエネルギー、水、二酸化炭素を放出します。地下で起こる呼吸はすべて土壌呼吸とみなされます。植物の根、細菌、菌類、土壌動物による呼吸はすべて、以下に説明するように土壌中に二酸化炭素を放出します。
トリカルボン酸（TCA）回路、またはクエン酸回路は、細胞呼吸の重要なステップです。TCA回路では、6炭糖が酸化されます。[ 1 ]この酸化により、糖からCO2とH2Oが生成されます。植物、菌類、動物、細菌はすべて、この回路を使用して有機化合物をエネルギーに変換します。これが、土壌呼吸の大部分が最も基本的なレベルで行われる方法です。このプロセスは酸素を必要とするため、好気呼吸と呼ばれます。
発酵は、細胞が有機化合物からエネルギーを得るもう 1 つのプロセスです。この代謝経路では、酸素を使用せずに炭素化合物からエネルギーが得られます。この反応の生成物は二酸化炭素と、通常はエチルアルコールまたは乳酸です。[ 2 ]酸素がないため、この経路は嫌気呼吸と呼ばれます。これは、泥炭湿原や湿地のように酸素が乏しい水浸しの生態系における土壌呼吸のCO2の重要な供給源です。しかし、土壌から放出される CO2 のほとんどは呼吸によって発生し、地下呼吸の最も重要な側面の 1 つは植物の根で発生します。
植物は光合成によって生成された炭素化合物の一部を呼吸によって放出します。この呼吸が根で起こると、土壌呼吸に加わります。根の呼吸は土壌呼吸全体の約半分を占めます。ただし、この値は生態系における優占植物の種類や植物が置かれている条件によって10～90%の範囲で変動します。したがって、根の呼吸によって生成されるCO2の量は、根のバイオマスと特定の根の呼吸速度によって決まります。 [ 3 ]根のすぐ隣には根圏と呼ばれる領域があり、これも土壌呼吸において重要な役割を果たします。
根圏は、根の表面と隣接する土壌のすぐ隣にある領域です。この領域では、植物と微生物が密接に相互作用しています。根は、物質、つまり根分泌物を土壌に継続的に放出します。これらの根分泌物には、糖、アミノ酸、ビタミン、長鎖炭水化物、酵素、根細胞が破壊されたときに放出される溶解物が含まれます。根分泌物として失われる炭素の量は、植物種によって大きく異なります。光合成によって獲得された炭素の最大20%が根分泌物として土壌に放出されることが実証されています。[ 4 ]これらの根分泌物は主に細菌によって分解されます。これらの細菌は、TCAサイクルを介して炭素化合物を呼吸しますが、発酵も存在します。これは、根がバルク土壌（根から遠い土壌）と比較して酸素を多く消費するため、酸素が不足しているためです。[ 5 ]根圏のもう1つの重要な生物は、根に感染する菌類または菌根菌です。これらの菌類は植物の根の表面積を増やし、根が植物の成長に必要な土壌栄養素をより多く吸収できるようにします。この恩恵の見返りとして、植物は菌類に糖を移します。菌類はこれらの糖を呼吸してエネルギーを得るため、土壌呼吸が増加します。[ 6 ]菌類は、細菌や土壌動物とともに、落葉や土壌有機物の分解にも大きな役割を果たします。
土壌動物は、細菌や菌類を摂食するだけでなく、落葉を摂取して分解し、土壌呼吸を増加させます。微小動物は、最も小さな土壌動物で構成されています。これには、線虫やダニが含まれます。このグループは、土壌細菌や菌類を専門に食べます。これらの生物を摂取することで、もともと植物有機化合物に含まれ、細菌や菌類の構造に組み込まれた炭素が、土壌動物によって呼吸されます。中型動物は、長さが0.1 ～ 2 ミリメートル (0.0039 ～ 0.0787インチ)の土壌動物で、土壌の落葉を摂取します。糞はより多くの水分を保持し、表面積が大きくなります。これにより、微生物による新たな攻撃が可能になり、土壌呼吸が増加します。大型動物は、ミミズやシロアリなど、2 ～ 20 ミリメートル (0.079 ～ 0.787インチ)の生物です。ほとんどの大型動物は落葉を断片化し、それによって微生物の攻撃にさらされる面積を拡大します。他の大型動物は落葉に穴を掘ったり、落葉を食べたりして、土壌の嵩密度を下げ、土壌団粒を破壊し、土壌の通気性と水の浸透性を高めます。[ 7 ]
土壌中の二酸化炭素生成の調節は、様々な非生物的要因、すなわち非生物的要因によって行われる。温度、土壌水分、窒素はすべて、土壌呼吸速度に影響を与える。
温度は呼吸プロセスのほぼすべての側面に影響します。温度は呼吸を指数関数的に増加させ、最大値に達すると、酵素活性が中断されたときに呼吸はゼロに減少します。根の呼吸は、呼吸速度が主にTCAサイクルによって制限される低温域では、温度とともに指数関数的に増加します。高温では、糖と代謝産物の輸送が制限要因になります。35 °C (95 °F) を超える温度では、根の呼吸は完全に停止し始めます。[ 8 ]微生物は、低温性、中温性、高温性の3 つの温度グループに分けられます。低温性微生物は20 °C (68 °F)未満の温度で最適に機能し、中温性微生物は 20 ～ 40 °C (104 °F)の温度で最もよく機能し、高温性微生物は40 °C (104 °F)を超える温度で最適に機能します。自然の土壌には、さまざまなコホート、つまり微生物のグループが存在します。これらのコホートはそれぞれ異なる条件下で最もよく機能するため、呼吸は非常に広い範囲で起こる可能性があります。[ 9 ]温度の上昇は土壌呼吸の速度を増大させますが、高い値になると微生物の機能が阻害されます。これは土壌水分レベルで見られるのと同じパターンです。
土壌水分は、土壌呼吸に影響を与えるもう 1 つの重要な要因です。土壌呼吸は乾燥状態では低く、中程度の水分レベルで最大まで増加し、水分含有量が酸素を排除すると減少し始めます。これにより、嫌気性条件が優勢になり、好気性微生物の活動が抑制されます。研究によると、土壌水分は、ほとんどの生態系において、中程度の土壌水分レベルで大きなプラトーが存在するため、最低および最高の条件下でのみ呼吸を制限することが示されています。[ 10 ]多くの微生物は、土壌水分が低い条件下で成長および生存するための戦略を持っています。土壌水分が高い条件下では、多くの細菌が水を過剰に吸収し、細胞膜が溶解または破壊されます。これにより、土壌呼吸の速度が一時的に低下する可能性がありますが、細菌の溶解により、他の多くの細菌のリソースが急増します。利用可能な不安定な基質のこの急速な増加により、短期的に土壌呼吸が促進されます。根の呼吸は、特に乾燥した生態系では、土壌水分の増加とともに増加します。ただし、個々の種の根の呼吸の土壌水分に対する反応は、生活史特性に応じて種ごとに大きく異なります。土壌水分量が多いと、大気中の酸素へのアクセスが制限されるため、根の呼吸が抑制されます。根の通気のための特別なメカニズムを発達させた湿地植物を除いて、ほとんどの植物は酸素の少ない湿地土壌環境に適応していません。[ 11 ]土壌呼吸が生物電気生成によって土壌の酸化還元電位を低下させると、土壌水分量の増加による呼吸抑制効果が増幅されます。[ 12 ]土壌ベースの微生物燃料電池は、理科の授業で人気の教育ツールになりつつあります。
窒素は、いくつかの方法で土壌呼吸に直接影響を与えます。植物の成長と生命を促進するには、根から窒素を吸収する必要があります。利用可能な窒素のほとんどは NO 3 −の形であり、濃度勾配を上って移動させるにはエネルギーが必要なため、根に入るには0.4 単位の CO 2のコストがかかります。根に入ると、NO 3 −はNH 3に還元されなければなりません。このステップには、還元される分子 1 つあたり 2 単位の CO 2に相当する、より多くのエネルギーが必要です。大気中の窒素を固定する細菌共生体を持つ植物では、大気中の N 2から 1 分子の NH 3を獲得するための植物のエネルギーコストは 2.36 CO 2です。[ 13 ]植物が成長、繁殖、および長期生存を確実にするためには、土壌から窒素を吸収するか、共生体に頼って大気から窒素を固定することが不可欠です。
窒素が土壌呼吸に影響を与えるもう一つの方法は、落葉分解によるものです。窒素含有量の多い落葉は高品質と考えられており、低品質の落葉よりも微生物によって分解されやすいです。丈夫な植物構造化合物であるセルロースの分解も窒素制限プロセスであり、落葉に窒素を加えると増加します。[ 14 ]
土壌呼吸速度の測定および発生源の特定には、さまざまな方法が存在する。これらの方法は、野外調査法と室内実験法に大別できる。最も一般的な野外調査法としては、同一地点で異なる時期に測定を行うための長期独立型土壌フラックス測定システムや、異なる地点で異なる時期に測定を行うための土壌呼吸調査システムなどが挙げられる。安定同位体比を用いる方法は、室内実験と野外調査の両方で利用できる。
土壌呼吸は、単独で測定することも、微生物の栄養源となる栄養素や（炭素）基質を添加して測定することもできます。栄養素や基質を添加しない土壌呼吸は、基礎土壌呼吸（BR）と呼ばれます。栄養素（多くの場合、窒素とリン）と基質（例えば糖類）を添加した土壌呼吸は、基質誘導土壌呼吸（SIR）と呼ばれます。BRとSIRのどちらの測定においても、水分含有量は水で調整できます。
これらのシステムは、長期間にわたり一箇所で測定を行います。測定箇所が1箇所に限られるため、狭い範囲での土壌のばらつきによる測定誤差を低減するために、複数の観測地点を用いるのが一般的です。土壌のばらつきは、土壌呼吸測定器を用いて調査することができます。
長期観測機器は、測定の間隔を空けて、測定場所を可能な限り周囲の環境にさらすように設計されている。
密閉システムでは、土壌を密閉したチャンバー内で短時間（通常は数分間のみ）の測定が行われます。[ 15 ]土壌からのCO2放出速度は、チャンバー内のCO2増加に基づいて計算されます。密閉チャンバーの性質上、CO2は蓄積され続けるため、測定期間は、検出可能な直線的な濃度増加を達成し、時間の経過とともにチャンバー内にCO2が過剰に蓄積されるのを避けるために、最小限に短縮されます。
個々の測定データと日中のCO₂呼吸量測定データの両方にアクセスできます。また、このようなシステムでは、土壌温度、土壌水分、PAR（光合成有効放射）も測定するのが一般的です。これらの変数は通常、 CO₂値とともに測定ファイルに記録されます。
土壌呼吸と CO 2増加の傾きを決定するために、研究者は線形回帰分析、ペダーセン (2001) アルゴリズム、および指数回帰を使用してきました。線形回帰分析に関する発表文献はより多くありますが、ペダーセン アルゴリズムと指数回帰分析法にも支持者がいます。一部のシステムでは、数学的手法の選択肢が提供されています。[ 16 ]
線形回帰を用いる場合、複数のデータ点をグラフ化し、それらの点を線形回帰方程式に当てはめることで傾きを求めることができます。この傾きから、以下の式を用いて土壌呼吸速度を求めることができます。ここで、Fは土壌呼吸速度、bは傾斜、Vはチャンバーの容積、A はチャンバーで覆われた土壌の表面積である。[ 17 ]チャンバー内のCO2濃度の上昇は土壌断面の多孔質表層の CO2 濃度も上昇させるため、測定を長時間にわたって行わないようにすることが重要である。この濃度の上昇は、土壌内に蓄積される追加のCO2により、土壌呼吸速度の過小評価を引き起こす。 [ 18 ]
オープンモードシステムは、測定チャンバーの平衡状態に達した時点で土壌フラックス率を測定するように設計されています。チャンバーを閉じて密閉する前に、チャンバー内を空気が流れます。これにより、測定前にチャンバー内の周囲以外のCO₂濃度が除去されます。チャンバーを閉じた後、制御可能でプログラム可能な流量で新鮮な空気がチャンバー内に送り込まれます。この空気は土壌中のCO₂と混合し、一定時間後に平衡状態に達します。研究者は、平衡点を、経過時間における連続した測定値間のCO₂測定値の差として指定します。アッセイ中、変化率は徐々に減少し、顧客の変化率基準、またはアッセイに選択された最大時間に達します。その後、チャンバー内で平衡状態に達すると、土壌フラックスまたは変化率が決定されます。チャンバーの流量と時間はプログラム可能で、正確に測定され、計算に使用されます。これらのシステムには、クローズドモードシステムで説明されているような、許容できないCO₂分圧の蓄積を防ぐように設計された通気口があります。チャンバー内の空気の動きによってチャンバー内の圧力が上昇したり、外部の風によってチャンバー内の圧力が低下したりする可能性があるため、可能な限り防風性を高めるように設計された通気口が設けられています。
開放型システムは、土壌構造の変動や、土壌表面における境界層抵抗の問題に対しても、それほど敏感ではありません。土壌表面におけるチャンバー内の空気の流れは、境界層抵抗現象を最小限に抑えるように設計されています。
ハイブリッドシステムも存在する。このシステムは、可能な限り風の影響を受けにくく、許容できないほどの部分的な二酸化炭素圧の上昇を防ぐように設計された通気口を備えているが、その他の点では密閉型システムと同様に動作するように設計されている。
これらは、持ち運び可能または半持ち運び可能な、開放型または密閉型の計測器です。これらは、さまざまな場所と時間における土壌呼吸のCO₂変動を測定します。このタイプの計測器では、調査測定器に接続できる土壌カラーを地面に挿入し、土壌が一定期間安定するまで待ちます。土壌カラーの挿入は一時的に土壌を乱し、測定誤差を生じさせます。そのため、複数の土壌カラーを異なる場所に挿入するのが一般的です。土壌カラーは、CO₂の横方向への拡散を制限するのに十分な深さまで挿入されます。土壌が安定した後、研究者は実験計画に従って、あるカラーから別のカラーへと移動して土壌呼吸を測定します。
土壌呼吸測定システムは、許容誤差レベルを達成するために必要な長期独立型時系列測定機器の数を決定するためにも使用できます。土壌呼吸の変動性は場所によって異なるため、必要な長期独立型測定機器の数も異なる場合があります。
植物は、 3つの光合成経路のいずれかを用いてCO₂を取り込み、有機化合物を生成します。最も一般的な2つの経路はC₃経路とC₄経路です。C₃植物は涼しく湿潤な環境に最も適しており、C₄植物は高温乾燥した生態系でよく生育します。2つの経路では光合成酵素が異なるため、優先的に取り込まれる炭素同位体も異なります。同位体とは、中性子の数が異なる同じ元素であり、そのため一方の同位体が他方よりも重くなります。安定な炭素同位体は¹²Cと¹³Cの2つです。C₃経路はC₄経路よりも重い同位体を優先的に排除します。このため、 C₄植物から生成される植物構造は重い同位体が多く含まれ、したがってこれらの植物の根からの分泌物や落葉もより重い同位体が多く含まれます。これらの構造中の炭素が呼吸によって放出されると、CO₂中の2つの同位体の比率はほぼ同じになります。研究者は、以前 C 3植物が植えられていた土壌にC 4植物を植えるか、その逆を行います。土壌呼吸を測定し、 CO 2の同位体比を分析することで、土壌呼吸が主に古い炭素によるものか、最近形成された炭素によるものかを判断することができます。たとえば、C 4植物であるトウモロコシを、以前C 3植物である春小麦が植えられていた土壌で栽培しました。結果は、最初の 40 日間で C 3 SOM の呼吸を示し、70 日目まで重同位体の濃縮が徐々に直線的に増加しました。70 日以降は濃縮が緩やかになり、100 日目にピークに達しました。[ 19 ]安定炭素同位体データを分析することで、さまざまな光合成経路によって生成された呼吸された SOM の起源成分を特定することができます。
野外での土壌呼吸の測定における問題の一つは、微生物の呼吸を植物の根や土壌動物の呼吸と区別できないことである。これは安定同位体技術を用いることで克服できる。サトウキビ糖は同位体トレーサーとして機能するC4糖である。[ 20 ] [ 21 ]サトウキビ糖はC3生態系の内因性（天然）炭素（δ13C=−25～−28‰）よりもわずかに高い13C存在量（δ13C ≈ −10‰）を持つ。サトウキビ糖は溶液として土壌に散布することができ、表層土壌に浸透する。根は光合成によって植物に同化された炭素生成物のみを呼吸するため、添加された糖を呼吸するのは微生物のみである。サトウキビ糖を添加した場合と添加しない場合の土壌から発生するCO 2のδ 13 C の分析により、C 3 (根と微生物) と C 4 (微生物呼吸) の割合を計算することができます。[ 22 ] [ 23 ]
安定同位体を用いた野外呼吸測定は、土壌栄養素、酸素、および存在する可能性のある土壌汚染物質を混合することによって微生物群集を乱すことなく、現場で微生物呼吸を測定するためのツールとして使用できます。[ 23 ]
過去 160 年間、人間は土地利用や産業活動を変え、気候や地球規模の生物地球化学的サイクルを変化させてきました。これらの変化は、地球上の土壌呼吸速度に影響を与えています。さらに、熱波 (高温の擾乱とそれに伴う激しい干ばつを伴う) などの極端な気候現象[ 24 ]がますます頻繁に発生し、激しい降雨が微生物群集や土壌の物理化学的性質に影響を与え、土壌呼吸の変化を引き起こす可能性があります。[ 25 ]
産業革命以来、人類は膨大な量のCO₂を大気中に放出してきました。これらの排出量は時間の経過とともに大幅に増加し、地球の大気中のCO₂濃度は75万年以上ぶりの高水準に達しています。生態系が高濃度のCO₂にさらされると、土壌呼吸が増加します。予測される将来の高濃度CO₂条件下での土壌呼吸をテストするために、多数の自由大気CO₂濃縮（FACE）研究が実施されてきました。最近のFACE研究では、根のバイオマスと微生物活動の増加により、土壌呼吸が大幅に増加することが示されています。[ 26 ]高濃度CO₂条件下では、テネシー州のスイートガム林とウィスコンシン州のポプラ林で土壌呼吸が最大40.6%増加することがわかっています。[ 27 ]化石燃料の使用と土地利用慣行の増加により、今世紀半ばまでにCO₂濃度がこれらのFACE実験で使用された濃度を超える可能性が極めて高いです。
土壌温度の上昇により、大気中のCO₂濃度が上昇し、その結果、地球の平均気温が上昇しています。これは、森林伐採、土壌の露出、独立栄養プロセスを破壊する開発などの人間の活動が原因です。土壌表面を覆い冷却する光合成植物が失われると、赤外線エネルギーが土壌に浸透して土壌を加熱し、従属栄養細菌の増加を引き起こします。土壌中の従属栄養細菌は有機物を急速に分解し、土壌構造が崩壊し、小川や川に溶けて海に流れ込みます。森林伐採によって引き起こされる洪水で流された有機物の多くは、河口、湿地、そして最終的には外洋に流れ込みます。表層水の濁度が増加すると、生物学的酸素要求量が増加し、より多くの独立栄養生物が死滅します。土壌被覆の喪失による気温上昇後、土壌細菌の呼吸が増加すると、二酸化炭素濃度が上昇します。
前述のように、温度は土壌呼吸の速度に大きく影響します。これは北極圏で最も劇的な影響を与える可能性があります。大量の炭素が凍結した永久凍土に閉じ込められています。温度の上昇に伴い、この永久凍土が融解し、好気性条件が優勢になり始め、その結果、その生態系における呼吸速度が大幅に増加します。[ 28 ]
気温の変動パターンと海洋状況の変化により、降水パターンは場所、頻度、強度が変化すると予想されます。海洋がより多くのエネルギーを形成中の嵐のシステムに伝達できる場合、より大規模で頻繁な嵐が予想されます。これは、乾燥地帯の生態系に最も大きな影響を与える可能性があります。乾燥地帯の生態系における土壌呼吸は、降雨サイクル内で動的な変化を示すことが示されています。乾燥した土壌の呼吸速度は通常、降雨後に非常に高いレベルまで急上昇し、その後、土壌が乾燥するにつれて徐々に低下します。[ 10 ]以前に大規模な降雨がなかった地域で降雨頻度と強度が増加すると、土壌呼吸が劇的に増加すると推測できます。
前世紀半ばの緑の革命の開始以来、膨大な量の窒素肥料が生産され、ほぼすべての農業システムに導入されてきました。これにより、農業流出と風による施肥により、世界中の生態系で植物が利用できる窒素が増加しました。前述のように、窒素は土壌呼吸のレベルと速度に大きなプラスの影響を与える可能性があります。土壌窒素の増加は、植物の暗呼吸を増加させ、根の呼吸の特定の速度を刺激し、総根バイオマスを増加させることがわかっています。[ 29 ]これは、高窒素率が高植物成長率と関連しているためです。高植物成長率は、研究で確認された呼吸とバイオマスの増加につながります。この生産性の増加により、土壌活動の増加、ひいては呼吸の増加が保証されます。
土壌呼吸は、地球規模の炭素循環と栄養循環において重要な役割を果たしており、気候変動の要因の一つでもあります。これらの役割を理解することは、自然界の理解と人類の存続にとって重要です。
土壌呼吸は、生態系レベルおよび地球規模での炭素循環の調節において重要な役割を果たします。毎年、約 120ペタグラム(Pg) の炭素が陸上植物に吸収され、同様の量が生態系呼吸によって大気中に放出されます。世界の土壌には最大 3150 Pg の炭素が含まれており、そのうち 450 Pg は湿地に、400 Pg は永久凍土に存在します。土壌には大気の 4 倍以上の炭素が含まれています。[ 30 ]研究者らは、土壌呼吸によって 毎年 77 Pg の炭素が大気中に放出されると推定しています。[ 31 ]この放出量は、化石燃料の燃焼などの人為的発生源による炭素放出量 ( 年間 56 Pg)よりも多いです。したがって、土壌呼吸のわずかな変化でも、大気中のCO2濃度と土壌炭素貯蔵量のバランスを大きく変える可能性があります。土壌呼吸が地球規模の炭素循環において重要な役割を果たすのと同様に、地球規模の栄養循環も調節することができます。
土壌呼吸の主要な要素は、落葉の分解によるもので、これにより CO 2が環境に放出されると同時に栄養素が固定化または無機化されます。分解中、窒素などの栄養素は微生物によって固定化され、微生物自身の成長に利用されます。これらの微生物が摂取されたり死んだりすると、窒素が土壌に供給されます。落葉中のタンパク質や核酸の分解によっても窒素が無機化されます。この無機化された窒素も土壌に供給されます。これらのプロセスにより、土壌に供給される窒素の速度は微生物の呼吸速度と連動しています。研究によると、土壌呼吸の速度は微生物のターンオーバーと窒素の無機化の速度と関連していることが示されています。[ 5 ]地球規模のサイクルの変化は、さらに地球の気候を変化させる可能性があります。
前述のように、土壌呼吸によって放出されるCO 2は温室効果ガスであり、濃度が上昇し続けるとエネルギーを閉じ込め、地球の平均気温を上昇させ続けます。地球の気温が上昇すると、世界中で土壌呼吸の速度も上昇し、その結果、大気中の CO 2濃度が高くなり、さらに地球の気温が上昇します。これは正のフィードバックループの一例です。気温が 2 °C 上昇すると、 土壌呼吸から大気中に年間 10 Pg の炭素が追加で放出されると推定されています。[ 32 ]これは、現在の人為的な炭素排出量よりも多い量です。また、この気温上昇により、現在融解している永久凍土に蓄積されている炭素が放出される可能性もあります。気候モデルは、土壌呼吸と気温の間のこの正のフィードバックにより、21 世紀半ばまでに土壌に蓄積されている炭素が減少すると示唆しています。[ 33 ]
土壌呼吸は、土壌から二酸化炭素の形で炭素を放出する重要な生態系プロセスです。炭素は土壌中に有機物として蓄積され、植物、細菌、菌類、動物によって呼吸されます。この呼吸が地中で起こる場合、それは土壌呼吸と呼ばれます。温度、土壌水分、窒素はすべて、土壌有機化合物中の炭素からCO₂への変換速度を調節します。土壌呼吸を測定するために多くの方法が用いられていますが、密閉型動的チャンバーと安定同位体比の使用は最も一般的な手法の2つです。人間は、大気中のCO₂濃度、降水パターン、施肥率を変化させてきましたが、これらはすべて土壌呼吸速度に大きな影響を与えています。これらの速度の変化は、地球規模の炭素循環と栄養循環を変化させるだけでなく、気候変動にも大きな役割を果たします。
