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炭素循環は地球上の生命にとって不可欠な要素です。ほとんどの生物の乾燥重量の約半分は炭素です。[要出典]炭素はすべての生細胞の構造、生化学、栄養において重要な役割を果たしています。生体バイオマスは約550ギガトンの炭素を保持しており、[1]そのほとんどは陸上植物（木材）でできています。一方、約1,200ギガトンの炭素は陸上生物圏に死んだバイオマスとして蓄えられています。[2]
炭素は、どのような形でどのような状況下で貯蔵されているかに応じて、さまざまな速度で陸上生物圏を循環します。[3]炭素は大気と最も速く交換されますが、少量の炭素は陸上生物圏から出て、溶存有機炭素（DOC）として海洋に入ります。
陸上生物圏における炭素の移動
陸上生物圏の炭素のほとんどは森林に蓄えられています。森林は地球上の地上炭素の86％を保持し、森林土壌も地球上の土壌炭素の73％を保持しています。[4]植物内に蓄えられた炭素は、植物を消費する際に他の生物に移行することができます。たとえば、動物が植物を食べると、植物に蓄えられた有機炭素は他の形に変換され、動物の体内で利用されます。同じことが細菌や他の従属栄養生物にも当てはまります。土壌の中または上の死んだ植物の残骸は、従属栄養生物によって呼吸されるまでしばらくそこに留まります。このように、炭素は食物連鎖のあらゆる段階で1つの生物から別の生物に移行します。
陸上生物圏と他のシステム間の炭素交換
雰囲気
樹木やその他の緑色植物などの独立栄養生物は、一次生産中に光合成によって二酸化炭素を変換し、その過程で酸素を放出します。このプロセスは、若い森林など、成長量の多い生態系で最も速く発生します。炭素は独立栄養成長の過程で消費されるため、ほとんどの植物で光合成が行われなくなる冬と夜間よりも、春と夏の日中に多くの炭素が消費されます。生物圏における炭素の貯蔵は、さまざまな時間スケールのいくつかのプロセスの影響を受けます。独立栄養呼吸による炭素の吸収は日中および季節のサイクルに従いますが、炭素は木材や土壌などの陸生生物圏に最大数世紀にわたって貯蔵できます。
炭素のほとんどは、呼吸を通じて陸上生物圏から排出される。酸素が存在する場合、好気呼吸が起こり、二酸化炭素が生成される。酸素が存在しない場合には、例えば沼地や動物の消化管の場合のように、嫌気呼吸が起こり、メタンが生成される。総一次生産の約半分は、植物によって直接大気中に呼吸される。純一次生産の一部、つまり生物圏によって吸収された残りの炭素は、火災や従属栄養呼吸によって大気中に放出される。残りは土壌有機炭素に変換され、よりゆっくりと放出されるか、または「不活性」な溶解炭素に変換され、生物圏に未知の期間留まる可能性がある。[3]
これは、生態系内であらゆる種類の生物が共存することを促進するため、人生において非常に重要な側面となります。陸上生態系における炭素の役割は、植物内に貯蔵された炭素が最終的に他の生物に吸収され消費される形で堆積することです。
地球圏
陸上生物圏の炭素は、高度に特殊化されたプロセスを通じてのみ地圏に入ります。嫌気性分解によって有機物が炭化水素を多く含む物質に変換され、その後堆積物として堆積すると、炭素は地殻運動によって地圏に入り、数百万年にわたってそこに留まります。このプロセスは化石燃料の生成につながる可能性があります。
人為的影響
(a) 土壌 CO2 の河川への大量流入、
(b) 有機質に富む土壌の河川への差別的輸送、
(c) 河川の乱流が激しく、ガスが大気中に速やかに逃げ出すことを促進することなどです。
人間の活動は陸上生物圏に大きな影響を与え、炭素貯蔵庫としての働きを変えています。人為的に発生した火災は、大量の炭素を CO2 として大気中に直接放出します。しかし、より重要なのは、人間が土地被覆を変化させることです。土地被覆の変化は、陸上生物圏における炭素吸収量を大幅に減少させます。土地被覆の変化は、多くの場合、炭素を豊富に含む森林を農地や都市の土地利用に置き換え、地域の生態系を変化させます。これにより、以前の土地被覆タイプに蓄積されていた炭素が放出され、同時に生物圏が大気から炭素を吸収する能力が低下します。
間接的には、人間が引き起こした地球規模の気候の変化が、炭素循環における陸上生態系の機能に広範囲にわたる変化を引き起こします。地域の気候が変化すると、長い間ある種の生態系に適していた場所が、他の生態系タイプにとってより好ましい場所になることがあります。たとえば、北極の温暖化は北米の北方林にストレスを与え、[5]一次生産と炭素吸収を減少させましたが、一方で同じ気温の上昇は同じ地域で低木の成長を促進し、[6]逆の効果を生み出しています。気象パターンの変化は動物にも影響を与える可能性があります。たとえば、気象パターンの変化はマツノマダラカミキリにとって好ましい条件を作り出し、大規模なカミキリの発生と森林破壊につながる可能性があります。[7]降水パターンの変化も干ばつや極端な降水量につながり、生態系へのさらなるストレスとさらなる浸食を引き起こします。陸上生態系に対するこのような影響は、大気との炭素交換を変化させるだけでなく、河川での有機物の輸送を通じて海洋への炭素流出の増加にもつながります。土地被覆のこのような広範囲にわたる変化は、惑星のアルベドの変化も引き起こし、地球の惑星放射予算に複雑なフィードバックを引き起こします。
大気中のCO2レベルが高ければ、光合成がより効率的に行われ、植物の成長と一次生産が増加します。これにより、生物圏が大気からより多くの二酸化炭素を抽出する可能性があります。ただし、この炭素が大気中に再放出される前に陸上生物圏に隔離されたままになる期間は不明であり、他の制限要因 (窒素の可用性、水分など) により、CO2 施肥による一次生産の大幅な増加が妨げられる可能性があります。
参考文献
- ^ Bar-On YM、 Phillips R、Milo R (2018年6月)。「地球上のバイオマス分布」。米国 科学アカデミー紀要。115 (25):6506–6511。Bibcode : 2018PNAS..115.6506B。doi : 10.1073 / pnas.1711842115。PMC 6016768。PMID 29784790。
- ^ Falkowski P, Scholes RJ, Boyle E, Canadell J, Canfield D, Elser J, Gruber N, Hibbard K, Högberg P, Linder S, Mackenzie FT, Moore B, Pedersen T, Rosenthal Y, Seitzinger S, Smetacek V, Steffen W (2000 年 10 月)。「地球規模の炭素循環: 地球システムに関する知識の検証」。Science。290 ( 5490 ) : 291–6。Bibcode : 2000Sci ...290..291F。doi : 10.1126/science.290.5490.291。PMID 11030643 。
- ^ ab Prentice, IC (2001). 「炭素循環と大気中の二酸化炭素」。気候変動2001：科学的根拠：気候変動に関する政府間パネルの第3次評価報告書に対する作業部会Iの貢献 / Houghton, JT [編集] 2012年5月31日閲覧。
- ^ Sedjo, Roger (1993年10月). 「炭素循環と地球規模の森林生態系」.水・大気・土壌汚染. 70 (1–4): 295–307. Bibcode :1993WASP...70..295S. doi :10.1007/BF01105003. S2CID 189855856.
- ^ Verbyla, D. (2011). 「北米西部の北方林の褐色化」.環境研究レター. 6 (4): 041003. Bibcode :2011ERL.....6d1003V. doi : 10.1088/1748-9326/6/4/041003 .
- ^ Loranty MM、Goetz SJ (2012)。「北極圏ツンドラにおける低木の拡大と気候フィードバック」。Environmental Research Letters。7 ( 1): 011005。Bibcode :2012ERL.....7a1005L。doi: 10.1088 / 1748-9326 /7/1/011005。
- ^ Sambaraju KR、Carroll AL、Zhu J、Stahl K、Moore RD、Aukema BH (2012)。「気候変動により、カナダ西部のマツノマダラカミキリの発生分布が変化する可能性がある」。エコグラフィー。35 (3): 211–223。doi :10.1111/j.1600-0587.2011.06847.x 。