湿地からの温室効果ガス排出

懸念される湿地からの温室効果ガスの排出は、主にメタンと亜酸化窒素の排出です。湿地は世界最大の大気中のメタン天然発生源であり、そのため気候変動に関する大きな懸念事項となっています。^{[1] [2] [3]}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、年間平均約161 Tgのメタンを大気中に放出しています。 ^[4]

湿地は、水浸しの 土壌と、常に水が存在する環境に適応した独特の動植物群落を特徴とする。この高いレベルの水飽和度は、メタン生成を促す条件を作り出す。メタン生成、つまりメタン生成のほとんどは、酸素の少ない環境で起こる。暖かく湿った環境に生息する微生物は、大気から拡散するよりも速く酸素を消費するため、湿地は発酵とメタン生成菌の活動に理想的な嫌気性環境である。しかし、メタン生成のレベルは、酸素の利用可能性、土壌温度、土壌の組成によって変動する。より暖かく嫌気性が高く、有機物が豊富な土壌の環境では、より効率的なメタン生成が可能になる。^[5]

湿地の中には、メタン排出の大きな発生源となっているものもあり^{[6] [7] 、}亜酸化窒素を排出するものもあります^{[8] [9]}。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中で最も多くなっています^[10] 。湿地は温室効果ガスの吸収源としても機能します^{[11] 。}

湿地クラスの特徴は、メタン排出量の大きさを知る上で役立ちます。しかし、湿地クラスは、空間的にも時間的にもメタン排出量に大きなばらつきがあります。^[12] 湿地は、景観の位置、植生、水文レジームによって分類されることが多いです。^[13]湿地クラスには、沼地、湿原、沼地、フェン、泥炭地、湿原、草原の窪地（地形）、^[14]およびポコシンが含まれます。

湿地はその特性に応じて、メタン排出の重要な発生源となるものもあれば^{[7] 、}亜酸化窒素の排出源となるものもある^{[8] [9]}。

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％を占めています。^[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世紀に排出される主要なオゾン層破壊物質です。 ^{[10]主に人為的な原因による過剰な栄養素は、}脱窒および硝化プロセスを通じて湿地土壌からのN ₂ O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、過剰な栄養素はN ₂ Oを隔離するのではなく、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の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に基づく研究も不足しています。水生無脊椎動物は、潮間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で生態学的に重要な亜酸化窒素を排出するため^[18]、一部の湿地での亜酸化窒素の生成にも影響を与えている可能性があります。

^aフラックス率は単位面積当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、土壌による消費によって引き起こされます。^[34]

湿地は地下水位が高いため、土壌で通常起こる沈下作用を打ち消す。地下水位は嫌気性メタン生成と好気性メタン消費の境界を表す。地下水位が低い場合、湿地土壌内で生成されたメタンは土壌を通り抜けてメタン酸化細菌のより深い層を通過する必要があり、それによって排出量が減少する。一方、維管束植物によるメタン輸送はこの好気性層を迂回するため、排出量が増加する。^{[35] [36]}

メタンは生成されると、分子拡散、植物の通気組織を通じた輸送、沸騰という3つの主な経路で大気中に到達します。植物は湿地でのメタン生成プロセスに必要な炭素の多くを供給するだけでなく、その輸送にも影響を与えるため、一次生産性は直接的にも間接的にもメタン排出を促進します。^[要出典]

発酵は、特定の種類の微生物が必須栄養素を分解するプロセスです。酢酸分解メタン生成と呼ばれるプロセスでは、分類ドメインの 古細菌の微生物が酢酸と H ₂ -CO _{2 を}メタンと二酸化炭素に発酵させてメタンを生成します。

H ₃ C-COOH → CH ₄ + CO ₂

湿地と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栄養メタン生成も発生する可能性があります。このプロセスは、古細菌が水素を二酸化炭素で酸化してメタンと水を生成する結果として発生します。

4H ₂ + CO ₂ → CH ₄ + 2H ₂ O

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上昇し、大気に到達することを指します。拡散の経路としての重要性は、土壌や植生の種類に基づいて湿地ごとに異なります。^[37]たとえば、泥炭地では、大量の死んだが腐敗していない有機物により、土壌を通じたメタンの拡散は比較的遅くなります。^[38]さらに、メタンは水よりも土壌をより速く移動できるため、より乾燥し、より緩く圧縮された土壌の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血管のような輸送管を指します。通気組織を持つ植物は、植物の根との間でガスが直接移動できるようにする多孔質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に直接移動できます。^[38]通気組織によって作成された直接の「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。

噴出とは、メタンの泡が突然空気中に放出される現象です。これらの泡は、土壌にメタンが徐々に蓄積してメタンガスの溜まりを形成することで発生します。閉じ込められたメタンの溜まりが大きくなると、土壌のレベルもゆっくりと上昇します。この現象は、圧力が高まり泡が「はじける」まで続きます。するとメタンが土壌を通り抜けて急速に移動し、土壌内のメタン酸化菌が消費する時間がありません。このガス放出により、土壌のレベルは再び下がります。

湿地での噴出は、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によって記録できます。水頭も、圧力の上昇と解放の結果として生じる土壌の微妙な隆起と下降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メタンの発生源としての噴出の重要性を判断するための研究が行われました。米国北部の泥炭地では、実際に噴出が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が観察され、降雨が湿地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。^[40]

湿地からのメタン放出量は、通常、渦共分散法、勾配法、またはチャンバーフラックス法を使用して測定され、地下水位、メタン生成細菌とメタン酸化細菌の比較比率、輸送メカニズム、温度、基質の種類、植物、気候など、いくつかの要因に依存します。これらの要因は、湿地の メタンフラックスに影響を与え、それを制御するために連携して作用します。

全体的に、大気中へのメタンの正味フラックスの主な決定要因は、メタン生成細菌によって生成され地表に到達するメタンの量と、大気中に到達する前にメタン酸化細菌によって酸化されるメタンの量との比率です。^[12]この比率は、環境中のメタンを制御する他の要因によっても影響を受けます。さらに、メタン排出経路はメタンが大気中に移動する方法に影響を与え、したがって湿地のメタンフラックスに同等の影響を及ぼします。

考慮すべき最初の制御要因は、地下水位です。水たまりと地下水位の位置によって、メタンの生成または酸化が起こる可能性のある領域が決まるだけでなく、メタンが空気中に拡散する速度も決まります。水中を移動すると、メタン分子は高速で移動する水分子にぶつかるため、地表に到達するまでに時間がかかります。しかし、土壌を移動する方がはるかに簡単で、大気中に拡散しやすくなります。この移動理論は、干ばつによる地下水位の低下後に大量のメタンの流入が発生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上にある場合、メタン輸送は主に沸騰と血管または加圧された植物を介した輸送によって行われ、加圧換気を使用する植物から日中に高レベルの排出が発生します。^[12]

温度も考慮すべき重要な要素です。環境温度、特に土壌温度は、細菌による生産や消費の代謝率に影響します。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、気温の変化と地下水位が相まっ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あります。^[41]

土壌の組成と基質の利用可能性は、メタン生成細菌とメタン栄養細菌が利用できる栄養素を変え、したがって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土壌はメタン生成を助長します。さらに、植物の種類と植物の分解量も、細菌が利用できる栄養素と酸性度に影響します。ミズゴケからのフェノール化合物などの植物浸出液も土壌の特性と相互作用してメタンの生成と消費に影響を及ぼす可能性があります。^[42]セルロースが一定に利用可能で、土壌pHが約6.0の場合、メタンの生成と消費に最適な条件が整うと判明していますが、基質の質は他の要因によって上書き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。

純生態系生産(NEP) と気候変動は、湿地からのメタン放出と直接関係があることがわかっている包括的な要因です。地下水位の高い湿地では、メタン放出とともに NEP が増減することがわかっていますが、これはおそらく、NEP とメタン放出の両方が基質の利用可能性と土壌組成によって変化するためでしょう。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抑制が促進され、メタン放出と NEP の関係がなくなります。これは、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です。

気候変動は、地下水位、気温、湿地内の植物の構成など、生態系内の多くの要因に影響を及ぼします。これらはすべて、メタン排出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、大気中へのメタンの追加が減少することになります。これは、二酸化炭素レベルが2倍になった地域ではメタンフラックスが80％減少したことからも明らかです。^[12]

人間は開発、住宅、農業の名の下に湿地を排水することが多い。湿地を排水することで地下水位が下がり、土壌中のメタン酸化細菌によるメタンの消費量が増える。^[12]しかし、排水の結果、水で飽和した溝が形成され、暖かく湿った環境のため、大量のメタンが排出されることになる。^[12]そのため、メタン排出に対する実際の影響は、いくつかの要因に大きく左右される。排水溝の間隔が十分に広くない場合、飽和した溝が形成され、小さな湿地環境が形成される。さらに、地下水位が十分に低下した場合、湿地は実際にはメタンの発生源からメタンを消費するシンクに変わる可能性がある。最後に、元の湿地の実際の構成によって、排水と人間の開発が周囲の環境に及ぼす影響が変わる。^[要出典]