森林における窒素と炭素は関連しているのでしょうか?窒素と炭素の愛憎関係を解明

人間の活動（化石燃料の燃焼、土地利用の変化など）によって引き起こされる大気中の二酸化炭素濃度の増加は、今日重要な科学的トピックとなっており、広く社会的注目を集めています。

パリ協定とIPCC報告書はともに、大気中の二酸化炭素の増加を効果的に抑制することが気候変動に対処するための重要な対策の一つであると指摘している。また、大気中の「炭素」がどこから来るのか（炭素源）と、どこに行くのか（炭素吸収源）を深く理解し、探究する必要があることも強調しています。

土壌: 陸上生態系における最大の炭素貯蔵庫

二酸化炭素を吸収するものとして、まず思い浮かぶのは植物です。植物の葉は光合成によって二酸化炭素を吸収し、呼吸によって放出します。

それは正しい。しかし、それ以上に、土壌は大気中の二酸化炭素濃度にも影響を与えます。

土壌は陸上生態系における最大の炭素プールであり、土壌有機炭素の約半分は森林に蓄えられています。熱帯林（亜熱帯林を含む）は世界の森林炭素循環において重要な役割を果たしており、世界の森林炭素排出量の 78%、炭素吸収量の 55% を占めています。

これは、森林土壌の炭素貯蔵量の小さな変化でさえ、大気中の二酸化炭素濃度に大きな影響を与える可能性があることを意味します。

では、土壌は大気中の炭素濃度にどのように影響するのでしょうか?

森では植物だけでなく土壌も呼吸します。土壌呼吸には主に 2 つの源があります。1 つは微生物による嫌気性呼吸、もう 1 つは植物の根による独立栄養呼吸です。呼吸のこれら 2 つの部分は、土壌の炭素排出にとって重要な経路です。

土壌呼吸（画像提供：著者）

森林における窒素と炭素は関連しているのでしょうか?

今日、人間の活動は大気中の二酸化炭素濃度の増加だけでなく、大気中の窒素沈着量の増加ももたらしています。

20 世紀半ば以降、人間の活動により大気中への反応性窒素化合物の放出が急増しました。これらの窒素含有物質は、塵の降下（乾性沈着）や雨水への溶解（湿性沈着）を通じて陸地や水域に入り、土壌や水環境、自然生態系、生物多様性などに影響を及ぼします。

地球全体の窒素沈着のシミュレーションと評価によると、大気中の窒素沈着率は1984年から2016年まで平均8％増加しました。

中国は、窒素沈着汚染が最も深刻な世界3地域（ヨーロッパ、北米、中国）の1つです。中国の窒素沈着率は管理政策と技術の改善により安定し、減少し始めているものの、一部の地域では窒素沈着量が依然として30～40 kg N/ha/年に達している44。

過去60年間の人間の活動によって生成された反応性窒素（画像出典：参考文献[7]）

長期にわたる高窒素沈着は森林生態系や土壌炭素プールにどのような影響を与えるでしょうか?言い換えれば、森林内の 2 つの異なる要素、窒素と炭素の関係は何でしょうか?

窒素は生物にとって重要な栄養元素であり、タンパク質を合成するための基礎物質でもあります。農地では人工的な施肥によって窒素などの栄養分を得ることができますが、森林では主に大気中の窒素の沈着や生物学的窒素固定によって窒素を得ています。

森林の植物や微生物は十分な窒素を摂取できれば急速に成長し、バイオマス（炭素）を蓄積することができます。植物は落ち葉や根の分泌物の形で炭素を土壌にさらに運び、土壌の炭素吸収源を増やすこともできます。

窒素の量は森林生物の呼吸にも影響を与えます。十分な窒素は植物の呼吸と微生物の分解に有益であり、それによって二酸化炭素が放出されます。窒素の量によって森林による炭素の吸収と放出がある程度決まることがわかります。

森林における窒素と炭素のフラックス（画像出典：著者所有）

生物にとって、窒素の供給は多ければ多いほど良いのでしょうか?

実際にはそうではありません。短期的には窒素の供給によって「食糧・衣料問題」はある程度解決できるが、長期的かつ継続的な窒素供給は別の「副作用」を生み出すことになる。

たとえば、森林に流入する窒素が多すぎると、植物や土壌微生物の他の栄養素の相対的な含有量が低下し（栄養の不均衡）、微生物の硝化反応が促進され（水素イオンが放出される）、土壌の酸性化が悪化し、窒素を含む温室効果ガスの排出が増加し、生物多様性が減少し、さらには土壌や地下水の質にも影響が及ぶことになります。

では、窒素沈着が森林土壌の炭素排出にプラスの影響を与えるかマイナスの影響を与えるかをどのように判断するのでしょうか?

大気中の窒素沈着、植物の窒素吸収、土壌窒素変換および酸性化の関係（画像出典：文献[6]）

一方で、森林の窒素の状態を見る必要があります。なぜなら、森林によって窒素の状態が異なるからです。

すでに「窒素が乏しい」森林にとって、窒素の堆積は間違いなく「天の恵み」である。土壌微生物と地下植物の根の成長が加速されます（バイオマスと炭素吸収源の増加）が、同時に土壌呼吸も促進されます（炭素排出量の増加）。しかし、すでに「窒素が豊富」な森林の場合、窒素沈着の影響はほんのわずかで、土壌の炭素や呼吸にはほとんど影響がない可能性があります。適切に処理しないと、逆効果となり、土壌の呼吸を阻害する可能性もあります。

一方、森林への窒素沈着は累積的なプロセスであるため、窒素沈着の期間を評価する必要があります。

短期的には、窒素の沈着は土壌の生物呼吸を促進することで多くの森林に利益をもたらす可能性があります。しかし、長期にわたる窒素沈着の影響により、窒素は徐々に植物や土壌に蓄積されます。窒素が臨界点に達すると、悪影響が生じ、最終的に土壌呼吸が弱まります。

少量および中程度の窒素沈着は生物の成長に有益であるものの、土壌呼吸による炭素排出も促進するようです。逆に、過剰な窒素の沈着は生物の成長を阻害するだけでなく、土壌からの炭素の排出も遅くします。

窒素を使って炭素を調節する：13年間の実験

窒素沈着の期間と状態は森林の炭素排出量に影響を与えるため、極端な条件下での森林の反応（長期窒素沈着環境下における窒素豊富な森林からの土壌炭素排出量）を見てみましょう。

広東省頂湖山国家森林観測所で実施された13年間の窒素沈着シミュレーション研究により、この疑問の答えが得られました。

窒素沈着をシミュレートするためのフィールド制御テストプラットフォーム（画像出典：著者による自作）

長期的な窒素沈着をシミュレートすると、窒素を豊富に含む森林の土壌呼吸は「変化なし-減少-変化なし」の3段階の反応を示しました。

第一段階では、窒素が土壌に沈着した後、土壌の物理的および化学的性質が最初に変化します。これは主に、土壌無機窒素濃度の増加、土壌窒素の鉱化と硝化の促進、窒素の浸出と損失の発生に反映されています。

対照的に、植物群集構造（多様性、豊かさ、細根バイオマスなど）と土壌微生物群集構成（細菌および真菌バイオマスなど）はあまり変化しませんでした。したがって、土壌微生物の嫌気呼吸と植物根の独立栄養呼吸には大きな変化はありませんでした。

これは、窒素が豊富な森林に対する早期の窒素沈着の影響は大きくないことを示しています。

窒素沈着が土壌に与える影響（画像出典：著者自作）

しかし、何事にも限界はあります。第二段階に入ると、植物や微生物は「不快感」を感じ始めます。

土壌窒素の鉱化と硝化の速度が弱まり始め、土壌窒素の供給が生態系の窒素需要を上回った可能性があることを示しました。窒素の沈着は森林土壌の酸性化を悪化させ、植物の豊かさの減少、多様性の低下、植物の光合成生理機能の損傷、植物の地下細根のバイオマスの減少、根の呼吸の弱まり、根の死滅の増加など、一連の「副作用」を引き起こします。

同時に、地中の微生物も減少し、炭素を分解する微生物の働きが弱まり、微生物の呼吸も阻害されました。

この段階では、土壌の総呼吸速度と炭素排出速度が大幅に減少しました。

森林の劣化（画像提供：Veer Gallery）

驚くべきことに、窒素堆積のこの「副作用」は永久に続くことはなく、森林は「反撃」を始めました。

第三段階に入っても、森林の植物や微生物は「座して死を待つ」ことはしませんでした。長期にわたる高窒素と酸性化という厳しい環境下で、徐々に群落構成が調整され、いくつかの新しいブドウの木と微生物群が出現しました。最も適応力のある者が生き残り、適応力のない者は排除された。

この段階では、植物の細根バイオマスと土壌微生物バイオマスは大規模な減少を示さなくなり、森林土壌呼吸と炭素排出率は安定状態に戻ります。

植物と微生物は後期に適応して呼吸速度を回復しましたが、土壌炭素排出量は実験全体を通じて 6.53～9.06 Mg CO2 ha-1 減少しました。土壌呼吸の減少は気候変動を緩和するのに「良い」ことのように思えるかもしれないが、これは生物の成長と生物多様性の減少を犠牲にして起こる。

実際、大気中の窒素沈着と土壌の酸性化は今も続いています。次の段階で森林にどのような変化が起こるかは不明であり、研究者たちは今もその答えを模索している。

シミュレーションによる窒素沈着が森林土壌呼吸に与える影響（画像出典：文献[11,12]）

この 13 年間にわたる窒素沈着の模擬実験は、森林の窒素が炭素をどのように調節するかについて物語るだけでなく、植物や微生物が逆境の中でどのように生き残るかについても説明しています。

「デュアルカーボン」戦略を背景に私たちは何をすべきでしょうか？

現在、国の経済と社会の急速な発展は、生態環境に一定の影響を及ぼすことは避けられません。経済発展と環境保護の両立をどのように図るかは、今後検討すべき重要な課題の一つです。

「デュアルカーボン」戦略目標は、持続可能な開発を促進するという本質的な要件に基づいて提案されており、人類共通の未来を持つコミュニティを構築する責任でもあります。今世紀末までに、産業革命前の水準と比較して地球表面温度の上昇を2度以内に抑えることが目的です。

世界では毎年約510億トンの温室効果ガスが大気中に排出されています。地球温暖化による異常気象による災害を回避するために、人類は大気中への温室効果ガスの排出を削減し、できるだけ早く排出量実質ゼロを達成する必要があります。

人為的な炭素排出量を削減するだけでなく、人為的な活動によって引き起こされる窒素沈着汚染を合理的に制御することも必要です。窒素沈着は、一定期間にわたって森林土壌からの炭素排出を遅らせるのに役立つかもしれませんが、長期的な窒素沈着の副作用、特に土壌の酸性化、植物の成長低下、生物多様性の低下を無視することはできません。これらの変化は、最終的には森林の炭素吸収機能を弱めることになります。

結論

人間の活動とそれが引き起こす地球環境の変化（地球温暖化、窒素沈着の増加、干ばつ、異常気象など）が、自然生態系に一連の影響を及ぼし、生態系の劣化を悪化させていることは否定できません。

自然に基づく解決策を積極的に提唱し、自然の力と生態系に基づくアプローチに頼り、山、川、森林、野原、湖、草原、砂漠の総合的な保護と修復を推進し、生態系の質と安定性を向上させ、自然生態系と変化した生態系を保護、管理、修復するための活動を強化することは、将来の社会的、経済的、環境的課題に効果的に対応する重要な手段です。

自然ベースのソリューション（画像出典：参考文献[3]）

参考文献:

1.白永秀、魯能、李双源。二重炭素目標の背景、課題、機会、および実施経路。中国経済評論、2021年10-13頁。

2. 寧静。自然ベースのソリューションに関する世界標準の中国語版と中国の実践の典型例が発表されました。中国天然資源ニュース、2021：001。

3. 自然に基づく解決策に関する IUCN 世界基準: 自然に基づく解決策の検討、設計、推進のための枠組み: 初版。

4. Ackerman, D.、Millet, DB、Chen, X. 40 年間にわたる無機窒素沈着量の全球推定値。地球規模の生物地球化学サイクル、2019：100–107。

5. パリ協定の採択 FCCC/CP/2015/L.9/Rev.1、UNFCC、2015年。

6. Chen, C.、Xiao, WY、Chen, HYH 窒素沈着下における地球規模の土壌酸性化のマッピング。地球変動生物学、2023：4652-4661。

7. Galloway, JN, Bleeker, A., Erisman, JW 人間による反応性窒素の創造と利用：世界的および地域的な観点。環境と資源の年次レビュー、2021：255-288。

8. ハリス、ニュージャージー州、ギブス、DA、バッチーニ、A.、他。 21 世紀の森林炭素フラックスの世界地図。ネイチャー気候変動、2021：234–240。

9. IPCC気候変動と土地に関する特別報告書（シュクラ、PR他編）、IPCC、2019年。

10. ユウ、GR、ジア、YL、ヘ、NP、他。過去 10 年間における中国における大気中の窒素沈着の安定化。ネイチャージオサイエンス、2019：424–429。

11. Zheng, MH, Zhang, T., Luo, YQ, et al.長期窒素沈着下の熱帯林における土壌炭素放出の時間的パターン。ネイチャージオサイエンス、2022：1002-1010。

12. Zheng, MH, Mo, JM 窒素沈着に応じた熱帯林の土壌呼吸の段階的変化。ネイチャージオサイエンス、2022：965-966。

制作：中国科学普及協会

著者: 鄭綿海 (中国科学院華南植物園) プロデューサー: 中国科学博覧会

この記事は著者の見解のみを表しており、中国科学博覧会の立場を代表するものではありません。

この記事は中国科学博覧会（kepubolan）に最初に掲載されました。

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