農地の「ジャイアントパンダ」：ついに年齢が判明！

制作：中国科学普及協会

著者: 陳東風、李成宝（中国科学院南京土壌科学研究所）

プロデューサー: 中国科学博覧会

黒土は私たちにとっては見慣れたものです。土壌は地表にある有機物を含む鉱物粒子の集まりですが、黒土は有機物（炭素）を豊富に含み、灰黒色をしている土壌です。

黒土の最大の特徴は、豊富な有機炭素を含んでいることです。土壌層で最初に生成された有機炭素とその後の蓄積および進化を正確に測定できれば、土壌の形成年齢と進化速度を決定することができ、黒土資源の持続可能な利用と管理にとって大きな意義があります。それだけでなく、我が国の食糧安全保障の鍵となる黒土資源を効果的に保護することは、我が国の主要な穀倉地帯の建設にとって極めて重要です。

では、黒土中の有機物はどのように生成されるのでしょうか?生成された後、どのように蓄積され、進化し続けるのでしょうか?焦らずに、一緒に振り返りましょう。

黒土の年代測定？それはあなたが思っているよりも複雑です

土壌は極めて複雑な開放系であり、物質の交換、移動、変化などのプロセスが常に存在します。この複雑な物理的、化学的、生物学的特性により、土壌の形成年代を正確に定義することは非常に困難です。

土壌の年代をより正確に測定し判定するため、中国科学院南京土壌科学研究所と南京地理陸水学研究所の研究者らは、東北黒土地域の数十の断面を広範に調査し、黒土層の底境界下と深く埋まった黒土層に現れる炭素片を研究した。彼らはまた、滑らかな地形条件下で自然に形成された3つの黒土断面に対して炭素14とOSL年代測定を実施しました。

北東黒土地域の地形と地形図

（画像提供：中国科学院）

この研究を通じて、中国の科学者は黒土の年代を正確に定義するという難題を効果的に解決し、中国東北部の典型的な黒土地域における黒土形成の初期年代範囲が16.9～12.6千年前であり、これまで一般的に信じられていた前期・中期完新世（10～5千年前）よりもはるかに古いことを初めて明らかにした。

炭素14年代測定は放射性炭素年代測定であり、炭素14年代測定とも呼ばれます。炭素14の崩壊度合い（炭素14の半減期は5730年）に基づいてサンプルのおおよその年齢を計算する測定方法です。この方法は通常、古生物学的化石の年代を決定するために使用され、その年代範囲は 58 千年から 62 千年です。放射性炭素法は、第四紀の地質の年代を決定するための最も正確で、広く使用されている成熟した方法です。過去 5 万年にわたって、地質学、環境学、考古学の研究に広く使用されてきました。

OSL (光刺激ルミネッセンス) 年代測定と同位体年代測定は同じ原理に基づいています。つまり、総量、速度、時間の間には特定の機能的関係があります。合計金額と割合がわかれば、時間（数十年単位）がわかります。黄土、砂丘砂、古代の陶器の破片、急速に隆起した岩盤など、太陽光（自然光）に十分さらされた石英や長石などの鉱物を含む埋没地質体や考古学的サンプルは、ルミネセンス年代測定に使用できます。

研究者らは上記の2つの方法を用いて中国北東部の黒土を測定した。結果は、黒土層の基部のOSL年代（14～13.5千年）が炭素14年代（9～7千年）よりもはるかに古いことを示しました。このことから、OSL 年代は黒土中に最初に生成された有機炭素の年代を表しているのに対し、土壌全体 (後に蓄積された黒土層) の炭素 14 年代 (土壌有機炭素の平均保持時間) は黒土の形成年代を大幅に過小評価していると推測できます。

黒土プロファイル

（画像提供：中国科学院）

この推論は第四紀の地質環境の背景と一致しています。 OSL 年代は、後期氷河期温暖期 (約 14.7 - 12.7 千年前)に相当します。最終氷期極大期以降、この地域の気候はこの期間中に急速な温暖化と湿潤化を経験し、バイオマスが大幅に増加し、土壌有機物の累積的進化に好ましい条件が整いました。

これは埋もれた黒土層の年代からも確認されています。研究者らは、炭素14とOSL年代の大きな変化、土壌母材の堆積過程、地域の歴史的環境に基づき、黒土形成の新しいモデルである蓄積モデルを提唱した。このモデルでは、中国東北部の深層黒土層の形成は、有機物の蓄積と鉱物粘土の継続的な蓄積の複合効果の結果であると考えている。このモデルは、厚い黒土層の形成メカニズムを明らかにするだけでなく、土壌有機炭素炭素14年代が黒土の形成年代を大幅に過小評価する理由も説明します。

黒土中の有機物成分の炭素14年代とOSL年代の深度変化特性は黒土形成の蓄積パターンを明らかにする

（画像提供：中国科学院）

先進技術で黒土を守る

黒土中の有機物の蓄積と進化に関する正確な研究は、黒土を肥沃にし、土壌生産性を向上させる方法を明らかにするための効果的な方法となり、現在の土壌科学研究の第一の方向となるはずです。

2021年、中国科学院は「黒土穀倉」科学技術キャンペーンを立ち上げ、実施した。これは黒土有機物の蓄積と進化の法則を研究し、明らかにするための主要な取り組みである。このキャンペーンの中心は南京土壌科学研究所の研究チームです。

地域の黒土に肥料を与え、広範囲にわたって生産性を向上させる作業は非常に困難です。土壌有機物は、耕作地の本来の生産性を示す中核的な指標であり、黒土の質に影響を与える重要な要因です。

北東黒土地域の耕作地における土壌有機物含有量の空間分布図

（画像提供：中国科学院）

現在、有機肥料の施用量を増やす、緑肥を植える、わらを畑に戻す、肥沃な微生物剤を使用する、保全耕作などの方法はすべて、有機物を効果的に増やすことができますが、添加された有機物が土壌有機物に変換されるプロセスは非常に遅いです。

南京土壌科学研究所の研究チームは、スピードの問題を解決するために、黒土中の有機物含有量の急速かつ継続的な増加と健康な土壌の耕作について多くの調査と研究を行い、基本的に効果的な炭素増強肥沃な土壌技術システムを確立しました。

この技術システムは、総合的な農業技術措置を採用し、人糞、家畜糞、鶏糞から発酵させた農場有機肥料を可能な限り施用し、緑肥とわらを組み合わせて畑に戻し、バチルス・メガテリウムを含む微生物剤を施用して有機物の腐敗と分解を促進し、土壌腐植を形成し、黒土の有機物含有量を増加させます。また、深耕、転覆、すき込みなどの耕作措置を採用し、黒土を効果的に肥沃にし、土壌生産性を向上させるための技術的サポートを提供します。

畑の堆肥

（写真提供：Veer Gallery）

黒土がますます薄く、硬くなっている問題に対応するため、国家科学技術戦闘チームは現在、空地一体型の監視と早期警戒の研究を展開し、黒土生産におけるインテリジェント化操作の実現を加速させている。

土地の耕作、作物の播種と植え付け、施肥は現在自動化され、無人化されています。衛星測位により、スマート除草機は畑の作物から雑草を正確に除去し、除草作業を機械化することができます。これにより、除草剤の使用による汚染が排除され、耕作地の環境が保護されます。

新世代の無人インテリジェント農業機械

（写真提供：新華社通信）

さらに、科学研究者は土壌劣化抑制技術の研究開発を継続的に実施しており、黒土地帯に防風林を総合的に計画・構築し、風の強い丘陵や斜面に多年生牧草を植えて土壌浸食や土壌・水の損失を防ぎ、有機物の蓄積と黒土層の保護に重要な役割を果たしています。黒土の総合的な保護と利用を実現するためには、農村振興と農業近代化の切実なニーズに応えるために、各種の知能化農業・管理機械を積極的に開発する必要がある。

結論

中国東北部の黒土地域では、深層土壌がすべて黒色であり、これは黒土に有機炭素が豊富に含まれていることを示す強力な証拠です。黒土の年代を正確に測定し、蓄積モデルを提案することは、黒土資源の形成過程やメカニズムを理解し、黒土資源の持続可能性を評価し、土壌の年代を決定する上で大きな意義があります。黒土中の有機炭素の蓄積と進化を理解し、一般土壌の有機炭素含有量を一般黒土レベルまで高める技術の開発に取り組めば、土壌炭素プールの容量が大幅に増加すると考えられます。これは、我が国の「デュアルカーボン」目標の早期実現を促進し、間違いなく地球規模の気候変動に大きく貢献することになるだろう。

参考文献:

[1]中国科学院南京土壌科学研究所編、1978年、『中国の土壌』、サイエンス・プレス。

[2]張G.、龍H.、楊F.（2023）。黒土の形成時期を理解する。イノベーション地球科学1(1), 100010