[M-IS14] 生物地球化学

[MIS14-P03] 土壌から放出される一酸化二窒素の三酸素同位体異常定量

*中川 書子¹、黄 天政¹、角皆 潤¹、丁 瑋天¹、伊藤 昌稚¹、Kim Yongwon² (1.名古屋大学 大学院環境学研究科、2.アラスカ大学フェアバンクス校 国際北極圏研究センター)

キーワード：一酸化二窒素、三酸素同位体組成、硝化、脱窒、土壌

一酸化二窒素(N₂O) は、二酸化炭素、メタンに次ぐ長寿命温室効果気体であり、最も主要な成層圏オゾン破壊物質である。N₂Oは、主に土壌や海洋中の微生物活動（硝化や脱窒など）によって生成され、大気へと放出される。特に、農地や森林域などの土壌環境より放出されるN₂O放出量は、全N₂O放出量の5〜7割程度を占める。そのため、土壌からのN₂O放出量を削減する上でも土壌環境内におけるN₂Oの生成メカニズムを把握したり、その変化を検出することは極めて重要である。N₂Oの生成メカニズムを把握する指標として、N₂Oの同位体比(δ¹⁵N, δ¹⁸O)が古くから活用されてきた。しかし、土壌環境中ではN₂Oの生成と同時に分解が進行するため、その同位体比は生成過程以外に、分解反応で進行する同位体分別も同時に反映して変化するため、生成過程を正確に把握することは容易ではなかった。

大気中のN₂Oは、+0.9‰程度の正の三酸素同位体異常(Δ¹⁷O = δ¹⁷O – 0.52 × δ¹⁸O)、すなわち¹⁶Oおよび¹⁸Oの存在量に対する¹⁷Oの相対過剰値を示すことが知られている。硝化反応で生成したN₂Oであれば、そのO原子は大気中の酸素分子(O₂:Δ¹⁷O = – 0.4‰)を起源としており、一方、脱窒反応で生成したN₂Oであれば、そのO原子は硝酸(NO₃^-:Δ¹⁷O> 0‰)もしくは水(H₂O:Δ¹⁷O = 0‰)を起源とすることから、Δ¹⁷O値からN₂Oの生成過程を解明できる可能性がある。特に、Δ¹⁷O値なら分解反応における同位体分別が無視出来るので、ここからN₂O中のO原子の起源を明らかにして、硝化反応と脱窒反応の寄与率(混合比)を求めることが出来る可能性もある。ただし、これを実現するには、N₂OのΔ¹⁷O値を高精度で定量する必要がある。

そこで、本研究では、岐阜県や愛知県の森林域や三重県の茶畑より放出されるN₂OのΔ¹⁷O値を定量し、放出されるN₂Oの生成メカニズムを考察した。なお、高精度なΔ¹⁷O値測定を実現するには、100 nmol以上のN₂Oが必要である。そこで、岐阜県の森林域では積雪中に蓄積された土壌N₂Oを集めて分析した。愛知県や三重県ではフロー式チャンバー（内容量：約30 L, 流速：200 ml/min）を使って土壌より放出されたN₂Oを20分間以上かけて集めて分析した。分析には連続フロー型質量分析計を用い、Δ¹⁷O値を複数回測定した。

その結果、森林域ではN₂OのΔ¹⁷O値がO₂と同程度のΔ¹⁷O値を示したことから、N₂Oが主に硝化によって生成されていることが確認できた。また、茶畑では、N₂OのΔ¹⁷O値がO₂より有意に高い値を示したことから、脱窒と硝化の両反応よりN₂Oが生成されていることが確認できた。さらに、降雨時になるとN₂OのΔ¹⁷O値が有意に高くなる傾向が観測され、脱窒反応など降水中のNO₃^-の影響を受けてΔ¹⁷O値が高くなっていることが分かった。降水によって、大気から土壌環境中へのO₂の供給が弱くなり、脱窒反応に適した還元環境が増えたことが原因として考えられる。また、降雨時は、土壌中のNO₃^-のΔ¹⁷O値が大きくなり、脱窒反応が検出しやすくなったことも原因として考えられる。