博 士 （ 農 学 ） フ ァ ル ザ ー ナ デ イ ー バ 学 位 論 文 題 名
Effect of soil aggregate on nitrous oxide production from different soils
（ 異 なる 土壌 にお ける 亜酸化 窒素 の生 成に 対す る土 壌構 造の 影響 ）
学位論文 内容の要旨
Introduction
In the last few decades there has been an increase in the emission of greenhouse gases (GHGs, carbon dioxide (C02), methane (CH4) and nitrous oxide (N20). Soilis an important source and sink of GHGs. Properties and environmental factors of soil such as moisture content, temperature, pH, organic matter, 02 status and the capacity of soil to supply available N, influence N20 release from soil. Soil aggregates play an important role in both water retentivity and permeability, which influence biological processes. Managed giasslands are maj.or contributors to the biosphere‑atmosphere exchange of these three gases, with fluxes closely linked to management practices and soil types. Moreover, manure application increase GHGs especially N20 has also been rqported. Therefore, the present study of laboratory incubation was carried out to determine the effect of aggregate size, moisture content, fertilizer management on N20 and COz production in three grassland soils with different texture.
Materials and Methods
Soil samples were taken from the mineral soillayer Oust below the root mat) in the thickness of about 10 cm in three grasslands of Shizunai, Shintoku and Hamatonbetsu. Shizunai soil was a volcanogeneous sandy soil and was sampled from both chemical fertilizer and manure applied fields. Shintoku soil was a volcanogeneous light clay soil and was sampled from mainly chemical fertilizer applied field.
Hamatonbetsu soil was a grey upland clay loam soil and was sampled from also mainly chemical fertilizer applied field. Afier air dry of those soil samples, they were gently ground by hand to pass through a sieve, aggregate samples with the sizes of 2mm and 4.5mm were prepared. A 20 g dry basis soil sample, afier adjusting the soil moisture content of 60% and 80% of field water capacity (FWC), was loosely packed in an 80 ml plastic cup into a l.8 L of Mason jar. The jar was sealed tightly and incubated at 20 0C for 24 hours, Air samples were taken from the head space of the jar and concentrations of C02, N20 and nitric oxide (NO) were analyzed by an infra‑red C02 analyzer, a gas chromatograph with ECD and NOx analyzer, respectively. NO was measured, because N20‑N/NO‑N is an indicator of nitrification and denitrification Production rate of each gas was calculated from the difference between initial and final gas concentrations in the 24 hour incubation. Initial gas concentration was measured just before incubation using a blank jar. Jncubation was conducted for 9 days at three replicates. Before and after incubation, the concentrations of water extractable organic carbon (WEOC), NH4+‑N and N03 ‑N and soil pH, total C and total N were analyzed. Soil microbial biomass C (MBC) before incubation and potential denitrification enzyme activity (DEA) after incubation were also analyzed. All analyses were conducted with three replicates. N mineralization and WEOC consumption were estimated from the difference of concentrations of mineral N and WEOC between before and after incubation, respectively.
Results and Discussion
1) In all samples, chemical properties, especially WEOC and NH4+‑N, changed immediately after adding the water, and this situation continued tbroughout the incubation process. Following the start of incubation, a flush of N20 was observed, and similar flushes of C02 and NO were observed. Coarse textured Shizunai soil showed larger change in chemical properties and the flushes of the gases compared to the fine textured Sbintoku and Hamatonbetsu soils.
2) Larger aggregates of all soils showed higher values of chemical properties, especially WEOC, MBC, NH4+‑N and N03 ‑N, and higher productions of N20, C02 and NO compared to smaller aggregates. The higher amount of MBC in larger aggregates induced higher decomposition of organic matter, resulting in greater N20, C02 and NO productions, WEOC consumption and N mineralization .
―311ー
3) There was a tendency that soils in higher moisture content showed much higher chemical properties and much higher gases productions. MBC and DEA were enhanced by higher moisture, leading increase of WEOC consumption. There was no significant difference in N mineralization between moisture contents in fine textured soils, while in coarse aggregated soils, higher soil moisture stimulated N mineralization significantly.
4) Increase of N03 ‑N content afier incubation indicates that the consumption of N03 ‑N by denitrification was slower than the production of N03 ‑N fiom nitrification. Comparing among the chemical fertilizer applied soils, NH4+‑N increased in all the soils, but the tendency of change in N03 ‑ N was different among three soils. Regardless of soil moisture, N03 ‑N decreased in coarse textured Shizunai soil, while N03 ‑N increased in fine textured Hmatonbetsu soil. In case of finest textured Shintoku soil, N03 ‑N decreased in 60% of FWC, but N03 ‑N increased in 80% of FWC. It seemed tbat increase of moisture content stimulated nitrification in fine textured soil.
5) Manure application stimulated N20, COz and NO productions, WEOC consumption and N mineralization significantly. In the manure applied Shizunai soil, NH4+‑N and N03 ‑N increased during the incubation, while NH4+‑N increased but N03 ‑N decreased in the chemical fertilizer applied soil.
Manure application stimulated nitrification, leading more denitrification.
6) Microbial biomass carbon was higher in fine textured soil. Coarse textured Shizunai soil showed that MBC correlated with N mineralization, WEOC consumption and DEA significantly. This suggests that the suitabIe aeration of this coarse textured soil enhanced organic matfer decomposition, and the soil was able to quickly develop the condition suitable for denitrification after moistening. These led that the soil produced more N20 immediately compared to other fine textured soils. On the other hand, in fine textured Sbintoku and Hamatonbetsu soils, MBC did not correlated with N mineralization, although MBC correlated with WEOC consumption and DEA significantly. This suggests that the fine textured soils could not produce enough N03 ‑N for denitrification due to poor aeration of the soils in spite of high content of MBC. Furthermore, fine textured soils made the diffusion speed of N03 ‑N slow. Those reduced N20 production.
7) Fine textured soils and coarse textured soil with lower soil moisture showed that C02 production was greater than WEOC consumption This indicated that WEOC was consumed by mainly decomposition.
The coarse textured soil in 80 % of FWC showed greater WEOC consumption than C02production and. greater aggjegate size stimulated it. This indicated that WEOC was consumed not only by decomposition but also by assimilation. These findings suggest that microbial activity and biomass increased in the condition of well aeration and higher moisture, leading well N transformation but high N20 production.
8) The process (nitrification/ denitrification) of N20 production during incubation were different among these soils. It is well Imown that N20‑N/NO‑N ratio is less than l in nitrification, while the ratio is greater than 100 in denitrification In fine textured Shintoku and Hamatonbetsu soil, N20‑N/NO‑N ratio mostly ranged between 0.01‑1 in 60% of FWC and l‑ 100 in 80 % of FWC and the N20 production rate increased with an increase of N20‑N/NO‑N ratio from 0.01 t0 1 in 60% of FWC and with a decrease of the ratio from 100 t0 1. These findings indicated that the Nzo production was derived from mainly nitrification. On the other hand, in the coarse textured Shizunai, N20‑N/NO‑N ratio ranged between l‑
100 in both 60% and 80 % of FWC. However, the relationship between the ratio and N20 production rate was different. In the 60 % of FWC, the Nzo production rate increased with a decrease of N20‑
N/NO‑N ratio, indication the process was mainly nitrification. In the 80 % of FWC, the N20 production rate increased with an increase of N20‑N/NO‑N ratio, indicating the process was mainly denitrification.
Conclusion
This study revealed that l)Larger aggregate and higher moisture content produced more Nz0, C02 and NO production; 2) Moistening induced strong effect on the flushes of the gases; 3) Soil texture determining pore size distribution was significant controlling factor for gases productions; which regulates aeration (02 diffusion), affecting microbial biomass and activities as organic matter decomposition, nitrification and denitrification; 4) Coarse textured soil with high moisture produced more N20 through denitrification compared to fine textured soil, however, it produced more mineral N, COz and consumed more WEOC; 5) Larger aggregate and manure application enhanced them.
―
312 ‑
学位論文審査の要旨 主査 副査
副査
教授 教授 客員教授
波多野 石黒 信濃
学 位 論 文 題 名
隆介 宗秀 卓郎
Effect of soil aggregate on nitrous oxide production from di 任erentsoils
（異なる土壌における亜酸化窒素の生成に対する土壌構造の影響）
本 論 文 は 英 文
121
頁 ， 図47
， 表15
，5
章 か ら な り ， 参 考 論 文1
編 が 付 さ れ て い る ， 最 近 の 数 十 年 間 ， 温 室 効 果 ガ ス(GHGs
； 二 酸 化 炭 素(C02)
， メ タ ン(CH4)
， 亜 酸 化 窒 素(N20)
） の 放 出 は 増 加 し 続 け てい る 。土 壌は ，GHGs
の重 要 なソ ース お よび シン ク であ る。水 分 ， 地 温 ，
pH
， 有 機 物 ， 酸 素 状 態 ， 供 給 さ れ た 利 用 可 能 窒 素 に 対 す る 容 量 な ど の 土 壌 の 特 性 や 環 境 要 因 は ， 土 壌 か ら のN20
放 出 に 影 響 を 与 え る 。 土 壌 団 粒 は， 水 分保 持と 透 水 性 の 両 方 に お い て 重 要 な 役 割 を 担 い ， 生 物 学 的プ ロ セス に影 響 を与 える 。 さら に，堆 肥 の 施 与 は
GHGs
放 出 ， 特 にNz0
放 出 を 促 進 す る こ と が 報 告 さ れ て い る 。そ の ため ，団 粒 サ イ ズ ， 土 壌 水 分 ， 施 肥 処 理 がN20
とC02
生 成 に 与え る 影響 を明 ら かに する た め， 土性 の 異 な る 土 壌 を 用 い て 培 養 実 験 を お こ な っ た 。土 壌 試 料 は ， 静 内 ， 新 得 ， 浜 頓 別 の
3
地 区 の 草 地 に お い て ル ー ト マ ッ ト直 下 の無 機質 土 壌 層 （ 約10cm)
か ら 採 取 し た 。 静 内 は 火 山 灰 由 来 の 粗 粒 な 砂 質 土 で ， 化学 肥 料で 管理 さ れ た 圃 場 と 堆 肥 で 管 理 さ れ た 圃 場 の 両 方 か ら 採 取し た 。新 得は ， 火山 灰由 来 の細 粒な 軽 埴 土 ， 浜 頓 別 は ， 灰 色 台 地 土 の 細 粒 な 埴 壌 土 で ，こ れ らは ，主 に 化学 肥料 で 管理 され た 圃 場 か ら 採 取 し た 。 土 壌 試 料 は 風 乾 後 ， 手 で 慎 重 に 細 か く し な が ら ふ るい を通 し ，2 mm
と4.5 mm
の 団 粒 を 調 整 し た 。 各 土 壌 団 粒 の 圃 場 容 水 量(FWC)
の60
％ と80
％ に 土 壌 水 分 を 調 整 し た あ と ， 乾 土 重20g
の 試 料 を80 mL
の プラ ス チッ ク製 容 器に 緩く 詰 め，1.8L
の ガラ ス瓶 に 入れ た。 瓶 を密 閉後 ，20
℃ で24時 間培 養し ， 瓶の ＾ッ ド スペ ース か ら採 取し た ガ ス 試 料 のC02
，N20
お よ ぴ 一 酸 化 窒 素(NO
） 濃 度 を そ れ ぞ れ 赤 外 線 ガ ス 分 析 計 ，ECD
付 き ガ ス ク ロ マ ト グ ラ フ ，NOx
分 析 計 で 測 定 し た 。NO
を 測 定 し た の は ，N20
−N/NO
−N
比 が 硝 化 と 脱 窒 の 指 標 と な る か ら で ある 。 各種 ガス の 生成 速度 は ，培 養24 時 間 に お け る 最 初 と 最 後 の ガ ス 濃 度 か ら 算 出 し た 。初 期 濃度 は， 培 養開 始時 に おけ るブ ラ ンク 瓶の 濃 度と した 。 培養 は9日 間，3
反復 で おこ なっ た 。培 養の 前 後で ，水 抽 出性 有機 態 炭 素(WEOC)
，NH4
゛ ーN
，N03
―N
， 土 壌pH
， 全 窒 素お よ ぴ全 炭素 を 測定 した 。 培養 前の 土 壌 微 生 物 バ イ オ マ ス(MBC)
と 培 養 後 の 脱 窒 活 性(DEA)
も そ れ ぞ れ3
反 復 で 測 定 し た 。 窒 素 無 機 化 とWEOC
消 費 は ， そ れ ぞ れ 培 養 前 後 の 無 機 態 窒 素 濃 度 ，WEOC
濃 度 の 変 化 量 か ら 求 め た 。全 試 料 で ， 化 学 性 ， 特 に
WEOC
とNH4
゛‑N
は 水 添 加 後 直 ち に 変 化 し ， そ れ は 培 養 期 間 中 持 続 し た 。 培 養 の 初 め にN20
の フ ラ ッ シ ュ が 観 測 され ，C02とNOに も同 様の フ ラッ シュ―
313
ーが 生 じ た 。粗 粒 な 静 内 土 壌で は ， 細 粒 な新 得 と 浜 頓 別土 壌 に 比 ベ ，よ り 大 き な 化 学性 の 変化と ガスの フラッ シュ が生じ た。
全 て の 土 壌 で ， 大 き な 団 粒 で ，
N20
，C02
，NO
生 成 量 は 大 き く ，WEOC
とMBC
，NH4
十 一N，N03―ーNは 高い値 を示し た。 高い土 壌水分 で，ガ ス生 成量は 大きく ，化学 性も高 い値を 示した 。堆肥 施与 は，ガ ス生成 量を有 意に 増加さ せた。培 養 後 に
N03
− −N
濃 度 が 上 昇 す る 場 合 と 低下 す る 場 合 が認 め ら れ た 。N03ー‑N
濃 度 が 上昇 す る 場 合 は， 脱 窒 に よ るN03
― ―N
消 費 が 硝 化 によ るN03−―N生成 を下回 ってい たこと を示 す 。 こ の こと を 化 学 肥 料 施与 区 の 結 果 で土 性 の 違 い を比 較 す る と ，NH4＋‑N
は全 ての 土 壌 で 上 昇し た が ，N03
− −N
変 化量 は 土 壌 に よっ て 異 な っ た。 土 壌 水 分 に 関わ ら ず ， 粗 粒な 静 内 土 で はN03― ーN
は 減 少し たが， 細粒 な浜頓 男I亅土で はN03−−Nは増 加し， 細粒な 新 得 土 で は，FWC60
％ でN03
− ―N
は 減 少，FWC80％ でN03
― −N
は 増加 し た 。 細 粒 土で は ， 土 壌 水 分 の 上 昇 が 硝 化 を 促 進 す る と 考 えら れ た 。 な お，N20
―N/NO
ーN
比 が1
以 下 では 硝 化，100
以 上で は 脱 窒 が 優勢 で あ る こ とが よ く 知 ら れてい る。こ の関 係から 見ても ，N20生 成 は ， 細 粒 な 新 得 と 浜 頓 別 で は い ず れ の 条 件 で も 硝 化 由 来 で あ った が ， 粗 粒 な 静内 土 では， 脱窒に 由来す るこ とが示 された 。粗 粒 な 静 内 土 で は ，
MBC
は 窒 素 無 機 化 量 ，WEOC
消 費 量 ，DEA
と 有 意 な 相 関 を 示 し た 。 一 方 ， 細 粒 な 新 得 と 浜 頓 別 土 で は ，MBC
はWEOC
消 費 量 とDEAと 有 意 な 相 関 を 示 し たが ， 窒 素 無 機化 量 と は 関 係 が認 め ら れ な かっ た 。 これら のこと は， 土壌は 水添加 後直ち に 有 機 物 分 解 と 窒 素 の 無 機 化 お よ び 脱 窒 に 適 し た 状 態 を 発 達 さ せる が ， 粗 粒 土 では 最 適 な 通 気 性が 硝 化 を 促 進 させ 脱 窒 に 十 分なN03
−―Nを 生 成 する の に 対 し ， 細粒 土 で は 通 気 性 が 悪 く 脱 窒 に 十 分 なN03
ー −N
を 生 成 で き を か っ た こ と を 示 し て い る 。本研究 で明 らかに なった ことは 次の通 りで ある。
1
） 大きな 団粒サ イズと 高い土壌水分は，N20
，C02
，NO
生 成を 促 進 す る 。2） 水 添 加 は， ガ ス のフ ラッシ ュを強 く誘 発する 。3）土性 は ， ガ ス 生成 を 制 御 す る 重要 な 要 因 で あり ， 通 気 性 を制 御 す る こ とで 土 壌 有 機 物 分解 ， 硝 化 ， 脱 窒 な ど 微 生 物 活 性 お よ び バ イ オマ ス に 影 響 を与 え る 。4
）高 い 土 壌 水 分 の粗 粒 土で は ， 細 粒 土に 比 べ る と ， 脱窒 に よ りN20
生 成 が 促進さ れる。5
） 大きな 団粒 サイズ と堆 肥施与 でそれ らはよ り促 進され る。以 上 の よ う に ， 本 研 究 は ， 土 壌 団 粒 が 土 壌 中 の 温 室 効 果 ガ ス生 成 に 強 く 影響 を 及 ば すこ と を 示 し たも の で あ り ， 土壌 か ら の 温 室効 果 ガ ス発生 の見積 もり 精度の 向上に 新しい 知見 を 与 え る もの で あ る 。 よ って 審 査 員 一 同は ，
Farzana Diba
が博 士（農 学） の学位 を受 けるの に十分 な資格 を有 するも のと認 めた．―
