博 士 （ 農 学 ） 木 志 堅
学位論文題名
Evaluation of net greenhouse gas budget in various upland crop fields in central Hokkaido ， Japan （道央におけるさまざまな畑地からの温室効果ガス収支の評価）
学位論文内容の要旨
二 酸化 炭素(C02)、メタン(CH4)、亜酸化窒素(N20)は地球温暖化にそれぞれ 60％、20％、6％寄与する温室効果ガスである(IPCC 2001）。土壌からはそれら温室効 果ガスが有機物分解、硝酸化成、脱窒を通して放出される。畑地からは主にC02と N20が放出されることが知られている。ただし、それらの放出には、土壌の性質、気 象、施肥、耕うんなど多くの因子が関与している。そのため、土壌からの温室効果ガ スの放出は大きな時空間変動が生じることになる。地域レベルでの放出量を見積り、
放出量を抑制する管理を行うためには、放出を支配する因子を定量的に評価する 必要がある。
本研究では、三笠の幾春別川流域（3 0krri2)の一般農家の11の畑地で、2003か ら2005年の3カ年、無積雪期の4月から11月に2、3週間に1回チャンバー法で温室効 果ガスの放出量を測定した。地温(5cm)、土壌水分(0‑5cm)を同時に測定した。また 土壌0‑5cmの一般理化学性を分析した。CH4、N20放出は植物を刈り取り、その直後 に測定した。土壌有機物の分解によるC02放出量を得るため、それぞれの圃場に裸 地区を設けて測定した。土壌の炭素隔離量は作物残渣と堆肥として投入された炭素 と有機物分解により失われた炭素量の差として求めた。純温室効果ガス放出量は温 暖 化指 数に よりC02換 算し たN20お よびCH4放 出量 の合 計か ら土 壌の 炭素 隔離量 を 差し 引い て求 めた 。温暖化指数はIPCC (2001)が推奨する百年換算値を用いた (C02を1として、CH4で23、N20で296)
有 機物 分 解 を 通 して 生じ た無 積雪 期の 積算C02放 出量 は1159か ら7349 kgC ha‑lであった。残渣炭素量は全ての地点、全ての年次でC02放出量より少なかった。
土壌 の炭 素隔離量は堆肥を投入した1箇所のコムギ畑のみ正(4901 kgCha‑l）であ ったが、他はすべて負となり(‑7349から‑785 kgCha‑l)、土壌から炭素が失われてい ることを示していた。
土壌からのC02フラックスと地温および土壌水分の関係は土壌により異なった。
積算C02放出量は土壌の粘土十シルト含量の2次関数で有意に表され（pく0.0005)、
粘 土 十 シル ト 含 量が63％ 以下 では積 算C02放 出量 は粘 土十 シルト 含量 の増 加に 伴って増加したが、粘土十シルト含量が63％以上では積算C02放出量は低下した。
粘土 とシ ルト は土壌 構造 を安 定化 させ る。 土壌 構造 の安 定化 は地温と土壌水分 の変 動を 抑制 し、微 生物 を土 壌動 物の 捕食 から 保護 する こと が知られている。
こ の こ とが 粘 土 十 シ ル ト 含 量 の 増 加 に 伴 い 積 算C02放 出 量 を 増 加 さ せ た 理由 だと 思わ れる 。一方 、粘 土と シル トは 有機 物と 複合 体を 形成 し固定され、微生 物に よる 有機 物分解 を阻 害す るこ とも 知ら れて いる 。こ のこ とが粘土十シルト 含 量 が 63％ 以 上 で 積 算 C02放 出 量 が 低 下 し た 原 因 だ と 思 わ れ た 。
すべての地点はN20の発生源だった。N20フラックスは施肥後あるいは収穫期 の降雨時にピークを示した。積算N20放出量は0.15から7.05 kgNha‥，であり化学肥 料施与量の0133から5.09％であった。
N20フラックスは窒素施与とともに有機物分解に伴う窒素の無機化に由来する ものが知られている。本研究では、窒素無機化量を積算C02放出量をCN比で除して 推 定し た。 積算N20放出量と化学肥料窒素施与量との間には明瞭な関係は無かっ たp冫0.4)。しかし、粘土含量が最高の1地点を除き、積算N20放出量は有意に窒素 無機化量と関係が認められpく0.001)、化学肥料窒素と窒素無機化量の合計（これ を土壌無機態窒素プールと呼ぶ）にも有意な関係が認められた（pく0.001)。さまざま な気候、土壌、栽培法で得られた年間のN20とC02放出の文献値を用いて解析した 結果はN20放出と土壌無機態窒素プールに有意な関係を示した。このことは、環境 因子を用いてC02放出量を推定することによりN20放出量を推定できることを示して いる。
純 温室 効果 ガス 放出 量は 堆肥 が投入 されたコムギ畑のみ負の値を示し、温 室 効果 ガス の吸 収源 であ った が、 それ以 外は全て正の値を示し排出源であるこ と を示 して いた 。C02放出 は純 温室 効果 ガス放出量の47％から99％を占め、N20 放 出は1％か ら53％Iを占 めた 。CH4放出 の寄 与は 無視 でき るほ ど小さ かった。
以 上 の 結 果 は 以 下 の よ う に 要 約 さ れ る 。1） 畑 地 で はC02放出 とN20放出 が主 要な温 室効 果ガ ス放 出で あっ た。2）土 壌の 炭素 隔離 は堆 肥施 与が ない場 合 負で あ っ た 。3）N20放 出は 化学 肥料 窒素 とと もに 有機 物分 解に 伴う窒 素放 出 に有 意 に 影 響 を 受 け て い た 。4）C02放 出 量 は 土 性 に依 存し てい た。5）し た がっ て 圃 場 レ ベ ル の 温 室効 果ガ ス放 出の 測定 値を 地域 レベ ルへ の拡大 に土 性と 化学肥 料施 肥量 を用 いる こと が有 効で ある 。
学 位論文審査の要旨 主査
副査 副査 副査
教授 教授 教授 准教授
波多野 長谷川 平野 中原
隆介 周一 高司 治
学位論文題名
Evaluation of net greenhouse gas budget in various upland crop fields in central Hokkaido ， Japan （道央におけるさまざまな畑地からの温室効果ガス収支の評価）
本 論 文 は 11章 か ら な り 図18、 表16、 引 用 文 献265を 含 む133ぺ ー ジ の 英 文 論 文 で あり 、 他 に 参考 論 文3編 が 添 えら れ て いる 。
農 地 土 壌 から の 温 室効 果 ガ ス（ 二酸 化炭素(C02)、メ タン(CH4)、亜酸 化窒素 （N20） ）の 放 出は 、 土 壌 微生 物 の 反応 に 伴 い生 じ る が、 土 壌 の性 質 、 気象 、施肥、 耕うんな ど多く の 因 子 が 関 与 し 、 大 き な 時 空 間変 動 が 生じ る 。 農地 土 壌 から の 温 室 効果 ガ ス 放出 を 抑 制す る た め に は 、 正 確 な 放 出 量 の見 積 り がま ず 必 要で あ り 、放 出 を 支 配す る 因 子を 定 量 的に 評 価す る 必 要 があ る 。 本研 究 は 、畑 地 に おけ る 温 室効 果 ガ スの 収支を見 積り、流 域レベ ル で の評 価 に 結 ぴっ け よ うと し た もの で あ る。
三 笠 の 幾 峻別 川 流 域(3 0krr12)の 一般 農 家 の11の 畑 地で 、2003か ら2005年 の3カ年 、 無 積 雪 期 の4月 か ら11月 に2、3週 間 に1回 チ ャ ン バ ー 法 で 温 室 効 果 ガ ス の 放 出 量 の 測 定 を 行 い 、 同 時 に 地 温(5cm)、 土 壌 水 分(0‑5cm)を 測 定 し た 。 ま た 土壌0‑5cmの 一般 理 化 学性 を 分 析 し た 。CH4、N20放 出 は 植物 を 刈 り取 り 、 その 直 後 に 測定 し た 。土 壌 有 機物 の 分 解 に よ るC02放 出 量 を 得 る た め 、 そ れ ぞ れ の 圃 場 に 裸 地 区 を 設 け て測 定 し た。 土 壌 の炭 素 隔 離 量 は 作 物 残 渣 と 堆 肥 と して 投 入 され た 炭 素と 有 機 物分 解 に よ り失 わ れ た炭 素 量 の差 と し て 求 め た 。 純 温 室 効 果 ガ ス 放 出 量 は 温 暖 化 指 数 に よりC02換算 し たN20お よびCH4放 出 量 の 合 計 か ら 土 壌 の 炭 素 隔 離 量 を 差 し 引 い て 求 め た 。温 暖 化 指 数はIPCC (2001)が 推 奨 す る 百 年 換 算 値 を 用 い た (C02を 1と し て 、 CH4で 23、 N20で 296)。 有 機 物 分 解を 通 し て生 じ た 無積 雪 期 の積 算C02放 出 量は1159か ら7349 kgCha‑1で あり 、 土 壌 の 炭 素 隔 離 量 は 堆 肥 を 投入 し た1箇 所 の コム ギ 畑 のみ 正(4901 kgCha")で あっ た が 、 他 はす べ て 負 とな り(‑7349か ら‑785 kgCha‑1)、 土壌 か ら 炭素 が 失 われ て い るこ と を 示し た 。
積 算C02放 出 量 は 土 壌 の 粘 土 十シ ル ト 含量 の2次関 数 で 有 意に 表 さ れ（pく0.0005)、 粘 土 十 シ ル ト 含 量 が63％ 以 下 で は 積 算C02放 出 量 は 粘 土 十 シ ル ト 含 量 の 増 加 に 伴 っ て
増 加したが、 粘土十シ ルト含量 が63％以上 では積算C02放出量は 低下するこ とを示し た 。 この こ と は、 粘 土と シル トによる 土壌構造 の安定化 に伴う水 分保持能の 増加が 有 機 物分 解 を 良好 に する 効果 と、粘土 とシルト が有機物 と複合体 を形成し有 機物分 解 か ら保 護 す る効 果 が現 れた ものと考 察した。 さらに気 温、降水 量を加えて 重回帰 分 析 を行 う と より 有 意水 準の 高い関係 を認めた 。土壌の 炭素隔離 量は堆肥を 投入し た畑を除きやはり粘土十シルト含量と有意な関係を認めた。
生 育期間の積 算N20放出量は0.15から7.05 kgNha‑lであり化学肥料施与量の0.33から 5.09％であったことを示した。N20放出は窒素施与とともに有機物分解に伴う窒素の無機 化 に由来する ものが知 られている。積算N20放出量と化学肥料窒素施与量との間には明 瞭な関係は無かったp冫0．4）。窒素無機化量をC02放出量を土壌のCN比で除して推定し たところ、1地点を除き、積算N20放出量と窒素無機化量の問には有意な関係が認められ たゆく0.001)。さらに化学肥料窒素と窒素無機化量の合計の土壌無機態窒素プールも、
積算N20放出量と有意な関係が認められた￠く0.002)。さらに、さまざまな気候、土壌、栽 培 法で得られ た年間のN20とC02放出量の文献値を加えたところ、N20放出と土壌無機態 窒素プールは同様の有意な関係を示すことを認めた。このことから、環境因子を用いて C02放 出 量 を推 定 す るこ と によ りNz0放出 量 が統 一 的 に推 定 でき る こ とを 述 べ た。
堆 肥 が投 入 さ れた コ ムギ 畑 で のみ 純 温室 効 果 ガス 放 出 量が 負 とな り 温 室効 果 ガ ス の 吸収 源 で ある こ とが 示さ れた。そ れ以外の 圃場では 純温室効 果ガス放出 量は全 て 正 の値 と な り、 温 室効 果ガ スの排出 源であり 、堆肥施 与の効果 が大きいこ とを示 し た 。CH4の放 出 量 は無 視 でき る ほ ど小 さ く、 土 壌 の炭 素 隔離 量 とN20放 出 が 主要 因 子 であ る こ とを 認 めた 。堆 肥施与が ない場合 の純温室 効果ガス 放出量は、 作物に 関 係 なく 、 土 壌の 粘 土十 シル ト含量と 有意に回 帰され、 現状の管 理における 温室効 果 ガ ス放 出 量 は、 土 壌の 粘土 十シルト 含量に基 づき広域 に推定で きる可能性 を示し た。
このように、本論文は畑地からの温室効果ガス放出が気象、土壌、施肥に関わるパラメ ータにより関数化し、時空間変動を含む温室効果ガス放出の見積もり精度を向上させるこ とに寄与したものであり、関連学会においても高く評価されている。よって審査員一同は Jijian Muが 博 士 （ 農 学 ） の 学 位 を受 け るに 十 分 な資 格 を 有す る もの と 認 めた 。
