この話は、Ann Perry が執筆した USDA ARS の Ag Research Journal から来ています。いくつかの理由で興味深いです。第一に、土壌炭素とそれが土壌プロファイルのどこにあるかについて、私たちが知っていると思っていたことが疑問視されます。それはまた、行うのが難しい一種の科学を表しています。通常の「大学院生をシャベルとバケツを持って畑に送る」以上の特別な機器とサンプリング技術が必要であり、より一般的な安価な助成金では資金を調達できません。最後に、炭素がどこに貯蔵されているか、そしてそのプロセスをどのように改善できるかを理解することは、地球を冷やすことに関しては、農家や牧場主がスーパーヒーローになることができることを意味します.過去 3 年間はそれぞれ、記録上最もホットな年とされているため、これは大きな問題になる可能性があります。行くぞ、スーパーヒーロー！
何年もの間、多くの農学者は、かなりのレベルの土壌炭素が土壌表面近くにのみ蓄積すると信じていました.そのため、4 人の農業研究局の科学者が研究論文を提出し、大量の土壌炭素が土壌断面の 5 フィートの深さまで隔離されていると主張したとき、一年生作物と多年生作物によって、論文を審査プロセスに通すのに苦労しました。 .
この研究は、バイオ原料生産のために管理されているスイッチグラスと不耕起トウモロコシ作物の土壌有機炭素隔離に対する窒素肥料と収穫処理の効果を評価する 9 年間のプロジェクトでした。
「土壌の有機炭素隔離は、土壌の肥沃度と温室効果ガスの排出に大きな影響を与える可能性があるため、バイオエネルギー作物生産の長期的な持続可能性に大きな影響を与えます」と ARS の遺伝学者 Ken Vogel (引退) は言います。 「したがって、バイオ燃料作物生産の長期的な環境コストと利益を評価するライフサイクル分析を開発するには、正確な隔離率を使用することが不可欠です。」 [編集者注:それが彼らが調査を開始した理由であり、彼らが見た作物を見た理由です。ただし、この結果は、他の地域の土壌の下で何が起こっているかを理解するのにも役立つことを覚えておいてください。]
Vogel、土壌科学者の Ron Follett (引退) と Gary Varvel、および農学者の Rob Mitchell は、商業的なスイッチグラス生産に適した耕作地に似たわずかに生産性の高い畑について研究を行いました。 Mitchell と Varvel は、ネブラスカ州リンカーンにある ARS 研究ユニットに所属しています。 Follett は、コロラド州フォート コリンズの ARS に勤務していました。
チームは、フィールド スケールの機器を収容できる大きなプロットを確立し、最初の作物が栽培される前にベースラインの土壌サンプルを 5 フィートの深さまで採取しました。これらのベースライン サンプルは、土壌の有機炭素レベルが下層土の最初のフィート内で 1 エーカーあたり約 18 トンも変動し、一方、土壌表面から 5 フィート下の土壌炭素レベルは 1 エーカーあたりほぼ 90 トンも変動することを示しました。
土壌炭素貯蔵量:年間 vs. 多年生
この現象を調査するために、科学者は 2 つのスイッチグラス品種と不耕起トウモロコシを植え、1 エーカーあたり 54 ポンドから約 160 ポンドまでの 3 つの異なる割合で窒素肥料を適用しました。窒素肥料はバイオマス生産を支えており、科学者たちは、植物バイオマスの生産量が増えると、土壌中の炭素の隔離が増えるかどうかを確認したいと考えていました.いくつかのスイッチグラス プロットも、窒素の修正なしで維持されました。
不耕起トウモロコシ畑の半分では、収穫後の作物残渣、つまり「ストーバー」（土壌炭素にも寄与する）が除去されていませんでした。他の畑では、ストーバーの半分が取り除かれました。作物が定着した後、研究者は生産畑の土壌を 3 年間隔で再サンプリングしました。
彼らの最大の驚きは何でしたか? 不耕起トウモロコシ畑では、土壌の有機炭素レベルは、すべての深さで、すべての窒素処理と、収穫後のストーバー管理のいずれかのタイプで、時間の経過とともに増加しました. ほとんどすべての増加が統計的に有意でした。トウモロコシの収量は、1 エーカーあたり 107 ポンドの窒素で修正され、ストーバーが除去されていない畑から最大でした。この管理戦略により、1 エーカーあたり 0.9 トンを超える土壌炭素の年間平均増加がもたらされました。
スイッチグラス プロットでは、研究者は土壌プロファイル全体で土壌炭素隔離の印象的な増加も観察しました。隔離率は窒素施肥率が増加するにつれて増加し、土壌炭素のほぼすべての増加は統計的に有意でした.
彼らが不耕起トウモロコシ区画で観察したように、土壌炭素の 50% 以上が土壌表面から 1 ～ 5 フィート下にあることがわかりました。下層土の最初の 5 フィート全体の土壌有機炭素の年間平均増加量も、1 エーカーあたり年間 0.9 トンを超えました。これは、1 エーカーあたり年間 3.25 トンの二酸化炭素に相当します。
「根の周りの活動が土壌の炭素収支にどれほど影響を与えるかを認識していなかったため、植物の根がこれほど深くまで到達していることは常に知っていましたが、これらの深い土壌炭素の貯蔵庫が見つかるとは思っていませんでした」とフォレットは言います。 「ほとんどの研究では、18 インチの深さまで炭素の土壌のみをサンプリングしています。」
彼らの調査結果により、チームは、バイオエネルギー作物の土壌炭素隔離率を計算することは、万能の命題ではないと結論付けました。作物の選択、土壌の違い、環境条件、および管理方法は、地域によって隔離率に異なる影響を与えます。その結果、バイオエネルギー作物の生産モデルはおそらく大幅な調整が必要になるでしょう。
「私たちの研究は、バイオエネルギー作物の現在のライフサイクル分析モデルで使用されている炭素隔離率は、おそらく土壌に隔離されている炭素の量を過小評価していることを示唆しています. 「また、トウモロコシと炭素の隔離に関して、窒素の修正やその他の管理上の決定がどのように重要であるか、また、一年生作物が土壌の炭素に重要な貢献をする可能性があることも強調しています。」
この論文は Bioenergy Research に受理されました その結果は驚くべきものでしたが、他の 2 つの ARS 研究では同様のダイナミクスが強調されていました
効果が長持ちする一年生作物
2011 年に、Varvel と彼の ARS 同僚である Wally Wilhelm (故人) によって実施された、関連する長期土壌炭素研究の結果が、Soil &Tillage Research に掲載されました。 研究者たちは、6 つの異なる耕作システムで管理された 3 つの異なる非灌漑作物システム (連作トウモロコシ、連作ダイズ、およびダイズ/トウモロコシ輪作) のために 1980 年に設立された畑の土壌炭素レベルを研究しました。
1999 年、研究の一環として、Varvel と Wilhelm はこれらの畑から 5 フィートの深さまでいくつかの間隔で土壌サンプルを収集しました。彼らは、耕作管理と作物の選択が独立して土壌の窒素と炭素のレベルに影響を与え、最高レベルの窒素と炭素が不耕起管理下のトウモロコシの連作システムに蓄積したことを発見しました。しかし、その後の研究と同様に、最大の驚きは、すべての耕作システムと耕作システムにおいて、12 インチから 5 フィートの間の土壌プロファイルに蓄積された窒素と炭素の量でした。
「私たちがこれらのサンプルを収集したとき、多くの土壌科学者は、一年生の畑作物は従来の耕作システムでは炭素を隔離しないと信じていたため、結果は衝撃的でした」と Varvel は言います。 「しかし、長期的な研究を実施することで、管理システムが確立され、年ごとの変動が減少すると、土壌炭素隔離に何が起こるかを観察することができました。」彼はまた、これらのより深い炭素と窒素のプールを特定することは、栽培者がこれらの栄養素を土壌に保持するのに役立つ耕うん管理をより効果的に選択するのに役立つと述べました.
これらの調査結果は、2013 年に発表された 8 年間の研究の結果と一致しており、Fort Collins 近くの不耕起および従来型不耕起灌漑連続トウモロコシ システムでの炭素隔離について Follett が実施しました。彼とフォート コリンズの土壌科学者 Ardell Halvorson は、不耕起管理が従来の耕作よりも高いレベルの土壌炭素をもたらし、それらのレベルが 8 年間であまり変化しないことを発見しました.
「これらの土壌の土壌炭素の一部は何千年も前のもので、非常に安定しているため、その消失は驚きでした」と、Soil Science Society of America Journal で結果を発表した Follett は述べています。 「典型的な半乾燥土壌の定期的な灌漑は、炭素損失をもたらす要因の 1 つかもしれませんが、それを判断するには追加の研究を実施する必要があります。」
Follett は、これらの環境の土壌微生物グループを特定する必要があること、およびこれらの微生物が炭素を利用して炭素に容易にアクセスできるようにする環境変化を特定する必要があることを指摘しています。彼はまた、これらの調査結果は、農家が不耕起管理を使用して土壌プロファイルの奥深くで土壌炭素を保存する方法と、土壌炭素動態を理解するための長期研究の価値を強調しているという Varvel の信念を共有しています。
「新しい管理システムが土壌炭素に影響を与えるには時間がかかります。これらの影響を特定するには、長期的な研究、土壌プロファイルのより深い部分のサンプリング、および高度な測定技術の使用が必要になる場合があります」と Follett 氏は言います。 「私たちは、非常に大きなプールで小さな変化を探しています。」
この研究は、牧草地、飼料、放牧地システム (#215)、バイオエネルギー (#213)、および気候変動、土壌、および排出 (#212) の一部であり、www.nps.ars で説明されている 3 つの ARS 国家プログラムです。 .usda.gov.この記事に記載されている科学者に連絡するには、アン ペリー、USDA-ARS 情報スタッフ、5601 Sunnyside Ave.、Beltsville、MD 20705-5128 に連絡してください。 (301) 504-1628.
「深部土壌炭素の驚くべき供給 」は、Agricultural Research マガジンの 2014 年 2 月号に掲載されました。
