Wetland tree stem methane emissions are fuelled by modern carbon sources

技術要約：湿地の樹木茎からのメタン放出は現代炭素源によって駆動される

問題提起
湿地の樹木茎からのメタン（CH₄）放出は、世界の温室効果ガス収支において重要な構成要素であるがながら、その制約条件が十分に解明されていない。樹木の茎が土壌由来のCH₄の通路として機能しているという証拠はあるものの、これらの放出を駆動する炭素の年代および最終的な起源は不明である。重要な不確実性は、これらの放出が浅い土壌における最近固定された植物由来の炭素循環によって駆動されているのか、あるいは（永久凍土融解システムと同様に）埋没した古代の有機炭素貯留層の動員によるものなのかという点にある。これを解明することは、地球システムモデルにおける湿地放出の正確な表現、および気候変動や水文学的変化に対する生態系の応答を予測する上で不可欠である。δ¹³Cを用いた従来の同位体研究は、土壌起源であることを示唆しているものの、炭素の年代を区別することはできない。さらに、放射性炭素（¹⁴C）を用いたガスの測定は、大気中の濃度が低く、干渉物質が存在するため、特殊な低温分離技術と大量のサンプル量を必要とするという、分析上の大きな課題がある。

方法論
本研究では、分析上の制限を克服するために、亜熱帯のMelaleuca quinquenervia（メラレウカ）の樹木茎に見られる高いCH₄濃度（大気レベルより2〜3桁高い）を利用した。研究は、NSW州ボンガー近郊の沿岸湿地において、対照的な洪水レジーム下で行われた2回のフィールドキャンペーン（2023年2月および5月）を通じて実施された。

主要な手法構成は以下の通りである：

• ガス回収： 樹木の茎に含まれるCH₄およびCO₂を、フォイルガスバッグに接続された24時間平衡チャンバーを用いて回収した。これにより、加速器質量分析（AMS）分析に必要な十分な炭素量（≥30 µg）を蓄積することが可能となった。
• 低温分離： ガスサンプルは、オーストラリア原子力科学技術機構（ANSTO）にて低温分離が行われ、水蒸気、生物起源揮発性有機化合物（BVOCs）、およびCOからCH₄およびCO₂を単離した。CH₄はグラファイト化の前にCO₂へと燃焼された。
• 放射性炭素分析： AMSを用いて、茎から放出されるCH₄およびCO₂、浅層および深層の土壌有機炭素（SOC）、および土壌CH₄の湧出（エブリエーション）のパーセント・モダン・カーボン（pMC）を決定した。
• 補完的トレーサー： 樹木の茎におけるCH₄フラックスの垂直プロファイルとδ¹³C-CH₄、ソースシグネチャーを評価するためのキーリング・プロット分析、および樹体内メタン生成能を評価するための木材コア（辺材および心材）の嫌気性培養を統合した。

主な結果

1. 現代炭素のシグネチャー： 茎から放出されるCH₄は現代的な放射性炭素シグネチャーを示し、下部茎で平均99.3 ± 0.5 pMC、上部茎で99.2 ± 0.3 pMCであった。これらの値は、浅層土壌有機炭素（深さ10 cm；99.7 pMC）および土壌CH₄湧出（101.4 pMC）と統計的に区別がつかなかった。
2. 深層炭素とのデカップリング： 対照的に、より深い土壌有機炭素（30–50 cm深さ）は著しく古く、平均79.2–86.8 pMC（これは過去約1,100年から1,900年前を意味する）であった。茎から放出されるCH₄は、これら古い炭素プールとの相関を示さなかった。
3. 輸送 vs 生産： CH₄フラックスの急速な垂直減少と、輸送過程におけるδ¹³Cの漸進的な濃縮（メタン酸化によるものを示す）にもかかわらず、放射性炭素のシグネチャーは茎の高さ全体を通じて一貫して現代的であった。これは、CH₄が樹木内で生成されるのではなく、浅い土壌で生成され、上方へと輸送されていることを示唆している。
4. 微量な樹体内寄与： 木材コアの嫌気性培養により、心材がメタン生成を支え得ること（樹木の定着期におけるポスト爆弾炭素を反映した約112 pMCの明確な¹⁴Cシグネチャーを伴う）が確認された。しかし、スケールアップして評価すると、樹体内メタン生成が純粋な茎からのCH₄放出に占める割合は極めて低かった（平均1.2%、最大2.4%未満）。
5. キーリング・プロットによる確認： キーリング・プロット分析は、CH₄およびCO₂の両方のソースシグネチャーが100–103 pMCの範囲にあることを独立して確認し、それらが浅層土壌プールと一致することを示し、現代的な炭素源であるという結論を補強した。

主な貢献

• 初の直接的¹⁴C測定： 本研究は、樹木の茎から放出されるCH₄の放射性炭素の直接測定を初めて提供し、これらの放出を駆動する炭素の年代に関する長年の不確実性を解消した。
• 手法の進展： 著者らは、AMS分析のために樹木茎から十分なガス状炭素を回収できる、新しいサンプリングおよび低温分離プロトコルを開発・検証した。これにより、従来の分析上の障壁を克服した。
• プロセスの明確化： 本研究は、亜熱帯の湿地において、樹木の茎が主に、最近固定された炭素から生成された土壌由来のCH₄の通路として機能しており、有意な樹体内生成の場や古代炭素の通路ではないことを決定づけた。

意義および主張
本論文は、湿地の樹木を介したCH₄放出が、古代の炭素貯留層ではなく、浅層の植物駆動型炭素循環に密接に結合していると主張している。この知見は、以下の事項に具体的な影響を与える：

• 気候フィードバック： 温暖化が古代の炭素を動員する可能性のある永久凍土の影響を受けるシステムとは異なり、亜熱帯および熱帯の湿地における樹木の放出は、現代の炭素基質（例：乾燥や土地改変による影響を受ける植生生産性や水文学的変化）の供給に左右される可能性が高い。
• 炭素会計： この結果は、「ティール・カーボン（湿地炭素）」の枠組みにおいて、樹木の茎を介した最近固定された炭素の急速な再ミネラル化をCH₄として考慮する必要があることを示唆している。この経路は、標準的な会計モデルでは捉えきれない形で、総炭素埋没率を相殺する可能性がある。
• グローバル・バジェット： 本研究の結果は、森林化された湿地の放出を世界のCH₄予算および地球システムモデルにおいてより良く表現するための、重要な経験的基礎を提供する。特に、高生産性の亜熱帯システムを、ボリアル（北方）または温帯のシステムと区別する上で重要である。

著者らは、これらの結果が亜熱帯システムにおけるM. quinquenerviaに関する根本的な不確実性を解消したものの、このパターンが他の湿地樹種や生物地理学的領域にも当てはまるかどうかは、今後の重要な研究課題であると述べている。