In-soil CH4 partial pressure and diffusive emissions in flooded soils: effects of labile carbon and microbial inoculation
本研究は、植物を用いないシリコンコイルシステムを導入することで、気泡の形成によってこれらの変数が乖離する前の測定においては、メタン生成菌の存在量ではなく、不安定な炭素供給が冠水土壌におけるメタン分圧および拡散放出を制御していることを実証するものである。
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水に浸かった、稲が育つ田んぼでは、地表の下で静かな化学的ドラマが繰り広げられています。土壌が冠水すると酸素が遮断され、特定の微生物が繁殖しやすい環境が作られます。メタン生成菌として知られるこれらの微生物は、分解された植物体やその他の有機物を餌として、廃棄物としてメタンを放出します。このガスは強力な温室効果ガスであり、地球温暖化に大きく寄与しています。数十年にわたり、科学者たちは、放出されるメタンの量は主に3つの要素、すなわち、微生物にとって利用可能な餌がどれだけあるか、微生物がどれだけ存在するか、そしてそれらを抑制する酸素がどれだけ近くにあるかに依存していることを理解してきました。稲は、このプロセスにおいて複雑な役割を果たしています。稲の根は土壌中に酸素を放出し、それがメタン生成を抑制することもありますが、同時にガスが空気中へと逃げていくための高速道路（経路）としても機能します。メタンの放出が少ない稲の品種を育成するために、研究者たちはこれら諸要素がどのように相互作用するかを正確に理解する必要がありますが、実際の圃場での研究は、土壌が均一ではなく、植物自体が測定を困難にするため、容易ではありません。
これらの変数を解き明かすために、研究チームは植物を完全に取り除いた制御実験を設計しました。彼らは、米の田んぼを模して、砂とローム土を混ぜた一連のポットを用意し、水を満たしました。稲を植える代わりに、柔軟性のあるシリコン製のチューブを土壌の深くに挿入しました。これらのチューブは、人工的なセンサーおよびガス供給システムとして機能しました。シリコンはガスに対して透過性があるため、チューブ内の空気は周囲の水に溶け込んだガスと自然に平衡状態となり、環境を乱すことなく、土壌内に蓄積するメプレッシャー（圧力）を測定することができました。また、彼らはこれらのチューブを使用して、通常の稲の根が提供する酸素放出をシミュレートするように、空気や純粋な酸素を土壌に送り込みました。研究チームは、アイデアを検証するために、基本となる対照区の土壌、微生物が食べやすい餌を提供するジャガイモデンプンを混ぜた土壌、そしてメタン生成菌が豊富な湖から採取した堆積物を一掬い加えたデンプン混入土壌の、3つの異なる土壌条件を作成しました。
研究者たちは、微生物を増やすことや餌を増やすことが、メタンの生成と放出量を変化させるかどうかを確認したいと考えました。彼らは、湖の堆積物を加えた土壌には、適切な微生物の個体数が最初から多いため、最も多くのメタンが発生すると予想していました。しかし、結果は異なる物語を語りました。湖の堆積物を含む土壌には確かに多くのメタン生成菌が含まれていましたが、土壌内に蓄積するメタンガスの量は、ほとんどの場合、餌の供給量によって決定されていました。デンプンを加えたポットでは、最初にどれだけの微生物が存在していたかに関わらず、高いレベルのメタンが発生しました。一方で、デンプンを加えないポットでは、天然の微生物が存在していたにもかかわらず、メタンの生成は非常にわずかでした。この発見は、これらの冠水した土壌においては、初期の微生物数ではなく、新鮮で消化しやすい有機物の利用可能性が、メタン生成の主要な原動力であることを示唆しています。研究者たちは、一度基本的なレベルの微生物が存在すれば、それらを維持するための余分な餌がない限り、微生物を増やしてもメタンの放出量は増加しないと結論付けました。
また、この研究は、メタンが土壌から空気へと移動する際の決定的な限界についても明らかにしました。長い間、科学者たちは、土壌内のメタン圧力を測定すれば、大気中へどれだけのガスが逃げ出しているかを直接知ることができると考えてきました。研究者たちは、メタン圧力が比較的低い場合、具体的には約16キロパスカル未満の場合にのみ、この関係が成り立つことを発見しました。この範囲では、水に溶けたガスは表面に向かって着実に移動します。しかし、圧力がこの閾値を超えると、その関係は崩れました。メタンは土壌内で泡を形成し始め、滑らかに流れるのではなく、急速に上昇し、突発的に放出されるようになりました。この「泡立ち（エブリション）」と呼ばれる現象により、土壌は、研究者が測定していたような緩やかな拡散による放出ではなく、大量のメタン圧力を保持したまま、測定できない突然のバースト（噴出）として放出を待つ状態になったのです。実際、実験の終わりまでに、活動中のすべてのポットで土壌圧力が約60キロパスカル近くまで上昇していましたが、表面からのガスの定常的な流れはほぼゼロに戻っていました。ガスは単に、測定できない突然の放出を待っていたのです。
最後に、チームは酸素がこのシステムにどのように影響するかをテストしました。シリコンチューブを通じて空気または純粋な酸素を送り込むことで、彼らは土壌内のメタン圧力を下げることに成功しました。驚いたことに、純粋な酸素を送り込んでも、通常の空気を送り込むのと比べて効果に差はありませんでした。どちらの方法も、密閉されたポットと比較してメタン圧力を約3分の1に減少させました。これは、わずかな量の酸素であっても、メタン生成菌を阻止したり、他の微生物がメタンが逃げ出す前にそれを消費するように促したりするのに十分であることを示しています。この実験は、シリコンチューブシステムが、酸素の影響を食物供給の影響から分離して研究するための強力なツールであることを裏付けました。これらの人工的なチューブを使用することで、研究者たちは、実物の植物の根が自ら餌を提供したり土壌構造を変化させたりするという複雑な要因を排除して、酸素が土壌内をどのように移動するかを研究することができたのです。
これらの知見が持つ意味は極めて重要です。本研究は、メタン放出の少ない新しい稲の品種を選抜する際、科学者はメタン圧力が泡を形成するほど高くなる前の土壌条件を測定することに焦点を当てるべきであることを示唆しています。もし測定が遅すぎれば、ガスは定常的に流れるのではなくバースト状に逃げ出しているため、データは誤解を招くものになります。さらに、本研究は、稲の根に求めるべき最も重要な特性は、必ずしも酸素を放出する速さではなく、むしろ土壌と相互作用する表面積がどれだけあるか、あるいは交換を制御する障壁がどれほど強固であるかであるということを示しています。また、本研究は、フィールドにメタン生成菌を単に増やすことは、食物供給が限られている場合には必ずしも排出量を増やさないこと、逆に、新鮮な有機炭素が豊富にある場合には、これらの微生物の存在が制限要因にはならないことを明確にしています。これらの具体的な閾値と駆動要因を理解することで、科学者は稲作による気候への影響を低減するための、より正確なモデルや育種プログラムを開発することができるのです。
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