有機物 (OM) は、地球規模の炭素循環に関与する主要な要因の 1 つであるだけでなく、炭素隔離のメカニズムでもあることが知られています。その重要性にもかかわらず、沿岸環境における OM の発生源、役割、および重要性についてはほとんど知られていません。いくつかの研究は、陸生 OM は主にメキシコ湾の沿岸棚に堆積し、大陸棚にはほとんど堆積しないことを示唆しています。しかし、これらの研究と著しく対照的ないくつかの他の研究は、沖合の堆積物に堆積したかなりの量の OM が陸生起源のものであることを示しています。
この論文は主に、メキシコ湾北西部の Miguel Goni 教授によって発表された研究に焦点を当てています。この研究は 2 つの議論の後者を支持しており、最初に述べられたグループが使用したパラメーターが OM のソースを推定するには不十分であったことを示唆しています。彼らは、大陸棚と斜面の堆積物中の OM の発生源を特定するために、dC 比、放射性炭素分析、リグニン フェノールの存在量など、いくつかの手法を実装しました。
沿岸水域における陸生 OM の寄与に関する議論を整理する必要性は極めて重要です。沿岸堆積物中の OM のこれまでの推定では、主に OM が海洋源に起因するとされており (Chikaraishi et al., 2005)、C4 OM のメキシコ湾への帰属は考慮されていません。この推定は、過去の一次生産性の推定値をゆがめるだけでなく、沿岸堆積物におけるOMへの土着的および異地性の寄与の再評価を要求します。地球規模の炭素循環における沿岸の有機炭素の重要性により、これは線引きしなければならない重要なパラメーターです。
地域特性の説明
メキシコ湾北西部は、焦点を当てる主要な調査地です。
この地域への淡水の主な供給源はミシシッピ川であり、メキシコ湾に流入する淡水の総量の 70 ～ 90% を占めています。ミシシッピ川は、米国本土の約 40% に相当する 3.3 × 10 Km の面積を排水し、年間約 210 × 10 トンの堆積物をメキシコ湾に運びます。これは、この地域の最大の堆積物源です。メキシコ湾に堆積した堆積物は、海岸近くでよく発達した三角州を形成し、再懸濁と濁流によって沖合に運ばれます。メキシコ湾の大陸棚における海洋の一次生産性は 100 g C/m/年を超えていますが、水中の濁度と堆積物の巻き込みにより、沿岸水域では多少制限されています。
ミシシッピ川は北米の草原の大部分を流れています。これらの草原は、主に C4 草と C3 木本植物で構成されています。 C3の木本植物はより北の地域で優勢であり、C4の草はほとんどがさらに南に位置しています.北緯で C3 植物が優勢であり、南緯で C4 草が優勢であるのは、それぞれの光合成経路で起こる化学プロセスによるものです。 C4 植物は気温が 10°C を超えると優勢になりますが、C3 植物はより丈夫で 10°C をはるかに下回る温度に耐えることができます。木の大部分、ほとんどの低木、ハーブ、スゲ、および寒冷地の草は、光合成を行う陸上植物の大部分を構成する C3 経路を利用します。
C4 経路は C3 経路ほど普及していませんが、サトウキビやトウモロコシなどの作物だけでなく、温暖な気候の草など、北米の草原に豊富にある主要な種類の植物のいくつかは、この経路を利用しています。
場所
Goni et al., (1998) は、メキシコ湾の海岸に垂直な 2 つのトランセクトに沿って直線的に堆積物を収集しました。これらのトランセクトは、大陸棚を横切って深海平野に入り、トランセクト A はミシシッピ川の主要な分流であるサウスウェスト パスに沿って NW-SE を走り、トランセクト B はアチャファラヤ川の流出と平行に N-S を走ります。沈降速度は Pb インベントリを使用して発見され、その速度は水深と反比例の関係にあることがわかりました。堆積速度は、107m ステーション (トランセクト A で収集された最も近い海岸サンプル) での 0.8 cm/年から、1470m ステーションでの 0.005 cm/年 (トランセクト A で収集された最も遠い沖合サンプル) までさまざまでした。 Lin (1990) は、この地域にある堆積物は主に粘土 (50-75%) で、シルトが 25-45%、細かい砂が 1-10% であることを発見しました。
C3 および C4 光合成経路の説明
最も一般的な光合成経路は C3 経路であり、地球上の大部分の木、ほとんどの低木、ハーブ、寒冷地の草、スゲに特徴的です。 C3 経路、またはカルビン サイクルには、最初の CO2 を伴う光合成が含まれます。 3-炭素酸であるホスホグリセリン酸を形成します。対照的に、Hatch-Slack サイクルとしても知られる C4 パスは、CO2 を結合します。 ホスホエノール ピルビン酸との光合成で、4-炭素酸を生成します。 C4 植物の大部分は温暖な気候の草で構成されています。これらの 2 つの異なる経路には、非常に異なる dC シグネチャがあります。 C3 植物は -23 から -35‰ の範囲で平均約 -26‰ の dC シグネチャを持つ傾向がありますが、C4 植物は C がより豊富であるため、約 -10 から -14‰ の dC シグネチャを持ち、平均は約 - 13‰.
ミシシッピ川流域は、C4 と C3 の両方の植物で構成されており、それぞれが川に含まれる総 OM の大部分を占めています。これらの木本植物と草の組み合わせは、-17 から -23‰ の範囲のバルク dC シグネチャを与え、さらに海洋由来の OM は -18 から -22‰ の dC シグネチャを与えます。ここに、沿岸表層堆積物に対する陸生 OM の寄与を定量化しようとするジレンマがあります。ミシシッピ デルタを構成する C4 植物と C3 植物の混合により、ミシシッピ川がメキシコ湾に堆積する陸生堆積物は、海洋 OM と同様の dC 値を持っています。
C4 および C3 植物を表す dC の使用
大気中では、炭素は C および C として自然に発生します。C は大気中の炭素の大部分を占めていますが、C の割合はわずかです。 Cは植物が光合成するときに差別されるため、使用されるCの割合がCよりもはるかに多くなりますが、C3およびC4植物はこのC原子をさまざまな大きさで差別します.したがって、測定技術 dC は標準に対する C と C の比率を測定し、得られた値に応じて、OM が C3 または C4 植物に由来するかどうかを判断できます。
Gearing et al., (1977) などの以前の研究では、陸地由来の OM は、メキシコ湾沖の表層堆積物中のバルク OM に実質的に寄与していないと判断されました。この研究では、Gearing et al., (1977) は、2 つのエンド メンバーを dC 値と比較しただけで近視眼的でした。彼らは、ミシシッピ デルタから来る陸生 OM は C3 起源であると推定し、C3 植物の dC 値を典型的な海洋源の dC 値と比較しました。ミシシッピ川デルタを構成する C4 草原の大部分を考えると、この単純化は湾岸への陸生 OM の寄与の重大な見落としを引き起こした可能性があります。
Goni et al., (1998) は、分析したすべての堆積物の dC 値が -21.7 ～ -19.7‰ の狭い範囲に収まることを発見しました。トランセクト A では水深の増加に伴ってより濃縮された dC 値に向かう最小限の傾向がありましたが、トランセクト B の dC 値には傾向がないように見えました.
Goni ら (1998) が発見した dC 値の狭い範囲は、海洋 OM の dC 値と、C3 および C4 植物で構成される OM の dC 値の両方と一致しています。したがって、dC だけでは、OM を陸生 (C3 または C4) または海洋由来として特徴付けるのに十分ではありません。
陸生 OM のバイオマーカーとしてのリグニン
重複する dC 値のこのジレンマを複雑にしているのは、かなりの量の陸生および海洋由来の OM が微生物分解を受ける可能性があることです。微生物の分解は、いくつかの分析手法の結果を歪めるため、分解を特定して考慮する必要があります。これを説明するために、Goni ら (1998) は同位体比モニタリング - ガスクロマトグラフィー - 質量分析法 (irm-GC-MS) を使用して堆積物を分析しました。この方法を使用して、彼らは陸生バイオマーカー、具体的にはリグニン由来の CuO 酸化生成物を分析することができました。維管束植物に特有の分子であるリグニンは、堆積物中の陸生 OM を追跡するために使用できます。この方法により、OM の起源を C3 または C4 として決定できます。
Goni et al., (1998) は、沿岸堆積物サンプル中のリグニン フェノールと陸生 OM の供給源を特徴付けるために、いくつかのパラメーターを実装しました。リグニン フェノールは、化合物のファミリー (バニリル、シリンギル、p-ヒドロキシ、シンナミル) に分類されるため、特定の種類の植物は、それ自体に固有のリグニン フェノールを持っています。すべての維管束植物にはバニリル フェノールがありますが、被子植物にはシリンギル フェノールがあり、裸子植物にはシリンギル フェノールがありません。 Goni et al., (1998) は、この制約を利用して、シリンギルとバニリル フェノールの比率 (S/V) を測定し、OM のリグニンが被子植物由来か裸子植物由来かを判断するために使用しました。 C3植物である被子植物は、オークやカエデなどの広葉樹植物を指します。同じくC3植物である裸子植物は、針葉樹などの針葉樹植物を指します. S/V 比に加えて、Goni et al., (1998) は、沿岸堆積物中のシンナミル フェノールとバニリル フェノールの比 (C/V) を測定しました。シナミルは主に草や木の葉などの非木本組織に見られるリグニンの一種であるため、この比率は木本植物と非木本植物の割合を決定するのに役立ちます.
Goni ら (1998) は、メキシコ湾で採取されたすべてのサンプルの S/V 比が 1 以上、C/V 比が 0.3 以上であることを発見しました。トランセクト A では、S/V 比は浅い観測所の 1.3 から 1470m 観測所の 2.4 に増加する傾向があります。トランセクト B の S/V 比は、最後の 2250m 観測所でわずかに減少したにもかかわらず、同じ一般的な傾向に従います。 S/V のこの正の傾向は、裸子植物に対する被子植物の相対的な比率が、沖合いの距離とともに増加することを示しています。
採取したサンプルのリグニン分析と組成パラメーター。
また、1 を超える S/V 比は、OM の大部分が被子植物由来であり、裸子植物由来のものはほとんどないことを示します。 C/V 比の傾向は、トランセクト A とトランセクト B の両方の S/V 傾向に似ており、深さが増すにつれて木本植物に対する草の割合が一般的に増加することを示しています。 S/V 対 C/V の比率をプロットすると、堆積物中の OM のソースを示すことができます。
メキシコ湾で Goni のチームが収集した堆積物のシンナミル:バニリル比とシリンギル:バニリル比のプロット。 (G) 裸子植物の森を指します。 (g) 裸子植物針を指す。 (A) は被子植物の森を指し、(a) は被子植物の葉と草を指します。
S/V 対 C/V 比は、被子植物の葉と草が湾岸の OM の大部分を占めることを示しています。草は葉よりも C/V 比が高い傾向があるため、深さが増すにつれて C/V 比が高くなる傾向は、海岸から離れた堆積物で草が優勢であることを示しています。
前述のように、微生物分解は OM のリグニンを変化させ、S/V 比と C/V 比をゆがめるため、サンプリングされた OM のソースを決定する際に考慮に入れる必要があります。 Goni は、バニリルとシリンギルの両方の酸:アルデヒド比が 0.4 以上であり、[Ad/Al] 比が 0.4 を超えていることを発見しました。これは、リグニンが微生物によって高度に分解されることを示しています。したがって、チームがメキシコ湾のサンプルで発見した [Ad/Al] 比の上昇により、これらのサンプルのリグニンが大幅に分解されたことを示しています。
C/N比
Goni は、サンプリングされた堆積物の [C/N] 比を決定するために、炭素と窒素の分析も行いました。結果の [C/N] 比は 5 から 8 の範囲であり、これは海洋 OM からの比と一致しています。 [C/N] 比は陸生 OM の 20 以上の比の典型ではありませんが、%OC に対して %TN をプロットすると、%OC がゼロのときに正の %TN 切片があります。これは、%OC がゼロの場合、%TN の正の量は無機物であり、粘土に由来する可能性が最も高いと結論付けています。無機窒素から全窒素を差し引くことにより、サンプル中に存在する有機窒素を決定することができます。彼らは、新しい [C/N] 比が 8 から 13 の範囲であることを発見しました。
メキシコ湾で Goni のチームが収集したサンプルの %TN と %OC のグラフ。
新しい [C/N] 比は、典型的な海洋 OM よりも高く、陸生 OM よりも低いことがわかっていますが、世界中の多数の河川や土壌からの OM サンプルに典型的な 10 ～ 12 という狭い比率範囲に収まっています。
C 分析
Goni et al., (1998) は、各サンプルの年代を決定するために、加速器質量分析計を使用して収集されたサンプルの放射性炭素分析を行いました。分析の結果、サンプルの C 年代は 2580 ybp から 6770 ybp の範囲であり、トランセクト A と B に沿って深さとともに増加したと結論付けられました。リン (1990) によって行われた研究では、表層堆積物中の海洋 OM の平均年代は 3 から 3 の範囲であることがわかりました。沿岸サンプルの ybp から沖合サンプルの 400 ybp まで。
これらの若い年齢は、ゴニによって決定された年齢とは大きく対照的であり、海洋ベースのOMの代替ソースを意味します. 2 つの異なる研究における C 値の大きな違いは、Goni によって収集されたサンプルが陸生 OM であり、異地起源である可能性が最も高いことを示しています。これは、メキシコ湾の表層堆積物に含まれる OM の大部分が陸生起源であるという考えを支持するもう 1 つの証拠です。
メキシコ湾における陸生 OM の実質的な成分としての C4
Gearing et al., (1977) を含むいくつかの研究では、メキシコ湾の堆積物中に少量の C3 起源の陸生 OM が存在し、陸生 OM の量が大幅に減少し、海洋 OM が増加したと結論付けられました。オフショアの距離。 Goni は、これらの研究は誤解を招くように見え、C4 陸生 OM の重要性を過小評価していると結論付けました。複数の証拠から、Goni は、メキシコ湾沖合の堆積物に重要な C4 起源があると判断しました。高い C/V 比と S/V 比、およびリグニン フェノールの同位体特性は、C4 が沿岸堆積物だけでなく沖合堆積物にも豊富にあることを示しています。
このデータと組み合わせると、ミシシッピ川の堆積物の濃縮された dC 値は、メキシコ湾の陸生 OM の大部分が C4 源に由来することを示しています。メキシコ湾における OM のこの優勢な C4 陸生源は、ミシシッピ川が排水する北米の草原に由来するにちがいない。これは流域における唯一の優勢な C4 経路植物である.
C3 および C4 植物と OM の分布
これまでのところ、C3 と C4 の植物がメキシコ湾堆積物への陸生 OM の重要な供給源であるという十分な証拠があります。ミシシッピ川流域における C3 および C4 植物の分布、ならびに沿岸堆積物におけるそれぞれの OM はパターン化されており、予測可能です。 C3経路の光合成の利点により、これらの植物はより寒い気候で優勢になる傾向があり、したがって流域の北部に向かって豊富に増加します.逆に、C4 植物はより温暖な気候の地域を支配する傾向があるため、主に流域の南部で見られます。
ミシシッピ川流域に存在する C3 植物の主要なタイプは、Goni ら (1998) によって発見されたように、被子植物クラス (カシ、カエデ、およびブナなどの広葉樹) にありました。彼らはまた、メキシコ湾の C4 OM が主に北アメリカの草原などの温暖な気候の草に由来することも発見しました。したがって、流域の北部地域の C3 被子植物から、流域の南端に向かう C4 草への傾向があります。
Goni et al., (1998) も、C3 および C4 OM の分布が粒子サイズによって優先的に分類されることを発見しました。流体力学的選別により、C3 OM が湾や河口近くで優勢になり、C4 OM はさらに沖合いに集中すると考えられていました。草地由来の OM は、C4 経路の植物であり、細粒のシルトや粘土によく見られます。一方、維管束 C3 植物 OM は、粒子が粗く、密度が高くなる傾向があります。したがって、流体力学的プロセスにより、C3 OM は湾や河口の沿岸に定着しますが、草地の OM はミシシッピ川にはるかに容易に運ばれ、そのサイズと密度が小さいため、メキシコ湾にはるかに遠くまで運ばれます。この発見は、OM の流体力学的選別の仮説を考案した他の多くの研究と一致しています。
陸生OMの重要性
沿岸環境における陸生 OM の複雑さを理解することは、沿岸炭素循環の知識を深めるだけでなく、過去の気候への手がかりを与えることができます。 Cerling et al., (1993) は、C4 および C3 バイオマーカーを使用して、過去の環境の全体像を示しました。
dC 値に対する年齢 (Myr) のプロット。四角はパキスタンの哺乳類の歯のエナメル質から得られたデータを表し、円は北米の馬の歯のエナメル質を表します.
これは、パキスタンと北米の草食動物の歯のエナメル化石を研究することによって行われました。これは、草食動物が食べた植物の特徴を記録しており、それらがC3またはC4経路の植物であるかどうかにかかわらず.約 7 ～ 5 Ma に、世界中の C4 バイオマスが急増しました (図 5)。 7 Ma より前の歯のエナメル質は、主な植生源が C3 植物であることを示していましたが、7 ～ 5 Ma の後、歯のエナメル質の C4 サインにジャンプがありました。この C4 存在量の変化は世界中で見られ、グローバル変数が変更されたに違いないことを示しています。 C4 光合成経路は、低レベルの CO2 により適応するため 、この C4 植物の増加は、CO2 の減少に起因します。 大気中のレベル。
この時期の海洋の炭素同位体組成も、CO2 の減少と一致しています。 大気中。したがって、C4 は過去の CO2 の指標として使用できます。 レベルであり、おおよその古気候記録として役立つ可能性があります。 C4 および C3 植物も温度に依存し、C4 植物は暖かい気候で繁栄しますが、C3 植物は寒い気候に限定されます。したがって、沿岸堆積物中の C3 および C4 OM の分布も、過去の温度変動と大きさの有用な指標として機能する可能性があります。
OM は、地球規模の炭素循環において重要な役割を果たしています。沿岸水域における陸生 OM の理解は、全体的な炭素循環だけでなく、炭素隔離の源としてのその重要性を示している可能性があります。増え続けるCO2の量 毎年大気中に放出されるこの物質は、世界中の実質的にすべての生態系の将来において大きな役割を果たしています。このサイクルで地上の OM が果たす役割をよりよく理解することは、この増大する問題の解決策につながる可能性があります。
結論
多くの研究が、メキシコ湾の沿岸環境における陸生 OM の欠如と、沿岸炭素循環における陸生 OM の過小評価を予測してきたが、Goni et al., (1998) は、この議論に異議を唱え、陸生 OM を次のように支持する十分な証拠を発見した。メキシコ湾の実質的かつ複雑な部分です。
対立仮説を支持するすべての研究と同様に、多くの問題が未解決のままであり、さらなる調査が必要です。メキシコ湾やその他の地域では、C3 OM と海洋 OM を比較したデータや、C3 OM と C4 OM を比較したデータが大量にあります。これらの研究は、沿岸環境における OM の全体的な知識に大きく貢献してきましたが、全体像を完全に理解するには、海洋、C3、および C4 OM を比較する包括的な研究が必要であるようです。 3 種類の OM をすべて分析することで、メキシコ湾における OM の発生源と分布を全体的に理解することで、この OM が果たす役割と重要性を明らかにすることができます。
これに加えて、沿岸環境におけるC4 OMのこの同じ過小評価が世界中の草原で繰り返されているかどうかというもう1つの質問があります.アフリカの大部分は草原で覆われており、アルゼンチンのパンパやヨーロッパのステップも同様です。これらの地域の沿岸地域で C3、C4、海洋 OM を比較することで、それらの特定の特性についてより広い理解が得られるだけでなく、沿岸環境および地球規模での陸生 OM の役割についての重要な仮説を立てることができます。炭素循環。
