硫黄が森林生態系の土壌にどのように浸透するか

「酸性雨」という言葉は、ほとんどの人にとって古い伝説のように聞こえるかもしれません。かつて北米北東部の森林、湖、川の健全性を深刻に脅かしていたこの環境問題は、実際には部分的に解決されています.

1970 年に署名された大気浄化法は、硫黄排出 (酸性雨の主な原因となる要素) のより厳しい規制を導入し、SO₂ の急速かつ大幅な削減をもたらしました。 北米の陸上および水生生態系における排出（ガス状硫黄）および酸性降水。小川と湖の水質は、ほとんどの生態系で次の数十年で大幅に改善されましたが、自然に酸性の土壌を持つ地域では回復が遅くなりました.さらに、森林に覆われた流域は、硫黄の沈着が大幅に減少しているにもかかわらず、大気中の沈着から受け取るよりも多くの硫黄を地表水に放出しています。

この不均衡の原因は不明です。これは、湿性沈着よりも定量化が難しいガス状沈着の過小評価、未知の硫黄源、または土壌からの硫黄の放出速度の増加に起因する可能性があります.米国北東部とカナダのいくつかの研究所は、森林生態系に堆積した硫黄の運命をよりよく理解するための研究を行っています。この作品は、Prによって開拓されました。ジーン・ライケンズは、1963 年にニューハンプシャー州のハバード ブルック実験林で長期的な環境モニタリング プログラムを確立しました。この研究により、科学者は酸性雨が森林や水生生態系の健康に影響を与えるメカニズムを理解し、人為起源の硫黄排出規制の効率を評価することができました。

森林生態系における硫黄の運命

岩盤 (例えば、黄鉄鉱などの鉱物) に硫黄が存在しない場合、陸上生態系における硫黄の唯一の供給源は大気中の沈着であり、これは「湿った」(降水) および「乾いた」(ガス状の) 沈着として発生します。沈殿物中の硫黄の主な形態は硫酸イオン (SO₄ ）、ガス状の硫黄沈着は主に二酸化硫黄（SO₂）で構成されています ）。植生の硫黄要求量が少ないため、森林の硫黄の大部分は土壌に蓄えられています。たとえば、北方林の硫黄のわずか 2% が植生に存在するのに対し、98% が土壌に存在します (その 90% は腐植層の下のミネラル土壌にあります)[1]。

ここ数年、研究者チームはカナダの北方林と温帯林で一連の研究を実施し、これらの生態系における硫黄の運命をよりよく理解しています。彼らは硫酸塩分子（δS-SO₄）の濃度と同位体組成の変化を調査した およびδO-SO₄ ）カナダ東部の北方林と温帯林の季節を超えた降水量、土壌の地平線、および河川水。 1990 年代まで、小川を介して流域から放出された硫酸塩が植生や土壌成分と相互作用したかどうかは明らかではありませんでした。実際、硫酸塩分子中の硫黄の同位体組成 (δS-SO ) は一般に、降水量、土壌、および河川水の間で変化しないため、硫酸塩が生態系を通過する際に生物成分と相互作用しないという誤った結論につながることがあります。しかし、硫酸塩分子の酸素原子の安定同位体組成の分析により、別の話が明らかになりました (下のボックスを参照)。

これらの研究者は、森林伐採よりも林冠の下で収集された降水量の方が硫黄の量がはるかに多い (~50%) ことを発見しました。この硫黄の濃縮には、δO-SO₄ の大幅な減少が伴います .これは、ガス状硫黄 (SO₂ ) キャノピーの表面。 SO₄ この反応によって生成されるイオンは、典型的な低δO-SOを持っています 価値があり、キャノピーから洗い流されます。この現象は、常緑の針葉樹林で特に顕著であり、樹冠が長期間にわたって大気との大きな交換面を持っています。伐採地での降水量と比較して林冠の下で収集された降水量の硫黄の余剰は、森林内の乾性沈着の推定値です。この量は、サイトの場所に依存し、キャノピーが乾燥堆積物の一部を吸収できるため、植生の種類や季節によって異なります [2]。

キャノピーを通過した後、降水は林床に達し、土壌層を浸透します。土壌水は、ライシメータ、土壌マトリックスに配置され、負圧の容器に接続された円筒形の多孔質装置を使用して土壌から収集できます。調査したすべての森林で、δO-SO₄ キャノピーの下で収集された降水量よりも、腐植層の下にあるライシメーターによって収集された水の方が低かった。この追加の δO-SO₄ の減少 入ってくる大気中の硫酸塩は、浸出される前に土壌微生物によって急速に処理されることを示しています。この微生物処理は、有機物への硫酸塩の取り込みとそれに続くこの有機硫黄の酸化に対応します。言い換えれば、有機硫黄と周囲の水とO₂からの土壌微生物による腐植層内の「二次」硫酸塩の生成を明らかにします。 .

δO-SO₄ のさらなる減少なし 腐植層の下に集められた土壌水と北方林の河川水との間に観察され、土壌微生物が土壌プロファイルのより深いところで硫酸塩を有意に処理しないことを示しています[3]。対照的に、δO-SO₄ 調査対象の温帯林では、腐植層の下 25 cm で収集された土壌水の割合は、腐植層よりもさらに低かった[4]。これは、北方林とは対照的に、土壌微生物が北方林よりも温帯林のミネラル土壌で硫黄をより深く処理するという証拠であり、これはおそらくより良い物理化学的条件（より高い温度、より良い敷料の質など）によるものです。 /P>

この現象は、土壌水分 δO-SO₄ の季節変動によってさらに裏付けられます。 .土壌溶液中の硫酸塩の δO は、確かに春と夏よりも秋に高くなっています。これは、春先に積雪から一次硫酸塩が放出され、その後生育期に土壌微生物によって再利用され、春と夏よりも秋に二次硫酸塩の割合が高くなるためです。

これらの研究は、これまで考えられていたこととは対照的に、大気中の硫黄が、森林の流域から放出される前に、森林の林冠や土壌と強く相互作用することを示しています。彼らの研究は、北方林に堆積した硫酸塩の 65% から 80% の間、温帯林ではさらに多くが集水域を出る前に樹冠と腐植層と相互作用することを示しています.

参考文献: