土壌に蓄えられた炭素は、地球の炭素循環の重要な一部です。
土壌炭素の将来の行方を予測するため、気候科学者は地球システムモデル （ESM）と呼ばれる気候モデルを用いています。これは、気候と炭素循環のプロセスの両方をシミュレートできる気候モデルです。
世界の土壌には大量の炭素が蓄えられているため、土壌から放出されうる炭素を把握し、定量化することは極めて重要です。
世界の土壌は、地球の陸地表面において最大の活性炭素貯蔵庫であり、少なくとも3倍以上の炭素を森林や植物よりも多く保有しています。
最新のグローバル・カーボン・バジェットによれば、大気中にさらに1,200億トンの炭素が排出されると、世界の温暖化が1.5℃の上限を超えてしまう可能性が高いとされています。これは、土壌に世界全体で蓄えられている推定2兆～4兆トンの炭素と比べると、ごくわずかな数字です。
土壌に蓄えられた炭素量がこれほど大きいということは、気候変動によってそのごく一部でも大気中に放出されれば、気候フィードバックとして大きな正の影響を及ぼし、さらなる温暖化を引き起こす可能性があることを意味します。
全球気候モデルにより、科学者は地球温暖化に伴い将来の土壌炭素に何が起こりうるかを予測することができます。しかし、土壌による炭素の吸収と放出には多くの要因が影響するため、状況は複雑です。
『Biogeosciences』誌に掲載された新たな研究では、Biogeosciences、最新のモデルが現在の状況を再現する能力を検証しています。これにより、将来予測をどの程度信頼できるかが分かるとともに、モデルの改善が必要な領域が明らかになります。
研究結果は、モデルが土壌に取り込まれる炭素量のシミュレーションでは改善が進んでいるものの、土壌中の微生物が炭素を分解して大気中に放出することで失われる量の再現については、依然として改善が必要であることを示しています。
将来のモデリングのさらなる進歩は、温暖化によって土壌炭素がどのような影響を受けるか、また、それが世界の炭素排出削減の取り組みを後押しするのか妨げるのかを正確に予測するうえで不可欠です。
気候変動下の土壌炭素
土壌に蓄えられた炭素は、地球の炭素循環の重要な一部を構成しています。炭素循環とは、大気、陸地、海洋の間で炭素が自然に循環することを指します。
炭素循環は、大気中のCO2濃度の上昇とそれによってもたらされる温暖化に敏感であるため、将来の気候変動を決定するうえで重要です。
気候変動がなければ、土壌による炭素の取り込みは、炭素の損失と長期的に均衡しており、土壌に蓄えられる炭素の総量は安定して維持されるはずです。
地球規模で見ると、土壌炭素の変動は大きく、毎年の人為的なCO2排出量の約5倍にも相当します。また、気候が温暖化するにつれて増加すると予測されており、将来の土壌炭素への全体的な影響を把握することは大きな課題です。
土壌への炭素の主要な供給源は植生からの「リター」であり、枯れ葉や残骸が土壌中の炭素となります。大気中のCO2濃度が上昇すると、CO2が光合成に利用できる量が増えるため、植物や樹木はしばしばより「生産的」になります。これにより、陸地表面が大気中からより多くの炭素を吸収し、土壌に加わる炭素量が増える可能性があります。
ただし、この効果を打ち消す追加の要因も考慮しなければなりません。その一つは、地球温暖化による気温上昇によって、土壌中に生息する微生物がより速い速度で炭素を分解することです。これにより、土壌から大気中へより多くの炭素が放出され、蓄えられた炭素が減少する可能性があります。その好例が、凍結した永久凍土です。永久凍土は気候変動に特に敏感であることが知られており、将来の気候変動に対する大きな脅威となっています。
大気中のCO2量に影響を与えるこうした炭素循環の変化は、炭素循環フィードバックと呼ばれ、気候変動を加速させることも、減速させることもあります。したがって、土壌炭素の将来の行方は、将来の温暖化を定量化するうえで大きな役割を果たします。
モデリング
土壌炭素の将来の行方を予測するため、気候科学者は地球システムモデル（ESM）を用いています。これは、気候と炭素循環のプロセスの両方をシミュレートできる気候モデルであり、将来の気候変動を予測するための最良のツールです。
ESMは炭素循環と関連するフィードバックをシミュレートしますが、土壌炭素および関連プロセスのモデル化には多くの課題があります。
植物リターによる炭素の供給と微生物による分解からの炭素の放出は、いずれも気候変動下で増加すると予測されています。しかし、これらの要因は土壌炭素の変化に対して相反する影響を及ぼします。土壌炭素モデリングの主な問題は、温暖化の下で流入および流出する炭素量がどれだけ変化するかが分かっていないことであり、両者のバランスは気候への正味の影響を予測するうえで極めて重要です。
将来の土壌炭素の変化を理解するうえでのもう一つの複雑な要素は、世界各地の土壌が大きく異なり、それが炭素の蓄積の仕方に影響するという点です。
例えば、ある種の炭素は「遅い土壌炭素プール」にあると言われます。これは、土壌が分解に対してより強い耐性を持つ性質を備えている可能性を意味し、北半球の寒冷な高緯度地域でより一般的です。同様に、「速い土壌炭素プール」もあり、土壌中での炭素の寿命が短く、すぐに分解されて大気中に戻るもので、温暖な熱帯地域でより一般的です。
これらの炭素プールの種類のバランスは、世界全体の土壌炭素の挙動において重要な役割を果たしており、このバランスが時間とともにどのように変化するかを理解することは、土壌炭素の変化をモデル化するうえで大きな課題となります。
最新のモデル
本研究の新たな成果は、第6次かつ最新版の結合モデル相互比較計画（CMIP6）において、最新世代のESMが土壌炭素をどのようにモデル化しているかを評価したものです。研究結果を観測データセットおよび前世代のモデル（CMIP5）と比較しています。
CMIPは、世界的に調整された気候モデリングの取り組みであり、気候変動に関する政府間パネル（IPCC）の評価プロセスに反映されています。世界各地のさまざまなモデリングセンターによって数多くのESMが開発されており、絶えず更新・改良が続けられています。CMIPは、各ESM間および世代間の比較を可能にするため、一貫した気候変動実験を定義しています。
本研究では、CMIP6およびCMIP5のモデル出力データと、衛星由来の推定値など現実世界から得られた観測データを比較しています。これにより、CMIP5と比べてCMIP6で改善された点と、土壌炭素モデリングにおいて依然として残る限界を把握することができます。
世界全体の土壌炭素と、炭素の取り込みと損失に影響する要因の両方を検討します。取り込みについては、陸上植生の生産性による「地上部」からの供給に注目します。損失については、「地下部」からの放出に注目し、微生物によって分解され大気中に戻るまでに炭素が土壌中にとどまる期間を調査します。
CMIP5と比較して、CMIP6モデルでは地上部プロセスのシミュレーションが改善されていることを確認しました。これは主に、CMIP6モデルに植物の成長に対する養分制限が組み込まれたことによるものです。植物が光合成を行うには、CO2、光、水に加え、窒素やリンなどの十分な養分が必要です。したがって、将来これらの条件のいずれかが制限されると、CO2の増加に伴う生産性の向上と土壌への炭素供給の増加も制限されることになります。
しかし、地下部プロセスのシミュレーションでは、同様の一貫した改善は見られません。以下の地図が示すように、これは主に、観測値（下）と比べたCMIP6モデル（上）における北半球高緯度地域の土壌炭素の全般的な過小評価として現れています。地図では、緑色が濃いほど土壌炭素のレベルが高いことを示しています。
土壌炭素は世界各地で大きく異なります。これは土壌の種類と蓄えられている炭素量の両面にわたります。例えば、地球上で気温が非常に高い熱帯地域では、土壌炭素ストックの量が少ない傾向があります。対照的に、地球上で気温が非常に低い北半球高緯度地域では、土壌炭素ストックが大きい傾向があります。
しかし、北半球高緯度地域のこの土壌炭素は、大半のCMIP6気候モデルでは再現されていません。
地下部プロセスに焦点を当てる
本研究の結果は、土壌炭素モデリングにおける残された不確実性の多くが、地下部プロセスのシミュレーションに関連していることを示唆しています。
このことは、CMIP7に向けた次世代のESMにおいて、これらのプロセスのシミュレーションの改善にさらに重点を置く必要があることを示しています。
改善は、気候変動下における世界の土壌からの炭素放出量の予測に伴う不確実性を低減し、炭素予算に対する信頼性を高めるのに役立つでしょう。これは、地球温暖化の各レベルに関連する炭素予算を指します。
世界の土壌には大量の炭素が蓄えられているため、パリ協定の気温目標を達成するには、土壌から放出されうる炭素を把握し、定量化することが極めて重要です。
