土壌ガス

土壌ガス（土壌大気[ 1 ] ）は、土壌成分間の空気空間に存在するガスである。固体の土壌粒子間の空間は、水が含まれていない場合、空気で満たされている。主要な土壌ガスは、窒素、二酸化炭素、酸素である。[ 2 ]酸素は、植物の根と土壌生物の両方の呼吸を可能にするため、非常に重要です。その他の天然土壌ガスには、一酸化窒素、亜酸化窒素、メタン、アンモニアなどがあります。[ 3 ]地下の環境汚染物質は、埋立地廃棄物、採掘活動、揮発性有機化合物を生成する石油炭化水素による汚染などから、土壌を通じて拡散するガスを生成します。[ 4 ]土壌大気は、呼吸代謝物、[ 5 ]アレロパシー化合物[ 6 ]または種内および種間コミュニケーションで使用される情報化学的シグナル[ 7 ]として、土壌生物によって放出されるさまざまな揮発性化合物からも構成されています。 [ 8 ]土壌は温室効果ガスの正味排出源であり、[ 9 ]特に、気候変動の影響で永久凍土が融解し、ガスが放出されている場合にはその傾向が顕著である。[ 10 ]

土壌構造中の土壌孔隙は、水が蒸発や根からの吸収によって排出される際にガスで満たされます。土壌内の孔隙ネットワークは、土壌に空気を送り込み、あるいは通気性を確保します。 [ 11 ]この通気ネットワークは、水が土壌孔隙に入り込むと閉塞します。土壌空気と土壌水はどちらも土壌の非常に動的な構成要素であるだけでなく、しばしば逆相関関係にあります。[ 12 ]

構成

土壌と大気中の空気の組成[ 13 ]
ガス 土壌 雰囲気
窒素 79.2% 78.0%
酸素 20.6% 20.9%
二酸化炭素 0.25% 0.04%

土壌の細孔に存在するガスの組成は、一般に土壌大気または土壌の大気と呼ばれ、地球の大気の組成と似ています。[ 13 ]しかし、大気とは異なり、土壌ガスの組成は、土壌内で起こる様々な化学的・生物学的プロセスのために、停滞しにくいです。[ 13 ]これらのプロセスによって生じる組成の変化は、変動時間（日次対季節）によって定義できます。この空間的および時間的な変動にもかかわらず、土壌ガスは通常、大気と比較して二酸化炭素と水蒸気の濃度が高くなります。 [ 13 ]さらに、メタンや亜酸化窒素などの他のガスの濃度は比較的小さいですが、温室効果ガスフラックスと土壌への人為的影響を決定する上で重要です。[ 3 ]

プロセス

土壌呼吸を測定する自動CO2交換システム

土壌中のガス分子は、気体運動論によれば連続的に熱運動しており、分子間の衝突（ランダムウォーク）も起こる。[ 14 ]土壌中では、濃度勾配によって分子が高濃度から低濃度へと正味移動し、拡散によるガス移動が生じる。[ 15 ]数値的には、フィックの拡散の法則によって説明される。土壌ガスの移動、特に炭素数が1～5の炭化水素類の移動は、微小浸透によっても引き起こされる可能性がある。[ 16 ]

土壌大気の変動的な組成と絶え間ない運動は、拡散、分解、そして世界の一部の地域では雪解けなどの化学プロセスに起因すると考えられる。土壌大気と大気の拡散は、土壌ガスと大気の優先的な置換を引き起こす。[ 13 ]さらに重要なのは、季節的、あるいは日々の気温や湿度の変化による土壌ガス組成の変動が、土壌呼吸の速度に影響を与える可能性があることである。[ 17 ]

USDAによると、土壌呼吸とは土壌から放出される二酸化炭素の量を指します。[ 18 ]この過剰な二酸化炭素は、酸素の存在下で微生物が有機物を分解することによって生成されます。[ 17 ]土壌の生命にとって両方の土壌ガスが重要であることを考えると、二酸化炭素と酸素の大幅な変動は分解速度の変化につながる可能性があり、[ 17 ]一方、微生物の存在量の変化は土壌ガスの組成に逆の影響を与える可能性があります。[ 19 ]

土壌の凍結や干ばつが頻発する地域では、季節や気象の変化による土壌の融解と再湿潤が土壌ガスフラックスに影響を与えます。[ 3 ]どちらのプロセスも土壌に水分を与え、栄養素の利用可能性を高め、微生物の活動を増加させます。[ 3 ]これにより土壌呼吸が増加し、土壌ガスの組成に影響を与えます。[ 17 ] [ 3 ]

研究と調査

土壌ガスは、マイクロシーページ[ 16 ] 、地震[ 20 ] 、土壌と大気の間のガス交換[ 21 ] などのトピックを調査するための多くの科学的研究に使用されています。 [ 3 ]マイクロシーページとは、土壌表面での炭化水素の限定的な放出を指し、炭化水素が少量で土壌表面に垂直に移動するという仮定に基づいて石油鉱床を探すために使用できます。 [ 16 ]土壌ガス、特にラドンの移動は、地震の前兆として調べることもできます。[ 20 ]さらに、例えば土壌の解凍や再湿潤などのプロセスでは、土壌呼吸の突然の大きな変化が、温室効果ガスである二酸化炭素やメタンなどの土壌ガスのフラックスの増加を引き起こす可能性があります。[ 3 ]これらのフラックスと土壌ガスと大気間の相互作用は、土壌表面からの距離によってさらに分析できます。[ 21 ]

参考文献

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