生物地球化学的循環

生命を構成する化学元素は、生物、土壌、水、大気の間を絶え間なく循環しており、これらの循環を追跡することで、生態系と地球システムがどのように関連しているかが明らかになります。

Definition

生物地球化学的循環とは、化学元素が生態系および地球システムの生物、土壌、水生、大気圏の各区画間を移動し、変換される経路のことです。

Scope

このトピックでは、生命に不可欠な元素の地球規模および生態系規模での循環について扱います。具体的には、生物圏、大気、海洋間の炭素循環とその交換、窒素固定、硝化、脱窒を伴う窒素循環、リン循環、硫黄循環、そして溶存栄養素の運搬者としての水循環です。貯留層とフラックス、滞留時間、そして人間活動がこれらの循環をどのように変化させてきたかについても論じます。

Core questions

• 炭素、窒素、リンは生物と環境の間をどのように移動するのか？
• 各元素はその循環においてどのような変換を受けるのか？
• 貯留層とフラックスはどのように定量化され、滞留時間を決定する要因は何か？
• 人間活動は地球規模の生物地球化学的循環をどのように変化させてきたのか？

Key theories

貯留層、フラックス、滞留時間

各循環は、元素の貯留層とそれらの間のフラックスによって記述され、貯留層のサイズとフラックスの比率が滞留時間を定義し、どの区画が攪乱に迅速またはゆっくりと反応するかを明らかにします。

元素循環に対する人間の改変

工業的な窒素固定、化石燃料の燃焼、肥料の使用は、反応性窒素の投入量を約2倍にし、炭素循環とリン循環を大幅に攪乱し、広範な生態学的影響をもたらしています。

Mechanisms

元素は、生物学的変換と物理的輸送を通じて貯留層間を移動します。炭素は光合成によって固定され、呼吸と分解によって戻され、大気と海洋と交換されます。窒素は、特殊な微生物によって大気から固定され、硝化と同化を通じて変換され、脱窒によって大気中に戻されます。リンは気相を持たないため、岩石の風化、取り込み、堆積を通じてゆっくりと循環します。各貯留層のサイズと出入りするフラックスの相対的な関係が、その回転速度と攪乱に対する感度を決定します。

Clinical relevance

生物地球化学的理解は、気候変動科学、栄養汚染による富栄養化の管理、土壌肥沃度と肥料の使用、および地球規模の元素循環の攪乱を制限するための政策設計の基礎となります。これは教育的な文脈であり、管理上の処方箋ではありません。

History

ヴェルナツキーは1920年代に生物圏を地球化学的な力として位置づけ、ハッチンソンは20世紀半ばに定量的生物地球化学を進展させました。酸性雨の研究、ギャロウェイによって記述された窒素カスケード、そして気候変動における地球規模の炭素循環の役割とともに、人間による攪乱への懸念が高まりました。

Key figures

• Vladimir Vernadsky
• G. Evelyn Hutchinson
• William Schlesinger
• James Galloway

Seminal works

• schlesinger2013
• chapin2011
• galloway2004

Frequently asked questions

なぜリンは炭素や窒素とは異なる循環をするのですか？

リンには有意な気体形態がないため、大気中を循環することはできません。その代わりに、岩石の風化を通じてゆっくりと生態系に入り込み、最終的には堆積物として失われるため、一般的な制限栄養素となります。

窒素カスケードとは何ですか？

窒素カスケードとは、反応性窒素の単一原子が空気、水、土壌を移動する際に引き起こす一連の環境影響のことです。これは、脱窒される前に、スモッグ、酸性雨、富栄養化、温室効果ガスによる温暖化に順次寄与します。