Quantitative importance of subsoil nitrogen cycling processes in Andosols and Cambisols under temperate forests

AndosolおよびCambisolに成立する温帯林における下層窒素循環過程の重要性

中山 理智  ; 阿部 有希子; 安藤 麻里子  ; 丹下 健*; 澤田 晴雄*; Liang, N.*; 小嵐 淳   

Nakayama, Masataka; Abe, Yukiko; Atarashi-Andoh, Mariko; Tange, Takeshi*; Sawada, Haruo*; Liang, N.*; Koarashi, Jun

森林において窒素は植物の生育の制限要因である。樹木を含む植物は種間の養分競争が苛烈な時、表層に加え下層土壌からも窒素を吸収している。しかし、下層土壌における窒素循環に関する知見は限られている。本研究では、2つの異なる土壌タイプに成立する日本の森林において、窒素の純無機化速度および硝化速度の深度プロファイル(0-60cm)を調査した。またPLS-PMモデルを用いて、窒素循環に重要な要因の特定を行った。土壌重さ当たりの窒素無機化、硝化はAndosolの表層で高く、深度とともに低下したが、Cambisolにおいてその傾向は見られなかった。微生物バイオマス量と土壌有機物量は表層における窒素循環の空間分布を規定することが知られているが、深度方向の窒素循環にもそれらが重要であることがPLS-PMモデルによって明らかとなった。さらに、土壌体積当たりで計算をすると、土壌タイプや深度に関わらず窒素無機化速度は一定であった。これにより、Andosol, Cambisolの双方において、下層土壌は重要な植物の窒素吸収源であることが示唆された。

Nitrogen often limits plant growth in forest ecosystems. Plants, including trees, change vertical root distribution when nutrient competition is strong within surface soil layer and take up nitrogen even from subsurface soil layers in addition to the surface soil. However, there is still limited knowledge about nitrogen cycles within deeper soil layers. In this study, we investigated the vertical profiles (0-60 cm) of the net nitrogen mineralization and nitrification rates at four Japanese forest sites with two different soil types (Andosols and Cambisols). The partial least square path modeling (PLS-PM) was used to determine factors affecting nitrogen-cycling processes. The net nitrogen mineralization and nitrification rates per unit soil weight were considerably higher in surface soil layer than in deeper soil layers in Andosols but not in Cambisols. PLS-PM analysis showed that microbial biomass and soil organic matter quantities were the main factors influencing the net nitrogen mineralization and nitrification rates, indicating that a similar mechanism creating the spatial variations of nitrogen-cycling processes in surface soil layer predominantly regulates the processes in subsoil layers. Moreover, it was estimated that the net nitrogen mineralization rate could be comparable at all soil types and depths when the rate was expressed per unit soil volume. Therefore, our results suggest that subsoil layers are a quantitatively important nitrogen source for plant nutrients in Andosols and Cambisols, supporting high forest productivity.