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最終更新日:2018年12月17日
全体 | 物理的性質 | 化学的性質性 | 生物的性質 | その他 |
リンク⇒こちら| 土壌の定義| 土壌の成因| 土壌の分類| 土壌図|黒ボク土| |
土壌断面| 土性| 水ポテンシャル| 土壌温度| |
土壌の化学組成| 陽イオン交換| |
土壌有機物| 土壌呼吸| 土壌微生物| |
黄砂| レゴリス| 赤土| 永久凍土| |
土壌(Soil)は、風化作用(Weathering)と生物の働きにより、主に鉱物(Mineral)と生物体(Biomass:有機成分、Organic
Constituent)から形成される。生物〔Organism:特に植物(Plant)〕の存在が必須であるために、地球以外には存在しない。鉱物は地表に存在する岩石(Rock)の構成物である。陸上では、狭義の土壌はほぼ平均して1メートル以下程度の厚さしかないと予想されている。
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土壌(soil)の定義 |
地球の表面にある自然物であり(所によっては人間によってレゴリス様の物質で修飾されたり、造られたりしているが)、生物を含んでいて、野外で現に植物を支えているか、あるいは支える能力をもつ |
土壌の成因 |
※土壌生成(Soil Formation、Soil Evolution、Pedogenesis)を行なう土壌生成作用は、風化作用(Weathering)に生物(Organism)の働きが加わったものである。風化作用のみでは土壌は生成されないが、風化作用が基本的に重要である。
風化作用とは、鉱物〔Mineral:地殻中の岩石(Rock)を構成する〕と大気成分〔Atmospheric Constituent:特に二酸化炭素(Carbon
Dioxide)と酸素ガス(Oxygen
Gas)〕と水(Water)との相互作用(Interaction)を指す。実質的には、大気起源の二酸化炭素や酸素ガスが溶解した水(水溶液)が鉱物と反応して起こる作用であり、次のような反応により大気中二酸化炭素を鉱物として固定する反応が主体である。
珪酸塩鉱物〔Silicate Mineral(一次、Primary)〕+CO2+H2O⇒炭酸塩鉱物(Carbonate Mineral)↓+珪酸塩鉱物〔Silicate Mineral(二次、Secondary)〕〔粘土鉱物(Clay Mineral)が主体〕↓+酸化鉱物〔Oxide Mineral(二次、Secondary)〕〔鉄の水酸化物(Fe-hydroxide)が主体〕↓+H2O |
〔日本粘土学会の『粘土基礎講座T』の中の南條正巳氏による『7.土壌中の粘土鉱物』から〕 |
〔Seafriends Marine Conservation and Education Centreによるseafriendsの『environment』の中の『Soil: use, sustainability and conservation』の『Soil: Geology』から〕 |
〔Seafriends Marine Conservation and Education Centreによるseafriendsの『oceanography』の中の『Ocean properties』から〕 |
土壌の分類 |
※土壌の分類は、国によって特徴があるために国ごとに行われてきたが、体系的に整備されたものの代表が米国によるSoil
Taxonomyである。近年は、世界的に共通に使えるものが国連のFAOを中心に整備されてきている。
日本では、農地を対象とした分類と森林地を対象とした分類の2つが並行して整備されてきていたが、現在統一化の努力が行われている。
小原ほか(2011)による『包括的土壌分類第1次試案』から |
図1 近年の日本を中心とした主な土壌分類の現状 日本では、土地利用別の分類(農耕地と林野)や日本ペドロジー学会の分類があります。国際的には、FAO(国際連合食糧農業機関)・ IUSS(国際土壌科学連合)・ ISRIC(国際土壌照合センター)などの作った WRB(世界土壌照合基準)や USDA(アメリカ農務省)の土壌分類等が利用されています。それぞれ、研究の発展、新たな知見、土地利用の変化などに対応するため、分類体系は更新され続けています。 |
注)「農耕地土壌分類 第3次改訂版」では「土壌大群」が、「日本の統一的土壌分類体系 第二次案」では「統群」が設定されていません。 |
(独)農業環境技術研究所(HP/2011/9)による『「包括的土壌分類 第1次試案」を作成』(2011/7/29)から |
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〔日本粘土学会の『粘土基礎講座T』の中の南條正巳氏による『7.土壌中の粘土鉱物』から〕 |
【FAO/UNESCO分類】 |
特 徴 |
分布 面積 〔億ha〕 |
分布 割合 〔%〕 |
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ツンドラ(Tundra)・亜極地褐色森林土地帯 | コケ・地衣類・小灌木のみ植生。寒さのために農耕不可。 | 5.12 | 3.9 | |
沙漠(Desert)土(塩類土・アルカリ土を含む) 【ゼロソル・イェルモソル(Yermosol)】 |
養分が低くとくに窒素、リン酸、微量要素が不足。水不足で灌漑を必要とするが、二次的塩類化などに注意を要す。 | 21.04 | 16.2 | |
チェルノーゼム(栗色土、ブルニーゼム、赤色プレリーを含む) 【チェルノーゼム(Chernozem)・カスタノーゼム(Kastanozem)】 |
物理的、化学的性質ともにバランスのとれた肥沃な土壌。広大な小麦地帯とアメリカのとうもろこし地帯に分布。 | 8.12 | 6.2 | |
非石灰質褐色土 | 粘土の多い下層土をもち、養分は高いが、物理的性質が悪いので耕土をよくほぐすことが大事である。 | 2.84 | 2.2 | |
ポドゾル(泥炭土、低腐植質グライ土、灰褐色ポドゾル土を含む) 【ポドゾル(Podzol)・ヒストソル(Histosol)】 |
養分が溶脱されて酸性を示す。中和のために石灰の施用を要す。寒冷な気候が耕作の制限因子である。 | 19.40 | 14.9 | |
赤黄色ポドゾル性土 【アクリソル(Acrisol)】 |
養分の溶脱が激しく、酸性で、湿潤気候下で発達、粘土が表層から移動して下層に集積。 | 3.88 | 3.0 | |
ラトソル(Latosol、Oxisol、Ferallitic
Soil;Laterite)(地下水ラテライトなどを含む) 【フェラルソル(Ferralsol)】 |
風化と養分溶脱をもっとも激しく受け、リン酸に欠乏、湿潤熱帯における主要土壌。 | 24.72 | 19.0 | |
グルムソル土 地帯 |
グルムソル 【バーティソル(Vertisol)】 |
養分に富むが物理的性質が悪い。透水性低く、排水不良。 |
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テラロッサ(Terra Rosa)【ルビソル(Luvisol)】 | 石灰岩の上に生成された赤色で肥沃な土壌、物理的性質もよく、耕作も容易な土壌。 | |||
レンジナ・褐色森林土地帯 | レンジナ【レンジナ(Rendzina)】 | 石灰岩や泥灰岩を材料にした土壌で肥沃度が高い。傾斜地に分布し、牧草地に利用されている。 |
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褐色森林土【カンビソル(Cambisol)】 | 湿潤冷温帯の中部ヨーロッパに広く分布。粘土移動やポドゾル化がない褐色な土壌断面をもち、中性ないし酸性。 | |||
アンドソル(黒ボク土) 【アンドソル(Andosol)】 |
火山灰からできた土壌で、容積重が軽く、リン酸を土壌に吸収、固定化する力が大きい。 | 0.28 | 0.2 | |
岩屑土(リトソル) 【リトソル(Lithosol)】 |
岩石の上に載っているれきの多い未熟な土壌で、広い面積をもつが、耕地面積割合は低い。放牧地に利用。 | 26.92 | 20.7 | |
砂丘(Dune)未熟土(レゴソル) 【レゴソル(Regosol)】 |
風の力によって砂、微砂が堆積したもの。海岸砂丘堆積物や新しい火山灰などからなる。 | 7.60 | 5.8 | |
沖積(Alluvium)土 【フルビソル(Fluvisol)・グライソル(Gleysol)】 |
河川の氾濫などで堆積された比較的新しい堆積物。肥沃度が高く、世界人口の1/3はこの土壌に食糧を依存している。 | 5.88 | 4.5 | |
<出典> 大塚紘雄・井上隆弘:世界の土壌、科学、58、p.611、岩波書店(1988)。 |
図1・3 世界の土壌分布 茅(監修)オーム社(編)(2003)による『環境年表 2004/2005』から |
本稿で使用する世界土壌名 (おもに米国旧分類による) |
FAO/Unesco 世界土壌図土壌単位 |
米国新分類 (Soil Taxonomy) |
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砂漠土 | Desert soil | Yermosol | Aridisol |
シーロゼム(半砂漠土) | Sierozem | Xerosol | Aridisol |
リソソル | Lithosol | Lithosol | Lithic subgroup |
レゴソル | Regosol | Regosol | Orthent, Psamment |
ランカー | Ranker | Ranker | Lithic Haplumbrept |
レンジナ | Rendzina | Rendzina | Rendoll |
チェルノゼム | Chernozem | Chernozem | Boroll |
グルムソル | Grumusol | Vertisol | Vertisol |
栗色土 | Chestnut soil | Kastanozem | Ustoll |
プレーリー土(ブルニゼム) | Prairie soil | Phaeozem | Udoll |
灰色森林土 | Grey forest soil | Greysol | Argiboroll |
褐色森林土 | Brown forest soil | Cambisol, Eutic | Ochrept & Umbrept |
アンドソル(黒ぼく土) | Andosol | Andosol | Andept |
ラトソル | Latosol | Ferralsol | Oxisol |
褐色レシベ土 | Sol brun lessive(最後のeの頭に´) | Luvisol | Alfisol |
赤黄色ポドゾル性土(赤黄色土) | Red-yellow podzolic soil | Acrisol | Ultisol |
地中海赤褐色土(テラロッサ) | Mediterrainean reddish brown soil(Terra rossa) | Chromic Luvisol | Rhodoxeralf |
ソロネッツ | Solonetz | Solonetz | Natric subgroup |
ポドゾル | Podzol | Podzol | Spodosol |
ソロンチャック | Solonchak | Solonchak | Salorthid |
褐色低地(沖積)土 | Brown lowland soil | Fluvisol | Fluvent |
灰色低地(沖積)土 | Grey lowland soil | Gleysol | Aquent, Aquept |
グライ土 | Gley soil | Gleysol | Aquent, Aquept |
地下水ポドゾル | Ground-water podzol | Gleyic Podzol | Aquod |
地下水ラテライト | Ground-water laterite | Plinthic Ferralsol | Plinthaquox |
停滞水グライ土 | Stagnogley soil | Planosol | |
擬似グライ土 | Pseudogley soil | Planosol | |
酸性硫酸塩土(cat clay) | Acid sulfate soil | Thionic Fluvisol | Sulfaquent, Sulfaquept |
泥炭土(黒泥土) | Peat soil | Histosol | Histosol |
ツンドラ土 | Tundra soil | Gelic group | Pergelic Cryaquept |
* 灰褐色ポドゾル性土 Grey brown podzolic soil |
土壌図 |
土壌立地学の『読替えデジタル日本土壌図』から 森林地域では褐色森林土が最も優勢。次に黒ぼく土(黒ボク土:火山灰起源)が多い。平野地域では沖積土〔第四紀の完新世(最新の地質時代区分:かつての沖積世:約1万年前から現在まで)に主に河川により堆積した地層の土壌〕が優勢。 |
Effective Soil Depth(cm) FAO(HP/2011/9)による『Soils and Maps』から |
〔NASA
GES DISC Homeの『ISLSCP INITIATIVE I』から〕 土壌の深さ。 |
黒ボク土 |
※黒ボク土とは「黒色で軽くて砕け易い土壌」の意味であり、日本に特徴的なもので、「暗い土」から「Ando
soil」〔アンドソイル、アンドソル(Andosol、Andosols)〕と世界的に呼ばれる。主に火山灰を母材とし、腐植(⇒腐植土)を多く含む。アロフェン(allophane)やアルミナ(酸化アルミニウム)・ゲルに富み、生成する難溶性リン酸アルミニウムは植物のリン酸欠乏症を起こす。従来、火山灰土壌/腐植質アロフェン土とも呼ばれていた。
メタハロイサイト(⇔halloysite)・Al-バーミキュライト・ギブサイト(ギブス石)などからなる(アロフェンを含まない)、非火山性黒ボク土も存在する。【リンクはウィキペディア】
図1 日本列島の黒ボク土の分布 @ 菜畑、曲り田、板付などの日本最古の水田遺跡群/A 宇佐八幡宮/B 九重高原の黒ボク土地帯/C 畿内地方 (大和朝廷が成立した)/D 登呂遺跡 (弥生時代後期の水田跡) 小野(2008)による『火山国ニッポンと土壌肥料学』から |
馬場(2007)による『「黒ボク土」って、何?(2)黒ボク土の克服と、新たな課題』から |
馬場(2007)による『「黒ボク土」って、何?(3)稲作の広がりを阻んだ”黒ボク土”』から |
土壌断面 |
※土壌化は地表面から深部に向かって進行する。従って、地層のように層状構造を形成するが、その断面を図で表現することが多く、土壌断面(Soil Profile)と呼ぶ。
最上部の有機物層(Organic Layer:主に植物などの生物による)をO層(O Horizon)と呼び、以下A〜C層(A Horizon
〜 C Horizon)と呼ぶ。それらの下部の新鮮な基盤岩はR層(R
Horizon:Rock Layer)と呼ぶ。A層が最も典型的な土壌であり、生物由来の有機物が多く混じる。B層は、A層から移動した成分を特徴とする土壌であり、有機物も含む。C層は有機物を含まない風化層である。従って、狭義の土壌はO層とA層とB層を指す。広義ではC層も含める。なお、森林地ではO層は厚いが、草地では薄いか欠損する。
Soil profile 〔Seafriends Marine Conservation and Education Centreによるseafriendsの『environment』の中の『Soil: use, sustainability and conservation』の『Soil: Geology』から〕 |
土性(どせい、Soil texture) |
USDA and UK-ADAS textural triangle A soil textural traiangle showing the subtle differences between the USDA (colours) and UK-ADAS (black lines) soil classes |
Soil texture triangle, showing the 12 major textural classes, and particle size scales as defined by the USDA. |
Wikipedia(HP/2011/10)による『Soil texture』から USDA=United
States Department of Agriculture(米国農務省) |
図6.3 土性三角図表 三重大学土壌圏循環学教育研究分野(HP/2011/10)による『環境土壌学実験物理系(2008)』から |
土性三角図(図1.2) 三重大学土壌圏循環学教育研究分野(HP/2011/10)による『土壌圏物理学資料』から |
水ポテンシャル |
水ポテンシャルΨ=Φm+Φp+Φo+Φz ここで、Φm:マトリックポテンシャル、Φp:圧ポテンシャル、Φo:浸透ポテンシャル、Φz:重力ポテンシャルである。 |
Φ kPa |
水分恒数 (Water constant) |
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孔隙 | 測定法 | |
0 |
最大容水量(0) (Maximum water holding gcapacity) |
重力水 (Gravitational water) |
粗孔隙(30〜100μm) (Macropore) |
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-3 |
圃場容水量(-3〜-10) (Field capacity) |
砂柱法 | |||
-6 | 吸引法 | ||||
-50 |
毛管連絡切断含水量(-50〜-100) (Lento-capillary point) |
易有効水 |
有効水分容量 (Available water) 毛管水 (Capillary water) |
毛管孔隙 (Capillary pore) |
加圧板法 |
-100 | 遠心法 | ||||
-600 |
初期萎凋点〔植物が日中一時的に萎れる〕 (Primary wilting point) |
難有効水 | |||
-1,500 |
永久萎凋点〔植物が萎れて枯死する〕 (Permanent wilting point) |
加圧膜法 | |||
-2,700 |
吸湿係数〔20℃、湿度98%の大気と平衡〕 (Hygroscopic coefficient) |
膨潤水 (Swelling water) |
吸湿水 (Hygroscopic water) |
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-30,000 |
風乾土水分〔日陰の大気と平衡〕 (Air-dried soil water) |
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-300,000 |
単分子層吸着量〔水1分子が吸着〕 (Monolayer adsorption water content) |
蒸気圧法 | |||
-700,000 |
絶乾土〔水分含量がほぼ0〕 (Oven-dried soil) |
炉乾燥法 |
流量=(土壌円筒の断面積)×(土壌の透水係数)×(ポテンシャル勾配) において q=K(ΔΨ/gL) ここで、q:流束(フラックス、flux:単位面積当りの流量)(m/s)、K:透水係数(m/s)、ΔΨ:ポテンシャル差(kPa)、L:土壌円筒の高さ(m)。 つまり、水のフラックスは2点間のポテンシャル差に比例して大きくなるが、これをダルシーの法則(Darcy's law)と呼び、上式をダルシー式と呼ぶ。 |
土壌温度 |
図6 わが国の土壌温度分布状況(Takata et al. 2011) * 年平均土壌温度:実測値がないときは、年平均気温に2℃を加える。 小原ほか(2011)による『包括的土壌分類第1次試案』から |
土壌の化学組成 |
陽イオン交換 |
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カオリン鉱物 | 同形置換周囲酸素原子団 |
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スメクタイト | 同形置換周囲酸素原子団 |
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バーミキュライト | 同形置換周囲酸素原子団 |
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イライト | 同形置換周囲酸素原子団 |
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クロライト | 同形置換周囲酸素原子団 |
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アロフェン | Si−O-、Al−O- |
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腐植 | COO- |
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層状ケイ酸塩もSi−O-、Al−O-などをもつがその量は粒子の大きさにより、また陽イオン吸着への寄与は小さいので省略。カオリン鉱物中における同形置換の存在は必ずしも確認されていない。 |
酸化体+mH++ne-=還元体+kH2O 平衡の場合、平衡定数K=〔(還元体)(H2O)k〕/〔(酸化体)(H+)m(e-)n〕 (H2O)は1とみなせるので、 −log(e-)=pE=(1/n)(logK−mpH)+(1/n)log〔(酸化体)/(還元体)〕 また、 酸化還元電位Eh=(2.3RT/nF)(logK−mpH)+(2.3RT/nF)log〔(酸化体)/(還元体)〕 であるので〔ここで、R:気体定数、T:絶対温度、F:ファラデー定数〕、 pE=(F/2.3RT)Eh |
土壌有機物 |
土壌呼吸 |
土壌微生物 |
細菌⇒真正細菌(バクテリア) | Bacteria | 真正細菌ドメイン。単細胞原核生物。0.4〜2.0μm程度。 |
放線菌 | Actinobacteria | グラム陽性の真正細菌のうち、細胞が菌糸を形成して細長い形態を示すものを指していた。直径0.5〜2.0μm程度。 |
糸状菌(しじょうきん) | Filamentous Fungi | 菌類のうち、菌糸から構成されるもの。直径3.0〜50μm程度。 |
藍藻(らんそう、シアノバクテリア) | Cyanobacteria | 真正細菌の一群で、光合成を行う。直径3.0〜50μm程度。 |
原生動物 | Protozoa | 単細胞生物のうち、生態が動物的なもの。体長20〜200μm程度。 |
線虫⇒線形動物 | Nematode | 線形動物門に属する動物の総称。 |
エネルギー源 | 炭素源 | 窒素源 | 電子供与体 | 電子受容体 | 微生物の例 | |
光合成 微生物 |
(独立栄養) |
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好気性 |
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藍藻 緑藻 緑色硫黄細菌 紅色硫黄細菌 紅色非硫黄細菌 |
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嫌気性 |
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(従属栄養) |
有機物 |
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化学合成 微生物 |
(独立栄養) |
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好気性 |
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亜硝酸菌 Nitrosomonas 硝酸菌 Nitrobacter 水素細菌 鉄細菌 Thiobacillus thiooxidans Thiobacillus denitrificans |
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嫌気性 |
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好気性 |
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窒素固定菌 Azotobacter Pseudomonas Bacillus 放線菌 糸状菌など 脱窒菌 硫酸還元菌 発酵性細菌 メタン生成細菌 |
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嫌気性 |
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植物根 | 共生微生物(根粒菌、ミコリザ=菌根菌)、寄生微生物(病原菌)、有機栄養細菌、放線菌、糸状菌、原生動物 |
植物遺体 | 有機栄養細菌、放線菌、糸状菌、原生動物 |
土壌有機物(腐植) | 有機栄養細菌 |
無機質粒子(砂、粘土) | 無機栄養細菌 |
黄砂 |
国立環境研究所(HP/2011/5)による環境展望台の『東アジアの広域大気汚染マップ/黄砂と大気汚染物質の濃度予測分布図(地上付近)』から |
土壌性ダスト(黄砂)の予想分布 |
硫酸塩エアロゾル(大気汚染物質)の予想分布 |
九州大学/国立環境研究所(HP/2011/5)による『東アジア域の黄砂・大気汚染物質分布予測』から |
黄砂の粒度分布データ |
黄砂は、主として乾燥地帯(ゴビ砂漠、タクラマカン砂漠など)や黄土地帯で強風により吹き上げられた多量の砂塵が上空の偏西風に運ばれて日本、韓国、中国などで降下する現象をいいます。濃度が濃い場合は、天空が黄褐色となることがあります。一般的には、春(3月、4月)に多く観測されます。 〔気象庁の『気象等の知識』の『地球環境の観測・監視』の『黄砂・酸性雨その他の環境問題』の『黄砂に関する基礎知識』から〕 |
レゴリス |
The lunar regolith. This picture was taken on July 20, 1969 by Apollo 11 astronaut Buzz Aldrin (courtesy NASA: AS11-40-5878). 〔Randy L. Korotev氏(Washington UniversityのDepartment of Earth and Planetary Sciences)による『lunar meteorites』の中の『Lunar Regolith and Fragmental Breccias』から〕 |
赤土 |
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前島勇治による『南西諸島に分布する国頭マージ,島尻マージ およびジャーガルの生成・分類について』(2016)から |
図−1 沈砂池の設置地点 |
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斎藤和伸・山口晴幸による『沖縄県赤土の環境化学的性質に関する考察』(2003/9)から |
永久凍土 |
地球の記録−アース・カタストロフ・レビューによる『永久凍土の崩壊? : ロシアの「北極圏の永久凍土」でジャガイモが育っている』(2016/12/26)から |
図1 東シベリアにおけるカラマツ林帯の分布 カラースケールは、0.5度格子におけるカラマツ林の被覆割合(データソース:Global Land Cover 2000 Project)。赤い三角のマーキングは、モデルの精緻な検証を行ったスパスカヤパッド実験林の位置。縦軸の数字は緯度、横軸の数字は経度。 |
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国立研究開発法人海洋研究開発機構による『温暖化による永久凍土の融解が世界最大の針葉樹林帯に与える影響を数値実験により解析−全球規模の気候変動予測の精緻化に貢献−』(2016/7/22)から |
図52(a) 地温に基づく永久凍土分布図 (USGS Professional Paper 1386-Aに収録) IPA Circum-Arctic Map (Brown et al., 1997) に基づき、Dmitri Sergeev (UAF) が作図。 http://pubs.usgs.gov/pp/p1386a/galler y5-fig03.html |
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表2 西暦2100年までの地表面付近の永久凍土分布域の減少率と活動層厚増加量の予測 (Schaefer et al., 2012) |
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北極環境研究コンソーシアムによる『北極環境研究の長期構想』(2015/3)から |
図1.観測データと数値モデルによる、東シベリアと北米における109年間(1901−2009)における気温、冬季(12−2月)の平均積雪深、及び地温(3.6mと20.5m)の経年変化 東シベリアにおいては過去100年間で1.5°Cの気温上昇が見られるのに対し、地温(地表面から深さ3.6mと20.5mの地点)の上昇は1.87〜2.50°Cと、気温を上回る上昇率となっている。これは、1950年以降の深い積雪による高い断熱効果の影響が考えられる。一方、北米では100年間で1.33°Cの気温上昇に対し、地温は0.68〜0.97°Cとそれほど高くない。1990年以降においては気温の急激な上昇にもかかわらず、地温の変化は横ばいか、下がっている。同時期に積雪深も激減しており、積雪による断熱効果が低下したことにより地温が下がったことが示唆される。 |
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(独)海洋研究開発機構による『北極域の永久凍土域において積雪が地温上昇に与える影響を解明』(2014/10/20)から |
(独)海洋研究開発機構による『東シベリア永久凍土地域の湿潤化で森林が衰退』(2013/2/12)から |