Deduced from the literature, the soil carbon associated with the silt and clay particles is the mineral-associated organic carbon (MAOC), the measurable fraction of the stable soil organic matter (SOM) pool, having turnover of centuries to millennial time scales. The fumigated soil microbial biomass carbon (SMBC) is the measurable fraction of the active SOM pool, having turnover times of hours to months. SMBC is the active-biological fraction, and MAOC is the stable-mineralogical soil organic carbon.

This 110-day constant temperature laboratory incubation experiment investigated the kinetics and effects of fresh organic matter (FOM) application: No organic matter (No OM); leaf litter (1.81 g C kg(-1)); and chicken manure (2.12 g C kg(-1)) in the carbon dioxide (CO2) evolution rate and cumulative CO2 evolution, SMBC, and MAOC of the 0-5- and 5-20-cm layers of two Asian soils: Bagabag, Nueva Vizcaya, Philippines ((121°15' E, 16°35' N) and Tsumagoi, Gunma Prefecture, Japan (138°30' E, 36°30' N).

Specifically, this study was conducted to (1) determine the effect of FOM application and time on the CO2 evolution rate and cumulative CO2 evolution of two typical Asian soils; (2) investigate the short-term influence of FOM application on the dynamics of the active-biological soil organic carbon (SOC) (i.e. SMBC); and (3) determine the short-term influence of FOM application on the dynamics of the stable-mineralogical SOC (i.e. MAOC).

In the Bagabag soil, CO2 evolution rate was significantly higher in the 0-5- than in the 5-20-cm layer. Leaf litter application did not significantly increased CO2 evolution rate but chicken manure application significantly increased CO2 evolution rate both in the 0-5- and 5-20-cm layers. CO2 evolution rate significantly decreased with time in both soil layers.

Chicken manure application caused significant increase in the cumulative CO2 evolution in both the 0-5- and 5-20-cm layers. Cumulative CO2 evolutions in the leaf litter-applied and control soils were comparable.

SMBC was significantly higher in the 0-5- than in the 5-20-cm layer. Chicken manure application caused a significant increase in SMBC as compared to control and leaf litter-applied soils. Soil microbial biomass was higher at two particular time periods - 13 and 70 days after incubation in both 0-5- and 5-20-cm layers regardless of FOM treatment indicating readily-available sources of energy for microorganisms in those specific periods.

MAOC was significantly higher in the 0-5- than in the 5-20-cm layer. FOM application significantly improved MAOC in a 110-day period. MAOC did not change significantly in the 0-5-cm layer within 110 days. However, this was not the case in the 5-20-cm layer, where MAOC significantly decreased after 110 days.

In the Tsumagoi soil, CO2 evolution rate was significantly higher in the 5-20-cm layer than in the 0-5-cm layer. FOM application caused highly significant increases in the CO2 evolution rates both of the 0-5- and 5-20-cm layers as compared to the control. CO2 evolution rate decreased with time, and highest during the first 3 days of incubation. Chicken manure application caused significant increase in the cumulative CO2 evolution in both 0-5- and 5-20-cm layers. Cumulative CO2 evolutions in the leaf litter-applied and control soils were statistically comparable.

SMBC was significantly higher in the 5-20- than in the 0-5-cm layer. Chicken manure application caused significant increase in SMBC. The SMBC in leaf litter-applied soils were statistically comparable with the control. SMBC was significantly highest at two particular periods - 13 and 85 days after incubation. A two-peak SMBC scenario was consistent with the results obtained from the Bagabag soil, where the second peaks occurred 70 days after incubation.

MAOC was significantly higher in the 5-20- than in the 0-5-cm layer. Fresh organic matter application improved MAOC in the 0-5-cm layer, but not in the 5-20-cm layer, where MAOC significantly decreased after 3 days of incubation.

The higher CO2 evolution rate and cumulative CO2 evolution in the Bagabag soil than in the Tsumagoi soil was due to the ability of SOC to form Al-humus complexes in volcanic ash soils like Tsumagoi soil. This renders a major part of the SOC to become more resistant to microbial attack.

The first peak in SMBC is FOM-induced while the second peaks suggest a shift in the microbial community structure as the readily-available substrates from FOM became exhausted a few days after application. Although microbial structure was not examined, soil microbial biomass growth at that stage was due to activity of the microbial population utilizing stable SOC.

The significant turnover in the stable mineral-associated organic carbon fraction found in this study was of profound magnitude and importance and could have significant influence on our conventional understanding of the contribution of the various conceptual soil organic matter pools from terrestrial ecosystems, particularly soils, to the atmospheric CO2 evolution. It challenges conventional knowledge that stable SOC is not a source of CO2 evolution and microbial energy in the short term time scale.

地球の土壌中(深さ1m以内)の炭素貯留量は2300ペタグラムと推定され、大気中炭素量の約3倍と見積もられている。このうち約67%が有機態、約33%が無機態で存在する。そこで、土壌中の炭素を出来るだけ多く貯留し続けることは、メタンや二酸化炭素などの温室効果ガスを大気中に放出することを抑制することを意味し、環境保全に寄与する。ところが、土壌中の炭素の存在形態とその形態変化(turn-over)は複雑であり、これまでの研究で、土壌・大気間の炭素量収支やその経路が十分明らかにされたとはいえない。

本研究は、土壌中の炭素の存在形態を考慮して大気へのCO2放出メカニズムと特性を明らかにすることを目的としている。特に、近年、農地への有機物肥料施用が推奨されていることを考慮し、土壌へ新規に有機物を投入した場合の大気へのCO2放出について、フィリピンの熱帯土壌と日本の黒ボク土壌の場合を比較検討することとした。

本論文は7章で構成されている。第1章は序論であり、研究の背景と目的を述べた。

第2章は関連研究のレビューを述べた。約130点の引用文献の多くは、この章で引用され、関連付けられている。また、土壌有機物の分類をめぐる最近の研究動向として、従来型の化学的抽出法による分類や物理的画分による分類ではなく、有機物の形態変化時間(turn-overtime)や分子量、あるいは当該有機物の起源などによって、いわゆるプール(pools)に分類する手法が推奨されていることの意義と、そのような分類法に立脚したセンチュリー(CENTURY)モデルの重要性を主張した。

第3章は、第2章の文献レビューに基づき、センチュリー(CENTURY)モデルに基づく土壌有機物のプール(pools)分類表を作成し、この分類表の新規性、重要陸を主張すると共に、この分類表が本研究のフレームワークとなることを説明した。

第4章は用いた試料と研究方法について述べた。フィリピンのバガバグ土壌は熱帯土壌の1種であり、砂質ロームである。表土0.5cm間の全炭素量は20.72gkg(-1)、作土5-20cm間の全炭素量は10.9gkg(-1)であり、炭素量は比較的少ない。これに対し、日本の妻恋土壌は温帯モンスーンに存在する火山灰土壌である。表土0-5cm間の全炭素量は70.57gkg(-1)、作土5-20cm間の全炭素量は88.9gkg(-1)と、炭素量はかなり多い。対照的なこれら2種の土壌に対して有機肥料である腐葉土肥料または鶏糞肥料を混入した。各肥料と混合した土壌試料を所定量ずつ500mlガラス瓶の培養器内に移し、インキュベーションを行い、これら試料から発生するガス成分をガスクロマトグラフィーで測定した。

第5章はバガバグ土壌に関する実験結果を述べた。その特徴は、(1)110日間のインキュベーション3日目に最大のCO2発生量が見られる、(2)そのときのCO2発生量は非常に大きい(約180mgkg(-l)day(-1))、(3)鶏糞肥料混入土壌からのCO2発生量は、腐葉土肥料混入土壌からのCO2発生量より、最大17倍も多い、(4)110日間のインキュベーション中、土壌微生物バイオマス(SMBC)炭素量は、13日目と70日目に著しいピーク値を示す、(5)同期間、53μm以下の微細土粒子に吸着している炭素(MAOC)はわずかな減少が見られる、などと要約された。

第6章は嬬恋土壌の実験結果である。その特徴は、(1)110日間のインキュベーション3日目に最大のCO2発生量が見られる、(2)そのときのCO2発生量はバガバグ土壌より少ない(約120mgkg(-1)day(-1))、(3)鶏糞肥料混入土壌からのCO2発生量は、腐葉土肥料混入土壌からのCO2発生量より、最大9.6倍多い、(4)110日間のインキュベーション中、土壌微生物バイオマス(SMBC)炭素量は、13日目に著しいピーク値を示し、その後減少するが、21日目から再び増加傾向を示す、(5)同期間、53μm以下の微細土粒子に吸着している炭素(MAOC)は、初期(0-3日間)の増加、その後の漸減という未知の現象が見られる、などと要約された。

第7章は、フィリピンの土壌(バガバグ土壌)と日本の土壌(嬬恋クロボク土壌)の比較を論じ、研究全体の結論と提言を述べた。特に、鶏糞肥料を施用した場合、全炭素量の少ないフイリピンの土壌(バガバグ土壌)から、全炭素量の多い日本の土壌(嬬恋クロボク土壌)より多くのCO2が大気へ放出されることは、これら土壌中の微生物活動の著しい違いによるものであることを述べた。また、土壌中の炭素蓄積量を、単純な全炭素量で表現することの不十分さを指摘し、センチュリー(CENTURY)モデルのように土壌有機物の存在形態ごとに炭素蓄積量を評価することの重要性を指摘した。

以上要するに、本論文は、土壌中の炭素蓄積量と土壌からのCO2大気中放出量との関係を、従来法、すなわち全炭素量とCO2フラックスの関係でひとくくりにする方法から脱却し、土壌微生物バイオマス炭素(SMBC)や微細土粒子吸着炭素(MAOC)などのプール(pools)に分類し、各プール(pools)とCO2放出量との関連を評価する新しい手法を展開したものであり、学術応用上寄与するところが大きい。よって、審査員一同は本論文が博士(農学)の学位論文として価値あるものと認めた。