Carbon cycle via rivers is one of the key processes connecting carbon reservoirs of the continents and the atmosphere and needs to be assessed to fully understand climate change, because riverine carbon cycle and climate are strongly interacting each other. Rivers transport carbon largely derived from chemical weathering from the terrestrial carbon reservoir the ocean. In a conventional view, only silicate weathering has the role as a long-term CO2 sink from the atmosphere and is thought to be a very slow-reactive process that stabilize the Earth's environment only in a geologic timescale, typically in a million years. In this view, role of other carbon sources to rivers such as carbonate weathering and organic matter has been almost neglected. However, in shorter timescales, these carbon sources can have rather large impact on climate than silicate weathering. In addition, the cycling of nutrients, which is intimately linked to the cycle of carbon, is also important and can impact on the short-term carbon cycle. The present thesis evaluates two feedback processes of riverine carbon and nutrient cycles to climate change and its impact on global carbon cycle, by field survey and by model simulations,depending on the timescales of targeted processes.

First, in a very short timescales such as the hundred-year timescale of the ongoing global warming, carbonate weathering may respond to climate change and can act as an additional sink of CO2. I present the importance of carbonate weathering in short-term CO2 consumption by a comparison of river water on small subtropical watersheds of alumino-silicate dominated Iriomote Island and carbonate-based Ishigaki Island, southwestern Japan. Contribution of carbonate weathering on higher CO2 consumption was also found in rivers in Chugoku Region. Rivers in Ishigaki Island exhibited more than 10 times higher alkalinity than rivers in Iriomote Island, which was even higher than the mean value of major rivers in the world, such as . St. Lawrence and Mississippi. This high alkalinity was the result of carbonate dissolution enhanced by soil originated CO2. In spite of the relatively small surface area of carbonate depositions, an averaged alkalinity in Kotoh River and Takahashi River was more than four times higher than Oze River and Yoshii River, indicating a strong influence of carbonate area, even in the whole watershed scale. From the perspective of CO2 flux between the land and the atmosphere, more than half of riverine alkalinity is considered as CO2 consumed by chemical weathering. Carbonate weathering, which is driven by soil-derived CO2, can be further enhanced with the increasing of global warming and mitigate CO2 release from soil to the atmosphere. With the progress of ocean acidification, the enhanced consumption of CO2 by carbonate weathering will not be compensated for and should be counted as an anthropogenic sink. As a result of this high inorganic carbon input, the ratio of dissolved CO2 and nutrients of the river water in Iriomote and Ishigaki Islands was higher than that of marine organic matter such as the Redfield's Ratio, making the coastal seas locally a potential source of CO2 for the atmosphere. The ratio was generally lower in rivers in Chugoku Region and even lower in dam lake waters. Reflecting biological activities in lake water, concentration of nutrient elements was quite depleted in lake water, and the reduction of nutrient concentration was also found in the downstream waters, too. Dam lakes are acting as an absorptive storage of riverine nutrient elements, especially that of P and Si.

Secondly, a large change in riverine transport of organic matter can also have an important impact on climate. Using an earth system model, this study also addressed a feedback process of riverine biogeochemical cycles in the glacial-interglacial cycles. In the past 800 thousand years and before industrialization, the largest variations in atmospheric CO2 concentration (pCO2) occurred in connection with the glacial cycles that characterized Earth's climate over this period. One curious feature of at least the last four glacial-interglacial cycles is that atmospheric pCO2 reached about the same upper limit of 280 ppm during peak interglacial periods and about the same lower limit of 180 ppm during peak glacial periods. Here, I show using a numerical model of earth system that enhanced shelf sediment weathering during glacial sea-level low stand tends to raise pCO2 even after carbonate compensation and thus stabilize pCO2 from further reduction. This is because not all nutrients from weathering will be utilized by biology but more importantly because the spatial distributions of carbon and phosphorus from weathering become decoupled in such a way that carbon is preferentially stored in the upper ocean and phosphorus in the deep ocean. In addition, the C:P ratios in continental margin sediments are generally much higher than the Redfield ratio due to preferential remineralization of phosphorus in shelf sediment diagenesis. When these factors are accounted for in the model, the input of organic matter, which corresponds to the observed negative shift in ocean δ(13)C during glacial periods, raises pCO2 by approximately 5-10 ppm. The same mechanisms operating in the opposite directions during interglacial high stand tend to lower pCO2 and stabilize it from further increase. The impact of sea level-driven continental shelf exposure and submersion of CO2 is therefore a negative feedback that may have contributed to limiting the variation of Pleistocene pCO2 to the observed 100 ppm range.

本論文は,地球環境における炭素循環の果たす役割,特に気候変動と陸域-海洋域間の炭素循環の相互作用に注目し,陸域の化学的風化作用のような地質学的時間スケールでの気候変動要因とされてきたプロセスが,現代の地球温暖化や氷期・間氷期サイクルといった短い時間スケールの気候変動においても重要な役割を果たしている可能性について検討を行ったものである.

本論文は4章からなる.第1章はイントロダクションであり,地質学的時間スケール(~100万年以上)における炭素循環,特に珪酸塩鉱物及び炭酸塩鉱物の化学的風化作用,炭素と栄養塩の振る舞い,フィードバック機構などに関する先行研究の議論がまとめられている.そして,本論文においては,これまでほとんど議論されてこなかった炭酸塩鉱物や有機物の化学的風化作用が現在の気候に及ぼす影響と,海水準変動が炭素循環に与える影響について検討するという目的が述べられている.

第2章では,気候変動に対して炭酸塩鉱物の化学的風化作用が果たしている役割を明らかにするために,炭酸塩鉱物の分布状況が大きく異なる3つの地域において野外調査を実施した結果について述べられている.野外調査は,沖縄県の西表島と石垣島,および中国地方で行われた.西表島と石垣島は,それぞれ主として珪酸塩鉱物と炭酸塩鉱物に覆われた異なる岩相を持つ.それらの河川水質形成過程を比較した結果,炭酸塩鉱物の化学的風化作用はきわめて大きな影響力を持っていること,それが土壌起源のCO2によって大幅に促進されていること,その結果大量のCO2が消費されていること,同じことが中国地方の河川水にもいえること,などが述べられている.地球温暖化によって土壌有機物の分解促進が予測されているが,海洋酸性化と炭酸塩鉱物の化学的風化作用のさらなる促進によるCO2の消費増大が,土壌からのCO2放出の増大を緩和できる可能性があると述べられている.また,河川系にみられるダム湖の存在は,栄養塩(特にPとSi)のシンクとして働いていることについても述べている.化学的風化作用が現代の地球温暖化のような短時間スケールでの気候変動にも重要な役割を果たしうる可能性を示した研究例はこれまでほとんどなく,高く評価できる.

第3章では,氷期-間氷期サイクルにおける100m以上もの海水準変動によって,氷期に大陸棚を含む陸域起源の有機物が大量に分解して海洋に流入するプロセスが,大気CO2にどのような影響を与えるのかについて,地球システムモデルを用いた数値実験によって評価した結果について検討している.流入した炭素と栄養塩の海洋における分布の違いにより,有機物の分解に対して大気CO2レベルは増加する傾向を示すことから,氷期に想定される陸棚有機物の風化が新たな負のフィードバック機構として作用しうる可能性について論じている.従来の陸棚栄養塩仮説では,有機物の海洋への流入と同時に海底の炭酸塩鉱物の溶解よる炭酸塩補償作用の応答が極めて強いことが暗に仮定されているために大気CO2レベルが低下するという結果が得られていたが,地球システムモデルに海底堆積物モデルを結合し,有機物の流入に対する炭酸塩補償作用の影響を考慮したところ,炭酸塩鉱物の溶解によって大気CO2レベルの増加幅は減少するものの,これまで指摘されているような大気CO2レベルの低下は見られないことが明らかになった.このような負のフィードバック機構が存在し,それが氷期・間氷期サイクルの変動に深く関与していた可能性があるとする指摘は重要なものであり,今後検証されるべき新たな課題といえる.

第4章では,本論文の結論をまとめている.従来考えられてきた地質学的な時間スケールよりも短い時間スケールで,地球温暖化に対する炭酸塩風化促進による土壌からのCO2放出の緩和作用と,氷期の陸棚堆積物の風化作用による負の気候フィードバック機構という2つのプロセスを通じて,陸域-海洋間の炭素循環が気候変動を緩和する役割を演じている可能性が示されたと結論している.

化学的風化作用に関する研究は,地質学的時間スケールではじめて有効であると考えられてきたため,それよりも短い時間スケールでの気候変動においてはこれまでほとんど注目されてこなかった.とりわけこれまで気候への影響という点では注目されてこなかった炭酸塩鉱物と有機物の風化というプロセスが気候変動に関与しうる可能性を指摘した点が,本論文の重要な貢献といえる.

なお,本論文第2章は川幡穂高,鈴木淳,村山昌平,井上麻夕里の各氏との,また第3章は松岡克美氏との共同研究であるが,論文提出者が主体となって野外調査,数値計算,考察等を行ったものであり,論文提出者の寄与が十分であると判断する.

したがって以上より,博士(理学)の学位を授与できると認める.