流域生態系における物質循環otsuki/h27_ecohydro_150629.pdf · 自己紹介...
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流域生態系における物質循環
150629生態系の科学
九州大学演習林
大槻恭一・智和正明
自己紹介
最近の生態系研究の動向
森林の水はきれい?
森林における窒素循環
多々良川流域の水はなぜ汚れているのか?
森林は窒素飽和しているのか?
自己紹介
最近の生態系研究の動向
森林の水はきれい?
森林における窒素循環
多々良川流域の水はなぜ汚れているのか?
森林は窒素飽和しているのか?
2014年から地球環境に関する国際協同研究が始動
Future Earthアジア地域事務局@総合地球環境学研究所
アジアが地球環境に与える影響は非常に大きい.
近年,人間活動によって地球環境は大きく変化
限界を超えている生物多様性喪失,窒素循環,気候変動
自己紹介
最近の生態系研究の動向
森林の水はきれい?
森林における窒素循環
多々良川流域の水はなぜ汚れているのか?
森林は窒素飽和しているのか?
自動車 排ガス工場 煙 川の水を汚す
大気を汚す
工業用水生活排水
地球上で進行している汚染
赤潮
赤潮の発生(伊勢湾)
プランクトンの異常発生
窒素・リンなどの栄養塩による富栄養化
水質汚染の影響
例)森林,農地,都市域
面源負荷・・・汚染源が点として認識できない
点源負荷・・・汚染源が地図上で点として認識できる
例)工場,事業場,下水処理場,家庭,畜産
汚染源には点源と面源がある
対策(規制)が困難面源負荷
対策(規制)が容易点源負荷
農地,都市域 → 対策必要
森林 → 対策不必要?
対策(規制)
面源負荷対策は難しい
渓流水
天然水,ミネラルウォーター
きれい,健康的,おいしい
「森林の水」はきれい?
・洪水軽減:河川の増水量の軽減
・渇水緩和:無降雨時の低水量を安定的に供給
・水質浄化:土壌を通過することによって水質が浄化
緑のダム
水質浄化は森林の多面的機能の一つ
①濁水がない
②窒素濃度が低い
③酸性度が低い
④ミネラル分が適度に含有
森林で期待される水質浄化
ppm
降水
林内雨
地表流
地中流
渓流
窒素
0 0.5 1.0 1.5 2.0 7 6 5 4
降水
土壌水
地下水
湧水
酸性度
林内雨
渓流水
pH
(Asano et al.,2005)(岩坪ほか,1968)雨
渓流
森林
森林における水質浄化の様子
多々良川水系における河川水の水質調査
最上流部:森林のみ 7地点
上 流 : 5地点
中 流 : 4地点
下 流 : 5地点
森林の水はきれい?~多々良川流域の例~
:高濃度(0.6 – 1.2 mg L-1):下流域と同程度
森林からの渓流水中NO3-
0 10 20 30 40 50N
O [
L]
3
- -1
mg
0
0.5
1.0
1.5
2.0
都市・農地面積 [%]
NO3-
渓流水は汚れている!~多々良川流域の例~
0
20
40
60
80
最上流
(渓流水)
上流
中流
下流
窒素濃度
(uM
)
多々良川水系の上流~下流における河川水中硝酸イオン濃度
渓流水が硝酸イオンで汚染されている!
硝酸イオン:上流-下流でほとんど変わらない!
0
50
100
150
福岡
A(多々良川)
福岡
B(多々良川)
椎葉
A(広野流域)
硝酸イオン濃度
(uM
)
椎葉
B(広野流域)
椎葉
C(広野流域)
椎葉
福岡
すべての渓流水が汚れているわけではない
福岡 > 椎葉
水質汚濁:点源負荷 → 汚染源が点で分かる
面源負荷→ 農地,都市域,森林
森林:水質浄化機能 → きれい?
多々良川流域の渓流水は? → 窒素で汚染されている
小括
森林の水はきれい?
自己紹介
最近の生態系研究の動向
森林の水はきれい?
森林における窒素循環
多々良川流域の水はなぜ汚れているのか?
森林は窒素飽和しているのか?
有機態:アミノ酸,タンパク質,核酸 など
無機態:
亜硝酸イオン(NO2-) ほとんどない
硝酸イオン(NO3-)
森林における窒素(N)の化学形態~
アンモニウムイオン(NH4+)
大気中のN2
窒素固定
NH4+
落葉
分解
NO3-
硝化
脱窒大気沈着
溶脱
窒素循環(全体概略)
吸収
内部循環と外部循環
N2→植物は直接利用できない大気中のN2
NH4+
窒素固定
窒素固定菌
生物的窒素固定
森林への窒素供給 (その1)
NOx 湿性沈着
雲
HNO3
酸化
窒素化合物の大気沈着
NH3
乾性沈着
工場・自動車農地
森林への窒素供給 (その2)大気沈着(湿性・乾性)
④硝化
③分解①
NH4+NO3
-
吸収
森林生態系(地上部・地下部)内部での窒素循環
②落葉
有機態窒素
土壌負に帯電
土壌に吸着(溶脱しない)
(渓流へ)
溶脱
NO3-
NH4+
脱窒
森林生態系外への流出
N2
小括森林における窒素循環
窒素固定
自己紹介
最近の生態系研究の動向
森林の水はきれい?
森林における窒素循環
多々良川流域の水はなぜ汚れているのか?
森林は窒素飽和しているのか?
考えられる要因(可能性)
0
50
100
150
福岡
A(多々良川)
福岡
B(多々良川)
椎葉
A(広野流域)
硝酸イオン濃度
(uM
)
椎葉
B(広野流域)
椎葉
C(広野流域)
1.供給
沈着量が多い?
2.吸収
植物の吸収量が少ない?
3.渓流へ
脱窒が少ない?
なぜ多々良川流域の渓流水は汚れているのか?
関東・中部地方80流域(森林)における渓流水中の硝酸イオン濃度の分布(伊藤ら,2004)
→ 大都市近郊:濃度が高い
図9 関東地域における沈着量(吉川ら,2012)
→ 大都市近郊:沈着量が多い
NO3-
NH4+
都市域 山間部
1.6
0
0.4
0.8
1.2
沈着量
(km
ol
ha-1
yr-1
)窒素沈着量が多いと渓流水の硝酸イオン濃度高い
都市近郊と山間部で比較すると
~広島市の場合~
0
10
20
30
40
50
60
Net TF(Dry deposition)
Rainfall(Wet deposition)
NO3
-
SO42-
Deposition (mmol m
)-2
Fig. 3 Net throughfall (TF- RF) and rainfall
(RF) deposition at urban- and rural- forested sites.
Urban Rural Urban Rural
湿性沈着
乾性沈着
近郊林 山間部 近郊林 山間部
近郊林の方が山間部より窒素沈着量が多い~広島市の場合~
窒素の沈着量
(kgN
ha-1
yr-1)
Year
0
4
8
12
16
1990 1995 2000 2005 2010
多々良川流域における窒素沈着量
多々良川流域では大気沈着量が増加している!
ハーバー・ボッシュ法: N2 + 3H2 → 2NH3
化学的窒素固定
窒素沈着量が増加したのはなぜか? (その1)→ 人工肥料の生産
アジア:年々上昇傾向
NOx排出量経年変化(Akimoto, 2004)
year
NO
x排出量
(kt
yr-1
)
40000
30000
20000
10000
50001970 1980 1990 2000
北米
欧州
アジア
窒素沈着量が増加したのはなぜか? (その2)→ 化石燃料の燃焼
窒素沈着量が多い 渓流水中の硝酸イオン高濃度
植物・微生物による窒素吸収
森林の窒素吸収が減っている可能性もある?
流出少ない
吸収が増える
大気沈着
窒素制限下では窒素供給が多くなると,
→ 窒素の吸収が増え,窒素流出は少ない
流出増える
吸収に限界
大気沈着
窒素飽和下で窒素供給が多くなると,
→ 窒素吸収が頭打ちし,窒素流出は増える
窒素供給量 樹木にとって窒素は 森林生態系外の窒素流出
少ない 成長の制限因子 少ない
増加すると… 成長が促進 少ない
さらに増加すると… 成長制限因子ではない 顕著
森林生態系が窒素過多な状態に陥ること → 窒素飽和
植物の窒素吸収にも限界がある
~窒素飽和~
窒素飽和:本来生育に必要な窒素が過剰に供給されたために,窒素過多の状態に陥ること
窒素の供給量 (kgN ha-1yr-1)
0 10 20 30 40 50 60 70 80
渓流水中
NO
3- (kg
N h
a-1yr
-1)
Dise and Wright (1995) 欧州の森林から解析
Level 1<10 kgN ha-1 yr-1
→窒素流出なし
Level 210 ~25 kgN ha-1 yr-1
→窒素流出の可能性
Level 3> 25 kgN ha-1 yr-1
→窒素流出
40
30
20
10
0
植物の窒素吸収にも限界がある
~窒素飽和の基準~
1 2 3
窒素の沈着量
(kgN
ha-1
yr-1
)
Year
0
4
8
12
16
1990 1995 2000 2005 2010
多々良川流域における窒素沈着量
多々良川流域の森林は窒素飽和の可能性
森林のメタボ化が全国で問題に
小括多々良川流域の水はなぜ汚れているのか?
大気沈着量の増大
窒素飽和の可能性
自己紹介
最近の生態系研究の動向
森林の水はきれい?
森林における窒素循環
多々良川流域の水はなぜ汚れているのか?
森林は窒素飽和しているのか?
割が人工林(スギ・ヒノキ)
人工林が高齢化
ヒノキ・スギ(>61年生)
ヒノキ・スギ(46−61年生)
ヒノキ・スギ(31−45年生)
ヒノキ・スギ(16−30年生)
ヒノキ・スギ(1−15年生)
マツ
広葉樹
森林面積
人工林の一斉造林:
1950−1960年代
伐期:40−50年生
窒素飽和を促進する要因は?人工林の高齢化
スギの加齢に伴う窒素吸収量の変化(Fukushima et al., 2011)
樹齢(年) 窒素吸収量 (kgN ha-1 yr-1)
5 18
16 53
31 25
42 24
89 34
人工林の高齢化 → 窒素飽和しやすい
人工林高齢化の影響~窒素吸収量の減少~
0 10 20 30 40 50
NO
[ L
]3
- -1
mg
0
0.5
1.0
1.5
2.0
都市・農地面積 [%]0 10 20 30 40 50
0.05
0.10
0.15
TP
[m
g L
]-1
0.20
農地・都市面積 [%]
0
農業・都市活動の影響は?~リンは増加,窒素はやや減少~
農業活動は減少,都市活動は増加
NO
[ L
]3
- -1mg 1.0
2.0
TP
[mg
L]
-1
0.4
0
19
75
19
80
19
85
19
90
19
95
20
00
20
05
20
10
Year
0.8
農地・都市からの削減効果
森林の窒素飽和の影響
全リン濃度は減少しているがNO3
-濃度は上昇している
下流河川水質の長期変化 1977-2007年(30年間)
公共用水質データ (多々良川,宇美,須恵下流)
大気由来の窒素沈着の増加
渓流水中の硝酸イオンが高濃度
農地・都市域からの汚濁物質の流出は抑えられている
森林域が重要な面源負荷
多々良川流域
人工林の高齢化 促進
抑える必要がある
総括
森林の窒素飽和
対策
地球規模の汚染排出量規制
森林管理