PowerPoint プレゼンテーション

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

自己紹介

最近の生態系研究の動向

自己紹介 最近の生態系研究の動向

森林の水はきれい？

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

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

・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

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

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 1-0 2-0 3-0 4-0 5-0

N

O

[

L

]

mg

0

0.5

1.0

1.5

2.0

都市 ・農地 面積 [%]

NO

-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 (u M) 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

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～

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）

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）

NO_{x 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

土壌

NO

-NH

森林生態系外への流出

N

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？

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 (kmol 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 -D ep o s it i on ( m m ol m ) -2

Fig. 3 Net throughfall ( TF- RF) and r ainfall

(RF) deposition at ur ban- and rur f orested 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 NO_x排出量経年変化 （Akimoto, 2004) year NO x 排出量 (kt yr -1 ) 40000 30000 20000 10000 5000 1970 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

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～

窒素の供給量 (kgN ha-1_yr-1₎ 0 10 20 30 40 50 60 70 80 渓流水中 NO 3 - (kg N ha -1 yr -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 ２ 10 ~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～

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

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

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

N

O

[

L

]

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

T

P

[

m

g

L

]

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～

NO [ L ] 3 - -1 mg 1.0 2.0 T P [m g L ] -1 0.4 0 19 7 5 1 9 80 1 9 8 5 1 9 90 19 9 5 2 0 00 20 0 5 2 0 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

NO

濃度は上昇している

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

対策

 地球規模の汚染排出量規制

 森林管理