諏訪湖流入河川水中ケイ素濃度の分布
横内雅大
1，内藤秋歩
2，宮原裕一
31
信州大学大学院総合理工学研究科，
2信州大学理学部，
3信州大学山岳科学研究所
Distribution of silicon concentration in influent river water into Lake Suwa
M. Yokouchi
1, A. Naitou
2& Y. Miyabara
31
Guraduate School of Science and Technology, Shinshu University,
2Faculty of Science, Shinshu University,
3
Institute of Mountain Science, Shinshu University
キーワード：諏訪湖，水質，植物プランクトン，流入河川，ケイ素濃度
Keywords: Lake Suwa, water quality, phytoplankton, influent river, silicon concentration
1. はじめに
珪藻は水生生態系での重要な一次生産者であり， 食物連鎖を通じて高次消費者を支えている．地球上 に存在する珪藻の生産量は有機物に換算すると陸上 植物全体の生産量に匹敵する年間 360 トンであり， 地球上の一次生産の 20-25％を担っている（真山， HP）．一般に，藻類は増殖の際，水温の影響を受ける が，栄養塩濃度の影響も受ける．珪藻はガラス質の 殻を有しており，その増殖において窒素・リンとと もにケイ素を必要とする．一般に，富栄養化が進み 水中の窒素・リン濃度が増加すると溶存態ケイ素が 不足し，非珪藻類が優占しやすくなると言われてい る． 長野県中央部に位置する富栄養湖の諏訪湖では下 水道の整備が進み，現在水中の窒素・リン濃度は減 少傾向にある（宮原，2013, 2018）．しかし，1971-2 年（倉沢，1973）と 1977-8 年（沖野・山本，1978） 以外，諏訪湖湖水中でのケイ素濃度は通年で測定さ れていないため，現在の諏訪湖湖水中のケイ素濃度 やその季節変動は不明である． さらに，湖水中の栄養塩濃度の変動を解析するた めには，その流入源である流入河川水中の栄養塩濃 度の把握や供給源も推定する必要がある． 本 研 究 で は ，諏 訪 湖 におけ る 植 物 プ ラ ンク ト ン 量 の 変 動 要 因を 明 ら かに す る た め，諏 訪 湖 お よ び 流 入 河 川 水中 の 栄 養塩（ 窒 素 ，リ ン ，ケ イ 素 ）濃 度 の 季節 変 動 と ，集 水 域 か ら の それ ら 栄 養 塩 の 供 給 に つい て 解 析を 試 み た ．2. 方法
2.1 試料採取 諏 訪 湖 お よ び 主 要 な 流 入 河 川 の 現 況 を 図 １ に 示 し た ．諏 訪湖 で は ，湖面 積 13.3 km2に 対 し ， 流 域 面 積 が 531 km2と広く ， そ の 大 部 分を 諏 訪 湖 の 南 側 か ら 流 入 す る 上 川 の 流 域 が 占 め て い る ．ま た ，主 要 な 4 河川の 流 域 は 全 体 の 8 割 以 上 を 占 め て い る． 横河川 砥川 宮川 上川 湖心 流域面積 24.4 km2 流域面積 59.1 km2 流域面積 102.0 km2 流域面積 252.8 km2 水深 5.7―6.0 m 諏訪湖 流域面積 531 km2 湖面積 13.3 km2 図１ 試料採取地点（諏訪湖および主要な流入河川） （原著論文） 信州大学環境科学年報 40号(2018)2015 年 11 月 か ら 2017 年 11 月 に か け て， 隔 週 で 諏 訪 湖 湖 心（ 36゜ 02’50”N，138゜ 05’14” E；図 １ ）に お い て ，表層（ 0 m）お よ び 底 層（ 5 m） の 湖 水 を バ ン ド ー ン 採 水 器 を 用 い て 採 水 し た ．同 期 間 に お いて ，月一 度 ，諏 訪 湖 の 流入 河 川（ 横 河 川 ，砥 川 ，上 川，宮 川 ） に お い て 河 川 水 を 採 取 し た ．さら に ，2017 年 10 月 から 11 月 に か け 砥 川 や 上 川 の 上 流 域 に あ た る 霧 ヶ 峰 高 原 の 渓 流 で も 採水 を 行 った ． こ れ ら 試 水 は，い ず れもポ リ エ チ レ ン 製ビ ン に 入 れ 持 ち 帰 り，0.45 ㎛の メ ン ブ レ ン フィ ル タ ー（ メ ル ク ミリ ポ ア 社 製 JAWP04700）で ろ 過 し た 後 ，ポ リ エチ レ ン 製 ビン に 入 れ ，分析 時 ま で 暗 所 で 保 存 し た． 2.2 分析方法 植 物 プ ラ ン ク ト ン の 現 存 量 の 指 標 で あ る ク ロ ロ フ ィ ル a 濃 度 は ， 試 水 を ガ ラ ス 繊 維 ろ 紙 （ Whatman 社 製 GF/C）で吸 引 ろ 過 し ，ろ 紙を エ タ ノ ー ル で 一 昼 夜 抽 出 し た の ち ， 遠 心 分 離 し ， 分 光 光 度 計 （ 日 立 製 作 所 製 U-2000） を 用 い て 上 澄 み 液 の 吸 光度 を 測 定し ，ユ ネ スコ 法 で 算 出 し た ． 湖 水 中 の 硝 酸態 窒 素，亜 硝 酸 態 窒 素 およ び ア ン モ ニ ア 態 窒 素は ，それぞ れ ろ 液 を イ オン ク ロ マ ト グ ラ フ 法 ，BR 法 ，イン ド フ ェ ノ ー ル法 で 測 定 し ， そ の 合 計 値 を 溶 存 態 無 機 窒 素 （ DIN） と 表 記 し た ．河川 水 に つ いて は ，イ オ ンク ロ マ ト グ ラ フ （ DIONEX 社 製 ICS-1500） を 用 いて 測 定 し た ．な お，河 川 水 からは 亜 硝 酸 態 窒 素お よ び ア ン モ ニ ア 態 窒素 は 検 出さ れ な か っ た ため ，本 文 中 で は 硝 酸 態窒 素 と 表記 し た ． 水 中 の リ ン 酸 態リ ン は，ろ 液 に つ い て アス コ ル ビ ン 酸 還 元 モ リ ブ デ ン ブ ル ー 法 で 測 定 し た ． 水 中 の 溶 存 態 ケ イ 素 （ DSi） は モ リ ブ デ ン イ エ ロ ー 法 で 測 定し た ．
3. 結果
3.1 諏訪湖における植物プランクトン量の変 動 諏 訪 湖 の 植 物 プ ラ ン ク ト ン 現 存 量 の 変 動 を ， そ の 指 標 で あ るク ロ ロ フィ ル a 濃 度の 変 動 と し て 図 ２ に 示 し た．2016 年，2017 年と も ，4 月 か ら 6 月と 9 月か ら 10 月に ク ロ ロ フ ィル a 濃度 の 上 昇 が 見 ら れ，諏 訪湖で は 春 と 秋 に 植物 プ ラ ン ク ト ン 量 が 増 大 す る こ と が 示 さ れ た ． 一 方 ， 2016 年 ， 2017 年 と も 12 月 か ら 3 月 の 冬 期 と ， 6 月 か ら 8 月の 夏 期 に クロ ロ フ ィ ル a 濃 度 が 低 く ，冬 と 夏に 植 物 プ ランク ト ン 量 が 低 く維 持 さ れ る こ と も 示 され た ． さら に ， 2016 年 と 2017 年 を 比 較 す る と， 2017 年 10 月 の 表層 を 除 き ， 2016 年 の 方が 2017 年 より も ク ロ ロ フ ィル a 濃 度 が 高 く ，植 物 プ ラ ンクト ン 現 存 量 が 多か っ た ． 3.2 諏訪湖および流入河川の水質の季節変動 植 物 プ ラ ン ク ト ン の 増 殖 に 関 わ る 諏 訪 湖 お 0 50 100 150 200 250 Chl.a 濃度（ µ g/L ） 0m 5m 図２ 諏訪湖における植物プランクトン現存量の変動 0 200 400 600 800 1000 DIN 濃度（ µg -N /L ） 0m 5m 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 NO 3 -N 濃度（ µg -N /L ） 横河川 砥川 上川 宮川 図３ 諏訪湖および流入河川における溶存態窒素濃度の変動 上：諏訪湖湖心 下：流入河川よ び そ の 流 入 河川 水 中 の溶 存 態 無 機 窒 素 ，リ ン 酸 態 リ ン お よ び溶 存 態 ケイ 素 濃 度 の 変 動を ，図 ３ か ら 図 ５ に 示し た ． 諏 訪 湖 の 溶 存態 無 機 窒素 濃 度 は ，秋 か ら 冬 に か け 上 昇 し ，冬 か ら 春 にか け 下 降 し ，表 層 で は 夏 か ら 秋 に か け て 極 め て 低 い 濃 度 で 推 移 し て い た ． こ の 表 層で の 低 い窒 素 濃 度 は 2016 年 の 方 が 2017 年 よ り も 長く継 続 し て い た ．底 層 で は 夏 か ら 秋 に か け て 表 層 よ り も 濃 度 が 高 く な っ て い た ．一方 ，河 川では 明 瞭 な 季 節 変動 は 見 ら れ な か っ た が，水 中 の硝 酸 態 窒 素 濃 度は ，宮 川 ＞ 上 川 ＞ 砥 川 ・ 横 河 川 の 順 で あ っ た ． ま た ， 湖 水 に 比 べ 河 川 水 中 の 溶 存 態 窒 素 濃 度 が 高 か っ た （ 図 ３ ）． 諏 訪 湖 の リ ン酸 態 リ ン濃 度 は ，季節 変 動 が 小 さ く ，表 層 では ，ほ ぼ 4µg-P/L 以 下 で 推移 し て い た ． 底 層 では 2016 年・ 2017 年 の 7 月 下 旬 と 2017 年 10 月 上 旬 に 濃度上 昇 が 見 ら れ た ．一 方 ， 河 川 で は 明 瞭 な 季 節 変 動 は 見 ら れ な か っ た が ， 水 中 の リ ン 濃 度は ，宮 川・上 川＞ 砥 川・横 河川 の 順 で あ っ た．ま た ，湖水 に 比 べ 河 川 水中 濃 度 が 高 か っ た （ 図４ ）． 諏 訪 湖 の 溶 存態 ケ イ 素濃 度 は ，秋か ら 冬 に か け 上 昇 し ， 冬 から 春 に かけ 下 降 し ， 5 月 か ら 7 月 に 極 小 値 を 示し た ．底層 で は 夏 か ら 秋に か け て 表 層 よ り も ケイ 素 濃 度が 高 く な っ て いた ．一 方 ，河 川 では 明 瞭 な 季節変 動 は 見 ら れ なか っ た が ，水 中 の ケ イ 素濃 度 は ，上 川 ＞ 宮 川・砥 川＞ 横 河 川 の 順 で あっ た ．また ，河 川 水 中ケ イ 素 濃 度 は ， 上 川 で は湖 水 中 濃度 よ り も 高 く ，宮 川 ・ 砥 川 で は 湖 水 の 極 大 値 と 同 程 度 で あ っ た （ 図 ５ ）． 3.3 諏訪湖の水温および諏訪地域の降水量 諏 訪 湖 の 水 温 変動 を 図６ に 示 し た ．諏 訪 湖で は 12 月 から 3 月 に か け水 温 は 5℃ 前後 で 維 持 さ れ ，6 月 か ら 10 月 は 水 温が 20℃ を 超 えて い た ． ま た ， 7 月 ・8 月 に は ，表 層 で 25℃ を超 え る 極 大 値 が 観 察 さ れた ． 6 月か ら 8 月 にか け ， 表 層 と 底 層 の 水 温 差が 見 ら れ ，湖 水 の 鉛直 混 合 が 抑 制 さ れ て い る こと が 示 唆さ れ た ． 0 5 10 15 20 25 30 35 水温 （ ℃ ） 0m 5m 図６ 諏訪湖における水深別水温の変動 0 10 20 30 40 50 DSi 濃度（ m g SiO 2 /L ） 0m 5m 0 10 20 30 40 50 DSi 濃度（ m g SiO 2 /L ） 横河川 砥川 上川 宮川 図５ 諏訪湖および流入河川における溶存態ケイ素濃度の変動 上：諏訪湖湖心 下：流入河川 0 4 8 12 16 20 PO 4 -P 濃度（ µg -P/L ） 0m 5m 0 10 20 30 40 50 PO 4 -P 濃度（ µg -P/L ） 横河川 砥川 上川 宮川 図４ 諏訪湖および流入河川におけるリン酸態リン濃度の変動 上：諏訪湖湖心 下：流入河川
諏 訪 特 別 気 象 観測 所（ 諏訪 市 ）に お ける ，月 別 降 水 量（気 象 庁，HP）の変 動 を 図 ７ に 示し た ． こ の 地 域 の 6 月 か ら 9 月 の 降 水 量 の 平年 値 は 677 mm で あ る の に 対 し ， 2016 年 の 降 水 量 は 844.5 mm， 2017 年 は 410 mm で あ っ た ． 3.4 諏訪湖流入河川および霧ヶ峰高原渓流で の窒素・リン・ケイ素の分布 諏 訪 湖 流 入 河 川水 中 の 硝酸 態 窒 素 ，リ ン 酸 態 リ ン お よ び 溶 存 態 ケ イ 素 濃 度 を 図 ８ に 示 し た ． 硝 酸 態 窒 素 は 宮川 と 古 川（ 下 諏 訪 町）で 比 較 的 濃 度 が 高 か っ た．リ ン は，諏 訪 湖 の 東側 か ら の 流 入 河 川 で 比 較 的 濃 度 が 高 い 傾 向 が 見 ら れ た ． ケ イ 素 は 河 川 に よ る 差 は そ れ ほ ど 大 き く は な か っ た が ，リ ン と 同 様に諏 訪 湖 の 東 側 から の 流 入 河 川 で 比 較 的濃 度 が 高い 傾 向 が 見 ら れた ．上 述 の 主 要 4 河 川 の 水質の 季 節 変 動 に おい て も ， 上 川 で リ ン と ケイ 素 濃 度が 高 く ，同様 な 傾 向 と な っ て い た ． 諏 訪 湖 の 東 側 に 位 置 す る 霧 ヶ 峰 高 原 の 渓 流 水 中 で の 硝 酸 態 窒 素 濃 度 の 分 布 を 図 ９ に 示 し た ．霧 ヶ 峰高 原 南 部 の河川 下 流 で 比 較 的高 濃 度 の 硝 酸 態 窒 素 が検 出 さ れた ． 霧 ヶ 峰 高 原 の 渓 流 水 中 で の リ ン 酸 態 リ ン 濃 度 の 分 布 を 図 １０ に 示 した ．こ の 地域 の 河 川 水 40 30 20 10 40 30 20 10 1500 1000 500 200 μg-N/L μg-P/L mg-SiO2/L 横河川 砥川 宮川 上川 千本木川 衣之渡川 承知川 古川 塚間川 新川 武井田川 図８ 諏訪湖流入河川水中の栄養塩濃度（2016年6月5日） 図９ 諏訪湖集水域東部における河川水中硝酸態窒素濃度の分布 図１０ 諏訪湖集水域東部における河川水中リン酸態リン濃度の分布 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 降水量 (m m ) グラフ タイトル 図７ 諏訪特別地域気象観測所における月別降水量の変動 濃青色は夏期，薄青色はそれ以外の時期の降水量を表す．
中 の リ ン 酸 態 リン 濃 度 は極 め て 低 く ，市 街 地 に 位 置 す る 角 間 川 下 流 で の み 比 較 的 高 濃 度 と な っ て い た ． 霧 ヶ 峰 高 原 の 渓 流 水 中 の 溶 存 態 ケ イ 素 濃 度 の 分 布 を 図 １ １に 示 し た ．河 川 水 中の 溶 存 態 ケ イ 素 濃 度 の 地 域 差 は そ れ ほ ど 大 き く な か っ た が ，標 高 が高 い 地 点 ではケ イ 素 濃 度 が 低く か っ た ．ま た ，霧 ヶ 峰 高 原北部 で 比 較 的 高 濃度 の ケ イ 素 が 検 出 さ れる 傾 向 が見 ら れ た ．
4. 考察
4.1 諏訪湖における植物プランクトンの制限 因子 本 研 究 で 対 象 とし た 2016 年 か ら 2017 年 だけ で な く ，近 年の 諏 訪 湖 では ，冬 期 と 夏期 に 植 物 プ ラ ン ク ト ン 量 が 低 下 す る こ と が 示 さ れ て い る （ 宮 原 ， 2013, 2018）． 冬 期 に つ い て は 水 温 が 低 下 し 生 物 の 活 性 が 低 下 し た こ と で 説 明 が で き る ．一 方 ，夏 期に つい て は ，溶 存 態 の窒 素 や ケ イ 素 濃 度 が低 下 し てお り ，こ れら が 植 物 プ ラ ン ク ト ン 増 殖 の 制 限 因 子 と な っ て い る と 考 え ら れ た ． 2017 年 10 月に は ， 諏 訪 湖 で窒 素 固 定 型 の 藍 藻 を 主 体 と し た ア オ コ が 発 生 し た が ， こ れ は ，諏訪 湖 が 窒 素やケ イ 素 制 限 下 にあ っ た た め と 言 え る ． ま た ，諏 訪湖 で の 溶 存態 窒 素 ，リ ンお よ び ケ イ 素 濃 度 は，い ず れ も河川 水 中 濃 度 よ りも 低 く ， 河 川 か ら 流 入 し た こ れ ら 栄 養 塩 は 湖 水 中 の 植 物 プ ラ ン ク ト ン に よ っ て 利 用 さ れ て い る と 言 え る ． 2016 年に 比 べ 2017 年 夏 期 の クロ ロ フ ィ ル a 濃 度 は 低 かっ た が ，2017 年 夏 期 の 降水 量 は 2016 年 の 半 分 程度 で あり ，河 川 から の 上 記 栄養 塩 の 供 給 が 少 なく ，湖水中 で 利 用 可 能 な栄 養 塩 が 不 足 し た こ とが 原 因 と考 え ら れ た ．す な わ ち， 諏 訪 湖 の 植 物 プ ラ ン ク ト ン を は じ め と す る 生 態 系 は ，集水 域 か ら の栄養 塩 供 給 に 大 きな 影 響 を 受 け て い る と言 え る ． 4.2 諏訪湖集水域からの栄養塩の供給 諏 訪 湖 流 入 河 川の 水 質を 見 る と ，農 耕 地 や市 街 地 の 影 響 を 強 く 受 け て い る 宮 川 や 古 川 で 硝 酸 態 窒 素 濃 度 が高 か っ た．霧 ヶ 峰 高原 の 渓 流 に お い て も ，農 耕 地 の 近くで は 硝 酸 態 窒 素濃 度 が 高 く ，諏 訪湖 へ の 窒 素の供 給 に は 人 為 的な 影 響 が 強 い と 考 え られ た ．また ，渓 流 水 に比 べ 流 入 河 川 の 河 口 付 近 で は リ ン 濃 度 が 高 か っ た こ と か ら ，リ ンの 供 給 も 諏訪湖 に 近 い 市 街 地や 農 地 の 影 響 を 強 く 受 け て い る と 考 え ら れ た ． 一 方 ， 霧 ヶ 峰 高 原 上 部 の 渓 流 水 で は ケ イ 素 濃 度 は 低 い も の の ，標 高 が 低 下する と ケ イ 素 濃 度が 高 く な る こ と か ら，そ の 濃度に は 河 川 水 と して 流 出 す る ま で の 地 下 水 の 土 壌 や 岩 石 と の 接 触 時 間 が 関 与 し て い ると 考 え られ た ．ま た，火 成 岩 地 帯 で は ケ イ 素 が溶 け 出 しや す い こ と か らも（ 熊 谷 ほ か , 2010）， 火 成 岩 か ら 成 る 霧 ヶ 峰 高 原 が 諏 訪 湖 へ の ケ イ 素 の 供 給 源 と な っ て い る と 考 え ら れ た ． 2017 年 秋 に は窒 素 とケ イ 素 不 足 に より ，窒素 固 定 型 の 藍 藻 に よ る ア オ コ が 発 生 し た と 考 え ら れ ，諏 訪 湖の 水 質 管 理の た め に は ，窒 素 や リ ン に 加 え ケ イ 素濃 度 の モニ タ リ ン グ と ，そ れ ら 栄 養 塩 の 組 成 を 把 握 す る 必 要 が あ る と 言 え る ．5. まとめ
諏 訪 湖 に お け る 植 物 プ ラ ン ク ト ン 量 の 変 動 要 因 を 明 ら か にす る た め，諏 訪 湖 およ び 流 入 河 図１１ 諏訪湖集水域東部における河川水中溶存態ケイ素濃度の分布川 水 中 の 栄 養 塩（ 窒 素 ，リ ン ，ケ イ 素 ）濃 度 の 季 節 変 動 と，集 水 域 からの そ れ ら 栄 養 塩の 供 給 に つ い て 解 析 を行 っ た ． 水 温 で 説 明 が つ か な か っ た 夏 期 の 植 物 プ ラ ン ク ト ン 量 の 減 少 は 溶 存 態 の ケ イ 素 と 窒 素 の 低 下 で 説 明 で きた ． 河 川 に よ る 溶 存 態 ケ イ 素 濃 度 の 差 は そ れ ほ ど 大 き く は な かっ た が，リ ン と 同 様 に 諏訪 湖 の 東 側 か ら の 流 入河 川 で 比較 的 濃 度 が 高 く，供 給 量 も 多 い と 考 えら れ た ． 諏 訪 湖 の 植 物 プ ラ ン ク ト ン を は じ め と す る 生 態 系 は ，集 水 域 か ら 河川 を 通 じ て 供 給さ れ る 栄 養 塩 の 影 響 を 強 く 受 け て い る と 考 え ら れ た ．
