西の湖の窒素・リン収支および人工湿地における 水質浄化機能の解明

西の湖の窒素・リン収支および人工湿地における 水質浄化機能の解明

谷田 清史・藤井 健嗣・松野 裕・八丁 信正・越智 士郎

（近畿大学農学部環境管理学科）

Estimation of Nitrogen and Phosphorus Budgets in Nishinoko and Water Purification Function of the

Constructed Wetland

Kiyoshi T

, Kenji F

, Yutaka M

, Nobumasa H

, Shiro O

Synopsis

 The purpose of this study is to estimate nitrogen and phosphorus budgets of Nishinoko and to quantify the water quality purification function in the constructed wetland that receives agricultural drainage before flowing to Nishinoko.

 The study had been conducted from February 2009 to January 2010. Water samplings and flow measurements were made twice a month during irrigation period and once a month during non- irrigation period. Measurement points were established at the lower reach of six rivers, and the inflow and outflow points of the wetland.

 As a result of analysis, total loadings to Nishinoko were approximated to 27 tons for T─P and 220 tons for T─N. Total outflow loadings out of Nishinoko to Biwako were approximately 180 tons for T

─N and 26 tons for T─P. Those results revealed that Nishinoko played a role of water purification, accounting for 60% and 70 % of annual T─N and T─P loadings to Nishinoko, respectively, during the irrigation period. The result of this study also showed that, on average, 5.4 kg／day or 24% of T─N and 1.7 kg／day or 30% of T─P were removed in the constructed wetland.

1．はじめに

 日本の湖・沼において、富栄養化現象は深刻な 問題となっている。急速な経済の発展と同時に、

急激に水環境は悪化していった。多種多様な生態 系や水利用がある琵琶湖も例外ではない。日本最 大の面積を誇る琵琶湖は、1985年に湖沼水質保全 特別措置法に指定され、1993年にはラムサール条 約に登録された。このように琵琶湖の水環境に目 が向けられることにより、多数の水質調査や生態 系調査が過去に実施されてきた。一方で琵琶湖と 深く関わりのある「内湖」についての研究例は比 較的少ない。内湖は琵琶湖の生態系や水質に大き く関係しており、琵琶湖に流入する水の浄化機能 を保有するとともに、魚類の繁殖場などとして流 域の生態系に深く関わっている。しかし、度重な る干拓や湖岸事業により、内湖の消失や水質悪化 が生じるまで十分に目が向けられてこなかった。

内湖における水環境を理解しない限りは、琵琶湖 流域全体における水環境の改善、ひいては生態系 の回復は難しい。また、水環境の改善において、

各産業部門にまたがる排水抑制や水質改善対策は、

必要不可欠なものである。

 このために、内湖の現況を把握するための調査 および調査結果を基にした環境負荷を抑制する適 切な水管理方策の確立が急務となっている。

 以上の観点から、本研究では琵琶湖東岸に位置 する西の湖を対象として、その物質収支を算定す るとともに、水質浄化対策の目的で設置された人 工湿地「ヨシきりの池」における浄化機能を明ら かにすることにより、水質悪化が懸念されている 西の湖における物質循環の現状を把握することを 目的とする。

2．地域の概要

2．1．研究対象地域（西の湖流域の河川）

 本研究対象の西の湖は、琵琶湖東岸の安土町と 近江八幡市に位置する琵琶湖沿岸最大の内湖であ る。かつて西の湖は、水路を通じて大中の湖と小 中の湖と繋がっていた。しかし干拓による影響で、

現在では西の湖を残すのみとなった。西の湖へは 5つの河川が流入している。その5つの河川は黒橋 川、蛇砂川、山本川、安土川、および小中排水路 である（図1）。安土川、小中排水路には、干拓地 からの農業排水や生活排水が流れ込んでおり、そ の排水の一部はヨシきりの池へ流入している。山 本川、黒橋川、蛇砂川の農業排水は、そのまま西 の湖へ流入している。そして、長命寺川は、西の 湖から琵琶湖へ水が流出する河川である。

2．2．ヨシきりの池の概要

 ヨシきりの池は、水生植物による水質浄化を目 的として建設された人工湿地である。安土川、小 中排水路からの農業排水の一部を、西の湖に流入 する直前に設置されたポンプにより、ヨシきりの 池に流入させる構造となっている。ヨシきりの池 の内部には、ヨシやキショウブといった水質浄化 能力が高いとされる植物が植えられており、水が 流入して流出部に向かうまでに、これらの水生植 物が窒素やリンを吸収する仕組みになっている。

その他の浄化機能として、汚濁物質が池の底に沈 殿することによる効果も期待できる。そして浄化 された水は、流出部によって西の湖へ流出する。

また、流入部から流出部へ向かうまでに開閉可能 な水門が設けられており、必要なときにこの水門 で小中の湖干拓地へ水を循環させ、水を節約して いる。

 このヨシきりの池は、年末になると、地元の住 民によるヨシ刈りやヨシ焼きなどの行事が行なわ れる。また、定期的に池の底に溜まった泥を人工 的に取り除いており、適正な管理が行われている。

図1 西の湖流域の河川

3．研究手法

 西の湖へ流入流出する6河川（安土川、小中排 水路、山本川、蛇砂川、黒橋川、長命寺川）の窒 素・リン濃度の分析と流量測定により、年間を通 じての窒素・リンの物質循環量を算定した。また、

同様の分析・測定から、ヨシきりの池へ流入・流 出する窒素・リン収支を定量化することにより、

ヨシきりの池の水質浄化機能を算定した。そして、

これらの結果から人工湿地であるヨシきりの池の 水質浄化機能について考察した。

3．1．主な調査項目

 上記の西の湖の物質循環量および、ヨシきりの 池の水質浄化量は、全窒素と全リンの負荷量を計 算することによって求めた。負荷量は、流量に濃 度を乗じた値で、次の式を用いて計算した：

L ＝ Q ×C

ここで、Lは負荷量（g／s）、Qは流量（m³／s）、C は物質濃度（mg／ｌ）である。

 濃度測定は吸光光度法を使用し、流量は各々の 河川・水路で流速、断面積を測定し、算定した。

 また、ヨシきりの池においては、自動水位計を 設置することで細かい水位変動を記録できるよう にして、水位と流量の関係から求めたH─Q式と C─Q式（濃度と流量の関係式）からより詳細な負 荷量変化を読み取れるようにした。

3．2．調査期間と頻度

 調査期間は、2009年2月から2010年の12ヵ月間 であり、濃度分析のための採水頻度は営農時期に より3つに分けて測定した。まず灌漑期と非灌漑

期に分け、さらに灌漑期でも代掻き期間では、集 中的に調査を行なった（表1）。

4．調査結果

4．1．西の湖の窒素負荷量

 表2に、西の湖の流入河川の水質、流量データ より西の湖に流入する全窒素の月別負荷量を算定 した結果を示す。また、長命寺川を通して西の湖 から琵琶湖へ流出する全窒素流出負荷量も表した。

 西の湖に流入する全窒素総負荷量は224.1トン であった。河川ごとでは、山本川、蛇砂川、黒橋 川、小中排水路、安土川の順で大きくなっていた。

山本川は総窒素流入負荷量の約半分を占めている。

山本川は、他の4河川に比べ、河川流量および断 面積が2倍以上違う。この差が負荷量に大きく影 響を及ぼしたと考えられる。西の湖流域は干拓地 であり、土地利用面積において農地（水田、畑）

が約半数以上を占めていることがわかっている。

環境負荷低減を考える上で、農業排水対策は特に 有効であると言える。また、次に多い土地利用は、

市街地であり、生活廃水も西の湖流域の負荷量に 大きく影響していると考えられる（油谷 2009）。

よって、排水処理施設の高度化など生活廃水由来 の負荷量削減対策も有効であると考えられる。

 月別に見てみると、4月と5月に流入量は増加し ていた。これは、代掻きや、田植えの時期であり 農業排水の増加や肥料の使用量増加が影響してい 表1 営農期間と採水頻度

（4／灌漑期27〜9／23）

代掻き期 毎日

灌漑期 月に2〜3回

（非灌漑期9／24〜4／） 非灌漑期 月に1〜2回

表2 月別西の湖全窒素負荷量（トン／月）

流域 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 1月 計 安土川 0.8 0.8 2.5 1.7 1.5 1.4 0.6 1.7 0.6 2.0 0.9 1.0 15.6 小中排水路 1.4 1.9 4.7 3.3 1.1 1.0 3.3 0.6 0.7 1.5 1.8 2.4 23.7 山本川 7.2 5.3 10.4 17.8 11.2 10.4 6.4 7.0 4.5 6.0 8.4 8.4 103.1 蛇砂川 3.7 3.6 5.3 7.1 4.1 3.5 3.1 2.6 4.9 5.1 3.5 3.8 50.3 黒橋川 1.9 2.0 3.8 3.6 2.7 2.7 4.5 1.5 1.8 2.7 1.9 2.4 31.5 計（以上5河川） 15.0 13.5 26.8 33.5 20.6 18.9 17.8 13.4 12.5 17.4 16.6 18.0 224.1 長命寺川 18.5 10.0 22.5 12.9 20.7 7.1 8.1 9.1 20.0 21.5 10.4 15.4 176.2

ることが原因だと考えられる。また、琵琶湖への 全窒素総流出負荷量は、176.1トンであった。これ は、西の湖流域の負荷量が琵琶湖へ流出する前に 土壌沈下や脱窒などにより西の湖が49トン吸収し たことを示している。これらのことにより西の湖は 一定の水質浄化機能を果たしていると考えられる。

4．2．灌漑期と非灌漑期の負荷量

 灌漑期を4月から9月まで、非灌漑期を2月から 3月、10月から1月までとし、負荷量の比較を行っ た。総窒素流入負荷量224.1トンのうち、灌漑期 の合計は131.1トン、非灌漑期の合計は93トンで 灌漑期が占めた割合は全体の59パーセントであっ た。灌漑期に負荷量が多いことは水田からの排出 が要因であると考えられ、負荷量流出削減対策は 特に灌漑期に行う必要があると考える。

4．3．近江八幡市公表データとの比較  本研究のデータの正確性を検証するために2007 年1月1日に近江八幡市が公表しているデータと本 研究データとの比較を行い、その結果を表3に示 した（近江八幡市 2007）。

 小中排水路以外、本研究データは公表データに 比べ、全体的に過大評価となった。特に、山本川 のデータは大きな差がみられた。これは、測定ポ

イントの相違や頻度の差が要因ではないかと考え られる。しかし、近江八幡市公表データは、算定 方法の詳細が明らかになっておらず、この違いを 明確に説明することはできない。

4．4．全リン負荷量

 西の湖の流入河川の水質、流量データより西の 湖に流入する全リンの月別負荷量を算定した結果 を表4に示す。また、西の湖から長命寺川を通し て琵琶湖へ流出する全リン流出負荷量も表した。

 西の湖に流入する全リン総負荷量は27.15トンで あった。河川ごとの負荷量では山本川が一番大き かった。月別に見てみると、4月、5月、6月に負 荷量が大きい。4月、5月は代掻き期、田植え期が 影響していると考えられ、6月は、雨量の増加によ る流出の増加が影響したと考える。

 また、西の湖から琵琶湖への総流出量は26.68ト ンであった。これは、西の湖流域の負荷量が琵琶 湖へ流出する前に西の湖が0.46トン吸収したことを 示している。数値を見るとわずかではあるが、西の 湖は水質浄化の機能を有しているということが出来 る。

4．5．灌漑期と非灌漑期の比較

 全リンでの灌漑期（4月〜9月）と非灌漑期（2 月〜3月、10月〜1月）の比較を行った。

 総窒素流入負荷量27.15トンのうち、灌漑期の合 計が18トン、非灌漑期の合計が9.15トンで、灌漑 期が占める割合は66パーセントであった。この結 果は、西の湖へのリンの負荷源として農業由来の 負荷の割合が高いことを示唆している。

一方、非灌漑期の負荷も無視できない量であるこ とから、生活排水および畜産由来の物質も西の湖 表4 月別西の湖全リン負荷量（トン／月）

流域 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 1月 計 安土川 0.08 0.10 0.30 0.36 0.37 0.16 0.25 0.31 0.04 0.24 0.16 0.13 2.50 小中排水路 0.22 0.13 0.51 0.45 0.54 0.25 0.58 0.07 0.12 0.25 0.33 0.36 3.81 山本川 0.96 0.88 1.89 1.77 2.01 0.52 1.16 0.56 0.41 0.35 0.36 0.51 11.38 蛇砂川 0.59 0.39 0.73 0.66 0.76 0.61 0.58 0.19 0.32 0.26 0.34 0.38 5.81 黒橋川 0.20 0.36 0.43 0.32 0.58 0.40 0.44 0.24 0.29 0.11 0.14 0.14 3.65 計（以上5河川） 2.05 1.86 3.86 3.56 4.26 1.94 3.01 1.37 1.18 1.21 1.33 1.52 27.15 長命寺川 2.19 1.44 2.83 2.79 4.85 3.04 2.57 1.72 2.28 1.22 0.52 1.24 26.68 表3 近江八幡市データとの比較（T─N負荷量）

流 域 本研究

（kg／day） 公 表

（kg／day）

安土川 42.6 31.6 小中排水路 64.8 124.7 山本川 282.5 85.8 蛇砂川 137.7 143.7 黒橋川 86.5 76.9 計（以上5河川） 614.0 462.7

の水環境に少なからず影響を与えていると考えら れる。

4．6．近江八幡市公表データとの比較  本研究のデータの正確性を検証するために全窒 素と同様に全リンについて2007年1月1日に近江 八幡市が公表しているデータと本研究データとの 比較を行い、その結果を表5に示した（近江八幡 市 2007）。

 近江八幡市のデータより本研究のデータは約3 倍、過大評価という結果になった。特に山本川は データの差が大きい。

5．ヨシきりの池の水質浄化機能

5．1．ヨシきりの池における負荷量変化  ヨシきりの池における窒素とリンの年間負荷量 の変化を図2、図3に示す。

 ヨシきりの池では負荷量が大きく変動する。窒 素については灌漑期初めから灌漑期終盤にかけて 流出負荷量が大きく減少する。これはヨシなどの 水生植物の成長量が大きくなるため、成長に伴い 吸収される窒素量が増大することや、気温の上昇 により水中での微生物の活動が活発になることで、

脱窒反応が加速されるためだと考えられる。非灌 漑期に入ると流量が減少するため、負荷量も低く なる。負荷量が低くなっても多少の水質浄化は確 認できた（図2）。

 リンについては、水質浄化が機能していると判 断するには、図3からは読み取りにくい。リンは 土壌に吸着される性質を持つ。流量が増加すると 底泥が巻き上げられ、水と一緒に流れ出す傾向が ある。さらに流量が増加するとリンの沈降が少な

くなり、土壌への吸着も減少する。このように、

リンは流量の増減による流出や吸着への影響が大 きいため、明確な傾向を見ることができなかった と考える。

5．2．ヨシきりの池の平均負荷量

 負荷量の期間別の違いを探るため、農業期間を 灌漑期、非灌漑期、さらに最も水質の変化が顕著 に出ると思われる代掻き期に分けてまとめたもの を表6に示す。表の値はそれぞれの期間における 平均負荷量である。窒素・リン共に最も負荷量が 大きくなったのは、代掻き期であった。代掻き期 では流入部・流出部共に最も負荷量が高い時期に なった。この結果は代掻き期に使用される窒素・

リンを含んだ肥料が原因であると考える。

 流入と流出量の比較で最も大きく減少した期間 図2 ヨシきりの池における窒素の負荷量変化

0 5 10 15 20 25

4/27~5/6 5/21~5/27

6/11~6/17 7/2~7/8

7/23~7/29 8/13~8/19

9/3~9/9 9/24~9/30

10/15~10/21 11/5~11/11

11/26~12/2 12/17~12/23

1/7~1/13

kg/day ^{流入部 流出部}

図3 ヨシきりの池における全リン負荷量変化 0

2 4 6 8

4/27

~5/6 5/21

~5/27 6/11

~6/17 7/2~

7/8 7/23~

7/29 8/13

~8/19 9/3~

9/9 9/24

~9/30 10/15~

10/21 11/5~11/11

11/2 6~12/2

12/17

~12/23 1/7

~1/13

kg/day ^{流入部 流出部}

表5 近江八幡市データとの比較（T─P負荷量）

流域 本研究

（kg／day） 公 表

（kg／day）

安土川 6.9 2.0 小中排水路 10.5 11.9 山本川 31.2 2.4 蛇砂川 15.9 5.3 黒橋川 9.9 3.8 計（以上5河川） 74.4 25.4

は、窒素負荷量で灌漑期の5.07kg／day、リン負荷 量で代掻き期の2.08kg／dayであった。これらの期 間別負荷量の変動には、流量変化や滞留時間の違 いが影響していると考える（表6）。

表6 期間別負荷量の差 流入部T─N

（kg／day）

流出部T─N

（kg／day）

流入部T─P

（kg／day）

流出部T─P

（kg／day）

代掻き期 22.12 19.65 5.40 3.32 灌 漑 期

（代掻以外） 18.64 13.57 3.05 2.97 非灌漑期 0.75 0.29 0.13 0.02 全 期 間 11.00 7.69 1.86 1.67

5．3．ヨシきりの池の平均浄化率

 全窒素において最も浄化率が高い数値だったの が非灌漑期間であり、最も低い値が代掻き期で あった。また、全リンでは非灌漑期間が最も浄化 率が高く、最も低かったのは灌漑期間だった。非 灌漑期間の浄化率が高くなったのは、滞留時間が 長いためだと考える（表7）。

表7 期間別浄化率

T─N（%） T─P（%）

代掻き期間 11.17 38.55 灌漑期間 27.21 2.74 非灌漑期間 60.72 83.82 全期間 30.06 10.36

6．まとめ

 本研究では水質データおよび流量データを基に、

琵琶湖東岸地域の西の湖における水環境への窒素 負荷、リン負荷の算定を試みた。西の湖に流入す る5つの河川（安土川、小中排水路、山本川、蛇 砂川、黒橋川）と西の湖から琵琶湖へ通じる長命 寺川を対象とし、西の湖流域の物質収支を算定し た。

 西の湖への総流入負荷量は全窒素で約220トン、

全リンで約27トンとなった。長命寺川から琵琶湖 への総流出負荷量は全窒素で約180トン、全リン で約26トンとなった。総流入より総流出の方が小 さく、西の湖が窒素やリンを吸収していることを 示している。この様に西の湖は一定の水質浄化の

機能を有していると判断できる。

 月別の負荷流入量を見てみると窒素は4月と5 月、リンは4月から6月に高い数値を示していた。

4月から5月は代掻き期、田植え期にあたってい る。また、灌漑期と非灌漑期の比較では、灌漑期 に西の湖へ流入した割合は全窒素で約60パーセン ト、全リンで約70パーセントであった。これらの 結果は、水田からの汚濁負荷削減対策には、特に 代掻きや田植えが行われる灌漑期の早い時期に流 出削減を図るべきことを示唆している。

 ヨシきりの池の水質浄化機能においては、その 機能がより発揮される時期は、農業期間と水質項 目で大きく変ることが判明した。リン・窒素共に 浄化率が最も高かった期間は、非灌漑期であった。

しかし浄化された負荷量で見ると、リンは代掻き 期間に最も減少し、窒素は灌漑期に最も減少して いる。ヨシきり池へ流入する水は、全期間を通し て全窒素で約30%、全リンで約10%とある程度浄 化されている。また、ヨシきり池の水質浄化効果 には、ヨシの群生密度を上げることや、流入およ び流出量を調節することなどにより、改善の余地 があると考える。

謝 辞

 本研究の実施にあたり、びわこ揚水土地改良区 および琵琶湖干拓小中之湖土地改良区から多大な 協力を得た。ここに記して謝意を表する。

 また、本研究は平成21年度科学研究費補助金

（基盤B）「流域レベルの物質循環と多面的機能の 有効な発現に関する研究」における現地調査の一 環として実施された。

参考文献

島谷幸宏・細見正明・中村圭吾：エコテクノロ ジーによる河川・湖沼の水質浄化―持続的 な水環境の保全と再生― 、島谷幸宏・細見 正明・中村圭吾編：ソフトサイエンス社 

（2003）

佐原雄二・細見正明：現代日本生物誌10 メダカ

とヨシ 岩波書店 （2003）

西野麻知子・浜端悦治： 内湖からのメッセージ  サンライズ出版 （2005）

八丁信正・松野裕・越智士郎・菅野壮平・仙道昭 平：琵琶湖東岸地域における水環境と物質循 環に関する研究 近畿大学資源再生研究所報 告No.5 p37〜46（2007）

八丁信正・松野裕・越智士郎・油谷哲靖：琵琶湖 東岸地域の西の湖流域における物質循環に関 する研究 近畿大学資源再生研究所報告 No.7

（2009）

近江八幡市：データで見る西の湖の環境・生態系 保全機能（2007）