窒素飽和現象と渓流水の水質富山県立大学工学部川上智規 ● 窒素飽和とは ● 窒素飽和のステージ ● 日本各地の窒素飽和 ● 富山県呉羽丘陵の窒素飽和 ● 安定同位体比を用いた渓流水中の硝酸イオンの起源の推定窒素飽和とは BioScience 1989  Aber, et al.  Nitrogen Saturation in Northern Forest Ecosystems 窒素飽和現象大気から降雨などにより、森林が必要とする以上の窒素化合物が供給される状態渓流水への硝酸イオンの流出   陸水の酸性化富栄養化背景：窒素の人為的固定量の増加 120 Tg N/Year 100 80 N Fixation by Terrestrial Ecosystem 60 40 Anthropogenic N Fixation Harber-Bosch Process 20 0 1900 1920 1940 1960 1980 2000 Year Nitrogen Fixation by Natural Terrestrial Ecosystem and by Harber-Bosch Process (Galloway, J. N. et.al: Ambio 31(2) 2002) 背景：欧米における酸性雨問題 1970年代硫酸による陸水の酸性化 ↓ 2000年頃硝酸の流出窒素飽和窒素飽和のステージ Stage-0~3 窒素飽和現象森林土壌の反応 Aberらの仮説 Aber, J.D. et al., BioScience 39(6), 1989 窒素飽和現象樹木の反応 Aberらの仮説 Net Primary Production 窒素飽和現象 Aberらの仮説森林の窒素飽和のステージ Definition Aberらによる森林に関する窒素飽和のステージ Stage-0 健全な森林 Stage-1 有機態窒素の無機化の促進葉の増加が見られる Stage-2 窒素飽和硝化活性の上昇、硝酸の流出、 N2Oの発生、細根量の減少 Stage-3 窒素の流出量 > 窒素の沈着量森林の衰退窒素沈着量と河川水中の窒素濃度  沈着量が増えると河川水中硝酸濃度が増加７kg/ha/y NITREX  project 沈着量が増えると河川水中硝酸濃度が増加河川の窒素飽和のステージ（Stoddard) Definition 渓流水中の硝酸イオン濃度の季節変化 Stage-0 一年を通じて低濃度 Stage-1 冬期のみ高濃度 Stage-2 季節変化が見られなくなる Stage-3 一年を通じて高濃度、季節変化が見られない窒素の流出量 > 窒素の沈着量硝酸イオン濃度の季節変化による窒素飽和のステージの判断（Stoddard） 1.4mg-N/l 日本各地の窒素飽和 NH4++NO3-沈着量の比較 1200 14kg/ha/y 3500 800 2500 600 2000 1500 400 1000 200 500 0 0 降雨量(mm) 3000 札幌佐渡新潟立山輪島越前岬松江仙台川崎犬山名古屋大阪宇部北九州屋久島湿性沈着量(eq/ha/y) 1000 4000 10 km 射水丘陵 Stage-0 富山県射水丘陵三の熊の硝酸イオン濃度 21ueq/l 一年中低濃度 Stage-1 屋久島西部渓流水 Stage-1 屋久島西部渓流水 36ueq/l 夏低く冬高い関東周辺の渓流水中のNO3-濃度関東周辺では渓流水の硝酸イオン濃度が高い地点がある群馬県中木川 Stage-2 群馬県中木川 Stage-2 群馬県中木川 214ueq/l 季節変化がない 2006年4月 2006年3月 2006年2月 2006年1月 2005年12月 2005年11月 2005年10月 2005年9月 2005年8月 2005年7月 2005年6月 2005年5月 2005年4月 2005年3月 2005年2月 1.5 2005年1月 3 2004年12月 2004年11月硝酸イオン濃度(mg-N/l) Stage-2 鎌北湖流入河川 214ueq/ｌ 2.5 2 107ueq/l 1 0.5 0 Stage-3 群馬県吉井町大沢川 0-0.42 0.42-1.4 1.4-2.8 2.8(mg-N/l) 領家変成帯 2008年9月 2008年6月 2008年3月 2007年12月 2007年9月 2007年7月 2007年4月 3 2006年12月 6 2006年10月 2006年7月硝酸イオン濃度（mg-N/l） Stage-3 群馬県大沢川 430ueq/L 5 4 200ueq/L 2 1 0 谷川岳 0 50km 29 谷川岳一の倉沢 Stage-3? 群馬県谷川岳一の倉沢 Nitrate Sulfate ANC 1.4mg/l 100 80 60 40 Concentrations (μeq/l) 7 ｐH 8 ｐH 6 5 120 20 0 Jan-08 Dec-07 Nov-07 Oct-07 Sep-07 Aug-07 Jul-07 Jun-07 May-07 Apr-07 Mar-07 Feb-07 Jan-07 Dec-06 Nov-06 Oct-06 Sep-06 Aug-06 Aug-06 32 一ノ倉沢（樹林帯） pH, NO3, SO4, ANC Sulfate ANC 60 40 20 0 Concentrations (μeq/l) 6 ｐH ｐH 8 7 5 1004 Nitrate 80 -20 -40 Jan-08 Dec-07 Nov-07 Oct-07 Sep-07 Aug-07 Jul-07 33 pH, NO3, SO4, ANC Jun-07 May-07 Apr-07 Mar-07 Feb-07 Jan-07 Dec-06 Nov-06 Oct-06 Sep-06 Aug-06 Aug-06 一ノ倉沢（岩石帯） Nitrate Sulfate ANC 1.4mg/l 100 80 60 40 Concentrations (μeq/l) 7 ｐH 8 ｐH 6 5 120 20 0 Jan-08 Dec-07 Nov-07 Oct-07 Sep-07 Aug-07 Jul-07 Jun-07 May-07 Apr-07 Mar-07 Feb-07 Jan-07 Dec-06 Nov-06 Oct-06 Sep-06 Aug-06 Aug-06 34 一ノ倉沢（樹林帯） pH, NO3, SO4, ANC 一の倉沢の NO3- , Cl- 濃度一の倉沢岩石帯樹林帯樹林帯/岩石帯 NO3Cl(umol/l) (umol/l) 36 27 43 40 1.6 1.1 35 一の倉沢の NO3- Cl- 濃度 NO3Cl(umol/l) (umol/l) 36 27 43 40 一の倉沢岩石帯樹林帯 1.6 樹林帯/岩石帯 1.1 硝酸の供給源になっている窒素飽和 36 Stage-3 富山県呉羽丘陵 10 km 呉羽丘陵射水丘陵 Stage-3 呉羽丘陵百牧谷 Area; 3.3 ha. Annual precipitation; 2,230 mm. Temperature; 13.7℃。 Vegetation ; Primarily 50-year-old Konara (Quercus serrata) 百牧谷の渓流 A weir installed in the Hyakumakidani stream. 2012/08/01 2011/08/01 2010/08/01 2009/08/01 2008/08/01 2007/08/01 2006/08/01 2005/08/01 2004/07/31 2003/08/01 2002/08/01 2001/07/31 2000/07/31 500 1999/08/01 1998/08/01 NO3(μmol/l) Stage-3 富山県呉羽山百牧谷 600 7mg-N/l 400 300 200 100 0 Stage-3 富山県呉羽山百牧谷 250 2.8mg-N/l 200 硝酸イオン濃度(umol/l) 季節変化がない y = 25.17ln(x) + 96.282 150 1.4mg-N/l 100 50 0 0.1 1.0 10.0 流量(l/sec.) 100.0 (μmol/ha/year) ２．窒素収支 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 kg-N/ha/y INPUT 42 OUTPUT 28 14 2007.9- 2008.9- 2009.9- 2010.92008.8 2009.8 2010.8 2011.8 流出量＞流入量呉羽丘陵（富山県）の窒素飽和呉羽丘陵の窒素飽和１．呉羽丘陵の渓流水の水質２．窒素収支３．水質モデル４．亜酸化窒素（N2O）の発生５．硝化菌種の特定６. 硫酸イオンと硝酸イオン濃度の逆相関 10 km 呉羽丘陵呉羽丘陵 145m asl １．呉羽丘陵の渓流水の水質  流量に応じて硝酸イオン濃度が変化する。 Stage-3 呉羽丘陵百牧谷 2012/08/01 2011/08/01 400 2010/08/01 2009/08/01 2008/08/01 2007/08/01 2006/08/01 2005/08/01 2004/07/31 2003/08/01 2002/08/01 2001/07/31 2000/07/31 1999/08/01 1998/08/01 SO4, NO3(μeq/l) 硫酸と硝酸の変動 600 500 NO3 SO4 300 200 100 0 Concentrations (µeq/l) １．呉羽丘陵の渓流水の水質 (百牧谷） 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0.01 SO4： y = -17.0*Ln(x) + 189 NO3: y = 25.2*Ln(x) + 97.5 0.1 1 10 100 Discharge ( l/sec) 硝酸イオン濃度上昇流量が増加硫酸イオン濃度減少 ANC（Acid Neutralizing Capacity) 減少１．呉羽丘陵の渓流水の水質 pH ANC (μeq/l) NO3(μmol/l) 5.2 -4 160 (2.3mg-N/l) 低ｐH、低ANC、高NO3酸性化が進行している (μmol/ha/year) ２．窒素収支 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 kg-N/ha/y INPUT 42 OUTPUT 28 14 2007.9- 2008.9- 2009.9- 2010.92008.8 2009.8 2010.8 2011.8 流出量＞流入量１．呉羽丘陵の渓流水の水質（まとめ） ① 低pH、低 ANC、高硝酸イオン濃度 ② 流量に応じて硝酸イオン濃度が変動する。 ③ 硫酸イオン濃度と硝酸イオン濃度が逆に変動する。２．窒素収支（まとめ）  窒素の流出量 > 窒素の沈着量森林が窒素の供給源になっている。 Stage-3 ３．水質モデル  百牧谷を対象とした｢二段タンクモデル｣流量の再現硝酸イオン濃度の再現３．水質モデル PP 流量予測モデル E E N1, k1, Q1, C1 h E’ h1 h2 N2, k2, Q2, C2 N3, k3, Q3, C2 DNDN h’ N4, k4, Q4, C4 h4 Q,QC P: Precipitation E , E’: Evapotranspiration N1-N4 : Nozzle numbers k1-k4 : Discharge coefficients; Q and Q1-Q4 : Discharges h, h’, : Water levels h1-h4 : Nozzle heights Q=Q1+Q2+Q4 ３．水質モデル PPP 硝酸イオン濃度予測モデル EE E N1, k1, Q1, C1 h E’ h1 h2 N2, k2, Q2, C2 N3, k3, Q3, C2 DN DN DN N4, k4, Q4, C4 h4 Q, CC C, C1,C2 and C4 : Nitrate concentrations C=(C1Q1+C2Q2+C4Q4)/Q 2002/12 2002/10 2002/8 2002/7 2002/5 2002/3 2001/12 2001/10 2001/8 2001/7 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 2001/5 2001/3 2000/12 2000/10 2000/8 2000/7 2000/5 2000/3 2000/1 Discharge (l.sec -1) ３．水質モデル流量予測モデルの結果 Estimated Measured ３．水質モデル硝酸イオン濃度予測モデルの結果 PP EE N1, k1, Q1, C1 h h1 h2 N2, k2, Q2, C2 N3, k3, Q3, C2 E’ DN DN N4, k4, Q4, C4 h4 Q, C C1 500 µ mol/l C2 200 µ mol/l DN 4-9.5 µ mol /m2/h 2002/12 2002/10 2002/8 2002/7 2002/5 2002/3 2001/12 2001/10 2001/8 2001/7 400 2001/5 2001/3 2000/12 2000/10 2000/8 2000/7 2000/5 2000/3 2000/1 Nitrate concentrations (umol.l-1) ３．水質モデル硝酸イオン濃度予測モデルの結果 500 Estimated by the model Measured 300 200 100 0 ３．水質モデル（まとめ） ① 流量変動による硝酸イオン濃度の変化は、土壌中の流出経路の変動により生じている。 ② 高流量時の高硝酸イオン濃度の流出は、土壌表面付近の高濃度の硝酸イオンが流出することで説明できる。 ③ 春から夏にかけての濃度の低下は、脱窒を考慮することで説明可能。４．N2Oの発生  Aberら（１９８９）は窒素飽和による硝化の活性化に伴い、 N2Oの発生が増加することを予測した。窒素飽和現象 Aberらの仮説 Aber, J.D. et al., BioScience 39(6), 1989 ４．N2Oの発生  N2Oの発生を ① 窒素飽和土壌（呉羽丘陵） ② 非窒素飽和土壌（射水丘陵）で比較した。 10 km 呉羽丘陵射水丘陵 Stage-0 富山県射水丘陵三の熊 21ueq/l 21umol/l ４．N2Oの発生百牧谷、三の熊の渓流水の硝酸イオン濃度呉羽丘陵百牧谷（Stage-3）射水丘陵三の熊（Stage-0）硝酸イオン濃度（平均） 160 μmol/l (2.3mg-N/l) 9 μmol/l （0.13mg-N/l）４．N2Oの発生オープンチャンバー呉羽丘陵 35 射水丘陵 30 25 20 15 10 5 0 N ₂ O フラックス (ug -N/m²/h) ４．N2Oの発生 40 2006/11 2006/8 2006/5 2006/2 2005/10 2005/7 2005/4 2004/12 2004/9 2004/6 呉羽丘陵では窒素飽和化によりN2O発生が促進されている４．N2Oの発生硝化 or 脱窒 Differences of Ncompaunds (μg-N/100g dry soil) 2000 1000 0 N i tri f i ca ti on D eni tri f i ca ti on -1000 N i tra te -2000 N i trous ox i de -3000 脱窒によりN2Oが発生している。脱窒量の約４０％がN2Oになっている。４．N2Oの発生 (まとめ) ① Aberらの仮説通り、 N2Oの発生の増加が認められた。 ② 脱窒によりN2Oが発生している。 ③ 脱窒量の約４０％がN2Oになっている。 ④年間の脱窒量は約８４mol-N/ha/year （モデル計算では３５０－８３０mol-N/ha/year) ５．硝化菌種の特定  呉羽丘陵に生息する硝化細菌はpHが３程度になっても硝化活性を維持する窒素飽和現象に関わる菌種を特定する５．硝化菌種の特定硝化細菌を培地で培養し、分離。純粋な分離は極めて難しいＰＣＲ－ＤＧＧＥ法を用いた。ＰＣＲ－ＤＧＧＥ法とは土壌に生息している硝化細菌のＤＮＡを取り出して、そのＤＮＡから菌種を特定。５．硝化菌種の特定土壌サンプル ↓ 培養 ↓ DNA抽出 ↓ 硝化菌をターゲットとしたプライマーで DNAの増幅（PCR）５．硝化菌種の特定電気泳動（DGGE) ↓ シーケンス解析５．硝化菌種の特定呉羽丘陵のDGGEのゲル上に二つのバンドが出た。呉羽丘陵の土壌に二種類の硝化細菌が存在していることが判明。５．硝化菌種の特定シーケンス解析の結果、 DGGEで得られた２本のバンドはいずれも Nitrosospira sp. であった。 2012/08/01 2011/08/01 400 2010/08/01 2009/08/01 2008/08/01 2007/08/01 2006/08/01 2005/08/01 2004/07/31 2003/08/01 2002/08/01 2001/07/31 2000/07/31 1999/08/01 1998/08/01 SO4, NO3(μeq/l) 6. 硝酸と硫酸の逆相関 600 500 NO3 SO4 300 200 100 0 森林伐採による硝酸イオンの上昇 Hubbard Brook 森林伐採に伴い硝酸イオンが上昇同時に硫酸イオンが減少 Biscuit Brookにおける流量変化に伴う各成分濃度の変化流量増加に伴い硝酸イオンが上昇同時に硫酸イオンが減少 ANC減少 6. 硝酸と硫酸の逆相関好気培養の様子 6. 硝酸と硫酸の逆相関嫌気培養の様子 6. 硝酸と硫酸の逆相関好気条件による培養 250 増減(μ eq/100g dry-soil) 200 Water Na2SO4 150 100 50 0 NO3 -50 SO4 6. 硝酸と硫酸の逆相関嫌気条件による培養 20 増減（μ eq/100g dry-soil） 10 0 -10 NO3 SO4 -20 -30 -40 Water NaNO3 Na2SO4 -50 -60 嫌気条件下における硫黄の酸化（？） 6. 硝酸と硫酸の逆相関逆相関には、脱窒による硝酸イオンの減少と硫酸イオンの増加が関わっている。パイライトが関与（？） 5FeS2 + 15NO3- + 5HCO3→ 5FeOOH + 7.5N2 + 10SO42- + 5CO2 まとめ５．硝化菌種の特定 Nitrosospira sp. の関与６. 硫酸イオンと硝酸イオン濃度の逆相関脱窒による硫酸の生成安定同位体比を用いた渓流水中の硝酸イオンの起源の推定人為的汚染がある場合利根川本流 Cl, NO3-N (mg/l) 塩化物イオン濃度と硝酸イオン濃度との関係 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Cl NO3-N 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 地点番号上流下流利根川の例：塩化物イオン濃度と硝酸イオン濃度との関係 2.5 R² = 0.8816 NO3-N (mg/l) 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0 2 4 6 Cl (mg/l) 8 10 利根川本流流下方向の窒素安定同位体比 7 d15N/14N （‰) 6 5 4 3 2 1 0 1 2 上流 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 地点番号下流利根川本流流下方向の NO3濃度とδ15N 人為的汚染がない場合（窒素飽和）人為的汚染がない場合 4.5 4 NO3-N (mg/l) 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 1 2 3 Cl (mg/l) 4 5 6 7 d15N/14N (‰) 利根川における硝酸イオン濃度とδ15N(‰) との関係 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 -1.0 -2.0 -3.0 利根川本流窒素飽和 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 NO3-N (mg/l) 5.0 6.0 7.0 まとめ  日本でも窒素飽和が顕在化している  関東周辺に硝酸イオン濃度の高い河川が多くみられる窒素飽和は窒素の沈着量と関連がある   群馬県の大沢川や富山県の呉羽丘陵では Stage-３の窒素飽和となっている  窒素の同位体比から窒素飽和と人為的汚染を区別可能である森林の窒素飽和と流域管理古米弘明ほか編技報堂 B6・154頁 / 1728円発行年月日 : 2012年3月 ISBN : 978-4-7655-3455-0