海洋生態系モデリングの最前線：成果、連携、次世代への展開 沿岸域物質循環モデル の現状と課題 舘野 聡 1 発表内容 １．なぜ、民間企業が海洋生態系モデル？ ２．沿岸域物質循環モデルの概要と成果 ３．民間の生態系モデル業界の現状、連携、今後 2 3 １．なぜ、民間企業が海洋生態系モデル？ なぜ、民間企業が海洋生態系モデル？ 環境コンサルタント会社が海洋生態系モデルを持っている なぜ？→生態系モデルを使わなければならない仕事があるから ニーズ：海洋開発、環境政策、水産振興の施策実行に先立って、 事業による海洋環境への影響や改善効果を予測評価したい 発注元：国土交通省、環境省、地方自治体、 電力会社、製造業 4 業務の例―国土交通省 5 港湾開発による影響の把握（環境アセスメント） 業務例：「名古屋港新土砂処分場漁業影響検討」 名古屋港で発生する浚渫土砂の新処分場 建設（埋立）による、周辺および伊勢湾 全体への漁業影響検討 →影響評価のための海洋生態系モデル 新土砂処分場 候補地 アサリ漁獲量 事業実施までの手続き 業務の例―環境省 高度経済成長期以降、閉鎖性海域では 環境悪化の負のスパイラル 問題：貧酸素水塊、底質悪化、 □ 赤潮・青潮etc 総量規制（負荷削減）等の施策 →豊かな海の回復には至らず →原因解明、施策選定・評価のための 海洋生態系モデル 業務例： 「海域の物質循環健全化計画」 問題が生じている閉鎖性海域の物質循環 バランスを健全化するための管理方策 （例：干潟造成、底泥耕耘、排水管理…） の効果をモデルで事前に計算し、選定 6 モデルに求められるスペック ニーズ 7 必要事項 港湾や海岸の細かな構造を考えたい ・沿岸域を対象としたモデル ・水平格子間隔 最小数10～100m ・鉛直格子間隔 数10cm～数m 事業による湾全体への影響・効果を 知りたい ・湾全体を解く ・水平格子ネスティング 貧酸素水塊を考えたい ・酸素消費に関わる項目（溶存酸素濃度、栄 養塩、プランクトン、底泥）を解く 対象生物種の生息量への影響評価・ 予測をしたい 二枚貝や藻類の水質浄化量を評価し たい ・対象生物種(アサリ、カキ、海草…)を解く 河川・工場・発電所・下水処理場の 負荷を考えたい ・Ｃ、N、Pの負荷を考慮 ・有機物の易分解性、難分解性を考慮 ・取排水を考慮 施策の予測・評価をしたい ・感度解析を行う ・施策に応じてモデルのソース修正が必須 （ブラックボックスモデルでは不可） 8 ２．沿岸域物質循環モデル 沿岸域物質循環モデルの概要① プラン クトン 酸素 浮遊系 港湾開発による影響の把握 消費 （海水中） 藻類 ↓堆積・溶出↑ 二枚貝 底泥 浮遊系-底泥系-生態系結合モデル ・メッシュ間隔：数10～数100m ・底泥系、生態系はボックスモデル 養殖カキ 特筆すべき出力項目 ・溶存酸素の挙動 ・物質循環フラックス ・底層水と底泥間の物質交換量 ・底泥内の物質の挙動 ・二枚貝、カキ等の成長死亡 計算項目や追加機能は海域によっ てカスタマイズ ・植物プランクトンのサイズ分割 ・ノリ等の追加 ・有害物質（H2S等）による生物死亡 堆積 物食者 底泥内 有機物 間隙水中 栄養塩 物質循環模式図 酸化還 元過程 9 沿岸域物質循環モデルの概要② 底泥系 浮遊系 有機物 ・鉛直多層 （例：10cmまで10層、表層ほど密） 10 O2 CO2,H2O,PO4 NH4 底泥系 NO3 ・有機物の無機化に対して、酸素還元条 件に応じた段階的酸化分解を考慮 ・底上水とのやり取り CO2,H2O,PO4,N2 MnO2 SO42Fe(OH)3 ：有機物の無機化 に伴う反応 ： ２次反応 CO2,H2O,PO4 Mn2+ H2S Fe2+ CH4 K.Soeaert,P.M.J.Herman,and J.J.Middelburg(1996)に加筆 (付着藻類の変化量) ＝(光合成)ー(細胞外分泌)ー(呼吸) ー(枯死)ー(堆積物食者による捕食) (懸濁物食者カキの変化量) ＝(濾水摂食)ー(排糞)ー(呼吸)ー(死亡)ー(漁獲) (堆積物食者の変化量) ＝(摂餌)ー(排糞)ー(呼吸)ー(死亡)ー(被食) (海草類の変化量) ＝(光合成)ー(呼吸)ー(枯死) 生物サブモデルの基礎式 底泥サブモデルの化学反応過程 生態系 ・生物量は炭素換算現存量モデル ・生活史モデルではない ・生物の死亡に貧酸素水塊の影響 を考慮 底泥と生物の関係―三津湾 11 三津湾（瀬戸内海、広島県） 現状 広島県 ・カキ養殖による有機物沈降過多により、直 下の底泥が悪化、H2S発生、堆積物食者死亡 ・湾全体では貧栄養 三津湾 広島湾 燧灘 →物質循環の局在化・停滞 →底泥・底生生物を解くことで、H2S発生 と堆積物食者の死亡を計算 底泥中のT-P濃度(mg/g) 底泥間隙水中のH2S濃度(mg/L) 1.2 0.5 1 0.4 0.8 愛媛県 NH4-N NO3-N PO4-P 植物ﾌﾟﾗﾝｸﾄﾝ カキ 排糞 0.3 0.6 溶出 0.2 0.4 0.2 0.1 0 0 カキ筏直下 カキ筏なし カキの排糞に よって有機物多 H2S多（現況） カキ筏直下 カキ筏なし NH4-N NO3-N PO4-P 有機物 摂食 堆積物食者 H2S発生 死亡多 排泄等 分解 物質循環の滞り 底泥と生物の関係―三津湾 対策案：焼成カキ殻の 底泥へのすき込み →狙い：H2S吸着効果による 物質循環改善 ⇒堆積物食者が大幅増加、 底泥中の有機物の分解促進され 溶出、カキ増加 ＝物質循環の改善 12 焼成カキ殻を 底泥へすき込む 広島県 H2S吸着効果 底泥間隙水中H2S濃度の変化 愛媛県 H2S 60～80%減 有害物質減少 堆積物食者現存量の変化 堆積物食者 ～180%増 底泥中有機物分解増→溶出 カキ現存量の変化 カキ ～13%増 物質循環フラックス―有明海 13 栄養塩、プランクトン等のフラックスを計算 ⇒物質循環の解明 -222 -305 -3425 -733 -831 180 -20000 -10000 A0 0 10000 20000 A0 310 A1 425 385 A2 -20000 -10000 C1 170 3653 817 438 542 C2 -20000 -10000 0 D2 528 3472 1813 E1 2934 E2 225 -88 -1551 -5973 -1981 -1445 湾奥ほど動物ﾌﾟ ﾗﾝｸﾄﾝによる捕 食が支配的 -20000 -10000 10253 0 -20000 -10000 -354 -9 F 2001 年 8 月 水平移流フラックス クロロフィルa (ton/month) -20000 -10000 15716 0 0 10000 20000 D1 E1 -141 -9 -8053 -4982 -1865 -8067 -8234 -2798 -20000 -10000 E2 10000 20000 F 8364 10000 20000 10255 0 2354 3692 10000 20000 -177 -711 -2796 -1204 -1134 D2 -101 -147 -5469 -2749 -1531 2146 980 3243 0 10000 20000 -20000 -10000 121 -20000 -10000 C2 5930 B 1165 10000 20000 -68 -252 -1428 -454 -438 10000 20000 D1 エスチュアリー循環に 従って湾奥→湾口 11793 0 C1 3126 325 A2 9212 0 -95 -47 -3650 -782 -795 196 -20000 -10000 A1 -91 -46 -5731 -1467 -1262 611 2525 590 B -339 -349 -6140 -1436 -1566 6292 -91 -490 -1087 -496 -498 10978 -20000 -10000 0 10000 20000 10000 20000 2001 年 8 月 生化学フラックス クロロフィルa (ton/month) 10000 20000 クロロフィルaの水平移流フラックス、生化学フラックス 3704 0 沈降 捕食（底生生物） 捕食（動物プランクトン） 死亡 細胞外分泌 生産+呼吸 貧酸素水塊と底泥―有明海 有明海の問題：貧酸素水塊の発生による二枚貝の漁獲量激減 7/1 4 大規模 出水 7/6 3 筑後川河川流量 7/11 7/16 7/21 7/26成層強化 7/31 8/5 ＝海面 8/10 8/15 8/20 8/25 8/30 からの酸素供給減 9/4 9/9 9/14 9/19 9/24 9/29 成層強度 1000 800 600 2 400 1 200 0 0 小潮期 底層で 貧酸素 成層パラメータ S2 （表層流速) 成層パラメータ S2 （全層平均流速) 成層強度 S1 DO(mg /L) 1000 800 600 400 200 0 底泥による酸素消費→貧酸素化 11 7/16 7/21 7/26 7/31 8/5 8/10 8/15 8/20 8/25 8/30 9/4 9/9 9/14 9/19 9/24 9/29 7/1 8/1 9/1 成層強度 S1 [kg/m/s2] 成層パラメータ S2 筑後川 河川流量 [m3/s ] log(H/U3) 120 100 80 60 40 20 0 5 10/1 出水に伴う成層強化で、小潮期に貧酸素水塊形成 有明海湾奥西部の貧酸素水塊の形成には、底泥による酸素消費が 効く 成層強度 S1 [kg/m/s2] 14 貧酸素水塊の感度解析―有明海 15 感度解析により、有明海の貧酸素水塊への各要素の影響を把握、 取るべき改善方策を検討 底生生物を増加させる方策が効果的 ⇒底生生物量現況+50%で貧酸素水塊半減 ⇒生息場の創生（覆砂、鉛直護岸の傾斜化など） 地形改変に より悪化 底生生物 増で改善 感度解析による貧酸素水塊の容積変化 流入負荷 減で改善 16 ３．民間の生態系モデル業界の 現状、連携、今後 民間の沿岸生態系モデル事業の今後 ニーズの高度化 ・高次生物（魚類）の予測 →計算項目の追加 ・生物量の増減予測の高精度化 →パラメータの改善 ・より細かな領域の予測 →格子小さく、非静水圧モデル ・台風などのイベントに対する生態系の応答 近未来（数日～数か月）の生物量・貧酸素・赤潮予報 気候変動の影響予測 →大気モデル、外洋モデルとの結合 ・深海開発 →深海特有現象のモデル化 問題点 ・モデル入力条件／再現性検証のための現場調査データへの 要求も高くなる 17 民間企業の海洋生態系モデル業界の現状 民間企業の海洋モデル ・モデルの種類：波浪、津波、流動、水質、生態系 ・環境／建設コンサルタント、ゼネコン、海洋開発、気象会社… ⇒生態系モデルを扱うのは、環境コンサルタントだけ？ 水質／生態系モデルの現状 ・市場 ：5億円／年程度（１業務＝100万～数千万） ・従事者数：数社、50人程度 海洋生態系モデルの重要性は増 ・以前の業務は水質（保存系）までが主流 →生態系評価まで求める業務が増えた ・人手不足（専門を活かした就職先としての受け口） ・特に、モデルを作れる人材 18 研究者と民間環境コンサルの連携 得意分野を活かした連携 コンサル ＝ 底泥、底生生物、陸域負荷、港湾、ﾛｰｶﾙｽｹｰﾙ 研究者 ＝ 魚類、気候変動、大洋スケールetc… では、連携の形は？ ①共同研究グループで研究費獲得 ②研究者サイドからコンサルへ業務委託 ③コンサルから研究者へ委託（社内研究開発） 19 ①共同研究グループで研究費獲得 連携の例：農林水産省 競争的資金 「新たな農林水産政策を推進する実用技術開発事業」 研究課題：猛暑時のホタテガイへい死率を低減する 養殖生産技術の開発 20 ②研究者サイドからコンサルへ業務委託 独立行政法人からのモデル構築依頼 構築したモデルを納品 21 ③コンサルから研究者へ委託（社内研究開発） 今後事業拡大や新規事業が見込まれる技術について、 コンサル企業の研究開発予算で技術開発 例：大学研究者へ業務委託、共同で調査・分析・モデル開発実施 メリット 研究者 ：研究費獲得、技術獲得、論文発表 コンサル：新規業務受注、技術獲得、実績作り、人材育成 当然、事業化見込みのある研究に限られる 22 まとめ 環境コンサルタント業界では、国交省・環境省等のニーズに対応 するため海洋生態系モデルを取り扱う 沿岸域数10mメッシュ、底泥、河川、工場排水、貧酸素、二枚貝 を考慮する必要 ⇒沿岸域浮遊系-底泥系-生態系結合モデル 底生生物、底泥を介した物質循環、貧酸素水塊の計算が可能 今後は魚類の追加、生物パラメータの精度向上、外洋・気象モデ ルとの結合へ？ 研究者と環境コンサルの連携の形 ①共同研究グループで研究費獲得 ②研究者サイドからコンサルへ業務委託 ③コンサルから研究者へ委託（社内研究開発） 積極的な連携促進と海洋生態系モデルコミュニティへの貢献を 望んでいます 23
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