森林の水質形成機能: 戸田浩人

三菱UFJ財団寄付講義
「農・工で取り組む環境科学・環境工学Ⅰ」
森林の水質形成機能
農学研究院自然環境保全学部門戸田浩人
森林の多面的機能の類別
（日本学術会議答申２００１）
基盤的
サービス
①生物多様性保全機能
②地球環境保全機能
③土砂災害防止／土壌保全機能
調節
森林土壌が降水を貯留
④水源涵養機能
し流量を安定させ洪水を
サービス
緩和する機能及び水質
⑤快適環境形成機能
浄化機能
文化的
⑥保健・レクリエーション機能
サービス
⑦文化機能
供給
サービス ⑧物質生産機能
④の貨幣評価 27.1兆円／年
生態系
森林への④の期待度３位
サービスの類別
（森林・林業白書２００１）
北関東地方の雨量と渓流までの水量
森林生態系の
1800mm 降雨・エアロゾル
水と物質の動態
光合成
光合成
400mm 遮断蒸発
500mm 蒸散
1300mm 林内雨
物質生産
（光合成）
100mm 落葉落枝
樹幹流
落葉層
土壌層
表面流出
吸収
渓流水
900mm
分解・無機化
風化
不透水層
地下水流出
土壌と水質の形成
温帯林には褐色森林土が発達
（落葉広葉樹林と褐色森林土の土壌断面写真）
土壌三相のバランスが良好
（土壌三相の模式図）
土壌は土粒子（鉱物と有機物が混在
し一体化）とその空間（孔隙）からなり，
透水性や保水性（水源涵養）は，
孔隙の組成で決る。
（TAT生態学スライドより）
腐食連鎖
（有機堆積物→動植物→バクテリアや菌類→腐食者）
（１次生産者～
最終消費者）
土壌表面からの
ガス・フラックス
水循環による
大気環境の形成
土壌理学性
の形成
森林
水質形成
土壌化学性
の形成
土壌酸性化の要因
降水
土壌水でのＨ+の
増加（強度因子）
植物
溶脱
有機物
微生物
分解
吸収
交換
土壌水
吸収
吸着
沈殿
溶解
土壌
コロイド
土壌コロイドに吸着した
塩基の減少（強度因子）
母材の化学的風化
一次鉱物+H+ → 二次鉱物+溶質
渓流水
窒素の形態変化と動態
光合成
N２
脱窒
窒素の吸収
落葉落枝
N２， N２O
N固定菌
落葉層
有機態N
土壌層
脱N菌
従属栄養微生物
分解・無機化
吸収
NO３ー
NO３ー
硝酸の流出
NH４＋
不透水層
硝化菌
窒素の無機化と硝化
植物の根の吸収
有機物の分解
降雨
林内雨
0
A0層通過水
土壌水 5㎝
15㎝
30㎝
50㎝
80㎝
DOC
湧水
渓流水
ｐH
3
4
5
pH
NO３－
NH４＋
6
0 1
NH4-N
0
2
4
6
NO3-N
森林を移動する水の水質
（溶存有機態C）
DON
8
0 1 2
DON
濃度 (mg l-1
濃度（mg
L)-1)
〃
0
10
DOC
■スギ □ヒノキ
（東京農工大FM大谷山小流域試験地）
20
陽イオンの交換
＆鉱物の風化
NH４＋
降雨
林内雨
0
A0層通過水
土壌水 5㎝
15㎝
30㎝
50㎝
80㎝
HCO３－
Na+
湧水
渓流水
NO３－
ｐH
〃
3
4
5
pH
6
0 1
NH4-N
0
2
4
6
NO3-N
森林を移動する水の水質
8
00 1 2 2 0
DON
濃度 (mg l-1
濃度（mg
L)-1)
4
106
DOC
■スギ □ヒノキ
（東京農工大FM大谷山小流域試験地）
20
土壌の酸に対する反応
＜土壌の酸に対する反応＞
落葉落枝による供給
・陽イオンの交換
＋
ＨＨＨ
Ｈ
Ｍｇ
Ｈ
Ｈ
Ｎａ粘土やＫ
Ｈ
Ｈ
有機物Ｃａ
Ｈ
Ｋ
Ｈ
ＨＨＣａ
ＭｇＣａ
２＋
＋
Ｃａ
Ｋ
土壌水
＋
ＮａＭｇ２＋
植生の吸収
植生の吸収
Ｃａ
流亡
流亡
酸緩衝能の発揮
Ca2+
有機物に依存
Na+
HCO３ー
濃度（mg L-1)
NO３ー
流出量
降水量
（FM大谷山）
（mm hr-1) （L sec-1 ha-1)
SiO2
主に鉱物
の風化で
溶存
→189mm
大
雨
時
の
渓
流
水
質
特
性
NH４
大雨時に
浅い土層を通過
＋
降雨
林内雨
0
A0層通過水
土壌水 5㎝
15㎝
30㎝
50㎝
80㎝
HCO３－
Na+
湧水
渓流水
NO３－
ｐH
〃
3
4
5
pH
6
0 1
0
2
NH4-N
森林を移動する水の水質
■スギ □ヒノキ
4
NO3-N
6
8
00 1 2 2 0
DON
濃度 (mg l-1
濃度（mg
L)-1)
4
106
DOC
20
平水時は
深い土層を通過
森林小流域は森林生態系の生物地球化学的研究や
流域保全・管理の基本単位 →物質収支も算出可能
収入
土壌呼吸
ガス放出
支出
渓流流出
ガス
エアロゾル
林外雨
林内雨
樹幹流
吸収
Ao層
・有機質土層
陽イオン交換
窒素無機化・硝化
通過
無機質土層・母材
鉱物の風化
浸透
不透水層
森林小流域の対照流域調査と長期モニタリング
□伐採や保育作業など操作を加えた流域と
隣接する流域を対照流域として観測
□長期間の気象・環境変動，林木成長等を
同じ流域で継続観測
◆Hubbard Brook Experimental Forest (HBEF)
U.S.A.東北部 New Hampshire州
水文学観測：1956年～，水質観測：1964年～
◆東京農工大農学部ＦＭ大谷山小流域試験地
日本，群馬県みどり市東町
水文・水質観測：1979年～
伐採前
Ca
年
間
の
純
放
出
量
K
伐採後
回復期間
伐採地
NH州（US）
HubbardBrook
試験流域
対照地
NO3
有機物
伐採前：60年生
の天然生二次林
伐採後：皆伐＋
除草剤で植生の
侵入を抑制
回復期間：森林
の天然更新
（岩坪編2003より）
ＦＭ大谷山試験地幼齢林：1975年に壮齢林と同齢スギ・
幼齢林：1975年に再造林（壮齢林と同齢
●
群馬県みどり市
(旧勢多郡東村)
東京農工大学
ＦＭ大谷山
スギ・ヒノキ林を皆伐）’95年まで集約的
ヒノキ林を皆伐・再造林．’95年まで
保育作業をおこなってきた
集約的保育作業をおこなってきた．
壮齢林：1907年植栽，‘83年小径木間伐
壮齢林：1907年植栽，この間の施業
は‘83年小径木間伐のみ
壮齢林流域（1.8ha）
ヒノキ林
幼齢林の保育作業
0
50m
'76 植栽・施肥
'77-'79 下刈・施肥幼齢林流域（1.3ha）
ヒノキ林
'80-'81 下刈
'82 枝打・施肥
'84 施肥
スギ林
'86 枝打
'87 施肥
800
'95 間伐
800
スギ林
750
幼齢林流域の施業
伐採・植栽（’76）
下刈り
年間流出元素量の比 (Y/E)
3.5
3.0
2.5
枝打ち
枝打ち
間伐
↓
↓
↓
▲：Ｋ　■：Ｃａ　●：Ｍｇ　◆：Ｎａ
△：Ｃｌ　□：ＮＯ３　○：ＳＯ４　◇：ＨＣＯ３
＊：ＣＢＤ（陰陽イオンの当量差）
●：水量
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
'79 '80 '81 '82 '83 '84 '85 '86 '87 '88 '89 '90 '91 '92 '93 '94 '95 '96 '97 '98
水年 (11月～10月)
年間流出元素量の幼齢林流域（Ｙ）と壮齢林流域（Ｅ）の比　群馬県FM大谷山（対照法による長期モニタリングの例）
皆伐採の影響は７年程度枝打ち・間伐の影響は１年のみ
森林生態系への水による物質収支
森林タイプ
寒帯低木
温帯常針
温帯落広
温帯常広
熱帯常広
日本（滋賀）
日本（群馬）
N
＋
＋
＋
＋
＋
＋
±
流入ー流出
P
K，Ca，Mg，Na
＋
－
±
－
±
－
＋
－
＋
－
±
－
－
水
量
Water flux (mm / yr)
2500
Precipitation (left)
Stream water (right)
壮齢林小流域の観測
S.D.
2000
1500
雨量と流出量の
関係は変わらず
1000
500
Ｎ
動
態
N flux (kmolc ha-1 yr-1)
0
1.5
'79 '83
'84 '88
'89 '93
'94 '00
'84～'88
'89～'93
'94～'00
NH4-N+
1.0
NH4 -N
NO3--N
NO3-N
近年、窒素流出が
流入を上回る
0.5
0.0
'79～'83
Hydrological year
（ＦＭ大谷山）
近年，活性窒素の増加が著しいのは，
・・・・・先進国か発展途上国か？
1860年代は、世界的に最大でも
750 mg N m-2 yr-1 程度であった。
1990年代初頭は、欧州で
2000 mg N m-2 yr-1 程度に高まった。
2050年の予測では、世界的に高まり
5000 mg N m-2 yr-1 を超える地域が続出。
特に、
で高くなる予測である。
「国連ミレニアム生態系評価」の図より
日本では・・・
大気汚染と河川の窒素流失がリンク
首都圏など大都市圏で窒素汚染が進行
（木平・新藤の報告などより）
（戸田ほか 2000より）
9
火山灰・
凝灰岩等
砂岩・頁岩
等
花崗岩
等
石灰岩
安山岩
等
9
pH
8
8
7
7
6
標
茶
（
京
大
）
宮新群
城潟馬
白
糠
（
京
大
）
栗佐
駒渡
山（
（新
東大
北）
大
）
草
木
（
農
工
大
）
長
野
大
谷
山
（
農
工
大
）
川
上
（
筑
波
大
）
大
滝
村
（
農
工
大
）
清
澄
（
東
大
）
長愛三和京島愛高
野知重歌都根媛知
山
芦三松香
手稲美
良武杉清生瓶山美
沢（村水（（（郡
山名（町京島愛（
（大三（大根媛高
信）重京）大大知
大
大大
））大
）
）
））
R
Q7
Q6
Q5
Q4
Q3
Q2
Q1
P
O
N
M2
L
J
I2
I1
K2
ND
群埼千
馬玉葉
H4
H3
H2
H1
S2
G
S1
F3
F2
F1
E3
E2
D
E1
C
B3
B1
B2
北
海
道
M1
北
海
道
A3
A2
A1
5
K1
5
ND
6
宮
崎
沖
縄
田
野
（
宮
崎
大
）
与
那
（
琉
球
大
）
全国大学演習林の山地渓流水質
（戸田ほか 2000より）
9
火山灰・
凝灰岩等
砂岩・頁岩
等
花崗岩
等
石灰岩
安山岩
等
9
pH
8
8
7
7
6
R
Q7
Q6
Q5
Q4
Q3
Q2
Q1
P
O
N
M2
L
M1
ND
K2
K1
J
I2
I1
全国大学演習林の山地渓流水質
R
Q7
Q6
Q5
Q4
Q3
Q2
Q1
P
O
N
M2
M1
L
K2
J
I2
I1
H4
H3
H2
H1
長愛三和京島愛高
宮
沖
野知重歌都根媛知
崎
縄
山
芦三松香
手稲美
田
与
良武関東山地には夏の季節風で
杉清生瓶山美
野
那
沢（首都圏の大気汚染が流入
村水（（（郡
（
（
山名（町京島愛（
宮
琉
崎
球
（大三（大根媛高
信）重京）大大知
大
大
大
大大
））大
）
）
）
）
））
NO3 mg/L
川
上
（
筑
波
大
）
ND
S2
S1
G
F3
F2
H4
H3
H2
H1
S2
G
S1
F3
F2
F1
E3
大大清
谷滝澄
山村（
（（東
農農大
工工）
大大
））
FM大谷山
F1
E2
E1
D
B2
草
木
（
農
工
大
）
E3
E2
D
E1
C
白
糠
（
京
大
）
栗佐
駒渡
山（
（新
東大
北）
大
）
C
宮新群
城潟馬
B1
A3
A2
0
0
A1
4
4
群埼千
長
関東山地
馬玉葉
野
北
海
道
8
標
茶
（
京
大
）
B3
B2
B1
A3
A2
北
海
道
B3
8
A1
5
K1
5
12
12
ND
6
渓流NO３ー濃度の
季節変化
森林生態系における
N飽和現象
渓流からの
NOｘ
窒素流出パターン
秋冬春夏
このパターンは冬雨（欧米）型
夏雨（アジア・モンスーン）型の
気候ではやや異なるといえる。
渓流水
NO３ー
地下水流出
落葉層
有機態N
土壌層
NH４＋
不透水層
FM大谷山壮齢林小流域
330 kg ha-1
12 kg ha-1 yr-1
降雨（バルク）
地上部蓄積
2 kg ha-1 yr-1
幹成長
24
1
林内雨樹幹流
脱N ?
?
地表流
土壌層0-20cm
全N 5000
吸収
?
地下水
NO3-
40
落葉層 400
落葉・落枝
50+α
15
渓流水
空中N固定 ?
NH4+
易分解N 400
微生物体N 100
45 kg ha-1 yr-1
N無機化
森林生態系の窒素動態・蓄積量
流域下部伐採と下層土のＮ流出遅延
流域全部を皆伐すると
渓流水質に顕著な影響
ヒノキ林
0.76ha
枝打ちや間伐による
渓流水質への影響は小
森林地上部や土壌系の
窒素蓄積量は動態量より
はるかに多い
FM大谷山壮齢林小流域
2000年斜面下部部分皆伐
0m
0
8
N
0
50m
スギ林
0.71ha
伐採地
0.33ha
0m
75
▼
量水堰
土壌水
1
0.8
2005年5月
伐採
2004年11月
2004年5月
2003年11月
1.2
2003年5月
2002年11月
2002年5月
2001年11月
1.4
2001年5月
1.6
2000年11月
2000年5月
1999年11月
1999年5月
1998年11月
NO3-濃度 (mmolc L-1)
斜面下部伐採前後のNO3-濃度の経時変化
5cm
15cm
50cm
80cm
湧水
渓流水
0.6
0.4
0.2
0
2006年5月
2005年11月
2005年5月
2004年11月
2004年5月
2003年11月
2003年5月
2002年11月
2002年5月
2001年11月
2001年5月
伐採
0.140
0.120
250
0.100
200
0.080
150
0.060
0.040
100
0.020
50
0.000
0
流出水量 (mm)
0.200
流出水量 (mm)
流出水量
半期平均濃度
月平均濃度
2000年11月
2000年5月
1999年11月
1999年5月
1998年11月
1998年5月
1997年11月
1997年5月
1996年11月
c
0.160
1996年5月
-
0.180
1995年11月
1995年5月
1994年11月
3
-1)
NO3-濃度NO(mmol
L
濃度 (mmol
c /L)
斜面下部伐採前後の渓流水NO3-濃度の経時変化
400
350
300
冬季（11月～翌4月）基底流出→伐採後，徐々に高まる
夏季（5月～10月）基底+測方流出→伐採後，直ぐ高まる
渓流水のNO3-濃度形成模式図
NO3-濃度
脱N？
伐採前
伐採
伐採
土層
A層（有機質土層）伐採直後 3・4年目 5・6年目
薄
濃
B層（無機質土層）
水位
変異荷電による
陰イオン吸脱着
夏
拡散現象による
濃度の平準化
濃
C層（母材）
冬
薄
濃
森林の水質形成機能は・・・
森林土壌と森林の物質循環によって維持
森林流域の皆伐は水質・水量に影響＜大＞
特に渓畔林と流域末端の土壌保全が重要
森林の保育作業（間伐・枝打等）の影響＜小＞
短期間での森林回復力の維持が重要
地球上の活性窒素が増大、森林の浄化機能を
上回り始めている ⇒窒素汚染の削減
森林の窒素循環能、土壌の窒素保持能は大
⇒森林管理で渓流水の窒素濃度低下は可
渓畔人工林の天然林（広葉樹林）化の方法
温暖化の窒素循環への影響？

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