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

陸水の酸性化

富栄養化

渓流水への硝酸イオンの流出

背景：窒素の人為的固定量の増加

0

20

40

60

80

100

120

1900 1920 1940 1960 1980 2000

Year

Tg N

/Y

ear

Harber-Bosch Process

N Fixation by Terrestrial Ecosystem

Nitrogen Fixation by Natural Terrestrial Ecosystem and by Harber-Bosch Process (Galloway, J. N. et.al: Ambio 31(2) 2002)

Anthropogenic N Fixation

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

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

森林の窒素飽和のステージ

窒素沈着量と河川水中の窒素濃度

７kg/ha/y

沈着量が増えると河川水中硝酸濃度が増加

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

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0

200

400

600

800

1000

1200

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

降雨

量(m

m)

湿性

沈着

量(eq/ha/y)

14kg/ha/y

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

0

0.5

1

1.5

2

2.5

32004年

11月

2004年

12月

2005年

1月

2005年

2月

2005年

3月

2005年

4月

2005年

5月

2005年

6月

2005年

7月

2005年

8月

2005年

9月

2005年

10月

2005年

11月

2005年

12月

2006年

1月

2006年

2月

2006年

3月

2006年

4月

硝酸

イオ

ン濃

度(m

g-N

/l)

Stage-2 鎌北湖流入河川

214ueq/ｌ

107ueq/l

領家変成帯

0-0.420.42-1.4

1.4-2.82.8-

(mg-N/l)

Stage-3 群馬県吉井町大沢川

Stage-3 群馬県大沢川

0

1

2

3

4

5

6

2006年

7月

2006年

10月

2006年

12月

2007年

4月

2007年

7月

2007年

9月

2007年

12月

2008年

3月

2008年

6月

2008年

9月

硝酸

イオ

ン濃

度（m

g-N

/l）

200ueq/L

430ueq/L

29

0 50km

谷川岳

谷川岳 一の倉沢 Stage-3?

群馬県 谷川岳 一の倉沢

32

一ノ倉沢（樹林帯）pH, NO3, SO4, ANC

0

20

40

60

80

100

120

Aug-06

Aug-06

Sep-06

Oct-06

Nov-06

Dec-06

Jan-07

Feb-07

Mar-07

Apr-07

May-07

Jun-07

Jul-07

Aug-07

Sep-07

Oct-07

Nov-07

Dec-07

Jan-08

Con

cent

ratio

ns (μ

eq/l)

NitrateSulfateANC

5

6

7

8

ｐH

ｐH

1.4mg/l

33

一ノ倉沢（岩石帯）

pH, NO3, SO4, ANC

-40

-20

0

20

40

60

80

100

Aug-06

Aug-06

Sep-06

Oct-06

Nov-06

Dec-06

Jan-07

Feb-07

Mar-07

Apr-07

May-07

Jun-07

Jul-07

Aug-07

Sep-07

Oct-07

Nov-07

Dec-07

Jan-08

Con

cent

ratio

ns (μ

eq/l)

Nitrate

Sulfate

ANC

4

5

6

7

8

ｐH

ｐH

34

一ノ倉沢（樹林帯）pH, NO3, SO4, ANC

0

20

40

60

80

100

120

Aug-06

Aug-06

Sep-06

Oct-06

Nov-06

Dec-06

Jan-07

Feb-07

Mar-07

Apr-07

May-07

Jun-07

Jul-07

Aug-07

Sep-07

Oct-07

Nov-07

Dec-07

Jan-08

Con

cent

ratio

ns (μ

eq/l)

NitrateSulfateANC

5

6

7

8

ｐH

ｐH

1.4mg/l

35

一の倉沢の NO3- , Cl- 濃度

一の倉沢 NO3-

(umol/l)Cl-

(umol/l)岩石帯 27 36

樹林帯 43 40

樹林帯/岩石帯 1.6 1.1

36

一の倉沢の NO3- Cl- 濃度

一の倉沢 NO3-

(umol/l)Cl-

(umol/l)岩石帯 27 36

樹林帯 43 40

樹林帯/岩石帯 1.6 1.1

硝酸の供給源になっている

窒素飽和

10 km

呉羽丘陵

射水丘陵

Stage-3 富山県 呉羽丘陵

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.

Stage-3 富山県呉羽山百牧谷

0

100

200

300

400

500

600

199

8/0

8/0

1

199

9/0

8/0

1

200

0/0

7/3

1

200

1/0

7/3

1

200

2/0

8/0

1

200

3/0

8/0

1

200

4/0

7/3

1

200

5/0

8/0

1

200

6/0

8/0

1

200

7/0

8/0

1

200

8/0

8/0

1

200

9/0

8/0

1

201

0/0

8/0

1

201

1/0

8/0

1

201

2/0

8/0

1

NO

3(μ

mol/

l)

7mg-N/l

Stage-3 富山県呉羽山百牧谷

季節変化がない

y = 25.17ln(x) + 96.282

0

50

100

150

200

250

0.1 1.0 10.0 100.0

硝酸

イオ

ン濃

度(umol/l)

流量(l/sec.)

2.8mg-N/l

1.4mg-N/l

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

2007.9-

2008.8

2008.9-

2009.8

2009.9-

2010.8

2010.9-

2011.8

(μm

ol/

ha/y

ear)

INPUT

OUTPUT

２．窒素収支

流出量＞流入量

kg-N/ha/y

42

28

14

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

流量に応じて硝酸イオン濃度が変化する。

１．呉羽丘陵の渓流水の水質

Stage-3 呉羽丘陵 百牧谷

0

100

200

300

400

500

600

1998

/08/0

1

1999

/08/0

1

2000

/07/3

1

2001

/07/3

1

2002

/08/0

1

2003

/08/0

1

2004

/07/3

1

2005

/08/0

1

2006

/08/0

1

2007

/08/0

1

2008

/08/0

1

2009

/08/0

1

2010

/08/0

1

2011

/08/0

1

2012

/08/0

1

SO

4, N

O3(μ

eq/l) NO3

SO4

硫酸と硝酸の変動

１．呉羽丘陵の渓流水の水質(百牧谷）

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

NO3: y = 25.2*Ln(x) + 97.5

SO4： y = -17.0*Ln(x) + 189

050

100150200250300350400

0.01 0.1 1 10 100

Discharge ( l/sec)

Con

cent

ratio

ns (µ

eq/l)

pH ANC(μeq/l)

NO3-

(μmol/l)

5.2 -4 160(2.3mg-N/l)

１．呉羽丘陵の渓流水の水質

低ｐH、低ANC、高NO3-

酸性化が進行している

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

2007.9-

2008.8

2008.9-

2009.8

2009.9-

2010.8

2010.9-

2011.8

(μm

ol/

ha/y

ear)

INPUT

OUTPUT

２．窒素収支

流出量＞流入量

kg-N/ha/y

42

28

14

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 流量予測モデル

P: PrecipitationE , E’: EvapotranspirationN1-N4 : Nozzle numbersk1-k4 : Discharge coefficients;Q and Q1-Q4 : Dischargesh, h’, : Water levelsh1-h4 : Nozzle heights

Q=Q1+Q2+Q4

h

N1, k1, Q1, C1

N2, k2, Q2, C2

N4, k4, Q4, C4

Q, C

h1

h2

h4

P E

E’ N3, k3, Q3, C2

DN

P E

DNh’

Q

３．水質モデル 硝酸イオン濃度予測モデル

C, C1,C2 and C4 :

Nitrate concentrations

C=(C1Q1+C2Q2+C4Q4)/Q

P E

DN

h

N1, k1, Q1, C1

N2, k2, Q2, C2

N4, k4, Q4, C4

Q, C

h1

h2

h4

P E

E’ N3, k3, Q3, C2

DN

P E

DN

C

３．水質モデル

流量予測モデルの結果

02468

101214161820

2000/1

2000/3

2000/5

2000/7

2000/8

2000/10

2000/12

2001/3

2001/5

2001/7

2001/8

2001/10

2001/12

2002/3

2002/5

2002/7

2002/8

2002/10

2002/12

Dis

char

ge (

l.sec

-1) Estimated

Measured

３．水質モデル硝酸イオン濃度予測モデルの結果

C1 500 µ mol/lC2 200 µ mol/lDN 4-9.5 µ mol

/m2/h

h

N1, k1, Q1, C1

N2, k2, Q2, C2

N4, k4, Q4, C4

Q, C

h1

h2

h4

P E

E’ N3, k3, Q3, C2

DN

P E

DN

３．水質モデル

硝酸イオン濃度予測モデルの結果

0

100

200

300

400

500

2000

/1

2000

/3

2000

/5

2000

/7

2000

/8

2000

/10

2000

/12

2001

/3

2001

/5

2001

/7

2001

/8

2001

/10

2001

/12

2002

/3

2002

/5

2002

/7

2002

/8

2002

/10

2002

/12

Nitra

te c

once

ntra

tion

s (u

mol

.l-1)

Estimated by the model

Measured

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。

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。

４．N2Oの発生

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

硝酸イオン濃度

（平均）

呉羽丘陵 百牧谷

（Stage-3）

160 μmol/l

(2.3mg-N/l)

射水丘陵 三の熊

（Stage-0）

9 μmol/l

（0.13mg-N/l）

４．N2Oの発生 オープンチャンバー

４．N2Oの発生

0

5

10

15

20

25

30

35

40

2004/6

2004/9

2004/12

2005/4

2005/7

2005/10

2006/2

2006/5

2006/8

2006/11

N₂ O

フラ

ック

ス(ug-N

/m²/h) 呉羽丘陵

射水丘陵

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

-3000

-2000

-1000

0

1000

2000

Ni tri f i cation Deni tri f i cation

Diff

eren

ces o

f Nco

mpa

unds

(μg-

N/1

00g

dry

soil)

Ni trate

Ni trous ox ide

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

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

５．硝化菌種の特定

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。

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

５．硝化菌種の特定

電気泳動（DGGE)

↓

シーケンス解析

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。

５．硝化菌種の特定

6. 硝酸と硫酸の逆相関

0

100

200

300

400

500

600

1998

/08/0

1

1999

/08/0

1

2000

/07/3

1

2001

/07/3

1

2002

/08/0

1

2003

/08/0

1

2004

/07/3

1

2005

/08/0

1

2006

/08/0

1

2007

/08/0

1

2008

/08/0

1

2009

/08/0

1

2010

/08/0

1

2011

/08/0

1

2012

/08/0

1

SO

4, N

O3(μ

eq/l) NO3

SO4

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

-50

0

50

100

150

200

250

NO3 SO4

増減

(μeq/

100g

dry-

soil)

Water

Na2SO4

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

NO3 SO4

増減

（μ

eq/

100g

dry-

soil）

Water

NaNO3

Na2SO4

6. 硝酸と硫酸の逆相関嫌気条件による培養

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

塩化物イオン濃度と硝酸イオン濃度との関係

0

12

3

45

6

7

89

10

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

地点番号

Cl,

NO

3-N

(m

g/l)

Cl

NO3-N

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

R² = 0.8816

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

0 2 4 6 8 10

NO

3-N

(m

g/l)

Cl (mg/l)

利根川本流流下方向の窒素安定同位体比

0

1

2

3

4

5

6

7

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

地点番号

d15N

/14N

（‰

)

上流 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

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

0 1 2 3 4 5 6 7

NO

3-N

(m

g/l)

Cl (mg/l)

利根川における硝酸イオン濃度とδ15N(‰)との関係

-3.0

-2.0

-1.0

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0

NO3-N (mg/l)

d15N

/14N

(‰

)

利根川本流

窒素飽和

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

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

森林の窒素飽和と流域管理