陀安一郎、申基澈、鷹野真也編（2023）同位体環境学がえがく世界：2023 年版

地下水の安定同位体比から日本の気候変動を考えてみよう
勝山

正則（京都府立大学大学院生命環境科学研究科）
1．水の循環と安定同位体比研究例を紹介します。

地球上に存在している水は水（液体）、水蒸気（気2．使用するデータと研究のきっかけ体）、氷（固体）と形を変えながら、回り続けています。この動きを水循環と言います。循環なの

ここでは、日本各地の地下水を収集し、その安でどこからスタートしてもいいのですが、例えば定同位体比を測定して、空間分布や時間変動を見海をスタートとすると、海水が蒸発して雲になり、ます。日本全国の地下水を収集する必要がありま

雲は降水（雨や雪）をもたらします。極地域や高すが、実際に全国を巡って採水するのは容易では山では雪は氷として貯留されることになります。

ありません。そこで、ここでは一つのアイデアと雨は地表面に到達すると、一部はそこから蒸発しして、比較的入手が容易な市販のミネラルウォーます。森林など植生がある場所では葉にトラップターをサンプルとして用いることとします。

され、そこから直接蒸発する遮断蒸発や、根から水の安定同位体比の測定原理や表現方法などに吸収され葉の気孔から放出される蒸散などに配分

ついては本書の他のページをご参照いただくとしされます。これらを総称して蒸発散と言い、水蒸て、ここでは、ミネラルウォーターに着目したきっ

気が大気中に戻る現象で再び雲の材料となります。

かけ、つまり研究のタネについて話をします。

一方で、蒸発散の影響を受けずに深部に浸透した水の安定同位体比に限らず、化学分析をする場

水は地下水となり、湧き出して川となって、池や合は値（同位体比、濃度など）が既知のスタンダー湖に注ぎ込み、やがては海に戻ります。

ド（標準物質）が必要です。このスタンダードに

水循環には固体 ･ 液体 ･ 気体間の変化、つまり対して自分のサンプルがどれだけ離れているかで相変化を伴います。では、氷を水に、水を水蒸気値を決めます。このスタンダードには市販のものに変えるにはどうすれば良いでしょうか。温めれを使うことも多いですが、水の安定同位体比の場ば良いですね。温めると言うことは別の言い方を合は非常に高額で、日常的には使えません。そのすると熱エネルギーを与えることです。水蒸気をため、自分で同位体比が既知の水を大量に用意し水に、水を氷に替えるときはその逆で、熱エネルておき、普段はこれを使います。これをワーキンギーを奪います。つまり、地球上の水循環は熱エグスタンダードと呼びます。ワーキングスタンダー

ネルギーの輸送を伴い、これによって地球上の気ドは広い値の範囲をカバーしていることが望まし候が作られていると言えます。

いです。この研究を始めた当時、分析は京都大学

ところで、水が相変化するときには、水分子の生態学研究センターで行っていたのですが、ある酸素 ･ 水素安定同位体比の値が変化します。従っ時ここで準備されている同位体比の小さいワーキて、水循環を研究するときには水の安定同位体比ングスタンダードの残量がなくなってきました。

が有効なツールとして利用できます。現在、地球

もともとはロシアのヤクーツクに調査に行かれたでは気候変動による気温の上昇が確認されていま先生が持ち帰られた水で、高緯度地域のため、緯すが、これは水循環にどのように影響するでしょ度効果（後述）で同位体比が小さいと考えられまうか？

す。代わりとなる水をそう簡単に現地に調達に行

ここでは、特に日本の地下水に着目した
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けるわけもなく、さて、新しいのをどうやって調達しようということになりました。そこで思いついたのがペットボトルのミネラルウォーターです。
ヤクーツクの水は市販品を見たことがありません
が、同じく高緯度地域のカナダの水は使えるのでは、高度効果（後述）を狙って富士山の水ならどうだろう、そもそも世界各地の水の同位体比に分布はあるのだろうか、など、興味が広がっていきました。そこからは、なるべく多くのサンプルを収集する作業です。近所のスーパー等で購入、出張先 ･ 旅行先で購入、インターネットで購入したものに加え、友人 ･ 知人 ･ 研究者仲間が買ってきてくれるものもありました。海外の製品も数多く、

図 1．地下水の酸素と水素の安定同位体比の関係性
図 中の青い実線は近似直線を、黒い破線は天水線を示す

特に海外出張や旅行に出かける際には、現地のスーパーを巡って調達します。ラベルに書かれた言語が読めなくても、今はオンライン辞書で簡単

ろはすは刻印を読み解くと採水日までわかりまに翻訳できます。ここでご紹介するデータは、こす）。これにより、時系列変化も把握できました。のようにして収集した、日本国内の地下水の同位このように、1 つのきっかけ、アイデアから次々体比の空間 ･ 時間分布です。ほとんどの製品で、と展開できるのは研究の醍醐味です。

ラベルには採水された市町村が書かれています。
3．地下水の酸素と水素の安定同位体比の関係

また、ウェブサイトを調べれば情報が得られることもあります。別製品でも採水地が同じものにつ図 1 に酸素と水素の安定同位体比の関係を示しいては除外します。これをもとに採水地の緯度、ました。酸素と水素には明確な関係性が見られ、経度、標高を判別し、さらにその地点の気象デー

近似直線は
δ2 H ＝ 7.23δ18O ＋ 8.42（r2 ＝ 0.93）

タを収集しました。これにより、現時点で 47 都道府県から 460 のデータを収集しています。そんとなりました。このように明確な直線関係がある

なに種類があるの？と思われるかもしれませんが、ということは、どちらか一方の値が決まれば他方意外とあるものです。

も決まることを意味しています。よって、これ以さらに、研究の広がりとして、日本コカ・コー

降の議論では主に酸素安定同位体比を使って進めラ社の協力を得て、同社が各地で販売している水ますが、水素でも同様と考えて構いません。

源地の異なる製品「いろはす」を毎月提供してい
4．地下水の酸素安定同位体比の空間分布

ただきました。近所のスーパーやコンビニで簡単に購入可能な製品ですが、実は水源地は日本に 6

図 2 に（a）緯度、（b）標高、（c）平均気温の箇所（2023 年 1 月現在）あり、地域によって販それぞれと δ18O との関係を示しました。緯度と売されている製品が異なります。例えば京都市内の関係を見ると、高緯度、つまり北の方のサンプ

では 500 ml サイズの製品は鳥取県の水、350 ml

ルほど δ18O が小さい傾向が見られます。緯度がサイズの製品は山梨県の水が販売されています。

1°大きくなると δ18O は 0.365‰小さくなる関係で各製品には賞味期限がありますから、逆算すればす。この関係性は緯度効果1）と呼ばれます。ただいつ頃採取された水かが判断可能です（実は、いし、北緯 36 度付近には特に同位体比が小さいデー
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タが見られます。標高との関係を見ると、標高が高度効果が重なっていることになります。平均気2）高いほど同位体比が小さい傾向（高度効果 ）が温との関係では、気温が高いほど同位体比が大きあります。標高が 100 m 上昇すると 0.29‰小さい関係が明瞭に現れます。気温が 1℃上昇するくなる関係でした。ただし、標高が低い地点ではと δ18O は 0.4‰大きくなる関係でした。この関係ばらつきが大きいために、関係は明瞭ではありまは温度効果3）と呼ばれます。ただし、データ数がせん。北緯 36 度付近で同位体比が小さいデータ

多い 10℃から 17℃程度の範囲では、ばらつきもは、この付近に存在する日本アルプス一帯で採取大きくなっています。つまり同じ平均気温でも同されたサンプルです。つまり、緯度効果の図には、位体比が異なる地点があります。これは、日本列島スケールで考えるときには気温が重要な要素であるが、より小さなスケールで考える場合は別の要素も考える必要があることを意味しています。
これら 3 つの「〇〇効果」は、実際にはそう簡単に切り分けることができません。高緯度地域では気温も低くなりますし、標高の高い地域でも同様です。言い換えると、水の同位体比には水循環が発生する場所の温度条件を強く反映しているということができます。
5．地下水と降水の関係性
3．で酸素と水素の同位体比の関係を式で示しました。この式では傾きが 7.23、切片が 8.42 となっています。世界中の降水を測定し、同じようにグラフに載せると、傾き 8、切片 10 の直線付
近にプロットされることが知られており、この直線は天水線と呼ばれます。この天水線と、ここで示した地下水の近似線とは傾きと切片が比較的よく似ています。また、地下水の酸素安定同位体比の空間分布として「緯度効果」「高度効果」「温度効果」という用語を使いましたが、これらはもともと降水の安定同位体比分布に使用される用語です。ここで示した図はすべて地下水の結果です。
つまり降水で見られた情報が、地中に浸透して地下水となっても保存されていることを意味しています。また、これまでの研究により、渓流水 ･ 河川水でも同様の関係が見られることが示されています（Katsuyama et al., 2015）。
降水と地下水、渓流水とに明確な繋がりがあることがわかりました。水の安定同位体比は、サン

図 2．
（a）緯度、（b）標高、（c）平均気温と地下水 δ18Oとの関係

プルさえあれば比較的容易に分析ができます。で96

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は、水の入手しやすさを考えるとどうでしょうか？

れた地下水の同位体比の約 10 年間の時系列変化

降水は漏斗をつけたボトルで集めます。ここではを示しました。この 3 地点では、前述のストーリー

詳細を示しませんが、毎回の降水ごとに同位体比のとおりに同位体比が上昇しているのは山梨だけの変動が大きく、平均的な値を知るには年間を通（1 年あたり 0.05‰の上昇傾向）で、札幌はほぼじて観測する必要があります。これは、特に雪の変化がありません（1 年あたり 0.006‰の上昇傾多い地域では容易ではありません。一方で、地下向）。さらに、鳥取では同位体比が低下傾向です（1水や渓流水は過去の様々な時点の降水が混合した

年あたり 0.02‰の低下傾向）。これは何を意味しものであることから、多少の季節変動はあるものているのでしょうか？の、その地域の平均的な値になっていると考えらそれぞれの地点の気温の変動を調べるとたしかれます。したがって、年間を通じた観測は必要あに上昇傾向にありました。したがって、降水の同りません。また、降水にしても地下水 ･ 渓流水に位体比も上昇していると考えられます。では、なしても、その場所に行って採取するのは難しい場

ぜそれが地下水に反映されないのか。ここには、合もありますが、ここで示したように市販のペッ最初に述べた水循環の仕組みが関係していると考

トボトルのミネラルウォーターが使えるのであれえています。気温の上昇は降水の同位体比だけでば、サンプル採取は容易になります。これは、デーなく、降水量や、短時間に強い雨が降る回数の変タを広く集める上で大きな利点となります。

化など雨の降り方のパターンにも影響します。これはその後の循環にも影響を与えます。蒸発散に6．気候変動と地下水

よって大気に水蒸気として戻る水と、浸透して地図 2（c）で示した平均気温と酸素安定同位体下水になる水の量の比率も変わるかもしれません。

比の関係をもう一度見てみましょう。日本の地下結果として、循環の速度も変わるでしょう。さら

水の同位体比には、その地点の平均気温と明確なに、これらの変化の現れ方は、地域によって異な関係があることがわかります。ご承知のとおり、ります。現在までの解析で、同位体比に変化がほ

現在、地球上では気候変動が進行中です。気候変

とんど見られない札幌では、降水量が増加した分動は地球温暖化とも言われますが、地球上の平均が浸透して地下水になる水に多く配分されている気温が将来にわたって上昇することが指摘されてことが影響しているのではないかと考えています。

います。仮にある地点で平均気温が上昇した場合、また、山梨と鳥取の違いは、太平洋側と日本海側

その地点の地下水同位体比は図 2（c）上で右上の気候・気象の違いが影響していると思われます。の方向に移動するのではないか、と想像されます。

日本では豪雪地域を除くと夏季に降水量が多いの

これは、気温が上昇すると、海からの蒸発を促すで、地下水も夏季の影響をより大きく受けます。

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エネルギーが増え、質量の大きい O がそれまで日本列島では夏季は太平洋高気圧を中心とした南より容易に蒸発できるようになり、水蒸気中の東方向からの大気 ･ 水蒸気の流れに強く影響され16O を持つ水分子の数に対する O を持つ水分子ますが、太平洋側でその影響を直接受けやすい山の数の割合、すなわち同位体比が大きくなるため

梨と、四国山地や中国山地を越えて乾燥した大気です。同位体比の大きい降水が増えて、その水がの影響を受けやすい鳥取とでは条件が異なります。

地下水になるなら、地下水の同位体比も大きくこの違いが同位体比の変動パターンに現れているなっていくのではないかと思われます。のではないかと考えているところです。このパター

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果たして、そんなに単純でしょうか。長期間のンの違いは、気候変動に対して、その地域ごとの観測結果から検証してみましょう。図 3 には北海影響の受けやすさの違いを反映しているとも考え

道札幌市、山梨県北杜市、鳥取県西伯郡で採取さられるでしょう。
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図 3．札幌、山梨、鳥取の地下水の地下水 δ18O の時系列変化

ただし、ここまで書いてきたことには想像も多ドの代わりを探すことから始まった研究ですが、く含まれます。例えば、本当に降水の同位体比は色々集めて色々調べると、面白さが増すと同時に気温の上昇に伴って上昇傾向なのか。これは実際わからないことも増えていきます。ここではお示に降水を定期的に採取して調べないと証明できまししませんでしたが、世界の地下水を見ても、面せん。一方で、地下水は我々人類にとっても重要白そうなことが見えてきています。小さな研究のな水資源です。将来、この水資源はどうなるのでタネが、どんな芽を出し、どんなふうに育つか、しょうか。同位体比に見られる変動は、この水資それを追いかけることこそが科学の醍醐味です。

源の危機を反映しているのでしょうか？これを考えるためにも、データを今のうちからしっかりとっ注釈ておくこと、それを継続していくことは大変重要

1） 高緯度ほど、同位体比が小さくなる現象なのです。今回用いた、ペットボトルのミネラル

2） 標高が高くなると、同位体比が小さくなる現象

ウォーターをサンプルとする方法は、誰にでも真3） 温度が高くなると、同位体比が大きくなる現象

似のできる方法です。科学の世界の用語でいうと、これは再現性の検証できる可能性が高いというこ文献とになります。

Katsuyama, M., Yoshioka, T., Konohira, E. (2015)
Spatial distribution of oxygen-18 and

もともとはなくなりそうなワーキングスタンダー
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deuterium in stream waters across theJapanese archipelago, Hydrology and EarthSystem Sciences, 19, 1577‒1588. DOI:
10.5194/hess-19-1577-2015.
著者情報
勝山正則

京都府立大学大学院生

命環境科学研究科 教授。海外出張は現地のスーパーめぐりとセットで、水採取用のボトルを持っていく。専門は森林水文学。

 （2023 年 3 月 31 日掲載）

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