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 ForestEcosystems

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/Year100
80

N Fixation by Terrestrial Ecosystem

6040

Anthropogenic N Fixation
Harber-Bosch Process

200
1900

1920

1940

1960

1980

2000

Year

Nitrogen Fixation by Natural Terrestrial Ecosystem and by Harber-BoschProcess (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NITREXproject

 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

00

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

2.52107ueq/l

10.50Stage-3 群馬県吉井町大沢川
0-0.420.42-1.4
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

54200ueq/L

210谷川岳

050km
29谷川岳 一の倉沢 Stage-3?

群馬県 谷川岳一の倉沢Nitrate
SulfateANC
1.4mg/l100806040

Concentrations (μeq/l)

7ｐH

8ｐH
65120

200Jan-08
Dec-07
Nov-07
Oct-07
Sep-07Aug-07
Jul-07
Jun-07
May-07
Apr-07Mar-07
Feb-07
Jan-07
Dec-06
Nov-06
Oct-06
Sep-06
Aug-06
Aug-0632

一ノ倉沢（樹林帯）
pH, NO3, SO4, ANC

Sulfate
ANC

60

40

200

Concentrations (μeq/l)

6ｐHｐH

8751004

Nitrate80-20-40

Jan-08Dec-07
Nov-07
Oct-07
Sep-07Aug-07
Jul-07

33

pH, NO3, SO4, ANC

Jun-07
May-07
Apr-07Mar-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
SulfateANC
1.4mg/l
10080

60

40

Concentrations (μeq/l)

7

ｐH

8

ｐH
65120

20

0

Jan-08Dec-07
Nov-07
Oct-07
Sep-07Aug-07
Jul-07
Jun-07
May-07
Apr-07Mar-07
Feb-07
Jan-07
Dec-06
Nov-06
Oct-06
Sep-06
Aug-06
Aug-0634

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)
36274340
1.6

1.135

一の倉沢の NO3- Cl- 濃度

NO3Cl(umol/l) (umol/l)
36274340

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

1000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

5000.11.0

10.0
流量(l/sec.)

100.0

(μmol/ha/year)

２．窒素収支
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0kg-N/ha/y

INPUT

42

OUTPUT
2814

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

1000

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
5000.01

SO4： y = -17.0*Ln(x) + 189

NO3: y = 25.2*Ln(x) + 97.50.1

110100Discharge ( 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
pHANC(μeq/l)NO3(μmol/l)

5.2-4160(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
0kg-N/ha/y

INPUT

42

OUTPUT28

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 流量予測モデル
PPEE

N1, k1, Q1, C1h
E’h1h2N2, 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 硝酸イオン濃度予測モデル
PPPEE EN1, k1, Q1, C1
hE’h1h2

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
hh1
h2

N2, k2, Q2, C2

N3, k3, Q3, C2E’
DN

DN

N4, k4, Q4, C4
h4

Q, CC1500 µ mol/l

C2200 µ mol/l

DN4-9.5 µ mol/m2/h

2002/12

2002/10

2002/8

2002/7

2002/5

2002/3

2001/12

2001/10

2001/8

2001/7400

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
Measured300

2001000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/l21umol/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
302520151050

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

2004/92004/6

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

NO3SO4300

2001000

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
Na2SO4150
100
500NO3-50SO4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）

100-10NO3SO4-20-30-40WaterNaNO3Na2SO4-50-60

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
109876543210ClNO3-N1 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
1.00.50.00246Cl (mg/l)

810

利根川本流流下方向の窒素安定同位体比7d15N/14N （‰)

65432101 2

上流

3 45 678 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
4NO3-N (mg/l)

3.5
32.5
21.5
10.5
0012

3Cl (mg/l)

4567

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