関東森林研究論 文

72-1(2021)

多雪域のみなかみ演習林森林流域の沈着量と流出負荷量の季節変化
瀧澤英紀 1 ・風間聖史 2 ・小坂泉 1
１ 日本大学大学院生物資源科学研究科
２ 日本大学生物資源科学部
要旨：多雪地のみなかみ演習林森林流域において降水と流出の水量と水質について 2019 年の一年間観測し，森林流域の沈着量と流出負荷量の季節変化と年間の物質収支を明らかにした。Cl⁻，Na⁺の沈着量は北西風の影響を受けて冬期に高い値を示した。年間の物質収支では，Cl⁻，K⁺，NO3⁻，NH4+は沈着量と流出負荷量がバランスをとった。Na⁺，
Ca2⁺，Mg2⁺， SO42⁻ ，Si，HCO3⁻は流出負荷量が多く，流域内の化学風化により多量に付加されていた。
キーワード：森林流域，物質収支，多雪地

Variations of precipitation deposition and loads of runoff in minakami university forest at snowy regionHideki TAKIZAWA1, Masashi KAZAMA2 and Izumi KOSAKA1
Graduate School of Bioresource Sci. Nihon Univ., Fujisawa 252-0880 1Coll. Bioresource Sci. Nihon Univ. 2
Abstract: We observed water chemistry of precipitation and runoff of a catchment in minakami university forest at heavy snowy
region through one year, 2019. Precipitation depositions and loads of runoff were calculated to obtained elemental budgets. Results
showed the deposition of Cl⁻ and Na⁺ were high in winter due to the northwesterly wind. In the annual mass balance, between thedeposition and the outflow load of Cl⁻，K⁺，NO3⁻ and NH4+ were balanced. The elements with large outflow loads were Na⁺, Ca2⁺,Mg2⁺, SO42⁻, Si and HCO3⁻, and the material was added mainly by chemical weathering in the hydrological process.
Key-word: Forest catchment, elemental budget, snowy region

Ⅰ はじめにⅡ 材料と方法

近年のアジア域の発展によるエアロゾルなど物質排出１．調査地 調査対象地は群馬県利根郡みなかみ町のの増大は季節風などにより日本へ到達する可能性もあり，日本大学演習林（面積 158ha，標高 650～985m）内に調湿性乾性沈着物として供給され自然生態系への影響も少査流域を設けた（図－１）。本研究では三つ又沢流域なからず危惧されている。中でも硫黄酸化物（SOx）や窒13.7ha の調査結果を示す。地質は，新第三紀デイサイト

素酸化物（NOx）は降水酸性化の因子でもあり，日本海流紋岩と黒色泥岩，新第三紀粟沢礫岩層を主体とし，ロ側地域の冬期降水の pH への影響が大きく（４），積雪ーム堆積域も確認される。調査地周辺の年平均降水量，域の物質循環の研究も注目される（２，３，５）。本研

平均最深積雪深はそれぞれ 1755mm，2.1m である（７）。

究の対象地は日本列島の脊梁山脈の南側に位置し，利根川の源流域であり，日本海沿岸域から 70km も離れており，日本海沿岸域の冬期降水の水質変化と，どの程度同調しているかは不明である。日本海沿岸流域の研究結果
では（８），硫酸の渓流への流出負荷量のうち、風化由来と降水由来を分けて求めた結果では，降水水質の季節性だけでなく，風化量の季節性も示した。
本研究では奥利根源流域の降水により供給されるものと渓流により流出する物質負荷量 について一年を通し図-1. 調査対象流域て明らかにすることを目的とする。

Fig.1. Experimental catchments－89 －（受理日 2021 年 1 月 18 日）

植生は落葉広葉樹林が主体で，ブナ・ミズナラ・コナラ

旬から４月中旬にかけて融雪出水があり，積雪に対して林が約７割，カラマツ・スギ人工林が約３割分布する。

流出の数か月の遅れがある。冬期の最大積雪深は２月の初旬に 198cm 程度となったが，２月中旬あたりの融雪開２．調査項目 降水量の観測は，三つ又沢流域の量水始前では 130cm程度と例年に比べ積雪の少ない年であっ堰より 600m 離れた上空の開けた気象観測露場において，た。また，８月初旬と９月は流出が極めて少ない渇水期

転倒マス式雨量計（大田計器製作所）を地上から約１mが続き，2019 年 10 月 12 日前後数日で 200mm 程度の台の高さに２つ設置し，冬期は地上から約６m の高さにヒ風に伴う大きなイベントがあった。

－タ付き雨量計（52202 R.M.Young），および不凍液プー

２．降水と流出量の季節変化 図－３a)～k)に採水ごルを使用した転倒マス式雨量計（antifreeze CS705 withとの水収支および物質収支の季節変化を示す。水収支でTE525 Campbell Sci.INC.）を約４m の高さに１つ設置しは ， 年 降 水 量 と 年 流 出 量 は そ れ ぞ れ 2014mm/yr. とて計測し，欠測時には藤原の AMeDAS デ－タを用いた．

1278mm/yr.であった。年流出率は 63.4%であり，両者の降水サンプルは地上１m にロート（φ21.2cm）を２か所

差額 736mm/yr.は 1 年で流域水収支がバランスをとると設置し，ボトルに貯留し１月毎に採水した。なお，冬期仮定すると年蒸発散量に相当する。単純に水のみ蒸発しの 2018 年 12 月５日から 2019 年４月 15 日まではコンテたと仮定すると，物質量は変わらないが濃度が 1.57 倍濃ナ（61×41cm）上全部に堆積した降雪水を切り出し，融くなることになる。12 月５日から４月 15 日のコンテナかした後に採水した。積雪期の測定間隔はおおむね２週

では降水量 655mm に対し，流出量は 572mm となった。

間毎に行った。三つ又沢では自動採水装置（3700，ISCO）

３．降水による沈着量と流出負荷量 流出負荷量は流により 24~30 時間間隔で渓流水を採水した。測定項目は量に濃度を掛けて算出するが，濃度変化が大きくない場

Na⁺，NH4+，K⁺，Ca2⁺，Mg2⁺，Cl⁻，NO3⁻，SO42⁻ ，HCO3⁻合は流出量の季節変化が基本的な曲線形状となる。図－イオン濃度および Si 濃度である。

３では，降雨による沈着量を図中の下段（右軸）に示し，

３．分析方法Na⁺，NH4+，K⁺，Ca2⁺，Mg2⁺，Cl⁻，NO3⁻，流出負荷量は上段で左軸となる。

SO42⁻の濃度について，イオンクロマトグラフィー（883Cl⁻（図－３b））では降水による沈着量は，４月～10 月

basic IC，メトローム）を用いて測定した。Si 濃度はマルの値に比べると 11 月～３月中旬の融雪最盛期まで多く，チタイプ発光分光分析装置（ICPE-9000，島津製作所）に降水量（図－３a））と比べると冬期が夏期より高濃度でより測定した。HCO3⁻濃度は硫酸滴定により測定した。

ある（４）などと同様であった。すなわち，北西からの季節風による海塩由来の沈着が多いことがわかる。流出

Ⅲ 結果と考察

負荷量に関しては３月上旬の融雪初期の値は融雪後期の１．降水量と流出量 2018 年 12 月~2019 年 11 月まで４月上旬よりも高く，これは流出水には見られない。の１年間の日降水量と日流出量の掲示変化を図－２に示

Cl⁻は融雪初期に高濃度で流出する現象（１，４，７）とす。12 月中旬に降水に対して流出ハイドログラフが増加一致し，濃度だけでなく負荷量としても融雪初期に多量したが，その後は２月中旬程度までは降水はあるが，流に流出していた。Cl⁻の物質収支をみると積雪・融雪のタ出ハイドログラフが増加していない。したがって主に降イムラグはあるが年間量としてはほぼバランスをとった。

雪による積雪が生じていることがわかる。その後２月下

図-2. 2019 年の降水量と三つ又沢流域の流出量の経時変化
Fig.2. Variation of precipitation and runoff at mitumata catchment in 2019－90 －関東森林研究72-1(2021)

図-3. 採水ごとの大気からの物質沈着量と流出負荷量の経時的変化a)～k)はそれぞれ水収支，Cl⁻，NO3⁻，SO42⁻，Na⁺，K⁺，Ca2⁺，Mg2⁺，NH4+，Si，HCO3⁻の物質量であるFig.3. Elemental variations of deposition from atmosphere and load of runoff for each water sampling period.
a) to k) are showed water budget, Cl⁻, NO3⁻, SO42⁻, Na⁺, K⁺, Ca2⁺, Mg2⁺, NH4+, Si and HCO3⁻, respectively－91 －表-1. １年間の物質収支
Table 1. Annual elemental budgets
Elements

Cl⁻

NO3⁻

SO42⁻

Na⁺NH4+

K⁺

Ca2⁺

Mg2⁺

Si

HCO3⁻

𝑜𝑢𝑡𝑝𝑢𝑡⁄𝑖𝑛𝑝𝑢𝑡

1.2

1.5

2.0

3.5

0.8

1.4

7.1

9.5

1237

8.5

Na⁺（図－３e））は海塩由来として Cl⁻と同調して沈には大きな値を示した。これは樹冠付着水の飛沫などが着し，両曲線がほぼ同じ波形をしたと考えられる。しか本研究の降水水質観測に影響を与えたか確認が必要と考し，沈着量と流出負荷量のバランスは Cl⁻に比べて著しえている。

く大きく，Na⁺は土壌・山体内から付加される化学風化物

４．物質収支 年間の沈着量に対する流出負荷量の割質を多く含むと考えられる。このようなものは他に，Ca2⁺合を示す(表－１)。Cl⁻，K⁺，NO3⁻，NH4+は両者の割合が（図－３g）），Mg2⁺（図－３h）），SO42⁻（図－３d））など１に近くバランスをとった。Na⁺， Ca2⁺，Mg2⁺， SO42⁻ ，があり，これらも土壌・山体内からの化学風化により物Si，HCO3⁻は沈着量に対し流出負荷量が多く流域内の化質が供給されていると考えられる。

学風化による付加が大きかった。

SO42⁻の沈着量の季節性に関しては，海塩同様に沈着量が冬期に増えることはなく，冬期も夏期も同程度の沈着

引用文献量を示す。本試験地は日本海沿岸域より 70km 内陸にあ(１) 飯田俊彰・上木勝司（1993）融雪初期における酸性り，硫酸の供給源が季節風に強く依存するものではない

汚染物質を高濃度に含む融雪水の流出現象．農業土木学

か，あるいは夏期の降水にも同レベル程度供給する発生会論文集 166: 55-61源があることを意味する。

(２) 飯田俊彰・上木勝司・塚原初男（1998）多雪山地小Si（図－３j））は降水にはほとんど含まれず，化学風化

流域における陰イオンの収支解析．農業土木学会論文集

物として流出し，HCO3⁻（図－３k））についても降水には195(66-3): 77-84

ほとんど含まれていない。両者ともに土壌・山体から付(３) 倉元隆之・鈴木啓介 (2005) 山地森林流域における加される化学風化由来の物質と考えられている（６）。両河川水質変動と化学物質循環. 日本水文科学会誌 35(4):者の季節変化では，３つの大きなイベントとして３月の188-189

融雪期，７月，10 月の台風がある。Si では融雪期が最も(４) 鈴木啓介 (2004) 渓流水の酸性化をもたらす融雪水．

量的に大きいのに対し，HCO3⁻は融雪期より７月や 10 月

地球環境 9(1): 49-60の台風の時の方が量的に大きい。これは HCO3⁻は化学風(５) 柴田英昭・市川一・野村陸・佐藤冬樹・笹賀一郎・

化だけでなく，微生物の土壌呼吸活性による高濃度土中石井吉之・小林大二 (2002) 積雪寒冷地域の森林流域でCO2 に由来し，渓流水中に溶解してきたため，融雪期よの融雪期における物質収支. 日本水文科学会誌 32(2): 49-

りも 10 月の台風時期の方が高い土壌温度により流出負56

荷量が増えたものと考えられる。

(６) 瀧澤英紀・鈴木崚平・小坂泉 (2020) 山地森林流域

NH4+（図－３i））や NO3⁻（図－３c））では降水による源頭部における湧水の水質特性. 関東森林研究 71(1):

沈着量として季節性を持たず供給されたが，10～11 月で113-116は観測されていない。NH4+は流域内で NO3⁻に変化し流(７) 豊泉恭平・前島健人・大類和希・小坂泉・長坂貞郎・出すると考えているが，７～８月の流量が小さいときや瀧澤英紀（2016）奥利根源流部の多雪地森林小流域にお台風の時高い流出負荷量を示した。これは自動採水器のける融雪期の水質形成について. 関東森林研究 67(1): 93-

採水口に溜まった有機物などの影響なども考えられるの96で，確認の観測が必要と考えている。一方，NO3⁻では Cl⁻(８ ) Toshisuke Maruyama, Masashi Yoshida, Keiji Takase,同様に３月初旬の融雪期初期に水流出に比べて高い負荷

Hiroshi Takimoto, Shigeo Ishikawa, Sadao Nagasaka (2013)

量を示し，溶存イオンの優先的流出を示した（１，４，

Quantitative analysis of the rate of geochemical weathering of７）。また，降水による沈着量と流出負荷量がほぼバラン

sulfur from sedimentary rocks using atmospheric deposition,

スをとって流出していた。

concentration and river discharge data., J. of Water Res. andK⁺（図－３f）に関しては通年を通して供給され，４～protection, 5:511-519

７月あたりは極めて小さな値を示し，落葉期の９～10 月－

92 －