4 章

もっと知りたい同位体「同位体環境学共同研究」（2012 年度〜）は、
総合地球環境学研究所で行っている共同研究事業です。
日本の大学・研究機関だけではなく、世界の大学・研究機関とも一緒に研究しています。

４ 章

もっと知りたい同位体

一緒に研究を行っている研究者の方々から、研究内容を紹介していただきます。

水循環過程
水は地球上をぐるぐると循環しています。蒸発した水蒸気は雲となり、雨や雪を降らせます。雨は、川となって流れるとともに、地表面から染み込んで地下水としてもゆっくり流れます。蒸発や凝結によって、水がその状態を液体から気体へ、気体から液体へと変化させる
ときには、水の水素・酸素安定同位体比が変化します。一方、地下水のように、状態変化をせずに流れる場合は、同位体比は変化せず、元の値を保ちます。このような原理をもとに、水の循環についてどのようなことがわかるのか、具体的な研究を見てみましょう。

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

水の安定同位体を用いた地下水や湧水の涵養域の推定― 福島県沿岸域の研究例 ―
藪

崎

志

穂

（総合地球環境学研究所）

1．水循環とは？

を把握する際の重要な情報となります。

地球はよく“水の惑星”と呼ばれていますが、地下水ということばを聞くとあまり身近なもの

水は人間も含め、動物や植物が生きてゆくには必に思えないかもしれませんが、水道水源として利要不可欠なもので、皆さんもその大切さは重々承用されていたり、工業や農業用水、雪国では融雪知されていることと思います。近年、気候変化にのために利用されていたりと、実は私たちの生活伴う降水量の変化や人口増加に起因する水利用のにも密接に関わっています。最近では、ペットボ増加によって水資源が不足している地域があり、トルの水として、日本の地下水だけでなく、世界

また人間活動によって引き起こされた地下水汚染の地下水も流通していますので、お店などで目になどの問題も生じています。地球上には海や氷したこともあるのではないでしょうか。このよう

河、河川、湖沼、地下水など様々な形態で水が存な地下水を活用するためにも、水の動きを知るこ在しており、これらはそれぞれが独立しているのとが重要となっています。

ではなく、相互的に関係を持っています。例えば、
2．とっても役に立つ水の安定同位体比

太陽エネルギーなどによって海から蒸発した水蒸
気は雲となり、雨を降らせます。雨は地表面に到それでは、目で見ることのできない地下水の流達し、一部は地表を流れて河川や湖沼に流入し、れを把握するにはどうしたら良いでしょうか？河一部は地下に浸透して地中水（土壌水や地下水）

川水や湖沼など、地表面にある水の動きは直接目となります。河川や地下水は流動して、滞留する視できるため、比較的理解しやすく、また調査も時間こそ異なりますが、最終的には海に流出しましやすいのですが、地下にある地下水は通常は目す。こうした一連のサイクルは“水循環”と呼ばで追うことができないため、状況を把握するのはれています。水の循環を把握することにより、地非常に困難です。その水の流れを把握するために下水の汚染や水の枯渇など、様々な環境問題を解は幾つかの手法があるのですが、その中でも多く決する糸口を見いだせるため、水の研究ではとて利用されているものとして同位体があります。同も重要な概念となっています。

位体には時間の経過により放射性壊変して値が変この水循環研究の一つとして、地下水の流動を化する放射性同位体と、時間に対して不変な安定把握することが挙げられます。地下水流動とは、同位体があります。ここでは後者の安定同位体に水がどこで涵養され、どこを流動しているのかをついて説明します。

明らかにすることです。ちなみに、涵養とは、降安定同位体を持つ元素には、H、C、N、O、S、水や河川水、灌漑水などの地表水が地表面から浸P など多くの種類がありますが、水は H2O で構透して、地下水面に達することを意味しています。

成されていますので、H（水素）と O（酸素）の地下水流動を明らかにすることができれば、地下

安定同位体が対象となります。水素の安定同位体

水の汚染対策や水の持続可能な利用についてなど

は 1H（天然存在比は 99.984％）と 2H（同 0.016％）
85

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

があり、酸素の安定同位体は 16O（同 99.762％）、
17

3．水の安定同位体比と標高の関係は？

18

O（同 0.038％）、 O（同 0.200％）があります（Meija

水の安定同位体を用いて水の流れを把握するた

et al.，2016）。このうち、存在比が一番大きいもめには、水の安定同位体の特徴を理解することが2

1のと 2 番目に大きいものの比を取り、 H/ H、お18必要です。たとえば、降水の安定同位体比を例に

16

よび O/ O として示しますが、これらの比は非挙げると、以下のような特徴が存在します。

常に小さいため、標準平均海水（v-SMOW）か1）標高が高くなると、同位体比は低くなる（高らの千分率偏差である δ 値として表示されます。

度効果）

H と O の安定同位体は一般的な条件下では岩2）温度が高くなると、同位体比は高くなる（温石などと反応せず、他の水塊の混入や蒸発などの度効果）影響を受けない限りはほぼ不変であるため、水の

3）内陸部ほど、同位体比は低くなる（内陸効果）

流れを追跡するのに適しています。このように水

4）高緯度ほど、同位体比は低くなる（緯度効果）の安定同位体は便利なトレーサー（追跡子）です

これらの効果は水蒸気から降水が形成される際が、20 〜 30 年位前までは分析手法が難しく、分の過程（レイリー蒸溜）によってもたらされます。

析機器（質量分析計）も限られていたため、同位上記の特徴のうち、高度効果と内陸効果の概念図

体の分析値を出すのがなかなか困難でしたが、近を図 1 に示しました。日本のような地形条件では、

年では新たな分析機器の開発なども進み、短時間

沿岸域では標高が低く、内陸部では標高が高くなでかつ簡便に多くの試料を測定できるようになる場合が多く、また標高の高い地点や高緯度地域

り、様々な研究で活用されるようになりました。

の気温は低いため、高度効果と内陸効果、温度効

水の安定同位体は、水循環研究には欠かせないも

果、緯度効果は関連していると言えます。このよのになってきています。

うな水の安定同位体比の特徴を活用することで、水がどこから来たのかを把握することが可能となります。

図 1．内陸効果、高度効果の概念図（藪崎，2021）の図を元に加筆
86

図 1 内陸効果，温度効果の概念図

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

4．地下水の涵養域の推定法 ― 福島県南相馬市の研究例 ―次に、水の安定同位体を用いた研究例について紹介します。この研究では福島県南相馬市の沿岸域を調査対象地域とし、同地域の地下水や湧水等の水質特性や地下水流動、滞留時間を把握することを目的として実施しています（藪崎，2020）。
流域の地下水や湧水の涵養域を把握するためのデータとして、2014 年 4 月から 2015 年 3 月までの 1 年間、南相馬市の沿岸域から内陸部の飯舘村までの間に降水採取地点を 4 個所設置し、2 か月に一度、降水試料を回収しました。降水地点の標
高は 10 m、50 m、220 m、515 m で、各地点には

図 2．Picarro L2130-i（地球研設置）

蒸発が生じないような仕組みを備えた自製の降水採取装置を設置しました。降水試料回収時には採ことを意味しています）、δ 2H で -2.0‰ /100 m と取量を計測して降水量に換算し、pH と EC（電なりました。この結果を用いると、例えば、地下

気伝導率）を測定し、ろ過を行った後に酸素と水

水の δ18O 値が -8.0‰、δ 2H が -52‰であれば（図素の安定同位体測定を実施しました。同位体分析3 の★）、地下水の平均的な涵養標高は 150 m とは、かつては亜鉛還元法や自動平衡装置による前

推定できます（藪崎，2020）。

処理を行った後、質量分析計という比較的大がか

このように、降水の同位体比から涵養標高を把りな機器で分析していましたが、近年は分析や機握することができるのですが、降水量が少ない場器の管理が比較的簡便で、かつ短時間で多くの分

合や、気温や湿度などの条件、降水が地表面から析が可能である WS-CRDS（Wavelength scanned-

地下に浸透する過程で蒸発の影響を大きく受ける

cavity ring down spectroscopy）法が開発され、ような場合には、降水の同位体比が変化する可能

本 研 究 で も こ の CRDS 法 の 機 器（L2130-i，性があることが指摘されています。そのため、福

Picarro 社製；図 2）を用いて分析しました。

島県沿岸域の調査では、集水域を把握できる湧水

18

降水試料の酸素安定同位体比（δ O）と水素安を数地点選び、それらの酸素・水素安定同位体比2定同位体比（δ H）の各地点の 1 年間の平均値をと標高のデータを用いて涵養直線を求めました

求めるため、それぞれの期間内の降水量を用いて（図 4）。この結果より、標高に伴う湧水の同位体

加重平均し、得られた同位体比と各地点の標高の比 の 減 衰 率 は、δ18O は -0.26 ‰ /100 m、δ 2H は関係を図 3 に示しました。この図では 4 地点の降-1.6 ‰ /100 m と な り、 仮 に 地 下 水 の δ18O が

水データはほぼ直線上に沿うようにプロットされ-8.0‰、δ 2H が -52‰であれば（図 4 の★）、涵養

ていますので、標高と同位体には相関があること

標高は 200 m ほどと推定できます（藪崎，2020）。

がわかります。また、標高が高い地点ほど同位体

降水のデータを用いた涵養域とは若干差はありま

比は低い値を示していますので、明瞭な負の相関

すが、オーダーとしては概ね一致していることがをもつことになり、この地域には 3 節で説明した

わかります。福島県沿岸域の研究では、こうした高度効果が存在することが明らかとなりました。

涵養直線をもとに地下水や湧水の涵養標高を推定

18δ O では -0.24‰ /100 m
標高と同位体比の関係は、し、それぞれの水質や滞留時間に関する検討を進

18（標高が 100 m 上昇すると δ O は 0.24‰低くなるめています。
87

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

図 3．降水の同位体比と涵養直線

図 3 降水の同位体比と高度の関係（全ページ幅）

図 4．湧水の同位体比と涵養直線

5．おわりに文献

以上で示したように、降水や湧水の安定同位体

藪崎志穂（2020）：福島県北部沿岸域の地下⽔，

比と標高との関係を用いることで、地下水や湧水

湧⽔等の⽔質特性の把握と安定同位体を⽤いの起源（涵養域）を知ることが可能となります。

た 涵 養 域 の 推 定． 地 下 水 学 会 誌，62（3），さらに、水の同位体比のほかに、溶存成分量や水

449‒471.

温、pH、他の同位体など、複数の項目を併せて

藪崎志穂（2021）：「見えない」地下水の流れを「見検討することで、涵養標高や水の流れについてよえ る 」 よ う に す る に は？ ― 安 定 同 位 体 やり詳細に示すことができるようになるため、水循

CFCs，SF6 を用いた地下水の涵養域および

図 4 湧水の同位体比と標高の関係
環研究においても複数のトレーサーを用いる方法
滞留時間の推定法 ―．地球科学，75，91‒96.

（multiple tracer methods）が今後益々重要になってくると言えます。

Meija J, Coplen TB, Berglund M, Brand WA,（全ページ幅）

Bièvre PD, Gröning M, Holden NE, Irrgeher
J, Loss RD, Walczyk T and Prohaska T88

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(2016): Isotopic compositions of the elements
2013 (IUPAC Technical Report). Pure andApplied Chemistry, 88, 293‒306.
著者情報
藪崎志穂

筑波大学大学院博士課

程生命環境科学研究科を修了。博士（理学）。2016 年 4 月より総合
地球環境学研究所に所属。専門は同位体水文学。各地の降水の同位体長期観測や、地下水・湧水の水質の特徴把握、福島県沿岸域や忍野村の地下水調査などを行なっています。

（2021 年 3 月 31 日掲載）

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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

地下の水は何歳？

― 福島県沿岸域の調査からわかったこと ―
藪

崎

志

穂

（総合地球環境学研究所）
1．地下水の滞留時間とはるような深井戸（深層地下水）では数十年〜数百皆さんが立っている地面の下には沢山の水（地年、場合によっては千年以上の滞留時間を示す場中水）が貯留されています。地中水はその物理的合があります。更に 1,000 m を超える非常に深いな性質により土壌水と地下水に区分され、簡単に井戸では、数万年〜数十万年の値を示すこともあ言えば地下水面より下にある水が地下水と呼ばれります。

ています。この地下水の源に関して、扇状地のよ
2．滞留時間の推定方法

うに地表面から水が浸透しやすい地形が広がる地
1）

域では河川水が地下に浸透して地下水を涵養 しこのように滞留時間はバリエーションに富んでている場合もありますが、多くは空から降ってくいますが、それではこうした滞留時間はどのようる降水が源となり地下水をつくりあげています。

にして求められているのでしょうか？

地下水が涵養される地域（場所）のことを涵養域

水の滞留時間の推定には複数の方法がありますといい、日本のような山地が多い地形条件下では、が、比較的古くから利用されている手段として放地下水の涵養域の多くは山間部となります。よっ

射性同位体を用いる方法が挙げられます。放射性て、涵養域の近くの比較的浅い地下水は涵養され同位体の原子核は一定の時間の経過に伴い放射壊てからあまり時間が経過していないことが多いで変をして他の元素に変化しますが、この原子数がすが、涵養域から遠く離れかつ深い地下水ではか半分に減るのに要する時間を半減期といいます。

なり長い時間をかけて流れてきていることは想像

例えば 3 H（トリチウム）では 12.32 年、14 C ではに難くありません。この水の流れてきた時間は人

5,730 年、36Cl では 301,000 年となっています。こ間に例えれば年齢に相当しており、学術的には「滞の性質を利用して、試料水の放射性同位体の濃度留時間」と呼ばれています。滞留時間の定義は、を測定し、過去の時系列データと比較することに降水や地表水が地下に浸透して帯水層（地下水面）

より滞留時間を推定することができます。一般的に達したときを 0（ゼロ）とし、地下水が地中をに半減期の 10 倍程度の時間まで推定することが流動して、ある場所に到達するまでにかかった時できるとされていますので、3 H では数年〜100間のこと、とされています。ただし、地表面から年程度、14 C では数千年〜数万年程度、36Cl では

地下水面までの不飽和帯の厚さが特に厚い場合に数十万年〜百万年のオーダーの滞留時間の推定には、この分を考慮する必要があります。日本のよ利用されています。調べたい水を採取してそれぞ

うな島弧では地下水の滞留時間は比較的短い場合

れの放射性同位体の濃度を把握することにより滞が多く、民家の井戸などで利用されている浅井戸

留時間を推定することができるので便利な手法で（浅層地下水）では数年〜数十年オーダーの滞留

すが、対象とする放射性同位体が人工的に環境中時間を示す地下水が多いですが、一方で工場用水に排出された場合にはこの方法の適用が困難になや水道水源などで利用されている 100 m を超えることもあります。
90

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

その他に、1990 年代頃から CFCs や SF6 を用

沿岸域の地下水に現れる可能性があるのか、もしいた滞留時間の推定が行われています。CFCs はあればいつ頃なのか、などの判断や対策を行う場

クロロフルオロカーボン類（chlorofluorocarbons）

合にも滞留時間の情報は不可欠です。本研究ではといい、CFC-11、CFC-12、CFC-113 などがあり、地下水流動把握の一環として、地下水や湧水の滞冷却剤や洗浄剤などの工業用として 1930 年代に留時間の推定に取り組みました（Yabusaki and

人工的に生成された有機化合物で、化学的に極め

Asai, 2023）。

て安定な性質を持っています。SF6 は六フッ化硫研究対象地域は福島県沿岸域の新地町、相馬市、

黄（sulfur hexafluoride）のことで、電気や電子

南相馬市、浪江町、大熊町で、湧水 31 地点、地機器などの絶縁ガスとして 1960 年代から利用さ

下水 13 地点、自噴井 13 地点の計 57 地点で調査れている気体です。CFCs や SF6 を用いる方法でを行いました。なお、自噴井とは地下水が自然には現在〜100 年ほどの滞留時間を推定することが地表に湧き出す井戸のことで、扇状地の扇端部やできるため、日本で一般的に利用されている浅井

火山山麓、盆地などに設置された比較的深い井戸

戸や一部の深井戸の滞留時間を推定するのに適しで多くみられます。本研究地の自噴井の深度はた方法といえます（詳細は「同位体環境学がえが30〜100 m です。また、これらの地点において、

く世界、第 3 章

3地下水流動研究におけるマルチ

H 測定用（湧水 38 サンプル、地下水 14 サンプル、

自噴井 19 サンプル）と、CFCs、SF6 測定用（湧トレーサーの活用法」をご覧ください）。

水 9 サンプル、地下水 1 サンプル、自噴井 11 サ
3．調査地域の概要

ンプル）の試料採取を実施しました。なお、調査滞留時間は持続可能な地下水利用の検討や地下地点数よりも 3 H 測定用の採取サンプル数が多く水流動を把握する際に重要な情報となります。ごなっていますが、これは時期に伴う濃度変化の確存知のように、福島県沿岸域は 2011 年 3 月 11 日

認のため、数地点において複数回の試料採取をに発生した地震の影響により津波が発生し、広域行ったためです。また、3 H のサンプル数に対しで甚大な被害が生じました。また、地震に伴い福て CFCs と SF6 のサンプル数は少なくなっていま

島第一原子力発電所（FDNPP）の事故が生じ、すが、CFCs と SF6 は大気に触れないように試料

環境中に多量の放射性物質が放出されたため、長水を専用の採水容器に採取する必要があるため、期間にわたり立ち入りや居住、農業活動などが制一部の調査地点では分析用の試料水を採取するこ限されました。2023 年 1 月時点において、大部とができなかったことに因ります。

分では規制が解除されましたが、未だ立ち入りが4．滞留時間の分布制限されている地域もあります。その一方で、沿採取した水試料について、前処理を行った後、岸域では道路の修繕、盛土や堤防の造成、海岸防災林や緑地公園などが整備され、住民が戻り生活

3を再開する地域も増えてきました。また、稲作なと SF6 はガスクロマトグラフで濃度を測定し、そどの農業活動も徐々に再開されており、地下水のれぞれ必要な補正を行い、大気中の濃度曲線と比利用も今後増えてくることが予想されます。こう較検討して滞留時間を推定しました。

H は液体シンチレーションカウンターで、CFCs

3

したことから、沿岸域の現在の地下水の水質の特

H 濃度は、湧水や浅層地下水では相対的に高徴や、津波被害の影響の有無、地下水流動の把握

く、特に FDNPP に近い浪江町や大熊町では高いなどが重要であると考えられます。また、内陸部

値を示し、原発事故による放射性物質の混入の影に飛散した放射性物質が浸透水と共に地中を移動

響が及んでいることがわかりました（図 1）。一方、して地下水に取り込まれた場合、それらの影響が自噴井では位置に関わらず 3 H は自然のレベルの91

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

図3

図 3．滞留時間の推定値（CFCs、SF6 を用いた解析結果）

滞留時間の推定値（CFCs，SF6を利⽤）

範 囲 内（概 ね 5 TU2）以 下）を 示 し て お り、
FDNPP の影響は認められませんでした（図 2）。
このことから、湧水や地下水では滞留時間を求めるために 3 H を利用することはできませんが、自図 1．湧水、地下水の H 濃度分布図
湧⽔，地下⽔の3H濃度分布図3

図1

噴井は 3 H の利用が可能であることがわかりました。
CFCs と SF6 を用いた滞留時間の推定結果から、湧水と地下水の滞留時間は約 15 年〜45 年、自噴井の滞留時間は約 50 年〜70 年で、相対的に自噴井の滞留時間が長いことが示されました（図 3）。
水質調査の結果をみると、自噴井の多くは NaHCO3 型の水質組成を示し、また SiO2 濃度が高いことから相対的に長い滞留時間の水質の特徴を有 し て お り（藪 崎，2020）、本 研 究 で 求 め た
CFCs や SF6 による滞留時間の推定結果と矛盾がありません。
5．今後の課題
本調査の結果から、福島県沿岸域の地下水の滞留時間の推定値は、湧水と地下水、および自噴井では明瞭な差があり、地下水流動の違いを反映していることを把握できました。こうした滞留時間の結果を地下水流動の推定に活用して、沿岸域の適正な地下水利用につなげてゆきたいと考えています。また、阿武隈山地や宮城県沿岸域など他の図 2．自噴井の H 濃度分布図
⾃噴井の3H濃度分布図

図2

3

92

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

地域にも同様の手法を用いて、滞留時間の推定や

文献

地下水流動把握に努めてゆく予定です。

Yabusaki, S. and Asai, K. (2023): Estimation ofgroundwater and spring water residence

謝辞

times near the coast of Fukushima, Japan.

本研究は、科学研究費補助金（基盤（C），課Groundwater, (in press, Accepted on

題番号：16K01212，および 20K01150，研究代表

December 31st, 2022).

者：藪崎 志穂）の助成を受けて実施しています。

https://doi.org/10.1111/gwat.13288
藪崎志穂（2020）：福島県北部沿岸域の地下⽔，

注釈

湧⽔等の⽔質特性の把握と安定同位体を⽤い

1） 降水や河川・湖沼などの地表水が地表面からた 涵 養 域 の 推 定．地 下 水 学 会 誌，62（3），

浸透して地下水に吸収・付加されることを意

449‒471．

味します。また、地下水の涵養が行われる地

https://doi.org/10.5917/jagh.62.449

域（場所）を涵養域といいます。
著者情報

2） TU とはトリチウムユニット（Tritium Unit）

藪崎志穂

18

の 略 で、1 TU と は 水 素 原 子（H）10 個 中に H が 1 個含まれていることを意味してい2016 年 4 月より総合地球環境学

ます。従って、TU が大きければより多くの
3

筑波大学大学院 博士

課程 生命環境科学研究科を修了。

3

研究所に所属。専門は同位体水文

3H が含まれている（ H 濃度が高い）ことに学、地下水学。各地の降水の同位体長期観測や、地下水・湧水の水なります。なお、1 TU は 0.118 Bq/L です。

質の特徴把握、福島県や仙台市の沿岸域の地下水調査、忍野村の地
下水流動観測などを行っています。



93（2023 年 3 月 31 日掲載）

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
94

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

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
95

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

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

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

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。

18

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

18

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。
97

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

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
98

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

deuterium in stream waters across theJapanese archipelago, Hydrology and Earth
System 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）99

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

弘前の降雪の同位体比変動
谷田貝亜紀代（弘前大学大学院理工学研究科）

1．弘前
青森県弘前市は、日本海側の豪雪地帯に位置す
る、落ち着いた城下町です。アメダス最大積雪深記録のある酸ヶ湯は、八甲田山系に位置し、弘前の東北東 30 km ほどの距離のところにあります⼤陸（図 1）。日本海側の豪雪は、西高東低の冬型の気

⽇本海

⽇本列島

圧配置のときに冬季の季節風（シベリアからの冷たく乾いた風）が日本海からの蒸発した水を含み、上空の寒気

それが脊梁山脈により強制上昇してもたらされると誰もが聞いています。しかし、実際の気圧配置

⾥雪

は日々かわります。たとえば新潟では、北西季節
風が強い時の山雪と、日本海上空に寒気があるときに平地で雪の多くなる里雪があることは知られています（図 2）。弘前は、3 方を山に囲まれていますので、酸ヶ湯ほどの豪雪にはならないのです

図 2．山雪と里雪の模式図。
（上）強い北西季節風によ図2
山雪と里雪の模式図．（上）強い北西季節風により山地で降雪が多くみられる。（下）日本海上空

山地で降雪が多くみられる．（下）日本海上空の寒気により，の寒気により、平地で降雪が多くみられる。
平地で降雪が多くみられる．

が、どういう気象条件の時にどこから来た水蒸気るときにも、降雪の同位体比の結果は、参考にな

で降雪がもたらされるかを調べておくと、これかると思います。

ら温暖化時の降水がどのように変化するのかを予
2．降水の同位体比

測したり、古文書や古気候の復元に用いる環境資料を解釈したりに役立つと思います。もちろん、水や酸素の安定同位体比は古環境の復元に古く

土や水の溶存物質や年輪などの分析結果を解釈すから用いられてきました。南極やグリーンランドの氷河や、海洋底に沈む生物化石に含まれる酸素の同位体比は気候復元の重要な指標になっています。これらは地球全体の気候が温暖であったか寒冷であったかという指標となっています。
一方で、1960 年代から地球上の様々な場所で岩⽊⼭
弘前

降水の同位体比が観測され、地理的な分布も国際

酸ヶ湯

的なネットワーク等で明らかになりデータの共有もすすんでいます。これら水（酸素・水素）の同位体比と平均的な気象要素や空間的特徴との相関

図 1．青森県周辺の地形。
カラーは標高（スケール参照）。
が発見・整理されて、それらは、温度効果、緯度○：弘前、▲：岩木山（西側）と、八甲田山系
効果、高度効果、内陸効果、降水量効果と呼ばれの酸ヶ湯（東側）
図1 ⻘森県周辺の地形．カラーは標⾼（スケール参照）．○：弘前，▲：岩⽊⼭（⻄側）と，⼋甲⽥⼭系の酸ヶ湯（東側）．
100
1

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

ありますが、3 年間の冬季に計測をしています。

てきました。これらは、重い水、すなわち高い同
18

16

2

・第 1 冬季

2019 年 12 月〜 2020 年 3 月初めの H に対する比が大きい）ほど先に凝結して降・第 2 冬季

2020 年 12 月〜 2021 年 2 月終わり

り、一方水面から蒸発するときには軽い水分子か・第 3 冬季

2021 年 12 月〜（現在）位体比の水（ O の O に対する比が大きい、 H
1

ら蒸発するという原理から説明されています。例

第 2 冬季の途中からは、水蒸気の同位体比の計

えば青森県の複数個所で 2 週間ごとの降水の同位測も行ったのですが、ここでは説明を省略します。

体比変動を計測した研究（Hasegawa et al.
（2014））

第 1 冬季は、暖冬小雪でした。これに対し、第では、八平地と八甲田山の同位体比は、高度効果

2 冬季は、弘前の降水量は平年並みでしたが、日で説明できる（平地が重く、山地である八甲田は本各地で豪雪被害がありました。第 3 冬季の現在軽い）としています。

と第 2 冬季は、ラニーニャの状態にあります。まこのような分別には、温度の関数である平衡のた、上記の観測期間には、雨として降った日もあ

同位体分別のほかに、動的同位体分別がありまります。溶ける時には同位体比は変わらないので、す。この動的同位体分別は例えば激しい蒸発時に

ここでは同様に降水として扱って示します。

水面からの分子拡散速度の差により生じるもの

図 3 は、第 1 冬季の酸素同位体比（δ18O）、水で、δ18O と δ 2H の相対的な変動の差となって現

素 同 位 体 比（δ 2H）、d-excess を、 図 4 は、 第 2

れ ま す。 こ の 指 標 と し て、 天 水 線（δ 2H＝8 ×

冬季の酸素同位体比、水素同位体比、d-excess を182

δ O+10）からのずれを表す d-excess（δ H-8 ×

表しています。

18δ O）という値が用いられます。気象分野でも水

まず、全体的な特徴として、δ18O と δ 2H は似安定同位体比が用いられるようになり、解説もさたような変動傾向をしていると言えます。また、れているので（芳村ほか 2009）、詳しく知りたい

それぞれの値の中でも同位体比が高い（水が重い）

場合は読まれると良いと思います。

時と低い（水が軽い）時があり、1 週間から 10

興味深いのは、冬季日本海の激しい蒸発をうけ日の間に次第に重くなるように見える時期がある

た水、すなわち日本海側の降雪は、d-excess が高ことです。

いことが知られており（例えば芳村・一柳、2009）、

この両者の関係（動的同位体分別の指標）であ

弘前の降雪には、非常に特徴的な d-excess を持る d-excess は、従来から言われているように、

つものと、気流系によってはそうでないものが混日本海からの激しい蒸発を受けたと考えられる高ざっていると考えられることです。そこで水蒸気い値を示しています。また、芳村・一柳（2009）は、輸送経路の違い、つまり水分子の通った履歴や混

中部地方・東北地方における降水・地表水の同位合過程の結果である日々の降雪水の同位体比変動

体比季節変化の報告（早稲田・中井、1983）を再や、年々の違いをみることは面白いし、前述のよ考察し、北西季節風時に d-excess ＞ 20、南岸低

うに、他の資料と比較することや、過去や将来を気圧通過時は d-excess = 20 との概念モデルを表知るにも役立つと思って、この研究を行いました。

していますが、ここでの d-excess の幅は 5 〜 40 と大変大きく、北西風の強い時の多かった第 2 冬季

3．大気循環と水循環の結果としての弘前の降水では、d-excess が 40 を超えるときもありました。

〜 2 冬季の結果から〜

それぞれの日の大気循環や水蒸気輸送過程との弘前での降雪のサンプリングは、大学の屋上に関係をすべて示すことは紙面の都合上難しいのポリバケツを設置して、日本時間の 12 時にバケで、第 2 冬季の豪雪災害のあった日との対応と、ツを交換することで行いました。週末は計測せず

第 1 冬季のだんだん重くなる時の例と、第 2 冬季

金曜日から月曜日の降水をまとめて計測した時もの極端に軽い降水の日について簡単に紹介します。
101

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

・2021/2/23‒25

第1冬季δ18O (‰)

北海道岩見沢で豪雪。d-excess、同位体比とも次第に高くなる。
以上から、いずれも d-excess が高く、強い北δ2H (‰)

西季節風で日本海から激しい蒸発による降雪が弘前でももたらされたことが推察されます。同位体

次第に重くなる

比が高い原因、高くなる原因については今後の詳細な解析が期待されます。
5．重い日とだんだん重くなる時

図 ３．弘 前における第 1 冬季（2019 年 12 月～ 2020 年
図３弘前における第1冬季（2019年12⽉〜2020年3⽉）の降⽔の酸素同位体⽐，⽔素同位体⽐，d‐excess．
3 月）の降水の酸素同位体比、水素同位体比、
d-excess。

第 1 冬季には、3 回、だんだん同位体比が高くなる現象がありました。このうち 2020 年 2/9 か3

ら 2/13 への循環場の変化を図 5 に示します。

第2冬季

2/9 は大陸から低温・乾燥した空気が弘前に流

δ2H (‰)

δ18O (‰)

入していました。これは西高東低の冬型の時です。
一方、2/13 には、南西からの湿った空気が弘前上空に来ています。この変化があった時、水が極端に軽い⽇重くなっていく（δ18O 上昇）と共に、d-excess は減少しました。これは、冬型（同位体比低く、
d‐excessが⾼い

図 4．弘 前における第 2 冬季（2020 年 12 月～ 2021 年
2 月）の降水の酸素同位体比、水素同位体比、
図4 弘前における第2冬季（2020年12⽉〜2021年2⽉）の降⽔の
d-excess
酸素同位体⽐，⽔素同位体⽐，d‐excess

4．豪雪災害のあった日

4

第 2 冬季に日本で豪雪災害が発生した主な期間と弘前の降雪同位体比の特徴を記します。
・2020/12/14‒12/21
日本海側断続的豪雪。d-excess は高く、同位体比も高い。
・2021/1/7‒1/11
秋田で強風、広範囲で大荒れ。d-excess 高く、同位体比も高い・2021/2/17
上越市高田で豪雪。d-excess 高い。
2/15‒16 は同位体比が低かったが 2/17 は高くなった。

図 5．ヨ ーロッパ中期予報センター（ECMWF）作成の大気再解析データによる 850hPa 高度面の比
図5 ヨーロッパ中期予報センター（ECMWF）作成の⼤気再解析データに
湿、風向・風速
よる850hPa⾼度⾯のの⽐湿，⾵向・⾵速102

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

d-excess 高い）がゆるみ移動性の低気圧による降急発達した爆弾低気圧の西側で、圏界面が折れ曲水（同位体比高く、d-excess 低い）に変わっていがったもの（tropopause folding）でした。成層

く際の、南西からの水蒸気の混合の結果と推察さ

圏由来の乾燥した空気が 700hPa 付近まで下りてれます。このときの模式図を図 6 に示します。

きており、これが弘前上空に移動したのです。

1/10‒1/14 の変化でも、次第に西から湿った空ただし成層圏の空気は乾燥していますので、そ気が流入したのですが、この事例では、同位体比

れが豪雨豪雪の源とは考えにくいです。図 4 をよは高くなっていくものの、d-excess の変動は小さ

く見るとこの降水事例（2/16）の前日と翌日のいものでした。

d-excess は高いのですが、このイベント（2/16

第 2 冬季の同位体比の変化（図 4）では、重く正午に回収した雪）の d-excess は前後に比べてなっていく時に d-excess が高くなっていくよう

少し低くなっていて、日本海の激しい蒸発によるにも見えます。この解釈は別の機会に報告をした

水蒸気とは異なる起源でありそうです。低気圧がいと考えています。

進行するときに日本の東側の太平洋からの蒸発とその凝結熱により、低気圧が急発達することがあ

6．特に軽い日ります。その水蒸気による降水が軽い水の起源で

第 2 冬季の 2/16、すなわち 2/15 の日本時間正はないかと考えています。

午から 2/16 の日本時間正午に降った雪は、最も
7．今後の展開

低 い 同 位 体 比（ 軽 い 水 ） で し た。 こ の 事 例 で2/16 正午に弘前上空 850hPa にあった空気塊は、降雪をもたらす水蒸気輸送源について示唆を与一日前（降雪サンプリング開始時刻）2/15 12JST

える水の同位体分析が出来ましたが、降雪はあくには朝鮮半島の付け根付近〜中国東北にあり、非まで蒸発や混合、そして凝結過程を経た履歴が重常に乾燥し、同位体比の低いものでした（詳しくなっています。そのため、水蒸気の同位体比の計は上野ほか（2021））。この空気塊は、2/15‒16 に測も行うことにし、水蒸気同位体比の連続観測も第 3 冬季に行っているところです。また今回書いていませんが、水同位体過程を組み込んだ数値モ

上空の南⻄からの⽔蒸気輸送（供給）

デルもあわせて実行して、比較検討を行っています。モデルは同位体比の相対的変動をよく表現できていますが、d-excess の絶対値はまだ表現が難図６
北⻄季節⾵にしいようです（非常に高い d-excess を表現してい南⻄からの⽔蒸気輸送ません）。弘前での降雪・水蒸気の同位体比の計が混合する模式図

測値は、モデルの開発にも役立つと考えています。

下層の⽔蒸気気圧配置によって雪雲の進⾏⽅向は異なる

文献
Hasegawa H, Akata N, Kawabata H. Sato
T , Chikuchi Y, Hisamatsu S (2014)
Characteristics of hydrogen and oxygen
stable isotope ratios in precipitation collected

中上層
⽔蒸気

in a snowfall region, Aomori Prefecture,
Japan, Geochemical Journal 48: 9‒18.

図 ６．北 西季節風に南西からの水蒸気輸送が混合する
模式図

https://doi.org/10.2343/geochemj.2.0279
103

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

著者情報

上 野 優， 谷 田 貝 亜 紀 代， 芳 村 圭（2021）2020／2021 年の弘前市における降水の安定同位体

谷田貝亜紀代（弘前大学大学院理比の特徴について，令和 3 年度日本気象学会

工学研究科教授）1996 年筑波大学大学院地球科学研究科修了、博

東北支部気象研究会予稿集 P27‒28

士（理学）。専門は気候・気象学。

https://www.metsoc.jp/tohoku/workshop/

2002.3〜2011.2 総合地球環境学研究所助教。中国、インド、トルコ

abstract_2021.pdf

な ど の 学 際 調 査 に 携 わ る 傍 ら、

芳村圭，一柳錦平（2009）東アジアにおける降水2016 年からアジアの日降水量グ

d-excess 季節変動に関する再考察，水文・水リッドデータ（APHRODITE）を作成公開し、データは資源学会誌，22，pp262‒276.

世界的に用いられる。
2016 年に弘前大学に着任（准教授）、2018 年より現職。

芳村圭，一柳錦平，杉本敦子（編）（2009）「気象学における水安定同位体比の利用」気象研究
ノート 第 220 号，日本気象学会，128pp.

早稲田周，中井信之（1983）「中部日本・東北日本における天然水の同位体組成」地球化学，
17，83‒91.

104（2022 年 3 月 31 日掲載）

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

同位体の導く流域における降雪の影響度
川

越

清

樹

（福島大学共生システム理工学類）

1．はじめにが指摘されています。

日本は、北半球の中緯度付近に位置するものの「どのような質になるか？」は、雪に関すれば、世界有数の積雪量の認められる稀有な国です。多例えば河川水ほど多地域、多地点で性質を同定す

積雪になることで産業発展の停滞や冬季の生活へるための取り組みが実施されていません。そのた支障を受けることが認識されており、法律上でもめ、予測するためのベースとなる過去から現在ま

豪雪地帯対策特別措置法が制定され、交通通信、でのデータが不足しています。データが不足して農林業、義務教育、医療等の機能維持の対策を講いることから、大まかな範囲での積雪、および降じる取り組みが進められています。一方で、積雪雪の特徴を導くプロセスは解明されている一方による地上の水循環の一時的な貯留効果は、安定

で、地域の特徴を誘導するための積雪、および降的な水供給への効用を持ち、灌漑、電力、上水道、

雪の状態は未だ不明瞭な状態です。こうした地域

鉱工業の多岐にわたる水資源の役割を担っていま

特徴、特徴を導くプロセスに対して、安定同位体

す。これらはあくまで代表的な事例として説明しのデータを利用しています。安定同位体以外にイたものですが、積雪は社会活動を行う上で多岐にオン組成の化学的な性質も分析して雪の「質」のわたる「正」と「負」の側面をもっているといえデータを整備しています。現在、取得されているます。安全かつ安定的な社会活動を行うためには、データの整備と検討により、地域の特徴を示す雪今後の「正」に対しての持続的な運用、「負」にの質、および質に関連付けられる起源、プロセス

対しての対応、対策を検討しなければなりません。

の将来像を誘導することを目標にしています。

この検討を進めるために、①大気や水の循環の将

なお、「どのような量になるか？」、「どのよう来像をふまえて降雪や積雪がどのような量へ変化

な質になるか？」の結果が得られれば、いずれ、するのか？

将来の「どのような地域の特徴を示すのか？」は②将来の降雪や積雪がどのような質へ変化するのか？

明らかにされると考えられます。

③量と質の結果からどのような地域の特徴を示すのか？

を明らかにすること
2．対象地域と降雪と積雪の関係が必要とされます。
「どのような量になるか？」は、スーパーコン

この研究の取り組みが、日本の積雪、降雪の地

ピューターの普及により GCM（Global Climate域の特徴を求めるための模式事例になることを目Model、General Circulation Model）と呼ばれる標に、代表的な豪雪地域である阿賀野川流域を対数値気候モデルから水と大気の循環を解析するこ

象地域に設定しています（図 1 参照）。阿賀野川は、とで将来像を予測できるようになりました。最新

栃木県、福島県、山形県、新潟県の標高 2,000 mの結果を参考にすれば、北海道の一部地域を除い級の急峻な山岳地を水源とした 243 の中小河川、て将来は温暖化の影響によって降雪・積雪は減少

猪苗代湖などの水域により構成されています。河

すると予測されています。一方で、10 年に 1 度

川全長 210 km、流域面積 7,710 km2 の日本上位の大雪が現状以上に増加する地域も存在することの大規模流域として位置づけられています（全長105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

図１
研究対象位置図
図 １．研究対象位置図
10 位、流域面積 8 位）。なお、阿武隈川の流量は

3．日本列島が多積雪になるプロセスと考察

日本最大級（流量 4 位）であり、年間の流量の約

日本列島では、冬季に西側でシベリア高気圧と半分が融雪時期の出水に関わることが知られてい東側でアリューシャン低気圧がともに強まりまます。この豊富な流量を利用して、流域内では日す。列島の周辺は西高東低の気圧配置となり、こ本最大級の稲作の生産、水力発電がなされていま

れらに挟まれる等圧線が南北方向へ縦縞模様に発す。また、流域の上流域には、磐梯朝日や尾瀬、達します。この気圧配置によりシベリアから乾燥

日光など複数の国立公園が分布しています。いずした寒気が吹送されることになります。寒気は温れの国立公園とも積雪に関与する水の涵養より自暖な日本海上を通過し、海から大量の水蒸気を補然環境が形成されています。また、この自然環境給します。補給された水蒸気はその近傍で降水とに付随してエコツーリズムも確立されています。

して失われることなく、海上 2 〜 3 km 以下の季

これらの状況より阿賀野川では、早急に積雪、降節風の気層に蓄積されます。季節風は日本列島の雪の地域特徴と将来に向けた環境遷移を把握しな脊梁山脈に当たり、地形性に応じた上昇気流が生ければならない状況です。同時に積雪、降雪に関じて雲を形成します。この雲の形成と寒冷化した

わるデータも特に整備していく必要のある地域と日本列島陸域の状態に応じて降雪が生じます。こいえます。なお、特徴や遷移を求める上では「量」の一連のプロセスにより日本列島、特に日本海側だけでなく「質」も把握しなければなりません。

は世界有数の多積雪地帯になります（以上「質」を得ることで、自然環境への負荷、もしく参照）。ただし、稀に太平洋側を中心に多積雪には養分の供給も捉えることができます。例えば、なる事例も認められます。気温の低い冬季に日本

世界各地では、酸性雪による河川や湖沼の生物にの太平洋側北緯 30°付近に発達した低気圧が東進

与える悪影響の問題なども認められています。同する場合、関東、東海地方に北側から冷たい湿っ様の環境問題が生じないようにするためにデータ

た空気が流入しやすくなり、大雪になる可能性がを蓄積して、①過去から現状を把握する、②将来

高くなります。この日本の南海上を主として東かを予測する、③地域の特徴を知り異常現象を察知

ら北東方向に進む低気圧は、南岸低気圧と呼ばれする、ことに示される管理を行うことも必要です。

ます。以上に示す通り、日本列島は冬季に多積雪

図2になる気象条件を含んでいますが、大気や海域の106

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

図 ２．日本海起源の降雪プロセス

状況の変化により、積雪、降雪の状況は変動する年）、最小値は約 28 cm（2020 年）、平均値は約ことも推測されます。なお、地上、および地上付

115 cm で示されます。全期間を通じた変動傾向

近の大気の条件も積雪、降雪の条件に影響を与えを捉えることは難しいですが、最近は、少雪年のます。現在までの経験上、地上の気温が 2℃以下、出現が多くなっていると同時に、多雪の出現する

上空約 1,500 m が -4℃以下だと雪、それ以上のケースも認められています。極端な積雪深の変化

高い気温が認められた場合は雨になる可能性が高が生じやすくなっているものと解釈でき、積雪、

いことも知られています。これらの条件も気候シ

降雪の大小の変化に及ぼす気象要素が敏感に反応

ステムの温暖化により大きく変化しうるものでしているものと推測します。

す。数値気候モデルより将来の積雪、降雪の予測

過去の研究成果を参考にすれば、北日本の日本もなされていますが、微妙な変化が生ずれば予測

海側の流域の中で阿賀野川流域は、日本海の蒸発結果も変化する可能性をもちます。

に関与する日本海表面海水温度と最も関係性が小さく、安定的に積雪の見込まれることが知られて

4．阿賀野川流域の積雪量の経験値

いました。このような特徴の示される流域で極端

図 3 は、阿賀野川流域内の気象観測機器が流域

な積雪深の変化が認められている最近の状況は、全域で運用された 1990 年からの流域平均積雪深

経験則だけでは解釈しきれない影響要素が波及しを示したグラフです。おおよそ 1990 〜 2020 年まていること、なおかつ敏感に積雪、降雪に反応しでの流域平均積雪深の最大値は約 164 cm（2015

やすくなっている可能性を示しています。
5．阿賀野川流域の安定同位体による降雪の影響
図 4 は、2014 年から 2020 年まで継続して観測した積雪の安定同位体比のデータを用いて流域内の各地域に「どこを起源にした降雪が到達しているのか？」を求めた結果です。水素同位体比 δ 2Hと酸素同位体比 δ18O の関係（天水の式）より求めることのできる d-excess 値［‰］より降雪の到達を推測しています。既に今までの研究成果か

図 ３．阿賀野川流域の平均積雪深の経年変化
107

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

図 ４．阿賀野川流域の平均積雪深の経年変化の奥部では、日本海以外の降雪を起源とする降雪が寄与している結果を明らかにしました。南会津地域に関しては、比較的に太平洋側と距離が近いため、南岸低気圧に伴う降雪の影響を受けやすい地域であることが推測されます。一方で、太平洋側から距離の離れた猪苗代湖周辺の地域に関して
は、解釈の整理が難しい状況でした。
6．裏磐梯地域の安定同位体による降雪の影響
日本海起源以外の降雪の影響の生じる裏磐梯地
域の降雪を調べるために裏磐梯地域内の桧原、およびその近傍に位置する米沢（日本海側）、福島（太平洋側）の降雪日の降雪試料を 2016 年から 2018年にかけてサンプリングし、それらの d-excess 値

図 ５．阿賀野川流域の積雪分析の統合結果図の推移を分析しました。その結果を図 6 に示しまら得られている日本海起源は 20‰より大きな値、
太平洋起源は 10‰より小さい値になる d-excess
値の基準より判別を行いました。結果として積雪の多い状態、少ない状態に関わらず日本海起源の桧原では日本海以外のd-excess
値が多く認められた．

影響が影響を及ぶ範囲は年々変化していることが明らかにされました。また、今までの日本海起源
以外の影響を受けやすい地域が存在することも明らかにされました。具体的には、流域の南東部に位置する南会津地域と北東部に位置する猪苗代湖周辺の地域（図 5 参照）は日本海以外の影響も受ける結果を得ました。日本海から距離のある流域

図６ 桧原・米沢・福島の降雪日のd‐excess値の推移図

図 ６．桧原・米沢・福島の降雪日の d-excess 値の推移図
108

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

す。 結 果 と し て、 桧 原 は 日 本 海 起 源 以 外 のに対しての調査と分析を進めて、流域内の地域特d-excess 値を示す降水が特に多く認められている徴を把握することができました。また、この研究結果を得ました。また、米沢、福島との比較より、から地形条件と大規模湖沼による降雪、積雪の影

桧原の地域のみに日本海起源以外の降雪が出現し響を示す結果が明らかにされました。同位体がトていることを把握しました。この結果は日本海起

レーサーとなり影響を誘導する結果が得られたも源、太平洋起源の影響を受けない地域固有の降雪のとなります。地上では水循環システムが形成さの出現を示唆しています。桧原を含む裏磐梯地域

れていますが、地球全体の規模で動く大規模循環

は、急峻な山岳地に囲まれた高い標高の平地であの他に、ある程度の領域で動く中小規模のスケー

り、特に日本海側から季節風の吹送される北西側

ルの循環も存在しています。先に示した「量」のには、飯豊山などの標高 2,000 m 級の山地が連予測研究では数値気候モデルを解析することで将なっています（図 5 参照）。こうした遮閉されや来を予測することを説明しました。しかしながら、すい地形の高度条件が日本海外側からの影響を弱このモデルは何百年にもわたる予測計算を行わなめると推測します。また、遮閉された地形の中でければならないため、スーパーコンピューターを比較的に解放された南側には日本最大規模水域面

用いても計算できる単位当たりの面積や、単位時

2積（面積 103.24 km ）の猪苗代湖が分布していま間には限りがあります。現段階の数値気候モデル

す。日本海と同様に猪苗代湖の湖水温度による水の結果は地球全体の規模で動く大規模循環に特化

蒸発気が降雪に変化している可能性も示されまする傾向に則した予測がなされているものと解釈す。こうした大規模な水域面積の湖沼の水蒸気ができます。今後のスーパーコンピューターの進化

降雪をもたらす現象は世界各地でも認められておにもよりますが、ある程度の領域を緻密に予測すり、北米の五大湖付近の湖の熱変化の影響が降雪

るためには、まだ、時間がかかるものと思います。

現象にまで及ぶことは有名です。なお、世界山岳

この研究で示されるデータが予測を補完するもの

気象観測史上 1 位の積雪深は琵琶湖北側に位置すになります。また、将来的には予測された結果へ

る滋賀県の伊吹山で記録されており、1927 年 2の検証の材料になることと思います。このような

月 14 日に 1,182 cm の積雪深となりました。湖沼関係は、「質」の研究が「量」の研究を補完して、の水蒸気の発生が降雪、積雪に影響することは有更に精度をたかめているような状況になると思い力です。地域としての降雪、積雪の特徴は、概ねます。結果的に「①大気や水の循環の将来像をふの要素から説明できますが、そのプロセスは明確

まえて降雪や積雪がどのような量へ変化するのにされたわけではありません。そのため、このプか？」と「②将来の降雪や積雪がどのような質へロセスを明瞭にするための調査、分析を継続して変化するのか？」の個別の研究が相互作用し、「③実施しています。

量と質の結果からどのような地域の特徴を示すのか？」の精度を上げているものと捉えることがで

7．おわりにきるかもしれません。また、この精度の向上が、地

本文では「同位体の導く流域における降雪の影

域の特徴を知ることに反映されて、異常現象を察響度」として、研究対象地域にしている阿賀野川

知できるような知見に繋がっているものと考えま

流域の研究事例を報告しました。①大気や水の循す。まだまだ、現在までの結果も途上段階です。引

環の将来像をふまえて降雪や積雪がどのような量

き続き研究を進めて、進化を図りたいと思います。

へ変化するのか？

②将来の降雪や積雪がどのよ

うな質へ変化するのか？

引用文献③量と質の結果からどのような地域の特徴を示すのか？

の内の「質」

文部科学省・気象庁（2020）「日本の気候変動」
109

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

https://www.data.jma.go.jp/cpdinfo/

Dewey,K.F (1975) The prediction of lake Huron

ccj/2020/pdf/cc2020_honpen.pdf, Sitelake-effect snowfall system, Journal ofViewed: 2020/12/24.

applied meteorology and Climatology14:

Kawase, H., A. Murata, R. Mizuta, H. Sasaki, M.

pp. 3‒7.

Nosaka, and I. Takayabu (2016) Enhancement鈴木絢美，川越清樹，藪崎志穂（2018）化学分析

of heavy daily snowfall in central Japan due

による地域スケールに対する降雪イベントのto global warming as projected by large

特徴の同定．土木学会論文集 G（環境）74（5）：ensemble of regional climate simulations.

I_1‒I_9.

Climatic Change 139: pp. 265‒278.

https://doi.org/10.2208/jscejer.74.I_1

https://doi.org/10.1007/s10584-016-1781-3
著者情報

川越清樹，鈴木絢美，井上浩太，神内亨太，佐藤佑哉，中村光宏（2016）「阿賀野川流域の積川越清樹（福島大学共生システム

雪特性と水循環の関係性」In：裏磐梯・猪苗

理工学類教授）、博士（環境科学）、
2007 年東北大学大学院環境科学

代地域の環境学、福島民報社、pp. 79‒94

研究科博士課程後期修了、2005

井上浩太，鈴木絢美，川越清樹（2015）東北地方

年東北大学大学院環境科学研究科
産学官連携研究員、2008 年カー

日本海沿岸の積雪比較分析と考察．土木学会

ティン工科大学客員研究員、2009

論文集 G（環境）71（5）：I_295-I_304.

年福島大学共生システム理工学類

https://doi.org/10.2208/jscejer.71.I_295

准教授、2018 年国立環境研究所客員研究員、2019 年

早稲田周，中井信之（1983）中部日本・東北日本より現職。

における天然水の同位体組成．地球化学 17：
pp. 83‒91.



110（2021 年 3 月 31 日掲載）

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

酸素と水素同位体比による水田が主体な扇状地の
地下水涵養源評価の可能性
吉

岡

有

美

（島根大学学術研究院）
1．地下水とは？

地下水は何の水か？

の大きい同位元素が多いことを意味しており、「重利用可能な淡水資源として､ イメージされるもい水」という表現を使って表現されることもありのは、湖やダム、河川の水ではないでしょうか。

ます。同位体比を体重に置き換えて、「軽い水」

しかし､ 淡水資源の 98％を占めるのは、地面のが水面から蒸発しやすいため、残った水は「重い下にある地下水なのです。地下水は､ 砂漠などの水」になると考えると捉えやすいかもしれません。

乾燥した地域では唯一の水資源であることも珍し

稲の栽培のため水を溜める水田では、日中盛んにくありません。将来的に､ 気候変動により洪水や蒸発が生じています。したがって、地下水が水田

渇水といった雨や河川の状況が不安定になれば、の水でできている場合は、地下水は「重い水」に豊富な水量があり､ 安定的に利用できる地下水へなります。一方で、山から海へと短ければ数日での需要が高まる可能性もあります。地下水は、管流れる河川の水は蒸発の影響が小さいため「軽い理や保全するのが困難なときもあります。3 つの水」です。したがって、地下水が河川からの水で理由によるものです。1 つ目はその流れや貯留さできている場合は、地下水は「軽い水」になりまれている様子が目に見えないこと、2 つ目はときす。地下水が水田と河川の水の半量ずつででてい2には数百や数千 km のように広域に存在するこる場合は、「軽くも、重くもない水」となると考とです。3 つ目は地下水の上、つまり地面にあるえることができるでしょう。

雨や河川、田んぼの中に溜まった水などのいろい
3．調査の目的と概要

ろな水が地面に浸透して、地下水となっていること（これを地下水涵養と呼びます）です。

2015 年 5 月に石川県手取川上流の山地で大き

扇状地は河川により運ばれた土砂が扇状に堆積な斜面崩壊が発生して、土砂が河川内に大量に堆した地形で、日本の低地の約半分がこの地形と積しました。その結果、河川の水に土砂が混ざりなっています。扇状地内を流れる河川の水を利用

長期間、茶色く濁る問題が発生しました。河川かした水田農業が行われています。ある扇状地内のらの浸透や、水田からの浸透、つまり地下水涵養

地下水を対象に、河川の水か、水田の水のどちらの減少が懸念される事態となりました。そこで、の水によってできているかを、酸素と水素の同位同位体比を使った地下水涵養源の調査は、1 回や体によって調べることができるのではないかと考数回のみ行われるのが一般的ですが、濁水が地下え、研究に取り組んでいます。

水涵養に影響しているのか、影響するならどのよ
うに、いつまで影響するのかなどを調べるために、

2．重さの違いで水を見分ける？

同位体比の定期モニタリングを 2016 年 4 月より

水分子を形成している酸素と水素の同位体に開始しました。

は、蒸発すると同位体の値（同位体比）が高くな

調査は、図 2 に示す石川県のほぼ中央に位置する特徴があります。同位体比が高いとは、質量数る手取川扇状地全域（約 190 km2）の約 35 箇所
111

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 年版の井戸から地下水、そして地下水になる前の水、

河川水と田面水に大きな違いが生まれることがわ

つまり涵養水源となりうる、3 つの河川の水や水かります。6 月以降は成長した稲に日射が一部遮

田の水（以下、田面水と呼びます）、雨などを定断されて、蒸発が弱くなるため、徐々に田面水の期的に採取しました。同じ地点の水について時期

同位体比は低下していきます。それでもほとんどを変えて 20 回以上測定し、酸素・水素同位体比の期間で河川水よりも 2‰は重くなっています。

の変化を調べました。

つぎに、赤線の地下水は−8‰より少し小さい値

この研究は、石川県立大学生物資源科学部瀧本となっており、重い田面水と軽い河川水の間にあ裕士先生、京都大学農学研究科中村公人先生、大ります。井戸は河川より 5 km ほど離れています

阪府立大学生命環境科学研究科中桐貴生先生およが（図 2 の●地点）、上に述べたように田面水のび櫻井伸治先生と共同で行っています。

値が重くなる時期においても、地下水の値は河川水より 2％ほどしか重くならないことから、河川

4．モニタリング結果

水の影響も及んでいることがわかります。

同位体比は海水の中に含まれる同位元素の数を

図 2 は、扇状地全体の地下水の酸素同位体比の基準としていますので、海水の同位体比は 0 となマップです。点在している井戸で採取した地下水

ります。また、％（百分率）と似た‰（千分率）との同位体比の値から、平面上のデータを持たないいう単位を使用します。日本のように中緯度の地点の値を補間して作成しました。すべての図で共域では、蒸発が進んだ水以外はマイナスの値とな通している特徴は、扇状地の北、中央、南に 3 つります。−5‰と−10‰の同位体比を比較するとの河川が流れていますが、このうち中央の河川（手き、−5‰の水を重いといいます。

取川）に沿ったエリアの地下水の同位体比がとく

図 1 は 5 月から 8 月までの河川水、田面水、地下水の酸素の同位体比の変化を示しています。石
川県では 4 月下旬から 5 月中旬ごろが田植えの季節です。モニタリングをはじめた 5 月から 6 月にかけては緑線の田面水の同位体比は、青線の河川の水より 4‰以上高い（重い）日が多くなっています。田植えから約 1 カ月後の 6 月 5 日に 2‰ともっとも重くなり、河川水との差は 12.5‰にもなります。河川水を水田に入れる（灌漑する）と、

図 2．扇状地の土地利用と地下水の酸素同位体比〇地下水、△河川水（赤：重い水、青：軽い水）

図 1．河川水（用水路で採取）、田面水、地下水の酸素同位体比の変化（2019 年）
112

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

ました。

に低くなっています。中央の河川から南部へ、あるいは北部へと距離が離れるにしたがって、軽い

現在は、水田内や地面に浸透した後に地下水に同位体比を示す青色から重い同位体比を示す赤色

到達するまでに同位体比がどのように変化するのへと変化するグラデーションがみてとれます。こかを、追加で検討しています。検討結果も踏まえのような特徴は、4 年間のモニタリング期間からて、図 2 に示した地下水の同位体比から地下水涵

6 ～ 10 月の地下水でみられることがわかってい養源をより、正確に診断できるようなツールの開ます。図 1 に示したように同位体比の値は、河川発に取り組む予定です。

水と田面水が区分できる程度に異なっていることから、河川に近い地下水の同位体比が小さくなる

文献のは、この地点の地下水が同じ扇状地内の他の地

吉岡有美、伊藤真帆、中村公人、瀧本裕士、土原下水と比較して、起源の多くが河川水であること

健雄（2018）酸素・水素安定同位体比からみを示しています。

た手取川扇状地の河川水−地下水の交流現象

斜面崩壊前の 2011 年 6 月のマップと比較すると 地 下 水 涵 養 源、 地 下 水 学 会 誌、60（2）：と、扇状地全体においては地下水の同位体比には205-221

顕著な変化はみられません。しかし、より小さい
著者情報

エリアの同位体比の変化について注目すると、2016 年 6 月は河川の左岸域のごく河川に近い数

吉岡有美（島根大学学術研究院環地点の地下水の同位体比が上昇していることがわ

境システム科学系助教）2014 年
京都大学大学院農学研究科修了、かりました。濁水の影響によって、河川水の影響

博士（農学）。鳥取大学農学部助が小さくなったために、水田水の影響が大きく

教などを経て 2019 年より現職。

なったことを示していると考えることができま （2020 年 3 月 31 日掲載）

す。さらに、モニタリングを継続すると、2017年以降は 2011 年と同じような値に戻っており、



長期的な濁水の影響はなかったこともわかってき113（2020 年 4 月 7 日改版）

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

地域の水循環に田んぼが果たす役割の評価
中

桐

貴

生

（大阪府立大学大学院生命環境科学研究科）

1．水田における水利用各水田圃場まで繋がっている用水路に流すことにもし「日本の原風景とは？」と聞かれたら、皆よって各圃場へと水が供給される仕組みとなってさんはどういう光景をイメージされるでしょう

います。水田が面積的に大きく広がった地域では、か？

時には、河川の水がなくなりそうなほど取水され日本で長く生活している人であれば、里山てしまうこともあります。

に水田が広がる光景、いわゆる田園風景を思い浮かべる人も少なくないと思います。日本では、古2．水田に取り入れられた水のゆくえ

来より、各地で水田農業が広く営まれてきました。
ご存じの方も多いと思いますが、水田で稲を育さて、それでは、水田に取り入れられたたくさてるためにはたくさんの水が必要となります。日んの水は、その後どうなるのか、皆さんご存じで本でのお米の収穫は基本的に年 1 回で、地域にしょうか？

よって多少のずれがあるものの、3 月下旬頃から体内への吸収、あるいは田面に溜まっている間に田植えの準備が始められ、4 月〜 5 月に田植えを生じる蒸発によってなくなってしまうと思われる

行い、9 月下旬頃に稲刈りを行うというのが標準人も少なくないかもしれませんが、実はそれらの的で、このおよそ半年の間に必要とされる水の量

量は割合的にはそれほど多くはなく、水田に入れは、降雨量と同じように水深で表すと、およそられた水のほとんどは、排水路へと流れ出るか、

2,000 mm に相当します。

底の土の中へ浸透していくかによって水田から出

稲からの蒸散や、光合成による植物て行き、その後、下流にある河川へと流入したり、

日本で 1 年間に降る雨の量は、地域によってか

地下水の一構成成分となったりしています。

なり大きなばらつきがありますが、全国で平均す
るとおよそ 1,700 〜 1,800 mm とされ、これは世

そして、水田から河川や地下水へと流出した水

界全体での平均年降雨量の約 2 倍にも相当しまが、それより下流にある水田で再びかんがい用水

す。水田の稲作には、半年でそれをも上回る量のとして利用される例も少なくありません。これを水が必要とされるわけですから、その量がいかに専門用語で「反復利用」と言います。これは、少し多いかということがおわかり頂けると思います。

極端な言い方をすれば、上流の水田が下流の水田

そして、当然のことながら、これだけの量の水をの水源としての役割も果たしているとも言えます。

天水、すなわち空から田面に降り注ぐ雨だけでま3．水田農業と地域における水循環の関係

かなうことは困難です。このような場合、天水以
外の水を水田に供給すること、すなわち“かんが水田にはたくさんの水が取り入れられる一方い”が必要となり、日本のほとんどの水田にはそで、それとあまり変わらない量の水がそこから出のための施設として用水路や排水路などが設けらていくのであれば、地域内に水田があろうがなかれています。かんがいの用水源には、河川の水がろうが、その地域における水の循環過程、すなわ利用されるケースがほとんどであり、河川から取ち降雨として地表に到達した水が、河川や地下水

水した水を、取水地点から分岐を繰り返しながらへと流入し、最終的には海洋へと流出していく過114

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

程において、さほど影響が無いように思えるかもれ別に溶かした水をある割合で混ぜ合わせ、そのしれません。しかし、トータルの量でみると水田混ざった状態の水だけから、ある色の水がどういへの流入量と水田からの流出量に大きな差が無い

う割合で混ぜられたかを特定するのは難しいといにしても、水田に水が取り入れられるタイミング

うのと似ています。

と、それが出て行くタイミングに差があるため、

ところで、ご存じの方も多いかもしれませんが、地域の水循環過程には少なからず影響を及ぼして

近年、日本ではとくに都市圏を中心に農地の宅地いる可能性があると考えられています。

化が進み、また、山間部においても農業従事者のわかりやすい例をあげると、たとえば大雨が高齢化や担い手不足などによって耕作放棄が進ん降った時、水田は水が貯まりやすい構造になってでおり、農地面積が年々減少の一途をたどっていいるため、水田があれば、降った雨の一部がそこます。農地の減少によって、地域の水循環過程にに貯まってしばらくの間留まり、直接流れ去るよも変化が生じる可能性がありますが、どういったりは長い時間をかけて水田の外へと流出していく

変化がどの程度生じうるかはまだ不明のままでことになります。しかし、もしそこが水田でなけす。しかし、農地の減少に伴って、たとえば河川

れば、そのような一時的な水の貯留や流出の時間

流量が洪水時には増大しやすくなり、逆に渇水時遅れは生じないため、河川に到達するまでの時間には低下しやすくなるといった、水循環過程へのがより短くなり、水田がある場合に比べ、河川へ悪影響が及ぶ可能性もあり、農地がなくなってしの流入が集中的となり河川流量が増大しやすくな

まってからでは対策が困難となるということもあります。近年、水田によるこうした機能が注目さり得ますので、今のうちに、こうした評価ができれ、水田におけるこの特性を積極的に利用するこるようになることはとても重要な課題といえまとで、大雨時の洪水を抑制しようとする取り組み

す。そして、河川水や地下水の中に含まれる水田が各地で実際に行われています。

から出てきた水の割合を定量評価できるようにな

また、水田に入れられた水には、砂時計から落ることは、その課題解決に向けての大きな第一歩

ちる砂のように、時間をかけて少しずつ水田からとなります。

しみ出ていくものがあり、しばらく降雨が無い時には、こうした水が河川の流量維持の役割を果た

5．水の酸素・水素安定同位体比を用いた定量評価

すことになるとも考えられます。

こうした中、地表水における酸素・水素安定同

つまり、地域内に水田があるかないかによって、位体比の特性の違いを利用することによって、今河川における流量の変化の仕方が異なってくるとまで困難とされてきたその定量評価の可能性が見考えられます。

出され、現在、検討を行っています。図 1 は、兵庫県西部にある千種川上流域において、2019 年 4

4．水田農業による地域水循環への定量評価

月〜 11 月にかけて、本流および支流の源流部お水田が地域における水の循環過程に何かしらのよび各地点の河川水と、流域内にある水田の田面影響を及ぼしうることは、ある程度認知されてき水 を 採 取 し、 酸 素 お よ び 水 素 の 安 定 同 位 体 比ましたが、実際にそれがどの程度であるかについ（δ18O、δ 2H）を分析した結果を δ18O-δ 2H 座標上ては、実はまだ明らかにはなっていません。このにプロットしたものです。プロットは、おおよそことを明らかにするためには、河川を流れる水や直線状に散らばっており、田面水、源流水、河川

地下水の中に、水田から出てきた水がどれだけ含水にグループ分けすると、分布の左端の両 δ 値とまれているかを知る必要がありますが、それはとも小さい側（水の軽い側）に源流水のみが分布すても困難だからです。複数の色の絵の具をそれぞる比較的小さな領域があり、一方、右端の両 δ 値
115

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-30

ため、δ 値はある程度変化しますが、日本の河川

ほぼ田面水のみが分布は基本的に短く、最上流部から河口まで流達する

2H (‰)のにせいぜい 1 〜 2 日程度であり、その間における δ 値の変化量は、夏季に水田内で変化する大き-40

河川水も分布さに比べると小さいといえます。また、今回調査を行った千種川上流域では、河川水は図 1 で示さ-50

れた源流水の δ 特性をもつ支流からの流入と、水

田面水

源流水のみが分布

-60
-10

-8

-6
18O (‰)

源流水

田から還元してきた水によって主に構成されるこ河川水とが現地調査を通じて確認されています。そこで、河川水における δ 値は、もともと源流水の δ 特性

-4を有していた水が、河川への流入後、流下中の蒸発によってわずかながら変化するとともに、田面図 1．源流水、河川水、田面水の同位体比
図1.
源流水，河川水，田面水の同位体比でより多くの蒸発作用を受けて重くなった水が河とも大きい側（水の重い側）にほぼ田面水のみが川へと還元し混合されることによって形成された

分布する領域があり、河川水は、それら 2 つの領と考え、流域内で大きな支流にある調査地点を対域にちょうど挟まれる領域に分布するという興味

象に、いくつかの前提条件の下で、調査を行った

深い結果が得られました。

日における河川水に占める水田から還元してきた

18

2

水における δ O および δ H の値は、地表にお水の割合を試算したところ、図 2 に示すような結いて蒸発作用（動的分別作用）を受けなければ、果が得られました。この河川地点における流域面

ほぼ変化することはなく、一方、蒸発作用を受け積に対する水田面積の割合はたった 0.7％に過ぎると、酸素、水素それぞれ、質量数が相対的に小ないにもかかわらず、かんがい期においては、河16

川水中に占める水田還元水の割合がその 20 倍以

さく軽い O および H が水中から優先的に蒸発18上となる 16％にもなることがあり、非かんがいし、その結果、地表に留まった水の中の O およ
2

18

2

び H の割合が増えて、δ O、δ H ともに値が大期になるとその割合はやはり小さくなるという傾きくなり、わずかながら水が重くなる側に変化す

向がみられました。まだデータ数が少なく、示さることが知られています。つまり、この流域の水れた数値がどの程度の代表性をもっているかにつ田では、かんがい用水として基本的には河川の水いては検討の余地がありますが、他の河川地点でが利用されていますが、水田に入れられた水が田試算を行ってもやはり同様の結果が得られてお面に貯留されている間に蒸発作用を受けることによって、田面水の δ18O および δ 2H が δ18O-δ 2H 座

20
河川水中における
水田還元水の割合(%)

標上で源流水や河川水とは明確に区別できる程度
まで値の大きな重い水へと変化することが図 1 からうかがわれます。ただし、田面水については、河川から取り入れたばかりの水の割合が多い時もあれば、数日間蒸発作用を受けた水の割合が多い
時もあるため、プロットのちらばりが大きく、河川水の分布領域と重複しているものも見受けられ

15
10
5
0

ます。
水は河川を流れている間にも蒸発作用を受ける

かんがい期

非かんがい期Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

図 2．河川水における水田還元水の混合割合の試算結果

図2. 河川水における水田還元水の混合割合の試算結果
116

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

り、とくにかんがい期においては水田が河川流量「水の安定同位体比を用いた水田農業によるに対して少なからぬ影響を及ぼしていることはや

河川流況への影響評価」2020 年度（第 69 回）

はり間違いなさそうです。今後、同様の調査を継

農業農村工学会大会講演会要旨集、農業農村

続し、試算方法や推定結果の妥当性について引き工学会、pp. 469‒470

続き検討を行いながら、水田が地域の水循環にど
著者情報の程度寄与しているのかについて定量的に評価できるようになるところまで究めていきたいと考え

中桐貴生（大阪府立大学大学院生ています。

命環境科学研究科准教授）1995 年
京都大学大学院農学研究科修了、博士（農学）。1997 年大阪府立大

文献学農学部助手、2008 年より現職。

中桐貴生、松本武志、大串健一、吉岡有美、堀野治彦、藪崎志穂、陀安一郎、櫻井伸治（2020） （2021 年 3 月 31 日掲載）

117

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

大阪平野の降水起源の地下水の分布と残存する有機物汚濁
益

田

恵 1、

晴

根

本

達

也 1、

新

毅2

谷

（1大阪市立大学大学院理学研究科、2北海道立総合研究機構）

はじめに降水を起源とする地下水

厚い堆積物からなる大阪平野は、我が国有数の

図 1 に大阪平野の表層地形と新生代の堆積物の地下水腑存地域です。地下水は優れた水資源です

分布を示しました。大阪平野は、大阪湾とともにが、地盤沈下や水質汚濁を避けて適正に利用する

周辺を低山地と淡路島に囲まれた大阪盆地を形成ためには、水循環過程を正確に理解することが必しており、その東半部を占めています。この盆地須です。この報告では、大阪平野の地下水を可視は 3.3 百万年〜 3.5 百万年前に沈降を開始したと化するために行った一連の研究の中で、地下水のされており、堆積物の最大層厚は、平野部で約起源を整理した研究の一部を紹介します。再生可1,500 m に及びます。平野と周辺山地の境界は活能な現在の降水を起源とする地下水の地理的分布

断層です。また、平野中央部にも上町断層があり、をお見せします。また、そのような地下水に見らこの断層の活動によって形成された上町台地が大れる過去の汚染の残存状況も示します。これらの阪平野を東の河内平野と西の西大阪平野に分けて結果から、地下の水循環について考察しましょう。

います。表層堆積物の年代は中央の低地から外側

a)
槻断層

有馬高

N

羽曳

上町

野断

断層

層.

大和川

大阪湾

生駒断層

川
淀

層

山断

諏訪

c)

.

断層

内山

b)

造線
中央構

25 km
生駒

金剛山 (1,125m)

山地

Ma13

下部

最下部

上部

北摂山地

上部

難波累層

完新世

生駒山 (642m)

天満層
上町層

千里丘陵

AI

Ma12

世
新

中部

更

田中累層

Ma11
Ma10

泉北丘陵

和泉山脈

六
甲
山
地

六甲山 (931m)

河内平野
上町
台地
西大阪平野

Ma9
Ma8
Ma7

Ma6
Ma5
Ma4

AII

Ma3

完新世

Ma1

Ma-1

砂質互層

都島累層

更新世ー鮮新世

海成粘土層

下部

更新世

Ma6

Ma2
Ma1
Ma0

AIII
基盤岩

AIV

図 １．大阪平野の地質a）インデックス図と活断層、赤四角で囲った部分（90 km × 60 km）が b）で示す三次元地形図の範囲；
b）3 次元表層地質図、俯瞰図の原点は 34°39′22.959″N、135°21′6.675″E、北から時計回りに 52°、
俯角は 23°。；c）平野中央部の地層区分と本報告の帯水層区分（説明は本文を参照のこと）。
118

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 年版に向かって古くなります。図では表層地質を 3 つら涵養されている地下水（317 点）だけを抽出しに分類しました。中央部は、縄文海進（最終氷期て、酸素と水素の安定同位体比の関係を図 2 に示後の海進、約 7000 年前）以降の堆積物（クリーしました。酸素・水素の安定同位体比は、地下水

ム色）が分布しています。その周辺には、およその起源を推定するのに有効です。（実際には、安10 万年周期で海進と海退を繰り返していた時代

定同位体比とともに他の溶存化学成分も用いて統の堆積物（緑色）が、さらに外側には大阪盆地の計学的処理を行っていますが、ここでは説明しま

水域が淡水の湖沼であった時代の堆積物（青色）せん。）ここでは、地表から涵養されている水とが分布しています。また、平野の地下では、これは、大阪平野や周辺山地の降水や河川水・淀川やらの堆積物が深度の増加とともに出現します。平

大和川などの大阪盆地外から流入する河川水と海

野地下の地層と表層地質図を対比させたものが図水です。淡水の多くは、大阪府域の河川水の酸素・1c です（表層地質図と同じ色を地層の年代と累

水素安定同位体比の範囲とほぼ一致しており、同層 名 に 塗 っ て あ る 部 分 が 対 応 し て い ま す ）。

じ起源を持つ水であることがわかります。また、

図 1a）と b）の表層の緑色の地層は、c）の平野

4 つの帯水層で、同位体比の分布にはほとんど違

地下の層序の更新統上部・中部と下部の最下位のいが見られません。また、海水が混入している地

海成粘土層（海底に溜まった粘土の地層、Ma-1（エ下水では、酸素・水素安定同位体比が、海水混合

ムエーマイナスワンと読む））より上位の地層に線に沿って大きくなる傾向が見られます。

対応します。図 1a）と b）の表層の青色の地層は、
図 3 には海水を含む地下水と降水起源の淡水のc）の Ma-1 より下位の地層に対応します。
1）

こ こ で は、 便 宜 的 に 地 下 水 帯 水層 を AI 〜

地下水の地理的分布を 3 次元で示しました。このAIV の 4 つに分けました（図 1c）。AI は Ma9（43図には、表層（平野部は薄い色で表現してある）

万年前の海成粘土層）より上位の帯水層です。こと堆積物を剥いだ平野地下の基盤岩の分布を示しの帯水層は海岸や河床底と直接接触している場所てあります。縦方向の縮尺が横方向の 13 倍ある

2）ことに注意してください。

があり、地表水や海水が直接帯水層を涵養 しています。その下位にある AII は、最下位の海成

この図が示す重要なことは、現在の降水を起源

粘土層である Ma-1（124 万年前）より上の淡水とする地下水の多くが浅い深度に分布しているこ

成の砂礫層が海成粘土層と繰り返して堆積してい18見られます。AIV は基盤岩に滞水する地下水で

0

0

水

線

-2

-10

線

合

混

水

海

-30

2

δD(‰）SW-20δ H (‰）るので、丘陵での降水が地下に浸透した地下水がδ O (‰）-4

天

海水混入あり
AI
AII
AIII
AIV

AIII を構成する堆積物層は丘陵部に露出していす。平野の堆積物の下にある基盤岩は花崗岩が最-6の河川に沿って堆積した淡水成の地層です。AII と

-8

界

-10

世

る部分です。AIII は Ma‒1 より下の内陸の湖やも多いのですが、南部では、火山岩や堆積岩など-40も見られます。また、中生代〜古生代の堆積岩が-50多く分布する北摂山地や白亜紀の堆積岩が広く分

水色四角は大阪府下河川水の範囲

布する和泉山脈などでは、山地の降水が岩石の割-60

図 2．現在の降水と海水を起源とする地下水の d O と
d2H の関係
海水が混入した地下水と、帯水層区分ごとの淡水（Cl- < 100mg/L）の地下水に分けて表示。
18

れ目を流れる地下水も見られます。
500 点近い地下水の分析結果をもとに、地表か119

益⽥ほか、図３

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

海水混入： 赤AI: オレンジ
AII: 黄AIII: 緑AIV: 青図 3．現在の降水と海水を起源とする地下水の 3 次元分布図
俯瞰図の原点は 34°39′22.959″N、135°21′6.675″E、北から時計回りに 53°、俯角は 8°。標高の縮尺は水平方向の 13 倍。赤線と青線で囲ってある試料についての説明は本文を参照のこと。

とです。海水を含む地下水は、大阪湾の沿岸部のや山地で涵養された地下水は、連続しているはず

海抜 0 m 地帯に多く見られます（図 3 の赤で囲の平野深部にまでは流動していかないと言えまんだ地域）。また、淀川に沿った内陸部にも海水す。 例 外 的 に、 上 町 断 層 と 内 畑 断 層 に 沿 っ てを含む地下水が見られます。淀川河口に近い大堰

AIII と AIV の地下水が高深度で見られます（青ができる以前は、京都府と大阪府の境に近い枚方で囲った部分）。これらは、わずかですが、断層

大橋付近まで海水が遡上していたことが知られてを通じて降水が、ほぼ鉛直方向に地下の深部にまいます。現在では、大堰に堰き止められて、淀川で浸透していることを示すものです。ここに示しを海水が遡上することはありません。しかし、河た地下水は再生可能な地下水資源ですが、そのよ

床底地下の伏流水の水路を通じて、海水が遡上しうな地下水が分布する深度は限定的です。

ていることはあり得る話です。また、降水起源の本報告の話題ではないので取り上げませんでし

AI 〜 AIV の淡水地下水は、大雑把には平野の中たが、AIII や AIV には、縄文海進以前に涵養さ央部から外側に向かって分布する傾向がありまれた淡水、化石塩水や有馬温泉の塩水と似た性質

す。AI（オレンジ色）の帯水層には平野での降の塩水が多く見られます。そのような古い時代の水や平野を流れる河川水などが直接涵養していま

水は、使えば無くなってしまいます。温泉水としす。AII（黄色）は低地部との境界近い場所に分て使われていることが多くありますが、大切に利布する丘陵部や上町台地が涵養減です。AIII は用して欲しいものです。

山麓に広がる丘陵地に分布し、AIV は山地に分
地下水に残存する汚染物質

布しています。つまり、これらの地下水は、井戸

日本は環境政策における先進国です。大気汚染のある地点から比較的近い場所で涵養されていると言えます。

対策が功を奏して遠方の風景が美しく見えるよう降水を起源として流動する地下水は、平野の比になりました。河川水も目に見えてきれいになっ較的浅い帯水層（最大でおよそ 100 m 以浅）にています。しかし、循環速度の遅い地下環境では、しか存在しません。AIII や AIV の地層は平野の高度成長期から 1980 年代にかけて自然界に放出

低地部の地下にも分布しているのですが、丘陵部した汚染物質が残存していることが観察されま120

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

益田す。その例を示しましょう。

図６

ซ౛
VOC
92& ሷࣅࣔࣀ࣐Ѹ᳨ฟ㸧

揮発性有機炭素（Volatile Organic Compounds:
VOC）は大気中で気体となる有機化合物の総称です。VOC の多くは、発がん性などの健康影響があり、光化学スモッグやオゾン層破壊の原因物
質でもあります。これらは、1988 年のモントリ
オール議定書により、自然界への放出が禁止され、日本でも翌年から排出規制が開始されました。ここでは、四塩化炭素（テトラクロロエチレ
ン、PCE）とトリクロロエチレン（TCE）に注
目してみましょう。これらの物質は、洗浄剤として工場やドライクリーニングなどで便利に用いられていました。また、これらの物質の地下での分

10 km

解は、主として微生物によるものです。PCE は

図 4．大 阪府下で地下水中に揮発性有機炭素が検出された地点

TCE に、TCE はジクロロエチレン（DCE）を経
由して塩化ビニールモノマー（VC）へと変化します。地下水環境によりますが、PCE・TCE がが知られています。上町台地より西側の大阪市内

DCE に変化するまで 20 〜 30 年、VC に変化す

で VOC 汚染が見られないのは、海水を含む塩水

るまでは 30 〜 40 年かかります。これらの物質のが出入りすることで汚染された地下水が流出した

中で最も毒性の高い VC は無害なエタンと二酸化のだろうと考えています。それなので、DCE が炭素に変化しますが、さらに 30 年以上が必要だ

保存されている地下水の方が、VC にまで分解がと言われています。これらの物質は容易に光分解進んでいる停滞的環境下にある地下水よりも短時するため、揚水して日光に晒すことができれば、間で汚染浄化される可能性があります。

簡単に分解します。それなので、地表に取り出し

VOC 汚染された地下水は再生可能な地下水でて処理すればいいのですが、地下に残存した状態す。汚染物質ごと揚水して処理できれば、地下環で処理するのは簡単ではありません。

境を早く回復できます。

図 4 に、大阪府下の地下水中に VOC が検出さまとめれる地点と、VOC の成分として VC も含む地点を示しました（2017 年）。これらの汚染が見られ地下水は、適切な管理のもとに利用すれば、良る地下水は、前述した降水を起源とする地下水で質の水資源です。日本全体が汚染の少ない自然環

す。地表から涵養されるということは、汚染物質境になっている今日では、醸造や瓶詰めの水の製も共に流入することがあるということなのです。

造など、良質の水を大量に利用する地方で、良好検出地点は泉南の海岸部を除いては、内陸に多くな水循環を保全する活動を官民協同で行っている

分布していることがわかります。DCE から VC

自治体が多くあります。過去の汚染が残っているへ変化している地点は、大阪平野東側の河内平野大都市圏では、きれいな地表水を地下に流して、と丘陵の谷部が多く、丘陵の開けた場所で採取さ残存している汚染物質を流失させることも可能でれた地下水では DCE で止まっていることがわかしょう。そのためには、降水起源の地下水をうまりました。DCE は、少し還元的な環境での微生く利用したほうがいいと、私たちは考えています。

物活動でより活発に分解が進んで VC になること

目に見えることの少ない地下水ですが、水質を
121

益⽥ほか

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

可視化し、マッピングすることで、地下水の置かSouthwest Japan. Geochemical Journal, 53:

れている状況を知ることができます。これを読ん235‒247.

でいる皆さんには、地表だけでなく、地下の水循

https://www.terrapub.co.jp/journals/GJ/環にも興味を持っていただけると嬉しいです。

pdf/2019e/53040235.pdf

注釈

著者情報

1）帯水層：取水できる地下水を含む地層のこと

益田晴恵

大阪市立大学大学院理学研究科・教授。専門は環境地球で、砂や礫などの粗粒の堆積物や、割れ目の化学、水圏地球化学。水循環に伴多い岩石などからなっています。

う水質汚濁、海洋地殻内の続成作

2）涵養：地表の水が地下浸透して帯水層に供給用に伴う水―岩石反応などに関する研究を行ってきた。

されること。
文献

著者情報

井川怜欧・益田晴恵・新谷毅・三田村宗樹（2019）根本達也

学研究科・准教授。専門は情報地

水文環境図 No. 11「大阪平野」．産業技術総質学。地理情報、地質情報などの合研究所地質調査総合センター．

データベースを用いた 3 次元可視

https://gbank.gsj.jp/WaterEnvironmentMap/化の手法開発などを研究してきた。

contents/osaka/osaka.htm
益田晴恵（2018）第 7 章

大阪市立大学大学院理大都市の水環境 ― 健
著者情報

全な利用を進める ―．公益財団法人日本生命財団編、「人と自然の環境学」、129‒145．

新谷

東京大学出版会：ISBN 978-4-13-063371-0.

構・研究員。専門は環境地球化学、
いた地下水流動系の評価を研究対

M, Marui A (2019) Characterization of18

groundwater based on δ H, δ O and Cl

北海道立総合研究機

地下水学。環境同位体と水質を用

Shintani T, Masuda H, Okazaki K, Even E, Ono2

毅

象としてきた。

–

concentration beneath the Osaka Plain, （2022 年 3 月 31 日掲載）

122

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

シベリアの河川と水循環― レナ川とインディギルカ川の不思議な流れ ―
鷹

野

真

也

（総合地球環境学研究所）

1．地球は水循環＝水の呼吸の使い手？

に伴う熱の輸送システムも変化してしまい、ひい“水循環”とは何か、皆さんご存知ですか？ 「水ては気候変動まで引き起こされてしまいます。こが循環すること…？」と考えたそこのあなた。…

のように水の流れは連鎖的に他の物質の流れも生正解です。完璧です。もう少し詳しく言うと、雨み出すことが多く、一例として昨今の温暖化・気（水）が降って、溜まって、流れて、蒸発して、候変動を考える上でも、水循環研究は非常に重要

また降って…と文字通り“水”が地球上をぐるぐな役割を担っているわけです。
水は自然の中で廻り続けています。まるで地球ると“循環”すること、それが“水循環”です。我々が呼吸をするように。まさに水の呼吸ですね。○

はその水循環を研究しています。

○ノ型！

では何故その水循環を研究する必要があるのでなんてものは出てきませんが、水の循

それは水が色々なものを運ぶからで環にもパターン（型）はあります。その型がどうす。水の流れに乗って運ばれるものもあれば、水変わったのか（これからどう変わるのか）、云わの中に溶けて運ばれたりもします。もちろん目にば地球の“水の呼吸”の真髄と変化を調べるのが見えるものもあれば、見えないものもあります。

水循環研究です。同じ水循環研究でも、水質や水例えば、炭素や熱（エネルギー）がそれらに当た

環境の汚染など水資源利用の観点からの研究も沢ります。炭素や熱が水によって動かされるという山ありますし、先述した温暖化・気候変動に関連のは実はとても大変なことで、もしバランスをする研究もあります。ここでは後者について紹介保っていたものが崩れると様々な弊害が起こりましたいと思います。

しょう？

す。炭素は有機態として植物や土壌中に多く存在
2．なぜシベリアの水循環？

しますが、その陸域にストックされていた有機炭
素が水と共に川や海へ流れ出てしまうことがあり

私が今からするのは、シベリアでの水循環研究ます。この流れ出た炭素によって、陸からだけでのお話です。皆さんは“シベリア”と聞いて何をなく川や海からも二酸化炭素（CO2）やメタン

思い浮かべるでしょうか？

（CH4）といった温室効果ガスが大気中に放散さ極寒の地とかシベリア鉄道などのイメージを持っ1）

多くの方は、漠然とれる恐れがあり、地球温暖化や海洋酸性化 へのているのではと推測しますが、そもそもシベリ寄与が危惧されています。また海の水の流れ、つアってどこ？

まり海流は、海水の密度の違いによって生まれ、す。定義が色々あるようですが、一般的にはユー

地球全体をぐるぐる回り熱などを輸送します。こラシア大陸の北東部、ロシア連邦の中央部から東れを熱塩循環と呼ぶのですが、この熱輸送は気候

側のとても広い地域を“シベリア”と呼びます。

に影響を与えてしまうほど大きなものです。何か

実際に行ったことがある方はあまりいないかもしの拍子に水循環が変化してしまうと（具体的にはれませんが、社会科の教科書で、タイガやツンド

海への淡水の供給量が変化すると）、海流とそれラといった植生（図 1）と永久凍土が広がってい123という方も少なくないと思いま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

以上 0℃を上回らない土壌のことで、永久に凍った土壌ではありません。夏に融解・冬に凍結というサイクルを繰り返す土壌は季節凍土（活動層）と呼ばれます）。凍土には土壌中の水分を氷として一時貯留させておくリザーバーのような性質があり、加えて凍土中の氷が物理的なバリアになって水の浸潤を妨げ地下水・土壌水の動きを制限するなど、凍土はシベリアの水循環システムにおいて重要な役割を担っています。先述のようにシベ
リアにはタイガ林やツンドラ湿地といった植生が広がっていますが、これらは気温や土壌中の水分量に非常に敏感で、ちょっとした変化によって植生の枯死や種類の変化が引き起こされてしまいます。また、その植生の下には泥炭という有機物（炭素）を沢山含んだ土壌が堆積・凍結しています。
つまり永久凍土が融解すると、これまでの水循環のバランスが崩れ植生に影響を与えるのと同時

図 1．北 東シベリア・チョクルダ周辺域におけるタイ
ベリア・チョクルダ周辺域におけるタイガｰツンドラ境界（a）とツンドラ湿地（b）。タイガを構成に、地中に冷凍保存されていた有機物（炭素）もガ−ツンドラ境界（a）とツンドラ湿地（b）。タ
カラマツなど）とツンドラの背の低い草本類が交じり合って分布しています。ツンドラにはポリイガを構成する針葉樹（カラマツなど）とツン
解放され、水と共に河川や海へ流出してしまう恐
目模様の微地形（地表面の凹凸）が見られ、凹みに水が溜まってツンドラ湿地を形成します
ドラの背の低い草本類が交じり合って分布しています。ツンドラにはポリゴンという網目模様の微地形（地表面の凹凸）が見られ、凹みに水が溜まってツンドラ湿地を形成します。

れがあるのです。
これは温暖化、及び永久凍土の融解によって起こり得る問題のほんの一例に過ぎませんが、シベる、という記述を一度は目にしたことがあるかも

リアの“水の呼吸”の乱れは地球規模で影響を及しれません。いずれにしても日本に住んでいる

ぼしかねない可能性を秘めています。その影響の人々にはあまり馴染みのない土地であり、実はロ

範囲や大きさを予測しないと、地球の未来のため

シアの人々にとってもまだまだ未知の世界と言わに対策さえできません。そのためには生態系のれている、そんなシベリアでの水循環とは一体何

ベースとなる水循環とは何かを知ることが第一歩なのでしょうか。

となります。現在の水循環システムを理解し、温

まず何故そんな日本から遠いところの研究をし暖化により今起きていること・これから起こり得ているのかというと、理由は地球温暖化にありまることを調査し、気候や生態系へどのように影響す。日本でも近年暑いなと感じている方もいるかするのか予測する、それがシベリアの水循環研究もしれませんが、シベリアを含む北極域では世界の目的です。

（地球全体）平均の約 2 倍の温暖化が起きている（これから起こる）とされています。その温暖化に

3．水循環研究の秘密兵器“水同位体比”

よって様々な問題が生じるのですが、大きな問題

水循環研究を行う上で、便利且つ有効なツールの 1 つとして永久凍土の融解が懸念されています。

が水の安定同位体比です。ここでは水同位体比に

シベリアには広く永久凍土が分布しており、中

ついて、またその使い方を簡単に説明します。

でも東シベリアは世界最大・最深の永久凍土帯と水（H2O）は水素（H）と酸素（O）からなる

いわれています（ちなみに永久凍土とは “2 年”

分 子 で、 水 素 の 安 定 同 位 体 に は 1H と 2H（D）、124

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

酸素の安定同位体には 16O と 17O と 18O が存在しのです。河川水とは一般的に、水循環の中の「雨1ます。自然界の水分子は H2 O がほとんどですが、（雪）が降って、土壌を経由し、河川へ流れる」

それに次いで、比率としてはわずかではあるものという過程を経て集まった水です。同じように流

1

2

2

18

16

1

16

2

18

16

の H H O と H2 O が 存 在 し ま す（ H2 O やれているように見えても、その過程のちょっとし1

H H O、及び O を含む水分子は更に存在量がた変化によって河川水の水同位体比も変化しま小さいためここでは無視します）。本来、同位体す。この水同位体比の変動から、どの水がどのよとは原子について用いる言葉ですが、水分子の、

うに河川に流れているかを推定します。先述した

17

1

2

16

1

18

さらにその内の H H O と H2 O を“水（の安定）ように水同位体比は「③異なる同位体比を持つ水同位体”と便宜的に呼んでいます。

同士が混合した時」に変化するので、上記の過程

12に含まれ得る色々な種類の水の同位体比がわかる

そして、水分子中の H に対する H の存在比
1618を“（水の）水素同位体比”、 O に対する O のと推定の精度が上がります。特にそれらの水の大存在比を“（水の）酸素同位体比”と呼び、それ元ともいえる降水（雨や雪）の同位体比は非常にらを総称して“水（の安定）同位体比”といいま

重要な情報となります。

116

図 2 は北東シベリア・チョクルダ（北緯 70 度、す（少しややこしいのですが、 H2 O に対する水
1

2

16

1

18

東経 148 度）における降水や河川水等の水同位体同位体（ H H O と H2 O）の存在比ではないこ
1とに注意してください）。しかし水分子中の H や比をまとめたものです。この図から、夏の降水が16最も高く、冬の積雪（降雪ではなく“積雪”であ2

18

O に対する H と O の存在比（水同位体比）はデルタ

値がとても小さく比較しづらいため、δ 値を用いることに注意してください）が最も低い水同位体てもう少しわかりやすくします。この δ 値とは、比を示すことが認められます。これは“温度効果”

簡単に言うと、「調べようとしている水試料」と「基と呼ばれる降水同位体比の特徴の 1 つで、気温と準とする特別な海水」の水同位体比はどれだけ違の相関により夏に最高値・冬に最低値となる周期

うか（偏差）、を表しています（詳しくは第 3 章「元性を持つことがわかっています（その他の効果に素の同位体比」と「軽元素同位体」をご覧くださ

ついては第 3 章「軽元素同位体」と「同位体地図2（Isoscape）」を参照してください）。この結果を2い）。その δ 値のうち、 H に関するものを δ H、
18

18

O に関するものを δ O と表記します。

踏まえて、シベリアの河川水同位体比変動と水循

この水同位体比が水循環研究に有効なツールで環過程を考えていきます。

ある理由は、水同位体の性質にあります。水同位4．東シベリア・サハ共和国の首都ヤクーツクで体比が変化するのは、主に①水が相変化した時、②分子拡散時、③異なる同位体比を持つ水同士がの水循環過程 ― レナ川と井戸水混合した時です。つまり水同位体比を観測するこここからはより具体的で、少し専門的なお話にとで、その水が経てきた相変化や循環過程を推定なります。シベリアの水循環過程の研究例として、することが可能になるのです。また、試料採取やまず東シベリアを流れるレナ川の水同位体比季節分析が比較的容易であることも理由の 1 つとして変動を紹介します。（※以降の研究例紹介では、挙げられます。

水同位体比の議論に酸素同位体比（δ18O）のみを一概に水同位体比を用いた水循環研究といって用います。水素同位体比（δ2H）を用いても議論も、その使い方は研究対象や目的によって様々での結果・本質は変わらないのでご了承ください。）

す（本当に色々あるので、本章の他の研究例とも

レナ川はバイカル湖西側のバイカル山脈に源を見比べてみてください）。今回私が紹介するシベ

発し、東シベリア・サハ共和国最大の都市である

リアの研究例は“河川水”に主に焦点を当てたもヤクーツクを通って北極海へ注ぐ（図 3）、流域
125

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

18O座標）。インディギルカ川
図 2．チ図2.
ョクルダ周辺域で採取した様々な水同位体比（δ2H − δ218Hｰδ
O 座標）。インディギルカ川本流が黄、チョクルダ周辺域で採取した様々な水同位体比（δ支流が赤、湿地が青、夏の降水を緑、積雪を灰で色分けしました。
本流が黄、支流が赤、湿地が青、夏の降水を緑、積雪を灰で色分けしました。

面積世界第 8 位のとても大きな河川です。永久凍

このように 1 年のうちに凍結・融解し、流量も土帯を流域に広く含む大河川として、また北極海

大きく変動するレナ川ですが、その河川水の水同への淡水の大きな供給源として世界的に注目され

位体比も大きな季節変動を示します。図 4 はヤており、多くの研究が行われています。冬には車クーツクで採取したレナ川河川水の δ18O の時間が走れるほど川面が凍結し（分厚い氷の下では水変化を示しています。図中の青プロットがレナ川が流れています）、春（融雪期）になると流域のの δ18O で、1 年周期で規則的に値が上がったり融雪水が一気に流入してちょっとした洪水・氾濫を引き起こし、夏から秋にかけて段々流量が減っていきます。

図 3．東 シベリア・ヤクーツクとレナ川。右上のパネ
図3. 東シベリア・ヤクーツクとレナ川。右上のパネルはヤクーツク市内でのレナ川河川水
ルはヤクーツク市内でのレナ川河川水と井戸水と井戸水（Richard ZorgeとDzherzhinski）の採取地点を示しています。
（Richard Zorge と Dzherzhinski）の採取地点を
図 4．レ ナ川と井戸水の δ18O の時間変化 （鷹野卒論
示しています。
より一部改変）126

図4．レナ川と（鷹野卒論よ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

下がったりを繰り返していることが見て取れると思います。もう少し詳しく見ると、春に急低下し、夏に上昇、秋から冬にかけて徐々に低下している
ことがわかります。この変動は、レナ川に流入する流域の降水の δ 値が季節によって異なる値（夏に最高値、冬に最低値）を持つことに主に起因し、その周期性を反映していると考えられます。つまりレナ川 δ 値の春の急低下は融雪水（低 δ 値）の流入を示唆し、夏の上昇は融雪水流入の減退とそれに代わる流域の夏の降水（高 δ 値）の流入によって引き起こされたと推定されます。

図5．レナ川流域(a)と2006年の大（鷹野卒論より一

一方、ヤクーツク市内のレナ川氾濫原に位置す
る 井 戸 水（Richard Zorge、Dzherzhinski; 図 3）18

図 5．レ ナ川流域の断面図、通常の水の移動（a）と2006 年の大雨後の水の移動（b）（鷹野卒論より一部改変）

18の δ O は、レナ川河川水の δ O とほとんど同じ
時間変化を示しました（図 4）。これはレナ川河

5．極北の地チョクルダ、インディギルカ川への川水と井戸水が同じ起源であることを示唆しています。ヤクーツクは年降水量が 300 mm 程度の非DOC 流出常に乾燥した気候のため、通常はレナ川から氾濫

もう 1 つの研究例として、北東シベリアのイン

原の地下へ水が浸み出して井戸水となっているこ

ディギルカ川2）における水循環過程研究を紹介しと が 考 え ら れ ま す。 し か し、2006 年 の 秋 か らます。インディギルカ川はレナ川と比べると小さ2007 年の春にかけて、井戸水の δ 値変動がレナ

いですが、流域の大部分が北極域に位置し、温暖

川河川水の規則的な変動からズレる結果が得られ化の影響や有機物（炭素）の流出を評価するためました。具体的には、2006 年 10 月から 2007 年 1に非常に重要な河川の 1 つです。このインディギ

月にレナ川よりも井戸水の δ 値が低下し、逆にレルカ川の下流域にはチョクルダという村があり

ナ川の δ 値が急低下した 2007 年春（融雪期）に（図 6）、この周辺はタイガ林とツンドラ湿地の境は井戸水の δ 値はやや上昇し比較的高い値を保ち界域となっていて（図 1）、学術的にとても貴重

続けました（図 4b）。この変動のズレは、ヤクー

且つ価値のある研究対象地域です。このチョクルツクにおける 2006 年夏期の記録的な大雨が関係

ダ以北に広がるツンドラ湿地には多くの泥炭（炭している可能性が考えられます。元々レナ川から素）が堆積しており、湿地の水は DOC（Dissolved

氾濫原の地下へ水が浸潤していたものが、2006

Organic Carbon; 溶存有機炭素）という水の中に

年夏期の過剰な降水があったことで水のポテン

溶けた状態の有機態炭素を沢山含んでいます

シャルが逆転し、氾濫原の井戸水側からレナ川の（図 7）。つまりツンドラ湿地からの排水は北極域方へ水が流れた（井戸水が流域の土壌水の δ 値を河川や北極海にとって有機態炭素の重大なソース

反映した）のだと推測されます（図 5）。このよ（起源）になり得ます。これまで述べてきたよううな大雨に伴う水文過程の変化は、降水量増加がに北極域永久凍土帯の水循環過程は少し複雑に予測されている近い将来に、物質循環や生態系へなっているので、どんな状況・タイミングでこの大きな影響を与える可能性が懸念されます。

湿地の水が流出するのかを水同位体比を用いて考えます。
まずインディギルカ川本流の水同位体比時間変127

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

化を見ると、レナ川と同様の規則的な季節変動が認められました（図 8）。この変動はレナ川の水
同位体比変動でも説明したように、図 2 で示した
降水同位体比の季節変動と流入のタイミングを反映していると考えられます。また、夏期（7 月前後）に採取したインディギルカ川本流とチョクルダ周
辺の支流、ツンドラ湿地の水同位体比を図 2 にプ
ロットしました。この 3 種類の水の δ 値を比べると、インディギルカ川本流が最も低く、支流の値が本流と同じかやや高く、湿地の水が最も高いことがわかります。これは湿地の水が支流に排水され、その支流の水が本流へ流入し、本流の夏期のδ 値上昇傾向に寄与していることを示唆しています。
以上のように「湿地→支流→本流」というごく一般的な水の流れが δ 値の座標で示唆されましたが、本流と支流の夏期 δ 値時間変化からはまた違った側面が見えてきます。図 9 はインディギル

図6. 北東シベリア・チョクルダとインディギ
δ18O の夏期時間変化（2011 〜
カ川本流と支流の2013(a)内の実線はインディギルカ川の分水嶺を年）で、2012 年は支流の δ 値が本流よりもいます。 δ 値が徐々に上昇していることか
常に高く、共にら、先述の水の流れを裏付ける結果となりました。
しかし 2011 年と 2013 年の変動を見ると、本流と支流が途中まで（2011 年は day-of-year（DOY）
3）
203（7 月 22 日 ） ま で、2013 年 は DOY 183（7月 2 日）まで）同等の値を示し、その後支流の値
図 6．北東シベリア・チョクルダとインディギルカ川。
（a）内の実線はインディギルカ川の分水嶺を示しています。

が本流よりも上昇しました。2013 年に限っては、
その後 DOY 202（7 月 21 日）以降に再び両者が同等の値を示すようなりました。この支流の δ 値
変動のタイミングはインディギルカ川本流の水位変動と完全に一致しており、本流の水位が高いと

図 7．インディギルカ川本流と支流、湿地の DOC 濃度

図7. インディギルカ川本流と支流、湿地のDOC濃度 128

図 8．インディギルカ川本流の δ18
O の時間変化18
図8. インディギルカ川本流のδ Oの時間変化

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

図9. インディギルカ川本流と支流のδ18Oの
図 10．インディギルカ川本流の水位変動
夏期時間変化水循環過程を推測しました。このように遠く離れた地域の、目に見えない“水の呼吸”がデータを通して見えるようなること、それがツールとして
図 9．インディギルカ川本流と支流の δ18O の夏期時間変化の水同位体比の利便性・強みです。しかし私の師

き支流の δ 値は本流と同等の値を示し、水位が低くて、肌で感じるフィールドワークは、自然科学分

なると支流の δ 値が高い値を示しました（図 10）。

野の研究にとって必要不可欠である」と。目に見この δ 値時間変化と河川水位変動の関係は、本えるものが全てではないが、それは逆もまた然り

流の水位が高いときには「本流→支流」の方向にであり、1 つの視点にとらわれず広い視野を持っ水が逆流し、支流内には本流由来の水が優位になて取り組むことの重要性を説いた有り難いお言葉り、下流域の湿地由来の排水を妨げていることをです。我々総合地球環境学研究所が提案する“環示唆しています。対して、本流の水位が低くなっ

境トレーサビリティ研究”は、研究者と行政や民たときに湿地水が支流へ排水されるようになり、間・地域の方を含むステークホルダーの方々を繋その水が支流から本流へ流入すると考えられまぐ超学際的研究を目指しています。師の教えを胸す。すなわち下流域の湿地水は、融雪期及び夏期に、地球研が提供する同位体研究を基盤とし、ス

高水位時の後、河川水位が下がったとき（つまりテークホルダーの方々に寄り添った多角的な視点

晩夏から秋にかけて；図 10）流出が最大となり、を持つ共同研究を推し進めていければと、常々心

北極域河川 DOC の主要なソースの 1 つになり得

掛け取り組んでいます。このシベリア水循環過程

ることを暗示しています。

の研究例が、そんな環境トレーサビリティ研究を

匠はこうも言いました、「己の足で赴き、目で見世間の方々に知って頂くきっかけ・一助となれば
6．おわりに幸いです。

本研究では、水同位体比の情報からシベリアの129

図10. インディ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

注釈

文献1）海洋が大気から二酸化炭素を吸収し、海水中

Takano S, Yamashita Y, Tei S, Liang M,の二酸化炭素濃度が高まり、海水の pH が低Shingubara R, Morozumi T, Maximov T C,

くなることをいいます。これにより炭酸カル

Sugimoto A (2021) Stable Water Isotope

シウム（CaCO3）の殻・骨格を持つプランク

Assessment of Tundra Wetland Hydrology

トンやサンゴ等がダメージを受け、海洋生態

as a Potential Source of Arctic Riverine

系に深刻な影響を及ぼすことが懸念されていDissolved Organic Carbon in the Indigirka

ます。

River Lowland, Northeastern Siberia,

2）インディギルカ川とは現地の言葉で「魚が湧Frontiers in Earth Science.

き出てくる川」というような意味合いを持っ

https://doi.org/10.3389/feart.2021.699365ているそうで、実際に漁業が盛んで現地民の鷹野真也（2011）東シベリア永久凍土帯から流出

主食になっています。そのため河川水中に有する水の同位体比，卒業論文．

機物が多く、茶色いのが特徴です。現地調査
著者情報

時はこの川の水を飲むのですが、紅茶を入れて、これは紅茶の茶色だと自分に思い込ませ鷹野真也（総合地球環境学研究所て飲みます。「紅茶を飲めば浮かぶ、インディ

ポスト・コアプロジェクト「環境トレーサビリティに基づく研究基

ギルカ川の情景」シベリアの切ない思ひ出が盤の応用」研究員）2019 年北海

今でも蘇ってきます。

道大学大学院環境科学院博士後期課程単位取得退学。2020 年学位3）day-of-year（DOY）とは年間通算日のこと。

取得（環境科学）。北海道大学学術日付がその年の 1 月 1 日から数えて何日目か研究員を経て、2021 年より現職。

を表しています。1 月 1 日が DOY 1、12 月


31 日は DOY 365（閏年は 366）となります。

130（2022 年 3 月 31 日掲載）

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

アフリカ熱帯高山の消えゆく氷河― 氷河と山麓水資源の関係性の解明 ―
大

谷

侑

也

（サントリーグローバルイノベーションセンター株式会社 水科学研究所）

1．消えゆく熱帯の氷河

25°E

30°E

35°E

40°E

45°E

気候変動は近年の人類が直面している喫緊の問エチオピア題です。その中でも特に影響が大きいと考えられ

南スーダンて い る の が 氷 河 で す。 世 界 各 地 の 山 岳 氷 河 は5°N

1900 年代から急速に縮小していますが、最も顕ソマリア

著なのは熱帯アフリカの高山が有する氷河です。

ウガンダ
▲

0°

アフリカにはキリマンジャロ山、ケニア山、ル

ケニア
▲

ヴィクト
リア湖

コンゴ
民主共和国

ウェンゾリ山の 3 つの高山があり（図 1）、それ▲らの頂上付近には氷河が存在します。しかし、い5°S

タンガニーカ湖

ずれも気候変動の影響により 10 〜 20 年後には消失するとの予測がなされています。中でも、世界0遺産に指定されているケニア山の氷河は年約 7 〜

Kilometer
250

タンザニア
Kilometer

500

0

3,000

Esri, HERE, Garmin, USGS

図 1．東アフリカのキリマンジャロ山、
ケニア山、
ルウェ
ンゾリ山の位置図

10 m の非常に速いスピードで縮小しています（図 2）。今すぐ現地に行ってモニタリングを開始しなければ氷河の縮小と周辺の水環境の関係性を

2017年調査 ー ティンダル氷河の縮小

記録することができなくなると考えました。

1976(Hastenrath 1976)

1992

1997

2015

2017

図 2．ケニア山のティンダル氷河の縮小（左から 1992、1997 年は水野一晴撮影、2015 年、2017 年は著者撮影）
131

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

そこで、アフリカのケニア共和国（以下、ケニ

まれて山体の内部に浸透することができず、表流ア）へ調査に行くことになりました。私の想像の水や浅い地下水となって山麓に流下することも明なかでアフリカは灼熱の大地というイメージがらかになってきています。このことから、玄武岩あったのですが、ケニアの首都ナイロビに初めてでできたケニア山の山麓の湧水は、山体中腹の降降り立ったとき感じたのは「涼しい！」でした。

水よりむしろ、山体上部の氷河融解水が起源に

これはケニアが「アフリカ大地溝帯」に位置し標なっている可能性が高いと考えました。

高が高いからです。アフリカ大地溝帯は地球の表面を覆うプレート（岩盤）とプレートの境界であ

2．水の「重さ」の違いから麓の水の起源を調べる

り、アフリカ大陸を南北に貫く幅 35 〜 100 km、氷河と山麓の河川・地下水の水の酸素同位体を総延長が 7,000 km にもおよぶ世界でも有数の地分析して、河川水や湧水がどの標高から流れてき溝帯です。プレートの境界はマグマができやすく、ているのか（涵養標高）を調べることで、氷河と地下深くで、ある一定以上の量が溜まると地上に山麓の水資源の関係性の解明を試みました。ここ

噴出（噴火）します。そのためアフリカ大地溝帯で少し安定同位体の説明をしておきます。元素にには多くの火山が形成されています。

は陽子は同じですが中性子の数が異なるため質量

今回、調査対象としたケニア山（5,199 m）を数（重さ）の異なる原子が存在し、これを同位体

はじめ、アフリカ大地溝帯が擁する高山は上昇気といいます。そのうちの多くは時間の経過ととも流を発生させ、多くの雨をもたらします。そのたに崩壊し他の核種に変化する放射性同位体です

めこれらの山は概して降水量が少ないサバンナにが、安定同位体は時間が経過しても不変です。まと っ て 貴 重 な 存 在 で あ り、 地 元 の 人 達 は 山 をた、安定同位体は自然界の様々な物質の循環過程「Water Tower（ 給 水 塔 ）」 と 呼 ん だ り し ま す。

のなかでその同位体比が変化します。そして質量

一方、この給水塔の役割を果たすケニア山は、乾数の大きい同位元素が多ければ同位体比が高い≒

季には雨が少なくなり、山麓地域の水資源は雨季

重いと表現され、それと比較して同位体比が低けに比べて減少するのですが、現地で観察をするとれば「軽い」と表現されます。これらの同位体比

川の水や湧き水はある一定の量を保ち続けていまの「重さ」を詳しく分析・比較することにより、した。そこで私はこれら 2 つの山が持つ氷河の融

自然界の物質の循環内での位置付けや、生成経路

け水（氷河融解水）に注目しました。氷河は「天を明らかにする研究が多くなされてきました。

然のダム」とも言われます。これは雨の少ない乾

降水中の酸素同位体比は、同位体高度効果（標季において氷河の融けた水が、一定量、氷河の下高が高くなるにつれ同位体比が低くなる効果）を流域に供給され続けるからです。このような氷河示します。これは、水蒸気が雨滴として凝結すると山麓の水資源の研究は、とても大きな氷河が残際に重い同位体が濃縮するため、残された水蒸気るヒマラヤやヨーロッパアルプス等では展開されの同位体が軽くなるというメカニズムに基づきまてきましたが、それら地域と比べ雨が少なく、ます。これを図で示しますと、雲が山麓に流れ込んた赤道直下の熱帯高山の氷河に焦点を当てた研究でくると、標高の低い地域では同位体比の高いはほとんど見当たりませんでした。

（重い）水を含んだ雨が選択的に先に降ります

これまでの研究から、マグマが冷えて固まった（図 3 の①）。

玄武岩質の火山の上部で取り込まれた水は地下深

重い同位体を含む雨が先に降り、水蒸気の同位

くまで浸透しやすく、浸透した水は地下水となっ体比が軽くなることで、高い標高帯で降る降雪やて山麓で湧き出すことがわかっています。一方、山体上部の氷河ほど水の同位体比は低く（軽く）山体の中腹以下の降水は溶岩流のち密な部分に阻なっていきます（図 3 の②）。
132

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②
氷河

重い雨が先に降り、同位体比が軽くなっていく「軽い」酸素を含んだ降雪・降水3．山麓の河川水・湧水の涵養標高の推定

雲が山に
流れてくる

実際にケニア山に登り、フィールドワークを行いました。まず驚いたのは標高によって自然環境① 重い酸素を含んだ降水が目まぐるしく変わることでした。4,000 m 以上の高山帯では岩盤から開放されたばかりの大きな③

岩や氷河・積雪があり（図 4：a）、4,000 〜 3,200 m

山麓河川・湧水の同位体比が「軽い」

ではジャイアント・セネシオといった半木本植物

高標高帯からの「軽い」
河川水と地下水が多く見られました（図 4：b）。3,200 〜 2,300 m
ではジメジメとした湿気の多い森林帯（雲霧帯と図 3．同位体高度効果と水の起源把握のメカニズムもいう）があり（図 4：c）、そこを抜けると山麓
本研究では、この高度効果による氷河・積雪と、帯があり、乾いた大地が広がります（図 4：d）。

山麓の降水の同位体比の違いを利用して、山麓湧ケニア山の標高ごとに採水した降水サンプルの水・河川水の涵養標高の推定を実施しました。も酸素同位体比（δ18O）は、標高が高くなるにつれし、ケニア山の山麓の河川水と地下水の同位体比低くなる高度効果を示しました。そこから高度効が、山麓の降水と比較して低く（図 3 の③）、高果直線を算出しました（図 5）。この直線により標高帯の氷河や積雪の値に近ければ、山麓湧水・

山麓の水の涵養標高を推定することができまし

河川水は氷河地帯から流れてきていることがわかた。山麓の湧水の δ18O の平均値（-3.73‰）を高ります。

度効果直線に代入すると（図 5 の①）、涵養標高以上のメカニズムを利用し、山麓の湧水・河川

は 4,916 m となり、また山麓の河川水（-3.03‰）

水がどの標高帯から流れてきているかを推定し、の 涵 養 標 高 は 4,650 m と 推 定 さ れ ま し た

麓の水資源の起源を明らかにしようと考えました。

（図 5 の②）。

a

b

c

d

図 4．ケニア山の標高ごとの風景。a）高山帯（>4,000 m）、b）ヒース・湿地帯（3,200–4,000 m）、c）森林帯（2,300–3,200 m）、d）山麓帯（<2,300 m）
133

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

6000

ケニア山の
氷河融解水

Elevation(m)
標高（m）

5000

された降水や河川水、湖水といった循環する水の高度効果直線(y = -380.96x ＋ 3496.4)

4991m

δ18O と δ2H の間の一定の関係を示す直線のこと

4500m 4459m

です。プロットされたデータを見てみると、山麓

4200m

4000

4252m

①

3000

②

4045m

の湧水や山麓の河川水、高標高の河川水は降水よ
りもむしろ氷河融解水の値に近いことがわかりま2000した。山麓を流れる水が完全に氷河由来である、

1954m

降水

1000

山麓湧水

0
-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

ということまでは言い切れませんが、これらの結

山麓河川水

1

2

3

果から、乾季の山麓湧水と山麓河川水は、中腹の4降水よりも、氷河地帯の水が涵養源となっている

18

δ O (‰ VSMOW)
図 5．ケ ニア山の高度効果と山麓の湧水と河川水の涵
養標高の推定可能性があることがわかりました（大谷，2018）。
4．山麓湧水の年代測定

2δ H（‰ VSMOW)

30
204,900 m 以上の高山帯が涵養源とわかった乾季

10の山麓湧水に対して、トリチウムという放射性同

0
-10

降水

位体とフロン類を用いた年代測定を行いました。

湧水

その結果、湧水は山体（約 4,900 m 以上）で取り

河川水

-20

!"#$#%&'(')*-30!+,'$%-+.()*-40!--.-%-,'')*

込まれてから山麓で湧き出すまでに約 40 〜 50 年

河川水

-50
-8

-6

-4

-2

0

湖水

かかることがわかりました。図 2 からもわかるよ

氷河融解水

うに 40 〜 50 年前のケニア山の 4,900 m 付近には

42まだ広大な氷河が存在していました。したがって

6δ O（‰ VSMOW)
18

現在の山麓湧水には過去のケニア山の氷河融解水-5が寄与している可能性があります。氷河は 10 年以内に消滅する可能性が高いので、それは山麓湧-15

水の涵養源が大きく失われることを意味します。

4650m

つまり 50〜60 年後、地域住民にとって重要な山麓-20

湧水に大きな影響が出てくることが予想されます。
4500m(Rietti-Shati et al.,2000)-252

δ H（‰ VSMOW)

-10

-30

今後は同位体を使った調査のみならず、氷河が失われることで山麓の水資源が量的にどの程度減4651m

るのかを水循環モデルを用いて解明しようと考え

-35
-5

-4.5

-4

-3.5

-3

-2.5

-2

ています。

-1

-1.5

δ O（‰ VSMOW)
18

尚、本研究は筆者の大学院在籍時の研究業績で

図 6．ケ ニア山で採水された各種水サンプルの水素（δ2H）・酸素同位体比（δ18O）

あり、現所属先とは一切関係がありません。
文献

また、降水、湧水、山麓の河川水（1,858 m‒2,090 m）、

大谷侑也（2018）: ケニア山における氷河縮小と高 標 高 の 河 川 水（3,705 m‒4,369 m）、 湖 水
182（4,464 m‒4,700 m）の δ O と水素同位体比（δ H）

水環境の変化が地域住民に与える影響 . 地理をプロットしたものが図 6 です。各サンプルの学評論，91（3），211‒228.

データはおおよそ Global MWL（天水線）に沿う

Hastenrath S (1976): Weitere beobachtungen zu

ことが分かりました。天水線とは世界各地で採水

bodenfrosterscheinungen am Mount Kenya.
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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

Zeitschrift für Geomorphologie, 20: 235‒239.
Rietti-Shati M, Yam R, Karlen W, Shemesh A(2000) Stable isotope composition of tropicalhigh-altitude fresh-waters on Mt. Kenya,
Equatorial East Africa. Chemical Geology
166 (3‒4): 341‒350.
https://doi.org/10.1016/S0009-2541(99)00233-8
著者情報大谷侑也（サントリーグローバル
イノベーションセンター株式会社）2020 年京都大学大学院文学研究科地理学専修修了、博士（文学）。2020 年より現職。

（2022 年 3 月 31 日掲載）

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