目
はじめに
１章

２章

陀

次
安

一

郎、

申　　　基

澈、

鷹

野

真

何がわかるの同位体？

也

5



7

はちみつの測定から、研究へ

中

原

聖

乃

9

物質に含まれる時間軸 ― 生まれ年のワイン ―

石

川

尚

人

11

髪の毛の安定同位体比からわかる食生活

陀

安

一

郎

13

私たちのくらしと同位体 17「環境トレーサビリティー」コアプロジェクト

陀安

愛媛県西条市「千の水を採って～千点の地下水調査からわかったこと～」徳

山梨県忍野村の取り組み

一

郎

19

増

実

22

大

森

昇

27

この水、どこから来たの？ ― 山梨県忍野村の調査事例 ―

藪

崎

志

穂

30

福井県大野市の取り組み

帰

山

寿

章

34

藤

吉

麗

37

リン酸酸素安定同位体比を使ってリンはどこからやってくるのかを調べる

石

田

卓

也

40

フィリピン、シラン・サンタローサ流域の人の生活と地下水

上

原

佳

敏

42

内

山

佳

美

45

兵庫県千種川流域 ― 地元住民の調査が原動力となった環境問題解決への取り組み ―広域の地下水流動を把握する ― 自治体と地球研の連携研究による地域貢献 ―
安

３章

４章

部

豊、

ところで、同位体って何？

 51

元素の同位体比

陀

安

一

郎

53

軽元素同位体

陀

安

一

郎

55

重元素同位体

申

基

澈

59

元素濃度

申

基

澈

62

重元素同位体の前処理から測定まで

申

基

澈

65

地下水流動研究におけるマルチトレーサーの活用法

藪

崎

志

穂

69

同位体地図（Isoscape）

陀

安

一

郎

77

トレーサビリティ

陀

安

一

郎

79

もっと知りたい同位体

 81

水循環過程

 83

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

85

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

90

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

94

弘前の降雪の同位体比変動

谷 田 貝 亜 紀 代 100

同位体の導く流域における降雪の影響度

川

越

清

樹 105

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 111

地域の水循環に田んぼが果たす役割の評価

中

桐

貴

生 114新谷

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 123

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 131

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

晴

恵、

根

本

達

也、

毅 118大気からの物質負荷 137

豊かな恵みと大気汚染物質を運ぶ北西季節風

佐

瀨

裕

之 139

越境大気汚染や黄砂の影響をコケの安定同位体比で評価する

大

石

善

隆 143森林のカルシウム不足を火山灰が救う

越

川

昌

美 147

水質と物質循環、集水域特性

 151

沿岸域の地下水の水質と安定同位体比から見えてくる水質形成の仕組み
藪崎志穂 153細野

高啓 158

塩類の起源に迫る ― 農地が汗をかくと塩を吹く ―久

米混合比から読み解く富士川濁水の起源と行方

鷹

野

吉

川

安定同位体比から明らかになる底質有機物の起源

小川

資源開発における環境負荷低減のための同位体研究大竹― 仙台市宮城野区の調査事例の紹介 ―直下型地震に伴う地下水の流れの変化を同位体で追う

谷

水

雅

治、

崇 163真也 168

トンレサップ湖水系の地表水循環 ― 多元素分析による解析で見えてきたこと ―尚 172裕也 176翼 180

生物多様性と生態系機能

 183

高山の霧を吸収するハイマツ ― 雨と霧を同位体比で区別する ―久米篤 185

雨から来た窒素を同位体比で追跡する

木

庭

啓

介 189篠塚

賢

一 193矢内純

太 197

半場

祐子 200

メタボ化した森林から流出した過剰な窒素成分は、下流域でどう変化するの？
食料生産の向上と地球温暖化の抑制に関わる水田土壌の有機物蓄積プロセスを解き明かす
街路樹の炭素安定同位体比から COVID19 による産業活動停滞の影響検出を試みる

花咲かクマさんといじわるクマさん？
― クマたちの種まきがサクラやサルナシの運命を左右する ―

直

江

将

司 205

骨が記憶する過去の生態系 ― 同位体分析による動物の食性復元研究 ―松林順 210アミノ酸の窒素同位体比が開く世界

大河内直 彦 215

サケは海でどこを泳いで帰ってくるの？
林順 220魚の骨の鉛同位体から魚の生息海域を特定できるか？

西 村

日 向 子 225

長距離を移動する昆虫の同位体を調べて分かること

大― 同位体地図（アイソスケープ）を用いた回遊経路の復元 ―松塚彰 229

産地判別、文明環境史

 233

古代人の暮らしを解き明かす同位体分析 ― 海産魚はどこの海から運ばれたのか？ ―石 丸

恵 利 子 235― イノシシ・ニホンジカはどこで捕獲されたのか？ ―石 丸

恵 利 子 240

縄文人の集団間の移動をストロンチウム同位体比から調べる

日 下

宗 一 郎 245

古代犬はどんな餌を食べていたか？

覚

張

隆

瀧

上

舞 254瀧上

舞 257

小

山

竹

内

堀

川

縄文時代の狩猟域を解き明かす史 249古代アンデスの人々はリャマやアルパカを飼育していたのか？
― ストロンチウム同位体比分析で動物の出身地を探る ―古代アンデスの人々は何を食べていたのか？
― 炭素・窒素同位体比分析でトウモロコシ利用を探る ―法医学で同位体学を利用できるかな？

哲秀 261

氷河の氷の安定同位体比から復元する昔の気温  ― シルクロードの気候変動を探る ―ネオジム同位体比から明らかになった日本海の形成史

手法開発

５章

望 264
恵司 268 273

微少な試料の同位体比を測定する

小 川

奈 々 子 275

海水中粒子に含まれる重金属の起源を調べる

高 野

祥 太 朗 279

実験施設と同位体環境学共同研究

 283

実験施設と分析装置

総合地球環境学研究所研究基盤国際センター計測・分析室 285

同位体環境学共同研究へのお誘い

総合地球環境学研究所研究基盤国際センター計測・分析室 286

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

はじめに
陀

安

一

郎、

申

基

澈、

鷹

野

真

也

（総合地球環境学研究所）「同位体」とは、元素の性質を示す「陽子」の2019 年度に「環境研究における同位体を用いた数は同じですが、「中性子」の数が異なるため、

環境トレーサビリティー手法の提案と有効性の検全体の重さが異なる原子のことを指します。それ証」というプロジェクトを行いました。このプロぞれの同位体は重さが異なるので、物理的な変化

ジェクトでは、環境のつながりを理解する「環境や、化学的な反応速度にわずかな違いがあります。

トレーサビリティ」という考え方を「同位体」とこれらの性質を利用することで、どの標高に降っいうツールを用いて環境問題の研究に適用しまし

た雨が地下水になるかであったり、汚染物質がどた。2 章で地域の紹介をしていただいている自治

こから飛んできたかであったり、動物がどのよう体の方々とも一緒に研究しました。

な餌を利用してきたかであったり、いろいろなこ

続いて、2020 年度から 2022 年度まで、特定推とがわかります。また、現代人だけでなく、昔の進研究「環境トレーサビリティに基づく研究基盤

人類や家畜がどのように移動していたかなどもわの応用」を行いました。本書は 2020 年 3 月末にかります。このような手法を利用することで、私最初に取りまとめたものをベースとし、2021 年 3たちのまわりの環境について、いろいろなことを

月末、2022 年 ３ 月末および 2023 年 3 月末に新た調べることができます。私たちは、これを同位体に執筆していただいた原稿を合わせて作成したも環境学と呼び、いろいろな方々と共同研究していのです。今後も、著者と読者（興味のある方）とます。

の相互作用によって改訂していきたいと考えてい本書では、まず 1 章でちょっと面白い同位体のます。ここの説明がよく分からない、この話題が使い方を紹介します。続いて 2 章で、自治体や住面白かった、この項目をもっと詳しく知りたい、

民の方と一緒に研究した結果を、それぞれの立場

同位体でこういうことは出来るのか？など、ホーの方々から紹介してもらいます。1 章、2 章は、ムページ版「同位体環境学がえがく世界」（https://

同位体の基礎知識がなくても気軽に読んでいただ

www.environmentalisotope.jp） に ご 意 見・ ご 質

けるように作成しましたが、言葉や原理の説明が問をいただければありがたく存じます。

必要な場合は 3 章をご覧ください。
3 章では、「同位体」というキーワードを用い「同位体環境学がえがく世界：2020～2023 年版」制作協力て研究するにあたって必要な基礎知識について解

総合地球環境学研究所研究基盤国際センター説しています。使い方の例が知りたい方は、飛ば計測・分析室していただいても構いません。4 章では、地球研

陀安一郎、申基澈、藪崎志穂、由水千景、倉田純子、で行っている「同位体環境学共同研究事業」で一

淵上由里子、上田佐知子、友膳菜津子、保田昭子

緒に共同研究している方たちの研究紹介を行って総合地球環境学研究所コアプロジェクト「環境研究にいます。どの研究もエッセンスを簡単に紹介しておける同位体を用いた環境トレーサビリティー手法のいただいているので、わかりやすいと思います。

提案と有効性の検証」（2017〜2019 年度）

京都市にある総合地球環境学研究所（地球研／

陀安一郎、藤吉麗、あるがゆう、中原聖乃

Research Institute for Humanity and Nature）は、

総合地球環境学研究所特定推進研究「環境トレーサビ

地球環境学の総合的研究をおこなう大学共同利用

リティに基づく研究基盤の応用」（2020 〜 2022 年度）

機 関 の ひ と つ と し て 2001 年 4 月 に 創 設 さ れ、

陀安一郎、藤吉麗、鷹野真也

2004 年からは大学共同利用機関法人人間文化研究機構に属しています。地球研で 2017 年度から

表紙、４ 章各節の扉イラスト制作
5

寺本瞬

何がわかるの同位体？
同位体を使って何がわかるでしょうか？
同位体が教えてくれる○○のひみつを紹介します。

１ 章

何がわかるの同位体？

１章

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

はちみつの測定から、研究へ
中

原

聖

乃

（総合地球環境学研究所）
で、もうひとつリュックサックを購入し、はちみ

私は同位体を専門とする研究者ではなく、文化つを日本に持ち帰りました。

人類学を専門とする研究者です。同位体研究についての体験や測定については書けませんが、私のこれほど素朴なボトルに入ったはちみつは初め

趣味にも同位体測定を役立てることができることてだったので、フィリピンの人たちの暮らしを思をお伝えしようと思います。

い描きながら、眺めていたのですが、帰国後一か

いまははちみつブームだそうです。私もブーム

月たっても一向に固まる気配がないのです。ふつに乗って、旅行や出張の折には、当地のはちみつ

うはちみつと言ったら、寒い冬には結晶化が進み、を探し回ります。お土産専用のお店よりも、スー

スプーンでガリガリ削って食べなければいけない

パーマーケットや市場で求めます。そこには、現のですが…。もしや「混ざりもの入りのはちみつ」

地の人が日常的に使うものがあり、生活の息遣いが感じられるからです。ブラジルでは、ドイツ系移民でブラジルの文化人類学の父と言われる研究者を輩出した家系の農家を訪れ、はちみつを購入しました。どこの場所のはちみつも、花の種類が違うからでしょうか、独特な香り立つはちみつを楽しんでいます。
フィリピン出張でもいつものようにはちみつを求めました。しかし、これが偽物だったのです。
学会も終わり、トライシクルの中で運転手にはちみつを探していると告げると、ちょうど通りか

図 1．所狭しと雑多なものが並べられた市場の様子

かった市場に、はちみつを売っている店がある、というのです。寄り道してもらうことにしました（図 1）。その市場には、新鮮な野菜や雑貨があり、フィリピンの人の台所、という感じを受けました。
探し始めてほどなくすると、あるお店の奥の棚にはちみつがありましたので、購入することにしました。多少、茶色っぽい気がしたが、ペットボト
ルに売られているのがまたなんとも庶民らしく、つい買ってしまったのです（図 2）。
ところが今回は、リュック一つで出張に来ていました。はちみつは液体物なので、手荷物ではな
く、預け入れ荷物として預けなくてはいけません
が、はちみつを入れるバッグがありません。そこ

図 2．棚の奥にひっそりと売られたはちみつ
9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

人々が被ばくしただけではなく、放射能に汚染された故郷に戻れない人もいます。現在は被害に対して補償金が支払われているものの、補償金への過度の依存や、生活習慣病の蔓延、アルコールやドラッグ問題など、核実験の間接的影響が続いて
図 3．左から、今回測定した日本産はちみつ（A）乾燥前・乾燥後、ブラジル産はちみつ（B）乾燥前・乾燥後、フィリピン産はちみつ（C）乾燥前・乾燥後います。私はこのような影響を、主に現地の人びか？

と思い、手元にあった日本産とブラジル産らよかったのに、という気持ちから、結果的に間のはちみつとともに、地球研の安定同位体分析機

違った情報も含まれてしまいます。私は間違った器で同位体分析をしてもらいました（図 3）。

情報は情報としての価値がないとは思っておらとへインタビューを行って得られた「語り」によって明らかにしようとしています。ただ、この語りは、単なる思い違いや、あるいはそうであったな

数日後結果が出ました。結果は「混ざりもの入ず、むしろ間違って記憶しているその理由も含めり」どころか、ほとんど「混ざりもの」のはちみての「人びとの記憶」だと捉えています。しかしつでした（図 4）。

ながら、科学的に認められた方法論に裏付けされ思い返すと、棚への陳列の仕方がかなり不自然

たデータによって、そうした「語り」とは違う種でした。おかしいと思っても本当のところはわか類の情報が得られれば、それは人々の現状をよりりません。同位体測定ならば、明確に数値化され、多方面から説明することにつながるのではない

真偽が出ます。それが同位体測定なのです。

か、とも考えます。補償金の額によって、あるい先ほど、私は文化人類学を専門とする研究者だ

は、核実験の影響を受けた人とそうでない人とのと書きました。いま私は、マーシャル諸島におけ違いによって、食生活や体に取り込まれた化学物

る米国による核実験の被害にあったコミュニティ

質は違うのかもしれません。人びとの体にはそのの生活再建について研究しています。核実験で痕跡が残ってはいないのでしょうか。
「昔は、捕っても捕っても魚がいなくならなかった」このような語りを単なるノスタルジーと片付
けず、科学的なデータで裏付けることはできないのでしょうか。
趣味から始まった同位体測定への興味。いまは、自身の研究に生かす方法を模索しています。
著者情報
中原聖乃

図 4．はちみつを生産する植物は「C3 植物」と呼ばれ、炭素同位体比（δ13C 値）が低い（図の左の方）のに比べ、混ぜ物に使われるトウモロコシやサトウキビは「C4 植物」と呼ばれ、それら由来の糖の炭素同位体比（δ13C 値）は高い（図の右の方）という特徴があります。今回の分析結果では、80％以上が「混ぜ物」だと考えられました（正式には AOAC 国際規格 Method Number, 998.12に基づく測定法が必要です。今回は簡易的な分
析によりました）。

総合地球環境学研究所

オープンチームサイエンスプロ
ジェクト研究員。専門は文化人類学。

 （2020 年 3 月 31 日掲載）
 （2020 年 4 月 7 日改版）

10

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

物質に含まれる時間軸― 生まれ年のワイン ―
石

川

尚

人

（海洋研究開発機構）「古いものには価値がある」というのは本当でているかが分かるはずです。

しょうか？ 「もの」によって、あるいは価値を見出す「ひと」によって、答え方は様々かもしれ著者は「1969 年フランス・ボルドー産」といません。ワインはその代表例と言えるでしょう。

うラベルのついたワインの 14C 濃度を測定しましいわゆる「ヴィンテージワイン」のラベルには、た。このワインは、著者の恩師である陀安一郎先原材料となるブドウの収穫年が書かれています。

生が地球研の教授に就任した際に「生まれ年ワイ

良質なブドウが収穫された年のワインほど、あるン」として、弟子を含む関係者一同から贈られた

いはじっくり時間をかけて熟成されたワインほものです。お祝い会で参加者がテイスティングをど、高い価値がつくことが多いようです。そして、楽しんだのち、空になったボトルの底に沈んでいそれを逆手に取った様々な偽造ワインが、残念なた残渣をかき集め、乾燥させ、加速器質量分析計

がら市場に多く流通しているようです。

という機械で試料の 14C 濃度を測定しました。

それでは、ワインの作られた年を科学的に推定

その結果を図 1 に示します。横軸に西暦年、縦し、ヴィンテージワインが本物かどうかを鑑定す

軸に 14C 濃度（Δ14C）をとっています。白と黒のる方法はあるのでしょうか？

プロットで示したのは、1950 年から現在まで、

答えは「イエス」
14です。ワインの成分に含まれる放射性炭素（ C）

世界中のいろいろな場所で測定された、大気 CO2

濃度を測定する、というものです。 C は、米ソの Δ14C 値です（Hyodo et al. 2006）。1950 年代か

冷戦時代の 1950~60 年代に、大気核実験を通じら 60 年代半ばにかけて急激に上昇し、その後ゆ14て大気中へ大量に放出されました。1963 年によ   うやく大気核実験が禁止される頃には、大気中の二酸化炭素（CO2）に含まれる 14C 濃度は、自然状態のおよそ 2 倍まで増えていました。その後、植物や海による吸収などを通じて、大気 CO2 の
14

C 濃度は減り続けています。
ブドウは、光合成を行って大気 CO2 を吸収しています。そして、大気 CO2 の 14C 濃度は、そのままブドウ（ワイン）の 14C 濃度に反映されます。



図 １．西暦年と大気 CO2 の C 濃度（Δ14C）との関係（白と黒のプロット）。Hyodo et al. (2006) Functional
Ecology より。赤い丸プロットが「生まれ年ワ
イン」の測定結果。
14

先に述べたように、大気 CO2 の 14C 濃度は年ごとに決まっているので、ワインの 14C 濃度が分かれば、そのワインがいつ収穫されたブドウからでき11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

るやかに減少する傾向が見てとれます。そして、

文献

気になる試料の Δ C 値は 540±16‰（N＝3）とHyodo F, Tayasu I, Wada E (2006) Estimation of

測定されました。これは、図 1 では赤い丸のプロッthe longevity of C in terrestrial detrital foodトの場所に位置しています。この値を、年代測定

webs using radiocarbon (14C): how old areのモデルにあてはめてみると「1968 年 9 月から

diets in termites?. Functional Ecology

1970 年 9 月である確率が 97％以上」という結果

20:385-393.

が弾き出されました。すなわち、贈られたワイン

https://doi.org/10.1111/j.1365-2435.2006.01081.x

14の生産年は 1969±1 年と推定され、ワインのラベ
著者情報

ルに書かれた年の信憑性はかなり高い、と結論づ
14

けられました。大気 C 濃度の年ごとの変化率が石川尚人（海洋研究開発機構生物

大きい 1960 年代のワインだったからこそ、ここ

地球化学プログラム研究員）2011
年京都大学大学院理学研究科修まで正確に推定できたと考えられます。

了、博士（理学）。2011 年京都大学生態学研究センター博士研究員、2013 年日本学術振興会特別

さて、冒頭の問い「古いものには価値がある

研 究 員（ 海 洋 研 究 開 発 機 構 ）、か？」について、ワインが本当に古いかどうかは、

2016 年日本学術振興会海外特別14

C で分かると言えそうです。しかし、古いワイ研究員（スイス連邦工科大学チューリッヒ校）などをンには本当に価値があるのでしょうか？

経て 2017 年より現職。

その答

14

えは、残念ながら C では分かりません。自分でワインを飲んで、自分で確かめるしかないので

しょう。はたして、陀安教授にとって「生まれ年ワイン」はおいしかったのでしょうか？

答えが気になる方は、地球研に行ってぜひ聞いてみてく
ださい。

12

（2020 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

髪の毛の安定同位体比からわかる食生活
陀

安

一

郎

（総合地球環境学研究所）

1．はじめにす。私たちは、食事からこれらの元素を取り入れ

私たち人間が生きていくためには、食べ物を食ているので、私たちも生態系の「食物網」のつな

べなければいけません。言うまでもないことです

がりのなかに位置づけられます。特に、「軽元素が、私たちの体は食べ物によって作られています。

同位体」の項で述べる、炭素・窒素同位体比の図

私たちの食べ物は、野菜や果実などの植物、キノを使いますと、食べ物の傾向がわかります。

コなどの菌類、肉や魚などの動物といったように
2．日本人の髪の毛の同位体比

いろいろあります。しかし、これらはすべて植物
が太陽エネルギーを用いて光合成した産物を出発

私たちの体の同位体比を測定するにあたって、点としています。つまり、私たちの体はもとをた

よく使われるのが、髪の毛や爪です。これらは、だせば、ケラチンというタンパク質を主成分とし、刻々と二酸化炭素→植物→（動物）→人間

成長することからサンプリングもしやすい組織でという経路をたどっています。生物の体を構成す

す。 少 し 前 の こ と に な り ま す が、2007 年 か らる元素は、バクテリアからカビ・キノコ、植物、

2010 年に地球研のプロジェクト「日本列島にお動物、もちろん私たち人間も含めてほぼ共通であける人間 ― 自然相互関係の歴史的・文化的検討

り、水素（H）、炭素（C）、窒素（N）、酸素（O）、（プロジェクトリーダー湯本貴和教授）」の一環でリン（P）、イオウ（S）といった元素に加え、カ日本の 47 都道府県から 1305 名の方の髪の毛をいルシウムやマグネシウムといったミネラル類でただいて分析しました。その髪の毛の炭素・窒素
髪の⽑
⽜⾁
豚⾁

窒素同位体比（δ15N/‰）

鶏⾁
卵
海産⿂
淡⽔⿂
⾖腐
納⾖
⽜乳
チーズ
⽶
野菜（C3植物）
雑穀（C4植物）
⽜⾁（⽇本）
⽜⾁（⽶国）

⽜⾁（オーストラリア）

炭素同位体比（δ13C/‰）
図 1．1,305 名の日本人の髪の毛および食べ物の同位体比。食べ物の同位体比には髪の毛に対する栄養濃縮係数（「軽元素同位体」の項目参照：髪の毛の場合は、δ13C については 2.5‰、δ15N については 4.1‰）を加えてあるため、単純に比較することができます（Kusaka et al. 2016 を改変）。
13

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

同位体比を測定したところ、全体としてはの方向に行くほど「トウモロコシなどの C4 植物13

飼料を餌に育てられた肉類」の影響を受けている

15といえます。日本人全体としては流通が発達した

炭素同位体比（δ C）＝−19.4 ± 0.6‰
窒素同位体比（δ N）＝−9.4 ± 0.6‰となりました。

社会で暮らしているので、非常に均一な分布をし次に、いくつかの食べ物の同位体比と比較しまていると見ることができますが、個人としてはどしょう。実際にどのような同位体比を示すかは、ちらよりの傾向があることがわかります。この調同じ食材でも採集された産地、植物では肥料の与査に参加していただいた方には、それぞれ「ご自え方、動物では餌や飼育方法によっても異なりま身の髪の毛の炭素・窒素同位体比」の値をお伝えすので、必ずしもこれが一般的とは言えません。

しましたので、ご自身の傾向がわかったと思いま

ここでは、滋賀県在住の私（陀安）の食卓にのぼす。

る食材、および近辺で購入出来る食材に加え、文次に、年齢・性別を見てみましょう（図 2）。

献値も併せて記載しました。図 1 では、各自の髪女性においては年齢が高くなるほど炭素同位体比の毛の同位体比（青い点）に対して、それぞれの（δ13C）が低くなる傾向がありました。炭素同位「食べ物候補」のうち、より近い方に位置するも体比が低い食べ物は植物性タンパク（C3 植物）のの影響を、より強く受けていると言えます。

ですので（図 1）、女性は年齢が高い方ほど植物性タンパクの影響をより受けているといえます。

ませんが、一般的に「左下」（窒素同位体比と炭一方、男性については、年齢の高い方で窒素同位素同位体比が低い）の方向にいくほど「植物性タ体比（δ15N）に幾分高い方が多くなっていました。

ンパク（C3 植物）」の影響を受けており、「上」（窒

窒素同位体比が高い食べ物は海産魚ですので（図

素同位体比が高い）の方向に行くほど「海産魚」

1）、男性については年齢の高い方が、よりたくさの影響を受けており、「右」（炭素同位体比が高い）んの魚を食べておられるのでしょうか。また、男

窒素同位体比（δ15N/‰）

炭素同位体比（δ13C/‰）

この図 1 では限られた食べ物のデータしかあり

男性

女性

男性

女性

年齢

年齢

図 2．1,305 名の日本人の髪の毛の年齢・性別の炭素・窒素同位体比（Kusaka et al. 2016 を改変）。年齢に沿って有意な関係があるもののみ線が引いてあります。
14

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

性・女性に関わらず、乳児の方（年齢 =0 の線上

et al. 2016）。この中でも海産魚の食事の頻度が窒の点）は、それより年齢の高い子どもさんに比べ

素同位体比（δ15N）を高くする効果が一番高いとて高い値を示していました。これは「母乳」の影いう結果が出ました。

響だと考えられます。つまり、お母さんの体の窒
3．国別・時代別比較

素同位体比を反映している「母乳」を消化して体を作ると、栄養濃縮係数のために、乳児の髪の毛最後になりましたが、これら 2007-2010 年の日

はお母さんの窒素同位体比よりも高い窒素同位体

本人の髪の毛の炭素・窒素同位体比の値は世界的比になります。「軽元素同位体」の項目の図 2 をに見てどのあたりに位置するでしょうか？

参考にすれば、「お母さんの体を食べている」の2007-2010 年の調査では、数は少ないですが、と同じ意味になり、窒素同位体比は仮想的な栄養

韓国・モンゴル・インドの方々についても分析し段階につれて高くなっているといえます。

ましたので、図 3 に加筆しました。図 1 のままでこの研究では、髪の毛の同位体分析と同時に、重ねると見にくいので、平均値と標準偏差で簡略「牛肉、豚肉、鳥肉、卵、海産魚、淡水魚、豆腐、化して示しています。

納豆、牛乳、チーズ」の 10 種類の食事を 1 週間に何度食べるか？

インドは「左下」（窒素同位体比と炭素同位体というアンケート調査を行い比が低い）に位置します。これは、先ほど図 1 でました。アンケート結果と、髪の毛の窒素・炭素も説明しましたように、「植物性タンパク（C3 植の安定同位体比の関係を調べたところ、「統計的物）」の影響が多い傾向を示します。一方、モンに有意（p<0.05）」であるものは以下のようにな

ゴルは「左上」（窒素同位体比は高く、炭素同位りました。

体比は低い）という、先ほどは説明しなかった位
13

炭素同位体比（δ C）を高くする方向の食べ物

置にあります。これはおそらく、内陸に位置してが牛肉、卵、海産魚で、低くする方向の食べ物が海産物も C4 植物の影響も受けず、ほぼ C3 植物

15

豆腐、納豆でした。また、窒素同位体比（δ N）

由来の家畜の影響を受けているからだと考えられを高くする方向の食べ物が牛肉、海産魚で、低くます。韓国は、ほぼ日本と同じ位置にあります。

する方向の食べ物が豆腐、納豆でした（Kusaka

文献データを見ると、米国が先ほど説明した
⽇本（2007-2010）
⽇本（1984-1985）

窒素同位体比（δ15N/‰）

⽇本（1930-1950年代）
⽶国
ヨーロッパ
中国
インド
モンゴル
パキスタン
韓国（2007-2010）
インド（2007-2010）
モンゴル（2007-2010）

炭素同位体比（δ13C/‰）
図 3．日本・韓国・インド・モンゴルの 2007-2010 年に採取された髪の毛のデータ（平均値と標準偏差）と、その他の文献値の比較（Kusaka et al. 2016 を改変）。
15

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「右」（炭素同位体比が高い）の位置にあり、「トof hair. Scientific Reports 6:33122.

ウモロコシなどの C4 植物飼料を餌に育てられた

https://doi.org/ 10.1038/srep33122

肉類」の影響が強いことがわかります。また、歴Minagawa, M. (1992) Reconstruction of human

史的なデータと比較すると、1984-1985 年当時のdiet from δ 13C and δ 15N in contemporary

日本人のデータ（Minagawa 1992）は、より「上」

Japanese hair: a stochastic method for（窒素同位体比が高い）の方にあり、「海産魚」のestimating multi-contribution by double

影響をより強く受けていたことがわかります。ほisotopic tracers. Applied Geochemistry 7:

んの数十年でも人の食べ物の傾向は変わるもの

145-158.

で、これは政府の統計にも出ています。

https://doi.org/10.1016/0883-2927(92)90033-Y「人の髪の毛」の炭素・窒素同位体比は、健康
著者情報

診断のように健康状態を表すものではありません
が、個人がどのような食生活を送っているのかを

陀安一郎（総合地球環境学研究所

大まかに判断する材料になります。それは、地球研究基盤国際センター教授）1997
年京都大学大学院理学研究科修の物質循環の中で、個人として「どの位置」を占了、博士（理学）。日本学術振興めているかを表すもので、地球の中の「私」を考会特別研究員・日本学術振興会海外特別研究員を経て 2002 年総合

える材料になるのではないでしょうか。

地球環境学研究所助手、2003 年
京都大学生態学研究センター助教

文献

授・准教授、2014 年より現職。

Kusaka, S., Ishimaru, E., Hyodo, F., Gakuhari, T.,
Yoneda, M., Yumoto, T. and Tayasu, I. (2016)

（2020 年 3 月 31 日掲載）

Homogeneous diet of contemporary（2020 年 4 月 7 日改版）

Japanese inferred from stable isotope ratios

16「環境トレーサビリティー」コアプロジェクト（2017 〜 2019 年度）では、
環境のつながりを調べる科学的な方法を用いて、研究者と研究者以外の方々が協力して研究してきました。
いろいろな方々の声から、どのような研究が行われたか見てみましょう。
また、地域連携研究を行った例も紹介します。

２ 章

私たちのくらしと同位体

私たちのくらしと同位体

2 章

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「環境トレーサビリティー」コアプロジェクト
陀

安

一

郎

（総合地球環境学研究所）

1．はじめに

境モニタリング項目に採用されていませんし、社

総合地球環境学研究所（地球研）では、2016

会的認知度もありません。

年度から「コアプログラム」という仕組みをはじ

一方、さまざまな元素濃度や同位体比を用いるめました。コアプログラムとは、個別の課題や分ことで、ある物質の産地や発生源、それが生まれ

野に限定されず、さまざまな地球環境問題に適用るプロセスが明らかになると期待され、環境診断が可能であり、総合地球環境学としての基礎と汎の 精 度 向 上 や 学 際 的 研 究（Interdisciplinary

用性を持った研究を進めようとするものです。そresearch）のツールとして高い可能性を有していの「コアプログラム」の中に「コアプロジェクト」

ます。元素の同位体を用いた研究は、いろいろなが複数存在します。本項で紹介するコアプロジェ

分野の統合としての学際的研究に用いられるよう

ク ト は、2016 年 度 に 行 っ た 予 備 研 究 を 経 て、になってきましたが、社会と連携した研究を目指2017 年度から 2019 年度の 3 年間において行ったした超学際的研究（Transdisciplinary research）2）「環境研究における同位体を用いた環境トレーサ

において、トレーサブルな情報のもつ利点や価値、

ビリティー手法の提案と有効性の検証（略称：環そしてそれらの情報をどのように使うことが可能

境トレーサビリティー）」です。ここでは、簡単

か関しては、今まで考えられていませんでした。

にプロジェクトの経緯と成果についてお話ししま

そこで「環境トレーサビリティー」コアプロジェ
クトでは、多元素安定同位体比を用いた同位体地す。

図（Multi-Isoscapes）作成などをとおして、地域
2．プロジェクトが目指したもの

における環境問題を解決するうえで、この手法を地球研のプロジェクトでは、同位体を用いた研どのように使うと研究者・住民・行政の間をつな究が多くおこなわれてきました。物質を構成する

ぐことができるかついて検証しました。特に、環元素レベルで見てみますと、同じ元素でも異なる

境の繋がりに関する情報を指す「環境トレーサビ「同位体比」を持つ物質は見分けることが可能でリティ概念」が、地域における環境問題の解決にあるという特徴を生かしたものです。物質レベル

3）
至るステークホルダー（stakeholder）
 間の共通で見分けることが可能になりますと、環境中に存理解に果たす役割の有効性について検証しまし

在する物質のつながりを示すことができます。こた。その手段として、地域の方々や、実践プロジェ

れを「トレーサブル（追跡可能）」な指標としてクトとの共同研究をおこないました。一つひとつ考えることができます。しかし、物質や生物に含の自然科学的測定値は、個別のステークホルダー

1）

まれる元素の同位体比は、環境基準 のような「こにとって、それぞれ利用価値が異なると考えられれ以下にするのが望ましい基準値」のようなものます。そこで、本プロジェクトでは、利用価値をはありません。つまり、トレーサブル（追跡可能）

行政側からの視点、住民側の視点、研究者側の視な情報である同位体比は、単独で解釈することが点の相互作用としてとらえ、それぞれの視点を類

難しいばかりか、それ自体に有害性がないため環型化し、環境トレーサビリティ手法の有効性を検19

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

証しました。また、環境トレーサビリティ概念は、で維持されることが望ましい基準を定めるもステークホルダーをつなぐ信頼性の構築という意のとする」と書かれています。このように、味で、食のトレーサビリティと関係する概念だと定められた基準より数値を下げることを目標

考えられます。これについても実践プロジェクトとするというような具体的な指針を得ることと協働で検討しました。

ができます。
2）環境研究においては、学際的研究は複数の学

3．わかったこと問分野が共同で環境問題に対する研究を行う

研究は、福井県大野市、愛媛県西条市、岩手県ことを指すのに対し、超学際的研究は学術界

上閉伊郡大槌町、山梨県南都留郡忍野村、兵庫県

のみならずステークホルダーも含んだ研究を

千種川流域、滋賀県野洲川流域、フィリピン国シ指します。前者に比べ、後者は「学問」の体

ラン・サンタローザ川流域でおこないました。

系自体が変革する必要があると考えられています。

各調査地において、環境トレーサビリティ手法を用いた研究の成果を紹介するシンポジウムを開3）近年の地球環境問題に関しては、科学者が事催しました。そして、シンポジウムに来場された実を解明するだけでは解決に至らないため、地域住民の方々に対して、環境トレーサビリティ

地球環境問題を引き起こす原因を作っている手法の有効性を問うアンケート調査を行いまし人々、及びその影響を受ける人々と共に考えた。

なければいけないとされています。「公害問その結果、環境トレーサビリティ手法を、調査

題」と異なる点は、加害者と被害者が明確に地における環境問題の解決のために有効と判断し分かれていず、地球温暖化の問題のように、たステークホルダーのタイプについて、複数の調

温暖化を引き起こす要因となっている温室効

査地間に共通して次の 3 つの特徴がみられまし

果ガスの発生に関わる一方、影響を受ける立た。それは、「調査地における環境保全の対象（地場でもあるということがあります。

下水や川）と、普段から関わりがある人」、「環境トレーサビリティ手法で得られる情報に対して、

文献

普段から関心が高い人」、「シンポジウムで研究者

Mauser M, Klepper G, Rice M, Schmalzbauer BS,

によって説明される環境トレーサビリティ手法に

Hackmann H, Leemans R, Moore H (2013)

ついての理解度が高い人」でした。

Transdisciplinary global change research:

これらのアンケート調査の結果を受けて、プロthe co-creation of knowledge for

ジェクトでは、環境トレーサビリティ手法に関心

sustainability. Current Opinion inのある人を集め、興味が持てるようなウェブサイ

Environmental Sustainability 5: 420-431.

ト作りに取り組んでいます。なお、各地域でいろhttps://doi.org/10.1016/j.cosust.2013.07.001

いろな方とどのような研究を行ったかは、それぞ

西村武司、加藤尊秋、陀安一郎（2019）「同藤吉麗、れの項目をご覧ください。

位体を用いた地下水調査に対する住民意
識 ― 山梨県忍野村のシンポジウム参加者を注釈

対象に」環境情報科学学術研究論文集 33:

1）環境基本法第十六条によれば、「政府は、大133-138 doi:10.11492/ceispapers.ceis33.0_133

気の汚染、水質の汚濁、土壌の汚染及び騒音に係る環境上の条件について、それぞれ、人の健康を保護し、及び生活環境を保全する上20

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
陀安一郎（総合地球環境学研究所
研究基盤国際センター教授）1997
年京都大学大学院理学研究科修了、博士（理学）。日本学術振興会特別研究員・日本学術振興会海外特別研究員を経て 2002 年総合
地球環境学研究所助手、2003 年
京都大学生態学研究センター助教
授・准教授、2014 年より現職。

（2020 年 3 月 31 日掲載）（2020 年 4 月 7 日改版）

21

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

愛媛県西条市「千の水を採って～千点の地下水調査からわかったこと～」徳

増実（愛媛県西条市経営戦略部政策企画課地域創生室）
1．はじめにウォーターに直接アクセスして暮らしていると本市は、縦横に複数の断層が複雑に走った独特

言っても過言ではありません。また、まちのいたの地下構造を有し、東の西条平野と西の周桑平野るところに湧水（泉）が存在し、中小河川の源に（合わせて道前平野といいます）に、それぞれ地なり、清く透きとおった水が市内の水路を縦横無1）下水を貯める帯水層 が存在し、全国でもめずら

尽に流れています。このようなことから、本市は2

しい広大な自噴域が、西条平野には 8.1 km、周「水の都」と呼ばれています。

2

桑平野には 8.2 km 広がっています（図 1）。鋼管

山間部と平野の割合は日本の平均と同じ 7：3

を 20 m～30 m ほど地下に打ち込むだけで湧き上で、集水域3）には、石鎚山系や高縄山系の山々ががる地下水（自噴水）は「うちぬき」と呼ばれ、分布しています。この集水域もほぼ本市域内にあその数は 3,000 本を数えます。昭和 60 年に環境るため、一体的な水管理が可能となっています。

省（当時環境庁）から「名水百選」に選定され、平野部の年間降水量は 1,400 mm 程度ですが、山さらに岐阜県揖斐川で開かれた、“いびがわ”ミ

間部には 2 倍以上の降水量があり、瀬戸内海地域

ズみずフェスタ「全国利き水大会」で 2 年連続全でありながら水資源の豊富な地域になっていま

国 1 位に選ばれた“おいしい水”です。また 11

す。

2）

万人の市民のうち半数は自家水 を利用しておしかし、昭和の後半から平成にかけて、沿岸部

り、水道普及率は 50％ほどしかありません。つでは地下水の塩水化4）が進行し、その原因と対策

ま り、 多 く の 市 民 が 日 本 一 お い し い ミ ネ ラ ルを研究する必要が生じてきました。

図 1．道前平野の自噴帯の分布 （出典22

西条市（2017））

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．道前平野地下水資源調査研究委員会
このように地下水に恵まれているが故に、地下水に強く依存している本市では、地下水を将来にわたって保全しなければなりません。前述の塩水化や主要河川の加茂川の流況が悪くなるなど、地下水資源への不安が強まったことから、本市では市全域で地下水資源の調査をすることになりました。通常、行政の調査はコンサルタント会社に丸

図 2．水素・酸素同位体の地下でのフロー（出典 中野ら（2015））

投げして、調査結果を受け取って完了、というパターンが多いのですが、この地下水調査では、平成 19 年 4 月に道前平野地下水資源調査研究委員の指紋と言われ、水に含まれる成分と共に、水の会を立ち上げて、この委員会の中で、調査内容やつながりを明示する履歴を表す指標として利用さ手法を委託したコンサルタント会社と協議しながれてきました。例えば、降水の水素・酸素同位体

ら調査を進めました。その委員には水文学、地質、

比は標高と共に変化しますが、地下の岩石は水を水質、流動解析など各分野から地下水の有識者の含まないので、その値が保存され湧水や地下水の方々に集まっていただきました。地球研からは谷両安定同位体比は涵養域の推定や特定に有効で

口真人副所長と中野孝教名誉教授に委員になってす。例えば、4 つの涵養域（①、②、③、④）のいただきました。この委員会発足が地球研と本市降水の平均的な水素・酸素の安定同位体比が異なの関わりの起点となりました。

れば、その雨に由来する地下水や湧水も降水に類似した値となります（図 2）。一方ストロンチウ

3-1．水循環研究と水質調査

ムや硫黄の安定同位体比は地質や化学肥料によって特徴的な値を示すので、地下の堆積物や人為影

平成 19 年にこの委員会がたちあがると、各委

響に関する情報が得られます。

員から実際に調査に加わりたいとの要望があり、
中野孝教名誉教授を中心に谷口真人副所長ほか 4

水循環は、地下水と交流する地表水やその起源

年間に 22 のテーマで、地球研ほか 7 大学 8 名のである降水など、存在形態が異なる水を互いに比先生方に調査に加わっていただきました。ここで較することによって明らかになります。現在ではは、中野孝教名誉教授とのコラボレーションを中

上記元素の安定同位体や 50 種程度の元素の濃度

心に紹介させていただきます。

も比較的簡便かつ高精度で分析できるようになっ

地下水を持続的に利用するには、水循環の考えています。したがって多数の水質項目を測定でき

5）に立ち、地下水の涵養域 と地下での流動を明られば、水循環の保全や管理に必要な水の履歴に関かにした上で、流速や流量、人為影響を評価し、する情報を一挙に獲得できることになります。そ

将来の量と質を予測する科学情報が必要です。

のためには、安定同位体も含め多くの水質項目を量を予測する情報は実際の流速や流量の観測値

まとめて分析できる共用施設と共に、得られる水です。河川の管理者が測定したり、管理者の許可

質情報を共有し、水資源管理に活かす仕組みも併を取って、研究者が測ったりします。今回、中野

せて重要となります。地球研は大学共同利用機関

孝教名誉教授とコラボレーションしたのは水質のとして、こうした研究に応えうる実験施設が整備分野です。

されており、地球研との協働研究はとりわけ重要6）

分析の主な項目は安定同位体 と微量金属ででありがたいものでした。このようなことが契機す。水を構成する水素と酸素の安定同位体比は水となり、平成 21 年 8 月に地球研と本市は交流協
23

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

まれた市であることを再認識する良い機会となりました。このシンポジウム後、市民が中心になり多くの地点で井戸水の採水と水温を測定し、水質分析結果を市民と市に還元していただくプロジェ
クトが中野名誉教授から提案され、ありがたく受諾実施することになりました。「千の風になって」

図 3．西条市の河川流域（左）、地下水と河川水、降水の採水地点およびモニタリング地点（右）（出典 中野ら（2015））の歌手、秋川雅史氏が本市出身であることから、「千の水を採って」というプロジェクトの名称で定を締結し、水質履歴法の開発とその社会実装が市の広報に掲載し採水と水温測定を募りました。

より活発に進められました。

採水した地下水は 1,032 地点に及び地表水と同じ
多項目水質分析が行われました（図 3）。

3-2．地表水の多項目水質マップ

結果を水質マップとして表現することにより、地下水水質の全容が解明されました。

河川水は地下水と交流しているので、地下水と地表水を高密度に採水し、多項目にわたって水質河川の流域規模や平均標高の違いにより、水素・を比較することで、地下水の涵養域や流動に関す

酸素の安定同位体比は異なりました。例えば、加る基盤情報が得られるはずです。このため、まず茂川や中山川など平均標高が高い河川は、平野域

地表水の特徴を明らかにすることを目指し、山地でも特徴的な同位体比を示しました。この特徴は域を中心に河川の約 150 地点において、渇水期（梅予想通り地下水に現れており、河川水が川のよう

雨入り前）と豊水期（秋）の地表水を採水しました（図 3）。試料は全て地球研にて 53 成分の水質
組成と 4 種類の安定同位体比が分析され、結果、多くの水質項目について、1．季節変化より地理的変化がはるかに大きいこと、2．山地の河川水は流域の地質や降水量の違いを強く反映すること、が明らかとなりました。市が採水している
91 カ所の地下水についても同様な分析が実施され、相互に比較した結果、より多くの地点で地下水の水質項目を地図化し、河川水の結果と重ね合

図 4．地下水の硝酸態窒素濃度の分布（出典 西条市（2017））

わせて比較することで、地下水の涵養域や流動を解明できることが強く支持されました。
3-3．千の地下水の多項目水質マップ
市民に水への理解を深めてもらうことを意図して、平成 20 年 9 月に市民シンポジウムを開催しました。研究成果の紹介は一部に留め本市の水の豊さを伝えることを主眼とし、地球研スタッフと本市職員が自然科学および歴史文化の両面から講演し議論しました。台風が接近し雨中であるにも図 5．地下水の塩化物イオン濃度の分布（出典 西条市（2017））

かかわらず 300 名弱の市民が参加し本市が水に恵24

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

3-4．水質の経時的モニタリングに地下を流れる姿を可視化できました。地下水と涵養する河川の関係が明確となり、河川水が流れ

地表水と地下水の水質マップの作成と合成によている範囲など、水資源利用に重要な情報が得らり、両水の因果関係が明確になり、水に及ぼす降れました。

水や地質などの自然環境、流域の人間活動の影響

他の水質成分からは、さらに異なる情報が得らとその原因も明らかになってきました。しかし地れました。窒素汚染の実態は硝酸イオンの分布に

下水資源の将来予測には、地下水流速などの情報現れており（図 4）、土地利用や窒素同位体情報も必要です。水質マップから鍵となる地点を選定から、その要因が施肥に起因すると示唆されましできた（図 3）ので、水循環を構成する地下水やた。塩化物イオンやマンガンなどの分布からは、

河川水、降水を毎月回収し、水温と共に水質につ

塩水化は還元的環境下で進んでいることが示されいても同様なモニタリングが実施されました。

ました（図 5）。また輝安鉱の廃鉱山によるアン

同じ加茂川に由来する地下水であっても、浅層

チモンが浅層地下水にのみ現れており、「うちぬの地下水は水温変化が大きいのに対して、自噴水き」の保全にとって貴重な情報も得られました。

の水温変化はほぼありません。前者は水質マップ

ストロンチウムと硫黄の安定同位体比は流域地

から、加茂川が平野に入った後の伏流水であると質と良い一致を示し、それらと相関の高いミネラ

考えられます。伏流する涵養地点と地下水地点（例

ル成分も含めて、岩石の化学風化と水質の関係もえば大町小学校）における水温および水質の時間

明らかになりました。これらの同位体情報は、水的な違いから、1 日 10 m ほどの流速がある非常から養分を吸収する植物や農水産物に反映されまに速い地下水であると考えられます。いっぽう自す。本市は水を生かした農業を目指しており、地

噴水の涵養域は、水質マップから浅層地下水より質に由来する同位体情報は、農水産物や食の地域

さらに山地側にあることが判明しています。モニ

認証指標として利用できます。また「うちぬき」

タリング結果も、水温や水質の季節変化が小さく、の地下水を涵養する加茂川は、平野域に入る前か

浅層地下水より涵養域が離れ、深部をゆっくり流

7）

ら伏流 しており、断層によって陥没した砂礫層動しているという考えを支持しています。水質情が地下水プールを形成し、断層や上位の地層を構

報をさらに解析され、流速も含めその流動が明確成する細砂や粘土が不透水層となっている可能性になることが期待されています。

など、自噴水形成に関与する地下環境についても

降水の水素・酸素同位体からは、本市に降った

新たな知見が得られました。

雨の再蒸発による寄与が指摘されています。一方

水質分析の結果は、採水に参加した市民一人一

重金属元素濃度は地表水や地下水に比べて 2 桁程

人に簡単な説明文を加えて報告されました。それ

度高く、中には水道水の水質基準をこえる鉛濃度と共に、第一回市民シンポジウムの成果を本としを示す降水も見られました。このことは、降水由てまとめ、熊本などの地下水研究の先進事例の紹来の重金属元素は土壌に吸着されていること、す介も併せて、第二回目の市民シンポジウムを開催

なわち地下水涵養域である山地の森林土壌が優れし、地下水分析全体の結果が中野名誉教授によりた浄化機能を果たしていることを示しています。

報告されました。参加した市民は 600 人におよび

重金属元素濃度が高い降水は冬季に多く、ストロ

ました。同様な湧水・地下水問題を抱える自治体

ンチウム同位体比を用いた解析からは、アジア大は多く、岩手県大槌町や山形県遊佐町、福井県大陸からの越境汚染の可能性が指摘されています。

野市などからも首長や職員が参加し、後述のよう

しかし鉛同位体比は 10 年前の中国鉛と異なる値に新たな展開につながりました。

を示しており、中国の急激な経済成長に伴う発生源の変化が示唆されています。このことは、同位25

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

体も含めたモニタリングの実施と継続の重要性を良い地層であり、一般には地下水取水の対象示しています。

となり得る地層のこと
2）各家が自らの土地にパイプを帯水層まで打ち

4．今後の展望について

込みポンプ等でくみ上げた水
3）降った雨や溶けた雪は地表を流れて川に流れ

平成 19 年から実施されてきた道前平野地下水

こみますが、雨や雪が流れ込む範囲

資源調査の結果は、平成 29 年 8 月に西条市地下水保全管理計画としてまとめられました。現在は、

4）地下水帯水層に海水が混入し、地下水の塩素

この計画を基にした、地下水の保全に関する条例

イオン濃度（塩分濃度）が高くなること
5）地表の水（降水を主としてほかにも、湖沼水・の見直しを目指しています。
水質マップやモニタリングにより、本市一流域

河川水、貯水池・雨水浸透ますなどの水、そにおいても、広域的な大気環境変化の影響を受けの他）が地下浸透して帯水層に水が供給されていることが明らかになってきました。

るエリア

本市では、同じような地下水・湧水問題を抱え

6）放射性同位体のように放射性崩壊をせず、一る地域との連携が重要と考え、情報交換や交流を定の比率で自然界に安定に存在する同位体

行ってきました。岩手県大槌町でも沿岸域の湧水

7）河川水が河川敷や旧河道の下層にある砂礫層利用に向けて、本市と同様な水質マップを作成し、に流れ込むことを意味します。加茂川の場合、湧水保全域の基礎情報になっています。その成果

岡村断層の山側から裂罅水として、帯水層に報告も兼ねて大槌町で開催された復興シンポジウ

流れ込んでいると考えられています。

れっか

ムでは、私が参加しネットワークの強化を図りました。秋田県遊佐町では、鳥海山山塊の岩石採取

文献に伴う出水により、山麓部の湧水枯れの可能性が中野孝教、斎藤 有、申 基澈、佐々木和乙、徳増

大きな問題になっています。同町においても、同実（2015）「RIVER FRONT」Vol. 81、 公 益

様な水質マップを作成して検討した結果、採石場

財団法人リバーフロント研究所、pp. 26-29

上流部の湿地帯の保全の重要性が指摘されまし徳増 実、山田佳裕、高瀬惠次、中野孝教（2019）

た。いっぽう大野市では湧水再生室を設け、湧水「長期観測結果からみた愛媛県西条平野の断保全に向けた様々な取り組みを実施されています

層が地下水位に及ぼす影響について」、地下が、将来の環境教育の一環として、水質マップ作

水学会誌、第 61 巻第 3 号、pp. 183-196

りを学校教育の中で開始しています。こうした研西条市（2017）、西条市地下水保全管理計画

究により、各地域の水循環の特徴が明確になってきました。各地で得られるデータを利活用できる

著者情報

ようになれば、地域性の強い水循環の特徴を理解

徳増 実（西条市経営戦略部政策企画課地域創生室）1982 年愛媛大学大学院農学研究科修士課程修了、1982 年道前福祉衛生事務組
合（構成団体：西條市ほか 1 市 2 町）
化学分析センター、2004 年西条市市民環境部環境課、2016 年愛媛大学大学院連合農学研究科博士
課程社会人コース入学、2017 年より現職。

する上でも有益であると考えています。
また、地球研と本市との交流協定に基づき、平成 29 年度から政策情報交換会を開催し、お互いのニーズやシーズを出し合い、さらに win-win の関係を築いて行こうとしています。
注釈

（2020 年 3 月 31 日掲載）

1）地下水で満たされた砂層等の透水性が比較的（2020 年 4 月 7 日改版）

26

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

山梨県忍野村の取り組み
大森（山梨県忍野村昇企画課）

2．忍野村の異なる地盤

1．はじめに本村は明治 8 年（1875 年）に旧内野村と忍草

忍野村は山梨県の東南部、富士北麓に位置し、村が合併し、現在忍野村役場は村のほぼ中心部に村内には富士山世界文化遺産の構成資産であり、あり、役場より東側を内野地区、西側を忍草地区

国の天然記念物にも指定されている八つの湧水池と称し、大きく二つに分かれています。

「忍野八海」が点在している、風光明媚で水と自このような村ですが、忍草地区から縄文時代早然に恵まれている面積 25.05 k㎡、人口約 9,600 人期の土器が見つかったことや小臼・大臼をはじめの高原の村です。地形は平坦で、周囲を山々に囲多くの遺跡があることから、村はすでに縄文時代

まれ、居住地区は役場を中心とした東西の平坦なころから人が住んでいたと考えられています。特集落に集中しています。また、村の二地区は地盤に「笹見原遺跡」からは平安時代の遺物として「水（地質）も大きく異なり西側の忍草地区は地下水

神・可」の墨書土器が見つかっていることから、位が高く軟弱地盤の上に住宅が建てられ、一方東忍野村は古くより水と深くかかわる文化を重ん側の内野地区では富士山の溶岩流とみられる堅固

じ、生活用水や農業用水として利用されてきまし

な地盤の上に住宅が建てられているといった両極た。

端な地盤となっている特徴があります。

しかし、昭和 50 年代後半になり地下水を生活
3．地下水流動の把握

用水等として利用してきた井戸の水位が低下し始め、生活用水を確保するためのボーリング工事がこのような地形から近年多発しているゲリラ豪

行われるようになり、それを契機に村は住民の生雨等の急激な降雨により居住地域内の排水路など

活用水等を確保するための上水道事業を計画し、から水が溢れ、住宅地への浸水や交通障害など日村全体に上水道を整備することに決め、昭和 58

常生活に支障をきたす状況が生じたため、村とし

年度より事業着手し、昭和 62 年 8 月 20 日一部地て村民の安全・安心な暮らしを確保するべくゲリ

域で共用が開始されましたが、約 20 年が経過しラ豪雨等による水害対策を検討することとなりまたころで水源の水質悪化が確認されたため、新しした。検討の過程で調整池や既存河川の改修、河い水源を確保し、安全で安定した給水が出来るよ

川隋道等が有力な候補案として出されました。

う施設も移転し住民の生活用水の確保に努めてき

そこで問題となってきたのが地下水脈の把握でました。それと並行して地下水の保全にも力を注した。特に国の天然記念物や富士山世界文化遺産

ぐべく、地下水の村外持ち出し等を規制する地下に登録された構成資産にもなっている「忍野八海」

水資源保全条例を平成 23 年 9 月に制定し、村かの存在でありました。調整池や河川改修、河川隋ら地下水が持ち出されないように資源の保全に努道を建設する場合には雨水を取り入れるための工めているところです。

事として、地中に溝を掘る導水路工事を行う必要があり、その工事を行うことで忍野八海の水脈に何かしらの影響があっては大変なことになると考27

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

え、それならば事前に「忍野八海」を含む村内のさらには平成 29 年 8 月 7 日～ 9 日までの 3 日

地下水の流動方向を確認するべきではないかとの間の日程で 2 回目の現地調査に臨み、調査にあ結論に至り調査を行うこととなりました。

たっては前回と同様に 3 班に別れて村内の湧水地
並びに個人宅の井戸等の地下水を採取し、前回と4．地球研とのかかわり

同様の作業を実施しました。

しかし、いざ調査を行う段階になり本調査業務

2 回目の調査では前回とどのような変化が見らを行えるところとはどの様な会社なのか、委託業れるのか解析なども併せて実施いたしました。

務先の見当すら全くつかない状況で困っていたと
5．これまでの取り組みで解明されたこと

ころ、山梨県世界遺産センターのプレオープン時に秋道所長と出会い、今の忍野村の課題を提示し2 回の村内現地調査及び定期的な雨水採取などたところ所長より「私が所属している『総合地球から忍野村の地下水について 2 つのことが判って

環境学研究所（以後「地球研」という。）』では、きました。

その様な調査・研究を専門として行っている研究（1）地下水の流動は南側から北側に向かう流れ

チーム（後の「コアプロジェクト」）がある」とと東側から西側に向かう流れの大きく 2 つの情報をいただいたため、秋道所長を介して「地の流れがある。

球研」の研究チームをご紹介いただき、本村の調（2）湧水の年代も遊水池で異なり、5 ～ 8 年の査目的や依頼内容を説明したところ、調査を引き比較的短い期間と 20 ～ 30 年の長い年月と受けていただけることの了解を得たため、調査にがある。

着手出来ることとなりました。また、同時に「コ6．中間報告と意見・質問

アプロジェクト」のメンバー（自治体）としてプ
ロジェクトへ参加させていただき、「地球研」と調査の結果を受けて忍野村では「地球研」と協協働で調査を行うこととなりました。

議を行い、調査の中間報告として多くの人たちに調査の事前準備として「地球研」のコアプログ

知っていただきたいとの思いから『富士山の湧水

ラムディレクターである谷口副所長やコアプロと文化：忍野八海 ― 忍野の水はどこから来たジェクトリーダーである同研究所の陀安教授ととの ? ―』と題して、平成 30 年 1 月 20 日に「地球もに平成 28 年 8 月 15 日、9 月 7 日及び 11 月 11研」との共催で忍野村公開シンポジウムを開催し、

日と 3 回の打ち合わせを経て、同年 11 月 11 日に調査結果を踏まえた中間報告を「地球研」の薮崎

平成 28 年度の委託業務契約を締結し、平成 29 年

研究員が行い、基調講演として山梨県立富士山世

1 月 17 日～ 19 日までの 3 日間の日程で 1 回目の界センターの秋道所長はじめ元山梨県埋蔵文化セ

現地調査に臨みました。調査にあたっては「地球ンターの新津所長、産業技術総合研究所地質調査研」の谷口副所長や陀安教授、地球研職員のほか

総合センターの戸崎研究員がそれぞれの分野での村役場企画課職員とで 3 班に別れて村内の湧水地

講演を行っていただきました。また、シンポジウ

並びに個人宅の井戸等の地下水を採取し、現地でムには約 300 名余りの方々にご参加いただき、参は水温、PH 値、電導度等を測定、また同位体比

加者からは地下水の年代や地下貯水量など様々なを測定するため採取したサンプル水を「地球研」

視点でのご意見・ご質問をいただき、少なからずへと送り、計測分析等を行っていただきました。

シンポジウムに参加された方々については忍野村

併せて毎月、富士山や杓子山など「忍野八海」の地下水流動についてご理解いただけたのではな

周辺地域の降雨を採取し、雨水と湧水の関係性にいかと思っています。

ついても調査を実施しているところです。
28

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

7．今後の展開

ならば、富士山に降った雨や雪などが地下水とな

現在も継続して流動調査を行っていますが、平り、富士山周辺地域にどの様な影響をもたらすの成 31 年度（令和元年度）からは流動調査に加えかなど解明できれば、富士山周辺に湧き出る地下て新たに地下貯水量の調査も始めたところなの

水としての貴重な資料となるのではないかと期待で、今後は両調査を継続して実施し、各種データを膨らましているところです。

を蓄積することで、詳細な分析・解析につながり、
著者情報

新たな事象が判明するのではないかと期待しているところです。

大森昇（忍野村

企画課課長）

昭 和 60 年 4 月 忍 野 村 役 場 入 庁、

今後は調査において得た貴重なデータや資料な

建設課、教育委員会、水道課、観どを多くの人に知っていただけるような周知の場

光産業課等を経て、平成 28 年 4や展示施設などを整備し、富士山と湧水の関係に

月より現職。

ついても掘り下げていければと考えているところです。

 （2020 年 3 月 31 日掲載）

また、富士山周辺の自治体との協力体制が整う

29

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

この水、どこから来たの？
― 山梨県忍野村の調査事例 ―

藪

崎

志

穂

（総合地球環境学研究所）
1．忍野村の湧水と地下水

動は場所により異なる特徴を有することが予想さ皆さんは“忍野八海”という名称を耳にしたこれます。言い換えれば、村内の地下水は場所にとがあるでしょうか。これは山梨県南都留郡忍野

よって水の起源が異なるということになります。

村で湧き出している湧水のことで、日本で最も標

地下の水がどこから来たのかを知ることは、持高の高い富士山の一帯で涵養された水として知ら

続的な水利用や地下水保全、災害の対策などを考れています。忍野八海はその名のとおり八つの湧える際に重要な情報となります。本研究では、忍水池（出口池、お釜池、底抜池、銚子池、湧池、濁野村広域を対象として、地下水や湧水などの水質

池、鏡池、菖蒲池）から成り、2013 年 6 月 26 日にの特性や地下水流動について把握することを目的

世界文化遺産富士山の構成資産として認定されまと し て 地 下 水 調 査 を 実 施 し ま し た。本 稿 で はした。富士山の雄大な山容を背景に湧き出す清冽Yabusaki et al.（2023）の結果を元に、調査の概な湧水群を見るため、国内のみならず海外からも要について以下に説明します。

多くの観光客が忍野村を訪れ、賑わいを見せてい2．忍野村の自然環境ます。特に、冬の晴れた無風の早朝に冠雪の富士
山を湧水池の水面に映す、いわゆる逆さ富士を眺め

忍野村は山梨県の南東部に位置し、周縁は標高

ると、その美しさに暫く見惚れてしまいます（図 1）。

950〜1,600 m ほどの山で囲まれ、中央部が低地

忍野村には忍野八海以外にも複数の湧水があり、となる盆地状の地形となっています。低地部の標

また地下には豊富な水が蓄えられています。村の高は約 930 m、村内の面積は 25.05 km2 です。村

民家の多くは敷地内に井戸を持ち、水道設備がの南西方向には標高 3,776 m の富士山が聳え、村整った現在でもこの井戸水（地下水）を生活用水の北部から東部は道志山塊の山と接しています。

などに利用されている方々も多くいます。また、村内には、桂川が南から北に流れ、新名庄川が東地下水は農業用水や食品加工などにも利用され、から西に流れています。両河川は村の西部で合流

住民にとっては欠くことのできない大切な資源でして、桂川として富士吉田市方面に流下しています。こうした豊富な地下水は、周囲を高い山に囲す。また、忍野八海のうち七つの湧水は桂川と新まれた地形的な条件と水を貯留しやすい地下の構

名庄川の合流地点の近くに分布しており、残る一造によりもたらされており、まさに自然の恩恵をつの湧水（出口池）は南に約 900 m ほど離れた受けているといえます。忍野村の南西部には富士位置にあります。

山の裾野が広がり、北部から東部の周縁部は道志

地質の特徴として、村の中央付近の低地部には山塊と接しており、これらの山地で涵養された水

新生代第四紀完新世の非海成の堆積岩、北・東・が地下水となって忍野村の地下を流動していると南東の山地部には第四紀更新世〜完新世の堆積岩

考えられます。また上述したように異なる山塊に（火山灰）、村の南西部には富士山から噴出した完接していることから、忍野村の地下水の水質や流新世の火成岩（玄武岩）がそれぞれ分布しています。
30

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

層地下水は自治体の観測井や水源井、工場の井戸などが対象となっています。湧水は忍野八海とその他の湧水を調査しました。なお、自噴井とは地下水が自然に地表に湧き出す井戸のことを指し、湧水とは地下の水が自然に地表に湧き出していることを意味しています。
現地では EC（電気伝導率）、pH、水温、ORP（酸化還元電位）を測定、可能な地点では地下水位を計測し、加えて水質分析用の採水をおこないました。水 質 分 析 に 関 し て は、陰 イ オ ン（F-, Cl-,
NO2-, Br-, NO3-, SO42-, PO43-）および陽イオン（Li+,

図 1．冬の鏡池（2017 年 3 月撮影）

Na+, NH4+, K+, Mg2+, Ca2+）はイオンクロマトグラ

地質断面図によると、場所によりやや特徴が異な

フ（ICS-3000, Thermo Fisher Scientific）、HCO3-

りますが、富士山に近い村の西部では地下 100 m

は pH4.2 アルカリ度滴定法、酸素と水素の安定同以上にわたり富士山起源の玄武岩質の溶岩や火山、
位体比（δ18O, δ2 H）は CRDS 法（L2130-i, Picarro）

灰、スコリア（玄武岩質の黒っぽい色をした軽石。

微量成分（51 元素）は ICP-MS（7500cx, Agilent）

岩滓ともいいます）などが堆積しています。

で測定しました。

忍 野 村 の 平 均 気 温 は 10.6 ℃、年 降 水 量 は
4．忍野村の水質の特徴

1,568 mm です（いずれも気象庁のアメダス観測

忍野村の水質の特徴の概要を図 2 にまとめまし地点「河口湖」の 1981〜2010 年の平年値）。
土地利用では、村の周辺の山地部には森林が広た。浅層地下水の水質（Ca-HCO3 型で、Mg2+ とがり、村の中央部の平地には住宅地や水田、畑がSO42- の割合も高い）と深層地下水の水質（Ca-

分布しています。また、忍野村ではトウモロコシHCO 3、（Ca+Na）-HCO 3、（Ca+Mg）-HCO 3、Na-が特産品となっており、春から夏にかけて栽培がHCO3 型を示す）は異なっており、それぞれ異な

盛んに行われています。

る帯水層の水であることは明らかです。また、忍野八海などの湧水の水質（Ca-HCO3 型で、Mg2+

3．調査方法と SO42- の割合も高い）は湧水の近くに位置する忍野村の広域調査は、2017 年 1 月 18〜19 日、

浅層地下水の水質組成と近似しており、地下水がおよび 2017 年 8 月 8〜10 日に実施しました。本

湧水に流入など相互関係があると思われます。ま

研究では、地質の特徴により、井戸深度が 30 m

た、浅層地下水では 1 月と 8 月に溶存成分濃度に以下のものを浅層地下水（不圧地下水）、井戸深差異が生じる地点がありましたが（夏季に NO3-

度が 30 m よりも深いものを深層地下水（被圧地が高い値を示す地点があり、農業活動の影響と予下水）としました。1 月の調査では、浅層地下水

想）、深井戸や湧水では季節変化は殆ど認められは 49 地点、深層地下水は 11 地点、自噴井は 1 地ませんでした。また、浅層地下水や深層地下水の点、湧水は 11 地点、8 月の調査では、浅層地下

水質は、村の東部と西部では特徴に差異が生じる

水は 53 地点、深層地下水は 28 地点、自噴井は 1

傾向があり、地下水流動と関係していると考えら

地点、湧水は 11 地点、河川水 2 地点、温泉水 1れます。特に、P（リン）や V（バナジウム）は地点で、それぞれ調査・採水を実施しました。浅富士山を涵養域とする水に多く含まれていますの層地下水は村内の住民のお宅の井戸が主体で、深で、これらの元素濃度は富士山起源の水とその他
31

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．忍野村の水質の特徴の起源の水を区分する際に活用することができまれました。地下水流動を明らかにするために、す。本調査地点においても P や V の濃度に差異

2017 年 1 月と 8 月の調査時に測定した地下水位をが認められ、特に村の西部の深層地下水でこれら元に地下水流線を作成して、地下水流動をそれぞの濃度が高くなる傾向が認められました。

れ求めました。その結果の概要を、浅層地下水は

182

深層地下水の安定同位体比（δ O や δ H）は、

図 3 に、深層地下水は図 4 にそれぞれ示しました。

浅層地下水や湧水の同位体比と比べて相対的に低深層地下水と浅層地下水にはやや違いがありま

1）

い値を示しており、同位体が有する高度効果 のすが、全体的にみると概ね同じ特徴を有していま特徴により、深層地下水は浅層地下水や湧水よりす。忍野村の西部では、南から北に向かう地下水

も標高の高い場所で涵養された水であると考えら流動が認められ、これは富士山で涵養された地下れます。

水が忍野八海方面に向かう流れに相当します。こまた、村の北部に位置する自噴井のみ Ca-SO4の地域には村の水源井も含まれており、村内の水

18型の水質組成を示し、δ O と δ H が調査地点内

道は富士山起源の水を利用していることが調査ので最も低く、明らかに忍野村の他の調査地点（浅結果でも明らかになりました。一方、村の中央か層地下水や深層地下水、湧水）の特徴とは異って

ら東部では、東から西に向かう地下水流動が認めおり、不思議な水です。δ-ダイアグラムの結果から、られ、これは道志山塊で涵養された地下水が村の

この自噴井の水は天水（降水）起源であることは西側に流動する流れに相当しています。また、浅示せましたが、仔細はまだ明確にはなっていませ

層地下水については、東から流れてきた地下水がん。自噴井の水の起源がどこにあるのか、可能性

村の中央付近で北側の新名庄川に向けて流動するの一つとして温泉水の混入が考えられ、微量成分

地 下 水 の 流 れ が あ り ま す。2019 年 8 月 お よ び

や Sr（ストロンチウム）安定同位体比の結果を2020 年 1 月、3 月、10 月に実施した河川流量調用いて現在検討を進めているところです。

査（未公表データ）の結果において、上記の地下

2

水流動が河川と交わる付近で河川流量が増加する
5．忍野村の地下水流動傾向が認められ、従って地下水が河川に流入し河水質の特徴から、忍野村の浅層地下水や深層地

川流量が増加している可能性が示唆されました。

下水には異なる地下水流動系があることが予想さ

これは本調査の結果と矛盾がありません。
32

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

後の持続可能な水利用に役立てることができると期待されます。
謝辞
本調査を行うにあたり、忍野村役場

企画課の皆さま、忍野村の天野多喜雄村長、および職員の皆さまに大変お世話になりました。また、井戸の調査や情報提供にご協力いただきました住民のみなさまにも深く御礼申し上げます。

図 3．忍野村の地下水流動（浅層地下水）

注釈1） 降水の酸素および水素の安定同位体比は標高と負の相関を持ち、標高の高い地点で降る降水ほど同位体比が低くなります。この特徴を同位体の高度効果と呼んでおり、地下水や湧水の涵養域（涵養標高）を推定する際に活用されています。
図 4．忍野村の地下水流動（深層地下水）

文献

6．まとめ

Yabusaki S, Taniguchi M, Tayasu I, Akimichi T,

忍野村広域を対象とした調査の結果、浅層地下

Ohmori N, Gotou K, Watanabe H, Watanabe S,

水や深層地下水、湧水などの水質の特徴を把握し、Furuya S (2023) Water quality characteristics

さらに地下水位観測から地下水流動を推定するこand dynamics of groundwater and springとができました。その結果、忍野村では村の西部

water revealed by multi-tracers in Oshino,と東部で地下水流動が異なり、特に村の西側の地

Yamanashi, Japan. Geochemical Journal, 57

下水（井戸水）は富士山の影響を強く受けた水（富(1), 28–41.

士山で涵養された水）であることを把握しました。

https://doi.org/10.2343/geochemj.GJ23003

また村の中央から東部では、東側に連なる道志山
著者情報塊で涵養された地下水が流れていると考えられま藪崎志穂

す。涵養域の山体の規模や地質の特徴を考えると、筑波大学大学院 博士

課程 生命環境科学研究科を修了。

忍野村ではおそらく富士山起源の地下水のほうが2016 年 4 月より総合地球環境学

涵養量は多く、比較的多くの水を利用することが研究所に所属。専門は同位体水文できるのではないかと考えられます。しかしなが学、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

ら、涵養量以上の水を使ってしまうと、地下水位質の特徴把握、福島県や仙台市のの低下や湧水の枯渇および湧出量の減少を招くこ

沿岸域の地下水調査、忍野村の地とに繋がりますので、地下水の利用には注意が必

下水流動観測などを行っています。

要です。本調査で明らかとなった地下水流動に加え水収支の情報などを複合的に用いることで、今

33（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

福井県大野市の取り組み（福井県大野市

帰

山

寿

章

民生環境部上下水道課）
ほんがん

大野盆地は古くから地下水が豊富で、飲料水なや平成 20 年に平成の名水百選に選ばれた「本願どの生活用水をはじめ、農業や工業など様々な用

清水」などの湧水地が点在するだけでなく、平成途に利用されています。また、名水百選に選ばれ8 年には本市が「水の郷百選」に選ばれたように、

しょうず

おしょうず

た「御清水」などの湧水地が点在するだけでなく市民と水の関わりは特に深いものがあり、水と共

市民と水の関わりには特に深いものがあり水と共生する生活様式や水に関わる伝承など、特有の湧生する生活様式や水に関わる伝承など特有の文化

水文化を育んできました。

を育んできました。
2．地下水低下と湧水の枯渇

しかし、高度経済成長期に地下水位が低下し、湧水の減少・枯渇が進んだため本市特有の湧水文

湧水と共に生きてきた本市ですが、昭和 40 年

化を後世に引き継ぐことが困難な状況になりつつ代後半から 50 年代にかけて地下水位が低下しまあったため、地下水を保全するための様々な施策した。これにより、多い時で約 1,000 軒の家庭でを行っています。

井戸が枯れたり、名水百選の「御清水」や平成の名水百選の「本願清水」が枯渇したりしました。

1．はじめにその原因としては、①九頭竜川や真名川の上流

本市は、福井県の東部に位置し、北は石川県、にダムができた、②市街地の上流域で土地改良事

東は岐阜県に接し、大野盆地を中心に山々に囲ま業が進み原野が無くなり保水力が落ち、かん養量

2れた地形であり、総面積 872.43 km の内約 87％が減った、③繊維産業が盛んで、市街地に約 200を森林が占める自然豊かな地方都市です。

社あった繊維工場が大量に地下水を使用した、な

また、白山を源とした九頭竜川とその支流であど諸説あります。

る真名川、清滝川、赤根川の 4 つの一級河川がそ
3．地下水の保全施策

れぞれ、北に向かって流れています。
大野盆地は古くから湧水が豊富で、人々はこの本市では、地下水を保全するために地下水審議

しょうず

湧水を「清水」と呼び親しんできました。

会を昭和 48 年に設置し、昭和 52 年に地下水保全

古くは約 440 年前に織田信長の家臣であった金条例を制定しました。また、市民全体で地下水を森長近が湧水を利用した城下町を整備しました

守るために、新たに地下水を採取する者は届け出が、その城下町は当時では珍しい上下水道を完備ることや、冬期間の融雪のために地下水を使用ししたものでありました。

ないことなどを定めました。

現在でも中心市街地では各家庭に自家用ポンプ

また、地下水が低下する冬期間には、水田に水が設置され、飲用や炊事用、あるいは風呂やトイをため充て、かん養する「冬期水田湛水事業」を

レ、洗濯、洗車にも地下水を使用していることを

昭和 53 年から開始し、更に平成 8 年には、水環

はじめ、農業や工業など様々な用途に利用されて境のシンボルにするために水源地域にあるブナのいます。

天然林を約 200 ha を購入しました。
平成 12 年には地下水保全基金をつくり、地下

また、昭和 60 年に名水百選に選ばれた「御清水」
34

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

水保全のための基金を市民から募集しました。そを制定しました。この条例では、売買の事前の届して平成 13 年・14 年には本市の地下水の現状を出のほか、山林の中で工作物を作る場合も届出を総合的に把握するため「大野市地下水総合調査」

し、事前協議を行うこととしています。
市民の取り組みとして、国の天然記念物であるを行いました。そしてこの調査に基づき地下水の健全な管理を行うことを目的に「大野市地下水保「イトヨの生息地

本願清水」における清掃活動

全管理計画」を策定しました。

があります。本願清水では、過去には子どもたち

その後、湧水をただ守るだけでなく、湧水に関がイトヨと一緒に泳いで遊んでいましたが、昭和わる文化も後世に残していく必要があると考え53 年には水枯れが起き枯渇状態になってしまっ「越前おおの湧水文化再生計画」を平成 23 年に策たことを契機に、市民総出による湧水再生に向け定しています。

た活動などが昭和 60 年代の初めから始まり、小この「越前おおの湧水文化再生計画」では地下

学校の子どもたちと大人が一緒に清掃活動を行う

水位の最終目標値が設定されており、基本観測井などの様々な努力の甲斐があり、現在は湧水地がの「御清水観測井」で 1.2 m、「春日公園観測井」

復活したところもあります。

で 5.5 m、「菖蒲池観測井」で 7.0 m としています
4．地球研とのかかわりが、これは先に記述した「大野市地下水総合調査」
において、「御清水」が湧水で満たされるためのそんな中、平成 24 年に愛媛県西条市で開催さ水位が 1.2 m とされており、「御清水観測井」のれた「名水サミット」において、大野市の「本願水位が 1.2 m の時、「春日公園観測井」では 5.5 m、

清水イトヨの里」の館長をお願いしている森教授「菖蒲池観測井」で 7.0 m となるとされたためでの紹介で、総合地球環境学研究所の中野教授の「千あります。

の水をとって～千点の水の調査からわかったこと」の講演を聞き大野市でも調査をお願いしまし

水位の観測を始めた昭和 50 年代にはこの目標た。

水位より下回った日数は年間 30 日程度でありましが、過去 10 年平均をみると年間 100 日を超え

総合地球環境学研究所、香川大学、同志社大学ており、平成 21 年には 200 日を超える状態でした。

と、本市の小学校が連携し、本市の市街地にある

しかし、平成 23 年に「越前おおの湧水文化再約 8，000 本の井戸などから採取したデータを使っ生計画」が策定され、国・県・市をはじめとするて水温調査を行いました。これは、近年の地球温関係機関や団体などと連携し地下水保全の取組み

暖化により気温が上昇しているのに伴い、本市のを強化した結果、目標水位の超過日数は徐々に減

地下水の温度も変化しているのかを調査するため

り平成 25 年には 0 日となりました。

に行ったもので、市内の小学 4 年生～ 6 年生に、各家庭で使っている地下水の温度を、調査日を定

関係機関の取り組みの主なものとして、国土交
九頭竜川ダム統合管理事

めて一斉に測定してもらうことで、本市の水温の務所による真名川ダム弾力的管理や福井県の真名

変化を監視ししながら学童期からの啓発効果を

川水際掘削及び河岸攪乱があります。これらによ

狙っています。

通省

近畿地方整備局

り地下水に大きく関与している真名川の澪筋の固地球研以外の研究機関・大学と連携した取り組

定化や樹林化を解消され、真名川からの地下水浸みも行っています。筑波大学とは、平成 25 年度

透が進み、水位の改善が図られたものと考えていから大野盆地で安定同位体による水循環解析の調ます。

査を進めています。

また、山林が外国資本に買収されるという事例

また、国土交通省の国土技術政策総合研究所にを受け、平成 24 年には「大野市森・水保全条例」

は、平成 25 年と 26 年の 2 か年で「水循環解析モ35

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

デルによる大野盆地の地下水の流れ」を解析してへ発信し、ブランドを確立するための主要なプロ

いただきました。

ジェクトと考えています。

このように当市は水循環を考えていくうえでの
6．今後の展開研究フィールドとして近年注目されています。

本市では地球研と合同で古民家をリノベーショ
5．「水への恩返し」Carrying Water Project

ンした「水のがっこう」の整備を進めています。

これまでの取り組みにより大野市の地下水は回

これは、「水」や「湧水文化」の保全・継承・復の兆しを見せていますが、市民には地下水は活用に総合的に取り組むための施設を整備し、水「有って当たり前」の意識が根強く残っています。

に関する学習や情報発信の拠点とするものです。

そこで、市民が水への感謝と誇りを再認識し、施設の 1 階は学習スペースとし、各大学の研究

その思いや行動を世界に向けて発信することで当成果や地下水に関するパネルの展示、研究の発表

市のブランド力を高め、交流人口の増加と人口減会、情報交換会等を開催するほか、観光客や遠足

少対策の一つとして「水への恩返し」を基本理念

で本市に訪れた方が自由に水について学習する場に「Carrying Water Project（以下 CWP という。）」に利用します。
2 階は研究室になります。水に関する研究者（大を実施しました。
CWP 活動は市民・企業から寄付を募り、水環

学、研究機関）がフィールドワークを行う時の活境に恵まれない地域への支援とともに、大野の恵動拠点とし、簡単な検査や資材の保管場所としてまれた「水」を核とした地方創生に向けたブラン

活用します。
多くの研究者にこの施設を利用していただくこ

ディング活動を展開するものです。
大野の豊かな水について国内だけでなく世界にとで「水」という貴重な地域資源を生かし、大学

発信することで、大野の人々が水に恵まれている等研究機関による研究の場、展示や情報発信等のことを再認識するきっかけとするもので、これに場として活用し、地域の活性化を図りたいと考え

より、産業や人材を育て特産品などの競争力を高ています。
この施設は令和 2 年 3 月 22 日（世界水の日）め、地域経済が活性化し、中長期的には人口減少にオープンしたばかりです。多くの皆様のお越し対策とする狙いです。

をお待ちしています。

水環境に恵まれない地域への支援として、公益財団法人日本ユニセフ協会とパートナーシップを

著者情報

締結し、安全な水の確保に苦しむ東ティモール民
主共和国への 2017 年から 3 年間、現地の子供たち

帰山寿章（大野市民生環境部

が清潔で安全な水を使えるように支援しました。

下水道課

上

課長）1983 年大野市

役所入庁、2012 年大野市産経建

なお CWP に必要な資金は、市民、企業からの設部寄付の他、ふるさと納税や「越前大野名水マラソ

建設整備課

湧水対策室に配属、2019 年より現職。

ン」などの各種イベントの参加者からの寄付を募るなど、全国に支援の輪を広げていきました。

 （2020 年 3 月 31 日掲載）

CWP を通じ、水に関して困難を抱える地域と

絆を結び、支援や交流を図ることによって、大野
市民が自らのアイデンティティをより深く理解するきっかけとすると同時に、CWP は国際的な貢献活動で「水で未来を拓くまち＝大野市」を世界
36（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

兵庫県千種川流域― 地元住民の調査が原動力となった環境問題解決への取り組み ―藤吉麗（総合地球環境学研究所）

兵庫県西部に位置する千種川流域では、地元住ことができます。さらに、膝まで川に浸かった時民の手による「千種川一斉水温調査」が 2002 年に肌で感じる水温の冷たさやぬるさによって、川から毎年続けられています。総合地球環境学研究の状態を実感することができます。

所は 2015 年より神戸大学とともにこの調査に参
2．千種川の現状と課題

画し、水の詳細な化学分析を通して千種川の水環境の解明を目指しています。地元住民による調査

兵 庫 県 西 部 に 位 置 す る 千 種 川 は、 流 域 面 積が原動力となり、千種川の水環境についてさまざ

754 km2、本川流路延長 72 km の二級河川で、流まなことが明らかになってきました。

域内には県内の 2 市 4 町（赤穂市、相生市、たつの市、宍粟市、上郡町、佐用町）が含まれていま

1．住民主体の「千種川一斉水温調査」

す。昭和の名水百選に選定された清流を有し、ア

千種川では、毎年 8 月の第一日曜日に、川の源

ユやオオサンショウウオなどの生物が生息してい流から河口までの全 94 地点において、川の水温ます。一方、2009 年の兵庫県西・北部豪雨の洪と電気伝導率を調べる「千種川一斉水温調査」が水被害を受けて、兵庫県は 2015 年にかけて大規行われます。この調査は、「千種川の環境の現状

模な災害復旧工事を実施しました。その結果、川を知りたい」という流域の住民の強い気持ちに応

幅拡張工事が行われた中流域を中心に水深が浅く

じて、兵庫県立人と自然の博物館の提案によってなり、水温上昇が確認されています。2019 年の2002 年に始まりました。調査のリーダーを務め調査では、全地点のほぼ半数の 45 地点で水温がる横山正さんは、「元々は千種川を大事に思う住30 度を超えました。横山さんは、「災害復旧工事

民が、川の上流や下流でホタルの観察やチチコ釣は必要だったが、川に棲む生き物にとっては、夏りなどの活動を個別に行っていた。千種川全体をの暑さをしのぐために淵などが必要。今後、人工視野に入れて、みんなで共通の活動をしたいと考的に瀬と淵を作るなど、生き物の生息環境への配えたときに、この形ができた」と調査のはじまっ慮が必要。行政には、水温調査の結果を参考とした背景を説明しています。

て活かしていただきたい」と話しています。

水温は、水に溶ける酸素の量と関係し、水温が3．毎年の水温調査からわかってきたこと

上がると水に溶ける酸素の量が減少し、アユに代表されるような生物の生息にとって悪影響を与え調査をはじめるまでは、住民の方々がなんとなるため、水生生物の生息環境の指標となります。

く感覚的に思い込んでいたことが、水温調査を継また、電気伝導率は、数値が高いほど水に溶け込続していくことで様々な発見が蓄積されていきま

む物質が多いことを示し、河川水の汚染の指標のした。調査開始時には、「川は上流の千種が冷たく、一つとなります。これらの指標を使うことで、だ下流の上郡や赤穂に行くほど高くなる」と思い込

れもが簡単に環境の良しあしを大まかにとらえる

んでいたものが、実際は支流ごとに温度分布があ37

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

ることに気がつきました。次の発見は、中流部でも最高水温を示す地点があったことです。農業用の風船ダムが 100 m の区間に 2 つ、3 つもあり、川が流れておらず、農業に起因する環境であることがわかりました。さらに、水温の低い小さな支流が合流する地点では、スポット的に温度低下効
果があることもわかり、細流の重要さを再発見しました。その後も、冷たい水塊が存在できる深い淵、たっぷり酸素や餌の虫を供給する瀬の重要さなど、当たり前の事実を再認識でき、アユやうなぎが減少する原因を実感しました。その一方で、2009 年の水害後の災害復旧工事による短期間の環境変化、瀬や淵の消失、細流の水路化などの高水温エリアの拡大をも実感することとなりました。
4．総合地球環境学研究所と神戸大学の参画による調査からわかってきたこと
総合地球環境学研究所は 2015 年より神戸大学とともにこの調査に参画しています。水温と電気

図 1．千種川流域の水質（ミネラル成分）の分布と特徴（山本 2016）

伝導率の測定に加えて、参加者の方々に採水をお願いし、水の詳細な化学分析を行っています。
これまでに、カルシウムイオン、塩化物イオン

流域の 5 つのライオンズクラブ合同主催によるなどの主要イオンの濃度を調べ、水質としての千「千種川フォーラム」で紹介しました。また兵庫

種川の特徴を明らかにすることができました（図県立人と自然の博物館が開催する「共生のひろば」

1）。

にて、2018 年と 2019 年にポスター発表を行い、また、様々な人間活動（生活排水、農業の施肥

住民の方々から様々な意見をいただくことができなど）から川に排出される硝酸イオンについて、川の中の硝酸イオンがどこからきたか？

ました。

を、安

住民の方々からいただく意見は、「そこに住ん

定同位体分析 とよばれる手法を用いて調査してでいるからこそ知っていること」であり、それがいます（図 2）
。この調査から、流域内の 2 つの研究を進める上での大きな進捗のきっかけになる

支川（大日山川、矢野川）では硝酸イオンの起源

ことがあります。例えば、川の中の塩化物イオン

が有機質肥料と排水に由来する可能性が高いことの濃度について、地点ごとの濃度が高い低いなどが明らかになりました。

の傾向がわかったが、その原因が見えなかったと

1）

きに、「この辺りは冬に道路が凍結するから融雪
5．研究成果を住民と共有し、視点を重ね合わせ剤をまく。その影響ではないか？」と鋭い指摘をることの重要さいただきました。実際に起きている問題の解決の総合地球環境学研究所と神戸大学の参画から得点でみると、住民の方々だからこそ気づく「生活られた研究成果の一部は、2018 年 6 月に開かれた、者としての視点」と、研究者が提供できる「客観38

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

硝酸イオンの酸素安定同位体比

硝酸イオン濃度(mg/l)

大 日山川

硝酸イオンの窒素安定同位体比

矢 野川

図 2．安定同位体分析を用いた、千種川流域の硝酸イオンの起源推定（右の図は、2018 年 8 月の千種川流域の硝酸イオン濃度の空間分布。左の図は、安定同位体分析 1）を通した硝酸イオンの起源推定に用いる図）的な視点」を合わせることで、地域の問題解決におよび酸素の安定同位体比を調べることによ

向かいやすいのではないかと感じています。

り、硝酸イオンの起源や動態に関する情報を「千種川一斉水温調査」は、年々参加者の高齢得ることができます。

化が進み、参加者人数も減少してきていることか
ら、調査自体の継続が懸念されています。総合地

文献

球環境学研究所と神戸大学は、調査を主導するメ山本雄大（2016）卒業論文「兵庫県千種川の水質

ンバーの方々にこれまでの研究成果を全て還元

に関する地球化学的研究」、神戸大学

し、今後の調査の方向性を決めるためのサポート
著者情報を全力で行う所存です。

藤吉麗

総合地球環境学研究所「環境研究における同位体を用い注釈

た環境トレーサビリティー手法の

1）硝酸イオン（NO3-）は窒素原子 1 つと酸素

提案と有効性の検証」研究員。博

原子 3 つからできています。窒素原子には、士（環境科学）。2016 年に北海道大学大学院環境科学院で学位取得

質量数 14 と 15 の二種類の、安定に存在する

後、山形大学農学部附属やまがた

窒素原子があり、これらを互いに同位体といフィールド科学センター附属演習

います。同様に、酸素原子には、質量数 16

林に技術補佐員として勤務。2017 年 6 月より現職。

と 18 の二種類の、安定に存在する酸素原子があります。窒素および酸素に含まれるこれ（2020 年 3 月 31 日掲載）

ら同位体の比率を安定同位体比といい、窒素（2020 年 4 月 7 日改版）

39

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

リン酸酸素安定同位体比を使ってリンはどこからやってくるのかを調べる
石

田

卓

也

（総合地球環境学研究所）
1．リンが引き起こす環境問題

河川へのリンの供給源を特定するために、リン酸河川や湖沼に関わる環境問題として、富栄養化

酸 素 安 定 同 位 体 比（δ18OPO4） を 用 い ま し た。

や赤潮といったことばを聞いたことがあるでしょδ18OPO4 とは、リン酸（PO4）の酸素（O）の安定

うか。富栄養化は、水に溶けている栄養素が異常

同位体比（16O と 18O の比）のことで、リンの供に増える現象で、家庭、工場、農業排水が未処理

給源や生態系内の循環プロセスを評価できることのまま河川などに流れることで発生します。富栄から、世界中の研究者が注目しています。リンの養化した状態の河川や湖沼では、増殖の速いプラ

供給源毎にある δ18OPO4 値を持つので、供給源とンクトンが異常繁茂します。プランクトンの色素

河川の δ18OPO4 値をそれぞれ調べ、河川の値がどによって水が赤く染まって見えることから赤潮との供給源の値に近いのか、土地利用との関係はど呼ばれます。プランクトンが異常繁茂すると、ほうなのかなどを調べることで、どの供給源からのかの生物が生きられなくなります。

負荷が大きいのかを評価することができる可能性

リンは生物にとって必須栄養元素でエネルギーがあります。しかし、分析方法が非常に難しいの

代謝や遺伝など多くの生命活動に関わっていま

で、世界的に見ても、δ18OPO4 を分析している研す。同時に、河川を含む多くの生態系において生究室は多くありません。そのため、この分析によっ物に利用可能な量が少ないため、生物の成長や増て実際に何がどこまでわかるのかは、あまりわ

殖を制限する要因になっています。そのため、リ

かっていませんでした。

ンは最も富栄養化や赤潮の原因になりやすい栄養

私たちの研究グループでは、この分析技術を習素の一つといえます。リンがどこから河川や湖沼

得するため、多くの試行錯誤をくり返してきましにやってくるのか、リンの供給源を特定することた。そして 5 年以上の歳月をかけ、ようやく分析が富栄養化を改善するために非常に重要になりまできる目途がたち、δ18OPO4 を適用した河川調査す。

を行いました。調査は滋賀県の琵琶湖へ流れこむ
河川の中で最大の野洲川で行いました。δ18OPO4

2．リン酸酸素安定同位体比でリンの供給源を調を分析するためには、まず試料となる河川水をべる

20 ～ 40 L 採取し、それを濾過・濃縮する必要がリンは、岩石や土壌などの自然物から、そしてあります。これを野洲川の上流から下流まで 30

工場、家庭の排水や農業などの人間活動によって地点で、くり返さなければならず、合計で 800 L

河川へ流入します。これらのリンの供給源のうち、の河川水を集めました。一つ 20 kg のタンクを何

どれが最も重要なのかを特定することは、その河回も持ち運ぶ作業は身体的にとても大変で、その川流域の土地利用や地質、排水の処理状況など

後の試料処理は深夜にまで及び、精神的にもとて様々な要因が関わってくるので、そう単純ではあもつらいものがありました。その後、リン供給源

りません。そこで、私たちの研究グループでは、の候補となる試料（下水処理水、水田土壌、森林40

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．野洲川のリン酸酸素安定同位体比の同位体地図。色の違いはリン酸酸素安定同位体比の違いを示している。〇で示しているのが実際の調査地点で、ラインになっているものが予測した河川のリン酸酸素安定同位体比を示している。

土壌、岩石、肥料）も採取しました。そのすべてのりました。この評価方法を活用することで、河川試料の実験処理にさらに 1 年以上が必要でした。

や湖沼での効果的な水質改善策を考えるうえで重実験処理には、高度な専門知識と経験を必要とす

要な情報を提供できると期待できます。現在、フィる操作がいくつもあります。分析技術を習得した

リピンの人為かく乱の影響が強い河川でも同様のとはいえ、私たちは多くの失敗をくり返してしま

調査をしており、フィリピンの水質保全対策へ活いました。それでも地道に作業をつづけ、ようや

かそうと考えています。

くリン供給源と 15 地点分の河川水のデータを得ることができました。残念ながら採取したうちの文献

半分、15 地点分の河川試料の実験はうまくいか

Ishida T, Uehara Y, Iwata T, Cid-Andres AP,

ず、データを失うことになりました。しかし、残Asano S, Ikeya T, Osaka K, Ide J, Privaldos

18

りのデータから野洲川の δ OPO4 がどのような空OLA, Jesus IBBD, Peralta EM, Triño EMC,

間分布をしているのかを示すことができました。

Ko CY, Paytan A, Tayasu I, Okuda N. (2019)18

河川と供給源の δ OPO4 と流域内の土地利用や

Identification of Phosphorus Sources in a

地質などのデータを合わせて解析することで、野Watershed Using a Phosphate Oxygen

洲川流域では、岩石と水田が重要なリン起源であIsoscape Approach. Environmental Science

ることが明らかになりました。さらに、土地利用& Technology 53: 4707‒4716.

や地質の情報を統合することで野洲川の安定同位https://doi.org/10.1021/acs.est.8b05837

18

体比地図を作成し、δ OPO4 を「見える化」する
著者情報ことができました（図 1）。将来、流域内で新たなデータを手に入れたとき、この同位体地図と比較

石田卓也（総合地球環境学研究所することで、今回の調査では見つけられなかった

栄養循環プロジェクト研究員）
2015 年名古屋大学大学院生命農

リン起源の有無を評価できると期待しています。

学研究科博士課程後期（農学）修

多くの時間がかかりましたが、この研究で、私了。2016 年から現職。

18

たちは世界で初めて、流域スケールで δ OPO4 を適用し、リンの供給源評価に成功した先駆者とな （2020 年 3 月 31 日掲載）
41

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

フィリピン、シラン・サンタローサ流域の人の生活と地下水
上

原

佳

敏

（総合地球環境学研究所；現所属 WorldLink & Company Co. Ltd.）

1．安定同位体比情報を社会や人々の暮らしの中でどのように活用できるのか？
環境中の水や土などの物質や生物に含まれている元素の安定同位体比は、生態系や環境中の物質の起源の推定や、物質の化学反応過程中の進行の程度を評価する事が出来ます。そのため、単に科学者や専門家だけが安定同位体情報を扱うのではなく、様々な分野の研究者が集まり協力して研究を行うような（学際的な）地球環境学の枠組みの中での利用方法や、さらには環境問題を解決する
ため、専門家や政治家、地域に住んでいる住民な

図 1．シラン・サンタローサ流域の位置

ど、社会と連携して行う超学際的なアプローチにおいて、安定同位体情報をどのように活用するのかを検討する必要があります。
私たちはフィリピンの一つの流域を対象として、地域住民や行政と協働で河川や地下水の調査を行いました。得られた安定同位体比などの科学的な知見を現地の人たちと共有しながら、環境問題の解決に向けて取り組んできた事例を紹介します。
2．シラン・サンタローサ流域で生活している人々

図 2．中流域の様子の意識で行ったシラン・サンタローサ川の調査では、中シラン・サンタローサ流域は、フィリピンのラ流から下流にかけて河川の窒素やリンなどの栄養

グナ湖西部に位置しています（図 1）。
首都マニラの発展に伴い、人口増加や経済成長

塩濃度が高く、生物多様性が非常に低いことがわが急激に進んでいます。そのため、下水処理場な

かってきました（Peralta et al., 2019）。ちなみにどのインフラ整備が不十分な状態で、急激な開発

この川は、上流部でさえゴミが大量に捨てられてが進んでいます。

おり、下流域ではひどい悪臭を放っています。そこの流域の上流域には農地が広がっており、中のため、調査の時はいつも胴長を着て、両手にビ

流域には自動車や飲料水製造などの工業地域があ

ニール手袋の上からゴム手袋を着用し、厳重な体り、下流域には住宅地が広がっています（図 2）。

制で調査に臨んでいました。その一方で、上流域

総合地球環境学研究所の栄養循環プロジェクトから中流域の一部では、自然環境が残っている場
42

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 年版所があり、川が遊びの場であり、生活の場として利用している集落もあります。
この流域では、河川の多面的な基礎調査研究と並行して、地元の行政職員と共に地域住民に対して聞き取り調査を行い、地域の課題や地域の人たちが持っている環境に対しての経験知識を抽出しました。その結果、中流域から下流域にかけての地域住民らは、河川や身近な自然への関心が低い
が、健康や生活に関わっている地下水については関心が高いことがわかってきました。さらにこの流域では、農業や企業活動、生活用水における地下水依存度がとても大きいため、地下水の汚染や枯渇が懸念されています。
そこで私たちは、普段地域住民が生活に使用し

図 3．聞 き取り調査から得られた井戸の深さ（上図）と水の酸素安定同位体比（下）ている井戸水や、水道会社が使用している地下水
ついて、汚染の状況や水や汚染源を明らかにするために、地下水中の重金属の濃度や、水の酸素・水素安定同位体比、窒素安定同位体比を測定しました。
3．地下水の起源と地下水汚染
井戸の所有者からの聞き取りから、井戸の深さを聞き取りプロットしたものと、水の酸素水素安
定同位体比の情報から、上流部から中流部にかけて、人々の生活で使用されている井戸水（地下水）
は、ほぼ同じ δ18O の値を示していることから、

図 4．硝酸態窒素の窒素と酸素の安定同位体比

同じ帯水層であり、地下でつながっている事が示されました。また、下流部の一部の井戸の δ18O

している事がわかりました（図 4）。

は河川水の値に近い事から、河川水が井戸水に混入している事が示唆されました（図 3）。

4．結果（科学的知見）の共有と、地域の経験値

また地下水には、有害な重金属元素の汚染は無との融合

いことがわかりましたが、上・中流部の地下水は流域全体の地下水や河川水の状態を、安定同位

硝 酸 態 窒 素 の 濃 度 が 高 く、 一 部 の 井 戸 か ら は

体情報を基に地理情報システムやグラフで可視化

WHO の飲用水の基準値を超える濃度の硝酸態窒する事で、地下水や河川水は上流と下流は繋がっ素が検出されました。さらに、地下水中の窒素のている事がわかりました。フィリピンの行政機関

起源については、安定同位体の情報から流域の上や地域住民と結果の共有などのワークショップを流から中流では農業の肥料由来の窒素であること重ねた結果、流域全体で“水”について考える必がわかりました（図 4）。また、中流から下流の要性が確認されました。そこで、この流域内にあ地下水の硝酸態窒素は、有機質肥料と排水に由来

る 3 市の市長や地域行政職員、町長や住民、企業
43

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 年版などの利害関係者が集まるフォーラムが開催され文献ました。このフォーラムでは、参加者どうしで、

脇田健一・谷内茂雄・奥田昇編（2020）「流域ガ

水や身近な自然についての議論や科学的知見の共バナンス」京都大学学術出版社

有が行われました。また、上流から下流までの水

Peralta, E M, L S Batucan Jr, I B B De Jesus, E

や人の繋がりを表現した「A water journey」のM C Triño, Uehara Y, Ishida T, Kobayashi

映像鑑賞を通じて、人と自然、上流と下流、人とY, C-Y Ko, Iwata T, A S Borja, J C A

人の繋がりを実感しました。このフォーラムをBriones, R D S Papa, F S Magbanua, Okuda

きっかけに、国の機関・行政に向けて「水管理のN (2020) Nutrient loadings and deforestation

仕組み、制度」の要求がなされました。

decrease benthic macroinvertebrate
diversity in an urbanised tropical stream

5．まとめ

system. Limnologica 80: 125744

このように、安定同位体情報を基にした研究結
著者情報

果をコミュニケーションツールとして活用し、専門家だけでなく、行政や地域住民らが協働で環境上原佳敏（総合地球環境学研究所；

問題について考えるのを促すという事に活用でき

現 WorldLink & Company Co.
Ltd.）2015 年九州大学大学院生物

たと感じました。

資源環境学府修了、博士（農学）。
2015 年総合地球環境学研究所研究員を経て、2019 年より現職。



44（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

広域の地下水流動を把握する― 自治体と地球研の連携研究による地域貢献 ―
安

部

豊、

内

山

佳

美

（神奈川県自然環境保全センター）

1．はじめに：背景とすることから、5 年ごとに実行計画を見直しな

1-1．神奈川県の水源環境保全・再生の取り組み

がら取り組みを進めることとなっています（内山・森林の手入れ遅れなどにより林床の下層植生が山根，2008；神奈川県環境農政部緑政課，2010）。

衰退した荒廃人工林においては、水源かん養機能
1-2．水文モニタリング調査・研究の低下による豪雨に伴う洪水の増加、土壌侵食・流出、土砂崩れなどの災害リスクが高くなること

上記の取り組みでは、手入れ遅れの森林の間伐

源林地域（図 1）において、森林の水源環境を保全・

神奈川県自然環境保全センターの研究部門では、再生するための取り組みを始めました。この取り森林管理が渓流水の流出や土砂流出にどの程度効

組みは水源環境保全税を財源として森林管理を行果があるのかを観測・検証することを担当しておい、その森林環境への効果の調査・研究結果をもり、県内の水源林エリアの 4 か所に精緻な調査・とに、行政と県民とが一緒になって将来の水源林研究エリアとして試験流域を設定しましたづくりを話し合いながら事業を進めることになっ（図 1）。図 2a に示すような数 ha 程度の集水地形ています。また、不確実性の高い自然環境を対象を呈した試験流域において、渓流水の流出量を

修正コメントが指摘され、社会問題となっています。神奈川県
や植生保護柵の設置、シカの生息密度管理などの2020.01.28 初校では地図の⽂字が⾒にくくなっては全国の自治体に先駆けて、平成19（2007）年
森林管理事業を実施し、加えて、これらの事業がしまっていたので、原稿のサイズを考えて、⽂字のから、将来にわたる良質な水の安定的な確保を目
水循環や生態系などの自然環境にどのように影響
⼤きさや配置を修正しました。 を与えるかを評価する調査・研究を行っています。
的として、神奈川県内の丹沢山地を中心とした水

10 分間隔で連続観測する流量堰（図 2a 写真）や、地下水観測井（50 m 深）、気象観測システムなど

東京都
山梨県

を設置し、渓流水流出量、土砂流出量や降水量、地下水位を長期的かつ精密に観測する水文モニタ

相模湖
相模原市

リング調査1）を行っています。間伐や植生保護柵

宮ケ瀬湖

丹沢⼭地

設置などの森林管理事業を実験的に行い、前後の神奈川県

渓流水の流出量の変化を定量的に観測すること

厚木市

で、森林管理が及ぼす水循環への効果を把握して

相模川

丹沢湖

静岡県
小田原市

います（内山・山根，2013）。水文モニタリング
調 査 の も う 一 つ の 重 要 な 役 割 は、 観 測 開 始 の試験流域
⽔源林エリア
⼈⼯林
広葉樹林

2012 年からの長期間のデータを蓄積することで、現在の環境を知るだけでなく、将来の気候変動などによる変化を知るための基準もしくは基盤情報になることです。

図 1．神奈川県の水源エリアと試験流域
図1 神奈川県の⽔源エリアと試験流域

145

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(a) ⼩スケールの試験流域での⽔⽂モニタリング調査
整備あり

試験流域 (数ha)
整備なし

河川流量観測地下⽔位観測
深さ50m
の井⼾

流量堰

河川流量
を⽐較

森林整備による変化に伴う⽔循環の変化を定量的に観測するのに有効試験流域 (数ha)(b) 広域スケールでの⽔循環• 地下⽔や河川⽔の流動は
広域スケールで流動• 数haの試験流域 (⼩スケール)の⽔流動は⽔源
かん養エリアの⼀部

試験流域(⼩スケール)の⽔流
動は、広域スケールの⽔流動と同じとは限らない

河川⽔

⽔源かん養エリア※地形・地質はイメージです

⽔利⽤エリア

図 2．小スケール試験流域と広域スケールの水循環の概念図
図2 ⼩スケール試験流域と広域スケールの⽔循環の概念図
1-3．なぜ広域スケールが必要なのか
1-4．トレーサー手法の利点

水文モニタリング調査から、試験流域においてトレーサー手法は、広域スケールの水循環を把森林に降った雨が林内や地中でどのように移動握する研究に有効です。水試料に含まれる溶存イ

し、下流の河川に流出しているかなどの水循環の

オ ン 成 分（Na+、K+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、Cl-、

特性がわかってきました（Oda et al., 2013；横山NO3-、SO42- など）や各種同位体は、雨が降った

ほか，2013；Abe et al., 2020 など）。ただし、水年代や標高、雨との土や岩石と接触、地中の移動

源環境を保全・再生する取り組みのミッションはなどの水流動の歴史を記録しています。情報を持

水源林エリア全体を対象としています。そのため、

つ水質や同位体をトレーサー（追跡子）と呼び、各試験流域で得られた水循環の特性や森林管理のトレーサーの性質から記録された情報を読み解き効果を、わかりやすく県民の皆様に説明したり、ます。例えば、山地で降った雨水の酸素安定同位2）

行政にフィードバック したりする際には、水源体比は、標高が高いほど低い性質があるので、あ林地域の全体像として示す必要があります。しかる地点の河川水の酸素安定同位体比を分析するこし、数 ha の試験流域のような小規模スケールでとで、河川水がどの標高で降った雨で構成されての現象を単純に広げても、必ずしも広域スケールいるのかが推定できます。また、1 地点での採水の現象と同じとは限りません（図 2b）。一つとしで上流域の代表の値として広域の情報を読み取るて同じ形の木がないように、水循環特性を決めることができます。河川水を例にすると、ある 1 地

重要な環境条件（地形や土壌、地質、植生など）は点で採取した河川水は、その上流域から集まって小スケールの流域ごとに異なります。そのため、きた水が混合しているので、広域の水質・同位体

広域スケールの水循環の特性を把握し、試験流域の代表値として扱うことができます。局所的な不（小スケール）の現象が広域スケール特性の中でど均質が目立たない、より空間的に広域で平均的なういう特徴があるのかを把握することが重要です。

情報が手に入る点も広域スケールを把握するのに利点といえます。
そのため、本研究は水源地域全体の地下水流動46

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

を含む水循環の特性の一端を明らかにすることを

水質や同位体の値がどのような水の流動現象を表目的として、試験流域を中心とした周辺地域におすかを考察し解釈するには、高度な専門知識と解ける雨水・河川水・湧水・地下水に含まれる特定析経験が必要です。本研究の場合は、著者が水同の成分を水質・同位体トレーサーとして用いた調位体を用いた地下水流動研究の経験があったた

査・研究を行いました。本稿では、試験流域 4 かめ、水流動に関する同位体トレーサーを解釈する所のうち、相模湖に面する「貝沢」と丹沢山地西ことはできますが、地質構造が多様である丹沢山部の「ヌタノ沢」試験流域における、観測井の地

地や小仏山地においては、地質の情報も地下水流

下水と湧水に焦点を当てて紹介します。観測井の動にとって重要でした。そのため、地球研の申基

深さは 50 m と深く、深層の地下水であるといえ、

澈（Shin, Kicheol）准教授の協力を仰ぎ、水と岩湧水は地下水が地表面から流出した水であり、地石の相互作用も含めた広域水循環の把握を目指す

表面近く（表層）の地下水を表します。表層近く

体制ができました。

と深層の地下水がどのように流動しているか、2

この研究連携のキッカケになったのは、地球研に所属していた経歴を持つポスドク3）であった著

つの地域に絞って考察します。

者を当センターで雇用していたことでした。当セ
2．県と地球研をつなぐ

ンターではこの大規模な研究プロジェクトのため地方自治体がトレーサーを用いた水循環を把握に数名のポスドクを特別研究員として雇用していする高度な研究を行うには、「分析」と「解釈」るため、県職員だけでなくいろいろな背景や経験が大きな壁となります。それを解決してくれたのを持った人が一緒に研究しており、様々な情報がが、総合地球環境学研究所（以下、地球研）との集まり、人とのつながりが広がります。これらの連携でした。

人のつながりが本研究での自治体と研究機関の連水循環を対象にしたトレーサー手法の手順は、携に役に立ったといえます。

①現地調査での採水、②室内分析、③考察・解釈、のおおむね 3 つの行程があります。行程①に関し

3．研究でわかったことて、県で既に水源地域の各試験流域で様々な環境

3-1．研究対象地域と研究方法調査が行われており、調査地点の選定や許可申請、貝沢とヌタノ沢の試験流域において、表層の地採水調査はスムーズに行うことができました。こ

下水としての湧水、地表面から 50 m の深さで掘こは自治体が得意とするところです。しかし、行削した地下水観測井から深層の地下水を採取しま

程②の溶存イオン成分や同位体などの室内分析にした。貝沢は、約 5200 〜 3200 万年前と約 1 億年

関しては必要な分析機器は高価なことなどから、前〜 6500 万年前に海溝で複雑に変形した地層（付自治体の研究機関ではほとんど所有していませ加体）の境界に位置し、ヌタノ沢は、約 1500 万ん。分析専門の民間会社に依頼することもできま

年前〜 700 万年前の花崗岩質の深成岩を基岩としすが、分析料は高価で、多くの地点を測定するこています。17 地点で 20 試料の地下水および湧水とが難しくなります。地球研の実験施設は多くのを採取する調査を行いました。調査時期は降水が分析機器を所有しているだけでなく、外部者でも少なく、地下水への影響が少ない冬季（2018 年

分析機器を利用できる共同利用事業を行っていま

11 月〜 2019 年 3 月）に行いました（図 3）。採水

す。もちろん、使用者は分析技術と知識を持ち、した水試料の溶存イオン成分、酸素・水素安定同

学術研究目的である必要がありますので、それら位体比（δ18O，δ 2H）、ストロンチウム同位体比の条件をクリアした上で分析機器を利用すること（87Sr/86Sr）の分析には、地球研の分析機器を使ができました。また、行程③に関して、分析した用しました。
47

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

採水の作業状況

ヌタノ沢周辺の地質：花崗閃緑岩

貝沢の地質踏査
現場で話し合いながら水循環を考える

貝沢の地質：泥岩由来の変成岩

ヌタノ沢周辺の渓流水図 3．調査状況写真

3-2．水質・同位体トレーサーから読み取る

した。一般に高い標高での降雨は低い同位体比に
図3 調査状況写真

図 4a は、溶存イオン成分の特徴を比較するたなることから、貝沢では地下水は湧水よりも高い

めの散布図で、図中の I 〜 IV は地下水の大まか

標高（遠い場所？）で地下水になった雨を起源とな水質タイプを表します。貝沢では地下水はタイしている可能性が考えられました。図3 4c はスト

プ III で、湧水はタイプ I であり、異なる水質タ

ロンチウム同位体比を水の種類を分けてプロット

修正コメントイプを示した一方で、ヌタノ沢では、地下水も湧2020.01.28 図中(c)の「ストロンチウム同位体」を
水もタイプ I で同じでした。また、図 4b の酸素・「ストロンチウム同位体⽐」に修正しました。
2020.01.28
溶存イオンの注釈の説明⽂の⽂字を⼤水素安定同位体比の散布図では、貝沢では地下水
きくしましたが湧水に比べて離れて低い値であり、ヌタノ沢でしたものです。貝沢は 0.707 〜 0.709 の範囲に分布
し、ヌタノ沢の 0.704 付近にまとまっていました。
これらの水質・同位体トレーサーの特徴から考えると、どうやら貝沢の深層の地下水は、湧水とは地下水と湧水のばらつきは大きくありませんでは異なる場所で形成された地下水のようで、試験流域やその周辺の表層の地下水とは分断され混ざ(a) 溶存イオン成分※

III

II

I
0

50
Na+ + K+ (%)

100

87Sr/86Sr(c) ストロンチウム同位体比

⾙沢

湧⽔(周辺)
湧⽔(内)地下⽔

湧⽔(周辺)
湧⽔(内)
地下⽔

0.710
0.709
0.708
0.707
0.706
0.705
0.704
0.703

‐52

IV

50

0

り合うことなく流動してきたと推察できます。一(b) 酸素・水素安定同位体比

ヌタノ沢

方、ヌタノ沢では、深層の地下水と表層の地下水‐54
δ2H (‰)

Cl− + SO4 2− (%)

100

‐56

を表す湧水は、水質組成も同位体の特徴も似てお‐58

り、同じような流動の歴史を持っているか、混ざ‐60

り合っていることが考えられました。

‐62

‐9.5

‐9.0
‐8.5
δ18O (%)‐8.0

3-3．トレーサーと既存研究からわかる地下水流動

地下⽔ (⾙沢流域内)
湧⽔ (⾙沢流域内)
湧⽔ (⾙沢周辺)
地下⽔ (ヌタノ沢流域内)
湧⽔ (ヌタノ沢流域内)
湧⽔ (ヌタノ沢周辺)のまとめ
水質・同位体トレーサーから読み取った地下水
流動の特徴と、既存の調査・研究結果を合わせて、※全陰イ オン中のCl−+SO42− の割合と、前陽イオン中の
Na++K+の割合をプロットすることで、主要イオンの特徴を相対的に表した図。図中のI～IVは地下水の大まかな水質のタイプを表す。

貝沢とヌタノ沢の深層地下水と表層地下水（湧水）の流動の特徴をまとめてみましょう。
貝沢については、砂岩や頁岩、砂岩泥岩互層な
どの堆積岩で構成され、層状の地質であることか

図 4．貝 沢、ヌタノ沢における水質、酸素・水素安定
図4 ⾙沢、ヌタノ沢における⽔質、酸素・⽔素安定
同位体⽐、ストロンチウム同位体⽐の特徴
同位体比、ストロンチウム同位体比の特徴

ら、地表面付近の地下水と深層の地下水が難透水
48

4

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

層（泥岩など地下水を浸透させにくい地層）で分下水が同一の帯水層を流動していることが考えらかれていてもおかしくはない地質です。貝沢の観

れました。

4）

測井では地下水が自噴 していますが、これは井ストロンチウム同位体比は、ヌタノ沢の地質（約戸の取水口（深さ 50 m）と地表面の間に難透水1500 万年前〜 700 万年前の深成岩）と、貝沢の層がある可能性が高いことを示す現象です。その地 質（ 約 5200 〜 3200 万 年 前 と 約 1 億 年 前 〜ため、貝沢では、図 5（上）に示すように難透水

6500 万年前の境界線に位置する付加体）の岩石層によって、深層と表層の地下水は異なる帯水層の年代をよく表しました。貝沢では、ストロンチを流動しており、深層地下水のかん養源は離れた

ウム同位体比に幅があり、何かが読み取れそうな場所にあることが考えられました。

雰囲気を醸し出しています。今後、更なる考察か

ヌタノ沢における観測井掘削の際に採取した地

ら、深層地下水のかん養源が把握できる可能性を

質コアサンプルでは、地表面から 50 m の深さで示しているように思います。

風化した花崗閃緑岩であり、多くの亀裂が確認さ

以上のように、水質・同位体トレーサーから水れました。風化された花崗閃緑岩はマサと呼ばれ循環の情報を読み取ることは、非常に地道な作業

る砂礫になり、地下水が早く浸透できる帯水層とと考察を要しますが、水循環の全体像を把握するなります。また、降水の際の地下水位の変化や数のに大変に有効な方法です。今後は、流域の地形・値モデルによる水収支の計算から、流域内に降っ地質特性や金属元素を加えて解析を進め、県民のた雨が、地下深くの基盤岩にすばやく浸透するこ皆様への説明や行政へのフィードバックなど、将。これとが確認されています（Abe et al., 2020）

来の水源林における再生・保全の取り組みに貢献らのことから、ヌタノ沢では、図 5（下）のようできるような水循環の情報を提供していきたいとに風化した岩盤や亀裂を地下水が流動しやすい地

考えています。

質になっており、50 m 深の深層地下水と表層地
注釈

すいもんがく貝沢
地表面付近の湧水(地下水)と深層地下水は分断されて、異なる帯水層を流動する

1）水文学は、雨や河川水、地下水などの陸域の難透水層(水を通しにくい地層)によって、帯水層1と帯水層2に分断される

水の動きや質を対象とした学問で、モニタリ
ングは自然環境の状況について、〇〇時間ごとなど決められた間隔で「連続的」に観測を湧水実施することです。本稿では 2012 年から継続している試験流域における河川水流量を中

地下水
観測井
(自噴井)

50m

心とした連続観測を「水文モニタリング調査」と呼ぶこととします。

深層地下水

ヌタノ沢
地表面付近の湧水(地下水)と深層地下水はつながっており、同じ帯水層を流動する

湧水

2）フィードバックとは、取り組みの計画の見直花崗岩は風化するを砂礫になる。砂礫や亀裂は地下水を通し易い。

しのための情報提供のことです。神奈川県の取り組みは 5 年ごとの計画の見直しを設定しているので、非常に重要です。

風化した
岩石

3）ポスドクとは、Post-doctor の略語で、博士号を取った後に任期付きの研究職に就いて研

地下水
観測井
50m

究の修行している人たちです。任期付きなので、色々な職場を経験しています。

深層地下水

4）自噴とは、地下水面が井戸の上端よりも高く、

図 5．貝沢、ヌタノ沢の地下水流動の違いの概念図
図5 貝沢、ヌタノ沢の地下水流動の違いの概念図49

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

井戸から自然に地下水が溢れ出る現象です。

境モニタリングの調査設計．神奈川県自然環

一般に、井戸の取水口と地表面の間に難透水

境保全センター報告．5：15‒24.

層があり、深層地下水の圧力が高い条件でお内山佳美・山根正伸（2013）：対照流域法によるきる現象です。

モニタリング調査のための観測システムの整備．神奈川県自然環境保全センター報告．

文献

10：13‒21

Abe Y, Uchiyama Y, Saito M, Ohira M, Yokoyama

内山佳美・横山尚秀・三橋正敏（2015）：西丹沢

T (2020) Effects of bedrock groundwater

ヌタノ沢の流出特性．神奈川県自然環境保全

dynamics on runoff generation: a case study

センター報告．13：39‒47

on granodiorite headwater catchments,

横山尚秀・内山佳美・山根正伸（2013）：西丹沢

western Tanzawa Mountains, Japan.

ヌタノ沢の水文地質と流出状況．神奈川県自Hydrological Research Letters. 14: 62‒67.

然環境保全センター報告．10：101‒113.

https://doi.org/10.3178/hrl.14.62
著者情報神奈川県環境農政部緑政課（2010）神奈川県の水源環境保全・再生施策について．地下水学会

安部

誌．52：65‒73.

センター研究企画部 研究連携課

豊（神奈川県自然環境保全

特別研究員）2012 年に筑波大学

https://doi.org/10.5917/jagh.52.65

大学院生命環境科学研究科修了、

Oda T, Suzuki M, Egusa T, Uchiyama Y (2013)

博士（環境学）取得。総合地球環
境学研究所計測分析部門技術補佐

Effect of bedrock flow on catchment rainfall-員、サントリーグローバルイノ

runoff characteristics and the water balance

ベーションセンター株式会社水科

in forested catchments in Tanzawa

学研究所研究員を経て、2018 年より現職。

Mountains, Japan. Hydrological Processes.
27: 3864-3872.https://doi.org/10.1002/

（2021 年 3 月 31 日掲載）

hyp.9497

（2022 年 3 月 31 日改版）

内山佳美・山根正伸（2008）：森林における水環

50

3 章

原理や仕組みを知りたい方はお読みください。
使い方の例が知りたい方は、この章を飛ばしていただいても結構です。

３ 章

１章、２章で使ってきた「同位体」について、知っていると便利な基礎を解説します。

ところで、同位体って何？

ところで、同位体って何？

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

元素の同位体比陀

安一郎（総合地球環境学研究所）

1．元素の安定同位体と放射性同位体

すが、いずれも時間が経っても崩壊しないので、元素は、すべての物質や生物を構成する要素で安定同位体といいます。一方、右の中性子が 2 個す。図 1 に現在確認されている元素のリスト（周のもの（3H）は時間が経つと崩壊するので、放期表）を示しますが、一つ一つの元素は「原子番

射性同位体といいます。

号」で特定されます。「原子番号」は元素に含まれる「陽子」の数のことを意味します。一方、同

電子

じ元素（同じ陽子数）であっても、「中性子」の++数は原子によって異なることがあり、これを「同1Hが存在します。
図 2 に水素の例を示しますが、この 3 つはいず
れも陽子が 1 個なので、原子番号 1 の水素です。
このうち、左の 2 つは中性子の数が 0 個と 1 個で

族

1

2

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

15

16

17

18

水素
3

4

5

6

7

8

9

Li

Be

B

C

N

O

F

Ne

ホウ素
13

炭素
14

窒素
15

酸素
16

フッ素
17

ネオン
18

Na

Mg

19

20

21

K

Ca

Sc

Rb

Sr

55

56

Cs

Ba

セシウム バリウム
87
88
7

14

2

Y

22

Fr

Ra

フランシウム

ラジウム

凡例
原子番号
元素記号
元素名

ランタノイ
ド系
アクチノ
イド系

ランタノイ
ド系
アクチノ
イド系

23

24

25

26

Ti

V

Cr

Mn

Fe

チタン
40

バナジウム

クロム
42

マンガン
43

鉄
44

Mo

Tc

Ru

Zr

41

Nb

72

ニオブ
73

Hf

Ta

ルビジウム ストロンチウム イットリウム ジルコニウム

6

13

He

カリウム カルシウム スカンジウム
37
38
39
5

陽子1, 中性子2

H

ナトリウム マグネシウム

4

陽子1, 中性子1

1

リチウム ベリリウム
11
12
3

3H

図 2．水 素の同位体の例 原子番号 1 の水素には陽子1 個と中性子 0 個を持つ安定同位体 1H、陽子 1個と中性子 1 個を持つ安定同位体 2H（重水素、デューテリウム、D とも書く）、陽子 1 個と中性
子 2 個を持つ放射性同位体 3H（三重水素、トリ
チウム、T とも書く）があります。

時間が経っても原子核が崩壊しない「安定同位体」

周期2H

陽子1, 中性子0

合した複合粒子）が崩壊する「放射性同位体」と、

+

中性子

陽子

位体」と呼びます。「同位体」の中には、時間が経つと放射線を出して原子核（陽子と中性子が結

-

-

-

27

28

29

Co

Ni

Cu

Zn

銅
47

亜鉛
48

コバルト ニッケル
45
46

Rh

Pd

モリブデン テクネチウム ルテニウム ロジウム パラジウム

74

75

76

77

W

Re

Os

Ir

ハフニウム タンタル タングステン レニウム オスミウム イリジウム

Ag

30

Cd

Al

Si

P

S

Cl

Ar

アルミニウム

31

ケイ素
32

リン
33

硫黄
34

塩素
35

アルゴン
36

Ga

Ge

ガリウム ゲルマニウム
49
50

In

Te

I

Xe

83

テルル
84

ヨウ素
85

キセノン
86

Bi

Po

At

Hg

Tl

Pb

金
111

水銀
112

タリウム
113

鉛
114

Rg

Cn

Nh

Fl

106

107

108

109

Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

Ds

Kr
クリプトン
54

Sb

Au

105

Br
臭素
53

アンチモン

Pt

104

Se
セレン
52

Sn

78

カドミウム インジウム
80
81

As
ヒ素
51

スズ
82

銀
79

白金
110

ヘリウム
10

ビスマス ポロニウム アスタチン
115
116
117

Mc

Lv

ラザホージウム ドブニウム シーボーギウム ボーリウム ハッシウム マイトネリウム ダースタチウム レントゲニウム コペルニシウム ニホニウム フレロビウム モスコビウム リバモリウム

Ts

Rn
ラドン
118

Og

テネシン オガネソン

57

58

59

60

61

62

63

64

65

66

67

68

69

70

71

La

Ce

Pr

Nd

Pm

Sm

Eu

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tm

Yb

Lu

ランタン セリウム プラセオジム ネオジム プロメチウム サマリウム ユウロピウム ガドリニウム テルビウム ジスプロシウム ホルミウム エルビウム ツリウム イッテルビウム ルテチウム
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103

Ac

Th

Pa

U

アクチニウムトリウム

プロトアクチニウム

ウラン

Np

Pu

Am

Cm

Bk

Cf

Es

Fm

Md

No

Lr

ネプツニウム プルトニウム アメリシウム キュリウム バークリウム カリホルニウム アインスタイニウム フェルミウム メンデレビウム ノーベリウム ローレンシウム

図 1．元素の周期表（日本化学会原子量専門委員会 2019）。本書に登場する「軽元素」はオレンジ、「重元素」は緑で表示します。
53

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．元素の同位体比

えば、この値が 0.006 の場合は 6‰となりますし、「同位体比」とは、同位体の数の比のことを指−0.010 の場合は−10‰となります。これは「標します。どの比を「同位体比」として使うかは、準物質（「軽元素同位体」の項目を参照）」に比べそれぞれの元素によって異なっています。詳しくて、試料中の「重い同位体」が多いとプラスの値、は、「軽元素同位体」および「重元素同位体」の少なければマイナスの値になります。

章で説明しますが、ここでは図 2 の水素について
文献

見てみましょう。
地球上の水のほとんどは海水に存在しますが、

Coplen TB (2011) Guidelines and recommended

海水（H2O）は水素（H）と酸素（O）で成り立っ

terms for expression of stable-isotope-ratio

1て い ま す。 海 水 の 水 素 の 安 定 同 位 体 は H がand gas-ratio measurement results. Rapid

2

99.984％、 H が 0.016％存在します（Meija et al.

Communications in Mass Spectrometry 25:2016）。これを国際機関である IAEA が「標準海2538‒2560.

水（VSMOW）」と呼んでいます。この標準海水

https://doi.org/10.1002/rcm.5129

21について、2 つの同位体の存在比（［ H の量］／［ HMeija et al. (2016) Isotopic compositions of theの量］）を計算することができます。一方、皆さ

elements 2013. Pure and Applied Chemistry

んの家の水道の蛇口から出てくる水の中の水素に

88:293-306.

1

2も H と H が存在しますが、これらから同様に 22

https://doi.org/10.1515/pac-2015-0503

1

つの同位体の存在比（［ H の量］／［ H の量］）を

日本化学会原子量専門委員会（2019）

計算することができます。

http://www.chemistry.or.jp/activity/

は非常に小さく（例えば VSMOW の水素の場合は atomictable2019.pdf
助 手 、2003 年 京 都 大 学 生 態 学 研 究 セ ン ター 助 教
しかし、この同位体の存在比（同位体比）の値は非常に小さく（例えばの水素の場合0.00015576）、 ま た 自VSMOW
然界での様々な物質の同位授・准教授、2014 年より現職

は体比の変化も小さいため、これらの値の差がわか
0.00015576）、また自然界での様々な物質の同著者情報
位体比の変化も小さいため、これらの値の差がわ
りにくいことから、同位体比を「標準物質に対す

陀安一郎（総合地球環境学研究所

る偏差（δ 値）」で表すことがあります。試料の年京都大学大学院理学研究科修（2020 年 3 月 31 日掲載）

かりにくいことから、同位体比を「標準物質に対研究基盤国際センター教授）1997する偏差（δ 値）」で表すことがあります。試料
2

了、博士（理学）。日本学術振興

H）は、試料と標準物質（水素水素同位体比（δ2の水素同位体比（δ H）は、試料と標準物質（水については VSMOW）の同位体比のさらに比をと素については VSMOW）の同位体比のさらに比った「偏差」を計算し、

𝛿𝛿 H =� � �／ � ��� � �／ � ��

試料外特別研究員を経て 2002 年総合
地球環境学研究所助手、2003 年をとった「偏差」を計算し、
�会特別研究員・日本学術振興会海京都大学生態学研究センター助教

1） 1）− 1 （式 （式授・准教授、2014 年より現職。

（2020 年 3 月 31 日掲載）と表します。同位体の割合に関して地球上での変と表します。同位体の割合に関して地球上での変（2020 年 4 月 7 日改版）

動はほんのわずかなので、式1 の値は 0 に近い数
動はほんのわずかなので、式１の値は0 に近い数（2022 年 3 月 31 日改版）

字になります。そのため、同位体比（δ値）は一字になります。そのため、同位体比（δ値）は一（2023 年 3 月 31 日改版）

�����

般的にこの数字を千分率（‰）で表現します。例

般的にこの数字を千分率（‰）で表現します。例
えば、この値が 0.006 の場合は 6‰となりますし、-0.010 の場合は-10‰となります。これは「標準物質（「軽元素同位体」の項目を参照）」に比べて、試料中の「重い同位体」が多いとプラスの値、少なければとマイナスの値になります。
3． 文 献54

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

軽元素同位体
軽元素同位体陀安 一郎（総合地球環境学研究所）
陀安 一郎（総合地球環境学研究所）

軽元素同位体陀安一郎

地球上には 100 を越える元素が存在しますが、（総合地球環境学研究所）
地球上には 100 を越える元素が存在しますが、どこまでを「軽元素」、「重元素」と呼ぶかというどこまでを「軽元素」、「重元素」と呼ぶかという表 1．軽元素の安定同位体の種類、標準物質として定
地球上には 100 を越える元素が存在しますが、定義はありません。ここでは、気体試料で同位体められている物質、およびその同位体存在割合
定義はありません。ここでは、気体試料で同位体どこまでを「軽元素」、「重元素」と呼ぶかという（Meijaet al. 2016）。
比を分析する、水素(H)、炭素(C)、窒素(N)、酸比を分析する、水素(H)、炭素(C)、窒素(N)、酸
定義はありません。ここでは、気体試料で同位体
標準物質及びその同位体存在量
素 (O)、 イ オ ウ (S) と い っ た 有 機 物 を 構 成 す る 主 元素名
素 (O)、 イ オ ウ (S) と、炭素（C）
い っ た 有 、窒素（N）
機物を構成比を分析する、水素（H）、す る 主水素（H） 標準海水（VSMOW）
要元素の同位体を便宜上「軽元素同位体」と表記
1
酸素（O）、イオウ（S）といった有機物を構成す
要元素の同位体を便宜上「軽元素同位体」と表記
H
99.984%
します。ここでは、これらの元素に関して簡単な
2る主要元素の同位体を便宜上「軽元素同位体」とH
0.016%
します。ここでは、これらの元素に関して簡単な特徴を示します。
表記します。ここでは、これらの元素に関して簡特徴を示します。
炭素（C） 矢石（VPDB）
単な特徴を示します。

12C

98.894%13
１．軽元素同位体比の表記
C
1.106%
１．軽元素同位体比の表記
1．軽元素同位体比の表記
軽元素の安定同位体に関して、表１にそれぞれ軽元素の安定同位体に関して、表１にそれぞれ窒素（N） 空中窒素（Air）
軽元素の安定同位体に関して、表 1 にそれぞれ14の存在割合の例を示しました。自然界では、それN
99.634%の存在割合の例を示しました。自然界では、それの存在割合の例を示しました。自然界では、それ15ぞれの同位体の存在割合は変動しますので、代表N
0.366%
ぞれの同位体の存在割合は変動しますので、代表ぞれの同位体の存在割合は変動しますので、代表的な値として国際機関である IAEA が「標準物質」酸素（O） 標準海水（VSMOW）的な値として国際機関であるが「標準物質」
的な値として国際機関である
IAEAIAEA
が「標準物質」
16としている物質の存在割合を記載しています。
O
99.762%としている物質の存在割合を記載しています。
としている物質の存在割合を記載しています。
17
O
0.038%
試料における軽元素の同位体比は、「 元素の同位試料における軽元素の同位体比は、「元素の同試料における軽元素の同位体比は、「 元素の同位18O0.200%
体比とは」の項目で示したように、表１に示した位体比」の項目で示したように、表1に示したそ体比とは」の項目で示したように、表１に示したイオウ（S） トロイライト（VCDT）
それぞれの標準物質に比べて「重い同位体」がどれぞれの標準物質に比べて「重い同位体」がどれそれぞれの標準物質に比べて「重い同位体」がど32
S
95.040%
れだけ多いかという「標準物質に対する偏差（δだけ多いかという「標準物質に対する偏差（δ 値）」
33
れだけ多いかという「標準物質に対する偏差（δS
0.749%
値）」で表します。水素の場合は、試料中の重い同で表します。水素の場合は、試料中の重い同位体34値）」で表します。水素の場合は、試料中の重い同S
4.197%
2
1
2
1
H と軽い同位体
H の比が、標準物質の標準海水
Hと軽い同位体Hの比が、標準物質の標準
位体
36
2
1
S
0.015%
位体 H と軽い同位体 H の比が、標準物質の標準（VSMOW）に比べて多ければプラスの値、少な海水（VSMOW）に比べて多ければプラスの値、海水（VSMOW）に比べて多ければプラスの値、ければマイナスの値になります。
2．水素・酸素同位体比2． 水 素 ・ 酸 素 同 位 体 比
少なければマイナスの値になります。
2． 水 素 ・ 酸 素 同 位 体 比
少なければマイナスの値になります。
まず、水のことを考えてみましょう。地表のほまず、水のことを考えてみましょう。地表のほまず、水のことを考えてみましょう。地表のほ� � � ／ � ��
とんどの水は海に存在しています。海や陸から蒸� ��／ ��試
� 料
�
とんどの水は海に存在しています。海や陸から蒸𝛿𝛿 �� � � �（式 1）
試 料 � ��とんどの水は海に存在しています。海や陸から蒸
1） 1）
発した水蒸気は雲を作り、雨として降ってきます。
𝛿𝛿 � � �� ��／ ��������� � �� （式（式発した水蒸気は雲を作り、雨として降ってきます。
� � ／ �������
発した水蒸気は雲を作り、雨として降ってきます。
地表から浸透した水は地下水になり、地表面を流酸素の同位体比も同様に表します。
地表から浸透した水は地下水になり、地表面を流酸素の同位体比も同様に表します。
れる水は河川となり、ともに海へと注ぎます。こ酸素の同位体比も同様に表します。
地表から浸透した水は地下水になり、地表面を流れる水は河川となり、ともに海へと注ぎます。これら一連の水の動きを水循環といいます。
れる水は河川となり、ともに海へと注ぎます。こ� ���／ �������� 試 料��／����
れら一連の水の動きを水循環といいます。
2）2）
水素（H）と酸素（O）は水（H𝛿𝛿 ��� � � �� ��（式
試 料 � �� （式2O）を構成す
れら一連の水の動きを水循環といいます。
𝛿𝛿 � � �� ���／ ��������� � �� （式 2）
水素（H）と酸素（O）は水（H 2 O）を構成する� �／ ��
る元素のため、水循環の研究に用いることができ�����
水素（H）と酸素（O）は水（H 2 O）を構成する元素のため、水循環の研究に用いることができまます。水の蒸発や凝結には、同位体分別（Isotopic
元素のため、水循環の研究に用いることができま1）
fractionation）
 蒸が起き、同位体比が変化します。
す。水の発 や 凝 結 に は 、 同 位 体 分 別 （ Isotopic
す 。 水 の 蒸 発 や 凝 結 に は 、 同 位 体 分 別 （ Isotopicが起き、同位体比が変化します。
fractionation）１１））
fractionation） が起き、同位体比が変化します。
55
図１に示しますように、標高の低い場所では水素
図１に示しますように、標高の低い場所では水素、酸素同位体比（δ 18 O）ともに同位体比（δ 2 H）
同位体比（δ 2 H）、酸素同位体比（δ 18 O）ともに

ど低い同位体比を持つ雨が降ります。これを「高例えば、植物を構成する有機物の水素同位体比（δ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
ど低い同位体比を持つ雨が降ります。これを「高例えば、植物を構成する有機物の水素同位体比（δ218、酸素同位体比（δ18O）は、植物が吸収した度効果」といいます。そのほか、一般に緯度が高
2 H）
H）、酸素同位体比（δO）は、植物が吸収した度効果」といいます。そのほか、一般に緯度が高水の水素・酸素同位体比の値と、蒸散の影響を受
いほど（緯度効果）、内陸になるほど内陸になるほど（内陸効果）（内陸効果）、 え水の水素・酸素同位体比の値と、蒸散の影響を受ば、 植 物 を 構 成 す る 有 機 物 の 水 素 同 位 体 比
図 1（緯度効果）に示しますように、標高の低い場所では水素
いほど
、
、
2
18
2
（δけます。これらの関係をうまく使うと、水循環と同位体比（δ H）、酸素同位体比（δO）ともに高H）、酸素同位体比（δ18O）は、植物が吸収し気温が低いほど（温度効果）、雨量が多いほど（雨けます。これらの関係をうまく使うと、水循環と気温が低いほど（温度効果）、雨量が多いほど（雨い同位体比を持つ雨が降り、標高が高くなるほど生態系の関わりについての研究を行うことができ
量効果）、同位体比は低くなり、「水」に特徴が生 た水の水素・酸素同位体比の値と、蒸散の影響を生態系の関わりについての研究を行うことができ
量効果）、同位体比は低くなり、「水」に特徴が生低い同位体比を持つ雨が降ります。これを「高度まれることになります。
まれることになります。

受けます。これらの関係をうまく使うと、水循環
ます。

ます。

効果」といいます。そのほか、一般に緯度が高いと生態系の関わりについての研究を行うことがでほど（緯度効果）、内陸になるほど（内陸効果）、

きます。

．炭
炭素
素・
・窒
窒素
素同
同位
位体
体比
比
33．
炭素（C）と窒素（N）は生物の体などの有機物
炭素（C）と窒素（N）は生物の体などの有機物

気温が低いほど（温度効果）、雨量が多いほど（雨3．炭素・窒素同位体比量効果）、同位体比は低くなり、「水」に特徴が生を構成する主要な元素であるために、生態系の研を構成する主要な元素であるために、生態系の研
炭素（C）と窒素（N）は生物の体などの有機究によく用いられます。植物は、大気中の二酸化究によく用いられます。植物は、大気中の二酸化物を構成する主要な元素であるために、生態系のまれることになります。

）と水（H 2O）から光のエネルギーを用O）から光のエネルギーを用
炭素（CO 2）と水（H研究によく用いられます。植物は、大気中の二酸
炭素（CO
2
2

いて糖（デンプン）（デンプン）を作ります。
植物体の窒素は、化炭素（CO2）と水（H2O）から光のエネルギー
いて糖を作ります。
植物体の窒素は、⽔素（d2H）
酸素（d18O）
同位体⽐の低い⾬を用いて糖（デンプン）を作ります。植物体の窒土壌中で分解された無機態の窒素を取り込んで作
土壌中で分解された無機態の窒素を取り込んで作
素は、土壌中で分解された無機態の窒素を取り込
られます。

られます。

んで作られます。
炭素・窒素の同位体比の定義は、それぞれ化石

炭素・窒素の同位体比の定義は、それぞれ化石の矢石（VPDB）と空中窒素（Air）とを標準物質の矢石（VPDB）と空中窒素（Air）とを標準物質

⽔素（d2H）
酸素（d18O）
同位体⽐の⾼い⾬

炭素・窒素の同位体比の定義は、それぞれ化石の矢石（VPDB）と空中窒素（Air）とを標準物

218、酸素同位体比
酸素同位体比（δ18O） として、
図１ 水素同位体比
水素同位体比（δ
（δ
として、
2 H）
2
18
H）
、
（δ
O）
図１
図 1．水素同位体比（δ
H）、
酸素同位体比（δ
O）の「高
質として、
の「高度効果」の概念図
度効果」の概念図。
の「高度効果」の概念図

また、水（H2O）には水素と酸素の両方の同位O）には水素と酸素の両方の同位また、水（H 2O）には水素と酸素の両方の同位また、水（H2体比が存在しますが、世界全体の雨の水素と酸素体比が存在しますが、世界全体の雨の水素と酸素の同位体比の関係を見ると、体比が存在しますが、世界全体の雨の水素と酸素の同位体比の関係を見ると、
δ H = 8 × δ O + 10‰（式 3）の同位体比の関係を見ると、
18
H== 88 ×
× δ
δ18
O+
+ 10
10 ‰
‰
（式 3）
3）
δ22の関係があります。これを天水線（Meteoric
H
O
（式
δ
2

18

water line）の式といいます（Craig
1961）。実際の関係があります。
これを天水線（Meteoric（Meteoric
waterの関係があります。
これを天水線
waterの降雨や湖沼の水は、蒸発などの影響を受けて必line）の式といいます（Craig
1961）。実際の降雨line）の式といいます（Craig
1961）。実際の降雨
ずしも式 3 のような関係を持っていない場合もあや湖沼の水は、蒸発などの影響を受けて必ずしも� ���／ ����� ���／ ���� 試 料��� �� �� �� �� 試 料 �
� ��
�� （式
（式
5）
5） 5）
𝛿𝛿𝛿𝛿�� �（式��� �／ �� ���／��� ����
����� ���／ ����� ���／ ���� 試 料

��
6） 6）
� �
� �� �� �� 試 料 �
� ��
�� （式
（式
𝛿𝛿𝛿𝛿�� �（式
6）��� �／ �� ����／�� ���
���

と表します。大気中の二酸化炭素（COと表します。大気中の二酸化炭素（CO2）の炭素2 ）の炭素と表します。大気中の二酸化炭素（CO 2 ）の炭素13
δ13C 13同位体比
は、光合成と呼吸という生物圏とC は、光合成と呼吸という生物圏と同位体比δ

同位体比δ C は、光合成と呼吸という生物圏とのやり取りによって影響されていますが、産業革のやり取りによって影響されていますが、産業革のやり取りによって影響されていますが、産業革や湖沼の水は、蒸発などの影響を受けて必ずしもり ま す。 そ こ で、d-excess 値（d 値 と も 略 す：命以降は人間の影響も強く現れています。今の大命以降は人間の影響も強く現れています。今の大式２のような関係を持っていない場合もあります。 命以降は人間の影響も強く現れています。今の大式２のような関係を持っていない場合もあります。
気中の二酸化炭素濃度は産業革命前の 280 ppm

deuterium excess）という値を計算して水の特徴

気中
中の
の二
二酸
酸化
化炭
炭素
素濃
濃度
度は
は産
産業
業革
革命
命前
前の
の 280ppm
280ppmそこ
こでで、、 d-excess
d-excess 値
値（（ dd 値
値とともも略略す
す :: deuterium
deuterium
気そを表します。
（0.028％）から上昇して 400 ppm（0.040％）を超（0.28%）から上昇して 400ppm（0.4%）を超え
400ppm（0.4%）を超え
excess）という値を計算して水の特徴を表します。
218（0.28%）から上昇してexcess）という値を計算して水の特徴を表します。
d ＝ δ H － 8 × δ O

えつつあります。この原因は、化石燃料（石炭お

（式 4）

18
＝δ22H
H −
− 88 ×
×2δ
δ18
O
（式
4）
18 4）
dd ＝δ
O
（式
水素同位体比（δH）、酸素同位体比（δO）、つつあります。この原因は、化石燃料（石炭およ218、酸素同位体比（δ 18O）、d水素同位体比（δ
2 H）
H）、酸素同位体比（δO）
、d水素同位体比（δd-excess 値の 3 つの値は水の特徴を示すため、降excess値の 33 つの値は水の特徴を示すため、降水
つの値は水の特徴を示すため、降水
水がどのような経路で河川水や地下水を形成する
excess値のがどのような経路で河川水や地下水を形成するかかといった水の流動や、地下水の起源となる降水がどのような経路で河川水や地下水を形成するかがどの標高に降ったのかなどの研究に用いることといった水の流動や、地下水の起源となる降水がといった水の流動や、地下水の起源となる降水がができます。
どの標高に降ったのかなどの研究に用いることがどの標高に降ったのかなどの研究に用いることがまた、水素同位体比（δ 2H）、酸素同位体比（δ18O）
できます。
できます。

つつあります。この原因は、化石燃料（石炭およよび石油）ですが、大気中の二酸化炭素の炭素同び石油）ですが、大気中の二酸化炭素の炭素同位び石油）ですが、大気中の二酸化炭素の炭素同位位体比の変化からも証明できます。化石燃料は昔
体比の変化からも証明できます。化石燃料は昔のの生物が光合成によって大気中から固定した炭素体比の変化からも証明できます。化石燃料は昔の生物が光合成によって大気中から固定した炭素がが地中深く埋められたものです。生物の光合成に生物が光合成によって大気中から固定した炭素がは、C3植物（木本（いわゆる「木」）、米や麦などの
地中深く埋められたものです。
生物の光合成には、地中深く埋められたものです。
生物の光合成には、
13
多くの草本：δ
C ＝－27‰前後）、C4、⽶や⻨などの多植物（とうC3 植物（⽊本（いわゆる「⽊」

C3 植物（⽊本（いわゆる「⽊」、⽶や⻨などの多もろこしやサトウキビ、乾燥熱帯に生息するイネ
13
C＝-27‰前後）、C4 植物（とうもくの草本：δ13

くの草本：δ C＝-27‰前後）、C4 植物（とうもは、水以外の物質でも用いることができます。例科の草本：δ13C=－12‰前後）、CAM 植物（サボ2H）、酸素同位体比（δろこしやサトウキビ、乾燥熱帯に生息するイネ科
また、水素同位体比（δろこしやサトウキビ、乾燥熱帯に生息するイネ科
また、水素同位体比（δ 2 H）、酸素同位体比（δ1813C=-12‰前後）、CAM 植物（サボテン
植物（サボテンの草本：δ13
18 O）は、水以外の物質でも用いることができます。
O）は、水以外の物質でも用いることができます。 の草本：δ
C=-12‰前後）
、CAM
56

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

テンなどの多肉植物：δ13C=－12 〜－30‰と広いわかります。また、これらの動物を食べる捕食者

範囲）といったタイプがありますが、多くを占めはさらに窒素同位体比が高くなるので、動物を食

13

る C3 植物では同位体分別により δ C が低い有機べる動物（高次捕食者）の「栄養段階」も推定す

物を生成します。化石燃料は、昔の生物の「化石」ることができます。人間の髪の毛の同位体比を測

13で す の で、 こ れ を 燃 焼 す る こ と で δ C が 低 い

定することで、私たちの体が主に何からできていCO2 を大気中に放出することになります。大気中るのかに関しては、「髪の毛の安定同位体比から13の二酸化炭素の炭素同位体比（δ C）は、産業革

わかる食生活」で説明していますので、興味ある

命前には－6.5‰でしたが、現在は－8‰〜－9‰

方はご覧ください。

へと下がっています。この事実は、現在の大気中

このように、一般に使われている「バルク（組織の二酸化炭素上昇が、人類が化石燃料の燃焼に全体）」分析での同位体分析に対し、近年は「成分よって起きていることの証拠にほかなりません。

別」安定同位体分析も用いられています。特に、「個では、動物はどうでしょうか？草食動物は、植別のアミノ酸」の窒素同位体比を用いることに物の炭素・窒素を利用しますし、肉食動物は餌とよって、図 ２ のように餌の元となる植物の窒素同なる動物の炭素・窒素を利用します。動物が餌を位体比を測定することなく、動物の窒素同位体比

食べる時、一般的に餌の炭素・窒素同位体比よりを測定するのみで「栄養段階」を推定することもも炭素同位体比は 0.8‰程度、窒素同位体比は「アミできるようになりました。興味のある方は、

2）

3.4‰程度高い値を示します（栄養濃縮係数） 。

ノ酸の窒素同位体比が開く世界」をご覧ください。

この経験則を用いますと炭素・窒素同位体比を用

また、食物網以外にも窒素同位体比はいろいろいて「食物網」（食う―食われる関係）を描くこ

な使い方ができます。例えば、植物の栄養源になとができます。

る硝酸イオン（NO3‒）は、微生物が有機物を分

窒素同位体⽐（d15N）

1

動物A

:

解しアンモニウムイオン（NH4+）になったもの

1

動物Bが酸化（硝化）されたものですが、過剰な硝酸イ
オンは富栄養化の原因になったり健康被害をもた動物Cらしたりします。水環境の評価・管理を行う上では、その起源に関する情報が重要になります。硝

約3.4‰

餌a

1

:

1

酸イオンの起源、すなわちどのような経緯でこの硝酸イオンができたかを調べるために、硝酸イオ

餌bン（NO3-）の窒素同位体比（δ15N）、酸素同位体

約0.8‰

比（δ18O）を用いることができます（「兵庫県千

C3植物
C4植物
炭素同位体⽐（d13C）

種川流域」の項目を参照）。
同様の栄養成分に関して、リン酸イオン（PO43-）

図 2．炭素・窒素同位体比を用いた「食物網」の概念図。
餌 a だけを食べる動物 A と、餌 b だけを食べる
動物 C はそれぞれの餌の「右上」に位置します。
餌 a と餌 b を食べる動物 B は、ちょうどその真ん中に位置します。

（P）には安定同位体が 1 種類しかないため、重炭素・窒素同位体比を測定するためによく用いな が ら、 近 年 リ ン 酸 イ オ ン 中 の 酸 素 同 位 体 比られているのは、動物の筋肉部分です。図 ２ のよ（δ18O）を用いる研究が行われています（「リン酸うに、植物などの「餌の候補」も一緒に測って図

酸素安定同位体比を使ってリンはどこからやって示すると、動物がどの植物を主に食べているかがくるのかを調べる」の項目を参照）。

についても考えたいのですが、残念ながらリン要な元素であるにもかかわらず、リンについて安定同位体手法は用いることが出来ません。しかし57

を描くこと同位体比を使ってリンはどこからやってくるのかを調べる」の項目を参照）。
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． イ オ ウ 同 位 体 比4．イオウ同位体比

イオウも、炭素や窒素と同様に、有機物を構成2）生物の捕食により、餌に比べて体の同位体比

イオウも、炭素や窒素と同様に、有機物を構成がどれくらい変わるかを示す値を栄養濃縮係する主要な元素の一つで、生態系の研究に用いら数（trophic discrimination factor）と呼びまれています。イオウ（S）同位体比は、本項の他す。同位体分別係数が化学的プロセスを示すの同位体比同様、隕石のトロイライト（VCDT）のに対し、濃縮係数は体内の複雑な代謝の結を標準物質として、果を示しています。

する主要な元素の一つで、生態系の研究に用いられています。イオウ（S）同位体比は、本項の他の同位体比同様、隕石のトロイライト（VCDT）を標準物質として、��� ���／ ����𝛿𝛿 � � � ���と表します。
と表します。

�／ ����

試料

����

� ��

（式
7） 6）
（式

文献
Coplen TB (2011) Guidelines and recommended
terms for expression of stable-isotope-ratio

食物網」の陸上におけるイオウの起源は岩石に起因します
陸上におけるイオウの起源は岩石に起因します

and gas-ratio measurement results. Rapid

餌 b だけをが、硫酸イオンの形で水に溶けて生態系を循環しが、硫酸イオンの形で水に溶けて生態系を循環しCommunications in Mass Spectrometry 25:」に位置します。この循環を解明するために硫酸イオン

ちょうどそ

はいろいろ

栄養源にな

ま す。 こ の 循 環 を 解 明 す る た め に 硫 酸 イ オ ン
2-2538‒2560.

34（SO4 ）のイオウ同位体比（δS）、酸素同位体比342-

https://doi.org/10.1002/rcm.5129（SO 4 ）のイオウ同位体比（δ S）、酸素同位体18（δ O）を用いることができます（「兵庫県千種川

Craig H (1961) Isotopic variations in meteoric比（δ 18 O）を用いることができます（「兵庫県千流域」の項を参照）。一方、海には多量の硫酸イ

waters. Science 133:1702‒1703.

オンが存在し、海の硫酸イオンのイオウ同位体比

https://doi.org/10.1126/science.133.3465.1702（δ S）は均一な値（21.0‰）をとります（Rees

Meija et al. (2016) Isotopic compositions of the

種川流域」の項を参照）。一方、海には多量の硫酸イオンが存在し、海の硫酸イオンのイオウ同位体
34

34
S）
（δ
et比
al.
1987）
。 は均一な値（21.0‰）をとります (Reeselements 2013. Pure and Applied Chemistry

イオウ同位体比について、図 2 で示した栄養濃

88:293‒306.

縮係数は 0‰に近い値を示しますので、動物の体

https://doi.org/10.1515/pac-2015‒0503のイオウ同位体比は餌のイオウ同位体比とほぼ同

Rees CE, Jenkins WJ, Monster J (1978) The

じと考えられます。これらの関係を用いて、例え

Sulphur isotopic composition of ocean water

ばある生物が陸由来のものと海由来のものとをど

sulphate. Geochimica et Cosmochimica Actaのくらいの割合で利用しているのかを推定するこ

42:377‒381.

とが可能になります（「骨が記憶する過去の生態

https://doi.org/10.1016/0016-7037(78)90268-5

系」の項目を参照）。
著者情報
注釈

陀安一郎（総合地球環境学研究所
研究基盤国際センター教授）1997

1）蒸発や凝結といった物理過程や、化学反応に

年京都大学大学院理学研究科修おいては、反応が起こる前の物質（基質）と了、博士（理学）。日本学術振興

反応が起こった後の物質（生成物）の同位体

会特別研究員・日本学術振興会海外特別研究員を経て 2002 年総合

比が異なり、それを同位体分別といいます。

地球環境学研究所助手、2003 年

一般には、「軽い」同位体の方が「重い」同

京都大学生態学研究センター助教

位体に比べ反応速度が速いため、基質に比べ授・准教授、2014 年より現職。

生成物の同位体比の方が低くなります。反応においてどれだけ同位体比が変わりうるかを（2020 年 3 月 31 日掲載）

示 す 係 数 を「 同 位 体 分 別 係 数（Isotopic

（2020 年 4 月 7 日改版）」と呼びます。
fractionation factor）

（2022 年 3 月 31 日改版）

58

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

重元素同位体申基澈

（総合地球環境学研究所）
重元素というものが何を指すのかということに

年代測定に用いることができます。昔から地球とは決まった定義はありません。これは便宜上使う

隕石の年代や各種岩石の形成年代測定に用いら言葉であり、分野によってはその意味も変わりまれ、U-Pb（ウラン ― 鉛）年代測定法や Rb-Sr（ルす。地球科学分野では主に金属元素のことを言い
申 基澈（総合地球環境学研究所）

ビジウム ― ストロンチウム）年代測定法などが重元素同位体ますが、軽元素（水素、炭素、窒素、酸素等）よ

これに当たります。このような放射性同位体−放り重い元素という意味で使う人もいます。
重元素というものが何を指すのかということに

射起 源 同 位 体 は 他 に も K-Ar、Sm-Nd、U-Pb、トロンチウム）年代測定法などがこれに当たりまついて話しておきます。同位体は、原子核が安定
言葉であり、分野によってはその意味も変わりま

ネオジミウム（Nd）、鉛（Pb）、ハフニウム（Hf）にも K-Ar、Sm-Nd、U-Pb、Th-Pb、Lu-Hf、Re-

まず、重元素同位体について話す前に、用語には決まった定義はありません。これは便宜上使う

Th-Pb、
Lu-Hf、Re-Os などがあり、アルゴン（Ar）、
す。このような放射性同位体-放射起源同位体は他しす。地球科学分野では主に金属元素のことを言いているかどうかによって放射性同位体

は放射起源同位体となります。ここではSr（スOs などがあり、アルゴン(Ar)、ネオジミウム(Nd)、（Radioactive
Isotope；RI）と安定同位体（Stable
ますが、軽元素（水素、炭素、窒素、酸素等）よトロンチウム）を中心にお話しします。
鉛(Pb)、ハフ二ウム(Hf)は放射起源同位体となりIsotope；SI）とに分けられますが、この安定同り重い元素という意味で使う人もいます。

Sr は 4 つ の 安Sr（ストロンチウム）を中心にお定 同 位 体 を 持 っ て お り、 Sr、ます。ここでは

位体には、もとから安定な同位体と放射起源同位まず、重元素同位体について話す前に、用語に86ついて話しておきます。同位体は、原子核が安定
Isotope）が含まれます。ここで体（Radiogenic

Sr は 4 つの安定同位体を持っており、84 Sr、86 Sr、
厳密にいうと太陽系が形成された時にすでにあっしているかどうかによって放射性同位体
は重元素（金属元素）の放射起源同位体と安定同87
87
Sr, 88 Sr です。 87 Sr が放射起源同位体ですが、厳た安定同位体とその後
Rb の放射壊変で生成さ（Radioactive Isotope；RI）と安定同位体(Stable
位体の両方について話します。一般的に重元素同密にいうと太陽系が形成された時にすでにあったれた放射起源同位体の両方からなっています（図Isotope；SI)とに分けられますが、この安定同位体
位体というと放射起源同位体のことを指すことが安定同位体とその後
1）。

に は 、 も と か ら 安 年頃から分析技術の発展に定な同位体と放射起源同位体多いのですが、2000

た放射起源同位体の両方からなっています（図１）。

84

Sr、 Sr, Sr です。 Sr が放射起源同位体ですが、話しします。
87

88

87

87

Rb の放射壊変で生成され（Radiogenic Isotope）が含まれます。ここでは重伴い、それまでは出来なかった金属元素の安定同元素（金属元素）の放射起源同位体と安定同位体
位体の測定が可能になったため、両方を区別しての両方について話します。一般的に重元素同位体おく必要があります。
というと放射起源同位体のことを指すことが多いのですが、2000 年頃から分析技術の発展に伴い、

1．放射起源同位体（Radiogenic Isotope）

それまでは出来なかった金属元素の安定同位体の一般的に安定同位体というのは、太陽系が出来測定が可能になったため、両方を区別しておく必て以来その存在量に変化がなくて一定に安定して要があります。

存在しているものですが、放射起源同位体は親元

図 1．Rb の放射壊変と Sr 安定同位体の変化
図１．Rb の放射壊変と Sr 安定同位体の変化素である放射性元素の放射壊変によって生成する

安定同位体である 84Sr、86Sr、88Sr の比は地球安定した同位体です。この放射起源同位体は、時上のどの物質でも一定の値を持っているため変わ間が経つことによってその存在量はどんどん増え

りません。変わるのは量が増える 87Sr のみです。

ていきます。その一方で親元素の放射性元素はそ

同位体研究では、実際計測が難しい各同位体の安定同位体である 84 Sr、86 Sr、88 Sr の比は地球上

１ ． 放 射 起 源 同 位 体 （ Ra d i o g e n i c I s o t o pe ）一般的に安定同位体というのは、太陽系が出来て以来その存在量に変化がなくて一定に安定して存在しているものですが、放射起源同位体は親元素のどの物質でも一定の値を持っているため変わりません。変わるのは量が増える 87 Sr のみです。

同位体研究では、実際計測が難しい各同位体のの存在量が少なくなっていて、最終的にはなくな

絶対値を求めるより、それらの存在比の方が比較ることになります。この関係を「親元素（放射

87
86
Sr/
Sr 比で
的に容易に測定できます。Sr では
8786性）― 娘元素（安定）」と表記します。このよう

88
86
放射起源同位体を、
Sr/
Sr 比で安定同位体を求
8886

な同位体は、条件が合えばそれらを含んだものの87
86
めています。特に
Sr/
Sr 比は時間の経過でし8786である放射性元素の放射壊変によって生成する安
定した同位体です。この放射起源同位体は、時間が経つことによってその存在量はどんどん増えていきます。その一方で親元素の放射性元素はその絶対値を求めるより、それらの存在比の方が比較的に容易に測定できます。Sr では

Sr/ Sr 比で放射起源同位体を、 Sr/ Sr 比で安定同位体を求めています。特に

Sr/ Sr 比は時間の経過でしか変存在量が少なくなっていて、最終的にはなくなる化しないため、ある物質に含まれている Sr 放射起ことになります。この関係を「親元素（放射性）

源同位体比は、温度や圧力変化などの環境変化に-娘元素（安定）」と表記します。このような同位よってはその値が変わりません。

59

87

Sr/ 86 Sr の放射起源同位体は 1960 年代以降か

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

か変化しないため、ある物質に含まれている Sr

く似ており、Sr が Ca を置換して存在することが放射起源同位体比は、温度や圧力変化などの環境できるからです。Ca は岩石に多く含まれている

変化によってはその値が変わりません。

元素ですが、岩石の風化過程で水に溶けて移動し

87

86

Sr/ Sr の放射起源同位体は 1960 年代以降かます。水に溶けている Ca は動物や植物が容易に

ら岩石研究に広く利用され、様々な岩石について取り入れることができるので、骨格を構成するな

同位体比の測定が行われてきました。その結果、ど生物にとって主要な元素の一つとして使われて

87

86

岩石の種類とそれらの形成年代によって Sr/ Sr

います。そのため Ca と置換している Sr は微量比が異なることが分かってきました。富士山玄武ながらも様々な生物に広く存在していて、それら

87

86

岩なら Sr/ Sr 比は 0.704 くらい（倉沢 1986）で、の放射起源同位体を測ることで、その生き物が比が異なることが分かってきました。富士山玄武屋
久 島 花 崗 岩 な ら 0.708-0.709（Anma et al.

らも様々な生物に広く存在していて、それらの放ずっとそこに居たものなのか、それともどこから

岩なら Sr/ Sr 比は 0.704 くらいで、屋久島花崗
か来たのなのか、どこからきたのかなどを明らか
1998）、海水は 0.70918（Faure and Mensing 2005） 射起源同位体を測ることで、その生き物がずっと87

86

岩なら 0.708-0.709、海水は 0.70918 です。

です。

そこに居たものなのか、それともどこからか来たにすることができます。例えば、遺跡から出土し

86
つまり、ある地域の岩石は特定の 87 Sr/
87 Sr86比をのなのか、どこからきたのかなどを明らかにする持っていて、同じ岩石であっても他の地域の違うことができます。例えば、遺跡から出土した縄文年代のものや、同じ年代であっても違う種類の岩時代の人骨と動物骨について Sr 同位体比を測定

石であれば、その同位体比が違うことになります。

し、その地域で生存したものか他地域からの転入

つまり、ある地域の岩石は特定の Sr/ Sr 比を持っていて、同じ岩石であっても他の地域の違う年代のものや、同じ年代であっても違う種類の岩石であれば、その同位体比が違うことになりま
これを用いると、岩石の Sr 放射起源同位体から何す。これを用いると、岩石のSr 放射起源同位体処から出てきた岩石かを推定することが可能になから何処から出てきた岩石かを推定することが可ります。Sr と共に Nd や Pb などの同位体を一緒た縄文時代の人骨と動物骨について Sr 同位体比を測定し、その地域で生存したものか他地域からの転入した個体かを明らかにした研究報告が報告されています（日下 2018）。

した個体かを明らかにした研究報告が報告されています。

2．重元素安定同位体（Stable2. 重
元 素 安 定 同 位 体 （ St a b le Is o to peIsotope））

能になります。Sr
Ndなやなどの同位体に 解 釈 す る こ と でと共に
より正確
関 Pb
係が
分かります
（図２）。

重元素の安定同位体は年頃からの分析技
重元素の安定同位体は2000 2000
年頃からの分析技術の進歩によって可能になった研究分野です。特術の進歩によって可能になった研究分野です。特に MC-ICP-MS（高分解能マルチコレクター誘導に MC-ICP-MS（高分解能マルチコレクター誘花崗岩(1)

玄武岩

花崗岩(2)

安山岩(1)

結合プラズマ質量分析装置）という装置の開発は導結合プラズマ質量分析装置）という装置の開発
高分解能測定ができるため、金属元素の安定同位は高分解能測定ができるため、金属元素の安定同体比測定に大きな進展をもたらしました。重元素

安山岩(2)

位体比測定に大きな進展をもたらしました。重元は軽元素に比べると同位体間の相対的な質量差が素は軽元素に比べると同位体間の相対的な質量差

小さく、また化学反応の際に同位体間に起きる結堆積岩(1)
堆積岩(2)

が小さく、また化学反応の際に同位体間に起きる合力の差が小さいため同位体比の変化（同位体分

結合力の差が小さいため同位体比の変化（同位体別）が起きにくいという特徴があります。そのた分別）が起きにくいという特徴があります。そのめ、わずかな変化を検知するためには高分解能高ため、わずかな変化を検知するためには高分解能
精度の同位体分析装置が必要となります。

高精度の同位体分析装置が必要となります。
2004
年 に 「 Geochemistry of Non-traditional
図２．岩石研究で用いられる
放射起源同
図 2．
岩 石研究で用いられる Sr-NdSr-Nd
放射起源同位体図
Stable 2004
Isotopes」という本が出版されて以来、この Stable
年に「Geochemistryof Non-traditionalの例 花崗岩（1）は安山岩（1）と、花崗岩（2）
位体図の例
花崗岩(1)は安山岩(1)と、花崗岩(2)Isotopes」という本が出版されて以来、この分野
は安山岩（2）及び堆積岩（1）と密接な関係を持っ 分野の研究が拡大されることになり、マグネシウ
は安山岩(2)及び堆積岩(1)と密接な関係を持ってていることが分かります。
ム（Mg）、カルシウム（Ca）、鉄（Fe）、銅（Cu）、の研究が拡大されることになり、マグネシウム
いることが分かります。
亜鉛（Zn）などの天然環境で生物活動と密接な関を一緒に解釈することでより正確な関係が分かります（図Sr 放 射2）起。
源同位体を用いることで物質や元素

Sr 放射起源同位体を用いることで物質や元素の移動を追跡することができるため、Srはトレーの移動を追跡することができるため、
Sr はトレー
サービリティー研究によく用いられています。これは Sr の化学的な挙動がカルシウム（Ca）とよ
サービリティー研究によく用いられています。こく似ており、Srが Ca を置換して存在することがれは
Sr の化学的な挙動がカルシウム（Ca）とよできるからです。Ca は岩石に多く含まれている元素ですが、岩石の風化過程で水に溶けて移動します。水に溶けている Ca は動物や植物が容易に取り入れることができるので、骨格を構成するなど（Mg）、 カ ル シ ウ ム（Ca）、 鉄（Fe）、 銅（Cu）、係を持っている元素を中心に研究が進んでいます。

亜鉛（Zn）などの天然環境で生物活動と密接な

これにより、金属の酸化還元反応や微生物による関係を持っている元素を中心に研究が進んでいま

反応、生物間での捕食被食関係、体内組織での生す。

化学反応など様々な要因により、重元素でも同位

これにより、金属の酸化還元反応や微生物によ体分別が起きていることが明らかになってきまし

る反応、生物間での捕食被食関係、体内組織でのた。
60

上で話したように、放射起源同位体はその比を測定してその数値をそのまま使いますが、安定同位体は、軽元素と同様に基準となる標準物質の値に対する未知試料の値のずれとして表します。そ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

生化学反応など様々な要因により、重元素でも同研究に比べるとまだその歴史が浅く、直面してい位体分別が起きていることが明らかになってきまる問題点も多いですが、その分開拓の余地も大いした。

にある分野でもあります。

上で話したように、放射起源同位体はその比を測定してその数値をそのまま使いますが、安定同文献

位体は、軽元素と同様に基準となる標準物質の値

Faure G, Mensing T. (2005) 「ISOTPOPESに対する未知試料の値のずれとして表します。そprinciples and applications 3 rd ed.」John

のため安定同位体比測定では標準物質（Reference

Wiley & Sons, INC.

materials；RMs）の役割は非常に重要です。し倉沢一（1986）ストロンチウム同位体比からみたかし、現実問題としてこの標準物質が十分に安定

日 本 列 島 弧 の 火 山 岩 類 の 成 因． 地 学 雑 誌

して供給されていないという問題があります。標95-4、p. 254-276．

準物質（又は認定標準物質；Certified RMs）はAnma R. et al. (1998) Compositional zoning and分析において必要不可欠なものであり、測定値のits implication in a toroidal circulation inside

補正や、測定法及びその正確度の評価に使われま

the Yakushima pluton, SW Japan. Mem. Natl

す。また、他研究室との比較などでも利用されてInst. Polar Res., Spec. Issue, 53, 157-176.

いるため、測定値の信頼度を担保する重要な物質

http://id.nii.ac.jp/1291/00002343/
日下宗一郎（2018）古人骨を測るです。

同位体人類学序説，京都大学学術出版会

このような標準物質は安定同位体比を測定するためには十分に均質であり、かつ時間の経過でそ

著者情報の値が変化しないということが重要です。放射起源同位体で使っていた標準物質を安定同位体で用申

いたり、新たな標準物質を作成したりしていまし研究基盤国際センター）、2008 筑

基澈（総合地球環境学研究所

波大学大学院生命環境科学研究科

たが、同位体的に不均質だったり、作成したもの

博 士 課 程 終 了、 博 士（ 理 学 ）、を使い切ってしまったりなど、残念ながらその供2009 筑波大学

研究基盤総合センター研究員、総合地球環境学研

給は安定していません。

究所技術補佐員、2011 産業技術

重元素の安定同位体比は分析装置で測定します

総合研究所

が、試料を調整する段階で大きな同位体分別が起

地圏資源環境研究部門

特別研究員を経て、2012 年より現職。

きやすいので、試料の前処理では細心の注意が必要です。
MC-ICP-MS を用いた重元素の安定同位体研
究は、軽元素の安定同位体研究や放射起源同位体61

（2020 年 3 月 31 日掲載）（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

元素濃度
申

基

澈

（総合地球環境学研究所）
元素濃度はある物質の中に含まれている元素の測定する装置と溶液状態で測定する装置に分ける

量を全体量中に占める割合で示したものです。例

ことができます。岩石や土などに含まれている元

えば海水中の塩分濃度を 3.5％とします。これは素を測定する際には、表面をきれいにするか、細海水 1Kg の中に塩分が 35 g 入っていることを意

かく粉砕し粉状にしたものを用います。XRF（蛍-光 X 線分析装置）や EPMA（電子線マイクロア

味します。塩分のうち 55％は塩化物イオン（Cl ）+で、30.6％はナトリウムイオン（Na ）で構成さナライザー）などがこれにあたります。一方、溶れておりますので、それぞれ海水 1Kg 中に含ま液状態で測定する装置は ICP-MS（誘導結合プラれる量は 19.25g と 10.71 g になります。つまり海ズマ質量分析装置）や ICP-発光装置などがあり水中のナトリウム濃度は 10.71 g/Kg、塩化イオ

ます。特に ICP-MS は、現在元素濃度分析に一ンは 19.25 g/Kg となります。これが質量分率で番よく用いられている装置で、元素周期表にある表した元素濃度です。

ほとんどの金属元素について測定することができ

元素濃度は体積濃度や、質量濃度や、モル濃度

る、非常に優れた性能を持っています。約 10 分

で表すことがありますが、一般には質量濃度をよという短時間で 50 種類くらいの多元素を同時にく用います。上記の海水の Na 濃度（10.71 g/Kg）

測定することが可能ですし、濃度が濃い元素（数を 百 分 率 で 表 す と 1.071 ％、 千 分 率 で 表 す と

十 ppm）と極微量しか含まれていない元素（数10.71‰となります。含有量がもっと少ない元素ppt）を同時に測定することも可能です。例えば、の場合は百万分率（ppm；parts per million）やある地域の河川水中の Na 濃度（30 ㎎ /L、ppm）

十億分率（ppb；parts per billion）を主に使いまと 一 緒 に ウ ラ ン（U） 濃 度（0.007 µg/L、ppb）

すが、極微量の場合には一兆分率（ppt；partsを測定することが可能です。天然水中に含まれて

per trillion）で表すこともあります。以下の表記いる元素の種類とその濃度を測定する時は、ろ過はそれぞれ 1000 倍の比率関係です。

をして微粒子などを取り除いた後、硝酸を少量（硝千分率（‰）：g/Kg（mg/g）

酸濃度が 1％くらいなるように）添加して装置に百万分率（ppm）：mg/Kg（ug/g）

直接導入します。それだけで、どの元素がどのく十億分率（ppb）：ug/Kg（ng/g）

らい入っているかを測定することができます。岩

一兆分率（ppt）：ng/Kg（pg/g）

石や土の場合は、濃酸を用いて溶解してから測定

ただし、水の場合には水 1 Kg=1 L として、Kg

します。この場合は、固体試料の溶解に時間がかかりますし、使用する酸は毒劇物なので、取り扱の代わりに L をよく使います（mg/L）。

いには細心の注意が必要です。
1．元素濃度の測定
2．元素濃度の変化

ある物質中に含まれるカルシウム（Ca）元素の濃度を調べようとすると、Ca を特定でき、か地球上のすべての物質は元素の集まりです。人つ量を測定できる装置が必要です。元素濃度を測間を含む生物は水素、炭素、窒素、酸素が中心で定する装置は、主に試料の状態によって、固体ですし、岩石や鉱物はケイ素、酸素を中心とした集62

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

元素の量は少ない（十数 mg/L 以下）です。

合体です。他にも様々な元素が含まれています。
含有量が少ない元素を微量元素といいますが、地川水とアメリカの河川水を比較しても、そこに含球科学分野では 100 ppm 以下の元素に対して使まれている元素の種類と濃度はそれほど変わりま雪/雨います。ある物質中に含まれている元素の種類とせん。

濃度は、大体は同じ元素組成を持ちながらも、地
元素濃度を調べことで様々な情報を得ることが

水蒸気
河川水

域的な特徴も表すことが多いです。例えば日本のできます。例えば、ある特定の元素が周囲よりも海水

湖水

河川水とアメリカの河川水を比較しても、そこに濃ければ、そこはその元素を多く含む何かによって汚染されている可能性があることが分かります。
含まれている元素の種類と濃度はそれほど変わり

地下水

その場合は、各元素濃度をさらに詳しく見ることません。
で、何が汚染物質（汚染源）であるのかを特定し、元素濃度を調べることで様々な情報を得ること
どのように対処するかを判断する手がかりが得らができます。例えば、ある特定の元素が周囲よりれるかもしれません。また、直接には見えない地

図 1．地表環境での水循環
図１．地表環境での水循環

雨として降った水は地表を流れて川や湖を経て雨として降った水は地表を流れて川や湖を経て再も濃ければ、そこはその元素を多く含む何かに再び海に戻ります。一部は地下に潜って地下水とよって汚染されている可能性があることが分かりして流れていきます。この際に水は様々な物質（岩ます。その場合は、各元素濃度をさらに詳しく見

石、土壌、植物や人工構造物）と反応して色々なることで、何が汚染物質（汚染源）であるのかをがかりが得られます。もし普段の元素情報が分か

元素が溶け込みます。海までたどり着くまでに時着くまでに時間がかかればかかるほど反応は進み、りが得られるかもしれません。また、直接には見や汚染物質の流出など）があった場合、それらの素の量は全体的に増えていきます。この際にどのの際にどのような岩石や土壌を通って来たかによ

出来事がその地域にどういう影響を及ぼすのかとえない地下であっても、周りの地下水を測定するって、どのような元素が多く溶け込むかは変わりような岩石や土壌を通って来たかによって、どのいうことを、元素の変化から判断することも可能
ことで、その汚染物質がどこからどこへ向って流ます。例えば市販されているミネラルウォーターような元素が多く溶け込むかは変わります。例え下であっても、周りの地下水を測定することで、その汚染物質がどこからどこへ向って流れているのか、その汚染源は何かということを判断する手

特定し、どのように対処するかを判断する手がかっていれば、何らかの突発的な出来事（集中豪雨です。このように、元素の種類と濃度及びその変れているのか、その汚染源は何かということを判化は我々に様々な情報を与えてくれます。

び海に戻ります。一部は地下に潜って地下水として流れていきます。この際に水は様々な物質と反応して色々な元素が溶け込みます。海までたどり間がかかればかかるほど反応は進み、溶け込む元
溶け込む元素の量は全体的に増えていきます。こで最も有名なブランドの一つであるエビアンは石ば市販されているミネラルウォーターで最も有名
灰岩（CaCO 3 ）地域の水なので、その水には Ca が断する手がかりが得られます。もし普段の元素情

なブランドの一つであるエビアンは石灰岩

報が分かっていれば、何らかの突発的な出来事（集（CaCO3）地域の水なので、その水には Ca が豊中豪雨や汚染物質の流出など）があった場合、そ富に含まれています。また富士山地域の地下水はれらの出来事がその地域にどういう影響を及ぼす

他の地域の水と違って特有のバナジウム（V）をのかということを、元素の変化から判断することとするため、色々な元素を溶け込みます。どこで含んでいることが知られています。このように、その水（その物質）の由来や移動経路を追跡する

その変化は我々に様々な情報を与えてくれます。
地表環境での水循環の様子を簡単に表したものでその水（その物質）の由来や移動経路を追跡する
素の種類と濃度を測ってその特徴を明らかにするす。地球に存在している水は殆ど海水で占められ元素濃度の変化を水を例にみてみましょう。水と、その水が雨として降った後の履歴を把握することが可能です。すなわち、水に含まれている元ています（97％以上）。海から蒸発した水は水蒸気
分子は、正電荷（＋）と負電荷（－）が偏っていことができるわけです。このように、元素濃度を素の種類と濃度を測ってその特徴を明らかにする

元素濃度の変化を水を例にみてみましょう。水分子は、正電荷（+）と負電荷（-）が偏っている
極性分子と呼ばれる分子です。そのため極性を持
つ様々なもの（イオンや極性分子）と反応しようも可能です。このように、元素の種類と濃度及び何を溶け込むかは水循環で説明できます。図１はとして大気中に移動し、雲になり、やがては雨やる極性分子と呼ばれる分子です。そのため極性を雪として地表に降ります。最初に蒸発した水はほ豊富に含まれています。また富士山地域の地下水は他の地域の水と違って特有のバナジウム（V）を含んでいることが知られています。このように、含まれている元素の種類や濃度を調べることで、含まれている元素の種類や濃度を調べることで、ことが可能です。すなわち、水に含まれている元

調べるだけでも、その物質の移動経路を追跡すると、その水が雨として降った後の履歴を把握することが可能ですが、これに同位体情報などを加え持つ様々なもの（イオンや極性分子など）と反応ことができるわけです。このように、元素濃度をしようとするため、色々な元素が溶け込みます。

調べるだけでも、その物質の移動経路を追跡する

どこで何が水に溶け込むかは水循環で説明できまことが可能ですが、これに同位体情報などを加えす。図 1 は地表環境での水循環の様子を簡単に表ると、その正確度は一層向上します。

ぼ純粋な水である、溶け込んでいる元素は少ない（十数㎎以下）です。

したものです。地球に存在している水は殆ど海水で占められています（97％以上）。海から蒸発した水は水蒸気として大気中に移動し、雲になり、やがては雨や雪として地表に降ります。最初に蒸発した水はほぼ純粋な水であり、溶け込んでいる
63

ると、その正確度は一層向上します。

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
申基澈（総合地球環境学研究所

研究基盤国際センター）、2008 筑波大学大学院生命環境科学研究科
博 士 課 程 終 了、 博 士（ 理 学 ）、
2009 筑波大学

研究基盤総合センター研究員、総合地球環境学研究所技術補佐員、2011 産業技術総合研究所

地圏資源環境研究部門

特別研究員を経て、2012 年より現職。

（2020 年 3 月 31 日掲載）（2020 年 4 月 7 日改版）

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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

重元素同位体の前処理から測定まで
タイトル：重元素同位体の前処理から測定まで

申

基

澈

（総合地球環境学研究所）

図１。重元素同位体⽐測定の流れ

金属元素はほとんどの物質に様々な割合で含まれています。その含有量の多少で主成分元素や微量成分元素に分類します。岩石の場合はその構成元素の中で 1％以上の割合を占める元素を主成分
元素（major element）といいます。学校の地学で学ぶシリカ（Si）、アルミニウム（Al）、鉄（Fe）、
カルシウム（Ca）、マグネシウム（Mg）、ナトリ
ウム（Na）、カリウム（K）などがここに該当します。一方で非常に少ない割合で含まれている元
素を微量元素（trace element、ppm 濃度以下の含有量）といいます。重元素同位体比測定によく用いられるストロンチウム（Sr）、鉛（Pb）、ネ
オジミウム（Nd）などがここに含まれていますが、他の元素も多く存在しており、我々の日常生活に幅広く使われています。
ある物質に含まれている金属元素に対して同位

図 １．重元素同位体⽐測定の流れ

体比測定を行うためには、測定する元素を他の元1．試料の分解（溶液化）

素から分離・精製する必要があります。軽元素の場合は試料を装置に導入して燃やすなどの方法で河川水などの溶液試料は試料自体が溶液状態な気化させ、そこから測定元素のみを選択することので前処理としては、まずフィルターを用いて不ができますが、金属元素の場合はそれが出来ませ

純物や粒子などを取り除きます。試料に有機物成ん。目的元素のみを試料から取り出して分析装置

分が多く含まれている場合には硝酸などを用いてに導入する必要があります。

酸処理を行い次の濃度測定に進みます。

すべての物質は元素の集合体でもありますので固体試料を効率的に溶液化にするためにはまず何らかの方法を使って試料を元素やイオン単位に粉末化する必要があります。岩石や堆積物及び土分解して分離・精製します。特に違う元素なのに壌のような無機試料なら切断機や粉砕装置を使っ同じ質量数を持つ同重体（isobar）の除去は細心て大きさ数 μm 以下になるように完全につぶしまの注意を払わなくてはいけません。重元素同位体

す。生物（動・植物）試料は乾燥又は凍結してかを測定するための試料前処理から測定までの流れ

ら粉砕装置で粉末にします。完全に粉にしてからを図 1 で表しました。試料の種類と測定元素に試料を十分な量を用いて溶液化に進みます。生物

よって前処理期間は異なりますが、多くは 1 週間

試料は有機物で構成されているため溶液化の段階程度でできますが、長くかかる試料は 1 カ月以上

で大量のガス（主に二酸化炭素や水蒸気）が発生を必要とする場合もあります。

し、完全な分解を妨害することがあります。その65

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

ため、生物試料を酸で分解する前に燃やして灰化を行うことで不純物を取り除き、超高純度酸を精することで有機物を効率よく取り除くことができ製して使うこともあります。この際には、2 回蒸ます。この灰化で金属の測定元素が失われること

留することが多いです。

を防ぐためにも 500℃くらいの高温で灰化するマッ試料は通常はホットプレートで加熱しますが、

フル炉（又は電気炉）を使うより 100〜130℃前

一連の分解過程を終えるには 1 週間程度かかりま後のより低い温度で灰化できる低温灰化装置を用す。そのため、短時間で効率よく加熱・分解する

いるのをお勧めします。

ためマイクロ波分解装置（家庭用電子レンジと同じ仕組みですが実験用に開発されたもの）を用い粉末になった試料は高純度かつ高濃度の酸を用ることが多くなっています。

いて溶液化します。試料を溶液化するということ
は、強く結合している元素同士を切り離してイオ

このように高濃度酸を用いて溶液化された試料

ンの状態にすることを意味します。多様な元素同は一旦酸溶液中の要らない成分を取り除くため蒸士が様々な形態で結合して一つの物質を構成して発・乾固を行った後に ICP-MS を用いて元素濃度いるため、それらの結合を切り離すためにはそのを測定するために再び硝酸で溶解します。

結合に合わせた酸を使う必要があります。ケイ酸
2．濃度測定と必要な量塩が中心になっている岩石や土壌はシリカ結合を切り離せるフッ化水素酸（HF）が必要ですし、有

まず、ICP-MS などを用いて試料に含まれてい機物は炭素結合を中心に形成されているため強いる金属元素の濃度を測定することにより（詳細は酸化力を持っている硝酸（HNO3）を使用します。

「元素濃度」を参照）、同位体分析に必要な元素の一般的に岩石・鉱物のような無機試料はフッ化量に合わせて、溶液化された試料から分析に必要

水素酸（HF）- 過塩素酸（HClO4）- 硝酸（HNO3）-な量を計算します。一つの例として河川水試料を塩酸（HCl）などを組み合わせて 180℃以上の高

考えてみます。Sr 同位体比測定に必要な Sr 元素

温・高圧状態で分解します。試料に対して使用すの量は 100 ng 程度です。河川水に含まれているる酸の種類と量は実験環境によって様々な方法がSr 濃度が 100 ppb（ng/mL）なら 1 mL あれば Sr

ありますので自分の研究目的と試料に合った方法

同位体比の測定ができます。しかし含有量が少なを選択します。一方、有機物試料は硝酸（HNO3）

い Pb が 2 ppb（ng/mL）くらいの濃度だとすると過酸化水素水（H2O2）を用いることで簡単にとその必要な試料量は 50 mL になります。その分解することができます。最近は危険なフッ化水

ため ICP-MS や ICP 発光装置などで同位体比の素酸の代わりにテトラフルオロホウ酸（HBF4）測定に必要な試料量を取り分けて元素分離工程にを用いることもあります。

進みます。この際に硝酸溶液にした試料をもう一
度蒸発乾固して再調整することもあります。

高濃度酸は非常に反応性が高いためわずかなミスでもすぐ周囲の物質を溶し込んで汚染されてし3．元素分離まいます。高濃度酸を使用する際には細心の注意を払いながら安全かつきれいな環境が整った実験

試料の溶液化を通してイオン化された元素は、室が必要ですので、空気中の微粒子の量が制限さ

イオン交換樹脂を用いたクロマトグラフィー法でれているクリーンルームで実験を行います。また

分離・精製します。イオン交換樹脂は樹脂の表面使う実験道具は酸と反応しないテフロン製の器具にあらかじめイオンを吸着させているもので、溶を使います。酸の純度も不純物が非常に少ない超液中に存在するイオンを吸着する代わりに樹脂が高純度酸を使うことになります。超高純度酸は高持っていたイオンを離すことでイオン交換反応が価なため、安価な酸を購入し実験室で非沸騰蒸留起きます。樹脂に吸着されるイオンの種類は溶液66図２。元素分離で使⽤される樹脂と溶液の種類。複数の溶液種類を使ったり、同じ溶液を濃度を変えて使ったり、⼀陀安一郎、申基澈、鷹野真也編（2023）同位体環境学がえがく世界：2023
年版
つの⼯程を繰り返して⾏ったりして⽬的元素のみを綺麗に分離・精製します。（REES：希⼟類元素）の種類と酸濃度によって変化するので目的元素（イオン）のみが吸着される条件を作り出して元素分離を行います。元素によっては 1 回の分離過程で終わるものもありますが、似たような工程を 2〜
3 回繰り返さなければきれいに分離・精製できな
いものもあります。樹脂表面に陰イオンが吸着されるのが陰イオン交換樹脂であり、陽イオンが吸着されるのが陽イオン交換樹脂です。このイオン交換樹脂は比較的に安価で、1 回の工程で複数の元素分離ができますし、綺麗に洗浄すれば繰り返して使うことができるメリットがありますが、必
要な樹脂量と溶液量が多くて時間がかかるデメ
リットもあります。また使用状況によって分離状
況が悪くなることがあるので気を付けて使う必要があります。
目的の元素のみを分離する選択性樹脂も広く使

図 ２．元 素分離で使⽤される樹脂と溶液の種類。複数の溶液種類を使ったり、同じ溶液を濃度を変えて使ったり、⼀つの⼯程を繰り返して⾏ったりして⽬的元素のみを綺麗に分離・精製します。
（REES：希⼟類元素）

われています。Sr 樹脂や Pb 樹脂、REE（Rareearth elements：希土類元素）樹脂のような選択性樹脂は決まった条件で決まった元素のみを吸着して、他の元素はそのまま流します。このような選択性樹脂は必要な樹脂の量も少なく、必要な溶の種類に合わせて濃度調整もしくは蒸発乾固を行液も少量でできるので、作業時間が短く分離状況

い、同位体比測定に移ります。

も良いというメリットがありますが、高価で、か4．同位体比測定

つ 1 回しか使えないので、費用が掛かるというデメリットがあります。最近は費用が掛かっても作

図 1 で示したように同位体比の測定は表面電離

業効率が良い選択性樹脂を使うことが多いです。

型 質 量 分 析 装 置（TIMS; Thermal Ionization

地球研で行われている元素分離の工程を図 2 にまMass Spectrometry）又はマルチコレクター ICP-

とめました。

MS（MC-ICP-MS）を用いて行います。TIMS は

ここで注意が必要なのが、同位体比を標準物質

イオン化エネルギーが高い金属のフィラメントのに対する偏差（δ 値）で表す元素（例えば Mg や上に測定試料を載せて蒸着させて測定します。

Fe などの金属元素）を分離する場合です。元素

フィラメントとして使われるものは超高純度分離過程で、樹脂に投入した元素の“一部だけ”（99.999％以上）のレアメタルであり、レニウム（Re）が回収されると、同位体分別によって試料が持つとタンタル（Ta）とタングステン（W）が広く本来の同位体比から大きくずれてしまいます。そ使われます。測定用試料が載っているフィラメンれを防ぐために、樹脂に投入した量と回収された

トに電流を流すと高温の熱が発生するのでその熱量を確認して、回収率が 95％以上になっている

で元素をイオン化させます。電流の強さで測定すことを確かめなければなりません。

る元素の信号強度を調整できるので非常に安定し分離・精製された同位体比測定用試料は、塩酸

た信号強度を得ることができますが、測定が進行溶液又は硝酸溶液状態で回収されます。分析装置

すると僅かではありますがイオン化される同位体67

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 年版の割合が軽い同位体と重い同位体で差が生じます。

定し、標準物質の濃度に合わせます。同じ試料を

つまり、軽い同位体が重い同位体よりイオン化さ両装置で測定したときに測定値の精度は TIMS

れやすいので時間が経過するとその差は大きくの方が MC-ICP-MS より 3〜4 倍くらい良い結果

なっていきます。このように、装置内部で起きるを出します。

同位体分別によって、測定された同位体比は試料

TIMS での測定は高真空条件で行うため試料を自体が持っている同位体比を示さないことになり装置に導入してから 6 時間以上の真空引きが必要ます。そのため同位体分別によるずれを直す内部

ですし、一度に装置にセットできる試料数（21 個）補正ができる元素については非常に安定した高精に制限があるため迅速分析はできません。しかし度測定ができます。

MC-ICP-MS は大気圧下で溶液試料を流すだけなので真空引きが要らず、迅速分析が可能です。

一方、時間経過による同位体分別が起きないのが 溶 液 試 料 で 測 定 す る MC-ICP-MS で す。MC-以上のように金属元素の同位体比を測定には

ICP-MS は高温のアルゴンプラズマ（約 6,000〜

TIMS と MC-ICP-MS の 2 種類の装置が使われて7,000℃）で元素をイオン化させ同位体比を測定

いますが、装置それぞれの特徴を理解した上で自します。測定用試料は均質な溶液であるため測定

分の研究目的に合った装置を選択する必要がありの最初と最後で差が生じません。また内部補正がます。

できない元素に対しては内部補正を可能にする別
著者情報の元素を添加することができるので、そのような

申

元素は安定した測定ができます。例えば Pb の測基澈（総合地球環境学研究所

研究基盤国際センター）、2008 筑

定にタリウム（Tl）を添加すると同位体分別の補波大学大学院生命環境科学研究科

正ができます。しかし、アルゴンプラズマが持っ

博 士 課 程 終 了、博 士（理 学）、ている振動のため、イオン化された元素の信号強2009 筑波大学

研究基盤総合センター研究員、総合地球環境学研度は常に変化します。そのため TIMS のような究所技術補佐員、2011 産業技術

高い安定性が確保できません。また測定元素の信総合研究所

号強度は試料の濃度によって決定されるため測定

地圏資源環境研究部門

特別研究員を経て、2012 年より現職。

試料の濃度調整が必要になります。元素分離で回収された試料から ICP-MS を用いて元素濃度を測68（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

地下水流動研究におけるマルチトレーサーの活用法
藪

崎

志

穂

（総合地球環境学研究所）

2．現地で測定する項目

1．水循環と地下水流動
地球上に存在する水には、もっとも量の多い海地下水調査では現場で測定する項目があり、水水のほかに、地下水、湧水、河川水、湖沼水など

温、pH、EC、ORP、DO などが相当します（表 1）。

があります。大気中にも水蒸気が存在し、降水（降特に水温は時間が経過すると値が変わるため、そ雨や降雪など）の源となっています。これらの水の場で測定しなければなりません。他の項目は実はエネルギー（主に太陽エネルギー）を得ること

験室に持ち帰ってから測定する場合もありますが、により循環しており、こうした現象は「水循環」

時間の経過と共に変化することもあるので、通常と呼ばれています。持続可能な水利用を行うためは現地で測定しています。いずれも持ち運びが可には水循環を把握することが不可欠です。また、

能なポータブルの測定機器がありますが（図 1）、水害などの自然災害や水質汚染の対策・予防を検メーカーや価格によって測定範囲や機能が異なり討するためにも、水循環は非常に重要な概念とますので、研究目的に適した測定機器を用いる必なっています。

要があります。以下では、各項目の特徴について
簡単に説明します。

水循環に関する研究は多岐に渡りますが、その一つに地下水の流動に関する研究も含まれていま

水温は水の温度で、河川水や湖沼水など大気にす。実は地下水は人間活動とも大きく関わってお接している水では気温の影響を受けて、測定する

り、たとえば、農業や工業用として地下水は多く

時期や時間によって大きく変化しますが、地下水利用されていますし、降雪の多い地域では融雪用は地中にある水のため大気とは接しておらず、年として地下水が用いられている場所もあります。

間を通じてほぼ一定した値を示します。ただし、お酒や豆腐、ミネラルウォーターなどの食品用と浅い地下水の水温は降水の浸透の影響などを受けしても利用されており、また身近な例としては、て変化する場合もあります。深い地下水では地温

私たちが飲む水道水の水源に地下水が利用されての影響を受けるため、表層から深層にむけて水温いる地域もあります。このように人間生活と密接が変化することもあります。また、涵養された標に関わっている地下水ですが、間違った使い方を

高によって水温は変化するため、同じ地域の地下すると枯渇したり、涵養域や流域の無闇な開発に

水の水温の差により、大まかですが、涵養標高のより水質汚染が生じたりすることもあります。こ違いを把握することができる場合もあります。

うした問題を考える際に、地下水流動研究は重要

pH（potential of hydrogen）は水の酸性やアルな役割を担っています。地下水の流動を明らかに

カリ性の程度を示す値で、水素イオンの濃度を反するために、多く活用されているのが、水の性質映しています。なお、以前は“ペーハー”と呼ば（＝水質）です。ひとことで水質といっても、種れることもありましたが、現在は日本の工業規格類は沢山ありますが、本稿では一般的によく使わに従い“ピーエッチ”または“ピーエイチ”と読れている項目について紹介したいと思います。

むことが推奨されています。pH は酸性（pH ＜ 7）、
中性（pH=7）、アルカリ性（塩基性）（pH ＞ 7）69

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

表 1．水温、EC、pH、ORP、DO の特徴
項目

水温

単位

water temperature℃

特徴・河川水や湖水など大気に接している水では時期や時間によって大きく変化する・地下水は地中にある水のため大気とは接しておらず、年間を通じてほぼ一定した値を示す
・深度が深い地下水では地温の影響を受けるため、表層から深層にむけて水温が変化することもある・同じ地域の地下水の水温の差により、涵養標高の大まかな違いを把握することも可能

potential of hydrogen・pH7 以下→酸性、pH ＝ ７ →中性、pH7 以上→アルカリ性（塩基性）
・日本の地下水では、一般的に 6 ～ 7 前後の値を示す
・深い地下水では相対的に高い値（アルカリ性）の値を示すことが多い
・火山地域の地下水では火山ガスの影響を受けて酸性を示すことが多い

EC

electrical conductivity

電気伝導率・水に溶存している物質量の総量を示す
・EC の値が高いほど水に溶けている成分量は多くなるが、何が溶けているのかは把握できない・降水の EC は通常 3 mS/m 以下の低い値を示す
mS/m, S/m
・地下水では、一般的に EC は 10 ～ 30 mS/m を示す地点が多いが、火山地域の地下水や沿岸付近で海水が混入している地下水、深度の深い地下水などでは沢山の成分が溶けているため EC は高くなる
・海水の EC は 4,000 ～ 4,500 mS/m と非常に高いため、海水の混入の把握が可能

ORP

oxidation-reduction
potential

酸化還元電位mV・水が好気的条件下にあるか、嫌気的条件下にあるかの判断に用いられる・常時大気に降れているような河川や湖沼水では好気的条件にあるため、相対的に高い値を示す
・深い地下水など嫌気的な条件下にある場合には ORP は低い値を示す

mg/L, ppm

・水にどれくらいの酸素が溶けているかを示す
・DO が高いと酸素が多く溶けており，DO が低いと溶存酸素量は少ない
・DO は植物や生物活動と深く関連しているため、湖沼環境を把握する際に良く利用
されている

pH

DO

dissolved oxygen

溶存酸素量

いる成分量は多くなります。しかし、EC の値か
らは何が溶けているのかはわかりません。降水は
成 分 が 殆 ど 溶 け て い な い た め、EC は 通 常
3 mS/m（ミリジーメンス／メートル）以下の低い値を示しています。一般的な河川の EC は上流
で低く、下流に向かうにつれて高くなる傾向があります。日本の場合、平均的には 5 〜 20 mS/m
程度の値を示しています。地下水では、一般的にEC は 10 〜 30 mS/m を示す地点が多いですが、火山地域の地下水や沿岸付近で海水が混入してい図 1．
（右）EC・pH メーター（D-54，HORIBA）、（左）ORP メーター（PH72，YOKOGAWA）

る地下水、深度の深い地下水（滞留時間が長い地
下水、化石海水が混入している地下水）などではに区分できます。pH は地質の影響を受けやすく、沢山の成分が溶けている場合が多く、EC も高い

日本の地下水では、一般的に 6 〜 7 前後の値を示

値を示すことになります。たとえば、海水の EC

すことが多いですが、深い地下水では相対的に高は 4,000 〜 4,500 mS/m と非常に高いため、地下い値（アルカリ性）を示すことが多く、また火山

水における海水混入の有無を EC からある程度判

地域の地下水では火山ガスの影響などを受けて酸断することができます。

性を示す場合が多いです。

ORP（oxidation-reduction potential）は酸化還EC（electrical conductivity）は電気伝導率と元電位とも呼ばれており、水が好気的条件下にあも呼ばれており、水に溶存している物質量の総量

るか、嫌気的条件下にあるかの判断に用いられてを把握できます。EC の値が高いほど水に溶けています。常時大気に降れているような河川や湖沼
70

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 で は 好 気 的 条 件 に あ る た め、ORP は 200 〜酸イオン（PO43-）、炭酸水素イオン（HCO3-）な

300 mV の相対的に高い値を示しますが、深い地

どの陰イオンがあります。昔は滴定など手分析で下水など嫌気的な条件下にある場合には ORP は

項目ごとに分析しており、手間と時間がとてもか低い値を示します（-200 mV 以下になる場合もかっていたようですが、現在は分析装置（主にイあります）。

オンクロマトグラフ（IC））を利用することで、DO（dissolved oxygen）は溶存酸素量とも呼陽イオンと陰イオンを比較的短時間かつ高精度でばれ、水にどれくらいの酸素が溶けているかを示測定することができます。地球研では ICS-3000

す値です。mg/L または ppm で表示され、値がや ICS-6000（いずれも Thermo Fisher Scientific

高いほど多くの酸素が溶存していることになりま社製）を用いて分析しています。こうしたイオン

す。DO は植物や生物活動と深く関連しているたの濃度はペットボトルのラベルに表示されている

め、湖沼環境を把握する際に良く利用されていま場合がありますので、みなさんもご覧になったこす。たとえば、有機物や微生物が多い湖沼（一般とがあるかもしれません。イオン濃度は、通常的に水質汚濁が生じている湖沼）では消費される“mg/L”（1L 中に何 mg のイオンが含まれている

酸素が多くなるため DO が低くなり、貧酸素状態か）として表示されます。mol 表示などで示されとなって生物が生息できない環境であることがわる場合もありますが、いずれも変換は可能です。

かります。

イオン濃度は数値として表示されますが、沢山

これらの項目を測定し、データを地図にプロッの地点を比較する場合には、数値では把握しにくトして平面分布図を作成することで、地下水の帯い場合があります。そこで、溶けている成分の値

水層の違いや、地下水流動の把握などに活用するを図示して、水質の特徴を把握する方法がよく用ことができます。

いられています。この図を水質組成図と呼んでいます。水質組成図には表現方法の違いにより複数

3．無機溶存イオンと水質組成図の種類がありますが、ここではよく使われている
シュティフダイアグラムとトリリニアダイアグラ

水には物質を溶かす性質があり、沢山の種類のムについて説明します。

物質が溶存しています。しかしながら、何が溶けているのかは地下水の場所や深度、地質の条件なシュティフダイアグラム（stiff diagram）は、

どによって異なるため、分析装置で測定すること

陰イオンと陽イオンの濃度を六角形の図で表したにより初めて知ることができます。なお、現場でもので、形や大きさから水質の特徴をひとめで把大よその特徴を把握するための試薬（パックテス

握することができます（図 2）。ヘキサダイアグ

トなど）もありますが、これは色で判断するため

ラムと呼ばれることもあります。なお、濃度の単

主観的な要素が強く、参考値として利用するのが位は meq/L（水 1L に含まれるミリ当量値）を用望ましく、正確な値を知るためには、やはり機器いています。凡例で示しているように、真ん中を分析で実施する必要があります。

0 とし、左側に陽イオン（上から Na+＋K+、Ca2+、

地下水に溶存している成分で一般的に多く含まMg2+）、 右 側 に 陰 イ オ ン（ 上 か ら Cl-、HCO3-、

れているものとして、無機溶存イオンが挙げられ

SO42-＋NO3-）をプロットし、それぞれの点を線ます。これには、ナトリウムイオン（Na+）、カで結ぶと作成できます。真ん中の直線から距離が++リウムイオン（K ）、アンモニウムイオン（NH4 ）、離れているほど、すなわち図の形が大きいと濃度2+カルシウムイオン（Ca ）、マグネシウムイオン2+が高いことになり、より多くの物質が溶存してい-（Mg ）などの陽イオンと、塩化物イオン（Cl ）、-ることになります。

2-

硝酸イオン（NO3 ）、硫酸イオン（SO4 ）、リン

シュティフダイアグラムでは図の形から水質の71

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

特徴を知ることができます。特徴的な水質組成 4型や Na-Cl 型のように異なったNa（Cl＋HCO
3）+

水 質 組 成 に 変 化 す る こ と も あ り ま す。 深 度 がと Cl を多く含んでおり、このような水質組成を1,000 m を超えるような非常に深い地下水でこう

Na-Cl 型と示します。また、横方向に 1/200 で表した水質の特徴が散見されており（茶屋ほか，

示されているため、濃度が非常に高いことがわか

1977；丸井，2014 など）、地質の影響に加え、化つを例として図 2 に示しました。1 は海水で、Na
-

2+

–

ります。2 は石灰岩地域の湧水で、Ca と HCO3

石海水の影響などを受けていると考えられます。

以外は殆ど含まれておらず、Ca-HCO3 型となっまた、大抵の場合、深い地下水のほうが溶存成分ています。石灰岩は炭酸カルシウム（CaCO3）を量は多くなっています。そのため、水質組成をみ主成分とする堆積岩で、水に溶解すると、“CaCO3

ることで、浅い地下水か、深い地下水かの大まか

2+-＋CO2＋H2O → Ca ＋2HCO3 ”の化学反応が生じ、
2+な情報を得ることができます（この例に当てはま–

水中の Ca と HCO3 濃度が高くなります。鍾乳

らない場合もあります）。4 は Ca-SO4 型で、少し洞の地下水も同様の水質組成を示しますが、濃度

珍しい水質組成です。火山起源地域の地下水・湧は場所によってやや異なります。3 は比較的深い

水や温泉水、黄鉄鉱を含む地質が分布する地域の地下水（深井戸の水）で、Na-HCO3 型を示して地下水などで見られる水質組成です。Ca-SO4 型

います。日本では浅い地下水や湧水、河川水などの水では Fe（鉄）や Mn（マンガン）などの金では Ca-HCO3 型が卓越していますが、深い地下

属元素濃度も高いことが多く、地質と強い関係を

水は地下に滞留している時間が長くなるため、地持つ水質であると言えます。これら 4 つの水質組

層中の鉱物との化学反応等が生じて水質も変化し成のほかにも Ca-Cl 型（塩水化した地下水や融雪

2+（たとえば、粘土鉱物と水との反応では、Ca や
2+

+

+

剤の影響を受けた地下水などで見られる）や複合-

Mg が粘土鉱物に吸着され、Na や K 、HCO3++型など多くの種類があります。いずれにしても、-が放出されるため、水中の Na や K 、HCO3 濃形と大きさを比べることで、同じ地域の地下水で度が高くなります）、Na-HCO3 型の水質組成を示あれば地下水流動や帯水層の把握に役立てることすことが多くなります。更に年代を経た水ではができますし、沿岸域であれば海水の混入の有無のほか、帯水層の深度や地質の推定などにも活用することができ、地下水流動研究では非常に重要な手法になります。
もう一つ、よく利用される水質の表示法があります。トリリニアダイアグラム（trilinear diagram）と呼ばれるもので、中央の菱形座標図（キーダイ
アグラム）と、左右 2 つの三角座標図からなります（図 3）。パイパーダイアグラム（piper diagram）とも呼ばれています。シュティフダイアグラムと同様に、陰イオン 4 成分、陽イオン 4 成分を対象としています。この図ではそれぞれのイオン濃度の当量値の割合（当量％）を表示しているため、溶存成分量は反映されませんが、化学成分濃度の相対的な割合を瞬時に把握することができます。
通常、トリリニアダイアグラムの菱形座標図の部
分を 4 つに区分し、Ⅰ「アルカリ土類炭酸塩型」、

図 2．水質組成図（シュティフダイアグラム）
72

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

る情報を得ることができるため、用途に応じて多くの地下水流動研究で利用されています。
4．微量成分
水中にごく僅か含まれている成分を微量成分と言います。たとえば、Fe（鉄）や Mn（マンガン）、Al（アルミニウム）、Cu（銅）、Zn（亜鉛）、Sr（ストロンチウム）、Hg（水銀）、As（ヒ素）などがあります。これらは原子吸光光度計や ICP-MS（誘導結合プラズマ質量分析計）などで測定することができます。特に ICP-MS では複数の元素を同時

図 3．水質組成図（トリリニアダイアグラム）に分析することができ、検出感度は元素によってⅡ「アルカリ炭酸塩型」、Ⅲ「アルカリ土類非炭異なりますが、ppb 〜 ppt のオーダーで測定する

酸塩型」、Ⅳ「アルカリ非炭酸塩型」と呼んでいことができます。地球研では、Agilent 7500cx やます。ⅡおよびⅢの部分を更に上下に二等分し、Agilent 8900 ICP-QQQ で分析しています。

内側の部分を「中間型」として表示する場合もあ

地下水の微量成分の濃度は場所によって異なりります。

ますが、火山地域の地下水では Al や Fe、Mn、それぞれの大まかな特徴として、Ⅰには浅層地B（ホウ素）などを多く含んでいることが多いで下水や湧水、河川水などがプロットされ、日本のす。また、微量成分の多くは地質由来となってい

表流水や地下水では最も多くの地点がこの部分にるため、岩石や土壌と長期間接触している滞留時含まれます。Ⅱには深層地下水など滞留時間が比間の長い地下水では濃度が高くなる傾向がありま較的長い水がプロットされます。Ⅲには温泉水（熱す。また人体に有害な As や Hg、Cd（カドミウム）、

水）や化石海水、火山地域の地下水・湧水など、

Pb（鉛）などを多く含んでいる場合もあり、地Ⅳ に は 海 水 な ど が プ ロ ッ ト さ れ ま す（ 藪 崎，

下水汚染の把握では重要な項目となります。これ2011）。ただし、すべての水が上記の分類に適合

らの元素は人為的な汚染により負荷された場合がする訳ではないので（たとえば、温泉水でもⅡに多いですが、地質等の自然起源のものもありまプロットされる場合があります）、この点に注意す。また、V（バナジウム）のように富士山など

して水質の評価を行う必要があります。図 2 の一部の限られた地域の地下水や湧水で濃度が高い

シュティフダイアグラムで示した 4 地点につい元素もあり、こうした物質は地下水流動や帯水層て、1（海水）はⅣに、2（湧水）はⅠに、3（深の違いを調べる際に利用できます。また、地質（岩層地下水）はⅡに、4（火山地域の湧水）はⅢに石）により含まれる元素は異なっているため、地プロットされており、ほぼ上述した分類に適して下水中の微量成分濃度を測定することで、地下水いることがわかります。今回は 4 地点のみの表示

流動や涵養域を推定できる場合があります。このですが、百〜数百を超えるような多くの地点でもように、地下水流動研究では微量成分もトレー同一の図にプロットすることができるため、溶存サーとして有効活用することができます。

成分の場所による違いや、同じ地点での水質の時
5．水の安定同位体

間変化を把握する際に特に効力を発揮します。
このようにシュティフダイアグラムおよびトリ

安 定 同 位 体 に は 様 々 な 種 類 が あ り ま す。 水

リニアダイアグラムでは同じ水質データから異な（H2O）を構成する元素の H（水素）と O（酸素）73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 年版にも安定同位体があり、水素安定同位体（以下、2度効果）、この特徴を利用して地下水や湧水

18δ H）および酸素安定同位体（以下、δ O）と呼などの涵養域を推定することができます。

ばれています。これらの同位体は水そのものとな

・地下水の同位体比は時間変化が少なく比較的りますので、水の挙動を把握するための非常に優一定した値を示しますが、降水（降雨や降雪）れたトレーサー（追跡子）となります。なお、同はイベント毎に同位体比が大きく変動するた位体の詳細については、本冊子の「3 章

め、降水と河川水の連続観測を行い両者の同軽元素同位体」をご参照ください。

位体比を比較することで、降雨 – 流出過程のH と O の同位体比分析では、かつては前処理

解明につなげることもできます。

を行ったのち質量分析装置で測定するのが一般的

このように、工夫次第で多くの情報を得ることでしたが、近年は波長スキャン・キャビティリンができるため、δ18O や δ 2H は地下水流動研究でグダウン分光方式（WS-CRDS）の機器を利用すは欠くことのできない重要な項目となっています。

ることにより、従来の質量分析計で測定する場合
6．滞留時間の推定と比べてより簡便かつ短時間で分析することが可能となりました。地球研では、通常は、WS-CRDS

持続的な地下水利用を行う際には、地下水の滞の L2130-i および L2140-i（いずれも Picarro 社製）

留時間2）を把握することが重要となります。水のを利用しています。

滞留時間を把握するためには幾つかの方法があり

18

2

ますが、その中でも 3H や CFCs、SF6 を用いた

δ O および δ H には複数の特徴があり、これらの特徴を活かして、多くの地下水流動研究で利推定方法がよく利用されています。
3

用されています。利用法の一例を、以下に紹介し

H は水素の放射性同位体で、トリチウムとよます。

ばれています。陽子 1 つと中性子 2 つから構成さ・流域の地下水等の同位体比の空間分布を示すれる核種で、β 線を放出して 3He（ヘリウム）にことで、帯水層の違いや地下水流動、他の水壊変します。12.32 年経過すると濃度が半減し、塊との混入の有無などを把握することができこれを半減期といいます。時間が経過すると濃度18ます。なお、海水の δ O と δ H は約 0‰で、が減少する性質を利用して、水の滞留時間を推定

通常の地下水や湧水、河川水等と比べると相することができます。濃度は Bq/L または TU（ト対的に高い値を示すため、沿岸域では海水混

リチウムユニット；1 TU=0.118 Bq/L）で示され入の把握にも活用することができます。

ます。たとえば、ある地下水試料について涵養さ

2

1）・δ–ダイアグラム に地下水や湧水、海水などれた当初の 3H 濃度が 10 Bq/L で、現在の 3H 濃

異なる水塊の δ18O と δ 2H をプロットして計

度が 2.5 Bq/L の場合、1/4 の濃度に減少してい算することにより、ある水試料に混入しているため、滞留時間はおよそ 25 年（半減期× 2）

ると予想される水塊のそれぞれの混合割合をであると推定されます。3H の半減期は比較的短推定することが可能となることもあります。

いため、数年〜 100 年ほどの滞留時間の推定に利この場合、異なる水塊の同位体比には明瞭な用できます。そのほかに、地下水の年代測定では差があることが条件となります。

14

C（半減期 5730 年）や 36Cl（半減期 301000 年）

・蒸発の発生に伴い水の同位体比が高くなる性などの放射性同位体が利用されていますが、これ質を利用して、地下水や湧水の蒸発の有無や、

らは半減期が長いため、滞留時間が数千年〜 100

土壌中（土壌水）で蒸発の影響がおよぶ深度

万年のようにとても長いものに対して有効となりを把握することができます。

ます。日本の地下水では（非常に深い地下水を除・標高と同位体比に負の相関が存在するため（高き）数年〜 100 年程度の滞留時間が多いため、利74

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

用できる地点は限られてきます。

しなければならないので（通常はモデルを用いて検討します）、多少手間はかかりますが、重要な

CFCs は ク ロ ロ フ ル オ ロ カ ー ボ ン 類

情報を得ることができます。

（Chlorofluorocarbons）といい、CFC-11、CFC-12、
CFC-113 などがあります。冷却剤や洗浄剤などの工業用として 1930 年代に人工的に生成された

7．おわりに―マルチトレーサーとしての有効性―

有機化合物で、化学的に極めて安定な性質を持つ

以上で紹介したように、地下水流動研究では溶ため、放出された CFCs は大気中に蓄積されまし

存成分や同位体など、多くの項目をトレーサーとた。年代によって大気中の CFCs 濃度が異なるた

して活用することができます。これらのトレー

め、水中の CFCs 濃度を測定して、過去の大気中

サーは単体で利用することもできますが、複数のの濃度と比較することにより、水が涵養された年

トレーサーを併せて利用することで得られる情報代を推定することができます。

は格段に増え、また信頼性も増すため、できるだ

SF6 は六フッ化硫黄（sulfur hexafluoride）の

け多くのデータを得ることが望ましいと言えま

こ と で、 電 気 や 電 子 機 器 な ど の 縁 ガ ス と し てす。こうした複数のトレーサーを用いてある事象

1960 年代から利用されている気体です。化学的を解明する方法をマルチトレーサー法と言いまに非常に安定な性質を持っており、大気中の濃度す。マルチトレーサー法は、広域を対象とした地は現在も増加しています。CFCs と同様に、水中

下水流動研究などで特に効果的であると考えられの SF6 濃度を測定して、過去の大気中の濃度と比ます。

較することにより、水が涵養された年代を推定す

複数のトレーサーを用いた研究例として、忍野ることができます。CFCs と比較して、より新し村の河川調査で実施した結果を図 5 に示しまし

い水（滞留時間が 10 年よりも短い水）の年代推た。この図は、村内を流れる新名 庄 川と桂川の定が可能です。

pH とシュティフダイアグラムの平面分布を示し

しん な しょう がわ

3

降水の H 濃度、大気中の CFCs（CFC-11，12，ています。両河川ともに、pH は上流（東側）で113）および SF6 濃度の経年変化を図 4 に示しま

高く、下流（西側）に向かうにつれて低下しておした。これらの濃度と試料水の濃度を比較するこり、特にある地点を境に値が大きく変化しているとにより涵養された時期が判明しますので、結果ことがわかります。この結果より、値が急変してとして滞留時間を求めることができます。ただし、いる辺りで pH が 7 前後の浅層の地下水や湧水が単純に濃度を比較するだけで結果が得られる訳で河川に流入していることが予想されます。また、はなく、涵養プロセスにおいて地下水流動を考慮

pH が変化している地点でシュティフダイアグラ
ムの形や大きさもやや変化しており、下流の河川
水の水質組成は浅層の地下水や湧水の水質組成に近付いています。このように pH や水質組成図な
どの複数のトレーサー（マルチトレーサー法）を利用することにより、河川水と地下水の相互関係について明瞭に把握することができました。この研究例では 2 つのトレーサーを用いた単純なものですが、更に複数のトレーサーを併せることで、より複雑な地下水流動の解明にもつなげることができると考えられます。

図 4．降 水の 3H 濃度、大気中の CFCs および SF6 濃度の経年変化（藪崎，2021 の図を一部加筆・修正）

今回紹介したトレーサーのほかに、地下水流動75

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 5．河川水の pH と水質変化（山梨県忍野村の調査例）（藪崎，2020）

研究では比較的新しい項目である Sr 同位体比
87

86

208

206

207

丸井敦尚（2014）：首都圏の深層地下水．地学雑誌，

206（ Sr/ Sr）や Pb 同位体比（ Pb/ Pb， Pb/ Pb）

123，172‒181．

などを利用した研究も増えてきており、今後、マ

藪崎志穂（2011）：地下水の水質と安定同位体のルチトレーサー法を利用したさらなる研究の発展

特徴およびその活用法．高村弘毅編「地下水が期待されます。

と水循環の科学」．古今書院，41‒68．
藪崎志穂（2020）：忍野八海と忍野村の地下水．

注釈

BIOCITY，84，36‒43．
181）δ-ダイアグラムとは、横軸（x 軸）に δ O、

藪崎志穂（2021）：「見えない」地下水の流れを「見2

縦軸（y 軸）に δ H をとり、水試料の同位体える」ようにするには？－安定同位体や CFCs，

比をプロットした図のことを意味します。

SF6 を用いた地下水の涵養域および滞留時間

2）滞留時間とは降水や河川水等が地下に浸透しの推定法－．地球科学，75，91‒96．

ゼロて帯水層（地下水）に達したときを 0 とし、
著者情報

地下水が地中を流動して、ある場所に到達す
るまでにかかった時間のことを意味していま藪崎志穂

筑波大学大学院 博士

課程 生命環境科学研究科を修了。

す。簡単に言えば水の年齢に相当します。

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

文献学。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

茶谷邦男・加賀美忠明・富田伴一・大沼章子・荘握、福島県や仙台市の沿岸域の地

加泰司・浜村憲克（1977）：濃尾平野の超深下水調査、忍野村の地下水流動観

層地下水の水質とラドン濃度の時期的変動．

測などを行っています。

日本地下水学会誌，19，87‒103.


76（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

同位体地図（Isoscape）
陀

安

一

郎

（総合地球環境学研究所）
元素の安定同位体比は、元素の由来（どこからを用いたり、地点間を内挿したりして GIS（地理きたか）や反応過程（どのように変化してきたか）

情報システム）上で作成します。例えば、図 1 でを含んだ情報です。例えば、水の水素・酸素同位は、モデルにより推定された降水量で重み付けさ体比であれば、水がどのように蒸発するか、大気れた年間平均降水の酸素同位体比（δ18O）の例を

をどのように移動し、どこで雲を作り、どこに雨示しますが、「軽元素同位体」の項目で説明した、として降るか、また降った雨が地下水や河川とし「緯度が高いほど酸素同位体比が低くなる」などてどのように流れてくるかなどによって、ある場の水の水素・酸素同位体比の分布の特徴が直感的所にある水の水素・酸素同位体比は影響を受けまに理解できます。

す。

図 1 は降水の酸素同位体比の例ですが、同じ世

そこで、例えば降水の水の水素・酸素同位体比

界地図に他の元素の同位体比を重ね合わせることをたくさんの地点で測定して、地図の上に書いてもできます。図 2 に示しますように、ひとつの同みると、ちょうど天気図のように「同位体比の分位体地図では「同じ同位体比」を示す場所はたく

布状況の地図」を書くことができます。これを同さんありますが、複数の同位体比に関する同位体

位体（Isotope）から見た風景（landscape）とい地図を重ね合わせることで、より確からしく場所

う 意 味 で、Isoscape と 呼 び ま す（West et al.

の特定ができる可能性があります。例えば、汚染

2010）。定訳はありませんが、ここでは「同位体源の特定や食品の産地判別に関しては、出来るだ地図」としておきましょう。同位体地図を利用す

け候補となる場所が限定される方が、その特定にると、その場所の同位体比の状況が直感的にわかも役に立ちます。私たちはこのやり方を「多元素ります。実際にあらゆる地点の同位体比を測定す

同位体地図（Multi-Isoscapes）」と呼び、この研ることはできないので、同位体比が変化する理論

究方法をさらに進めようとしています。

図 1．モデルにより推定された降水量で重み付けされた年間平均降水の酸素同位体比（δ18O）の例（Terzer et al. 2013）。
77

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

regression models. Hydrology and Earth
System Sciences 17: 4713-4728.

A

https://doi.org/doi:10.5194/hess-17-4713-2013
West JB, Bowen GJ, Dawson TE, Tu KP (2010)B

Isoscapes: Understanding movement,Cisotope mapping. Springer

pattern, and process on Earth throughD

著者情報
陀安一郎（総合地球環境学研究所
研究基盤国際センター教授）1997

図 2．多 元素同位体地図（Multi-Isoscapes）の概念図
1 つの元素の同位体地図を 1 枚とした場合、この例では A 〜 D の 4 枚の図を重ね合わせて矢印の地点の特徴が表現されます。

年京都大学大学院理学研究科修了、博士（理学）。日本学術振興会特別研究員・日本学術振興会海外特別研究員を経て 2002 年総合
地球環境学研究所助手、2003 年

文献

京都大学生態学研究センター助教

Terzer S, Wassenaar LI, Araguás-Araguás LJ,

授・准教授、2014 年より現職。

Aggarwal PK (2013) Global isoscapes forδ 18O and δ 2H in precipitation: improved

prediction using regionalized climatic

78（2020 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

トレーサビリティ
陀

安

一

郎

（総合地球環境学研究所）

1．トレーサビリティという言葉

これらが正常に機能することで社会の信頼を得ることができると考えられます。

トレーサビリティ（Traceability：トレーサビ
リティーとも表記される）とは、追跡（Trace）

牛肉および米についてのトレーサビリティを考と能力（Ability）を組み合わせた造語で、日本える場合、「産地」は明確に特定できるため、正語では「追跡可能性」と訳すことができます。食しくトレーサビリティが確立されれば、理論的に品、医薬品、工業製品、計量機器など多岐にわたっはすべてのトレーサビリティを人間が管理するこて使われている概念ですが、ここでは食品のトとができます。しかし、他の農産物に関してはこレーサビリティを例に挙げて説明します。現代社の様な形でのトレーサビリティは確立していない

会では、生産者と消費者が直接取引することは少ため、消費者が流通経路をたどる一般的な方法はなく、複雑な流通過程を経るために、どこで作ら存在しません。近年、食品の産地を知りたいといれたものかが明確でないことが多いと思います。

う希望が消費者に生まれてきており、それに対応

特に、ここ数十年の間に、牛肉において BSE（牛する様に「国産」や「〇〇県産」という表示を目

海綿状脳症、Bovine Spongiform Encephalopathy）にすることも多くなってきています。では、科学

問 題 が 生 じ た こ と や、 遺 伝 子 組 み 換 え 作 物

的に産地を特定する方法はあるでしょうか？ 現（genetically modified organism）に関する不安な在、食のトレーサビリティを科学的に解明する方どもあって、食品のトレーサビリティが注目され法は、遺伝子（DNA）情報を用いた手法や元素ています。トレーサビリティには、トレースバッ

濃度を用いた手法（例：Leal et al. 2015）、安定

ク（遡及）とトレースフォワード（追跡）の機能

同位体比の情報などがありますが、対象の産品にがあります。前者は履歴の「上流側」にたどるも関してどの手法が最適かに関しては個別に検討すのであるのに対し、後者は「下流側」にたどるもる必要があります。

のです。トレーサビリティが確立した商品では、
2．環境トレーサビリティ

もし何らかの問題が発見された時、トレースバッ
ク機能を用いて上流側にさかのぼり、その問題のこの「トレーサビリティ」概念を環境において原因を追求することに役立てることができます。

考えることが「環境トレーサビリティ」です。前

また、トレースフォワード機能を用いて、それら述しましたように、トレーサビリティの確立のたの商品の流通経路をたどり、購入した可能性のあ

めには、ある現象に関してトレースバック（遡及）る消費者を特定することができます（「食品トレーとトレースフォワード（追跡）を行えることが必

サビリティシステム導入の手引き」改訂委員会

要です。

2008）
。現在、日本では牛肉および米についてト

環境問題の歴史をひもといてみますと、日本にレーサビリティが義務化されています。これらのおいては高度成長期の公害問題の顕在化を受け

トレーサビリティについては、いずれも人間が問て、環境基本法が設定され、大気の汚染、水質の題を回避するために作り上げたシステムであり、汚濁、土壌の汚染などに対して基準が設けられま79

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 年版した。それに伴って、各工場には水質汚濁防止法

文献が定める工場排水を規制する法律が設定されまし「食品トレーサビリティシステム導入の手引き」

た。現在の社会においては、このような「ポイン改訂委員会（2008）食品トレーサビリティシ

トソース（点源）」から出てくる汚染物質に関す

ステム導入の手引き

る問題については、法律的な対策が取られており、

http://www.maff.go.jp/j/syouan/seisaku/

一律の基準で問題の発見と解決法が明示されていtrace/index.html

ます。しかし、近年顕在化してきた地球環境問題

Leal, M.C., Pimentel, T., Ricardo, F., Rosa, R. andにおいては、「ノンポイントソース（非点源）」とCalado, R. (2015) Seafood traceability: current

呼ばれる、明確な要因のはっきりしない現象も多needs, available tools, and biotechnological

く、問題とされています。その対策を取るために

challenges for origin certification. Trends inは自然界における微妙な違いを識別する必要があ

Biotechnology 33: 331-336.

ります。環境基準値を満たしていれば、現在直接https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2015.03.003

的に問題が生じていないと言えますが、もし何ら
著者情報かの物質の濃度が上昇しつつあったり、その性質が変わっていったりすれば、今後何らかの問題が陀安一郎（総合地球環境学研究所

起きるかもわかりません。同じ濃度であったとし

研究基盤国際センター教授）1997
年京都大学大学院理学研究科修ても、その「性質」が変わっているかどうかに関了、博士（理学）。日本学術振興

して、いろいろな元素濃度の変化や、同位体比の会特別研究員・日本学術振興会海外特別研究員を経て 2002 年総合

変化捉えることによって、問題のトレースバック

地球環境学研究所助手、2003 年（遡及）とトレースフォワード（追跡）がいつで京都大学生態学研究センター助教もできるような「予防原則」が成り立つような仕授・准教授、2014 年より現職。

組みを「環境トレーサビリティ」という考え方でとらえていこうと考えています。



80（2020 年 3 月 31 日掲載）

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）

89

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.
134

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）

135

大気からの物質負荷
春になると、大陸からやってくる黄砂や PM2.5 の話題が世間を賑わします。しかし、これらは本当にすべて大陸からやってくるのでしょうか？国内にも起源があるかもしれません
し、長期的に見れば国内にたくさんある火山の影響も受けているかもしれません。大気から降り注いでいる物質の生態系への影響について、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

豊かな恵みと大気汚染物質を運ぶ北西季節風
佐

瀨

裕

之

（アジア大気汚染研究センター）
日本では、冬になると北風が吹いてきます。日脈の日本海側に大雪をもたらします。豪雪で有名

本の北西方向、ユーラシア大陸のシベリアから吹な十日町市のホームページに分かりやすく解説さ

き付ける冬季の季節風は、私たちに豊かな恵みをれていますので、こちらもご参照ください。
http://www.city.tokamachi.lg.jp/yukiguni/

もたらす一方で、大陸で発生した大気汚染物質をY004/index.html

運んできます。その様子が、複数の元素の同位体を測定することで、より詳しく分かってきました

このように、冬季に北西季節風が吹くことが、ので、ここでご紹介します。

日本海側での豪雪やその豊富な雪解け水による美1．米どころ新潟

味しいお米を生み出すのです。ここで覚えておいていただきたい点が 2 つあります。

私が働くアジア大気汚染研究センター（ACAP）

・冬 の季節風はユーラシア大陸からやってくは、新潟県新潟市に所在しています。新潟県は、る。

豪雪と美味しいお米で有名ですが、それらは密接・雪となる水蒸気は日本海から供給される。

に関係しています。肥沃な大地や気候条件はもちろんですが、豊富な雪解け水が美味しいお米に大2．日本海を越えて運ばれてくる大気汚染

きく貢献していると言われています。では、その越境大気汚染という言葉を聞いたことがあるで雪はどこから来るのでしょうか？
雪は、冬の北風によってもたらされます（図 1）。

しょうか？周辺諸国から国境を越えて運ばれてく

シベリアから吹き付ける冬季の季節風は、最初はる大気汚染のことです。一時期、中国の PM 2.51）

寒冷で乾いています。ところが日本と大陸の間にの濃度が著しく高くなり、日本にも影響しているは暖流の対馬海流が流れる日本海があるため、冷との報道があったことを覚えている方もいると思たく乾いた風が吹くと暖かい日本海から水蒸気がいます。日本では、中緯度地域で年間を通して西空に昇っていきます。このように日本海から供給

側から偏西風が吹いています。その上、冬季にはされた水蒸気を蓄えた季節風が雲となり、日本列

上述した北西季節風も吹くため、大陸から物質が島の山脈に向かって吹き付けることによって、山運ばれてくることは容易に想像がつきます。その図1. 日本海側に雪が降る仕組み

ため、日本では、色々なアプローチで調査・研究が行われ、越境大気汚染を示す結果が得られてきました。例えば、環境省では全国 20 地点以上で季節風（冷たい空気）❄️❄️
降雪 ❄️❄️
❄️

水蒸気
ユーラシア
大陸（シベリア）

降水の化学特性を測定していますが、そこに含まれる非海塩性の硫酸イオン2）は、山陰や本州中北

日本列島部の日本海側で、冬季にその濃度や量が多くなる

対馬海流
日本海

ことが報告されています（環境省 2019）。また、

太平洋

コンピュータを用いたシミュレーション・モデル

図 1．日 本海側に雪が降る仕組み（十日町市のホーム
ページを参考に筆者が作図）では、大陸で発生した大気汚染が日本列島に輸送
139

2.

%3=Z-+[JM.? "M0
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
される現象が再現されています。
このように、大陸からの越境大気汚染は確かに

L4)E,KQ EHIFQC*P5O C(M:EDC

あるようなのですが、今、ここに降る雨に越境してきた大気汚染物質がどのくらい含まれているか( R7D
IOBL>DC

を知ることはなかなか難しいものです。例えば冬季に高濃度の硫酸イオンが検出されても、どこ産であるという「しるし」がついている訳ではない
ので、物証という意味では弱いのです。じゃあ、

図 2．加 治川試験地（新発田市）での硫黄同位体比の
季節変化

その「しるし」を見つけられないかということで、同位体測定を活用するというアイデアが出てきました。

新潟県の森林地域の降水に含まれる硫酸イオンの δ 34S 値は、大きな季節変動を示し、冬季に北3．越境大気汚染のしるし

西季節風が吹く時期には、濃度や量とともに上昇

環境省のモニタリングや私たちの研究サイト等

しました（図 2）。北西季節風によって、夏季とで得られた試料を使って、その「しるし」を見つは起源が異なる硫酸イオンが入ってきていると考けることにしました。すでにイオン濃度など基本

えられます。季節風によって日本海を越えてもた的なデータが得られているため、同位体測定を取らされる雨や雪には、海塩成分が多く含まれ、そり入れることによって、新しい視点が得られやすの硫酸イオンの δ 34S 値は、+20.3‰という非常にいという利点もありました。

高い値を持っています。これが冬季に δ 34S 値がまずは、硫黄（S）の同位体を測定することに上昇する原因の一つですが、その影響を除いた非しました。原子番号 16 番の元素である硫黄の原

海塩性の成分の δ 34S 値を算出しても、やはり夏子量は 32.065 です。主成分（95.02％）である質

季よりも高い値が見られます。海塩由来だけでな

量 数 が 32 の も の に 加 え、 質 量 数 が 異 な る 34

く、化石燃料等の燃焼に由来する硫酸イオンが、（4.21％）、33（0.75％）、36（0.02％）などの安定

季節風によって日本海の向こうから運ばれてくる

3234

同位体があります（これらはそれぞれ、 S、 S、ことが分かりました。中国で燃料として利用され33ている石炭は、日本で主に使われている中東地域

36

S、 S と表記されます）。そのうち、存在比率が32

34

多い、 S と S の割合が指標として用いられていの石油よりも δ 34S 値が高いことから、その起源ます。硫黄の場合は、32S に対する 34S の割合を、として有力であると考えられました。それらに由標準物質であるキャニオン・ディアブロ隕石に含来する δ 34S 値は、平均的には、それぞれ +6.6‰

ま れ る 鉄 の 硫 化 鉱 物（Canyon Diablo Troilite,と‒2.7‰程度と考えられています。これらの同位34

CDT: FeS）中の存在割合と比較して、δ S とし体比と硫酸イオンの量を考慮したバランス計算に3）よると、新潟のこの森林地域では、海塩由来、越δ S 値は、燃料となる石炭や石油の産地によって

境大気汚染由来、国内発生源由来の寄与は、それ異なるため、降水中に含まれる硫酸イオンの起源

ぞれ 22％、48％、30％程度であると推計されて（発生源）を推定するために有効であると考えらいます（Inomata et al. 2019）。この地域の降水にて 千 分 率（ ‰、 パ ー ミ ル ） で 表 し て い ます 。
34

34

れています。また、降水と河川・湖沼水の δ S

含まれる硫酸イオンの約半分が越境大気汚染由来値を比較することにより、生態系内での循環・蓄でした。

積、大気以外の地質などからの影響などについて、情報を得ることも可能となります。
140

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．北西季節風の二面性

なお、上記の結果は、EANET ネットワークセ

最初に述べたように、豊富な雪解け水が米どこ

ンター研究及び環境省越境大気汚染・酸性雨長期ろ新潟を支えています。そして、その雪は、冬季

モニタリングの一環として行われたものであり、の北西季節風によって、日本海から蒸発した水蒸

以下の同僚たちの努力の賜物です：大泉毅、猪股気に由来するものです。これも同位体測定で「し弥生（現：金沢大学）、齋藤辰善（現：新潟県）、るし」を見つけることができます。ここでは詳し高橋雅昭、諸橋将雪、山下尚之（現：森林総合研

く述べませんが、降水（H2O）の水素（H）と酸究所）（敬称略）。

素（O）の安定同位体比を測ると、冬季に得られる降水（雪）の同位体比は、確かに夏季の降水と注釈は大きく異なっていて、違う起源の水蒸気による

1）大気中に浮遊している 2.5 μm 以下の小さな雨であることが分かります。そして、河川水にも、

粒子：微小粒子状物質
2）降水に含まれる硫酸イオン（SO42-）のうち、その冬季の降水の影響が大きく残っているようです。

海塩に由来する成分を差し引いた、化石燃料

このように、冬季の北西季節風は、厳しい冬で等の燃焼により発生した SO2 に由来するとはありますが、日本海側に雪解け水とそれを用い考えられる成分。いわゆる酸性雨の主成分のた美味しいお米という豊かな恵みをもたらしてい一つ。

ます。一方で、その季節風によって、越境大気汚

3）安定同位体比は、直接比率を表すのでなく、染という、招かれざる客も運ばれてきます。この標準となる物質に存在する安定同位体の割合

ような、冬季の北西季節風の二面性が、硫黄と水と試料中に存在する安定同位体の割合を比較の酸素・水素の同位体を測定することによって、して、標準物質からどの程度ずれているかをより詳しく分かりました。

デルタ（δ）値として、千分率（‰，パーミル）で表されることが多い。

5．おわりに文献

現在、私たちは、有害な重金属である鉛（Pb）
や黄砂の指標となるストロンチウム（Sr）の同位

Inomata Y, Ohizumi T, Saito T, Morohashi M,

体も同時に測定し、日本周辺の大気汚染の状況や

Yamashita N, Takahashi M, Sase H,

その生態系内での役割について、より詳しく知ろTakahashi K, Kaneyasu N, Fujihara M,

うとしています。既存のモニタリング試料に、複Iwasaki A, Nakagomi K, Shiroma T,

数の同位体測定を取り入れていくというのは、新Yamaguchi T. (2019) Estimate of

しい試みであり、私たちをより広い世界に案内しtransboundary transported anthropogenicてくれるものと思います。近年、中国における大sulfate deposition in Japan by using the

気汚染物質の発生量は減少に転じたと言われていsulfur isotopic ratio. Science of the Total

ます。今後は、大気環境の改善や、それに伴う生Environment, 691: 779-788.

態系の応答（回復？）も見られる可能性がありま

十日町市役所（2016）「雪がふるしくみ」，雪国とす。その時に、単に量的な変化でなく、確かに中おかまち，十日町市ホームページ

身が変わりつつあるということについて、同位体

http://www.city.tokamachi.lg.jp/yukiguni/

測定は確かな「しるし」を示してくれると期待で

Y004/index.html

きます。

環境省（2019）越境大気汚染・酸性雨長期モニタリング報告書（平成 25 〜 29 年度）
141

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
佐瀨裕之

一般財団法人日本環境

衛生センター

アジア大気汚染研

究 セ ン タ ー 生 態 影 響 研 究 部 長。
1965 年生まれ。千葉大学大学院博士課程修了、博士（学術）。東
アジア 13 カ国による東アジア酸性雨モニタリングネットワーク（EANET）のネットワークセン
ターとして設立された酸性雨研究センター（現：アジア大気汚染研究センター）に 1998 年に入所、2010 年
より現職。



（2020 年 3 月 31 日掲載）（2020 年 4 月 7 日改版）

142

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

越境大気汚染や黄砂の影響をコケの安定同位体比で評価する
大

石

善

隆

（福井県立大学）

2．コケと大気汚染

１．コケにできないコケ
小さくて目立たず、不味くて食料にもならず、

中国など東アジアの国々から日本へは西風に

おまけにきれいな花も咲かせないコケ。そのため、のっていろいろな大気汚染物質（越境大気汚染）

文字通りコケにされがちなコケですが、こんなコや黄砂が飛来します。とくに近年は活発な経済活

ケでも、いや、コケだからこそ、活躍する場面も動などによって汚染物質の飛来量が増加し、生態あります。その一つに、コケが環境の指標となる

系や健康などへ与える影響が懸念されています。

こと（＝コケの状態をみたり、コケに含まれる物

これらの越境大気汚染物質には、国内のものと質を分析したりすることで、環境の良し悪しを手は値の異なる安定同位体比（以下、同位体比）を軽に評価すること）が挙げられます。とくに、コもつ元素も含まれています。ここでは、その中か

ケは大気環境の指標として広く利用されています。

ら 3 つの元素（窒素、鉛、ストロンチウム）に着コケが大気環境の指標となる理由については、

目して、越境汚染に対するコケの指標性について検討してみましょう。

その水・栄養分の吸収方法が大きく関係しています。実はコケには根が発達せず、体の表面から直窒素（N）

接、大気中や雨に含まれる物質を吸収しています。そのため、コケは大気中に浮遊していたり、数ある越境大気汚染物質のなかで、今、大きな雨に溶けたりしている汚染物質を容易に吸収して問題になっているものの一つに窒素汚染がありましまうのです。ちなみに、コケを引っこ抜くと根す。窒素は植物にとって欠かすことのできない重のようなものがついていますが、これは「仮根」

要な元素です。しかし、あまりに多くの窒素が供といって、その主な役割は土や木の幹、岩にくっ給されすぎると、生態系に深刻な影響が生じまつくことで、木や草のように水や栄養分を土からす。例えば、窒素を好む植物ばかりになってし吸収する機能はほとんどありません。

まったり、それに伴って、生態系のバランスが崩「環境を評価するなら、観測機器を設置すればれてしまったりします。

いいのに。わざわざコケを使わなくても…」といコケに含まれる窒素の起源を探るうえで、窒素う意見はごもっともです。もちろん、理想をいえ同位体比は有用な指標になります。化石燃料（石ばそうなのですが、生物を使うからこそのメリッ

油や石炭など）の燃焼で発生した窒素や、大気をトや、他にもさまざまな事情があります。例えば、浮遊する微小な粒子（PM）に含まれている窒素

観測機器を設置・維持するには手間もコストもかでは、δ15N の値が高くなることが知られています。

かります。そのため、多くの地域で継続的に環境

越境由来の窒素には化石燃料の燃焼によって発生を評価するのは容易ではありません。その一方、するものが多く含まれ、おまけに PM に含まれて野外に生えているコケを利用すれば、効率的に環日本やってくるものも少なくありません。この状

境を評価することができるのです。

況を踏まえれば、越境由来の窒素汚染が深刻な地
域では、コケの窒素同位体比も高くなりそうです。
143

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

鉛（Pb）（1）コケの窒素同位体比は西斜面で高くなった。

鉛は生物にとって毒性の強い元素で、食物連鎖

この傾向は、越境大気汚染の影響が相対的に強によって濃縮されることから、その動態を把握す

くなる標高の高い地域で顕著であった（図 1）。

ることは生物多様性や生態系の保全にとって重要です。
窒素同位体比と同じように、鉛同位体比も鉛の起源の推定に用いられます。既存の研究によると、越境由来の大気に含まれる鉛の同位体比は、国内由来のものよりも高くなる傾向があります。
そこで、越境由来の大気の影響を受けやすい地
域では、コケの鉛同位体比も高くなると予想されます。
ストロンチウム（Sr）
近年は中国内陸部の森林の減少に伴って日本で

図 1．コ ケの窒素同位体比（δ15N）と標高・斜面方位との関係
Oishi（2019）の結果の一部（W2、E2 プロット）を利用して作図。

観測される黄砂の頻度も高まっており、その影響評価が求められています。
一般に、黄砂に含まれるストロンチウムの同位体比は国内由来のものよりも高い値をもつことが（2）コケの鉛同位体比は西斜面で高くなった。し

報告されています。そのため、黄砂が多く降り注かし、その値は越境由来のものではなく、国ぐ地域では、コケのストロンチウム同位体比も高内由来の大気汚染物質に含まれる鉛化合物のくなっている可能性があります。

同位体比の範囲内にあった（図 2）。

3．コケの同位体比と越境大気汚染・黄砂
以上のように、コケの窒素、鉛、ストロンチウ
ム同位体比は越境大気汚染・黄砂の影響が強い地
域で高くなると考えられます。この推察を確かめるため、八ヶ岳（長野県）でコケを採取し、その同位体比を測定しました。越境由来の大気は西風にやって飛来することを考慮すれば、次の仮説が立てられます。
【仮説】西 風の影響を受けやすい西斜面では、東斜面と比べて同位体比が高くなる
図 2．コ ケと雪・雨（国内・国外）に含まれる鉛同位体比の比較
Oishi et al.（2021）の Fig. 5 を改変。雪・雨の同 位 体 比 に つ い て は Mizoguchi et al.（2012）、
Mukai et al.（1999）を参照。1–4 の番号は、国外の起源となった地域を示す。2020 年度版の【同位体環境学がえがく世界】の図を改変。

4．八ヶ岳におけるコケの同位体比
八ヶ岳で採取したコケの窒素、鉛、ストロンチ
ウム同位体比について、斜面ごとに結果をまとめると、次のようになります。

144

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（3）窒素や鉛とは異なり、コケのストロンチウム

地の土壌に高い濃度で含まれており、コケに多く同位体比は西斜面と東斜面との間で有意な差吸収されていたことなどが挙げられます。

はみられず、その値は黄砂由来のものとは大6．まとめ

きく異なっていた。その一方、コケのストロ
ンチウム同位体比と生育場所の土壌のストロ

今回の研究から、コケに含まれる窒素、鉛、ス

ンチウム同位体比との間には極めて高い相関

トロンチウムはそれぞれ越境由来の大気汚染物質（r＝0.921、t＝1.175、df＝22、p < 0.01）がみなどへの応答が異なることがわかりました。コケられた（図 3）。

の窒素・金属元素吸収プロセスにはさまざまな要因が関連しています。今回のストロンチウムのよ
うに、大気以外に由来する金属がコケに吸収されていることもあれば、コケに吸収される際に金属イオンの間で競合が起こることも報告されています。今後、これらの要因を一つずつ紐解いていくことで、コケの指標性について考察を深めることができるでしょう。
本報告は 2019 年度、2020 年度版の【同位体環
境学がえがく世界】の内容を一部加筆・修正するとともに、新たに Sr 同位体に関する話題も加えて再執筆したものです。なお、Sr 同位体の結果
は Oishi（2021）をもとに執筆しました。

図 3．コケと土壌のストロンチウム同位体比
コケのストロンチウム同位体比は各調査プロットの平均値を用いた。大気降下物中の黄砂成分の値は Nakano et al.（2001）による。Oishi（2021）の結果をもとに作図。

文献
Mizoguchi T, Jing Z, Satake H, Mukai H, Urano
K, Kawasaki K (2012) Lead and sulfur
isotopic ratios in precipitation and their

5．コケの同位体比の指標性

relations to trans-boundary atmosphericpollution. Atmospheric Research 104‒105:

以上の研究成果より、調査地のコケの窒素同位体比には越境由来の窒素汚染物質の影響が、鉛同237‒244.

位体比には国内の大気汚染物質の影響が反映されhttps://doi.org/ 10.1016/j.atmosres.2011.10.015ていると考えられました。なお、鉛同位体比に越Mukai H, Tanaka A, Fujii T, Zeng Y, Hong Y,

境大気汚染の影響が現れなかった理由の一つとしTang J, … Zhai P (2001) Regional characteristicsて、越境由来の窒素汚染物質と比べて、鉛化合物

of sulfur and lead isotope ratios in the

はコケ植物に吸収されにくい可能性が挙げられ

atmosphere at several Chinese urban sites.

ます。

Environmental Science & Technology 35:

その一方、ストロンチウム同位体比の値から、

1064‒1071.

コケは主に生育場所の土壌からストロンチウムを

https://doi.org/10.1021/es001399u

吸収しており、その同位体比には大気由来の成分

Nakano T, Yokoo Y, Yamanaka M (2001)の影響はほとんど反映されていないと結論されまStrontium isotope constraint on the

した。この理由としては、ストロンチウムは調査

provenance of basic cations in soil water145

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

and stream water in the Kawakami volcanictransboundary pollutants in the Yatsugatakewatershed, central Japan. Hydrological

Mountains, central Japan. Ecological

Processes 15: 1859‒1875.

Research 36: 401‒408.

https://doi.org/10.1002/hyp.244.

https://doi.org/10.1111/1440-1703.12205

Oishi Y (2019) Moss as an indicator of
著者情報

transboundary atmospheric nitrogen
pollution in an alpine ecosystem.

大石善隆

Atmospheric environment 208: 158‒166.

センター准教授。京都大学農学研

福井県立大学学術教養

究科博士課程修了。博士（農学）。

https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2019.04.005

専門はコケの生物学。著書に『コOishi Y (2021) Potential use of Sr isotope ratio to

ケはなぜに美しい（NHK 出版）』など。

evaluate trace metal uptake in moss.
Ecological Indicators 121: 107063.
https://doi.org/10.1007/s11355-021-00476-5

 （2020 年 3 月 31 日、2021 年 3 月 31 日掲載）

Oishi Y, Shin K C, Tayasu I (2021) Lead isotoperatios in moss for the assessment of

146（2022 年 3 月 31 日改題、改版、加筆）

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

森林のカルシウム不足を火山灰が救う
越

川

昌

美

（国立環境研究所）

1．カルシウム不足と森林環境起源解析には、カルシウムとよく似た性質をもつ

酸 性 雨 の 生 態 系 影 響 は、 主 に 1970 年 代 か ら

ストロンチウム（Sr）の同位体を使いました。ま1990 年代に欧米で報告され、湖沼から魚がいなた、より基礎的な研究課題として、大気降下物とくなり森林が枯損するといった被害が大きな問題

基盤岩の 2 成分系の起源解析は行われていますとなりました。日本でも欧米と同程度の酸性雨がが、そこに火山灰を加えた 3 成分系で起源解析を降っていますが、魚への被害や森林の成長抑制は試みたことが、本研究の特徴です。
著者情報認められていません。それはなぜでしょうか。こ

越川昌美（国⽴環境研究所

地域環境研究センタ

2．Srー同位体比でカルシウムの供給源を調べる
主任研究員）1996 年京都⼤学⼤学院⼈間・環の疑問に答えるために、本研究では土壌のカルシウムに注目しています。

境学研究科修⼠課程修了。1996 年国⽴環境研究所
観測は、茨城県筑波山の南側に位置する試験地

土壌中のカルシウムは、イオン交換反応によっ⼊所。博⼠（⼈間・環境学）。専⾨は⽔と⼟壌の無で行いました。この地域の基盤岩は、花崗岩といて酸を中和できます。また、カルシウムは樹木なう、カルシウム供給能が低いといわれている岩でど生物に欠かせない栄養であるため、土壌中カルす。そしてこの地域には、約 3 万年前に群馬県赤シウムは養分供給の観点からも重要です。イオン

城山の噴火によって火山灰が降下したことがわ

交換にかかわるカルシウムを供給する鉱物は、基かっています。試料採取地点（図 1）は、地形に盤岩由来の鉱物だけでなく、黄砂や火山灰のようよる火山灰の蓄積しやすさを考慮して選び、緩斜にあとから付加した鉱物もあります。日本各地に、面、急斜面、谷部で土壌と植物を、渓流の上流・
履歴情報

機分析化学。

図2
中流・下流で渓流水を採取しました。また、下流
掲載⽇時情報をこちらで記載します。

数千年前から数万年前の大規模な火山活動で降下した火山灰は、風化が速く、カルシウムなどの塩の近傍で降水と花崗岩を採取しました。

位別

森林の各種
3)

に分析した

基カチオン1）の供給能力が高いため、火山灰を多く含む土壌は、酸中和能が高いと期待できます。
しかし、山地斜面では火山灰の分布を把握するのが難しいため、山地斜面における火山灰のカルシ
ウム供給能の評価は困難で、国内外を問わず報告されていません。
本研究は、森林のカルシウム循環への火山灰の寄与評価を目的として行いました。森林のカルシ
ウム供給源を、大気降下物と土壌鉱物に分けたとき、土壌鉱物由来のカルシウムが酸の中和で消費されて不足してくると、大気降下物由来の寄与が

図3

相対的に高くなると予想されます。そこで、カル（Andic properti
関係

シウムの起源を解析して、森林生態系のカルシウ
ムが十分足りているかを調べることにしました。

図 1．試料採取地点
147

図１

試料採取地点⼟壌の交換

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

研究センタ

院⼈間・環

環境研究所

と⼟壌の無

図 3．土壌の交換態 Sr 同位体比と火山灰の指標（Andic
図 3 ⼟壌の交換態 Sr 同位体⽐と⽕⼭灰の指標
properties）となる値（Alox ＋ ½Feox）の関係

3）
図
林の各種試料の Sr 同位体比。土壌は層位別
図2．
2 森森林の各種試料のSr 同位体⽐。⼟壌は層に分析した。
位別 3) に分析した。

（Andic properties）となる値（Al ox +½Fe ox ）の関係

4．渓流水中の火山灰由来 Sr

採取した水試料は濾過し、固体試料は酸分解し

図 4 は下流地点の渓流水の Sr 同位体比と Sr 濃て、元素分析および Sr 同位体分析を行いました。

度の季節変化を、横軸を流量にして示した図です。

図１ 試料採取地点
土壌は酢酸アンモニウムで抽出して交換態も分析

上の図は、流量が上昇すると、同位体比が下がる

2）

しました 。

傾向があります。この値は、花崗岩と大気降下物

全試料の Sr 同位体比の概要が図 2 です。縦軸の間であり、火山灰はもっと低いので、同位体比に Sr 同位体比を示しましたが、花崗岩・大気降が低下する原因が、大気降下物なのか火山灰なの

下物・火山灰が離れた値を示し、渓流水・土壌・か、この図だけでは判断できません。下の図は、植物の試料がそれらのほぼ間の値を示しました。

流量が上昇すると、Sr 濃度が上昇する傾向があ

従って、試料の値が、花崗岩・大気降下物・火山ります。大気降下物の Sr 濃度は、渓流水の 1％

灰の混合で説明できることがわかりました。緩斜

程度と低いので、この濃度変化は大気降下物では面の S1 地点の土壌と植物は、火山灰と大気降下なく火山灰の寄与によると考えられました。

物の間の値を示し、火山灰の寄与があると考えら

以 上 に 基 づ い て、 渓 流 水 中 の Sr の 起 源 を、れました。ほかの地点の試料は、大気降下物と花
図 3 ⼟壌の交換態 Sr 同位体⽐と⽕⼭灰の指標

図 5 の 3 つの式を使って計算しました。3 つめの崗岩の間の値を示し、火山灰の寄与があるかどう（Andic properties）となる値（Al ox +½Fe ox ）のかは、同位体比だけからはわかりませんでした。
関係
3．土壌中の火山灰
風 化 し た 火 山 灰 を 含 む 土 壌 の 性 質 は Andic
properties と呼ばれ、図 3 の縦軸の値がその指標になります。横軸は、図 2 で示さなかった交換態の Sr 同位体比です。緩斜面の S1 地点は、どちらの軸から判断しても、火山灰を多く含むことが確認できました。そして、S2 地点や S3 地点の土
壌は、酸分解の同位体比は大気降下物より花崗岩側にありましたが、土壌抽出液の同位体比は火山
灰側にあり、これらの地点でも火山灰由来 Sr の寄与があることがわかりました。

図 4．渓流水の流量とSr 同位体比やSr 濃度の関係
図4 渓流⽔の流量とSr 同位体⽐やSr 濃度の148

関係

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

渓流水中SrSrに対する⽕⼭灰、基盤岩（この場合は花崗岩）
に対する火山灰、基盤岩（この場合は花崗岩）、大気降下物の寄与率計算
図図
5 5．
渓流⽔中
、⼤気降下物の寄与率計算の式と
結果

の式と結果

式は、塩化物イオン（Cl）を指標として、渓流水ほど高くなく、今回の試験地では火山灰や花崗岩

中の大気降下物由来成分の寄与を求める式を使いによる Sr の供給が十分であると考えられました。

ました。その結果、大気降下物の寄与は青で示し

そして、以上の結果は、カルシウムについても同たとおり 1 割から 2 割程度であること、火山灰の様と考えられました。

寄与は上流の緩斜面で 50％と高く、下流では季節

今後は、カルシウム供給能が花崗岩よりもさら変化があっても 0‒1％と低いことがわかりました。

に低いといわれている地質（チャートなど）の地
域で、森林のカルシウム不足を火山灰由来カルシ

5．植物中の火山灰由来 Sr

ウムが補っている様子を調査する計画です。

植物中の Sr の起源を計算するときは、Cl を指標とした式が使えないので、仮定のもとで計算し注釈ました。S1 地点では、花崗岩の寄与がゼロであ1）土壌に含まれる陽イオン（カチオン）のうち、ると仮定すると、火山灰の寄与が 74％となりまカルシウム、マグネシウム、カリウム、ナト

した。実際は花崗岩由来もある程度含まれるため、リウムを塩基カチオンと呼び、いずれもイオ

それと釣り合いをとるために火山灰の寄与はこれン交換により酸を中和する働きがある。
2）土壌中の陽イオンは、土壌粒子の表面に弱くより高くなります。

吸着して水に溶けやすく植物に吸収されやす
6．おわりにい形態と、土壌粒子に強く結合して容易に水以上をまとめますと、まず、山地斜面におけるに溶けない形態で存在し、前者を交換態と呼火山灰の分布の特徴として、上流の緩斜面の渓流

ぶ。交換態の陽イオンは、土壌を 1 mol/L 酢

水や植物で火山灰由来の Sr の寄与が高いことが酸アンモニウムで抽出して分析する。

わかりました。Sr 同位体比を用いて、火山灰に

3）土壌学では土壌は水平に積み重なった層からよる Sr 供給の寄与を評価できることがわかりま成り立つとみなす。森林土壌は、堆積有機物した。次に、大気降下物由来 Sr の寄与が、渓流層と鉱質土層に分かれ、鉱質土層は上から順

水で 10‒20％、植物で 50％以下であったことから、に A 層（腐植に富む）、B 層（腐植が乏しい）、

文献値と比較しても大気降下物由来の寄与はそれ

C 層（基盤岩の礫に富む）に分かれる。
149

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

文献

著者情報

Koshikawa MK, Watanabe M, Shin K-C,

越川昌美（国立環境研究所地域環

Nishikiori T, Takamatsu T, Hayashi S,

境研究センター主任研究員）1996
年京都大学大学院人間・環境学研

Nakano T (2016) Using isotopes to determine

究科修士課程修了。1996 年国立

the contribution of volcanic ash to Sr and環境研究所入所。博士（人間・環境学）。専門は水と土壌の無機分

Ca in stream waters and plants in a granite

析化学。

watershed, Mt. Tsukuba, central Japan.
Environmental Earth Sciences 75: 501.

（2021 年 3 月 31 日掲載）

https://doi.org/10.1007/s12665-015-5097-9

（2022 年 3 月 31 日改版）

150

水質と物質循環、集水域特性
河川や湖沼の水は、周りからいろいろな元素が流れ込んで来たり、生息する生物が元素を取り込んだりするため、絶えず変化していきます。水の中に溶け込んでいる、たくさんの元
素の量を測ったり、同位体比を測定したりすることで、物質の起源や現場で起きているプロ
セスを推測することができます。これらについて、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

沿岸域の地下水の水質と安定同位体比から見えてくる
水質形成の仕組み― 仙台市宮城野区の調査事例の紹介 ―
藪

崎

志

穂

（総合地球環境学研究所）

1．はじめに“海の水は塩辛い”。海で泳いだことのある人は
もちろん、海にほとんど行ったことが無い人にとっても、これは公然の事実でしょう。波打ち際に広がる砂浜の砂を掘ってしみ出てくる水も、もちろん塩辛い海の水です（ただし、ある特定の場
所では、海岸の砂浜から真水が湧くこともあります）。それでは、海岸近くの土地に井戸を掘った
場合、その水はどんな味がするのでしょうか。砂浜と同じく、塩辛いのでしょうか。それとも、普図 1．貞 山 堀 と 松 林（ 仙 台 市 若 林 区 荒 浜 海 岸 付 近、
2011 年 1 月 4 日撮影）

段私たちが飲んでいる水道水のように、無味なのでしょうか。

堤防などの修復が行われ、現在は元の場所に戻り

私たちは宮城県仙台市宮城野区の海岸近くに位しんはま

置する新浜地区という場所にある複数の井戸を調生活をしている住民が多くいます。

査し、水質の特徴について調べました。この一帯新浜地区では、震災前から自家用の井戸を持っは、今から約 11 年前の 2011 年 3 月 11 日に発生ている家が多く、生活用水や家庭菜園、洗車などした東北地方太平洋沖地震の津波による浸水被害に利用されていました。津波によって破損してし

なな き

た がわ

な とりがわを受けた場所です。七北田川と名取川に囲まれたまった井戸もありましたが、その後、新しく作り

新浜地区の近くの海岸には約 10 km におよび砂直すなどして、震災後も井戸水を利用されている浜が広がり、夏には海水浴場として利用され沢山方が多くいます。これらの井戸の水質を測定するの人々で賑わっていました。海岸の近くには多くことで、2011 年の津波による塩水化の有無や、の住宅が建てられており、また、江戸時代はじめ

この周辺地域の本来の地下水の水質について知る

ごろから建設された運河（貞山堀）に沿うように

こ と が で き ま す。 更 に 水 の 安 定 同 位 体 比 や松林が広がっていました（図 1）。しかし、大地

CFCs1）、SF62） などの分析を行うことで、水の涵震の後に発生した津波によって、住宅や電柱、海養域や滞留時間について把握することができると岸沿いにあった砂防林などが流され、道路が損壊考えられます。なお、涵養とは降水が地表面からし、畑や水田にも海水がかぶり、住民の方々は長地下に浸透し帯水層（地下水）に水が供給される

い間よその場所で避難生活を送っていました。そことを意味しており、涵養域とは涵養が生じる場の後、長い時間をかけて、損壊した建物や道路、所のことを指しています。また、滞留時間とは降153

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

水が地下に浸透して帯水層（地下水）に達したと

量元素、安定同位体の分析用として、250 mL 容ゼロ

きを 0 とし、地下水が地中を流動して、ある場所

器に水試料を採取しました。また、滞留時間推定に到達するまでにかかった時間のことです。簡単のための CFCs や SF6 分析用の採水も 2019 年 1に言えば水の年齢に相当します。これらの情報は、月に実施しました。本稿では特に 2018 年 12 月〜

今後の持続的な地下水利用を行うためにも重要な2019 年 12 月に実施した調査結果について紹介し情報です。なお、水質組成図や滞留時間推定法にます。

関しては 3 章の「地下水流動研究におけるマルチトレーサーの活用法」でも紹介していますので、

2．無機溶存成分の特徴

ご参考にしてください。

採水した地下水および水路の水試料について、本研究では仙台市宮城野区の沿岸に近い集落の陰イオン（F-, Cl-, NO2-, Br-, NO3-, SO42-, PO43-）と井戸（浅井戸 1 か所、深井戸 5 か所）と水路を対陽イオン（Li+, Na+, NH4+, K+, Mg2+, Ca2+）はイオ

象として調査を行い、それぞれの水質の特徴や季

ンクロマトグラフ（ICS-3000 または ICS-6000）、

節変化、水質形成について明らかにすることを目HCO3- は pH4.8 アルカリ度滴定法を用いて分析し的として調査や採水を行いました。調査地点の位ました。これらの分析結果を利用して、2019 年 9置図を図 2 に、調査地点の概要を表 1 に示しまし月〜 12 月に採水した試料の水質組成図（シュティた。なお、地下水等の現地調査は 2018 年 12 月か

フダイアグラム）を作成しました（図 3）。シュティら毎月実施しており、現地では EC（電気伝導率）、

フダイアグラムは水質組成の特徴や溶存成分量をpH、水温を測定しています。無機溶存成分や微一目で把握することができ、複数地点の比較もしやすいという利点があります。
水路（S-1）の水質組成は Na-Cl 型で溶存成分量は多く、海水の水質に近い特徴を有しています。
しかしながら、水路の溶存成分量は海水よりも少なく（海水の 1/10 〜 1/2 ほど）、時期によって濃度が変化するため、河川水や降水（場合によっては浅層の地下水も含む）と混合していることが伺えます。
浅層地下水（S-6）は（Na+Ca）-HCO3 型を示し、溶存成分量は水路や深層地下水と比較して相対的に少ないです。この結果から、少なくとも調査時においては、2011 年の津波による塩水化の影響

図 2．調査地点の位置図は生じていないことが明らかです。また、時期に
表 1．調査地点の概要
地点 No

種別

よって水質組成（特に溶存成分量）が変化してお

緯度

経度

標高

井戸深度

°N

°E

m (a.s.l.)

S-1

38.236140.995

2.3

運河

－

化しています。2019 年 10 月には非常に多くの降S-338.236140.991

0.9

深井戸

30.0

水があり、気象庁の AMeDAS データ（https://

S-4

38.241140.989

0.9

深井戸

28.0

S-5

38.243140.989

1.0

深井戸

30.0

www.jma.go.jp/jma/index.html）によると、仙台

S-6

38.244140.989

1.1

浅井戸

3.1

S-7

38.244140.986

1.0

深井戸

30.0

観測地点で 555.0 mm（同 1 位）を記録しています。

S-8

38.243140.988

1.3

深井戸

34.0

S-6 の井戸深度は 3.1 m と浅いため、多量に降っり、例えば図 3 では 2019 年 9 月と 10 月の間で変mの観測地点で 644.5 mm（観測史上 1 位）、名取の154

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．水質組成図

た雨水の浸透の影響を受けて地下水の水質が変化

溶存成分量と同様に変動が大きく、降水の影響をしたと考えられます。10 月のシュティフダイア

受 け て い る と 考 え ら れ ま す。S-1 の 回 帰 線 はグラムの成分量は 9 月と比べて減少している点に

δ2H ＝ 6.41δ18O-0.155（r2=0.995） と な っ て お り、

おいても、降水の混合による希釈の結果として矛

この回帰線の延長線上に海水がプロットされてい盾がありません。

ます。従って、δ-diagram の結果においても S-1

深層地下水では 2 種類の水質組成が認められまは海水との混合があることを示唆しています。ます。S-4、5、7、8 の 4 地点では Na-HCO3 型であた、S-1 の同位体比の変動が大きいのは、降水のるのに対し、S-3 では Na-（Cl+HCO3）型となっ

影響に加え、時期により水路の水に混入する海水-ており、他の深層地下水よりも Cl（塩化物イオン）の量（割合）が大きく変化していることに起因し濃度が高くなっています。S-3 は他の井戸よりもていると考えられます。海水の同位体比は相対的

沿岸近くに位置する井戸のため、海水、あるいはに高いため（δ18O、δ2H ともに約 0‰）、即ち、海海塩の影響が水質に影響を与えていることが予想

水の量が多くなると、水路の同位体比は相対的にされます。また、深層地下水の水質はいずれの地
点もほぼ一定しており、Na+ と HCO3- 濃度が相対的に高い水質組成を示すことから、降水の影響は受けず、比較的長い滞留時間を有していることがわかりました。
3．酸素と水素の安定同位体比の特徴
各地点の酸素安定同位体比（δ18O）と水素安定
同 位 体 比（δ2H） を CRDS 法（Picarro L2130-i）
により測定し、結果を用いて δ-diagram を作成しました（図 4）。この図には、S-1 〜 S-8 のデータのほかに、参考として調査対象地域の近傍で採取した海水の同位体比もプロットしています。
水路（S-1）や浅層地下水（S-6）の同位体比は

図 4．δ-diagram155

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

高い値を示すことになります。一方、降水の同位す。滞留時間を推定するためには幾つかの方法が体比は降水イベントによって異なるため、そのありますが、本研究では地下水の CFCs と SF6 の時々の降水同位体比の影響を受けて浅層地下水の濃度を測定して、過去の大気中の CFCs と SF6 濃

同位体比は上昇または低下することになります。

度と比較することで地下水の滞留時間を推定する

深層地下水（S-4、5、7、8）の同位体比はほぼ

方法を利用しました。2019 年 1 月に深井戸 4 地

同じ値となっていますが、S-3 は他の地点よりも点で採取した水試料について CFCs と SF6 の分析

若干低くなっています。酸素と水素の安定同位体を実施し、モデルを用いて検討した結果、これら比が異なる要因として、他の水塊との混入や蒸発の深井戸の滞留時間の推定値は 70 年前後であるの影響などがありますが、涵養域の標高の違いもことがわかりました。この結果は、深層地下水のその一つです。一般的に、涵養域の標高が高いと水質組成の特徴とも矛盾がありません。

地下水の同位体比は低くなりますので（同位体の5．今後の研究の展開について

高度効果）、S-3 は他の地点よりも涵養域の標高が高いことが予想されます。

溶存成分と酸素・水素の安定同位体比の測定結

また、「2．無機溶存成分の特徴」で説明した果から、仙台市宮城野区の沿岸付近の浅層地下水

S-3 の水質形成要因では、海水や海塩の影響がおと深層地下水の水質の特徴や、地下水と海水およよんでいるのではないかと推察しましたが、仮にび降水との関係を明らかにし、水質形成について

地下水に海水が混入した場合には、海水の同位体把握することができました。沿岸に近い深層地下

比は地下水よりも相対的に高い値であるため、地水の水質には海塩の影響がおよんでいる可能性が下水の同位体比も高い値を示すことになります。

認められましたが、浅層地下水および深層地下水

ところが、上述したように、S-3 の同位体比は他ともに 2011 年の津波による塩水化は生じていなの深層地下水の地点よりもやや低い値を示しておいことも把握できました。

り、この結果から S-3 の地下水に海水自体が混入

本稿では仙台市宮城野区の海岸近くに位置するしている可能性は低くなります。そのため、海水

民家井戸の調査結果を中心に紹介しましたが、本-の混入ではなく、海塩が混入して Cl 濃度が高く

調査地点の近く（沿岸域）に新たに設置した深度なっている可能性が高いと考えられます。では、の異なる 3 か所の観測井の調査も 2020 年 2 月か

この海塩の起源は何であるのか、という疑問が残ら開始しており、海水と地下水の相互作用についります。先行研究によると、この地域には地下にて考察を進めています。また、溶存成分や水同位体

化石海水があることが報告されており（内田ほか、

比に加え、ストロンチウムの同位体比（87Sr/86Sr）

2005）、こうした化石海水が地層中の鉱物等に吸等の測定も行い、複数のトレーサーを利用して、着し、その成分（海塩）が地下水に溶出すること

仙台市沿岸域の水質形成や地下水の涵養域、地下-で、地下水の Cl 濃度が高くなる説明がつきます。

水流動について更に検討する予定です。

しかしながら、この要因についてはまだ不明瞭で謝辞あるため、他の分析データを用いるなどして、今本研究は、科学研究費補助金（基盤（A）、課後も検討を進めてゆきます。

題番号：18H04146、研究代表者：黒沢高秀 福島
4．地下水の滞留時間

大学教授）の助成を受けて実施しています。調査

持続可能な地下水利用をおこなうためには、地では福島大学 柴崎研究室の学生さんに調査・採下水の滞留時間（涵養されてから流出するまでの水を行っていただきました。また、井戸の調査に時間の長さ）を把握することが重要となってきま

ついては、新浜地区の住民の皆さまに快くご協力
156

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

いただきました。沿岸近くのビオトープ井戸の調

文献

査では、東北学院大学 教養学部の平吹喜彦教授

Yabusaki S, Yamamoto R, Shibasaki N（2022）に大変お世話になりました。ここに記して、深く

Seasonal variation in groundwater quality

御礼申し上げます。

revealed by the multi-tracer near the coastal
area of Sendai, Japan. Journal of Japan

注釈

Society of Hydrology and Water Resources.,

1）クロロフルオロカーボン類（Chlorofluorocarbons）

35 (3), 192‒201.

といい、CFC-11、CFC-12、CFC-113 などがhttps://doi.org/10.3178/jjshwr.35.192あります。冷却剤や洗浄剤などの工業用とし

内田洋平・安川香澄・天満則夫・大谷具幸・森て 1930 年代に人工的に生成された有機化合

康二（2005）仙台平野における地下温度構造物で、化学的に極めて安定な性質を持つため、に関する研究放出された CFCs は大気中に蓄積されまし

熱輸送広域モデルの構築．日本地熱学会誌，た。年代によって大気中の CFCs 濃度が異な

27（2），115‒130．

るため、水中の CFCs 濃度を測定して、過去

https://doi.org/10.11367/grsj1979.27.115

その 1．3 次元地下水流動・の大気中の濃度と比較することにより、水が著者情報涵養された年代を推定することができます。
2）六フッ化硫黄（Sulfur hexafluoride）のことで、

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。

電気や電子機器などの縁ガスとして 1960 年

2016 年 4 月より総合地球環境学

代から利用されている気体です。化学的に非研究所に所属。専門は同位体水文

常に安定な性質を持っており、大気中の濃度

学、地下水学。各地の降水の同位体長期観測や、地下水・湧水の水は現在も増加しています。CFCs と同様に、質の特徴把握、福島県や仙台市の水中の SF6 濃度を測定して、過去の大気中の沿岸域の地下水調査、忍野村の地濃度と比較することにより、水が涵養された

下水流動観測などを行っています。

年代を推定することができます。CFCs と比較して、より新しい水（滞留時間が 10 年よ（2022 年 3 月 31 日掲載）

りも短い水）の年代推定が可能です。

（2023 年 3 月 31 日改版）

157

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

直下型地震に伴う地下水の流れの変化を同位体で追う
谷

水

雅

治 1、細

野

高

啓2

（1関西学院大学生命環境学部、2熊本大学理学部）
地下水は、飲料水、農業用水、工業用水など幅に含まれています。また、7Li/6Li と 11B/10B の安広い用途に利用される重要な水資源です。地下水

定同位体比は、同位体間の相対的な質量差が大きの水質低下を防ぐためには、様々な化学成分の変いため、δ スケールで大きな変動を示します。例

化を監視し、人為的および自然由来の化学汚染物

え ば、δ7Li は -15‰ か ら +50‰、δ11B は -30‰ か質の流入を検出することが重要となります。自然ら +60‰の範囲を示し、海水中で最も高く、火山由来の化学物質の混入には、沿岸帯水層における岩や大陸地殻の岩石では低い値をとることが知ら

海水の浸入による塩水化や、火山活動が盛んな地れています。

域での熱水成分の混入によるヒ素やフッ素濃度の熊本市周辺の地下水は、日本最大の資源保有地上昇などの例があります。また、地震も地下水の域であり、飲料、農業、産業活動などの目的に使

水質変化の引き金となることがあります。地下水用され約 100 万人の生活の基盤を支えています。

に溶存する主要イオン濃度、微量元素濃度、安定

この地域の地下水は、阿蘇カルデラ西麓と周辺の同位体比を分析することで、地震活動に伴う地下

高地での雨水の浸透によって供給されており、地水の化学組成変化を説明した研究がいくつかあり

下水は地形に沿って南西へ流動し、そのほとんど

ますが、溶存微量元素の安定同位体比を用いた研が熊本市内の江津湖周辺において湧出しています。

究はこれまでほとんど行われていません。

また、平野部や沿岸部には、地下水流動が停滞し2016 年 4 月に発生したマグニチュード（Mw）7.0ている地域も見られます。

の熊本地震に伴う地下水の変化を観測井戸で調査

採水地点は図 1 の熊本地域の地図上に記したよ

した結果、震源地周辺の地下水面の低下は地下のうに、東から西への主要な地下水の流れの方向に

開口亀裂の生成に伴うことが示唆されました。ま沿った、4 つの井戸（T11、T12、T34、T40）とた、地下水涵養域の水位上昇は周辺の山岳帯水層

江津湖の湧水地です。そのうち T11 は主要な流からの水の放出によって説明されることが、H2Oれの末端である平野部に位置し、布田川断層と

18

2分子の δ O-δ H 安定同位体分析に基づき、明ら

Mw7.0 本震の震源の近くに位置しています。さかとなりました。一方で、局所的には震源地付近

らに沿岸域の 2 地点（T21 と T45）、北側の涵養-のいくつかの井戸で塩化物イオン（Cl ）、硫酸イ

域の 1 地点（T41）で採水を行いました。第 1 回

2-オン（SO4 ）、ホウ素（B）濃度などの上昇が観目の調査は、2015 年 9 月 7‒9 日にかけて、2 回目測されましたが、これらの成分の起源は特定されは本震から 4.5ヶ月後の 2016 年 8 月 28‒29 日に実ていません。

施しました。

本研究では、地下水中に微量に溶存するリチウ

東側と北側の主要な流れに沿った合計 6 つの地

ム（Li）とホウ素（B）をトレーサーとして利用し、下水試料は、Ca-HCO3 型の地下水であり、活発

7

Li/ Li と B/ B の同位体比を用いて、熊本地震に流動していることが示唆されました。一方、沿に伴う地下水の変化を評価しました。海水、停滞

岸部の 2 試料は停滞した地下水の特徴を持つ

地下水（化石地下水）、熱水には、浅層地下水とNa-HCO3 型でした。地下水の主要元素組成には、比較してリチウム（Li）とホウ素（B）が高濃度

地震の前後で明らかな変化は見られませんでした。

6

11

10

158

Tanimizu et al.
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

GJ-D-20-00001

阿蘇外輪山

金峰山
水前寺断層群

白川

江津湖

有明海

緑川

Fig. 1図 1．熊本地域の主要地下水流動方向と採水井戸の地点**PNG File

水試料の分析データ（表 1）を Cl-B-Li の相対

ナーへわずかにシフトしたことによる（図 2 の黒濃度図（図 2）によりさらに化学的分類を行うと、丸）、明らかな化学変化が見られました。一方、沿岸部（T21、T45）とそれ以外の地下水試料では、沿岸域では逆方向へのシフトが起こっており、異組成に明らかな違いがあることが確認されました

なったプロセスが働いていることが示唆されまし（図 2 の白丸）。つまり、沿岸部の試料はほとんどた。ただし、Cl-B-Li 図では、本研究対象地域地

B コーナーにプロットされましたが、その他の地

下水の Li と B の濃度が低いため、地震に伴う水下水試料は図の中央部にプロットされたことから、質変化はおおまかな傾向であり、主流動域と沿岸

岩石学的な違いや地下水の滞留時間の違いを反映

域で異なる 2 つの水質変化のメカニズムが存在すしていると考えられます。

ることを示したに過ぎません。

現代海水、停滞地下水、熱水はいずれも塩化ナ

このメカニズムを明らかにするために、δ7Li とトリウムに富むため、これら三者を主溶存成分かδ11B の変化を見ていきます。地震前、B コーナー

ら区別することは容易ではありません。しかし、（図 2）の周辺にプロットされた 2 つの沿岸地下

ホウ素とリチウムといった微量元素と塩化物イオ

水 試 料（T21 と T45）は、高 い δ7Li（+42.7‰ とンの相対存在量を表す Cl-B-Li 組成図では、それ+29.1‰）と δ11B（+27.7‰ と +23.2‰）の 値 を 示

ぞれのコーナー近くに塩水性、停滞性、熱水性とし（表 1）、海水由来の成分の値を反映している

いう 3 タイプの地下水が特徴的にプロットされることが分りました。しかし、このことは、Cl-B-Li

ため、地下水に混入した他起源の地下水の同定に

図の現代海水（図 2 の四角）に示されるように、有効です。沿岸域の地下水（T21 と T45）におい

海水（δ7Li で +31‰、δ11B で +40‰）そのものがて B が増加する傾向は、海水組成とは別に、地沿岸地下水へ直接混入しているとは言い難く、そ下に存在する海洋堆積物中の水を含む粘土鉱物にの代わりに、両 δ 値が高い、過去の海成堆積物か由来する層間水の寄与があると解釈しました。

ら絞り出された海水由来成分の寄与によって引き地震後の主要地下水流動域では、Cl-B-Li 図に起こされたものと考えられました。これに対して、

おいて、Cl/（B+Li）比が相対的に増加し、Cl のコー

主要流動域の地下水では、δ7Li が約 +10‰、δ11B
159

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

Tanimizu et al.

T45

0

GJ-D-20-00001

100

Bx500

10

90

T21
20

30

70

T34

40

白川

T12

50

海生堆積物の間隙水
6080

粘土鉱物層間の
脱水流体

T40

江津

60
50

T11

40

70

30

T41

80

Cl

20

90
100

0

10

10

20

30

40

50

60

70

80

現在の海水

90

100

0

Lix2000

Fig. 2図 2．地下水の Cl-B-Li 図
表 1．化学分析データ
試料名

δ11B
δ7Li
EC
Eh
DO
Cl
B
Li
（mS/m） （mV） （mg/L） （mg/L） （mg/L） （mg/L） （‰） （‰）

深度
（m）

採水年

pH

110

2015

8.12

19

-90

0.06

8.1

0.041

0.0055

4.0

20.0

2016

8.34

21

309

1.37

9.5

0.045

0.0061

2.7

16.0

0.040

0.0055

5.0

18.4

第二帯水層
T11

2017
T12
T34
T40
Ezu

90
65.4
70.8
―

2015

7.47

24

432

7.86

8.1

0.040

0.0028

3.7

7.2

2016

7.12

24

440

8.37

9.4

0.037

0.0029

3.1

7.5

2015

8.51

39

-5

0.08

13.4

0.087

0.0045

5.1

15.7

2016

7.57

38

131

0.60

14.2

0.078

0.0045

6.9

13.9

2015

6.93

23

410

7.62

8.3

0.043

0.0037

3.3

7.3

2016

7.31

27

394

6.12

9.7

0.040

0.0037

3.1

7.9

2015

8.38

22

429

7.56

8.1

0.046

0.0045

3.1

8.6

2016

7.04

23

437

8.25

9.1

0.041

0.0044

3.0

8.5

0.047

0.0056

2.8

7.5

2017
第一帯水層
T21
T45
T41

15
10
60

2015

8.47

161

190

1.67

159.4

1.81

0.0026

27.7

42.7

2016

8.68

139

379

1.52

113.4

1.77

0.0024

24.9

40.5

2015

9.57

137

112

0.08

45.2

1.17

0.0055

23.2

29.1

2016

9.44

156

83

0.67

52.6

1.35

0.0057

22.6

29.6

2015

6.52

24

68

0.03

12.8

0.014

0.0033

22.0

-2.6

2016

7.20

24

274

1.08

13.9

0.012

0.0031

22.7

-1.5

白川
YO1

―

2018

7.71

30

449

8.99

13.2

0.074

0.009

0.7

11.2

TSU2

―

2018

8.20

34

378

8.86

14.1

0.093

0.012

0.5

10.9

JIN3

―

2018

8.00

35

382

8.58

15.3

0.102

0.013

0.6

9.9

KURO4

―

2018

7.80

35

405

8.85

14.3

0.105

0.013

1.1

9.4

160

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

が約 +4‰と比較的均一な値を示し、これは、こが汲み上げられているため、地震に伴って、帯水の地域の火山性堆積物からなる帯水層、もしくは層（厚さ 250 m 程度）に比べてより深い場所か

この地域を流れる主要河川である白川（図 １ の X

ら流体が浅層地下水と混合したと考えられました。

711印）の δ 値（δ Li が約 +10‰、δ B が約 +0‰；表 1）

これにより、最初に述べた震源地周辺で地震後にのいずれかを反映していると思われます。

認められた Cl-、SO42-、B 濃度の上昇が生じたと

地震後に発生した沿岸部の地下水試料（T21）7

解釈できます。

11の化学的変化（図 2）は、δ Li および δ B データ

T11 地下水と阿蘇カルデラで湧出した熱水の間からも確認されました（表 1）。これは柔らかいで、Li と B の濃度およびその同位体比が異なる

堆積物の液状化現象に起因する可能性があります。

ことから、震源地周辺の浅い地下水帯水層への熱T21 周辺の浅い帯水層（深さ 10 m 程度）は、沿

水由来の深部流体の寄与が小さいながら存在する

岸の帯水層／堆積物の化学組成のなかで、T45 にことを明らかにすることができました。また、地似た化学組成および同位体組成の間隙水の混合の

震後の熱水の浅層地下水への混合割合は、数％と影響を受けており、Cl 濃度の低い地下水が地震計算されました。たとえ寄与が小さくても、Liによる液状化でできた新しい経路を通って垂直あと B の同位体比を指標として用いると、その同るいは水平方向に運ばれて混合した結果であると位体比は海水、停滞地下水、熱水で明瞭に異なる

結論付けました。

ことから、浅層帯水層へのこれらの他起源地下水

これに対して、主要流動地域地下水の Li-B 同の混合を高感度に同定することができました。

位体比は地震発生後、ほとんど変化しませんでし

地震発生に伴い池や井戸の水が枯れる、またはたが（表 1）、震源地周辺、すなわち T11 井戸では、水位が上昇するなどの変化は、これまで多くの地わずかな同位体比変化が検出されました。この井域で記述されてきました。これらの原因を特定す

戸水の両同位体が本震後 4.5ヶ月で低い δ 値側にるためには、観測地点の存在が重要となります。

動いたことは、Li と B の濃度の上昇に関連してところが、特に内陸直下型地震の場合、地震が起います。この変化をさらに確認するために、2017

こった地域でたまたまこれら観測点が時空間的に

年 3 月に T11 井戸の追加採水を行った結果、地整っていることは一般的に希だといえます。また、

震後 11ヶ月後には濃度、同位体比ともに元の値

災害発生前と発生後のデータを比較するために必に近づいていることが確認されました（表 1）。

要な各種データが揃っているケースはますます少このような高 Li・B 濃度の地下水には、塩分なくなります。このような背景から、地震によっを含む停滞水と、深部からの熱水という 2 つの候てどのような地下水環境の変化が生じるのかとい補があります。沿岸の地下水のような前者の流体

う問いに対し、私たちはこれまであまり明瞭なイ

711が混入した場合、δ Li 値と δ B 値は増加するはメージを持てていませんでした。熊本地域では多ずですが、逆の結果が観測されました。従って、

くの観測井戸が存在し、水位や水質など様々な

停滞水の混合は考えにくく、両 δ 値が低い値を持データが継続的に観測されています。今回、こうつ熱水が妥当であると示唆されました。2016 年した地域の直下で巨大内陸地震が発生したため、の熊本地震後、布田川断層の東側延長線上の阿蘇

結果的に地震発生前後の各データを比較できる十カルデラ内で、新たな熱水性深部流体が地表に流分な情報を入手でき、地震による地下水環境の変出したことが報告されており、布田川断層の南西化をこれまでになく詳細に捉えることに繋がりま端に近い位置にある T11 観測井へ、同じ起源をした。

もつ熱水の寄与が考えられます。
T11 観測井周辺では、地下約 1,000 m から温泉
161

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

文献

著者情報
谷水雅治

M. Tanimizu, N. Sugimoto, T. Hosono, C.

関西学院大学生命環境学部・教授。専門は同位体地球化

Kuribayashi, T. Morimoto, A. Ito, R. Umam,

学。無機質量分析法を駆使して、

Y. Nishio, K. Nagaishi, and T. Ishikawa

地球表層でのさまざまな元素の物(2021) Application of B and Li isotope

質循環を把握する研究を行ってきた。

systematics for detecting chemical
disturbance in groundwater associated withlarge shallow inland earthquakes in細野高啓

Kumamoto, Japan. Geochem. J., 55, 241–250.

熊本大学大学院理学研究科・教授。専門は同位体環境学。

DOI: 10.2343/geochemj.2.0633

各種同位体などを用い、流域におT. Hosono, C. Yamada, M. Manga, C.-Y. Wang,

ける環境問題の実態把握や原因究

and M. Tanimizu (2020) Stable isotopes

明に関する研究を行ってきた。

show that earthquakes enhance permeability
and release water from mountains. Nature （2023 年 3 月 31 日掲載）

Comm., 11, #2776. DOI: 10.1038/s41467-02016604-y

162

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

塩類の起源に迫る― 農地が汗をかくと塩を吹く ―久米崇（愛媛大学大学院農学研究科）

1．はじめにをかんがい水といいます。土の中に多量の塩類が乾燥地域の農地では、土の表面に真っ白な塩が存在している農地にかんがいを行うと、かんがい吹くことがあります。これを塩類集積といいます。

水の中に塩類が溶けます。乾燥地のように激しく土には様々な要因により多量に塩類を含んでい水が蒸発する農地では、塩類を溶解したかんがいるものがあります。例えば、そもそもの地質に多水は、毛管現象により土の表面へ移動し蒸発して量の塩類を含むことがあげられます。また、昔海いきます。その際、水は蒸発して大気中に霧散し底であった場所が土砂堆積などで陸地になった場

ますが、塩類は再結晶して土の表面に集積します。

合、土の中に多量の海水が閉じ込められ塩類が残このようにして、スポーツ後の T シャツのよ存していることがあります。このように、土の中

うに、農地が汗をかく（水が蒸発する）と塩を吹には歴史的な経緯によってさまざまな理由で塩類く（塩類集積する）ことになるのです。

が存在しています。
3．ストロンチウム安定同位体による塩類起源の塩類、特に塩化ナトリウムなどは、作物の大敵です。作物によって程度の差はありますが、塩化推定ナトリウムが土の中に多量に存在すると、多くの

ここでは、ストロンチウム（以下、Sr）という作物は枯れてしまいます。したがって、適切に農

重金属元素の安定同位体を用いて、海水起源の塩

地の塩類を管理する必要があります。

類がどの程度農地土壌に含まれているのかを推定することにします。

その際に重要なのは、塩類の起源を明確にすることです。土の中の塩類がどこから来たのかがわ

Sr には、複数の安定同位体があります。ここ

かれば、どのような対策・管理をすればよいのか

では、質量数 87 と 86 の安定同位体の比（87Sr/

を考えやすくなります。そこで本稿では、安定同86位体を用いて塩類の起源を推定する方法を紹介しその理由は、海水の Sr 同位体比は世界中どこのます。

海から採取したものでも 0.70918 であることが分

Sr）（以下、Sr 同位体比）を用いることとします。

かっているからです。
2．農地の塩類集積

大雑把ではありますが、ある水サンプル中にお農地の塩類集積はどのようにしておきるのでける Sr のうち、海水起源の Sr が大半を占めていしょうか。私たちが真夏にスポーツをして大量にれば、その水サンプル中の塩類の主な起源は海水

汗をかくと、黒い T シャツの背中に白く塩を吹である（海水の影響を大きく受けている）と考えくことがあります。農地でも同じことがおきまることができます。本稿では、このような考え方

す。

のもとで Sr 同位体比による塩類起源の解析を進

作物を育てるために人為的に農地に水を供給すめます。

ることを「かんがい」といいます。また、その水
163

流域

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．研究対象地域の概要

いを行っています。ここでは、不要なかんがい水

ここで紹介する研究成果（Kume et al., 2010）を排除するための排水路が至るところに張り巡らは、総合地球環境学研究所プロジェクト「乾燥地されています。図 2 に示すように 3 つの灌漑ブ

域の農業生産システムに及ぼす地球温暖化の影

ロックがあり、それぞれに幹線排水路が設置さ響」において筆者が実施したものです。

れ、排水は地中海に排出されます。下流域の土は

このプロジェクトは、トルコ共和国のセイハン

塩類化の傾向を示しており塩類集積が認められて川流域（図 1）を対象として実施されました。流

いました。

域の下流に位置するアダナ市周辺は大規模かんがい農地の開発が行われています（図 2）。筆者は、5．排水中の塩類の起源をみる

このかんがい農地の上流から下流の水の流れと塩農地には人間活動によって水だけでなく様々な類の移動の観測・解析を担当しました。

物質が供給されます。図 3 に示すように、排水路対象とするかんがい地域は上流にダムを有し、には、降水、肥料、農薬、かんがい水、地下水、

セイハン川とかんがい水路を通じて農地へかんがそして場合によっては海水が浸入します。つまり排水は様々な起源から供給された塩類が混合した水ということになります。
対象地域には、先に述べたように幹線排水路が3 つ設置されています。これらの排水路の末端における排水には、それぞれの排水ブロックからの排水が混合し、その特徴が色濃く反映されているはずです。そこで、混合理論を使って、それぞれの起源から供給された塩類の混合比を求めること

図 １．トルコ共和国とセイハン川流域
図１．トルコ共和国とセイハン川流域

で、塩類の起源を明らかにすることにします。

図２．研究対象地域と各種サンプリング地点

図3．農地におけるさまざまな⽔・物質起源

図 ２．研究対象地域と各種サンプリング地点

図２．研究対象地域と各種サンプリング地点
164図１．トルコ共和国とセイハン川流域
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．研究対象地域と各種サンプリング地点

図 3．農地におけるさまざまな水・物質起源

図3．農地におけるさまざまな⽔・物質起源
6．主要な起源は何か
排水中にはさまざまな起源からもたらされた塩類が混合しています。そのすべてを対象とすることは難しく現実的ではありません。そこで、次の理由から 3 つの起源に注目をします。

図 ４．各サンプルの Sr 同位体比と Sr 濃度（夏季）

まず一つ目は海水です。対象地域は、昔海面下図４．各サンプルのSr同位体⽐とSr濃度（夏季）にあり海水塩の影響を大きく受けているはずです。また、地中海沿岸部は、海水浸入を受けていることからも海水塩は対象とするかんがい農地における主要な起源の一つと考えられます。

二つ目はかんがい水です。対象地域の農地には、
春から夏にかけて大量のかんがい水が供給されます。かんがい水中の塩分濃度は低くても、それが大量になれば相当量の塩類が農地に供給されることになります。
そして三つめは肥料です。農地には大量の肥料が毎年投入されます。ここに含まれる塩類は相当な量であると推測されます。

各サンプルのSr同位体⽐とSr濃度（夏季）

図6．各排⽔における塩類の混合⽐（夏季）
図 ５．各サンプルの Sr 同位体比と Sr 濃度（冬季）図５．各サンプルのSr同位体⽐とSr濃度（冬季）7．解析の方法

いても、排水のプロットがすべて海水、かんがい対象地域では春から夏にかけて大量のかんがい

水、肥料を結んだ三角形の中に入っています。こ

水が農地に供給されます。一方、秋から冬には供のような場合、混合理論（Faure and Mensing，

給されません。したがって、夏季と冬季では、排2005）にもとづいた次の連立方程式を解くことで、水に含まれる塩類の混合比が異なる可能性があり海水、かんがい水、肥料それぞれから各排水に供ます。そこで、ここでは夏季と冬季それぞれの混給された Sr の混合比（割合）を計算することが合比をみていきます。

できます。

まず、各種サンプルを室内に持ち帰り、Sr 濃
度と Sr 同位体比の測定を行います。そして図 4、

1=f海 ＋ fか ＋ f肥 

（1）

1/Sr排 =1/Sr海 f海 ＋ 1/Srか fか ＋ 1/Sr肥 f肥 （2）

図7．各排⽔における塩類の混合⽐（冬季）

図6．各排⽔における塩類の混合⽐（夏季）5 に示すように海水、かんがい水、肥料そして 3
つの排水路（D1、D2、D3）から採取した排水のSr 濃度の逆数と Sr 同位体比をプロットします。

Sr 比 排 =Sr 比

図 4、5 に示すように夏季、冬季のいずれにお165

f ＋ Sr 比海 海

f ＋ Sr 比か かf  （3）肥 肥）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

が多量なため、その中に含まれている Sr が農地

ただし、f海 ，fか ，f肥 ＜ 1から排水路に排水されていきます。その影響がとこ こ で、Sr 同 位 体 比（Sr 比 と 表 記 ） と 1/Srても大きいということになります。また、肥料も-1（ppb ）はそれぞれ図 4、5 の縦軸と横軸に示し

大量に農地に投入されます。肥料は、かんがい水

た既知の測定値です。そして、添字の「海 」、「か 」、によって溶解され不要な肥料分はやはり排水路に「肥 」、「排 」はそれぞれ、海水、かんがい水、肥料、排水されます。このような理由から、夏季におけ排水を示します。f は未知数であり、求めるそれる混合比は、どの排水路でもかんがい水と肥料がぞれの混合比（割合）です。この連立方程式に夏大きな値を示したと考えられます。

季、冬季におけるサンプルの実測値を代入して計次に、図 7 を見てみましょう。これは冬季にお算を行いました。

ける混合比です。夏季とは違って、それぞれの排水中に含まれる海水起源の Sr に明確な違いがみ

8．塩類の起源（＝混合比）の解析結果られました。D1 では排水中に含まれる海水起源

図 6 は D1、D2、D3 それぞれの夏季におけるの Sr は 21％でした。夏季は 6％でしたから 3 倍

海水、かんがい水、肥料の混合比を示しています。

以上も増加したことになります。D2 も海水起源

D1 の排水中には、海水起源の Sr が 6％、肥料起の Sr が 3％から 11％に増加していました。D3 は源の Sr が 28％、そしてかんがい水起源の Sr が夏季と同じ 2％でした。

66％含まれていました。D2 と D3 の排水路には

冬季における Sr の混合比の違いの原因は何で海水起源の Sr がそれぞれ 3％、2％含まれていたしょうか。それは、土の塩分濃度にあると考えらことがわかります。

れます。D1、D2 の排水路には、図 2 に示すよう夏季は、上流のダムから供給されるかんがい水に排水ブロック中に多くの塩類集積農地の存在

図４．各サンプルのSr同位体⽐とSr濃度（夏季） （図中の黒く塗られている箇所）が認められます。
図５．各サンプルのSr同位体⽐とSr濃度（冬一方、D3 の排水ブロックにはほとんど塩類集積
農地が認められません。
夏季には、これら塩類集積農地から排出された塩類は大量のかんがい水によって希釈されるため海水の混合比は小さくなります。しかし、冬季はかんがい水による希釈がなくなるので、排出された塩分濃度が混合比にそのまま表れてくるのです。つまり、土は海水の影響を受けており、海水図５．各サンプルのSr同位体⽐とSr濃度（冬季）図 6．各排水における塩類の混合比（夏季）
図7．各排⽔における塩類の混合⽐（冬季
図6．各排⽔における塩類の混合⽐（夏季） 起源の塩類が排水路に排出されてくるのです。肥
料の混合比が夏季に比べて冬季に大きくなるのも同様の理由です。
9．おわりに本研究で示したように、塩類集積が発生している農地における海水塩の影響を Sr 同位体比と Sr濃度を用いて解析することで定量的に明らかにすることができました。海水、かんがい水、肥料、
図 7．各排水における塩類の混合比（冬季）
図7．各排⽔における塩類の混合⽐（冬季）166

そして排水にはそれぞれ固有の Sr 同位体比があ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、それを質量分析器で測定することができます。

Takashi Kume, Erhan Akca, Takanori Nakano,

農地における複数の排水路から排水サンプルを

Takanori Nagano, Selim Kapur and

採取し、その Sr 同位体比を測定するだけでも明Tsugihiro Watanabe, 2010, Seasonal Changes

確に異なる値が得られるはずです。それをもとに

of Fertilizer Impacts on Agricultural

して、各農地の塩分起源の差異を簡便に診断する

Drainage in a Salinized Area in Adana,

こともできるでしょう。

Turkey, Science of the Total Environment,

さらに応用すれば、津波や台風などによって沿vol. 408, issue16, 3319‒3326,

岸域農地に海水が被った際に、土中水や排水など

https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2010.03.028の Sr 同位体比を測定することで、陸域における著者情報

海水の影響評価を実施することができます。
この塩はどこから来たのだろうか。またどこへ久米崇（愛媛大学大学院農学研究科准教授）2004 年京都大学大行くのだろうか。そんな疑問に対して科学的に答学院農学研究科博士後期課程修えを示してくれる Sr 安定同位体比はとても魅力

了、博士（農学）。総合地球環境的なものだと思いませんか。

学研究所プロジェクト上級研究員、鳥取大学乾燥地研究センター
プロジェクト研究員、総合地球環

引用文献

境学研究所プロジェクト上級研究

Faure, G. and Mensing, T.M. Isotopes, Principles員・特任准教授を経て、2012 年より現職。

and applications (Third edition), John Wiley& Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2005



167

（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

混合比から読み解く富士川濁水の起源と行方
鷹

野

真

也

（総合地球環境学研究所）
1．はじめに「富士川の濁りが近年強くなってきている」
そんな声が流域に住む方々から届きました。
濁りがなぜ強くなったのか？ 発生源は何なのか？
下流や河口、海に棲む生き物への影響は？ これからどうなってしまうの？

等々、考えてもわからないことだらけ。地域住民の不安は募るばかりです。
こんな時には、同位体を用いた環境トレーサビ
リティ手法が解決の糸口になるかもしれません。
図1. 富⼠川中下流域の色々とわからないことばかりなら、まずは物事の調査地点。⼀点鎖線は⼭梨県と静岡県の県境

ベースとなる部分を押さえることが大切です。こを⽰しています。
こでは、濁りがどこからどれだけ来たのか（またそれはどこへ行くのか）、つまり濁りの起源を知

図 1．富 士川中下流域の調査地点。一点鎖線は山梨県と静岡県の県境を示しています。

ることがそれにあたります。本稿では富士川の濁ここで、特に強い濁りが見られた早川と雨畑川りの起源をストロンチウム（Sr）同位体比を用いが富士川の濁りの発生源ではないかという疑いがて推定した研究例を紹介します。

かけられました。確かに早川と雨畑川からは見るからに強い濁水が流れていました（図 2a）。しか2．富士川の濁り問題

し一方で、早川と合流する前の富士川の水も充分

富士川は主に山梨県と静岡県を南流し駿河湾へ濁っているように見えます（図 2b）。では実際の注ぐ一級水系です（図 1）。もともと日本三大急

ところ、早川・雨畑川由来の濁水が合流後の富士流河川に数えられるほど流れが速い、つまり土砂川に対してどれだけ寄与しているのでしょうか？

運搬能力が高い河川であり、流域の崩れやすい地

その割合を Sr 同位体比と同位体マスバランス（混質も相まって比較的濁りが発生しやすいことで知合理論）を用いて推定しました。

られています。
その富士川で、近年濁りが少しずつ強くなって

3．富士川濁水の起源を解くために ― 調査と手法いることが観測され（たかはし河川生物調査事務

調査は 2021〜2022 年の期間に月 1〜2 回程度、所，2016）、特に富士川の主要支流の 1 つである

早川と雨畑川を含む富士川中下流域の最大 23 地

早川（及び早川水系の雨畑川；図 1）から強い濁点で実施しました（図 1）。各地点で河川水と河りが何度も見られるようになりました。時を同じ川水中の懸濁物質（SS: Suspended Solids）、及び

くして、富士川中下流部におけるアユの目撃数の

河床堆積物を採取し、それらに含まれる Sr 濃度

減少や、駿河湾でのサクラエビの不漁等が報告さと Sr 同 位 体 比（87Sr/86Sr）を 測 定 し ま し た。

れるようになり、富士川の濁りが水圏生態系へ与（87Sr/86Sr について、詳しくは第 3 章「重元素同える影響の懸念が強まり始めました。

位体」をご覧下さい）168

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．三 つの産地（雨畑川と早川上流、及び富士川(a)上流）のブレンド

早川

河川水と河川水中の懸濁物質（以下、SS と表記）の Sr 濃度と Sr 同位体比を 87Sr/86Sr-1/Sr 濃度ダ
イアグラムにプロットしたものを図 4 に示しました。わかりやすい例として、河川水と SS ともに

雨畑川

2021 年 7 月に採取したサンプルのデータを使用
しました。

(b)

まず河川水と SS ともに、雨畑川と早川上流（雨畑川との合流前）のプロットを結んだ直線（緑の破線）上に早川下流（雨畑川合流後）のプロットが分布しました。そして早川下流と富士川上流（早川との合流前）のプロットを結んだ直線（青の破線）上に富士川下流（早川合流後）のプロッ

富士川

川(b)の濁トが分布しました。これらのことから、雨畑川、
早川上流、及び富士川上流を主要な成分（端成分）

図 2．早 川・雨畑川（a）と早川合流前の富士川（b）の濁りの様子（2021 年 8 月 19 日撮影）とした混合体として、合流後の河川水と SS が構成されていると考えられます。つまり、先述の混測定したサンプルの Sr 濃度と Sr 同位体比から、合理論からそれぞれの混合比を求めることができ同位体マスバランスモデル（混合理論）を用いてます。

混合比（割合）を求めます（Faure and Mensing,2005）。この理論では、異なる Sr 濃度と Sr 同位体比をもつ 2 つの成分（A と B）の混合体 M とした時、縦軸に 87Sr/86Sr、横軸に Sr 濃度の逆数（1/Sr）をとると、A と B のプロットを結んだ直線上に M のプロットが分布します（図 3）。この関係を用いて、M の中の A と B の混合比を推定します。詳しい式や計算方法は注釈として稿末に記載しましたので、興味があればぜひご覧下さい1）。

図4. 河川アグラム

図 3．87Sr/86Sr-1/Sr 濃度ダイアグラム上での成分 A と
図 4．河 川水（a）と SS（b）の 87Sr/86Sr-1/Sr 濃度ダ
図3. 87Sr/86Sr−1/Sr濃度ダイアグラム上での成分AとB、その混合体Mの関係
B、その混合体 M の関係
イアグラム。ともに 2021 年 7 月採取サンプル。
169

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

ちなみに、河川水と SS ともに富士川河口付近

プスを源流部に持つためと考えられます。この河のプロットが青の破線から外れました。これは河川水の混合比は、やや幅があるものの流域面積比

口に近付くにつれて下流域由来の他の成分が混入と同程度の割合を示しました。

したことによるズレと考えられます。

一方、SS の混合比を見てみると、早川水系由来が 60％以上、そのうち約半分を雨畑川由来が5．混合比から濁水の起源と行方を読み解く占めていることがわかりました。これらは河川水

上記実測値と混合理論から、富士川下流におけや流域面積の割合と比べてかなり高く、早川水系

る雨畑川と早川（上流及び水系全体）、及び富士由来の SS が富士川濁水の主要供給源であること

川上流由来の成分の混合比を計算し、調査期間全を示唆しています。（裏を返せば、30％程度は富体のデータを図 5 にまとめました。同様に河床堆

士川上流由来であるとも言えます）

積物についての混合比と、流域面積比も同図に示

また、河床堆積物における混合比も推定したとしています。データに少し幅があるものは中央値

こ ろ、早 川 水 系 由 来 と 雨 畑 川 由 来 が そ れ ぞ れで議論しています。

11％と 1％程度と、他と比べて最も低い割合を示

まず河川水の混合比を見てみましょう。平時（低しました。河床堆積物は一般的に河川による土砂水位）の富士川下流河川水では、早川水系全体と運搬の履歴を反映していると考えられていますが、

雨畑川由来の水の割合がそれぞれ約 13％と約 4％

この結果から早川水系由来の SS は河床にあまりでした。降水後の高水位時には、それらの割合は堆積していない可能性が示唆されました。つまり、それぞれ約 24％と約 10％に上昇しました。これ

早川水系由来 SS は富士川濁水の主要供給源であは早川水系が国内でも屈指の降水量を誇る南アル

るものの、堆積しにくく大部分が駿河湾へ流出している可能性が考えられます。
6．おわりに
本研究では、富士川の濁水がどこから来てどこへ行くのかを、Sr 濃度と Sr 同位体比を用いて定量的に明らかにしました。富士川の高濃度の濁水
は、流域の水棲生物の生育環境にとって悪影響を及ぼし得るものですが、河床に泥として堆積・残留している（またそれに伴う二次的な弊害の）可能性は低いのかもしれません。一方、濁水が流入する駿河湾の海洋生物への影響も懸念されているため、富士川の濁りの状態を今後注視し対策を講じる必要があります。
今後の課題として、この富士川（早川水系）の
濁りの中から人為的影響（ダムや採石場の影響、
産業廃棄汚泥の不法投棄など）を検出できるかど

図5. 河川⽔、SS、及び河床堆積物の混合⽐
うかを現在検討しています。この濁水は天然要因と流域⾯積⽐（土砂崩れ）だけでなく人的要因の影響も少なくないのではないかという懸念があり、より詳細な

図 5．河川水、SS、及び河床堆積物の混合比と流域面
積比

発生源の解明が求められています。今回の Sr 同170

Sr 濃度をそれぞれ⽰しています。また、f A は M

分Aと内の A の存在⽐（割合）を⽰しています（つ図 4. 河川⽔

まり 1− f A は M 内の B の存在⽐を意味します）。

イアグ

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

ル。
この式は R M が Sr M の逆数（つまり 1/ Sr M ）の数（つまり 1/SrM）の一次関数であることを⼀次関数であることを表しています。要するに、 図 5. 河川
87
た他の同位体や元素濃度を用いたアプローチなら表しています。要するに、縦軸にSr/86Sr、
87
86
域⾯積
縦軸に Sr/ Sr、横軸に Sr 濃度の逆数（1/Sr）
解決できるかどうか。まだ糸口を探っている段階
横軸に Sr 濃度の逆数（1/Sr）をとると、Aをとると、A と B のプロットを結んだ直線上ですが、良い報告ができるよう研究に邁進していと B のプロットを結んだ直線上に M のプロッに M のプロットが分布します（図 3）。また、
きたいと思います。
トが分布します（図 3）。また、上記の式を
f A を求め、
リティ特定推進研究の起源に迫る―農地が汗をかくと塩をかく―（久また、“水質と物質循環、集水域特性”の「塩 上記の式を変形して以下のように変形して以下のように研究員）
f を求め、混合比を位体を用いた手法からそれが可能なのか、はたまA2019
年北海道⼤学⼤学院環境科学院博⼠後期課⽶崇さん）」にて、本研究と同様に
Sr 濃度と―Sr混合⽐を推定します。
同類の起源に迫る― 農地が汗をかくと塩をかく推定します。
位体⽐から混合⽐を求めた研究例（こちらは（久米崇さん）」にて、本研究と同様に Sr 濃度と 3 成
Sr 同位体比から混合比を求めた研究例（こちら 同分の混合⽐計算です）が紹介されています。Sr

程単位取得退学。2020
𝑅𝑅� 𝑆𝑆𝑆𝑆� � 𝑅𝑅� 𝑆𝑆𝑆𝑆�年学位取得（環境科学）。
𝑓𝑓� �
𝑅𝑅� 𝑆𝑆𝑆𝑆� � 𝑅𝑅� 𝑆𝑆𝑆𝑆�
北海道⼤学学術研究員を経て、2021
年より現職。

は 3 成分の混合比計算です）が紹介されています。
位体⽐の混合理論を⽤いた⼿法の理解が深まると
Sr 同位体比の混合理論を用いた手法の理解が深
文献
⽂献
履歴情報
思いますので、ぜひ併せてご覧下さい。
まると思いますので、ぜひ併せてご覧下さい。
たかはし河川生物調査事務所（2016）平成 27 年
たかはし河川⽣物調査事務所(2016) 平成 27 年度
掲載⽇時情報をこちらで記載します。
度 天然アユを指標とした富士川の環境保全
天然アユを指標とした富⼠川の環境保全調
注釈
注釈
調査報告書．
査報告書.
1) 混合理論では、異なる Sr 濃度・Sr 同位体⽐を
1） 混合理論では、異なる Sr 濃度・Sr 同位体比
Faure G and Mensing T M (2005) Isotopes:
G and Mensing T M (2005) Isotopes: Principles
もつ 2 つの成分（A と B）の混合体 M Faureとしたをもつ 2 つの成分（A と B）の混合体 M とPrinciples and Applications (third ed.), John
and Applications(thirded.), John Wiley and
図
のキャ
プSons
シ
ョン
時、M
の
Sr
同位体⽐を以下の式で表すことがした時、M の Sr 同位体比を以下の式で表す
Wiley
and
Inc., Hoboken, New Jersey.
Sons Inc.,New Jersey.
図 1.Hoboken,
富⼠川中下流域の調査地点。⼀点鎖線は⼭できます。
ことができます。

𝑅𝑅� � 𝑅𝑅� 𝑓𝑓� �

著者情報 梨県と静岡県の県境を⽰しています。
𝑆𝑆𝑆𝑆�
𝑆𝑆𝑆𝑆�
� � 𝑅𝑅� �1 � 𝑓𝑓� � ��𝑆𝑆𝑆𝑆�
𝑆𝑆𝑆𝑆� 著 者 情 報 図 2. 早川・⾬畑川(a)と早川合流前の富⼠川(b)の鷹野真也（総合地球環境学研究所
環境トレーサビリティ特定推進研

こ こ Rで
RM、R
M、A、BののSr
Sr鷹野真也同（総合地球環境学研究所
環境トレーサビ
A、R
B、は
濁りの様⼦（2021
年 8 ⽉ 19 ⽇撮影）
ここで
M、A、B
同位体
M 、R
A 、R
B 、は
87
87
位体比（
Sr/86Sr）を、Sr、SrBA、Sr
M、Sr
B は M、 の⽐（Sr/ 86 Sr）を、Sr
は M、A、B
M 、Sr A

A、B の Sr 濃 度 を そ れ ぞ れ 示 し て い ま す。

Sr 濃度をそれぞれ⽰しています。また、f A は M
また、fA は M 内の A の存在比（割合）を示
内の A の存在⽐（割合）を⽰しています（つしています（つまり 1-fA は M 内の B の存在
まり 1− f A は M 内の B の存在⽐を意味します）。
比を意味します）。この式は RM が SrM の逆
この式は R M が Sr M の逆数（つまり 1/ Sr M ）の⼀次関数であることを表しています。要するに、縦軸に 87 Sr/ 86 Sr、横軸に Sr 濃度の逆数（1/Sr）をとると、A と B のプロットを結んだ直線上に M のプロットが分布します（図 3）。また、
上記の式を変形して以下のように f A を求め、混合⽐を推定します。
𝑓𝑓� �

𝑅𝑅� 𝑆𝑆𝑆𝑆� � 𝑅𝑅� 𝑆𝑆𝑆𝑆�𝑅𝑅� 𝑆𝑆𝑆𝑆� � 𝑅𝑅� 𝑆𝑆𝑆𝑆�

⽂献
たかはし河川⽣物調査事務所 (2016) 平成 27 年度
天然アユを指標とした富⼠川の環境保全調
査報告書.

171

Faure G and Mensing T M (2005) Isotopes: Principles
and Applications (third ed.), John Wiley and

図 3.

87

究 研究員）2019 年北海道大学大Sr/ Sr−1/Sr
濃度ダイアグラム上での成学院環境科学院博士後期課程単位86

取 得 退 学。2020 年 学 位 取 得（環分 A と B、その混合体
M の関係境科学）。北海道大学学術研究員

87
図 4. 河川⽔(a)とSS(b)の年より現職。
Sr/ 86 Sr−1/Sr 濃度ダ
を経て、2021

イアグラム。ともに 2021 年 7 ⽉採取サンプ
 （2023 年 3 月 31 日掲載）
ル。
図 5. 河川⽔、SS、及び河床堆積物の混合⽐と流域⾯積⽐

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

トンレサップ湖水系の地表水循環― 多元素分析による解析で見えてきたこと ―吉川尚（東海大学海洋学部）

1．トンレサップ湖の環境変化

トンレサップ湖の場合、国際河川であるメコン河

カンボジアにあるトンレサップ湖は、東南アジ水系の一部をなしており、より大きな空間スケー

ア最大の淡水湖で、琵琶湖の 4 倍（乾季の面積比）

ルの影響もあります。例えば、メコン河上流部でもある広大な湖です。雨季には、メコン河からの中国やラオス等が大規模ダムを設置することで、水がトンレサップ川を経由して湖内に大量に流入

メコン河や湖の水位が不安定化したり、氾濫原がし、湖から溢れ出した水により広大な氾濫原が出縮小する等の影響が懸念されています。一方で、現します（図 1）。地元住民にとって、トンレサッ

トンレサップ湖の水質の変化は、下流域にあるベプ湖とその氾濫原は、漁業や農業、水運等の産業

トナムのメコンデルタの水質・生態系に影響を与を支えるだけでなく、古くから歴史・文化を育んえている可能性もあります。さらに、地球規模のできた大切な存在です。

気候変動により、湖水の集水域における降水量の変化も懸念される等、トンレサップ湖の現状と将来は楽観視できない状況にあります。

湖・河川
氾濫原（雨季に出現）

シェムリアップ川

雨季の主な水循環
乾季の主な水循環
サンケー川
13º 00’ N

トンレサップ湖
セン川

プルサト川

タイ
トンレサップ湖メ
コン
河

12º 00’ N

トンレ
サップ川

ベトナム

カンボジア

103º 00’ E

104º 00’ E

メコン河

105º 00’ E

Modified from the original file (TonleSapMap.png) created by Mkummu (copyright holder)(https://commons.wikimedia.org/wiki/File:TonleSapMap.png).

図 1．ト ンレサップ湖の地表水循環の概要。雨季にはメコン河からの水が流入し、逆に乾季には湖水が流出する。また、雨季には広大な氾濫原が出現する。

Anabaena affinis

Microcystis aeruginosa

図 2．乾季の湖北部でみられたアオコ（上）。富栄養化により藍藻（下）が異常発生し、湖面が緑色に着色していた。

しかしながら、近年、そのトンレサップ湖の環境や生態系が大きく変化しています。まずは、人口増加を背景とする水質汚濁・過剰漁獲・土地開2．ICP-MS による湖水や河川水の多元素分析

発等といった、主に湖や氾濫原の内部に起因する変化があります（図 2）。それらのうち水質汚濁は、こうした環境変化が懸念されるトンレサップ湖

生活・産業排水中に含まれる様々な物質が、河川で、私たちの研究チームは、水質と地表水循環に等を通じて湖に流入することで起こります。次に、ついて調べました（Yoshikawa et al. 2020）。具172

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

体的には、湖水や周辺の河川水を採取してその元100%

素組成を分析しました。生物の身体は様々な元素

80%

元素組成 (%)

で構成されており、必要な元素が環境や食物中に不足していると、それ以上増えることができません。逆に、過剰な量の元素や有毒な元素の存在は、生物の生存に有害です。つまり、湖水の元素組成

60%
40%
20%

を調べることで、湖の生態系の健全性に関する基

0%

礎情報が得られます。さらに、湖水の元素組成を

A

B1

B2

B3

Si

Al

C

周囲の河川水と比較することで、湖水とその中にCa含まれる元素の由来を推定することも可能となり

図 4．水試料の各グループの元素組成の特徴。

Mg

Na

K

Fe

Others
その他

ます。湖の地表水循環については、その概要は先述した通り調べるまでもなく分かっているのですで分析し、得られた元素組成の特徴に基づいて統が（図 1）、メコン河とその他の河川が湖水やそ計的に解析（クラスター解析）した結果、各地点の含有元素の供給源としてどれだけ貢献しているの水試料は A、B、C の 3 グループに分けられまのかといった、定量的な知見は得られていません。

した（図 4）。グループ A は、Si（ケイ素）、Al（ア

私たちが用いた ICP-MS（誘導結合プラズマ質

ルミニウム）、Fe（鉄）の割合が高いのが特徴で、量分析装置）では、少量の試料中に含まれる約岸辺が赤土だったシェムリアップ川等の水が該当

50 種の多元素の濃度を、一度に分析することがしていました。グループ C は、Na（ナトリウム）できます。現地調査では、カンボジアの共同研究が多いことが特徴で、生活排水が多く流れこむ者とともに漁船や自動車を使って、湖や周辺の河シェムリアップ川河口等の水が該当しました。グ

川を巡って、水試料を採取しました（図 3）。暑ループ B には、水試料の大部分が該当したので、

い中、慣れない状況での調査は大変ですが、実際

さらに B1、B2、B3 の 3 つのサブグループに分の現場の様子を知っておくことは、後で分析デーけました。サブグループ B1 は、Ca（カルシウム）

タを解釈する際に役立ちます。

が比較的多く（図 4）、メコン河の水は雨季・乾季ともにこれに該当しました（図 5、図 6）。サブグループ B2 は、Si、Al、Fe が比較的多く、雨季・
乾季のセン川、雨季のサンケー川、プルサト川等が該当しました。サブグループ B3 は、Na が比較的多く、乾季の湖、トンレサップ川、サンケー
川、プルサト川等が該当しました。
雨季と乾季における水試料の各グループの水平分布（図 5 と図 6）から、トンレサップ湖水系の地表水循環について、以下のことが分かってきました。雨季には、トンレサップ湖の水と元素の大図 3．湖の水上家屋（左上）。湖内は漁船で調査した（右上）。河川は岸辺から採水した（左下）。水試料
はフィルターで懸濁物をろ過除去後（右下）、元
素濃度を分析した。

部分は、トンレサップ川を通じてメコン河から流入し、他の河川の影響は小さいことが示唆されます。一方、乾季では、湖水の元素組成には、周囲3．トンレサップ湖水系の地表水循環の小河川や湖底からの溶出等の影響が大きく、雨日本に持ち帰った湖や河川の水試料を ICP-MS

季にメコン河から供給された水や元素の影響はあ173

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

なっている可能性があります。さらに、農・水産

雨季

物を通して有害元素を摂取する可能性もあり、ト

湖・河川

シェムリアップ川

氾濫原

サンケー川

トンレサップ湖

セン川

グループ
A
B1
B2
B3
C

ンレサップ湖の水の安全性について、監視・モニ
タリングすることは重要です。

13º 00’ N

特に、As（ヒ素）については、世界各地で地下水の汚染が深刻な問題となっており、カンボジ

プルサト川

タイ
トンレサップ湖

メ
コ
ン
河

カンボジア

アでもメコン河やトンレサップ川流域等が高リス

12º 00’ N

トンレ
サップ川

ベトナム

103º 00’ E

104º 00’ E

合流点

ク地帯とされています。そこで、本研究の分析結

メコン河果を、世界保健機関のガイドライン（WHO 2011）

105º 00’ Eと 比 較 し み る と、 乾 季 の 湖 水 の As 濃 度 はModified from the original file (TonleSapMap.png) created by Mkummu (copyright holder)(https://commons.wikimedia.org/wiki/File:TonleSapMap.png).

図 5．元 素組成の特徴で分類した、水試料各グループの水平分布（雨季）。

0.9‒3.5 µg L-1 と多くの地点で基準値（10 µg L-1）の 1/10 を超えており、今後注意が必要な状況で乾季した。また、乾季の湖水の As 濃度は、トンレサッ

湖・河川

シェムリアップ川

プ川及びメコン河（1.5‒2.2 µg L-1）に比べて高い

氾濫原

サンケー川

トンレサップ湖

セン川

グループ
A
B1
B2
B3
C

地点が目立ち、湖底からの溶出が影響している可

13º 00’ N

能 性 が 考 え ら れ ま す。 雨 季 の 湖 水 の As 濃 度（0.8‒1.4 µg L-1）は、メコン河（0.7‒1.5 µg L-1）等

プルサト川

タイ
トンレサップ湖と同程度で、概ね基準値の 1/10 以下でした。

メ
コ
ン
河

トンレ
サップ川

ベトナム

カンボジア

103º 00’ E

他に健康被害が懸念される元素としては、マン

12º 00’ N

104º 00’ E

合流点

ガン（Mn）や亜鉛（Zn）等がありますが、これ

メコン河らの湖水中の平均濃度（Mn: 2.5 µg L-1, Zn: 1.6 µg

105º 00’ E

Modified from the original file (TonleSapMap.png) created by Mkummu (copyright holder)(https://commons.wikimedia.org/wiki/File:TonleSapMap.png).

L-1）は基準値（Mn: 400 µg L-1, Zn: 3000 µg L-1）

図 6．元 素組成の特徴で分類した、水試料各グループの水平分布（乾季）。

より 2‒3 桁低い値であり、トンレサップ川やメコン河の水（Mn: 63 µg L-1, Zn: 21 µg L-1）と比べ

まり残ってないことが示唆されます。また、メコても 1 桁低い値でした。Mn や Zn の濃度が湖でン河は、トンレサップ川との合流地点の上流・下河川より低くなった理由として、湖ではこれらの流で元素組成が変化してないことから、トンレ

金属元素の多くが鉄（Fe）等とともに水和物やサップ湖がメコン河に与えている影響も大きくは酸化物のコロイド粒子を形成し、水底へ堆積するないようです（ただし、特定の元素や物質によっことで、水中から除去されることが考えられます。

ては影響している可能性はあります）。
5．おわりに
4．水源としての評価・潜在的なリスク

私たちが行った調査により、トンレサップ湖水

ICP-MS 分析では、試料中にわずかしか含まれ系の地表水循環に伴う元素の挙動が可視化され、ない微量元素の情報も得られるため、飲料水に人水源としての湖水の安全性に関する基礎情報が得

体に有害な元素が含まれてないか、安全チェックられました。一方で、まだ未解明な部分も色々とにも用いられています。トンレサップ湖で水上生残されています。例えば、調査は、雨季と乾季に活を営む人々は、食事の煮炊き等に日常的に湖水1 回ずつしか行っていないため、季節変化の詳細を使っています。また、雨季に氾濫原に溢れ出しは不明ですし、湖水の安全性についても確定的なた湖水の一部は地下水となり、乾季に飲料水とことは言えません。また、私たちの調査では地表174

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（地面の上にある湖水や河川水）を採取しまし文献

たが、地下水については調べていません。他チー

W. C. Burnett, G. Wattayakorn, R. Supcharoen, K.

222

ムによる天然ラドン（ Rn）の分布調査等によSioudom, V. Kum, S. Chanyotha, R.

る研究（Burnett et al. 2017）では、トンレサッ

Kritsananuwat, (2017) Groundwater discharge

プ湖におけるリン（P）の供給源として、氾濫原

and phosphorus dynamics in a flood-pulseに溢れた湖水が地下水となって再流入する経路がsystem: Tonle Sap Lake, Cambodia. Journal

重要である可能性が示唆されています。さらに、

of Hydrology 549: 79‒91.

将来、湖の富栄養化が進み、底層で貧酸素水塊がT. Yoshikawa, A. P. Takagi, S. Ishikawa, M. Hori,

発生するようになった場合は、嫌気的な環境とT. Nakano, K.-C. Shin, H. Sitha, E. Cheasan, S.

なった湖底で As が溶出してくる潜在的なリスク

Limsong (2020) Major and trace elements inがあります。

the surface water of Tonle Sap Lake,

私たちの調査で用いた ICP-MS 分析では、元素

Mekong River, and other tributary rivers,の化学形態（無機態か有機態か、酸化数等）の情

Cambodia. Environmental Monitoring and

報は得られないため、環境中の挙動や生物に対すAssessment 192: 467.

る毒性等を評価する上で制約があります。一方、

https://doi.org/10.1007/s10661-020-08292-4.

ICP-MS 分析は、少量の試料で多くの元素の情報

WHO (2011) Guidelines for drinking-waterが一度に得られる利点があります。その長所を生

quality. 4th ed. Geneva: World Health

かしつつ、他の分析手法も適宜組み合わせること

Organisation.

で、上述した未解明の点についても明らかにして著者情報いくことが可能と考えています。
なお、本稿でご紹介した研究成果は、以下の方々

吉川尚（東海大学海洋学部水産学科教授）。2002 年東京大学大学との共同研究で得られたものです（敬称略、所属

院農学生命科学研究科博士課程修は調査当時）：高木映、石川智士、申基澈、中野了、博士（農学）。東京大学アジ

孝教（地球研）、堀美菜（高知大学）、Hort Sitha、

ア生物資源環境研究センター研究機関研究員、近畿大学水産研究所

Eng Chaesan、Srun Limsong（カンボジア王国

COE 博士研究員、東京大学大学水産局）。

院農学生命科学研究科助教、東海大学海洋学部水産学科講師等を経て、2019 年より現職。



175（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

安定同位体比から明らかになる底質有機物の起源
小

川

裕

也

（自然環境研究センター）
1．はじめに

2．試料採集と安定同位体比の分析結果

底質とは海や河川などの水底の構成物で、砂や安定同位体比は生物にも非生物にも利用できる

泥、動植物の遺骸などが堆積したものです。生態天然の指標（値）になります。異なる物質が異な学的には底生生物（水底を生活の場にしている生る値を持つため、それらの混合物の値から起源と物群）にとって大切な環境ですが、普段の私たちなる物質の混合割合を推定することができます。

の生活で意識することは少ないでしょう。研究に

これは安定同位体比を用いた手法の一つで、混合

おいては、底質は土壌や地層のような環境指標とモデルと呼ばれます。混合モデルに用いる指標のして、過去や近年の環境やその変化を解明するた数が増えるほど結果の信頼度は高まり、推定しために使われます。

い起源となる物質の数も増やすことができます。

ここで紹介するのは、底質を構成する有機物のそのため本研究では分析しやすい炭素・窒素の安起源を推定した研究です。一般的に河川における定同位体比と、炭素と窒素の比率（C/N 比）を一次生産者（植物のような食物連鎖の基底をなす指標として解析を行いました。

もの）は、上流から下流にかけて陸生植物から付

底質の有機物起源を推定するためには、混合物

着藻類、河口域においては植物プランクトンへとである底質そのものと、有機物起源になり得る一

変化します。安定同位体比を用いた研究の普及に次生産者の安定同位体比分析が必要になります。

より、世界中の様々なスケールで底質の有機物の

バタン湾の各地で、マングローブ、陸生 C3 植物（モ

起源の変化や特性が明らかにされてきました。

モタマナ、ミミモチシダなど）、陸生 C4 植物（イ

本研究は、マングローブ樹種が植生を構成して

ネ、カヤツリグサの仲間など）、農作物、海草、いるフィリピンのバタン湾という沿岸域で行いま藻類、底生微細藻類、養殖池で使われている餌、した。湾口が狭くて複雑な地形をしており、内湾

そして湾内の底質（表層 5‒10 cm）を採取して、が広がる半閉鎖的な環境です。バタン湾はもとも炭素・窒素安定同位体比分析を行いました。

と存在していたマングローブ林の面積の 90％以分析の結果、対象物の安定同位体比はおおむね

上が養殖池へ転換された場所です。養殖池といっ

先行研究1）と同じ傾向を示しました。図 1 のようてもコンクリートや化学肥料などは使わず、エビに底質中有機物の炭素・窒素安定同位体比およびやミルクフィッシュを粗放的に生産しています。

C/N 比 の 値 が、マ ン グ ロ ー ブ、底 生 微 細 藻 類、

1315

炭素・窒素安定同位体比（δ C・δ N）を用い植物プランクトンの値の間に位置していることかて底質の有機物起源を推定する研究はしばしば行ら、これらがバタン湾の主な有機物起源であるこ

われていますが、このような複雑な地形の場所でとが確認できました。底生微細藻類とは、干潟やはあまり研究が行われていません。このような湾浅瀬などの砂泥粒子の表層に付着して繁殖する植でもこれまで行われてきた研究と類似した結果が物プランクトンと同程度の大きさの藻類で、底生出るのか？

生物の餌資源としての重要性が認識されています。

という疑問から研究を始めました。

また、底質の有機物起源は河川から湾口にかけて陸生 C3 植物由来から海洋性植物プランクトン
176

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．バタン湾における底質と主な有機物起源の δ13 C、
δ15 N、C/N 比。底質中有機物の値は、マングロー
ブ、底生微細藻類、植物プランクトンの間に示されることから、それらの混合物であることがわかる。

図 3 上．60 箇所の調査地点と、底質と環境要因から区分された範囲。黄色は河川タイプ、緑色は湾奥タイプ、青色は湾口タイプを示す。
図 3 下．３ タイプの区分におおける底質の有機物起源の混合割合。それぞれで特徴が違うことがわかる。

を生態区分と言います。バタン湾内の 60 地点で測定した環境要因（水質や水深）と、底質の安定
同 位 体 比 お よ び C/N 比 の 値 を 用 い た 解 析 で、
図 3 上の地図ようにバタン湾を 3 タイプ（湾口タ
イプ、湾奥タイプ、河川タイプ）と、さらに細か

図 ２．河川から湾口にかけて、底質の有機物の δ13 C が高くなり、有機物起源が陸生由来から海洋性由来に変化していることがわかる。

い 7 区域（Area A から Area G）に生態区分することができました。それぞれの Area で特性がありますが、ここでは 3 タイプにおける底質の有由 来 へ と 変 化 し て い く た め、底 質 の 有 機 物 の機物起源に着目します。前述した混合モデルを用13

δ C も低い値から高い値へと変化することが多いることで、図 3 下のようにそれぞれのタイプにくの研究で示されています。図 2 のように、バタ

おいて主な有機物起源の混合割合を求めることが13

ン湾でも底質の有機物の δ C と湾口からの距離できました。

の間に相関関係があることが確認できました。

河川タイプ（黄色）は湾内に流入する主な 2 つの河川域が当てはまり、マングローブ（ここでは3．安定同位体比を用いた生態区分

値の似ている陸域 C3 植物も当てはまる）と植物
プランクトンが有機物起源として目立っています。

環境要因などで地域を生態学的に区分すること177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

自然状態の河川で植物プランクトンが主な有機物られます。

起源となることは少ないですが、バタン湾のよう窒素安定同位体比（-0.4 ±1.7‰）は、全体的になインフラの整っていない地域では、河川沿いの0.0‰に近く、他の研究例と比べると低い値を示

民家からの生活排水の流入が局所的な植物プラン

していました。化学肥料や生活排水などの人的行

クトンの発生に影響していることが考えられます。

為に伴う影響は窒素安定同位体比を高めることが湾奥タイプ（緑色）は主な河川流路から外れて滞知られているため、バタン湾は人為的な影響が少留構造になりやすい場所に位置しており、水深はないことが示唆されます。これはあくまでも参照

浅く、底質の C/N 比は高い値を示しました。こにした研究例との比較であって、バタン湾におけのことからマングローブの葉などが溜まりやすい

る人為的な環境負荷が少ないというわけではありことと、底生微細藻類の繁殖が盛んであることがません。

分かります。湾口タイプ（青色）は海域に近く塩5．おわりに分濃度が高い地点が当てはまり、さまざまな有機物が比較的均一に混合していることが分かります。

正直なところ、結果を見るまでは半信半疑な気河川と海という生態系の間に位置するため、常に持ちでしたが、解釈のできる値や空間分布が示さ様々なものが混合している場所だと考えられます。

れて、安定同位体比の環境指標としての効力を感13

また、一部の底質の有機物で δ C の値が突出じた調査でした。観察だけでは得られない自然環

して高い地点が示されましたが（図 2）、浅い場境の安定同位体比分析による数値化は、他にも多所で付近にウミショウブ藻場が確認できる場所でくの疑問を解明できる便利なツールであることは13した。海草は高い δ C を持つため、辺りの底質間違いありません。バタン湾での研究においても、の有機物の起源になっていることが考えられます。

他元素の安定同位体比や、深い場所の底質を探る

この海草が具体的にどれくらい有機物起源としてことで、マングローブ伐採や養殖池管理方法の変貢献しているかを明らかにするには、違う方法を化、台風攪乱による影響など、さらに多くのこと考えなければなりません。

が分かるかもしれません。

4．バタン湾の特徴

注釈

本調査でバタン湾の底質の有機物の炭素・窒素

1） 炭素・窒素安定同位体比は研究によってさま安定同位体比および C/N 比が明らかになりまし

ざまですが、平均的な一次生産者の値は次のた。他の同じような研究を参照して、バタン湾のよ う に な り ま す。C3 植 物（δ13 C = -27 ‰、特徴を考えることができます。バタン湾の炭素安δ15 N = 0‰）、植物プランクトン（δ13 C = -24.3‰、

定同位体比（-26.7 ±1.2‰）は、他の研究例と比δ15 N = -2.1‰）、底生微細藻類（δ13 C = -22.2‰、

べ る と 全 体 的 に 値 が 低 く、C/N 比（17.9 ±4.7）

δ 15 N = -2.9‰）（Fourqurean & Schrlau,

は高いことが分かりました。このことはバタン湾

2003; McKee et al., 2002; Muzuka & Shunula,では陸生 C3 植物やマングローブが底質の有機物

2006; Kohn 2010、Doi et al. 2010）

起源に大きく貢献していることを示唆しています。
本研究では全ての生態区分で、少なくとも 30％

文献

以上がマングローブ由来だと推定されました。バ

Ogawa, Y., Okamoto, Y., Sadaba, R.B., Kanzaki,

タン湾のような多くのマングローブ林が養殖池へ

M., 2020. Sediment organic matter source

転換された地域でも、半閉鎖的な湾の構造が陸生

estimation and ecological classification in the

由来の有機物を多くトラップしていることが考え

semi-enclosed Batan Bay Estuary, Philippines.
178

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

Int. J. Sediment Res. 36 (1), 110‒119. https://doi.org/ 10.1016/j.ijsrc.2020.05.007.
著者情報
小 川 裕 也（自 然 環 境 研 究 セ ン
タ ー・研 究 員）2022 年 京 都 大 学
大学院農学研究科森林科学専攻京都大学大学院農学研究科修了。博士（農学）。

 （2023 年 3 月 31 日掲載）

179

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

資源開発における環境負荷低減のための同位体研究大竹翼（北海道大学工学研究院）

1．資源開発と環境汚染抑えたパッシブトリートメントという方法が注目

我々の便利な生活を維持していくために石油やされ、様々なサイトで研究が行われています。パッ

石炭のエネルギー資源や鉄・銅・亜鉛などの金属

シブトリートメントを効率的に行うためには、鉱資源の開発は必要不可欠です。これら地球資源の山廃水中の元素の濃度や存在状態、その起源など

多くは、数万年〜数千万年といった長い時間を経を正確に把握することが必要になります。そのたて地下深くで形成されたものであり、人間が採掘めに同位体を用いた手法が活躍します。

することで地表に露出し、地表の大気や水と反応
2．レアアース資源開発における環境影響評価

します。それらが有害な金属や元素で環境中に漏

レアアース（希土類）元素という言葉を聞いた

出した場合には、生態系や我々の健康に重大な問題を引き起こすことがあります。例えば、銅・鉛・ことがあるでしょうか？

レアメタル 31 鉱種の亜鉛といった卑金属元素は硫化物として採掘され1 つで、スカンジウム、イットリウムの 2 元素にますが、同時に産する黄鉄鉱と呼ばれる硫化鉄鉱

ランタノイド族 15 元素を加えた 17 元素をまとめ物（FeS2）が地表で雨水と反応し、酸化されるとた元素のグループです。風力発電やハイブリッド

硫酸酸性の酸性鉱山廃水（Acid Mine Drainage:

カーに使われる高性能磁石や触媒など環境技術をAMD）を生じます。AMD には硫化物にもとも含む日本の先端産業に欠かせない“産業のビタミと含まれていたヒ素や鉛、カドミウムなど有害なン”です。しかしながら、レアアース元素の地球元素も溶けていることがあるため、適切に処理し化学的挙動は、ウラン、トリウムといった放射性ないと環境中に放出することができません。処理

元素とよく似ているため、レアアース鉱石の多くには中和や沈殿といった方法が用いられますが、に放射性元素が含まれています。したがって、そ

天然に見られる化学反応や生物を利用しコストをの採掘・精錬は環境負荷が大きいという難点があり、採掘や精錬で発生する残渣は適切に処理されなければなりません。我々の研究グループはレア
アース資源の開発に伴う環境影響評価を適切に行
うためのケーススタディとして、かつてレアアー
スが精錬され、現在は同様の鉱石からチタンが精錬されているマレシーア・イポー市周辺地域の河川において調査を行い、精錬所や廃棄物処分場が河川の水質に与える影響また汚染物質の起源やその除去プロセスを同位体を用いて明らかにしました（Ito et al., 2017）。
調査の結果、レアアースの精錬所跡地近くには

図 1．カ ナダの鉱山でみられる酸性鉱山廃水。大量の鉄鉱物の沈殿によって赤褐色になっている。

現在チタン精錬所が建設され、その残渣の堆積場
180

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．マ レーシアにあるチタン精錬所の残渣堆積場からの漏洩水が混入した河川。鉄水酸化物のナノ粒子が沈殿している。

図 3．イ ンドネシア、スラウェシ島にあるニッケルラ
テライト鉱山。岩石が風化により赤くなっている。高濃度のニッケルやクロムを含む。

も設置されていました。またその堆積場からは堆

3．ニッケルラテライト鉱床開発における環境影

積物と雨水が反応した酸性水が漏洩しており、周響評価

辺河川へ流入していました。酸性水は多くのウラニッケルは、従来のステンレスなど合金としてンや鉛など金属元素を高濃度で含んでおり、河川の用途に加え、電気自動車などに必要なリチウム

水と混合することで pH が上昇し、濃度は低下しイオン電池の正極材として用いられるため、重要

ますが、環境基準を大きく超えるものでした（図なレアメタルの 1 つであり、今後の重要増加が期2）。

待されています。ニッケルは、以前はカナダやロ汚染河川において本当に金属元素が精錬所由来

シアなど限られた地域に存在していた硫化物鉱床であるかを明らかにするには鉛の同位体比の測定

から資源を採掘していましたが、近年、新たな製が有効です。鉱石中の鉛同位体比は周辺の岩石や錬方法の開発により、ニッケルラテライト鉱床と土壌中の鉛や排ガスなど他の人為由来の鉛が持つ呼ばれる岩石の化学風化によって形成する鉱床

同位体比とは異なるためです。分析の結果、河川（図 3）の開発が可能になりました。

中の鉛同位体比は鉱石中の鉛同位体比と類似してニッケルラテライト鉱床は、気温が高く降水量

おり、精錬所の残渣由来であることが明らかになの多い熱帯〜亜熱帯地域に発達するため、東南アりました。また、鉄安定同位体比の測定からは、

ジアではインドネシアやフィリピンなどで開発が鉄も精錬所の残渣由来であることだけでなく、進んでいます。風化で脆くなった岩石のため容易

pH の上昇とともに鉄水酸化物として酸化沈殿しに採掘できますが、地下 30 m 程度までの表層付

一部はナノ粒子として河川水とともに輸送されて

近にニッケルが濃集しているため、表土を広く剥いることも明らかになりました。汚染河川は下流ぎ取る必要があります。また、この鉱石はニッケに行くにしたがい鉄鉱物が沈殿するとともに、金ルだけでなくクロムも多く含んでいるため、雨水属元素の濃度もさらに低下していき、大きな河川などと反応することでクロムが溶け出し、周辺のに流入する際には問題ないレベルまで濃度が下し河川を汚染することも懸念されており、フィリピており、自然浄化が達成されていました。このよンなどでは近年のニッケルラテライト鉱床開発がうなメカニズムを解明することは、今後、低コス抑制される傾向にあります。しかしながら、周辺

ト・低環境負荷な残渣・汚染水処理法の開発につの岩石もニッケルやクロムに富んでいることが多ながると期待されます。

く河川には自然由来の重金属元素も含まれています。鉱山由来のクロムの影響を適切に評価するた181

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

めにはクロムの安定同位体比の測定が有用だと考え、我々の研究グループは地球研と共同研究で国大竹

内ではほとんど行われていないクロム同位体比分

環境循環システム部門

翼（北海道大学工学研究院

学研究室

析手法の確立を目指しています。

環境地質准教授）2008 年ペン

シルバニア州立大学大学院地球科
学 科 修 了、Ph.D. in Geosciences
and Astrobiology. 2009 年東北大

文献学理学研究科地学専攻特任助教、Ito A, Otake T, Shin K, Ariffin KS, Yeah FY,

2011 年独立行政法人産業技術総Sato T (2017) Geochemical signatures and合研究所地圏資源環境研究部門特別研究員を経て、processes in a stream contaminated by2012 年より現職。

heavy mineral processing near Ipoh city,
Malaysia. Applied Geochemistry vol. 82, 89-

101.
https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2017.05.007

182（2020 年 3 月 31 日掲載）

生物多様性と生態系機能
生物は、周りの環境からいろいろな元素を取り込みます。植物は、水と二酸化炭素を吸って、有機物と酸素を作り出す光合成を行います。また、環境から窒素などの多岐にわたる栄養塩を吸収します。これらの元素の安定同位体比を測定することで、植物が吸収した元素の由来や、植物がどのような状態で光合成したかを推測することができます。
一方、動物は生きていくために必要な物質を、他の生き物（餌）から得ているため、その体には餌の情報が刻まれています。この動物の持つ安定同位体比を測定することで、動物が何を食べているのかを推測することができます。また、生物に含まれる同位体比の履歴情報
を、同位体比の分布情報である「同位体地図」に重ね合わせることで、植物種子や動物の移動履歴についても、近年いろいろなことがわかってきました。
生物が関わるいろいろな現象について、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

高山の霧を吸収するハイマツ― 雨と霧を同位体比で区別する ―久米篤（九州大学大学院農学研究院）

1．日本の高山植生を特徴付けるハイマツ

一方、日本の山岳では霧がよく発生し、地表面へ

ハイマツ（Pinus pumila）は日本の中部山岳をの霧水沈着量は降水を上回る事もあります。ハイ

分布の南限とし、高山の森林限界上部に優占する

マツ樹冠の表面積はとても大きいため、植生表面

こ と の 多 い、 マ ツ 科・ マ ツ 属 の 矮 生 低 木 で すに付着した霧水が水分供給源となっている可能性（図 1）。ほとんどのマツ属の樹種では幹が単幹・があります。

直立に伸張するのに対して、ハイマツは矮性低木

そこで、このような環境下で、光合成に伴う大としての性質が固定され、常に多幹・匍匐の生育量の蒸散に必要な水をハイマツがどうやって得て型を示し、面的に広がります。濃緑色の密度の高いるのかを、降水や霧水（H2O）の水素（H）とい樹冠を持ち、高さ数メートルの斜面全体に広が酸素（O）の安定同位体比を利用して確かめるこる大きな群落を形成することがあり、その一方でとにしました。

山頂や尾根付近では高さ十数センチの矮性・匍匐
2．立山浄土平の気象環境型の生育形で頑張っていることもあります。
ハイマツ群落の林冠は、高さ 1 m 範囲内に全立山は富山県最高峰の標高 3000 m を超える山ての葉が集中しているため、大量の針葉が地上部

岳地域で、上部にはハイマツ群落がよく発達して数 m に圧縮された、例外的に高い葉密度を持ちいます（図 1）。山頂付近の浄土平（2839 m）にます。針葉の投影面積を葉面積として計算すると、は富山大学立山施設があり、気象観測が行われて地表面あたりの針葉面積（葉面積指数：LAI）はいます（図 2）。

2

-2

5 m m 以上の値となり、林冠の厚さあたりの針2

図 3 に、立山周辺で観測された 2005 年と 2006-3

葉面積（葉面積密度）も 4 〜 6 m m となります。

年の月別降水量を示します。麓の富山市と比較しこれは通常のマツ林というよりかは、亜高山帯域て、立山山頂部の降水量は年ごとの変化幅が大きに見られるオオシラビソやトドマツの優占する森
林の値に近く、かなり大きな値です。そのため、成育期間が無雪期に限られて短いにもかかわらず年間の光合成物質生産量は低地の常緑針葉樹林に匹敵するほど大きくなると推定されています。光
合成には大量の水が必要となります。しかし、ハイマツが生育している高山環境では水分を保持す
る土壌はほとんど発達しておらず、根系の発達も抑制される上、ハイマツの生育している環境では
土壌は冬季に凍結しています。雪が解けても土壌が解けなければ水を吸収することができません。

図 １．立山室堂の斜面に広がるハイマツ群落（濃い緑色）
185

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

表層5cmの有効土壌水分量 (mm)25

表面濡れセンサー

みくりが池 草本群落
みくりが池 ハイマツ林床
浄土平 草本群落
浄土平 ハイマツ林床

20
15
10
5

0
2005年8月
霧水採取装置雨量計

図 4．立 山高山帯の ２００５ 年と ２００６ 年の表層土壌の水

気象観測装置

分量。ADR 土壌水分センサーで測定（Delta-T 社、
図4 立山高山帯の２００５年と２００６年の表層土壌の水分量 ADR土壌水分センサーで測定（
Delta-T社, ML2x）
ML2x）

図 2．富山大学立山施設における気象観測

100

1500

900
600

富山市
天狗平
室堂
浄土

90
表面が濡れていた時間の割合 （％）

2005年

1200

300
降水量(mm)2006年8月

0
1500

2006年

1200

900

下面

70
60
50

40
30

20
10
0
0:00

600

上面

80

4:00

8:00

300

12:00

16:00

20:00

0:00

時刻

0
7月

8月

図 5．
土平で 8 月に表裏 45 度傾けて設置した濡れセ
図5浄浄土平で8月に表裏45度傾けて設置した濡れセンサの測定結果
ンサーの測定結果

9月

図 3．２００５ 年と ２００６ 年の月別降水量

図3 ２００５年と２００６年の月別降水量
富山市（標高9 m）、天狗平（標高2290 m）、室
富山市（標高9ｍ）、天狗平（標高2290m）、室堂（標高れている時間を推定してみました（図 5）。その
堂（標高
2450
m)、浄土（標高2840m）
2450m)、浄土（標高 2840m）
結果、雨が降らなくても毎日夕方になると濃い霧
く、2005 年の 8 月の降水量が 600 mm 程度あっが発生し、19：00 頃には樹冠がびしょびしょに濡たのに対して、2006 年にはほとんど雨が降りまれていることが多いことがわかりました。実際、せんでした。

現地では葉の先から水がポタポタ落ちていること

山頂付近の植物群落の土壌水分量を測定しても観察できました。このような霧水を、ハイマツ

も、2006 年 8 月の土壌水分量は 2005 年よりも少はどれくらい利用できるのでしょうか？

なくなっていました（図 4）。このような状況では、2005 年と比較して 2006 年にはハイマツの光合成

3．雨と霧の同位体比

速度は低下していると予想しました。ところが、重い水分子（1H2H16O あるいは 1H218O）と軽い

実際に現地でハイマツの光合成・蒸散速度を測定

水分子（1H216O）を比較すると、重い水分子は軽したところ、2006 年 8 月でも、ハイマツは活発

い水分子よりも飽和水蒸気圧が低いという性質がに光合成・蒸散を行っていまいた。ハイマツは、あります。霧水は雨粒よりも小さく、地表近くの雨が降らなくてもどこからか水を吸収しているよ

大気中を長時間漂っているため、軽い水分子が選うです。

択的に蒸発し、重い水分子が濃縮される傾向があ

山頂付近に濡れセンサーを設置して、葉面が濡ります。そのため、雨粒と比較すると霧水の δ 2H
186

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

や δ18O はより多く（重く）なります。そこで、

δ18O (‰)

雨水と霧水、ハイマツ林の林床に供給される水（樹冠通過雨）の同位体比を調べることで、ハイマツ
林床に供給される水の起源の推定を行いました。
高山環境では、通常の方法では樹冠通過雨を採δ2H (‰)

取することは出来ません。いろいろ試してハイマ
ツ林の林床のあちこちに、雨樋を加工した常時開放型雨量計を設置することにしました（図 6）。
この装置で採取された水が、ハイマツ樹冠を通過して、地表に供給された水ということになります。
次に、ハイマツ樹冠上に供給される雨水と霧水の量を測定し採取するために、山頂付近の富山大図 7．降雨（Rain）、霧（Fog)、樹冠通過雨（Throughfall）の水素と酸素の同位体比（Uehara et al. 2012）。

学立山施設に、霧水や雨水の採取装置を設置しま

図7 降雨（Rain）、霧（Fog)、樹冠通過雨（Throughfall）の
水素と酸素の同位体比（Uehara et al. 2012）。

した（図 2）。霧水採取器には雨除けの屋根がつ算して加重平均すると、霧水は約 50％程度寄与いており、その下にテフロン細糸が上下に多数張られており、霧粒が糸にぶつかると、そこで水滴しているという結果が出ました。さらに、実際にになって下に流れ落ちます。

採取した水の量から得られた計算結果からも、同採取された水の同位体を分析すると図 7 のよう様の結論が得られました。これは、降雨の有無にになりました。立山の高山帯では、平野部で重いかかわらず、ハイマツ樹冠が霧水を効率的に取り水から雨になるため、軽い水の割合の高い雨が降込むことで、林床に水を供給していることを示しります。一方、霧水は空中を漂っている間に蒸発ています。

して、重い水の割合が増えます。バラツキはあり

ハイマツ群落に霧水が供給される量は、霧粒のますが、雨水は軽く霧水は重いというはっきりと

密度と風速に伴って増加しますが、細い針葉が密した傾向がありました。そして樹冠通過雨は降水集するハイマツ樹冠の形態は霧水採取器とよく似と霧水のちょうど真ん中付近に分布していましており、群落表面の風速を弱めず、霧水を効率的た。単純混合モデルのエンドメンバーの両端を霧に採取できる形態と考えられます。風が強く霧の水と降水として、樹冠通過雨への霧水の寄与を計多い日本の高山では、ハイマツの樹冠形状は霧水の吸収に適しているようです。

樹冠通過雨採集

日本の山岳地域では霧の発生頻度が高い場所が多く、酸性霧の被害などが問題になることもあり

樹高
浄土平：約60cm

ます。水素と酸素の同位体を測定することで、他の化学物質とは独立に、森林への水の供給源を推

10.3㎝
40cm

測することができます。

18cm
12cm

謝辞
本研究は上原佳敏博士が中心となり、富山大学
理学部関係者のサポートによって実施されました。特に同位体分析については佐竹洋教授の指導の下で行われました。記して感謝いたします。

図 6．ハイマツ林の樹冠通過雨（林内雨）の採取方法
187

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

文献

著者情報

Uehara Y, Kume A (2012) Canopy rainfall

久米篤（九州大学大学院農学研

究院教授）1996 年早稲田大学大interception and fog capture by Pinus

学院理工学研究科修了、博士（理pumila Regal at Mt. Tateyama in the学）。1996 年 JST-CREST 研究員

Northern Japan Alps, Japan. Arctic,（広島大学森林衰退研究センター）、

Antarctic, and Alpine Research 44: 143‒150.

2004 年富山大学理学部、2008 年
九州大学農学部附属北海道演習林

https://doi.org/10.1657/1938-4246-44.1.143などを経て 2015 年より現職。

久米篤（2009）「ハイマツ群落」In：高山植物学― 高山環境と植物の総合科学 ―（増沢武弘

編著）、共立出版版、pp. 348‒358

188（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

雨から来た窒素を同位体比で追跡する
木

庭

啓

介

（京都大学生態学研究センター）

様々な生態系では、生元素の一つである窒素がるアンモニウムイオンに変換する微生物過程）そ

図 1 にあるような様々な過程を受けながら循環しして硝化（硝化菌と呼ばれる特殊な微生物がアンています。たとえば森林を見てみると、森林の大モニウムイオンを酸化して亜硝酸イオンや硝酸イ

部分の窒素は有機態窒素の形で土壌に存在し、植オンに変換する微生物過程）を経て生成されない

物体には土壌と比較してずっと少ない量が存在しといけない、そして可給態窒素を生成する微生物ているだけです。そしてさらに、土壌中の植物やも可給態を吸収同化する、ということに主な原因

土壌微生物が利用できる窒素（図 1 のアンモニウをもちます。可給態窒素のこの小さな存在量など

ムイオン、硝酸イオン、そして一部の有機態窒素；から考えて、森林にいる植物はその成長においてこれらをまとめて可給態窒素と呼びます）はごく

窒素が足りない状態、言い換えると窒素制限下に限られた量しか存在しないことが知られていまあると一般的に考えられています。

す。これは図 1 にあるように可給態窒素は土壌微

このような重要性を持つため、可給態窒素につ生物による無機化（有機態窒素を無機態窒素であいては、古くよりその特徴について多くの研究がなされています。その中でも特に硝酸イオンについては、土壌中で動きやすい性質を持つことから、陸上生態系から流出する時の主な窒素化合物であることが知られています。そのため、どれだけの硝酸イオンが生成されるのか、そしてそれがどれだけ渓流水に溶け込み流出してゆくかを理解する
ことが、森林で循環できる窒素量、そして窒素循
環全体を考えるときに大変重要になります。また
一方で、降水により供給される可給態窒素は、森林の中で植物と土壌中の微生物に速やかに利用されてしまい、森林から出てくる窒素は多くはな

図1 窒素循環の概略図。環境中で有機物に含まれる窒素（有機態窒素）は分解（無機化）され
図 1．窒 素循環の概略図。環境中で有機物に含まれるアンモニウムイオン（NH4+）に、さらに硝化菌という特殊な微⽣物により硝酸イオン（NO3-）
い、と考えられてきました。平たく言えば雨由来
窒素（有機態窒素）は分解（無機化）されアンに変換される。アンモニウムイオン、硝酸イオン、そして⼀部の有機態窒素は植物や微⽣物に取+り込まれる（吸収同化、特に⼟壌微⽣物による吸収同化を不動化と呼ぶことがある）。酸素の少モニウムイオン（NH4 ）に、さらに硝化菌といの可給態窒素は森林で「きれい」にされる、といない環境では酸素ガスの代わりに硝酸イオンを⽤いた呼吸を微⽣物が⾏い、⼀酸化⼆窒素（N2O）や窒素ガス（Nう特殊な微生物により硝酸イオン（NO2）を放出する脱窒という作⽤がある。また⼤気中の窒素は窒素固定を⾏3 ）に変う微⽣物によってこの循環系に取り込まれる
うことになります。

換される。アンモニウムイオン、硝酸イオン、そして一部の有機態窒素は植物や微生物に取り込まれる（吸収同化、特に土壌微生物による吸収同化を不動化と呼ぶことがある）。酸素の少ない環境では酸素ガスの代わりに硝酸イオンを用いた呼吸を微生物が行い、一酸化二窒素（N2O）
や窒素ガス（N2）を放出する脱窒という作用がある。また大気中の窒素は窒素固定を行う微生物によってこの循環系に取り込まれるでは、本当に「きれい」になっている、つまり雨の窒素は十分に使い切られているのでしょうか？

ここでは森林から失われる、つまり森林渓

流水に含まれる窒素のうち大半を占める硝酸イオンに着目します。渓流水中の硝酸イオンの濃度を計測すると、確かに低い森林もあり、そこでは雨189

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 年版で入ってきた窒素が使われて、図 1 の窒素循環過そして酸素ガスが持つ酸素安定同位体比は比較的程の硝化によって生成された硝酸イオンが植物と低いことが知られているので、それを原料として微生物により利用されることを免れて、ほんの少作られる硝酸イオンの酸素安定同位体比も比較的しだけ流れ出ているのだと思われます。しかし、低い値を取ります（図 2 の下側、緑四角部分）。

測定してみると硝酸イオン濃度が高い森林も実際

一方で、降水由来の硝酸イオンについては、そのにはあります。渓流水中の硝酸イオン濃度の高低

酸素原子の一部が上空大気中のオゾン由来だと考については長年研究がなされてきていますが、実えられています（図 2）。このオゾンですが、実際のところ、その濃度だけをつぶさに測定しては大変高い酸素安定同位体比を持つことが知られいっても、どれだけ降水由来の硝酸イオンが渓流ています（その理由については難しいので今回は水中の硝酸イオンに含まれているかを知ることは割愛します）。そのため、降水由来の硝酸イオン

なかなかできません。

は極めて高い酸素安定同位体比を取ることがわ

そこで、安定同位体比の出番です。古くから硝かってきました（図 2 の上側、赤四角部分）。こ酸イオンについてはその窒素安定同位体比が測定の特徴を利用することで、渓流水中の硝酸イオン

されていました。古くは肥料由来の硝酸イオンが高い酸素安定同位体比を取るのであれば、降水（肥料は大気窒素から生成されるために、大気の由来の硝酸イオンの割合が高い、というように考窒素と近い値を取ります）と、土壌中の硝化由来えることができると言うことになります。

硝酸イオンを区別することを目的として窒素安定

実際に様々な森林の渓流水を対象として、そこ同位体比の測定が行われたりしています。しかに含まれる硝酸イオンの濃度、そして窒素安定同し、これまで得られているデータを集めてみると、位体比、酸素安定同位体比を測定してみました

降水由来の硝酸イオンの取る窒素安定同位体比（図 3）。濃度が低いものから高いものまで様々なと、土壌中の硝化由来硝酸イオンの取る窒素安定サンプルがありますが、そのほとんどについて、同位体比の範囲は重なってしまっていて（図 2）、

図 3 下側の緑四角部分よりデータが上方にありま

渓流水中の硝酸イオンの窒素安定同位体比を測定した。つまり、渓流水硝酸イオンの酸素安定同位しても、降水由来なのか、それとも土壌由来なの

体比は、硝化由来の硝酸イオンが取ると思われるかを判定することができませんでした。

酸素安定同位体比よりは高いことがわかります。

2000 年代になって、硝酸イオンの窒素安定同

このことは、雨由来の窒素をきれいにしていると位体比だけでなく酸素安定同位体比も測定する手法が開発され、また、その必要な試料量も劇的に減少したため、現在世界の多くの研究室でその測定が行われるようになってきました（永田・宮島
2008）。この新しい測定によりこれまででわかってきたことの 1 つは、窒素安定同位体比では区別が難しかった硝化由来の硝酸イオンと降水由来の硝酸イオンでは、その酸素安定同位体比が大きく異なることです（図 2）。この理由は硝酸イオンにふくまれる酸素原子の由来が異なることにあります。硝化作用（図 1）によって硝酸イオンが生成されるとき、その酸素原子は水そして酸素ガス

図 2．硝 酸イオンの窒素・酸素安定同位体比マップ（Kendall et al. 2007 より一部改訂）。

からくると考えられています（図 2）。これら水190

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

ま流れ出してしまう、ということが傾斜の急な森

図3 林では起こりやすいと言うことがあるでしょう。
様々な森林の渓流⽔中に含まれる
また、雨で入ってくる窒素のタイミングと植物や酸イオンの濃度とその窒素・酸素
微生物の活性のタイミングが合わないということ
定同位体⽐（⽊庭ら、未発表デーもあるかもしれません。傾斜が急な地域と緩い地タ）域、雨が夏に多い地域と冬に多い地域などを比較
NO3‐濃度μmol/Lすることで、この矛盾について議論できると思わ○の⼤きさと⾊で渓流⽔硝酸イオ
れますが、今のところまだ明確な答えは得られて濃度（単位はμmol/L）が表されていません。
る。⼟壌硝酸イオンと降⽔硝酸イ
人間活動の増大に伴い、降水によって森林にもンの範囲はこれまで報告されていたらされる窒素の量が増大しており、これまで足
⽂献値などから類推されたものでりなかった窒素が余っている森林（窒素飽和林）
る。
というものが報告されるようになっています（徳地ら 2011）。窒素飽和林では植物や微生物が窒素を使い切れないので、渓流水中に多くの窒素が含まれると考えられますが、では、その中には降水
由来の窒素は多く含まれるのでしょうか？
3

ここでも硝酸イオンについて考えて見ます。素直に考図 3．様 々な森林の渓流水中に含まれる硝酸イオンの濃度とその窒素・酸素安定同位体比（木庭ら、
未発表データ）○の大きさと色で渓流水硝酸イオン濃度（単位は μ mol/L）が表されている。土壌硝酸イオンと降水硝酸イオンの範囲はこれまで報告されている文献値などから類推されたものである。

えると、大量の降水由来の硝酸イオンがもたらされ、植物にとっては窒素が余っている状態なのであれば、降水由来の硝酸イオンは使われずにそのまま流れるために、渓流水中の硝酸イオンには高い割合で降水由来の硝酸イオンが含まれると考えられます。しかし、図 3 を見てみると、硝酸イオ

思われる硝酸イオン濃度が低い森林でも、あまりン濃度が高い場合でもその酸素安定同位体比が高きれいにしていないと思われる、濃度が高い森林い、という傾向は見えてきません。つまり、雨由

でも、雨由来の硝酸イオンが漏れ出てしまってい来の硝酸イオンの割合はたとえ渓流水硝酸イオン

る、つまり使い切れていないということを表して濃度が高いところでも上昇しているようには認めいると考えられます。ざっと降水硝酸イオンと土られません。これは、大量にもたらされた降水由壌硝酸イオンの代表的な値をつかって計算してみ来の窒素に影響を受け、土壌中の硝化活性（図 1）

ると、おおよそ 10％程度の降水硝酸イオンがそも上昇しており、結果として降水由来の硝酸イオのまま渓流水へと流れ出ているという試算になりンが、土壌由来の硝酸イオンによって希釈され、ます。

割合としてはあまり上昇しない、ということが生冒頭で述べたように、森林の植物は窒素が足りじているのではないかと考えられています。大量ない状況にあると思われるのに、せっかく降っての降水由来の硝酸イオンと、大量の土壌硝化由来

きた、足りない窒素を使い切れずに流してしまうの硝酸イオンが混ざって渓流水に流出してゆく、と言うのは不思議な感じがします。この矛盾につということです。しかし、この部分についても、

いては様々な理由が考えられています。たとえばその重要性にもかかわらずまだわかっていない部

雨自体の流出とともに植物や微生物が使えないま分がたくさんあります。なお、降水由来の硝酸イ
191

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

オンの割合をより正確に算出するためには、酸素

文献

安定同位体比の異常、という特別なパラメーター

C. Kendall, E. M. Elliott，S. D. Wankel, Tracing

を特別な測定により計算することが必要ですが、

anthropotenic inputs of nitrogen to

この新しいパラメーターを用いた研究も現在進ん

ecosystems, In: Stable Isotopes in Ecology

できています（角皆ら 2010）。

and Environmental Science, Second Edition

硝酸イオンの酸素安定同位体比測定は、今回紹(eds. R. Michener, K. Lajtha), 2007, Blackwell

介した森林の硝酸イオン除去状態の判定だけでな

Publishing Ltd.

く、様々なところで利用されるようになっていま

角皆潤、小松大祐、代田里子、中川書子、野口泉、す。たとえば先に述べたように降水中の硝酸イオ

張勁（2010）三酸素同位体組成を指標に用いンの酸素安定同位体比が、その起源物質の酸素安た大気沈着窒素 ― 森林生態系間相互作用の定同位体比の影響を受けることを逆に利用して、定量的評価法．低温科学 68 107‒109．

どのような大気化学プロセスで降水硝酸イオンがhttp://hdl.handle.net/2115/45170

形成されるかを解析したり、その延長として、ど永田俊、宮島利宏（2008）「流域環境評価と安定

こで硝酸イオンが生成したかという生成場所を推

同位体 ― 水循環から生態系まで」京都大学

定したりという研究がなされています。また、硝学術出版会
徳地直子、大手信人、臼井伸章、福島慶太郎（2011）

酸イオンが吸収同化や脱窒によって利用される
1416（図 1）と、軽い N や O が選択的に利用される

窒素負荷に伴う森林生態系の窒素循環過程のので（これを同位体分別と呼びます）、これを利検討．日本生態学会誌 61（3）275‒290．

用して、環境中で硝酸イオンの消費が起きている

https://doi.org/10.18960/seitai.61.3_275

かどうかを判定したりすることも可能です。さら木庭啓介（2017）有機野菜は判定できるか ― 硝には作物中の硝酸イオンの酸素安定同位体比か酸イオン同位体比の利用可能性について ―ら、その作物の栽培が無機栽培か有機栽培かを判

現代化学 2017 年 3 月 38‒40.

定できるかもしれません（木庭 2017）。このよう
著者情報に、1 つの物質について複数の安定同位体比を測定することで、より細かくその物質の生成・消

木庭啓介（京都大学生態学研究セ

費・移動過程などを見ることが可能となります。

ンター教授）1998 年京都大学大学院農学研究科博士課程中退、博今後もますますこのような研究が発展してゆくと士（農学）。京都大学大学院情報考えられます。

学研究科助手、東京工業大学大学
院総合理工学研究科講師、東京農工大学共生科学技術研究院特任准教授、農学研究院准教授をへて2016 年より現職。



192（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

メタボ化した森林から流出した過剰な窒素成分は、下流域でどう変化するの？
篠

塚

賢

一

（福岡工業大学）

1．福岡市近郊森林域のメタボ化

しかしながら、関東近郊の森林や北陸地方の森林

明治時代の外国人技術者が日本の川の流れの激を流れる河川からは、NO3- が高濃度で流出してしさに驚き「これは川ではない。滝だ！」と発しいることが報告されています。この様な森林は、た逸話があります。日本は細長い島国で、中央に窒素飽和した森林、メタボ化した森林と呼ばれて屋台骨の様に高くそびえる山々があります。一方、おり、下流への窒素汚染源となっています。窒素

下流域では平野が広がり、水田の広がる「瑞穂のは生物を構成する主要な元素であり、生物の体を国」とも呼ばれています。そのため、日本の川は構成するアミノ酸やタンパク質の元になっている

急傾斜な山の中を流れる川、なだらかな扇状地やため、生物にとって大切な栄養元素になっていま

平野を流れる川と緩急様々な勾配を流れています。大気中には多くの窒素ガス（N2）が含まれす。急勾配な地形を流れる川では、水の動きも速ていますが、反応性が低く、そのままでは多くのく、ザーザーと流れ出すため、あまりその場所に生物が利用することが出来ません。しかし、肥料

留まりません。そのため、水は河川周囲の環境のから供給されるアンモニア態窒素（NH4+）や硝影響をあまり受けず、水源の水質を反映します。

酸態窒素（NO3-）、そして排気ガスに含まれる窒一方で緩い勾配の地形を流れる川では、水の動き

素酸化物（NOx）から生成される NO3- は、反応は遅く、ゆったりと流れるため、周囲の環境から性が高く流域に生息する生物へ様々な影響を与え受ける影響も大きくなります。一般的な川の山間ます。日本には、大陸から長距離輸送されてきた部は急な勾配を流れ、田園地や都市域になると緩大気汚染物質が到達し、年々増加する傾向があり

い勾配を流れます。

ました。広域の大気の流れを介して運搬されるた

福岡市は、北は博多湾に面し、その周囲を三郡め、都市から離れた森林にも NO3- をはじめとし山地や脊振山地に囲まれています。三郡山地の河た生物が利用しやすい窒素の沢山溶けた雨が降り川からは、標高 430 m の山間では 7.6°の急勾配注ぎます。これらの窒素は樹木をはじめとした森で流れ出ていますが、下流に広がる都市域に近づ林の生物に利用され、特に生長速度の速い若い樹

くと河川周囲の勾配は 0.1°と緩くなります。山間木では、活発に窒素を取り込みます。しかし、福部の斜面にはスギやヒノキが植林されています

岡近郊の植林地では伐採期を迎えた十分に成長しが、中流域の河川沿いには水田が広がり、下流域

た樹木の割合が高くなっており、生長に必要な栄では商業地や住宅地が広がるようになります。

養をあ まり必要 としていま せん（Chiwa et al.,

一般的に、上流にある森林では人為的な影響は。そのため、大気からの窒素がたくさん降っ
2012）

-

少なく、河川水に含まれる硝酸イオン（NO3 ）てくる場所の森林の河川からは、高濃度の NO3-濃度は低くなりますが、中・下流域の河川水ではが年間を通して流出しています。この様な流域で、農地や畜産、ゴルフ場など人為的な影響が大きく

森林から高濃度で流出した NO3- は、下流域に流なり、NO3- 濃度が高くなると考えられています。

れていくとどうなるのでしょうか？
193

実際に、福

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

岡市を流れる複数の河川で、地形の違いが河川水

般的に知られています。須恵川、宇美川のみなら質へ与える影響を、窒素や酸素の安定同位体比をず猪野川でも都市域の面積が増加すると有機態窒測定することによって探ることにしました。

素が流出してくる傾向がみられ、都市域からの窒素負荷が生じていることが分かります。次に、同2．福岡市近郊の流域特徴

位体比の変化と地形の関係をより詳しくみてみま

福岡市を流れる多々良川流域は、猪野川、須恵

しょう。

川、宇美川の 3 つの支流を持っています。森林から流れ出た河川は、農地や都市域を通過して博多3．下流で NO3- 濃度が減少する河川の特徴

湾に流れ出ます（図 1）。上流から下流に下るに

硝酸中に含まれる安定同位体比の変化を見てい

つれ様々な土地利用を持つ流域を流れていきまきます。脱窒素細菌が硝酸を窒素ガスに変える脱す。同時に流域地形も大きく変化します。急勾配

窒が起きる場合、軽い 14N から先に利用されやす地形を持つ山間部から比較的緩い勾配を持つ農

いため、河川水中には重い 15N が残留します。図地、都市域へと変化していきます。この様な、流3 を見ると、猪野川では脱窒の影響を受けている域の土地利用、地形の違いは、森林から高濃度のことが示唆されます。同様に、酸素においても、-NO3 濃度を持つ河川水質へ様々な影響を与えて

16

いました。

まれる 18O の割合は高くなります。脱窒による反O が優先的に利用され、河川水中の NO3- に含

この 3 つの河川で測定された NO3- 濃度を図 2

応では、この関係が 2：1 で起きることが知られに示します。森林面積が大半を占めている場所でています（Kendall et al., 2008）。猪野川では、傾は、3 つの河川とも上流には窒素飽和の森林があきの比が -5.8：-2.2 となり、およそ 2：1 の関係

3

るため NO 濃度は高くなります（41 〜 65µmol/L,を示しています。このことから猪野川では、脱窒-

2.5 〜 4.0 NO3 mg/L）。しかし、猪野川都市域のによる影響により NO3- 濃度が低下していると考割合が増加すると、NO3- 濃度が大きく低下する

えられます。猪野川の下流では須恵川や宇美川と傾向が見られました。須恵川、宇美川では都市域異なり、都市域の面積割合が低いことが要因の一の濃度は夏には低下、冬には横這いかやや上昇す

つとして考えられます。加えて、都市部が広がっる傾向が見られます。都市域からの人為的な窒素ている地形がこの 3 つの河川でどのように違って流出は、有機態窒素の形で流出して来ることが一いるのかを詳しく見ていく必要があります。

図 １．猪野川、須恵川、宇美川の流域における土地利用と地形の地図
図１ 猪野川、須川、宇美川の流域における⼟地利⽤と地形の地図
194

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

8月
11月
1月
4月

図 ２．猪野川、須恵川、宇美川の市街地の割合と硝酸イオン、有機態窒素濃度の関係

図２ 猪野川、須川、宇美川の市街地の割合と硝酸イオン、有機態窒素濃度の関係
8⽉
11⽉
1⽉
4⽉

図 ３．猪野川、須恵川、宇美川の硝酸イオン濃度と窒素安定同位体比、酸素安定同位体比の関係

図３ 猪野川、須川、宇美川の硝酸イオン濃度と窒素安定同位体⽐、酸素安定同位体⽐の関係
195

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

文献

猪野川の流域で脱窒や同化が行われやすい環境

Chiwa M, Onikura N, Ide J, Kume A. (2012)

を探すために、それぞれの河川が流れる地形の特-徴を解析しました。NO3 を減少させる脱窒や同Impact of N-saturated upland forests on化といった現象は、生物によって引き起こされま

downstream N pollution in the Tatara Riverす。そのため、河川周囲の地形が緩やかな水が溜

Basin, Japan. Ecosystems 15: 230‒241

まりやすい場所では、水の流れが緩やかになるた

https://doi.org/10.1007/s10021-011-9505-z

め、これらの生物の活動が盛んになります。一方

Shinozuka K, Chiwa M, Tayasu I, Yoshimizu C,の急な勾配の場所では、水が流れやすくなりこれ

Otsuki K, Kume A. (2017) Difference inらの影響は受けにくくなります。そこで、水文流

Stream Water Nitrate Concentrations

出モデルを利用し、水の集まりやすい指標を比較

between a Nitrogen-Saturated Upland

しました。その結果、須恵川や宇美川と比べて猪Forest and a Downstream Mixed Land Use

野川では、都市域が増える下流域で水が集まりやRiver Basin 4: 43

すい傾向を示しました。都市域の割合が増える下

https:// doi:10.3390/hydrology4030043

流域や勾配の緩い流域を流れる場所では、上流のKendall, C. ; Elliott, E. M. ; Wankel, S.D. Tracing-

森林から供給された NO3 が脱窒や同化されていanthropogenic inputs of nitrogen to

ることがわかりました。

ecosystems. In Stable Isotopes in Ecology

今回の研究では、下流の都市域であっても、水and Environmental Science; Michener, R. H. ,が停滞しやすい地形指標の河川下流部では、上流

Lajtha, K. , Eds. ; Blackwell Publishing Ltd. :-の森林から供給された NO3 が脱窒等の影響を受

Oxford, UK, 2008; pp. 375―449.

けて河川水中で存在形態を変化させていることが謝辞

分かりました。河川水中の NO3- の上昇は、止水域の富栄養化などの問題の引き金となります。日

本研究は九州大学農学部の関係者のサポートに

本は 4 方を海に囲まれていますので、沿岸域で生よって実施されました。同位体比分析については

じる赤潮の影響がよく知られています。森林域か

地球環境科学研究所の陀安教授の指導の下で行わ-

ら高濃度の NO3 流出がみられる河川では、流域れました。記して感謝いたします。

規模での窒素循環（「雨からきた窒素を同位体比
著者情報で追跡する」を参考）を考えていく必要がありま-す。そのため、森林域からの高濃度の NO3 流出

篠塚賢一（福岡工業大学情報シス
テム工学部研究員）2017 年九州がみられても、上流から下流までのモニタリング

大学大学院農学物環境農学専攻修と、集水域の地形を詳細に見て流域管理を行って了、博士（農学）。2017 年から九行くことが重要であることが分かりました。

州大学学術研究員、福岡工業大学
研究員（永淵研）、2019 年より福岡工業大学（徳安研）にて医療
AI の研究開発研究員。

196（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

食料生産の向上と地球温暖化の抑制に関わる水田土壌の有機物蓄積プロセスを解き明かす
矢

内

純

太

（京都府立大学）

１．水田土壌の有機物の重要性

有機物分解が抑制され、森林・草地・畑地などの土壌は陸域生態系の基盤であり、食料生産や陸土壌と比べ土壌有機物が蓄積されやすいことも知域環境の保全に大きな役割を担っています。土壌

られています。これらのことを総合的に捉えると、の固相成分は、岩石由来の一次鉱物、土壌中で生水田において土壌有機物を適切に蓄積させること成される二次鉱物、そして土壌に付加された動植は、食料生産の面でも環境保全の面でも望ましい

物遺体が土壌中で様々に化学的変化を受けて生成ことと考えられます。

する土壌有機物から構成されています。そのうち2．土壌有機物の理化学性に基づく分画

土壌有機物は、土壌粒子の集合体である土壌団粒の発達や保水性向上などの物理的機能から、養分

さて、本来であれば微生物に分解されてしまう

保持能や緩衝能の向上および植物への各種養分

有機物が土壌中で分解されないのは、土壌団粒中の供給などの化学的機能、さらには土壌微生物のに閉じ込められたり土壌鉱物に吸着されたりし活性化などの生物的機能にいたるまで、土壌にて、「保護」されているためであると考えられて様々な機能を付与しています（Brady and Weil,

います（Six et al., 2004; Zimmermann et al., 2007）。

2007）。

そのため、土壌有機物を保護の仕組みによって分水田は、「瑞穂の国」と呼ばれる日本の稲作文画し、それぞれの特徴を評価すれば、土壌有機物化を支えるとともに、モンスーンアジアを中心に全体を総体として評価するよりも土壌有機物の実

コメを主食とする国々の食料生産基盤として機能態がより詳細に検討できることが期待されます。

して世界人口の約 2/3 を支えるなど、日本におい

そこで本研究では、土壌有機物を「①保護なしても世界においても非常に重要な役割を果たして（Light Fraction: LF）」「②団粒内に保持（Heavy

います。そのため、水田土壌は、かけがえのない

Fraction: HF）」「③土壌鉱物に吸着（Oxidizable

土壌資源であると言えるでしょう。さて、そのよ

Fraction: OxF）」「④特に化学的に難分解構造でうな水田の土壌有機物は、分解に伴って各種養分

土 壌 鉱 物 に 吸 着（Non-Oxidizable Fraction:

をイネに供給することによりイネの生育を促進しNOxF）」の 4 種類に分画しました（図 1）。ここで、収量を向上させるとともに、大気中の炭素を土壌

水田土壌試料としては、東北農業研究センター（秋中に隔離しているという点で地球温暖化の抑制に田県）、愛知県農業総合試験場、滋賀県農業技術も貢献していると考えられています（Lal, 2004）。

振興センターにおける、化学肥料と有機質肥料のたとえば、世界の農耕地土壌に毎年 0.4％ずつ炭管理を組合わせた長期連用水田圃場の、表層土素を蓄積することで、大気中の二酸化炭素の濃（0–15 cm）を用いました。

度上昇はゼロにできると試算されています（Minasny et al., 2017）。また、水田土壌は、一定
期間湛水条件におかれることから、微生物による197

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．水田土壌の有機物の画分別平均滞留時間
そこで、有機物が平均でどの程度の期間土壌中に留まるかを表す「平均滞留時間」を、画分ごとに評価しました。すなわち、ある程度の平均滞留時間が見込まれる、「②団粒内に保持（HF）」「③土壌鉱物に吸着（OxF）」「④特に難分解構造
で土壌鉱物に吸着（NOxF）」に対し、炭素の同位体分析に基づいた 14C 年代測定により平均滞留
時間を調べたところ、以下のような結果が得られ

図 1．保 護機構に対応した、理化学性に基づく土壌有
機物の分画

ました。
まず、画分別に比較すると、いずれも圃場や管3．水田土壌の有機物の画分別存在量

理によって異なるものの、「④特に難分解構造でさて、土壌有機物量は、一般に土壌有機炭素量

土壌鉱物に吸着（NOxF）」では約 1 〜 3 千年をの約 1.7 倍として求めることができます。そこで、示したのに対し、「③土壌鉱物に吸着（OxF）」で画分ごとの重量と炭素濃度をそれぞれ測定し、そは非常に若いものから約 2 千年を、「②団粒内にれらの積として画分ごとの炭素蓄積量を算出しま

保持（HF）」は非常に若いものから約千年を示し、した。その結果、全炭素蓄積量は、秋田、愛知、より強い保護機構により守られている画分ほど長滋 賀 の 平 均 値 で そ れ ぞ れ 22.4、13.0、8.8 gC/kg

い平均滞留時間を取ることがはっきりと示されまでした。すなわち、土壌重量の約 1 〜 2％が土壌した。従って、保護機構は、画分別有機物の存在炭素であり、土壌重量の約 2 〜 4％が土壌有機物

量のみならず平均滞留時間にも大きな影響を与えであることが確認されました。また、秋田、愛知、ていました。

滋賀の画分ごとの存在割合は、全般的には、「③土

続いて肥培管理の影響を比較すると、画分によ壌鉱物に吸着（OxF）」が 45％、「④特に難分解構らず、無施肥区の平均滞留時間が最も長いのに対造で土壌鉱物に吸着（NOxF）」が 35％、「①保護

し、化学肥料の施用により幾分短くなり、有機肥なし（LF）」「②団粒内に保持（HF）」が 10％ず料の施用によりさらに短くなることが示されましつでした（表 １）。このことは、水田中の土壌有た。有機物の動態において、比較的新鮮な有機肥

機物は保護機構に対応しておよそ固有の存在割合

料を施用することで平均滞留時間が短くなることをもち、物理的あるいは化学的に保護されているは想定されていましたが、炭素を含まない、窒素・ものの方がより多く存在することを示していま

リン・カリウムの化学肥料を施用することでも土す。それでは、これら画分ごとの有機物はどれほ

壌有機物の平均滞留時間が短くなることは、管理どの期間土壌中に存在するのでしょうか？

の上でも非常に興味深いものでした。これは、化学肥料の施用によりイネの生育が向上し、結果として土壌に還元されるイネの根などの有機物量が

表 1．愛 知・滋賀・秋田の水田土壌の画分別炭素蓄積割合（平均値）増加したためと考えることができます。

蓄積C (%)

愛知

滋賀

秋田

LF

7.9

13

9.4

＞滋賀＞秋田の順番になりました。これは、愛知

HF

5.5

6.6

8.6

OxF

46

52

43

と秋田が細粒質土壌であるのに対し滋賀が団粒を

NOxF

41

29

39

さらに、圃場間で比較すると、全般的に、愛知作りにくく鉱物への吸着もしにくい砂質土壌であること、秋田の土壌が火山灰の影響を受けていて198

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

有機物との反応性の高い非晶質鉱物を多く含むこ

文献と、秋田の年平均気温が愛知と滋賀より低いこと

Brady NC, Weil RR (2007) The Nature andProperties of Soils (14th ed.), Pearson.

（低温ほど有機物分解は進みにくい）、などを反映
し、土壌有機物の比較的分解を受けやすい画分

Lal R (2004) Soil carbon sequestration impacts

が、秋田でもっとも多く分解されずに土壌に留on global climate change and food sequrity.

まっていたためと考えられました。

Science 304: 1623‒1627.
https://doi.org/10.1126/science.1097396

5．まとめ

Minasny B et al. (2017) Soil carbon 4 per mille.
Geoderma 292: 59‒86.

以上みてきたように、水田の土壌有機物は、保護機構に基づいて様々な画分から構成されていhttps://doi.org/10.1016/j.geoderma.2017.01.002て、それぞれ存在量も平均滞留時間も異なること

Six J, Bossuyt H, Degryze S, Denef K (2004) Aが明らかとなりました。強調しておきたいのは、

history of research on the link between

このような保護機構は、土壌の鉱物や微生物と有(micro) aggregates, soil biota, and soil

機物との相互作用の下で、土壌そのものがシステ

organic matter dynamics. Soil and Tillage

ムとして自然に発現させているということです。

Research 79: 7‒31.

従って、土壌が持つこのような保護機能をうまくhttps://doi.org/10.1016/j.still.2004.03.008

活用すれば、我々は水田により多くの土壌有機物

Zimmermann M, Leifeld J, Schmidt MWI, Smith

をより持続的に蓄積することができ、食料生産のP, Fuhrer J (2007) Measured soil organic

向上と地球温暖化の抑制という我々の生存に関わmatter fractions can be related to pools in

る 21 世紀の重大な課題にも貢献することができ

the RothC model. European Journal of Soil

ると考えられます。

Science 58: 658–667.
https://doi.org/10.1111/j.1365-2389.2006.00855.x

謝辞
著者情報

貴重な長期連用圃場の土壌試料をご提供くだ
さった、東北農業研究センター、愛知県農業総合矢内純太（京都府立大学大学院生

試験場、滋賀県農業技術振興センターの皆様と、

命環境科学研究科教授）京都大学
大学院農学研究科博士課程修了、ともに研究を進めてくれた研究室のメンバーに、博士（農学）。京都大学農学部助

心より感謝申し上げます。

手、大学院地球環境学堂助手、京都府立大学大学院農学研究科助教
授を経て、2011 年より現職。専門分野は土壌学。土壌肥沃度の評価と管理、陸域生態系の持続的管理などに取り組んでいる。



199（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

街路樹の炭素安定同位体比から
COVID19 による産業活動停滞の影響検出を試みる
半（京都工芸繊維大学場

祐子

応用生物学系）

2．炭素安定同位体比から街路樹の大気汚染スト

1．日本の大気汚染の現状

レスを診断する

日本の都市部で、大気汚染物質である窒素酸化物の問題が最も顕著だったのは 1985 年前後でし

都市に植栽されている街路樹は、樹冠で大気汚た。1990 年代なかば以降は、日本の大気中の窒

染物質を吸収・捕捉したり、木陰をつくって高温

素酸化物の量は着実に減少しています。2019 年

化を抑えたり、光合成で二酸化炭素を吸収するなには京都市において、二酸化窒素の大気中の濃度

どの多くの効用を持っています。光合成は街路樹

は、ピーク時の 1/3 近くまで減少している地点もの生長や生存を支える生理的な働きであるため、あります。一方、2000 年代以降は、アジア地域

光合成活性を維持することは、都市部で樹木が生で中国やインドなどの著しい経済成長に伴って大存していくためには必須です。しかし、光合成に気汚染が劇的に悪化し、越境汚染として周辺の必要な二酸化炭素を取り込む「気孔」は、大気汚国々にも大きな影響を及ぼすようになりました。

染ストレスを感じるといち早く閉じてしまい、そ

大気汚染の問題は、アジア地域における最も重要の結果、光合成が低下してしまいます。
植物の葉に含まれる光合成産物の炭素安定同位な環境問題の一つとなっています。

Fi

13

都市における窒素酸化物の主な排出源は、自動体比（δ Cplant）は、植物の光合成活動による同位車です。年間の窒素酸化物の排出量は、乗用車な体比の変化（Δ13 C）と、大気の同位体比（δ13Cair）

どと比べると、大型車（いわゆるトラック）が圧によって決まります。Δ13 C は、平均的な気孔の倒的に大きくなっています。日本の都市部で大気開度を反映します（図 1）。気孔があまり開いて中の二酸化窒素量が着実に減少してきた背景には、

いないと、軽い方の同位体（12 C）が植物に取り

排気ガス浄化装置の搭載など、トラックの環境性込まれにくくなるためです。ストレスを感じると、能が大幅に向上したことがあります。

多くの場合、気孔は閉じていきます。このようなしかし、交通量が非常に多い幹線道路沿いなど
では、依然として二酸化窒素のレベルは高く、交植物の葉通量が少ない郊外との間には大きな差がありま

気孔 葉の内部
13CO
2

気孔開

す。京都市の二酸化窒素のレベルが高い地点で12CO
2は、2019 年時点でも 1 年の半分以上の日数で環12Cが多く取り込まれる

境基準の濃度（0.02 ppm とした場合）を超えて気孔閉鎖

います。大気汚染は、日本においても過去の問題とはいえないのです。

12Cが取り込まれにくい

図 1．葉 の内部への炭素安定同位体 12 C の取り込まれ方は、気孔が開いているときと閉じているときで異なる。木本植物の生理生態（2020）を改変。
200

図1 葉の内部への炭素安定同位体12Cの取り込まれ⽅は、気孔が開いているときと閉じているときで異なる。⽊本植物の⽣理⽣態（2020）を改変。

Fig.

2

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

減少します。首都高速道路では、トラックの通行N

北⼭通

台数の変化が、景気の変化に 3ヶ月先行して生じ

1 km
⽩川通

烏丸通

堀川通

⻄⼤路通

る、という研究結果も出されています。

炭素安定同位体⽐Δ13Cの偏差 (‰)

今出川通

1.0

2.0

2020 年から始まった新型コロナウイルス感染>3.0症（COVID19）の流行は、世界的な経済産業活

調査地
⼤気観測局

動の低下を引き起こし、日本も例外ではありませんでした。この経済産業活動の低下により、トラッ
クなどの車両の通行台数が減り、大気中の二酸化

国道9号線

窒素量も減ったと考えられます。その結果として、

京都駅

大気汚染物質の影響を受けやすいヒラドツツジな阪神⾼速道路

どの街路樹では、光合成機能低下が緩和された可図 2．常緑低木であるヒラドツツジの葉の Δ13 C の偏差を京都市内でマッピング。Δ13 C の偏差が大きい
13Cの偏差を京都市内でほど強いストレスがかかっている。
図2 常緑低⽊であるヒラドツツジの葉のΔ能性があります。
わたしたちは 2005 年から 2021 年にかけて断続

マッピング。 Δ13Cの偏差が⼤きいほど強いストレスがかかっている。

的に、京都市を中心とした都市域で街路樹の葉を13ことから、Δ C の値から、植物が受けている大採取して Δ13 C 解析を行っています。葉の Δ13 C の気汚染ストレスを診断できます。

経年変化を追跡することで、街路樹の光合成機能に、COVID19 による経済産業活動の低下がどの

3．京都市内における交通量の違いと街路樹の大ように影響したのかを検出できる可能性があります。

13

気汚染ストレス：Δ C の空間的変化

次のようにして調査を行いました。

13

わたしたちは Δ C を使って、京都市内の場所

1）交通量が異なり、大気中の窒素酸化物の濃度による交通量の違いが、街路樹の大気汚染ストレが異なると予想される調査地を 2005 年〜2020

スとどのように関係しているのかを調査しました。

年に京都市内を中心として選定しました。

その結果、街路樹であるヒラドツツジは、交通量

2）街路樹であるヒラドツツジとイチョウの葉をが多い、つまり二酸化窒素量が多い場所にあるほ採取して Δ13 C を測定し、調査地点の二酸化窒

ど、気孔が閉じていました。このことから、大気素濃度との関係を調べました。Δ13 C を計算す

中の二酸化窒素が、ヒラドツツジの光合成機能にるために、実測した大気中の二酸化炭素の炭悪影響を及ぼしていることが分かりました（図 2）。

素安定同位体比をもちいて補正をしました。

なお、ヒラドツツジは常緑の低木で、京都府だけ

窒素酸化物の濃度は、国立環境研究所から提で約 90 万本が植栽されており、街路樹の低木の供されているデータベースの値を引用しました。

中では 40％以上を占め、日本国内でも最も多く
5．ヒ ラドツツジは 2020 年・2021 年に大気汚染利用されている樹木種です。

ストレスが緩和されている可能性がある
4．街 路樹の炭素安定同位体比から COVID19 に

まず京都市の 2005 年〜2021 年の二酸化窒素濃13

よる産業活動停滞の影響を検出する：Δ C の度を解析したところ、特に交通量が多い大気汚染

時間的変化

物 質 観 測 局 で、リ ー マ ン シ ョ ッ ク が 起 こ っ た

大気汚染の大きな要因になっているのは、トラッ

2009 年に大幅な落ち込みが見られ、さらに 2020

クから排出される窒素酸化物です。そして、トラッ

年と 2021 年にも落ち込みがみられました（図 3）。

クの通行台数は、経済産業活動を強く反映しておさらに、緊急事態宣言や蔓延防止などの措置がとり、好景気のときには増加し、不景気のときにはられている期間に、特に二酸化窒素濃度の落ち込201

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Fig.

3

b

a

緊急事態宣⾔蔓延防⽌
NO2の偏差 (ppb)

年平均 NO2 (ppb)2007 – 2019
r2=0.94

リーマン
ショック

COVID-19
⽇付
年度

Fig.

4

図 3．
（a）京都市内で最も二酸化窒素濃度が高い
３ つの観測局における、2007 年から 2021 年までの二酸化窒素濃度
図3 (a) 京都市内で最も⼆酸化窒素濃度が⾼い３つの観測局における、2007年から2021年
平均値の年変化。2007-2019年のデータの回帰直線を図中に示す。
（b）2007-2019 年のデータを直線回帰したとまでの⼆酸化窒素濃度平均値の年変化。
2007-2019年のデータの回帰直線を図中に⽰す。
(b)2007-2019年のデータを直線回帰したときに予測される2020年、2021年の値と、実際きに予測される
2020 年、2021 年の値と、実際の観測地との偏差。NO2 データ：http://www.nies.go.jp/igreen/の観測地との偏差。NO2データ︓http://www.nies.go.jp/igreen/td_down.html
td_down.htmlba

⼤気中⼆酸化炭素の δ13C (‰)

年平均 NO2 (ppb)

40

2010
2015

30

20

10

n = 28, r2=0.66
0
0

1000

2000

3000

4000

交通量
1 3
2 4

n = 127, r2=0.13

5000

⼤型⾞の⽇中12時間の交通量(台数 12h–1)

⼤型⾞の⽇中12時間の交通量(台数 12h–1)

図 4．
（a）京都市内の 14 の観測局における二酸化窒素濃度の平均値と、その観測局付近の大型車の日中 12 時間交通
図4 (a) 京都市内の14の観測局における⼆酸化窒素濃度の平均値と、その観測局付近の⼤型量との関係。2010 年と 2015 年のデータを示す。（b）大気中の二酸化炭素の炭素安定同位体比（δ13 C）と大型⾞の⽇中12時間交通量との関係。 2010年と2015年のデータを⽰す。(b)⼤気中の⼆酸化炭
13C）と⼤型⾞の⽇中12時間交通量との関係。
車の日中 素の炭素安定同位体⽐（δ12 時間交通量との関係。2010
年・2015 年の日中大型車交通量のクラスター分析により調査地を４分
2010年・2015年
台 /12h）、２（14,100 台 /12h）、３（23,700 台 /12h）、４（38,600 台 /12h）。
類：1（4,900の⽇中⼤型⾞交通量のクラスター分析により調査地を４分類︓1（4900台/12h）、２（14100台/12h ）、３（23700台/12h）、４（38600台/12h ）。
NO2 データ：http://www.nies.go.jp/igreen/td_down.html
NO2データ︓http://www.nies.go.jp/igreen/td_down.html
交通量データ：平成
22 年度・平成 27 年度交通センサス
交通量データ︓平成22年度・平成27年度交通センサス

み が 大 き い こ と も 示 唆 さ れ ま し た。2020 年 とと二酸化窒素濃度との関係を見てみると（図 5）、2021 年に、COVID19 による影響が二酸化窒素濃イチョウでは二酸化窒素濃度に対して Δ13 C がほ度の減少となって現れている可能性があります。

とんど変化していませんが、ヒラドツツジでは二ただし、2020 年と 2021 年の二酸化窒素濃度の減

酸化窒素濃度が高いほど Δ13 C は高くなりました。

少幅は、2009 年のときよりは緩やかでした。

ヒラドツツジでは、二酸化窒素濃度が高いほど強トラックの交通量と二酸化窒素濃度との関係をいストレスがかかっていることを示しています。

分析したところ、トラック交通量が多いほど二酸

2005 年 〜2019 年 の Δ13 C デ ー タ を、COVID19化窒素濃度が高くなりました（図 4）。葉の Δ13 Cの影響があった 2020 年または 2021 年のデータと
202

Fig.
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

イチョウ

ヒラドツツジ
交通量
1 3
2 4

Δ13Cの偏差 (‰)

r2=0.04

r2=0.21

NO2 の推定値(ppb)

Fig.

6

図 5．京都市内における街路樹 2 種、イチョウとヒラドツツジの葉における炭素安定同位体比 Δ13 C の偏差と、交通量から推定されたNO2 濃度との関係。赤い囲みは 2020 年と 2021 年のデータ。2010 年・2015 年の日中大型車
図5 京都市内における街路樹2種、イチョウとヒラドツツジの葉における炭素安定同位体⽐
交通量のクラスター分析により調査地を４ 分類：1（4,9002濃度との関係。⾚い囲みは2020年と2021年の台 /12h）、２（14,100 台 /12h）、３（23,700 台 /12h）、
Δ13Cの偏差と、交通量から推定されたNOデータ。2010年・2015年の⽇中⼤型⾞交通量のクラスター分析により調査地を４分類︓1。
４（38,600 台 /12h）（4900台/12h）、２（14100台/12h ）、３（23700台/12h）、４（38600台/12h ）。
NO2 データ：http://www.nies.go.jp/igreen/td_down.html
NO2データ︓http://www.nies.go.jp/igreen/td_down.html
交通量データ：平成
22 年度・平成 27 年度交通センサス

交通量データ︓平成22年度・平成27年度交通センサス

ヒラドツツジイチョウ

Δ13Cの偏差 (‰)

12
10

12

2005-2019年
2020，2021年

8

n.s.

10

***

交通量が多い地点

交通量が少ない地点

8

**

6

6

4

4

2

2

0

0
交通量が多い地点**

交通量が少ない地点

図 6．京都市内における街路樹 2 種、イチョウとヒラドツツジの葉における炭素安定同位体比 Δ13 C の偏差について、
図6 年までのデータを
京都市内における街路樹2種、イチョウとヒラドツツジの葉における炭素安定同位体⽐
2005‒20192020 年または 2021 年のデータと比較。
Δ13Cの偏差について、2005-2019年までのデータを2020年または2021年のデータと⽐較。

比較してみました（図 6）。イチョウでは 2020 年
13があります。さらに 2021 年に、ヒラドツツジで1）に Δ C は増加しましたが 、ヒラドツツジではΔ13 C が減少したことは、二酸化窒素濃度が低く

逆に、2021 年に Δ13 C は減少しました。このことなったことにより、ストレスの影響が緩和したとから、ヒラドツツジでは、COVID19 の影響があっも考えられます。
ただし、今回の研究では、二酸化窒素濃度につた年に、大気汚染によるストレスが緩和されていい て、年 度 と と も に 単 調 減 少 す る と 仮 定 し てる可能性が示唆されます。

2020 年・2021 年の二酸化窒素濃度を予測し、そ6．まとめ ― 街路樹ストレス診断ツールとしてのの予測値と実測値のずれを検出する、という簡単

炭素安定同位体 ―なモデルを用いています。COVID19 の影響を確

大気中の二酸化窒素濃度が、リーマンショック

実に検出するためには、より精密なモデルが必要である点に注意が必要です。

が起こった 2009 年と、COVID19 の影響下にあった 2020 年・2021 年に減少していることは、この時期の産業経済活動の停滞を反映している可能性
203

5

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(2022) Responses of photosynthesis and long13

1） イチョウで 2020 年に Δ C が増加した理由はterm water use efficiency to ambient air

不明ですが、二酸化窒素濃度以外の要因によ

pollution in urban roadside trees. Urban

るものと考えられます。

Ecosystems 25, 1029‒1042. DOI: https://doi.
org/10.21203/rs.3.rs-713702/v1

文献

半場祐子（2020）「安定同位体から見た森林樹木」

ニッセイアセスメント株式会社

コラム

吉野貴

In: 木本植物の生理生態（小池孝良・北尾光

晶の「景気や株価の意外な法則」

俊・市 栄 智 明・渡 辺 誠

https://www.nam.co.jp/market/column/

pp.123‒138編）、共 立 出 版、

hosoku/2017/170824.html
著者情報

国立環境研究所データベース・ 大気環境月間値・

半場祐子

年間値データ用生物学系

http://www.nies.go.jp/igreen/td_down.html
国土技術政策総合研究所資料

応

植物分子工学研究室教授。博士（理学）。専門は植物飯 塚 康 雄，舟 久 保 敏（2018）わ が 国 の 街 路 樹
VIII

京都工芸繊維大学

生理生態学。1996 年に京都大学

国土交

理学研究科で学位取得後、岡山大学 資 源 植 物 科 学 研 究 所 を 経 て、

通省国土技術政策総合研究所

2004 年 よ り 京 都 工 芸 繊 維 大 学

http://www.nilim.go.jp/lab/bcg/siryou/tnn/

フィールド科学教育研究センター

tnn1050pdf/ks105002.pdfに勤務。2012 年 4 月より現職。

Mayu Matsumoto, Takashi Kiyomizu, Saya
Yamagishi, Tomomitsu Kinoshita, Luisa

（2021 年 3 月 31 日掲載）

Kumpitsch, Atsushi Kume, Yuko T. Hanba

（2023 年 3 月 31 日改題・改版）

204

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

花咲かクマさんといじわるクマさん？
― クマたちの種まきがサクラやサルナシの運命を左右する ―
直

江

将

司

（森林総合研究所）
1．温暖化からの樹木の避難そのため、これまで標高方向の種子散布は評価されてきませんでした。

今日では地球温暖化が急速に進んでおり、動植物への影響が懸念されています。特に、多くの生2．酸素安定同位体を用いることで、樹木の標高物の生息地であり、木材生産や炭素蓄積、防災などの点でも重要である森林において、森林を構成

方向の移動が検出可能にする樹木が温暖化にどのように応答するかが注目

私はこの問題に対して、酸素安定同位体を用いされています。樹木の種の分布範囲内でも温暖なることで解決できないかと考えました。これまで

場所では死亡率の上昇、成長量の減少、繁殖の失酸素安定同位体は生物の移動に関して、主に鳥類

敗などが報告されており、かつての生息適地が温の渡りを調べる目的で使われていました。緯度に暖化によって適地でなくなっていることが分かっ

よって降水の酸素安定同位体比は異なり、降水をてきています。生物が温暖化から逃れる最も簡単

利用する鳥類の羽根の酸素安定同位体比も変化しで有力な手段は気温の低い高緯度、あるいは高標ます。この緯度による羽根の酸素安定同位体比の高の場所へ移動することです。野生植物の場合、変化を利用することで、越冬地に渡ってきた鳥が移動は動物や風などを利用した種子の散布によっ

どの緯度からやって来たのかを評価する研究が行て行われます。そのため、樹木が温暖化から逃れ

われていました。そこで私は緯度によって酸素安て移動できるかを判断する上では、種子が高緯度・

定同位体比が変化するのであれば標高によっても高標高の場所にどれだけ散布されているかを評価変化するのではないか、また樹木の種子に適用でする必要があります。

きれば、種子がどの標高からやってきたのかわか

温暖化から逃れるために必要な移動距離は、緯るため、標高方向の種子散布が評価できるのでは度方向よりも標高方向のほうがはるかに短くなっないかと考えました。この方法では散布種子の親ています。例えば、100 m 標高の高い場所に移動

木自体を特定する必要がないため、既存の方法とすれば気温は約 0.65℃低くなるのに対し、北に向比べて非常に簡単に標高方向の種子散布を評価でかって 100 km 移動しても約 1℃しか低くなりまきます。

せん。そのため、標高方向の種子散布は樹木にとっそこで同位体の専門家である地球研の陀安一郎て、温暖化の影響から逃れるための最も効率的な先生（当時は京都大学生態学研究センター）に相移動手段といえます。

談して、様々な標高で樹木の種子を採集し、種子

しかし、標高方向の種子散布を評価することはの酸素安定同位体比を計測してみることにしまし

容易ではありません。既存の手法で評価しようとた。すると多くの樹木で、標高が高くなるほどそすると、1 個 1 個の散布種子について、山の中にこに生育する樹木が生産する種子の酸素安定同位無数に生えている木のなかから親木を見つけない

体比が小さくなるという関係が見つかりましたといけないなど、非現実的な労力が必要でした。

（Naoe et al. 2016a）。この関係を検量線として利205

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

酸素安定同位体比（‰）

35

検量線（イメージ）

30
25
20

散布種子の
同位体比

15
10

散布種子の
親木の標高

5
0
0

200

400

標高（ｍ）

600

800

図 2．満開のカスミザクラ

図 1．散 布されていない種子の酸素安定同位体比と標高の関係

先生に相談しました。その結果、東京農業大学の山崎晃司先生（当時は茨城県立博物館）、酪農学

用することで、散布種子の酸素安定同位体比から、園大学の佐藤喜和先生（当時は日本大学）や学生

親木の生えている標高を特定することができますさんの協力を得て、東京都の奥多摩地方でツキノ（図 1）。そして、「種子が散布された標高（つまり、ワグマなど哺乳類の糞から種子を採取してもらえ

散布種子を拾った標高）」と「親木の生えているることになりました。糞からはさまざまな樹木の標高」の差から、種子の移動した標高差、すなわ

種子が採集されますが、まずは哺乳類の好物であち、標高方向の種子散布距離を求めることが可能

る野生の桜、カスミザクラを対象にしました（図になりました。

2）2）。
2010 年 か ら 2013 年 に か け て、 標 高 550 ～3．クマたちはサクラのタネを高標高の場所に運1,650 m におよぶ調査ルート（総延長 16 km）でぶことで、サクラの避難を助けていた

哺乳類の糞を採取してもらいました。その結果、

さて、酸素安定同位体を用いることで標高方向

カスミザクラの種子を散布していた主な哺乳類の種子散布距離を求められるようになりました

は、散布数の多い順からツキノワグマ、テン（イが、どのような樹木を対象にするのが良いでしょ

タチの仲間）、アナグマ、ニホンザルで、それぞうか？

れ全体の 80.3、19.6、0.07、0.03％を占めていましここでは動物による種子散布、特に周食１）散布に注目しました 。周食散布とは、鳥類や哺た。

乳類などの動物が種子の周りの果肉を食べる目的

ツキノワグマとテンについて、糞から抽出したで種子ごと飲み込み、種子を糞として排出するこカスミザクラ種子の酸素安定同位体比から親木のとで散布するというものです。動物は風などに比標高を求め、糞の回収地点の標高との差から、標べて動きが複雑なため、どこに種子が散布される

高方向の種子散布距離を求めました（図 3）。そか予想がつかないところがあります。ただ、せっの結果、ツキノワグマは平均で +307 m、テンは

かく標高方向の種子散布を評価できるようになっ

平均で +193 m、高標高の場所に偏って種子を散ても、動物の行動圏が小さくて、種子をごく近所布していることが分かりました。この散布距離をに散布しているようでは面白くありません。そこ

気温減率（標高が 100 m 高くなるたびに気温がで行動圏が数千 ha と広大なツキノワグマの種子

0.65℃下がる）で換算すると、ツキノワグマは 2℃、散布を評価したいと考え、ツキノワグマを中心にテンは 1.3℃気温の低い場所にカスミサクラを移哺乳類を研究されている東京農工大学の小池伸介

動させたことになります。地球温暖化が最も進ん
206

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

平均で 307m 高標高へ
種子散布

20

10

春夏

(b)

高標高への種子散布

糞
結
・
葉
開
の
物
植

0
0

200

400

600

実
結
・
葉
落
の
物

種子

植

5

−200

秋冬

低標高への種子散布

高標高へ

低標
高へ

実

頻度

15

(a)

800

標高方向の種子散布距離（ｍ）

ワグマに 3 回、もしくはテンに 4 回種子散布され図 4．哺乳類による種子散布（a）春夏では山麓から山頂にかけて植物の開葉や結実が進み、それを哺乳類が追いかけた結果、種子が高標高に散布されます。（b）秋冬では山頂から山麓にかけて植物の落葉や結実が進み、種子が低標高に散布されることが予想されます。
(Naoe et al. 2019)

れば温暖化から逃れられると考えられました。カ

葉や結実は、春夏とは逆に山頂から山麓方向に進スミザクラはサクラ亜属 Cerasus に分類され、みます。もし哺乳類がこれらのエサ植物の季節変

同亜属で類似した生態を持つヤマザクラ、オオヤ

化を追いかけて低標高へ移動するのであれば、秋

マザクラ、エドヒガンなどでも同様なパターンがから冬に結実する樹木の種子は低標高の場所に散期待されます。今回の研究から、ツキノワグマが布されることが予想されます（図 4b）。

図 3．ツキノワグマによる標高方向の種子散布(Naoe et al. 2016b)だ場合の予想では 2100 年までの気温上昇は 4.8℃ですから、カスミサクラは 2100 年までにツキノ

野生のサクラを温暖化の危機から守る上で重要な

この仮説を検証するため、秋に結実するキウイ役割を果たしていることが分かりました。

フルーツの仲間、サルナシを対象に、哺乳類によツキノワグマ、テンによる種子散布が高標高のる標高方向の種子散布を調べることにしました。
（図 5）3）

場所に偏っていた原因としては、エサとなる植物の開葉や結実の時期が影響していると考えられま

カスミザクラの時と同様に奥多摩で採取されたした。春から夏にかけて、植物の開葉や結実は山

哺乳類の糞を利用し、糞中のサルナシ種子を取り麓から山頂方向にかけて進みます。また春から夏出しました。種子を散布していた主な哺乳類は、にかけて、ツキノワグマやテンは植物の若葉やサ散布数の多い順からタヌキ、ツキノワグマ、ニホ

クラの果実を多く利用します（図 4a）。そのため、ン ザ ル、 テ ン の 4 種 で、 そ れ ぞ れ 全 体 の 36.0、

ツキノワグマとテンはこれらのエサ植物を追いか

29.9、20.8、13.3％を占めていました。標高方向

けて山麓から山頂方向に移動し、その途中で糞をすることで高標高の場所に偏って種子を散布していたものと考えられました。
4．クマたちはサルナシのタネを標高の低い場所に運ぶことで、サルナシの避難を妨げていた
さて、夏に結実するカスミザクラでは、哺乳類
がエサ植物を追いかけて山を登った結果、種子を高標高の場所に偏って散布していることがみえてきました。一方で、秋から冬には植物の紅葉・落図 5．サルナシの果実
207

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 年版の種子散布の結果は、カスミザクラとは対照的ないところに運ばれるので不利となり、低標高へのものでした。タヌキを除く哺乳類は全てサルナシ散布は逆に有利に働くでしょう。地球では、これを低標高の場所に偏って種子散布しており、そのまで温暖化と寒冷化を繰り返してきたことを考え

平均散布距離はツキノワグマでは平均でると、行動の異なる多様な動物に種子散布しても-393.1 m、 ニ ホ ン ザ ル で は -98.5 m、 テ ン で はらうことが樹木種の長期的な存続に重要と言えそ-245.3 m で し た。 タ ヌ キ で は、 平 均 で +4.5 m、うです。
さて、日本を含む東アジアや欧米のような温帯

高標高の場所に散布していました。
研究結果は、秋冬結実の樹木では動物によって地域では、森林を構成する樹木の多くは動物に種子が低標高の場所に散布されるという仮説を支

よって種子散布されます。このなかにはブナやナ持するものでした。温暖化が進んでいるにも関わラなど、ドングリをつける樹木も含まれます。こらず、より気温の高い低標高の場所に散布されたれらの樹木のほとんどは秋から冬に結実するた

種子は更新に失敗してしまうでしょう。サルナシ

め、サルナシのように動物によって低標高の場所の種子の一部は高標高の場所にも散布されていまに偏って種子散布されている可能性があります。

したが、サクラなど春夏結実の樹木ではよりたく

温暖化が進むなか、森林の種構成や多様性、またさんの種子が高標高に散布されてサルナシとの競その生態系機能がどう変化するのか予測するため合が発生することを考えると、サルナシの高標高にも、標高方向の種子散布をさまざまな樹木を対の場所への種子散布は生息地の移動にはあまり有象に調べていく必要があります。

効ではないと考えられました。
注釈

面白いことに、タヌキはわずかですが高標高の場所に偏って種子散布していました。タヌキはコ1）動物による種子散布：植物にとって、種子散

ミュニケーションの手段として複数個体で糞をす

布は唯一の移動手段です。植物は種子の散布る場所を共有することが知られています（ため糞に、風や水流、動物などを利用することが知といいます）。そのため、コミュニケーションをられています。樹木でよくみられる動物散布

維持するためにエサが少なくなっても高標高の場には、1）周食散布、2）動物が種子（ドング

所を訪れているのかもしれません。

リ）を貯えた後に食べそびれる貯食散布があります。いずれも、鳥類と哺乳類が重要な種

5．まとめ：温暖化が進むなかで、動物たちの種

子散布動物と考えられています。キウイフ

まきが果たす役割

ルーツやブドウ、リンゴなど果物とされるも今回、哺乳類によってカスミザクラでは高標高のは全て周食散布植物です。周食散布は温帯の場所に、サルナシでは低標高の場所に種子散布

林では 35 ～ 71％の樹木でみられ、種数におされていることが分かってきました。カスミザク

いて最もよく見られる散布タイプです。ブナラにとって哺乳類はありがたい存在、サルナシにやナラ類、カシ類は貯食散布植物です。貯食

とっては迷惑な存在ということになるでしょう

散布は種数は少ないですが、森林で優占するか？実はそんなに単純でもありません。標高方向

樹木に多くみられます。

の種子散布は諸刃の剣で、その果たす役割は気候

2）カスミザクラ（霞桜、Prunus verecunda）：

変動の状況によって異なります。温暖化が進むな

北海道から九州にかけて、また朝鮮半島や中かでは高標高の場所への種子散布は樹木にとって国東部の山地に自生する野生のサクラです。

有利、低標高の場所への散布は不利に働きます。

3）サルナシ（猿梨、Actinidia arguta）：国内で一方で、寒冷化が進むと高標高への散布はより寒は北海道から九州、国外では朝鮮半島や中国
208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

北部の山地に自生するマタタビ属の 1 種で、https://doi.org/10.1016/j.cub.2016.03.002

コクワとも呼ばれます。果実は同じ仲間のキ

Naoe S, Tayasu I, Sakai Y, Masaki T, Kobayashi

ウイフルーツを小さくしたようなもので、人K, Nakajima A, Sato Y, Yamazaki K,が食べても大変美味しく、哺乳類によく食べ

Kiyokawa H, Koike S (2019) Downhill seedられます。

dispersal by temperate mammals: a potential
threat to plant escape from global warming.

文献

Scientific Reports 9: 14932.

Naoe S, Tayasu I, Masaki T, Koike S (2016a)

https://doi.org/10.1038/s41598-019-51376-6

Negative correlation between altitudes and
著者情報

oxygen isotope ratios of seeds: exploring its
applicability to assess vertical seed dispersal.

直江将司（森林総合研究所東北支

Ecology and Evolution 6: 6,817-6,823.

所森林生態研究グループ主任研究員）2012 年京都大学大学院理学https://doi.org/10.1002/ece3.2380

研究科修了、博士（理学）。2012

Naoe S, Tayasu I, Sakai Y, Masaki T, Kobayashi

年東京大学農学生命科学研究科研究員、特任助教、2013 年森林総K, Nakajima A, Sato Y, Yamazaki K,合研究所非常勤特別研究員などをKiyokawa H, Koike S (2016b) Mountain-

経て 2017 年より現職。

climbing bears protect cherry species fromglobal warming through vertical seed（2020 年 3 月 31 日掲載）

dispersal. Current Biology 26: R315-R316.

（2020 年 4 月 7 日改版）

209

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

骨が記憶する過去の生態系― 同位体分析による動物の食性復元研究 ―松林順（国立研究開発法人海洋研究開発機構）

1．過去の遺物と同位体した骨であっても、このコラーゲンが十分量残っていれば同位体を使った食性分析が可能です。

普段私たちが生活しているこの場所では、遠い昔にはどのような生き物がどのような生活を送っ以下では、私がこれまでに実施した動物遺骨のていたのでしょうか。過去の生態系の姿を知ると同位体食性分析の結果と、そこから明らかになっいうことは、研究者にとって最も挑戦的な研究

た過去の日本の生態系について解説します。

テーマの一つです。本稿で紹介する同位体食性分2．ヒグマの食性の歴史的変化

析は、そんな過去の生物の暮らしを紐解くうえで

ヒグマは北半球の広範囲に分布する大型の雑食

重要な役割を果たします。
同じ原子番号の原子のうち、中性子の数が異な動物です。雑食動物の中でも、ヒグマの食性は「日るために重さの異なる原子を同位体と呼びます。

和見的な雑食性」と呼ばれており、食物環境の変同位体は化学的な性質は同じですが、化学反応の化に応じて食性を大きく変化させるという特徴が速度にわずかな違いがあります。このため、生物あります。例えば、大型のシカなどの仲間やサケの光合成型の違いや食物連鎖の段階など、生物のが多く分布している北アメリカでは、ヒグマは動生理機構や生態によって同位体比が変動します。

物性の食物を多く利用しています。

したがって、対象動物の体の同位体比とその餌と一方、日本の北海道にもヒグマが生活していまなる生物の同位体比を比較することで、その動物す。しかし、日本のヒグマは動物質の餌はあまりが何を食べていたかを予測することができます。

食べておらず、草や木の実といった植物質中心のこのように同位体比を用いて動物の食べ物（食性）

食生活であることが知られています。北海道でもを調べる手法を同位体食性分析といいます。

エゾシカやサケといったヒグマの餌となりそうな同位体として保存されている食べ物の記録は、動物が多く分布しているのに、なぜ北海道のヒグ

過去の生物の情報を得たいときに役立ちます。現マは植物中心の食生活を送っているのでしょう

代の動物では、胃の内容物や糞中の不消化物からか？

その食性を調べることができます。しかし、過去

由で食性が変化したのか、いくつかの可能性が考の動物ではこうした調査ができません。一方で、えられます。

昔から植物質中心だったのか、何らかの理

同位体分析は過去の遺跡から出土した動物の骨でそこで、この研究では過去の遺跡から出土したも適用できるというメリットがあります。骨の主ヒグマの骨を北海道中から集めて、縄文時代から要な構成成分は、リン酸カルシウムの一種である

現代まで約 2000 年間のヒグマの食性の変化を炭

ハイドロキシアパタイトですが、タンパク質であ素・窒素およびイオウの安定同位体分析によってるコラーゲンも 20％ほど含まれています。コラー

調べました。

ゲンには炭素や窒素といった食性の指標となる同位体元素が多く含まれているので、遺跡から出土
210

いときに役立ちます。現
現代まで約 2000 年間のヒグマの食性の変化を炭に高い値となります（図２）。また、イオウの安定

サケの資源

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
同位体比は、陸域の資源と海由来の資源で大きく川に戻って値が異なります。したがって、この 3 つの同位体ができません。一方で、また河川にから出土した動物の骨で元素を利用することで、ヒグマの主要な餌資源で阻まれ、下ある C3 植物、陸上動物類、サケ、トウモロコシ

主に山の中をどの程度利用していたかを正確に推定することですが、タンパク質であにくくなっ含まれています。コラーができます。この手法を使って昔から現在までの

陸上動物

ヒグマの食性の変化を復元することで「なぜ北海あるのが、2

道のヒグマは草食傾向なのか」という疑問に答え
コラーゲンが十分量残っ滅です。ヒ

物や糞中の不消化物から素・窒素およびイオウの安定同位体分析によってできます。しかし、過去調べました。

ットがあります。骨の主カルシウムの一種であるった食性の指標となる同いるので、遺跡から出土

食性分析が可能です。
ることを目標としました。

シカです。

でに実施した動物遺骨の図
ヒグマの主要な餌資源の炭素・窒素同位体比。ヒグマの値は、多分析の結果、ヒグマの食性は時代経過に伴って
図1．1．ヒグマの主要な餌資源の炭素・窒素同位体なので、大比。ヒグマの値は、多く利用した餌の値に近づく。
ついて解説します。 肉食傾向から草食傾向に大きく変化したことが判はありませの変化は、北海道で開発が本格化した明治以降にその死骸を、そこから明らかになっく利用した餌の値に近づく。

炭素安定同位体比は、一般的な植物（C3 植物）でのヒグマの食性の変化を復元することで「なぜ明しました。さらに、このヒグマの大規模な食性
真冬がほとと C4 植物であるトウモロコシで大きく値が異な
北海道のヒグマは草食傾向なのか」という疑問にります（図 1）。一方、窒素の安定同位体比は、答えることを目標としました。

植物→草食動物→肉食動物の順で上昇していくと分析の結果、ヒグマの食性は時代経過に伴ってらに高い値となります（図 1）。また、イオウの明しました。さらに、このヒグマの大規模な食性いう特徴があり、海由来の栄養であるサケではさ肉食傾向から草食傾向に大きく変化したことが判一方、海急速に進行したことが明らかになりました。北海

道の東部地域では、サケの利用が開発開始前のをしたシカ
安定同位体比は、陸域の資源と海由来の資源で大の変化は、北海道で開発が本格化した明治以降に急速に進行したことが明らかになりました。北海
19%から、開発完了後の時代には8%まで減少し告されていきく値が異なります。したがって、この 3 つの同位体元素を利用することで、ヒグマの主要な餌資道の東部地域では、サケの利用が開発開始前のコシをどの程度利用していたかを正確に推定するていました。また、エゾシカなどの陸上動物の利ていました。また、エゾシカなどの陸上動物の利オオカミが源である C3
植物、陸上動物類、サケ、トウモロ
19％から、開発完了後の時代には 8％まで減少し用は 64%から 8%にまで減少していました（図 2）。
ヒグマが多ことができます。この手法を使って昔から現在ま用は 64％から 8％にまで減少していました（図 2）。

えられます

このよう

動物の食性

化を明らか

発や気候変

どのように
図 2．動物質食物利用の指標となる、窒素同位体

図 2．動物質食物利用の指標となる、窒素同位体比の時間変化。1860 年前後を境に窒素同位体比が減少し始めたことが分かる。

比の時間変化。1860 年前後を境に窒素同位体比が211

減少し始めたことが分かる。

析はとても

3． 絶 滅 種 エ

先ほどの研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

本研究の成果から、北海道ではヒグマの食性のり 20 世紀初頭に絶滅したエゾオオカミの話題が変化がおよそ 100 〜 200 年前に始まり、それ以降でました。このエゾオオカミは、生態学的な調査

急速に進行したことが分かりました。さらに、食がほとんどなされないまま絶滅してしまったた

性の変化が始まった時期は、開発が活発化した明め、彼らが当時の北海道の生態系でどのような役

治の始まりと一致しています。それでは、人の開割を果たしていたかは全くと言っていいほど明ら発行為がどのようにヒグマの食性に影響を与えた

かになっていません。
世界的にオオカミの仲間は、多くが有蹄類などのでしょうか。
サケの利用を減少させた人為的な要因としての大型陸上哺乳類を捕食しています。しかし、カは、沿岸部でのサケ漁業やダムなどの工作物の設

ナダ沿岸の一部地域では、海産物に強く依存して置が考えられます。近年、人工孵化事業などにいる個体群が存在します。これらの個体群は「海よってサケの資源量自体は増加しています。しか辺のオオカミ」と呼ばれ、泳ぎが得意であり、サし、河川に戻ってきたサケのほとんどは沿岸部でケや海獣類、貝類を食べるなど、通常のオオカミ捕獲され、また河川に遡った一部のサケもダムやとは異なる独特の生態を持っています。北海道は堰に遡上を阻まれ、下流で産卵してしまいます。

カナダと環境が似ており、秋になると多くのサケ

このため、主に山の中で生活しているヒグマはサが河川を遡上します。従って、エゾオオカミもカケを利用しにくくなったと考えられます。

ナダの海辺のオオカミと同様に、サケなどの海産

陸上動物の利用の減少に影響を与えた可能性が物を食べていた可能性が考えられます。そこで、あるのが、20 世紀初頭に起きたエゾオオカミの本研究ではエゾオオカミの食性を復元することを絶滅です。ヒグマが捕食する陸上動物は大半がエ目的として、博物館などに所蔵されているエゾオ

ゾシカです。しかし、エゾシカはヒグマよりも俊

オカミの骨を使って同位体食性分析を実施しまし敏なので、大人のエゾシカを捕まえることは簡単た。

ではありません。また、エゾシカが自然死するのエゾオオカミの骨は、絶滅直前に収集された標は真冬がほとんどで、この時期に冬眠中のヒグマ

本が北海道大学植物園に数点所蔵されています。

はその死骸を利用することもできません。

また、縄文人やアイヌの遺跡からも僅かながらエ

一方、海外の研究では、オオカミが群れで狩り

ゾオオカミの骨が出土しています。私たちは、北をしたシカの死骸をヒグマが横取りする事例が報海道内の複数の博物館と協力して、7 個体分のエ告されています。同様に、北海道においてもエゾ

ゾオオカミの骨試料を収集しました（図 3）。また、オオカミが仕留めたエゾシカを横取りすることで、ヒグマが多量のシカを利用できていた可能性が考えられます。
このように、同位体分析によって過去と現在の動物の食性を比較することで、過去の生態系の変化を明らかできる可能性があります。人による開発や気候変動などの影響によって動物の暮らしがどのように変化したかを調べるうえで、同位体分
析はとても便利なツールであるといえます。
3．絶滅種エゾオオカミの食性復元

図 3．苫小牧市美術博物館に展示されているエゾオオ
カミの骨標本。

先ほどの研究では、かつて北海道に生息してお212

方法を使えば、動物の成⻑に従ってその食性がど

著者情報のように変化してきたかということや、対象動物

松林の餌となる生物の資源量の年変動がその動物の食

JSPS 外来研

性にどのような影響を及ぼすかといった、これま究科修了、でにはできなかった分析が可能になります。

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

順（が有蹄類など。しかし、カ

強く依存して個体群は「海意であり、サ常のオオカミす。北海道はと多くのサケオオカミもカケなどの海産す。そこで、

元することをているエゾオを実施しまし履歴情報

図エ ゾオオカミ（及び飼いイヌ）とその餌資源の図4．
4．エゾオオカミ（及び飼いイヌ）とその餌資
炭素・窒素安定同位体比。
源の炭素・窒素安定同位体比．

図 5．ヒグマの大腿骨の横断切片の写真。複数の
図 5．ヒ グマの大腿骨の横断切片の写真。複数の成長成⻑停⽌線（図中の⽮印）が確認できる。
停止線（図中の矢印）が確認できる。

分析の結果、7 個体中 5 個体は栄養源のほぼ

彼らの餌となる海獣類・エゾシカなどの骨も併せこのように、新しい動物に同位体食性分析を適ありません。ただし、ある程度成長してから生けて収集し、炭素・窒素安定同位体比の測定を行い用するだけではなく、同位体分析の新しい活用法
捕りにされて、数年間海産物を与えて飼育された

ました（図
4）。
33.1%、78.6%を占めていました。
海産物の中では、を見出す研究にも力を入れて、今後この分野の研可能性は除外できません。飼育された個体かどう100%を陸上動物に依存していました。しかし、残りの 2 個体では、海産物がそれぞれ栄養源の究がより進展するように尽力していきたいです。
かを区別するには、さらなる研究が必要です。

分析の結果、7 個体中 5それぞれ個体は栄養源のほぼサケの寄与率が特に高く、31.1%、44.7%

100％を陸上動物に依存していました。しかし、と推定されました。

文献

4．今後の展望残りの2 個体では、海産物がそれぞれ栄養源の本研究の結果から、一部のエゾオオカミ個体群

Matsubayashi J, Morimoto J, Tayasu I, Mano T,

では、海産物に強く依存した食性を持っていたこ
33.1％、78.6％を占めていました。海産物の中で過去の人や動物の骨を使った同位体分析では、

Nakajimaとが明らかになりました。彼らが自然状態で海産は、サケの寄与率が特に高く、それぞれ
31.1％、M,

Takahashi

O,

Kobayashi

K,

10 年以上の長期間における平均的な食性の情報
Nakamura F (2015) Major decline in marine and物を多く利用していたとすれば、北海道にも「海44.7％と推定されました。

が得られるというのが、同位体分析の分野におけterrestrial animal consumption by brown bears

辺のオオカミ」が存在していたことになります。

る一般的な考えでした。しかし、最近の私たちの( Ursus arctos ). Scientific Reports 5: 9203.

本研究の結果から、一部のエゾオオカミ個体群

海産物を利用するオオカミは、草食動物の個体群研究から、大腿骨のように大きな負荷がかかる丈
https://doi.org/10.1038/srep09203.

では、海産物に強く依存した食性を持っていたこを調整するだけでなく、海由来の栄養源を陸域へとが明らかになりました。彼らが自然状態で海産

夫な骨においては、成長方向に分割して同位体分物を多く利用していたとすれば、北海道にも「海析を実施することで、対象動物の食性の時間的変

辺のオオカミ」が存在していたことになります。
とは異なっていることが分かっていますが、エゾ化が復元できることが分かってきました（図 5）。

と運搬する役割を果たします。カナダの海辺のオ
オカミは、行動やゲノム DNA も通常のオオカミ

海産物を利用するオオカミは、草食動物の個体群
オオカミでも一部の個体群ではこのように特殊な

この方法を使えば、動物の成長に従ってその食性を調整するだけでなく、海由来の栄養源を陸域へ生態を持っていたのかもしれません。

がどのように変化してきたかということや、対象と運搬する役割を果たします。カナダの海辺のオ
ただし、エゾオオカミが自然状態以外で海産物

動物の餌となる生物の資源量の年変動がその動物収集された標を利用した可能性も考えられます。それは、ヒト
オカミは、行動やゲノム
DNA も通常のオオカミの食性にどのような影響を及ぼすかといった、これています。

による飼育です。当時、ヒトに飼育されていたイとは異なっていることが分かっていますが、エゾ

れまでにはできなかった分析が可能になります。

かながらエゾヌは、魚や海獣などの海産物をほぼ 100%与えらオオカミでも一部の個体群ではこのように特殊な

このように、新しい動物に同位体食性分析を適れているエゾたちは、北海個体分のエゾ3)。また、彼の骨も併せて測定を行いまれていたことが分かっています（図 4）。本研究で用するだけではなく、同位体分析の新しい活用法

生態を持っていたのかもしれません。

使用したエゾオオカミの同位体比値は、これらの

ただし、エゾオオカミが自然状態以外で海産物を見出す研究にも力を入れて、今後この分野の研を利用した可能性も考えられます。それは、ヒト

究がより進展するように尽力していきたいです。

イヌの値とは異なっているため（図 1）、これらの個体が一生を通じて飼育されていた可能性はありによる飼育です。当時、ヒトに飼育されていたイません。ただし、ある程度成⻑してから生け捕り

ヌは、魚や海獣などの海産物をほぼ 100％与えら文献

れていたことが分かっています（図4）。本研究性は除外できません。飼育された個体かどうかを

Matsubayashi J, Morimoto J, Tayasu I, Mano T,

で使用したエゾオオカミの同位体比値は、これら

Nakajima M, Takahashi O, Kobayashi K,のイヌの値とは異なっているため（図 4）、これNakamura F (2015) Major decline in marine

らの個体が一生を通じて飼育されていた可能性は

and terrestrial animal consumption byにされて、数年間海産物を与えて飼育された可能213

20XX 年 XX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brown bears (Ursus arctos). Scientific
Reports 5: 9203.

松林

https://doi.org/10.1038/srep09203.

研究開発機構順（国立研究開発法人海洋
JSPS 外 来 研 究員）。2015 年京都大学大学院理学Matsubayashi J, Ohta T, Takahashi O, Tayasu I

研究科修了、博士（理学）。2015(2017) Reconstruction of the extinct Ezo

年総合地球環境学研究所研究推進支援員を経て 2017 年より現職。

wolf ’s diet. Journal of Zoology 302: 88‒93.
https://doi.org/10.1111/jzo.12436.
Matsubayashi J, Tayasu I (2019) Collagen（2020 年 3 月 31 日掲載）

turnover and isotopic records in cortical（2020 年 4 月 7 日改版）

bone. Journal of Archaeological Science 106:37‒44.
https://doi.org/10.1016/j.jas.2019.03.010

214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

アミノ酸の窒素同位体比が開く世界
大河内

直 彦

（海洋研究開発機構）
窒素同位体比は、多様な生き物が織りなす食物て食物に由来しています。つまり高次の捕食者と網の解析に広く用いられてきました。これは、「食

いえども、それがもつフェニルアラニンの窒素同

う−食われる」の関係によって、窒素同位体比が位体比は、生態系の基盤をなす樹木や藻類などの3 〜 4‰上昇するというよく知られた知見が基礎

植物（独立栄養生物）の同位体比に近い値をもちとなっています。生き物の窒素の多くは 20 種類ます。

のアミノ酸の窒素ですから、個々のアミノ酸の窒さらに興味深いことに、そういった植物につい

素同位体比を測れば、さらに詳細な知見を得るこてグルタミン酸とフェニルアラニンの窒素同位体とができます。ここではそんな研究を紹介したい比を比べると、非常に安定した関係性がみられまと思います。

す。つまり、前者が後者より、水域の植物では平20 種類のアミノ酸の中でも、生き物の食物網

均 3.4‰高く、陸域の植物では平均 8.4‰低いといを知るためには特にグルタミン酸とフェニルアラ

う生物種に依存しない関係です。上に述べたこと

ニンが役に立つことがわかっています。動物にを示したのが図 1 で、栄養段階とそれぞれのアミとってグルタミン酸は非必須アミノ酸（体内で合ノ酸の窒素同位体比とを関連づける数式は以下の成できるアミノ酸）ですが、多くの場合自ら合成。
ようになります（Chikaraishi et al., 2009, 2014）

することはなく、食物に含まれるグルタミン酸をそのまま利用しています。グルタミン酸は、動物（水域生物）の体内でアミノ基（-NH2）が脱離してケト酸（α-栄養段階 =（δ15NGlu- δ15NPhe-3.4）/ 7.6+1

ケトグルタル酸）に代謝され、その時に窒素同位（陸域生物）

体が分別します。これによって、捕食者のグルタ

栄養段階 =（δ15NGlu- δ15NPhe+8.4）/ 7.6+1

ミン酸の窒素同位体比は、被食者のそれに比べて平均 8.0‰規則的に高くなります。

ちなみに栄養段階とは、植物プランクトンなど

一方、フェニルアラニンの代謝ではアミノ基のの独立栄養生物が 1、それを食べる植食者が 2、脱離はほとんど起きず、水酸基（-OH）が付加さ植食者だけを食べる動物が 3 という数値です。多れてチロシンになります。アミノ基が関わらない様な生き物を捕食することによって小数点以下のこの代謝では、窒素同位体の分別は原理的に起こ数値もありえます。重要なことは、生き物の栄養りません。したがって、フェニルアラニンの窒素段階がグルタミン酸とフェニルアラニンの「窒素同位体比は、食物連鎖を通してほぼ一定に保たれ同位体比の差」の単純な一次関数として表せるこることになります。実際、さまざまな生物についとです。目的生物の試料さえ手にすればその栄養て詳しく調べた結果、被食者から捕食者への同位段階を知ることができることが、従来法と比べた体比の上昇は、平均するとわずか 0.4‰にすぎな

長所の一つです。栄養段階の推定誤差は、理論上いことがわかっています。さらにほとんどの動物

0.1 程度であることがわかっています。

にとってフェニルアラニンは必須アミノ酸（体内

これまでの研究は、この手法がほとんどの生態で合成できないアミノ酸）ですから、それはすべ系について成り立つことを示唆してきました215⼤河内，図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

図 1．グルタミン酸 (Glu) とフェニルアラニン (Phe) の窒素同位体比を用いて、(a) 水域に暮らす生き物と (b) 陸域に暮らす生き物の栄養段階を推定する方法の原理（Chikaraishi et al., 2009, 2014 を改変）。

（Ohkouchi et al., 2017）。この新しい方法の応用もミギガレイは平均 3.2 であるのに対し、アカガ

例について以下に紹介します。

レイは 4.1 程度でかなり異なるようです。また蒲鉾の材料になるスケソウダラの栄養段階は平均

東北沖の底魚の例

3.9、蒲焼きにして食されるイラコアナゴの栄養

世界有数の漁場の一つとして知られる東北沖で段階は最も高い 4.5 であることがわかります。

採取された底魚類、つまり海底および海底付近を

このように、直接観察することの難しい深海に主な生活場にする多様な生き物の栄養段階を推定

暮らす魚の食性を垣間見ることができます。しかした結果を図 2 に示します（Ohkouchi et al., 2016）。

し生き物の栄養段階を明らかにすることの面白さ

ここで示した 25 種の生物の栄養段階は 2.6 から 4.5

は、他の現象と重ねて考えることによってさらにまで分布することがわかります。同じカレイ目で引き立てられます。次に、そういった例について
見ていきましょう。

河内，図2

環境変化が生き物の食性に及ぼす影響：琵琶湖のイサザの例
よく知られているように、琵琶湖では高度成長期に富栄養化が進行しました。琵琶湖の北湖では、
1950 年代から深層水中に硝酸が蓄積し始めています。60 年代から 70 年代にかけて、夏になると各地でアオコが発生し水質の悪化は顕著になりました。こういった水質汚染と、それにブルーギル
やブラックバスなど移入種の増加によって、プランクトン種や魚種が大きく入れ替わりました。そんな環境変化が生態系や生き物の食性にどのような影響を及ぼしてきたのでしょうか？

図 2．東北沖で採取された生き物の栄養段階（Ohkouchi
et al., 2016 を改変）。

そんな問いに答えるべく、ハゼ科魚類のイサザを用いた研216

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

究を紹介します。

たのは、高度成長期のことが多いですから、環境

イサザは研究用試料として 20 世紀初頭から琵変化が生態系に及ぼす影響を知るには、過去の記

琶湖の北湖で採取され、ホルマリン固定されて保録を読むことが重要になります。その一方で全国存されてきました。このホルマリン固定ではアミ

各地の博物館や大学などには、琵琶湖のイサザのノ酸の窒素同位体比は変質しないので、こういっようにホルマリン固定試料として膨大な数の試料

た試料を用いることにより過去の生態系情報を保が保存されています。そういった保存試料の解析

持しているはずです。

が進めば、環境変化が生態系に及ぼしてきた影響

京都大学がもつ膨大なアーカイブ試料の中からが、これまで以上に明らかになってくるでしょう。

選び出されたほぼ同じ体長をもつ 1 歳魚のイサザのアミノ酸窒素同位体比を図 3 に示しました

縄文人の食性解析（Ogawa et al., 2013）。それによると、20 世紀を

有機物の塊である生き物の軟体部は多くの場通してイサザの栄養段階は 3.2 ～ 3.3 の横ばいで合、死後すぐに分解されてしまいます。しかし、ほとんど変化していません。つまり富栄養化は進生物が作り出す硬組織中には、長期にわたって有んだものの、イサザの食糧の平均的な栄養段階は機物が保存されます。実際、骨（リン酸カルシウ

2.2 ～ 2.3 で変わらず、主に動物プランクトンやヨム）、歯（リン酸カルシウム）、卵の殻（炭酸カル

コエビなどを食し続けてきたと推定されます。環シウム）、貝殻（炭酸カルシウム）といった硬組

境と生態系が大きく変化したのですが、それに応織中に含まれるアミノ酸を抽出して窒素同位体比

じて代替種を食べることで適応してきたのでしょを測定すると、その生物の食性を復元することがう。食物連鎖の中における機能という意味ではあできることが知られています。ここでは、私たち

まり変わらなかったと言うこともできそうです。

が東京大学と共同で行った、骨化石の中に含まれわが国の湖沼において環境汚染が顕著に進行しるコラーゲンのアミノ酸を用いて、縄文人の人骨化石に応用した例について紹介しましょう。
図 4 は、内陸である長野県の栃原岩陰遺跡、北，図3村遺跡（それぞれ縄文時代早期、後期）で見出された縄文人骨と、北海道の沿岸域の北黄金貝塚（縄文時代前期〜中期）で見出された縄文人骨から抽出したコラーゲン中のアミノ酸の窒素同位体比を示したものです（Naito et al., 2010, 2013）。内陸部の縄文人は、同所で発見される動物と同一の生態系に属し、その栄養段階が平均すると 2.7 程度であることがわかります。つまり彼らのタンパク源の少なくとも 7 割程度が、化石として残されているシカなどの草食動物から来ていたことを示唆しています。それに対し、沿岸域に住む当時の縄文人のタンパク源は、海洋生態系に大きく偏っていたことがわかります（タンパク源の 8 割程度）。
図 3．20 世紀における琵琶湖（北湖）の深層における（上）
硝酸濃度の変化、（中）イサザの栄養段階の変化、（下）グルタミン酸とフェニルアラニンの窒素同位体比の変化（Ogawa et al., 2013 を改変）。

海陸両方のタンパク源に依存するこのようなケースでは、その栄養段階を一義的に決めることは理論上できませんが、図 4 からは海からくるタンパ
217⼤河内，図4

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．縄文人の食性解析へ応用した例。
（左）北海道沿岸域にある北黄金貝塚から得られた骨や貝試料の分析結果（Naitoet al., 2010 を改変）。（右）内陸の栃原岩陰遺跡と北村遺跡から得られた骨や貝試料の分析結果（Naito et al.,2013 を改変）

ク源がホタテの栄養段階（～ 2.4）よりもいくらを知る貴重なツールになるのです。

か高かったことが予想され、高次捕食者である魚類やオットセイなどをかなり口にしていたであろ文献うことも窺えます。

Chikaraishi Y, Ogawa NO, Kashiyama Y, Takano
Y, Suga H, Tomitani A, Miyashita H,

おわりに

Kitazato H, Ohkouchi N (2009) Elucidation of

このようにアミノ酸の窒素同位体比は、生き物

aquatic food-web structure based onの食性に関する多様な研究のツールになり、さまcompound-specific nitrogen isotopic

ざまな分野で少しずつ応用され始めています。こcomposition of amino acids. Limnology and

こでは述べませんでしたが、フェニルアラニンのOceanography, Method 7: 740‒750.

窒素同位体比が植物、ひいてはその栄養源となる

https://doi.org/10.4319/lom.2009.7.740

硝酸やアンモニアなどの窒素同位体比に大きく左

Chikaraishi Y, Steffan SA, Ogawa NO, Ishikawa

右されることを用いて、生物が生息していた環境

NF, Sasaki Y, Tsuchiya M, Ohkouchi N

場の復元や移動経路の追跡にも応用できます。た(2014) High-resolution food webs based on

とえば、サケの骨に記録された同位体記録を用い

nitrogen isotopic composition of amino acids.

て回遊ルートの推定などが行われています

Ecology and Evolution 4: 2423-2449.

。
（Matsubayashi et al., 2020）

https://doi.org/10.1002/ece3.1103

さらにここで紹介した方法論は、微生物が関わMatsubayashi J, Osada Y, Tadokoro K, Abe Y,

る系でも基本的に成り立つことがわかっていま

Yamaguchi A, Shirai K, Honda K,

す。つまり、生食連鎖の裏側ともいうべき腐食連

Yoshikawa C, Ogawa NO, Ohkouchi N,

鎖でも、アミノ酸の窒素同位体比を用いた栄養段

Nagata T, Naito YI, Miyamoto H, Nishio S,

階推定法は原理的に威力を発揮します

Tayasu I (2020) Tracking long-distance（Yamaguchi et al., 2017）。このようにアミノ酸のocean migration of marine fishes using

窒素同位体比は、自然界における生き物の暮らし

compound-specific stable isotope analysis of218

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

amino acids. Ecology Letters 23: 881‒890.

of amino acid nitrogen isotopic compositions in

https://doi.org/10.1111/ele.13496

ecological and biogeochemical studies.

Naito Y, Honch N, Chikaraishi Y, Ohkouchi N,

Organic Geochemistry 113: 150‒174.

Yoneda M (2010) Quantitative evaluation of

https://doi.org/10.1016/j.orggeochem.2017.07.009

marine protein contribution in ancient diets

Ogawa NO, Chikaraishi Y, Ohkouchi N (2013)

based on nitrogen isotope ratios of individual

Trophic position estimates of formalin-fixedamino acids in bone collagen: An

samples with nitrogen isotopic compositions

investigation at the Kitakogane Jomon site.

of amino acids: an application to gobiid fish

American Journal of Physical Archaeology(Isaza) in Lake Biwa, Japan. Ecological143: 31‒40.

Research 28: 697‒702.

https://doi.org/10.1002/ajpa.21287

https://doi.org/10.1007/s11284-012-0967-z

Naito Y, Chikaraishi Y, Ohkouchi N, Yoneda M

Yamaguchi Y, Chikaraishi Y, Takano Y, Ogawa(2013) Evaluation of carnivory in inland

NO, Imachi H, Yokoyama Y, Ohkouchi N

Jomon hunter-gatherers based on nitrogen(2017) Fractionation of nitrogen isotopes

isotope ratios of individual amino acids induring amino acid metabolism inbone collagen. Journal of Archaeologicalheterotrophic and chemolithoautotrophic

Science 40: 2913‒2923.

microbes across Eukarya, Bacteria andhttps://doi.org/10.1016/j.jas.2013.03.012

Archaea: Effects of nitrogen sources andOhkouchi N, Shibata H, Nomaki H, Ogawa NO,

metabolic pathways. Organic Geochemistry

Chikaraishi Y, Goto T, Fujikura K, Kitazato

111: 101‒112.

H (2016) A monitoring result ofhttps://doi.org/10.1016/j.orggeochem.2017.04.004

polychlorinated biphenyls (PCBs) in deep-sea
著者情報organisms and sediments off Tohoku during
2012-2014: temporal variation and the

大河内直彦（海洋研究開発機構海relationship with the trophic position.

洋機能利用部門部門長）1995 年
東京大学大学院理学系研究科修Journal of Oceanography 72: 629‒639.

了、博士（理学）。京都大学生態https://doi.org/10.1007/s10872-016-0359-z

学研究センター研修員、北海道大学助教、ウッズホール海洋研究所

Ohkouchi N, Chikaraishi Y, Close HG, Fry B,

ポストドクトラルフェロー、固体

Larsen T, Madigan DJ, McCarthy MD,

地球統合フロンティア研究システ

McMahon KW, Nagata T, Naito YI, Ogawa

ム研究員などを経て、2019 年より現職。

NO, Popp BN, Steffan S, Takano Y, Tayasu I,
Wyatt ASJ, Yamaguchi YT, Yokoyama Y(2017) Progresses and challenges with the use

219（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

サケは海でどこを泳いで帰ってくるの？
― 同位体地図（アイソスケープ）を用いた回遊経路の復元 ―松

1．魚類同位体比の“履歴”復元

林順（中央大学）

で復元することはできませんでした。

私は 2015 年に学位を取得後、総合地球環境学

そこで、私は耳石の代わりに魚類の骨を使って研究所の陀安一郎教授が代表を務める CREST プ

同位体比の履歴を復元する手法を模索しました。

ロジェクト「沿岸生態系の多様性機能評価のため

骨にはコラーゲンというタンパク質が含まれていの多元素同位体トレーサー技術の開発」に従事す

るため、軽元素の分析が可能です。さらに、魚類るポスドクとして雇ってもらいました。当時、この脊椎骨では耳石と同様に年輪が形成されることのプロジェクトで取り組んでいた課題の一つが、から、過去の同位体比の情報が残されているかも

魚類の軽元素同位体比の履歴を復元する手法の開しれないと考えました（図 1）。
脊椎骨に過去の同位体情報が残されているかど発でした。
生物の体組織に含まれる炭素や窒素などの軽元うかを検証するために、北海道の河川に遡上した

素同位体比は、生物の栄養源や生息地などの指標

サクラマスを使用しました。サクラマスは、他のとして生態学的な研究で頻繁に用いられています。

遡河性のサケの仲間と比べて河川に長期間（1 年

これらの同位体比が個体の生まれた直後から死ぬ半程度）滞在してから海に降りるという特徴があ前までの一生の間でどのように変化したかを明らるため、河川のシグナルが検出しやすいと考えまかにすることができれば、同位体比から得られるした。実際に海から産卵のために河川へと遡上し生態学的な情報を最大化することができます（こたサクラマスの脊椎骨を複数の切片に区切り、河のような同位体比の時系列変化を本稿では“履歴”

川と海で大きく値が変動するイオウ安定同位体比と呼びます）。このため、魚類の軽元素同位体比を測定したところ、脊椎骨の中心部から河川のシの履歴を復元することができれば、生活史全体でグナルを検出することに成功しました（図 2）。

の生息地や餌環境の変化を推定することができ、以上より、脊椎骨には魚が過去に経験した同位体

生態学的な研究が大きく進展すると考えられます。

比の履歴が復元されていることを証明することに同位体比の履歴を復元する手法は、継続的に成成功しました。

長する組織を持つ哺乳類（体毛）、鳥類（羽根）、鯨類（ヒゲクジラのヒゲ）、硬骨魚類（耳石）などで応用されてきました。中でも、魚類の耳石は一定期間ごとに輪紋が形成されるため、個体の年齢と同位体比を対応させやすいという利点があり、多くの研究で用いられてきました。しかし、耳石はほぼ純粋な炭酸カルシウム（CaCO3）でできているため、窒素やイオウのように生態学的に重要な軽元素の同位体比の履歴を高い時間解像度

図 1．サケの脊椎骨および脊椎骨錐体220

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

かもしれません。
サケの脊椎骨の窒素安定同位体比を変動させる要因を特定するために、アミノ酸の窒素安定同位体比分析を実施しました。通常、タンパク質全体に含まれている窒素安定同位体比は、生物の栄養段階が上昇するにつれて濃縮します。一方で、タンパク質を構成するアミノ酸ごとに同位体比を測定すると、フェニルアラニンなどの特定のアミノ酸では、栄養段階ごとの窒素安定同位体比の変化が極めて小さいことが知られています。さらに、

図 2．サ クラマスの脊椎骨から復元したイオウ安定同位体比の履歴この分析ではフェニルアラニンとグルタミン酸の窒素安定同位体比を比較することで、対象生物の2．サケの脊椎骨に残された同位体比の履歴

栄養段階を推定することが可能です（図 3）。しさて、いよいよ本稿の本題に入ります。著者はたがって、サケの脊椎骨の部位ごとにフェニルア

学生時代、ヒグマとその食物であるサケのつながラニンの窒素安定同位体比と栄養段階の変動を調りについて研究していたこともあり、魚類ではサ

べれば、サケの同位体比の変化が食性によるもの

ケに強く興味を抱いています。そこで、同位体比

なのか、回遊によるものなのかを識別できると考の履歴を復元する手法を産卵のために河川に遡上えました。

したサケに適用してみました。すると、サケの同アミノ酸の窒素安定同位体比を測定したとこ

位体比の時系列変化は、非常に興味深い傾向を示

ろ、サケの栄養段階は脊椎骨のどの部位においてしました。脊椎骨を成長方向に 10 等分して窒素もほぼ一定でしたが、ベースラインの窒素安定同

安定同位体比を測定したところ、骨の部位によっ位体比は大きく変動していました（図 4）。このて 7.0‰を超える同位体比の変動が見られたのでため、観測された脊椎骨の同位体比の変動は、海す。しかも、同位体比の増減の傾向は、どの個体

洋におけるサケの回遊の履歴を反映していることでも概ね一致していました。

が分かりました。

窒素安定同位体比の変動の要因として、二つの可能性が考えられました。一つはサケの食性の変化です。窒素安定同位体比は、捕食者の食物連鎖上の位置（栄養段階）が上昇するごとに約 3‰増加するとされています。したがって、サケの栄養段階が成長に伴って 2 段階以上変動していれば、観測された同位体比の変化を説明することができます。もう一つの要因は、海域ごとの一次生産者の同位体比（ベースライン）の違いです。海洋表層における一次生産者である植物プランクトンの同位体比は、その海域における硝酸の窒素安定同位体比によって決まります。窒素安定同位体比のベースラインが大きく異なる海域をサケが回遊し図 3．生 物の栄養段階とフェニルアラニン、グルタミ
ン酸の窒素安定同位体比の関係ていれば、脊椎骨の同位体比の変動を説明できる
221

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 5．北太平洋における窒素安定同位体比の分布地図

り窒素安定同位体比が上昇した間隙水が植物プランクトンに取り込まれ、食物網全体が高い窒素安図 4．サ ケの脊椎骨から復元した窒素安定同位体比の履歴

定同位体比を持つようになったと考えられます。
その他の海域における窒素安定同位体比の変動

3．海洋における窒素安定同位体比の分布地図

は、窒素利用効率によって説明できます。窒素利サケの窒素安定同位体比の履歴が回遊を反映し用効率とは、深層から表層に供給される硝酸塩にていたということは、サケの回遊範囲における窒

対する、植物プランクトンに利用された硝酸塩の素安定同位体比の分布地図を作成することができ割合です。海水の鉛直混合により深層から豊富なれば、同位体比からその回遊経路を予測できる可

栄養塩が供給される北太平洋中央部では、植物プ能性があります。このような同位体比の分布地図

ランクトンの生産量は硝酸以外の微量栄養素（鉄はアイソスケープと呼ばれています。そこで、サなど）によって制限されているため、窒素利用効

ケの回遊範囲である北太平洋を対象として、アイ率が低くなります。このような海域では、軽い窒

ソスケープの作成を試みました。北太平洋の広範

素安定同位体を多く含む硝酸塩が優先的に植物プ囲で採取された動物プランクトン試料から、比較

ランクトンに取り込まれます。一方で、硝酸塩の的長寿で遊泳能力の低いカイアシ類 6 種を抽出し供給が少ない海域では窒素利用効率が高く、軽いました。続いて、これらの試料のタンパク質全体

窒素安定同位体が枯渇した硝酸が植物プランクト

およびアミノ酸ごとの窒素安定同位体比を測定

ンに取り込まれます。つまり、硝酸の窒素安定同し、北太平洋における窒素安定同位体比のベース

位体比は窒素利用効率と負の相関を持っています。

ラインのアイソスケープを作成しました（図 5）。
4．アイソスケープによるサケの回遊経路復元

北太平洋では、ベーリング海東部の大陸棚において最も高い窒素安定同位体比が検出されましサケの窒素同位体比の履歴とアイソスケープをた。海底の堆積物中では、微生物による脱窒とい組み合わせて、回遊経路を個体ごとに推定する統う作用により、間隙水中の硝酸塩に含まれる窒素計モデルを構築しました。このモデルでは、サケ

安定同位体比が上昇します。一般的な海域であれが遡上した場所と同一の河川で産まれたこと、サば、堆積物は有光層よりも深部に存在するため、ケの体サイズが増加するにつれて移動距離が増加

脱窒の影響を受けた間隙水が植物プランクトンにすることの二つの仮定を置いています。そして、影響することはほとんどありません。しかし、広くモデル中においてサケは一つ前の切片（最初の切て浅いベーリング海東部の大陸棚では、脱窒によ片の場合は、遡上した河川）からスタートして、
222

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

トを辿ってきたかを明らかにすることは、海洋生態学において最も難しい課題の一つでした。本研
究では、この謎に包まれた海洋生物の回遊行動を解き明かす新しい方法として、同位体比が利用できることを示しました。普段私たちの食卓にならぶ海産物の多くは、乱獲を防止するために厳密な資源管理に基づいて漁獲数などが規制されています。このとき、どのような魚がどのような回遊経路を持っていて、それが個体ごとにどの程度ばらついているのかという情報が得られれば、資源管理の方法や資源量の推定がより高精度になりま

図 6．同 位体比から推定したサケ 2 個体の回遊経路。
脊椎骨の部位ごとにサケの存在確率が最も高い地点を赤い○で示しており、色の濃さはその場
所のアイソスケープ（図 5）を示している

す。このように、海洋生物の回遊経路を推定することは、私たちの生活にも密接に結びついた重要なテーマだと言えますので、今後は本研究で開発

次の脊椎骨切片の同位体比に近い場所により高いした手法をより多くの生物に応用して、その履歴

確率で移動していきます。こうしてすべての切片を明らかにしていきたいと思います。

について、形成時における潜在的な分布域を確率分布で表現し、その中で最も確率の高かった点を文献

つないで移動経路を推定しました（図 6）。モデ

Matsubayashi, J., Y. Osada, K. Tadokoro, Y. Abe,

ルの結果によると、どちらの個体も北海道近海かA. Yamaguchi, K. Shirai, K. Honda, C.

ら成長に伴ってベーリング海へと北上し、最終的Yoshikawa, N. O. Ogawa, N. Ohkouchi, N. F.

にベーリング海東部の大陸棚へと到達する回遊

Ishikawa, T. Nagata, H. Miyamoto, S.

ルートが示されました。

Nishino and I. Tayasu (2020) Tracking long-

日本近海から成長に伴ってベーリング海に移動

distance migration of marine fishes using

する回遊経路は、過去の漁獲調査による研究で示

compound-specific stable isotope analysis ofされた日本系サケの回遊経路と概ね一致していま

amino acids. Ecology Letters 23: 881‒890.

す。一方で、本研究で予想された回遊経路では、

https://doi.org/10.1111/ele.13496

日本系サケが成長の最後の時期にベーリング海東Matsubayashi, J., Y. Saitoh, Y. Osada, Y. Uehara,部の大陸棚に至るという新たな経路の存在が示唆

J. Habu, T. Sasaki and I. Tayasu (2017)

されました。サケの骨格が最後に成長するのは、

Incremental analysis of vertebral centra can

性成熟の時だと考えられます。このため、日本系

reconstruct the stable isotope chronology of

サケは栄養塩に富み生物生産が非常に盛んなベー

teleost fishes. Methods in Ecology andリング海大陸棚で甲殻類などの餌を食べて性成熟

Evolution, 8: 1755‒1763.

することで海での回遊を終える、つまりこの海域

https://doi.org/10.1111/2041-210X.12834

が海での回遊のゴールとなっていることが考えら

Matsubayashi, J., Y. Umezawa, M. Matsuyama, R.

れました。

Kawabe, W. Mei, X. Wan, A. Shimomae and
I. Tayasu (2019) Using segmental isotope

5．今後の展望

analysis of teleost fish vertebrae to estimate

海洋の広範囲を回遊する生物がどのようなルー

trophic discrimination factors of bone223

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

collagen. Limnology and Oceanograpy:
Methods, 17: 87‒96.
https://doi.org/10.1002/lom3.10298
著者情報
松林

順（中央大学理工学部人間総合理工学科助教）。2015 年京都大学大学院理学研究科修了、博士（理学）。2015 年総合地球環境学
研究所研究推進支援員、2017 年
国立研究開発法人海洋研究開発機
構 JSPS 外 来 研 究 員 を 経 て 2020年より現職。

（2021 年 3 月 31 日掲載）

224

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

魚の骨の鉛同位体から魚の生息海域を特定できるか？
西 村

日向子

（富山大学）

2，生育場や回遊場所を把握する方法

1，気候変動と魚の分布域の変動

魚の生育場所や回遊場所の解析手法の始まりは

豊かな海に囲まれている日本は昔から四季を通
サワラ

して様々な水産物が採れます。例えば、鰆は瀬戸

標識放流だとされています。これは個体に標識票

内海に春に産卵のために来遊することから「春告を取り付けるなどして魚に目印を付け、再び捕獲

げ魚」といわれ親しまれてきました。カツオは江した際に放流地点の情報と紐づけをし、回遊経路

戸時代の俳人山口素堂が「目には青葉

山ほととを推定する方法です。科学技術の発達に伴い、初鰹」とも詠ったように、初夏の訪れを告

データロガーなどの魚の移動経路や経験水温・水

げるものとして、江戸から重宝されていました。

深などの情報を時系列に得られる計測機器を魚に

ぎす

サ

ン

マ

秋の味覚の代表格秋刀魚は「秋に採れる刀の様な取り付けるバイオロギング手法が行われるように

ブリ魚」として、鰤は冬に脂のりがよく美味しいこと

なってきました。ただ、これらの計測機器は価格

から「師走の魚」として私達日本人に非常に馴染が高く、またロガーの回収率が低いなどの難点がみ深い魚です。紹介したこれらの四季の旬の魚あり、ある程度回収率の見込める場合にしか適応は、分布適水温に従い季節的に回遊する「回遊性できないなどの問題があります。一方で、ロガー魚類」であり、日本の沖合域における主要な水産の回収を必要としない方法としては、魚の耳石を資源となっています。

用いた解析方法が知られています。耳石は魚の内

しかし近年の海水温の上昇などによる海洋環境

耳部分にある硬組織で、一定間隔で輪紋状に形成の変動で、分布域の移動などが起こり、魚が採れされる組織です。耳石は、筋肉組織などと違って、る場所が変化し、水産業へ影響を及ぼしています。

代謝回転速度が極めて遅く、取り込んだ元素が一

例えば、ブリは北海道での来遊量が増え、既存の生にわたって保存されるため、その個体が被った

産地では漁獲量が減ってきています。また、サワ

環境履歴を時系列的に解析するのに有用です。例

ラについても、東シナ海に主に分布していました

えば、耳石の Sr/Ca 比（カルシウムに対するスが 1999 年以降の海水温の上昇傾向に伴って日本

トロンチウムの濃度比）や酸素同位体比を用いる

海に北上し、日本海での漁獲量が増えました。気ことで、稚魚期から捕獲時に至るまでの移動履歴

候変動に関する政府間パネル（IPCC）第 5 次評の復元が行えます。また近年では、海洋の水塊ト

価報告書では、このまま海水温の上昇が続いていレーサーとして知られるネオジムの同位体を用いけば何十年か先には世界中の漁場で水産物の漁獲

た回遊履歴の推定なども行われています。

量が減っていくと警鐘をならしています。

本研究では、代謝速度が遅く、2 価の重金属元

こうした海洋環境変動に対して、持続的に水産素（鉛や亜鉛など）が比較的高濃度に含まれてい資源を利用していくためには、水産物の資源量やる脊椎骨部位に着目し、今まであまり分析に用い生育場・回遊場などの把握が重要になっており、てこられなかった鉛同位体比の分析を行いまし

これらの研究が様々な研究機関で精力的に行われた。鉛同位体比が生育場推定の指標になるかを検ています。

討するために、まずは様々な産地で水揚げされた225

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

魚を集め、魚の脊椎骨を分析し、全生育期間（稚4，魚の骨の鉛同位体比からわかったこと

魚期から捕獲時まで）にあたる同位体比情報を明日本海（富山）・東シナ海（長崎）・太平洋（宮城、

らかにしました。次に、産地ごとに魚の鉛同位体

静岡）・大西洋（フランス、ノルウェー）で水揚比を比較し、生育場の推定に利用できる化学指標げされたサバ・アジから脊椎骨部位を取り出し、であるかを検討しました。

鉛同位体比の分析を行いました。すると、日本の近海に分布するサバ・アジ（太平洋系群、対馬暖3，三大洋の海水中の鉛はそれぞれ異なる値を持つ流系群）と大西洋に分布するサバ・アジとでは、環境試料に含まれる鉛（Pb）には質量数の異鉛同位体比が異なることがわかりました（図 2）。

204

また、それぞれの海域で生育していたアジ・サ

206

207

208

なる 4 つの安定同位体（ Pb， Pb， Pb， Pb）
204があります。 Pb は、安定同位体で、時間の経バは、生育した海域の海水の鉛同位体比と類似し過とともに濃度が変化しませんが、それ以外の同た同位体比を持つことも分かりました。

206

207

208

位体（ Pb， Pb， Pb）は

238

235

U（ウラン）、 U、また、北海道厚田川に遡上したシロサケの脊椎232

Th（トリウム）が放射壊変を経て生成する同骨の鉛同位体比分析を行い、先行研究（Li et al.,位体です。

2020）で報告されているカナダのブリティッシュ

石油・石炭、Pb 鉱石中のウランやトリウムの含コロンビアに遡上したサケの個体（筋肉組織）の有量は産地ごとに異なるため、それらの鉛同位体

鉛同位体比と比較したところ、両者は異なる値を比も産地ごとに固有の値を取ります。現在、各国持つことが分かりました（図 3）。

で使用している化石燃料や鉱石は、その使用の過シロサケは、系群ごとで回遊生態が異なってお程で Pb を大気に放出します。放出された Pb はり、日本系のサケ（北海道遡上個体）はオホーツ

近傍の海洋に供給され、海水の鉛同位体比を変化

ク海やベーリング海やアラスカ湾などの北太平洋させます。インド洋・太平洋・大西洋の三大洋の沿岸全域を広く回遊するのに対し、北米系（カナ

海洋表層水の鉛同位体比を見ると、それぞれ異なダブリティッシュコロンビア州遡上個体）はアラ

る同位体比を持つことがわかっています（図 1）。

スカ湾を中心に回遊します。

太平洋と大西洋で見られるような海水の鉛同位

アラスカ湾の海水は、北米で工業的に用いられ体比の違いが、魚類の骨格部にも反映される場合、ているオーストラリア型の鉱床の鉛同位体比

鉛同位体比を魚の生育場の推定に利用できるので（207Pb/206Pb，208Pb/206Pb）と同じく、高い値を持はないかと考えました。

つ傾向にあると報告されています。そのため、日

図 1．イ ンド洋・北西太平洋・北大西洋における海洋
表層の鉛同位体比（P. Pinedo-González et al.,2018; Zurbrick et al., 2017）

図 2．日 本の近海（太平洋系群、東シナ系群・対馬暖流系群）と大西洋に分布するサバ・アジの鉛同位体比226

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

本系と北米系を比較すると、日本系よりも長期間ました（図 4）。カナダ沿岸域で採取されたニシ

アラスカ湾を回遊する北米系のシロサケはより図ンに比べ、日本近海のサバは 208Pb/206Pb 比がよの右上に位置するような同位体比をとったのだとり高い値を示しており、中国の石炭・鉱床起源の考えられます。

鉛の回帰直線に近づく傾向がありました。

続いて、本研究の日本産のサバと、先行研究で中国やアジアで発生するエアロゾルは報告されているニシンの鉛同位体比の値を比較

208

Pb/206Pb が高くなる傾向にあります。北太平洋

し、太平洋の西側、東側とでどう異なるかを調べの表層海水は、アジアからの大気の飛来によるPb 汚染の影響が全域的にありますが、距離的に近い太平洋西側（日本近海）と、遠い太平洋東側（カナダ沿岸域）とでは、アジア大陸由来のダストの沈積量が違うために、太平洋西側に生息する魚種の方がより高い 208Pb/206Pb を持つような値を持ったと考えられます。
5，今後どんなことに応用できそうか？
これまで行ってきた研究から、①太平洋と大西洋に生息する魚、②太平洋の西側と東側に生息する魚とで脊椎骨の鉛同位体比が有意に異なることが分かり、両者の間で生育場の推定や産地判別ができる可能性があることが分かりました。
産地判別の用途で鉛同位体を用いるにはコストがかかり実用化は難しいため、今後の展開として

図 3．北海道に遡上したシロサケと、カナダブリティッ
シュコロンビア州に遡上したシロサケ（Li et al.,2020）の鉛同位体比

は市場価値が高く、国際的に資源管理の求められている魚種（特にマグロなど）の生育場推定や回遊履歴の復元等に応用したいと考えています。具
体的には、成魚の大型のマグロの椎体を成長縞毎にサンプリングし、Pb 同位体比の変化を分析することで、回遊・移動履歴の成長段階に応じた解析ができると考えています。また成魚だけでな
く、データロガー（記録型標識）の取り付けが難
しい 0 歳魚（尾差長 20 cm 程度のマグロ）を対象とすることで、従来得ることが難しいとされている幼魚期の回遊生態情報の収集が可能になると考えています。
文献
Li M., Weis D., Smith E. K., Shiel E. A., Smith D.

図 4．日 本近海に生息するサバ（本研究）と、カナダ
ブリティッシュコロンビア州沿岸域に生息するニシン（Li et al., 2020）の鉛同位体比

W., Hunt P.V. B., Torchinsky A., Pakhomov
A. E. (2020) Assessing lead sources in fishes227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

of the northeast Pacific Ocean,Northwest Pacific Ocean Evidenced by Lead

Anthropocene, 29:

Isotopes in Seawater, Environmental Science

https://doi.org/10.1016/j.ancene.2019.100234& Technology, 51: 1203‒1212

Pinedo-González P., West J. A., Tovar-Sanchez A.,
著者情報

Duarte M. C., Sañudo-Wilhelmy A. S. (2018)
Concentration and isotopic composition of

西村日向子（富山大学理工学教育

dissolved Pb in surface waters of the部生物圏環境科学専攻修士 2 年）
環境化学計測第Ⅱ講座 堀川研究

modern global ocean, Geochimica et室所属。

Cosmochimica Acta, 235: 41‒54
Zurbrick M. C., Gallon, C. and Flegal R. A. (2017) （2021 年 3 月 31 日掲載）

Historic and Industrial Lead within the228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

長距離を移動する昆虫の同位体を調べて分かること
大塚彰（農研機構）

昆虫には季節の変化に合わせて長い距離を移動

冬地まで戻ります。Hobson ら（1999）は大勢のするものがいます。ここで言う長距離とはどのく

ボランティアの協力を得て、夏季に北米大陸のらいの距離を言っているのでしょうか。数 km ？

33 地点でこの虫の卵を自然に生えている寄主植

数十 km ？

いやいや、もっと長い距離です。西物トウワタ（Asclepias curassavica）に付けその日本を例にして長距離移動性の昆虫を見てみま

上で幼虫を育てて羽化させました。その翅の水素

しょう。

の安定同位体比 δ 2Hm を調べました。自生するト

春の桜が散り青葉の季節になる 5 月頃から梅雨

ウワタは天水のみで育ちます。これはとても大が時期まで、日本の南の温かい湿った大気が徐々にかりな研究ですね。測定の結果、メキシコ湾岸か

勢いを増して来ると、中緯度帯で低気圧が発生し、らカナダ南部にかけて、緯度が増えるにしたがっ東シナ海を西から東に移動するようになります。

て δ 2Hm の値が徐々に小さくなりました。北米大そういった低気圧はその南側に南西からの強い風

陸の降水中の重水素の安定同位体比は緯度が増えを伴っています。この暖かい南西風は熱エネルギ

るにしたがって小さくなることが知られていますを北へと運ぶのですが、中国南部など南方でこのから（緯度効果）、両者の関係は直線回帰式で表時期に発生する移動性の昆虫もこの気流を利用し現できて東シナ海を越えて九州など西日本に飛来するようδ 2Hm ＝ 0.62 × δ 2Hp-79（‰）になります。その距離は数百 km から 1,000 km
を越えることがあります。ここで対象とする移動距離はこのようなスケールです。具体的な昆虫種

ここで δ 2Hp は降水中の重水素の安定同位体比でとしてはハスモンヨトウ、アワヨトウ、ツマジロ

す（添え字 p は precipitation の意味）。

クサヨトウなどのヤガ類や、トビイロウンカ、セ降水⇒餌であるトウワタ⇒オオカバマダラの翅ジロウンカなどのイネウンカ類がその代表です。

の順に重水素が移っていってこのような関係が生

こうした長距離移動性昆虫の同位体を調べるとどまれていることが分かります。

んなことが分かるでしょうか。

この研究ではさらに 99.9％の重水を使って異なる重水濃度の水を用意してトウワタとそれに寄生

1．水素の安定同位体比したオオカバマダラを育て、トウワタの δ 2Ha と翅の δ 2Hm との関係を調べ、直線回帰式

それを知るために北米大陸での移動性昆虫の代表 で あ る オ オ カ バ マ ダ ラ（monarch butterfly，

δ 2Hm ＝ 0.99 × δ 2Ha+1.4（‰）

Danaus plexippus）の研究を見てみましょう。このチョウは冬季にメキシコなど北米大陸の熱帯地域で越冬し、春以降世代を繰り返しながら北上し、を得ています。傾きがほぼ 1 で切片が小さな値で夏季にカナダ南部以南、ロッキー山脈より東部のすから、オオカバマダラの翅の安定同位体比はト

北米大陸で生育し、秋になるとまた熱帯地域の越ウワタの安定同位体比にほぼ等しく、重水素は餌229

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 年版から翅へ割合をあまり変えず移行していることが低い値を示す個体が 80 パーセント弱のように主分かります。最初の式と合わせて考えると降水の体となり、北部地域からの戻りの移動を示唆しま

重水素がトウワタに同化される時にその割合がした。

減っていることが示唆されます。

同様に、タジキスタンなど中央アジアで捕獲さこのような大陸における降水と翅の水素の安定れたウスバキトンボ（Pantala flavescens）の例で同位体比の関係は他の種でも報告されています。

は 5 月に捕獲された成虫の翅の δ 2Hdragonfly は -78.7

Holder ら（2018）の重水と寄主植物の大麦を使っから -49.6‰となり、その後 6 月から 10 月にかけた室内飼育実験によるとヤガ類のアメリカキヨトては中央アジアの個体群が主体となり、その同位

ウ（Mythimna unipuncta）の翅の同位体比と降体比は -170.9 から -91.7‰とより低い値となりま

水との関係式はした。この研究では本種が冬季にエチオピアで発生していることや、エチオピアで捕獲した別種の22

δ Hmoth ＝ 0.40 × δ Hp-84.4（‰）

トンボの翅の δ 2Hdragonfly が -61 から -35‰の値となり、シーズン初期のウスバキトンボの値に近い切片の値は上のチョウと近いですが、傾きはさらことなどから、東アフリカが 5 月の飛来虫の飛来に小さくなっています。一方北米大陸のトンボ類源ではないかと推定されています。

3 種（Aeshna interrupta，Aeshna umbrosa，

さらに、中国大陸では主に熱帯、亜熱帯地域分

Pachydiplex longipennis）について、それらの翅布するミカンコミバエ（Bactrocera dorsalis）との同位体比と降水の関係式は言う熱帯果実などに卵を産む重要害虫が発生しています。気候変動によってこれらの分布域が大陸

22

δ Hdragonfly ＝ 0.91 × δ Hp-42.5（‰）のより北部へと拡大しないかと懸念されています。そこで北京市の市場、その郊外の有機ブドウのように得られています。トンボの幼虫ヤゴは水園と中国各地（南から海南省海口市（20.0°N）、中で過ごし、微小な甲殻類や水生昆虫をエサとす

広東省広州市（23.1°N）、福建省福州市（26.1°N）、るため、幼虫が草食のチョウ目とは異なり、切片、

湖北省武漢市（30.6°N）、江蘇省宜興市（31.3°N））

傾きともにより大きな値となっていることが興味に設置したトラップで誘殺されたミカンコミバエ

深いです。

の体全体を乾燥後粉砕し、同位体を計測しました。
2

こうした関係式と降水の δ Hp 地図を使えば捕その結果、中国各地のミカンコミバエの δ 2H は獲した昆虫がどの緯度帯から移動して来たのかを

平均で南から -80.3 から -93.5‰で、緯度が上が推定することができます。それを見るために今度るにしたがって小さな値となりました。一方北京

は場所をユーラシア大陸に移してさらに 3 種の同市で捕獲されたミカンコミバエの δ 2H の平均値位体研究について見てみましょう。

は -88.1‰と -87.1‰であり、福州市の値に近いも最初の例は中国の渤海にある島で光トラップをのでした。そのため、北京市のミカンコミバエは用いて捕獲されたチョウ目のタマナヤガ（Agrotis

そこで羽化したものではなく、中国南部から飛来

ipsilon）です。小さな島でのモニタリングですのしたものと示唆されました。

で海の上空を移動していた個体が捕獲されている

以上のように、大陸での春の北向きの長距離移2と考えられ、5，6 月の早いシーズンでは δ Hmoth

動や秋の南への戻り移動について虫の水素安定同が -41 から -32‰と高い値を示す個体が 20 パー

位体比を調べることで個体ごとに出生地のおおよ

セントと多く、これは南からの飛来を示唆していその緯度帯を推定できることが分かってきました。

ますが、秋の 9‒10 月になると -62 から -51‰と230

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．ストロンチウムの安定同位体比ルを作れば 75％の精度で出生地を判別できるこ

次に昆虫とストロンチウムの安定同位体比87とを示しました。

86

Sr/ Sr について見てみましょう。ストロンチウ
3．我々の取り組み

ムの場合は 87Sr/86Sr の値は岩石の種類とそれらの形成年代によって異なってきますから（第 3 章

冒頭に紹介しましたように日本には色々な種類

重元素同位体を参照）、これらが異なる地域で育っの農業害虫が飛来してきます。また国内で発生し87

86

た昆虫はその Sr/ Sr 値がどのような値になるた個体群が盛んに分散しています。これら移動・のか興味あるところです。

分散の実態をより正確に把握し、発生予察に役立

Holder ら（2014）はニュージーランドとオーてることで、害虫の適切な管理による農作物の保ストラリアの異なる地質地域のトウモロコシを食護を実践することが重要です。これまで長距離移べて育ったオオタバコガ（Helicoverpa armigera）

動性害虫の研究では、様々なモニタリング手法をの翅を除いた体の同位体比を調べました。その結用いて発生調査を行い飛来のタイミングなどを明

87

86

果図 1 のように Sr/ Sr 値は地域によって異ならかにし、飛来があった地点から気流を解析した

る値となりました。地質図を参照すると、一番値り、虫の遺伝子を分析したり、殺虫剤に対する感が高かったオーストラリアの NSW 付近はオルド

受性の検定を行ったり、中国での発生情報を収集

ビス紀の地質で年代が古く、値が低かった QLDしたりして移動・分散実態に迫ってきました。上は若い火成岩の値を反映しているのではないかとの 2 つの節で見たように同位体解析は長距離移動

考察されています。またニュージーランドの MC

性害虫の研究に新しい解析軸を提供します。中国

付近は背景の山から流れ出る河川による扇状地と大陸は日本に飛来する多くの昆虫の飛来源であなっているため地質的に非一様なものが混ざり、り、地質学的に日本列島より古いので、ストロン

虫の採集地点ごとに値がばらついているのだろう

チウムの解析が利用できるかもしれません。さらと考察されています。さらにストロンチウムに加に複数の元素の安定同位体比を適切に組み合わ

えて、水素、鉛の同位体解析を合わせて判別モデせ、既存の解析法と合わせて総合的に考察すれば、

abHolder et al., doi:10.1371/journal.pone.0092384.g001(CC BY)
Holder et al., doi:10.1371/journal.pone.0092384.g003(CC BY)

図１

a. オオタバコガのストロンチウム安定同位体比231b. オオタバコガのサンプリング場所

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

トラップで捕獲した虫を個体ごとに飛来個体なの

Hobson (2018) Inferring origins of migrating

か国内で発生した個体なのかを区別できるかもし

insects using isoscapes: a case study using

れません。例えばシーズンの初期に捕獲した虫は

the true armyworm, Mythimna unipuncta,

越冬したものなのか、飛来したものなのかを区別

in North America. Ecological Entomology

できればその後の防除対策に役立ちます。同位体

43: 332‒341.

解析を使って飛来源をより絞り込めるようになれ

https://doi.org/10.1111/een.12505

ば、飛来予測手法の改良が可能となるでしょう。

Holder P, Armstrong K, Hale R, Millet M-A,

こうした観点から、我々のグループは長距離移動

Frew R, Clough T, Baker J (2014) Isotopes

性のヤガ類であるアワヨトウとツマジロクサヨト

and trace elements as natal origin markers

ウの同位体解析に取り組んでいます。国内では地of Helicoverpa armigera – an experimental

球研と、海外では飛来源である中国の研究機関とmodel for Biosecurity Pests. PLoS ONE 9 (3):

共同研究を進めており、同位体解析によって長距

e92384.

離移動性昆虫の移動・分散実態の新しいイメージ

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0092384が得られるようになることを期待しています。
著者情報
文献

大塚

彰（農業・食品産業技術総合研究機構）長距離移動性害虫のHobson K, Wassenaar L & Taylor O (1999)

モニタリングや飛来実態解明、飛Stable isotopes (δD and δ13C) are geographic

来予測技術の開発をテーマとし、indicators of natal origins of monarch

中国、韓国、ベトナムとの共同研究を推進している。

butterflies in eastern North America.
Oecologia 120: 397‒404.
https://doi.org/10.1007/s004420050872

232（2021 年 3 月 31 日掲載）

産地判別、文明環境史
生物の体に含まれる元素の安定同位体比は、生物が取り込んだ時点の環境の同位体比を反映しますので、「同位体地図」が作成されていれば「産地判別」に使うことができます。また、その値は保存されますので、現在の人間や生物だけではなく、遺跡に埋まっている昔の人間や生物の体でも測定可能です。発掘された人間や生物に含まれる元素の同位体比は、昔の人間や生物の食べものや移動、さらには昔の人間の暮らし方についても有益な情報を与えてくれます。さらに、同位体比は地球の歴史に関する情報も与えてくれます。これらについて、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

古代人の暮らしを解き明かす同位体分析― 海産魚はどこの海から運ばれたのか？ ―
石 丸

恵利子

（広島大学総合博物館）

2．運ばれた海産資源が遠隔地とのつながりを示す

1．遺跡の骨・貝が語るもの
私たち日本人は、古くから陸産資源だけでなく、遺跡から出土する動物遺存体のなかには、当時

日本列島近海で採取できる貝類や魚類などの豊富の人たちが遠隔地へ移動したこと、あるいは物資

な海産資源を利用してきました。これらは当時のを運搬していたことを示すものが発見されること自然環境がどのようなものであったのかを示すもがあります。たとえば縄文時代、中国山地に所在のであり、かつ人々にとってそれらは重要な食資する帝釈狭遺跡群からは海に棲むエイ類の尾棘と源でもありました。その証拠は多くの遺跡に残さハマグリやサルボウなどの海産貝類が出土していれています。日本列島は火山灰性土壌であるためます。また奈良盆地の橿原遺跡からはマダイやス

酸性を帯び、また細菌やバクテリアなどによって、ズキ、フグなどの海産魚類とクジラの骨が確認さ

地中に埋没した軟体部や骨などの有機物は、そのれています（丸山ほか 2011）。両遺跡は、現在の多くが分解され消失してしまいます。しかし、貝海岸線から直線距離にして前者が約 60 km、後者

殻の集積によってややアルカリ性を帯びる貝塚

は約 30 km 内陸に位置しています（図 1）。またや、低湿地のような嫌気的環境においては有機物

中世・近世には、平安京左京北辺四坊跡などの京が残りやすく、数千年前に利用された貝殻や骨の都の多くの遺跡で、ハマグリやサザエ、またマダ一部が発掘調査によって現代によみがえります。

イやハモ属、ブリ属などの多様な海産物が出土しています（富岡 2004 など）。

発掘された貝殻や骨は動物遺存体と呼ばれ、過去における様々な情報を持つ貴重な資料となりま

それでは、これらの海産資源はどの海域で採れす。たとえば沿岸部の貝塚では、ハマグリやサザたものが運ばれてきたのでしょうか。その産地を

エ、アサリなどの多様な海産貝類はもちろん、マ

明らかにすることができれば、縄文時代の人の移ダイやクロダイ、スズキなどの海産魚類やイノシ

動や交流範囲、また中世・近世のものの流通圏やシやニホンジカなどの哺乳類が確認され、その地そのルートの解明に一石を投じることができまで暮らした人々が多様な動物資源を利用していたす。

ことを知ることができるのです。日本列島には、縄文時代から、近世・近代に至るまで、動物遺存

3．炭素・窒素同位体分析から魚の産地を読み解く体が出土するたくさんの遺跡が発見されていま

魚の種や部位は、骨の形態によって同定するこす。それらの出土資料によって、各時代また各地とができますが、瀬戸内海のマダイと日本海のマ域での豊富な資源利用の様相を知ることができま

ダイを形態で区別することはできません。そのたす。また大きさを調べたり、表面に残る石器や金め、これまで海産資源の産地や流通ルートについ属器などによる人為的な痕跡を観察し、解体痕やては具体的に論じることができていませんでし

調理の痕跡を調べたりすることで、当時の文化やた。なお、イノシシやニホンジカについても、骨技術を明らかにすることもできるのです。

の形態で生息域を知ることはできないため、狩猟
235

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．海産資源が運ばれた内陸部の遺跡と周辺の主な遺跡分布

場所が遺跡の近くであったのか、それとも遠隔地のものの窒素同位体比が高く、日本海産では低いから交易品として持ち込まれたのか、これらを証傾向が認められました（図 2、3）。太平洋産はほ1）

明するには至っていないのが現状です 。

14.0

そこで私は、炭素・窒素同位体比によって魚の産地を明らかにできないかと考えました。これま13.0

δ15N （AIR）に人骨の炭素・窒素同位体分析が行われていました。また、同位体比が他と大きく異なる値を持つイノシシ属の存在から、人から餌を与えられた家
畜種の可能性なども検討され始めていました。食
べ物の違いで地域や時代によってヒトの同位体比が異なるならば、魚においても海域によって餌や

15.0

12.0

14.0

11.5

12.0

10.5

11.0

10.0

10.0

窒素同位体比によって魚の生息海域を区別できる


14.0
最初にこの挑戦的な研究の試みに理解を示して

-15.0

-14.0

-13.0

δ13C (VPDB)

-12.0

-11.0

図 2．現生マダイの炭素・窒素同位体比＊石丸ほか（2008）を改変
18.0

広島湾（瀬戸内海）
いただいたのが地球研の陀安先生（当時、京都大須崎（太平洋）13.0
隠岐・境港（日本海）学生態学研究センター）です。センターに通い、能登（日本海）13.5

17.0

小豆島（瀬戸内海）
宇和島（豊後水道）
尾鷲（太平洋）若狭（日本海）16.0

12.5
最初に日本近海で捕獲した現生のマダイ、クロダ

δ15N （AIR）

15.0

δ15N (AIR)11.5
同位体比を測定しました。マダイ、クロダイ、ス

14.0
13.0

11.0
ズキは多くの遺跡から出土する代表的な種であ

12.0

10.5
り、現在でも多く食べられています。メジナも日11.0

本列島近海に広く分布しています。前 3 種は骨資
10.0

10.0

9.5

9.0
-16.0

料において同位体比を測定し、メジナについては
-16.0
-15.0
-14.0
-13.0
-12.0
-11.0
δ13C (VPDB)

-15.0

-14.0

-13.0

-12.0

-11.0

-10.0

δ13C (VPDB)

分析の結果、いずれの種においても瀬戸内海産


236

13.0

11.0

9.5
-16.0

12.0
イ、スズキ、メジナを用いて、各魚の炭素・窒素

16.0

12.5

それらの同位体比が異なる可能性があり、炭素・のではないかと考えたのです。

17.0

δ15N (AIR)で考古学研究では、ヒトの食生態を解明するため筋肉部を用いました。

18.0

広島湾（瀬戸内海）
須崎（太平洋）隠岐・境港（日本海）
能登（日本海）13.5

図 3．現生メジナの炭素・窒素同位体比＊石丸ほか（2008）を改変

9.0
-16.0

-15.0

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

ん。京都の公家および武家屋敷跡や町屋跡からは、瀬戸内海では取れなかった可能性が高いカツオやマグロ属、日本海から運ばれたと考えられるマダラやサバ属なども報告されています。このような魚類の出土組成からみても平安京出土マダイの同位体比が多様であるのは、各海域で捕れたマダイが運ばれたからではないかと推測されます。窒素同位体比が低く、上長浜貝塚や米子城跡のマダイと同様な値をもつ資料は、日本海産のマダイかもしれません。

図 4．遺跡出土魚骨から抽出した骨コラーゲン

また、中世以降に貿易都市として栄えた博多遺跡群（福岡県）においても、出土するマダイの同ぼその中間の値を示しました（石丸ほか 2008）。

位体比は多様な値が得られ、遺跡の前面に広がる
4．遺跡から出土する魚の産地はどこなのか
現生資料の分析によって、同一魚種においても15.0

海域で同位体比が異なることが明らかとなったた

14.5

め、次に遺跡資料での分析を行いました。出土資14.0

料より骨コラーゲンを抽出し、同位体比を測定し

14.5

14.0

13.5

δ15N (AIR)

宿駅「四日市宿」として栄えた四日市遺跡（広島13.0
草戸千軒（中世:瀬戸内）
岡山城（近世:瀬戸内）

12.5

県）と、中世から近世の公家屋敷地跡である平安

松山城（近世:瀬戸内）

12.0

12.5

12.0

米子城（近世:日本海）
上長浜（古代:日本海）

11.5の産地について検討した結果を紹介します。

大井谷（中世:日本海）

11.5

四日市（近世）四日市遺跡は瀬戸内海から約 20 km 内陸に位

11.0
-15.0

置し、アカニシやアワビ、ハマグリなどの海産貝

-14.0

-13.0

-12.0

δ13C (VPDB)

-11.0

-10.0

11.0
-15.0

-9.0

図 5．四日市遺跡出土マダイの炭素・窒素同位体比類に加え、マダイ、スズキ、ヒラメ、サメなどが出土しています（石丸2007）。距離的にも瀬戸内
15.0＊石丸ほか（2008）を改変
14.5

海産のものである可能性が高いのですが、同位体
14.5

分析の結果、窒素同位体比が高く、瀬戸内海沿岸

14.0域に位置する遺跡の同位体比と同様な値を示しま

13.5

14.0

した（図 5）。スズキやクロダイについても同様
13.0

な特徴が認められたことから、四日市遺跡には瀬草戸千軒（中世:瀬戸内）
岡山城（近世:瀬戸内）δ15N (AIR)13.5

δ15N (AIR)13.0

広島城（近世:瀬戸内）京左京北辺四坊跡（京都府）から出土したマダイ

13.0

12.5

草戸千軒（中世:瀬戸内）

広島城（近世:瀬戸内）戸内海から多くの海産物が運ばれたと結論付けま12.5

δ15N (AIR)13.5ました（図 4）。ここでは幕末から近代にかけて松山城（近世:瀬戸内）12.0
米子城（近世:日本海）した（石丸ほか
2008、Ishimaru et al. 2011）。
上長浜（古代:日本海）

大井谷（中世:日本海）
一方、平安京左京北辺四坊跡出土のマダイの同
11.5

岡山城（近世:瀬戸内）
12.0

大坂城（近世:瀬戸内）
米子城（近世:日本海）
上長浜（古代:日本海）

11.5

大井谷（中世:日本海）

四日市（近世）

平安京（近世）11.0
位体比は多様な値を示しました（図
6）
。京都は
-15.0
-14.0
-13.0
-12.0
-11.0
-10.0
-9.0

11.0
-15.0

δ13C (VPDB)

平安京遷都以来、政治や産業、文化などが栄えた

-14.0

-13.0

-12.0

δ13C (VPDB)

-11.0

-10.0

-9.0

図 6．平安京左京北辺四坊跡出土のマダイの炭素・窒素同位体比＊ Ishimaru et al. 2010 を改変


日本の中心的な都市のひとつです。各地から様々な物資が運ばれたであろうことは言うに及びませ
237

-14

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

玄界灘（日本海）だけでなく瀬戸内海産のマダイらも、両遺跡ではスズキの漁撈域が異なっていたも流通していた可能性が高いことがうかがえましことが示唆されます。

た（米田ほか 2010、石丸 2014）。

以上のように、海産魚類の炭素・窒素同位体分析によって、遺跡から出土する魚類の産地や漁撈

5．古代人の暮らしを解き明かす、同位体分析の域を明らかにする研究が進められ、様々な情報が可能性得られています。これは海域によって海産魚類のこれまで記したように、炭素・窒素同位体分析

同位体比が異なることを利用したものですが、出は考古学研究において、ヒトの食生態の解析や魚土資料の同位体比は当時の古環境や魚類の古生態類の産地推定など、歴史を明らかにする重要な指を知るための有益な情報でもあります。動物資源標となっています。ここでは、流通網が発達し、利用の様相や当時の食文化、ヒトの移動やものの海産物が遠隔地へと運ばれるようになる中世・近流通の歴史をより具体的に明らかにするために世の遺跡における魚類の産地推定についての研究も、各地域・各時代の遺跡から出土する貴重な文成果を紹介しましたが、縄文時代の遺跡でも漁撈化財である海産魚類の炭素・窒素同位体分析を適域や過去の水域環境を推定する上で有益な結果が切に進め、分析データを蓄積することが課題だと得られていますので、これらの成果についても少思います。

し紹介します。
注釈

例えば、青森県にある三内丸山遺跡や東道ノ上（3）遺跡から出土したマダイとスズキの炭素・窒

1）イノシシやニホンジカの産地（狩猟域）を明

素同位体比を比較すると、両遺跡ではやや違いがらかにするため、現在、歯エナメルのストロ

認められました（石丸 2011）。三内丸山遺跡は陸ンチウム同位体分析を進めており、これらの奥湾の奥部に位置し、東道ノ上（3）遺跡は太平

研究成果については別の機会に紹介したいと

洋側で現在は汽水湖になっている小川原湖南西の思います。

内陸部に位置しています。共に縄文時代前期を中2）縄文時代前期から後期頃、房総半島一体は現心とした遺跡です。同位体分析の結果、マダイの在の海岸線が深く入り込み（縄文海進）、東

炭素・窒素同位体比は、三内丸山遺跡よりも太平京湾側を「奥東京湾」、霞ケ浦側を「古鬼怒湾」

洋側に位置する東道ノ上（3）遺跡の方が共に高く、と呼びます。

スズキについても同様の傾向が示されました。これは、両遺跡の漁撈域が異なっていたことを示し

文献

ています。

石丸恵利子（2007）西条盆地の動物遺存体と骨利また、房総半島周辺地域の縄文遺跡でも興味深

用「広島大学東広島キャンパス埋蔵文化財発い結果が得られました。現在の東京湾側に位置す

掘調査報告書」Ⅳ、広島大学埋蔵文化財調査

る遺跡と、現在の銚子方面から利根川低地に当時

室、pp. 539-548

広がっていた古鬼怒湾側に位置する遺跡では、同

石丸恵利子・海野徹也・米田穣・柴田康行・湯本

2）

位体比に違いが認められました 。これまでの分

貴和・陀安一郎（2008）海産魚類の産地同定

析で、測定数が少ない魚種では比較が困難ですが、からみた水産資源の流通の展開 ― 中四国地

スズキについては顕著な違いが認められました。

方を中心とした魚類遺存体の炭素・窒素同位

東京湾側の遺跡では炭素・窒素同位体比が共に高体分析の視角から ― 、「考古学と自然科学」

い一方で、古鬼怒湾側の遺跡では両値が低いとい

57、pp. 1-20
石丸恵利子（2011）三内丸山遺跡および東道ノ上

う興味深い結果が得られました。これらの結果か238

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（3）遺跡出土魚類と哺乳類の炭素・窒素同位

the Japanese Archipelago Using Carbon and体分析「特別史跡三内丸山遺跡年報」14、青Nitrogen Stable Isotope Analysis:

森県教育委員会、pp. 21-26

Identification of the Stock Origins of Marine

石丸恵利子（2014）同位体分析からみた水産資源

Fish Found at the Inland Yokkaichi Site,の流通、「季刊考古学」128、pp. 47-49

Hiroshima Prefecture, Japan. The Journal of

富岡直人（2004）動物遺存体の分析「平安京左京

Island & Coastal Archaeology 6‒1:160‒163.

北辺四坊跡」本文編、財団法人京都市埋蔵文
著者情報化財研究所、pp. 342-356

石丸恵利子（広島大学総合博物館

丸山真史・橋本裕子・松井章（2011）橿原遺跡出研究員）2008 年京都大学大学院

土の動物遺存体「重要文化財橿原遺跡出土品

人間・環境学研究科博士後期課程の研究」
奈良県立橿原考古学研究所、pp. 281-

研究指導認定退学。1991 年ニッ

294カウヰスキー株式会社、2008 年
総合地球環境学研究所プロジェク

米田穣・覚張隆史・石丸恵利子・富岡直人（2010）

ト研究員、2013 年徳島大学埋蔵

骨の同位体分析から中世博多の人々の生活に

文化財調査室特任助教などを経て

迫る「市史研究ふくおか」5、福岡市博物館

2014 年 4 月より現職。

市史編さん室、pp. 33-49
Ishimaru E, Tayasu I, Umino T, Yumoto T (2011)

（2020 年 3 月 31 日掲載）

Reconstruction of Ancient Trade Routes in（2020 年 4 月 7 日改版）239

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

縄文時代の狩猟域を解き明かす― イノシシ・ニホンジカはどこで捕獲されたのか？ ―
石 丸

恵利子

（広島大学総合博物館）
1．縄文人の生業活動

ここでは生業活動のうち狩猟活動に注目し、縄狩猟採集を主な生業とした縄文時代、私たち人

文人の狩猟域について、イノシシやニホンジカな類はドングリやクリなどの堅果類やマメ類、球根どの陸生哺乳類をどこで獲得したのかをストロン類などを植物質食料として摂取し、編物や建築材

チウム（以下 Sr）同位体分析によって明らかにとしても植物を利用していました。また、貝類やする試みについて紹介します。

魚類、イノシシやニホンジカなどの哺乳動物など
2．イノシシ・ニホンジカの Sr 同位体比を重要な動物質食料資源のひとつとして、またそれらの貝殻や骨・角を道具の素材として利用してイノシシやニホンジカなどの脊椎動物は、骨のいました。洞窟や岩陰、あるいは平地や丘陵上な形態で種や部位を同定し、個体の大きさなどは計

どに竪穴住居を建てて生活の拠点とし、そこから測値によって知ることができます。しかし、資料

さまざまな資源の獲得活動に出向き、また土器やそのものの観察から生息域（産地）を知ることは道具などのものづくりをしながら生活していましできません。これは魚類や貝類も同様です。

た。これらのさまざまな活動を通して集落間で交ヒトや動物の体組織は、食物を摂取することに流し、文化や技術が伝播していったと考えられま

よってその食物に含まれるたんぱく質を体内で再す。

合成して形成されるため、骨コラーゲンの炭素と同じ文様をもつ縄文土器や黒曜石やサヌカイト

窒素の同位体比を測定することで、当時の食環境などの原産地が明らかな石材の出土によって、ヒを考察することができます。Sr も、食べものやトが移動し、遠隔地と関わりがあったこと、また飲み水から体内に取り込まれます。Sr 同位体比は、モノの運搬があったことを知ることができます。

生態系内では地質の値を反映するため、同一地質

では、狩猟や植物採取などの食料資源の獲得にお内に生息する動物や植物はほぼ同一の同位体比をける活動域、すなわち縄文人の日常的な生活圏は示すことが知られています。また、Sr には質量どのような範囲だったのでしょうか。

数 84、86、87、88 の 4 つの安定同位体が天然に縄文人の生業圏は、民族学的な調査からアフリ存在しています。87Sr は 87Rb の放射壊変によっカのブッシュマンなどの狩猟採集社会での日常的て生成されるため時間と共に量が増えますが、領域の 10 km 圏内、あるいは伝統的農耕民の領87Rb の半減期が約 488 億年と非常に長いため、域と同様な範囲 5 km 圏内でも生活が可能だと予本稿で対象とする数千年オーダーの研究ではほと想されるなどから、おおむね徒歩 2 時間程度のんど影響せず、87Sr は一定と考えて議論するこ

10 km 圏内に収まるであろうと考えられています。

と が で き ま す。Sr 同 位 体 比 は 87 と 86 の 比獲得した各資源の産地を明らかにすることができ（87Sr/86Sr）で表されます。このような特徴から、

れば、ヒトの移動の実態をより具体的に議論でき

Sr 同位体比は先史時代のヒトの移動や家畜動物ることが可能となります。

の飼育研究に用いられています。これらの成果に240

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

遺跡群の中でも、出土遺物の様相から縄文時代

ついては本書内に複数紹介されています。
イノシシやニホンジカの骨の Sr は、死後土壌の各時期に連続して利用されている帝釈寄倉岩陰に埋設されることによって、環境中の Sr と置換遺跡（以下、寄倉）や帝釈観音堂洞窟遺跡（以下、して同位体比が変わってしまいますが、歯のエナ観音堂）、豊松堂面洞窟遺跡（以下、堂面）などは、

メル質は高度に石灰化した結晶からなる硬組織で各小地域の拠点的な遺跡と考えられています。こあるため、数千年間土壌中に埋まっていても歯エれらの遺跡から出土する動物遺存体は、イノシシ

ナメル質の Sr は置換しないことが知られていまやニホンジカを主体とするイヌやタヌキ、ノウサ

す。この原理を利用して、遺跡から出土するイノ

ギなどの多様な哺乳類に加え、貝類や鳥類、両生

シシとニホンジカの歯エナメル質の Sr 同位体比類なども認められ、出土量が多いのが特徴です（石と周辺地域の同位体比を比較することで、当時の丸 2007）。帝釈峡遺跡群の各遺跡では、山間部の狩猟域を推測できる可能性があります。

森林地帯や河川域に生息する多様な動物資源を利用していたことを示しています。

3．帝釈峡遺跡群

20 km 圏内に複数の拠点となる遺跡が存在する

ここで紹介するのは、広島県北東部の庄原市や帝釈峡遺跡群では、各遺跡の住人はどのような場

神石郡に広がる帝釈石灰岩地帯に位置する帝釈峡

所で狩猟を行い、また遺跡間の交流の有無やその遺跡群での分析事例です。約 20 km 四方の範囲

実態はどのようなものだったのでしょうか。

に 50 カ所あまりの洞窟・岩陰遺跡が確認されて4．歯エナメルの Sr 同位体比を測るいる遺跡で、縄文時代を中心として旧石器時代から古代以降にまでおよぶ各時代の遺物包含層が堆

ここでは帝釈峡遺跡群のなかでも拠点となった積していることから、当地域の歴史や文化の変遷

遺跡を中心に、観音堂、堂面、帝釈名越岩陰遺跡を復元する際の基準となっています（図 1）。石

（以下、名越）、久代東山岩陰遺跡（以下、東山）戸

灰岩地帯にあることから、山間部にあっても貝塚

宇牛川岩陰遺跡（以下、牛川）の 6 遺跡から出土

遺跡のように動物骨や人骨、貝類が良好な状態でした縄文時代のイノシシとニホンジカ、および植残存し、当地域での動物資源利用の実態を知るう

物の葉からの考察結果について紹介します（図 1）。

えで有益な資料であるとともに、考古学だけでな歯資料は、上顎もしくは下顎の臼歯や切歯を選択く人類学や地質学などからも注目を集め、これましました（図 2）。超純水内で超音波洗浄して乾で多くの学際的研究が進められてきました。

燥させた後に、デンタルドリルで表面の汚れを除去し、ダイヤモンドポイントで削ったエナメル質
を陽イオン交換樹脂カラムなどで処理することによって Sr を抽出しました。前処理によって分離し た Sr の 同 位 体 比 を、表 面 電 離 型 質 量 分 析 計（TIMS）によって測定しました（石丸ほか 2009）。
また、遺跡周辺地域の同位体比を知るために、地質図を元に観音堂遺跡を中心とする半径約30 km 圏内の範囲において約 5 km 間隔で採取した植物の葉の Sr 同位体比を用いました（図 3）。
表面の汚れを超純水で除去して乾燥させ、灰化処理の後に歯エナメル同様に処理して Sr を抽出し、図図1．帝釈峡遺跡群の遺跡分布図（遺跡名は1．帝 釈峡遺跡群の遺跡分布図（遺跡名はいずれもいずれも「遺跡」を除いて記した）「遺跡」を除いて記した）

同位体比を測定しました。
241

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．帝釈観音堂洞窟遺跡出土の動物歯（左：イノシシ下顎第 3 後臼歯、右：ニホンジカ下顎
第 3 後臼歯）図 3．遺跡周辺採取の植物の葉（左：サカキ、右：ツバキ）

5．分析結果と狩猟域の考察

シとニホンジカは、遺跡の半径 10 km 圏内の値

分析の結果、イノシシの Sr 同位体比は 0.7068に収まり、より同位体比が低い遺跡地の東方やよから 0.7081、ニホンジカは 0.7067 から 0.7078 のり値が高い南方の値は認められませんでした。こ

値を示しました。また、植物の値は、0.7059 からのことは、10 km 圏内で狩猟が行われた可能性を

0.7093 の値が確認され、イノシシとニホンジカの示していると考えられます。また、約 1 km の距

値は、植物の値の範囲内に収まる結果が得られま離にある帝釈弘法滝洞窟遺跡（以下、弘法滝）とした（図 4）。また、調査範囲内での Sr 同位体比は、観音堂でも遺跡の場所を含む、遺跡から 10 km

北部や東部で低く、寄倉遺跡周辺や南部で高い傾以内の値が認められ、さらに 15 km 以上離れた向が認められました（図 5）。

同位体比が低い北方や同位体比が高い南方の値はイノシシとニホンジカの Sr 同位体比に種間で認められませんでした。一部、遺跡の北東や西方の有意な差は認められませんでした。また、分析の値も含まれていたため、これらの方角にはさら

資料には縄文時代の中で時期幅がありましたが、に遠方まで狩猟域が及んでいた可能性もあります。

時期別にも Sr 同位体比に有意な差は認められま

東山や牛川、名越では、他の遺跡より Sr 同位

せんでした。縄文時代早期でやや同位体比にバリ体比が低い傾向があり、東山の資料は遺跡地の値

エーションが認められましたが、これは遺跡近くよりも低い値を示し、これらのイノシシとニホンに同位体比の高い場所と低い場所の両者があるこジカはより同位体比が低い北方あるいは北東、西とによるものと考えられます。

方地域の値を示すものでした。牛川と名越では遺次に、遺跡ごとにイノシシとニホンジカの値と跡地の値を含み、10 km の距離にある値も含まれ遺跡周辺の値とを比較してみると、堂面のイノシていました。
242

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

0.7100植物

0.7095遺跡
イノシシ・ニホンジカ

0.709087Sr/86Sr

0.70850.70800.70750.70700.70650.7060

南⻄

南東

中央南

東

中央北東

北

中央北⻄

北⻄

⻄

帝釈名越岩陰︵名越︶⼾宇⽜川岩陰︵⽜川︶久代東⼭岩陰︵東⼭︶帝釈観⾳堂洞窟︵観⾳堂︶

帝釈弘法滝洞窟︵弘法滝︶

豊松堂⾯洞窟︵堂⾯︶0.7055

図4．遺跡出⼟イノシシ・ニホンジカ・現⽣植物のSr同位体
図 4．遺跡出土イノシシ・ニホンジカ・現生植物のSr 同位体比（植⽐（植物の地域区分はサンプリング範囲の中央から⾒た場
物の地域区分はサンプリング範囲の中央から見た場所を指す）
所を指す）

以上のように、帝釈峡遺跡群出土のイノシシとニホンジカの歯エナメルと周辺の植物の Sr 同位体比を比較することによって、各遺跡から直線距離にして 5 km から 10 km までの範囲に生息するイノシシとニホンジカを捕獲し、15 km を超える
ような場所での狩猟活動は行っていなかったと推測することができました。また、名越と牛川と比較して、堂面や弘法滝、観音堂は同位体比が高い傾向がありました。これは、前者と後者の遺跡では狩猟域を異にしていたことを示しているのかもしれません。遺跡は近い場所で 1 km、遠くても10 km 圏内に複数の遺跡が存在し、行き来は可能な範囲であったと考えられます。互いが動物資源を有効に利用するために、集落ごとに別の場所で狩猟活動を行っていた可能性が見えてきました。
図 5．帝釈峡遺跡群周辺の Sr 同位体比マップ（青色が同位体比が低く、オレンジ色が同位体比が高い
地域 桃色丸は遺跡地点）

6．おわりに

帝釈峡遺跡群周辺のSr同位体⽐マップ（⻘⾊が同位体⽐が低イノシシとニホンジカの歯エナメルの Sr 同位
オレンジ⾊が同位体⽐が⾼い地域 桃⾊丸は遺跡地点）

体比から狩猟域を推測する場合、イノシシとニホンジカが生まれた場所で一生暮らすのかという点

243

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

えられます。

に注意する必要があります。イノシシは、オスは生後 1 年を超えると親元を離れて単独生活あるいここでは Sr 同位体分析による縄文時代の狩猟は同じオス同士でグループ行動をし、メスはその域を推定する研究について紹介しました。今後、まま親の元で育ち、親子とその家族のメスを何頭出土資料の雌雄や遺跡の立地などについても考慮

か含む母系的なグループで生活することが多いとしながら、他の地域や各時代の遺跡でも研究を進されます。縄張りを持たず、いくつもの群れが同めていきたいと考えています。

じ場所を利用することも知られています。また、行動範囲は里山付近では主に半径数百メートル内

文献

で、3〜5 km 程度に及ぶ場合もあるとの報告があ石丸恵利子（2007）「山間地域における縄文時代の狩猟と遺跡の利用形態 ― 帝釈峡遺跡群のります。
ニホンジカは、標高 800 m 未満に生息し、移洞窟・岩陰遺跡の検討 ―」動物考古学 24：

動パターンは積雪に強く影響を受け、15 km の範1‒23．

囲でも地形や食糧条件によって標高の上下移動が石丸恵利子・古角恵美・日下宗一郎・古瀬清秀・

顕著な個体とあまり動かない個体などがあるとさ

中野孝教・湯本貴和（2009）「縄文時代の狩れます。また、宮城県金華山島での調査によると、猟採集域 ― 広島県・帝釈峡遺跡群出土動物

オスは 2、3 歳までは同じところにいるがその後遺存体の同位体分析から ―」『有限責任中間

ほかの場所に移り、メスは生まれた土地で一生を

法人日本考古学協会第 75 回総会研究発表要過ごすと考えられています。

旨』64‒65.

以上のことから、イノシシとニホンジカともに
著者情報

数十キロの大移動をする個体は稀で、いたとして

石丸恵利子（広島大学総合博物館

もわずかであると考えられます。オスはイノシシ

研 究 員）2008 年 3 月 京 都 大 学 大もニホンジカも一定の地域内を動き回ることから、

学院人間・環境学研究科博士後期

もし遺跡周辺の Sr 同位体比の値と異なった場合、課程研究指導認定退学。2008 年

その 3 km から 5 km 圏内にその値を持つ場所が総合地球環境学研究所プロジェクト研究員、2013 年徳島大学埋蔵あるとすると、そこで生まれた個体がヒトの狩猟

文化財調査室特任助教などを経て、域内で捕獲されたと理解することもできます。た2014 年より現職。

だしメス個体においては、捕獲された場所がほぼ生まれた場所と理解してもよいのではないかと考244（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

縄文人の集団間の移動をストロンチウム同位体比から調べる
日 下

宗一郎

（東海大学・海洋学部・海洋文明学科）
1．縄文時代の古人骨と抜歯風習た可能性があります。考古学的には、切歯を抜く

縄文時代人は、約 16500 年〜 2300 年前の日本人が副葬品とともに埋葬されることが多かったた

列島に居住していた人々です。稲作農耕を始める

め、集団の在地の人で、犬歯を抜く人が移動して前の時代で、狩猟・採集・漁労をなりわいとしてきた人で、この在地者と移入者が結婚したことをいました。彼らは竪穴建物に住む定住的な暮らし抜歯が表していると考えられてきました。このよをしていました。森林からはクリやドングリとうな過去のことに関する仮説は、様々な観点からいった堅果類を採集して貯蔵していました。また、検証を加えることが必要です。そこで、同位体分

弓矢や槍を用いてニホンジカやイノシシなどの陸析の手法を用いて、仮説を検証できないかと考え上哺乳類を狩猟していました。沿岸部では、魚やました。

貝をとって食べていました。それらが捨てられて
2．移動を調べるストロンチウム同位体分析

堆積した貝塚遺跡からは、多様な魚貝類の種類が見つかります。また、縄文時代人には貝塚に亡く

この問題に対して、検討を加えることができるなった人を埋葬する風習があり、土壌が貝殻のアのは、ストロンチウム同位体分析という手法です。

ルカリ性になることで、保存状態の良い古人骨がストロンチウム（Sr）はアルカリ土類金属で、2貝塚から多く見つかります。

価の陽イオンとなります。生物の必須元素ではな貝塚遺跡から発掘される縄文時代の古人骨は、いのですが、生体のうち骨や歯に多く含まれてい当時の生活を知る上で貴重な資料です。人の骨をます。地球化学の分野では、環境の中で地質によっ見ると性別や死亡した年齢が分かります。歯がてストロンチウムの同位体比に変動があることが残っていると、虫歯や歯周病などの跡を観察する

知られていました。これは場所によって、同位体ことができます。また、副葬品や埋葬姿勢などを比に違いがあるということです。また、生態系の検討すると、当時の埋葬に関する風習を検討する中でこの元素も循環をしています。岩石が風化しことが可能となります。

て Sr が環境中に供給されます。水に溶けるので、古人骨に見られる社会的な風習として、生前に植物や動物が吸収します。人も水や植物や動物を人の歯をわざと抜く抜歯風習があります。抜歯風摂取するので、Sr を体内に取り込みます。炭素

習は、縄文時代の後・晩期（約 3100 〜 2300 年前）

や窒素の同位体と違って、Sr の場合は食物が取には多くの個体が行っていたため、成人儀礼であり込まれる過程で同位体比の上昇が生じません。

ろうと推定されています。

そこで、ある地域に生息する生物は、その地域の抜歯風習の中でも、前歯のうち、下顎の切歯を地質に由来する Sr 同位体比を示すことになりま抜く人と、下顎の犬歯を抜く人がいました。人にす。このことを利用すると、地質が異なり、Sr

よって歯を抜く部位が異なることは、縄文時代の同位体比が異なる場所の間を生物が移動すると、社会の中における何らかの個人の役割を表していその生物の体組織の同位体比を測定すれば、移動245

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．吉胡貝塚周辺の Sr 同位体比地図（赤色が同位体比が高く、緑色が低い地域）

図 1．吉胡貝塚から出土した人骨（復元模型）

した個体を検出することが可能であることを示唆しています。地球研には、Sr 同位体比を測定すなどから成っています。同位体比地図と地質図をることのできる大型の装置があり、これを利用し比べてみると、地質の違いに応じて、環境中のて古人骨のストロンチウム同位体分析を行うこと

Sr 同位体比が異なっていることが推定されます。

にしました。

地域によって値が異なることは、Sr 同位体分析によって、この地域で生物の移動が解析可能なこ

研究の対象にしたのは、愛知県の南部に位置し、とを示唆しています。

三河湾の沿岸にある貝塚遺跡です。縄文時代の後・晩期の吉胡貝塚からは多数の古人骨が出土してい3．移動していた縄文時代人

ます（図 1）。この遺跡から出土した古人骨には、そして、古人骨の Sr 同位体比を測定しました。

抜歯風習を観察することができます。そこでこれ

古人骨の場合は、肋骨と歯のエナメル質を分析にらの遺跡を研究対象としました。
人の移動を検出する前に、まず環境中の Sr 同用いました。歯の表面に見える白い部分はエナメ位体比の分布を調べることにしました。これには、

ル質と呼ばれるとても硬い組織です。歯は子ども

現代の樹木の葉を集めて、Sr 同位体比を調べまの頃に形成されます。歯が虫歯になって削ってもした。その地域の生物が利用している Sr の値を再生されないように、歯のエナメル質は成人後に知る必要があったので、動物と違って動くことの作られることがありません。歯のエナメル質は子ない植物を用いました。遺跡周辺から 5 km メッ

どもの頃に摂取された食物から合成されていて、シュを基準に多くの地点から植物の葉を採取しま

その Sr 同位体比は子どもの頃に住んでいた地質した。分析には植物の葉を燃やして灰にして、塩に由来します。いっぽうで、骨は、骨折しても治酸で溶かして、いくつかの手順で分析することでるように、破壊と再生を繰り返していますので、Sr 元素を抽出します。そしてその同位体比を質

成人後に住んでいる場所の値を反映しています。

量分析装置を用いて測定しました。すると、植物

また、歯のエナメル質は有機物が含まれずとてもの Sr 同位体比には地域差があることが分かりま密な組織であるために、埋葬中に地下水の Sr がした（図 2）。とくに三河湾の北の地域で値が高く、混入してしまうことがありません。しかし、骨は南の地域で値が低いことが分かりました。同位体

多孔質なため、地下水から Sr が混入してしまう

比の分布の違いを示す地図のことを、同位体比地特徴があります。

図と呼びます。この地域差の解釈のために、この骨や歯の分析のためには、デンタルドリルを用地域の地質図を検討すると、北の地域が火山性のいて約 3 mg の粉末試料を削ります。そして植物

地質から成っていて、南の地域は堆積岩や石灰岩の場合と同じように、Sr を抽出して同位体比を246

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

測定しました。その結果を図 3 に示しています。

であることが推定されます。このような個体は集吉胡貝塚から出土した人骨の Sr 同位体比は、大団内における在地者と呼びます。ほかに在地の値きな変動を示しました。とくに歯のエナメル質のの範囲から外れる個体が見られます。このような同位体比のばらつきが大きいことが分かります。

個体は、子どもの頃に吉胡貝塚以外の場所で生活

このことは、子どもの頃に、他の場所に住んでいをしていた個体であり、集団内の移入者であろう

た移入者を含んでいる可能性を示しています。骨と推定することができます。とくに、植物の値かの値をみてみると、変動が小さいことが見てとれら作成した Sr 同位体比地図を見てみると、吉胡ます。骨は遺跡の地下水の影響などで、その値が貝塚のある渥美半島や浜名湖周辺で同位体比が低生前の値から変化している可能性もあります。

く、北の地域で値が高いことが分かります。吉胡貝塚の移入者は、北の地域で生まれ育った可能性

ここで、縄文時代人の食資源を考えると、大きがあることが示唆されます。

く分けて、陸上資源（植物と陸上哺乳類）と海産資源（魚貝類）があります。陸上資源の Sr 同位

そして、性別ごとに見てみると、男性にも女性

体比は、現生の植物の値を参考に推定しました。

にも移入者が含まれていることが分かりました。

吉胡貝塚の周辺の植物の値は低い値を示します。

縄文時代には男女ともに集団間を移動していたよ

いっぽうで、海水の Sr 同位体比は 0.7092 といううです。また、抜歯のグループごとに見てみると、一定の値を示し、海水から Sr を吸収する海産資

切歯を抜く個体と犬歯を抜く個体のどちらのグ源も一定の値を示します。縄文時代人の食物のループにも移入者が含まれているという結果にな

Sr 同位体比はこれらの値の範囲だと考えられるりました。考古学的には切歯を抜く個体が在地者ので、その範囲を在地の値の範囲と推定しました。

で、犬歯を抜く個体が移入者であろうと推定されすると、骨の値はほとんどその範囲に入り、成人てきましたが、Sr 同位体比からはどちらにも在の頃に住んでいた場所の値であり、また地下水の地者と移入者が含まれている結果となりました。

影響などもあるため、その範囲に入ると考えられ歯を抜くパターンは、人の移動とは対応をしています。しかし、歯のエナメル質の同位体比をみるなかったようです。

と、その範囲に入る個体と、範囲から外れる個体
4．おわりにがいます。これは何を意味しているのでしょうか。
歯のエナメル質の値が、在地の値の範囲に入る

このように、古人骨の Sr 同位体比を測定する

個体は、子どもの頃も吉胡貝塚に住んでいた個体

ことで、過去の人の移動について調べることが可能となります。亡くなった人の骨は、個人の来歴について話すことはできませんが、その同位体分析によって過去の人の移動について雄弁に語らせることができます。このほかにも、古人骨の炭素や窒素の同位体比を測定すれば、過去の食性を調べることが可能ですし、動物骨の炭素同位体比を分析すれば過去の古環境を調べることが可能となります。これからも、さまざまな元素の同位体を用いることで、過去の人の歴史について詳しく明らかにしていきたいと考えています。

図 3．吉 胡貝塚出土人骨の骨成分と歯のエナメル質のSr 同位体比247

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

文献

著者情報

Kusaka S, Ando A, Nakano T, Yumoto T,

日下宗一郎（東海大学海洋学部海洋文明学科

Ishimaru E, Yoneda M, Hyodo F, Katayama
K, (2009) A strontium isotope analysis on（理学）。2014 年総合地球環境学

the relationship between ritual tooth研究所プロジェクト研究員、2015
年ふじのくに地球環境史ミュージ

ablation and migration among the Jomon

アム主任研究員・准教授などを経

people in Japan. Journal of Archaeologicalて、2019 年より現職。

Science 36: 2289‒2297.
https://doi.org/10.1016/j.jas.2009.06.013



日下宗一郎（2012）「縄文時代人の食性と集団間移動−安定同位体分析による試論−」考古学
研究 59：92‒102.
日下宗一郎（2018）「古人骨を測る

講師）2011 年京都大学大学院理学研究科修了、博士

同位体人類学序説」京都大学学術出版会

248（2020 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

古代犬はどんな餌を食べていたか？
覚

1．日本列島の古代犬

張

隆

史

（金沢大学）

グフード」を与えられていたのでしょうか。それ

1）

日本列島に犬 がいた最古の証拠は、今から約とも、人が食べた残飯を食べていたのでしょうか。

7000 年前の縄文時代に遡ると言われています。

実は、その実態についてはまだほとんど研究され日本列島には、縄文時代〜近代の遺跡から多数のていないのが現状でした。

犬骨が見つかっており、日本全国の博物館や大学
2．北陸地方の縄文犬に収蔵されている犬骨は数万点にのぼります。こ日本列島の中でも特に北陸地方の縄文時代の前れら膨大な犬骨コレクションは、日本列島におい2）て数千年という長い間、人 と犬がともに生活し半期に、多数の犬骨の出土事例が報告されていまてきたことを物語る貴重な資料群と言えます。

す。代表的な遺跡名として、鳥浜貝塚・三引遺跡・

犬骨資料群の中で、特に人との関わりが強く感

堀松貝塚・上山田貝塚・上久津呂中屋遺跡・米泉

じられるものとして、埋葬された痕跡がある犬骨遺跡・真脇遺跡・赤浦貝塚・大境洞穴・朝日貝塚・資料が挙げられます。縄文時代の遺跡からは様々

小竹貝塚・南太閤山Ⅰ遺跡などがあり、20 個体

な種類の動物骨が検出されますが、生きていたそ以上の多数個体が検出されている事例は石川県七のままの位置を保った状態で骨がつながって出土

尾市にある三引遺跡（個体数；37 個体）（石川県

するのは、ほぼ人と犬に限定されます。特に、横埋蔵文化財センター 2005）と、富山県富山市に臥状態（横向きに寝ている状態）で、小指の骨まある小竹貝塚（個体数；69 個体）（富山県文化振で残るような全身骨を伴う場合もあり、この様な

興財団 2014）です（図 1）。
中でも小竹貝塚出土犬骨では、埋葬された可能犬骨は縄文時代の人々が犬を葬送の対象としてい性が高い犬 16 個体が検出されています。また、た一つの証拠と言えます。
また、縄文犬骨には、他の野生動物には殆ど見埋葬が疑われるものの、明確に埋葬と言えない事られない骨折の治癒痕（骨折に伴う骨増殖）が認例もあり、それらを含めると 20 個以上となりま

められており、患部が治癒する期間を通して人々す。よって、日本列島の縄文時代の前半期におけの集落内・集落付近で生存していた可能性が高いといえます。いわゆる食糧資源としての「家畜」「畜産物」といった、食べられる対象物と考えるよりも、人の社会的なコミュニティ内に存在するいわ
ば「伴侶動物」や狩猟犬などの「役畜」として存在していたと推察されてきました。
それでは、仮に縄文犬の多くが縄文人にとって「伴侶動物」や「役畜」と近しい存在であった場合、彼らはどの様に生活を共にしていたのでしょうか。現代の伴侶犬と同様に専用の均質的な「ドッ図 1．北陸地方における縄文時代犬骨の主な出土事例249

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）。一方で、海生魚類ばかりを食べたとはいえない様な個体も混在していたことから、個体ごとに多様な食物を摂取していたと考えられます。
次に、同じ小竹貝塚から出土した人骨の炭素・２）。この様に、縄⽂時代の前半期における⼈と⽝

24

海生哺乳類
窒素安定同位体比を比較し、摂取食物の違いを見
22の関係について議論する上で、⼩⽵⾙塚出⼟⽝⾻てみました。その結果、埋葬犬は人よりも炭素・20は重要な位置を占めます。

サケ
18
窒素安定同位体比が共に高い傾向を示しており、
海生魚類

16
(肉食)
海産物をより多く摂取していたことがわかってき15N AIR (‰)

淡水魚

14

海生貝類
ました（図淡水魚4）。「お魚咥えたどら猫」ならぬ、
「お

12

(雑食)

10

草食動物

魚咥えた犬」といったところでしょうか。
さらに犬と人の関わりについて検討するため
8に、個々の埋葬犬と近い場所に埋葬されていた人
64
骨の炭素・窒素安定同位体比を比較してみました。
C 植物
C 植物
3

図 2．小竹貝塚出土埋葬犬と埋葬人骨（埋葬人骨 38 号・63 号に近接した地点で出土する埋葬犬 11 号・12２）。この様に、縄⽂時代の前半期における⼈と⽝号・14 号）の関係について議論する上で、⼩⽵⾙塚出⼟⽝⾻る埋葬犬の出土事例としては日本最大規模と言えは重要な位置を占めます。
図 2.⼩⽵⾙塚出⼟埋葬⽝と埋葬⼈⾻（埋葬⼈⾻ 38
ます。小竹貝塚は埋葬犬だけでなく、同一墓域か
号・63 号に近接した地点で出⼟する埋葬⽝ 11 号・ら 91 個体にのぼる多数の人骨埋葬群が検出され12ており、なかには埋葬犬骨と埋葬人骨が隣接して号・14 号）

2

-24

-22

-20

4

-18

-16

24

-14
13C

-12

-10

-8

-6

-4

PDB (‰)

海生哺乳類

22

20
図 3.埋葬⽝⾻の安定同位体⽐（四⾓の範囲は、各18
海生魚類
⾷物の炭素・窒素安定同位体⽐に対して、⽝が各
サケ

16

淡水魚
(肉食)

15N AIR (‰)⾷物候補を摂取した際に⽣じる栄養濃縮係数を加14淡水魚算した場合にとりうる範囲を⽰している。
）
(雑食)
12

出土していることから、何らかの関連性が疑われ

海生貝類

10

草食動物

8
次に、同じ⼩⽵⾙塚から出⼟した⼈⾻の炭素・ます（図 2）。この様に、縄文時代の前半期にお３ける人と犬の関係について議論する上で、小竹貝．埋葬⽝⾻の⾷性解析6窒素安定同位体⽐を⽐較し、摂取⾷物の違いを⾒
4

⾻コラーゲンの炭素・窒素安定同位体⽐は、そ塚出土犬骨は重要な位置を占めます。

C3植物てみました。その結果、埋葬⽝は⼈よりも炭素・2の個体が摂取した⾷物の炭素・窒素安定同位体⽐

C4植物

窒素安定同位体⽐が共に⾼い傾向を⽰しており、
-24

-22

-20

-18

-16

-14

13C

-12

-10

-8

-6

-4

PDB (‰)を反映します。このしくみを遺跡出⼟⽝⾻に応⽤
3．埋葬犬骨の食性解析

海産物をより多く摂取していたことがわかってきすることで、遺跡から出⼟する古代⽝それぞれの
骨コラーゲンの炭素・窒素安定同位体比は、そ

図 3.埋葬⽝⾻の安定同位体⽐（四⾓の範囲は、各ました（図４）。
「お⿂咥えたどら猫」ならぬ、「お物の炭素・窒素安定同位体比に対して、犬が各

図 3．埋 葬犬骨の安定同位体比（四角の範囲は、各食

図 2.⼩⽵⾙塚出⼟埋葬⽝と埋葬⼈⾻（埋葬⼈⾻ 38
摂取⾷物の特徴を復元することが可能です。⼩⽵の個体が摂取した食物の炭素・窒素安定同位体比号・63 号に近接した地点で出⼟する埋葬⽝11 号・
⾙塚出⼟の埋葬⽝
16 個体の⾻から⾻コラーゲンを反映します。このしくみを遺跡出土犬骨に応用
12 号・14 号）を抽出・精製し、保存状態の良いコラーゲンを得することで、遺跡から出土する古代犬それぞれの食物候補を摂取した際に生じる栄養濃縮係数を⾷物の炭素・窒素安定同位体⽐に対して、⽝が各⿂咥えた⽝」といったところでしょうか。
加算した場合にとりうる範囲を示している。）
⾷物候補を摂取した際に⽣じる栄養濃縮係数を加算した場合にとりうる範囲を⽰している。
）
13C PDB
15N AIR
⽝
⼈
⽝
( ‰)

ることに成功しました。この精製コラーゲンを⽤
摂取食物の特徴を復元することが可能です。小竹
いて炭素・窒素安定同位体⽐を測定し、摂取した貝塚出土の埋葬犬 16 個体の骨から骨コラーゲン
３．埋葬⽝⾻の⾷性解析可能性がある⾷物群の炭素・窒素安定同位体⽐とを抽出・精製し、保存状態の良いコラーゲンを得
⾻コラーゲンの炭素・窒素安定同位体⽐は、そ⽐較しました。その結果、海⽣⿂類を多量に摂取ることに成功しました。この精製コラーゲンを用の個体が摂取した⾷物の炭素・窒素安定同位体⽐
いて炭素・窒素安定同位体比を測定し、摂取したした場合にとりうる炭素・窒素安定同位体⽐の範を反映します。このしくみを遺跡出⼟⽝⾻に応⽤可能性がある食物群の炭素・窒素安定同位体比と囲を⽰す古代⽝が数多くいたことがわかりました
することで、遺跡から出⼟する古代⽝それぞれの比較しました。その結果、海生魚類を多量に摂取（図３）。⼀⽅で、海⽣⿂類ばかりを⾷べたとはい
摂取⾷物の特徴を復元することが可能です。⼩⽵
した場合にとりうる炭素・窒素安定同位体比の範えない様な個体も混在していたことから、個体ご
⾙塚出⼟の埋葬⽝ 16 個体の⾻から⾻コラーゲン
囲を示す古代犬が数多くいたことがわかりましたとに多様な⾷物を摂取していたと考えられます。
を抽出・精製し、保存状態の良いコラーゲンを得ることに成功しました。この精製コラーゲンを⽤

250

いて炭素・窒素安定同位体⽐を測定し、摂取した可能性がある⾷物群の炭素・窒素安定同位体⽐と

( ‰)

⼈

次に、同じ⼩⽵⾙塚から出⼟した⼈⾻の炭素・窒素安定同位体⽐を⽐較し、摂取⾷物の違いを⾒てみました。その結果、埋葬⽝は⼈よりも炭素・
窒素安定同位体⽐が共に⾼い傾向を⽰しており、海産物をより多く摂取していたことがわかってきました（図４）。
「お⿂咥えたどら猫」ならぬ、「お⿂咥えた⽝」といったところでしょうか。
図4.埋葬⽝⾻と埋葬⼈⾻の安定同位体⽐の⽐較
4．埋葬犬骨と埋葬人骨の安定同位体比の比較
図13C PDB

⽝⼈

15N AIR

⽝

⼈

( ‰)
( ‰)
さらに⽝と⼈の関わりについて検討するために、個々の埋葬⽝と近い場所に埋葬されていた⼈⾻の炭素・窒素安定同位体⽐を⽐較してみました。⼩⽵⾙塚 5 号⽝と⼩⽵⾙塚 64 号⼈⾻の同位体⽐を

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

小竹貝塚
5 号犬と小竹貝塚 64 号人骨の同位体比⽐較すると、両安定同位体⽐共に⼤きく異なり、24を比較すると、両安定同位体比共に大きく異なり、
埋葬⽝がどちらも⾼い値を⽰していました。他の

2220地点でも同様の傾向が⾒られることから、埋葬地
埋葬犬がどちらも高い値を示していました。他の

18

点が近くても埋葬⼈⾻と埋葬⽝の間では摂取⾷物
地点でも同様の傾向が見られることから、埋葬地
産物を摂取している傾向にありました。埋葬⽝との質は類似するわけでなく、埋葬犬は人よりも海埋葬⼈⾻の出⼟地点が近い場合、必ずしも⽣存時
産物を摂取している傾向にありました。埋葬犬とにおける世帯の近さを意味しているわけでは無い
埋葬人骨の出土地点が近い場合、必ずしも生存時ですが、しかし、仮にもしその様な場合であってにおける世帯の近さを意味しているわけでは無いも、⼩⽵⾙塚出⼟埋葬⽝と埋葬⼈⾻の間には、やですが、しかし、仮にもしその様な場合であってはり全体的に利⽤する⾷物資源の質がそもそも⼤も、小竹貝塚出土埋葬犬と埋葬人骨の間には、や

サケ1615NAIR (‰)の質は類似するわけでなく、埋葬⽝は⼈よりも海点が近くても埋葬人骨と埋葬犬の間では摂取食物

海生哺乳類

14

海生貝類

淡水魚
(雑食)

12
10

草食動物

8
6
4
2

C3植物

-24

-22

-20

-18

なぜ⼩⽵⾙塚出⼟⽝がより多くの海産物を摂取できく異なることには変わりありません。よって、きていたのか、その部分を中⼼に当時の⼈と⽝のなぜ小竹貝塚出土犬がより多くの海産物を摂取で関係を考察していく必要がありそうです。

きていたのか、その部分を中心に当時の人と犬の関係を考察していく必要がありそうです。
４．遺跡間における出⼟⽝の⾷性⽐較

C4植物

-16

-14
13C

きく異なることには変わりありません。よって、

はり全体的に利用する食物資源の質がそもそも大

海生魚類

淡水魚
(肉食)

-12

PDB (‰)

-10

-8

-6

-4

小竹（縄文前期・富山）
三引遺跡（縄文早期〜前期・石川）

図 5.⼩⽵⾙塚出⼟埋葬⽝と三引遺跡出⼟散乱⽝と
5．小 竹貝塚出土埋葬犬と三引遺跡出土散乱犬との図
比較（四角の範囲は、各食物の炭素・窒素安定の⽐較（四⾓の範囲は、各⾷物の炭素・窒素安定同位体比に対して、犬が各食物候補を摂取した
同位体⽐に対して、⽝が各⾷物候補を摂取した際際に生じる栄養濃縮係数を加算した場合にとりうる範囲を示している。）に⽣じる栄養濃縮係数を加算した場合にとりうる範囲を⽰している。）

⼩⽵⾙塚出⼟埋葬⽝が全体的に海産物の摂取率

4．遺跡間における出土犬の食性比較が⾼い傾向にあることがわかってきましたが、で小竹貝塚出土埋葬犬が全体的に海産物の摂取率

く異なる様相を呈していることがわかります。愛媛県久万高原町の縄文早期の遺跡である上黒岩岩
海岸部以外の遺跡に注⽬してみると、また⼤き陰遺跡は、日本最古の放射性炭素年代値を示す埋は他地域ではどの様な⾷物資源を摂取していたでく異なる様相を呈していることがわかります。愛しょうか。⽯川県・能登半島にある七尾市の縄⽂

媛県久万⾼原町の縄⽂早期の遺跡である上⿊岩岩早期（約 7000 年前）の遺跡である三引遺跡出⼟陰遺跡は、⽇本最古の放射性炭素年代値を⽰す埋⽝（散乱⽝⾻）の安定同位体⽐を⽐較すると、三葬⽝⾻が⾒つかっており、散乱⽝⾻（埋葬されたが高い傾向にあることがわかってきましたが、では他地域ではどの様な食物資源を摂取していたでしょうか。石川県・能登半島にある七尾市の縄文早期（約7000 年前）の遺跡である三引遺跡出土
引遺跡出⼟⽝の⽅が両安定同位体⽐の多様性が低3）犬（散乱犬骨）の安定同位体比を比較すると、
く、かつ⼩⽵⾙塚よりも海産物摂取の傾向が強い

三引遺跡出土犬の方が両安定同位体比の多様性がことがわかりました（図５）。三引遺跡の周囲の環
低く、かつ小竹貝塚よりも海産物摂取の傾向が強
境は七尾湾という海に近く、遺跡からは多くの⿂葬犬骨が見つかっており、散乱犬骨も多数見つかっています。同遺跡からは人骨も検出されているため、両者の安定同位体比の比較を実施したと

ころ、埋葬犬は人と近似した値を示すことがわか
形跡が残っていない⽝⾻）も多数⾒つかっていまりました。一方、埋葬されていない犬は人よりもす。同遺跡からは⼈⾻も検出されているため、両海産物をより多く摂取していました（図 6）。上者の安定同位体⽐の⽐較を実施したところ、埋葬

黒岩岩陰遺跡がある久万高原町は名前の通り標高
⽝は⼈と近侍した値を⽰すことがわかりました。

いことがわかりました（図5）。三引遺跡の周囲
⾻と海獣類が検出されています(⽯川県埋蔵⽂化が高い内陸地域であり、愛媛県伊予市方面の海岸
⼀⽅、埋葬されていない⽝は⼈よりも海産物をよの環境は七尾湾という海に近く、遺跡からは多く
財センター2005) 。また、⼩⽵⾙塚から出⼟する部まで約 40 km、高知県須崎市方面の海岸部へはり多く摂取していました（図６）。上⿊岩岩陰遺跡の魚骨と海獣類が検出されています（石川県埋蔵動物叢を⾒ると、三引遺跡と同様に⿂⾻と海獣類

約 60 km あります。海産物摂取率が高い個体ががある久万⾼原町は名前の通り標⾼が⾼い内陸地

文化財センター2005）。また、小竹貝塚から出土の検出されており、陸⽣動物と海⽣動物の⽐率に海岸部で成犬まで成長したと仮定した場合、数十域であり、愛媛県伊予市⽅⾯の海岸部まで約

⼤きな差異は⾒られない。唯⼀異なる点として、する動物叢を見ると、三引遺跡と同様に魚骨と海40km、
⾼知県須崎市⽅⾯の海岸部へは約 60km あ
キロの距離を単独もしくは人と共に移動してきた

⼩⽵⾙塚からは汽⽔域の⿂種がより多く検出され獣類の検出されており、陸生動物と海生動物の比ります。海産物摂取率が⾼い個体が海岸部で成⽝可能性も考えられます。この様に、縄文時代の遺ており、三引遺跡とはやや異なる要素もありまし
率に大きな差異は見られない。唯一異なる点としまで成⻑したと仮定した場合、数⼗キロの距離を跡出土犬の摂取食物の多様性は、犬の移動性におた。⼩⽵⾙塚の埋葬⽝が多様な⾷性を⽰したのは、て、小竹貝塚からは汽水域の魚種がより多く検出

単独もしくは⼈と共に移動してきた可能性も考えいても何かしらの関連があるかもしれません。

周囲の環境の違いを反映してのことかもしれませ
されており、三引遺跡とはやや異なる要素もありられます。この様に、縄⽂時代の遺跡出⼟⽝の摂いずれの事例においても、縄文時代の犬は人とのは、周囲の環境の違いを反映してのことかもしらの関連があるかもしれません。
和見的な挙動を示すことだけは確かです。場合にれません。

よっては、特定の餌を一時期に与えていた可能性ん。
ました。小竹貝塚の埋葬犬が多様な食性を示した

海岸部以外の遺跡に注目してみると、また大き取⾷物の多様性は、⽝の移動性においても何かし必ずしも同じ食物資源を常に利用しておらず、日は否定できないものの、各地域で統一的な犬の飼251

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

育法や餌の制限はない、粗放的飼育状態であった

土した犬骨では、海産物摂取の影響が強く見られと推察されます。

ますが、多様性が低下するという点では同様の傾

一方、縄文時代後の弥生時代以降になると、大向でした。これらのことから、犬の生息環境・食型環壕集落跡から出土する犬骨の安定同位体比は環境の多様化・均質化の要因は犬の食性と関連し多様性が低下する傾向にあります。稲作に生業がている可能性が高いといえます。縄文犬の摂取しシフトすることで、水田に生息する淡水魚へのアていた食物資源の高い多様性も人の社会のあり方

クセスも容易になり、海産物摂取割合も低下してと連動しての現象と思われます。小竹貝塚出土埋いきます（図 7）。また、中近世の城下町から出

葬犬の安定同位体比の多様性もこの現象に起因するものと思われ、より粗放的な環境で自由に人のものと思われ、より粗放的な環境で⾃由に⼈の集

24

集落間を行き来していたのかもしれません。その

海生哺乳類

22

落間を⾏き来していたのかもしれません。そのおおこぼれの餌として人が獲った魚を食べていた

20
18

サケ

16
15NAIR (‰)

こぼれの餌として⼈が獲った⿂を⾷べていたり、り、違う集落では陸上の食物資源にありつけてい

違う集落では陸上の⾷物資源にありつけていと思

海生魚類と思われます。

淡水魚
(肉食)

14

海生貝類

淡水魚
(雑食)

12

われます。
24

5．おわりに
22

草食動物

10

20
古代犬の炭素・窒素安定同位体分析を通して、

8

サケ
18
海生魚類
犬の摂取食物に関する情報を抽出してきました

6
C3植物

-24

-22

-20

-18

16

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

埋葬犬

13CPDB (‰)

非埋葬犬ものと思われ、より粗放的な環境で⾃由に⼈の集図 6．
上 黒岩岩陰遺跡出土埋葬犬・散乱犬骨の炭素・6.上⿊岩岩陰遺跡出⼟埋葬⽝・散乱⽝⾻の炭素・落間を⾏き来していたのかもしれません。そのお
埋葬人骨

窒素安定同位体比（四角の範囲は、各食物の炭素・窒素安定同位体⽐（四⾓の範囲は、各⾷物の炭素・こぼれの餌として⼈が獲った⿂を⾷べていたり、
窒素安定同位体比に対して、犬が各食物候補を
窒素安定同位体⽐に対して、⽝が各⾷物候補を摂摂取した際に生じる栄養濃縮係数を加算した場違う集落では陸上の⾷物資源にありつけていと思合にとりうる範囲を示している。）
取した際に⽣じる栄養濃縮係数を加算した場合にわれます。
とりうる範囲を⽰している。
）
24
海生哺乳類

22

20
いずれの事例においても、縄⽂時代の⽝は⼈と18
海生魚類
必ずしも同じ⾷物資源を常に利⽤しておらず、⽇
サケ

16

淡水魚
(肉食)

-6

-4

埋葬犬
非埋葬犬
埋葬人骨

⾻の炭素・

物の炭素・

物候補を摂

した場合に

の⽝は⼈と

おらず、⽇

す。場合に

いた可能性

的な⽝の飼

15NAIR (‰)

和⾒的な挙動を⽰すことだけは確かです。場合に

植物

14

淡水魚

(肉食)
が、ストロンチウム同位体比や酸素同位体比など

C4植物

淡水魚
よっては、特定の餌を⼀時期に与えていた可能性
(雑食)
海生貝類

12

15NAIR (‰)

4
2

海生哺乳類

14

淡水魚
他の同位体情報を応用することで犬の移動に関す
(雑食)
12
海生貝類

草食動物
る情報も抽出が可能です。多元素同位体分析によ
108 高精度な古代犬の生態復元を実施することで、り、
6
過去の人と犬の関係性がより具体的に復元できま4す。私たち現代人は、過去の人と犬との関わりを
C3植物

C4植物

2

-24
-22
-20
-18
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
ついつい現代社会のアナロジーで捉えがちです。
13CPDB (‰)

同位体情報という客観的な指標を用いることで先図入観を打破し、私たちがこれまで予想もしなかっ7.弥⽣⽝の安定同位体⽐の⽐較（四⾓の範囲は、た人と犬の関係性が見えてくると期待されます。
各⾷物の炭素・窒素安定同位体⽐に対して、⽝が各⾷物候補を摂取した際に⽣じる栄養濃縮係数を注釈加算した場合にとりうる範囲を⽰している。
）
1）2）学術的な表現として、「犬」と「イヌ」、「人」

草食動物は否定できないものの、各地域で統⼀的な⽝の飼10５ ． お わと「ヒト」で区別して利用する場合が多い
りに育法や餌の制限はない、粗放的飼育状態であった
8

古代⽝の炭素・窒素安定同位体分析を通して、が、本原稿は学術的表記よりわかりやすさ

6と推察されます。

⽝の摂取⾷物に関する情報を抽出してきましたが、を重視するためにそれぞれ「犬」と「人」

C 植物
C 植物
⼀⽅、縄⽂時代後の弥⽣時代以降になると、⼤ストロンチウム同位体⽐や酸素同位体⽐など他のに統一した。

型環壕集落跡から出⼟する⽝⾻の安定同位体⽐は
-24
-22
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-10
-8
-6
-4

同位体情報を応⽤することで⽝の移動に関する情3）埋葬された形跡が残っていない犬骨。

13CPDB (‰)
多様性が低下する傾向にあります。稲作に⽣業が報も抽出が可能です。多元素同位体分析により、

4

3

4

2

図
7．弥 生犬の安定同位体比の比較（四角の範囲は、シフトすることで、⽔⽥に⽣息する淡⽔⿂へのア
⾼精度な古代⽝の⽣態復元を実施することで、過文献
図 7.弥⽣⽝の安定同位体⽐の⽐較（四⾓の範囲は、各食物の炭素・窒素安定同位体比に対して、犬クセスも容易になり、海産物摂取割合も低下して去の⼈と⽝の関係性がより具体的に復元できます。
富山県文化振興財団（2014）「富山県小竹貝塚発
各⾷物の炭素・窒素安定同位体⽐に対して、⽝がが各食物候補を摂取した際に生じる栄養濃縮係
いきます（図７）。また、中近世の城下町から出⼟
私たち現代⼈は、過去の⼈と⽝との関わりをつい掘調査報告書」富山県教育委員会埋蔵文化財数を加算した場合にとりうる範囲を示している。
）
各⾷物候補を摂取した際に⽣じる栄養濃縮係数をした⽝⾻では、海産物摂取の影響が強く⾒られまつい現代社会のアナロジーで捉えがちです。同位加算した場合にとりうる範囲を⽰している。）
すが、多様性が低下するという点では同様の傾向 252 体情報という客観的な指標を⽤いることで先⼊観でした。これらのことから、⽝の⽣息環境・⾷環
５．おわりに
境の多様化・均質化の要因は⽝の⾷性と関連してを打破し、私たちがこれまで予想もしなかった⼈と⽝の関係性が⾒えてくると期待されます。

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

センター
石川県埋蔵文化財センター（2005）「七尾市三引遺跡 ４」財団法人石川県埋蔵文化財センター
著者情報
覚張隆史（金沢大学人間社会学域
助教）2011 年東京大学新領域創成科学研究科博士課程単位取得体学。2012 年日本学術振興会特別研究員（PD）（北里大学）を経て、2015 年 11 月より現職。

（2021 年 3 月 31 日掲載）

（2022 年 3 月 31 日改版）

253

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

古代アンデスの人々はリャマやアルパカを飼育していたのか？
― ストロンチウム同位体比分析で動物の出身地を探る ―瀧上舞（国立科学博物館）

1．はじめに割は大きく、アンデス文明の研究者はラクダ科動物飼育の伝播過程や、管理の実態、利用規模など

軽くて柔らかくて暖かいアルパカセーターは、に注目してきました。

世界中で大人気の防寒具です。近年は日本でも入手しやすくなったアルパカウール製品ですが、もラクダ科動物飼育の推定方法には、動物考古学

ともとはアンデス文明で開発された資源だったと的調査の長い歴史があります。ラクダ科動物の骨いうことはあまり知られていません。南米アンデのサイズや歯の形態変化、出土骨中のラクダ科動ス山脈の周辺で発展したアンデス文明には牛や物の割合やシカ骨との割合の変化、ラクダ科動物

馬、羊が存在せず、その代わり大型の家畜動物との年齢分布の変化など、飼育の開始は動物骨からしてリャマとアルパカが飼育されていました。毛得られる様々な指標で検証されてきました。近年

は衣類に、肉は食物に、骨は道具に加工され、さでは、これらの動物考古学的調査に加えて同位体

らに荷物の運搬力としても利用されており、リャ

比分析を行うことで、より確かな飼育推定を行っ

マ・アルパカは多用途な家畜として経済的な寄与た報告が増えてきています。私たちの研究チームの大きい動物でした。

もパコパンパ遺跡のラクダ科動物について調査を行いました。

リャマとアルパカは、野生のグアナコとビクー
ニャから家畜化されました（以下、リャマ・アル

2．パコパンパ遺跡

パカ・グアナコ・ビクーニャをまとめて表現する
際は「ラクダ科動物」と呼びます）。ラクダ科動パコパンパ遺跡はペルー北部高地に位置する巨物は過酷な環境への耐性が強く、特にアルパカは大な神殿建築です（図 1）。標高 2,500 m のアン

高地に適応しています。ラクダ科動物の家畜化は

デス山脈東斜面上部に位置します。この遺跡はラ高地高原で生じ、その後、標高の低い山間部や低クダ科動物飼育の伝播過程において、注目すべき地にも伝播したと考えられています。家畜化が生じた時期については、単一起源説と他地域起源説の両方が存在しています。近年ではアルゼンチンやチリの高地を含む他地域起源説を支持する研究者が増えています。リャマは遅くても紀元前 2000
年頃に、アルパカは紀元前 4000 年頃から前 3500
年頃の間に家畜化されたと推測されています。
家畜化されたラクダ科動物は各地に伝播しましたが、その時期や段階的な伝播の変遷について
は、未だ全容が明らかになってはいません。多用
途な家畜であることから社会の発展に果たした役

図 1．パコパンパ遺跡遠景
254

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

遺跡の一つです。なぜならば、パコパンパ遺跡は
かつて野生のラクダ科動物の分布域外だったと考えられているからです。それにも関わらず、パコ
パ ン パⅠ 期（ 紀 元 前 1200 年 〜 前 700 年， 以 下
PC-Ⅰ期と表記）からラクダ科動物の骨が出土し始めます。続くパコパンパⅡ期（紀元前 700 年〜
前 400 年，以下 PC-Ⅱ期と表記）には、ラクダ科動物の骨の出土量が急増します。したがって、
PC-Ⅰ期に極僅かなラクダ科動物がヒトの手を介

図 ２．ス トロンチウム同位体比分析による出身地推定の概念図

して遺跡に存在し、PC-Ⅱ期にはラクダ科動物の管理・利用形態が大きく変化した可能性が考えられます。パコパンパ遺跡に、いつ・どんな形でラし、クイは食用として居住地近くで飼育されていクダ科動物とその飼育方法が伝わったのかを明らました。言い換えると、遺跡を利用していた人々

かにすることは、ラクダ科動物という生態資源のの生活圏内にある同位体比がこれらの動物から推利用変遷の研究に一つのマイルストーンを置くこ

測できます。さらに遺跡が存在している地質の値とが期待できます。私たちの調査チームはパコパを反映した試料（歯の象牙質や植物）も含めて在ンパ遺跡におけるラクダ科動物の飼育を明らかに

地の値を調べた結果、ラクダ科動物の同位体比はするため、同位体比分析を行いました。

ほとんどが在地の値と一致しました。したがって、遺跡周辺のヒトの活動範囲内でラクダ科動物が飼3．ストロンチウム同位体比による出身地推定

育されていた可能性が示唆されます。

ストロンチウム（Sr）の同位体比は地域によっ

なお、PC-Ⅰ期のラクダ科動物のストロンチウて異なっており、水を通してその地域に生息する

ム同位体比と比較できれば良かったのですが、植物から動物へと反映されます。特に動物の歯に

PC-Ⅰ期のラクダ科動物の骨片は極少数であり、は、歯が形成される幼少期に過ごした地域のスト

なおかつストロンチウム同位体比分析に適した歯

ロンチウム同位体比が記録されています。遺跡かの試料が存在していなかったため、残念ながら調ら出土する動物の歯のストロンチウム同位体比を

査は叶いませんでした。

分析し、遺跡周辺の同位体比や他の個体の同位体4．まとめ

比と比較することで、「同一地域で成長したのか、それとも別の地域から来たのか」という出身地域

私たちの研究では、動物考古学的調査を背景を推定することができます（図 2）。

に、パコパンパ遺跡のラクダ科動物の同位体比分分析の結果、パコパンパ遺跡から出土した PC-

析から、PC-Ⅱ期に遺跡周辺でラクダ科動物飼育

Ⅱ期のラクダ科動物の歯のストロンチウム同位体87が行われていたことを明らかにしました。

86

比（ Sr/ Sr）は幅広い値を示しました（図 3）

野生のラクダ科動物の分布域外と推定されてい（Takigami et al., 2020）。このラクダ科動物の幅るパコパンパ遺跡周辺には、おそらく元々はラク

広い同位体比が遺跡周辺地域の値を反映している

ダ科動物が存在していなかったと想像されます。

のかどうかを確認するため、遺跡から出土したシそのため PC-Ⅰ期にはラクダ科動物は稀少な存

カとクイ（テンジクネズミ）の同位体比も分析し在でした。炭素・窒素同位体比分析からは、植生ました。アンデス文明では、シカは飼育に適さなの異なる地域から連れて来られていた可能性が示

いため、その都度狩猟により入手されていました唆されています（Takigami et al., 2021）。おそら
255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．パコパンパ遺跡出土動物骨のストロンチウム同位体比（Takigami et al., 2020 の図 3 改訂）

く儀礼や祭祀の特別な生贄として稀に入手された

文献

か、あるいは別の地域からキャラバンで荷物を載Takigami M, Uzawa K, Seki Y, D. Morales-

せてやってくる珍しい動物として認識されていた

Chocano, Yoneda M (2020) Isotopic evidenceのでしょう。しかし、PC-Ⅱ期になると身近な動

for camelid husbandry during the formative

物に変貌します。自分たちで飼育・管理を行い、

period at the Pacopampa site, Peru.

食料や毛織物の原料、荷駄獣として様々に活用しEnvironmental Archaeology. 25(3): 262‒278.

ていたと推測されます。遺跡からは PC-Ⅱ期に

https://doi.org/10.1080/14614103.2019.1586091

針や紡錘車の出土量が増加し、紡績関連活動の比Takigami M, Seki Y, Nagaoka T, Uzawa K, D重が高まったことが推測されています。また、遺Morales-Chocano, Mukai H, Yoneda M (2021)

跡の神殿建築も大きく複雑になり、金銀銅製品がIsotopic study of maize exploitation during

出土するなど、社会の発展がうかがえます。ラク

the formative period at Pacopampa, Peru.

ダ科動物の飼育導入が社会の発展に大きな影響をAnthropological Science 129(2): 121‒132.

与えたのかもしれません。

https://doi.org/10.1537/ase.210531

アンデス中央高地や南部高地の高原地域で始
著者情報まった飼育活動は、南北様々な地域の標高の低い
山間部に伝播していきました。北部高地の他の神瀧上殿遺跡でも、パコパンパと同時期にラクダ科動物究部研究員）2015 年東京大学新領舞（国立科学博物館人類研

域創成科学研究科先端生命科学専の出土量が増加するという報告があり、ちょうど

攻修了、博士（生命科学）。2009 年

紀元前 800 年〜前 700 年頃からアンデス北部の山

日本学術振興会特別研究員（DC1）、2012 年同（PD）、2015 年山形大学

間地域にラクダ科動物の飼育が伝播したと推測さ学術研究員、2018 年国立歴史民れます。このパコパンパ遺跡の同位体比データは

俗博物館プロジェクト研究員を経て、2021 年より現職。

その瞬間を捉えたと言っても過言ではないかもしれません。現在、私たちのチームは他の遺跡でも（2020 年 3 月 31 日掲載）

同位体比分析を進めており、今後さらにこの説を（2022 年 3 月 31 日改題・改版）補強するデータが得られると期待しています。

256

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

古代アンデスの人々は何を食べていたのか？
― 炭素・窒素同位体比分析でトウモロコシ利用を探る ―瀧上舞（国立科学博物館）

1．はじめに

2．アンデス文明におけるトウモロコシ

アンデス文明といえば、黄金色のトウモロコシ

アンデス文明とは、南米のアンデス山脈周辺にがあふれる豊かな社会というイメージをもつ方も栄えた文明です。一つの連続した社会ではなく、多いのではないでしょうか？

実際にアンデス文

ナスカやモチェ、インカなど様々な地域で大小の明ではいろいろな種類のトウモロコシを栽培し、社会が興亡しました。最盛期にはインカ帝国が広たくさん食べ、お酒にして飲み、神様に捧げてい域を支配し、北はコロンビアから南はチリ・アルました（図 1）。まるで日本における米のように、ゼンチンにまたがる地域へ影響を及ぼしました

トウモロコシは大切で親しみのある食物でした。

が、1532 年にスペイン人により征服されました。

日本では弥生時代に稲作が到達し、徐々に日本各

そのアンデス文明で食糧として利用されていた地へ広がっていきましたが、アンデス地域でも中トウモロコシは、中米地域で 9000 年前頃から利米で栽培化されたトウモロコシが伝わった後、用が始まり、およそ 6500 年前までに半栽培化の徐々に広がっていく歴史があります。その伝播の状態で南米に伝わり、独自に栽培化が進んだと考過程（いつ・どこで・どのくらい使われるようにえられています。遺跡や土壌堆積物から出土するなったのか）は未だわからないことも多く、様々

トウモロコシの殻粒や穂軸、葉、花粉などから、な研究者が謎の解明に取り組んでいます。私もアンデスの太平洋岸では 6500 年前、高地で遅くそんな研究者の一人であり、アンデス文明初期

とも 4000 年前、アマゾン地域でも 6000 年前にはの社会でのトウモロコシ利用の伝播を調査して栽培が始まっていたと推測されています。

います。

では実際にヒトの食料の中で、トウモロコシはどのくらいの割合を占めていたのでしょうか？
遺跡から出土する食物残渣やでんぷん粒、土壌コ
ア中の花粉分析では、そこにその食物が存在していたことや相対的な増減は推定できますが、個人の食物中の割合までは推定できません。そこでヒトの骨の中に記録された食べ物の情報が重要になってきます。
3．炭素・窒素同位体比分析による食性推定
ヒトが食物を摂取すると、胃や腸を通って小さく分解されます。アミノ酸まで分解された後、血液中を通って体の各組織に運ばれ、新しい組織を

図 1．屋 台で売っている茹でトウモロコシ。添えてあるのは塩味のきいたチーズ。

形成します。その時、そのアミノ酸の元となった
257

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

食物が何だったのかという情報を記録したまま、ヒトの体は形成されていきます。その情報が同位体比です。
ヒトの食物となる動植物は、光合成回路の違い
や、栄養段階の違いから、異なる炭素同位体比（δ13C）と窒素同位体比（δ15N）を有しています。
ヒトの体組織には摂取した食物の同位体比を混合した値が反映されており、より多く食べた食物の値に近づきます。例えば、トウモロコシを多く食
べた個体は高い炭素同位体比を示し、魚を多く食

図 2．パ コパンパ遺跡出土人骨の炭素・窒素同位体比（Takigami et al., 2021 を改変）

べた個体は高い窒素同位体比を示します。この手法を用いて遺跡から出土する古人骨の同位体比を分析することで、昔の人がどのくらいトウモロコ

な C4 植物の摂取を意味します。直接的な C4 植物

シを摂取していたのかという「食性」を推定する

摂取の候補として、アンデス地域で栽培されたトことができます。

ウモロコシとアマランサスがあります。パコパン
パ遺跡の土器や歯石中のデンプン粒分析からはト

4．パコパンパ遺跡のトウモロコシ利用

ウモロコシしか検出されておらず、また現在のパ分析対象としたのはペルー北部高地の標高

コパンパ周辺の年間気温からはアマランサスの栽

2,500 m の山地に位置するパコパンパ遺跡です。

培には適さないことが推測されるため、パコパン

アンデス文明初期の社会で栄えた巨大な神殿建築

パ遺跡で当時栽培されていた C4 植物はトウモロの遺跡です。パコパンパⅠ期（紀元前 1200 年〜

コシだと考えられます。間接的な C4 植物利用に

前 700 年、以下 PC-Ⅰ期と表記）とパコパンパ

は、C4 植物で飼育された動物の肉が想定されまⅡ期（紀元前 700 年〜前 400 年、以下 PC-Ⅱ期

す。動物骨の同位体比分析からは、PC-Ⅰ期にテと表記）の 2 時期に区分され、PC-Ⅰ期の終わり

ンジクネズミ（食用モルモット、クイとも呼ぶ）

から PC-Ⅱ期にかけて神殿の巨大化や複雑化、が、PC-Ⅱ期にテンジクネズミとリャマが C4 植

リーダーの出現、銅製品生産、遠隔地からの奢侈物を食べていたことが示されました（図 3）。ア品輸送、地域間交流の活性化など、大きな社会的ンデスでは、標高の低い地域において野生の C4変化が生じています。私たちは同位体比分析によ植物が数多く存在していますが、標高 2,000 m 以

る食性推定から、社会の変化に伴ってヒトの食性上の高地ではその種類が激減します。パコパンパにどのような影響があったのかを調査しました

遺跡の標高では野生の C4 植物はほとんど存在し（Takigami et al., 2021）。

ないため、テンジクネズミやリャマはヒトが栽培

パコパンパ遺跡のヒトの同位体比を調べると、した C4 植物、すなわちトウモロコシを摂取してPC-Ⅰ期は低い炭素同位体比を示しましたが、いたと推測されます。また、PC-Ⅰ期の時点です

PC-Ⅱ期からは炭素同位体比が上昇していました

でに、テンジクネズミにトウモロコシを与えてい（図 2）。これは PC-Ⅰ期の C3 資源（キャッサバ

たことは注目すべき結果です。当時、テンジクネなどの C3 植物と、野生のシカなどの C3 植物を摂ズミは台所で残飯などを餌に飼育されていました

取した動物）への高い依存から、PC-Ⅱ期に C4（図 4）。この小型家畜がトウモロコシを摂取して資源利用の導入という食性の変化が生じたことをいたということは、おそらく人も PC-Ⅰ期にト示しています。C4 資源利用とは直接的／間接的

ウモロコシを食べていたことでしょう。しかし、
258

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

示唆されており（Takigami et al., 2020）、ラクダ
科動物飼育の導入がヒトの食物資源利用に大きな影響を与えていたことが読み取れます。
なお、両時期を通じて窒素同位体比は低く、海から離れた立地のパコパンパ遺跡では海産資源の利用は極めて少なかったと考えられます。
5．アンデス形成期の食性比較
さらに、この食性変化はペルー広範囲で同時期に生じたと考えられます。パコパンパ遺跡の結果と先行研究で報告された同位体比を図にまとめてみると（図 5）、PC-Ⅰ期に相当する形成期中期（〜紀元前 800 年頃）までの食性では、C3 資源と海産資源を結ぶ長線上に各地の遺跡が分布しています。これは海産資源と C3 資源が中心的な食物で、海産資源の割合は海岸からの距離によって異なっていたことを表していると考えられます。しかしPC-Ⅱ期に相当する形成期後期（紀元前 800 年頃〜

図 3．パコパンパ遺跡出土動物骨の炭素・窒素同位体比（Takigami et al., 2021 を改変）

前 250 年頃）とその後の末期（紀元前 250 年頃〜
前 50 年頃）になると、クントゥル・ワシ遺跡や、
アヤクーチョ盆地のピキマチャイ洞窟などでも、C4 資源の利用が始まっていることが報告されており、C4 資源利用の増加が広範囲で生じていたことが示唆されます。残念ながらこの 2 遺跡では同一遺跡内での食性の時代差が検証できていない
ため、形成期中期にどのような食性だったのかは分かっていません。現在のところ、同位体比分析

図 4．屋内で飼育されているテンジクネズミ

他の C3 植物や C3 植物を食べた動物がヒトの食料の大部分を占めていたため、PC-Ⅰ期の人骨の同位体比には表れてこなかったと考えられます。それが PC-Ⅱ期になると、トウモロコシで飼育されたリャマの肉や、増産されたトウモロコシを多く食べたことで、古人骨の同位体比にも C4 資源
図 5．ア ンデス形成期の広域的な食性比較。形成期早期〜中期（紀元前 3000 年頃〜前 800 年頃）と形成期後期〜末期（紀元前 800 年頃〜 50 年頃）で食性の傾向が異なる。
（Takigami et al., 2021 を改変）利用がしっかり記録されたのだと推察されます。
PC-Ⅱ期にラクダ科動物の飼育が始まった可能性
は、ストロンチウムの同位体比の分析結果からも259

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

で検出された形成期の食性の時代変遷はパコパン

Morales-Chocano, Mukai H, Yoneda M (2021)

パ遺跡が唯一の事例となっていますが、さらに検Isotopic study of maize exploitation during

証するため、現在も調査を続けています。トウモ

the Formative Period at Pacopampa, Peru.

ロコシはいつ、どうしてアンデス地域の主要な食

Anthropological Science 129(2): 121‒132.

料になったのか、同位体比分析というライトで古https://doi.org/10.1537/ase.210531

代アンデスの人々の生活を照らしだしていきま
著者情報

す。

瀧上

舞（国立科学博物館人類研究部研究員）2015 年東京大学新領文献

域創成科学研究科先端生命科学専

Takigami M, Uzawa K, Seki Y, D. Morales

攻修了、博士（生命科学）。2009 年

Chocano, Yoneda M (2020) Isotopic evidence

日本学術振興会特別研究員（DC1）、2012 年同（PD）、2015 年山形大学

for camelid husbandry during the formative

学術研究員、2018 年国立歴史民

period at the Pacopampa site, Peru.

俗博物館プロジェクト研究員を経て、2021 年より現職。

Environmental Archaeology 25(3): 262‒278.

https://doi.org/10.1080/14614103.2019.1586091
Takigami M, Seki Y, Nagaoka T, Uzawa K, D

260

（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

法医学で同位体学を利用できるかな？
小

山

哲

秀

（新潟大学大学院医歯学総合研究科地域疾病制御医学専攻
地域予防医学大講座法医学）
2．行方不明者の身元を探るには？

1．同位体と法医学って？
皆さんは“法医学”と聞いて何を思い浮かべる

そこで、筆者も同位体を用いた行方不明者の身でしょうか。最近は TV ドラマでも取り上げられ元推定するツールを確立すべく注目したのが水素ることもあり、以前よりは法医学という言葉を耳と酸素同位体比です。人の体の水分量は約 60％にする機会が多くなったと思います。法医学とは、程度と言われています。その水の供給源は、多く「医学的解明助言を必要とする法律上の案件、事の人の場合、食事や飲水から得られる水にあたる、

項について、科学的で公正な医学的判断を下すこ

水道水が占めることになります。当然ながら、水とによって、個人の基本的人権の擁護、社会の安は酸素と水素により構成されておりますので、体全、福祉の維持に寄与することを目的とする医学内に存在する水素と酸素元素は概ね水道水由来でである。（1982 年日本法医学教育委員会報告よりあることが想定されます（図 1）。

抜粋）」とされております。日々の業務としては、2008 年に米国における水道水の酸素および水亡くなられた方の死因を究明することを主として素同位体比には地域差があり、ヒトの毛髪中の水おり、数多くの知識と経験と技術を駆使して日々素と酸素同位体比と高い相関性があることが報告

奮闘し、事件や事故、病気などの再発防止を含め、されました（Ehleringer JR et al. 2008）。この検広く社会に還元できることを目標に活動しており討では、広い国土を持つ米国で行われており、水ます。

質や環境状況が異なるため、日本での応用が可能

さて、同位体を利用した研究は、法医学に関連かどうかは不明です。そこで、日本においてもヒする犯罪捜査の分野でも利用されています。例えト由来試料と水道水安定同位体比から居住域を推ば、炭素や窒素の同位体比の組み合わせによって、定するツール作成が出来ないか検討を行っていま

南アメリカ地方で生産されたコカインがどこで作す（図 2）。

られたか、地理的起源の追跡に利用されたりしています（Ehleringer JR et al. 2000）。また、染田らは、戦没者遺骨に対して、日本人と米国人とを判別する方法として同位体を用いた識別法を開発
し、100 ％ の 正 答 率 を 得 ま し た（Someda et al.
2016）。とりわけ、法医学で重要事項の 1 つである身元を確認する方法として同位体を利用できる

図 1．本研究のコンセプト

可能性は、とてもエキサイティングなチャレンジだと考えています。まさに、元素の安定同位体比という「指紋」を手がかりにヒトを科学する重要なアプローチになると確信しています。

図 2．本研究の目的
261

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

3．高い壁（＝課題）を乗り越えられるのか？

型や指紋・掌紋に代表される身体的特徴によるも本検討を実施するにあたっては解明すべきポイのや、DNA 型による個人固有の遺伝情報によるントがいくつかあります。まず、環境水ではなくものがあります。これらは、個人を特定する能力

水道水を利用する点です。水道水に関しては、①はありますが、対象者の情報が必要となります。

水道水中の同位体比は地域によって差を生じうる

一方、同位体を用いた本研究では、個人を特定すのか？

②どの程度の地域差が生じているのか？

ることは難しいと思いますが、どの地域に居住し③環境水で認められる同位体比の季節性および経ていたかを推定することは可能であろうと考えて

年変化による数値変動はあるのか？

こういったいます。将来的な展望としては、身元不明者の個

疑問を一つ一つ丁寧に解決し、水道水同位体マッ

人特定法として、同位体による地域推定と、歯型プを作成することが目標となります。

や DNA 型などを組み合わせた方法が確立出来れ現在のところ、新潟県内数百箇所の水道水を採ば、これまで以上に身元不明者を減らすことが出

水し、同位体マップの作成を行っております。本

来るかもしれません。本研究を広く社会の皆様に

稿では、具体的なデータの公表は今後の研究のた還元出来るよう、一生懸命頑張ります。

めに控えさせて頂きますが、地域差や数値変動においては極めて興味深いデータが得られており、

文献

鋭意発表出来るよう準備を進めております。

Ehleringer JR, Casale JF, Lott MJ, Ford VL.

次に、居住域を推定するにあたっては、①既報

Tracing the geographical origin of cocaine.

と同様に、水道水と居住する者の毛髪中同位体にNature. 408(6810):311-2 (2000) DOI:

相関性が認められるのか？

10.1038/35042680②様々な背景を持つ

Someda H, Gakuhari T, Akai J, Araki Y, Kodera

法医サンプルにおいても、居住域の推定は可能なのか？

T, Tsumatori G, Kobayashi Y, Matsunaga S,③毛髪以外のヒトサンプルでも、同じよ
このような視点から、

Abe S, Hashimoto M, Saito M, Yoneda M,

解析を進めることによって、最終的に今後利用可

Ishida H. Trial application of oxygen and

能なツールとしての確立を目指していきます。

carbon isotope analysis in tooth enamel for

うな検証は可能なのか？

identification of past-war victims for4．法医学における同位体の可能性と目指すもの

discriminating between Japanese and US

筆者が経験してきた研究背景は、同位体とは全soldiers. Forensic Sci Int. Apr; 261:166. e1-5.

く無縁の世界です。そんな中、同位体の魅力に惹(2016) DOI: 10.1016/j.forsciint.2016.02.010.

き込まれ、幸運にも研究をさせて頂くこととなり

Ehleringer JR, Bowen GJ, Chesson LA, West AG,

ました。今回、分不相応にも本稿を書かせていた

Podlesak DW, Cerling TE. Hydrogen andだくにあたり、“法医学分野における同位体をど

oxygen isotope ratios in human hair are

うやって表現すれば最も伝わりやすいのだろrelated to geography. PNAS. Feb

う？”と思案しておりましたところ、地球研のホー26;105(8):2788-93. (2008) DOI: 10.1073/

ムページの同位体環境学共同研究事業内に、「元pnas.0712228105.

素の安定同位体比という「指紋」が内在しています」という記述に救われた記憶があります。まさに同位体が指紋と同じような身元推定法の 1 つとなればこれ以上幸せなことはありません。
法医学分野で身元を推定する方法としては、歯262

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
小山哲秀（新潟大学医学部法医学教室助教）2011 年 4 月から 2016
年 9 月まで新潟大学研究機構超域学術院・助教、同年 10 月から新潟大学脳研究所システム脳病態学分野・特任助教を経て、2017 年 4 月
から新潟大学医学部法医学教室・助教、同年 7 月から新潟大学大学
院医歯学総合研究科死因究明教育センター（兼任）。

（2020 年 3 月 31 日掲載）（2020 年 4 月 7 日改版）

263

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

氷河の氷の安定同位体比から復元する昔の気温― シルクロードの気候変動を探る ―竹内望（千葉大学）

極地や高山に分布する氷河は、過去数百から数うな寒冷地では、一度降った雪が融けてなくなる

万年にわたって毎年雪が積もり重なって形成されことがないため、積雪は毎年層となって積もり重たものです。氷河の中に保存された雪の年輪を掘なっていきます。数百から数千年という長い間、削して得た円柱状の氷の試料を、アイスコアとい雪が降り積もると、深さ数百から数千 m の巨大います。アイスコアの氷の構成する水の安定同位

な雪と氷の塊となり、さらにその塊は重力によっ体比を分析すると、その雪が降った当時の気温をてゆっくり動き出します。このように形成された

推定することができます。大気から地上に降る雪

ものが、氷河です。

や雨の水の安定同位体は、気温が高い時ほど重い氷河の内部には、数百から数万年にもわたって同位体をもつ水分子がわずかに多く含まれるため降り積もった雪や氷が、層となって年輪のようにです。近年、南極や北極だけでなく、アジアの山保存されています。この氷河の年輪を氷河の上か岳地帯からもアイスコアが掘削されるようになり

ら特殊なドリルを使って掘り出した円柱状の試料ました。そのような低緯度山岳氷河のアイスコア

を、アイスコアといいます（図 2）。アイスコアは、は、数千年の我々人類の歴史とも密接と関わる環

現在から過去にかけて地球上に降った雪を連続的

境変動を明らかにしてくれます。

に保存した試料ということになります。大気上空
から降ってくる雪は、大気の成分や大気中に浮遊

1．氷河とアイスコア

する様々な物質を一緒に巻き込んで氷河上に堆積

氷河とは、重力によってゆっくりと流れる雪とします。このような雪に含まれる成分や物質は、氷の塊で、地球の寒冷域に分布します（図 1）。

その時の地球環境を示す重要な情報を持っていま

氷河は、南極やグリーンランドなどの極地のほか、す。アイスコアに含まれているさまざまな成分をヒマラヤや天山、ロッキー、アンデス山脈などの分析することによって、過去の地球環境を連続的高山域にも分布します。夏でも気温の低いこのよな時系列で復元することができるのです。アイス

図 1．中央アジア天山山脈の山岳氷河

図 2．氷河から掘削したアイスコア試料264

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

コアの研究は、地球の過去にさかのぼるタイムマ

する水の安定同位体比を、安定同位体温度計とも

シンといってもいいでしょう。

言います。

過去の地球環境を復元する手段には、他にも樹厚さ 3,000 m を超える巨大な氷河である南極氷

木の年輪や湖底堆積物などがあります。その中で床には、過去数十万年というとても長い期間の降もアイスコアは、昔の降水や大気、大気に浮遊す

雪が保存されています。南極氷床から掘削されたる物質をそのまま冷凍保存するという、他の方法

アイスコアからは、水の安定同位体比を利用してにはない特徴をもった貴重な試料ということがで

過去数十万年間の気温変動が復元され、地球が氷きます。

期と間氷期という気候変動を十万年周期で繰り返してきたことが明らかとなりました。

2．氷の安定同位体比と気温
3．シルクロードの気候変動

雪や氷からなるアイスコアには、環境指標となる様々な微量物質が含まれており、それらの濃度

近年では南極やグリーンランドなどの極域の氷や構成の分析から過去環境が復元されています。

河だけではなく、ヒマラヤや天山山脈など、山岳

さらに氷を構成する水そのものにも、重要な環境

地の氷河からもアイスコアが掘削されるようにな情報が含まれています。その一つが、雪が降った

りました。このような低緯度帯の山岳氷河のアイ

当時の気温です。氷を構成する水に含まれる安定

スコアは、極域ほど長期間の記録を持っているわ

同位体の構成が、雪が降った時の気温と関係があけではありませんが、地理的に我々人類の生活圏るため、アイスコアの安定同位体分析から気温をと近く、過去数千年の人類の文明や移動とも関わ復元することができます。

る気候変動を明らかにしてくれます。

水分子を構成する酸素原子と水素原子には、そ

天山山脈は、ユーラシア大陸中央部に広がる砂れぞれ複数の安定同位体が存在します。酸素原子

漠地帯を東西 3,000 km に横切る巨大な山脈です。

は質量数 16、17、18、水素原子は質量数 1、2 の山脈の標高は 4,000 から 7,000 m に達し、4,000 m

同位体です。ただし、地球上に存在するほとんどを超える山肌には、山岳氷河が発達しています。

の酸素原子は質量数 16、水素原子は質量数 1 の天山山脈の南北の山麓には、古くから西洋と東洋同位体です。質量数の重い同位体は、数千から数を結んだ交易路として知られるシルクロードが万個に一つと、ごくわずかに含まれるだけです。

通っています。天山山脈の氷河の融解水が、山麓

ただし、水の中に含まれるこの重い同位体の量は、の砂漠地帯にオアシスを形成し、人々の往来を可

水が蒸発や凝結する過程で変化します。氷河の上能にしたためです。数千年に渡って様々な民族やに降る雪に含まれる重い同位体の量は、雪になる文化が往来したシルクロードは、過去どのような前の水蒸気が、どこからどのように蒸発して輸送

気候変動があったのでしょうか。またその気候変されてきたかによって変化し、さらにその過程の動は、地域の文化や人々の往来に影響はしなかっ

気温の影響も大きく受けます。その過程は実際にたのでしょうか。

は複雑ですが、多くの場合では、気温が高いほど2007 年に中央アジア、キルギス共和国の天山

降水や降雪に含まれる重い同位体の量がわずかに山脈の氷河（グリゴレア氷帽、図 3、図 4）でア

多くなります。つまり、気温と水の重い同位体のイスコアの掘削が行われました。標高 4,700 m の量（水の安定同位体比）には、正の相関関係があ

氷河の頂上から氷河底の岩盤まで、深さ 87 m のり、その関係式を知ることができれば、降水の安連続的な氷が採取されました。氷河の底から得ら

定同位体比から降った時の気温を推定することがれた有機物の放射性炭素年代測定から、最底部のできます。このように気温を推定するために利用

氷は、約 13000 年前のものであることがわかりま265

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 年版した。このアイスコアは、シルクロードの 13000

このアイスコアの水の安定同位体比の分析の結年間の歴史に対応する気候変動を保存しているこ

果、13000 年間の気温変動を復元することができとになります。

ました（図 5）。アイスコアの浅い部分は、氷河の表面に近くなるほど、安定同位体比は高くなっていることがわかりました。これは、20 世紀以降、降雪の中の重い同位体の量が増えている、つまり気温が上昇していることを示しています。その気温上昇量は 100 年あたり、約 1.2℃と推定できました。また、この近年の気温は、過去 13000 年間の中で最も温暖であることがわかりました。19
世紀以前は、小さな変動があるものの比較的安定な気温が長く続いていたこともわかりました。最図 3．天 山山脈グリゴレア氷帽頂上のアイスコア掘削
キャンプ

も大きく気温が変化したのは、今から約 8000 年前であることがわかりました。この氷の層の安定同位体比は、大きく低下しています。過去 10000
年間は完新世と呼ばれる最終氷期の後の温暖な時代ですが、このアイスコアは完新世の初期に中央
アジアでは大きな寒冷化があったことを示しています。さらにアイスコアの最深部の年代が 13000年であったことは、13000 年前にはこの氷河は存在しなかったほど、今よりも温暖であったことを示しています。最終氷期末期に、現在よりも温暖な時代があったことは、このアイスコアの大きな発見の一つです。最終氷期から完新世にかけて、
人類はユーラシア大陸を移動し分布を広げたと考えられています。このような中央アジアの気候変
動は、人類の移動やシルクロードの成立にも大き

図 4．アイスコアを掘削するアイスドリル

図 5．天山山脈グリゴレア氷帽のアイスコアの酸素安定同位体比。重い同位体の量が多い（δ18O が高い）ほど、気温が高いことを示しています。
266

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

く影響を与えた可能性があります。高山の氷河に

299‒312.

保存された氷の安定同位体比を分析することで、

https://doi.org/10.1080/15230430.2019.1638202

我々は地球環境と人間文化の密接な関係を知るこ

竹内望（2012）「天山山脈アイスコアからみる中とが可能となり、それは将来の気候変動を予測す

央ユーラシアの気候変動」In：中央ユーラシ

る上でも重要な意味を持っています。

ア環境史 １ 環境変動と人間（奈良間千之編）、
臨川書店、pp. 16‒85

文献
著者情報

Takeuchi N, Fujita K, Aizen V B, Narama C,
Yokoyama Y, Okamoto S, Naoki K, Kubota J

竹内(2014) The disappearance of glaciers in the

究院教授）1999 年東京工業大学

望（千葉大学大学院理学研

大学院生命理工学研究科修了、博Tien Shan Mountains in Central Asia at the士（理学）。アラスカ大学研究員、

end of Pleistocene. Quaternary Science

総合地球環境学研究所助教、千葉大学大学院自然科学研究科准教授

Reviews, 103: 26e33.

を経て、2012 年より現職。専門https://doi.org/10.1016/j.quascirev.2014.09.006

は雪氷学、雪氷生物学。環境変動

Takeuchi N, Sera S, Fujita K, Aizen V B, Kubotaと雪氷環境に生息する微生物の関係を明らかにするたJ (2019) Annual layer counting using pollen

め、ヒマラヤ、天山、北極など世界各地の氷河の調査

grains of the Grigoriev ice core from theを行っている。

Tien Shan Mountains, central Asia. Arctic,
Antarctic, and Alpine Research, 51(1):

267（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

ネオジム同位体比から明らかになった日本海の形成史（富山大学

1．日本海の形成過程

堀

川

恵

司

学術研究部理学系）

日本海が太平洋と分離し、閉鎖的になっていく

これまでに分かっている日本海の形成過程や日過程は、東北日本の隆起活動や日本列島の形成と本列島の形成史によれば、かつて日本列島はユー密接に関係していますが、いつ頃、そしてどの程

ラシア大陸の一部で、約 2500 〜 2000 万年前に日度の時間スケールで起こったか、については実は本列島とユーラシア大陸の間に溝が形成され、そよく分かっていませんでした。そこで、著者らはれが徐々に拡大し、今の日本海の原型が形成され「海水の由来」を判別できるネオジム（ネオジミたようです。日本海の拡大が終息した 1000 万年

ウムとも表記する）同位体比に着目して、日本海

前には、日本列島の分布は現在の弧状に近い配置の閉鎖時期を解析することにしました。これは、になっていましたが、西日本は朝鮮半島と陸続き

東北日本の隆起活動によって日本海が閉鎖的になで、東日本の大部分は海面下にあったようです。

れば、太平洋からの海水の流入が制限されるため、当時の日本海は、日本列島によって閉ざされた現日本海深層水の化学組成が太平洋と異なるように

在のような半閉鎖的な縁海ではなく、東側に大きなる、この変化をネオジム同位体比から明らかにく開いた湾のような形状をし、日本海と太平洋とできるのではないかと考えたからです。

の間で表層水や深層水を交換していたとされてい2．海水の由来が分かるネオジム同位体比

ます。しかし、1000 万年前以降、東日本〜北海
道地域が徐々に隆起し、太平洋と日本海の間に海水中には、大気から供給されるダスト粒子のあった海峡が徐々に縮小・浅海化して、現在のよ溶脱や、岩石の風化、海底熱水からの供給など、

うな半閉鎖的な日本海が作られました（図 1）。

様々な経路から様々な元素が供給され、蓄積して水温 (℃)
6

2

7 81

9

12

11

10
3

5

12.5
10

日本海

太平洋

3000

7.5
5

0

40˚N

塩分 (psu)
0

33.75

33.5

33.25

34.75

75
33.

34.5

34.25

日本海

2000

3000

130˚E

135˚E

34.25
34.5

140˚E

145˚E

35˚N

34

太平洋

Ocean Data View / DIVA

水深 (m)

34

1000

45˚N

2.5

Ocean Data View

2000

2

水深 (m)

1000

15

11
10
4

3

Ocean Data View / DIVA

0

150˚E

33.75
33.5

130˚E

135˚E

140˚E

145˚E

150˚E

155˚E

33.25
33

図 1．日本海―太平洋の水温と塩分の断面図。外洋との深層水の交換がない半閉鎖的な日本海の水温・塩分は太平洋域の水温・塩分と異なった鉛直構造を示す。
268

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

います。本稿で取り上げるネオジム（Nd）も海えます。そのため、マグマが固化してできた岩石

水に溶けている元素の一つで、主に大陸の岩石がの形成年代が古いほど、あるいは、岩石中にサマ水との反応で溶け（化学風化）、河川を通じて海リ ウ ム が 多 量 に 含 ま れ る ほ ど、 岩 石 は 高 い洋に供給されている元素になります。海水中のネ143

オジム濃度は数十ピコモル（pmol）/kg 程度で、岩石の形成年代・種類（Sm/Nd 比）に応じて、これは海水中の主要イオンの一つであるマグネシ

岩石のネオジム同位体比が多様に変化します。まウ ム（Mg、 約 50 mmol/kg） と 比 べ る と、10 億た、岩石を形成するマグマ源自体の同位体比の変分の 1 の濃度になります。このような海水中に微化（時間と共に 143Nd/144Nd 比が増加）も合わさり、量にしか存在しない元素を、微量元素あるいは極一般に年代の古い大陸地殻が広く分布する北米・微量元素と呼んでおり、ネオジムもそのような微グリーンランド域では、低い 143Nd/144Nd 比を示量元素の一つになります。

す岩石が見られ、より形成年代の若い火山岩が広Nd/144Nd 比 を 持 つ こ と に な り ま す。 つ ま り、

このような微量元素の同位体組成を分析するのく分布する太平洋域では、より高い 143Nd/144Nd

は、非常に難しく、大量の海水試料の濃縮が必要比を持つ岩石が分布しています。

であるにもかかわらず、1979 年には既に海水中陸域に露出する岩石のネオジム同位体組成は、のネオジム同位体比の分布が報告されています。

河川を通じて沿岸海水のネオジム同位体比にも影

この結果は、ネオジム同位体比の水塊化学トレー

響を及ぼします（図 2）。このような関係は海盆

サーとしての有用性を明示した点で非常に重要なスケールでも見られ、北大西洋域の海水は -12 εNd

黎明期の研究結果の一つです。

程度（エプシロンネオジム値2））で、北太平洋のなぜ、1970 年代から海水のネオジム同位体比

海水は -4 εNd 程度の値を示し、周辺陸域の岩石のが注目され、分析され始めたかというと、当時既ネオジム同位体比に概ね一致し、各海域・水塊ご1）に深海底のマンガンノジュール のネオジム同位とにネオジム同位体比組成が大きく異なることが体比（海水組成を反映する）が分析されており、わかってきています。また、ネオジム同位体比は、その結果から太平洋や大西洋で同位体比が異なる

生物活動によって同位体比が変化することがない

こと、ネオジムの海洋での滞留時間が短いことなため、半保存性成分として振る舞うことも分かっ

どから、ネオジム同位体比が海水の混合や循環をてきており、このような性質から「海水の由来」

解析できるトレーサーになるのではないかと、考を解析できる化学トレーサーとされています。

えられ始めたためです。
ネオジムは、質量数の異なる 7 つの同位体（142，143，144，145，146，148，150）を持ち、多くの研究で議論に用いられるネオジム同位体比は、
143

Nd/144Nd の存在比になります。143Nd/144Nd 比の変動を議論する理由は、質量数 144 のネオジム（144Nd）は安定同位体であるのに対して、質量数143 のネオジム（143Nd）は、質量数 147 のサマリ
ウム（147Sm）の放射壊変（半減期 1.06 × 1011 年）
によって、生成される核種だからです。例えば、ある岩石中にサマリウムとネオジムが含まれていた場合、時間が経過するにつれ、147Sm の一部が

図 2．海 水のネオジム同位体比の分布を決める要因の
概念図

143

Nd へ放射壊変し、岩石中の 143Nd 量が少し増
269

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

同位体比の分析から、試料を採取した日本海中央部の深層水が、いつ頃から北太平洋（ネオジム同位体比高い）や南太洋に由来（ネオジム同位体比やや低い）する外洋の海水の影響を受けなくなったのかを調べようとしました。
ネオジム同位体比の結果から、日本海の深層水は、1000‒850 万年前の間は、北太平洋に由来す

図 3．堆積物中に含まれる魚歯・骨片化石の写真。
スケー
ルはおよそ 1 mm。

る海水（ネオジム同位体比高い）の影響を受けており、850 万年‒450 万年前については、南太洋に

3．魚の歯や骨の化石に記録される海水のネオジ由来する海水（ネオジム同位体比やや低い）の影

ム同位体比

響を受けていたことが分かりました（図 4）。さ

陸から遠く離れた海洋底では、1000 年間でおらに興味深いことに、450 万年前、約 14 万年間

よそ 1 cm 程度の早さで堆積物が降り積もっていの短期間に、日本海のネオジム同位体比が大きくきます。このような堆積物について単 2 電池一個減少していたことも分かりました。これは、高い

分 程 度 の 量 を 取 っ て 顕 微 鏡 で 覗 く と、0.1 〜

ネオジム同位体比をもつ太平洋の海水が、日本海

2 mm 程度の魚の歯や骨片を十数個、場合によっに流入しにくくなったことを示しています。

ては百個程度見つけることができます（図 3）。

450 万年前前後は、ちょうど太平洋プレートの0.1 〜 2 mm の骨片数十個というのは、非常に少運動が活発で、プレート縁辺にあたるニュージー

ない量ですが、魚の歯・骨はアパタイトで形成さランドやパプアニューギニアなどで造山運動が盛れており、海水中のネオジムを濃縮しています。

んだった時期に対応しており、東北日本でも造山

このような濃集する性質を持つことで、微小量で運動が活発だった時期と重なります。そのため、あっても歯や骨片化石のネオジムの同位体比の分今回得られたネオジム同位体比データと併せて考3）

析ができます 。最も重要な点は、このように分えると、450 万年前頃に東北日本の隆起により、析される魚歯骨片化石のネオジム同位体比が、当太平洋と日本海を繋いでいた海峡が 14 万年程度時の海底面付近の海水のネオジム同位体比を記録の短期間に浅海化・縮小し、日本海と太平洋の海している点です。このような特性を持つ魚歯骨片

年代 (百万年前)

化石を各時代の海底堆積物から拾い集め、ネオジ-1

ム同位体比を分析することで、ネオジム同位体比

0

1

2

3

4

5

ネオジム同位体比来」を知ることができます。
4．ネオジム同位体比から明らかになった日本海の形成史
著 者 ら は、2013 年 に 統 合 国 際 深 海 掘 削 計 画

9

10

-4
-5

太平洋南方系水塊

-6
-7

-9

346 次航海）において、日本海中央部の大和堆で

8

-3

-8

（Integrated Ocean Drilling Program（IODP）

7

太平洋北方系水塊-2の変化から、当時海底面を流れていた「海水の由6

日本海サイト(魚歯/骨片)更新世

太平洋からの海水流入が大幅に減少し、日本海のネオジム同位体比が減少
鮮新世

後期中新世

図 4．日 本海堆積物中の魚歯・骨片化石のネオジム同位体比の過去 1000 万年間の変動。同時期の太平洋北方系水塊と南方系水塊のネオジム同位体比
も合わせて示した。450 万年前に日本海のネオジム同位体比の急激な減少が見られる。

掘削された堆積物試料（過去 1000 万年間で堆積した全長約 400 m）を対象として、魚歯・骨片化
石のネオジム同位体比を分析しました。ネオジム
270

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）エプシロンネオジム値

450 万年前

4
εNd=（（143Nd/144Nd）
sample /0.512638‒1）× 10

3）アパタイトに濃集しているネオジムは、おお‒4 εNd → ‒6 εNd

よそ 100 µg/g 以上の濃度になる。したがっ‒4 εNdて、骨片化石がおよそ 1 mg あれば、ネオジ

東北日本列島の隆起によって、ム同位体比の分析ができます。海水のネオジ

太平洋外洋水の流入量が減少し、ム同位体比の分析には、10 〜 20 kg の海水

日本海のネオジム同位体比が減少が必要なことを考えると、アパタイト化石へのネオジムの濃集の程度がよくわかると思い

図 5．450 万年前の日本海の推定される古地理図。東北日本の隆起に伴って、太平洋から日本海に流入する海水が大幅に減少したことが、日本海のネオジム同位体比から示唆される。

ます。
文献

水交換が大幅に減少したことが推測されます

Kozaka Y, Horikawa K, Asahara Y, Amakawa H,（図 5）。つまり、東北日本の隆起が障壁になって、

Okazaki Y (2018) Late Miocene–mid-Pliocene

日本海と太平洋間での深層水交換を減少させたこ

tectonically induced formation of the semi-とから、日本海と太平洋との分離はこの時期に起

closed Japan Sea, inferred from seawater

こったと言うことができます。

Nd isotopes, Geology, 46(10), 903‒906,
https://doi:10.1130/g45033.1.

5．おわりに著者情報

日本海の形成史や日本列島の形成史は、多くの研究者が日本海海底にある大陸地殻の厚さと形、

堀川恵司（富山大学学術研究部理地磁気縞、断層の走向と分布、陸上岩石の古地磁学系准教授）2006 年、北海道大学大学院地球環境科学研究科博士

気や日本海海底堆積物に残された微化石記録を丹後期課程修了。博士（地球環境科

念に調べることで復元されてきました。本研究は、学）。日本学術振興会特別研究員（DC1）、高知大海洋コア総合研究

これまで日本海では適用されていなかった「海水センター、名古屋大学・フロリダの由来」を探れるネオジム同位体比を用いること

大学（日本学術振興会特別研究員

で、日本海の閉鎖史をこれまでよりも高い時間解PD）、富山大学大学院理工学研究部（理学）助教など

像度でかつ鮮明に描きました。

を経て、2013 年より現職。専門は、古海洋学、地球化学。

注釈
1）堆積物中に形成されたマンガンやコバルト、鉄、ニッケルに富んだ球形の塊。

271

（2021 年 3 月 31 日掲載）

（2022 年 3 月 31 日改版）

手法開発元素の同位体比を分析するためには、自然界から試料をどのように取ってくるか、試料中から分析したい元素や化合物をどのように分離するか、同位体比をどのように測定するか、など数々の課題があります。さらに、すでに分析方法が確立している同位体比についても、さらに少ない試料で分析ができないか、より精度良く分析できないかなど、分析に関する手法開発は尽きることがありません。これらについて、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

微少な試料の同位体比を測定する
小 川

奈々子

（海洋研究開発機構）
1．自然の中の小さな元素

前処理装置としてオンライン（連続フロー式）で自然とは、物質科学的に見れば、微少な粒子、

質量分析計につなげて使用する方法です。この方

多様な化合物、微生物などといった目に見えない

法は、元素分析計／同位体比質量分析計（EA/

小さな物質が多数集まった複雑な混合物というこ

IRMS, Elemental Analyzer/Isotope-Ratio Massとができます。個々の物質は往々にして異なる起Spectrometry） と 呼 ば れ ま す。 こ の 方 法 で は、源をもち、異なるプロセスを経てそこにあるもの真空にしたガラスラインで試料ガスを単離精製しとも言えるでしょう。そんな自然を同位体比にてから、改めて拡散によってイオン源に導入する

よって理解する方法は広く利用されていますが、

オフライン法（デュアル・インレット法）に比べ、研究の目的によっては、複雑な自然の物質を「そ前処理の手間や測定までの時間が大幅に短縮されのままで」測定するのではなく、あらかじめ個々ます。このため 1990 年代に EA/IRMS が市販さの物質に分けてからそれぞれの同位体比を求める

れるようになると急速に広がり、標準的な同位体ほうが望ましい場合もあります。しかしそういっ比測定法として研究者の間で受け入れられました。

た研究を行おうとすると、物質をいかにして分け筆者の研究室では、この EA/IRMS システム

るかということと同時に、いかに微少・微量な物をさらに改造して、市販のものに比べて非常に少質の同位体比を正確に測定するかという問題にもない試料からでも同位体比を測定できるよう工夫直面します。自然の中のほんの小さな画分を測ろしてきました。少ない試料に含まれる元素量（炭うとするわけですから、これは当然のことです。

素や窒素の量）を知りたい、それらの同位体比を

炭素・窒素・硫黄といった軽元素の安定同位体

測定したい、また、測定で消費する試料はなるべ比の測定は、多くの場合、同位体比質量分析計

く少なく済ませたいという要望はしばしば筆者の（IRMS）と呼ばれる装置で行われます。この同耳にも届きます。以下では、そうした「微量で同位体比質量分析計の基本設計は 20 世紀前半に確

位体比を測定する方法」について紹介します。

立されました。試料は固体でも液体でもよいので
2．装置を微量用に改造する

すが、炭素同位体比なら二酸化炭素（CO2）、窒素同位体比なら窒素ガス（N2）、硫黄同位体比な

図 1 に EA/IRMS の原理を示してあります。固ら二酸化硫黄（SO2）の形に変えてから質量分析

体や液体の試料はスズなどのカプセルに包んでお計のイオン源に導入します。イオン化されたそれ

き、オートサンプラーで EA の酸化炉に導入されらの気体は磁場を経由するときに同位体（質量数）ます。そこで試料は高温で酸素と反応して燃焼酸に応じた軌跡を通るので、これを質量数に応じた化し、試料中に含まれている炭素は CO2 に、窒複数の検出器で計数して測定します。これらの気素は窒素酸化物に、硫黄は SO2 に変化します。

体を同位体比質量分析計のイオン源へ導入する方還元管では燃焼で生じた窒素酸化物を N2 に還元

法には、様々なものがありますが、現在、軽元素

し、さらにその後、燃焼によって生じる水を吸湿の同位体比を用いた環境学の研究で最も広く用い性のある物質で除去します。その後、EA に内蔵られている方法の一つが、元素分析計（EA）をさ れ て い る ガ ス ク ロ マ ト グ ラ フ ィ ー（GC） で275

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．元素分析計／同位体比質量分析計（EA/IRMS）システムの仕組み
元素分析計で試料の気化から精製と分離までを担い、インターフェースを通して検出器である同位体比質量分析計に導入するシステムです。図中の酸化炉と還元炉は微量化したあとのシステムのものを示してあります。

N2、CO2、SO2 を個々のピークに分離します。分

標準的な同径管 微量測定⽤の異径管
酸化炉 還元炉
酸化炉 還元炉

離されたガスは順次キャリアガスであるヘリウムの流れに乗って、IRMS のイオン源へと導入され、外径18mm
内径14mm

外径 6 mm
内径 2 mm

各元素の同位体比が測定されます。市販の装置は外径10mm
内径 6 mmメーカーや型式によっていくらか異なるものの、普通は <0.3‰の精度をもって同位体比を測定す
外径18mm
内径14mm

るのに、炭素では 20 µgC（マイクログラム炭素）、

外径18mm
内径14mm

窒素は 50 µgN、硫黄では 60 µgS 程度がそれぞれ必要とされます。
こうした測定の必要下限値を小さくするためには、燃焼管および還元管を図 2 に示したような異径管に変えることが有効です。具体的には、燃焼管はふつう外径 18 mm（内径 14 mm）の同径管を用いるところを、下部を外径 12 mm あるいは
10 mm（内径は 8 mm および 6 mm）に絞った異外径18mm
内径14mm径管を用います。また還元管も外径を 12 mm ま
たは 10 mm（内径 8 mm および 6 mm）に絞った

外径18mm
内径14mm

外径10mm
内径 6 mm
外径10mm
内径 6 mm

図 2．標準的に用いられる同径の酸化管・還元管と、微量測定用に用いられる異径の管の比較
元素分析計に導入された試料は、初期酸化の反応で一気に大量の水蒸気を含むガスとなります。
このため試料導入直後には反応管は太いままにして十分なスペースを確保しておきます。一度気体になった試料は、クロマトグラフィー的に最適化された細い流路を通り、より濃縮された形で同位体質量分析計まで導かれます。

ものを用います。こうすることによって、クロマ
トグラム上の各ガスのピーク形状が改善され（相対的に細く高いピークになる）、測定感度が向上します。このような改良を加えるだけで、通常の1/20 〜 1/50 の試料量で同位体比が分析できるよ
うになります（図 3）。これらの異径管は既に製
276

小川，

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

試料の場合、その毀損を最小限に抑えることに繋がります。量が少なくて測定できることはとても重要な条件になるのです。そういったことだけではありません。元素濃度が低い試料などでは、必然的に EA に導入する試料量が多くなるため、今度は燃焼管内での燃焼効率が悪くなり、測定がう
まくいかないことがあります。微量化により導入

図 3．標 準的な装置と微量化された装置で必要な試料の量の比較
炭素 20％密度 1 の球状の有機物と仮定すると、それぞれ半径 0.94mm と 0.11mm のサイズになる。

する試料量を減らすことができれば、このような燃焼効率の問題を防ぐこともできます。また酸化炉や還元炉に充填する高価な反応試薬（酸化クロム、酸化銀コバルト、酸化タングステン、還元銅品として市販されています。
窒素同位体比の場合は、大気窒素（N2）の混など）の使用量が減ると測定のコストも下がりま入を防ぐことは非常に重要です。したがって、あす。IRMS にとっても、導入される試料ガスが少らゆる継ぎ目でのリークチェックは重要な手続き

ないことは負担が小さくなり、メンテナンスの頻に な り ま す。 ま た 筆 者 の 研 究 室 で は、EA と度を減らすことにつながります。

IRMS のインターフェース部でオープン・スプ

一方、長所と同時に、微量化することによる短リットからイオン源までのキャピラリー・カラム

所もあります。例えば、窒素の場合では配管のつを市販のものより少し太く短くして、イオン源へ

なぎ目などからのほんの少しの漏れ、炭素の場合のガスの導入量を意図的に増やしています。これ

では測定時に試料を包むカプセルのスズに含まれはイオン源の真空度を下げることにもなるので、る炭素というように、「これまで見えていなかっ

注意深く行う必要があります。

た（無視できた）バックグラウンド」が顕在化しこのような改良を通して、筆者の研究室では最て分析に干渉してきます。特にスズカプセルは精も微量な場合では、炭素同位体比は 0.5 µgC、窒製時にスズに微量な炭素が含まれるため取り除く

素同位体比は 0.08 µgN、硫黄同位体比は 1.5 µgS、ことが難しく、試料が微量になるほどその分の補と市販装置での場合と比べて 2‒3 桁少ない量で測正が必要になります。また、小さな試料を計るた定出来るように装置を調整しています。

め今までよりも下の桁まで秤量できる天秤が必要になりますし、逆に大きな量の試料が測定しにく3．微量化することの長所と短所

くなることもあります。同位体比測定では、比較

この微量化はさまざまな長所を持っています。

のために標準物質も同時に測定しなければなりま

その一つは当然ながら、ほんの少しの試料で測定

せんが、あまり小さくなると小さな粒子同士の間できることです。たとえば土壌の中の特定の粒子での同位体比の違いまで見えてくることもありまや化合物、生き物の各器官など小さな試料、もとす。そのような場合は、固体標品をいったん溶媒

もと目的となる生元素の含有量の少ない環境試料に溶かして均質化する必要があります。

（たとえば、樹木のリグニン中の窒素、化石の中

このように長所と短所がありますが、うまく見の有機物、隕石など）などの同位体比がうまくい

極めて目的に合わせて使い分けることが出来れけば測定できるようになります。同位体比分析のば、より多様な試料について、微量で正確な同位ように、測定すると元の試料が無くなってしまう

体比測定ができます。

分析を破壊分析と呼ぶのですが、こうした破壊分

筆者らが開発した方法は、パーツをその時々に析で使う試料の量が少なくてすむことは、貴重な合わせて組み替えるだけで、時に応じて簡単に微277

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

量化できるものです。いくつかの研究室では実際

素窒素安定同位体比測定．RADIOISOTOPES,に部分的な改造による微量化を汎用測定にも活用

70：291‒299.

しています。皆さんも是非お試しください。

https://doi.org/10.3769/radioisotopes.70.291
微量同位体比分析用パーツの販売情報

文献

http://www.koshin-rs.co.jp/products/

Ogawa NO, Nagata T, Kitazato H, Ohkouchi N
著者情報(2010) Ultra-sensitive elemental analyzer/
isotope ratio mass spectrometer for stable小川奈々子（海洋研究開発機構生物地球化学センター 生元素動態

nitrogen and carbon isotopic analyses. in

研究グループ グループリーダー）

Earth, Life, and Isotopes (Eds. Ohkouchi N,

東京農工大学農学部環境保護学科

Tayasu I, Koba K), Kyoto University Press,

で土壌水界環境学を専攻後、京都大学生態学研究センターで博士。

p. 339‒353.

水と生物が好きで、有機汚染物質

小川奈々子、王暁水、篠原宏文、大河内直彦（2013）

や有機物の安定同位体比を軸に堆積物や生物標本を「安定同位体比精密測定のためのマニュアル」

使って近過去の水界環境と生態系変動の復元研究をし（財）日本分析センターてきました。ウッズホール海洋研究所を経て海洋研究開発機構に着任後は「大切なものは目に見えない」を木庭啓介、木下桂、大西雄二、福島慶太郎、尾坂

モットーに、微量同位体分析技術の改良に着手。深海兼一、松尾奈緒子、舟川一穂、瀬古祐吾、目から宇宙まであらゆる環境の試料を対象に研究を楽し

戸綾乃、平澤理世、小川奈々子、兵藤不二夫、んでいます。

由水千景（2021）元素分析計連結型安定同位体比質量分析計の簡易改造による微量試料炭278（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

海水中粒子に含まれる重金属の起源を調べる
高 野

祥太朗

（京都大学化学研究所）
海洋における微量金属

そのほとんどが溶存態（海水に溶けている成分）

海水の主要成分は、塩化ナトリウム、塩化マグを対象としたもので、海水中の粒子に含まれる微ネシウムなどのアルカリ金属・アルカリ土類金属

量金属の同位体比に関する研究は非常に少ないで塩ですが、海水には微量成分として鉄、亜鉛、銅す。海水中の粒子は微量金属の鉛直輸送を担うたなどの遷移金属が溶けています。これらの元素は、め、海洋における微量金属の循環を理解するには、

海水 1 kg あたり数ナノグラムから数マイクログ

溶存態だけでなく粒子の分析が必須です。

ラムしか含まれていません。これは、25 m プール満杯の水にひとつまみの塩を加えた時の塩の濃

日本海の沈降粒子に含まれる微量金属の同位体比度に相当します。このように微量な遷移金属です

私たちの研究では、日本海の沈降粒子に含まれが、そのいくつか（鉄、銅、亜鉛など）は、海洋

る微量金属（ニッケル、銅、亜鉛、鉛）の同位体に生息する植物プランクトンに必須もしくは毒性比を分析し、それらの元素の起源を明らかにしまを示し、海洋生態系や気候変動に大きくかかわっした。ここではその一部を紹介します。

ていることが知られています。現在、海洋におけ沈降粒子は、文字どおり海水中を沈んでいく粒る微量金属を調査する国際的な研究プロジェクト子のことで、セディメントトラップという装置を（GEOTRACES 計 画：https://www.geotraces.org/）

海の中に設置して採取します（図 1）。日本海のが進行しており、世界の海洋における微量元素の沈降粒子は、大陸から運ばれてくる黄砂などの大挙動が明らかになってきました。微量金属は、岩

気中粒子、海流によって輸送される陸棚堆積物、石の風化・浸食および人間活動による放出によっ

海洋表層の生物活動によって生産される有機物なて大陸から海洋へ運ばれ、海水中で粒子となって、どで構成されることが知られています（Otosaka

海底堆積物へと除去されます。

et al., 2004）。日本海は、西部北太平洋の縁海で、
水深 3,000 m 程度の大和海盆、水深 2,500 m 程度

微量金属の同位体比の対馬海盆、水深 2,500 m 程度の日本海盆からな

微量金属の同位体比は、起源や反応過程の違いります。私たちの分析した沈降粒子は、大和海盆を反映するため、海洋における微量金属の起源やおよび日本海の水深 1,000 ～ 3,000 m で採られた循環を知る重要な手がかりとなります。海水中のものです。

微量金属の同位体比分析は、測定したい元素が微沈降粒子に含まれるニッケル、銅、亜鉛の同位量であり、さらに海水に含まれる塩が測定を妨害

体比は、黄砂や海底堆積物と比べて重い同位体にするために非常に困難とされてきました。近年、富んでいました（図 2）。この重い同位体の起源分析装置や化学分離技術の発展によって、海水中として考えられるのが、有機物粒子です。有機物のさまざまな微量金属についてその同位体比の分粒子は、おもに植物プランクトンの死骸から成り、

析法が開発されました。これらの分析法を用いて、沈降中に微生物によって分解されるため、水深が海洋における微量金属同位体比の分布が明らかに深くなるにつれて減少します。有機物粒子は、植なりつつあります。しかし、これまでの研究は、

物プランクトンが取り込んだ微量金属を含み、さ
279

図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

図２

図 1．沈降粒子とそのサンプリング

65/63Cu ‰66/64Zn ‰207Pb/206Pb

同位体⽐60/58Ni ‰

図 2．日本海における沈降粒子中のニッケル、銅、亜鉛、鉛同位体比（黒色の四角）。ニッケル、銅、亜鉛の同位体比は δ 値で表記してある。δ 値が大きいと重い同位体に富み、小さいと軽い同位体に富む。沈降粒子の起源となりうる有機物粒子、黄砂中の同位体比を以下の論文から推定し、その推定値を点線で示す（Cameron et al.,2009; Little et al., 2018; Schleicher et al., 2020; Takano et al., 2020; Wu et al., 2011; Zhang et al., 2021）。日本
海の海底堆積物と日本海沿岸でとられた大気中粒子中の同位体比もともに示す。これらの値は、本研究の分析によるもの。

らに有機物粒子の表面には、海水に溶けている微日本海沈降粒子中の鉛の同位体比は、黄砂と大量金属が吸着します。沈降粒子の元素濃度・同位きく異なり、日本海沿岸の大気中粒子と同程度で体比を詳しく解析すると、沈降粒子中のニッケル、した。大気中粒子は、化石燃料の燃焼などの人間

銅、亜鉛は、その 30 ～ 80％が有機物に由来する

活動によって大気へ放出された鉛を多く含むことことがわかりました。今回分析した沈降粒子は、が知られています。そのため、沈降粒子中の鉛は、

水深 1,000 〜 3,000 m の深海で採られたため、浅人間活動によって放出された鉛の粒子が、日本海海のものに比べて有機物の含有量は少ないですで降下し、深海まで沈降したものであると考えら

が、沈降粒子中のニッケル、銅、亜鉛の起源としれます。データの詳細な解析によって、人間活動ては、大きな割合を占めていることが明らかになに由来する鉛が沈降粒子中鉛の 80 ～ 90％を占めりました。

ることがわかりました。
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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

今後の展望

Takano S et al. (2020) Sources of particulate Ni

沈降粒子は長年にわたって海底に降り積もるこ

and Cu in the water column of the northernとで堆積物を形成します。沈降粒子の微量金属のSouth China Sea: Evidence from elemental

同位体比がどのような要因によって変動するかを

and isotope ratios in aerosols and sinking

解明できれば、海底堆積物から人間活動による汚particles. Marine Chemistry, 219: 103751.

染の推移や過去の海洋における生物生産を明らか

Wu F, Ho SSH, Sun Q and Ip SHS (2011)にできるかもしれません。

Provenance of Chinese Loess: Evidence
from Stable Lead Isotope. Terrestrial

文献

Atmospheric and Oceanic Sciences, 22:

Cameron V, Vance D, Archer C and House CH

305‒314.

(2009) A biomarker based on the stable

Zhang Y et al. (2021) The isotopic composition of

isotopes of nickel. Proceedings of the National

sedimentary organic zinc and implications

Academy of Sciences, 106(27): 10944‒10948.

for the global Zn isotope mass balance.

Little SH et al. (2018) Paired dissolved andGeochimica et Cosmochimica Acta, 314: 16‒26.

particulate phase Cu isotope distributions in
著者情報

the South Atlantic. Chemical Geology.
Otosaka S et al. (2004) Lithogenic flux in the Japan

高野祥太朗（京都大学化学研究所

Sea measured with sediment traps. Marine

水 圏 環 境 解 析 化 学 領 域 助 教 ）、2015 年 3 月京都大学理学研究科

Chemistry, 91(1): 143‒163.

化学専攻博士後期課程修了、2015

Schleicher NJ et al. (2020) A Global Assessment

年 4 月より現職。

of Copper, Zinc, and Lead Isotopes in Mineral
Dust Sources and Aerosols. Frontiers in （2022 年 3 月 31 日掲載）

Earth Science, 8(167).

281

5章

実験施設と
同位体環境学共同研究
総合地球環境学研究所で一緒に研究するにはどうしたら良いでしょうか？
できることも、できないこともありますが、まずはお問い合わせください。

５ 章

実験施設と
同位体環境学共同研究

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

実験施設と分析装置
総合地球環境学研究所研究基盤国際センター計測・分析室
地球研には 18 の実験室があります。地球研にち、安定同位体比を測定します。微量で高感度のおいては幅広い分野のプロジェクト研究が行われ測定ができるため、地球研では、Sr、Nd などのていますが、実験室はプロジェクト単位で分けら同位体比分析に用いています。
高分解能マルチコレクター誘導結合プラズマ質

れてはおらず、研究目的別に分かれています。
その中に、安定同位体測定のための実験室が複量分析装置（MC-ICP-MS）：試料を水溶液の状

数あり、下記に示す同位体分析装置があります。

態で導入し、アルゴンプラズマでイオン化し、電場と磁場で各同位体を分離したのち、安定同位体

水の水素・酸素同位体比分析装置：水（H2O）比を測定します。多くの元素の同位体比を迅速に

2

測定ができるため、地球研では、Sr、Pb、Zn、に含まれる水素の安定同位体比（δ H）・酸素の
18

Fe、Ni などの同位体比分析に用いています。

安定同位体比（δ O）を測定する装置です。地球研では、「キャビティリングダウン分光法」を用

誘導結合プラズマ質量分析装置（ICP-MS）：いた分析装置を採用しています。ろ過した水試料

水に溶けている元素の量を測定する装置です。主を自動的に水蒸気に気化し、レーザー光を当てて要元素から微量元素まで測定できるため、多元素

光の減衰を見ることで同位体比を測定します。

の濃度分析を一度に行うことができます。
イオンクロマトグラフ：水に溶けている主要元

軽元素同位体比質量分析装置：有機物に含まれ2る水素の安定同位体比（δ H）・酸素の安定同位素イオンの量を測定する装置です。陽イオン（Li+、

体比（δ18O）を測定する分析装置、試料に含まれNa+、NH4+、K+、Mg2+、Ca2+）と陰イオン（F-、る炭素の安定同位体比（δ13C）・窒素の安定同位Cl-、NO2-、Br-、NO3-、SO42-、PO43-） を 測 定 で体比（δ15N）を測定する分析装置、試料に含まれ

きます。

34

るイオウの安定同位体比（δ S）を測定する分析装置があります。それぞれの前処理装置に固体試

これらの装置は「共通機器」と呼ばれ、地球研料をセットすることで、試料のガス化を行い（H2、で行われているプロジェクトのメンバーに登録さ

CO、CO2、N2、SO2）、電場と磁場で各同位体をれている方は、実験施設の利用申請を経て利用で分離したのち、安定同位体比を測定します。また、きます。そのほか、次節で示す「同位体環境学共13同研究」に採択された方も利用が可能です。

無機物の炭素の安定同位体比（δ C）・酸素の安18

地球研の実験施設には、これらのほか、空気中

定同位体比（δ O）を測定する分析装置もありまに舞っているちりやほこりのような汚染のない環す。
表面電離型質量分析装置（TIMS）：目的の元境で試料を処理するクリーンルームや、顕微鏡下素を分離してフィラメントに塗布し、真空中でイで試料の微小部位を削り出す微少量試料掘削回収

オン化し、電場と磁場で各同位体を分離したの装置もあり、共同研究に用いることができます。

285

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

同位体環境学共同研究へのお誘い
総合地球環境学研究所研究基盤国際センター計測・分析室
地球環境に関する研究においては、対象とする

いただいている「同位体環境学委員会」の助言を

地域や時間のスケールはさまざまですが、水・大いただいて運用しています。同位体環境学共同研

気・生物・土壌など生態系を構成する種々の要素、究事業では、2012 年度から 2022 年度までに、国人間の活動とその歴史など、あらゆる人間と自然

公立大学 54 機関、私立大学 16 機関、国立・地方の相互作用環のなかに、元素の安定同位体比といの研究機関 29 機関、海外の大学・研究機関 19 機う「指紋」が内在しています。地球研では、多様関の合計 118 機関の利用がありました。

な環境物質と多くの元素について、この指紋情報

同位体環境学共同研究事業は年度ごとに公募しを得ることができる実験機器を整備してきましており、幅広い分野の申請を受け付ける「一般共た。さまざまな元素の濃度や同位体比を用いるこ同研究」と、計測・分析室と密に連携した新しいとで、ある物質の産地や発生源、それが生まれる

分析手法の開発などをおこなう「計測・分析室共プロセスが明らかになると期待され、環境診断の同研究」を募集しています。2023 年度からは人精度向上や学際研究のツールとして高い可能性が間文化研究機構広領域連携型基幹研究プロジェクあります。これらの分析を通じて、地球環境問題

ト「人新世に至る、モノを通した自然と人間の相の解決に資する研究をおこなうことは重要なミッ互作用に関する研究（略称：人・モノ・自然プロションです。地球研では、これらの研究を「同位ジェクト）」と連携した「人・モノ・自然プロジェ

体環境学」と呼び、全国の研究者との共同研究（同クト」連携公募共同研究も開始しています。
同位体環境学共同研究事業に採択された方に位体環境学共同研究事業）を 2012 年度より進めは、「同位体環境学ガイダンス」（毎年度前半に開ています。
同位体環境学共同研究事業は、「地球化学」「水催）によって機器の特徴や必要な前処理などを理

文学」
「生態学」
「地質学」
「鉱物学」
「人類学」
「食

解していただき、「同位体環境学シンポジウム」

品科学（産地判別）」「科学捜査」など、細分化さ（毎年 12 月に開催）において発表することで研究れた専門的学問領域で活用されている「同位体手結果の取りまとめに生かしていただいています。

法」を、幅広い環境学の研究に利用し、単なる「機ま た、 日 本 地 球 惑 星 科 学 連 合 大 会（Japan

械の共同利用」ではなく、「研究方法」や「研究Geoscience Union; JpGU）に「環境トレーサビリ

成果の活用方法」も共有する共同研究をめざしてというセッションを設け、ティ手法の開発と適用」

います。個別学問領域で用いられてきた「同位体得られた研究成果の発信に関しても活用していた手法」を、学際的な地球環境学の枠組みで利用す

だいています。

るにはどうすればよいのか、さらに社会と連携す2020 年度からは、研究者以外の方でもご利用る超学際的アプローチでは安定同位体情報をどの可能な「同位体環境学」相談窓口を設けています。

ように活用することができるかということを考えこの項目をもっと詳しく知りたい、同位体でこうています。

いうことは出来るのか？

など、ホームページ版

同位体環境学共同研究事業は、総合地球環境学「 同 位 体 環 境 学 が え が く 世 界 」（https://www.

研究所研究基盤国際センター計測・分析室の事業

environmentalisotope.jp）の連絡先にお問い合わとして行っていますが、所内外の専門家に入ってせください。
286

改訂版一覧
同位体環境学がえがく世界

2020 年版

表紙写真：千種川
撮影地：兵庫県赤穂郡上郡町

同位体環境学がえがく世界

2021 年版

表紙写真：新名庄川
撮影地：山梨県南都留郡忍野村

同位体環境学がえがく世界

2022 年版

表紙写真：富士川
撮影地：山梨県南巨摩郡身延町

同位体環境学がえがく世界
表紙写真：真名川
撮影地：福井県大野市

2023 年版

同位体環境学がえがく世界：2023 年版
令和 5 年 3 月 22 日

印刷

令和 5 年 3 月 31 日

発行

編集者

陀安一郎、申基澈、鷹野真也

発行所

総合地球環境学研究所
〒 603-8047

印

刷

株式会社

京都市北区上賀茂本山 457 番地 4

北斗プリント社
ISBN 978-4-910834-17-7