関東森林研究 67-1(2016)

論 文

奥利根源流部の多雪地森林小流域における融雪期の水質形成についてStream water chemistry during snowmelt period at forest catchment of Okutone
豊泉恭平*1・前島健人*2・大類和希*2・小坂泉*2・長坂貞郎*1・瀧澤英紀*1
Kyohei TOYOIZUMI*1, Kento MAESHIMA*2, Kazuki ORUI*2, Izumi KOSAKA*2, Sadao NAGASAKA*1
and Hideki TAKIZAWA*1＊１ 日本大学大学院生物資源科学研究科＊２ 日本大学生物資源科学部
Coll. Bioresource Sci., Nihon Univ., Fujisawa 252-0880
要旨：多雪地森林域において，隣接した２流域の融雪期の溶存イオン流出特性を比較した。融雪進行に伴う濃度変化
では，Cl-，NO3--N は Mg2+，Ca2+，Na+，SO42-に比べて変化が大きく，２流域間では Cl-，Na+は似た変化傾向であったが，NO3--N は小流域よりも大流域で変化が大きかった。流量に対する濃度変化では，Cl-，Mg2+，Ca2+は流量増加に対して濃度変化が小さく，SO42-，Na+は流量増加に対して濃度減少の傾向であり，特に小流域では減少傾向が小さかった。
NO3--N は流量増加に対して濃度増加の傾向であり，特に大流域において融雪の進行に伴いその増加の傾向が緩やかになった。NO3--N は，比較的表層の土壌が発生源となり，高い濃度の土壌水の融雪水と混合して流出し，Na+，SO42-は基岩近傍の礫層が発生源となり地下水と融雪水が混合して流出すると考えられた。大流域の三つ又沢は，基岩近傍まで浸透せずに土壌水の流出の影響が大きかった。
キーワード：森林流域，渓流水質，融雪流出
Abstract：We observed stream water chemistry in snowmelt runoff at two adjacent forest catchments in a heavy snow region. Inthe variations of stream water chemistry with the progression of snowmelt, the concentrations of Cl- and NO3--N had changed
significantly as compared to others. The tendency of variations of Cl- and Na+ was similar in the two catchments; on the other
hand, the variation of NO3--N was bigger in the large catchment than the small catchment. In the relationship between the ion
concentration and discharge, where the discharge was increase, Cl-, Mg2+ and Ca2+ had small variations; in contrast, SO42- and Na+
were reduced, but in particular this decreasing trend was very small in the small catchment. NO3--N has tended to increase when
the discharge was increase; especially this trend was strong in the large catchment, but this trend was getting a gentle with theprogression of snowmelt. The source of NO3--N was relatively shallow soil; the high NO3--N concentration of soil water
discharged with melting water. The source of SO42- and Na+ were in gravels layer above bedrocks; the groundwater dischargedwith melting water. The effect of the discharge of soil water which had weak SO42- was bigger in the large catchment than thesmall catchment.

Keyword：forest catchments, stream water chemistry, snowmelt runoff.
きな供給がある場合（３）もある。そのため，水質を用

Ⅰ はじめに
多雪地では融雪期に長期間流域全体が湿潤になり，いて流域の流出過程を検討する場合，溶存イオンの流出様々な場所で流量が豊富となり（２），流域の流出過程特性を知る必要がある。本研究では，積雪・融雪期を分を解明するのに適していると考える。渓流水中の溶存イ類し，隣接する大小２流域において，溶存イオンの流出オンは，降水由来，岩石・土壌からの溶出由来のイオン特性である融雪の進行に伴うイオン濃度変化および流量に大別され，流出成分分離のトレーサーとして用いる場による変化を比較し，水質形成プロセスを推定した。

合は単純で明瞭な発生源である必要がある（５）。しかし，溶存イオンの発生源は地形・地質などの影響によりⅡ 対象流域及び測定方法

流域毎に異なる。例えば，SO42-は鉱床からの湧水を点源

１．対象流域 本研究では2014年12月から2015年５月とし融雪水により希釈される場合や（７），積雪から大を対象に融雪流出の観測を行い，イオン濃度と流量の関－93－(2016 年 3 月 16 日受理)

係を調べた。対象流域は群馬県利根郡みなかみ町の日本
0降水量(mm/hr)

大学演習林内に位置する標高760m～900m，流域面積13.7haの三つ又沢と，隣接する標高770m～840m，流域面積1.21haの隣接流域である。２流域の最高点の標高差は温度(℃/hour)60mある。各流域の植生は，三つ又沢はブナ，ミズナラ，コナラ林が約７割，カラマツ林が約２割分布し，隣接流域ではコナラ，ミズナラ林が約６割，カラマツ林が約３積雪深(m)割分布している。流域から約6km離れた藤原のAMeDAS（標高700m）における2000年から2010年までの年平均降水量，平均最深積雪深はそれぞれ1755mm，2.1mであり，12～３月の総降水量の平均は722mmである（９）。

5ａ）
1030ｂ）

150-1532
101512/1

1/1

2/1

1/1

2/1

3/4

4/4

5/5

6/5

3/4

4/4

5/56/5ｃ）
12/1

2/11~2/12
2/25~2/26ｄ）

２．水文素過程の観測方法 流量は90°Vノッチを設置

三つ又沢

10隣接流域

5三つ又沢
採水時
隣接流域
採水時

流量(L/sec/ha)

した量水堰を用い，水位を投げ込み式水位センサー（HM‐500‐02 株式会社センシズ）にて測定し，データロガー（CR‐10X Campbell co.，及びLR5041 日置電機（株））に記録した。降水量は流域から600m離れた

3/18~3/19
3/30~3/31
4/16~4/17
4/30~5/1
5/22

標高770mに位置する上空の開けた露場において転倒マ

012/1ス式雨量計（OW‐34‐BP大田計器）を，冬季にはヒー1/1

2/1
3/44/42014年～2015年

5/56/5

タ付き雨量計（52202 R.M.Young co.）を用いて測定し，

図－１ 2014 年 12 月から 2015 年５月の降水量・気欠測時は藤原のAMeDASデータを用いた。積雪深は積雪

温・積雪深・流量及び採水時

深計（レベルセンサー 260‐700 FieldPro）によって露Fig.1 Rainfall, temperature, snow depth, discharge and場，流域内の２点で測定し平均値を用いた。

sampling timing from Dec 2014 to May 2015

３．積雪水および渓流水の採水方法 積雪水は2015年
２月12日，２月25日，３月19日，３月31日，４月17日のた。５月中旬には融雪流出による流量の日変化は見られ計５回，露場にて深さ20cm毎に採取し，全層平均のサンなくなった。
よって，２月11～12日は融雪開始前に属し，プルとした。渓流水は三つ又沢では２月11日から，隣接２月25～26日は融雪初期，３月18～19日と３月30～31日

流域では２月25日から採水し，５月22日を最終日とした。

は融雪最盛期，４月16～17日，４月30日～５月１日は融各採水日の開始時刻から４時間おきに計６回（２月11日

雪後期，消雪後の５月22日は融雪終了後の期間に属するは７回）の採水を行い，５月22日は消雪後であり融雪にとした。

よる流量の日変化がないため，１回だけ採水を行った。

２．融雪に伴う溶存イオン濃度変化 融雪開始前から

溶存イオンはNa+，Mg2+，Ca2+，融雪終了後まで各イオン濃度の変化を図－２に示す。マ

Cl-，NO3--N，SO42-をイオンクロマトグラフィー（陽イオークは採水日の６～７回の測定値の平均であり，エラー

ン：メトロームジャパン/ICA5000システム，TOA，陰イバーとして最大値と最小値も示した。

４．イオンの分析方法

オン：863コンパクトICオートサンプラー）にて分析した。

Cl-は，観測期間を通して変化が大きく，融雪初期，融雪最盛期に高い濃度を示し，融雪後期にかけて濃度減少，Ⅲ 結果と考察

その後濃度増加の傾向を示した。Cl-は降水により供給さ

１．融雪期の分類について 2014年12月から2015年３

れ，積雪中からの選択的流出によって融雪初期に高い濃月の本調査地の総降水量は683.2mm，最深積雪深は2.6m度を示し，積雪中の濃度低下と共に融雪の進行につれてであり，例年と比べ多かった。図－１ａ）～ｄ）に降水渓流水の濃度を下げるイオンである（４，６）。本調査

量，気温，積雪深，流量を示す。積雪深は12月中頃から

地の渓流水は積雪水と比べ高濃度ではあるが，融雪初期上昇するが，流量は大きな変化を示さなかった。２月中の渓流水の濃度増加に対し，積雪水の濃度は若干減少し旬から単発的な気温の上昇により流量の増加が見られ，た。また，２流域でイオン濃度の差は小さく，融雪に違３月中旬より気温の上昇に伴い積雪深は減少，流量は日いは少ないと考えられた。Mg2+，Ca2+，NO3--N は融雪初変化を伴い大きな値を示した。４月中旬以降，気温は上期に高い濃度を示し，融雪最盛期・融雪後期に濃度を減昇するが，積雪深の減少により流量の増加は小さくなっ少させ，融雪終了後に濃度を増加させた。また，融雪初－94－

関東森林研究 67-1(2016)

積雪水
隣接流域 (1.21ha)

期，融雪終了後において２流域のイオン濃度に差が見らNa⁺(meq/L)

れた。NO3--N は融雪に伴うイオン濃度の変化が最も大きかった。Ohte et al．（１）の結果では，ベルモントの森林流域において，渓流水中の NO3--N は，融雪初期には流Mg²⁺(meq/L)

路上，および渓流近傍の積雪からの寄与が大きく，融雪中期以降は土壌中からの溶出による寄与が徐々に大きくなった。本調査地では，融雪初期に２流域で NO3--N 濃度差が大きく，Cl-の濃度差が小さいことから，積雪ではな流域で大きく異なると考えられた。Na+，SO42-は，融雪に伴うイオン濃度変化が比較的小さく，三つ又沢では融雪後期まで濃度減少，融雪終了後にかけて濃度増加であり，隣接流域では融雪最盛期まで濃度減少，融雪終了後にかけて濃度増加であった。これらは他の４イオンと異なり，融雪初期に濃度上昇していないので，土壌水中からの溶Cl⁻(meq/L)

Ca²⁺(meq/L)

く土壌中からの溶出あるいは融雪前の土壌水の濃度が２0.120.08
0.04
00.08
0.04
00.15
0.10.0500.08
0.04
0３．流量と溶存イオン濃度の関係 流量と溶存イオン

0.04

NO₃⁻-N(meq/L)

出の影響が小さく，融雪による希釈の影響と考えられた。
濃度の関係を図－３に示す。Cl-は流量の増加に対してイオン濃度の変化は見られず，２流域間でも違いは見られなかった。このことから，積雪前の降雨から融雪にかけて２流域で類似していると考えられた。NO3--N は２流域
SO₄²⁻(meq/L)

共に流量増加に対して濃度増加の傾向であった。三つ又沢では隣接流域と比べ濃度変動幅が広く，融雪初期，融雪最盛期，融雪後期の３本の近似曲線上に分布するように見える。図中にはそれぞれの近似曲線式と共に R2 も示

0.030.020.0100.080.0402/1

した。一方，隣接流域では融雪期を通じて１本の近似曲線上に分布した。これらから，三つ又沢では，NO3--N 濃度の高い土壌水が融雪初期に押し出され，徐々に融雪水と入れ替わり濃度を低下させ，希釈されたと考えられた。

三つ又沢 (13.7ha)

3/44/42015年

5/56/5図－２ 観測日平均イオン濃度の融雪に伴う変化
Fig.2 Variations of the each average ion concentration in
an observation day with the progression of snowmelt

隣接流域では，融雪水が流入する毎に NO3--N が溶出する－２）では NO3--N と類似した傾向を示しており，さらにと考えられた。SO42-，Na+では，２流域で流量の増加に伴複雑な水質形成プロセスが存在すると考えられた。

い濃度減少の傾向であった。SO42-は，三つ又沢で隣接流域に比べ流量増加に対してイオン濃度の減少傾向であっⅣ まとめた。隣接流域では，図－３の近似曲線上にほぼ分布し，多雪地森林域の隣接した大小２流域（13.7ha，1.2ha）

濃度が緩やかに減少した。SO42-は，岩石に由来し，融雪において，溶存イオンの流出過程の比較を行った。その期の流量増加に伴い濃度を低下させる報告（７）もあり，結果，降水や融雪水で供給される Cl-の流出は２流域で差

本調査地においては，融雪水が基岩近傍の礫質の土層をが小さく，積雪量や融雪の進行の違いは小さいと考えら流下する過程で溶出したと考えられる。Na+は，北関東地れた。NO3--N は，比較的表層の土壌が発生源となり，高方において深い基岩から供給される報告（９）があるこ

い濃度の土壌水と融雪水が混合して流出し，Na+，SO42-とから，SO42-と類似した傾向を示したと考えられる。まは基岩近傍の礫層が発生源となり地下水と融雪水が混合た，SO42-，Na+を多く含む基岩近傍の土壌水は，融雪水のして流出すると考えられた。水質形成プロセスでは，融供給により，流量増加時に希釈されると考えられた。Mg2+，雪水の増加に伴いイオン濃度は希釈されるが，大流域のCa2+は流量の増加に対して明瞭な濃度変化の傾向を示さ

三つ又沢では表層土壌の水質形成が比較的大きく，基岩なかった。しかしながら，融雪の進行に伴う濃度変化（図近傍まで浸透せずに土壌水の流出過程が大きいのに対し，－95－

小流域の隣接流域は基岩近傍の流出過程が大きいと考え（６）鈴木啓介・小林大二（1987）森林小流域におけるられた。

融雪流出の形成機構．地理学評論 60（A-11）：
707-724

引用文献（７）橘治国・安藤正治・大森博之・飯田真也・梅本延（１）OHTE．N， SEBESTYEN．D．S， SHANLEY．B．J，彦（1991）融雪期における山地森林流域河川からDOCTOR．H．D， KENDALL．C，WANKEL．D．S，の栄養塩流出．衛生工学研究論文集 27：33-43

and BOYER．W．E（2004）Tracing sources of nitrate（８）豊泉恭平・加藤拓斗・瀧澤英紀（2014）奥利根源

in snowmelt runoff using a high-resolution isotopic

流部の多雪地森林小流域における流況曲線についtechnique．Geophys． Res． Lett． 31： L21506，て．関東森林研究 66（２）：249-252（９）塚本良則（1992）森林水文学．文永堂出版，東京：

doi: 10．1029/2004GL020908（２）坂本康・竹内邦良（1985）融雪流出水水質の特徴

p227-231と流出解析への利用についての基礎的検討．水理講演会論文集 29：143-148（３）
志知幸治・橋本徹・三浦覚・相澤州平・池田重（2005）
東北地方内陸部の森林流域における年間および融雪期の渓流水質．日林誌 87（４）：340-350（４）SUZUKI K．（1982）：Chemical change of snow overby melting．Japanese．J．Limnol．43：102-112（５）鈴木啓介（1996）温暖積雪地における渓流水質変動．地学雑誌 105（１）：1-14

0.13

0.04

0.1

0.11

0.03

0.08

NO₃⁻-N(meq/L)

0.12

Ca²⁺(meq/L)

Na⁺(meq/L)

三つ又沢
融雪初期

0.09

0.07

0.06

三つ又沢
融雪最盛期

y = 0.04 x0.42
R² = 0.75

y = 0.02 x0.27
R² = 0.26
隣接流域0.02
三つ又沢
融雪後期

0.01

y = 0.01 x0.18
R² = 0.68

y = 0.01 x0.04
R² = 0.37
0.05

0.04
0510005010510

三つ又沢
融雪初期

Cl⁻(meq/L)

Mg²⁺(meq/L)

0.06

0.07

SO₄²⁻(meq/L)

0.07

0.08

0.06

0.05

融雪最盛期
隣接流域
y = 0.06 x-0.03
R² = 0.52

0.06

融雪後期
融雪終了後
融雪開始前

隣接流域

0.05

0.04

融雪初期

0.04

融雪最盛期
0.03

0.02
05流量(L/sec/ha)

100.040510

05流量(L/sec/ha)

流量(L/sec/ha)

図－３ 流量と溶存イオン濃度の関係
Fig.3 Relationship between ion concentration and discharge－96－10融雪後期
融雪終了後