大規模な陸起源細粒土砂流入に対する開放性沿岸漁場底層の生物環境の応答―2019 年台風 19 号の鹿島灘・九十九里沿岸漁場への影響の評価―
Response of the biological and physical environment of the bottom layer of open coastal fishing grounds to large
terrestrial fine-grained sediment inflow- Assessment of the impact of Typhoon No. 19 in 2019 on the Kashima Sea and Kujukuri Coasts 宇田川 徹*・杉松宏一*・坂見知子**・八木 宏***Toru UDAGAWA, Koichi SUGIMATSU, Tomoko SAKAMI and Hiroshi YAGI
* (国研)水産研究・教育機構

水産技術研究所

環境・応用部門** 元(国研)水産研究・教育機構

水産技術研究所

養殖部門*** 防衛大学校

システム工学群教授

主任研究員
副部門長For Typhoon No. 19 in 2019, we attempted to detect the impact of the typhoon on the coastal sedimentenvironment by the bacterial community and organic matter composition of seabed sediments. The results
showed that the amount of total organic matter and microalgae increased after Typhoon No. 19 in theKujukuri coast. The bacterial community composition maintained the characteristics of spatial
distribution in the Kashima and Kujukuri coast, but a change in compositional structure with highvariability was detected after the typhoon.
Key Words : coastal sediment, organic matter, bacterial community, numerical simulation, typhoon

2．2019 年台風 19 号前後の海底底質に現れた変化(生物環境応答)

1．はじめに2019 年 10 月の台風 1919 号(以下台風 19 号)は，地球温暖化により発生が予測される極めて強い台風で，中心気圧915hPa のカテゴリー5 まで発達し，関東～東北地方に豪雨と甚大な風水害を引き起こした．この台風により，主として大河川の河川水経由で大量の濁水が沿岸海域へ流入したことが衛星画像で確認されている 1)．今後地球温暖化により引き起こされる環境影響の形を具体的に把握しておくためにも，本台風による海象擾乱及び濁水・土砂流入の沿岸環境・漁場環境への影響を生物環境応答も含め把握しておくことは重要と考えられる．そこで本研究では，利根川からの出水の影響など台風 19 号の影響が考えられる鹿島灘～九十九里海域を対象として，海底底質中の細菌群集と有機物組成の解析から台風が底質環境に与えた影響の検出を試みる．さらに，環境動態モデルによる台風 19 号
通過時の流動・波浪の数値シミュレーションを行い，台風前後で細菌群集・有機物組成に変化が現れた時(生物環境応答時)の海底・底層で生じた物理的攪乱の特徴を把握する．これにより，沿岸漁場底層の生物環境応答を把握する技術の有効性が示されれば，地球温暖化による海洋環境変化の検出だけではなく，底層環境及び底質モニタリングが重要となる大深度沿岸漁場(マウンド礁など)や増殖場・浅海域沈設魚礁などの沿岸漁場管理や漁場造成の適地・施設の選定にも適用が期待される．

2.1 現地調査及び分析方法の概要
台風 19 号の影響が考えられる鹿島灘～九十九里海域を対象として，海底底質中の細菌群集と有機物組成から台風が底質環境に与えた影響を検出するための海底堆積物の現地サンプリングを調査船たか丸によって実施した．調査地点は，鹿島灘～九十九里海域の水深 10m 帯と水深 30m 帯の合計 12 カ所(位置は図-1 参照)である．堆積物は SM 採泥器(採集面積 1/20m 2)で採取し，海底表面(2cm 厚)を分析対象とした．採取した底質試料の粒度特性(中央粒径・泥分)はレーザー回折式粒径測定装置で測定した．また有機物の特性として，全有機物・易分解有機物・微細藻類を測定した．このうち全有機物量は強熱減量により，また生物利用性を直接に反映する易分解有機物として易分解タンパク質(Bradford 法でタンパク質分解酵素処理と未処理との差を定量)を測定した．さらに，微細藻類は堆積物の DMF抽出液のクロロフィル a 量を蛍光光度計(Holm-Hansen 法)で測定した．
一方，底質細菌群集については，採取された底質試料の一部を凍結保存したものから DNA を抽出し，次世代シーケンサー(Miseq)を用いて 16SrRNA 遺伝子の部分塩基配列を取得した．2014 年から 2019 年にかけて同様に処理した底質試料と合わせ全 86 サンプルの細菌塩基配列情報について，細菌群集解析用パイプライン QUIIME2 を用いて細菌群集組成をもとめ，主成分分析法と非計量多次元尺度法によ― 69 ―

り各試料間の細菌群集組成の類似性を調べた．

2.2 有機物特性の空間構造と台風前後の変化(1)調査結果
対象海域を南北(鹿島灘，九十九里海域)，岸沖(水深 10m帯，30m 帯)の 4 つの領域に分け，各領域の平均値から粒度組成・有機物特性の空間構造や時間変動特性を整理した．
なお，台風 19 号の影響は，台風前(2017 年～2019 年)と台風後(2020 年～2021 年)の比較から評価した．
このうち粒度組成については，台風 19 号時の河川からの細粒土砂流入に伴う顕著な細粒化(中央粒径減少)・細粒成分の増加(泥分増大)は見られなかった．これに対して，底質中の全有機物量は，台風 19 号の翌年にあたる 2020 年に九十九里海域で増加傾向が見られ，特に 10m 水深帯で増加が大きかった(図-2)．さらに底質微細藻類量は，2020 年に対象海域全体で増加傾向を示し，特に九十九里海域の水深30m 帯で顕著な増加が見られた(図-3)．九十九里海域については，2021 年も観測を継続したが，全有機物量は台風 19号前の水準まで減少し，微細藻類量は高い水準が維持されていた(図-3)，一方，易分解有機物量は台風 19 号前後で明瞭な変化の傾向は認められなかった．

図-1 観測海域と調査定点

図-2 全有機物量(強熱減量で評価，点線は 2017～2021 年の平均値，エラーバーは標準偏差)

図-3 微細藻類量量(クロロフィル a で評価)
(2)考察
鹿島灘～九十九里海域の底質特性については，既往の調査結果から空間構造の特徴がまとめられており(宇田川ら
3))，両海域を比較すると，九十九里海域側で粒径が小さく泥分が大きいこと，九十九里海域の水深 10m 帯で全有機物量が大きい傾向があることなどが示されている．したがって，全有機物量については，台風 19 号によりその基本的な空間分布の特徴がより強化されたことになる．台風 19号前後で易分解有機物量に明瞭な変化が見られなかったことから，全有機物量の中心は，難分解性有機物と考えられる．出水時に陸域起源の難分解性有機物が海域に供給される事象は比較的多くの報告例があり，このことから基本的に難分解性有機物が蓄積し易い九十九里浜海域水深10m帯に台風 19 号の大規模な出水によって陸域起源の難分解性有機物が堆積したことなどが推定される．
なお，底質微細藻類量の台風 19 号後の増加については，現時点で明確な原因は特定できないが，海底の微細藻類の生産環境の変化が維持されている仕組みを藻類の種類も含め検討することが必要と考えている．

2.2 細菌群集組成の空間構造と台風前後の変化(1)調査結果
各試料の細菌群集組成を主成分分析により解析した結果，第 1 主成分が全変動の 8.1％，第 2 主成分が 7.0％を説明した(図-4(a))．これらを縦横軸として各試料中の細菌群集組成をプロットした結果，第 1 主成分の正側に水深10ｍ帯で採取した試料が，負側に水深 30ｍ帯の試料がプロットされた．また水深 10ｍ帯の試料は，第 2 主成分が正側(図-4(a)右上)に鹿島灘，負側(図-4(a)右下)に九十九里海域の試料がプロットされた．水深 30ｍ帯では鹿島灘と九十九里海域の試料は重なってプロットされた．2019 年
以前と 2020 以降の試料については，各海域で重なって配置されており年による明瞭な差は認められなかった．
各試料の細菌群集組成を非計量多次元尺度法により解析した結果(図-4(b))，主成分分析と同様に，横軸の正，縦― 70 ―

軸の正の側に鹿島灘 10ｍの試料，横軸の正，縦軸の負の側に九十九里海域水深 10ｍの試料がプロットされ，横軸の負の側に鹿島灘と九十九里海域の水深 30ｍの試料が重なってプロットされた(図-4(b))．2019 年以前と 2020 年以降を比較すると，2020 年以降の点は全体に図の外縁よりに配置された．特に外房 10m の海域では 2020 年以降の点が横軸の正の方向にずれて配置され，底質の細菌群集組成の違いが見られた．

(a)主成分分析法(b)非計量多次元尺度法
図-4 底質細菌群集組成の解析結果（海域・水深帯による分布の特徴と台風前後の変化）響が検出できたことを示唆している．このように細菌群集解析は，適切な解析手法と組み合わせることで生物モニタ
本調査海域ではこれまでも鹿島灘と九十九里海域で水 リングとして感度が高い技術になる．
深帯によって底質中の細菌群集組成が異なることが示さ 以上の結果は，対象海域の底質細菌群集組成を予め把握しれており，また出現する細菌群集の特徴から各海域での物 ておけば，それからの変化を計測することで大規模出水等質循環の違いが示唆されている(Sakami and Udagawa2))． による海域環境(漁場を含む)への影響やその程度を細菌本研究で得られた 2020，2021 年に採取した底質の細菌群 群集の視点から定量的に検出・評価できる可能性を示して集組成についても同様の結果となっており，改めて，鹿島 いる．さらに，前節で示したように 2020 年以降(台風 19
灘・九十九里海域における底質細菌群集の空間構造の特徴 号後)，九十九里海域を中心に底質の有機物含有量やクロが確認されると同時に，2019 年秋季の大規模な台風通過 ロフィル量の増大が検出されており，これら有機物動態とによる影響は，この空間構造(及び物質循環特性)を大きく の関係性を明らかにできれば，単に環境変化の検出だけで変えるような性質のものではなかったことを示している． なく，変化の意味や実態を示す指標に繋がることが期待さ
一方，非計量多次元尺度法による解析では，特に九十九 れる．
里海水深 10ｍ帯の海域において 2019 年以前と 2020 年以降で細菌群集組成に違いが認められ，海底底質表層の細菌 3．台風が沿岸底質環境に与える影響に関する群集が変化していたことが示された．非計量多次元尺度法
数値シミュレーション
は出現頻度を順位として扱うため，主成分分析に比べて出現頻度の小さい種類の変化がより強く結果に反映されう 3.1 数値シミュレーションの概要
る．変化が見られた九十九里海域水深 10ｍ帯の細菌群集
台風が沿岸底層環境に与える影響を把握するために，河の OUT(種に相当)の構成を調べると，出現頻度が増減した 口・浅海域から沖合海域までをシームレスに繋ぐ非構造系のは全体の 5％程度であった．このことは，解析手法とし 格子型の環境動態モデル FVCOM(Chen et al3))を用いて，て非計量多次元尺度法を用いることで出現頻度の小さい 鹿島灘～九十九里海域における台風来襲時の流動・波浪場
OUT の変化を捉え，台風 19 号による底質細菌群集への影 の再現計算を実施した．計算領域は図-5 に示す通りで，計(2)考察― 71 ―

算格子は外洋境界付近の 1/12°から沿岸域で 600m まで解像度を変化させている．境界条件として，河川流量(一級河川の流量を水文水質データベースから推定)，気象条件(気象庁 GPV-MSM 再解析データ)，外洋変動(JCOPE2.1 再解析データ)，潮汐(Nao.99)，波浪(第 3 世代波浪推算モデル
WW3 の計算結果)を与え，計算対象期間の再現計算を行った．なお，本研究の対象は 2019 年 10 月の台風 19 号であるが，台風経路による底層環境への影響を把握するために2013 年 9 月の台風 18 号，2016 年 8 月の台風 07 号，10 号も併せて計算を行っている．次節では，台風 19 号と同じような台風経路を示した台風 18 号と対比しながら台風 19号の特徴を示す．
計算結果を観測結果(杉松ら 4)等)と比較すると，数日周期の水温変動や沖合い海域の水温・塩分の空間分布等に多少差異が見られるものの，検討対象としている水深 30m 以浅の沿岸域については，期間平均値を中心に概ね観測結果の傾向を表しており，計算結果は一定の精度で現象を再現していることが確認された．

3.2 2019 年台風 19 号時の鹿島灘・九十九里海域における沿岸底層環境の特徴
台風 19 号は 10 月 12 日に銚子付近に最接近したが，九十九里浜海域の水深 30m 帯では有義波高が 9m を超えていたことが計算結果から確認された．波浪による底面軌道流
速振幅は九十九里海域水深 10m 帯で 1.6m/s を，同じ九十九里海域水深 30m 帯でも 1.4m/s を超えており，台風 1919号は海底環境への波浪の作用が極めて大きかったことが特徴と言える．また，塩分は台風通過から 2 日後の 10 月14 日から下降し 2 週間以上にわたって低い状態が維持された．これは，台風時に流出した利根川からの河川水が九十九里海域沿岸へ輸送され，長期間にわたって周辺沿岸域に影響を与えたことを示している，
さらに，台風 19 号が鹿島灘・九十九里海域の海底環境に与えた影響を定量的に把握するために，底質輸送の大きさを次式で評価することを試みた．
𝑄𝑢∙𝑉

(1)

ここで，uwb は底面軌道流速振幅，Vcb は底面流速である．
底面近傍の底質濃度(いわゆる基準点濃度)が波による底面軌道流速振幅の大きさに支配されると考えれば，式(1)は，底面での底質濃度と底面流速の積(輸送フラックス)に相当しており，本研究では，式(1)の Qp を底質輸送の大きさの指標(以後，底質輸送ポテンシャルと呼ぶ)として台風による海底攪乱及び底質環境への影響を評価した．
台風来襲時の各海域観測点上(図-1，図-5 参照)における底質輸送ポテンシャル(式(1))を沿岸方向と岸沖方向の 2成分に分けて評価し，2 次元マップにして特徴を調べると(図-6)，①2013 年台風 18 号時(図は省略)，台風 19 号時

ともに鹿島灘よりも九十九里海域の方が底質輸送ポテンシャルが大きい，②2013 年台風 18 号と 19 号を比べると，台風 19 号時の方が底質輸送ポテンシャルが大きい(鹿島灘・九十九里海域とも)傾向が明らかとなった．このことから，台風 19 号時には，特に九十九里海域で台風による海底環境への影響(海底攪乱・底質輸送)が大きかったことが推定された．

図-5 計算領域・計算格子と鹿島灘～九十九里海域の海底地形及び図-1 の調査地点

図-6 (a)鹿島灘水深 10m，(b)鹿島灘水深 30m，(c)九十九里浜水深 10m 帯，(d)九十九里海域水深 30m 帯の観測点(各 3 地点，図-6 参照)における 2019 年 10 月の底質輸送ポテンシャルの 2 次元マップ．横軸が沿岸方向，縦軸が岸沖方向を示す．また色付き凡例は底面軌道流速振幅の大きさを表す．

4. まとめ本研究では，関東～東北地方に豪雨と甚大な風水害を引き起こした 2019 年台風 19 号を対象として，台風が海底を中心とした海域環境に与える影響を海底堆積物の細菌群集と有機物組成から検出することを試み，併せて数値シミ― 72 ―ュレーションによる影響評価(台風による海底攪乱，底質輸送)を行った．対象とした鹿島灘～九十九里海域における底質細菌群集組成の空間構造と今回検出された台風 19号による有機物組成及び細菌群集組成の変化をまとめたものが図-7 である．

参考文献
1) 作野 裕司： 2019 年台風 19 号直後の衛星・現地データによる東京湾の濁度および重油の分布推定, 土木学会論文集 B2(海岸工学), 76 巻, 2 号, I_1381-I_1386,2020.
2) Sakami

T,Udagawa

T,

2021,

Bacterial

community

composition of the sediment in the coastal regions ofKashima-Nada and Kujukurihama, Japan, Bull. Jap. Fish.
Res. Edu. Agen. No.50, 9-17.
3) Chen, C, R. C. Beardsley and G. Cowles, 2006, An
unstructured grid, finite-volume coastal ocean model(FVCOM) system. Special Issue entitled “Advance inComputational Oceanography”, Oceanography, 19(1), 7889.
4) 杉松 宏一, 八木宏, 小口哲史, 川俣茂, 宇田川徹, 中山哲
嚴, 島村信也, 池川正人, 鈴木 彰：常磐沿岸域における流動構造と季節変動要因，土木学会論文集 B2(海岸工学)，70 巻 2号，I_411-I_415,2014.

図-7 鹿島灘及び九十九里海域の底質細菌の空間構造と台風 19 号による変化のまとめ(四角の中が台風 19 号後の変化)
Sakami and Udagawa1)及びそれに続く本研究の検討によって，これまで知見が十分とは言えなかった沿岸域の底質細菌群集について，その空間分布の特徴や変化の時空間スケール，細菌群集組成の変化を検出するための解析方法などが少しずつ明らかになってきた．細菌群集は多様な情報を有しており，対象海域の底質細菌群集組成を本研究のように予め把握しておけば，その僅かな変化から環境変化を定量的に検出・評価できる可能性がある．
今回は，大規模な出水による海域環境変化の検出を対象としたが，沿岸漁場底層の生物環境応答を把握する技術が確立されれば，マウンド礁などの大深度沿岸漁場や増殖場・浅海域沈設魚礁のモニタリングなどの沿岸漁場管理や漁場造成の適地・施設の選定にも適用が期待される．

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