千曲川における窒素化合物の由来
戸田任重*・椎名 未季枝*・平林 明*・新藤
川島 博之***・沖野 外輝夫****（*信州大学***東京大学大学院

理学部・**独立行政法人純子**

農業環境技術研究所

農学生命科学研究科・****早稲田大学人間科学部）

摘
要
流域に集落や農耕地などの人為的汚染源のない、長野県内（乗鞍・安曇野付近）の渓
流水の溶存態窒素の大部分は硝酸態窒素であり、その濃度範囲は0.05〜0.38 mgN L−1 、平均0.21（sd=±0.08）mgN L−1 であった。一方、千曲川中流の 溶存態窒素濃度は１〜２mgN L−1 で、渓流水に比べ一桁ほど高かった。原単位法による窒素汚染源の推定では、千曲川流域の単位面積当たりの窒素負荷発生量（比負荷量）
は、8.5〜20.2 kgN ha−1年−1で、流下にともない増加すること、上流部では森林および農耕地（主に畑地）由来の窒素負荷が主体であり、中流では下水放流水および畜産排出物由来の窒素負荷量が増加することが示された。付着藻類の窒素安定同位体比も、流下にともなう増加を示し、下水放流水および畜産排出物由来の窒素負荷の寄与の増大を示唆した。それぞれ独立した両方法から、千曲川流域での流下にともなう窒素汚染源の変化、すなわち、化学肥料由来の窒素汚染から下水放流水や畜産排出物由来の窒素汚染へのシフトが示唆された。
キーワード：安定同位体比、河川水質、原単位法、千曲川、窒素

１．はじめに河川には、流域から様々な物質が流入している。窒素に関してみれば、上流域では、近接した森林から、落葉や落枝の形態で懸濁態窒素が直接入り、無機態や有機態の溶存態窒素の流入もある。人間活動が活発になる中流域では、農耕地由来の窒素や人間・家畜からの排出物、食品工場などからの排水が流入してくる。どのような起源の窒素であれ、河川水中では、混合し、再変換されて、硝酸態窒素をはじめとする様々な形態の窒素として存在する。河川水中の窒素の由来を特定するには、流域の発生源に関する原単位を用いる方法１）、汚染源による窒素同位体比の差異を利用する方法２）−５）がある。
本研究では、長野県の千曲川を例として、その流下にともなう流域の窒素源の変化を、これら二つの方法で検討した。ただし、窒素同位体比を利用した推定では、河川水中の窒素そのものではなく、付着藻類の窒素同位体比を用いた。河床に生息する付着藻類は、河川水中から栄養塩を直接吸収し、その生育期間は数週間にわたる。付着藻類の窒素安定同位体比は、その間の河川水中の無機窒素の同位体比を平均したものになると考えられる。この点では、河川水中の窒素の同位体比が瞬間値であるのに対し、付着藻類の同位体比はある期間の平均値を表しているものと考えられる。河川水中の窒素の同位体比が、一時的な窒素流出等の影響を受けやすいのに対し、付着藻類の同位体比はより長期的な窒素源の変化を反映しているものと考えられる６）。

２．方法
渓流水調査
森林からの窒素流出程度を知るために、長野県内で渓流水の調査を実施した（図１）。乗鞍・安曇野地域での渓流水の採水は、 2002 年８月 26 日〜27 日と９月 10 日〜 11 日の４日間、降水の無い日を選んで行った。渓流水採水地点より上流は、森林域であり、集水域内に農耕地や人家、畜舎などの人為的汚染源はない。
各採水地点において、水温、pH、電気伝導度を測定し、渓流水を採水した。採水した渓流水は、冷蔵して実験室に持ち帰り、全窒素はペルオキソ二硫酸カリウム分解法７）で、硝酸態窒素はイオンクロマトグラフ（DIONEX DX-120）で、アンモニア態窒素はインドフェノール法で測定した。
採水した渓流水には、懸濁態粒子はほとんど含まれておらず（0.1 mg L−1 以下）、ここでの全窒素は41

戸田ほか：千曲川における窒素化合物の由来

図１

調査地区.

●は採水地点，千曲川調査区の■は主な下水処理場．

溶存態全窒素（DTN）とみなした。溶存態全窒素から溶存態無機窒素（硝酸態＋アンモニア態窒素）を差し引いて、溶存態有機窒素（DON）を算出した。
千曲川調査
調査は長野県千曲川の長野−新潟県境から195 kmの川上村と 92 kmの丸子町の区間において、 2001 年８月、 10 月、 12 月の計３回行った（図１）。調査地点は 17 地点で、窒素負荷発生量との比較を行いやすくするために、市町村の境界付近を選んだ。採水方法および試水分析方法
は、渓流水調査と同様である。ただし、千曲川の河川水については、ガラスろ紙（GF/C）でろ過した試水を分析に供した。また、塩化物イオン濃度はイオンクロマトグラフで測定した。
窒素同位体比測定のための付着藻類は、流速や水深の似たような場所から礫を採取し、礫表面の付着物を歯ブラシでこすり取って集めた。採集した付着藻類は、実験室で水生昆虫を取り除いた
後、 60 ℃で乾燥させ、粉末状にして窒素安定同位体比測定に供した。付着藻類試料には、細菌やデトリタスも含まれる。

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窒素安定同位体比（δ15Ｎ値）の測定
窒素安定同位体比は、元素分析計（Fisons社
EA1112型）を接続した質量分析計（Finnigan MAT
DELTA plus-SE型）を用いて測定した。δ15Ｎ値は以下の式で定義される。
δ15Ｎ（‰）＝（R sample / R standard−1）× 1000
ここで、Rは15N / 14N 比である。窒素の標準試料は大気窒素であり、ワーキングスタンダードとしてグリシン（13C：−0.2‰、15N：−33.0‰）を用いた。分析精度は、±0.2‰であった。
原単位法による窒素負荷発生量の算出
流域を川上村から丸子町にかけて８つの地域に分割し、流域ごとの窒素負荷発生量を算出した。
窒素負荷発生源として、人屎尿、畜産排出物、農耕地、森林、市街地からの流出を考慮した。人口、家畜頭数、土地利用状況は、長野県農林業市
町村別統計書平成13年度版８）を基にした。原単位には川島９）の値を用いた（表１）。鶏からの排出はすべて還元再利用されているものとして、負荷には含めていない。上記の統計データにそれぞれの地球環境 Vol.９ No.１ 41−48（2004）

表１

計算に用いた原単位９）.

項目人屎尿
人雑排水
牛豚
水田
畑
市街地
森林発生負荷量

単位

9.00
3.00
290.00
40.00
10.12
32.93
12.19
3.93

gN capita day-1-1gN capita day-1-1gN head day-1-1gN head day-1-1kgN ha yr-1-1kgN ha yr-1-1kgN ha yr-1-1kgN ha yr-1-1

原単位を乗じて、流域ごとの窒素負荷発生量（単位−1−1
面積当たりの窒素負荷発生量、kg N ha yr ）を算出した。畜産排出物および下水処理場・屎尿処理場からの窒素の流出率は60％とした10）。

３．結果と考察３.１ 長野県の渓流水・河川水の窒素濃度図２は、流域に集落や農耕地などの人為的汚染源のない、乗鞍岳周辺や安曇野付近の渓流水の窒素濃度である。渓流水の窒素の大部分は硝酸態窒素であり、わずかの溶存有機態窒素を含み（ 0 . 05 mgN L −1 前後）、アンモニア態窒素はほとんど含まれていなかった。全窒素濃度 の範囲は、 0 . 05 〜 0 . 38 mgN L −1 、平均

図２は 0 . 2 1（ s d = ± 0 . 0 8 ）m g N L − 1 、 硝 酸 態 窒 素 の濃度 範 囲 は 0 . 03 〜 0 . 37 m g N L − 1 、 平 均 は 0 . 17（ ± 0 . 0 9 ）m g N L − 1 で あ っ た 。 計 算 上 は 溶 存 有機態窒素が算出されるが、低濃度のため、信頼 性 に は 疑 問 が 残 る 。硝酸態窒素濃度は標高が高いほど低下傾向を示し、両者には有意な負の相関が認められた（図３、r2 =0.21、n=30、P＜0 . 05 ）。今回の調査は、無降水日のみであり、渓流水中の窒素は、降水中の窒素がそのまま流出したのではない。渓流水中の窒素は、森林の植物・微生物による有機化・無機化を経て流出してきたものと考えられる11）。流出する窒素濃度には、土壌微生物による無機化・硝化が大きな影響を与えているとの報告もあり12）、標高の増加にともなう硝酸態窒素濃度の低下には、低温による土壌微生物の無機化や硝化活性の低下が関与している可能性がある13）。
一方、図４は千曲川本流の窒素濃度である。千
曲川本流の最上流部では、図２でみた乗鞍岳や安曇野付近と同程度の窒素濃度であるが、流域に集落や農耕地がみられるようになると、濃度が一桁増加し溶存態全窒素濃度で１〜２mgN L−1 になっている。千曲川では、硝酸態窒素に加えて、有機態窒素も検出されている。流域での人間活動が活発になり、農耕地に撒かれた肥料や畜産排出物に由来する窒素、および下水放流水に含まれる窒素

乗鞍・安曇野地域の渓流水の窒素濃度（2002年８月〜９月）.

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戸田ほか：千曲川における窒素化合物の由来が河川に流入しているためである。上述した渓流水の平均濃度と比較すると、森林由来の窒素は、千曲川上中流部では河川水中の窒素の 10 〜 20 ％程度しか寄与していないようである。
３.２ 河川水の窒素の起源
３.２１.
原単位法による推定
千曲川流域における窒素負荷量は、上流域の8.5 kg N ha−1 yr−1 から中流域の20.2 kg N ha−1 yr−1 へ、流下にともない上昇する傾向を示した（図５）。森林、農耕地、市街地からの単位面積当たりの負荷量には、地点間の差異は少なく、窒素負荷量全体に対する相対的割合は下流に向かって減少した。

図３

畜産排出物由来の窒素負荷量は、上流部では小さく、中流部では５kg N ha−1 yr−1 前後の値を示した。下水放流排水に由来する窒素負荷量は 0 . 6 〜
4.0 kg N ha−1 yr−1 で、下流に行くほど増加し、その窒素負荷量全体に対する割合も4.2〜22.8％へと増加傾向が見られた。原単位法による推定では、千曲川流域では、人間活動増大にともなう窒素負荷量の増加とともに、その中身が、農耕地・森林由来の窒素から下水放流水や畜産排出物由来の窒素にシフトしていることが示唆される。
これまでにも指摘されているように、原単位法にはいくつかの問題点がある１）。各汚染源の原単位には、かなりの変動幅があり、理想的には、調査対象地域での原単位を用いるべきである。例
えば、千曲川上流の川上村は、高原野菜の産地であり、そこでの窒素肥料投入量は、通常の畑作物の栽培より多い。しかし、今回の計算では、畑地からの流出原単位は、栽培作物に関係なく、普通作の一定値を用いている。川上村を含む上流域からの窒素負荷は過小評価になっている可能性が高い。また、人間や家畜の排出物からの窒素流出率を一律に 60 ％としている点なども、かなり簡略化した数値である。従って、今回の原単位法による推定は、概略的なものであり、上述したような問題点を抱えている。より実態に合った原単位や流出率の検討が必要である。

渓流水の硝酸態窒素濃度と標高との関係.

図４

千曲川本流における窒素濃度.
（2001年８月・10月・12月の平均値，縦棒は溶存態全窒素の標準偏差）44地球環境 Vol.９ No.１ 41−48（2004）

図５

千曲川本流各地点までの窒素負荷発生量.

３.２２.
付着藻類の窒素安定同位体比による推定
流域から河川に流入した様々な起源の窒素は、河川水中では混ざり合って、懸濁態、硝酸態、アンモニア態、溶存有機態などの窒素化合物として存在する。一方、窒素原子には化学的性質は全く同じで質量（中性子）数の異なる原子が存在する。その存在比率は、方法で定義したようにδ 15値で表す。化学肥料由来の窒素のδ 15値は−３〜＋３‰の低い値を、人屎尿・畜産排出物由来のδ15N値は＋10〜＋20‰の高い値を、降水由来のδ15N値は−15〜＋8‰の広い範囲を示すことが知られている14）。千曲川に隣接する下水処理場からの放流水の溶存態窒素（アンモニア態＋硝酸態窒素態＋溶存有機態窒素）のδ15N値は、平均 19 . 5（ ± 5 . 5 ）‰であった ６）。上述した原単位法による推定によれば、千曲川流域では、農耕地、森林由来のδ 15N値の低い窒素から、下水放流水や畜産排出物由来のδ 15N値の高い窒素にシフトしていることになり、河川に流入する窒素のδ 15N値も高まっているものと考えられる。流入してくる窒素の安定同位体比の変化は、河川水中の窒素の同位体比、さらにはそれを吸収同化して生育する付着藻類にも反映してくるはずである。
付着藻類の窒素安定同位体比（δ 15N値）は、同一地点でも季節により変化するが、いずれの調査時期も下流にいくほど増加した（図６）。付着藻類のδ 15N値と、下水放流水と畜産排出物に由来する窒素の相対的割合とには有意な正の相関関係が認められる（図７、n=９、r2 =0.87）。原単位法に基づく推定でも、付着藻類の窒素安定同位体比からも、千曲川では流下にともない、流入してくる窒素の起源が、農耕地・森林由来の窒素から下水放流水および畜産排出物由来の窒素にシフトしていることが示唆された。
McCleland et al.４）とMcClelland and Valiela15）は、海洋沿岸域での窒素負荷と水生植物や浮遊藻類のδ 15N値との関連を解析し、都市化にともなう下水負荷の増加により、それらの植物のδ 15N値が上昇することを指摘した。しかし、水生植物の場合、水中だけでなく底質中からも栄養塩を吸収するため、その窒素同位体比の解釈は複雑になる。
その点、付着藻類の栄養塩源は河川水のみであり単純な系を考えればよい。ただし、付着藻類の同位体比も、窒素源のδ 15N値のほかに、栄養塩吸収・同化の際の同位体分別の影響を受ける。浮遊藻類の場合、栄養塩の種類（アンモニア態か硝酸態か）や濃度、照度によりそのδ15N値が変化する
ことが報告されている16）,17）。浮遊藻類の場合、成長速度が大きいときは同位体分別は小さいようである16）。今回の調査でも、付着藻類の窒素同位体比は夏季に高く、冬季にやや低めになっている。
冬季低温期には、成長が遅く、同位体分別が働き、軽い窒素（ 14N）が吸収同化されやすいため、低めの値になっている可能性がある。また、河川河床部では、脱窒が起きうる。脱窒の際には大きな同位体分別が起こり、残された硝酸態窒素の同45

戸田ほか：千曲川における窒素化合物の由来

図６

千曲川における付着藻類の窒素安定同位体比.
（2001年採集，10月・12月の縦棒は標準偏差）

図７

付着藻類の窒素安定同位体比と窒素負荷量のうちの人・畜産排出物の相対的割合.

位体比は上昇する18）。河川水中の窒素、あるいは付着物の窒素同位体比を解釈する際には、脱窒も念頭に置く必要がある。ただし、千曲川では、低温のため脱窒はほとんど起きていないと考えられ
る 12 月においても、流下にともなう付着藻類のδ15N値の増加は認められている。
原単位法にしても、付着藻類の窒素同位体比にしても、それぞれ短所を有している。しかし、それら独立した手法で、千曲川の河川水中の窒素の46由来を検討した今回の結果は、ともに流下にともなう、窒素源の変化、すなわち農耕地・森林由来の窒素から下水放流水や畜産排出物由来の窒素にシフトしていること示唆した。この点は、河川水中の塩化物イオン濃度の上昇からも支持される。
千曲川では、流下にともない、塩化物イオン濃度の顕著な増加がみられる（図８）。下水放流水の塩化物イオン濃度は高く、図８は下水放流水の混入を強く示唆している。

地球環境 Vol.９ No.１ 41−48（2004）

図８

千曲川本流における塩化物イオン濃度.
（2001年８月・10月・12月の平均値，縦棒は標準偏差）

謝辞
本研究は、環境省地球環境研究総合推進費「キャッチメント調査に基づく酸性雨生態系影響の評価手法の開発」、および千曲川河川生態学術研究の支援を受けて実施した。

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（受付2004年１月28日、受理2004年２月27日）