シリカ欠損：ケイ素循環への人為影響と海洋生態系の変質
Silica decline : Anthropogenic change of the silicon cycleand deterioration of the marine ecosystem
原島

省

＊

Akira HARASHIMA＊（独）国立環境研究所 水土壌圏環境研究領域 海洋環境研究室
National Institute for Environmental Studies

摘要

従来ケイ素（Si）循環への人為影響はあまり考慮されてこなかったが、近年「人為影響で窒素（N）やリン（P）は増えるが、自然に補給される Si はダムでトラップされて流下が減る。このため海域の Si 相対比が低下し、Si を必須とするケイ藻（海洋生態系の基盤）よりも非ケイ藻類（有害赤潮種を含む）が有利になる」とする「シリカ欠損仮説」が提起されている。この仮説の検証のため、琵琶湖－瀬戸内海をモデル水系とし、フェリーを利用した時系列観測を行った。播磨灘部分について、各年の N-Si 栄養塩軌
跡図で「Si 切片」を定義して 1990 年代から 2000 年代の長期変動を追うと、この値が負→正へと回復する傾向がみられた。これは近年の非ケイ藻赤潮減少、ケイ藻赤潮の増加傾向と整合し、Si が環境決定要因になること、すなわちこの仮説が妥当性をもつことが確認できた。また、栄養塩→卓越藻類種というボトムアップ制御とは逆の、ケイ藻の生物的挙動→栄養塩状況という方向の制御も特筆される。

キーワード：ケイ藻、シリカ欠損仮説、有害赤潮、レッドフィールド比Key words：diatom, silica deﬁciency hypothesis, harmful algal bloom, Redﬁeld ratio
1．はじめに地球環境変質の議論において、ケイ素（Si）の循環
は、炭素（C）、窒素（N）、リン（P）など他の親生物
元素の循環ほどには関心をひいてこなかった。それは、生物学的代謝において Si の関与が小さいと推定されることと、Si が地殻の 28％を占めるほど多量に存在するためにその過不足が問題になるとは考えにくかったことによる。一方で、全地球の CO 2
固定（基礎生産）の 20％以上は海産のケイ藻が担っており、それらに共通する点として細胞壁の部材として Si を必須とすることが挙げられる。また、生態系の基盤としては、ケイ藻のほうが非ケイ藻類（Siを必要としない微細藻類を本稿ではこう総称する）
よりも水産に有用とされる。陸上植物中では、特にイネ科植物が Si を部材として利用していて、ともに人類の食料供給を支えている。これらの事例を考えると、やはり Si 循環への人為影響もチェックする価値があるといえよう。
Si の循環は、「生物地球化学的ループ」と「地質学的ループ」の 2 つからなっている（図 1）。前者は、海洋のケイ藻の増殖（基礎生産）と分解のサイクルで形成される。ケイ藻が増殖する際には、海水中の溶存態シリカ（DSi：Dissolved Sililcate）を吸収して生物起源シリカ（BSi：Biogenic Silicate またはプラン
トオパール）からなる殻を形成する。このループでは、ケイ藻の基礎生産に帯同して DSi が BSi とな
12る。この過程の Si フラックスは 240×10 モル／年
1）と見積もられており 、形成された BSi の半分は海洋上層（上部 200 m 深）内で溶解するが、残りの半分はケイ藻の遺骸として下層に沈降し、そのほとんどが溶解し、海水の湧昇や鉛直混合で上層に戻った
後に再び基礎生産に使われる。溶解しなかった分はBSi のまま海底堆積物中に埋没する。
埋没した部分は「地質学的ループ」の起点とな
り、BSi からケイ藻土、チャートなどを経由して鉱物態シリカ（LSi：Lithogenic Silicate）となる。造山運動の後、陸で露出した LSi に降雨がかかると、風化作用で DSi が溶出し、河川経由で海域へと流下し、「生物地球化学的ループ」に合流する。
「地質学的ループ」の Si 流量は河川の平均的 DSi 濃度から
125～6×10 モル／年と見積もられている。
生物地球化学的ループにおいては、各親生物元素が無関係に動いているのではなく、おおむね C：
N：P：Si＝106：16：1（ ：15）とされるレッドフィ
2）ールド比で連動している 。括弧をつけたのは、非受付；2010 年 9 月 29 日，受理：2010 年 10 月 19 日＊
〒 305-8506 つくば市小野川 16-2，e-mail：harashim@nies.go.jp
2011 AIRIES

61

原島：シリカ欠損：ケイ素循環への人為影響と海洋生態系の変質

図1

ケイ素循環の 2 つのループ．

ケイ素は，DSi（溶存態シリカ），BSi（生物起源シリカ），LSi（鉱物態シリカ）と存在形態を変えながら，①生物地球化学的ループ（緑点線長円）と②地質学的ループ（青点線長円）の 2 種のループに沿って循環する．①からはずれて海底堆積物に埋没した部分は②のループに移る．②のフラックスは量的に①の数十分の 1 程度であるが，100 万年以上の時間スケールでの気候変動には大きく関与するといわれている．海域で DSi が潤沢な場合，ケイ藻→カイアシ類動物プランクトン→魚という「高エネルギー食物連鎖」が形成されやすく，ケイ藻遺骸が沈みやすいため，下向きの「生物ポンプ」も働きやすいとされる．

図2

ケイ素循環への人為影響（シリカ欠損仮説）．

人間活動で N，P の流下は増大する一方，Si の流下は減少する．この結果，沿岸海域で Si/N 比が低下し，ケイ藻よりも，非ケ
イ藻類が有利になる．また生態系の高次栄養段階については，フラックスが「低エネルギー食物連鎖」に変化するためにクラゲが有利になるという説もある．さらに，図 1 では，ケイ藻殻のバラスト効果によって海洋上層でできた有機物が効率よく落とされていたが（「生物ポンプ」），シリカ欠損によりこの効果が弱まるという説もある．

ケイ藻微細藻類（渦鞭毛藻類など）は Si を必要としないためである。藻類の増殖が進むと、各栄養塩が吸収され、相対的に最少量の元素が枯渇して増殖が停止する。すなわち増殖の「制限要因」となる。通3）常、海洋で不足するのは N または P であり 、Feも大陸起源塵埃の補給が少ない海域で不足すること
4）もあるが 、Si が不足することは少ない。ただしプ
ランクトン遺骸の分解で溶出回帰する速度は N とP で高く、Si では低いため、ペルー沖など下層海水が大規模湧昇する海域で Si が相対的に不足するこ5）とが指摘されている 。
Si 循環に関する基礎的知見は決して少なくはな
いが、海洋での重要性を明示した例としては、1980
6）
7）
年前後になってからの角皆 と Officer の論文が挙げられる。次の研究展開としては、人間活動が環境中の N と P の循環量を増大させることで相対的に8）
Si 不足を招くことの指摘であった。Radack ら は、
エルベ河口沖ヘルゴラント島近傍の長期モニタリン
グ結果から、1960 年代初期にはケイ藻の春季大増
殖（春季ブルーム）のみが顕著だったが、1970 年代
以降、春季大増殖終了時に Si が枯渇して N と P が62

残るようになり、これが夏季の鞭毛藻類のブルーム9）を増加させたとした。また、Billen ら は、集水域
から海域までを 1 つの連続系（aquatic continuum）として扱い、森林→草地→耕作地→都市域と土地開発・利用の度合いが高まるほど、流出河川の N、Pに対する Si の相対比が低下することを示した。
次の大きな研究展開は、ダムと Si の関わりであ10）る。Humborg ら は、ドナウ川にアイアンゲート
ダムが建設された後に DSi の流下量が減り、黒海上層の Si が低下したことと、これが非ケイ藻類による有害赤潮を増加させたことを示した。さらに同海域のクラゲ類およびクシクラゲ類の増大も数多く報告されている。
これ以降、Si 相対比低下とその影響に関する研究報告も増え、ICSU-SCOPE（国際学術会議 - 環境問題特別委員会）により「シリカ循環に関する国際シン
11）
ポジウム」が開催され、単行本もまとめられた 。
それらの報告を総合すると、この推定メカニズムは、
以下のような多段階の素過程の複合として整理される（図 2）。すなわち、① DSi はケイ酸塩鉱物の風化溶出が主な供給源であるが、②河川にダム湖などの地球環境 Vol.16 No.1

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静水域が介在してそこに N と P が流入すると③陸ることが多いので、Egge らの目安と概ね合致する。
水性ケイ藻が DSi を吸収して沈降せしめる。この
ただし、異種生物が競合しながら増殖している場合
ため、④ダムの増大とともに DSi の流下量が減り、には、N：Si、P：Si などの相対比や、本来その場⑤沿岸海域で N、P に対する DSi 相対比が低下する。
で期待されるシリカ濃度に対しての低下などもケイ
その結果、⑥ケイ藻の増殖の後に DSi が枯渇して藻の優位性に影響するかもしれない。本稿では、後N または P が残留するようになる。この状態では者の考えに基づき、陸水における「シリカ欠損」の⑦ DSi を必要とするケイ藻類（良好な生態系の基盤
度合いを、静水域の上流・下流でのシリカ濃度の低となる）よりも、DSi を必要としない非ケイ藻微細下率で定義した（3.1 節）。また、海域については、
藻類（主な有害赤潮形成種を含む）が有利になる。さ河川水の希釈に際して保存性を仮定した場合のシリらに、⑧ケイ藻→カイアシ類（中・大型動物プラン
カ濃度に対して観測濃度がどのくらい低下しているクトン）→魚類という「高エネルギー食物連鎖」 かで定義した（3.2 節）。
13）（図 1 中の右上部分）
よりも、非ケイ藻類→微小動物
この仮説が重要性をもつのは、人口、施肥量 、
プランクトン→クラゲという「低エネルギー食物連
大ダム建設量がともに増大している東アジア地域の水鎖」（図 2 の右上部分）が生じやすくなる、というよ系であり、すでに、長江およびその河口域で Si 相対
14）
, 15）
うに、生態系の高次栄養段階への波及も考えられる。
比の低下および赤潮の増加が指摘されている。
本稿はこの「シリカ欠損仮説」の当否を検証する
さらに、東シナ海におけるエチゼンクラゲの増大はことを目的としているが、それには以下のような困わが国にも被害が及んでいる。ただし、同海域は中難がともなっている。仮説中の素過程のうち、②、国の EEZ 内のため、わが国が調査対象とすること③は静水域の流入・流出河川でそれぞれの DSi 濃は基本的にむずかしい。また、長江河口域～東シナ度の差を現況調査すれば検証できるが、それ以外は
海は、むしろ開放型であり、南北からの沿岸流によすべて長期的な（10 年間以上の）トレンドを検知す
る水の入れ替わりもある。このため陸域起源固有のることが必要である。
水圏、特に海域における生物・
生態系変質を抽出しにくく、モデル化もむずかしい。
化学量の長期時系列データは非常に限られている。
これらの問題を考慮し、同等の現象がありうる国
しかも、水温、成層の度合い（鉛直混合の度合いと内の水系として、琵琶湖を仮想大ダム湖と想定し、相反）、植物プランクトンのブルームなど、短期的・
淀川、瀬戸内海とあわせた領域をモデル水系とする
季節的な変動のほうがはるかに大きいため、トレン （図 3）。特に、瀬戸内海は、適度の閉鎖性のため河ドを抽出するためには観測の頻度が高くなくてはな
川起源の水がある程度保持され、また、窒素・リンらない。また、⑦については、Egge らが現場実験をはじめとする陸起源負荷が東端（阪神地域）で高－1
によってケイ藻卓越の DSi 濃度の下限が 2μmol L
く、西端（豊後水道側）で低い。このために、東高西
12）がという目安を示しているが 、さらに検討を要す
低の環境勾配の存在が先験的に予測され、人為影響る。
の考察に適している。さらに、この海域を航行する
ここで「欠損」の定義について考えよう。ケイ藻
フェリーを利用することで栄養塩の長期、高頻度のが単独で増殖する場合、「不足」を感じるであろう
データ取得が可能なこと、水産庁による『瀬戸内海16）
シリカ濃度として、その半飽和定数が 1 つの目安にの赤潮』 の記録がケイ藻・非ケイ藻卓越の代替デ－1なる。この値は概ね 2μmol L 程度かそれ以下であータとして参照できること等の利点がある。

図3

モデル水系としての琵琶湖（仮想大ダム湖）－淀川－瀬戸内海．

海域では，別府－大阪航路（点線）のフェリーさんふらわあに自動観測装置を取り付けて長期，高頻度で海水水質を計測する．
数字は各灘の番号で，6 が播磨灘，7 が大阪湾にあたる．

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原島：シリカ欠損：ケイ素循環への人為影響と海洋生態系の変質

わが国では 1960 ～ 70 年代の高度経済成長を経て、経済的には安定成長期にはいり、1980 年代から瀬戸内海域への COD、P および N の流入削減も行われたため、これらの社会経済的な状況変化との比較評価も可能であろう。具体的には、われわれのフェリーによる観測期間は、シリカ欠損の進行した年代よりも、シリカ欠損から回復した年代を対象としたことになる。本稿の内容の一部はすでに公表済
17）, 18）
みであるが、それ以降に進めたデータ解析、広汎な文献レビューも加えて、この仮説の検証結果を報告する。

確認できた。このように陸水域についてはシリカ欠損の度合いが、当該静水域の上下流地点におけるDSi 濃度の差異として指標化できる。一方、信州大
27）
学の調査 によれば、信濃川水系の犀川・生坂ダム（平均滞留時間は数日以下）
では、低流量期に軽微なDSi 欠損がみられたものの、全季節的についてみると顕著でなかった。このことから、シリカ欠損は静水域の平均滞留時間が長い場合（琵琶湖では 5～6
年）に顕著であり、さらに成層もその傾向を強めるといえる。
3.2 海域でのシリカ欠損
フェリーによる瀬戸内海域表層の栄養塩データに
2．研究の方法
ついて、経度区画ごとに長期平均値を求め、それらを瀬戸内海全域について経度方向にプロットした
図 3 に示すように、瀬戸内海の別府－大阪航路 （図 4）。これによれば、DIN、DIP、DSi の分布がを毎晩片道ずつ運航するフェリーさんふらわあの連
ともに「東高西低」で、東端の大阪湾（図 3 および続取水系に自動ろ過サンプリング装置を設置し、水図 4 の灘番号 7）で最も高かった。このような分布
温、塩分などのセンサー計測に加え、植物プランク
は、阪神地域からの N と P の直接流入が大きいこ
トン色素と各栄養塩のサンプリング分析を行った。
と、上流の琵琶湖で欠損しているとしてもなおかつ
栄養塩のサンプリングは 2 週間間隔、1 航海ごとに淀川が DSi の一定の供給源となっていることから
11 地点で行い、ろ紙とろ液に分けて回収し、ろ液形成される。ただし、DSi／DIN 比をとってみるとから溶存無機態窒素（DIN：硝酸態、亜硝酸態、アン 「西高東低」であり、大阪湾で 1 以下になっていた。
モニア態各窒素の和）
、同リン
（DIP）
、同ケイ素
（DSi）
ここで、「海域のシリカ欠損」を以下のように定を陸上で分析した。詳細については、Harashima
義する。フェリーによる塩分観測値から河川水の希
19）
20）
21）
ら 、原島・功刀 およびウェブサイト を参照さ
釈率を推定し、河川側のエンドメンバー値を 1950
れたい。また、ケイ藻類・非ケイ藻類の卓越度の判
年代の河川の DSi 平均濃度として希釈に際しての別のための代替資料として、水産庁による『瀬戸内保存性を仮定すれば、本来存在すべき DSi 濃度が16）
海の赤潮』 を参照した。
求められる。この値と DSi 観測値の差が「海域で陸水域においては、野洲川（琵琶湖への流入河川）、 のシリカ欠損」である。この値は、大阪湾で顕著に
瀬田川（流出河川）、淀川下流域におけるサンプリン
マイナス値となった。その理由は、琵琶湖ですでにグから、各栄養塩および BSi の分析を行って流程にDSi が低下していることと、大阪湾内のケイ藻によ沿った変化を把握した。さらに、滋賀県立大学による吸収・沈降で DSi が低下することの双方による。
22）
る琵琶湖での Si 収支のデータ も参照した。長期
後者は、大阪湾に直接 N と P が負荷されることに時系列変化の把握については、1950 年代と 1970 年
よって促進され、簡略な計算によれば琵琶湖におけ代に小林純らのグループが行った河川水質調査結果
る DSi シンク効果よりも大きい。すなわち、河川23）（小林 のもとになった原データ）
および国土交通省に比較すれば海域も静水域の性格が強く、ダム湖と24）の『水質年表』 を参照した。
同様にシリカ欠損が起こるといえよう。また、
下層・前節で付番して示したように、この仮説は、複数底層での有機物分解（溶存無機態への回帰）
においての過程が複合しているため、単一の研究のみでは仮は、N と P の程度が Si の程度よりも大きいことも説の検証が不確実である。したがって、レビューの
作用する。
25）
比重を増やし 、それらとの整合性をチェックしつ
3.3 N、P、Si 各栄養塩の時系列的変化
つ考察を進めた。さらに、システム力学プログラム
フェリーによる栄養塩データのうち、播磨灘中央
26）を使った簡略なモデル を作成して考察に供した。
部だけを抽出して水温とともに時系列的に表示する
（図 5
（a）、
（b）
）
。一見して、大気 CO2 の長期変化の3．結果
ような上昇傾向はみられないが、DIN、DIP、DSi
ともに冬季に高く、その後早春にかけて減るという
3.1 陸水静水域でのシリカ欠損
顕著な季節サイクルがみてとれる。
前述のデータ解析により、琵琶湖では、流入河川
各栄養塩間の相互関係をみやすくするため、1996の DSi 平均濃度が 200μM 前後あるのに対し、流出
年春から 1997 年早春までの 1 年間について、DIN
河川（瀬田川）では 40～50μM まで下がっているこを横軸に、DIP および DSi を縦軸にとってプロットとがわかった。すなわち、流入する DSi の約 70～した（図 6（ a）、（b））。DIN と DIP の年変化サイク
80％が琵琶湖でトラップされていること（シンク）がルについては、冬季に最も高く（図 6（a）右上）、早64

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図4

61－70
（2011）

瀬戸内海の各経度区画における栄養塩濃度の長期平均．

DIN（●），DIPx16（●）ともに東高西低で，大阪湾側で人為影響が強い．DSi（●）も東高西低であるが，DSi／DIN 相対比（＋）18）
および本稿で定義した「海水のシリカ欠損指標」（▲）は，大阪湾側で低い．Harashima ら 使用図に加筆修正して再掲（©Loyal Swedish Academy of Sciences）．

図5

播磨灘における，
（a）
水温
（赤線）
および DSi（●），（b）DIN（●）および DIP×16（▲）の長期時系列．
それぞれの 3 点移動平均値を曲線で示した．×16 はレッドフィールド比に準拠して比較するためである．

図6

DIN の季節変化（横軸）に対する（a）DIP×16 および（b）DSi の季節変化．

早春のケイ藻ブルーム期，夏の河川流入極大期および秋の鉛直混合期を実線，1 点鎖線および点線の矢印で示す．また，破線はケイ藻ブルーム期の DSi 対 DIN の回帰直線で，これと縦軸との交点を DSi 切片と定義する．
（フェリーによる 1996 年 5 月 22 日
～1997 年 3 月 26 日の播磨灘中央部の観測結果）

65

原島：シリカ欠損：ケイ素循環への人為影響と海洋生態系の変質

春にかけてのケイ藻ブルームで両栄養塩ともに吸収されて減ってゆく（実線矢印）。春から夏にかけて下層の有機物の分解で DIN と DIP が再生し、秋口に海面冷却が始まると鉛直混合によって下層から表層に上がってくるため、両者ともに増加する（図 6（a）
中の点線矢印）。両者の相関は高く、両変化量の比率ΔDIP／ΔDIN はレッドフィールド比すなわち16 に近い。すなわち、基礎生産⇔分解の往復過程でほぼ記述できる。
ところが、DIN と DSi については、冬季に最も高くなることは同様であるが（図 6（b）右上）、ケイ藻ブルームの際の両者の減る比率ΔDSi／ΔDIN（実線矢印の傾き）はレッドフィールド比（N／Si ≒ 1）より大幅に大きく、1.5 ～ 2 に及んだ。この理由は、ケイ藻が実際には Si を多めに取り込むか、あるいはケイ藻の遺骸の分解時に N のほうが大幅に溶出してくるかによると考えられる。その後、DIN、
DSi のいずれかが枯渇した時点でケイ藻の大増殖は終わる。
特筆すべきことは、DIN 対 DIP の相関と異なり、
晩春～初夏には DIN はあまり増えず DSi のみが増えたことである（図 6（b）中の一点鎖線矢印）。この現象は他の年にも共通し、普遍的なものである。また、燧灘等にもある程度共通する。理由として考えられるのは、この時期には下層の有機物分解でできた DIN と DIP は安定成層のため上層に上がってきにくいのに対し、DSi は河川水流入増加ににともなって増加してくることである。なお一般的に、個々の降雨イベントの初期には DIN 流入も増えるが、夏季の総和では DSi 流入量のほうが DIN 流入量よりもはるかに大きい。また、夏季にはケイ藻が希薄で DSi が消費されにくいことも理由の 1 つである。
図 6（b）においては、3 月 10 日の時点で DSi が－1
ND（検出限界未満）であり DIN は 0.6μmol L 程度検出されたことから、DSi が枯渇し DIN は残留していたといえる。ただし、このような明白な枯渇状
態はむしろあまり計測にかからず、ほとんどの年で－1
DSi の計測最低値は 2 ～ 3μmol L 程度であった。
この値は、DSi の半飽和定数を下回るとはいえない

1994

図7

66

2000

ものの、前述の Egge ら によるケイ藻卓越の下限－1
DSi 値（2μmol L ）に近いので準枯渇状態と呼べるだろう。
われわれのフェリーでの計測間隔は 2 週間であるが、これよりも密にすれば、はっきりとした枯渇を示すデータ数も増えると推測される。また、植物プ
ランクトンが一般にパッチ状に分布することを考慮すると、濃密に分布する部分では局所的にはっきりとした枯渇が起きている可能性はある。われわれのフェリー観測では、航走しながら 2 分程度連続取水するため、この間に進行する距離（約 600 m）の空間平均値を得たことになり、局所的な栄養塩枯渇が捕捉にかからなかったことも考えられる。このような制約はあるものの、フェリー観測の時系列的な特性を生かしながら栄養塩枯渇を系統的に調べるため、
各年の冬～早春（DSi と DIN の減少時）の複数デー
タ点を使って DSi と DIN の関係を直線回帰し、この直線の「DSi 切片」を求めた。この値が図 6（ b）のようにマイナスであれば、ケイ藻ブルーム終了時に DSi が枯渇し、DIN が残った状態という判定を下すこととする。
3.4 N、Si 両栄養塩の枯渇・余剰の経年変化
DIN、DSi それぞれの 1994 年～ 2009 年の間の年平均値とともに、前節で定義された DSi 切片を時系列表示した（図 7 中の ）。この値は 1990 年代ではマイナスであったが 2000 年代途中からプラスに転じた。つまり、かっては春季ブルーム終了時にDSi が枯渇する傾向であったが、現今では DIN が枯渇するようになったと推定できる。当然ながら、N が減ったのか、それとも Si が増えたのか、という疑問が生ずる。そこで、まず素朴な形で、DINと DSi の年平均値をみれば、DIN 年平均値は、－1
1990 年代の 5～6μmolL から 2000 年代後半の－12μmolL というように減少してきたことがみてとれた。これに対し、DSi 年平均値は全期間中 8～－19μmolL を中心として推移し、長期的な増減ははっきりしないが、上方向に振れることが多くなったようである。そして DSi／DIN 比は 1.5 程度から 4程度まで回復したことになる。ここで、DSi／DIN
12）年

播磨灘中央部の，DIN 年平均値（●），DSi 年平均値（●），DSi 切片（ ）の長期変化．

地球環境 Vol.16 No.1

比が 1990 年代においても 1.5 もあり、レッドフィールド比に比べて DSi が多かったことになるのでDSi が枯渇することはなかったのではないかという疑問も出てくるが、前節で明らかになったように、ケイ藻ブルーム期間の海水中の DSi の減率は DIN
減率の 1.5 倍よりも大きいので、DSi のほうが枯渇したことは十分考えられる。このように、シリカ欠損については、DIN 年平均値／DSi 年平均値よりもDSi 切片をチェックしたほうが的確であるともいえ
よう。
4．考察
4.1 ケ
 イ藻赤潮／非ケイ藻赤潮の卓越とシリカ欠損の因果関係
前節で述べた DIN の減少傾向の原因として、ま28）ず考えられるのは行政面での流入負荷削減 である。それに加え、瀬戸内海を囲む地域での農業生産
29）
額が 1990 年代から低下傾向にあること を考えると、農業の海外シフトに起因する施肥量の低下も考えられる。また、DSi の長期変動については、DSi
切片の回復傾向とともに、DSi 年平均値の上方への振れが大きくなっていることがみてとれる（図 7）。
この理由として、3.2 節で述べたように海域でのDSi のシンクは N、P 流入で促進されていたのが、N、P の流入が減少したため、DSi のシンクが弱まったことで説明できるかもしれない。
一方、播磨灘の渦鞭毛藻赤潮は、1970 年代から
1990 年代にかけて減少傾向にある。また、近年はケイ藻赤潮が頻発し、このケイ藻赤潮が DIN を奪ってしまうことが養殖ノリの色落ちをひきおこして30）いる可能性も示唆されている 。このような、DSi
切片の回復傾向とケイ藻赤潮の隆盛傾向を並列すると、シリカ欠損仮説は妥当性をもつといえるだろう（観測期間が欠損の進行とは逆に欠損からの回復にあたっていたが）。
長期的傾向の判別に加え、以下では、個々の赤潮発生事例に即した考察・検証を行う。この目的で、
16）
水産庁による『瀬戸内海の赤潮』 に記載されている赤潮を、ケイ藻によるものと非ケイ藻類（従属栄
養性のノクチルカ類を除く）によるものに大別し、

1996
6月

7月

図8

61－70
（2011）

栄養塩の時空間変化との比較考察を行った。その結果、シリカ欠損仮説と一見矛盾するようにみえるポイントが 2 つほどみられた。
まず、ケイ藻赤潮と非ケイ藻赤潮それぞれの典型的な発生場所（図 8）と栄養塩分布（図 4）を比較すると、DSi／DIN 相対比が最低である大阪湾奥では、
実は常にケイ藻赤潮で占められていた。この点に対する説明としては、DSi／DIN 相対比を議論するのではなく、DSi の流入絶対量を考えることで解決がつくと考えられる。すなわち、琵琶湖で 7 割減ったとはいっても淀川を通じて常時 DSi の流入がある。
このため DSi が枯渇するに至らず常にケイ藻を有利にしているといえる。もし、非ケイ藻類赤潮の頻度が N あるいは P 現存量のレベルのみによって決まるものであれば大阪湾奥で最も頻発するはずであるが、そうなっていないことから、Si の要素が重要であるともいえるだろう。非ケイ藻赤潮が多発していたのは播磨灘であるが、それは淀川河口からは離れるため DSi の補給量は低く、その上で DSi／
DIN 比が 2 以下であることで説明できるだろう。
もう 1 つのポイントは、非ケイ藻類赤潮が主に夏季に発生することとの齟齬である。フェリー観測によれば、この時期には DSi／DIN 比は高くなっているので（図 6）、これも一見「シリカ欠損仮説」と矛盾する。これについては、本来は非ケイ藻類よりも増殖の旺盛なケイ藻類が、なんらかの理由で希薄になり、空いた空間を非ケイ藻類が使えるようになったという作業仮説から考察しよう。1 つの可能性としてケイ藻の自律沈降がある。Bienfang らは室内実験により「円心ケイ藻は、栄養塩、特に DSi が31）
枯渇すると沈降を速める」ことを示した 。この知見を使えば、春先に DSi が枯渇するとケイ藻が沈降し、上層でケイ藻が不在になる。その後河川流入
で DSi が回復しても安定成層のためケイ藻は浮上できない。そこで非ケイ藻類が存在しても DSi を吸収しないので、高い DSi／DIN 比のもとで非ケイ藻赤潮が発生する、という一見シリカ欠損仮説と相反する状態が起こりうる。しかしながら、ケイ藻の自律沈降も DSi 枯渇で促進されるので、シリカ欠損仮説自体は誤りではないといえるだろう。
26）
実は、われわれの簡略なシステム力学モデル に

8月

塩分＝30‰

1996 年 6，7，8 月におけるケイ藻赤潮（緑）と非ケイ藻赤潮（赤）の発生海域．

大阪湾東北部（淀川河口近傍）ではケイ藻赤潮が多く，非ケイ藻赤潮はそれからやや離れた播磨灘付近で夏季に多く発生する傾向18）がある．Harashima ら 使用図に加筆修正して再掲（©Loyal Swedish Academy of Sciences）．

67

原島：シリカ欠損：ケイ素循環への人為影響と海洋生態系の変質

おいても、このケイ藻の自律沈降を組み込んだ場合にのみ、夏季に DSi が増加するという観測結果を再現できた。さらに、生態学的上は、ケイ藻の沈降
は、栄養塩の枯渇した上層にとどまることの不利を
32）, 33）
避けるという生存戦略であるとの説もある。このような結果からすると、栄養塩環境→生物のボト
ムアップ制御だけでなく、生物的挙動→栄養塩環境の制御の双方向の因果関係が重要であると考えられる。
ケイ藻が希薄になる理由は、動物プランクトンがケイ藻のほうに嗜好性をもって捕食することに起因することも考えられる。ただし、近年、この嗜好的捕食が認められないとする報告もあり、それが正しければ、やはり自律沈降が主因ということになる。
4.2 シリカ欠損とクラゲ増加との因果関係
本特集中の上の報告にあるように（P17－24）、ク
ラゲ増加の要因は多岐にわたる。また、Richardson
34）
ら はさらに「シリカ減少説」（1 で述べたシリカ欠損仮説中の素過程⑧）にも言及しており、海域のシ18）リカ欠損現象の事例として Harashima ら が引用されている。ただしわれわれの論文もクラゲ増加な
どの高次生態系への影響を立証するまでに至っておらず、依然として未検証といってよい。
⑧のような、クラゲの選択的食性による推定とは異なり、より一般性をもった推論も成立する。図 1で示したように、ケイ藻は春季大増殖時に N、P な
どの栄養塩を大量に吸収し、シリカ殻のバラスト機
能で沈んでしまう。すなわち、上層の栄養物質を引き下ろしていることになる（生物ポンプ機能）。これに対し、非ケイ藻類はこの機能が小さいため、夏季の上層に栄養物質が残ることになる。この状態は最終的に上位捕食者（クラゲおよび魚の双方）の食物が増えることにつながる。ここで、漁獲は魚に向けられることや、クラゲのほうが貧酸素状態に耐性があ35）ることなど 、人為影響要素の多くは魚よりもクラゲに有利に働くため、クラゲの増加のほうが顕著になると説明される。
シリカ欠損がケイ藻のバラスト機能、すなわち生物ポンプ機能を減退させるという考えは「拡大シリカ欠損仮説」とでも表現できるだろう。われわれの研究の範囲ではこれを裏付けるデータは存在しない
が、Wassman らの現場海域実験によれば、DSi 枯
渇状態の隔離水塊に DSi を添加したところ、ケイ36）
藻主体の粒子状有機物質の沈降量が増えた 。逆にいえば、DSi が枯渇すればケイ藻で除去されない栄
養物質が上層にとどまりやすいということになる。

たがって、当該静水域の平均滞留時間や富栄養化の度合いに依存するものの、「陸水域のシリカ欠損」は普遍的に存在すると考えられる。
2．「海域のシリカ欠損指標」を、河川起源 Si の保存性を仮定した DSi 推測値と DSi 海域観測値との差として定義すると、N と P の流入負荷が大きい海域ほど大きかった。すなわち、沿岸海域も静水域として働くため、N と P の流入量に応じてシリカ欠損が生じることが考えられる。
3． 播磨灘においては、1990 ～ 2000 年代にかけて、
春季ブルーム終了時の「DSi 切片」は 1990 年代のマイナス値（ブルーム後に DSi が潜在的に枯渇）から 2000 年代にはプラス（DIN が潜在的に枯渇）に転じた。この傾向と、瀬戸内海への N、P
流入の減少傾向、非ケイ藻赤潮が減少してケイ藻
赤潮が強まっている傾向とは符合する。さらに、
N、P 栄養塩取り込みでケイ藻と競合するノリがストレスを受け始めた可能性がある。
4． 栄養塩組成と卓越藻類の関係においては、前者→後者（ボトムアップ制御）
だけでなく、後者→前者、すなわちケイ藻の増殖、自律沈降のような生物的挙動が栄養塩組成に影響する方向の制御も重要であることが特筆される。
5． 以上のように、Si の循環とそれに対する人為影響も、海洋環境の質を決める要素であり、「シリカ欠損仮説」が妥当であることが結論できる。
ただし、個々の海水における栄養塩組成比と卓越藻類の関連は顕著でなく、周年サイクルとその経年変化を解析してはじめて推論できる。
この点で、フェリーを利用した長期時系列モニタリングが大きな意味をもつ。
謝辞本研究は主に環境省地球環境研究推進費（Grant
No. D-061）で行いました。また、長期にわたり海洋
モニタリングをさせていただいた、関西汽船株式会
社をはじめとする船舶会社、ならびに研究協力いた
だいた皆様方に感謝いたします。
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原島

省

Akira HARASHIMA（独）国立環境研究所 海洋環境研究室前室長。1950 年埼玉県生まれ。京都大学大学院で地球物理学を専攻の後、1980
年に国立公害研究所（現在の国立環境研究所）に入所。1992 ～ 2010 年度の間、
水土壌圏環境研究領域海洋環境研究室長を務めた後、2011年度から同研究所企画部勤務。本来の専門は海洋物理学であるが、地球環境システム全体に興味をもつ。マウナロアの大気 CO2 観測のひそみにならい、海洋の SiO2 欠損を中心的なテーマとして、フェリーを移動体プラットフォームにして20 年近く観測を続けた。著書に、『海の働きと海洋汚染』（裳華房、1997 年）など。今特集号の責任編集委員。