陸の水（Limnology in Tokai Region of Japan）43 : 25 - 29（2010）

溶存酸素の連続観測資料を利用した河川の一次生産速度推定村上哲生 1)
Estimation of primary production in rivers using continuously recorded data ofdissolved oxygen
Tetuo MURAKAMI1)
Abstract
A method to estimate primary production based on diurnal oxygen change in flowing water, introduced by Odum (1956)
and Bott (1996), is applied to a heavily polluted river in Nagoya City, Central Japan. Continuous oxygen concentration
observed by integrated electrical recorder for water quality now allows more convenient and practical monitoring.
Diurnal and seasonal fluctuations in production and respiration rates of the river are described and discussed in relation tometeorological changes such as solar radiation and water temperature. Diurnal and short-term changes in production depend
on solar radiation, while no significant correlation was detected between seasonal changes in production or respiration rateand water temperature.
Keywords: dissolved oxygen, polluted river, primary production, running water, water quality monitoring

摘要Odum (1956) や Bott (1996) により，河川の溶存酸素濃度の日変動に基づく一次生産速度の推定方法が提案されている。この方法により，名古屋市内の汚濁した河川で生産速度を試算した。行政が設置している連続計器による酸素濃度の測定結果を利用すれば，より簡便かつ実用的な一次生産の測定ができる。一次生産と群集呼吸の速度試算結果を紹介するとともに，光や水温などの環境要因との関連を議論する。短期間の一次生産は，光条件により制御されることが明らかになったが，生産と呼吸の季節変動については，水温との有意な関係は認められなかった。
キーワード：一次生産，河川，汚濁河川，水質監視，溶存酸素（2008 年 9 月 20 日受付；2009 年 1 月 30 日受理）
定した光合成活性と現場の光条件や付着藻類の現存量から一はじめに次生産を推定したものである。しかし，この方法では，河川流水環境における一次生産速度の測定は，河川生態系の特有の流れの効果が無視されること，また河床材料の構成が物質循環の理解に係わる基礎科学的な面からも，また水産不均一である河川では，平均的な単位面積当りの現存量の値資源や水質の保全などの実務面からも，重要な課題の一つを得ることが難しいことなどの問題もある。

である。湖沼等の止水環境での生産速度の測定事例に比べそれらの問題を重視した Odum (1956) は，河川水中の溶て，河川でのそれは非常に少ないが，我国でも，Kobayashi

存酸素の日変動から一次生産を推定する方法を提案してい(1961a, 1961b) を 始 め と し，Tominaga & Ichimura (1966)，る。即ち，河川軸に沿って同様な環境が連続する河川では，

Kobayashi (1971)， 渡 辺 (1974)，Aizaki (1978)，Nakanishi

溶存酸素濃度 (O2) は，生産 (P) と呼吸 (R)，及び大気とのand Yamamura (1984)，桜井 (1985) などの測定例がある。こガス交換 (D) で決定されるため (O2=P － R ± D)，実測できれらの研究は，礫に付着した付着藻類を小室に閉じ込めて測る O2，R と，経験的な式で決まる D から，P を推定しよう

1)〒 467-8610 名古屋市瑞穂区汐路町 3-40 名古屋女子大学 Nagoya Women’s University, 3-40, Shioji-cho, Mizuho-ku, Nagoya, 467-8610, Japan（E-mail: murakami@nagoya-wu.ac.jp）

25村上哲生というものである (P= O2 ＋ R ± D)。この方法では，流れの連続測器は，河口から約 6 km 上流の天白橋左岸に設置され効果を維持しつつ，不均一な河床でも信頼性の高い推定値をている。天白川の感潮域は，同地点の約 1.5 km 下流までで得ることができる。一方，山間の渓流など酸素濃度が飽和値あり，極端な渇水期以外は，常時水の流れが停滞することはに近く，日較差が小さい場合には推定値を得ることができずない ( 名古屋市環境保全局 , 1997b)。
河床は砂・小礫から成り，(Tominaga and Ichimura 1966)，また D の値を決定するのに重大型の礫は少ない。

要な再曝気係数の値の信頼性の問題も指摘されており ( 萱場

流域に西山，植田，鳴海の三下水処理場を持つため，19902005)，さらに，実務的な問題としては，溶存酸素濃度の年代初期の生物化学的酸素要求量 (BOD) は，13 ～ 14 mg L-1

日変動の測定にも意外に労力を要することも挙げるべきであと高い値が記録されている ( 名古屋市土木局河川部計画課・ろう。

名古屋市環境保全局環境科学研究 , 1993)。生物学的汚濁階

しかし，再曝気係数の問題は，ガス交換に比べて生物的な級は，珪藻の種類組成やベントス相からα中腐水性ないしは酸素生産と消費の規模が大きい場合いは深刻なものとはなら強腐水性と推定されている ( 村上 , 1983; 村上ほか , 1986)。

ないと予想され，また溶存酸素の連続測定資料についても，水質の自動観測機器の発達により，多くの河川で利用が可能一次生産速度推定の手順となってきた。

一次生産速度の推定の手順は，Bott (1996) の一点法に準本研究の目的は，自治体等の行政機関が設置，観測していじた。再曝気係数 (K2) は，APHA et al. (1992) の K’値に，る水温や溶存酸素の連続観測資料を用い，Odum (1956) が提流速と河川勾配を乗じたものとした。APHA et al. (1992) の案した酸素濃度の変動に基づく一次生産推定への利用の可能

K’値は河川規模 ( 流量 ) により一意的に定まると仮定し性を検討するものである。本方法が信頼性の高いものである

たものであり，対象地点の平均流量 ( 名古屋市環境保全局 ,ならば，将来，一次生産速度の長期にわたる連続観測や，広1997b) から，28.3 × 103 sm-1 day-1 を K’値として採用した。

域的な河川ごとの比較研究にも発展するものとなろう。

流速は，対象地点の平均流量を平水量時の河川断面積で除した値を用いて試算し，12 cm sec-1 とした。河川勾配は，名古方屋市環境保全局 (1997b) に記載してある 1/1,000 とした。流法量や流速を一定値とみなしたため，それらの値が著しく変化

溶存酸素等の連続水質観測記録と背景情報の収集

する豊水時，渇水時の測定値は除外し，平水流量時の水深の50 ～ 60 cm の観測値のみを一次生産と呼吸の推定に用いた。

河川の溶存酸素濃度の観測資料としては，名古屋市環境保全局の河川水質連続監視測定結果を使用した ( 名古屋市環境推定された K2 値は，水温変化に基づき，時間毎に補正し，保全局 , 1995, 1996, 1997, 1998)。印刷物となっている公表資観測された酸素濃度と飽和酸素濃度の差を乗じて D の値を料は，日平均の値であるが，名古屋市環境保全局より，時間推定した。

ごとの測定資料の提供を受けた。

呼吸速度は，日没から酸素極小値に達するまでの時間当た連続観測は，市内 10 地点で継続されているが，流れが維りの減少速度とした。減少速度は一定ではなく，極小値及び持されている順流域であり，ある程度の区間，同じ河床条件極小値に達するまでの時間には，それぞれ日毎に変動がみらが連続する地点として，天白川 ( 名古屋市緑区 ) での観測資れたが，生産と呼吸の推定に用いた減少速度は概ね，0.3 ～ 1.0

料を解析に用いた。連続測器の溶存酸素の測定原理は，隔膜mg L-1 h-1 程度の値となった。

型ポーラログラフ法である。溶存酸素の飽和度に関係する水温，塩素イオン濃度も同時に測定された値を用いた。それぞ

一次生産及び呼吸速度の推定値の安定性
Bott (1996) の方法では，再曝気係数は，K’と流速，河川れ，白金抵抗法，塩素イオン電極法で観測されている。
再曝気係数を推定するための地形的，水文的情報は，同じ勾配の積により与えられる。本研究では，流速は年間の平均

く名古屋市の刊行する諸資料によった ( 名古屋市 , 1989; 名

流速とし，固定値として扱ったが，測定場所や水位により大古屋市土木局河川部計画課・名古屋市環境保全局環境科学研

きく変動する。一方，河床勾配も河川区間により多少の変化

究 , 1993; 名古屋市環境保全局 , 1997b)。

を示す。また，呼吸速度は一日を通じて一定ではなく，水温一次生産に影響を及ぼす日照量等の気象情報は，名古屋変化により変動するものと考えられる。従って，これらの要

地方気象台のホームページから検索した (http://www.tokyo-因が，積算された一次生産速度にどの程度影響を及ぼすか確

jma.go.jp/home/nagoya/, 2008 年 8 月 10 日閲覧 )。

かめておく必要がある。

対象河川の概要

K2 値を変化させ，初期の設定値で試算した一次生産速度と流速と河川勾配については，その値を 1/2，2 倍に設定し，解析の対象とした天白川は，愛知県日進市三峰峠を源とす比較した。

る，全長 23 km，流域面積 120 km2 の二級河川である。水質

呼吸速度は，水温の上昇とともに増加し，次の式により決26

溶存酸素の連続観測資料を利用した河川の一次生産速度推定
まると仮定した。

L-1 h-1 を越えることはなく，日没から未明までの値は生産速

Rt=R0 θ t-to度の積算では無視した。また日没時に急激な酸素濃度の減少が生じる場合，生産が負の値になるが，これも 0 mgO2 L-1

Rt; : 水温 t の時の呼吸速度，R0; 設定した呼吸速度，t,
ここで，t0 はそれぞれ，t 時の水温，呼吸速度計算時の平均水温である。
θは，1.05 とした。水温の変動による呼吸速度の日変動を考

day-1 として処理した。
比較的栄養塩濃度が高く，日照条件が良い中流域での測定事例としては，Aizaki (1978) が，総生産速度 0.53 ～ 19.24

慮した試算結果と初期設定値のそれとを比較した。

gO2 m-2 day-1，呼吸速度 1.4 ～ 7.3 gO2 m-2 day-1 を見積もっている。また，萱場 (2005) の富栄養化した池を水源とする結果および考察

人工河川でも，総生産速度 10.4 gO2 m-2 day-1，呼吸速度 11.7gO2 m-2 day-1 の値を報告している。これらの測定値と比べれ一次生産速度，群集呼吸速度，及びガス交換速度の推定
図 1 に，1997 年 3 月 14 日の観測資料を基に天白川で試算

ば本研究で試算した値も妥当な範囲に入っていると判断できされた一次生産速度，群集呼吸速度，及びガス交換速度の日る。

変化を示す。測定日以前 2 週間の積算降水量は 6.5 mm で，

図 1 に示した事例での試算では，温度による呼吸速度の補極端な増水はなく，付着藻類皮膜は十分に発達していると考正を加えたとしても，一日当り積算した総生産速度の 1.9 %えられる。また当日の全天日射量の日合計は 14.8 MJm-2 で，の変化しか見られなかった。また，再曝気係数を，初期設定光合成生産には支障のない光条件であった。20℃での再曝気値の 1/2，2 倍に変更しても，一日当りの生産は，それぞれ 3.9-1係数は，河川勾配 1/1,000，流速 0.12 m sec の条件下で，0.76%，7.8 % の変化しか認められなかった。

-1h であった。
日中の酸素の総生産は 24.6 mgO2 L-1 day-1，群集呼吸は 19.7-1-1

天白川における一次生産速度の短期的な変動と長期的な変動-2

河川の一次生産速度は，一次生産者の量と日照条件により

day-1，3.9 gO2 m-2 day-1 と試算された。一次生産 / 呼吸比 (P/R大きく変動する。既存の研究では，測定事例も少なく，生産比 ) は，1.2 となる。夜間の水温低下に伴い，酸素濃度が増に影響するこの二つの要因を分離して解析することが困難で加し，見かけ上生産が正の値となることもあるが，1 mgO2あった。本研究の方法による一次生産の推定法がある程度信mgO2 L day ，河床面積当たりでは，それぞれ 4.9 gO2 m頼がおけるものであれば，大量の，日毎，時間毎の生産速度の推定値が得られるために，様々な条件下での生産速度を比較することが容易となる。即ち，1, 2 週間の短期間の日積算生産速度を比較すれば，極端な増水による藻類被膜の大規模な剥離・更新の無い定常的な条件下では，一次生産者の量の変動の効果は比較的小さいものと考えられ，光条件と一次生産の関係を明らかにすることができる。また，同じく，ある程度以上の日射量の日の生産を比較すれば，季節毎に異なる現存量の変動を知ることができる。本研究では，流速と流量により決まる再曝気係数を一定であると仮定できる平水時のみの資料を用い解析を行った。
図 2 は，1997 年 3 月 1 日から 15 日までの間の全天日射量と一日当たりの積算総生産速度の変動を示す。日射量が少ない場合，日射量と生産には良い相関関係が認められるが，15～ 20 MJ m-2 day-1 程度まで日射が増加すると，生産速度の低下が目立つようになる。この原因の一つとして，強光阻害の影響の可能性を挙げることができる。図 3 は，積算日射量が大きい 3 月 13 日の時間毎の日射量と生産速度の変化を示したものである。正午頃に，生産速度が一時的に低下する現象が認められる。図 2 において，日射量が 20 MJ m-2 day-1 に達

図 1. 一次生産速度、群集呼吸速度、及び拡散速度の日変動 ( 天白川，1997 年 3 月 14 日 )．
Fig. 1. Diurnal fluctuations in primary production rate (P),community respiration rate (R) and diffusion rate (D)(Tenpaku River, 14 Mar. 1997).

する 2 例では，いずれの日においても，図 3 に示すような日中の一時的な生産速度低下が見られた。
天白川における一次生産速度の季節変動を知るために，測定日の積算日射量 10 MJ m-2 day-1 以上で，測定日 1 週間前にMurakami Fig. 127

Production (mgO2L-1d-1)

村上哲生

Photoinhibition30��

0�0�5�

��
10��
15��
20��
25

図 2. 全天日射量 ( 名古屋気象台 ) と試算された天白川の一次生産速度の関係 (1997 年 3 月 1 日～ 15 日 )．
図中で異例に低い二つの測定値は、強光阻害のため．
図 3 も参照のこと．
Fig. 2. Relationship between cumulative daily Murakami
solar radiationFig.
at the2Nagoya Meteorological Observatory and estimated primary
production in the Tempaku River from 1 to 15 March 1997.
Two exceptional low production rates in the figure accountfor photoinhibition. See also Figure 3 for detail.
production

�4
�2
�3solar�1

�2radiation
�1

production (mgO2L-1hr-1)

�5

�3

6:00

9:00

12:00

15:00

20
��

10
��

0�
�� �� ������� �� ������Respiration� � �� ������
�

Y=0.31x+4.13 (R2=0.22)
20
��

10
��

0�
0�

10
��

20
��

�30
�

�40
�

water temperature (�℃)
図 4. 日最高気温と生産 ( 上段 ) 及び呼吸 ( 下段 ) の関係(1995 年～ 1997 年 )．
一週間の間激しい降水が無く，観測日の全天日射量が10 MJ m-1 day-1 の日の観測値に限定して比較した．
Fig. 4. Relationship between daily maximal water temperature andproduction rates (upper) and respiration rates (lower) from1995 to 1997, concerning days without heavy precipitationin the previous week, and cumulative daily solar radiation
over 10 MJ m-1day-1.

�0�0� � �� ���
Y=0.22x+2.66(R2=0.10)30
��Respiration (mgO2L-1day-1)

��
10Production (mgO2L-1day-1)

�

��
20

solar radiation (MJm-2d-1)

solar radiation (MJm-2hr-1)

Production�� �� �������� �� ������

30
��

See Fig. 3

18:00

13 Mar. 1997

図 3. 全天日射量と生産速度の日変化 (1997 年 3 月 13 日 )．
Fig. 3. Diurnal fluctuations in solar radiation andprimary Fig. 3
Murakami
production on 13 March 1997.
観測地点に直近の名古屋気象台で 10 mm 以上の降水が見らあるものの，r2 はそれぞれ 0.10，0.22 と低い値であり，明確れない日を選び，日毎の生産と呼吸を推定した。条件を満な関連は認められなかった ( 図 4)。付着藻類の現存量や生たす日数は，1995 年から 1997 年の 3 年間で 45 日であった。

産速度が季節的に変動する現象はしばしば紹介されるが ( 例

各年の日平均生産速度 (P)，呼吸速度 (R)，P/R 比はそれぞ

えば，小林 , 1986)，本報告で示された水温との弱い相関は，れ，P=9.2 mgO2 L-1 h-1，R=12. 8 mgO2 L-1 h-1，P/R=0.66 (1995,

生産が，季節により一意的に決定される水温に直接依存する-1-1-1-1のではなく，河畔植生の繁茂や落葉による光条件の変化や，-1-1-1-1n=15)，P=6.5 mgO2 L h ，R=10.4 mgO2 L h ，P/R=0.53 (1997,

付着藻類消費者密度の変動などの複数の間接的な季節要因のn=17) であった。P/R 比が 1 以下であるのは，有機物の生産変化により決定されるものであることを示唆している。

n=13)，P=7.6 mgO2 L h ，R=10.4 mgO2 L h ，P/R=0.67 (1996,

よりも分解が卓越する強腐水性水域としては，当然の結果だと考えられる。図 1 に示すような P/R 比が 1 を越えるのは，45 例中 3 例に過ぎなかった。
水温と，生産速度及び呼吸速度とは弱い正の相関関係が28

溶存酸素の連続観測資料を利用した河川の一次生産速度推定

謝

名古屋市環境保全局 (1997b): 河川概要 . 名古屋市 .

辞

名古屋市環境保全局 (1998): みずべ ( 水質自動監視システムによる測定結果 ) No. 14. 名古屋市 .

本研究に使用した溶存酸素の観測資料は，名古屋市環境局より提供されたものである。資料の開示と利用の許可に対し名古屋市土木局河川部計画課・名古屋市環境保全局環境科学研究所 (1993); 市内河川・ため池等の水質の変遷 . 名古屋て深く謝意を表する。

市.

文

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29

喬，名古屋大学工学研究科）