Silviase/jgov_v1.4_full_ann huggingface dataset:
図(4)-7 SY10航海、連続観測点09-01～09-10におけるChl.a、 $ NO_{3}^{-} $ 、密度（σT）鉛直プロファイルの変化

れる植物プランクトン細胞の約90％がP. dentatumであった（細胞濃度=760 cells/mL）。

測点09-01～09-10のChl.a、海水密度（σT）、硝酸濃度（ISUSおよび採水試料分析値）の鉛直プロファイルを図(4)-7に示す。硝酸は下層で高く（>10μM）表層で枯渇（検出限界以下）している。硝酸濃度が物理的な海水混合によってのみ支配されている条件では、硝酸濃度の変化する水深は海水密度の変化する水深と一致すると考えられるが、東西測線の断面など（測点39～測点12間）でも示されているように密度躍層と硝酸躍層水深には5～10mの差が存在した。Chl.aピークは、躍層下の硝酸枯渇層もしくは硝酸濃度が急激に変化する水深に存在した。東西測線で考察したように、これはP. dentatumを優占種とする植物プランクトン群による硝酸取り込み速度が下方からの拡散供給速度を上回っていたことを示唆する。

ここで、測点09では定点観測中に栄養塩躍層下の栄養塩濃度が一定で且つ表層では硝酸濃度が0であると仮定し、植物プランクトン現存量を示すChl.aおよび海水密度（σT）を独立変数、硝酸濃度を従属変数として重回帰分析を行った（図(4)-8）。その結果、観測された硝酸濃度はこれらの従属変数によって良く説明され（ $ R^{2}=0.85 $ ）、測点09においては1.0μgChl.aの植物プランクトンあたり1.15μmolの硝酸除去に関与していたと示唆される。一方、測点09の植物プランクトンを中心とする懸濁物質（GF/Fフィルター上の分画）のN/Chl.a比は、約0.63 μmol/μgChl.a（Chl.a極大層の採水試料分析に基づく）であり、実際の除去量（1.15 μmol/μgChl.a）

$$ NO_3^- = 2.99 (\sigma T) - 1.15 (Chl.a) - 64.9 \\ R^2 = 0.85, n = 349 $$

図(4)-8 連続観測点09におけるNO^{3-}濃度のChl.aおよびσTに対する回帰平面
よりも少ない。差分（0.52 μmol/μg Chl.a）は、この水柱での懸濁物沈降等による系外除去の履歴を意味するのかもしれない。

以上の解析から、P. dentatumが優占的に出現する6月前後の東シナ海陸棚央部ならびに縁辺海域では、1）植物プランクトンへの硝酸供給源は、混合層の水塊として存在する長江希积水ではなく、多くの場合、密度躍層下の底層水であること、2）ただし、植物プランクトンは密度躍層よりもやや深い水深を中心として分布することが多く、この植物プランクトン群集による硝酸消費によって密度躍層よりも深い水深に硝酸躍層が形成されること、3）硝酸躍層は密度躍層下の中層水深での弱い鉛直渦拡散によって持続され、また弱い鉛直渦拡散が密度躍層下の植物プランクトンへの硝酸供給を制御している可能性があることが示唆された。

### (2) 陸棚域における渦鞭毛藻(P. dentatum)のバイオマスの定量評価、出現水域・環境特定

2007年調査(SY10)の水深10mのT-Sダイアグラム解析により表層水の水塊分類を行ったところ、塩分が32～33の長江希积水影響域(CDW)、高温の台湾暖流水(TWW)、さらに高塩分の黒潮亜表層水(KSW)に区分された(図(4)-3、図(4)-9)。CDWと他の水塊の中間は境界域(Boundary)と区分した。

渦鞭毛藻P. dentatumは、植物プランクトン固定試料を採取した21測点(以下、解析対象測点と呼ぶ)のうち、図1で示した測点31を含め、7測点で優占した(図(4)-3)。これら7測点は表層水塊区分でCDWおよびBoundary海域と一致した。各測点のP. dentatumのChl.aピークは、7測点中5測点がT-Sダイアグラム上、表層のCDW水塊ではなく底層水塊に現れ、密度躍層の直下に出現していた(図(4)-10)。またP. dentatumピークおよび表層の栄養塩(NO_{3}-NおよびPO_{4}-P)は検出限界以下の枯渴状態(e.g. NO_{3}-N < 0.1 μM)、Chl.aの下方ではNO_{3}-Nで2.4～7.3μM存在していた。表層混合層あるいは密度躍層内にChl.aピークが形成された測点33、29を除けば、P. dentatumの出現水深や栄養塩の鉛直構造はSY10と類似していた。

解析対象測点の出現植物プランクトンは、渋鞭毛藻綱（Dinophyceae）、珪藻綱（Bacillariophyceae）など9種類の綱が確認された。これらの植物プランクトン綱に特徴的に含まれる10種類の補助色素（Peridinin、Fucoxythantin等）を選択しCHEMTAX解析に用いた。全ての試料に対して共通の補助色素/Chl.a比行列（F）を求めたところ、行列内に異常な要素値が得られ顕微鏡観察から予想される組成と明らかに異なる結果を得た。これは様々な環境から採取した試料には同一綱であっても異なる補助色素/Chl.aを有する場合があるためと考えられた。このため規格化した色素分析値のデータセットにクラスター解析（WARD法）を適用し、ユークリッド距離に基づき相同性の高い3グループに分類してFを求めた。その結果、各グループで優占した植物プランクトンの行列要素が既報値に近い値を得た。また各グループを2つのサブグループに分割して求めたFと上位グループのFを比較したところ、少な

図(4)-9 解析対象測点のT-Sダイアグラム

○ P. dentatum のChl.aピーク出現水深のT-S

図(4)-10 P.dentatum Chl.aピクのT-S特性
くとも優占種に関する行列要素の変動は小さかったため上位3グループの分割で得られるFを各グループの適用行列とした。

解析対象測点の各綱のChl_{A,E}合計（ $ \Sigma Chl_{A,E} $ ）は、132（測点31）～12.5（測点26）mg/m^{2}であり、CDW海域で顕著に高く、その他の海域間では大きな差は見られなかった（図(4)-11）。またCDW海域では渦鞭毛藻の寄与が高く（>50%）、他の海域では珪藻や藍藻が優占的であった。

植物プランクトン固定試料の画像解析による渦鞭毛藻のChl.a寄与率評価では、CDW海域の渦鞭毛藻はP. dentatumに由来することが示された（図(4)-12）。また各層試料のCHEMTAX解析および画像解析から得られる渦鞭毛藻Chl.aを比較したところ両者に高い相関が示された（図(4)-13）。CHEMTAX解析と画像解析の結果を結合し$\sum Chl_{A,E}$に占めるP. dentatumの割合を求めたところ、CDW海域では、$\sum Chl_{A,E}$の46.5%がP. dentatumに由来することが明かなった（図(4)-14）。

図(4)-11 各測点の有光層Chl.aと植物プランクトン綱組成

図(4)-12 各測点の渦鞭毛藻Chl.a組成（画像解析）

以上のように2007年6月の東シナ海にお

ける P. dentatum の現存量あるいは優占率は長江淡水の影響を強く受ける海域（CDWおよびBoundary海域）で極めて高かったことが明かとなり、陸棚における P. dentatum の出現と長江沿岸水のCDWを通じた輸送に密接な関連があることが示唆する。一方、前節で記述したSY10航海の解析

図(4)-13 渦鞭毛藻Chl.a推定値の比較

図(4)-14 各水域の植物プランクトン綱組成と P.dentatumの優占率
結果と同様に、P. dentatum出現海域のCDWやBoundary海域の表層水の栄養塩（ $ NO_{3}-N $ や $ PO_{4}-P $ ）は枯渇状態で、且つP. dentatumの出現水深は表層混合層よりもむしろ密度躍層下に見られることが多い。したがって、長江希积水は長江河口沿岸から陸棚央部や縁辺域へのP. dentatumの輸送に関与するが、P. dentatum群集拡大や維持は底層水からの栄養塩に強く依存していると結論される。

### （3） 大型培養槽を用いたP. dentatumの日周鉛直移動特性の把握

図(4)-15にChl.a蛍光検出器自動昇降システムで計測したP. dentatumの鉛直平均Chl.a濃度（1鉛直プロファイル毎の培養槽内平均値）、培養槽の鉛直5層（約300mm間隔）から採取した試水の栄養塩濃度（$\mathrm{PO}_{4}-\mathrm{P}$および$\mathrm{NO}_{3}-\mathrm{N}$）の経時変化を示す。栄養塩試料のS1～S3は水面～密度躍層直上の試料、S4～S5は密度躍層直下～培養槽底の試料である。密度躍層上層（S1～S3）の$\mathrm{PO}_{4}-\mathrm{P}$濃度は培養開始から9日目までほぼ一定で、その後対数的に減少して12日目に$<0.02\mu\mathrm{M}$に至った。密度躍層下層（S4～S5）の$\mathrm{PO}_{4}-\mathrm{P}$濃度は12日目以降に急激に低下し、14日目以降、$0.02\mu\mathrm{M}$前後に至った。密度躍層下層（S4～S5）に$\mathrm{PO}_{4}-\mathrm{P}$に対して過剰に添加した$\mathrm{NO}_{3}-\mathrm{N}$（初期NP比=約29）の濃度は、15日目までに初期の$80\mu\mathrm{M}$から$40\mu\mathrm{M}$まで低下した。密度躍層上（S1～S3）における$\mathrm{NO}_{3}-\mathrm{N}$濃度の低下は9日目以降に認められ、14日目には$1\mu\mathrm{M}$以下に至った。鉛直平均Chl.a濃度は培養初期から14日目まで対数的な増加、それ以降は鈍化した。14日目までの増殖速度μは0.44/(day)と見積もられた。対数

図(4)-15 大型培養槽を用いたP. dentatum培養実験における

槽内Chl.a鉛直平均值( $ \mu $ gChl.a/L)ならびに鉛直5層のPO $ _{4} $ -P、NO $ _{3} $ -N濃度( $ \mu $ M)の経時変化
増殖の停止は14日目の密度躍層下の$\mathrm{PO}_{4}-\mathrm{P}$濃度の低下と同調しており、P律速により増殖が停止したと考えられる。また密度躍層上の$\mathrm{PO}_{4}-\mathrm{P}$は12日目に枯渇しており、少なくとも12～14日目のP.dentatumへの$\mathrm{PO}_{4}-\mathrm{P}$供給は密度躍層下からの供給に依存していたと考えられる。

図(4)-16にP. dentatumの槽内鉛直分布の経時変化を鉛直プロファイル毎の相対分布として示す。図中の白線はChl.aの鉛直累積値の中央水深（分布中心）である。14日目までの対数増殖期間では、分布中心は明期に水面近くまで上昇し、暗期に培養槽350mm付近（密度躍層形成水深）に下降し、且つ培養槽底面まで下降することはなかった。全層に亘ってPO_{4}-P濃度が増殖律速濃度に至った14日目以降の分布中心の経時変化は、実験終了まで一部の細胞が日周鉛直移動を継続したが、密度躍層下まで沈降し滞留・沈積する細胞が増加した。また暗期の密度躍層形成水深への集積傾向は、密度差ΔσT=2.2（躍層上22℃、躍層下17℃の水温条件）を設定した培養初期～5日目間および8～14日目間において特に蹟著であったのに対し、躍層上下の水温をそれぞれ20℃、19℃に変更した5～8日目では、分布中心の経時変化は継続的な日周鉛直移動を示唆するが、躍層水深付近への集積傾向は、前後の期間・水温条件の場合と比較して弱かった。

躍層上	22℃
(1022.9)	20℃
(1023.4)	22℃
(1022.9)	PO4-P 律速
躍層下	17℃
(1025.1)	19℃
(1024.6)	17℃
(1025.1)	PO4-P 律速

図(4)-16 Chl.a 蛍光を指標とした大型培養槽内の P. dentatum 鉛直分布（鉛直積算値に対する相対分布）の経時変化。図中の白線は Chl.a の鉛直累積値の分布中心。底面から 350 mm 高付近に水温・塩分の密度躍層を形成し、実験 5 日目、8 日目の 1200 に躍層上下の水温変更により海水比重を変化させた。本系では PO_{4}-P が増殖制限栄養塩であり、12 日目に躍層上で、14 日目に全層に亘って増殖律速に達した。

これらのことから、対数増殖過程にあるP. dentatumは日周鉛直移動動作を行い、且つ密度躍層が細胞の下降・沈降範囲を制限していることが明かとなった。また5～8日目の水温条件変更に伴うP. dentatumの躍層への集積傾向の抑制現象は、細胞と細胞外海水の比重差が本種の日周鉛直移動の挙動に大きな影響を及ぼしていることを示唆すると考えられる。5日目の水温条件の変更による上層の海水比重の変化は、1022.9kg/m³から1023.4kg/m³までの0.5kg/m³増である。海水比重の増大に伴ってP. dentatum細胞に作用する浮力が急激に増加し、その結果、下方への沈降・密度躍層への集積抑制がもたらされたと考えられる。また実験5日目までおよび8～14日目までの密度躍層への集
積現象に関しても、P. dentatumの増殖層が主に比重1022.9 kg/m³の上層であり、上層で増殖したP. dentatumが下降・沈降した際に、比重1025.1 kg/m³の下層あるいは密度躍層において強い浮力を受け、細胞が集積するメカニズムの存在が推定される。

東シナ海でP. dentatumが優占的に出現する海域では表層混合層の栄養塩が枯渴状態にあり、群集維持のためには底層栄養塩を獲得する必要がある。本実験で得られた日周鉛直移動の再現結果は、混合層内のP. dentatumが昼間に混合層の上部で光を獲得し、夜間に密度躍層水深まで下降することによって、日周鉛直移動をしない植物プランクトン群と比べて光と栄養塩を優位に獲得するポテンシャルがあることを示唆する。サブテーマ1では、2010年6月のP. dentatum優占海域（測点9）において、夜間におけるChl.a極大層が溶存酸素濃度極大層よりも深い水深に存在する傾向を明らかにした。この結果は、本再現実験で確認されたP. dentatumの日周鉛直移動が現場海域においても生じている可能性を支持する。さらに現場観測においてしばしば観測されてきた密度躍層水深近傍のP. dentatumのChl.a極大層の形成は、本種と海水比重との相互関係によって説明されるかもしれない。

一方、前節までに記述したように、SY10やSY07調査におけるP. dentatumは、密度躍層の下方に分布中心をもつことも多く、必ずしも密度躍層内や直上に分布していない。この事実は、現場に於いてスナップショットとして観測されるP. dentatumの亜表層集積などの鉛直分布が、海水密度変化以外の要因、例えば光条件、密度躍層と栄養塩躍層水深の乖離、P. dentatum群集形成に至る環境履歴（P. dentatum群集が観測される前に存在していた海水比重などの環境履歴）や生理状態（対数増殖中の細胞か、栄養塩制限などによって停滞期にある細胞か等）などによっても強く影響を受けることを示唆している。

## （４）東シナ海の流動・水質・底質モデルの開発・検証と陸域負荷変動の影響予測

## 1 ）モデルの観測値再現精度

流動・水質・底質モデルは、検証データが充実している国内フィールド(東京湾および伊勢湾)においてモデルパラメータの調整・再現精度の確認を行った後、東シナ海に適用した。図(4)-17に、サブテーマ1の図(1)-1に示された東シナ海北部大陸棚域（30～33°N，124～127°E）におけるCTL計算で得られた表層の塩分と硝酸(NO_{3}-N)，溶存無機リン(DIP)，ケイ酸(DSi)の関係を示す。図(1)-7の2000～2011年における観測値と比較すると、表層塩分とNO_{3}-Nの負の相関関係が見られること、DIPとDSiについては表層塩分と明確な関係が見出せないことなど、本モデルの表層における計算値は観測値の特徴を良好に再現しているといえる。

SY10航海(図(4)-2)における30.5°Nの東西ライン(Stn 36-41, 27, 28)および30.0°Nの東西ライン(Stn 29-35)における観測値と計算値の鉛直断面の比較を図(4)-18、19にそれぞれ示す。まず、図(4)-18、19(a)を見ると、計算では長江希积水の浸入が過小評価されたため、CTD観測値に見られる30を下回る表層の低塩分層において計算値と大きな差が見られるが、両者の塩分躍層の位置は概ね一致している。CTD観測値のChl.aのピークはその塩分躍層周辺に見られるが、計算値はその傾向をよく再現している。ただし、東端の陸棚縁辺域においては塩分躍層の位置が計算値と観測値で差が見られるため、Chl.aピークの位置もうまく再現できていない。

次に図(4)-18、19(b)の硝酸濃度を見ると、躍層より上層で枯渇・下層で高濃度といったISUSの観測値に見られる概ねの傾向については計算でも再現されているが、躍層より下層の硝酸濃度の
図(4)-17　5～10月における東シナ海北部大陸棚域の表層塩分－栄養塩濃度関係の再現結果(位置は図(1)-1、観測値は図(1)-7参照。計算値は2006年5～10月の各月1及び15日の結果を抽出。)

分布に観測値と計算値で大きな差が見られる。とくに、観測値では躍層より下層はほぼ均一の硝酸濃度であるのに対し、計算値の方は深くなるにつれて硝酸濃度が高くなる傾向にある。それに加え、ISUS観測値は図(4)-19の南側ラインより図(4)-18の北側ラインの方が下層の硝酸濃度が顕著に高いが、計算値にはその傾向はあまり見られない。

下層の硝酸濃度の観測値と計算値に大きな差が現れる原因として次の2つが考えられる。まず一つ目の原因として、陸棚域における海底混合層の再現性が不十分であることが挙げられる。図(4)-18、19(c)のTMで得られた観測値と計算値の乱流エネルギー散逸率を比較すると、表層混合層では両者の値のオーダー並びに混合層の厚さは概ね一致しているが、下層については観測値の方は表層混合層に匹敵する乱流エネルギー散逸率があるのに対し、計算値ではほぼ鉛直混合が発生していない状況である。その結果が図(4)-18、19(a)(b)の躍層より下層における塩分・水温・硝酸濃度に現れており、これらの計算値の鉛直変化量は観測値よりも大きくなっている。海底混合層は主として海底摩擦による流速シアーによって発達するが、本モデルでは潮汐を考慮しておらず、海底摩擦の乱流エネルギーの生成が過小評価されていると考えられる。下層の再現精度を向上させるためには、流動モデルに潮汐を導入する、あるいは鉛直混合スキームに潮汐の影響をパラメタライズ化して与えるなどといったことが必要と考えられる。

二つ目の原因としては、下層における水平(南北)方向に周辺とは異なる水塊の流入が疑われる。図(4)-18(b)の観測値の水温を見ると、下層の125.5-126.5Eにかけて水温が顕著に低い水塊が存在し、その水塊では硝酸濃度が周辺よりも高いことが分かる。図(4)-19(b)の南側ラインについても、北側ラインより顕著ではないが、同様の水温の低い水塊が見られる。これについては黄海底層冷水の浸入が疑われるが、現時点では断定できない。本モデルにおいてこの水平方向の底層水の浸入は図(4)-18、19(a)(b)の水温・塩分の等値線よりその形跡が若干見出せるが、観測値ほど顕著ではなく、十分に再現できているとはいえない。

本モデルのCTL計算では上記に加え、2007年および2009年の初夏に陸棚域で観測された50μg/Lを超える渦鞭毛藻赤潮についても十分に再現できていない。上述の海底混合層ならび多量の硝酸が含まれる水塊の浸入が本モデルで再現できていないことを踏まえると、その原因には下層から上層に向かう栄養塩の供給が実際より過小評価されているためと考えられる。本モデルの再現精度を向上させるためには、これら2点についての改善が不可欠であり、今後の課題である。
(a) Chl.a (段彩、 $ mg/m^{3} $ ) と 塩分 (等値線)

(b) 硝酸濃度（段彩、 $ mmol/m^{3} $ ）と水温（等値線、℃）

(c) 乱流エネルギー散逸率 (段彩、 $ m^{2}/s^{3} $ )

図(4)-18 2010年6月における30.5°Nライン鉛直断面の観測値(左段、SY10)と計算値(右段、2010年6月26日)の比較
(a) Chl.a (段彩、mg/m $ ^{3} $ ) と 塩分 (等値線)

(b) 硝酸濃度（段彩、 $ mmol/m^{3} $ ）と水温（等値線、℃）

(c) 乱流エネルギー散逸率 (段彩、 $ m^{2}/s^{3} $ )

図(4)-19 2010年6月における30.0°Nライン鉛直断面の観測値(左段、SY10)と計算値(右段、2010年6月26日)の比較
## 2 ）初夏の陸棚域における渦鞭毛藻の発生に関する考察

図(4)-20に2007年6月21日、7月1日、7月11日、7月21日における表層塩分および表層、深さ5-7m、9-11m、11-14mの渦鞭毛藻Chl.aの計算結果を示す。表層塩分を見ると、6月21日に長江河口およびその北側にある長江希积水は時間が進むにつれて南・東方向に広がっている様子がわかる。6月21日には、長江河口域の深さ5-7mおよび長江河口より南側の沿岸部の9-11m、11-14mにおいて渦鞭毛藻の集積が見られるが、7月1日にはそれらが繋がって長江河口より南側の大陸沿岸部全体で比較的高濃度のChl.aになっている。その後、長江希积水の南・東進に伴い、その高濃度領域は次第に陸棚中央に移動・拡散していることが分かる。

我々がこれまでに渦鞭毛藻の高密度発生を観測した陸棚中央部(124°-126°E、30°-32°Nあたり)における渦鞭毛藻の発生・供給源を図(4)-20より考察すると、長江河口部の比較的深いところ(深さ11-14m)と、長江河口より南側の大陸沿岸部の比較的浅いところ(深さ5-7m)の2箇所が考えられる。初夏の陸棚中央部は、前者の南東進と後者の北東進が交差する位置にあたり、大陸沿岸部で発生した渦鞭毛藻が比較的通過・集積しやすい場であると考えられる。

図(4)-21に2010年7月1日における数値トレーサ実験の結果を示す。陸棚中央部の水塊はいずれの深さも台湾暖流の影響を強く受ける海域であることが分かる。長江希积水の影響は表層でも高々10%程度であり、一見すると陸棚中央部の水塊形成に寄与しないように見えるが、本結果は長江希积水、台湾暖流、黒潮いずれも流入点におけるトレーサ濃度を同じ1に設定したものであり、長江希积水に含まれる栄養塩濃度は他の2者に比べて数十倍高いことに注意を要する。しかし、上記2箇所の渦鞭毛藻の発生・供給源の水塊に着目すると、南側の大陸沿岸部は当然であるが、長江河口部の深さ11-14mにおいても長江希积水の影響はほとんどなく(1%以下)、台湾暖流が支配的な領域であることが分かる。1)で述べたように本モデルにはいまだ改善すべき点、とくに海底混合層の再現性に問題が残されているため断定はできないが、渦鞭毛藻の長江河口・大陸沿岸域の発生、および陸棚中央部における高密度出現には台湾暖流による外洋起源の栄養塩供給に大きく関与していることが示唆される。
図(4)-20 2007 年初夏の渦鞭毛藻 Chl.a(mg/m³)と表層塩分の経時変化
CDW

TWC

図(4)-21 2007年7月1日の数値トレーサ濃度の分布

## 3 ）陸域負荷量削減に対する陸棚域の植物プランクトンへの影響評価

長江流域・河ロデルタからのNP負荷量を変化させて行ったNP50およびN50、およびCTLシミュレーションの結果を比較し、陸域負荷量削減に対する陸棚域の植物プランクトンへの影響を考察する。図(4)-22に124°E36°N、124°E33°N、および124°E30°Nの3点における渦鞭毛藻および珪藻Chl.a極大値の2010年の経時変化を示す。また、表(4)-1に図(4)-22に示した各計算結果の年平均値・最大値、6-7月平均値・最大値を示す。

初夏6-7月における図(4)-22のCTL、N50、NP50の計算結果を比較すると、NP負荷量を大幅に削減したにも関わらず、いずれの地点も渦鞭毛藻・珪藻ともに顕著な差が見られないことが分かる。表(4)-1によると6-7月の陸棚中央部(124°E30°N)では、N50の渦鞭毛藻Chl.aの平均・最大値がCTLに対して10～11%、NP50の珪藻Chl.a平均値が11%程度の減少しか見られない。この結果は、前節で図(4)-21より明らかにされたように、初夏の陸棚中央部は台湾暖流の影響を強く受ける海域であるため、長江流域・河ロデルタの流出負荷量の変動に対しての応答は当然小さいと考えられる。
渦鞭毛藻

珪藻

図(4)-22 陸域負荷量削減に対する Chl.a 極大値の経時変化 (2010 年)

表(4)-1において、比較的Chl.aの年平均値と年最大値の減少がともに大きいところは、124°E36°Nと124°E33°Nの珪藻である。図(4)-22の珪藻Chl.aを見ると、124°E36°Nでは3月下旬～4月上旬に、124°E33°Nでは11月に高い値を示しているが、減少が顕著な時期は特に見出せず、年間を通じて平均的にChl.aが減少していることが分かる。124°E30°Nにおける珪藻の減少量は小さいことを踏まえると、両地点は長江希积水の影響が高い海域にある(図(4)-21)ため、124°E30°Nとは逆に長江流域・河ロデルタの流出負荷量の影響を受けやすい海域であると考えられる。

124°E30°Nの渦鞭毛藻Chl.aは、前述のように初夏は陸域負荷量の影響をあまり受けなかったが、年平均値では有意に減少している。図(4)-22を見ると明らかであるが、その陸域負荷量の影響は春先にとくに顕著であることが分かる。一方、同時期の珪藻Chl.aを見ると、陸域負荷を削減したとき(N50・NP50)の値はCTLのときよりも大きい。これらの結果は、陸域負荷量を削減したことによって植物プランクトンの優占種が変化したことを示しており、逆にいえば、近年の陸域負荷量の増大によって東シナ海の植物プランクトン種の変化が生じた可能性があるといえる。また、陸域負荷の質の変化についても影響は大きく、陸域負荷削減形態が異なるN50とNP50の結果を比較すると、陸棚中央部における渋鞭毛藻Chl.a平均値・最大値のCTLに対する渋少量は窒素・リンの両
表(4)-1 陸域負荷量削減に対するChl.a極大層の平均値・最大値の変化(括弧内の百分率はそれぞれCTLの値に対する比率)

(a) 年平均值

位置	渦鞭毛藻 Chl.a (mg/m³)	珪藻 Chl.a (mg/m³)
CTL	N50	NP50	CTL	N50	NP50
124°E36°N	0.37	0.38	0.36	1.58	1.39	1.41
(100%)	(102%)	(98%)	(100%)	(88%)	(89%)
124°E33°N	0.82	0.79	0.62	1.78	1.62	1.59
(100%)	(96%)	(75%)	(100%)	(91%)	(89%)
124°E30°N	1.55	1.20	1.15	2.23	2.23	2.16
(100%)	(77%)	(74%)	(100%)	(100%)	(97%)

(b) 年最大值

位置	渦鞭毛藻 Chl.a (mg/m³)	珪藻 Chl.a (mg/m³)
CTL	N50	NP50	CTL	N50	NP50
124°E36°N	3.09	3.38	3.04	8.11	7.11	7.22
(100%)	(110%)	(99%)	(100%)	(88%)	(89%)
124°E33°N	3.70	3.87	3.55	7.15	5.87	5.85
(100%)	(105%)	(96%)	(100%)	(82%)	(82%)
124°E30°N	6.64	6.00	6.42	6.56	6.54	6.38
(100%)	(90%)	(97%)	(100%)	(100%)	(97%)

(c) 6-7月平均值

位置	渦鞭毛藻 Chl.a (mg/m^{3})	珪藻 Chl.a (mg/m^{3})
CTL	N50	NP50	CTL	N50	NP50
124°E36°N	0.37 (100%)	0.30 (81%)	0.30 (81%)	1.45 (100%)	1.21 (84%)	1.19 (82%)
124°E33°N	2.32 (100%)	2.41 (104%)	2.02 (87%)	0.58 (100%)	0.41 (71%)	0.45 (77%)
124°E30°N	3.87 (100%)	3.44 (89%)	3.74 (97%)	0.94 (100%)	0.93 (99%)	0.84 (89%)

(d) 6-7月最大值

位置	渦鞭毛藻 Chl.a (mg/m³)	珪藻 Chl.a (mg/m³)
CTL	N50	NP50	CTL	N50	NP50
124°E36°N	0.71	0.57	0.56	2.26	2.07	2.07
(100%)	(80%)	(79%)	(100%)	(92%)	(91%)
124°E33°N	3.70	3.87	3.55	2.00	1.70	1.43
(100%)	(105%)	(96%)	(100%)	(85%)	(71%)
124°E30°N	6.64	6.00	6.42	3.95	3.88	3.87
(100%)	(90%)	(97%)	(100%)	(98%)	(98%)
方を削減したNP50のときよりも窒素のみを削減したN50の方が大きいことが分かる。サブテーマ(1)及び(3)-1)の結果によると、近年の長江流域からの負荷量はNが増加、Pが減少傾向であり、N/P比の増加が渦鞭毛藻優占化に関与している可能性が指摘されているが、本シミュレーションで得られた傾向はそれを裏付けた結果といえる。本モデルにおける植物プランクトンの種交代についての検証は現時点では十分とはいえないが、N負荷量の抑制とP負荷量の適切な管理が東シナ海の環境保全に重要であると考えられる。

## 5 ．本研究により得られた成果

## （1） 科学的意義

東シナ海陸棚域における植物プランクトン組成に関する既往文献は必ずしも豊富ではなく、近年の東シナ海生態系の変調の兆しと考えられるP. dentatumの優占化についても知見は限定的であった。本サブテーマでは2007年6月の東シナ海海域について水塊分布と植物プランクトンの綱別出現量を有光層内のChl.a基準で評価することにより、P. dentatumが長江希积水影響域を中心として分布し、且つ長江希积水影響域におけるP. dentatumの優占率が50%近いことを明らかにした。さらに2010年の航海調査では、光学センサーによる硝酸塩濃度ならびに微細乱流プロファイラによる鉛直シア一分布を観測することで、陸棚域における植物プランクトンへの栄養塩供給が密度躍層下方における硝酸躍層（栄養塩躍層）によって影響を受けている可能性を明らかにした。東シナ海で単離したP. dentatumの培養実験では、本種が日周鉛直移動能を有する渦鞭毛藻であること、また下降動作では密度躍層に集積する特徴があることを明らかにした。本サブテーマで開発した流動生態系モデルでは、これらの海洋観測・室内実験結果に基づく素過程モデルを構築することで、既存の流動生態系モデルに比較して、鞭毛藻類の亜表層集積・鉛直分布特性の再現性が大幅に向上することが明かとなった。サブテーマ(2)、(3)-1)が行った長江流域圏から東シナ海への汚濁負荷流出量（日変化データ）を本サブテーマで開発した流動生態系モデルに与えることにより、2000年代の東シナ海低次生態系の再現計算を行った。その結果、春季の長江河口南部における赤潮が海流の季節変動により初夏の東シナ海陸棚域に輸送され、初夏の陸棚域における渦鞭毛藻P. dentatumの優占化を引き起こす可能性が示唆された。一方、現在の長江汚濁負荷推計値を基準として仮想的な負荷削減を設定したところ、長江河口域や黄海で赤潮発生の抑制効果が現れたが、陸棚の渋鞭毛藻への効果は限定的で、陸棚域央部の渋鞭毛藻の消長は長江や長江河口付近の直接的な汚濁負荷よりも外洋水起源の栄養塩に強く依存していることが示唆された。

本サブテーマで開発した東シナ海流動生態系モデルは既存の類似モデルに比較して東シナ海低次生態系を特徴付ける鞭毛藻の出現に関してより高い再現性を有する。しかしながら、本研究期間においては室内実験系で検証された日周鉛直移動は素過程モデル構築のための知見が不十分であり導入していない。また現場観測で得られた陸棚における乱流構造・栄養塩の鉛直分布の再現性が十分とは言えず、これらの点が長江負荷削減に対する低次生態系応答の計算結果に大きな影響を及ぼしている可能性が考えられる。今後、本研究で得られた成果を学術論文として取りまとめると共に、現在考慮が不十分な素過程に関する検討を行い、より信頼性の高い東シナ海流動生態系モデルを構築することで、将来の中国陸域負荷動向に対する東シナ海環境の予測に貢献していくことを本課題終了後の方針として掲げたい。
## （２）環境政策への貢献

本サブテーマの担当研究者が委員を務めるPICES（北太平洋海洋科学機関：日・米・中・韓・露・カナダ政府間機関）やUNEP/NOWPAP（北西太平洋行動計画：日・中・韓・露参加）の POMRAC の ICARM（流域圈－沿岸域環境統合管理）作業部会等を通じて本研究の成果の広報・普及に努め、東シナ海をはじめとするアジアの国際的な海洋環境政策に科学的知見を提供していく予定である。

## 6 ．国際共同研究等の状況

中国浙江海洋学院とのMOU「東シナ海の海洋生態系環境及び生物資源の順応的管理技術開発研究に関する国際共同研究」に基づき中国沿岸環境変遷について共同で情報収集を行った。

### 7. 研究成果の発表状況

## （1） 誌上発表

<論文（査読あり）>

特に記載すべき事項はない。

くその他誌上発表（査読なし）>

特に記載すべき事項はない。

## （2） 口頭発表（学会等）

1) 越川海、東博紀、河地正伸、長谷川徹、岡村和麿、清本容子：2009年度日本海洋学会春季大会 (2009)

3) 東博紀：名古屋大学地球水循環研究センター共同研究集会（2010）

「数値トレーサ実験による東シナ海陸棚域の水塊形成に関する考察」

4) 越川海：名古屋大学地球水循環研究センター共同研究集会 (2010)

「初夏の長江起源水域における渦鞭毛藻の出現と定量評価」

5) 清本容子、長谷川徹、秋山秀樹、岡村和鷹、西内耕、岡慎一郎、五味泰史、佐々木宏明、越川海、東博紀：2011年度九州沖縄地区3学会合同シンポジウム「東アジア域での大気海洋相互作用と越境汚染研究の現状」(2011)

「東シナ海長江希积水影響域における低次生態系の変調と長江からの栄養塩負荷変動との関連把握」

6) 長谷川徹、清本容子、五味泰史、佐々木宏明、東博紀、越川海：2012年度日本海洋学会春季大会（2012）

「東シナ海の渦鞭毛藻Prorocentrum dentatumの優占化と維持機構：調査船調査による観測結果の解析」

7) 越川海、宫崎紘一、東博紀、長谷川徹、西内耕、清本容子、岡村和麿、河地正伸：2012年度
## 日本海洋学会春季大会(2012)

「東シナ海の渦鞭毛藻Prorocentrum dentatumの優占化と維持機構:大型培養槽による日周鉛直移動の再現実験」

## （3） 出願特許

特に記載すべき事項はない。

## （４）シンポジウム、セミナーの開催（主催のもの）

特に記載すべき事項はない。

## （５）マスコミ等への公表・報道等

特に記載すべき事項はない。

## （6） その他

特に記載すべき事項はない。

### 8 \. 引用文献

1) Oakey NS: J. Phys. Oceanogr., 12, 256-271 (1982)

“Determination of the rate of dissipation of turbulent energy from simultaneous temperature and velocity sheer microstructure measurements”

2) Mackey MD, Mackey DJ, Higgins HW, Wright SW: Mar. Ecol. Prog. Ser., 144, 265-283 (1996) "CHEMTAX - A program for estimating class abundances from chemical markers: Application to HPLC measurements of phytoplankton"

3) Montagnes DJS, Berges JA, Harrison PJ, Taylor FJR: Limnol. Oceanogr., 39, 1044-1060 (1994) "Estimating carbon, nitrogen, protein, and chlorophyll-a from volume in marine-phytoplankton"

4) Nakamura T, Tanaka R, Yabe T, Takizawa K: J. Comput. Phys., 174, 171-207 (2001)

“Exactly conservative semi-Lagrangian scheme for multi-dimensional hyperbolic equations with directional splitting technique”

5) Mellor GL: J. Phys. Oceanogr., 31(3), 790-809 (2001)

7) Hirt CW, Nichols BD: J. Comput. Phys., 39, 201-225 (1981) "Volume of fluid method for the dynamics of free boundaries"
# Development of Integrated Environment Management Method for Changjiang River Basin to Conserve Sound Environmental Conditions in East China Sea

Principal Investigator: Hiroshi KOSHIKAWA

Institution: National Institute for Environmental Studies (NIES)

Onogawa 16-2, Tsukuba, Ibaraki 305-8506 Japan

Tel: +81-29-850-2505 Fax: +81-29-850-2569

E-mail: koshikaw@nies.go.jp

Cooperated by: Seikai National Fisheries Research Institute, Rissho University, Nagoya University, Center for Environmental Science in Saitama

Key Words: Changjiang River Basin, East China Sea, Nitrogen, Phosphorus, Marine ecosystem

## [Abstract]

Environmental pollution in the Changjiang River Basin (CRB) and the subsequent impacts on the East China Sea (ECS) are poorly understood. We assessed the impact of pollutant-loading from the CRB on the coastal waters of the ECS. Using statistical and field data we quantified nitrogen/phosphorous emissions in the CRB to elucidate potential changes in the marine environment and the response of the marine ecosystem on the continental shelf during the last decade. We analyzed changes in the types of emissions (i.e. agricultural, urban, and lifestyle), especially in the Changjiang River delta (CRD). We developed numerical models for water and pollutant movement from the CRB to the ECS. The parameters for the models included: hydrologic-hydrodynamic and biogeochemical processes, simulated rain discharge, pollutant loading from the CRB and the ECS current.

The simulations indicated a three-fold increase of nitrate discharge from the CRB (excluding CRD) when compared to data from the 1980s. However, this increase in nitrate discharge was non-significant over the last decade. Our estimates of nitrate emissions from the CRD were $ \sim $ 10–15 % of the entire CRB. Shanghai’s nitrogen emissions have reduced since 2000, where pollution control measures have been implemented and emission sources from within Shanghai city have been relocated to the surrounding area.

Our fieldwork indicated that the dinoflagellate, $ Prorocentrum\ dentatum $ , is one of the dominant phytoplankton species that occur on the continental shelf during early summer. Experimental data indicated that P. dentatum is capable of diurnal vertical migration. Therefore, we expect that P. dentatum probably uses available nutrients below the pycnoclines in the ECS. Analysis of historical nutrient concentration data, collected during the ECS flood season, suggested that nitrate concentrations increased. In contrast, phosphate concentration decreased during the early part of the new millennium. These results imply that P. dentatum can tolerate low-phosphate/high-nitrate conditions, allowing P. dentatum to dominant the ECS.

Our simulation models of the ECS current during spring/early-summer suggested the water mass
moved from the southern part of the Changjiang estuary to the central ECS. This implies that some phytoplankton in the central ECS originated from the Changjiang estuary. The simulation models using reduced pollutant-loadings indicated the decrease in occurrences of algal blooms in the Changjiang estuary and the Yellow Sea, with only moderate reductions in dinoflagellate biomass in the central ECS. Our results suggest that the ECS ecosystem is highly dependent on the oceanic nutrient supply.
# 【B-0906】「東シナ海環境保全に向けた長江デルタ・陸域環境管理手法の開発に関する研究」の主な成果

1. 東シナ海の環境保全推進のためには、長江流域汚濁負荷と東シナ海環境との関連性の科学的説明が必要

2. 陸域水物質循環モデル(SWAT)と3次元流動・生態系モデルの統合化により、陸域負荷に対する東シナ海生態系の応答特性を評価した。

長江負荷に対する東シナ海プランクトン出現量再現結果

影響応答

3. 長江デルタのフィールド調査・統計情報整理により、

デルタ地域の汚濁発生動態を解明した。

デルタ域汚濁発生量評価結果

長江デルタの汚濁発生は流域全体の

10～15％と解析された

長江負荷は河口・黄海の珪藻出現に影響が大きい。

4. 海洋観測・過去観測データの解析により、東シナ海環境の変遷、陸棚赤潮の発生機構を解明した。

植物プランクトン分布再現結果(鉛直断面)
復興特 1

平 成 3 0 年 度 歲 出 概 算 要 求 額 総 表
9101東日本大震災復興特別会計(內閣·復 第1係(金融庁))
要求
番号	区 分	前 年 度 予 算 額	3 0 年 度 概 算 要 求 額	对 前 年 度 較 减 (B-A)	明細書 頁 数
一般行政經費	その他の経費	計(A)	一般行政経費	その他の経費	計(B)
1	01 東 日本 大 震 災 復 興	0	32,980	32,980	0	12,434	12,434	Δ	20,546	2
31 復 興 庁	0	32,980	32,980	0	12,434	12,434	Δ	20,546	2
010 復 興 庁	0	32,980	32,980	0	12,434	12,434	Δ	20,546	2
158 金融機能安定·円滑化復興政策費	0	32,980	32,980	0	12,434	12,434	Δ	20,546	2
15-95 金融政策推進に必要な経費	0	32,980	32,980	0	12,434	12,434	Δ	20,546	2
会 計 計	0	32,980	32,980	0	12,434	12,434	Δ	20,546
・研究課題名：木質系バイオエタノールのための環境低負荷型生産技術の開発

·研究番号：(K2024，) K2146，K22043

· 国庫補助金精算書要額（円）：73,356,000 円也

· 研究期間 2008～2010

· 代表研究者名 森田 昌敏（爱媛大学）

· 共同研究者名 本田 克久（愛媛大学）、川嶋 文人（愛媛大学）、河野 公栄（愛媛大学）、秀野 晃大（愛媛大学）、鈴木 規之（国立環境研究所）、鑪迫 典久（国立環境研究所）、和泉 憲明（川崎重工業(株））

· 研究協力者 泉 可也 ((株) Biomaterial in Tokyo)

## · 研究目的

近年、地球環境保全と資源問題への対策の必要性から、循環可能なエネルギー資源や生物資源を利用する循環型社会の構築が求められている。この対策の一つとして、バイオエタノールの生産が活発になっている。中でも食糧や飼料と競合しない木質系バイオマスから生産されるバイオエタノールは第二世代バイオエタノールと呼ばれ、その実用化が強く望まれている。木質系バイオマスからバイオエタノールを生産するには、前処理、糖化、発酵、蒸留精製、副生成物の利活用技術が必要であるが、これら各工程の高効率化が求められており、さらに生産システムの最適化に関わる環境評価も必要である。

本研究では、量が豊富で安定供給可能な製材工場残材、建設廃材、間伐材等の木質を有効に活用して、バイオエタノール生産を低コストかつ低環境負荷で行うために必要な技術開発を行うとともに、生産システムの環境評価を行うことで、循環型社会形成にむけての廃棄物処理技術の新たな展望をひらくことを目的とした。

## · 研究方法

本研究では、スギやヒノキなどの木質系バイオマスからバイオエタノールを低コストかつ低環境負荷で生産するために必要な4つの要素（前処理技術、糖化発酵技術、残渣利活用技術、全体を統合する生産最適化のためのシステム）の開発を目的とした。以下に検討項目を示す。
## 前処理技術開発

①希酸による結晶性セルロース加水分解条件の検討

希酸によるリグノセルロースの糖化反応の可能性を検討するために、結晶性セルロースの希酸によるグルコースへの加水分解反応条件の基礎的検討を行った。

②木質バイオマスの効率的な糖化を可能にするオルガノソルブ処理条件の検討

低沸点溶媒のエタノールまたは高沸点溶媒のエチレングリコール、水、酢酸の混合液を用いたオルガノソルブ処理に短時間（10分間）のボールミル粉砕処理を組み合わせた方法の検討を行った。さらに低消費エネルギー前処理法の開発を目指し、オルガノソルブ処理のみで高糖化率を得る処理法の開発を行った。反応温度170~200℃で、硫酸や塩酸等の酸を微量添加したオルガノソルブ処理の検討を行い、酵素糖化によって評価するとともに、本処理物の糖化に適した酵素液について検討を行った。

## ③木質バイオマスの熱水糖化法の検討

糖化しにくいセルロースに対し、糖化特性向上のため、酸性の薬剤を用いた簡易な前処理で、セルロースの結晶形態を改変した。結晶形態を改変したセルロースの $ 200^{\circ} $ C 及び $ 240^{\circ} $ C での熱水法による糖化特性を検討した。

## 糖化兿酵技術開発

## ④耐熱性酵母を用いた同時糖化発酵法の検討

同時糖化発酵およびフラッシュ連続気化によるアルコール気化除去を組み合わせ、アルコールによる生成物阻害を回避し、効率の良いアルコール生産を実現するため、耐熱性アルコール菌株の選抜を行った。選抜した菌株（Kluyveromyces marxianus NBRC1777株）を用いて、セルロースからの同時糖化発酵法の予備検討を行うとともに、前処理後の木質バイオマスの同時糖化発酵法についても検討を行った。

## ⑤五炭糖成分発酵の検討

木質系バイオマスにはヘミセルロース成分に由来するキシロースを主とする五炭糖が大量に含まれているものの、高エタノール生産菌の酵母は五炭糖を発酵できないという課題がある。他の酵母（Pichia stipitis）由来のキシロース還元酵素（以下、XR）とキシリトール脱水素酵素（以下、XDH）遺伝子を導入した組み換え酵母はキシロースからのエタノール発酵能を獲得できる。本検討では、我々が独自に開発した五炭糖発酵酵母を用いて、ヒノキ糖化液中の五炭糖発酵の可能性について検討した。

## 残渣利活用技術開発

## ⑥糖化発酵リグニン残渣の利活用技術開発

木質バイオマスの糖化後の残渣の主要成分はリグニンである。このリグニン残渣の利活用技術として本検討では、以下の2つの検討を行った。

・リグニン残渣の芳香族化合物原料としての可能性を検討するために、残渣の還元分解反
応を種々の条件で行い、その最適化と生成物の解析を行った。

・リグニン残渣の吸着材としての可能性を検討するためにリグニン残渣を炭化、賦活して吸着材を作製し、その残留性有機汚染物質(POPs)の吸着除去性能の評価を行った。

## 生産最適化システム開発

⑦環境に配慮した生産最適化のためのシステムの開発

木質系バイオエタノールの環境低負荷型技術を展開するため、ゼロエミッションを目指してマテリアルバランスと熱バランス及び発生する排水/廃棄物処理の最適化を行なうと共に、要素技術と排水、原料の輸送に伴う環境負荷、そして廃棄物処理の最適化を検討するためのシステム開発を行った。

## ·結果と考察

## 前処理技術開発

①希酸による結晶性セルロース加水分解条件の検討

本検討では各種酸類の影響、硫酸の濃度、反応温度の影響、反応系へのエタノールの添加効果、反応系への各種溶媒、塩の添加効果について検討を行った。リグノセルロースの希酸による糖化反応効率についての知見を得るために希酸を用いて結晶性セルロースのグルコースへの加水分解反応ならびに同条件でのグルコースの分解反応を行い、グルコース、ヒドロキシメチルフルフラール、フルフラールの生成量を測定した。その結果、セルロースの加水分解により30%以上のグルコース濃度が得られた。酸の種類の違いや有機溶媒の添加はセルロースの加水分解によるグルコースの生成に若干の影響を与えるものの、硫酸溶液の場合に比べ大きな変化は見られなかった。しかしながら、特にジオキサンの反応系への添加は、0.368%硫酸50/ジオキサン50、200℃の反応系において14%のヒドロキシメチルフラールが生成しており、グルコースの分解によるヒドロキシメチルフラールの生成促進が確認された。

②木質バイオマスの効率的な糖化を可能にするオルガノソルブ処理条件の検討

各処理条件を至適化した後、微量の酸を添加したオルガノソルブ処理物の酵素糖化の結果、トリフルオロ酢酸2%含有50%エタノール水溶液を用いた170℃、60分間の処理物（EtOH50/W50/TFA2）及び塩酸0.4%含有50%エタノール水溶液を用いた170℃、45分間の処理物（EtOH50/W50/HCl0.4）の結果が最も高く、30 g/Lに達した（図1左図）。しかしながら、生ヒノキに含まれる糖を基に算出した糖収率、すなわち固形分収率を考慮した糖収率では、EtOH75/W25/AA1-B10, EG75/W25/AA1-B10の二種が40~45%と高く、EtOH50/W50/TFA2及びEtOH50/W50/HCl0.4は約30%であった（図1右図）。これらの処理物は、微量の強酸が添加されることで、前処理での重量損失が大きく、固形分収率が低くなり、結果的に糖収率も低い結果であった。しかし、糖化酵素とAcremozyme（明治