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1 生 態 系 の 科 学 流 域 生 態 系 における 物 質 循 環 九 州 大 学 演 習 林 大 槻 恭 一 智 和 正 明

2 自 己 紹 介 最 近 の 生 態 系 研 究 の 動 向 森 林 の 水 はきれい? 森 林 における 窒 素 循 環 多 々 良 川 流 域 の 水 はなぜ 汚 れているのか? 森 林 は 窒 素 飽 和 しているのか?

3 自 己 紹 介 最 近 の 生 態 系 研 究 の 動 向 森 林 の 水 はきれい? 森 林 における 窒 素 循 環 多 々 良 川 流 域 の 水 はなぜ 汚 れているのか? 森 林 は 窒 素 飽 和 しているのか?

4 2014 年 から 地 球 環 境 に 関 する 国 際 協 同 研 究 が 始 動

5 Future Earthアジア 地 域 事 務 総 合 地 球 環 境 学 研 究 所

6 アジアが 地 球 環 境 に 与 える 影 響 は 非 常 に 大 きい.

7 近 年, 人 間 活 動 によって 地 球 環 境 は 大 きく 変 化

8 限 界 を 超 えている 生 物 多 様 性 喪 失, 窒 素 循 環, 気 候 変 動

9 自 己 紹 介 最 近 の 生 態 系 研 究 の 動 向 森 林 の 水 はきれい? 森 林 における 窒 素 循 環 多 々 良 川 流 域 の 水 はなぜ 汚 れているのか? 森 林 は 窒 素 飽 和 しているのか?

10 地 球 上 で 進 行 している 汚 染 大 気 を 汚 す 自 動 車 排 ガス 工 場 煙 川 の 水 を 汚 す 工 業 用 水 生 活 排 水

11 水 質 汚 染 の 影 響 赤 潮 窒 素 リンなどの 栄 養 塩 による 富 栄 養 化 プランクトンの 異 常 発 生 赤 潮 の 発 生 ( 伊 勢 湾 )

12 汚 染 源 には 点 源 と 面 源 がある 点 源 負 荷 汚 染 源 が 地 図 上 で 点 として 認 識 できる 例 ) 工 場, 事 業 場, 下 水 処 理 場, 家 庭, 畜 産 面 源 負 荷 汚 染 源 が 点 として 認 識 できない 例 ) 森 林, 農 地, 都 市 域

13 面 源 負 荷 対 策 は 難 しい 対 策 ( 規 制 ) 点 源 負 荷 面 源 負 荷 対 策 ( 規 制 )が 容 易 対 策 ( 規 制 )が 困 難 農 地, 都 市 域 対 策 必 要 森 林 対 策 不 必 要?

14 森 林 の 水 はきれい? 渓 流 水 天 然 水,ミネラルウォーター きれい, 健 康 的,おいしい

15 水 質 浄 化 は 森 林 の 多 面 的 機 能 の 一 つ 洪 水 軽 減 : 河 川 の 増 水 量 の 軽 減 渇 水 緩 和 : 無 降 雨 時 の 低 水 量 を 安 定 的 に 供 給 水 質 浄 化 : 土 壌 を 通 過 することによって 水 質 が 浄 化 緑 のダム

16 森 林 で 期 待 される 水 質 浄 化 1 濁 水 がない 2 窒 素 濃 度 が 低 い 3 酸 性 度 が 低 い 4 ミネラル 分 が 適 度 に 含 有

17 森 林 における 水 質 浄 化 の 様 子 雨 森 林 窒 素 ( 岩 坪 ほか,1968) 降 水 林 内 雨 地 表 流 酸 性 度 (Asano et al.,2005) 降 水 林 内 雨 土 壌 水 渓 流 地 中 流 渓 流 地 下 水 湧 水 渓 流 水 ppm ph

18 下 流 : 5 地 点 森 林 の 水 はきれい? ~ 多 々 良 川 流 域 の 例 ~ 多 々 良 川 水 系 における 河 川 水 の 水 質 調 査 最 上 流 部 : 森 林 のみ 7 地 点 上 流 : 5 地 点 中 流 : 4 地 点

19 渓 流 水 は 汚 れている! ~ 多 々 良 川 流 域 の 例 ~ NO [ L ] - -1 mg 3 NO 都 市 農 地 面 積 [%] 森 林 からの 渓 流 水 中 NO 3 - : 高 濃 度 ( mg L -1 ) : 下 流 域 と 同 程 度

20 渓 流 水 が 硝 酸 イオンで 汚 染 されている! 最 上 流 ( 渓 流 水 ) 上 流 中 流 下 流 硝 酸 イオン: 上 流 - 下 流 でほとんど 変 わらない! 80 窒 素 濃 度 (um) 多 々 良 川 水 系 の 上 流 ~ 下 流 における 河 川 水 中 硝 酸 イオン 濃 度

21 すべての 渓 流 水 が 汚 れているわけではない 福 岡 A( 多 々 良 川 ) 福 岡 B( 多 々 良 川 ) 椎 葉 A( 広 野 流 域 ) 椎 葉 B( 広 野 流 域 ) 椎 葉 C( 広 野 流 域 ) 福 岡 > 椎 葉 福 岡 150 硝 酸 イオン 濃 度 (um) 椎 葉

22 小 括 森 林 の 水 はきれい? 水 質 汚 濁 : 点 源 負 荷 汚 染 源 が 点 で 分 かる 面 源 負 荷 農 地, 都 市 域, 森 林 森 林 : 水 質 浄 化 機 能 きれい? 多 々 良 川 流 域 の 渓 流 水 は? 窒 素 で 汚 染 されている

23 自 己 紹 介 最 近 の 生 態 系 研 究 の 動 向 森 林 の 水 はきれい? 森 林 における 窒 素 循 環 多 々 良 川 流 域 の 水 はなぜ 汚 れているのか? 森 林 は 窒 素 飽 和 しているのか?

24 森 林 における 窒 素 (N)の 化 学 形 態 ~ 無 機 態 : アンモニウムイオン(NH 4+ ) 硝 酸 イオン(NO 3- ) 亜 硝 酸 イオン(NO 2- ) ほとんどない 有 機 態 :アミノ 酸,タンパク 質, 核 酸 など

25 窒 素 循 環 ( 全 体 概 略 ) 脱 窒 大 気 中 のN 2 大 気 沈 着 吸 収 窒 素 固 定 落 葉 分 解 溶 脱 NO 3 - 硝 化 NH 4 +

26 内 部 循 環 と 外 部 循 環

27 森 林 への 窒 素 供 給 (その1) N 2 植 物 は 直 接 利 用 できない 大 気 中 のN 2 窒 素 固 定 菌 生 物 的 窒 素 固 定 窒 素 固 定 NH 4 +

28 森 林 への 窒 素 供 給 (その2) 大 気 沈 着 ( 湿 性 乾 性 ) 窒 素 化 合 物 の 大 気 沈 着 雲 NH 3 酸 化 HNO 3 NO x 湿 性 沈 着 乾 性 沈 着 農 地 工 場 自 動 車

29 森 林 生 態 系 ( 地 上 部 地 下 部 ) 内 部 での 窒 素 循 環 2 落 葉 有 機 態 窒 素 1 吸 収 3 分 解 NH + NO 硝 化

30 森 林 生 態 系 外 への 流 出 N 2 脱 窒 土 壌 負 に 帯 電 NO 3 - NH 4 + 土 壌 に 吸 着 ( 溶 脱 しない) 溶 脱 ( 渓 流 へ)

31 小 括 森 林 における 窒 素 循 環 窒 素 固 定

32 自 己 紹 介 最 近 の 生 態 系 研 究 の 動 向 森 林 の 水 はきれい? 森 林 における 窒 素 循 環 多 々 良 川 流 域 の 水 はなぜ 汚 れているのか? 森 林 は 窒 素 飽 和 しているのか?

33 なぜ 多 々 良 川 流 域 の 渓 流 水 は 汚 れているのか? 福 岡 A( 多 々 良 川 ) 福 岡 B( 多 々 良 川 ) 椎 葉 A( 広 野 流 域 ) 椎 葉 B( 広 野 流 域 ) 椎 葉 C( 広 野 流 域 ) 考 えられる 要 因 ( 可 能 性 ) 1. 供 給 沈 着 量 が 多 い? 2. 吸 収 植 物 の 吸 収 量 が 少 ない? 硝 酸 イオン 濃 度 (um) 渓 流 へ 脱 窒 が 少 ない?

34 沈 着 量 (kmol ha -1 yr -1 ) 窒 素 沈 着 量 が 多 いと 渓 流 水 の 硝 酸 イオン 濃 度 高 い NO 3 - NH 都 市 域 山 間 部 図 9 関 東 地 域 における 沈 着 量 ( 吉 川 ら,2012) 大 都 市 近 郊 : 沈 着 量 が 多 い 関 東 中 部 地 方 80 流 域 ( 森 林 )にお ける 渓 流 水 中 の 硝 酸 イオン 濃 度 の 分 布 ( 伊 藤 ら,2004) 大 都 市 近 郊 : 濃 度 が 高 い

35 都 市 近 郊 と 山 間 部 で 比 較 すると ~ 広 島 市 の 場 合 ~

36 近 郊 林 の 方 が 山 間 部 より 窒 素 沈 着 量 が 多 い ~ 広 島 市 の 場 合 ~ -2 Deposition (mmol m ) NO 3 - Rainfall 湿 性 沈 着 (Wet deposition) 乾 性 沈 着 Net TF (Dry deposition) SO Urban Rural 近 郊 林 山 間 部 Urban Rural 近 郊 林 山 間 部

37 窒 素 の 沈 着 量 (kgn ha -1 yr -1 ) 多 々 良 川 流 域 では 大 気 沈 着 量 が 増 加 している! Year 多 々 良 川 流 域 における 窒 素 沈 着 量

38 窒 素 沈 着 量 が 増 加 したのはなぜか? (その1) 人 工 肥 料 の 生 産 ハーバー ボッシュ 法 : N 2 + 3H 2 2NH 3 化 学 的 窒 素 固 定

39 窒 素 沈 着 量 が 増 加 したのはなぜか? (その2) 化 石 燃 料 の 燃 焼 NO x 排 出 量 (kt yr -1 ) 北 米 欧 州 アジア year NO x 排 出 量 経 年 変 化 (Akimoto, 2004) アジア: 年 々 上 昇 傾 向

40 森 林 の 窒 素 吸 収 が 減 っている 可 能 性 もある? 窒 素 沈 着 量 が 多 い 渓 流 水 中 の 硝 酸 イオン 高 濃 度 植 物 微 生 物 による 窒 素 吸 収

41 窒 素 制 限 下 では 窒 素 供 給 が 多 くなると, 窒 素 の 吸 収 が 増 え, 窒 素 流 出 は 少 ない 大 気 沈 着 吸 収 が 増 える 流 出 少 ない

42 窒 素 飽 和 下 で 窒 素 供 給 が 多 くなると, 流 出 増 える 窒 素 吸 収 が 頭 打 ちし, 窒 素 流 出 は 増 える 大 気 沈 着 吸 収 に 限 界

43 植 物 の 窒 素 吸 収 にも 限 界 がある ~ 窒 素 飽 和 ~ 窒 素 供 給 量 樹 木 にとって 窒 素 は 森 林 生 態 系 外 の 窒 素 流 出 少 ない 成 長 の 制 限 因 子 少 ない 増 加 すると 成 長 が 促 進 少 ない さらに 増 加 すると 成 長 制 限 因 子 ではない 顕 著 森 林 生 態 系 が 窒 素 過 多 な 状 態 に 陥 ること 窒 素 飽 和 窒 素 飽 和 : 本 来 生 育 に 必 要 な 窒 素 が 過 剰 に 供 給 されたために, 窒 素 過 多 の 状 態 に 陥 ること

44 渓 流 水 中 NO 3 - (kg N ha -1 yr -1 ) 植 物 の 窒 素 吸 収 にも 限 界 がある ~ 窒 素 飽 和 の 基 準 ~ Level 1 <10 kgn ha -1 yr -1 窒 素 流 出 なし 窒 素 の 供 給 量 (kgn ha -1 yr -1 ) Level 2 10 ~25 kgn ha -1 yr -1 窒 素 流 出 の 可 能 性 Level 3 > 25 kgn ha -1 yr -1 窒 素 流 出 Dise and Wright (1995) 欧 州 の 森 林 から 解 析

45 窒 素 の 沈 着 量 (kgn ha -1 yr -1 ) 多 々 良 川 流 域 の 森 林 は 窒 素 飽 和 の 可 能 性 Year 多 々 良 川 流 域 における 窒 素 沈 着 量

46 森 林 のメタボ 化 が 全 国 で 問 題 に

47 小 括 多 々 良 川 流 域 の 水 はなぜ 汚 れているのか? 大 気 沈 着 量 の 増 大 窒 素 飽 和 の 可 能 性

48 自 己 紹 介 最 近 の 生 態 系 研 究 の 動 向 森 林 の 水 はきれい? 森 林 における 窒 素 循 環 多 々 良 川 流 域 の 水 はなぜ 汚 れているのか? 森 林 は 窒 素 飽 和 しているのか?

49 森 林 面 積 窒 素 飽 和 を 促 進 する 要 因 は? 人 工 林 の 高 齢 化 人 工 林 が 高 齢 化 ヒノキ スギ(>61 年 生 ) ヒノキ スギ(46 61 年 生 ) ヒノキ スギ(31 45 年 生 ) ヒノキ スギ(16 30 年 生 ) ヒノキ スギ(1 15 年 生 ) マツ 広 葉 樹 ) 人 工 林 の 一 斉 造 林 : 年 代 伐 期 :40 50 年 生

50 人 工 林 高 齢 化 の 影 響 ~ 窒 素 吸 収 量 の 減 少 ~ スギの 加 齢 に 伴 う 窒 素 吸 収 量 の 変 化 (Fukushima et al., 2011) 樹 齢 ( 年 ) 窒 素 吸 収 量 (kgn ha -1 yr -1 ) 人 工 林 の 高 齢 化 窒 素 飽 和 しやすい

51 NO [ L ] - -1 mg 3 農 業 都 市 活 動 の 影 響 は? ~リンは 増 加, 窒 素 はやや 減 少 ~ -1 TP [mg L ] 都 市 農 地 面 積 [%] 農 地 都 市 面 積 [%]

52 農 業 活 動 は 減 少, 都 市 活 動 は 増 加

53 - NO 3-1 [ mg L ] TP -1 [mg L ] 1975 全 リン 濃 度 は 減 少 しているが NO 3 - 濃 度 は 上 昇 している 農 地 都 市 から の 削 減 効 果 森 林 の 窒 素 飽 和 の 影 響 Year 下 流 河 川 水 質 の 長 期 変 化 年 (30 年 間 ) 公 共 用 水 質 データ ( 多 々 良 川, 宇 美, 須 恵 下 流 )

54 総 括 大 気 由 来 の 窒 素 沈 着 の 増 加 渓 流 水 中 の 硝 酸 イオンが 高 濃 度 森 林 の 窒 素 飽 和 人 工 林 の 高 齢 化 促 進 多 々 良 川 流 域 農 地 都 市 域 からの 汚 濁 物 質 の 流 出 は 抑 えられている 森 林 域 が 重 要 な 面 源 負 荷 抑 える 必 要 がある

55 対 策 地 球 規 模 の 汚 染 排 出 量 規 制 森 林 管 理