Transcript N 2 O

おはようございます
窒素の流出と水の動き
降水
山地斜面での
水の動きは？
大気
樹幹流
林内雨
復帰流
有機物
土壌
流出
地下水流
基岩
流出
斜面位置によって土壌の
湿潤度が異なる
乾
湿
水で飽和している
大気
窒素固定
0 kg-N/ha/yr
落葉・落枝
54 kg-N/ha/yr
降水
7 kg-N/ha/yr
植物中の N
532 kg-N/ha
N2O, N2
脱窒
? Kg-N/ha/yr
吸収
80 kg-N/ha/yr
土壌有機物中のN
4700 kg-N/ha
After Bormann et al. (1977)
植物が吸収できるN
26 kg-N/ha
無機化
70 kg-N/ha/yr
NH4+
NO3-
渓流へ流出
4 kg-N/ha/yr
森林での窒素の形態変化
窒素固定
窒素降下物
脱膣
潤
落葉・落枝
吸収
土壌
有機物
乾
吸収
湿
流出
斜面位置によって土壌の
湿潤度が異なる
窒素の形態変化が土壌の
湿潤度に従って分布する
NH4+化成
乾
N2O, N2
NO3-生成
脱窒
水で飽和している
湿
NH4+
ammonificationdry
N2O
NO3-
nitrification
denitrification
wet
saturated
After Hirobe et al. (2001)
地下水帯のあるところで N2O が発生する
高濃度の N2O
雨の時には，斜面
の上でも
窒素が水と伴に地下を移動する
無降雨時
降雨時
降雨
蒸散
樹幹流
土壌面蒸発
樹冠通過雨
樹木根系
による吸水
基岩浸透
不飽和
側方流
飽和地表流
地下水面
飽和
側方流
地下水面
基岩
基岩
湧水点
基岩浸透
復帰流
不飽和
鉛直浸透
水面蒸発
不飽和
鉛直浸透
湧水点
P W D site
P in u s
2
-1
B a sa l a re a (m h a )
20
10
d e ci.
d e ci.
Cham .
Cham .
P in u s
0
1 918 9
Dieback of Pine stands by the Pine-Wilt Disease
(PWD) since 1991
1 929 8
渓流水のNO3- 濃度が地下水位の季節変化と連動する
NO3-濃度の高い浅い地下水が多く含まれるか
どうか
High groundwater period;
Summer in 1994 and 1995
High
conc.
Low groundwater period;
Winter in 1994-1995, 1995-1996
Low
conc.
窒素の流出
• 土壌の中の水分条件が窒素の形態変化
を左右する．
• 土壌の中や基岩の中の水の移動や貯留
が窒素（NO3-）の流出量を変化させる．
•物質循環と水循環の両方の視点が必要
森林の水質浄化機能 ？
Ｎ
Ｎ
Ｎ
Ｎ
Ｎ
Ｎ
Ｎ
Ｎ
Ｎ
Ｎ
Ｎ
Ｎ
森林が大きくなっていくに従って，内部循環が大きく
なり，流出する窒素（NO3-）は少なくなっていく．
窒素を多く含んだ雨を受け取り，渓流の窒素濃度を
低く保つ．
酸性雨は降っている
日本の森林流域はよく酸を緩衝する
Ohte and Tokuchi, GBC, 1999
森林における種々の水のpHは
どのようにしてきまるのか？
Disturbance due to
partial dieback
Cypress
part
Dieback
Pine/deci. part
Seasonality in stream and groundwater
NO3- concentration in Kiryu
GW
GW
15～20年ぐらいのイベント
Caused by episodic N leaching by “PWD”
Ohte et al. 2003
表面地形と基岩地形は必ずしも一致しない
地下水位観測
pHとは？

H 2O 
  H  OH
pH   log

H 

10
大気中では純水でも弱酸性．なぜなら，


CO 2  H 2 O 
  H  HCO
3
pHを左右する主な溶存物質
• 陽イオン
– Ca2+, Mg2+, Na+, K+, NH4+
アルカリ度
• 陰イオン
– SO42- , Cl- , NO3- , HCO3-，org．
• 溶存CO2濃度
pHを左右する主な溶存物質
• 陽イオン
– Ca2+, Mg2+, Na+, K+
• もとはといえば鉱物に含まれている．海の塩分から大気
に行って降下物となることもある．
• Na+以外は植物がよく吸収し，植物体内に蓄積も多い．
– NH4+
• アミノ基をもった有機物（動植物遺体）から生成される．
pHを左右する主な溶存物質
• 陰イオン
– SO42- , Cl• 大気降下物（エアロゾルを含む）に含まれる．SO42は鉱物由来のソースもある．
– org-， NO3- ,
• 有機物（動植物遺体）から，NO3-はNH4+が酸化さ
れてできる ．
– HCO3• 空気中のCO2の溶解．石灰岩質の基岩の溶解．
イオンのバランスは，電気的中性の法則でしばられる．
2[Ca
2
 2[SO
0
]  2[Mg
2
4
2
]  [NO


3


]  [Na ]  [K ]  [NH


]  [Cl ]  [HCO
3
4

]  [H ]

]  [OH ]
アルカリ度とは？
H+，OH-，HCO3-以外の溶存イオン当量のバランス

C
C b  2[Ca
a
Alk 
2
]  2[Mg
2
 2[SO
4
C
C
b

]  [NO


 [OH ]  [HCO
3
2

3

a


]  [Cl ]
]  [H ]


]  [Na ]  [K ]  [NH
4
]
溶存CO2濃度
・・・土壌微生物や根の呼吸で上昇
pH
アルカリ度（陽イオン-陰イオン）
・・・陽イオンの溶出で上昇
CO2濃度は深いところほど高い
図-11 各水文過程におけるPCO2の年間平均値（Ohte et al., 1995）
陽イオン濃度も浸透中に上昇する
→アルカリ度が上昇する
風化反応がアルカリ度を
上昇させる．例えば：
NaAlSi
3
O 8 (s)  CO 2  (11 / 2) H 2 O


 Na  HCO
3
 2 H 4 SiO
4
 (1 / 2) Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 (s)
＊風化の結果，HCO3濃度が上昇する
アルカリ度・溶存CO2濃度・pHの大小関係
溶存CO2の平衡式：


[H ][HCO
3
]
 K
o
 10
 7 . 81
[CO 2 ] gas
アルカリ度の定義：
[HCO

3


]  Alk  [OH ]  [H ]
[HCO3-]を消去すると[H+]に関する二次方程式が得られる：

[H ]  Alk[H
2

]  10
 7.81
[CO 2 ] gas  10
 14
0
方程式を解くと．．．
森林流域での酸緩衝： ｐHの決定要因
土壌水・地下水では．．．
• 浸透過程で，
– アルカリ度も
– 溶存CO2濃度も
»上昇する
• 結局，酸緩衝能はアルカリ度を上昇させる溶存物質
（塩基性陽イオン）がどれだけ溶出させられるかによっ
て決まる．
• 陽イオンの溶出は鉱物の化学的風化とイオン交換反
応に左右される．
プロトン
の供給と
緩衝
Proton source
Throughfall
Proton sink
2+
Ca , Mg
respiration
decomposition,
mineralization,
Ion uptake
-
NO3 , Org-
CO 2 dissolution &
dissociation
HCO3
+
-
Na , HCO 3 ,
CO2 discharge
2+
Cation
exchange
H
A, AC,
B layer
+
Na +
H
+
Chemical
weathering
Secondary
minerals
C layer
実際それなりに「水質浄化」機能
が評価できる
• こうした機能が期待されている
– しかし，森林生態系にとってみれば，それだけ
で物質循環には撹乱が与えられていることに
なる．
水質浄化問題の所在？
• 自然の森林が「危険で質の悪い水」を浄化してく
れると期待している．
• しかし，どこかに限界がある．．．陸水の酸性化，
窒素飽和
• 「安全でより良質な水」が確保したければ，確保
したい水を汚さないのが一番．
• 本質的には「危険で質の悪い水」を降らせないこ
とが最重要．
Konohira et al. 2004
まとめにかえて
• 渓流・河川の水質を決めるもの．
– 地質と森林の物質循環
– 気候・水文条件
• 現在の森林を取り巻く環境は，どんなに田
舎でもすでにナチュラルではない．
– 水質問題の構造は，大気汚染からはじまる
ありがとうございました．
Hubbard Brook Experimental Forest
風化のポテン
シャル
Exchangeable
cation storage
Exchangeable
cation storage
Ohte and Tokuchi, GBC, 1999
• “N”の問題
Nitrogen transformation
ammonification
dry
N2O
wet
nitrification
denitrification
bedrock
saturated
• Plot scale N dynamics are highly heterogeneous. They
are distributed to landscape-scale (slope-riparian)
environmental settings, such as soil moisture,
vegetation, and soil types.
• 撹乱を受けると，「安全で良質な水」を供給
しなくなる．
Seasonality in stream and groundwater
NO3- concentration in Kiryu
GW
GW
Caused by episodic N leaching by “PWD”
Ohte et al. 2003
86yr
24yr
Ohrui and Mitchell, 1997
窒素飽和 ： 森林が成熟する＝ 植生による窒素のUptakeが減退する．→流出NO3-が増える
Aber, 1989, 1998; Stoddard, 1994; Tamm 1991…etc.
Nitrogen saturation
窒素飽和モデルStoddard
Stoddard, 1994
窒素飽和の問題点
• 成熟すればそうなるのか？
– だとすれば人工林の伐期が伸びるのはまずい．
– 天然林でもmatureならおなじこと．
– いまのところ，これについてのよりロバストな診断法
がない．
– 今も，今後も反応性の窒素は降り続けるだろうから，
緊急の問題かも知れない．
• 詳しいメカニズムを知りたければ流域試験
が必要．
• クロニカルな汚染に対しては，精度の良い
長期間のモニタリングが必要．
Hubbard Brook Experimental Forest
メカニズムは欧米の研究で十分か
C a ts k ill
30
30
5 .1 C
1 4 .2 C
20
20
10
10
0
0
-1 0
-1 0
Jan Feb M ar Apr M ay Jun
Jul Aug Sep O ct N ov D ec
300
M onthly prec ipitation (m m )
o
o
o
M onthly av erage air tem perature ( C )
K iryu
Jan Feb M ar Apr M ay Jun
Jul Aug Sep O ct N ov D ec
300
1642 m m
250
200
200
150
150
100
100
50
50
0
1483 m m
250
0
Jan Feb M ar Apr M ay Jun
Jul Aug Sep O ct N ov D ec
Jan Feb M ar Apr M ay Jun
Jul Aug Sep O ct N ov D ec
気候が違う
地質が違う
Ohte and Tokuchi, GBC, 1999
High nitrate release does not cause
streamwater acidification in Japan
8
7
JP
pH
6
5
N o rth A m e ric a
4
US, EU
E u ro p e
S o u th A m e ric a
A u s tra lia
Japan
3
0 .0 0 0 1
0 .0 0 1
-
0 .0 1
0 .1
N O 3 co n ce n tra tio n m e q L
1
-1
栄養塩の流出
→富栄養化
• ケーススタディが足りない．
• 地理的なヴァリエーションがわかる研究が
これまでなされてきていない．
– 意味づけのはっきりしたセッティングで調査プ
ロジェクトを立ち上げる必要がある．
Konohira et al. 2004
森林での窒素の内部循環
渓流へ
Dominant N
transformation may be
regulated by chronic
moisture condition
ammonification
水分の分布によってNの化学的な変成が規定され
dry
る．
→斜面の部位，地形の凹凸に反応が左右される
denitrification
saturated
nitrification
wet
環境問題とのかかわり
• ホットな問題
– 緑のダム問題
• ダム問題
• 人工林の荒廃（？）
トラディショナル
な森林水文学
– 水質浄化機能？
• 酸性雨，陸水の酸性化
• 窒素飽和，富栄養化
• 重金属・環境ホルモンなど種々の汚染
Ohte and Tokuchi, GBC, 1999
プロトンの供給と
緩衝
Proton source
Throughfall
Proton sink
2+
Ca , Mg
respiration
decomposition,
mineralization,
Ion uptake
-
NO3 , Org-
CO 2 dissolution &
dissociation
HCO3
+
-
Na , HCO 3 ,
CO2 discharge
2+
Cation
exchange
H
A, AC,
B layer
+
Na +
H
+
Chemical
weathering
Secondary
minerals
C layer
Reuss et al., 1987, Nature 329
酸性雨の被害地域では．．．
図-14 ハバードブルック試験林における降水と渓流水の月平均水素イオ
ン濃度とpH．1965-1974年の平均値と標準偏差を示している
（Likens and Bormann, 1995）．
森林流域の緩衝能地理的な違い
pHが低い地域はHCO3-濃度が低い
森林土壌の酸性化と流域の緩衝能
•
日本の流域と欧米で酸性化が生じた流域との違いはアルカリ度を上
昇させる陽イオンがどれだけ土壌からリリースさせられるかの違いに
ある．
•
森林植生があるがゆえに，土壌中では自然に土壌の酸性化が進む．
降下物によってもたらされる酸が，この酸性化を加速し，本来土壌が
持っていた緩衝能を超えてしまう．
•
現況で，日本の森林流域の緩衝作用が高いレベルにあることは観
測が物語っているが，これの衰退がどのような時間スケールで生じ
るかを予測することが，最近のこの分野の非常に重要な研究課題と
なっている．