課題名

D-3 アジア大陸隣接海域帯の生態系変動の検知と陸域影響抽出に関する研究

課題代表者名

原島 省(国立環境研究所地球環境研究グループ海洋研究チーム)

研究期間

平成8〜10年度

合計予算額

81,178千円(平成10年度 29,887千円)

研究体制

(1) 海洋生態系の時系列変動の検知と大陸からの人為影響抽出に関する研究

(環境庁国立環境研究所)

(2) 衛星画像による陸域負荷物質の海洋生態系への影響評価

 ̄卆韻噺従豐兮による負荷物質および生態系変動の検知に関する研究

(農林水産省・水産庁遠洋水産研究所)

対馬暖流域におけるクロロフィル、植物プランクトン分布の変動に関する研究

(農林水産省・日本海区水産研究所)

6綵西方〜南西諸島周辺海域におけるクロロフィル分布に関する研究

(農林水産省・西海区水産研究所)

 

研究概要

1.序

 東アジアに隣接する海域帯(南シナ海−東シナ海−日本海)は、本来的に海陸の相互作用が強く、閉鎖性の海盆、陸棚性浅海域、サンゴ礁やマングローブなどの沿岸帯など、多様な海域を含むが・沿岸国の急速な経済発展、人口増加などの人為影響による海洋生態系の変質が懸念されている。近年、陸から海域により負荷される物質の中で、窒素(N)、リン(P)は人為影響によって増加するが、ケイ素(Si)は自然の風化作用による溶出してくるものなので、必ずしも増えず、むしろ水利用形態の変化によって減少するかもしれないという問題が提起されている。植物プランクトンの中で最も増殖率が高く海洋生態系の基礎となっている珪藻は、ケイ素の存在を必須とする。このため、珪藻に対する渦鞭毛藻類など非珪藻の構成比が長期的に増大する可能性がある。

 これらの人為影響は単調増大的に現れるものではなく、自然起源による時空間分布に重ね合わされて起こる。したがって、これを検知するためには、時空間分布を把握しつつ人為起源の長期変動を抽出できる体制の確立が重要となる。また、国連海洋法条約(UNCLOS)では、排他的経済水域(EEZ)での環境管理が、各沿岸国の管轄のもとに促進されるべきであることと規定しているが、各国が個別に実行していたのでは不十分であり、各国のEEZの海洋環境を一元化して評価する体制の構築が必要である。これにはモニタリングのための観測プラットフォーム・手法の一元化と、関係国の専門家の協議のもとにモニタリングの遂行と海洋環境の評価を行う体制の確立が必要になる。

 

2.研究目的

 上述のような必要性から、アジア大陸隣接海域のNPSiに関連する栄養塩その他の物質と、植物プランクトンのバイオマス量および種構成を系統的・統合的に計測し、これらの変動・分布の基礎となる流動系をあきらかにすることを主要目的とする。内容としては、国立環境研究所で発展させてきた、フェリー船などの定期航路上のボランティア観測船の実測手法を、より広域を航行する長距離コンテナ船に拡張する。また、OCTSなどの衛星海水色データによる広域の面データを使用し、従来のクロロフィルaの他に、溶存有機物、懸濁物質などの陸域影響の指標量をマッピングするアルゴリズムを発展させる。また両方法では表層水に限定されるため、各水産研究所の観測専用船による鉛直分布データと組み合わせて3次元的な理解を得る。さらに、過去から蓄積されたクロロフィル、透明度等の観測結果をデータベース化し、長期トレンドを明らかにする。また、閉鎖性陸棚海域であり、歴史的経緯から科学的解明の遅れている南シナ海についての流動モデルを作成し、自然起源と人為起源の海洋変動の抽出を計る。これらを、各研究所、大学で分担し、結果を統合化してこの海域帯における人為影響を検知・評価する体制の基礎を作る。

 

3.研究の内容・成果

(1)ヽね寮限峽呂了系列変動の検知と大陸からの人為影響抽出に関する研究

 人間活動によるNP負荷の増大やSi供給の減少、およびその結果として起こる植物プランクトンブルームの形態の変化を検知・評価するため広域時系列データ取得のためのプラットフォームを確立する。その一つの軸として、東アジア海域を定期航行するコンテナ船により、海洋上層の栄養塩、植物プランクトン種組成、植物プランクトン色素組成等の海洋環境項目の反復計測を行う手法を構築した。コンテナ航路上、本邦沿岸域部分、香港近傍部分などで、時期により、N/Si比が減少することと渦鞭毛藻がなど非珪藻類が卓越することがみられ、人為影響の存在が推定される。縁辺海域、すなわち東シナ海部分・南シナ海部分は、栄養塩濃度と植物プランクトンバイオマス絶対濃度は低かったが、前者でシアノバクテリア、後者で渦鞭毛藻その他の微小鞭毛藻類など非珪藻種の組成比が大きくなっていた。後者に人為影響が作用しているかについては不確実性が伴うものの、基本的に鞭毛藻類などの非珪藻類が出現しやすい要素がある。また、南シナ海の流動に関する数値モデルにより、南シナ海の流動がモンスーンによる風に支配された季節変動を示すことが示され、しかも、流動構造と出現プランクトン特性が符合する場合もみてとれた。さらに、これらの手法による協力体制を展開するため、関連各国の研究者を招聘した会合を開催した。以上、これらの手法の有効性と、人為影響に関する仮説段階の知見を得たが、さらに不確実性を減じてゆくためには、今後、これらの手法を、持続的に発展させてゆく必要がある。

 

(2) ̄卆渦菫による陸域負荷物質の海洋生態系への影響評価

 1996年の5月と6月の駿河湾と1998年の5月と6月の東シナ海で行った観測結果の解析から、亜硝酸+硝酸塩/ケイ酸塩濃度の原子比(N/Si比)は、海域によりその値は異なるものの、陸域からの人為的負荷による植物プランクトンの増殖と自然増殖との区別の指標として有望であると考えられた。高懸濁物海域でのクロロフィル濃度、懸濁物ならびに河川水の影響の指標と思われる有色溶存有機物の海色リモートセンシングによるモニタリングを行うための方法を開発した。この方法に従い、「みどり」に搭載された海色海水温走査放射計(OCTS)にて得られた海色衛星データを用いて東シナ海におけるクロロイル濃度、懸濁物と有色溶存有機物濃度(黄色物質の吸収係数)の画像を作成した。これらの画像を比較検討したところ、自然条件下での植物プランクトン増殖と陸域からの人為的栄養負荷による植物プランクトン増殖とを区別した海色リモートセンシングによるモニタリングが可能であることが示唆された。

 

(2)対馬暖流域におけるクロロフィル、植物プランクトン分布の変動に関する研究

 アジア大陸起源の陸域負荷物質としての富栄養水の日本海への流入実態を明らかにし、陸域負荷物質の流入に対する植物プランクトン現存量の応答を明らかにするために、SeaWiFSデータおよび夏季の海洋観測結果を用いて、対馬海峡〜山陰西部におけるクロロフィル-aの分布特性を海洋構造と対応づけて検討した。その結果、日本海ではクロロフィル-a濃度が高い海域は対馬海峡付近に限られており、クロロフィル-a濃度は対馬海峡東水道よりも西水道で高く、高いクロロフィル-a濃度が観測された海域は、30psu以下の低い塩分値が観測された海域とほぼ一致する。さらに、夏季の日本海西部海域において低塩・高クロロフィル-a濃度の大陸起源水と高塩・低クロロフィル-a濃度の日本海表層水が混在し、塩分とクロロフィル-a濃度によって水塊区分が可能であった。このクロロフィル-a高濃度水は、東シナ海に供給された陸域負荷物質としての栄養塩が速やかに植物プランクトンに利用された結果として、クロロフィル-aの高濃度水が対馬海峡付近まで及んでいたものと考えられた。また、高クロロフィル-a濃度域を構成する主要な植物プランクトンはLeptocylindrus mediterraneusGuinardia flaccidaRhizosolenia alataChaetoceros compressumNitzschia pungensであり、種組成が比較的単純であった。今後、国際共同体制を確立して東西両水道から日本海に流入する対馬海流第23分枝および朝鮮半島沿岸からの流入水をモニターする体制の確立が必要であると考えられた。

 

(2)6綵西方〜南西諸島周辺海域におけるクロロフィル分布に関する研究

 陸起源の負荷物質がクロロフィル-aの分布に及ぼす影響の解明に資する目的で、東シナ海において実施された海洋観測の資料を収集・整理し、クロロフィル-a、水温、塩分、透明度および栄養塩類のデータベースを作成した。このデータベースは、東シナ海では過去20年間の25航海(19731992年)、九州西方海域では19931995年の間の冬季と春季の6航海、南西諸島沿岸域では1992年の秋季航海のデータより構成されている。1997年夏季(78月)および1998年秋季(10月)に東シナ海の大陸棚域及び沖縄舟状海盆においてクロロフィル濃度と関連する海洋観測を実施した。両年とも調査海域は長江河川水起源のプルームと推定される塩分30以下の海域とその周辺の陸棚水に区分されたが、全域で亜表層クロロフィル-a極大の形成が認められた。表面のクロロフィル-a濃度は、大半の観測点で低濃度であったのに対し、長江河川水起源の低塩分水ではやや高い値を示した。亜表層クロロフィル極大は、長江起源の低塩、低温水とその下層の黄海冷水との間に形成された密度躍層の上部で高かった。周辺の陸棚水でのクロロフィル濃度は、密度躍層内部に亜表層極大が認められ、表層では低かった。高濁度水は海底から密度躍層以深に留まり、海表面までは達していなかった。各測点におけるクロロフィル濃度の鉛直分布を関数に当てはめてパラメータを算出し、その中から亜表層極大深度の水平分布を作成することにより、亜表層極大深度が長江系水から遠ざかるにつれて深くなる傾向を示した。夏季および秋季の陸棚域においては、陸水起源の低塩分水の挙動及び成層構造の地域差がクロロフィル-aの分布パターンに大きく影響していることが示された。観測結果及びデータベースの値を用いた解析によると、低塩分水(塩分30psu以下)の表層におけるクロロフィル濃度は長江河口沖合域に比べて全般に低いレベルであり、大陸起源の陸水から供給された栄養塩の大部分は124°E以西の海域で速やかに植物プランクトンに利用されているものと推定された。

 

4.考察

 各サブテーマで得られた観測データ、衛星画像、過去からの蓄積による観測資料のデータベースおよび数値モデルの結果から、アジア大陸隣接海域帯における人為影響的要素と自然起源要素に関して、次のような考察が得られた。

 まず、OCTS衛星データによるCDOM(有色溶存有機物)は陸域起源物質の指標として適していると考えられ、19975月の画像では、中国大陸沿岸域、揚子江河口域、黄海で高い値を示す。同時期のクロロフィルが、1μg/1以上存在する領域は、CDOM分布域よりも広く、東シナ海〜対馬海峡・日本海にまたがり、自然起源のブルーミングを表現していると考えられる。東シナ海〜日本海の連結した領域を考えると、1998年夏に揚子江流域での集中豪雨の際には、夏から秋にかけて日本海でも低塩分で高クロロフィルの海水の分布がみられた。ただし、平年には対馬海峡までにとどまるようである。また、揚子江から流入した栄養塩に関しては、通常、東シナ海西部(124°E以西)で比較的速く植物プランクトンに利用され、東シナ海東部の栄養塩は低い。しかしながら、透明度とクロロフィルのデータベースにより、対馬海流域における透明度が1960年代からの30年間に6mほどの低下したことも明かになった。このことは、大陸での人間活動の増加が栄養塩供給を増加させ、長期的には大陸近傍のみならず縁辺海の広い領域にわたって植物プランクトンの増加につながってきたことが推定される。

 なお、観測船の調査により、クロロフィルが海面よりも数十メートル下の亜表層極大に多く分布していることがわかった。亜表層極大は、栄養塩制限の表層と光制限の下層の中間にできるものであり、自然起源の基礎生産の把握のためには、この層における物質の挙動を3次元的にもextensiveに計測・評価する必要がある。本課題では、衛星と定期航路船舶により、それぞれ透明度深と船底深度の計測に限られるが時空間変動を重視した手法をとったため、この方向をとることは難しかった。ただし、本課題の目標である人為影響の抽出にあたっては、本来栄養塩制限の条件にある表層にNあるいはPが負荷されたらどうなるかという観点から、表層を重視して時空間変動を調べるという方法に妥当性があると考えられる。

 NPSiと出現プランクトンに関しては、現段階では最終的な結論ではないが、考察結果として次のようなフローが考えられる。

 まず、十分な栄養塩がありさえすれば、増殖の速い珪藻類が卓越してしまう。栄養塩の源泉は、鉛直混合(日本海などの温帯〜亜寒帯海域、備讃瀬戸湧昇などの潮汐混合域)や湧昇(ベトナム沖等)であってもよいし、陸域起源(大阪湾、香港近傍部分)であってもよい。これらの場合、NPSiがセットで補給されるし、河川は通常人為起源のNPと帯同してSiも供給しているからである。従って、沿岸性の珪藻と外洋性の珪藻という観点での陸域影響は判断できるかもしれないが、単一の観測で珪藻と渦鞭毛藻類の相対比で人為影響を判断するのは難しい。ブルームが終了する時期、すなわち栄養塩が乏しくなって珪藻が増殖できなくなった時点で、少量のNPのもとで、渦鞭毛藻や微小鞭毛藻が出現する。このため、季節変動も含めた評価体制が必要になる。また「(NP)/si比が人為影響で増大し、このため珪藻類に比べて渦鞭毛藻類の増殖に有利に働く」というシナリオは大阪湾や香港近傍に基本的に合致するといってよいだろう。この場合、栄養塩利用の形態としては「新生産」ということになる。

 また、南シナ海では、NP枯渇のもとで、少量の植物バイオマスの組成を渦鞭毛藻類、微小鞭毛藻類、シアノバクテリアなどが分け合っている。珪藻の独占がおこらず、多様な植物プランクトンが少量ずつ出現できるといった解釈も成立するだろう。温帯域以北の海域では、冬季の鉛直混合で海水の更新があり、この時に下層の窒素、リン、ケイ素がほぼレッドフィールド比を保って上層に補給される。これに対し、南シナ海の場合年間を通じて成層が維持されるため、ベトナム沖の湧昇域や沿岸域を除いてはNPが補給される機会が少ないかもしれない。したがって、渦鞭毛藻類の出現も、珪藻類が出現しにくいことの結果、すなわち海洋構造あるいは自然起源による可能性がある。この場合、栄養塩利用の形態としては「再生生産」ということになる。

 また一方で、南シナ海の閉鎖性海域が強く、すでにマングローブ帯から養殖池への転換等でNP流入が増加していることも考慮すると、人為起源で渦鞭毛藻類の組成が増加してきた可能性も否定できない。自然起源にしろ人為起源にしろ、南シナ海は全体として、渦鞭毛藻類が出現しやすい構造になっているといえる。したがって、今後さらにNPが過剰に負荷されれば、温帯以北や湧昇域に基本的に有害藻類が出現しやすい生態系であるといえよう。

 いずれにしても、東アジアの経済発展とそれに隣接した海域帯の環境変動は、その重要性によって欧米からのアプローチも盛んになっており、今後、海洋環境変動を持続的に検知・評価する体制が必要である。

 

5.研究者略歴

課題代表者:原島 省

1950年生まれ、京都大学大学院理学研究課博士課程修了、理学博士、現在、国立環境研究所地球環境研究グループ海洋研究チーム総合研究官

主要論文:

1. Harashima, A. et al. Monitoring Algal Blooms and Related Biogeochemical Changes with a Flow-Through System Deployed on Ferries in the Adjacent Seas of Japan, in M. Kahru and C. Brown (Eds.), "Monitoring algal Blooms-New Techniques for Detecting Large-scale Environmental Change", 85-112, Springer Verlag, 1997.

2. Kikukawa, H., Harashima, A., et al. (1997) A Numerical Study of the Seasonal Differences of Circu1ation Processes in a Nearly Closed Coastal Basin, Estuarine, Coastal and Shelf Science,44, 557-567.

3. Harashima, A. et al. (1987) Evolution of the bioconvection pattems in a culture of motile flagellates, Physics of Fluids, 31, 764-775.

 

サブテーマ代表者

(1): 原島 省(同上)

 

 

(2)− П本明弘

195784日生まれ、北海道大学水産学部卒業、現在、水産庁遠洋水産研究所主任研究官

主要論文:

1. Akihiro Shiomoto, Kazuaki, Tadokoro, Kazuya Nagasawa and Yukimasa Ishida (1997): Trophic relations in the subarctic North pacific ecosystem: possible feeding effect from pink salmon. Mar. Ecol. Prog, Ser.,150, 75-85.

2. Akihiro Shiomoto, Kazuaki Tadokoro, Kojo Monaka and Masaaki Nanba (1997): Productivity of picoplankton compared with that of larger phytoplanktonin the subatctic region. J. Plankton. Res., 19, 907-916.

3. Akihiro Shiomoto (1997): Size-fractionated chlorophyll a concentration and primary of the Okhotsk Sea in October and November 1993, with special reference to inf1uence of dichothermal water. J. Oceanogr., 53, 601-610, 1997.

 

(2)−◆平井光行

1953917日生まれ、京都大学農学部水産学科卒業農学博士、東北区水産研究所主任研究官、現在、日本海区水産研究所海洋環境部海洋動態研究室長

主要論文:

1. 平井光行(1995)日本海における海面水温の時空間変動。日水研研報、45, 1-22.

2. 平井光行(1994)対馬暖流域における春季の海面水温に与える冬季の海面冷却の影響、日水研研報、44, 1-17.

3. 平井光行(1991)三陸近海におけるマサバまき網漁場の水産海洋学的研究。
東北水研研報、53, 59-147.

 

(2)−◆РF盥醋

1956年生まれ、北海道大学水産学部卒業水産学博士、現在水産庁西海区水産研究所東シナ海海洋環境部生物環境研究室長

主要論文:

1. Yokouchi, K., K. Okuda, K. Takeshi, I. Matsumoto, G. Fujiwara and H. Kawamura. (in press)
OCTS-derived chlorophyll-a concentration and oceanic structure in the Kuroshio frontal region off the Joban/Kashima coast of Japan. Remote Sensing of Environment.

2. 横内克巳、加賀克昌、上田賢一、松本育夫、荻島 隆、山田秀秋。1998、三陸沿岸および仙台湾におけるプランクトン年周期の現場観測とモデル計算。東北水研研報、60, 1-14.

3. 横内克巳、友定 彰、松尾 豊、稲掛伝三。1996、東北海域におけるクロロフィルの鉛直分布の季節変化。東北水研研報、58, 11-26.