淀川流域の栄養塩循環

生元素循環と植物群集の動的相互作用システム

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栄養塩循環の基本概念

淀川流域生態系における栄養塩循環は、物理的・化学的・生物学的プロセスが複雑に相互作用する動的システムである。窒素・リン・炭素・硫黄等の生元素は、大気・水・土壌・生物間を循環し、植物の一次生産から分解・無機化まで、生態系の全ての機能に関与している。

生元素循環の統合的枠組み

窒素（N）

限定元素

一次生産の主要制限因子

リン（P）

枯渇元素

長期的生産性制限因子

炭素（C）

構造元素

生物量・エネルギー基盤

硫黄（S）

機能元素

タンパク質・酵素成分

循環経路の分類

窒素循環

1. 窒素の化学形態と変換

主要な窒素化合物

  • アンモニウム（NH₄⁺）: 有機物分解・工業排水由来
  • 硝酸（NO₃⁻）: 硝化作用・農業肥料由来
  • 亜硝酸（NO₂⁻）: 硝化過程の中間体
  • 有機窒素: アミノ酸・タンパク質・核酸
  • 一酸化窒素（NO）: 脱窒過程の中間体
  • 亜酸化窒素（N₂O）: 温室効果ガス

流域窒素収支

大気沈着

8-12

kg N/ha/年

生物学的固定

5-15

kg N/ha/年（マメ科・藍藻）

河川流出

25-45

kg N/ha/年（NO₃⁻が主体）

脱窒

10-20

kg N/ha/年（N₂として大気放出）

2. 植物による窒素利用

窒素吸収機構

  • NO₃⁻優先種: 多くの双子葉植物（77%の種）
  • NH₄⁺優先種: 酸性土壌適応種（18%の種）
  • 有機N利用種: 菌根依存種・極限環境種（5%の種）

3. 窒素制限と競争

窒素制限条件下では効率型・貯蔵型種が優位となり、高窒素環境では高成長型種が優位になる競争関係が成立する。

リン循環

1. リンの地球化学的循環

リン化合物の形態

  • 正リン酸（PO₄³⁻）: 植物直接利用可能形態
  • リン酸カルシウム: 中性・アルカリ土壌の主体
  • リン酸鉄・アルミニウム: 酸性土壌での固定形態
  • 有機リン化合物: 核酸、リン脂質、フィチン酸等

流域リン収支

岩石風化

0.1-0.3

kg P/ha/年（地質由来）

大気沈着

0.2-0.5

kg P/ha/年（ダスト・降雨）

河川流出

0.5-2.0

kg P/ha/年（溶存・懸濁態）

土壌固定

10-20

kg P/ha/年（長期蓄積）

2. 菌根によるリン獲得

菌根タイプと機能

  • VA菌根: 草本植物の80%、外生菌糸による探索
  • 外生菌根: 樹木の20%、個体間菌糸ネットワーク
  • エリコイド菌根: ツツジ科、酸性土壌の有機リン利用

3. 植物のリン獲得戦略

炭素循環

1. 炭素固定と分配

光合成による炭素固定

  • C₃植物（85%）: 15-25 μmol CO₂/m²/s
  • C₄植物（12%）: 25-40 μmol CO₂/m²/s
  • CAM植物（3%）: 2-8 μmol CO₂/m²/s

2. 生態系炭素収支

総一次生産（GPP）

1,200-1,800

g C/m²/年

純一次生産（NPP）

600-1,200

g C/m²/年

植物呼吸（Ra）

600

g C/m²/年

土壌呼吸（Rs）

800-1,400

g C/m²/年

3. 有機物分解と炭素放出

分解過程の段階

  • 初期分解（0-1年）: 易分解性成分、k = 2-10 year⁻¹
  • 中期分解（1-10年）: セルロース・ヘミセルロース、k = 0.1-2 year⁻¹
  • 後期分解（10-100年）: リグニン・腐植、k = 0.001-0.1 year⁻¹

人為的栄養塩負荷の影響

1. 栄養塩汚染の現状

汚染源と負荷量

  • 下水処理場: 20-30 kg N/ha/年、2-4 kg P/ha/年
  • 農地流出: 15-40 kg N/ha/年、2-8 kg P/ha/年
  • 都市流出: 5-15 kg N/ha/年、0.5-2 kg P/ha/年
  • 窒素沈着: 8-15 kg N/ha/年（NOx・NH₃）

2. 栄養塩汚染対策

発生源対策

  • 高度処理: 窒素・リン除去率>80%
  • 精密農業: 栄養塩需要に応じた施肥
  • 緩衝帯: 河畔植生による除去
  • 雨水管理: 都市域での流出制御

3. 劣化生態系の修復

気候変動と栄養塩循環

1. 温暖化による循環変化

微生物プロセスの加速

  • 温度効果: Q₁₀ = 2-3で分解速度増加
  • 無機化促進: 有機物からの栄養塩放出加速
  • 硝化増進: アンモニア酸化速度向上
  • 炭素放出増加: 土壌呼吸速度+20-40%

2. 将来予測と適応戦略

2050年窒素循環

+25-35%

無機化速度増加

2050年リン循環

+10-20%

風化速度増加

2050年炭素循環

+10-20%

NPP増加（CO₂施肥効果）

土壌炭素変化

-10-25%

土壌炭素減少

適応的栄養塩管理

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