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水土の知を学ぶ
小泉 健
9. 水循環の科学
(1)土と植物における循環*1
水は太陽のエネルギーの作用を受けて、蒸発、凝縮、流動などの複雑な過程を経て地球上を循環しています。生物はこの無限の水循環のなかで生活し、またその流れの一部を占めています。水のエネルギー変換、可動性、溶解性、高い比熱などの物理、化学的特性は生物のあらゆる生命活動と密接に関係しています。植物は水循環の過程において最もミクロな循環であり、それが重要な役割を占めています。植物が環境から吸収する物質のなかで水は最も多量に摂取するものであり、よく繁茂した水稲では1日あたり70m3/haに相当する水を吸収します。吸収された水のうち、原形質の機能の保持や光合成などに利用される割合は5%以下であり、大部分は水蒸気となって気孔から失われます。蒸散作用には葉面積、葉の構造、気孔の開度などの内部要因と光エネルギー、温度、湿度、風、土壌水分などの外部要因が複雑に関係しています。 植物をほ場容水量の付近で栽培し、最大葉面積に到達したときの葉面積指数（植物の葉の多少の度合いを示す指標。地表の単位面積に対しての、その上方に存在するすべての葉の片側の総面積の比率）と蒸散比(土壌面蒸発量で植物からの蒸散量を除した値)の関係をみると、葉面積指数が3以下の作物では葉面積が大きいほど蒸散比は高くなります。しかし、葉面積指数が3以上になり、地表面が茎葉によってほとんど覆われるようになると、蒸散比は作物によってあまり変わらず、その平均値は約1.2となります。 つまり、蒸散量は植被が完成するまでは作物要因の葉面積によって支配されますが、植被が完成した後は気象条件の影響を強く受けるようになるのです。作物の蒸散量がある葉面積以上で一定に近づくことは蒸散と密接な関係がある日射量に限界があるためとみられます。 このような土と植物の間における水循環と併せて生まれる機能として、二酸化炭素の吸収があります。植物は、葉の気孔からCO2を吸収し、根から吸い上げた水を原料に、光エネルギーを利用してブドウ糖などの有機物をつくる働きをもっています。これは光合成と呼ばれますが、このときにブドウ糖と共に酸素も作り出されます。植物はCO2だけでなく、有毒な二酸化窒素や二酸化硫黄なども吸収し、空気を浄化してくれる働きをもちます。 気候変動に関する政府間パネル（IPCC）の特別報告書によると、世界全体の森林などの持つ吸収量のポテンシャルは、2050年までの期間において化石燃料の燃焼による排出量の10～20％に相当すると予測されています。 森林によるCO2の吸収量は、樹種や林齢などの条件により異なりますが、例えば50年生のスギ人工林は1ha当たり約170tの炭素を貯蔵しており、1本当たり1年間に平均して約3.8kgの炭素（約14kgのCO2）を吸収したことになります。土壌と植物の間で行われる循環は地球環境の仕組みの基本をなすものがあるのです。 (2)水循環システム*2 水は個別の現象、そして植物を介在した循環システムの中で、相互作用による変化を伴って様々な時間的・空間的スケールの現象として収束と発散、集成と再配分が繰り返されます。大気中の水蒸気収束の過程で、凝結熱を放出しながら降水が形成され、重力の直接の作用を受けて海域・陸域地表面に達します。陸域では、直接土壌面に到達し、あるいは、植物葉面などに達して降雨遮断として直接土壌面などへの水分到達が制限されます。 地表面では土壌条件により、浸潤、浸透、貯留、流出が生じます。土壌中では重力、毛管力により水分移動がコントロールされ、鉛直下方への水の流れはやがては飽和に達して地下水を形成します。地表面付近の水分は正味放射量の一部を熱源として潜熱フラックス（温度の高いところから低いところへ輸送されるエネルギー）の形で蒸発し大気中の水分となります。土壌中に発達した根系から吸収された水分は、植物の水分補給持続の生理作用として、葉面気孔から大気へ水分放出が行われます。土壌への浸透速度より強い強度の降水があれば凹地に水が貯留され、それ以上では地表面流として流域斜面を流下します。 地中における不透水層や不均質な土壌層構造により土壌中にも鉛直、水平成分をもつ水分移動が生じます。斜面に流下した水は、集合して渓流そして河川を経由して海に至ります。海ではもっぱら蒸発が行われ、長期には海上に降る雨と蒸発との差が河川流出に対応し、水収支として理解できます。 水循環は様々な現象とそれらの相互作用から成り立ちますが、それらの個別現象の理解と水循環システムとしての理解が必要となります。陸域地表面は降水の直接補給を受ける場であると同時に、蒸発散として大気への潜熱フラックスの生成の場でもあります。このとき、陸面流域における水の循環としてシステム的関係が構成され、降水を入力、蒸発散と土壌水分や流域からの流出を出力とする全体システムとしてとらえることができます。 水循環システムの解明のためには、水文観測または関連する現象の把握のための情報収集システムが大切です。水循環にかかわる現象過程は、さまざまな時間的・空間的なスケールを持ちます。雨滴の直径は例えば0.01から5mmのオーダーであり、大河川の流量は数万m3/sのオーダーに及びます。また時間スケールでみますと、mm/sの単位からkm/yearという単位でとらえることで正確に理解できるなどその範囲も非常に広いものとなっています。 (3)水質浄化*3 水域に汚濁物が負荷されても、希釈、拡散、ろ過、沈殿、環境生物群などの働きが充分機能する場合、つまり循環機能が働いていれば水質汚濁の問題は生じません。しかし、負荷が過度になると、いずれかの構成要素が増加したり、あるいは経路での進行に伴って非生物性の環境が悪化したり、汚濁物が構成要素中に蓄積されたりして、問題が生じるようになります。 水は河川・水路・湖沼・ため池など中で、流下するにつれて汚濁物の濃度が減少していきますが、これを自浄作用と呼んでいます。微生物では、最初に非生物性有機物を分解する細菌や真菌類が増殖し、続いてそれらを捕食する原生動物が、そして最後に独立栄養性生物である付着藻類が生まれます。 河川水に負荷された汚濁物を、その河川水中に生存する水生生物群に悪影響を及ぼさない範囲で自浄する能力は同化容量と呼ばれています。一般には、溶存酸素(DO)がある一定以上あることがまず必要であるとして、限界DO以下にならずに自浄される汚濁物負荷として取り扱われます。限界DOとしては、4mg/L程度が用いられることがあります。 生活用水などの汚濁が進行した河川においては、アンモニア性窒素の硝化によるDOの消費も生じます。また、水中の窒素およびリンを用いての河床での付着藻類の増殖によるDOの供給と、その死骸による浮遊性BODの供給も生じます。これらの影響は水深が浅いか停滞性の水域で大きくなります。湖沼や湾のように閉鎖性が強く水が10日～2週間以上滞留する水域では、物質循環のすべての機能が、全ての過程で働いています。 藻類は、光合成により水中の無機の炭素により有機物を合成し、増殖します。これに伴い酸素が放出され、pHが上昇し、水質が悪化します。水域で窒素およびリンの濃度が高くなり、藻類が異常に繁殖し、これに伴って種々の水質障害が生じる現象は、富栄養化と言われています。リン濃度で30μg/L程度および窒素で500μg/L程度以上となると、水域は富栄養化する傾向があります。 水の表面での藻類濃度が非常に高く1m?当たり1000個体以上になると、水は顕著に着色し始めます。アオコはその代表的な現象です。これにより、景観障害、透明度の低下、レクリエーション障害、溶存酸素の枯渇、生活環境の悪化、魚介類の斃死など様々な循環機能障害が生じるのです。 循環の機能が最も悪い形で現れるのが、生物濃縮です。生物濃縮とは、一般に生物がその生活環境により高い濃度である物質を含んでいる状態をいい、その濃度の度合いを表すのに濃度係数という数値で示します。生物濃縮や濃縮係数は、飼料生物とそれを捕食する生物の間でも設定されます。牧草地に除草剤をまくとそれに含まれている有害物質が牛の餌となり、牛乳となり、母親の母乳となって濃縮されていく過程や海に放出された重金属が直接あるいは食物連鎖という間接的な方法で徐々に大型魚類に蓄積されてやがて人間の口に入るという例が最もわかりやすい生物濃縮となっています。
小泉 健 H20.6.29
*1 小田桂三郎他著、耕地の生態学、築地書館、pp30-39、1972.1.10 *2 水文・水資源学会、水文・水資源ハンドブック・3水文システム、朝倉書店、pp45-54、1997.10.25 *3 宗宮功、津野洋著、水環境基礎科学、コロナ社、pp145-158、1997.4.25 |
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