生態水文学

生態水文学（ギリシャ語の οἶκος、oikos「家」、ὕδωρ、hydōr「水」、-λογία、-logiaに由来）は、水と生態系の相互作用を研究する学際的な科学分野です。生態学に焦点を当てた水文学のサブ分野と見なされています。これらの相互作用は、川や湖などの水域内、または陸上、森林、砂漠、その他の陸上生態系で発生する可能性があります。生態水文学の研究分野には、蒸散と植物の水利用、生物の水環境への適応、植生と底生植物が川の流れと機能に与える影響、生態学的プロセス、土壌炭素スポンジ、水循環間のフィードバックが含まれます。

水循環とは、地球の表面上、表面より上、表面より下の水が継続的に移動する現象を指します。この流れは、さまざまな地点で生態系によって変化します。大気中への水の流れの大部分は、植物からの蒸散によってもたらされます。水は地表を流れる際に植生の影響を受けますが、河川の水路は植生によって形作られます。生態水文学は、ユネスコの国際水文学計画に基づいて開発されました。

生態水文学者は陸上システムと水生システムの両方を研究します。陸上生態系（森林、砂漠、サバンナなど）では、植生、地表、不飽和帯、地下水^{[1]の相互作用が主な焦点となります。水生生態系（川、小川、湖、湿地など）では、水化学、}地形、水文学がそれらの構造と機能に どのように影響するかに重点が置かれます。

生態水文学の一般的な前提は、さまざまな規模で陸上と水中のプロセスを統合する概念を使用して、生態系の劣化を軽減することです。生態水文学の原則は、次の 3 つの連続した要素で表現されます。

1. 水文学（フレームワーク）：流域の水文学的循環の定量化は、水文学的プロセスと生物学的プロセスの機能的統合のテンプレートとなるはずです。この観点には、スケール、水と温度のダイナミクス、生物的要因と非生物的要因の階層的相互作用の問題が含まれます。
2. 生態学的（目標）：河川流域規模の統合プロセスは、流域の収容力と生態系サービスを強化するような方法で制御できます。このコンポーネントは、生態系の回復力と耐性の側面を扱います。
3. 生態工学（方法）：統合システムアプローチに基づく水文学的および生態学的プロセスの規制は、統合水域管理のための新しいツールです。この方法は、堤防、生物操作、森林再生、その他の管理戦略などの工学的方法を使用して、水文学的枠組みと生態学的目標を統合し、水質と生態系サービスを改善します。

それらを検証可能な仮説として表現すると (Zalewski et al., 1997)、次のようになります。

• H1: 水文学的プロセスは一般的に生物相を制御する
• H2: 生物相は水文学的プロセスを制御するツールとして形作られる
• H3: これら 2 種類の規制 (H1 と H2) を水力技術インフラストラクチャと統合することで、持続可能な水と生態系サービスを実現できます。

特定のシステムにおける生態学的水文学は、いくつかの基本的な質問に答えることで評価できます^[2]水はどこから来てどこへ行くのか? これは、評価対象の流域に入る水がたどる流路として定義されます。水は特定のフラックスまたは水たまりにどれくらい長く留まるのか? これは滞留時間として定義され、水が流入、流出、または貯蔵される速度を観察できます。これらのプロセスを通じて水はどのような反応と変化を受けるのか? これは生物地球化学的反応として定義され、水中の溶質、栄養素、または化合物を変化させる可能性があります。これらの質問の答えを得るために、流域を観察およびテストするために多くの方法が使用されています。つまり、ハイドログラフ、環境および注入トレーサー、またはダルシーの法則などの方程式です。これら3つの要素は相互作用し、相互に依存しています。流域の接続性は、多くの場合、これらの特性がどのように相互作用するかを定義します。季節またはイベント規模の流れが発生すると、流域の接続性の変化は、流路、滞留時間、および生物地球化学的反応に影響を与えます。特定の場所や時間において反応活動が活発な場所は、ホットスポットまたはホットモーメントと呼ばれます (Pedroli、1990)(Wand et al.、2015)(Krause et al.、2017)(Fisher et al.、2004)(Trauth et al.、2014)(Covino、2016)。

生態水文学の基本的な概念は、土壌炭素スポンジの発達と植物生理学が水の利用可能性に直接関係しているというものです。^[3]熱帯雨林のように水が豊富な場所では、植物の成長は栄養素の利用可能性に大きく依存します。しかし、アフリカのサバンナのような半乾燥地域では、植生の種類と分布は、植物が土壌から抽出できる水の量に直接関係しています。^[4]土壌水が不十分な場合、水ストレス状態が発生します。水ストレスを受けた植物は、気孔を閉じるなど、さまざまな反応を通じて蒸散と光合成の両方を低下させます。この林冠の森林、林冠の水フラックス、二酸化炭素フラックスの減少は、周囲の気候と天気に影響を与える可能性があります。 ^[5]

土壌水分が不足すると植物にストレスが生じ、水分の利用可能性は種の分布を決定する 2 つの最も重要な要因の 1 つです (もう 1 つは温度) 。強風、大気相対湿度の低さ、二酸化炭素の低さ、高温、高日照はすべて土壌水分不足を悪化させます。土壌水分の利用可能性は土壌温度が低い場合にも低下します。水分供給不足に対する最も早い反応の 1 つは膨圧の低下です。細胞の膨張と成長は直ちに抑制され、糖化されていない新芽はすぐに萎れてしまいます。^{[引用が必要]}

1920年代にストッカーによって開発された水分不足の概念^{[6] [7] [8]は、}植物の水分の吸収と損失のバランスを示す便利な指標です。わずかな水分不足は正常であり、植物の機能を損なうことはありませんが^[9]、より大きな水分不足は植物の正常なプロセスを妨げます。

根付く媒体（土壌炭素スポンジ）の水分ストレスがわずか5気圧増加すると、実生の成長、蒸散、および内部の水分バランスに影響します。これは、カバノキ、ポプラ、ヨーロッパアカマツよりもヨーロッパトウヒの実生に大きな影響を与えます。^[10]純同化率の低下は他の樹種よりもトウヒの方が大きく、これらの樹種の中では、土壌が乾燥しても水利用効率が増加しないのはトウヒだけです。ヨーロッパトウヒとヨーロッパアカマツの2つの針葉樹は、広葉樹よりも葉と基質の水分ポテンシャルの差が大きいです。^[10]制御された環境で土壌水ストレスが5気圧まで増加しても、ヨーロッパトウヒの蒸散率は他の3種よりも低下しません。野外条件では、ヨーロッパトウヒの針葉は、気孔が明らかに閉じるまでに、完全に膨張した状態からカバノキやポプラの葉の3倍、ヨーロッパアカマツの2倍の水分を失います（ただし、正確な閉じる時点を特定するのは困難です）。^[11]そのため、植物の水分ストレスが高い場合、トウヒではマツよりも同化が長く続く可能性がありますが、おそらく最初に「水がなくなる」のはトウヒでしょう。

土壌水分は、地下の不飽和部分である通気帯に存在する水分量を表す一般的な用語です。植物は重要な生物学的プロセスを実行するためにこの水に依存するため、土壌水分は生態水文学の研究に不可欠です。土壌水分は一般に、水分含有量、、または飽和度、として表されます。これらの用語は、多孔度、、によって方程式で関連付けられています。時間の経過に伴う土壌水分の変化は、土壌水分ダイナミクスとして知られています。 ${\displaystyle \theta}$${\displaystyle S}$${\displaystyle n}$${\displaystyle \theta =nS}$

水の安定同位体を用いた最近の世界的な研究では、土壌水分のすべてが地下水の補給や植物の蒸散に均等に利用できるわけではないことが示されています。^{[12] [13]}

砂質土壌における植物の利用可能な水分はセピオライト粘土の存在によって増加する可能性がある。^[14]

栄養スパイラルとは、生物学的プロセスと物理的プロセスが組み合わさって栄養輸送または栄養制御を制御する方法を指します。水は、栄養分に富んだ湧昇と酸素に富んだ降下を通じて栄養分を交換しながら下流へ移動します。1 回の連続的または段階的な交換ではなく、栄養素は川底に沿った区画内で循環します。合計スパイラル長 (S) は、吸収長 (Sw) とターンオーバー長 (Sp と Sc) で構成されます。Sw は、溶解した栄養分が再び吸収される前に下流に輸送される平均長さです。この経路は、仮想スパイラルとして概念化できます。栄養スパイラルは、栄養素循環が発生する水路底と水との相互作用の割合が高いか低いかによって、水位の影響を受ける可能性があります。高水位では栄養素相互作用が低く、低水位では栄養素相互作用が高くなります。( ^[15]

流域は、その勾配、流量、流速によって、そのシステム全体における栄養素の循環能力が増減する可能性がある。しかし、人類もこの分野に重大な影響を及ぼしており、多くの場合、流域システムの健全性全般の劣化につながっている。「農業、都市化、資源採取により、栄養素の負荷が劇的に増加し、溶存有機物（DOM）の供給と生産が変化した。…過去60年間、人間の活動により、世界の窒素固定は2倍以上、リンの負荷は4倍になった。同時に、人間の土地利用により、世界の陸地表面の半分が直接乱され、これらの栄養素の流入を緩衝または処理（または循環）する生態系の能力が根本的に変化した。」^[16]

生態水文学理論では、時間的および空間的関係の考慮も重要視されます。水文学、特に降水イベントのタイミングは、時間の経過とともに生態系が進化する上で重要な要素となる場合があります。たとえば、地中海の風景では、夏は乾燥し、冬は湿潤です。植物に夏に生育期がある場合、年間の総降水量は中程度であっても、水ストレスを経験することがよくあります。これらの地域の生態系は、通常、水の利用可能性が高い冬には水需要の高い草をサポートし、水の利用可能性が低い夏には干ばつに適応した樹木をサポートするように進化してきました。

生態水文学は、植物の空間分布の背後にある水文学的要因にも関係しています。植物の最適な間隔と空間構成は、少なくとも部分的には水の可用性によって決まります。土壌水分の少ない生態系では、木々は、水が豊富な地域よりも離れて位置するのが一般的です。

生態水文学における基本的な方程式は、地形のある地点における水収支です。水収支は、土壌に入る水の量が、土壌から出る水の量と土壌に蓄えられた水の量の変化の合計に等しくなければならないことを示しています。水収支には、降水の土壌への浸透、蒸発散、植物が届かない土壌の深部への水の漏出、地表からの 流出という 4 つの主な要素があります。これは次の方程式で表されます。

${\displaystyle nZ_{r}{\frac {ds(t)}{dt}}=R(t)-I(t)-Q[s(t),t]-E[s(t)]-L[s(t)]}$

方程式の左側の項は、根圏（土壌炭素スポンジ）に含まれる水の総量を表します。植物がアクセスできるこの水の量は、土壌の多孔度（）にその飽和度（）と植物の根の深さ（）を掛けたものに等しくなります。微分方程式は、土壌飽和度が時間とともにどのように変化するかを表します。右側の項は、降雨量（）、遮断量（）、流出量（）、蒸発散量（）、および漏出量（）を表します。これらは通常、1 日あたりのミリメートル（mm/d）で表されます。流出量、蒸発量、漏出量はすべて、特定の時点の土壌飽和度に大きく依存します。 ${\displaystyle n}$${\displaystyle s}$${\displaystyle Z_{r}}$ ${\displaystyle ds(t)/dt}$${\displaystyle R}$${\displaystyle I}$${\displaystyle Q}$${\displaystyle E}$${\displaystyle L}$

この方程式を解くには、土壌水分の関数としての蒸発散率を知る必要があります。これを説明するのに一般的に使用されるモデルでは、一定の飽和度を超えると、蒸発は利用可能な日光などの気候要因にのみ依存する、とされています。この点を下回ると、土壌水分が蒸発散を制御し、植物がそれ以上水を抽出できない点に達するまで蒸発散は減少します。この土壌レベルは、一般に「永久萎凋点」と呼ばれます。多くの植物種は実際には「萎凋」しないため、この用語を使用すると混乱が生じる可能性があります。

ダムケラー数は、特定の栄養素または溶質が特定の水たまりまたは水流内にある期間が、特定の反応が発生するのに十分な時間であるかどうかを予測する単位のない比率です。

${\displaystyle Da={\frac {T_{輸送}}{T_{反応}}}}$

ここで、T は輸送または反応の時間です。輸送時間を T 曝露の代わりに使用して、輸送時間のうちどのくらいの期間に反応物が反応に適した条件にさらされるかによって、反応が実際に発生するかどうかを判断できます。ダムケラー数が 1 より大きい場合は、反応が完全に反応する時間があることを意味します。一方、ダムケラー数が 1 未満の場合は、その逆になります。

ダーシーの法則は、多孔質媒体を通る流体の流れを説明する方程式です。この法則は、 1800 年代初頭にヘンリー ダーシーが、フランスのディジョンの町に帯水層を通して水を引く任務を負ったときに考案されました。ヘンリーは、砂層を通る水の流れに関するさまざまな実験を行って、この方程式を導き出しました。

${\displaystyle Q=-KA{\frac {H}{L}}}$

^{ここで、Q は m 3} /秒で測定された流量です。K は透水係数 (m/s) です。A は水が移動する断面積 (m2) です。ここで、H は帯水層の段階的な距離における高さの変化 (m) です。ここで、L は帯水層の長さまたは水が移動する距離 (m) です。

ハイドログラフは、川の特定の地点での排水量を分析するために使用されるモデルです。通常、雨や洪水が発生した後に、水の流れがどのように変化したかを示すために使用されます。水量/時間で測定されます。

水位グラフには 3 つの主な軸があります。それは、時間、流量、降水量です。

この一般的な方程式は、水システムに質量保存を適用し、閉鎖システムの水の流出量/流入量を計算するために使用されます。

P = R + ET + ΔS

ここで、P は降水量、R は流量、ET は蒸発散量、ΔS は貯留量の変化です。

• キャノピーコンダクタンス
• 気孔コンダクタンス
• 蒸散

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