湖沼学

陸水学（/ l ɪ m ˈ n ɒ l ə dʒ i / lim- NOL -ə-jee ;古代ギリシャ語の λίμνη ( límnē )  「湖」と-λογία ( -logía ) 「研究」に由来）は、内陸水生生態系 の研究です。^{[1]陸水学の研究には、}淡水と塩水、自然と人工の水体の生物学的、化学的、物理的、地質学的特性 の側面が含まれます。これには、湖、貯水池、池、川、泉、小川、湿地、地下水の研究が含まれます。^[2]水系は、流水系（lotic）と静水系（lentic）に分類されることが多いです。^[3]

陸水学には、流域、流域を通る水の動き、その途中で起こる生物地球化学的変化の研究が含まれます。陸水学のより最近のサブ分野である景観陸水学は、水生生態系とその流域の関係を明確に調査することにより、景観の観点からこれらの生態系を研究、管理、および保全することを目指しています。最近では、地球システムの一部として地球規模の内陸水を理解する必要性から、地球規模陸水学と呼ばれるサブ分野が生まれました。^{[4]このアプローチは、地球規模の生物}地球化学的循環における内陸水生生態系の役割など、地球規模での内陸水におけるプロセスを考察します。^{[5] [6] [7] [8] [9]}

陸水学は、水生生物とそれらの非生物的環境（無生物）との相互作用を研究する水生生態学および水生生物学と密接に関連しています。陸水学は淡水に焦点を当てた分野（淡水生物学など）とかなり重複していますが、内陸の塩湖の研究も含まれます。

湖沼学という用語は、レマン湖の研究でこの分野を確立したフランソワ・アルフォンス・フォレル（1841年 - 1912年）によって造られました。この学問への関心は急速に高まり、1922年にアウグスト・ティエネマン（ドイツの動物学者）とアイナー・ナウマン（スウェーデンの植物学者）が国際湖沼学協会（SIL、 Societas Internationalis Limnologiaeの略）を共同設立しました。フォレルによる湖沼学の当初の定義「湖の海洋学」は、すべての内水の研究を包含するように拡大され、^[2]ベネディクト・ディボウスキのバイカル湖に関する研究に影響を与えました。

初期のアメリカの著名な湖沼学者には、 G・エブリン・ハッチンソンやエド・ディーヴィーなどがいた。^[10]ウィスコンシン大学マディソン校では、エドワード・A・バージ、チャンス・ジュデイ、チャールズ・R・ゴールドマン、アーサー・D・ハスラーらが湖沼学センターの発展に貢献した。^{[11] [12]}

水生生態系の物理的特性は、熱、海流、波、その他の季節的な環境条件の分布の組み合わせによって決まります。^[13]水域の形態計測は、地形の種類（湖、川、小川、湿地、河口など）と水域を取り囲む土壌の構造によって異なります。たとえば、湖はその形成によって分類され、湖のゾーンは水深によって定義されます。^{[14] [15]} 河川システムの形態計測は、その地域の地質と水の一般的な流速によって決まります。^[13]小川の 形態計測は、地形（特に傾斜）だけでなく、降水パターンや植生や土地開発などの他の要因の影響も受けます。小川と湖の接続性は、景観の排水密度、湖の表面積、湖の形状に関係します。^[15]

湖沼学の研究対象となる他の種類の水生システムは河口である。河口は、川と海洋または海の相互作用によって分類される水域である。^[13] 湿地は大きさ、形、パターンがさまざまであるが、最も一般的なタイプである沼地、湿原、沼地は、季節によって浅い淡水と乾燥状態の間を頻繁に変動する。^[13]地下帯水層の水量と水質は植生に依存しており、植生は水の再涵養を促進し、水質の維持に役立つ。^[16]

光帯構造とは、水中に浸透する太陽光の量が水域の構造にどのような影響を与えるかという概念である。^[13]これらの帯は、湖などの水生生態系内のさまざまなレベルの生産性を定義する。たとえば、太陽光が浸透し、ほとんどの植物が生育できる水柱の深さは、光層または有光層として知られている。水柱の残りの部分はより深く、植物の成長に十分な量の太陽光を受け取らないため、無光層として知られている。^[13]水中に存在する太陽エネルギーの量と、さまざまな深さに存在する光のスペクトル品質は、多くの水生生物の行動に大きな影響を与える。たとえば、動物プランクトンの垂直移動は、太陽エネルギーレベルの影響を受ける。^[16]

光帯状構造と同様に、温度成層構造または温度帯状構造は、湖の異なる層の温度に基づいて水系内の水体の部分をグループ化する方法です。水の濁度が低いほど、光が浸透しやすく、熱が水中の深部まで伝わります。^[17]加熱は水柱の深さとともに指数関数的に低下するため、水は表面近くで最も暖かく、下に行くにつれて徐々に冷たくなります。湖の温度成層を定義する主なセクションは3つあります。表水層は水面に最も近く、長波と短波の放射を吸収して水面を温めます。寒い月には、風のせん断が水面の冷却に寄与することがあります。サーモクラインとは、水柱内で水温が急激に低下する領域です。^[17]最下層は下水層で、深さによって太陽光が届かないため、水温が最も低くなる傾向があります。^[17] 温帯の湖では、秋季に表層水が冷却されると水柱の入れ替わりが起こり、サーモクラインが乱れて湖の水温分布がより均一になります。寒冷な気候では、水が4℃（最大密度の温度）以下に冷えると、^多くの湖で冬に逆温度成層化が起こります。^[18]これらの湖は、春の短い温度成層と秋の長い温度成層を併せ持つ二相流であることが多いです。相対的な熱抵抗は、これらの異なる温度の層を混ぜるのに必要なエネルギーです。^[19]

年間熱収支はθaとも呼ばれ_、湖水を冬の最低水温から夏の最高水温まで上昇させるために必要な熱の総量である。これは、湖の各水深区間の面積（Az）に_{夏（ θsz}）と冬（θwz _）の温度差、つまりAz（θsz-θwz）を乗じて_積分することで_計算できる_[ 19 ^]。${\displaystyle \displaystyle \int }$

水生生態系の水の化学組成は、降水量、流域の土壌や岩盤、浸食、蒸発、堆積などの自然の特性やプロセスの影響を受けます。^[13]すべての水域には、有機元素と無機元素、化合物の特定の組成があります。生物学的反応も水の化学的性質に影響を与えます。自然のプロセスに加えて、人間の活動は水系の化学組成と水質に強い影響を与えます。^[17]

異地性の炭素源や栄養素は、水生システムの外部（植物や土壌物質など）から来ます。藻類や微生物による水生粒子状有機炭素の分解など、システム内部の炭素源は、自地性です。水生食物連鎖では、異地性物質に由来するバイオマスの部分は「異地性」と呼ばれます。^[20]小川や小さな湖では、異地性の炭素源が優勢ですが、大きな湖や海洋では、自地性の源が優勢です。^[21]

溶存酸素と溶存二酸化炭素は、呼吸と光合成において結合した役割を果たすため、しばしば一緒に議論される。溶存酸素濃度は、物理的、化学的、生物学的プロセスおよび反応によって変化する可能性がある。風の混合を含む物理的プロセスは、特に水生生態系の表層水において、溶存酸素濃度を増加させる可能性がある。溶存酸素の溶解度は水温に関連しているため、温度変化は溶存酸素濃度に影響を及ぼし、暖かい水は冷たい水よりも酸素を「保持」する能力が低い。^[22]生物学的には、光合成と好気呼吸の両方が溶存酸素濃度に影響する。^[17]植物プランクトンや水生藻類などの独立栄養生物による光合成は、光合成中に二酸化炭素が取り込まれるため、溶存酸素濃度を増加させると同時に二酸化炭素濃度を低下させる。^[22]水生環境のすべての好気性生物は好気呼吸中に溶存酸素を取り込み、この反応の副産物として二酸化炭素が放出される。光合成は光によって制限されるため、日中は光合成と呼吸の両方が起こり、夜間や生態系の暗い部分では呼吸のみが起こります。溶存酸素の生産と消費のバランスは、水生代謝率として計算されます。^[23]

溶存酸素濃度の垂直方向の変化は、表層水の風による混合と、有機物による光合成と呼吸のバランスの両方の影響を受けます。プロファイルとして知られるこれらの垂直方向の変化は、温度成層や光の浸透と同様の原理に基づいています。水柱の深部で光の利用可能性が低下すると、光合成速度も低下し、溶存酸素の生成も減少します。つまり、水域の深部に行くほど溶存酸素濃度は低下するのが一般的です。これは、呼吸によって取り込まれた溶存酸素が光合成によって補充されないためです。^[17]温度成層化の期間中、水の密度勾配により、酸素が豊富な表層水が深層水と混ざるのを防ぎます。成層が長期間続くと、底層の溶存酸素が枯渇する可能性があります。溶存酸素濃度が1リットルあたり2ミリグラムを下回ると、水は低酸素状態とみなされます。^{[22]溶存酸素濃度が1リットルあたり約0ミリグラムの場合、}無酸素状態になります。低酸素水と無酸素水はどちらも酸素呼吸をする生物の生息地を減少させ、水中の他の化学反応の変化に寄与します。^[22]

窒素とリンは、水生システムにおいて生態学的に重要な栄養素です。窒素は一般に水生生態系でガスとして存在しますが、ほとんどの水質研究では、硝酸塩、亜硝酸塩、アンモニアのレベルに焦点を当てる傾向があります。^[13]これらの溶存窒素化合物のほとんどは季節的なパターンに従い、春と夏に比べて秋と冬の月に濃度が高くなります。^[13]リンは、水中の濃度が一般的に低いため、植物プランクトンの成長を制限する要因となるため、水生生態系では異なる役割を果たします。^[13]溶存リンはすべての生物にとって非常に重要であり、淡水での一次生産性を非常に制限することが多く、独自の生態系サイクルを持っています。^[17]

湖は「陸上の生態系に比べて境界が明確で、フィールド実験も比較的容易なため、サンプル採取が比較的容易」であり、生態系の動態を理解しようとする生態学者にとって特に有用である。^[24]

湖（または他の水域）を分類する方法の 1 つは、栄養状態指数を使用することです。^{[2]貧栄養湖は、比較的低いレベルの}一次生産と低いレベルの栄養素が特徴です。富栄養湖は、非常に高い栄養素レベルのために高いレベルの一次生産性を持っています。湖の富栄養化は藻類の大量発生につながる可能性があります。ジストロフィー湖は、腐植物質のレベルが高く、通常、黄褐色の茶色の水を持っています。^[2] これらのカテゴリには厳密な仕様はありません。分類システムは、さまざまなレベルの水生生産性を網羅するスペクトルとして見ることができます。^[要出典]

熱帯湖沼学は、熱帯地域の淡水系の物理的、化学的、生物学的、文化的側面に焦点を当てた、湖沼学のユニークで重要なサブフィールドです。^{[25]熱帯の水生環境の物理的、化学的特性は}温帯地域のものと異なり、気温がより暖かく安定しており、栄養レベルが高く、生態学的相互作用がより複雑です。 ^[25]さらに、熱帯淡水系の生物多様性は通常より高く、人間の影響はより深刻であることが多く、これらのシステムの使用と管理に影響を与える重要な文化的、社会経済的要因があります。^[25]

陸水学を研究する人々は陸水学者と呼ばれます。これらの科学者は主に、湖、川、小川、池、湿地などの内陸淡水系の特性を研究します。また、グレートソルトレイクなどの非海洋性の塩水域を研究することもあります。陸水学や水生科学の他の側面に関連する専門組織は数多くあり、その中には、陸水学海洋学科学協会、イベリア陸水学協会、国際陸水学協会、ポーランド陸水学会、カナダ陸水学者協会、淡水生物学協会などがあります。^[要出典]

• ジェラルド A. コール『陸水学教科書』第 4 版 (Waveland Press、1994 年) ISBN 0-88133-800-1 
• スタンレー・ドッドソン『湖沼学入門』（2005年）、ISBN 0-07-287935-1 
• AJHorne と CR Goldman: Limnology (1994)、ISBN 0-07-023673-9 
• GE ハッチンソン、『陸水学の論文』全3巻（1957-1975年） - 古典的だが時代遅れ
• HBN ハインズ『流れる水の生態』（1970 年）
• ジェイコブ・カルフ『Limnology』（プレンティス・ホール、2001年）
• B. モス『淡水域の生態学』（ブラックウェル、1998 年）
• Robert G. Wetzel およびGene E. Likens 著、Limnological Analyses、第 3 版 ( Springer-Verlag、2000 年)
• パトリック・E・オサリバン、コリン・S・レイノルズ『湖沼ハンドブック：湖沼学と湖沼生態学』 ISBN 0-632-04797-6