脆弱な海域

脆弱な水域とは、地理的に孤立した湿地（GIW）と、一時的かつ断続的な河川を指します。^[1]一時的かつ断続的な河川は季節的に流れ、源流に位置します。これらは水文ネットワークの外側で最も小さい幹です。孤立した湿地は氾濫原の外側に位置し、支流や氾濫原との表面の接続が不十分です。地理的に孤立した湿地には、河川、風成、氷河、および/または沿岸の地形学的プロセスの結果である飽和した窪地が含まれます。これらは自然の地形である場合もあれば、人間の介入の結果である場合もあります。^[2]脆弱な水域は、河川ネットワークの大部分を占めています。^[1]

これらの水域は水文学的なつながりが乏しいため、自然および人為的撹乱に対して脆弱であり、^[1]国や州の保護水規制枠組みのグレーゾーンに位置することが多い。^[3]米国では、水質浄化法に関するGIWおよび一時的/断続的な河川の保護状況が改訂されている。^[1]欧州連合（EU）水枠組み指令（WFD）の文脈では、特に農業環境では、小さな源流河川は軽視されている。^[4]

これらの水域は、地域から集水域規模で重要な水文学的、生態学的役割を果たしている。^{[5] [6]}これらの水域は、排水ネットワーク内の貯水量、堆積物を制御しており、^{[7] [6]}堆積物のろ過^[8]と生化学的変換を促進している。^{[9]さらに、脆弱な水域は、固有種の避難所[10]}や移動の導管として機能するため、景観の生物多様性の増加に貢献している。^[11]源流の小川と孤立した湿地は、断続的な表面プロセスと地下水プロセスを通じて水文学的、生態学的なつながりを示している。^[2]

源流とは、河川網の最小の水路で、水の流れが始まる場所です。^{[12]これらは、}シュトララーの水路分類システムでは第 1 次から第 3 次までの水路と見なされます 。 [13]間欠水路と一時的水路の指定は、 1 年内の水の流れの連続性を指します。^[13]一時的水路は、降雨イベントの後に断続的に流れますが、間欠水路は 1 年の一部の期間、連続的に流れます。どちらの場合も、水路の乾燥は、地元の地下水位が河床表面より低下することによって発生します。一時的および間欠的な水路の大部分は源流の位置にありますが、低地では、河川網に沿った小さな支流が一時的または間欠的になることがあります。

地理的に孤立した湿地（GIW）は、周囲を高地で完全に囲まれた湿地である。^[2] GIWは、隣接する高地や降雨から水を受け取る。しかし、いかなる種類の河川もGIWに水を供給することはない。GIWは河川網との水文学的接続性が乏しいにもかかわらず、地下の接続性を示したり、他の湿地や河川に向けて一時的に地表水が流出したりすることはある。^{[13] [14]いかなる水体とも完全な地表または地下水文学的接続性を持たないGIWは、主に}蒸発散によって、または河川網に接続されていない地下水によって水を失う。 ^[13] 水文学的接続性がないにもかかわらず、GIWは河川システムと生物学的および化学的接続性を示すことがある。^[13]

水文学的につながっている（地下接続または一時的な地表接続によって）GIWは、非氾濫原湿地とみなすことができます。^{[13]非氾濫原湿地は氾濫原の外側に位置し、河川と一方向の水文学的接続性を示します。つまり、水は低い標高にある河川に向かってのみ流れています。 [13]}非氾濫原湿地と河川の間の水文学的接続は、地表または地下のプロセスを通じて発生します。^[13]地表接続は、一時的または断続的な河川である可能性があります。^{[15] [13]}

アメリカ合衆国におけるGIWSの自然の種類は、草原のポットホール湿地、プラヤ、ネブラスカ州の雨水盆地とサンドヒルズ湿地、西海岸の春季池、シンクホール湿地、カロライナ湾、砂丘内および砂丘間湿地、砂漠の泉、グレートベースンの内陸盆地、氷河地域のケトルホールである。^[2]

非氾濫原湿地は、GIW を含め、窪地湿地、斜面湿地、平地湿地の 3 つのカテゴリに分類されます。^[13]窪地湿地は、地表出口の有無にかかわらず、地形上の窪地に発生します。^[16]窪地湿地には、ケトルホール、ポットホール、春季池、プラヤス湖、カロライナ湾が含まれます。斜面湿地は丘の斜面に沿って位置し、主に地下水の流入によって涵養されます。^{[16]湿原は通常、湿原の湿地のタイプです。平地湿地は、}河川間、乾燥した湖底、または大きな氾濫原の段丘など、大きな平地に発生します。大きなプラヤスは、鉱物土壌が優勢な平地の一種です。平地湿地は、泥炭地のような有機質土壌から形成されることもあります。

GIW と非氾濫原湿地は、風成（ポットホール、プラヤ、レインウォーター盆地、カロライナ湾、砂丘間湿地）、（周）氷河（ケトル、湿地）、カルスト（シンクホール）、湖成（カロライナ湾、内陸盆地）といった地形学的プロセスの 1 つまたは組み合わせから発生することがあります。

一時的かつ断続的な源流河川とGIWは、流域面積と河川長が最も短いが、これらを合わせると河川網と流域の大部分を占めることができる。^[13]

米国では、源流河川が河川網の長さの60％以上を占めており^{[17] [1]}、地理的に孤立した湿地が淡水資源の約16％を占めています。^{[18] [1]} 17の州では、断続的な河川の長さが全長に対して82％を超える河川があります。^[12] ノースダコタ、サウスダコタ、ミネソタは、地理的に孤立した湿地の面積が最も大きい3州です。^[18]多くの研究は、米国の水路網の実際の地図が源流河川の分布を過小評価していると報告しています^{[13] [19]}

世界の第一級から第三級の河川の長さはそれぞれ約45,660,000km、22,061,000km、10,660,100kmで、これらは世界で最も優勢なシュトララー級の河川を表しています。^[20]

一時的かつ断続的な源流河川および GIW の法的地位は、法律によって異なります。

米国では、環境保護庁（EPA）が1972年以来、水質浄化法（CWA）に基づき、米国の水域を規制する責任を負っている。リチャード・ニクソン大統領が導入した水質浄化法は、大陸の水域は米国民にとって「泳げ、魚が釣れる」べきであると明確にした。^[21]これは、河川の生息地の保護と水質の改善に向けた大きな一歩であった。^[22]

米国憲法により、連邦政府は航行に使用される州間水域のみを保護でき、これは「米国の水域」(WOTUS) として定義されています。1972 年から 2015 年まで、EPA は WOTUS を次のように定義していました。

「[...] 伝統的な航行水域、州間水域（州間湿地を含む）、州間または外国の商業に影響を与える可能性のあるその他のすべての水域、米国の水域の貯留、支流、領海、および隣接する湿地」（CWA、（33 CFR 328.3; 40 CFR 122.2）^[1]

CWA は湿地を次のように定義しています。

「[...] 地表水または地下水によって十分な頻度と期間浸水または飽和状態になり、通常、飽和した土壌条件での生活に適応した植物の繁茂を支える地域。湿地には、一般的に沼地、湿原、泥沼、および同様の地域が含まれます。」(CWA、第404条)。^[1]

WOTUS の定義は、特に孤立した湿地の統合に関して、法廷で何度も争われたが、2000 年まで、米国連邦裁判所は、氾濫原湿地は隣接する河川と結びついているという当初の定義を支持していた。^[1]その後、2001 年に、孤立した湿地は航行可能な河川との「重要なつながり」を示さないため、WOTUS の定義に含まれないとの判決が下された。2006 年の Rapanos 対米国の訴訟では、WOTUS の定義に関してさらに混乱が生じた。裁判官の間で 2 つの主な意見が分かれたため、多数決は得られなかった。アントニン スカリア判事が擁護した最初の意見は、CWA の範囲には、航行可能な河川と重要な地表接続がある恒久的な河川と湿地のみが含まれるというものだった。アンソニー・ケネディ判事が主導した2番目の意見は、水域が航行可能な水域の化学的、物理的、生物学的な完全性に重大な影響を及ぼしている場合、水域は航行可能な水域と重大な関連性があるというものでした。

WOTUSの定義は、現在改訂中です。ドナルド・トランプ米国大統領は、大統領令13778号（82 FR 12495、2017年3月3日）に署名し、EPAと米国陸軍工兵隊に対し、アントニン・スカリア判事の意見^[1]に沿った形でWOTUSの定義を見直すよう求めました。この意見では、比較的恒久的な水域と地表でつながっている恒久的な水域と湿地の保護を求めており、^[1] GIWSや一時的/断続的な川は除外されています。

欧州連合（EU）では、2000年以来、水枠組み指令（WFD）は、湖沼、河川、沿岸地域の水質改善に向けたいくつかの目的の達成を目指している。^[23]主な目的は、水生生態系の一般的な保護、飲料水資源の保護、および遊泳可能な水域の保護である。^[23]これらの目的は、流域規模の河川管理措置を通じて実現される。^[4] WFDでは、特定の診断および管理措置の対象となる水域の境界を定めることが求められている。これらの水域を特定するために考慮される最小の面積範囲は、10～100 km2である。その規模が小さいため、源流域は通常、WFDの対象となる水域の1つとして特定されず、そのため人間の活動に対してより脆弱になる。^[4]

米国環境保護庁（EPA）は、源流河川（一時的/間欠的な河川を含む）とGIWの生態学的機能を、供給源、シンク、避難所、変換、遅延機能の5つのカテゴリに分類しています。^{[13] [24]}これらの機能は、河川システムのサブコンポーネント（水路、氾濫原、湿地）間の接続性（水文学的、堆積学的、生物学的）のレベルに依存します。^[25]多くの機能は、河川、河川湿地、非氾濫原湿地に共通しています。GIWと比較した源流河川の役割については、より多くの研究が行われています。^[13]

源流の河川とGIWは、河川網における物質とエネルギーの主な供給源です。上流域から河川網の下流域に水、堆積物、栄養素、有機物、生物を運び出します。

源流は​​河川網の主要な水源である。^[13]源流は、水生生息地に不可欠な水を下流に供給する。源流は洪水に寄与し、その際に堆積物と栄養分を隣接する河川生息地に輸送する。源流は典型的には侵食地帯でもある。^[13]源流は、河岸侵食や山岳地帯の崩積土から堆積物を集める。源流からの堆積物の流入は、流出量と輸送能力の間の動的平衡に影響を与え、河川の堆積と劣化の原因となる。^{[26] [13]}源流はまた、河川湿地の侵食と洪水を通じて、木材、有機物、栄養分、微粒子を集める。^[13]源流は、藻類や無脊椎動物などの微生物に有益な栄養豊富な水を提供する。^[13]例えば、第一次河川は、第四および第五次河川に到達する窒素の40%に寄与することが実証されている。^{[27] [13]また、源流の河川は下流の}食物連鎖全体に利益をもたらす無脊椎動物の供給源であることが実証されており、サケ科は利益を受ける種の好例です。^{[28] [13]}源流の河川は、河川網全体の物理的および生物学的プロセスに不可欠な有機物を下流に供給します。また、河川は、河川の形状、流出速度、および生態学的生息地の空間分布に影響を与える丸太や木材の残骸も運びます。^{[29] [13]}

GIW は源流の水源となり得る。GIW は乾期に河川の水の大部分を供給することができる。^[30]しかし、GIW から河川への水の移動プロセスは、GIW に支配的な先行する水分条件に依存する。飽和状態では、GIW は河川を含む他の下流水域に水を供給する。^[13] GIW には豊富で多様な微生物群が存在する。^[31]低 pH、低塩分、および有機物の存在は、硫酸還元細菌の発達に好ましい条件を作り出す。^[32]これらの細菌はメチル水銀の生成に関与している。^{[32]したがって、GIW はメチル水銀やその他の溶解した有機化合物や酸の供給源であり、一時的な表面流によって下流に運ばれる可能性がある。}メチル水銀は特に有毒な汚染物質であるという事実にもかかわらず、溶解した有機物は河川ネットワークの下流に位置する水生生物の主要なエネルギー源である。^[13]

シンク機能とは、河川から河川沿いの環境または河川ネットワーク外へのエネルギーと物質の全体的な純輸入を指します。^[13]

自然環境では、源流とその河岸環境の間で多くの水の交換が行われています。河床摩擦と越流時の河岸表面との摩擦により、特に粗い掃流土砂のある山岳地帯の河川では、流れのエネルギーが正味で失われます。^[33]その結果、下流域の河川の侵食容量が正味で減少します。^[33]河岸地帯では、摩擦と浅い水深が流速の低下と浮遊堆積物の堆積に寄与しています。^[34]一方、浸水した河岸環境から大気への水の正味の損失は、蒸発または植生の蒸散によって発生する可能性があります。 ^[35]栄養素を含んだ流出水が河床地帯に浸透すると、細菌が窒素を取り込むことが、源流のシンク機能のもう1つの証拠です。^{[36] [13]} Knight et al. （2010）は、緩衝帯として機能する河川湿地が、河川への非点源汚染の影響を緩和するための最も効果的な手段であると判断した。^[37]

GIW は、河川湿地と同様に、点源（溝、排水管など）または拡散（非点源）（農地からの浸出など）から栄養素やその他の汚染物質を捕捉することができます。栄養素を捕捉するプロセスは多様で、脱窒プロセス、^{[31] 、}植物の同化によるリンの保持^[38]、および吸着または沈殿プロセスが含まれます。^[13] GIW による栄養素の除去は、河川ネットワークの水質に大きな影響を与えます。^[13] Dierberg と Brezonik (1984) による研究では、森林に覆われた非氾濫原湿地が、人間の下水が散布された後のリン、硝酸塩、アンモニウム、および全窒素の 95% を除去したことを実証しました。^[39]飽和度の低い状態では、GIW は水を放出するのではなく、貯留します。貯水とそれに続く蒸発散により、河川ネットワーク全体の水が失われます。^[40]

避難所機能とは、多くの水生生物や陸生生物にとって好ましい条件を提供することを指します。^[13]

源流の川とその河川沿いの湿地は、多くの生物に捕食、乾燥、極端な気温からの避難場所を提供しています。これらは、魚類、^[41]大型無脊椎動物、^[42]哺乳類、鳥類、両生類のライフサイクル全体または一部を完了するために不可欠な生息地を提供します。 ^[43]河川沿いの湿地は、水文学的および形態学的プロセスの空間的不均一性により、生息地のモザイクを示しています。^{[44] [13]生息地の多様性と食物の豊富さ（ソース機能を参照）により、河川沿いの湿地は魚類、 [45] [46]}両生類、大型無脊椎動物の理想的な餌場、繁殖場、避難場所となっています。^[13]河川沿いの湿地は、非常に多様な植物種を保護しています。^[13]氾濫原内の越流水は植物の種子散布に利用される^[47]代わりに、生物は河川システムの空間的および時間的な複雑さに貢献し、これは河川とその河川環境の間の高いレベルの接続性を維持するために不可欠です。たとえば、ビーバーが建設したダムは源流沿いにプールを作り、最終的には魚類の生息地となり^[48]、地下水と表層水の相互作用を増加させます。^[49]

GIWは鳥類、^[50]、魚類、^[51]、哺乳類（マスクラット、カワウソ）、両生類、爬虫類の繁殖地として特定されています。^[13]魚類は一時的な水位上昇と表面接続の形成から恩恵を受け、GIWから小川や他の湿地に移動します。^[51]哺乳類と鳥類は、植物の種子、藻類^[52]、無脊椎動物の散布のための輸送ベクターとして機能します。^[13]

変換機能とは、有機元素と無機元素の生物地球化学的処理を指します。^[13]

源流に入る栄養素は、生物学的プロセスや化学的プロセス（藻類による吸収、魚類による消化、バクテリアによる摂取など）を通じて多くの変換サイクルを経る。河川システムのさまざまな形態やさまざまな区画を通る栄養素の循環は、「栄養素スパイラル」と呼ばれている。源流の有機物も、主に生物や微生物による呼吸を通じて変換サイクルを経る。^[53]枯れ葉などの有機物のその他の変換プロセスには、浸漬、^[54] 物理的摩耗^[55]および光分解 [56] がある。^{[13]源流の}河床下層を通じた水の交換は、汚染物質の形状と移動性を媒介し、下流の汚染物質濃度を低下させることもできる。^{[13]河川の湿地では、栄養素やその他の化合物が大気中に失われる[57] [13]}か、土壌や植生に隔離される 多くの変換プロセスが発生する。

元素水銀からメチル水銀への変換は、酸性湿地に生息する微生物群によって行われます（ソース機能を参照）。メチル水銀は、非常に移動性が高く、食物連鎖の中で蓄積する有毒な水銀です。^[13]脱窒は、GIWで発生する別の変換プロセスです。^[31]

ラグ機能とは、エネルギーと物質の一時的な貯蔵を指します。河川ネットワークにおける主要な水源であるため、^[13]源流の河川と湿地は、物質とエネルギーの下流への移動の頻度、期間、規模に大きな影響を与えます。ラグ機能の強さは、地元の貯蔵構成要素（湿地、沖積帯水層、河岸、氾濫原）の豊富さと多様性、およびこれらの構成要素間の接続性のレベルに相関しています。

源流域では、流水が河床、河岸、植生と相互作用する。これらの相互作用により流速が低下し、地下水が一時的に貯留されるため、大雨が降ったときに洪水の規模が軽減される。^[13]一方、乾季には、地下水の一時的貯留と河川への遅延移動により、水生生物にとって不可欠な最低限の基底流量が維持される^{[58] [59]}。同じプロセスが、流域の上流域から下流に運ばれ、河川湿地を含む氾濫原に一時的に貯留される堆積物、栄養素、有機物にも当てはまる。^{[13]源流域に存在する生物は、消費、 [53]}同化、^[60]および生物固化を通じて、堆積物、栄養素、有機物の下流への移動を遅らせるのに寄与する。^{[61] [13]}

GIW での一時的な貯水は、降水が河川やその他の接続水域に流入するのを遅らせることに貢献します。^[2]こうした機能は河川の基底流量を確保し、特に乾燥期に地域および地方の帯水層を補充することに貢献します。 ^{[13] [30]} GIW での一時的な貯水は、大雨時や融雪期の洪水の規模を軽減することにも貢献します。^{[62] [40]} 対照的に、貯水容量は主に先行する水分条件によって決まるため、飽和した GIW は水を急速に下流に運び、洪水の規模を増大させる可能性があります。 [40]この考え方に従うと、飽和条件が低い場合、GIW は貯水と蒸発散を通じて基底流量を減らすこともできます。 [ ^{40 ]}