湿地浚渫の化学
ルイジアナ湿地帯の上空からの眺め

湿地の化学組成は、様々な目的で行われる浚渫の影響を大きく受けます。湿地は氾濫原内にある陸生と水生の両方の特徴を持つ地域で、沼地、湿原、泥沼などがあります。[1]湿地の面積は約280万km2と推定されており、これは地球の表面積の約2.2%に相当しますが、さらに高い推定値もあります。[2]また、湿地の価値は14.9兆ドルと推定されており、米国における魚介類の商業漁獲量の75%、レクリエーション漁獲量の90%を占めています。[3] [4]湿地は、浄水、嵐からの保護、産業、旅行、研究、教育、観光においても重要な役割を果たしています。 [4]湿地は頻繁に利用され、通行も多いため、浚渫は一般的であり、生態系への長期的なダメージの継続や土地の喪失、ひいては産業、住宅、保護の喪失につながります。[5]

湿地は、塩分濃度やpHなど、様々なパラメータに応じて異なる化学反応を起こします。酸化還元反応は、塩分濃度、pH、酸素の利用可能性などに大きく依存するため、湿地生態系に大きな影響を与えます。湿地でよく見られる酸化還元反応には、炭素、窒素、硫黄の変換が含まれます。水流や洪水の変動は、環境に応じて酸化種または還元種の豊富さを変化させる可能性があります。[2]洪水や水流の増加は、在来種の栄養素の利用可能性も変化させます。[6]湿地が元の状態から変化すればするほど、土地の再建はより困難になります。緩和策の種類も化学的性質によって異なるため、効果的な緩和策を講じるには、その変化を理解する必要があります。

湿地

意味

湿地は、陸上と水生システムの両方の近くで水に浸かった土地の領域です。湿地は非常に多様であり、米国魚類野生生物局によって5つのカテゴリーに分類されています。「湿地という用語には、5つのカテゴリーのいずれかに該当する様々な地域が含まれます。(1)湿地、沼地、湿原など、一般的に湿地として知られている水生植物と湿性土壌が存在する地域。(2) 水生植物は存在しないが湿性土壌が存在する地域。例えば、水位の急激な変動、波の作用、濁度、または高濃度の塩分によって水生植物の生育が妨げられる可能性のある干潟など。(3) 水生植物は存在するが土壌は非湿性である地域。例えば、水生植物は定着しているが湿性土壌がまだ発達していない貯水池の縁や掘削跡など。(4) 土壌は存在しないが水生植物が存在する地域。例えば、岩礁の海藻に覆われた部分など。(5) 土壌も水生植物も存在しない湿地。例えば、砂利浜や植生のない岩礁など。」[1]

湿地は塩分濃度に基づいて分類することもできます。これは、塩分濃度が主要な要因となる研究でよく参照される分類法です。これらの分類は、しばしば千分率（ppt）で表され、淡水（0～2ppt）、中間水（2～10ppt）、汽水（10～20ppt）、塩水（20ppt以上）が含まれます。[7]

湿地の重要性

湿地は、極めて豊かな生物多様性と生態学的恩恵の源です。そこには、希少種、絶滅危惧種、または絶滅危惧種に分類される79種を含む、多種多様な動植物が生息しています。米国魚類野生生物局の推計によると、湿地は連邦政府が絶滅危惧種または絶滅危惧種に指定する種の最大43%を直接的および間接的に保護しています。[4]湿地は、カキ、エビの50%、ワニの75%、石油とガスの27%、そして米国最大の港湾施設の主要な生産地です。[8]世界の湿地の価値は推定14兆9000億ドルです。[3]

湿地は、ハリケーンによる高潮被害からの保護を含む災害対策としても機能し、湿地と防波島は、嵐が本土に到達する前にその勢力を弱める役割を果たします。また、約3エーカー・フィート（100万ガロン）の水を貯留できるため、洪水被害の軽減にも役立ちます。[4]この貯水能力により、新たな堆積物が堆積し、生態系の再生が促進されます。洪水は、根の浸透、土壌温度、導電性、嵩密度といった要因にも影響を与えます。[2]

湿地は、水の流れが緩やかで植物系による吸収が遅いため、汚染物質や過剰な栄養分を除去するのに非常に効果的です。これは、「デッドゾーン」に関与する主要な栄養素である窒素とリンの除去に効果的であることが示されています。[6]また、湿地は重金属や硫黄の主要な吸収源でもあります。[9]

浚渫中の運河の例

浚渫

浚渫とは、水域から堆積物、植物種、および残骸を取り除くことです。湿地帯全体での産業、旅行、レクリエーションには、特に石油産業が沿岸湿地帯を通って沖合の掘削を行うために、運河の浚渫が必要になることがよくあります。浚渫後は水量の増加と植物の喪失により運河が広くなり、どちらも侵食の増加につながります。沿岸内水路の南には、ポンチャートレイン湖とモーレパス湖を除いて4,572マイル（7,358 km）の運河があると推定されており、運河だけで米国で年間6.53平方マイル（16.9 km 2 ）の土地が失われています。 [10]これらの運河の浚渫に必要な許可には埋め戻しの条件が含まれていますが、これはあまり強制されていません。これに対し、ジョン・M・バリーは、民間弁護士と沿岸専門家のグループと共に、ルイジアナ州沿岸湿地における許可証に違反した97の企業を相手取り、2013年に訴訟を起こした。ニューヨーク・タイムズ紙はこれを「史上最も野心的な環境訴訟」と評し、政治的な抵抗に直面している。[11]

湿地浚渫化学

湿地帯の浚渫された運河

湿地は、温度、圧力、溶存有機物、pH、塩分濃度、溶存ガス（CO2およびO2）といった、その地域の固有の物理化学的特性に大きく依存する、動的なシステムです。最も大きな影響を与えるのは塩分濃度とpHです。[1]浚渫による洪水の増加は、塩水の浸入を促し、pHを中和し、より嫌気的な土壌条件をもたらすため、湿地の塩分濃度を高めます。そして、これらの条件は栄養素の利用可能性と酸化還元反応に影響を与えます。

酸化還元反応

酸化還元反応は、炭素、硫黄、窒素などの変換を通じて、湿地土壌の化学組成に大きな影響を与えます。[2]酸素の存在量によって、各化合物の酸化状態または還元状態の存在量が変化します。酸素の利用度が高い（好気性）地域は酸化状態になりやすく、酸素の利用度が低い（嫌気性）地域は還元状態になりやすい傾向があります。湿地の植物や動物は生育に特定の条件を必要とするため、それぞれの種類の存在量によって異なる生態系が形成されます。湿地でよく見られる酸化還元反応には、以下のものがあります。[2]

2NO 3 − +10e − +12H + → N 2 +6H 2 O
SO 4 +8e − +9H + → HS − +4H 2 O
CO 2 +8e − +8H + → CH 4 + 2H 2 O
MnO 2 +2e − +4H + → Mn 2+ + 2H 2 O
Fe(OH) 3 +e − +3H + → Fe 3+ + 3H 2 O

浚渫により湿地の水流が増加し、嫌気性土壌状態が引き起こされます。[2]この湿地の種類の変化は、各反応における酸化還元状態の変化をもたらし、その結果、その地域で生育可能な植物種が変化します。酸化還元電位（Eh）は、ネルンストの式を通して酸化還元反応の関係を示すのに役立ちます。

Eh=E 0 -(RT/nF)ln([還元剤] a /[酸化剤] b [H + ] b ) [2]

この式により、2 つの酸化還元システム間の反応の程度を計算することができ、たとえば、特定の反応が完了するかどうかを判断するために使用できます。

湿地システムに影響を与えるこれらの状況の変化の一例としては、SO42-（海水中に含まれる）の還元による黄鉄鉱（FeS2）の変化が挙げられる。[ 2 ]

Fe(OH) 3 + e − + H + → Fe(OH) 2 + H 2 O
SO 4 2− + 6e − + 8H + → S + 4H 2 O
S + 2e − + 2H + → H 2 S
Fe(OH) 2 + H 2 S → FeS + 2H 2 O
FeS + S → FeS 2（黄鉄鉱）

得られた黄鉄鉱を排水すると、水酸化第二鉄と硫酸に酸化され、極端な酸性度（pH < 2）が生じます。[2]

栄養素の利用可能性

ある場所の海岸
沿岸地域

洪水の増加は塩水の浸入を促し、塩分濃度の変化によって通常生育していた植物種を死滅させ、利用可能な栄養素、化学物質、酸素のレベルも変化させます。塩分濃度の上昇は硫酸塩濃度の上昇、硫化物排出量の増加、そして毒性の上昇につながります。また、硫黄は亜鉛や銅などの微量金属と沈殿するため、植物種が利用できる硫黄の量も減少します。[2]一例として、硫化第一鉄（FeS）が挙げられます。これは湿地土壌の黒色の原因であり、石炭鉱床によく見られる硫黄の源でもあります。[2]

洪水は、一般的に酸性（例外あり）の湿地のpHを中和します。酸性湿地は脱窒反応を阻害するため、洪水は脱窒反応を促進し、結果としてガス状窒素が大気中に放出されます。[2]この反応は以下のとおりです。

5C 6 H 12 O 6 +24NO 3 − +24H + → 30CO 2 +12N 2 +42H 2 O

洪水によって嫌気性の土壌条件がもたらされ、リン酸が第二鉄とアルミニウム（酸性土壌）またはカルシウムとマグネシウム（塩基性土壌）とともに沈殿し、植物種がリンを吸収できなくなる。[2]

湿地化学の重要性

物理的な手段（浚渫）によって環境が改変されると、発生する反応が変化し、植物種や生態系への栄養素や化学物質の供給量が減少します。これらの種は生存できなくなり、物理的環境がさらに変化します。また、過剰な栄養素を吸収する種がいなくなるため、化学的環境もさらに変化します。植物種の生存不足は、土地の空き地化と侵食の増加につながるため、物理的環境もさらに変化します。化学的環境の変化は、湿地の再建に適用される緩和技術にも影響を与えます。植栽可能な植物種の生存は化学的環境に依存しており、効果的な緩和策を実施するためには、変化を監視する必要があります。

参考文献

  1. ^ abc 米国の湿地と深海生息地の分類. ワシントンD.C.: 米国魚類野生生物局. 1979年.
  2. ^ abcdefghijklm Reddy, KR, EM D'Angelo, WG Harris. 2000 Biogeochemistry of Wetlands. CRC Press. Handbook of Soil Science. 編集長 ME Sumner. pp. G89-119
  3. ^ ab Constanza, RR; d'Arge, R.; de Groot, R.; Farber, S.; Grasso, M.; Hannon, B.; Limburg, K.; Naeem, S.; Paruelo, J.; Raskin, RG; Sutton, P.; van der Belt, M. (1997). 「世界の生態系サービスと自然資本の価値」Nature . 387 (6630): 253– 260. Bibcode :1997Natur.387..253C. doi :10.1038/387253a0.
  4. ^ abcd 「湿地の機能と価値」（PDF） .米国環境保護庁. 米国環境保護庁.
  5. ^ シャーリー・ジョリーン・S.「ルイジアナ州沿岸湿地：危機に瀕する資源 - USGSファクトシート」pubs.usgs.gov . 2016年11月29日閲覧。
  6. ^ ab Vymazal, J (2007). 「様々なタイプの人工湿地における栄養素の除去」. Science of the Total Environment . 380 ( 1–3 ): 48– 65. Bibcode :2007ScTEn.380...48V. doi :10.1016/j.scitotenv.2006.09.014. PMID  17078997.
  7. ^ 「アメリカの湿地：リソースセンター」www.americaswetlandresources.com . 2016年11月29日閲覧。
  8. ^ 「FAQ」www.americaswetlandresources.com . 2016年11月29日閲覧。
  9. ^ 「アメリカ合衆国本土の湿地の歴史」water.usgs.gov . 2016年11月29日閲覧。
  10. ^ ルイジアナ州沿岸域における運河、浚渫、および埋め立て。米国政府印刷局。1973年 - www.gpo.govより。
  11. ^ リッチ、ナサニエル (2014年10月3日). 「史上最も野心的な環境訴訟」.ニューヨーク・タイムズ. ISSN  0362-4331 . 2016年11月29日閲覧。
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