栄養段階指数
ニューヨーク州ジョージ湖、貧栄養湖

栄養段階指数（TSI ）は、水域が維持する生物生産性に基づいて水域を評価するために設計された分類システムです。[ 1 ]「栄養段階指数」という用語は一般的に湖に適用されますが、あらゆる表層水域に指数を適用できます。

水域のTSIは0から100までの尺度で評価されます。[ 1 ] TSI尺度では、水域は次のように定義されます。[ 1 ]

  • 貧栄養性（TSI 0～40、生物生産性が最も低く、水質は「良好」）
  • 中栄養性（TSI 40～60、中程度の生物生産性、水質「良好」）または
  • 富栄養化から超富栄養化（TSI 60～100、生物生産性が最も高く、水質が「悪い」）。

窒素、リン、その他の生物学的に有用な栄養素の量は、水域のTSIの主な決定要因です。窒素やリンなどの栄養素は、静水域では資源を制限している傾向があるため、濃度の上昇は植物の成長を促進し、それに伴って後続の栄養段階も増加する傾向があります。[ a ]そのため、栄養段階指数は、水域の生物学的状態を大まかに推定するために使用されることがあります。[ 2 ]

カールソンの栄養状態指数

カールソン指数は、ロバート・カールソンが1977年に発表した画期的な論文「湖沼の栄養状態指数」で提唱したものです。[ 3 ]これは最も一般的に用いられる栄養段階指数の一つであり、米国環境保護庁（EPA）でも用いられています。[ 2 ]栄養段階指数は、測定時点における特定の水域におけるバイオマスの総重量として定義されます。藻類バイオマスは公衆の関心事であるため、カールソン指数は湖沼やその他の水域の栄養段階を客観的に分類する指標として藻類バイオマスを用いています。 [ 3 ]米国環境保護庁（EPA）によると、カールソン指数は、根生植物や藻類以外の濁度源が比較的少ない湖沼にのみ用いるべきであるとされています。[ 2 ]

インデックス変数

相関関係にある傾向があるため、3 つの独立変数、すなわちクロロフィル色素、全リン、セッキ深度を使用してカールソン指数を計算できます。この 3 つのうち、クロロフィルはバイオマスの最も正確な予測子であるため、おそらく最も正確な測定値が得られます。測定が冬に行われる場合、リンはクロロフィルよりも水体の夏の栄養状態をより正確に推定できる可能性があります。最後に、セッキ深度はおそらく最も正確性の低い測定値ですが、最も手頃で便利なものでもあります。したがって、市民モニタリング プログラムやその他のボランティアまたは大規模調査では、セッキ深度がよく使用されます。セッキ透明度の値を 2 を底とする対数スケールに変換することにより、バイオマスが 2 倍になるたびに整数の指数として表されます。[ 4 ]水の透明度を測るセッキ深度は、水中の溶解物質と粒子状物質の濃度を示し、これを使用してバイオマスを導き出すことができます。この関係は次の式で表されます。

（1z）（ln⁡私0私z）＝けわ+αC{\displaystyle \left({\frac {1}{z}}\right)\left(\ln {\frac {I_{0}}{I_{z}}}\right)=k_{w}+\alpha C}
ここで、zはディスクが消える深さ、
I 0は水面に当たる光の強度であり、
I zはI 0の約10%であり、定数とみなされる。
k wは水や溶解物質による光の減衰係数である。
αは平方メートル/ミリグラムの単位を持つ定数として扱われ、
Cは、立方メートルあたりのミリグラム単位で表した粒子状物質の濃度である。[ 3 ]

栄養段階の分類

湖は通常、貧栄養、中栄養、富栄養の3つのクラスのいずれかに分類されます。栄養指数が極めて高い湖は、超貧栄養または超富栄養（または「過栄養」）とみなされることもあります。以下の表は、指数値がどのように栄養クラスに変換されるかを示しています。

栄養段階指数、クロロフィル、リン、セッキ深度、栄養段階の関係（Carlson 1996より）[ 4 ]
栄養段階指数 クロロフィル（μg/L） リン（μg/L） セッキ深度（m） 栄養階級
30〜40歳未満 0〜2.6 0〜12 > 8〜4 貧栄養性または低栄養性
40〜50 2.6〜7.3 12〜24 4-2 中栄養期
50〜70 7.3—56 24〜96 2〜0.5 富栄養化
70〜100以上 56〜155歳以上 96〜384以上 0.5〜<0.25 肥大性

貧栄養湖は一般的に水生植物がほとんど、あるいは全く存在せず、比較的透明度が高いのに対し、富栄養湖は藻類ブルームを含む生物が大量に生息する傾向があります。それぞれの栄養段階は、異なる種類の魚類やその他の生物を支えています。湖やその他の水域における藻類バイオマス濃度が過度に高くなると（例えば80 TSIを超える）、分解中のバイオマスによって水が脱酸素化され、 大量の魚類が死滅する可能性があります。

貧栄養性

ポーランド南部のタトラ山脈にある貧栄養湖、クルトコヴィエツ湖

湖沼学者は、栄養塩の欠乏により一次生産性が低い湖を「貧栄養湖」または「低栄養湖」と表現します。（これは、流域における農業などの人間活動によって豊富な栄養塩が供給されるため、生産性が高い富栄養湖とは対照的です。）

貧栄養湖は、結晶質の火成岩や花崗岩の基盤岩に覆われた、寒冷で開発の少ない地域に最も多く見られます。藻類の生産量が少ないため、これらの湖の水は非常に透明で、飲料水として良好な水質を保っています。

層が混ざり合う湖は全循環湖に分類されますが、層間の混合がない湖は恒久的に成層しているため部分循環湖と呼ばれます。

一般的に、全循環湖では、秋になると表水層が冷却され、湖の成層構造が緩和され、混合が起こりやすくなります。風はこの過程を助長します。[ 5 ]このように、湖の深層混合（単循環型全循環湖では秋から初冬にかけて最も頻繁に発生します）によって、表水層から深水層への酸素の輸送が可能になります。 [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]

このように、貧栄養湖は、前述の季節的な混合が起こる水深までは十分な酸素を保有しますが、それより深いところでは酸素が欠乏します。そのため、貧栄養湖は、冷たく酸素が豊富な水を必要とするレイクトラウトなどの魚種をしばしば支えています。これらの湖の酸素含有量は、季節的な混合が起こる深層水容積に依存します。無酸素状態の深層水容積では、魚は酸素が十分に供給されている場所に集まります。[ 6 ]

夏季には水と水の混合が起こらないため、低酸素状態は水深層でより一般的に発生します。[ 5 ] 表層からの酸素が不足すると、分解によって水深層で低酸素状態が発生する可能性があります。[ 9 ]

中栄養期

中栄養湖は、中程度の生産性を持つ湖です。これらの湖は、一般的に透明な湖や池で、沈水植物が生い茂り、栄養塩類のレベルも中程度です。

中栄養性という用語は陸生生息地にも適用されます。中栄養性土壌は中程度の栄養レベルを有します。

富栄養化と肥大化

富栄養化

中国四川省成都近郊の山間の村の川で藻が大量発生

富栄養化した水域（一般的には湖や池）は、生物生産力が非常に高い。過剰な栄養素、特に窒素とリンのおかげで、これらの水域は豊富な水生植物を育むことができる。通常、水域は水生植物または藻類によって支配されている。水生植物が優勢な場合、水は透明になる傾向がある。藻類が優勢な場合、水は黒くなる傾向がある。藻類は光合成を行い、これらの水域に生息する魚類や生物に酸素を供給する。時折、藻類や底生細菌の呼吸によって過剰な藻類ブルームが発生し、最終的に魚類が死滅することがある。富栄養化は、自然に発生する場合もあれば、人間が環境に与える影響によって発生する場合もある。

富栄養化はギリシャ語のeutrophos（「栄養が豊富な」という意味）に由来し、eu（良い）とtrephein（「養う」という意味）から成ります。[ 10 ]

肥大性

過栄養湖または高富栄養湖は、栄養分が非常に豊富で、頻繁かつ深刻な有害藻類ブルーム（藻の異常発生）と低い透明度を特徴とする湖です。高富栄養湖では、視程深度が90センチメートル（3フィート）未満で、総クロロフィルは1リットルあたり40マイクログラム以上、リンは1リットルあたり100マイクログラム以上です。

藻類の大量発生により、酸素レベルが著しく低下し、深海での生命活動が妨げられ、海面下にデッドゾーンが形成されることもあります。

同様に、大規模な藻類ブルームは生物希釈を引き起こす可能性があります。これは、栄養段階の上昇に伴い汚染物質の濃度が低下する現象です。これは生物濃縮とは対照的で、藻類による吸収の増加に伴う濃度低下が原因です。

栄養段階指標の推進要因

自然要因と人為的要因の両方が、湖やその他の水域の栄養指数に影響を与える可能性があります。栄養分が豊富で純一次生産性が高い地域に位置する水域は、自然に富栄養化している可能性があります。農業排水、家庭からの肥料、下水などの非点源から水域に運ばれる栄養素は、いずれも藻類のバイオマスを増加させ、貧栄養湖を容易に高富栄養化させる可能性があります。[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]

淡水湖

どの栄養素が一次生産性の向上に最も貢献するかについては絶対的なコンセンサスはないが、淡水湖ではリン濃度が主な制限要因であると考えられている。[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]これは、これらのシステムでは窒素固定微生物が優勢であり、容易に利用可能な固定窒素の不足を補うことができるためであると考えられる。[ 16 ]

海洋生態系

一部の沿岸海洋生態系では、研究により窒素が主要な制限栄養素であり、リンとは独立して一次生産を牽引していることがわかっています。[ 17 ] [ 18 ]窒素固定微生物自体が日光や溶存酸素などの様々な非生物的要因の利用可能性によって制限されるため、窒素固定だけではこれらの海洋生態系に十分な供給を行うことができません。 [ 19 ]しかし、海洋生態系は環境の範囲が広すぎるため、1つの栄養素がすべての海洋一次生産性を制限することはできません。制限栄養素は、深度、海岸からの距離、有機物の利用可能性など、さまざまな要因に応じて、海洋環境ごとに異なる場合があります。[ 20 ] [ 19 ]

経営目標

多くの場合、望ましい栄養段階指数は利害関係者によって異なります。水鳥愛好家（例えばカモ猟師）は、多くの水鳥の個体群を支えるために湖を富栄養化することを望むかもしれません。一方、住民は、水泳やボート遊びに快適な貧栄養化を望むかもしれません。自然資源管理機関は、一般的に、これらの相反する利用を調整し、水域の栄養段階指数を決定する責任を負っています。

参照

注記

  1. ^この栄養段階の使用は摂食動態を指し、水域の栄養指数とはまったく異なる意味を持つことに注意してください。

参考文献

  1. ^ a b cサウスフロリダ大学水研究所. 「栄養状態指数（TSI）」 .栄養状態指数（TSI）について詳しくはこちら - Lake.WaterAtlas.org . サウスフロリダ大学. 2018年6月6日閲覧。
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