富栄養化した河川河口連続体に沿った植物プランクトン、溶存酸素、栄養分のパターン。観察とモデル化

Phytoplankton, dissolved oxygen and nutrient patterns along a eutrophic river-estuary continuum: Observation and modeling.

• Junna Wang
• Zhonglong Zhang

抄録

河川-河口連続体の塩分・濁度勾配に沿った植物プランクトンの増殖や過剰な栄養分の輸送と運命は、いつ、どこで水質障害が発生するかを決定する可能性がある。しかし、一般的な時空間パターンやその背景にあるメカニズム、そして水質管理への影響についてはよく理解されていない。本研究では、23年間のデータと3年間のモデルに基づいて、フロリダ州セントジョンズ川下流域の植物プランクトン、溶存酸素（DO）、栄養塩（C、N、P）の典型的な季節変動と縦断的なパターンを明らかにした。淡水の植物プランクトン濃度とDO濃度の低下は、淡水-塩水遷移域と河口の濁度最大値が河川-河口連続体に沿って観察された。しかし、データ解析とモデルシミュレーションの結果から、塩分ストレスだけが原因ではないことが明らかになったが、流体力学や河川形態の変化など他の要因もブルームの崩壊に寄与していると考えられる。無機栄養素（アンモニウム、硝酸塩、リン酸塩）は、植物プランクトンと逆の縦方向のパターンを示した。夏季の無機栄養塩濃度は、藻類の取り込みにより淡水域では低かったが、点源からの大量投入と有機物の堆積物からの栄養塩の再生により、海洋域では大幅に上昇した。しかし、河川と海洋の混合が強かったため、栄養塩の劇的な増加は、地元の海洋域では植物プランクトンの開花を促進することはなかった。栄養素は最終的には沿岸水域や海洋に運ばれ、植物プランクトンのブルームを促進した。我々の知見は、栄養塩の削減と植物プランクトンブルームの管理のための戦略は、局所的な範囲を超えて、河川-河口-海洋の連続体を横断して開発されるべきであることを強調している。これは、淡水の植物プランクトンブルームと過剰な栄養塩が下流の河口、沿岸水域、さらには水質不良の影響を受けやすい海洋にまで輸送される可能性を探るものである。

Transport and fate of phytoplankton blooms and excessive nutrients along salinity and turbidity gradients of a river-estuary continuum could determine when and where impaired water quality occurs. However, the general spatiotemporal patterns, underlying mechanisms and their implication for water quality management are not well understood. This study reveals typical seasonal variations and longitudinal patterns of phytoplankton, dissolved oxygen (DO) and nutrients (C, N, and P) in the lower St. Johns River estuary in Florida based on 23 years of data and a model which spans 3 years. Evident declines in freshwater phytoplankton and DO concentrations were observed in the freshwater-saltwater transition zone and the estuarine turbidity maxima along the river-estuary continuum. Observations show that most cyanobacteria blooms originating from upstream lakes collapsed in the freshwater-saltwater transition zone where salinity was greater than 1 ppt, but data analysis and model simulation both indicate salinity stress was not the sole reason, other factors such as changes in hydrodynamics and river morphology also contributed to the bloom crashes. Inorganic nutrients (ammonium, nitrate, and phosphate) exhibited inverse longitudinal patterns with phytoplankton. Due to algal uptake, summer concentrations of inorganic nutrients were low in the freshwater, but substantially elevated in the marine reach as a result of large point source inputs and nutrient regeneration from organic detritus. However, because of strong river-ocean mixing, the dramatic increase in nutrients did not promote a phytoplankton bloom in the local marine reach. The nutrients were eventually transported into coastal waters or oceans where they fueled phytoplankton blooms. Our findings highlight that strategies for nutrient reduction and phytoplankton bloom management should be developed beyond local reaches and across a river-estuary-ocean continuum, exploring the possibility that freshwater phytoplankton blooms and excessive nutrients may be transported to downstream estuaries, coastal waters and even oceans that are vulnerable to poor water quality.

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