本研究では、河川水に溶存する硝酸の濃度と三酸素同位体組成から算出される大気硝酸濃度に着目し、この時空間変化を追跡することによって、河川環境下における脱窒速度を中心とした窒素循環速度を見積もる新手法を開発し、検証する。この新手法は天然トレーサーをそのまま使っており、人工トレーサーを添加したり培養したりすることなく自然の状態のまま河床を含めた河川環境全体の脱窒速度を定量できる画期的手法であり、あらゆる河川環境で利用できるポテンシャルがある。
本研究では，河川水に溶存する硝酸の濃度と三酸素同位体組成から算出される大気硝酸濃度に着目し，この時空間変化を追跡することによって，河川環境下における脱窒速度を中心とした窒素循環速度を見積もる新手法を開発し，検証した．対象とした河川は，滋賀県にある琵琶湖の流入河川の1つである野洲川および愛知県名古屋市を流れる都市河川である天白川である．
大気からの沈着が無視できる晴天時（ただし，河川水中の大気硝酸濃度が検出可能な降雨後数日以内とする）に，対象区間の最上流地点および最下流地点において河川水を採取し，それぞれについて総硝酸濃度と三酸素同位体異常を定量し，河川水中に含まれる大気硝酸濃度の時間変化を算出した．また，各点で平均流速を実測し，対象区間内を通過する平均所要時間を算出した．流下に伴う総硝酸濃度と大気硝酸濃度の変化を求め，それをもとに総除去 (同化+脱窒) 速度と総供給 (硝化+系外流入) 速度の定量化を行った．さらに，人工同位体レーサーを添加した河川水を培養することで水柱中の同化速度を，また河床堆積物を培養することで河床における硝酸総除去速度を求め，定量化した総除去 (同化+脱窒) 速度の検証を行った．
その結果，各速度に明瞭な季節変化が確認でき，春～夏季は，総除去速度が総供給速度を上回るのに対し，秋～冬季では，総供給速度が総除去速度を上回ることが分かった．また，培養実験を行って水柱中の同化速度と河床の総除去速度を求め，定量化した総除去速度の検証を行ったところ，整合的であることを確認した．加えて，河川系内の窒素循環過程は主に河床で進行していることを確認した．
本研究の目標は，大気硝酸の流下に伴う濃度変化を指標に用いた河川系内の脱窒速度も含んだ窒素循環速度定量法の開発である．初年度は，野洲川および天白川において，河川の流下に伴う総硝酸濃度と大気硝酸濃度の変化を求め，総除去 (同化+脱窒) 速度と総供給 (硝化+系外流入) 速度を定量化することに成功した．また，培養実験を行って水柱中の同化速度と河床の総除去速度を求め，定量化した総除去速度の検証を行ったところ，整合的であることが確認できており，当初の目標は十分に達成されたと考えられる．
ただし，系外からの硝酸の直接流入が大きな影響を与えていないことが明らかになった野洲川では，観測の時間分解能が低くても問題無く窒素循環速度を定量することが出来たのに対し，都市河川である天白川の場合，浄化センターからの硝酸の流入の影響によって河川水中の硝酸濃度が大きく時間変動することが分り，それを考慮した観測を行う必要が出てきた．そこで，2年目は，時間分解能を上げた天白川の観測を中心に行うことにした．
2年目は、人間活動の影響の大きい名古屋市内を流れる都市河川（天白川等）を研究対象とする。対象区間は、系外からの流入、すなわち支流の合流や下水等の流入が無視できる区間を選定する。対象区間の距離は、河川の流速を元に3～10 km程度の範囲で設定する。
観測は，河川水中の大気硝酸濃度が検出可能な降雨後数日以内の晴天日に、対象区間の最上流地点および最下流地点において、河川水を2時間おきに12回、同時進行で採取し、それぞれについて硝酸濃度と三酸素同位体組成を定量し、河川水中に含まれる大気硝酸濃度の時間変化を算出する。また、各点で平均流速を実測し、対象区間内を通過する平均所要時間を算出する。求められた大気硝酸濃度の時空間変化から、対象区間内を流下する過程で減少した大気硝酸濃度を算出し、大気硝酸の総除去速度を求める。水面への直接的な大気沈着は補正するが、晴天時なら基本的には無視できる。昼間の大気硝酸除去速度は、脱窒速度と同化速度の和である。これに対し、夜間の大気硝酸除去は、大部分が脱窒に依ると考えられるので、ここから脱窒の反応速度定数を算出する。
本研究で提案する「大気硝酸追跡法」で求めた脱窒・同化速度は、従来の「窒素同位体濃縮硝酸添加培養法」より求めた脱窒・同化速度と比較し、矛盾がないか検証する。培養法を実施する地点は、大気硝酸追跡法を実施する対象区間の最上流地点 および最下流地点の間に用意する。なお、大気硝酸追跡法で得られる脱窒・同化速度は、河川全体の積算値であるのに対し、培養法は時空間的な瞬間値であることに注意しながら検証する。
各河川観測は、数ヶ月に１回実施する。本研究を通じて、地形や生態系の変化等が河川水中の脱窒速度に与える影響を定量的に評価する。また、それらの季節変化や、それらを制御する因子を考察する。研究成果を取りまとめ、学会発表を行う。