熊本大學研究生院尖端科學研究部的細野高啟教授、日本綜合地球環境學研究所（簡稱，地球研）、北里大學、琉球大學、美國加利福尼亞大學聖克魯茲分校等組成的研究團隊，以沖繩縣宮古群島多良間島的淡水透鏡體（島嶼地下形成的透鏡狀淡水層）為模型區域，對全島展開調查，成功估算了流域內的脫氮率（反硝化反應率）。研究人員通過觀測井等實地測量證實，脫氮區域廣泛分佈於淡水透鏡體底部及其周邊發育形成的鹹淡水交界面。結合水量平衡與氮收支覈算結果可知，約三分之一的氮污染體被去除。該成果有望為地下水管理和沿岸生態系統保護提供科學依據。相關研究成果已發表在期刊《Water Research》的3月12日刊上。
圖1 多良間島陸地至海洋的水流與氮收支概念圖（供圖：熊本大學）
氮污染會引發地下水污染和水體優養，已成為全球性課題。在自然界中，依靠含水層等處的微生物作用將硝態氮轉化為無害氮氣的自然淨化作用（脫氮），在一定程度上抑制了氮從陸地向海域的流出。
另一方面，對這類自然淨化作用開展定量評估一直存在難度。此類評估需要掌握地下脫氮區域的三維間距分佈，並結合流域內氮負荷資訊開展綜合分析。
為此，研究團隊將目光聚焦於被公認易發生脫氮的鹹淡水交界面所環繞的淡水透鏡體。淡水透鏡體是在含海水含水層上部，因密度差而呈透鏡狀漂浮的淡水區域，常見於加勒比海和太平洋等的島嶼，是當地重要的水資源。
多良間島是日本淡水透鏡體研究的重要基地，擁有全球罕見的密集觀測孔網路，同時可獲取源於活躍農畜產業的氮負荷數據。該島東西長約6公里、南北約4公里、面積19.75平方公里，整體為近乎圓形的平坦島嶼。地質由珊瑚礁成因的第四紀石灰岩構成，地下形成了厚度達數米的雨水滲透而成的典型淡水透鏡體。
該島土地利用以甘蔗田和牧場為主，島民飲用水依賴淡水透鏡體的地下水，因此一直擔心農業活動對地下水硝態氮濃度產生影響。近年來，已有報告指出，沿岸海域營養鹽濃度上升、珊瑚覆蓋率有所下降。
研究團隊在2018年11月25～29日、2021年7月12～14日、2022年4月27～30日共進行了三次實地調查，對分佈於全島的觀測井、挖掘井、天然湧泉、表層土壤及不同深度的海底地下水進行了水位測量和水樣採集的調查。研究人員採用多種同位素示踪技術，來推測脫氮區域的三維間距分佈。
通過結合區域水量平衡與氮負荷統計數據、地下水中氮濃度測定結果進行簡易的氮收支計算，估算了脫氮率。結果顯示，淡水透鏡體內外的大部分地下水並未受到顯著的脫氮影響。
另一方面，部分區域隨著深度增加，脫氮作用變得顯著，在微鹹水區和海水區最為突出。研究表明，穿透淡水區域的硝酸在向淡水透鏡體底部及周緣的鹹淡水界面輸送的過程中被還原，轉化為氮氣。另外，經推算可知，穿透地下的氮氣中約三分之一，會在淡水透鏡體底部與邊緣的鹹淡水交界面通過脫氮作用被去除。
將該測算結果換算為年度總量後可得出：每年穿透地下水的103.7噸氮氣中，有34.6噸在地下經脫氮去除，剩餘69.1噸將通過地下逕流流入沿岸海域。
細野教授表示：「本研究首次定量闡明瞭地表負荷的氮氣成分在地下的自然淨化功能，這是兼具學術價值與社會價值的研究成果。期待本研究成果能為地區的環境保護和合理的資源管理發揮作用。目前，我們正將研究區域從多良間島擴展至整個石西環礁湖，且還在推進沿岸海域優養實態與珊瑚覆蓋率關聯性的調查。今後我們也計劃進一步深化相關研究，並廣泛對外傳播研究成果。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Water Research
論文：Quantitative assessment of denitrification rates at the freshwater-saltwater interface of a limestone island based on isotopic tracers and mass balance calculation
DOI：doi.org/10.1016/j.watres.2026.125742
