貧酸素水塊と海のデッドゾーン

貧酸素水塊を理解する

OMZは、主に東部熱帯太平洋、アラビア海、ベンガル湾に見られる、世界の海洋の恒久的で自然発生的な特徴です。これらは中層（通常200～1,000 m）で形成され、2つのプロセスが収束します。上部の生産的な表層海洋から沈降する有機粒子の堆積を分解する微生物によるT強い生物学的酸素要求量と、下部からの酸素豊富な深層水や中間水によるT換気不足です。その結果、溶存酸素（DO）が表層の飽和値約8 mg L⁻¹から0.5 mg L⁻¹未満にまで低下する層ができます。ペルーとチリ沖の東部熱帯南太平洋の最も強いOMZでは、分析的にゼロにさえなり、サルファイド状態が発生します。

ストランマの50年間にわたる時系列

Stramma et al. [1] は、熱帯大西洋、太平洋、インド洋における50年間の水文観測の繰り返しデータを収集し、深さごとの溶存酸素の時系列を作成しました。彼らの分析は、低酸素水域の体積の統計的に信頼できる拡大を明らかにし、熱帯大西洋のOMZは期間中に約450万km²拡大しました。熱帯大西洋の300〜700 m深度での酸素損失は、10年あたり平均0.36 μmol kg⁻¹でした。これは絶対量としては控えめですが、数十年間にわたって蓄積され、上部酸素傾度（ほとんどの動物の生命にとって酸素が十分な境界）の測定可能な浅化を引き起こしました。物理的な要因には、温暖化する海洋での酸素溶解度の低下（暖かい水は単純に溶存ガスが少なくなります）と、酸素化された表層水のサーモクラインへの下方混合を抑制する強い密度成層の強化が含まれます。

沿岸のデッドゾーン：富栄養化の物語

OMZが外洋の中層循環の特徴である一方、沿岸のデッドゾーンは、栄養汚染によって引き起こされる明確な人為的現象です。農業肥料、下水排出物、化石燃料燃焼生成物からの大気沈着物中の窒素とリンを大量に含む河川が沿岸海域に排出されると、植物プランクトンの爆発的な増殖を促します。これらのブルームは最終的に死滅して沈降し、この大量の有機物の微生物分解が底層水の溶存酸素を消費し、低酸素または無酸素状態（底層水の低酸素）を生み出します。これは、暖かく密度が低い表層水が系を覆い、上部からの再酸素化を妨げる夏の成層期間中に、数週間から数か月にわたって持続します。

メキシコ湾の低酸素水域

メキシコ湾北部には西半球最大のデッドゾーンがあります。これは、アメリカ本土の41%（180万km²の農地）を排水するミシシッピ・アチャファラヤ川水系によって供給されています。毎年春には、雪解けと春の雨によってトウモロコシ畑や大豆畑からの窒素豊富な流出水がミシシッピ川に流れ込み、年間約150万トンの窒素が湾に供給されます。真夏には、その結果として発生する低酸素水域は、ルイジアナ・テキサス大陸棚の海底の通常13,000～15,000km²を覆い、2017年には過去最高の22,720km²に達しました。Diaz and Rosenberg [2]は、メキシコ湾のデッドゾーンが世界で最もよく文書化されているものの一つであり、1980年代半ばからの監視によって、年ごとの大きな変動（河川流量による）はあるものの、流域からの栄養負荷の長期的な改善は見られないと指摘しました。

バルト海

バルト海は、半閉鎖的な湾、北海との交換を制限する浅い敷居、そして9カ国にまたがる大規模な農耕地を抱えるため、世界で最も富栄養化した大規模な海です。バルト海の開水域における低酸素は季節的な現象ではなく、慢性的なものです。バルト海の深層盆地は、少なくとも20世紀半ばからほぼ恒久的な無酸素状態を経験しており、低酸素および硫化水素を伴う無酸素状態（euxinic）の領域は大幅に拡大しています。Conley et al. [4] は、これまで開水域の無酸素状態から隔離されていた群島や湾で発生していた沿岸の低酸素が、21世紀初頭までにバルト海沿岸全体に広がり、前例のないものになっていることを記録しました。Krapf et al. [3] は、近年、開かれたバルト海における低酸素領域が60,000 km²を超え、硫化水素を伴う無酸素状態（完全な酸素欠乏と硫化水素生成）が最大20,000 km²を覆っていることを発見しました。Meier et al. [5] は、脱酸素化を加速させる酸素消費率の上昇を記録しました。これは、たとえ栄養塩負荷が削減されたとしても、酸素の回復には数十年かかることを意味します。

OMZ拡大の要因

海洋温暖化と成層

OMZ 확대の最も根本的な要因は海洋温暖化です。溶存ガスの溶解度は温度とともに低下します。水温が高いほど、飽和状態で保持できる酸素は少なくなります。海洋表面が温暖化すると、熱塩躍層に沈み込む水の酸素含有量が減少します。同時に、より強い熱成層は、酸素化された表層水の下方混合と、深層対流によるOMZ水の上方換気を減少させます。Kwiatkowski et al. [7] は、CMIP6モデルから、SSP5-8.5シナリオの下で2100年までに地球の平均溶存酸素が約3.5%減少すると予測しました。最も大きな損失は、すでにOMZが最も強い熱帯の熱塩躍層水域で発生します。これは、200〜600 mの深度範囲にある低酸素水の体積増加に対応し、中層および上部中深層の生物が利用できる生息地をさらに圧迫するでしょう。

栄養汚染と藻類ブルーム

沿岸域では、デッドゾーン拡大の主な要因は富栄養化です。これは、主に反応性窒素（硝酸塩、アンモニウム）とリンによる水域の過剰な栄養塩供給です。世界の反応性窒素生産は、1900年以降、合成肥料製造のためのハーバー・ボッシュ法と化石燃料の燃焼（窒素酸化物を放出）によって、10倍以上に増加しました。農業用流域は、産業革命以前のシステムよりもはるかに多くの窒素を沿岸海域に排出し、より頻繁に、より激しく、より広範な低酸素事象を引き起こしています。Diaz and Rosenberg [2] は、沿岸のデッドゾーンの数が1960年から2008年の間に指数関数的に増加し、世界で記録された10未満から400以上に達したことを発見しました。この増加傾向は、合成肥料生産と窒素沈着に直接相関しています。

低酸素閾値：生物が耐えられるもの

典型的な生態学的低酸素閾値は2.0 mg O₂ L⁻¹（62.5 μmol kg⁻¹）です。この濃度を下回ると、ほとんどの底生魚（タラ、ヒラメ、ハタなどの海底に生息する種）はその地域を避難するか、逃げられない場合は死んでしまいます。移動性無脊椎動物 — エビ、カニ、ロブスター — は移動しようとしますが、低酸素水域の広がりによってしばしば閉じ込められます。固着性無脊椎動物 — スポンジ、二枚貝、ヒトデ — は逃げることができず、その場で死んでしまい、時には壮大な大量死が発生します。0.5 mg L⁻¹を下回ると、特定の特殊な多毛類と嫌気性細菌のみが生存できます。Sweetman et al. [6] は深海底生群集への影響をレビューし、致死に至らない低酸素（酸素濃度が2.0から4.0 mg L⁻¹の間）でさえ、底生無脊椎動物の成長率、生殖生産、免疫機能を低下させ、大量死が発生するはるか前から群集の回復力を損なうと指摘しました。

• 4.0 mg L⁻¹以上：ほとんどの海洋動物の正常な機能。ほとんどのサンゴ礁魚種の最小溶存酸素量。
• 2.0～4.0 mg L⁻¹（致死未満の低酸素）：成長、生殖、免疫機能の低下。多くの魚がこれらの深さを避ける。
• 2.0 mg L⁻¹未満（低酸素）：魚や無脊椎動物の大量死。生態学的なデッドゾーン。デッドゾーンを宣言する標準的な閾値。
• 0.5 mg L⁻¹未満（重度低酸素/無酸素）：大型動物の事実上の不在。硫黄細菌マット群集。完全な無酸素状態では硫化水素ガスが発生する可能性あり。

生態学的影響

生息地の圧縮とスクイーズ効果

OMZが上方（浅く）拡大するにつれて、キハダマグロ、クロマグロ、シイラ、さまざまな大型イカなど、商業的に重要で生態学的に重要な種は、より薄く、酸素の豊富な表層に圧迫されます。この「生息地圧縮」は、東部熱帯太平洋におけるマグロの電子タグデータを用いて実証されており、そこではOMZが潜水行動を上部100 mに制限しています。ダイバーにとって、この圧縮効果は、表面近くに遠洋性大型生物の見事な集まりを生み出す可能性がありますが、これらの集まりは生態学的なストレスの兆候であり、豊富さを意味するものではありません。また、表面での延縄漁に対する魚の脆弱性を高め、すでにストレスを受けている個体群の乱獲を加速させる可能性があります。

底生群集の崩壊と回復

デッドゾーン現象は、底生群集を包括的に死滅させます。Diaz and Rosenberg [2] は、メキシコ湾棚だけでもデッドゾーンが年間数十億もの底生無脊椎動物を殺し、商業的な貝類やエビ漁業への直接的な経済損失は年間数億ドルに及ぶと推定しました。低酸素事象後の底生生物の回復は、事象の強度、期間、および周辺の酸素化された地域からの幼生供給源の利用可能性に依存します。単一の適度なイベントの後、酸素が戻り、移動性生物が縁から再定着することで数週間以内に回復が始まる可能性があります。しかし、深いバルト海盆のように繰り返しまたは長期にわたる無酸素状態の後では、特に堆積物が硫化している場合、回復には数十年から数世紀かかることがあります。

デッドゾーンは現在、生物多様性の喪失や気候変動に匹敵する、深刻な地球規模の環境問題であり、沿岸および海洋生態系を根本的に変化させる能力を持っています。

— Diaz & Rosenberg, Science, 2008 [2]

OMZとデッドゾーン地域でダイバーが遭遇すること

スポーツダイバーがOMZコア水域に直接遭遇することはめったにありません。これは通常、スポーツダイビングの深度（200 m以下）より深いためです。しかし、その生態学的影響は上部の水柱で見られます。湧昇するOMZの縁の上での珍しい表層近くの魚やイカの凝集、大陸棚斜面での特定の底生種の見かけ上の希少性、酸素化された水が海山の壁を換気する場所で繁栄する多様なカイメンやウミユリ群集の不在などです。浅い沿岸のデッドゾーンでは、夏の成層化したバルト海のフィヨルド、チェサピーク湾隣接水域、またはメキシコ湾北部の棚に冒険するダイバーは、深さで硫化水素の独特な臭いを感知するかもしれません。これは、完全に無酸素状態の海底堆積物で硫酸還元細菌が代謝することによるものです。デッドゾーン水域では、細菌マットや粒子状有機物の増加により、視界が急速に悪くなることがよくあります。

政策、回復、そして長い道のり

2007年に採択されたバルト海のHELCOMバルト海行動計画は、拘束力のある国家栄養塩削減目標を定め、一部の国からの窒素負荷の穏やかな減少をもたらしました。モニタリングデータによると、いくつかの沿岸観測地点ではわずかな酸素改善が見られますが、バルト海中央部の開水域の低酸素状態は依然として深刻です。これは、すでに堆積物に蓄積された栄養塩の長期滞留時間の影響で、栄養塩削減から酸素応答までに数十年というタイムラグがあるためです。メキシコ湾のデッドゾーンは、農業からのミシシッピ川流域の窒素負荷の大幅な削減がなければ、意味のある縮小は見られないでしょう。これは1990年代以降、複数の政策枠組みで失敗してきた課題です。IMOのバラスト水規制、MARPOL付属書Vの海洋ごみ規定、そして新たな栄養塩取引スキームは一部の圧力を解決しますが、主要な要因である農業流出は、発生源でほとんど規制されていません。

• 農業からの窒素とリン負荷を削減する：沿岸デッドゾーンに対する最も効果的な単一の介入。流域における栄養塩管理の改善、被覆作物、河川沿いの緩衝地帯を必要とする。
• 廃水処理を改善する：二次および三次処理は、都市部からの窒素とリン負荷を劇的に削減する。
• 沿岸湿地を回復する：マングローブ、塩性湿地、海草藻場は、陸上からの栄養塩流出が外洋に到達する前に遮断する。
• 食物網機能を維持するために漁業を管理する：健全な捕食動物群集は、藻類の過剰増殖を抑制し、浅い礁の酸素バランスを維持することができる。
• 温室効果ガス排出量を削減する：OMZ拡大の海洋温暖化要素に対処する唯一の介入は、大幅な脱炭素化である。

高排出シナリオにおける未来の海洋

Sweetman et al. [6] は、高排出シナリオの下で、2100年までに漸深帯（水深200～3,000 m）の最大70% — 冷水サンゴ、海山における魚群、深海ダイブサイトの領域 — が深刻な脱酸素化を経験し、科学にはほとんど知られておらず、レクリエーションダイバーには全く探索されていない深海群集を根本的に再構築すると予測しました。より浅いシステムについては、Kwiatkowski et al. [7] は、すべてのSSPシナリオの下で熱帯の熱塩躍層水域における酸素減少を予測しており、SSP5-8.5では商業魚種が餌を食べる中深層帯にOMZの上限が恒久的に拡大するのに十分な損失を引き起こします。ガラパゴス、ソコロ、ココス島、モザンビーク海峡など、湧昇システムがもたらす驚異的な生産性に基づいて成り立っているダイビング目的地にとって、OMZの浅化は、熱 bleaching、酸性化、乱獲に加えてさらなるストレス要因となり、これらの世界クラスのダイビング生態系が現在機能している生態学的許容範囲を圧縮することになります。