表層物質循環研究部門
諏訪湖から考える，湖と地球温暖化の関係
― 湖と大気の間を行き来する温室効果ガスを長期観測で捉える ―
湖は，温室効果ガスを出すだけの場所ではありません．
諏訪湖での継続観測から，湖底の微生物，風による湖水の混合，メタンの泡，そして水生植物などが複雑に関係し，
湖と大気の間のCO₂・CH₄・N₂Oの交換を大きく変えていることが分かってきました．
私たちは諏訪湖を「天然の実験場」として，湖と気候変動をつなぐ仕組みを明らかにしています．
諏訪湖での継続観測から，湖底の微生物，風による湖水の混合，メタンの泡，そして水生植物などが複雑に関係し，
湖と大気の間のCO₂・CH₄・N₂Oの交換を大きく変えていることが分かってきました．
私たちは諏訪湖を「天然の実験場」として，湖と気候変動をつなぐ仕組みを明らかにしています．
1．研究の背景 ― 湖も地球の炭素・温室効果ガス循環の一部
湖というと，水がたまっている静かな場所を思い浮かべるかもしれません．しかし湖の中では，植物の光合成，微生物による有機物の分解，湖底でのメタン生成，風による水の混合など，さまざまな過程が絶えず起こっています．その結果，湖は二酸化炭素（CO₂），メタン（CH₄），一酸化二窒素（N₂O）といった温室効果ガスを大気と交換しています．
特にメタンは，湖や河川などの陸水から大気へ放出される重要な温室効果ガスです．湖では主に酸素の少ない湖底の堆積物中で微生物によってメタンがつくられ，水に溶けた状態で水面から放出される「拡散」と，湖底から泡として直接上昇する「バブル放出（ebullition）」などによって大気へ移動します．
ところが，湖からの温室効果ガス放出量は，場所，季節，さらには一日の中でも大きく変化します．そのため，ある場所で短時間だけ測定しても，湖全体の姿を正しく捉えられない可能性があります．私たちは諏訪湖をフィールドとして，湖と大気の間の温室効果ガス交換を連続的に観測し，「どれだけ出るのか」だけでなく，「なぜ変化するのか」を明らかにする研究を進めています．
特にメタンは，湖や河川などの陸水から大気へ放出される重要な温室効果ガスです．湖では主に酸素の少ない湖底の堆積物中で微生物によってメタンがつくられ，水に溶けた状態で水面から放出される「拡散」と，湖底から泡として直接上昇する「バブル放出（ebullition）」などによって大気へ移動します．
ところが，湖からの温室効果ガス放出量は，場所，季節，さらには一日の中でも大きく変化します．そのため，ある場所で短時間だけ測定しても，湖全体の姿を正しく捉えられない可能性があります．私たちは諏訪湖をフィールドとして，湖と大気の間の温室効果ガス交換を連続的に観測し，「どれだけ出るのか」だけでなく，「なぜ変化するのか」を明らかにする研究を進めています．
2．なぜ諏訪湖なのか
諏訪湖は長野県中央部に位置する面積12.8 km²，平均水深約4 mの浅い富栄養湖です．浅いため，強い風が吹くと夏でも湖水が上下に混ざることがあります．また，夏には植物プランクトンが増殖し，沿岸域にはヒシなどの水生植物が繁茂します．このような特徴をもつ諏訪湖では，気象，湖水の動き，湖底の微生物，水生植物などが温室効果ガス交換に与える影響を一つの湖で総合的に調べることができます．
さらに諏訪湖には，湖底からメタンを多く含む泡が継続的に湧き出している場所があります．こうした局所的な「ホットスポット」は，面積が小さくても湖からのメタン放出量を大きく左右する可能性があります（Iwata et al., 2020）．諏訪湖は，湖で温室効果ガスが「つくられ，運ばれ，大気へ出ていく」過程を研究する格好の天然実験場といえます．
さらに諏訪湖には，湖底からメタンを多く含む泡が継続的に湧き出している場所があります．こうした局所的な「ホットスポット」は，面積が小さくても湖からのメタン放出量を大きく左右する可能性があります（Iwata et al., 2020）．諏訪湖は，湖で温室効果ガスが「つくられ，運ばれ，大気へ出ていく」過程を研究する格好の天然実験場といえます．
3．諏訪湖で使っている観測方法
研究の中心となるのが「渦相関法」です．水面上に高速応答のガス分析計と風速計を設置し，風によって運ばれるガス濃度と空気の動きを高速で測定することで，比較的広い範囲の湖面から大気へ移動するガス量を連続的に求めます．諏訪湖では2014年からCO₂の渦相関観測を開始し，その後メタンなどにも研究を広げてきました（Iwata et al., 2018, 2020; Okunishi et al., 2025）．
さらに，湖水中の溶存ガス濃度，水温，溶存酸素，気象条件などの測定や，湖底堆積物・湖水を用いた培養実験，浮体式チャンバー観測などを組み合わせています．大気側の観測だけでなく湖内で起こる過程も同時に調べることで，温室効果ガス交換が変化する原因を明らかにしています．
さらに，湖水中の溶存ガス濃度，水温，溶存酸素，気象条件などの測定や，湖底堆積物・湖水を用いた培養実験，浮体式チャンバー観測などを組み合わせています．大気側の観測だけでなく湖内で起こる過程も同時に調べることで，温室効果ガス交換が変化する原因を明らかにしています．
4．これまでに分かってきたこと
① メタンを「拡散」と「バブル」に分けて捉える
渦相関法では通常，水面から出るメタンと湖底から泡として出るメタンが合わさった値が観測されます．そこで，メタン濃度の細かな変動をウェーブレット解析で調べ，連続観測されたメタン放出を「拡散」と「バブル放出」に分離する方法を開発しました（Iwata et al., 2018）．この方法によって，単に放出量を測るだけでなく，それぞれの放出経路を支配する環境要因を別々に調べられるようになりました．
② メタン放出は，季節によっても場所によっても大きく変わる
長期観測の結果，通常の湖面では冬のメタン放出は小さく，夏に大きくなることが分かりました．夏には湖底の温度上昇によってメタン生成が活発になり，水中の溶存メタン濃度も高くなります．一方，継続的に泡が湧き出す場所では，水圧が低いときに放出が増える傾向がみられました．さらに，諏訪湖のメタン放出量は同程度の緯度の湖としては比較的大きく，富栄養化との関係が示唆されました（Iwata et al., 2020）．
③ 一日の中でも，メタン放出の仕組みは変わる
開発した分離手法を一年間のデータに適用したところ，バブル放出は全メタン放出の平均57％を占めました．拡散による放出は風速や表層水の溶存メタン濃度の影響を受け，夏には湖底付近に蓄積したメタンを含む水が混合によって表層へ運ばれることも重要でした．バブル放出では，夏に水圧低下などが放出のきっかけになる一方，冬にはその影響が明瞭でなく，季節によって支配要因が変化することが示されました（Taoka et al., 2020）．
④ 水生植物の量によって，湖岸域はCO₂の放出源にも吸収源にもなる
水生植物が少なかった2020年と多かった2022年を比較すると，水生植物が多い年には，空気中に葉を出した植物の光合成によって昼間のCO₂吸収が大きくなりました．推定された年間CO₂交換量は2020年が14 ± 7 gC m⁻²，2022年が−170 ± 4 gC m⁻²で，水生植物の量によって沿岸域が年間のCO₂放出源から吸収源へ変わり得ることが示されました（Okunishi et al., 2025）．
この結果は，湖の炭素循環を予測するには水温や水質だけでなく，「どのくらい水生植物が生えているか」を知ることが重要であることを示しています．
⑤ N₂Oも一日の中で変動する
N₂Oについては，高速レーザー分析計と浮体式チャンバーを組み合わせて，これまで捉えにくかった一日の中での変化を調べました．その結果，N₂O放出は風速の増加に伴って増え，夏には湖底付近に蓄積したN₂Oが湖水の混合によって表層へ運ばれることも重要でした．また，溶存酸素の変化によって湖内でのN₂Oの生成・消費のバランス自体が変化する可能性も示されました（Iwata et al., 2025）．
渦相関法では通常，水面から出るメタンと湖底から泡として出るメタンが合わさった値が観測されます．そこで，メタン濃度の細かな変動をウェーブレット解析で調べ，連続観測されたメタン放出を「拡散」と「バブル放出」に分離する方法を開発しました（Iwata et al., 2018）．この方法によって，単に放出量を測るだけでなく，それぞれの放出経路を支配する環境要因を別々に調べられるようになりました．
② メタン放出は，季節によっても場所によっても大きく変わる
長期観測の結果，通常の湖面では冬のメタン放出は小さく，夏に大きくなることが分かりました．夏には湖底の温度上昇によってメタン生成が活発になり，水中の溶存メタン濃度も高くなります．一方，継続的に泡が湧き出す場所では，水圧が低いときに放出が増える傾向がみられました．さらに，諏訪湖のメタン放出量は同程度の緯度の湖としては比較的大きく，富栄養化との関係が示唆されました（Iwata et al., 2020）．
③ 一日の中でも，メタン放出の仕組みは変わる
開発した分離手法を一年間のデータに適用したところ，バブル放出は全メタン放出の平均57％を占めました．拡散による放出は風速や表層水の溶存メタン濃度の影響を受け，夏には湖底付近に蓄積したメタンを含む水が混合によって表層へ運ばれることも重要でした．バブル放出では，夏に水圧低下などが放出のきっかけになる一方，冬にはその影響が明瞭でなく，季節によって支配要因が変化することが示されました（Taoka et al., 2020）．
④ 水生植物の量によって，湖岸域はCO₂の放出源にも吸収源にもなる
水生植物が少なかった2020年と多かった2022年を比較すると，水生植物が多い年には，空気中に葉を出した植物の光合成によって昼間のCO₂吸収が大きくなりました．推定された年間CO₂交換量は2020年が14 ± 7 gC m⁻²，2022年が−170 ± 4 gC m⁻²で，水生植物の量によって沿岸域が年間のCO₂放出源から吸収源へ変わり得ることが示されました（Okunishi et al., 2025）．
この結果は，湖の炭素循環を予測するには水温や水質だけでなく，「どのくらい水生植物が生えているか」を知ることが重要であることを示しています．
⑤ N₂Oも一日の中で変動する
N₂Oについては，高速レーザー分析計と浮体式チャンバーを組み合わせて，これまで捉えにくかった一日の中での変化を調べました．その結果，N₂O放出は風速の増加に伴って増え，夏には湖底付近に蓄積したN₂Oが湖水の混合によって表層へ運ばれることも重要でした．また，溶存酸素の変化によって湖内でのN₂Oの生成・消費のバランス自体が変化する可能性も示されました（Iwata et al., 2025）．
5．諏訪湖での研究から見えてきたこと
一連の研究から，湖からの温室効果ガス放出は，水温や水質だけで単純に決まるものではないことが分かってきました．湖底の微生物がガスをつくり，湖水の混合がそれを運び，風が水面での交換を促進します．メタンは泡として突発的に放出されることもあります．水生植物は光合成によってCO₂を吸収し，年間の炭素収支を変えるほどの影響をもつことがあります（Iwata et al., 2020; Taoka et al., 2020; Okunishi et al., 2025）．さらには，水生植物によって吸収された炭素は根からの滲出により堆積物中に放出され，それがメタン生成を促進している可能性も見えてきました．
つまり，湖と大気の間の温室効果ガス交換を理解するには，「気象 → 水生植物→ 微生物による生成・消費 → 湖水の動き → 大気との交換」という一連のつながりを捉える必要があります．そして，そのつながりは季節だけでなく，一日の中でも変化しています．
つまり，湖と大気の間の温室効果ガス交換を理解するには，「気象 → 水生植物→ 微生物による生成・消費 → 湖水の動き → 大気との交換」という一連のつながりを捉える必要があります．そして，そのつながりは季節だけでなく，一日の中でも変化しています．
６．諏訪湖から，さまざまな湖へ
諏訪湖での継続観測によって，一つの湖の中でも温室効果ガス交換が時間的・空間的に大きく変化することが明らかになってきました．一方，世界には深さ，気候，栄養状態，水生植物などが異なる多様な湖があります．湖の温室効果ガス収支を地球規模で理解するためには，諏訪湖で得られた知見が他の湖にも当てはまるのかを検証していく必要があります．
今後は観測対象をさまざまなタイプの湖へ広げ，湖ごとの違いと共通する仕組みを明らかにすることで，「世界の湖は地球の温室効果ガス収支にどの程度影響しているのか」，そして「気候変動，富栄養化，生態系の変化によって湖の役割が将来どのように変わるのか」を解明することを目指します．
今後は観測対象をさまざまなタイプの湖へ広げ，湖ごとの違いと共通する仕組みを明らかにすることで，「世界の湖は地球の温室効果ガス収支にどの程度影響しているのか」，そして「気候変動，富栄養化，生態系の変化によって湖の役割が将来どのように変わるのか」を解明することを目指します．
引用文献
Iwata, H., Hirata, R., Takahashi, Y., Miyabara, Y., Itoh, M., & Iizuka, K. (2018). Partitioning Eddy-Covariance Methane Fluxes from a Shallow Lake into Diffusive and Ebullitive Fluxes. Boundary-Layer Meteorology, 169, 413–428. https://doi.org/10.1007/s10546-018-0383-1
Iwata, H., Nakazawa, K., Sato, H., Itoh, M., Miyabara, Y., Hirata, R., Takahashi, Y., Tokida, T., & Endo, R. (2020). Temporal and spatial variations in methane emissions from the littoral zone of a shallow mid-latitude lake with steady methane bubble emission areas. Agricultural and Forest Meteorology, 295, 108184. https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2020.108184
Taoka, T., Iwata, H., Hirata, R., Takahashi, Y., Miyabara, Y., & Itoh, M. (2020). Environmental Controls of Diffusive and Ebullitive Methane Emissions at a Subdaily Time Scale in the Littoral Zone of a Midlatitude Shallow Lake. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 125, e2020JG005753. https://doi.org/10.1029/2020JG005753
Iwata, H., Kawagishi, S., Takahashi, K., Miyabara, Y., Nagano, H., Itoh, M., Suzuki, K., & Urai, A. (2025). Subdaily variations in nitrous oxide fluxes from the littoral zone of a temperate eutrophic lake. Inland Waters, 15(1), 2485963. https://doi.org/10.1080/20442041.2025.2485963
Okunishi, R., Iwata, H., Ochiai, Y., Yamada, M., & Park, H.-D. (2025). Role of Aquatic Plants in Carbon Dioxide Exchange Between the Littoral Zone of a Eutrophic MidLatitude Lake and the Atmosphere. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 130, e2025JG009029. https://doi.org/10.1029/2025JG009029
Iwata, H., Nakazawa, K., Sato, H., Itoh, M., Miyabara, Y., Hirata, R., Takahashi, Y., Tokida, T., & Endo, R. (2020). Temporal and spatial variations in methane emissions from the littoral zone of a shallow mid-latitude lake with steady methane bubble emission areas. Agricultural and Forest Meteorology, 295, 108184. https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2020.108184
Taoka, T., Iwata, H., Hirata, R., Takahashi, Y., Miyabara, Y., & Itoh, M. (2020). Environmental Controls of Diffusive and Ebullitive Methane Emissions at a Subdaily Time Scale in the Littoral Zone of a Midlatitude Shallow Lake. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 125, e2020JG005753. https://doi.org/10.1029/2020JG005753
Iwata, H., Kawagishi, S., Takahashi, K., Miyabara, Y., Nagano, H., Itoh, M., Suzuki, K., & Urai, A. (2025). Subdaily variations in nitrous oxide fluxes from the littoral zone of a temperate eutrophic lake. Inland Waters, 15(1), 2485963. https://doi.org/10.1080/20442041.2025.2485963
Okunishi, R., Iwata, H., Ochiai, Y., Yamada, M., & Park, H.-D. (2025). Role of Aquatic Plants in Carbon Dioxide Exchange Between the Littoral Zone of a Eutrophic MidLatitude Lake and the Atmosphere. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 130, e2025JG009029. https://doi.org/10.1029/2025JG009029
