石垣島の河川の栄養塩濃度を機械学習で高精度に予測―衰退する珊瑚礁の保全、赤潮発生予測など生態系回復に期待：国際農林水産業研究センター
(2023年6月5日発表)
（国）国際農林水産業研究センター(国際農研)は6月5日、沖縄県石垣島の河川の栄養塩（窒素、リンなど）の濃度変化を、高い精度で予測できる新たなモデルを作成したと発表した。サトウキビ畑や畜舎からの栄養塩の増加は珊瑚礁の被害や赤潮発生につながる恐れがある。上流域の土地利用状況や表層地層などのデータを入れると、「ランダムフォレスト」と呼ばれる機械学習の手法で予測が可能となる。脆弱な熱帯沿岸の生態系保全に期待がかかっている。
熱帯の小さな島々では海洋環境が急速に悪化している。気候変動による海水温上昇や海洋酸性化の影響に加え、農林、牧畜業などからの窒素、リンなどの栄養塩の過剰流入が植物プランクトンの大量増殖を起こしている。
その発生源は、島の下水道処理場や工場など特定場所による「点源」と、森林や農地、地下水系などの「面源」の２つに分けられる。このうち面源からの流出把握は複雑で、これまで窒素とリンだけで栄養塩濃度を推計してきたが、今回からケイ素も加えて予測した。
流出する栄養塩量の推定・予測にはこれまで高度な専門知識と訓練された技術と労力が欠かせなかった。新たなモデルは、流域の工場利用や表層の地質、人口密度など既知のデータを投入し、機械学習による計算によって比較的簡単に栄養塩濃度が予測できる。
研究グループは、まず島内の主な6河川の計18地点で、1年間にわたって平常時の河川水に溶け込んだ窒素、リン、ケイ素濃度を測定した。
砂糖キビ畑、牧草地、森林などの土地利用状況、琉球石灰岩などの地表地質の面積割合、人口密度の複数の流域データを地理情報システム（GIS）と統計資料により把握。これをランダムフォレストに導入し、栄養塩の濃度を予測した。
得られたデータの集団を任意に5つのグループに分けた。うち4つは「学習」データに、残りの1つは「検証」のためのデータにし、3回反復して機械学習させた。この結果、どのモデルも実測値を高精度で予測でき、栄養塩濃度の変動の多くが土地利用や地質の影響を受けていることを明らかにした。
栄養塩濃度とそれぞれの流域特性との関係から、1）サトウキビ畑や畜舎などの面積割合の多い流域は窒素やリン濃度が高く、2）広葉樹林の面積が多い流域では水に溶けたケイ素濃度が高い傾向であった。
石垣島ではサトウキビ栽培や肉牛の飼育が盛んで、こうした農業活動が河川の栄養塩濃度に強い影響を与えていると考えられ、環境改善のための有力な指針になる。今後は降雨直後の出水時のデータも採ってランダムフォレストモデルを高度化し、年間を通じた栄養塩濃度の予測を可能にしていく。
