人間活動に伴う窒素負荷の増大と生態系影響
新藤（独立行政法人純子

農業環境技術研究所）

摘要
人間活動は食料生産やエネルギー生産を通して「反応性の高い」窒素を作り出している。現在80〜86 TgN y−1 の窒素が化学肥料として固定され、化石燃料やバイオマスの燃焼に伴って約30 TgN y−1 の窒素が発生しており、これら人工的に作り出される「反応性の高い」窒素は、陸上生態系が自然に窒素固定する量と同程度である。産業化以前と比較して環境中の窒素の量が倍増したことにより、陸上生態系の生産性や窒素循環が大きく変化し、環境汚染の原因ともなる。本論では、窒素の増加が生態系へ及ぼす影響を既存のデータや文献に基づいてレビューした。発生した「反応性の高い」窒素は、形態変化を伴いながら、土壌、地下水、河川を経て海へと流出し、その過程で河川・湖沼の富栄養化、地下水の硝酸汚染、海域の低酸素状態（赤潮）などの環境汚染が引き起こされている。また窒素は大気を経由して、自然生態系の機能に影響を及ぼす可能性が指摘されている。窒素飽和はその一つであり、窒素が制限要因でなくなり、根域下及び渓流へ流出する過程の解明が進められている。近年及び今後の人口増加、経済発展の趨勢から、窒素過剰はアジアにおいてより重要な問題になると考えられる。
キーワード：水質汚染、窒素肥料、窒素飽和、富栄養化

１．はじめに窒素は生命体にとって、最も重要な元素の一つである。窒素が主要な構成要素であるタンパク質は、生物の体を形づくる重要な要素であるとともに、酵素やホルモン等として体内化学反応の調節や情報伝達など、生命活動を維持するための重要な役割を担っている。また、生命の本質である
DNAの生成にも窒素は不可欠である。
地球上で窒素の大部分は窒素分子（N 2 ）として大気中に存在し、その量は大気の約 78 ％、 3 . 9 ×1018 kgである。しかし、窒素分子の三重結合を切るためには大きなエネルギーが必要であるため、大気中の豊富な窒素はニトロゲナーゼを持つ細菌類、根粒菌、藍藻など限られた生物のみしか利用することができない。これらの生物は窒素分子を還元してアンモニアを生成し、さらに、アミノ酸や核酸へと同化する。これらの微生物にとっても窒素固定は、外界のアンモニアや硝酸を利用することに比べて、大きなエネルギーを要する
ので、陸上生態系の一次遷移の初期やC/Nの大きいリター分解の初期など、外界に無機態窒素が少ない状態の時にのみ窒素固定が行われる1）。その他の多くの生物は、窒素固定により生成された還元態の窒素や雷によって生じる窒素酸化物など、「反応性の高い」窒素（reactive nitrogen）しか利用できない。従って人為的な影響が加わる以前、窒素
循環速度は微生物による窒素固定の速度に支配され、生態系は窒素制限下にあった。
現在、大気中窒素の人工的な固定や化石燃料の大量使用により、地球上の窒素の状況は大きく変化した。窒素が豊富である環境下で、植物の生産性は向上したが、一方で窒素は環境への大きな負荷となりつつある。人間活動により農耕地や都市から排出された窒素が、河川や湖沼の富栄養化などの環境汚染の原因となるとともに、自然生態系においても窒素の生物地球化学的な循環が変化し、植生など生物相へ影響を及ぼすと考えられている。本稿では、「反応性の高い」窒素の生成量が、人間活動によって数十年の間にどのように変化してきたかをグローバルに見るとともに、その環境への影響の実態及びその評価のための研究をレビューする。

２．窒素負荷量変化のグローバルな推定
微生物による窒素固定は、Burns and Hardy２）によれば、表１に示す様に、陸上で約 140 TgN y−1（140×106 tNy−1 ）､海域で 36 TgN y−1と推定されている。表１において、豆類、水稲の栽培地及び畑地の多くは、以前は森林や草地などであったことを考えると、人為活動が生物的な窒素固定3新藤：人間活動に伴う窒素負荷の増大と生態系影響を増加させてきたと見ることができる。 1890 年のこれら農地における窒素固定量は 15 TgN y−1程度であったと見積もられている ３）。窒素酸化物の生成速度は、雷によるものが 1〜8 TgN y−1或いは3〜5 TgN y−1、バイオマス燃焼によるものが約
6 TgN y−1程度と考えられており３）、人為影響がわずかであった時代、全球を循環する窒素はこれ
らがほとんど全てであった。「反応性の高い」窒素は、土壌、植物、動物へと移動し、各々における代謝の過程でアンモニアとして揮発し、またバイオマスの燃焼などにより窒素酸化物が発生する。
これらは湿性及び乾性降下物として再び地上、海上に沈着する。この頃、陸上に沈着するアン
モニア、窒素酸化物の量は、各々約8 TgN y−1 と推定されている４）。地球上の陸地面積が 1.305×
10 10 ha であるので、この当時の窒素沈着量は平均1.2 kgN ha−1 y−1 程度であったことになる。
地球上の窒素動態が大きく変化したのは、1908 年にドイツのハーバーが水素と窒素からア
ンモニアを合成し、さらに 1911 年にボッシュが表１

陸上生態系における窒素固定量の推定値（Burns& Hardy2）による）.

豆類
水田
畑
草地
森林
未利用地
凍土
( 陸上
海
合計

図１

4

面 積
6
(10 ha)
250
135
1,015
3,000
4,100
4,900
1,500
14,90036,10051,000窒素固定
速度(kg/ha/y)
140
30
5
15
10
2
0
1

窒素固定量
6
(10 t/y)
35
4
5
45
40
10
0
139 )
36
175

その工業化に成功して、大気中の窒素分子を人工的に「反応性の高い」窒素へ変換することが可能になったことによる。当時、チリ硝石などを原料とした窒素肥料が使われてはいたが、火薬製造のための硝酸の原料として硝石の需要も多く、増加する人口に食料生産が追いつかないのではと懸念されていた。ハーバーボッシュ法により窒素肥料を大量に生産することが可能となり、それは食料の生産増大に大きな効用をもたらした。図１は、FAO統計５）に基づいて、世界の単位耕地面積当たりの窒素肥料の使用量と穀物収穫量の 1961 年から現在までの経年変化を地域別に示したものである。単位面積当たりの施肥量はアジア、ヨーロッパを中心に急激な増加を示し、それと同時に単位面積当たりの穀物収穫量も大きく増加した（図でAsia*やEurope*は旧ソビエト連邦に所属していた地域を除いたアジアとヨーロッパを表す。他の図も同様）。ヨーロッパの施肥量が1990年から落ち込んでいるのは、東欧諸国の体制変更に伴う経済停滞によるものと考えられるが、西ヨーロッパのみを見ても 1990 年頃から減少傾向にあり、現在
110 kg ha−1 y−1 程度である。これに対して、アジアは 1990 年代後半まで増加を続け、近年停滞しつつある。特に中国での施肥量の増加は著しく、
1980 年代後半からは西ヨーロッパの施肥量を大きく上回っている。アジアにおいて高収量品種の米、小麦の普及と窒素肥料の大量投入が「緑の革命」を実現した。一方、アフリカ諸国や南アメ
リカ、オセアニアでは単位面積当たりの施肥量
も収穫量も低いままで推移している。このような農業の変化の結果、全球で使用されている窒素肥料は図２に示すように現在80〜86 TgN y−1 に

世界の単位耕地面積当たりの窒素肥料の使用量（a）と穀物収穫量（b）の経年変化（FAO統計に基づく）.

地球環境 Vol.９ No.１のぼる ４）。この内約 60 ％をアジアが、さらにその約半分を中国が占めている。
窒素酸化物の発生も産業化以前の6 TgN y−1 から産業化に伴って急速に増加してきた。1985年〜2000年頃の人為的な発生量は、30〜40 TgN y−1 程度と見積もられており６）、1990年頃の内訳は、化石燃料の燃焼に伴う発生が 21〜22 TgN y−1、バイ
オマス燃料の使用や焼き畑などによる人工的なバイオマス燃焼が 6〜8 TgN y−1を占める４）,７）,８）。
Oliver et al.８）によると、図３に示すように、全窒
素酸化物発生量のうち４分の１がアジアから、その内の半分弱が中国からの発生である（アフリカの寄与が大きいのはサバンナの野焼き、火災が原因）。近年のエネルギー消費量の増加はアジアに

図２３−10（2004）

於いて著しい。世界の一次エネルギー消費量が1980 年から 1999 年までの 20 年間に約 1 . 34 倍にしかなっていないのに、アジアでは 2 . 12 倍に増加した９）。これに伴い窒素酸化物排出量も、1985年の約14 TgNOx y−1 から1997年に28.5 TgNOx y−1 へと約２倍に増加したと推定されている（この推定でのアジアはパキスタン以東）10）。
以上見てきたように、現在、 100 年前のおよ
そ２倍の窒素が陸上生態系を循環していることになる。この結果、陸上に沈着する窒素酸化物
1は、33 TgN y−（
2.5 kgN ha−1 y−1 ）、アンモニアは-1
43 TgN y（
3.3 kgN ha−1 y−1 ）と1890年頃の５倍近くになったと見積もられている３）。

世界の窒素肥料使用量の推移（FAO統計に基づく）.

図３

世界の窒素酸化物発生量の地域別推計値（Oliver et al .8）による）.

5

新藤：人間活動に伴う窒素負荷の増大と生態系影響

３．湖沼・沿岸域の富栄養化と地下水窒素汚染
人為的に生成され、陸上生態系に負荷した「反応性の高い」窒素は、一部は脱窒されて窒素分子となって大気へ戻るが、大部分は大気−植物−土壌系を循環し､生態系内に蓄積し、最終的に河川から海へ流出すると考えられる。
Peierls et al. 11）は、世界の大河川の河口における硝酸濃度は、各々の流域の人口密度と非常に高い相関（r 2 = 0 . 76 ）を持ち、人間活動が窒素の海への輸送を支配していることを示した。また、
Caraco and Cole12）や Seitzinger and Kroeze13）は、各

図４

流域への窒素負荷量（推定値）と河口からの硝酸態窒素流出量（実測値）の関係（Caraco & Cole12）による）.

図５

6河川の流域で発生する窒素負荷を、人間からの負荷（一人当たりの発生原単位（1.85 kgN capita−1 y−1 ）×人口）、窒素肥料の施肥（単位面積当たり施肥量
×農地面積）および大気からの窒素酸化物沈着よりなるとして推定している。図４は、Caraco andCole12）によるデータに基づいて、流域の単位面積当たり窒素負荷量と河口からの硝酸態窒素流出量（実測値）とをプロットしたものである。両者にはかなり高い相関が見られ（r 2 = 0 . 76 ）、平均的には
人為的に負荷された窒素の 16 ％程度が硝酸として河口から流出していることがわかる。彼らは、人間からの負荷は点源として直接河川へ放出され、陸地へ負荷された肥料や大気降下物は浸透して河川へ流出すると仮定し、さらに、陸地から河川への浸出率、河川による河口への流達率が流出
水量のべき乗に比例すると仮定して、河口からの硝酸流出量を推定したところ、実測値と更に良い一致が見られた（r 2 = 0 . 89 ）11）。著者らも東アジアの河川流域を対象に、施肥、農耕地および草地における窒素固定、食料の輸出入、窒素酸化物の発生などから推定した窒素負荷に基づき、土壌中を浸透する間に脱窒等によって窒素が除去される速度が気温と土壌層中の滞留時間に依存するとの仮定の下に、河川河口からの窒素流出と河川水濃度を推定した14）。これによって東アジアの大河川中の硝酸濃度の地域的な傾向15）を再現することができ、また、中国の華北平原東部の集約的な畑作地帯を流れる比較的小規模の河川において窒素濃度が著しく高い可能性が推定された14）。図５に、国連環境計画（UNEP）のGEMS/waterプログラムによ東アジアの河川水硝酸濃度の経年変化（GEMS/waterデータベース15）に基づく）.

地球環境 Vol.９ No.１

り収集されている世界の河川水質データベー
ス15）から、東アジアの河川水硝酸濃度の経年変化を示した。中国は３つの大河川についてのデー
タしか無いが、黄河と長江では 1980 年代から濃度が顕著に上昇しているのに対して、南部の珠川はあまり変化していない。またインドやパキスタ
ンの一部の河川で、やはり 80 年代後半以降、高濃度となってきたのがわかる（インドは流域面積が10,000 km2以上の河川をプロットした。パキス
タンの河川の規模は不明）。一方、1998年においても窒素肥料を 8 . 2 kgN/haしか用いていないラオス５）では河川水硝酸濃度はずっと低いままである。
流域から河川へ、また河川を通して湖沼、沿岸域へ流入する窒素をはじめとする栄養塩は、
植物プランクトンの増殖を促し、動物プランク
トン、更に魚類の成育を促進し、漁業に恩恵をもたらす。しかし過大な栄養塩の流入による富栄養化は、湖沼でのアオコや海域での赤潮の発生などを引き起こし、湖沼や沿岸海域生態系へ悪影響を及ぼす。我が国では、 1970 年代から河川、湖沼、海域の公共用水域 3,000 余地点で水質観測が行われており、例えば環境基準の達成率16）を見ると、河川のBODは昭和49年度の51.3％から平成
13年度の81.5％まで徐々に上昇してきたが、湖沼のCODでは41.9％（1974年）から45.8％（2002年）とほとんど改善が見られない。海域では70.7％から
79.3％へと多少向上したが、東京湾、伊勢湾、瀬戸内海といった閉鎖性水域での達成率は低い。
東京湾では 1950 年代後半から始まった海水中有機物濃度の増大による汚濁は、千葉県沖合で継続的に観測された結果によると、 1970 年代前半にピークに達した後ある程度改善されたが、 1976
年以降、年度による値の変動はあるものの、ほとんど改善の傾向にはない17）。一方、硝酸性窒素、アンモニア性窒素濃度は増加を続けており、このことから、 1970 年前半に下水道整備や規制の強化により有機物の河川からの流入が減少して東京湾のCODが改善したが、それ以降は流入す
る栄養塩によりプランクトンが増殖することに起因する２次汚濁が進行しているためと考えられている 17 ）。同様のことは東京湾や瀬戸内海における公共用水域データからも伺える。 1979 年に東京湾と瀬戸内海に河川から流入するCOD発
生負荷量は各々477 t day−1と1,012 t day−1 であったのが、1999 年には 247 t day −1 と 630 t day −1 へと大きく減少しているのに、この間平均COD濃度
は各々3.0 mg L−1 と2.0 mg L−1 程度とほとんど変化
していない 16）。瀬戸内海における赤潮発生件数

３−10（2004）

は、 1960 年代から 1970 年代前半に急激に増加して1979年に299件に達した後徐々に減少したが、1980年代後半以降は、年間100件前後と停滞している18）, 19）。
赤潮は、窒素やリンの過剰な水域で植物プラン
クトンや動物プランクトンが異常増殖して起こる現象であり、それ自身が有毒であるプランクトンの発生により養殖魚類や貝類の斃死を招く場合、またその種類によっては、食物連鎖を通じて人間へも害を及ぼす場合もある19）。しかし、毒性のないプランクトンでも大増殖した場合、呼吸によって、また、その遺骸が海底へ沈降して分解されることにより酸素を消費するので、低層の海水が低酸素或いは無酸素状態になり、低層に棲息する生物を窒息死に至らせる。低酸素水域の発生は各地で問題となっているが、メキシコ湾が北半球で最大であると言われている 20）。NOAAのNational
Centers for Coastal Ocean Scienceによる1985年から継続した観測によれば、夏に特にメキシコ湾の北部の広大な面積で、低層の溶存酸素濃度
が 2 mg L−1以下となる（ 1985 〜 1992 年の平均低酸素海域面積は 8 , 000 〜 9 , 000 km 2 、 1993 〜 1997
年は 16 , 000 〜18,000 km2 ）21）。アメリカ合衆国全土の約 40 ％を占める流域を持つミシシッピー川
は、現在1.6×106 tの硝酸態窒素、0.1×106 Nのリン、 2 . 1 × 10 6 tのSiを毎年メキシコ湾に運んでいる。しかし 1960 年頃には窒素とリンの流入量はずっと低く、N/Si、P/Si比が近年顕著に増大してきたと推定されており、近年のメキシコ湾の富栄養化、そしてその結果としての低酸素は、ミシ
シッピー流域からの窒素とリンの流入に起因すると考えられている21）。
窒素の負荷の増大によるもう一つの直接的な影響として、地下水の硝酸汚染の問題がある。硝酸性窒素を多量に含む水を摂取した場合、硝酸塩が体内で細菌により亜硝酸塩へと代謝され、亜硝酸塩は血液中でメトヘモグロビンを生成して呼吸酵素の働きを阻害しメトヘモグロビン血症を起こすとされ、飲料水中の硝酸イオンの基準が各国で決められている。WHO基準は50 mg NO3 L−1 、日本の1
水道水基準は、10 mg NO3 -N L−（約44 mg NO3 L−1 ）と定められている（厚生省令第 69 号、平成４年）。
また平成９年に環境省により地下水の環境基準として水道水基準と同じ濃度が設定された。
我が国でも農業地帯で、しばしばこの基準を上回る地下水硝酸濃度が測定されている。2001年に環境省、地方公共団体が調査した結果によると、観測した全国 4 , 017 の井戸のうち 5 . 8 ％に当たる
231 カ所で 10 mg NO 3 -N L −1 の環境基準を超えて7新藤：人間活動に伴う窒素負荷の増大と生態系影響いる22）。しかし地下水の硝酸汚染は、むしろ発展途上国でより深刻な問題を引き起こしている可能性がある。中国北部（北京、天津、河北省、山東省）における飲料水、地下水の調査によると、
69 カ所のうち 36 カ所で硝酸イオン濃度が飲料水
基準（50 mg NO3 L−1 ）を超え、最高300 mg NO3 L−1にものぼると報告されている23）。これらの地域、
特に農村部では、下水処理が十分でないため井戸
水が高濃度の硝酸塩だけでなく細菌にも汚染されている場合が多いと考えられ、先進国に比べてメ
トヘモグロビン血症の危険性が高い。

４．大気からの負荷の増大による自然生態系の窒素循環変化
人的な汚濁の流入しない自然生態系も、「反応性の高い」窒素の増加により、大気からの窒素沈
着量の増加という形で間接的に影響を受けている。本来窒素制限下にあった森林生態系に、硝酸イオンやアンモニウムイオンとして窒素が長期的に負荷することにより、植物の成長促進、
微生物活性の変化などを通して、生態系の内部循環に影響を及ぼすと考えられる。 1980 年代ころより生物地球化学的観点から、この過剰な窒素の問題がヨーロッパ、北アメリカを中心に大きな関心の対象となっている 24）−26）。窒素の供給
量が植物や微生物が必要とする量を上回った場
合、根域から下方へ、そして渓流・河川への窒素流出が増加するのではないか、また窒素の過剰が土壌や陸水の酸性化を引き起こして森林生態系の衰退につながるのではないか。これらの解明のために、ヨーロッパではNITREX（Nitrogen saturation
experiments）やEXMAN（Experimental Manipulationof Forest Ecosystems in Europe）といった研究ネッ
トワークによって大規模（生態系規模）に窒素の負荷量を変化させる実験を行った 27）,28）。窒素負荷量が2.6 kgN ha−1 y−1 から59 kgN ha−1 y−1 にわたる
様々な生態系を選定し（NITREXでは７カ国８地
点、EXMANでは４カ国６地点）、負荷量の小さい地点では人工的に窒素を負荷し、負荷量の多い地点では窒素除去を継続的に実施した28）。一方、
北アメリカでは、ハバードブルック実験林や、ア
ディロンダック森林流域における長期間のモニタリングとともに、樹木伐採試験や窒素添加試験等を実施し 29）−32）、これらの結果に基づいてAberら
は、「窒素飽和」と呼ばれる窒素過剰な状態は次の様なステージを経て進行するという仮説を提案した25）,26）：（ステージ０）外部からの負荷が小さく、生態系

8は窒素制限下にあり、負荷された窒素はほとんど植物や微生物に利用される。植物の成長期である
春から夏には根域下や渓流への窒素流出は起こら
ず、休止期である冬にわずかに流出する。
（ステージ１）負荷が増加しても初期にはほとんど
影響は現れず、むしろ植物の成長や活性を促進する。
（ステージ２）窒素飽和の状態。大気から、及び土壌中の有機物無機化による窒素供給が植物や微生物が同化できる量を超え、窒素が森林成長の制限
要因ではなくなる。アンモニアの形態で窒素が土壌内に蓄積されている間は、窒素飽和は生態系自身に大きな影響を与えないが、これが硝化されることにより、硝酸が夏季にも流出し土壌や渓流水の酸性化引き起こし、また、林床からの亜酸化窒素の発生が促進されるなど、生態系の機能に変化が生じる。
（ステージ３）森林成長速度、バイオマスが減少
し、一方、有機窒素の無機化が一層促進されて、森林生態系が窒素のソースとなる。即ち、大気からの負荷よりも沢山の窒素が流出する。
前述した調査や実験により、ヨーロッパの森
林生態系は場所によって非常に異なる量（１〜75 kgN ha−1 y−1 ）の窒素負荷を受けており、負荷量レベルと窒素流出量に関係があること33）、林床のC/N比が25以下になると流出が起こり、外部からの負荷のみではなく生態系内への蓄積の過程が重要であること33）、負荷と流出が既にバランスしている窒素飽和に近い生態系では人工的な窒素負荷の変化に対して即座に応答して流出量が変化すること35）など、仮説を支持する結果が得られている。15 Nを用いた実験によって、窒素飽和に達していない生態系では負荷された窒素の大部分は土壌に蓄積され35）、その大部分は植物を経由することなく直接土壌有機物となることが明らかとなり、蓄積のメカニズムについて検討が続いている36）。また、窒素飽和のメカニズムの仮説に従えば、森林は成熟するにつれて窒素流出量が増加
していくはずであるが、ハバードブルック実験林
において 1973 〜 1974 に測定したのと同じ流域で1996 〜 1997 年に渓流水を測定した結果、窒素流出量が20年前より減少しており37）、現在もメカニ
ズム解明の途上にある。
我が国でも窒素が多量に流出する流域が存在し、欧米の窒素飽和の議論に基づいて研究が進められている。欧米では植物の成長期の夏季に流出が起こることが窒素飽和の指標であったが、我が国ではむしろ夏季に窒素流出が観測される38）。これは夏季に降水量が多いため、降雨により地下水

地球環境 Vol.９ No.１

位が上昇するこの時期に浅層地下水や土壌水中の高濃度の窒素が流出するためと考えられ、窒素流
出のメカニズムにおいて水移動を考慮することの重要性が指摘された39）。これまでの研究はほとん
ど温帯及び寒帯林を対象としたものであるが、熱帯の生態系では高い生物活性により土壌−植物系
での内部循環が大きく、窒素循環の特性および窒素飽和への過程も異なることが予想される。

３−10（2004）

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人間は100年前と比べてより沢山の食料を消費
し、より快適な生活を送ることができるようになった。沢山の食料を生産するために化学肥料は不可欠であり、快適な生活は大量のエネルギー消費に依存している。人間は100年前の生活に戻ることはできない。アジアなどの発展途上国では、今後ももっと質の高い生活を目指すであろうし、
アフリカ諸国では十分な栄養を確保するために食糧の増産も必要である。従って「反応性の高い」窒
素は今後、環境中にますます蓄積する。
これまで窒素による環境汚染は主としてヨー
ロッパ、北アメリカを中心とした先進国で問題とされ、研究も欧米を中心に行われてきた。しかし、窒素問題はアジアに移りつつある。現在、既に窒素負荷の約半分はアジアにおいて発生している。アジアの陸地面積は世界の 24 ％であり、単位面積当たりの負荷量はまだヨーロッパの約1/2であるが、北アメリカの２倍である。一方 、 ア ジ ア の 一 人 当 た り の 窒 素 負 荷 量（ 発 生量）は、 15 kgN capita −1 y −1 で、ヨーロッパと北米の38 kgN capita−1 y−1 、46 kgN capita−1 y−1 よりかなり小さい。人口増加の続いているアジアが、欧米なみの生活水準を目指すとすると、今後アジ
アにおける窒素発生量は莫大なものになると予想され、それを如何に制御しながら発展を実現するかが重要となって来る。そのためには、気象、土壌、植生などの自然条件が欧米とは異なるアジアを対象に、生態系内で窒素の挙動と環境への影響を明らかにすることがまず必要であろう。

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