産総研シンポジウム「窒素循環における課題とその解決に向けて」
2021年11⽉ 8⽇（⽕）13:00〜17:00 オンライン開催

窒素循環に関する課題と解決策―農業研究の⽴場から

江⼝定夫1、朝⽥景1、平野七恵1、箭⽥佐依⼦1、森昭憲2、廣野祐平3、
濵⽥耕佑4、安⻄俊彦4、松本成夫5
1農研機構

農業環境研究部⾨ ⼟壌環境管理研究領域 ⼟壌資源・管理グループ
2農研機構 畜産研究部⾨ 畜産飼料作研究領域 省⼒⾁⽜⽣産グループ
3農研機構 果樹茶業研究部⾨ 茶業研究領域 茶品種育成・⽣産グループ
4国際農林⽔産業研究センター 熱帯・島嶼研究拠点
5国際農林⽔産業研究センター ⽣産環境・畜産領域1

反応性窒素（reactive nitrogen, Nr）の増⼤と地球環境問題
地球上の自然・人為プロセスによる「新しい」反応性窒素（Nr）の生成量（Tg N/年）
自然プロセス海洋生態系の生物学的窒素固定
陸域生態系の生物学的窒素固定
雷による放電人為プロセス
化学工業的窒素固定 化学肥料
工業用原料
農地の生物学的窒素固定
化石燃料の燃焼Planetary boundary（地球の限界）

203
140585210
97236030

Fowler et al (2013) Phil Trans Royal Soc B 368 (1621):
20130164 より作成

 ⼈為プロセスによる「新しい」Nr⽣成（210）は、既に、⾃然プロセス（203）を超過

環境省HP https://www.env.go.jp/policy/hakusyo/h30/html/hj18010101.html

 地球２個分以上の「新しい」Nrが⽣成

 Nr負荷の削減は、地球規模での喫緊の課題!!

 その75%以上は農業利⽤（農畜産物の⽣産）

 特に、フードシステムでのNr負荷削減が必要!!

2地球上のNrプールを増⼤させないために反応性窒素（Nr）の大きな利点

なろりん 農地⼟壌の肥沃化 → 安定した作物⽣産 → ⾷料安全保障
 ｢新しい｣Nrが20世紀の⼈⼝爆発（16億→60億⼈）を⽀えた
反応性窒素は、ただ減らせば良いのではなく、どう使うのか？が重要「新しい」Nrの⽣成を極⼒減らし、既に地球上に⼤量に存在する「古い」Nrを如何に効率的に循環利⽤するか︖が問題

有機物主体の⾷べるNr
環境保全型農業へ「古い」Nr「新しい」Nr

⾷料⽣産側と⾷料消費側の双⽅に、多くの課題がある「新しい」Nr︓化学肥料Nr、⽣物学的窒素固定Nr、etc「古い」Nr︓家畜排泄物Nr、⾷品廃棄物Nr、作物残渣Nr、⼟壌有機物Nr、etc

3

⾷の窒素カスケード（nitrogen cascade: プールと漏れがある階段状の滝）
新たな反応性窒素（化学肥料窒素、農地の⽣物学的窒素固定）

⽔⽥からの脱窒（N2)農畜産業

環境保全型農業の推進
 「新しい」Nr（化学肥料）の削減

上流部

 「古い」Nr（家畜排泄物堆肥など）の利⽤促進（耕畜連携など）

⽔産加⼯
流通

溶脱（流出）
揮散等
反応性窒素リサイクル（堆肥、循環灌漑等）

 上流部（⾷料⽣産側）だけでは、環境保全型農業を⼗分に推進することは出来ない

排泄等
⾷品廃棄物
⾷品ロス

消費下流部

 下流部（⾷料消費側）が環境保全型の農畜産物を要求し、上流部がそれに応える、という構図が必要

駆動⼒は︖
→

排泄等

環境中への反応性窒素排出

⾷の窒素フットプリント

消費者ニーズ（市場ニーズ）

消費〜⽣産の全体を制御すること（消費者の理解・協⼒）が必要!!
江⼝・平野（2019）⽇本⼟壌肥料学雑誌 90(1):32–46 を⼀部改変

4窒素フットプリントとは︖
 様々な人間活動（食料生産～消費、エネルギー消費）を通じて環境中に排出される反応性窒素の総量
消費者行動と窒素排出を定量的に結び付ける指標
Org-N
N2O

従来の指標・基準は、排出者（農家、工場等）が対象

NOx

NH3のうかんけん

窒素フットプリントは、「窒素負荷問題の根源は、消費者の生活にある＝主役は消費者」ということを、定量的に示した簡易指標として画期的!!

N2O

Org-N
NO3–5仮想窒素係数（virtual nitrogen factor, VNF）
⽇本の主要⾷品群別のVNF（輸⼊⾷飼料を考慮）

農地に⼊った「新しい」Nr

仮想窒素係数（VNF）

有効利⽤されたNr
作物が吸わなかったNr
⽜にならなかったNr

溶脱

排泄物

VNF =摂取前のNr排出
摂取前のNr排出

摂取Nr
摂取Nr

⽜の⾷べられない部分のNr
加⼯で捨てられたNr ⾷べられなかったNr
⾷品廃棄物

⾷べる前に環境中に排出されたNr

⾷品ロス

⾷品群・項⽬名

VNF

穀類
いも類

1.5
4.9

⾖類

1.3

野菜

5.5

果実

7.5

⾁類
⾷べた
Nr

⾷べすぎNr

⾷の窒素フットプリント

 ⾷品群によって、VNF値は⼤きく異なる︓⾖類・⿂介類で⼩さく、畜産物で⼤きい 摂取するタンパク質の量と種類によって、環境中へのNr排出量が異なる

⽜⾁
豚⾁

12.4
6.7

鶏⾁

6.0

⽺⾁、その他

5.2

鶏卵

6.7

⽜乳及び乳製品⿂介類

2.70.8海藻類

6 60.2

0

⽜⾁
5

野菜
⾖類
⼩⻨・その他穀類
⽶

1980

1990

2000

2010

1960
1960

1970

1965

01960

1970

1980

1990

2000

2010

2015

100

豚⾁

2010

200

鶏⾁
10

植物性

＜⾷品ロス＞
1千4百万⼈分の⾷料約4兆円の⾷費

300

タンパク質のタンパク 摂りすぎ
質摂取の推奨量
⾷料⽣産〜
消費過程の⽇本の窒素ロスを総⼈⼝の⼈体 33％削減
可能

2005

基準値の変化

400

22％は

鶏卵

2000

摂取

151995

摂りすぎ

500

11％は
供給
⾷品ロス 純⾷料 ⾷品ロス

⿂介類
⽜乳・乳製品

1990

600

料のうち…

1985

700

1980

⾮可⾷部

（果物の⽪や卵の殻など普通⾷べない部分）

供給
2015年、
粗⾷料 供給純⾷

1970

800

⾷の窒素フットプリント（kg N/⼈/年）

20

1975

900

2015年と1970年は供給純⾷料のタンパク質量が同じだったが、⾷の窒素フットプリントは1970年のほうが19％⼩さい

動物性タンパク質に含まれる窒素量（Gg N/年 または Gg N）

⾷品ロス・⾷べ過ぎの削減と⾷の選択による窒素負荷の削減

 ⾷品ロス・⾷べ過ぎの削減により、33%削減
 1970年頃の⾷事（⿂介類と⾖類等植物性タンパク質が多い）により19%削減（→ 併せて、46%削減可能!!）7 栄養学的に健康な⾷事と、窒素負荷の⼩さい⾷⽣活は、同じ⽅向 江⼝・平野（2019）⽇本⼟壌肥料学雑誌 90(1):32–46 を⼀部改変

農地⼟壌︓⾷べ物（＋繊維など）が⽣まれるところ＜環境＞＜⼈間社会（⼈間圏）＞
投⼊N

⼤気圏への負荷

温室効果ガス（N2O）の排出等

⽔圏への負荷硝酸態窒素（NO3-N）の溶脱・流出等

排出N

100

55

化学肥料
堆肥
⽣物的窒素固定
灌漑⽔ etc

収穫N

45
⾷料 etc

農地⼟壌（＝⼈間と環境の間にあるインターフェイス）を持続可能かつ⾼度に利⽤
農地⼟壌の向こう側にある⽔圏・⼤気圏への窒素等による環境負荷を制御することが出来る（はず）8
化学肥料に依存せず⼟壌機能の最⼤化（作物・家畜⽣産性の維持・向上）と持続可能な利⽤を実現

⼟壌中の物質循環（⽔・炭素・窒素等）の設計・制御とモデル化
90
CM25

牛糞堆肥25%区

CM75

牛糞堆肥75%区-1

Observed and simulated NO3-N concentrations in drainage water (mg L )60

国内各地の⻑期モニタリングデータを⽤いて、プロセスモデル（改良LEACHM）の適⽤性を評価 → 妥当な予測精度

30
090
60
30

農業⽣態系（様々な有機質肥料、輪作・混作体系、etc）全体の物質循環（⽔・炭素・窒素等）をデザイン・制御する次世代型の⼟壌・作物管理技術の開発とそのモデル化へ

090

豚糞堆肥25%区

SM25
60
30
090
SM75

豚糞堆肥75%区

60

有機農業の公的ルールは常に検討すべき（2050年のルールは今とは違うはず）

30
0120

化学肥料100%区

60
30

04050607Year耕盤層

下層土Obs.
Sim. Linear
Sim. Non-linear

CF10090003

作土層

080910有機物長期連用土壌（黒ボク土野菜畑ライシメータ圃場、緑肥作物ソルガム導入、茨城県農業総合センター）における硝酸態窒素溶脱モニタリング結果（約8年間）とそのモデル化（改良LEACHM）
Asada et al (2018) Nutr Cycl Agroecosys 110:307–326

9国際的な窒素供給のアンバランス
世界の地域別の⼈⼝割合（2018年）

窒素肥料の使⽤量割合（2008〜2017年）

 窒素肥料使⽤量の地域別シェ
アは、アジアは60%で⼈⼝割合と⼀致
 アフリカは僅か3%に過ぎず，⼈⼝割合に⾒合った化学肥料が使⽤されていない 反対に、南北アメリカ，欧州，オセアニアは、それぞれ、21%，14%，1.4%と⼈⼝割合を⼤きく上回っている ⼈⼝⼀⼈当たりに換算すると，南北アメリカ，欧州，オセアニア
では世界平均の1.4〜2.8倍の窒素肥料を使⽤しているのに対して，アフリカでは世界平均の1/5しか利⽤していない

FAOSTAT: Food and agriculture data より作成

10

⽇本のフードシステム（国内・海外）における窒素投⼊量・排出量
1960年 ⾷料⾃給率 79%
窒素利⽤効率 30%

2007年 ⾷料⾃給率 40%
窒素利⽤効率 18%

窒素投⼊
国内
1161

窒素投⼊
海外
128

輸⼊⾷飼料
102

供給
純⾷料
381

381
排泄供給純⾷料
616

882
国内

25
海外

摂取前の窒素排出52393
排泄 ⾷品ロス

輸⼊⾷飼料
1110
1110

摂取
523

摂取381

海外
2123

国内
784のうかんけん1277
国内
摂取前の窒素排出1013
海外
江⼝（2019）理科教室 62(12):38–42

 ⾷飼料輸⼊が多い⽇本の消費者の⾷⽣活は、海外の輸出国における環境中への窒素負荷に多⼤な影響
 ⾃給率が低い（or 輸⼊Nフローに占める割合が⾼い）品⽬（濃厚飼料など）の有機栽培（無化学肥料Nr）

11国レベル〜地域レベルの⾷の窒素フロー解析、シナリオ分析
⽇本の⾷飼料システムにおける窒素フロー（2007年） 単位︓Gg-N

 国〜地域レベルの窒素フローの現状把握、問題点の抽出、シナリオ分析、効果的な削減策の提⽰ 資源循環型の農業及びフードシステムの実現に向
けては、まずは、地域レベルから、可能な取り組みから、開始する 島嶼環境は、地球環境の縮図
 サンゴ礁（海洋⽣態系）は、島の経済を⽀える貴重な観光資源かつ⽔産資源
 島の基幹作物であるサトウキビ畑に、島の製糖⼯場から出る有機物（バガス灰、フィルターケーキ）や、⽣産が盛んな⾁⽜（主に繁殖〜育成）から出る有機物（⽜糞堆肥）を連⽤
Ishigaki Island

松本ら（2017）⽇本⼟壌肥料学雑誌 88(1):1–11 より作成

 島全体の窒素循環、作物⽣育、⼟壌の物理性等に与える影響を評価
12

⾏政施策、法的措置（規制）、公的資⾦投⼊などは⾮常に強⼒
社会全体が、対話・議論・協働するためのきっかけ・⼤義名分を与え、⾰新的な技術開発や社会・経済活動の変⾰を後押しする 欧州では、硝酸塩指令（Nitrate Directive）、⽔枠組み指令（Water FrameworkDirective）など → OECD農地の窒素収⽀の⼤幅な低下 → Farm to Folk戦略へ
 国内では、⽔質環境基準（硝酸性・亜硝酸性窒素濃度 <10 mg N/L）、第99代内閣総理⼤⾂の所信表明演説（温室効果ガス排出を実質ゼロ）、みどりの⾷料システム戦略（有機農業⾯積25%、化学肥料削減30%、etc）など
 ⾷育の場として、学校給⾷（などの公共⾷堂）に有機農産物を導⼊することの重要性（デンマークでは⾷材の60%を有機産物にする⽬標を掲げ、法律や補助⾦により⽀援 →⾸都コペンハーゲンでは既に約90%が有機⾷品）
有機農産物に対して、安定した市場ニーズを提供する
有機農業とは何か︖
児童・⽣徒の親（家庭の⾷卓、農家の⽣産⽅式）を変える可能性
5〜10年後には⼤⼈の消費者となり、有機農産物を嗜好する（だろう）
浅井（2016）農業 1615:62–67、 江⼝ら（2021）⽇本⼟壌肥料学雑誌 92(3):280–288、 江⼝（2021）技術と経済 655:1–10、 IFOAM (International13
Federation of Organic Agriculture Movements) (2020) https://euorganic2030.bio/initiatives/organic-on-every-table/organic-conversion-kitchens/ 農業（主に⾷料を⽣産）に関わる窒素循環の問題解決のためには、⽇本のフードシステム全体（社会全体）として取り組むことが必要、窒素負荷削減ポテン
シャルはかなり⼤きい ⽣産側では、化学肥料削減（適正施肥）と有機物主体の資源循環型農業（有機農業⾯積25%に拡⼤）への転換を進め、作物の⽣産性・品質の向上と環境負荷低減を両⽴する⾰新的な⼟壌管理・作物栽培技術（次世代型の有機農業技術）の開発・普及、農業⽣態系全体（輪作・混作、養分バランス、⼟壌断⾯の物理性・⽣物性変化、etc）を対象とした物質循環モデル開発・シナリオ分析が必要
 消費側では、栄養学・医学的に健康な⾷事と環境負荷が⼩さい持続可能な⾷⽣活の関係解明を進めると共に、窒素フットプリントのような簡易指標を⽤いて、両者の関係をまず社会全体に知ってもらうこと、持続可能な農業拡⼤及びフードシステム構築のために対話・議論・協働することが必要
 国レベル〜地域（流域）レベルでの窒素負荷削減シナリオを策定すると共に、まずは地域（流域）レベルを対象に、資源循環型フードシステムの実現に向けた取り組み（実践）を進めることが必要
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