循環型社会を見据えた窒素の物質循環モデルの構築

松波邦治（筑波大学大学院 環境科学研究科修士課程）*
氷鉋揚四郎 (筑波大学大学院 生命環境科学研究科)

１．はじめに
我々生命体を構成する上で、窒素は必要不可欠な元素である。これは、アミノ酸やタンパク質を形成している基本的な成分であり、また生命体の DNA を形成する基本的な組成でもある。
さらに、窒素は生物の代謝系においても重要な役割を持っている。例えば、呼吸の際に酸素の代わりに酸化形態の窒素を利用できる有機体が存在する。その一方で、還元された窒素を酸素で酸化することでエネルギーを解放し、そのエネルギーを利用するものもある(1)。このように、窒素は生命体を維持するためには必須元素であるものの、硝酸態窒素による地下水汚染、また大気中に放出された窒素酸化物による地球温暖化や大気汚染が大きな問題となっている。
これまで、窒素に関するこのような問題への対策として、工場や下水よりの窒素成分除去に研究、技術開発に主眼が向けられてきた。ここで問題となっている窒素の主な排出源を考えてみると、その多くの場合は窒素肥料に行き着く。我々人類は、それを大量生産するために大量のエネルギーを消費し、大気中の窒素を固定している。このことを考えると、また新たにエネルギーを与えて脱窒するのではなく、窒素が不足している農地などに還元し、循環利用されるべきだと思われる。このように、これからの社会において、窒素においても循環型社会が一つのキーワードになると考えられる。
しかしながら、一口に循環型社会と言っても、各国において、その事情は異なる。窒素が全体的に不足している地域（アフリカ諸国、砂漠など）や、逆に窒素が飽和している地域（日本、韓国など）が存在しており、世界的視野で見るとかなりのバラつきがある(2)。そこで本研究では、まず窒素過剰地域のひとつである日本に焦点をあてて、窒素の物質循環モデルを構築する。
さらに、新技術導入、新政策実施後の新たな窒素の物質循環モデルを再構築し、その経済性を考察することにする。
２．事例研究窒素の物質循環に関する研究報告は、主に次のようなものが挙げられる。2002 年に川島らは、窒素に関連した水環境問題において、水域に流入する窒素肥料や世界貿易による窒素の流入に着目し、今後の循環型社会を見据えて社会・経済システムがどのように変革していくかについて、総合的な視野からそのアプローチを試みている(2)。また、同著者らによって、 わが国における食料供給と窒素循環 (3)、 利根川中流域における発生窒素負荷量の増加とその原因解明 (4)、 酸性雨と地球規模の窒素循環 (5)といった窒素と関連した様々な研究も行われている。
しかしながら、窒素の物質循環において、物質収支と価値収支の関係をシミュレートした研究はほとんど存在しない。そこで本研究では、新技術導入や環境負荷低減政策の実施を想定し、社会経済モデルを用いたコンピュータによるシミュレーション分析を行った。日本国内における窒素酸化物の排出量の制約条件下で、経済活動を最大化するための新政策とその効果を明らかにすることを目的とする。

３．生態系における窒素の物質循環について

定常状態でバランスよく循環

N2
生物固定

脱窒

遺体分解

糞尿吸収
有機態窒素
Organic-N

アンモニア態窒素(NH4＋)

硝酸態窒素(NO3-)

地下水

図１．生態系における窒素循環
参考：Binle-Lin Ph.D.IIS of University of Tokyo

人為的な影響がない場合は、大気中の窒素は根粒菌などによって固定され、生態系においていろんな物質移動変換を辿りながら、最終的に脱窒により、再び窒素ガスに還元される。その間に様々なプロセスがあるが、これらのプロセスは自然生態系本来が持っている調整能力によって、互いフィードバックしながらバランス良く循環しており、定常状態になっていると考えられる（図１）
ＩＮＰＵＴ

オゾン層破壊成層圏

ロス

NH3/NH4＋
NOx/NO3-

対流圏

自然現象による固定

生物固定バイオマス燃焼
化石燃焼

大気化学反応バイオマス燃焼
化石燃焼

N2

ＯＵＴＰＵＴ
系内の窒素移動・変換

N2O/NO

地球温暖化

大気汚染

人為的固定
硝化 (N2O/NO)
脱窒 (N2/NO/N2O)
揮発 (NH3)
化学肥料
生ゴミ
工業排水など 排水

土壌
糞尿
分解

有機態窒素
Organic-N

無機化

植物吸収

硝化

アンモニア態窒素(NH4＋)

脱窒

硝酸態窒素
(NO3-)
溶出地下水脈

地下水・河川図２．現在の窒素の物質循環

土壌汚染
地下水汚染
富栄養化湖沼、海一方、人間の影響がある場合の自然生態系における窒素の物質循環の概念図を示した(図２)。
この中で環境にとって特に重要なことは、大気圏における亜酸化窒素(N2O)濃度の上昇と、地下水・湖沼中の硝酸イオン (NO3−) 濃度の増加である。前者は、成層圏のオゾン層を破壊し、対流圏の地球温暖化に大きな影響を及ぼしている。後者は、飲料水の水質悪化と富栄養化に代表される生態系の変調に大きく関与している。
従来の循環が成り立たなくなってきた主な原因として、工業的な窒素固定（ハーバー・ボッシュ法）による窒素肥料の使用量の増加がある。しかも、窒素肥料を製造するには、ほぼ固定される窒素量に等しい化石燃料が必要である。世界では約 8553 万トン(1999)の窒素肥料が用いられているが、人類が使用しているエネルギーは石油消費量の換算で約 84.6 億トン(1997)であるから、窒素肥料の製造するために消費しているエネルギー量は、人類が消費している全エネルギー量の約 1/100 にも相当している(6)(7)。このように、大量のエネルギーを用い固定された窒素化合物を再びエネルギー用い脱窒することは、地球環境問題を考える上で得策とは言えない。将来的には、窒素においても循環型社会の構築が重要視されるべきであろう。
４．日本国内における窒素の物質収支
海外農地の土壌流出・土壌劣化
海外での農地開発による森林破壊

日本全体から温室効果ガス（亜酸化窒素）発生 200

自然界の窒素固定
121
肥料
800

輸入農産物
632

農産物369

飼料345
畜産業
食用農作物
659

農 業

糞尿
166
堆肥

堆肥
農地からの流出
552

処理

生ごみ
し尿
排水

水域などへの排出 魚
258
993

処理

食肉179

人間活動
輸入食肉
79

水域などへの排出145

単位：1000Nトン
2000年レベルで算出

廃棄物処理コストの増大、堆肥利用の行き詰まり

水域の富栄養化
地下水の汚染（亜硝酸性窒素など）

図３．日本における窒素収支
本研究では、日本における窒素収支を過去の統計より算出した（図３）。窒素肥料使用量はポケッ
ト肥料要覧(2000)に依った。また、窒素酸化物の排出量は、IPCC の資料(8)を参考にした。さらに農産物・水産物の生産量、輸入量は、農林水産省の統計(2000)に依った。窒素量への換算は、穀物中たんぱく質は 8.2%、水産物のタンパク質中の窒素量は一律 16%、として計算している。糞尿中の窒素含有量は、乳牛 0.44%、肉牛 0.48%、豚 0.90%、養鶏 1.36%として計算している。農耕地における窒素固定量の推定は非常に難しく、信頼すべきデータも少ないが、日本のように温帯の肥沃な耕地では 30[kg ha-1 year-1]程度(出典：Paul,E.A. and F.E.Clark(1989)、Soil Microbiology andBiochemistry) とされている。これより、日本の農耕地面積を求めることにより算出した。

５．日本における窒素の物質循環モデルについて

肥料
X2

NH3
石油
I5

自然界の窒素固定
I1

NOX
N１

人為的な窒素固定
X1

輸入農産物
I2
農産物
X3

NOX
N2

飼料
Y1

畜産業
農業

工業原料
V1堆肥
T1

工業製品
V2

食用農作物
X4

糞尿
Y2処理

堆肥
T2
農地からの流出
W2

工業産廃
W1

NOX
N3

処理

生ごみ
し尿
Z

水域などへの排出
W3

NOX
N4

食肉
Y3

人間活動
輸入木材などI4

輸入食糧、魚I3水域などへの排出、余剰堆肥
W4

図４．窒素の物質循環のモデル図
日本における窒素の物質循環のモデル図を作成した（図４）。本モデルには物質収支と価値収支が考慮された投入産出モデルをベースとしている。目的関数は GDP とし、上記のフロー条件において NOX 排出 、 農地、水域からの流出 に制約をかけて、人為的な窒素固定を操作変数（政策変数）として目的関数の最大化問題を解いた。シミュレーションソフトには、
RINDO 社の RINGO を用いた。
その結果、窒素肥料の施肥量の改善、有機物と窒素肥料の併用の促進といった政策が、窒素における物質循環において有効であることが導き出された。
６．参考文献(1) 山谷知行：代謝、朝倉書店、pp.39-80、(2001)(2) 川島博之：21 世紀における水環境問題と窒素、環境科学会誌 15(4)、pp.299-303 (2002)(3) 川島博之：わが国における食料供給と窒素循環、環境科学会誌 9(1)、pp.27-33 (1996)(4) 田中恒夫、川島博之、岡本勝男、黒田正和：利根川中流域における発生窒素負荷量の増加とその原因解明、環境科学会誌 11(4)、pp.373-380 (1998)(5) 川島博之、新藤純子：酸性雨と地球規模の窒素循環、環境科学会誌 15(4)、pp.281-286 (2002)(6) IEA(1999) ENERGY BALANCE OF NONOECD COUNTRIES、1996-1997、OECD、France.
(7) 独立行政法人 農業環境技術研究所編：農業生態系における炭素と窒素の循環、pp.1-16、pp.61-68、pp.76-89 (2004)(8) IPCC(2001) Climate change 2001、The Scientific Basis,p.260、CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS、Cambridge.