第11回環境研究シンポジウム@一橋講堂 2013年11月13日

農地から水圏へ－
窒素負荷流出研究の現状

独立行政法人 農業環境技術研究所
物質循環研究領域 板橋 直
National Institute for Agro-Environmental Sciences世界人口の増加に伴い「人為的な窒素投入量」も増加
人為的窒素（Tg-N yr-1）

人口（10億人）
世界人口（推計）
現 在
７１．５億人
２０５０年 ９５．５億人

世界人口
人為的に発生した窒素合計

自然の窒素固定
工業的固定窒素農作物による固定
窒素（大豆など）
化石燃料の燃焼（NOx）
ハーバー・ボッシュによるアンモニアの工業的生産
National Institute for Agro-Environmental Sciences

Lambert & Driscoll (2003)より

1

広域の窒素循環の指標：「人為的な窒素投入量」
人為的な窒素投入量 = インプット－アウトプット
農業

畜産

人の生活（肥料、作物に （家畜飼料）よる窒素固定）

大気沈着（食料品） （雨、乾性降下物）

インプット

河川流域

行方不明の窒素（脱窒、長期貯蔵）

河川への流出アウトプット
食料・飼料（畜産物、飼料作物）

National Institute for Agro-Environmental Sciences

2

河川を通じて流出する窒素量は、「人為的な窒素投入量」に比例
河川を通じて流出する窒素量（kg-N km-2 yr-1）

10000

1:1

1000

平均76%の窒素が行方不明

100

10

面積当たりの人為的な窒素投入量（kg-N km-2 yr-1）(Swaney et al., 2012)を改変

National Institute for Agro-Environmental Sciences3

霞ヶ浦流入河川では、農業の影響が大
農業河川（含畜産）1515

全窒素濃度(mg-N L-1)

全窒素濃度(mg-N L-1)

都市河川

10濃度低下↓501970

1980

1990

2000

点汚染源対策の効果（事業場対策、下水道の普及）

2010

10濃度上昇↑501970

1980

1990

2000

2010

点汚染源対策の効果は薄い
農業・畜産の寄与が大

環境省公共用水域水質測定結果より作図

National Institute for Agro-Environmental Sciences

4全国で見られる農業や畜産が原因の窒素汚濁
硝酸性・亜硝酸性窒素濃度の年平均値が10 mg-N L-1を超過した河川(単位,mg-N L-1)
地方

河川

原因(推定)

H14H15H16H17H18H19H20H21H22H23

関東

TK川肥料、家畜排せつ物

16171717171716151414

関東

SN川 肥料、家畜排せつ物

21222212212020181717北陸

OS川 事業場排水222236関東

121211関東MT川 事業場排水
肥料、家畜排せつ物、ID川
生活排水
肥料、家畜排せつ物、KT川事業場排水
肥料、家畜排せつ物、
HT川生活排水TB川 肥料、家畜排せつ物

関東

KS川関東
九州
関東

肥料、家畜排せつ物

121111323611、291114121313

環境省公共用水域水質測定結果（H15～H24）より

National Institute for Agro-Environmental Sciences5大気

農地土壌からの窒素の排出と河川・湖沼への流出経路

インプット

土壌表面の窒素収支＝インプット－アウトプット

アウトプット

施肥、灌漑水、降雨

N2, N2O, NO

揮散
土壌植物体-N

ふん尿、植物残さ

NH3

土壌有機物
NH4+NO2-

窒素固定
吸収

無機化

N2

窒素固定細菌

微生物-N
有機化

NO3溶脱
地下水
National Institute for Agro-Environmental Sciences

河川・湖沼
6

・・・農地圃場レベル

土壌表面での窒素収支の改善の取り組み
窒素排出負荷量（kg-N ha-1 yr-1）

慣行農法→改善農法で20～40%の負荷削減
改善農法のメニュー例
400
300
200
1000

慣 改 慣 改 慣 改
野菜
茶
飼料畑

49文献、202データを集計(1980年以降)
江口ら(2012)より

National Institute for Agro-Environmental Sciences7

霞ヶ浦流入河川では、「人為的な窒素投入量」の約55%が行方不明河川を通じて流出する窒素量(kg N ha-1 yr-1)

50・農業由来の窒素負荷が主体

y=0.24x+0.9740→下水処理場等の寄与が小さい

霞ヶ浦流入河川
30・河川を通じて流出しない窒素の行方は？

201000100200300

人為的な窒素投入量 (kg-N ha-1 yr-1)
National Institute for Agro-Environmental Sciences

Kimura et al. (2012)を改変

8

・・・地形～流域レベル不明の窒素の行方を明らかにする・脱窒作用・・・適度な還元条件、基質（有機炭素）
NO3- + 1.08CH3OH + H+ →0.065C5H7NO2（脱窒菌） + 0.47N2↑ + 0.76CO2 + 2.44H2O

・Riparian zone（水辺域）の浅層地下水帯に注目・・・河川や湖沼など湛水域の近傍にあって、陸域と水系をつなぐ場所

陸域

341

水辺域 河川

水辺域

標高（m）

340

硝酸濃度339338

高337336335334

低0102030
水平距離(m)40

National Institute for Agro-Environmental Sciences

Cey et al. (1999)を改変

9水辺域地下水帯で地下水中の硝酸濃度が低下
茶園（洪積）－水田（沖積）の連鎖系
地下水中の硝酸態窒素濃度分布
20沖積土壌

30103020401030

地点P4

単位はmg N L–1

洪積と沖積の境界部に、強い脱窒能を観測
洪積土壌
愛知県西尾市矢作川河畔での観測
T,茶園；P,水田、観測井戸の位置

窒素除去量は約120 kg-N ha-1 yr-1
→野菜畑から排出される窒素量に匹敵江口ら（未公表）

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10水辺域での脱窒能を考慮した、流域への窒素負荷による河川水質影響を予測するGISモデル
入力データ
・統計情報
農業センサス

計算条件の設定

モデル計算・出力
潜在的な窒素濃度分布

・行政区界ごと代表的な「土壌」「作目」
土層構成「地下水位」
営農条件

・営農情報
耕種基準
・気象
アメダスメッシュデータ
・GISデータ（メッシュデータ）
地質・地形
土地利用
行政区界
土壌

長期の気象条件
入力

水・窒素移動計算

地下水移動方位負荷投入地点
脱窒サイト（水辺域）

地下水の移動と、水辺域での脱窒による濃度分布、河川水質計算

特徴・水辺域の脱窒能・・・
土壌特性ごとに設定
・10数mメッシュ・・・
土地利用、地形の再現性

出力移動・脱窒後の濃度分布

恋瀬川流域（216 km2）の土地利用図（左）、土壌図（中）、地形解析図（右）National Institute for Agro-Environmental Sciences

11地形の特徴：谷津奥での浅層地下水の湧出
台地上部

農業

農業
台地部
湧水

谷壁

湧出水

硝酸態窒素として9～10 mg-N L-1（2011年1月～4月）→谷筋を流下して本流に流れ込む
浅層地下水が、河川水質の汚濁源

湧出水

National Institute for Agro-Environmental Sciences12地形に応じて、台地地下水の河川流出経路を区分
地下水のまま水辺域を通過する場合(左)湧水として直接河川に流出する場合(右)
湧水で流出(標高差>>Zloam)

地下水流出(標高差<Zloam)
地表面1ローム層
粘土層

Zloam

標高差・小地表面2

標高差・大地表面2Zloam: 火山灰ローム層の典型的な厚み(2.8 m, Yasuhara et al., 1990；2.7-2.8m, Eguchi et al., 2009)
National Institute for Agro-Environmental Sciences

13

モデルの適用により、河川水質窒素濃度の予測精度が向上
12

脱窒なし
脱窒あり

モデル計算値 (mg-N L-1)

10y = 1.87x - 1.12

霞ヶ浦流入河川流域の農地の窒素負荷による河川水質に対する影響は、・地形による地下水流路の分断・水辺域浅層地下水帯の脱窒能を同時に考慮することが有効

パラメータ1/2倍値使⽤
中央値または初期値

825%値75%値

パラメータ2倍値使⽤

1:1

6420024

観測値 (mg-N L-1)

68（板橋ら、2013）

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14水辺域地下水帯研究の今後• 水辺域地下水帯での脱窒能の定量的評価
地形、地質、土地利用（自然湿地、水田、休耕田、転換畑）☆一酸化二窒素(N2O)発生とのトレードオフ関係• 浅層地下水の流路の面的な把握
広域、かつ個別に農地ごとに、営農活動による水質影響予測・評価が可能に「環境脆弱性」の評価
農地の特性に応じた窒素負荷の管理が可能に

National Institute for Agro-Environmental Sciences15本講演のまとめ
・人口増加に伴い、窒素循環量も増加。今後も持続の見込み
・農業・畜産は、流域の人為的な窒素投入量、河川流出窒素量の増加の主要因（対策）
・農地・圃場レベル：作目ごとの農業技術の改善
・地形・流域レベル：水辺域地下水帯の脱窒能による窒素の河川流出抑制の重要性が明らかに☆開発したGISモデルは、農地の立地に応じた河川水質への影響（環境脆弱性）を評価可能とすることで、→地点の特性に応じた窒素負荷管理の実現→水環境保全に貢献
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