国際窒素管理の動向と大気・水環境との関係
水・大気環境連携セミナー
2023年10月31日
人間文化研究機構
総合地球環境学研究所・教授

林 健太郎

本日の話題
1. 窒素問題のあらまし
2. 窒素汚染と水・大気環境の関わり
3. 国際窒素管理の動向
4. 持続可能な窒素利用に向けて

１．窒素問題のあらまし窒素は２種類に大別
安定な分子窒素と，その他の反応性窒素• 環境中で 不活性 か 反応性 か
不活性： 分子窒素（N2），圧倒的に大量，大気の78%
反応性： その他の窒素化合物，反応性窒素（Nr）と総称
環境中の主な反応性窒素
還元窒素 アンモニア（NH3）とそのイオン・塩（NH4+）
有機態窒素（アミン，アミノ酸など，例：尿素）
酸化窒素 硝酸（HNO3）とそのイオン・塩（NO3–）
亜硝酸（HNO2）とそのイオン・塩（NO2–）
一酸化窒素（NO）
二酸化窒素（NO2）（狭義の）窒素酸化物（NOX）（NOとNO2）
一酸化二窒素（N2O）

Nr大気組成N2O 335 ppb 増加中NO
1～100 ppb
NO2 1～100 ppb
HNO3 0.1～10 ppb
HNO2 0.1～10 ppb
NH3
0.1～100 ppb*1 ppb = 10-9（10億分の1）= 0.0000001%

大気
100 cmの球

Nr
0.7 cmの球N2
92 cmの球45窒素（N）は生物の必須元素
生命代謝，体づくり，遺伝情報• 窒素は，アミノ酸や核酸塩基の形成に必須
 アミノ酸はタンパク質，核酸塩基はDNAの素材• 多くの生物は大気中の窒素ガス（N2）を利用できない 動物： 有機態窒素（他の生物・有機物）を摂食
 植物： 無機態窒素（特にアンモニアと硝酸）を吸収• 酵素もタンパク質 → 光合成を担うのは酵素 → 窒素は重要な肥料
窒素
不足

光合成能
の低下
育たない
植物生長
の抑制

炭酸同化
の減少

窒素肥料
なし

窒素肥料
あり

6

人類は20世紀はじめにNrを獲得
77.9億人 → 80億人突破 (2022年11月)

40
50 16.5億人(1900)
H-B法実用化
0
1900

H-B法：
ハーバー・ボッシュ法

20

この60年で
急速に増加

0
1920

窒素獲得

1940

1960

1980

作物生産増
余剰 → 飼料供給増

2000

2020

10

0

経済発展・世界人口増
家畜生産増

）

）
20

3

2

1

0

年

100

30

-1

60

4

40

肉 類 生 産 量 （億 ト ン

80-1(2020)

穀 物 生 産 量 （億 ト ン

150

世 界 人 口 （億 人 ），農 地 ・牧 草 地 面 積 （億世界人口
NH3生産量（H-B法）
窒素化学肥料消費量
穀物生産量（コメ，コムギ，ト ウモロコシ）
肉類生産量（ウシ，ブタ，ニワト リ）
農地・牧草地面積

Tg N 年NH3生 産 量 ，窒 素 肥 料 消 費 量 （-1）

N2からNH3を望むだけ合成可能に

7

多様化した窒素の用途
肥料，原料，そして燃料
食料生産

工業生産

全用途の
約80%（世界）
化学肥料

爆薬・火薬

窒素ガス
(N2)

水素
(H2)

薬品

化学繊維

ポリマー

これまでの用途

ハーバー・
ボッシュ法

その他の
反応性窒素

アンモニア
(NH3)
新用途
NH3
NH3

燃料

H2
H2

+ N2

H2

水素キャリアエネルギー生産

セラミクス

8

窒素問題
窒素利用（便益）と窒素汚染（脅威）のトレードオフ
大気N2

NH3合成
→Nr転換

化石燃料

エネルギー
転換（燃焼）

N2： 窒素ガス
NH3： アンモニア
Nr： 反応性窒素（N2以外の窒素化合物の総称）

地球温暖化
成層圏オゾン破壊

廃棄窒素
Nr
処理

N2

肥料・原料

窒素汚染

大気汚染
環境排出
（大気
土壌
水域）

水質汚染
富栄養化
酸性化

無害

食品・製品

エネルギー

窒素利用の便益

トレードオフ（窒素問題）

健康影響

生態系影響

窒素汚染の脅威京都新聞（2023/2/22）＊林作成

２．窒素汚染と水・大気環境の関わり

14

窒素カスケード
窒素は大気と水をつないで巡る
個別対策が
別の影響を
悪化させる
リスクがある（汚染スワップ）

安定なN2に
戻るまで
影響を
もたらす

15

窒素汚染の影響
Nrは多くの環境問題に関与
エンドポイント

大気
N2O
NOX
HNO 3
NH3

PM

排出Nr
大気沈着
農地土壌・水域
NH4+
NO2–
NO3–

地球温暖化
他の原因物質：CO2, CH4ほか
N2O

人の健康

成層圏オゾン破壊
他の原因物質：フロン，ハロンほか
N2O

人の健康

大気汚染 *PANs や PM2.5の NPAHs なども Nr
NOX
PM 他の原因物質：SO2，OXほか
酸性化（自然土壌・貧栄養水域）
HNO 3 NH3 他の原因物質：硫酸，有機酸ほか

生態系
生態系

N2O

一酸化二窒素

NOX

窒素酸化物

HNO 3

硝酸

NH3
NH4+

アンモニア
粒子状物質
（Nrは成分の一部）
アンモニア性窒素

NO2–

亜硝酸性窒素

NO3–

硝酸性窒素

CO2
CH4
PANs
PM2.5

二酸化炭素

SO 2
OX

二酸化硫黄
オキシダント

PM
人の健康
生態系

陸域の富栄養化（自然土壌）
他の原因物質：なし
NH3 HNO 3
PM

生態系

水域の富栄養化（直接排出＋大気沈着）
他の原因物質：リン
NH4+
NO3–

生態系

水質汚染 *シアンなども Nr
NO3–
NO2– 他の原因物質：多様な化学物質

人の健康

メタン

ニトロアシル硝酸塩
微小粒子状物質
ニトロ化多環芳香族
NPAHs 炭化水素

12

窒素汚染の影響（１）地球温暖化（N2O，他のガス・粒子状Nrには寒冷効果も）

N2Oの温暖化寄与は
CO2の約11％（大気濃度は1/1000以下）

IPCC (2021)
AR6 WG1
TS Fig. TS.15

窒素汚染の影響（２）成層圏オゾン破壊（N2O）*対流圏で安定な N2O が成層圏に入ると，
N2O + hν → N2 + O(1D)N2O + O(1D) → 2NO や N2 + O2
*このNOが触媒的にオゾンを破壊
NO + O3 → NO2 + O2
NO2 + O → NO + O2
フロン撤廃で
N2Oが一番に13

何が起こる？ → 地上到達UV-B増加
 健康影響： 皮膚がん，白内障など
人為排出の世界の被害（2010年排出の総被害）（Hayashi & Itsubo, 2023）
 DALY（障害調整生命年）： 170,000
 金額： 39億USD ≒ 5500億円
ODS emission

Erythema UV-B
(latitudinal)

ΔEESC/emission(CFC-11)

Regression

Regression (skin cancer, cataract)

Estimation using
ODP & lifetime

Tropospheric ODS
Increase (TCL)

Incidence rate
(initial, latitudinal)

ΔEESC/emission(N2O)
Addition
UpdateRavishankara et al. (2009)

N2O被害係数
算定スキームHayashi &Itsubo (2023)

Theoretical relation
Stratospheric ODS
Increase (EESC)

Actionspectracorrection

ODS lifetime correction

Updateincidence rate
(total, latitudinal)

Regression

Population distribution

Stratospheric total
O3 (latitudinal)

Global total
incidence (case)Semi-quantitative relation

Conversion using DALYUV-B at the groundsurface (latitudinal)

Global total cost
(DALYs)Human health impact

Original framework (Hayashi et al. 2000, 2006)

UpdateUpdate14

窒素汚染の影響（３）窒素酸化物（NOX）• 呼吸器疾患（代表的大気汚染物質）• 対策進展，ただし，NOXが減ると光化学
オキシダントの主成分である対流圏オ
ゾンが減りにくくなる（右図）• 硝酸の前駆物質 → NH3とPM2.5を形成
微小粒子状物質（PM2.5）• 呼吸器・循環器疾患（近年着目）• PM2.5により世界で年間400万人の早期死亡（Nansai et al., 2021）• 窒素はPM2.5の39%を占める（2013年，
世界）（Gu et al., 2021）＊試算：損失 5 DALY/case × 40000 € /DALY ×
400万人 × 39% ＝ 0.3兆€ ≒ 約43兆円

環境基準達成率（%）

大気汚染（NOX [NO, NO2]，粒子状Nr ［特にPM2.5］ ）大気質の環境基準達成率（日本）（林ほか, 2021）

N share (%)

PM2.5に占める窒素の寄与（Gu et al., 2021）

15

窒素汚染の影響（４）大気沈着を介した陸域の酸性化（NOy , NHX）と富栄養化（Nr）
大気沈着• 遠く離れた場所にも負荷を及ぼす• 降水に伴う湿性沈着と，ガス・粒子の乾性沈着
酸性化（日本では問題となりにくい）• HNO3とNH3（NH3は硝化により酸として寄与）
富栄養化（Nrが主因；リンの大気沈着は小さい）• 生態系の物質循環は，多くの場合，窒素もしく
はリンの可給性が律速• Nrの大気沈着は生物生産を増やす効果（＋）• 一方で，生態系の機能や生物多様性に影響を及ぼす可能性がある（－）• 森林の窒素飽和（nitrogen saturation）の懸念：
例）渓流に硝酸性窒素が流出しやすくなる

窒素沈着量kg N ha–1 yr–1

1990s

50
10
5
1

IPCC
(2013)

0.5
0.1
0
酸化窒素（硝酸性窒素）

還元窒素（アンモニア性窒素）

NH3などとの粒子化

酸性ガスとの粒子化

NH4+エアロゾル

NO3–エアロゾル
輸送・拡散

HNO3ガス
輸送・拡散

輸送・拡散

NH3ガス

NO2沈着

輸送・拡散

NH3大気発生
主に農業起源NO, NO2ガス
輸送・拡散

乾性沈着

湿性沈着

地 表

乾性沈着

NOX（NO, NO2）大気発生
主に化石燃料燃焼起源

16

窒素汚染の影響（５）水質汚染（NO3–， NO2–）

その他のNr（シアン）• 環境基準（健康項目）：検出されないこと

人体の各種Nr曝露経路 （林ほか，2021）

環境基準達成率（%）

硝酸性窒素（NO3–）と亜硝酸性窒素（NO2–）• 有害影響はNO2–に由来• NO3–の一部が消化管内でNO2–に変換• NO2– → 血中でメトヘモグロビン形成 →メトヘモグロビン血症• NO2– → 消化管内でニトロソ化合物を形
成 → 発がん性• 環境中では圧倒的にNO3–が多い• 環境基準（健康項目） ：10 mg N L–1（硝酸性窒素と亜硝酸性窒素の合計として）• 日本では地下水が問題

水質健康項目の環境基準達成率（日本）（林ほか, 2021）

17

水域の富栄養化（Nr全般）

環境基準達成率（%）

窒素汚染の影響（６）全窒素（無機窒素と有機窒素の合計）• 栄養塩として植物プランクトンや水生植物の生育促進 → 生産増加（＋の面も）• 食物網を通じて系全体に波及• リン（P）が律速の場合は利きにくい
水質生活環境項目の環境基準達成率（日本）（林ほか, 2021）• 一部藻類の過剰増殖 → 赤潮
• 生物の過剰増殖 → 貧酸素化 → 青潮 栄養塩負荷と生産量の関係（林ほか, 2021）• 生態系機能の変質，生物多様性の低下
富栄養化過程（赤線）と貧栄養化過程（青線）が• 環境基準（生活環境項目） ：水域の性状もたらすヒステリシス
により異なる複数段階の基準（林ほか, 2021）• 日本では湖沼の富栄養化が問題• ヒステリシス： 富栄養状態から回復しても生産性が元に戻らない（右図）* 貧栄養化問題

18

窒素循環のかく乱は地球システムへの脅威
気候変動

生物圏完全性N

N
N

新規化学物質Planetary boundaries（地球システムの限界）

成層圏オゾン破壊N

土地利用変化

N
水資源変化
窒素

窒素は
いずれにも関与

大気エアロゾル負荷
海洋酸性化

生物化学的フロー沿岸域の富栄養化を評価

Richardson et al. (2023)に基づき作図３．国際窒素管理の動向

20

増大する廃棄窒素への対応
国際窒素管理に向けて世界の廃棄窒素（10億米ドル/年）＝（百万トン窒素/年）

2005年の廃棄窒素 = 1億5000万トン
更に増えるシナリオ

このままいくとこれを目指す

1960

1970

1980

1990

2000

2010

2020
2030
2040
2050
Sutton et al. (2021) One Earth 4, 10-14

専門家グループ： 国際窒素イニシアティブ
International Nitrogen Initiative (INI)

https://initrogen.org/• 主旨： 持続可能な食料生産における窒素の利便性の最適化と，食料・エネルギー生産に由来する窒素負荷が人間健康や環境に及ぼす負の影響の最小化の両立• 主な活動： 国際プロジェクトの立案（例：INMSプロジェクト），国際機関の活動支援（例：UNEP），国際窒素会議の主催（原則3年ごと）• 組織（2022年2月改組）： 代表（アメリカ）
地域センター： 東アジア（代表：日本［林］，副代表：中国），南アジア（インド，パキスタン），欧州（スペイン），北米（カナダ，アメリカ），南米（チリ），オセアニア（オーストラリア），アフリカ（ナイジェリア）

21

国際窒素会議（INI Conference）
次回： INI南アジア地域センター担当• 第9回会議（発表申込2023年10月10日締）• 場所： インドラプラスタ大学，ニューデリー（インド）• 期間： 2024年2月5日～8日• 参加予定者： 専門家，他のステークホルダー（特に政策関係者）• 参考： 第1回（オランダ），第2回（アメリカ），第3回（中国），第4回（ブラジル），第5回（インド），第6回（ウガンダ），第7回（オーストラリア），第8回（ドイツ，完全オンライン）• 第10回会議を日本（京都）に招致すべく準備中です22国際窒素管理システム（INMS）プロジェクト

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Towards International Nitrogen Management System
自然科学・政策の知見を束ねて国際政策に活かすプロジェクト
国際窒素評価書（2024年7月刊行予定）
地球環境ファシリティ
（GEF）

国連環境計画（UNEP）
実施主体

2017年10月～2023年6月

国際窒素イニシアティブ（INI）
実行機関（イギリスCEH）

プロジェクトパートナー総会

プロジェクト管理委員会（PMB）

ステークホルダー・政策
諮問グループ（SPAG）

プロジェクト調整ユニット（PCU）

利用者（国際・各国の政策・企業・市民社会組織・国民）

Component 1

Component 2

Component 3

Component 4

全球窒素循環の理解と管理のツール開発

窒素のフロー・脅威・便益の定量化

総合的窒素研究の地域デモンストレーション

意識改革と知識共有

https://www.inms.international/

International Nitrogen Assessment (INA) 国際窒素評価書

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Eds.: Sutton MA, Baron JS, Brownlie WJ, Ebanyat P, van Grinsven H, Hayashi K, Hooper DU,
Kanter DR, Leach A, Ometto JP, Raghuram N, Read N, de Vries W Cambridge Univ. Press (July 2024)
Summary for Policy Makers & Technical Summary
Introduction: From Pollution Problem to the Nitrogen Opportunity
Part A: The Global Nitrogen Challenge: Problem Definition
Nitrogen, environment & sustainable development
Nitrogen & food security
Nitrogen in current national & international policies
Towards a holistic response to the global nitrogen challengePart B: Foundations for Assessing the Nitrogen Cycle
Approaches & challenges to assess nitrogen impacts
Performance indicators to the global nitrogen cycle
Approaches & challenges to assess N pressures & distribution
Approaches & challenges to value nitrogen benefits & threats
Part C: Global Integrated Assessment across the Nitrogen Cycle
Assessment of global scale total nitrogen budgets
WATER: Flows on impacts of nitrogen on freshwater, coastal &marine systems
AIR: Emissions & air quality impacts of N on human health & crops
GREENHOUSE: Impacts of anthropogenic nitrogen use on global
warming potential & radiative balance, & role of nitrogen forstratospheric ozone depletion

ECOSYSTEMS: Inputs of nitrogen to terrestrial & aquatic ecosystems &the impacts on biodiversity
SOILS: Inputs, outputs & impacts of nitrogen for agricultural land &relationships with non-agricultural landPart D: Nitrogen Challenges & Opportunities for Key World Regions
Approaches, synthesis & lessons form the regional assessments
Assessment of nitrogen flows, impacts & solutions in East Asia
Assessment of nitrogen flows, impacts & solutions in South Asia
Assessment of nitrogen flows, impacts & solutions in Africa
Assessment of nitrogen flows, impacts & solutions in Latin America
Assessment of nitrogen flows, impacts & solutions in West Europe
Assessment of nitrogen flows, impacts & solutions in East Europe
Assessment of nitrogen flows, impacts & solutions in North America
Part E: Grasping the Future Challenge
Key actions for better nitrogen management
Addressing the barriers to better nitrogen management
Costs & benefits of nitrogen at global & regional scales
Goals & pathways: How to halve nitrogen waste by 2030?
Evaluation of policy options & instruments for better N management*各章のタイトルは未確定国連環境計画（UNEP）の取り組み
ここ数年で国際窒素管理への動きが進展中• 国連環境総会（UNEA: United Nations Environment Assembly）を主催
次回 UNEA-6： 2024年2月26日～3月1日
持続可能な窒素利用決議： UNEA-4 (2020) と UNEA-5 (2022) で採択
UNEA-6 に向けた各国代表による議論• UNEP窒素作業部会（UNEP Working Group on Nitrogen）
2023年9月28～29日に第4回会合（第5回は2024年1月か2月）
各国に窓口： 日本は環境省（2022年より参加），他省庁と連携

25

４．持続可能な窒素利用に向けて地球研 Sustai-N-able プロジェクト（2022–2027年度）

人・社会・自然をつないでめぐる窒素の持続可能な利用に向けて
重要：窒素問題の解決が他の問題を悪化させないこと

反応性
窒素
これも
減る

窒素問題の解決と豊かで平等な食（food equity）
および人と自然の健康を実現

自然の
健康
減る

原料
生産・消費・利用に伴う排出
ここを
絞る

燃料
新用途
食料

環境

窒素利用の将来可能性
フューチャー・デザイン

減る

人の
健康

26

28

求められる３つのブレイクスルー
因果解析，認識浸透，将来設計
例：エネルギー需要

要因（D）

窒素酸化物排出
燃料燃焼

人間活動

低排出政策

脱硝

呼吸器疾患・
生物多様性減少

圧力（P）

大気輸送・

状態（S）

自然浄化・

環境への排出

変質・沈着

大気・水などの質

長期曝露モニタリング

反応（R）
政策・技術・行動

大気汚染・
窒素飽和

脅威・被害

便益と脅威の
場の相違

影響（ I ）
人と自然への影響

生態系への脅威

課題例

社会・経済・自然の全てを含む窒素問題の因果①因果解析：用途・量が変わった時の応答，政策・技術の効果などを定量評価すること③将来設計：①の知見と②の進捗と②認識浸透：認識の乏しい窒素問題を国内外のステークホルダーに知ってもらうことN

並行し，持続可能な窒素利用に必要な政策・技術・行動変容を思索すること（フューチャー・デザイン，FD）

29↓ PDF版リーフレット
https://www.chikyu.ac.jp/
Sustai-N-able/achievements.html「Sustai-N-able」で検索すると出ます

地球研実践プロジェクト
2022～2027年度
研究代表者： 林 健太郎
RIHN14200156

窒素問題の概要も伝えるリーフレット（会場に持参）30

https://www.chikyu.ac.jp/Sustai-N-able/index.html

31

地球研ニュース No.89 の記事もどうぞ
https://www.chikyu.ac.jp/rihn/publicity/detail/351/

32

「図説 窒素と環境の科学」 朝倉書店
林・柴田・梅澤編
第１部 つながりを知る総論
1-1 本書の道案内：窒素はすべてをつなぐ
1-2 人類の窒素利用がもたらす環境問題
1-3 人類による窒素の発見と利用の歴史
1-4 元素としての窒素と多様な化合物
1-5 生物に不可欠な窒素
1-6 窒素の形態変化と環境中の移動
1-7 環境中の窒素分析方法
1-8 窒素と他の物質との強いつながり
第２部 日本の現状の理解に向けた各論
2-1 エネルギー
2-2 製造産業
2-3 作物生産
2-4 家畜生産
2-5 水産業
2-6 人の生活
2-7 廃棄物・下水2-8 国際貿易
2-9 大気2-10 陸域生態系
2-11 陸水生態系
2-12 海洋生態系
2-13 日本の窒素収支
2-14 経済圏の窒素フロー
2-15 健康影響
2-16 生態系への影響を評価する
2-17 窒素のトレードオフ
2-18 窒素管理にかかわる政策と法令
第３部 国内外の取り組みと将来展望
3-1 世界の取り組み
3-2 日本の現状と未来
3-3 持続可能な未来に向けて
コラム15件
文献リスト・索引

33

判型：B5判192ページ
定価：本体4500円＋税
ISBN：978-4-254-18057-2

34

日本窒素専門家グループ（JpNEG）
窒素問題の学際交流のプラットホーム

https://jpneg.jimdofree.com/• JpNEG： Japanese Nitrogen Expert Group• 目的： 窒素研究に携わる多分野の専門家間の情報共有と意見交換を促進し，国内外に情報を発信• 経緯： 2015年立ち上げ（林），ボランタリーグループ（270名強）
多様な研究分野，多様な世代（名誉教授から学生まで）
各種活動への貢献やプロジェクト立案の切っかけ（例：INMSプロジェ
クト，窒素図説刊行，Sustai-N-ableプロジェクト，日本窒素評価書）• メーリングリスト運用： ご関心ある方はお気軽に林までご連絡ください

kentaroh@chikyu.ac.jp

本日の話題のまとめ• 窒素問題： 我々の窒素利用が窒素汚染を伴うトレードオフ• 窒素の便益： 肥料，工業原料，エネルギー資源• 窒素の脅威： 環境へのNr排出による多様なインパクト• 世界の動き： UNEPによる国際窒素管理の動きが本格化• 持続可能な窒素利用：
水環境と大気環境の関係者との今後の連携に期待ステークホルダー連携も大切（研究，行政，生産者，消費者など）
日本窒素評価書（JaNA）を作っていきたい（動き始めています）

35