7日本農学会シンポジウム「激動する社会と農学」

持続可能な環境と食料安全保障を両立させる窒素利用の在り方
林健太郎*〔キーワード〕：窒素問題，窒素利用，窒素汚染，窒素循環，持続可能性
1．はじめに本稿は，窒素を欲した人類が遂に自由に使える窒素を手にした経緯を概観し，その成功が人口問題，食料・国家安全保障への懸念，および地球から局所スケールの多様な窒素汚染という環境問題を生み窒素（N）はタンパク質や DNA の形成に不可欠出してきたことを述べる．窒素利用の負の側面を解な元素である．地球大気の 78%を構成しているよう消し，将来世代が窒素利用の便益を享受して幸せにに，窒素自体はどこにでもある元素である．しかし，暮らしていくために，私たちにできることは何か，大気の大半を占める窒素は 2 個の窒素原子が三重結

そして，どのような変容を成していくべきなのかを合で強力に結びついた分子窒素（N2，窒素ガスとも考える機会となれば幸いである．

いう）であり，安定かつ不活性でほとんどの生物は利用できない．生物学的窒素固定（BNF：biologicalnitrogen fixation）の能力を有する一部の微生物だけが，N2 からアンモニア（NH3）を合成できる．元来，2．窒素を欲した人類の歴史～火薬，肥料，そして様々な用途へ元素としての窒素の発見は 1772 年とされる．た地球生態系は BNF を窒素循環の最上流として成立だし，N2 を単離同定したのではない．空気を詰めたしていた．植物はアンモニア性や硝酸性の窒素を吸密閉容器内で炎が消えるまでロウソクを燃し，生じ収する．動物は他の生物あるいはかつて生物だったた二酸化炭素を吸収させた後に，不燃でいてハツカ有機物を摂食して窒素を取り入れている．人類も他ネズミが窒息する気体が残ることを発見したのでの動物と同じである．私たちはそれを「食料」と呼ある．確かにその気体のほとんどは N2 ながら，アんでいる．

ルゴンなども残っていただろう．一方，人類は遥か地球史としては極めて最近の 20 世紀初期に，人に昔から，それとは知らずに反応性窒素（N2 を除く類はハーバー・ボッシュ法という人工的窒素固定技窒素化合物の総称，reactive nitrogen［Nr］）を利用術を獲得した．固定した窒素の主な用途は化学肥料してきた．BNF は農地や草地を肥やし，排せつ物なであった．この技術が世界に普及するには 50 年ほどの有機物に含まれる Nr は肥料になる．

どを要したが，緑の革命として知られる 1950～60

8 世紀ぐらいには硝石（硝酸カリウム）が火薬と年代から化学肥料消費と作物生産が大きく伸び，世なることが発見され，西暦 1000 年ぐらいには中国界人口の増加を支えてきた．2022 年 11 月には世界で黒色火薬（硝石と炭と硫黄を混ぜたもの）が発明

人口が 80 億人の大台を突破した．2050 年前後にはされ，戦争の道具となった（ヘイガー，2010）．近代

100 億人に達すると予測されている．食料の獲得ににはニトログリセリンやトリニトロトルエンとよる人口の継続的な増加は一つのサクセスストー

いった爆発力の高い Nr が開発され，戦争をより破リーである．人類は自身の環境容量のキャップを上壊的にした．不安定で暴発しやすいニトログリセリげ続けることができたのである．しかし，生物圏かンを珪藻土に染み込ませ，筒に収めて導火線を付け，ら滲み出すように分離形成された人間圏は肥大化

安全に使える爆発物とした発明品がダイナマイトを続け，地球本体の環境容量を圧迫するようになっである．発明者のノーベルは，ダイナマイトの戦争た．食料増産にも負の側面がある．詳細は後述する利用を悔やみ，彼の遺言からノーベル賞が創設されが，人類の窒素利用は窒素汚染を伴うトレードオフた．この経緯のため，平和賞が最も重みのある賞ととなっている．また，人類の窒素利用には，戦争のされる．ノーベル賞とは，窒素を手に入れた人類の道具となる爆薬のように暴力的なものもある．

モニュメントでもあるだろう．

*人間文化研究機構 総合地球環境学研究所（Kentaro Hayashi）

0369-5247/24/¥500/1 論文/JCOPY

8

農業および園芸

第 99 巻第1号（2024 年）

人口が増えると，それだけ多くの食料が必要にな量が世界的に増加した．現在の人工的な NH3 生産量

る．農地を増やすことには自ずと限界がある．なれは陸域生態系の BNF 量を 大きく上回っているば単収を上げる必要があり，それを可能とする肥料（Fowler et al.，2023；林ら，2021）．余裕のある作物が求められる（農薬，品種，機械化などの農業技術生産力は家畜飼料の生産にも振り向けられ，畜産物も重要であることを添えておく）．19 世紀末の欧州の生産も大きく伸びた．世界人口は食料増産に支えでは，このままでは食料生産が頭打ちになり，いずられて増え続けている（図 1）．人類は，その何百万れ飢餓が起こると懸念された．当時の欧州では，南年もの歴史において初めて，豊富な食料という黄金米に出向いてグアノ（鳥糞石，長い年数を掛けて積を手に入れたのである．

もった海鳥の糞が石化したもの）やチリ硝石（かつ人類は Nr の用途を工業原料にも広げてきた．例て海だったアタカマ砂漠で採れ，硝酸ナトリウムがえば，ナイロン，ウレタン，メラミン，アクリロニ主成分）を採掘して利用していた．これらは化石燃トリルといった合成樹脂にも窒素が使われている．

料と同じく枯渇性の資源であり，グアノは早々に掘青色ダイオードは窒化ガリウムからできた半導体り尽された．N2 は周りにいくらでもあるのに，肥料ダイオードである．これで赤・緑・青（RGB）の光となる Nr が欠乏しそうになったのである．の三原色が揃って白色ダイオードが実用化され，照この状況を打開するために，20 世紀はじめに人工明工学とこれを用いた施設栽培などが大きく発展的窒素固定技術の開発競争が起こった．例えば，空した．NH3 は水素キャリアとして着目され，分子中気中でのアーク放電により N2 から主に窒素酸化物に炭素を含まないことから脱炭素化に資する燃料（NOX）を生成するビルケランド・アイデ法，生石としても注目されている．石炭火力発電所における灰から作り出した炭化カルシウムに高温下で N2 を混焼（将来には専焼）や，NH3 を動力源とするアン吹き付けて石灰窒素を生成するフランク・カロ法

モニア船の開発などが進められている．N2 について（同法は現在も一部で用いられている），そして，も，安定で安価で大量に手に入ることを活用し，充N2 と水素を高温・高圧下で反応させて NH3 を生成

填ガス，洗浄ガス，医療ガス，また，冷媒としてのするハーバー・ボッシュ法である．ハーバー・ボッ

液体窒素などの多様な用途が見出されている．

シュ法は大きな成功を見て，1913 年にドイツで商業生産が始まった．同法は二度の世界大戦を経て世界

3．窒素問題～利用と汚染のトレードオフに普及し，緑の革命として知られる 1950 年代以降，うまい話には得てして裏がある．人類の窒素利用同法による NH3 製造が急速に伸び，化学肥料の消費も例外ではない．人口増加はエネルギーや資源の要

図1

人工的窒素固定量，農業生産，世界人口の推移
H-B 法：ハーバー・ボッシュ法，主要穀物生産量：コメ，コムギ，トウモロコシの合計，主要畜肉生産量：ウシ，ブタ，ニワトリの合計．
林（2023）を改変．

林：持続可能な環境と食料安全保障を両立させる窒素利用の在り方

9

求量を比例的に増やし，経済成長は更に一人あたり重要な課題であるはずの窒素問題への世間的なの要求量を増やす（少なくともこれまではそう推移認識はいまだに薄い．筆者は，1990 年ごろの地球温してきた）．その結果，一生物種にとっては莫大な暖化問題と似た状況，つまり，問題の存在を広く知はずの地球の環境容量が逼迫している．豊富な食料らしめる努力が必要な段階と捉えている．ただし，は，食品ロスや飽食・肥満という新たな問題を生み窒素汚染の影響は地球温暖化と比べて見えにくい．

だした．その一方で，経済格差や紛争・戦争がもた窒素は地球温暖化を含む遍く環境問題に関わってらす貧困や食糧難は今なお解決していない．そして，いるものの，他の原因物質の影響もあって窒素単独肥料や工業原料として利用される Nr の大部分が Nrの寄与がわかりにくい．さらに，環境中の窒素の挙のまま環境に排出されている．多投入の農地はその動が複雑で科学的な未知が多く残されていること現場の一つでもある．反面，経済事情で窒素肥料がも窒素汚染をわかりにくくさせている．地球環境問

手に入らない国々での過剰耕作は，土壌有機物とし題の総合評価を行ったプラネタリー・バウンダリーて蓄えられた窒素などの収奪による土壌劣化をも（地球システムの限界）において，生物化学的フたらす．化石燃料の燃焼や廃棄物の焼却においてもローの「窒素」が突出して高リスクと評価されたこ

主に NOX の形で Nr が発生する．と（Rockström et al.，2009；Stefen et al.，2015；

環境に排出された Nr は，その化学種の理化学性

Richardson et al.，2023）は比較的よく知られているに応じた多様な窒素汚染をもたらす．主な影響は，だろう．では，その意味についてはどうだろうか．

地球温暖化（一酸化二窒素［N2O］），成層圏オゾン破

これは沿岸域の富栄養化リスクを評価したもので

壊（現 在 は N2O が 最大 の 寄 与 物 質 ， Hayashi andあった．その他の項目にも，例えば，「気候変動」

Itsubo ， 2023 ） ， 大 気 汚 染 （ NOX ， NH3 ， 硝 酸 ガ スと「成層圏オゾン破壊」には N2O，「大気エアロゾ［HNO3 ］，PM2.5 の主要成分であるアンモニウム

ル負荷」には硝酸塩・アンモニウム塩粒子，「遺伝塩・硝酸塩粒子など），水質汚染（硝酸性窒素［NO3的・機能的多様性」には栄養塩としてのその多寡が－］，亜硝酸性窒素［NO2－］），富栄養化（溶存 Nr 全

生物多様性と生態系機能に影響する Nr 全般が関与

般，全窒素として監視されることが多い），およびする．どこをめくっても窒素が隠れている．

酸性化（HNO3，NH3［硝化の第一段階のアンモニア翻って日本ではどうだろう．窒素汚染とは，大気酸化において酸として寄与］）である．窒素利用の汚染や水質汚染のようにおよそ解決した公害の類便益が窒素汚染の脅威を伴うこのトレードオフをと捉えられているのかも知れない．日本が高度成長「窒素問題」（nitrogen issue）と呼ぶ（図 2）．

期の公害をよく克服し，世界トップ水準の排ガス・

図2

窒素問題：窒素利用の便益と窒素汚染の脅威のトレードオフ
京都新聞に提供した図（著者作成）を改変．

10

農業および園芸

第 99 巻第1号（2024 年）

排水処理技術を有することは事実である．しかし，年より参加）による行動計画の策定などが議論され現在の日本は食料・飼料・原料・燃料の大部分を輸ている．第 6 回 UNEA は 2024 年 2 月 26 日～3 月 1入に頼っている．これらの輸出国がその生産に伴う日に開催予定である．INI はまた，1998 年から原則窒素汚染を肩代わりしている．2012 年において，日3 年ごとに国際窒素会議を開催してきた．第 9 回会

本は国際貿易を通じて世界で最も他国に窒素排出

議は 2024 年 2 月 6 日～8 日にニューデリーで予定さを負わせている国であり，その量 330 万 t N 年-1 は 2れている（INI，2023）．筆者は，2022 年 11 月より位のドイツの約 2 倍であった（Oita et al.，2016）．もINI 東アジア地域センター代表を担っており，国内し，輸入を控えて国産で賄おうとすれば，十分な対外の専門家のネットワーキングおよび環境省や農策を伴わない限り，自国の窒素汚染が悪化する．

水省への専門的見地からの支援などに取り組んででは，どうすればよいのだろうか．まずは，多様いる．

なステークホルダーの窒素問題への認識を深める

日本においても窒素問題を対象としたプロジェ必要がある．特に，ステークホルダーの種別によらクトが展開しつつある．筆者は 2015 年に有志によず，一人ひとりの日々の暮らしが食料・製品・エネる「日本窒素専門家グループ」（JpNEG：Japaneseルギーの消費という形で窒素問題と深く結びついNitrogen Expert Group，JpNEG，2023）を立ち上げ，ている．このことを自分ごとに落とし込むことが求多分野にまたがる専門家の情報共有を図るネットめられる．そこから「皆ごと」への展開の機会が生ワークとなっている．JpNEG を通じた連携をきっかまれると期待する．窒素問題の緩和には三つのオプ

けとして，地球研実践プロジェクト「人・社会・自ションがある（林ら，2021）．一つは，生産・消費の然をつないでめぐる窒素の持続可能な利用に向け窒素利用効率（NUE：nitrogen use efficiency）の向上て」（Sustai-N-able，2022～2027 年度，SusN，2023）

であり，特に食料生産に関して農学・土壌学が果たの実現に至った．Sustai-N-able では，学際・超学際す役割は大きい．もう一つは，環境に漏れようとすアプローチにより，窒素問題をわかりやすく伝えるる Nr を無害な N2 に処理することである．ただし，ナラティブの制作（例：リーフレット，SusN，2023）

処理にもエネルギー・資源が必要なため，人間活動や，将来世代の持続可能な窒素利用に資する統合知の結果生じる廃棄窒素（nitrogen waste，Nr と N2 のの形成を目指している（図 3）．また，ムーンショッ双方を含む，図 2）そのものを減らすことが優先さ

ト型研究開発事業にも窒素に関する技術開発テーれる．最後の一つは，NUE がより高い食品への転マがあり（例：MSN，2023；dSOIL，2023），環境研

換や過剰消費を控えるなど，そもそもの窒素要求量究総合推進費においても「廃棄窒素削減に向けた統を抑えることである．これらは自然科学・技術のみ合的窒素管理に関する研究」プロジェクト（2023～

では達成が困難であり，政策や個人・社会の行動変2025 年度）が始まった．また，これらの関係者が企容も求められる．「食」は人間文化と深く関わって画する「窒素循環シンポジウム」を開催してきた（第いることから，人文・社会科学の知見も大切である．

3 回は 2023 年 11 月 27 日開催，MSN，2023）．

国際的には，窒素管理に向けた取り組みが本格化しつつある．専門家グループである国際窒素イニシ
アティブ（INI：International Nitrogen Initiative，INI，

4．持続可能な環境と食料安全保障～農学・土壌学への期待2023）が企画し，国連環境計画（UNEP：United Nations

私たちの持続可能性はさまざまな脅威に曝されEnvironment Programme）が推進した国際窒素管理シている．近年では新型コロナウイルス感染症とロシステムプロジェクト（INMS：International Nitrogen

ア・ウクライナ戦争が典型である．日本では 2020

Management System，2017 年 10 月～2023 年 6 月，

年 2 月より影響が顕在化した新型コロナウイルス感INMS，2023）が後押しとなり，2 年ごとの国連環境染症は，2023 年になって収束を見たものの，世界の総会（UNEA：United Nations Environment Assembly）経済と物流を停滞させ，社会は適応を強いられた．の第 4 回と第 5 回のそれぞれで「持続可能な窒素管今後も新たな感染症の発生が懸念されている．2022

理決議」が採択され，UNEP が設けた窒素作業部会

年 2 月に始まったロシア・ウクライナ戦争は，窒素ではメンバー国（日本も環境省を窓口として 2022を爆薬に用い，肥料の生産・流通を滞らせ，世界有林：持続可能な環境と食料安全保障を両立させる窒素利用の在り方

図311地球研 Sustai-N-able プロジェクトのコンセプト

数の穀倉地帯を支える豊かなチェルノーゼム土壌2018）．この余剰窒素は農業生産の NUE 向上によっを戦場として破壊し，生産した作物の輸出を妨げ，て減らすことができる．また，世界の作物生産の肥料・食料の生産・流通への大きな脅威となってい

NUE は約 50%であるが（Lassaletta et al.，2014），日

る．これらの事態は，資源の大半を輸入に頼る日本本では約 30%にとどまる（Hayashi et al.，2021）．おにとって安全保障上の大きな懸念であり，ここにおそらく，栽培された作物の相当量が流通していない

いて窒素は，肥料・原料・燃料として，また，国外と思われる．外観や味へのこだわりが価格に強く影で窒素を用いて生産した輸入食料・飼料という形で響し，せっかく育てた作物の多くが廃棄されている

私たちの生活を支える大切な資源である．国際的なのではないか．すなわち，NUE の向上には生産にサプライチェーンの変容や大きなかく乱に適応可

加えて消費を含む食料システム全体の改善が必要能なレジリエントな社会を早急に作り上げることである．消費行動や経済面から農学・土壌学にできが求められる．ただし，安全保障リスク低減のためることもたくさんあるだろう．土壌が生物生産の貴に国内の食料生産を増加させると，国内の窒素汚染重な基盤であることを伝える食・農・環境教育も次リスクが増加する．国内外のこういった困難な状況世代につながる重要な活動である．そして，専門分を乗り越えて持続可能な発展を成し遂げるには，窒野を超えた研究者交流がとても大切である．知識の素問題の正しい知識・知見を得るとともに，問題解共有，新しいアイデア，何より共に取り組む仲間を決に資する科学・技術の開発とそれらを正しく用い得ることができる．

る仕組みづくりが求められる．ハーバーもボッシュも彼らの取り組みの 100 年後までは予想していなかったかも知れない．しかし，私たちの現在の行いは将来世代に決定的な影響を及ぼす．このことをよく覚えておくべきである．
農学・土壌学にできることは多い．例えば，食料生産の NUE の向上は大命題である．増加が続く世界人口を支えるには，単収を上げる窒素投入が今後も必要である．2005 年には 9 千万 t N であった世界の農地の余剰窒素は，中庸シナリオによると 2050
年には 1 億 6 千万 t N に増加する（Mogollón et al.，

引用文献
地球研 2023．Sustai-N-able プロジェクト「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」．
地球研要覧 2023，総合地球環境学研究所，京都，28-29．
dSOIL 2023．
「微生物による地球冷却」プロジェクトウェ
ブサイト．https://dsoil.jp/Fowler, D., et al. 2013. The global nitrogen cycle in the 21stcentury. Phil. Trans. R. Soc. B 368:20130164.
林健太郎・柴田英昭・梅澤有 2021．図説 窒素と環境の科学．朝倉書店，192p．
Hayashi, K., et al. 2021. Nitrogen budgets in Japan from 2000
to 2015: Decreasing trend of nitrogen loss to theenvironment and the challenge to further reduce nitrogen

12農業および園芸

第 99 巻waste. Environ. Pollut. 286:117559.
林健太郎 2023．持続可能な窒素利用と地球環境 SDGs ネ
クサス．地球環境 SDGs ネクサス－環境と経済と社会とのつながり－，谷口真人編，共立出版，東京，164–185．
Hayashi, K. and N. Itsubo 2023. Damage factors ofstratospheric ozone depletion on human health impact
with the addition of nitrous oxide as the largest contributor
in the 2000s. Int. J. LCA 28:990-1002.
ヘイガー，T. 2010．大気を変える錬金術．みすず書房，東京，303p．
INI 2023．国際窒素イニシアティブウェブサイト（英語）．
International Nitrogen Initiative，https://initrogen.org/
INMS 2023．国際窒素管理システムプロジェクトウェブサ
イト（英語）．International Nitrogen Management System，
https://www.inms.international/JpNEG 2023．日本窒素専門家グループウェブサイト．
https://jpneg.jimdofree.com/
Lassaletta, L., et al. 2014. 50 year trends in nitrogen use
efficiency of world cropping systems: the relationship

第1号（2024 年）

between yield and nitrogen input to cropland. Environ.
Res. Lett. 9:105011.
Mogollón, J.M., et al. 2018. Assessing future reactive nitrogen
inputs into global croplands based on the sharedsocioeconomic pathways. Environ. Res. Lett. 13:044008.
MSN 2023．
「産業活動由来の希薄な窒素化合物の循環技術創出」プロジェクトウェブサイト．https://www.n-cycle.
jp/Oita, A., et al. 2016. Substantial nitrogen pollution embedded
in international trade. Nat. Geosci. 9:111-115.
Richardson, K., et al. 2023. Earth beyond six of nine planetary
boundaries. Sci. Adv. 9:eadh2458.
Rockström, J., et al. 2009. A safe operating space for humanity.
Nature 461:472-475.
Steffen, W., et al. 2015. Planetary boundaries: Guiding humandevelopment on a changing planet. Science 347:1259855.
SusN 2023. Sustai-N-able プロジェクトリーフレット．総合地球環境学研究所，京都，https://www.chikyu.ac.jp/Sustai-N-able/documents/SusN_brochure.pdf