第3回窒素循環シンポジウム「窒素管理に関する世界の動向と国内の取り組み」

窒素循環に向けたフロー調査の現状

2023/11/27

サステナビリティ事業本部
高田一輝

0. はじめに「窒素フローに係る各種調査」について⚫ 三菱総合研究所では、NEDOからの委託事業として、本年度より2か年の間、「窒素フローに係る各種調査」を実施することになった。現在は調査開始から約 6か月が経過したところ。

出所） NEDO、「『ムーンショット型研究開発事業／窒素フローに係る各種調査 』に係る実施体制の決定について」、2023年 （最終閲覧日：2023年11月20日）
https://www.nedo.go.jp/koubo/SM3_100001_00042.html
Copyright © Mitsubishi Research Institute10. はじめに本日の講演のポイント⚫ 本日の講演では、弊社が「①何を」、「②どのように」調査しているか概説する。

⚫ その上で、「③なぜこの調査を実施しているか」、本調査で目指すところについても述べる。

＜今日の講演のポイント＞

1

本調査当面の目標は、複雑な「窒素問題」の構造を整理することである。

2「窒素問題」の整理に際しては、窒素フローの活用が役に立つ。

3「窒素問題」を整理した後には、開発すべき技術についての提言を予定している。

Copyright © Mitsubishi Research Institute21. 複雑な窒素問題の構造整理⚫ 「窒素問題」の複雑さ⚫ 整理のアウトプットイメージ⚫ 整理に必要な情報の例

Copyright © Mitsubishi Research Institute31. 複雑な窒素問題の構造整理「窒素問題」の複雑さ⚫ 反応性窒素が引き起こす影響をとらえることは難しい。
⚫

様々な化合物（NOx、N2O、NO3-など）が関与しており、しかも環境中で化学変化しうる。

⚫

影響の及ぶ範囲が局所的な現象から全球規模の現象まで混在している。

⚫

大気・水域・土壌など悪影響の及ぶ媒体が様々である。

大気の状態（全球規模）→影響： 地球温暖化（N2O）
N2O揮発

N2O揮発

表層水・海域の状態（局所）

土壌・地下水の状態（局所）→影響： 富栄養化流亡・浸出

NOy沈着

大気の状態（局所）→影響： 大気汚染（NOx、PM2.5、オキシダント）

Copyright © Mitsubishi Research Institute4→影響： 土壌酸性化、地下水汚染（NO3-）

NOy沈着

1. 複雑な窒素問題の構造整理

整理のアウトプットイメージ⚫ 複雑な現象を「要因」、「圧力」、「状態」、「影響」といった要素に分けて整理したいと考えている。

⚫ 下図はイメージだが、今後有識者の意見を踏まえてブラッシュアップしていく予定である。

要因

圧力

状態

影響

（Driver）（Pressure）（State）（Impact）

人間活動

環境への排出

大気・水などの質

人と自然への影響

エネルギー製造（燃焼）N2Oの排出

大気N2O濃度 （全球）

地球温暖化（N2O）

一部影響

投入
NOxの排出（低濃度）
アンモニア合成（HB法）
投入
食料・工業製品製造
投入？
大気の質悪化 （局所）
（NOx・NH3濃度）？
NH3の排出（低濃度）

大気沈着 （局所）（NOy、NHy）

NOxの排出（高濃度）

廃棄物・下廃水の処理
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大気汚染（NOx、NH3、PM2.5、光化学オキシダント）

土壌の質悪化 （局所）
土壌酸性化

NH3の排出(高濃度）
河川の質悪化 （局所）

食料・工業製品消費投入

オゾン層破壊（N2O）

農地浸出水の排出

湖沼の質悪化 （局所）

下水・産業排水の排出

地下水質悪化 （局所）
5

富栄養化

地下水汚染

1. 複雑な窒素問題の構造整理

整理に必要な情報の例① 現状の大気中N2O濃度の状態⚫ 現状の「状態」に関する情報を収集することで、人間の活動によりどのくらい環境に変化が生じてきているかを把握することができる。
⚫ たとえば大気中N2O濃度については、我が国の気象庁観測点の平均、世界平均いずれにおいても増加傾向にあり（1990年の310 ppmから340 ppmに上昇）、この30年での明確な状態変化が確認できる。

気象庁の観測点における大気中一酸化二窒素濃度の経年変化

大気中一酸化二窒素の世界平均濃度の経年変化出所）気象庁、「一酸化二窒素」（2023年11月5日最終更新版） 最終閲覧日：2023年11月16日
https://www.data.jma.go.jp/ghg/kanshi/ghgp/n2o_trend.html
Copyright © Mitsubishi Research Institute61. 複雑な窒素問題の構造整理

整理に必要な情報の例② N2O排出の要因（分野別）⚫ 状況が変化するきっかけとなった要因（＝人為的活動）についても整理が必要である。

⚫ 例えば、我が国のN2O排出については、工業プロセス及び製品の使用による N2O排出は対策されつつある一方で、農業由来や燃料の燃焼・漏出、廃棄物由来の N2O排出は横ばいの傾向にあることが確認できる。

出所） 環境省、「2020 年度（令和 2 年度）の温室効果ガス排出量（速報値）について」、2021年
https://www.env.go.jp/content/900518252.pdf
Copyright © Mitsubishi Research Institute71. 複雑な窒素問題の構造整理

整理に必要な情報の例③ N2Oの排出源 （国別）
⚫ 国別でも要因を分析することができる。

⚫ 2021年における国別のN2O排出量は、中国（0.9百万トン）、インド（0.5百万トン）、米国（0.5百万トン）、ブラジル（0.4百万トン）、インドネシア（0.2百万トン）の順である。なお、EUは0.5百万トン、日本は3.8万トンである。中国、インド、ブラジル、インドネシアは近年増加傾向が続いている一方、米国と欧州は1980年頃に減少傾向がみられて以降横ばいとなっている。

国別のN2O排出量（2021年）

主要国の国別N2O排出量推移（1850-2021年）

図中の値はCO 2 換 算の 重 量で ある た め、 N 2 O 相当 に 換算 する た めに 31 0 で 除し て い る。さ ら に 窒 素ベ ース で の値 に す るた め に は 、 2 8/ 4 4 を乗 ずる 。つ まり、
100 百万トン - C O 2e q = 0.2 百万トン - Nで あ る。
出所） Our World in Data, “Nitrous oxide emissions”
https://ourworldindata.org/grapher/nitrous -oxideemissions?tab=chart&country=USA~CHN~European+Union+%2828%29~JPN~IND~BRA~IDN
Copyright © Mitsubishi Research Institute82. 窒素フロー活用の意義⚫ 窒素フローとは⚫ 窒素フローからわかること

Copyright © Mitsubishi Research Institute92. 窒素フロー活用の意義

窒素フローとは⚫ 窒素フローとは、①窒素が自然界から人間活動に取り込まれ、②人間活動の中を移動し、③自然界に排出されるまでの流れに加え、④自然界で形態変化する様子も示した一連の図表である。
⚫ 例えば日本のフロー図はHayashi et al. (2015) により整理されている。年間5.8百万トンNの窒素が投入され、うち3.6百万トン-Nが無害化されて環境中に放出される一方、 1.2百万トン-Nは大気へ、0.7百万トン-Nが水圏へ反応性窒素のまま放出されていることが示唆されている。
③自然環境に 窒素 を排出する人間活動①自然環境から 窒 素を取り込む人間活動④自然環境中の窒素の移動②人間活動中の窒素の移動

単位：Gg-N/年
出所） Hayashi et al., “Nitrogen budgets in Japan from 2000 to 2015: Decreasing trend of nitrogen loss to the environment and thechallenge to further reduce nitrogen waste”, 2021 年 赤枠はMRI加筆
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窒素フローから分かること⚫ 窒素フローからは、反応性窒素が排出される様子と、その原因となる人間活動のつながりを読み取ることができる。
⚫ 窒素フローを整理した既往研究を踏まえ、この点の関係性を重点的に確認していく。

中国においては、産業分野に投入された窒素は44.2 Tg-N/年が他分野に移動するが、そのうち28.9 Tg-N/年（６５％）は肥料として農地に移動する。

中国で大気に放出される反応性窒素を見ると、農業からの 8.5 Tg-N/年（内訳はNOx 0.4 、NH3 7.7、N2O0.4）が大きく寄与している。

出所） Gu et al., “Integrated reactive nitrogen budgets and future trends in China”, 2015 年 に赤枠・青枠をMRI加筆
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⚫ 下図はイメージだが、今後有識者の意見を踏まえてブラッシュアップしていく予定である。
この部分がフロー図に整理されている

要因

圧力状態

影響（Driver）（Pressure）（State）（Impact）

人間活動

環境への排出

大気・水などの質

人と自然への影響

エネルギー製造（燃焼）N2Oの排出

大気N2O濃度 （全球）

地球温暖化（N2O）

一部影響

投入
NOxの排出（低濃度）
アンモニア合成（HB法）
投入
食料・工業製品製造
投入？
？

NH3の排出（低濃度）
大気沈着 （局所）（NOy、NHy）

NOxの排出（高濃度）

廃棄物・下廃水の処理
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オゾン層破壊（N2O）

大気汚染（NOx、NH3、PM2.5、光化学オキシダント）

土壌の質悪化 （局所）
土壌酸性化

NH3の排出(高濃度）
河川の質悪化 （局所）

食料・工業製品消費投入

大気の質悪化 （局所）
（NOx・NH3濃度）

農地浸出水の排出

湖沼の質悪化 （局所）

下水・産業排水の排出

地下水質悪化 （局所）
12

富栄養化

地下水汚染

3. 本調査の目指すところ（当面の目標）⚫ 未着手領域の洗い出し⚫ 情報発信用のイラスト作成⚫ 将来における構造変化の可能性検討

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3. 本調査の目指すところ（当面の目標）

未着手領域の洗い出し⚫ 反応性窒素が関係する問題の構造が整理できた後には、技術開発において注力すべき領域の絞り込みを行う。既存技術が対処している領域や、結果として状態が改善されている領域の整理を通じて、未着手の部分を洗い出す。
※図はアウトプットイメージ（内容は今後精査が必要）

環境への排出

大気・水などの質

N2Oの排出

大気N2O濃度 （全球）
一部影響

NOxの排出（低濃度）

大気の質悪化 （局所）
（NOx・NH3濃度）

NH3の排出（低濃度）
既存技術で対処

大気沈着 （局所）（NOy、NHy）

NOxの排出（高濃度）

土壌の質悪化 （局所）
NH3の排出(高濃度）
河川の質悪化 （局所）

農地浸出水の排出

湖沼の質悪化 （局所）

下水・産業排水の排出

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地下水質悪化 （局所）14

現状で基準値を達成

3. 本調査の目指すところ（当面の目標）

情報発信用のイラスト作成⚫ 整理結果を図的に要約することで、窒素問題の認知度向上に寄与するようなイラストの作成も検討しているところである。フロー図の要素も織り交ぜたい。
水分と反応し酸化NOx

HNO3

呼気による喘息等

PM2.5の発生

温室効果による温暖化、成層圏オゾンの破壊

平衡反応
平衡反応

NH3

NH4+、NO3-

N2O

沈着

N2
沈着

曝露による眼の痛み等

呼気による心疾患等

沈着

沈着

土壌の富栄養化

土壌の過剰な酸性化

NO2-

人体への流入経口摂取によるチアノーゼ

水圏の富栄養化

脱窒
硝化

硝化・溶脱

NH4+

形態変化・移動脱窒

NOx、NH3、NH4+ 、
NO3-、N2Oは、人間 活動 から多く排出され る窒 素 化合 物

NO2-

流出

NO3-NO3-※水圏においても土壌においても、微生物によって窒素化合物の硝化・脱窒反応等が発生する。
出所） 林健太郎ら、「図説 窒素と環境の科学 人と自然のつながりと持続可能な窒素利用」、朝倉書店、 2021年 を基にMRI作成
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3. 本調査の目指すところ（当面の目標）

将来における構造変化の可能性検討⚫ たとえば将来、アンモニア製造量が増加した場合、その製造に必要なエネルギーが CO2排出の原因となり、地球温暖化に影響を与える可能性もある。
⚫ 現在では顕在化していない環境問題のリスクについても、注視して検討を行っていく予定である。

要因

圧力状態

影響

（Driver）（Pressure）（State）（Impact）

人間活動

環境への排出

大気・水などの質

人と自然への影響

エネルギー製造（燃焼）N2Oの排出

大気CO2濃度 (全球)

地球温暖化

CO2の排出

大気N2O濃度 （全球）

投入

一部影響

アンモニア合成（HB法）

NOxの排出（低濃度）投入？

大気の質悪化 （局所）
（NOx・NH3濃度）？
NH3の排出（低濃度）

大気沈着 （局所）（NOy、NHy）

食料・工業製品製造
NOxの排出（高濃度）
投入
食料・工業製品消費投入
廃棄物・下廃水の処理
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土壌の質悪化 （局所）

オゾン層破壊（N2O）

大気汚染（NOx、NH3、PM2.5、光化学オキシダント）

土壌酸性化

NH3の排出(高濃度）
河川の質悪化 （局所）
富栄養化

農地浸出水の排出

湖沼の質悪化 （局所）

下水・産業排水の排出

地下水質悪化 （局所）
16

地下水汚染

4. さいごに【再掲】 本日の講演のポイント⚫ 本日の講演では、弊社が「①何を」、「②どのように」調査しているか概説した。

⚫ その上で、「③なぜこの調査を実施しているか」、本調査で目指すところについても述べた。

＜今日の講演のポイント＞

1

本調査当面の目標は、複雑な「窒素問題」の構造を整理することである。

2「窒素問題」の整理に際しては、窒素フローの活用が役に立つ。

3「窒素問題」を整理した後には、開発すべき技術についての提言を予定している。

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