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水土の知を学ぶ
小泉 健
10. 物質循環の科学
(1)土における物質循環*1
様々な物質が大気を媒介して広い地域に拡散し、土の表面に沈着します。枝葉の繁茂した植物は、二酸化炭素などを吸収して大気を浄化すると同時に、土への供給量を増やします。陸水には河川の氾濫や灌漑によって土の表面に加えられるものと、浸透水によって土中を移動するものがあります。生物は、植物による無機養分の吸収と有機物の地表への還元という流れを形成します。土から環境に排出される経路についても、大気への放出・揮散としては、蒸発散、風食による黄塵、メタンガス等の空気中への揮散があり、大気の透明性や温室効果、オゾン層破壊などに幅広い影響を及ぼしています。 水圏への流出としては、①水食による懸濁および溶解性物質の地表水への流出、②溶脱による溶解性物質の地下水への流出が問題となります。②の例として硝酸イオンによる地下水汚染があげられます。人間が食料、薪炭、繊維などを森林や農耕地から収穫して、それらを最後には自然に返すという循環の流れに乗せていない場合に問題が生じます。人口増大、食料自給率の低下などは、陸域の物質循環を左右する重要な流れを作る原因となっています。 陸地における物質の流れは、その大部分が土にはいり、そこに蓄積し、ふたたび生物、大気、水に拡がっていきます。入ってくるものがあれば出て行くものがあって、土はある安定な状態を保っています。流れが停滞すればいろいろな物質が土に蓄積します。出て行くものが多くなれば、土のストックが減少し、やがては流れが止まってしまいます。流れの停止は、生態系の死を意味します。土は物質循環の要であり、生態系にとって不可欠な貯留槽の役割を果たしているのです。生態系から得られる様々な自然のサービスの多くは、多数の生物によって水や栄養分を循環し、廃物を分解し、分解した産物を貯留あるいは再循環する能力によっているのです。 その意味で、土壌は毎年作物の種子を蒔き、土の養分を吸収して生長し、実りをもたらし、堆肥などによる地力の増強を図るという繰り返しが行われており、物質循環の要であるといえます。 (2)炭素の循環*1 大気圏、海洋における炭素の主体は、二酸化炭素とその溶存イオンであり、特に海洋には大気圏の50倍以上の量が存在し、大気中の二酸化炭素濃度を一定に保つ緩衝体の役割を果たしています。海洋には二酸化炭素に加え、約1.0×1012 tの有機態炭素が存在します。他方、陸域の炭素はおもに有機態であり、約1.7×1012 tの土壌有機物および泥炭、約6.0×1012 tの落葉落枝が存在すると推定されています。 今日、大気圏の二酸化炭素濃度の増加に伴う地球の温暖化が国際問題となっていますが、その年間増加量は炭素に換算して約3×109tで、海洋・陸域と大気圏間の年間炭素循環速度200×109tの1.5%に相当します。また現在化石燃料の消費に伴う二酸化炭素の年間発生量は炭素にして5×109tと算定され、化石燃料に由来する二酸化炭素の約60%が海洋・陸域に吸収されずに大気圏に残存する結果、地球の温暖化を促進しているといわれています。地球生態系は微妙なバランスの上に機能してきましたが、二酸化炭素の一部しか地球は循環のサイクルに取り組むことができず、残りが毎年蓄積され、二酸化炭素の増加を招いているのです。 現在地球温暖化でよく使われる言葉にカーボンニュートラル（排出される二酸化炭素と吸収される二酸化炭素が同じ量であるという概念）があります。これは、例えば、植物のからだはすべて有機化合物で出来ています。その植物が種から成長する時、光合成により大気中の二酸化炭素の炭素原子を取り込んで有機化合物を作り植物のからだを作ります。 そのため、その植物を燃やして二酸化炭素を発生させても、空気中に排出される二酸化炭素の中の炭素原子はもともと空気中に存在した炭素原子を植物が取り込んだものであるため、大気中の二酸化炭素総量の増減には影響を与えません。従って、カーボンニュートラルと呼ばれます。そのため、炭素の循環を円滑にするためカーボンニュートラルな取組がなされているのです。 (3)窒素の循環*1 大気の79%を占める窒素の量は3.9×1015tであり、その50倍近くの窒素が地殻の岩石中に存在します。しかし、これらの大量の地殻中の窒素は、炭素の場合と同様に循環にはあまり影響しません。海洋に存在する窒素もその95%以上が窒素ガスという形態であり、その量は2.2×1013tに達します。海洋中にはさらに5.7×1011tの硝酸・アンモニア態窒素、それとほぼ同量の有機態窒素が存在すると推定されます。他方陸域では3.0×1011tの有機態窒素と1.6×1011tの無機態窒素が土壌中に存在します。 大気圏から陸域への循環は生物的窒素固定などにより行われ、その推定量は年間約3×108tで、大気圏に存在する窒素量の約107分の1に相当します。そのため、窒素の循環は炭素の循環とは大きく異なります。窒素循環は、さまざまな生物の働きによって行われます。大気圏と海洋、陸域間の循環には窒素固定や脱窒(NO3, NO2→ N2O,N2)が大きな割合を占め、近年は人間活動に由来する肥料の施用や燃焼にともなう窒素循環量が急増しています。 その結果、断定的には言えませんが、窒素酸化物の増加のもたらすオゾン層破壊の影響も懸念されています。その原因は、酸化二窒素ガスが大気中で一酸化窒素ガスに変化し、成層圏では一酸化窒素や二酸化窒素ガスがオゾンと反応し分解するためといわれています。加えて21世紀は農業生産に用いる窒素等の施用量が生物的窒素固定量に匹敵する量に達しているといわれています。 作物等の高等植物は、アンモニア(NH3)、硝酸(NO3)の形態で窒素を根から吸収し、タンパク質などの有機態窒素に同化します。したがって、枯死して土に還元された植物遺体中の窒素は有機態窒素です。この有機態窒素を無機化し、高等植物が再利用できる形にするのが土中の微生物です。 (4)リンの循環*2 リン（Ｐ）は元素記号でいうと１５番目の元素です。元素のうち生物活動に必須な材料となる物質のことは「親生物元素」と呼ばれていますが、炭素、窒素、酸素等と同様にリンもその一つです。海水中の元素としては多いほうから数えて19 番目で、人体中では6 番目に多い元素です。体重70kg の人では700～ 780g 含まれています。つまりリンがなくては生命がなりたたないのです。 基本的にリンは比重が重いので、重力にしたがって地球上に分布しています。自然に任せていれば、リンは山から川などを経て海の底深くに行くということで一方的な動きしかありません。 しかし長い地質学的な時間で見ればリンは大きな循環構造の中に入っています。人間を含めた動物に食べられることによって、リンは地上に運ばれます。つまりそうした魚類も鳥類と同様、重力に逆らってリンをより高い場所へ運び上げるという循環のルートを形成しているのです。 しかし、これは土中の「リン酸貯金」が増えることにはなりますが、他の成分と結合するため、植物がすぐに使える状態にはなりません。また畜産動物（牛・豚・鶏）の排泄物にはリンや窒素をはじめとして有機物も多く含まれ、本来は肥料としても有効なものです。しかし現状ではそれが廃棄物とし処理されたり、畜舎からの排水を通して河川や湖沼などに入り込み、それが水質悪化の元になっています。 一方で不足ゆえの問題があり、今後その問題が社会的にも重要になってくるでしょう。基本的には人間が利用できる地球上の資源としての量は限られています。自然循環に従って鉱石が作られ人間が利用可能になる時間と、人類による消費速度の時間スケールが異なるので循環ができていないことが不足の大きな理由です。先ほどもあげた農業用の三大肥料（窒素・リン酸・カリウム）の中では、リンが一番不足しています。水系では不足すると貧栄養化がおこり、生態系全体に影響を与えます。 リンを含んだ鉱床は島だけでなく大陸の内部にあるのですが、石油や宝石と同じように世界的に見てある場所が偏っています。農業分野での肥料としての役割は大きく、現在39％の食料自給率が問題になり自給率の向上や食糧安全保障の課題も検討されていますが、それらのことを考えるならば当然リンを筆頭にした肥料の安全保障も考えていかなくてはならないでしょう。 このように生物にとってもまた社会的にも重要なリンについて私たちには何ができるのでしょうか。大きなレベルでは森林の保護、植樹・造林などをして鳥類を大切にすること、畜産廃棄物や下水汚泥の堆肥などを安全的・安定的に進める方法を考えること、利用魚の遡上ができるようにダムや砂防ダムの問題に関心を持つこと、野生生態系の保護や回復がリンの循環の輪を断ち切らないためにも重要な行為であることを認識しながら、そうした活動を支援することが大切でしょう。身近なレベルでは肉よりも魚や水産物をたくさん食べることが重要かもしれません。体内にとりこむことで海から地上へのリン循環に私たちも参加していることは、食卓と物質循環、悠久の地球の時間との関係を身近に感じさせてくれるでしょうから。 (5)土壌汚染と自浄作用*3 山奥の渓谷にわき出ている水を口に含んだときの清涼感は忘れがたいものではないでしょうか。汚れた水が土を透過する間に清い水に変わります。いいかえますと土には水を浄化する作用があることは、長い間の経験によって培われてきたのです。土が行う水の浄化は、水の濁りを除去することであり、水に溶解している塩類や各種の化合物を吸収することであり、また微生物を捕捉することです。この土の持つこのフィルター機能によって水の循環が再び行われます。 水に含まれている物質が除去される原理は、二つの側面から説明できます。その一つがイオン交換現象に基づいているものです。水を汚している原因物質がイオンとなって水に溶解しているとき、このイオンが土を構成している材料の表面に静電気的な力で吸着され、水から除去されるものです。 もう一つは、水を汚している原因物質が主として微粒子体であり、微粒子体が土の中に形成されている微小な間隙を通過できず土中にとどまり、水から取り除かれるものです。これをろ過現象といいます。土の間隙の大きさは、砂の層ではおおよそ150μmから50μmの幅があります。締まった土では、75μm以下であり、0.1μmより小さい間隙も少なくありません。 また稲作は病害虫と雑草との戦いの歴史であるといわれているように、これまで様々な農薬が開発され、使用されてきました。現在では使用禁止となった農薬もあり、また新たな化学物質の製造により散布された農地や周辺環境への影響は依然として不透明なところがあります。しかし、この部分においても土は、微生物や酸化還元状態の変化等の働きにより農薬を無害化する農薬の分解機能を果たしています。最近はこの微生物による分解機能に着目して一定期間を経過した農薬が無害化するような農薬の開発も盛んに行われています。 さらに、土には大気浄化機能も認められています。第１は土壌による汚染物質の捕捉です。大気中にある汚染ガスを土の液相や固相の表面に吸着する機能です。第２は物理・化学的形態変化で、水との反応や粒子表面の電気化学的反応によりイオン化するものです。第３は、微生物代謝による形態の変化です。 土壌の空気浄化は、この３つの機能により行われ、最終的には植物吸収、土壌への固定、浸透水として系外へ排出する、ガス化によって大気へ放出、土壌有機物として蓄積するという形で循環していきます。
小泉 健 H20.6.29
*1 佐久間敏雄・梅田安治編著、土の自然史、北海道大学図書刊行会、pp213-214、172-174、175-176、1998.3.25、 *2 森元之、市民科学教室、貴重な資源・リンの循環からみえてくるもの、2007.2.8、 *3 岩田進午他監修、土の環境圏、土の機能と活用技術、pp481-502、1997.5 |
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