農業における窒素循環の視角から
循環型社会を展望する 大串　和紀

4. 窒素と地球環境問題

■平成19年度版「環境　循環型社会白書」によると、生態系のプロセスによって大気から固定化される窒素量と、硝酸態窒素が窒素ガス（N2）として大気中に戻される量は、本来ほぼ均衡している。しかし、大規模な化学肥料の生産や農作物の栽培、化石燃料の燃焼等といった人間活動により、環境中に大量の窒素が蓄積されている。この量は、陸上の生態系が自然に固定する窒素の量と同程度ともいわれ、将来的にはさらに増大すると予測されている。*1

■環境中に過剰に蓄積された窒素は、その形態を変化させながら、土壌、地下水、河川等を経て海へと流出し、その過程で湖沼や河川、海域の富栄養化、底層の貧酸素化、地下水の硝酸汚染を引き起こしているほか、大気中に放出された窒素酸化物は酸性雨（pH5.6以下の雨）の原因となり、さらに地球温暖化物質としても問題を引き起こしている*1。

■窒素はプランクトンの栄養素でもあるため、水域に過剰な窒素分が存在する（富栄養化が進む）と、プランクトンの大量発生により毒性や腐臭などの水環境上の問題を引き起こす。これがいわゆる淡水のアオコ問題や海水での赤潮問題である。また、プランクトンの大量発生は、水中の酸素をも大量に消費することから、底層の貧酸素化をもたらし、底生生物等の斃死を誘発する。

■地下水が硝酸態窒素で汚染されると、人の健康に害を及ぼす。硝酸性窒素は体内摂取されると、亜硝酸性窒素に還元され酸素を運ぶ赤血球のヘモグロビンと結合し、特に乳幼児に酸素欠乏症を誘引し、また、硝酸、亜硝酸は発がん性物質であるニトロソアミン類の生成に関与する*2といわれている。飲料水の水源を地下水に頼る欧米では深刻な問題となっている。我が国でも、畜産の盛んな地域での家畜糞尿に起因する地下水汚染や、お茶の栽培地での過剰施肥による地下水汚染が見られる。

■工場の煙や自動車排気ガスなどの窒素酸化物の大部分は一酸化窒素であるが、これが大気環境中で紫外線などにより酸素やオゾンなどと反応し二酸化窒素に酸化する。これらが化学的に変化して硝酸となって雨に溶解すると、酸性雨となる。雨水は自然の状態で溶け込んでいる二酸化炭素によってpHは5.6程度の弱酸性となっている。ところが近年の活発な人間活動によって、硫黄酸化物SOX・窒素酸化物NOX・強酸性の物質などの汚染物質が大量に大気中に放出されるようになり、酸性度の強い雨が降るようになった。酸性雨は1960年代ころからヨーロッパ諸国やアメリカ北東部で指摘されはじめ、それ以降世界各地でこの酸性雨によって森林が枯死するなどの大きな被害が報告されている*3。

■酸性雨が植物に与える影響としては、樹木の黄や樹皮への直接的な影響と、土壌の酸性化によって受ける間接的な影響がある。酸性雨が葉面に降下すると、まず葉の表面を覆うクチクラ層やその直下の表皮細胞が破壊され、細胞内からカリウム・カルシウム・マグネシウム・マンガン・鉄などの金属イオンが溶け出す。これらの金属イオンは植物の光合成や呼吸機能に障害を及ぼす。そしてこれが長く続くと植物は枯れることになる*3。一方、土壌は緩衝作用を持っている*4ので、ある程度の酸性雨は問題にならないが、酸性雨が降り続いたり、強酸性の乾性・湿性降下物が降下したりすると、土壌の緩衝能力は衰え、土壌中に多量に含まれるアルミニウムがイオン化して溶出してくる。このアルミニウムイオンは、植物に対して毒性をもち、その成長を抑制する*5。

■この他、酸性雨により湖沼が酸性化し魚類が死滅する、酸性雨により建築物や石像などの歴史的資産の劣化が進行する、地下水の酸性化が進行するなどが問題になっている*6。

■海洋や土壌から、あるいは窒素肥料の使用や工業活動によって大気中に放出される一酸化二窒素（N2O）は、二酸化炭素（CO2）、メタン（CH4）に次ぐ地球温暖化物質である。1998年の大気中のN2O濃度は314ppb（体積10億分率）であり、CO2濃度365ppmのわずか1,000分の1以下であるが、N2Oの1分子あたりの赤外線吸収効果はCO2の200倍以上もあるため、温室効果への寄与は非常に大きい。また、N2Oは対流圏では消費源を持たず、成層圏に達した後に光化学反応（光分解反応および光酸化反応）によって分解されるが、その反応の過程で生成されるNOがオゾン（O3を分解するため、オゾン層の破壊を引き起こす*7。

大串　和紀　H20.5.24

*1　環境省：平成19年度版「環境 循環型社会白書」、p13

*2　http://www.miotsukushi.com/NOx/NOx.htm(20.1.2)

*3　有田正光編著：地圏の環境、東京電機大学出版局、p157(2001)

*4　有田正光編著：地圏の環境、東京電機大学出版局、p151(2001)

*5　有田正光編著：地圏の環境、東京電機大学出版局、p157(2001)

*6　http://www.eic.or.jp/library/ecolife/knowledge/earth01a.html(20.1.2)

*7　http://tgr.geophys.tohoku.ac.jp/index.php?option=com_content&task=view&id=18&Itemid=21(20.1.2)
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