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

9. 農村地域における窒素循環の解析事例

■S県S平野は、南北を河川、西部を山地、東部を海に接し、他の流域と明確に隔離された純農村地域（面積：約100km2）である。また、この平野は大部分が干拓によって出来上がった低平地で、平野内にはクリークが縦横に巡らされている。地域内の水源は、基本的に天水に加え地域内に設けられたため池しかなく、クリークが排水路及び排水の貯留施設及びため池からの水の送水路としての機能を果たしている。

■干拓地で水資源の乏しい当地域にあっては、クリークの水は農業用のためだけではなく、かつては飲み水や風呂の水としても利用されており、そのためもあってクリークの水質は地域住民の日常的な努力により清浄に保たれていた。具体的には、各家庭から出る生活雑排水は屋外の汚水溜めと家の廻りのレンコン田や水田を経由して浄化された後にクリークに排出されていた。また、定期的にクリークに溜まった泥土が浚渫され、その泥は肥料として農地に還元されていた。

■しかし、簡易水道の普及やクリークの統廃合、ほ場整備の実施、地下水等の他の水源の確保により、住民のクリークへの関心が薄くなり、近年ではクリークの水質が著しく悪化している。そこで話題提供者は、（独）農業・食品産業技術総合研究機構農村工学研究所等で開発された「バイオマス資源循環利用診断モデル1）」を基に地域の窒素循環モデルを作成し、クリークの水質が清浄であった1960年頃と、水質が悪化した2000年頃の窒素循環の差異の把握を試みた。

■1960年頃から2000年頃の間に地域の農業、生活等も大きく変化したが、窒素循環に大きな影響を与える状況変化には次のようなものがある。

（1）人口の変化とし尿処理及び家庭雑排水処理方法の変化

処理方法
 処理の具体的方法

処理人口
し尿 生活雑排水 1960年頃 2000年頃
し尿自家処理 自家処理 屋敷周りの水田
 41,625 0
単独浄化槽 単独浄化槽 無処理 0 2,154
合併浄化槽 合併浄化槽 合併浄化槽 0 3,592
集落排水 集落排水 集落排水 0 2,039
公共下水 公共下水 公共下水 0 0
し尿処理場 汲み取り 無処理 0 20,608



（2）営農作物と施肥量の変化
1960年頃は、表作に水稲、裏作に麦が栽培されていたが、その後の米の生産調整に対応するため圃場整備による乾田化が進み、現在では転作作物として大豆、裏作にはたまねぎの導入が進んでいる。
また、格作物に対する施肥量も、単収増加を量るため大幅に増加した。


収穫面積（ha）と収穫量（t）

作物 1960年頃 2000年頃
収穫面積（ha） 収穫量（t） 収穫面積（ha） 収穫量（t）
水稲 4,675 21,450 3,760 20,750
レンコン 155 3,263 257 3,866
小麦 1,744 3,634 1,161 5,197
大麦（ビール麦） 119 107 705 295
六条大麦（裸麦） 1,030 1,205 20 80
大豆 37 41 1,035 2,643
キャベツ 0 0 105 4,317
たまねぎ 16 190 1,692 97,400
いちご 0 0 50 1,980
レタス 0 0 53 1,483
そらまめ 411 480 0 0
なたね 348 377 0 0



基準施肥量（Nkg/10a）

作物名 1960年頃 2000年頃
水稲 8.5 9.2
レンコン 34.0 34.0
小麦 8.3 13.6
六条大麦 8.3 13.6
大豆 0.4 5.2
キャベツ 15.0 23.1
たまねぎ 15.0 25.0
いちご 15.0 13.6
レタス 15.0 14.0



（3）クリークの整備と維持管理方法の変化
土地改良事業により、クリークの規模拡大と区画整理等が行われた。整備する前のクリークは、その幅も水深も小さかったため、定期的に地域住民による泥上げが行われ、窒素を含む泥土は肥料として農地に還元されていた。また、クリークの水質を良好に保つため、家庭雑排水は屋外の汚水溜と水田を通じて排水されていた。しかし、クリークの規模が大きくなると住民の手で維持管理を行うことができなくなり、また、クリークの水質に対する関心も希薄となって家庭雑排水が直接クリークへ排出されるようになった。

■窒素循環モデルでの計算の結果、表作及び裏作を含む農地レベルでの窒素収支は下表のようになった。


農地における窒素収支（単位：Nt/年）

項目 1960年頃 2000年頃 差引
Input      
化学肥料 575 1,264 689
たい肥 104 259 155
し尿還元 80 0 -80
生ゴミ、生活雑排水汚泥 11 1 -10
クリーク泥あげ 1 1 -41
生産物副産物還元 191 269 78
降雨 158 168 10
かんがい用水 36 92 56
窒素固定 191 214 23
計 1,387 2,269 882
Output      
生産物収穫 383 787 404
副産物収穫 355 429 74
地表排水 150 113 -37
浸透溶脱 236 732 496
脱窒素 260 210 -50
計 1,384 2,271 887


この表から明らかなように、農地へのInputが882Nt増加したが、大半は化学肥料の投入増によるものである。しかし、投入された化学肥料の大部分は作物に吸収されずクリークへ浸透溶脱して、クリーク水への負荷となっていることがわかる。

■次に、クリークにおける窒素のInputとOutputを見てみると下表のようになった。2000年頃は1960年頃に比べて水稲作付面積が減少したので水田からの窒素流入が減り、逆に畑（生産調整及び裏作に用いた畑状態の水田）からの浸透溶脱が大幅に増加している。また、生活雑排水による窒素流入が増加している。さらに、クリークの管理が不十分になったことにより泥上げ等によるクリークからの窒素の持ち出しも減少した。


クリークにおける窒素収支（単位：Nt/年）

項目 1960年頃 2000年頃 差引
Input      
降雨 11 12 -1
水田からの排水 150 113 -37
畑状態水田からの浸透溶脱 237 730 493
農地外からの排水 8 8 0
流域外溜池からの流入 5 5 0
地下水取水 0 0 0
生活雑排水処理水 - 24 24
生活雑排水（無処理） 17 33 16
計 427 925 498
Output      
水田へのかんがい 36 92 56
地域外への排水 234 581 347
脱窒 117 250 133
泥あげ、魚の捕獲での持出 42 4 -38
計 428 927 499
収支 -1 -2 -1

■この窒素循環の変化によるクリーク水質への影響を、別途行ったクリークの水収支計算結果を基に試算してみると、1960年頃の年平均T-N濃度2.2mg/Lが2000年頃には5.1 mg/Lと大幅に増加した。

■1993年以降のクリーク水質の実測調査結果を、水稲の生育期別に見てみると、2000年頃の計算結果がほぼ妥当なことがわかる。また、期別に見ると収穫後から代かき期までの濃度が高くなっていることがわかる。


水稲生育期別クリーク水質（T-N）調査結果(1993～2001の平均値)　単位：mg/L

調査時期／調査地点 S平野No1 S平野NO2 隣接平野
代かき期 6.04 10.97 1.45
活着期 4.20 4.13 1.47
分けつ期 1.81 2.61 1.27
幼穂形成期 1.71 2.11 1.04
出穂期 1.49 2.37 1.11
登熟期 1.74 2.32 0.74
収穫後（1） 2.69 3.81 0.90
収穫後（2） 7.58 8.94 1.48

この原因としては、湿田状態（水田＝嫌気状態）ではアンモニアの分解が進みにくく、逆に乾田状態（畑＝好気状態）ではアンモニアの硝化が進み、加えて亜硝酸態や硝酸態窒素の方が水に溶けて浸透溶脱しやすいという性質があるからと考えられる。また、この地域では窒素肥料を多投するたまねぎ（25kgN/10a）の栽培面積が裏作として大幅に増加している。たまねぎの施肥による影響は水稲（9.2kgN/10a）や麦（13.6kgN/10a）の施肥量と比べるとよく理解できる。ちなみに、干拓地で同様な土壌条件にあり裏作の大部分が麦となっている隣接平野のクリークでは、収穫後に際だった水質悪化は見られない。

■農業は土と水と太陽から食べ物を生産する産業であり、農薬の過剰使用等を除けば、一見、環境汚染とは無関係の産業とも思われている。しかし、生産量を高めるための過剰施肥が思わぬ環境被害を引き起こしていることがわかる。地域の環境改善と農業の持続的な発展を望むなら、現在の営農形態を抜本的に見直す必要があるだろう。

■なお、事例地域でクリークの水質を改善しようとすれば、まず、農地（特に裏作に対する）への化学肥料施肥量の削減を検討する必要があるだろう。また、クリークの泥あげを定期的に行い、さらに無処理での生活雑排水のクリークへの流入を防ぐ手だてを検討する必要がある。

■以上の事例は、決して特殊なものではない。同様な事態が日本全国で生じていると思われる。

大串　和紀　H20.6.29

*1　農林水産バイオリサイクル研究「システム化サブチーム」：バイオマス資源循環利用診断モデル利用マニュアルVer.2.0(2006)
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