食料増産と資源・環境問題としての肥料 Fertilizer as resources for increased food production and its environmental aspect

食料増産と資源・環境問題としての

肥料

Fertilizer as resources for increased food production

and its environmental aspect

農業環境技術研究所 物質循環研究領域

新藤純子

世界の人口・食料生産・肥料使用の変化

窒素とリンの循環

窒素、リンによる水質汚染

国連人口基金東京事務所

http://www.unfpa.or.jp/p_graph/pgraph.html

世界の人口

小麦の平均単収

1900年：800 kg/ha

2008年： 3.1 t/ha

「20世紀最大の発明は飛行機でも

原子力でも宇宙飛行でもなく、

アン

モニアの合成法

である。これによっ

て、1900年から2000年の100年間

に人口は16億人から60億人まで増

加することができた。 」

Enriching the Earth

By Vaclav Smil

(2004)

ハーバー

ボッシュ

ハーバー・

ボッシュ法

石灰窒素

1895年発明

副生硫安

１億ｔN/y

1000万ｔ

100万ｔ

10万ｔ

1万ｔ

1900

1930 1960

世界の窒素肥料生産量の変化

ハーバー・ボッシュ法

1908年 高温高圧下で、窒素と水素を反応

させてアンモニアを合成（ハーバー）

1913年 工業化成功（ボッシュ）

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1961

1971

1981

1991

2001

窒素肥料使用量（

億

tN

)

旧ソ連

旧東欧

欧州

アフリカ

オセアニア

北米

中南米

中国

インド

その他アジア

世界の窒素肥料消費量(1961～2007年）

FAOSTAT（

http://faostat.fao.org/site/291/default.aspx

）データに基づいて作図

46年間に

世界：

_9.5倍

アジア： 29.0倍

日本：

_0.9倍

中国： 59.5倍

リ ン

• 1820年頃から無機態リン肥料の製造

• 1842年：John Bennet Lawesにより初めての肥料

会社設立

• 原料

骨

グアノ（海鳥の糞の堆積物）など

リン鉱石

• 1900年頃の生産量 40万 tP

世界のリン酸肥料消費量(1961～2007年）

FAOSTAT（

http://faostat.fao.org/site/291/default.aspx

）データに基づいて作図

46年間に

世界：

_3.8倍

アジア： 21.6倍

日本：

_0.8倍

中国：

_80.0倍

0

500

1000

1500

2000

1961

1971

1981

1991

2001

リ

ン

酸

肥料

使用量（

万

tP

）

旧ソ連

旧東欧

欧州

アフリカ

オセアニア

北米

中南米

中国

インド

その他アジア

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0

5

10

15

20

25

30

1961

1971

1981

1991

2001

人口

(億人

)

穀物生産量

(億

t）

旧ソ連

旧東欧

欧州

アフリカ

オセアニア

北米

中南米

中国

インド

その他のアジア

人口

世界の穀物生産量と人口の変化

(1961～2007年)

FAOSTAT（

http://faostat.fao.org/site/291/default.aspx

）データに基づいて作図

46年間に

人口

穀物生産

世界：

_2.2倍

2.7倍

アジア： 2.3倍

3.4倍

日本：

_1.4倍

0.6倍

中国：

_2.0倍

4.2倍

農地面積当たり肥

料使用量（kg/ha)

と

穀物単収 (t/ha)

0 1 2 3 4 5 6 0 50 100 150 200 250 300 単収（ t/ h a ） kg /h a

1961

P2O5 N 穀物単収 0 1 2 3 4 5 6 0 50 100 150 200 250 300 単収（ t/ h a ） kg /h a

1980

0 1 2 3 4 5 6 0 50 100 150 200 250 300 単収（ t/ h a ） kg /h a

2007

*農地面積とは、耕作地

と永年作物栽培面積の

合計

生物的

窒素固定

1億 tN

N

₂

吸収

脱窒

N

₂

N

₂

O

NO

₃-

_NH

4+

硝化

有機物

NO, NO

₂

雷

_{200～500万ｔN}

N

₂

生物的

窒素固定

（豆類）

1500万 tN

化学肥料

1億 tN

ハーバー・

ボッシュ法

N

₂

NH

₃

2500万 tN

+ 2000万 tN

2700万 tN

+ 3500万 tN

生物的

窒素固定

1億 tN

N

₂

吸収

脱窒

N

₂

N

₂

O

NO

₃-

_NH

4+

硝化

有機物

NO, NO

₂

雷

_{200～500万ｔN}

N

₂

生物的

窒素固定

（豆類）

1500万 tN

化学肥料

1億 tN

ハーバー・

ボッシュ法

N

₂

NH

₃

2500万 tN

+ 2000万 tN

2700万 tN

+ 3500万 tN

酸性雨

地下水

汚染

富栄養化

赤 潮

温暖化

成層圏

オゾンの

破壊

環

境

輸入

窒素固定

アンモニア沈着

農 地

土壌有機物

家畜

ふん尿

農地から

人から

流入

循環

流出

N

_sur

副産物

分解

窒素フローモデル概要

肥料

作物

家畜

畜産品

魚貝

高ﾀﾝﾊﾟｸ飼料

輸入

輸入

下水処理

ア

ン

モ

ニ

ア

揮

散

_ア

ン

モ

ニ

ア

人

中国

日本

インド

韓国

一人当たりのNフロー（kgN/人：2005年）

N_fert N_crop 環 境 農地 土壌有機物 13.4 4.7 4.5 20.1 7.4 輸入 輸入 N固定 アンモニア沈着 下水処理 輸入 ア ン モ ニ ア ア ン モ ニ ア 畜産品 魚介 高タンパク 飼料 肥料 作物 人 家 畜 環 境 農地 土壌有機物 5.8 5.2 5.0 3.7 3.2 6.1 輸入 輸入 N固定 アンモニア沈着 下水処理 輸入 ア ン モ ニ ア ア ン モ ニ ア 畜産品 魚介 高タンパク 飼料 肥料 作物 人 家 畜 環 境 輸入 輸入 アンモニア沈着 農地 土壌有機物 下水処理 農地から 輸入 4.9 5.7 7.2 2.5 5.1 _4.9 9.5 ア ン モ ニ ア ア ン モ ニ ア 畜産品 魚介 高タンパク 飼料 肥料 作物 人 家 畜 環 境 農地 土壌有機物 6.1 3.2 1.2 11.3 5.4 輸出 輸出 N固定 アンモニア沈着 下水処理 輸出 ア ン モ ニ ア ア ン モ ニ ア 畜産品 魚介 高タンパク 飼料 肥料 作物 人 家 畜

USGS: Commodity Statistics and Information

http://minerals.er.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/phosphate_rock/mcs-2009-phosp.pdf

リン鉱石：生産量と資源量 (kt)

経済的に採掘

可能な資源量

採掘可能

な資源量

(kｔ)

万tP

2045 2089 196,650 616,170

ヨーロッパの状況

窒素肥料使用量、家畜の飼養頭数の増大

により、窒素による深刻な水質汚染が顕在

化

EU：１９９１年に硝酸塩指令を公布

•施肥の時期、量、作付け体系、家畜ふん

尿の貯蔵、農地への投入などの適正化。

•地下水、表流水の硝酸イオン濃度、地形

等に基づいて脆弱地域を設定し、より厳し

い規制。

COMMISSION STAFF WORKING DOCUMENT on implementation of Council Directive

91/676/EEC concerning the protection of waters against pollution caused by nitrates from

agricultural sources based on Member State reports for the period 2004-2007, (2010)

OECD：環境に配慮した農業に関する指標

の一つとして、農地における余剰養分量

（N、P）を評価

余剰量＝インプット－作物による吸収

•インプット：

化学肥料、家畜堆肥

窒素固定、大気沈着

（アンモニアの揮散、

脱窒も考慮）

• 農地（農地＋草地）面積

当たりの量として比較

環 境 農地 土壌有機物 5.8 5.2 5.0 3.7 3.2 6.1 輸入 輸入 N固定 アンモニア沈着 下水処理 輸入 ア ン モ ニ ア ア ン モ ニ ア 畜産品 魚介 高タンパク 飼料 肥料 作物 人 家 畜

0 50 100 150 200 250 300 350 400 K o re a N e th e rl a n d s B el gi u m Ja p an Lu xe m b o u rg D en m ar k G e rm a n y Ir e la n d N o rw a y Sw it ze rl an d C ze ch R ep u b li c Fi nl an d Fr an ce A u st ri a Po la nd Sw e d e n P o rt u ga l N ew Zea la nd Sl ov ak R ep ub lic U n it ed K in gd o … It al y H u n g a ry U ni ted St at es C an ad a Sp ai n Tu rk ey M ex ic o A u st ra li a G re e ce Ic e la n d 中国 江蘇省 イ ン ド タイ kg N / ha 1990-92 2002-04 0 10 20 30 40 50 60 70 Ja p a n K o re a B el gi u m N et h er la n d s Po rt ug al N ew Zea la nd N o rw ay U n it ed K in gd o m D en m ar k It al y Lu xe m b o u rg Fi nl an d Sp ai n Ir el an d Sw it ze rl a n d Tu rk e y Fr an ce G er m an y G re ec e A u st ri a Po la nd U ni ted St at es C ze ch R ep u b li c Sw ed en A u st ra li a C a n a d a Ic el an d M ex ic o Sl ov ak R ep ub lic 中国 _イン ド タイ kg P / ha 1990-92 2002-04

窒素

リン

OECD各国の農地の余剰養分

窒素フローモデル

による

東アジア

0 50 100 150 200 kg

N/ha

1961

東アジアの農地の

余剰窒素

1988

2005

地下水

表流水

硝酸イオン濃度の地理的分布

(2004-2007)

COMMISSION STAFF WORKING DOCUMENT on implementation of Council Directive 91/676/EEC concerning the protection of waters against pollution caused by nitrates from agricultural sources based on Member State reports for the period 2004-2007, (2010)

40 -50

25 - 40

> 50

< 25

mg NO

₃

-

/L

地下水の硝酸イオン濃度の分布

(2004-2007)

COMMISSION STAFF WORKING DOCUMENT on implementation of Council Directive 91/676/EEC concerning the protection of waters against pollution caused by nitrates from agricultural sources based on Member State reports for the period 2004-2007, (2010)

硝酸イオン濃度の基準超過割合

EU 15カ国 （50 mg NO

₃

-

_/L)

括弧内は旧東欧を含むEU 27カ国

日本の場合 （44.3 mg NO

₃

-

_/L)

•全国の４～５％の井戸で環境基準を超過

•表流水の超過割合は、0.1～0.2％

1996-98

2000-2003 2004-2007

地下水

20%

17%

17% (15%)

表流水

2.5%

4% ( 3%)

•欧州では農地面積率が高いため、農地面

積当たりの余剰量は日本より低いが、地

域全体としての負荷は依然大きい。

全窒素、全リンの環境基準達成率

環境基準

類型によって 湖沼： 0.1 mgN/L～1mgN/L、 0.005 mg P/L～0.1 mgP/L

海域： 0.2 mgN/L～1mgN/L、0.02 mgP/L～0.09 mgP/L

全窒素

全リン

公共用水域水質測定結果（環境省水・大気環境局 平成20年11月）に基づいて作成）

0 20 40 60 80 100 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 全窒素 環境基準達成率 (% ) 湖沼 東京湾 伊勢湾 大阪湾 瀬戸内海（大阪 湾を除く）

湖沼、閉鎖性海域（湾）で環境基準達成率が低い

0 20 40 60 80 100 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 全 リ ン 環境基準達成率 (% ) 湖沼 東京湾 伊勢湾 大阪湾 瀬戸内海

北浦アオコ （2005年7月）

霞ヶ浦トレンドステーションＨＰ（国立環境研究所）より

日本の水質

アオコ（青粉）とは、

富栄養化

が

進んだ湖沼等において微細藻類

（主に浮遊性藍藻）が大発生し水

面を覆い尽くすほどになった状

態（ウィキペディア）

1998年

全窒素濃度分布(河川・湖沼）

• 大都市周辺で高濃度

• 畜産の盛んな地域で高濃度

• 経年的に低下傾向

1988年

窒素フローモデルによ

る推定濃度

環境省による公共用水域調査結果

2003年

0 2 4 6 8 10 mgN/L

1961

1988

2005

河川水窒素濃度分布

（モデルによる

推定結果）

将来の食料生産拡大により

環境負荷は？

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1961 1971 1981 1991 2001 2011 2021 2031 2041 人口 (億人） 旧ソ連 旧東欧 欧州 アフリカ オセアニア 北米 中央・南米 中国 インド その他のアジア

世界の人口予測

国連による推計

FAOSTAT（

http://faostat.fao.org/site/291/default.aspx

）データに基づいて作図

2030

/2005

世界

_1.28倍

中国

_1.11倍

インド

_1.31倍

アフリカ 1.65倍

一人当たり肉の消費量とGDP

0

10

20

30

40

50

60

70

80

10

100

1000

10000

100000

中国

シンガポール

日本

ベトナム

韓国

マレーシア

インド

Kg/人/年

一人当たりGDP (ドル/人/年）

一

人

当

た

り

肉

消

費

量

穀物から畜産品に

国によってその

傾向は違う

肉消費量

穀物消費量

N負荷

農地、人、

アンモニア

2005

10

6

t

2030

/2005

2005

10

6

t

2030

/2005

2005

10

6

tN

2030

/2005

中国

_71.5

1.16

|

₂₀₆

0.89

|

_30.1

1.30

|

1.23

0.94

1.42

インド

_5.7

2.35

|

₁₆₅

1.51

|

_13.7

1.78

|

2.50

1.60

1.96

2030年の食料需要と窒素負荷

2030年の窒素負荷は、

中国：2005年の 1.3-1.4 倍に、

インド：1.8-2.0 倍に

１人当たり肉消費量

2005 2030

中国: 54.5 kg/y ⇒ 60.0 kg/y

インド: 5.1 kg/y ⇒ 9.6 kg/y

将来の食料生産増大による環境負荷

低減のために

多くの先進国や中国では、肥料が過剰

• 欧州：1990年以降施肥量減少したが、単収は

増加。旧ソ連も生産量の低下は小さい。

• 日本：施肥基準は初めて作物を栽培する時

の値。栽培を繰り返すと養分が土壌に蓄積し

てくる（西尾道徳「農業と環境汚染」より）

施肥効率を高めることにより、肥料の損

失、環境への流出を小さく

• 適切な肥料の選択、適切な栄養比率、適切

な施肥時期と位置、硝化抑制剤の利用、耕起

や水分管理などの営農法の改良（Smil「世界

を養う」）

• 緩効性肥料、被覆肥料（現在日本でのシェア

は約3％）

• Pの回収