窒素の循環 -その３：窒素循環の具体量

アンモニアは人口を支える肥料の原料として、多く製造されています。人口は今後も増大を続け、また新たにエネルギーキャリアとしての用途もあることから、今後アンモニア製造量は増大し続けると考えられます。大気中の窒素を大量に固定した結果、今後地球はどうなるのか。窒素循環という観点から考察するシリーズ記事です。

第三弾の今回は、窒素の循環を定量的にみてみます。

窒素循環の乱れ

工業的なアンモニア合成法の確立により、人口は増大の一途をたどっています。その結果、前回のポスト（窒素の循環 -その１ その２）で述べた通り、窒素循環の乱れが生じてしまっています。例えば、1950年ころは5 [Tg(N) year^-1]の窒素肥料が製造されていました。この数値は以降指数関数的に増大し、1990年頃には約80 [Tg(N) year^-1]に達しています^[1,2]。2000年には、人為起源による窒素固定量は200 [Tg(N) year^-1]（うち、半数強が肥料用途）を超え、これは地球上での自然固定量（陸上固定＋海洋固定）に匹敵します^[3]。人間による窒素固定量の急激な増大は、窒素循環を乱しました。窒素の循環サイクルを定量的にまとめたものが、次の図です。文献^[4]を基に作成しています。

矢印横の数字は、年間あたりの窒素の固定量・脱窒量に対応し、単位は[Tg(N) year^-1]です、ボックスおよび矢印の大きさは、実際の窒素量・流量に合致するように描画しています。この数値は、1994年の論文^[4]で報告されている数値であることにご注意ください。

つまり90年代前半では、陸上で固定される窒素量は250、海洋で固定される量は30であり、合計で280の窒素が固定されることになります。一方で、脱窒されて循環する窒素量は、陸上からは130、海洋からは70であり、合計で200となります。この差分80 [Tg(N) year^-1]が地球を循環していない窒素量となります。現在はより多量のアンモニアが製造されているので、これより多くの窒素が循環から外れていると考えられます。

このように、窒素固定に伴い土壌・海洋肥沃が進んでしまっています。大気中の窒素からグリーン・ブルーアンモニアを作ることで、さらに窒素固定が進むことになると考えられます。理想的には、その窒素は循環すると考えられます。しかし、循環から外れた窒素は、さらなる肥沃化を引き起こすと考えられます。

窒素固定量と人口

地球上の人口と、肥料用途の窒素固定量を見てみましょう。以下に、人口と窒素固定量の経年変化をまとめた図を示します。データ^[3,5]を参考に作成しました。

人口と窒素固定量は、確かにはおおむね相関があることが分かります。より分かりやすくするために、人口を窒素固定量に対してプロットしてみます。

1960年から2000年のデータ（図中、窒素固定量・人口が多い領域）では非常に良い線形性が観測されました。
人口 = 2.83*10⁷ *窒素固定量 + 2.88*10⁹ (R² = 0.96) …(1)
この線形性に基づいて、将来的に必要となる窒素固定量を算出します。

2030年: 人口＝8.0*10⁹ = 181 [Tg y⁻¹]
2050年: 人口＝9.8*10⁹ = 245 [Tg y⁻¹]

これだけの窒素が、肥料用途として今後も必要になると分かります。

従来は、窒素を固定化することで、アンモニアは製造されてきました。しかし、窒素循環を実現するためには、既に系内にある窒素を適切に回収・再資源化していくことが必要となります。つまり、窒素からアンモニアを製造するのではなく、排水などに含まれる硝酸イオンなどを還元処理し、アンモニアを製造するなどが有効となってくると思います。ただし、そういった窒素種は濃度が低いことが課題となります。例えば排水基準濃度は、500 [mg L^-1]程度ですね。こうした低濃度の物質に回収して再資源化していくか。それを可能にする技術の開発が、将来的には必要でしょう。

参考文献

1. V. Smil, The Earth as Transformed by Human Action, 1991.
2. V. Smil, Phys. Today 1994, 24.
3. J. Peñuelas, et al., Nat. Commun. 2013, 4, 2934.
4. A.P. Kinzig, R.H. Socolow, Phys. Today 1994, 11, 24-31.
5. Our World in Data, World Population Growth https://ourworldindata.org/ (accessed on 2021/03/18)