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実態把握が欠如しているオランダの窒素汚染対策


キヤノングローバル戦略研究所 主任研究員、茨城大学 特命研究員

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 日本ではほとんど報道されないが、農業由来の大気アンモニアが生物多様性の悪影響を及ぼしているとしてオランダ政府が農民に対して畜舎の強制閉鎖を求める「(反応性)窒素汚染問題」に注目が集まっている注1)。その科学的根拠は、人為的に窒素を負荷する操作実験と数値シミュレーションに基づく目標値(経験的臨界負荷量)である。しかしながら、この概念は国際交渉のために開発されたものであり、目標を達成したからといって生物多様性の保全が約束されるわけではない。産業を守りつつ対策を進めるには、悪臭や水質汚染などの現地調査に基づく実態把握こそが必要不可欠である。

1.反応性窒素の循環と環境影響

 アンモニア(NH3)は、大気中の大部分を占める化学的に安定な窒素(N2)を除いた反応性窒素の一種である。農業由来のNH3排出源のうち、特に肥料や家畜の糞尿の寄与が大きい。発生したNH3は降雨や霧に取り込まれるかガス態で拡散し、陸上へと落下する(窒素沈着)。アンモニアだけでなく排気ガス由来の窒素酸化物(NOx)や微粒子(エアロゾル)も同様である。長年に渡って過剰な窒素沈着が続く地域では、土壌の酸性化、水質の汚染、湖沼の富栄養化、生物多様性の損失などが起きる可能性がある(図1)。
 実際には、図1に示すように反応性窒素の発生プロセスや環境中での振る舞い(窒素循環)は様々な物理・化学・生物的プロセスの影響を受けるため非常に複雑である。本来であれば、反応性窒素の影響評価にはこれら全てのプロセスを長期にわたる現地調査により把握しなければならないが、事前情報が全く得られない状態で各国全ての河川や生態系に対して調査を行うことは技術的にも労力的にも現実的ではない。


図1 人間社会と自然環境における反応性窒素の循環の概念図注2)

2.欧州で生まれた経験的臨界負荷量とその有用性

 そこで登場するのが、経験的臨界負荷量(Empirical critical load:CL)という概念である。CLとは、「生態系がその機能や構造に悪影響を及ぼされることなく、許容できる汚染物質(この場合、反応性窒素)の最大負荷量」である注3)。この概念は、欧州大陸内の大気汚染対策(各国間の二酸化硫黄の排出削減割り当て)を議論するために、問題のある地域(生態系)に沈着する硫黄化合物の量を削減するためには硫黄化合物がどこにどれだけ沈着しているのかを測定し、どこの発生量を削減すれば最も効率的に対象地域の沈着量を削減できるのかを議論する過程で生まれたものである注4)
 本稿では、2022年に国際連合欧州経済委員会(UNECE)の長距離越境大気汚染防止条約の影響に関する作業部会が専門家の協力を得て作成した最新の報告書注5)に基づいてCLの推計方法を説明する。
 CLの推計方法は、大きく分けて2種類である。1つは、野外における長期的な施肥・操作実験である。具体的には、窒素肥料(NH4+またはNO3)を長期間与えて窒素沈着を模擬した調査区とそうでない調査区を設けて、両者の生物多様性などの指標を比較し、有意な差が検出された時点での負荷量をCLとする。ただし、実験開始以前からすでに蓄積している自然の窒素沈着の影響を除去できないことや、実験期間が長くても20年程度と生態系を評価するには比較的短いこと、そして窒素沈着以外の他の環境要因の影響が避けられないことなどの問題点がある。なお、苔類に限ってはポット栽培実験や制御実験生態系の結果も利用している。
 もう1つは、ある程度広い地域を対象に窒素沈着量が異なっているいくつかの地点で生物多様性の指標などを調査し、それらの違いからCLを決める方法(沈着勾配調査)である。上述の実験的方法に比べると、現実に起こりうる窒素沈着の範囲内で生態系タイプごとにCLを決定できるという利点がある。欠点は、気候・土壌性質・標高・土地利用管理などの窒素沈着以外の環境要因の影響によって調査結果が大きくばらつくことである。このため、各地点の結果を慎重かつ総合的に解析するとともに、窒素沈着の影響を検出する上で統計的に十分な地点数を確保しなければならない。
  注5)の報告書では、CLの推計には現実にありうる年間窒素沈着量(100 kgNha -1-1以下)と期間(少なくとも2年間以上、理想的には実験で増加させる窒素負荷量がその場所の沈着量を十分下回る地域で5–10年以上)の研究結果のみを使用している。この推計結果を生物多様性の影響評価に利用することについては、2021年10月26–28日にスイスで行われたCLに関するUNECE専門家ワークショップで合意された。このワークショップには、オーストリア・カナダ・フィンランド・フランス・ドイツ・オランダ・ノルウェー・スペイン・スウェーデン・スイス・英国・米国から37名の専門家、そして水域・植生・数値シミュレーション・地理情報マッピングなどに関する国際協力プログラム(ICP)の代表者が出席している。
 表1の3列目は、合意されている欧州自然情報システム(EUNIS)の生態系タイプごとのCLである。例えば、貧栄養湖のような窒素負荷の影響を受けやすい生態系では3–10 kgN ha-1-1、塩性湿地のような富栄養性の生態系では20–30 kgN ha-1 年-1と大きく異なる。また、研究結果にはばらつきがあるため、それを反映するようにCLにも範囲をもたせている。


表1 欧州で定義されている様々な生態系タイプに対する反応性窒素の経験的臨界負荷量(CL)とその信頼度(##:確からしい、#:ある程度確からしい、(#):専門家判断)注6)およびオランダを対象にしたシミュレーション結果とそれに基づくCLの値注7)

 表1は、生態系タイプごとの窒素負荷への許容度を示しているだけなので、影響評価には実際の窒素負荷量の情報が必要である。年々の窒素沈着量の細かい空間分布は観測のみからは得られないため、対象地域の気象要素・反応性窒素の大気濃度・土地利用分布などのデータベースを用いた大気拡散シミュレーションを適用することが多い。この計算値から年間の窒素沈着量を算出し、表1のCLを差し引いた超過負荷量を計算する。超過負荷量と生物種の多様さの指数には有意な関係があるとされている注8)ことを根拠に、対象地域の超過負荷量がゼロ以上のときには生態系影響のリスクがあると判断する。
 表1の作成には、窒素沈着と生物多様性の関係を調べた多数の学術論文や報告書が引用されている。図2は、表1の「草原・苔・地衣類」の元となった研究結果の一例である。前述した2番目の方法により1–20 kg ha-1-1の範囲の窒素沈着量が観測されている場所でミズゴケ類(図2a)の調査が行われた。その結果、栄養塩の比率は窒素沈着の増大とともに急峻に増加するが、10 kgN ha-1-1 を超えるとリンに対する窒素の比率が飽和する傾向が見られた。そこで、この論文ではCLの範囲を5–10 kgN ha-1-1と決めている。


図2(a)ミズゴケ類の写真と(b)欧州各国の窒素沈着量が異なる場所で採取された2種類のミズゴケ類が含むリンに対する窒素の比率の観測結果注5), 注9)。(b)のCLの範囲は著者による追記。

3.経験的臨界負荷量の問題点と課題

  注5)の報告書では、CLを用いた生態系影響の評価に多くの不確実性があることに言及している:

1)
施肥操作実験の場合、実験前から窒素沈着量が既にCLを上回っているような地域が多数あり、CLの下限値(表1)を設定するのが難しい場合がある。
2)
図2の縦軸のように、影響に用いている指標(窒素含有率や窒素を好む植物種の出現割合など)は研究ごとに独自に設定されており、生態系への影響を表す全ての指標が網羅されているわけではない。また、実験データの制約上、長期間(例えば、数十年以上)の影響は考慮できていないことが多い。
3)
上述したように気候条件や土壌も生物多様性の指標に影響を与えるが、これらの影響を無視できない調査地点が含まれている場合には、表1に示したCLの取りうる範囲(不確実性)が非常に大きくなってしまう。
4)
後述するオランダのように国レベルで詳細な評価を行う場合、生態系のモニタリング地点数の制約もあり複雑な空間分布を持つ生態系に対応したCLを正確に与えることはできない。そのため、前述したシミュレーション(静的・動的地球化学モデル、植物動態モデルなど)にある程度頼らざるを得ない。

 また、「窒素の臨界負荷量:過去の実験、生態系の影響判定点(エンドポイント)、不確実性に関する重要な考察」と題する別の論文注10)では、より根本的な問題点が指摘されている:

5)
「臨界」を超えると何が起こるのかが不明瞭。例えば、図2aからミズゴケ類に含まれる窒素の割合が窒素沈着とともに増加するということは理解できても、その結果生態系全体がどのように変化するのか、その変化はどのように「悪影響」なのか、生態系の保全の観点で何を引き起こすのかなどの説明がない。
6)
統計的有意性は「臨界」を定義するものではない。施肥操作実験で二つの区に統計的な有意差が見られたとしても、その結果が図1のような複雑な窒素循環に対してどのような影響を及ぼすのかは不明である。
7)
現実の影響評価に使える大規模・長期・多地点の研究が限定的。多くの実験研究では、コドラートと呼ばれる小さい調査区(図2bの場合、10 cm四方)を設けて詳細な調査が行われているが、それを単純に州や国全体に拡張することには無理がある。
8)
窒素沈着後の(特に土壌における)窒素循環への影響に関する検討が限定的。特に、土壌中の窒素循環への言及は限定的であり、空間変動や季節変化なども十分に考慮されていない。
9)
専門家判断(Expert judgment)の根拠が曖昧。表1のCLは細かく設定されているが、よく見ると (#)(専門家判断)が数多くある。この表記は、このタイプの生態系について実験データが利用できなかったことを意味する。この判断は正しい可能性ももちろんあるが、少なくとも実験に基づいていないため定量的な根拠はない。

 最終的に、 注5)の報告書は次のように結論している。代表的な範囲の生態系において、増加した窒素沈着が生態系プロセスに及ぼす長期的な影響を理解することが極めて重要である。したがって、窒素沈着の影響が小さい地域と大きい地域の両方で長期的な生態系研究を行い、窒素施肥量の操作実験を通じて窒素沈着の影響を定量化することが重要である。さらに沈着勾配調査も同時に行い、両者の結果を組み合わせることでCLの検証を行う。そして、自然および半自然生態系のCLの計算に使用できる信頼性の高いシミュレーションモデルを開発し、窒素の影響を受けた生態系が回復していく速度を予測することが必要不可欠であるという。

4.シミュレーションに依存するオランダの窒素排出政策

  注5)は、前節で示した問題点を提起しつつも「CLは、野外実験や観測に基づいて導出されているので生物多様性へのリスク評価に適している」としている。具体的には、生物多様性の損失の抑制を目指している2030年のEU生物多様性戦略や生物多様性条約(CBD)で利用可能であると書かれている。実際、欧州ではジュネーブ条約(長距離越境大気汚染に関する条約注11)のいくつかの締約国が大気汚染による排出削減目標を設定する上でCLを用いている。2019–2021年のデータ収集時には、条約締約国が国もしくは州レベルでCLを活用しているかどうか、また活用している場合その方法について確認を受けている注12)
 ここでは、本稿と関係が深いオランダのCLの推計方法を解説する。オランダの場合、CLと数値シミュレーションを組み合わせて「単一のCL値(Unique Critical Load value)」を決めるという手法が採用されている注7)。まず、オランダの生態系タイプに該当するEUNISのCLが存在するかどうかを確認する。存在する場合、富栄養化と酸性化の複合効果に関するシミュレーション結果注13)に基づいて、さらにCLを絞り込む。このとき用いるモデルは、オランダ国立公衆衛生環境研究所(RIVM)とオランダ環境評価庁(PBL)が共同で開発したAERIUS Calculator注14)であり、人間活動によるNH3やNOxガスの排出、大気中の拡散、そして陸上への窒素沈着プロセスを水平解像度1 kmで計算できる。一方、該当するCLが存在しない場合、オランダ全土を対象にしたAERIUSの計算結果の平均値を与える(表1の5列目)。さらに、モデルでもCLが得られない場合には、専門家の判断に基づき決定する(例えば、表1の「山岳富栄養湿原」)。シミュレーションによる計算値がCLの範囲外にある場合には、CLの下限または上限いずれか近い方に設定する(例えば、表1の「形成中の海岸砂丘」)。以上の手順で「単一のCL値」を決めることで、それに対するAERIUSによる窒素沈着量の超過負荷量を1km四方の解像度で算出する。最終的に、オランダ政府は図3のような超過負荷量の大きさに応じた排出削減目標の地図を公表した。


図3 オランダ政府が示した単位面積あたりのアンモニア排出削減目標の地図注15)。凡例は著者による和訳であり、数値は政府が提示しているアンモニア排出量の削減率。例えば、桃色・黄緑色・緑色の地域では50%以上となっている。

5.オランダ政府は農民を納得させられるか?

 図3が公表されてから、オランダでは、今でも数千人規模の農民が抗議デモを頻繁に行っており注1)、その運動が近隣諸国のドイツやフランダース、スロベニアにまで広がりつつある注16)。2023年3月には、オランダ地方選挙で農民市民運動党が第一党となった注17)。「脱窒素問題」として気候変動問題との関連性も示唆さており注18) , 注19)、政府と農民の間の確執は依然として解消されていない。
 この問題を解決するには、背景にある科学的根拠を明らかにする必要がある。そこで、著者は身近な専門家との議論に加え、2023年4月に開催された酸性雨国際会議注20) に参加して情報収集や意見交換を行った。
 まず、オランダがEU内で最も反応性窒素を多く排出しており、その排出の大部分を農業部門が占めていることは事実であり、排出源である畜舎などの近傍では何らかの対応策も必要であろう注21)。しかしそれを踏まえたとしても、図3のみでは畜産業者に対して(実質的な)廃業を求めるほどの根拠にはならないように思える。
 そもそもCLの概念が注目されるようになったきっかけは、酸性雨や公害の時代の真っ只中である1994年に、二酸化硫黄の排出削減のための第二次議定書(オスロ議定書)の策定において欧州が国際交渉のために利用したことにある注3)。このような基準は規制を進める上での「めやす」として使用すること自体には問題はない。しかしながら、その基準のみを盾に広域かつ大規模に厳しい規制を進めるとなれば、その概念の本質を理解していないといわざるを得ない。
 まず問題なのは、2章でも述べたように研究者によってCLの「臨界」の定義が全く異なる上、それらが地域の生物多様性を保全するうえでどのような位置付けなのかがわからない点である。したがって、たとえ規制をかけた全ての地域で窒素負荷量をCL以下に保ったとしても、生物多様性が維持される保証はない。逆に、シミュレーションで得られたCLを大きく超える場所であっても、そこでどのような問題が起こっているのか(もしくは何も起こっていないのか)はわからないままである。
 また、窒素循環が図1のように極めて複雑であり、CLという物差し一本で生態系への影響を測ることはほぼ不可能である点も、問題である注3)。アンモニアが生態系に影響を及ぼす多くの環境要因の一つであることに間違いはないが、その排出の大小のみに責任を擦り付けられるほど生態系は単純ではない。CLの値自体も、専門家の判断(表1の(#))に多分に依存している。これらのことから、CLの不確実性は非常に大きくならざるを得ない。生態系ごとのCL値の信頼度が低いことや反応性窒素以外の気象・土壌などの環境変数による生物多様性への影響が大きいことについては、オランダ独自のCL値の根拠となっている査読付き論文の結論にも明確に記載されている注13)
 さらに、数値シミュレーションにも大きな不確実性が含まれている。対象地域が広い場合、地点を絞り込もうとすればするほど高い空間解像度が必要となるが、気象・土壌・生態系などに関する入力データの不足によりシミュレーションの誤差がその分高まるのである注13)。オランダの場合、AERIUS Calculatorの予測精度に問題があることは2章で紹介した 注10)の著者らが窒素管理の問題点についての解説注22) とともに指摘している注23),注24)
 以上のことから、シミュレーションをから得られた「単一のCL値」を鵜呑みにして欧州全域もしくは国全体に排出規制をかけても、窒素汚染問題の解決には繋がらないと思われる。

6.理想的な窒素汚染問題への対策のあり方とは?

 CLを窒素汚染問題の対策に適切に役立てるにはどうすればよいだろうか?一案として、CLを超えている地域を中心に具体的な影響(高いNO3濃度の検出や悪臭など)があるかどうかを現場で十分に調査することにより、可能な限り規制の範囲を限定する方法(ゾーニング)が考えられる。畜産や農業の影響範囲は局所的である場合が多いので、追加的な現地調査によって規制対象を絞り込むことでかなりの部分が対応できるであろう。例えば、アンモニアによる悪臭・水源地や湖沼の水質・多様性損失などの問題であれば、現地の住民への聞き取り調査や水質調査を行い、許容可能なエリアと許容不可能なエリアに分けて、前者のみを規制していけばよい。
 オランダ政府が行ったように、CLの値を生態系タイプに一意に定めて国全体の排出量を規制するトップダウン型の政策は、合意形成も得にくく実現性に欠ける。今必要なことは、専門家判断によりCLの値を何らかの値に収束させるという考えを捨てて、あくまでゾーニングを目的にCLとシミュレーションを活用するという考え方に切り替えることであろう。その上で、現地調査による問題抽出を基本としたボトムアップ型の対策を検討することが重要ではないだろうか。

【謝 辞】
本稿の執筆に際しては、長崎大学の山口真弘准教授、福島大学の福島慶太郎准教授、東京農工大学の渡辺誠准教授から最新の知見や有用なご意見をいただいた。

注1)
堅田元喜(2022)オランダの厳しい窒素排出規制は妥当なのか?
//textfuersie.com/2022/10/expl221028/
注2)
林健太郎,江口定夫,柴田英昭,仁科一哉,内田義嵩(2017)食の持続性と低環境負荷の両立を目指す窒素管理研究への土壌学の貢献,日本土壌肥料学雑誌,88,166–179.
注3)
新藤純子(1999)酸性降下物と生態系影響 臨界負荷量の評価に関する問題点,環境科学会誌,12,251–258.
注4)
河野吉久(1997)植物からみたクリティカルロード (臨界負荷量) とクリティカルポイント (臨界値),大気環境学会誌,32,A65–A71.
注5)
Bobbink, R., Loran, C. and Tomassen, H. (2022) Review and revision of empirical critical loads of nitrogen for Europe, German Environment Agency, Umweltbundesamt, pp. 358.
注6)
Bobbink, R., Tomassen, H., Weijters, M., van den Berg., L, Strengbom, J., Braun, S., Nordin, A., Schütz, K. and Hettelingh, J.P. (2015) Effects and empirical critical loads of nitrogen for Europe. In: de Vries, W., Hettelingh, JP., Posch, M. (eds) Critical loads and dynamic risk assessments. Environmental Pollution, 25, Springer, Dordrecht, 85–127.
注7)
Van Dobben, H., Bobbink, R., Bal, D. and Van Hinsberg, A (2014) Overview of critical loads for nitrogen deposition for Natura 2000 habitat types occurring in The Netherlands. Wageningen, Alterra Wageningen UR (University and Research Center), Alterra report 2488.
注8)
Bobbink, R., Hicks, K., Galloway, J., Spranger, T., Alkemade, R., Ashmore, M., Bustamante, M., Cinderby, S., Davidson, E., Dentener, F., Emmett, B., Erisman, J-W., Fenn, M., Gilliam, F., Nordin, A., Pardo, L., and De Vries, W. (2010) Global assessment of nitrogen deposition effects on terrestrial plant diversity: a synthesis, Ecological Applications, 20, 30–59.
注9)
Bragazza, L., Tahvanainen, T., Kutnar, L., Rydin, H., Limpens, J., Hájek, M., Grosvernier, P., Hájek, T., Hajkova, P., Hansen, I., Iacumin, P. and Gerdol, R. (2004) Nutritional constraints in ombrotrophic sphagnum plants under increasing atmospheric nitrogen deposition in Europe, New Phytologist, 163, 609–616.
注10)
Briggs, W.M. and Hanekamp, J.C. (2022) Nitrogen critical loads: Critical reflections on past experiments, ecological endpoints, and uncertainties, Dose-Response, 20, 15593258221075513.
注11)
EUR-Lex (2020) Geneva convention on long-range transboundary air pollution.
注12)
CCE (2019) Subject: 2019-2021 Call for data on critical loads.
注13)
van Dobben, H., van Hinsberg, A., Schouwenberg, E.P.A.G., Jansen, M., Mol-Dijkstra, J.P., Wieggers, H.J.J., Kros J. and de Vries, W. (2006) Simulation of critical loads for nitrogen for terrestrial plant communities in The Netherlands, Ecosystems, 9, 32–45.
注14)
National Institute for Public Health and the Environment (2015) Complete English version of the nitrogen calculation tool AERIUS Calculator.
注15)
オランダ中央政府(2022)Startnotitie Nationaal Programma Landelijk Gebied.
注16)
REITBART (2023) Tractor protests spread: 5,000 slovenian farmers stand against EU green agenda.
注17)
堅田元喜 (2023b) オランダの窒素問題と国民に選ばれた農民政党
注18)
土田陽介 (2023b) 「2035年までにガソリン車ゼロ」は到底達成できそうにない…欧州が直面している完全EVシフトの行き詰り
注19)
手塚宏之 (2023) 理想と現実の衝突が顕在化するEU
注20)
注21)
西尾道徳(2014)No.251 EUにおける農地からの窒素排出量の内訳と硝酸指令の削減効果,西尾道徳の環境保全型農業レポート
注22)
Science Matters (2023) Flawed science behind nitrogen “Crisis” (Briggs and Hanekamp).
注23)
Briggs, W.M., Hanekamp, J.C. and Rotgers, G. (2022a) Criticizing AERIUS/OPS model performance, ResearchGate, pp. 48.
注24)
Briggs, W.M., Hanekamp, J.C. and Rotgers, G. (2022b) Rebuttal on RIVM’s critique of Briggs et al. AERIUS/OPS model performance, ResearchGate, pp. 17.