食料生産のための窒素肥料の世界的な使用は、地球温暖化を2℃未満に抑える取り組みを脅かす可能性がある。
しかし新たな研究によると、新技術を必要とせず、肥料由来の排出量は2050年までに84%削減できる可能性がある。
専門家によると、より高い効率を達成するには複数のアプローチの組み合わせが必要である。
新たな研究によると、新技術の開発を必要とせずに、肥料由来の排出量は2050年までに現在の水準のおよそ5分の1まで削減できる可能性がある。
この研究は、Nature Foodに掲載されたもので、世界全体の窒素肥料の生産、貿易、使用を調査し、その温室効果ガス排出総量を定量化している。
研究によると、作物における窒素利用の効率化だけでも合成肥料の需要を半減させ得るため、全体の排出量を削減できるという。その他に提案されている対策には、再生可能エネルギーや原子力エネルギーを肥料生産の動力として利用することが含まれる。
利用可能なすべての対策を組み合わせることで、研究者らは窒素肥料による排出量を2050年までに最大84%削減できると示している。これは従来の推計よりも高い数値である。
しかし、研究の共著者はCarbon Briefに対し、この数値は「経済面および実施面の両方において」達成するのは「非常に困難」であると述べている。
排出量の多い工程
窒素肥料は、環境科学者のVaclav Smil教授により「20世紀最大の発明」と呼ばれており、1999年にNatureに掲載された論文で述べられている。
肥料は大きく有機肥料と無機肥料の2つに分類される。（後者は化学肥料、鉱物肥料、合成肥料とも呼ばれることがある。）
有機肥料は、主に作物残渣や堆肥や厩肥などの動物の排泄物や残骸から作られる。無機肥料、すなわち合成肥料は、化学的に製造された原料から作られる。どちらの種類の肥料も、植物の生育を促進し、作物収量を高めるために使用される。
これらの肥料は広く使用されることで世界の食料生産を増加させてきたが、同時に環境へ多くの悪影響も及ぼしており、その中には近隣の水路における有害な藻類の大量発生、土壌の酸性化、温室効果ガスの排出などが含まれる。
窒素肥料を圃場に施用すると、その成分の一部が環境中に失われる。土壌に浸出したり、近隣の水域に流出したり、蒸気として大気中に放出されたりする。
土壌中の微生物は窒素肥料を分解し、亜酸化窒素（N2O）を生成する。これは温室効果ガスの一種で、CO2のほぼ300倍の温室効果を持つ。さらに、肥料の製造はエネルギー集約型のプロセスであり、それだけで世界全体のCO2排出量のおよそ1.5%を占めている。
2020年の研究では、食料生産のための窒素肥料の世界的な使用が、地球温暖化を2℃未満に抑える取り組みを脅かす可能性があることが明らかになった。
新たな研究の推計によると、食料生産に用いられる窒素肥料の製造と使用は、世界の温室効果ガス排出量のおよそ5%を占めている。
この研究は、合成肥料と有機肥料の両方の世界的な流れを検証し、2019年における排出量を調べている。その結果、排出量の3分の2は窒素肥料の使用に由来し、残りの3分の1は製造段階で発生していることが明らかになった。
窒素肥料の質量の流れを追跡するため、研究者らは世界の9つの地域における肥料の生産量と消費量のデータを用い、各地域の肥料生産の排出集約度を考慮に入れた。
研究者らは、2019年に合成窒素肥料と厩肥の製造および使用により、26億トンの二酸化炭素換算（CO2e）の排出が生じたと推計している。
研究者らによると、土壌に施用された厩肥の排出量は、平均して合成肥料のほぼ2倍である。そのため、温室効果ガスの緩和という観点では、厩肥は「現時点では合成肥料の適切な代替品ではない」と記している。
効率の実現
この研究では、再生可能エネルギーによる電力を生産に利用すること、肥料の全体需要を削減すること、肥料の効率を向上させることなど、さまざまな対策が排出量に与える潜在的な影響を検証している。
下の図は、窒素効率の向上やアンモニア製造方法の変更などの対策によって実現可能な、今後の排出シナリオを示している。
研究者らによると、効率の向上は「排出量を削減するための最も効果的な単一の戦略」である。
現在、作物における世界の窒素利用効率は42%であり、これは土壌に施用された窒素のうち植物に吸収されるのは42%にすぎないことを意味する。2015年の研究によると、この効率を、米国およびカナダで達成されているおよそ水準である67%まで高めることで、新たな研究は肥料の総需要を2050年までに48%削減できることを明らかにしている。2015年の研究。
より高い効率を達成するには、適切な灌漑、窒素肥料をより効率的に利用できる作物の育種、適切な肥料を適切な量、時期、場所で施用することなど、複数のアプローチの組み合わせが必要である。
世界の多くの地域では、人工的および自然的な発生源の両方を通じて作物に施用される窒素の量が、現時点では作物の窒素必要量を「はるかに上回っている」と、この研究は付け加えている。
以下の地図は、肥料と気候変動に関する2022年のCarbon Briefの記事で初めて公表されたもので、世界中の耕地1ヘクタールあたりの過剰窒素量を示している。
肥料由来の排出量を削減する取り組みにおいては、生産と使用の両方を脱炭素化する必要があるとこの研究は指摘している。再生可能エネルギーによって動かされる電化された体系は、生産時の排出量に大きな影響を与え得る。
アンモニアは、窒素肥料の基礎となる化合物であり、その製造には窒素と水素が必要である。現在、水素は化石ガスを用いて製造されているが、水と電気を用いて（電気分解と呼ばれるプロセス）製造すれば、このプロセスにおける排出量を削減できる可能性がある。その電力は再生可能エネルギーまたは原子力によって供給される。
肥料の使用に着目し、この研究は排出量に対処するための3つの可能な経路を検討している。すなわち、需要の削減、亜酸化窒素排出の直接的な削減、そして肥料の種類の構成の変更である。
この研究の共著者であるAndré Cabrera Serrenho博士は、ケンブリッジ大学の助教授であり、84%の削減という数値は、肥料に用いる窒素の形態を変更することによって部分的に達成できると述べている。同氏はCarbon Briefに次のように語っている。
「たとえば、尿素を使用する代わりに硝酸アンモニウムを使用すれば、潜在的な削減率を80%から84%へとわずかに高めることができる。」
「しかし、肥料の構成を変更するだけでは、他のすべての対策を講じた後にしか排出削減の効果は得られない。現在の状況では、その置き換えを行うと、むしろ何もしない場合よりも大気中への排出量が増えてしまう。」
研究によると、肥料の窒素の種類を置き換えるだけでは排出量は削減されず、単独では実際に排出量を3%増加させるという。排出量の減少は、他の対策と併せて置き換えを行った場合にのみ見られる。
硝酸アンモニウムと尿素はいずれも窒素源であるが、硝酸アンモニウムの使用による排出量は、尿素の使用による排出量よりも大幅に低くなり得る。2021年の研究によると。
窒素利用効率の向上は窒素肥料の需要削減に寄与し、この需要の減少がさらに排出量を大幅に低減させる。
この研究はまた、「硝化抑制剤」の使用によって総排出量を削減できるとも述べている。
硝化抑制剤（PDF）は、肥料を耕地に施用した際の窒素の損失を抑えるために肥料に添加される化学物質である。窒素の損失は土壌の酸性化を招き、この酸性化への対処として石灰石が一般的に使用されている。したがって、窒素の損失を減らすことは、酸性化を是正するための石灰石の必要量も減らし、結果として総排出量を削減する。（石灰が土壌の酸性と反応すると、CO2が生成される。）
下の図は、2050年までの合成肥料由来の排出量に関する「現状維持」シナリオ（左）と、本研究で検討された各種対策の排出への影響（右）を示している。
緩和への楽観論
Serrenho氏は、肥料の脱炭素化においてよりクリーンなエネルギー源は「極めて重要」な要素であると述べ、次のように付け加えている。
「社会を脱炭素化するために我々が実施しなければならない対策の一つは、あらゆるエネルギー利用を電化し、再生可能エネルギーまたは原子力によって電力を生産することである。」
「アンモニア製造および肥料の場合、アンモニアに使用する水素を電気分解によって製造するのであれば、大量の電力が必要となる。その電力は再生可能エネルギーまたは原子力から供給される必要があり、そうでなければアンモニア製造に伴う排出量は依然として多大なものとなる。」
排出量を削減するこれらの対策の多くは同時に実施することができ、それによって「緩和の潜在力全体を高めることができる」と研究者らは記している。
Mark Sutton教授は、英国生態学水文学センターの環境物理学者であり、緩和の道筋に関する「楽観論」を歓迎するとともに、本研究は栄養塩類の流出を削減する世界目標が設定された直後という有益な時期に発表されたと付け加えた。
この目標は、より広範な枠組み（PDF）の下で合意されたもので、モントリオールで開催されたCOP15生物多様性サミットにおいて、2030年までに環境への栄養塩類の流出を半減させることを目指している。Sutton氏はCarbon Briefに次のように語っている。
「[本研究で]真に新しいのは、『我々はそれを実現できる』という非常に高い水準の主張であり、だからこそこれは業界にとっての挑戦なのだ。これほど踏み込むことはできないと考える人々にとってのね。
「あらゆる発生源からの排出量を総合的に見て、このレベルの野心を示したものは、私は見たことがない。」
一部の対策の組み合わせは、今世紀半ばまでに非常に高い削減率をもたらす。研究者らが検討した一つのシナリオは、アンモニア製造のための水の電気分解を、肥料製造の需要削減および硝化抑制剤の使用と組み合わせた場合、2050年の総排出量を最大78%削減できることを示唆している。
この研究はさらに、検討されたすべての対策が「高い技術成熟度」を有しており、近い将来大規模に導入できる可能性があることを意味すると付け加えている。
しかし、研究によると、緩和策がどこでも容易に導入できるとは限らない。たとえば、新しい製造施設ではアンモニア合成に水の電気分解や電気加熱を適用できる可能性がある。一方、古い施設では、既存の設備に二酸化炭素回収・貯留（CCS）を組み合わせる方が容易な場合がある。
適切な二酸化炭素回収・貯留の地層や風力発電の利用可能性の地域差も、対策の地域への適応に影響を与える可能性がある。本研究の電気加熱シナリオでは、生産用の熱供給に風力発電が使われると想定されているが、それが可能かどうかは世界各地で異なる。
Sutton氏は、本研究が肥料からの排出量を削減し、全体的な効率を改善するために必要な「対策に関する議論」に寄与すべきだと述べ、次のように付け加えている。
「その先に必要なのは、どうすればそこに到達できるかである。企業が変革の先導者となり、取り残されるのではなく、そこに企業にとっての機会があることを示すために、どうすれば企業を動かせるのか。」
