物質循環の科学(1)土における物質循環*1様々な物質が大気を媒介して広い地域に拡散し、土の表面に沈着します。枝葉の繁茂した植物は、二酸化炭素などを吸収して大気を浄化すると同時に、土への供給量を増やします。陸水には河川の氾濫や灌漑によって土の表面に加えられるものと、浸透水によって土中を移動するものがあります。生物は、植物による無機養分の吸収と有機物の地表への還元という流れを形成します。土から環境に排出される経路についても、大気への放出・揮散としては、蒸発散、風食による黄塵、メタンガス等の空気中への揮散があり、大気の透明性や温室効果、オゾン層破壊などに幅広い影響を及ぼしています。水圏への流出としては、1水食による懸濁および溶解性物質の地表水への流出、2溶脱による溶解性物質の地下水への流出が問題となります。2の例として硝酸イオンによる地下水汚染があげられます。低下などは、陸域の物質循環を左右する重要な流れを作る原因となっています。陸地における物質の流れは、その大部分が土にはいり、そこに蓄積し、ふたたび生物、大気、水に拡がっていきます。入ってくるものがあれば出て行くものがあって、土はある安定な状態を保っています。流れが停滞すればいろいろな物質が土に蓄積します。出て行くものが多くなれば、土のストックが減少し、やがては流れが止まってしまいます。流れの停止は、生態系の死を意味します。土は物質循環の要であり、生態系にとって不可欠な貯留槽の役割を果たしているのです。生態系から得られる様々な自然のサービスの多くは、多数の生物によって水や栄養分を循環し、廃物を分解し、分解した産物を貯留あるいは再循環する能力によっているのです。その意味で、土壌は毎年作物の種子を蒔き、土の養分を吸収して生長し、実りをもたらし、堆肥などによる地力の増強を図るという繰り返しが行われており、物質循環の要であるといえます。(2)炭素の循環*1大気圏、海洋における炭素の主体は、二酸化炭素とその溶存イオンであり、特に海洋には大気圏の50倍以上の量が存在し、大気中の二酸化炭素濃度を一定に保つ緩衝体の役割を果たしています。tの有機態炭素が存在します。tの落葉落枝が存在すると推定されています。今日、大気圏の二酸化炭素濃度の増加に伴う地球の温暖化が国際問題となっていますが、その年間増加量は炭素に換算して約3×109tで、海洋・陸域と大気圏間の年間炭素循環速度200×109tの1.5%に相当します。現在化石燃料の消費に伴う二酸化炭素の年間発生量は炭素にして5×109tと算定され、化石燃料に由来する二酸化炭素の約60%が海洋・陸域に吸収されずに大気圏に残存する結果、地球の温暖化を促進しているといわれています。地球生態系は微妙なバランスの上に機能してきましたが、二酸化炭素の一部しか地球は循環のサイクルに取り組むことができず、残りが毎年蓄積され、二酸化炭素の増加を招いているのです。現在地球温暖化でよく使われる言葉にカーボンニュートラル(排出される二酸化炭素と吸収される二酸化炭素が同じ量であるという概念)があります。これは、例えば、植物のからだはすべて有機化合物で出来ています。その植物が種から成長する時、光合成により大気中の二酸化炭素の炭素原子を取り込んで有機化合物を作り植物のからだを作ります。そのため、その植物を燃やして二酸化炭素を発生させても、空気中に排出される二酸化炭素の中の炭素原子はもともと空気中に存在した炭素原子を植物が取り込んだものであるため、大気中の二酸化炭素総量の増減には影響を与えません。従って、カーボンニュートラルと呼ばれます。そのため、炭素の循環を円滑にするためカーボンニュートラルな取組がなされているのです。(3)窒素の循環*1大気の79%を占める窒素の量は3.9×1015tであり、その50倍近くの窒素が地殻の岩石中に存在します。これらの大量の地殻中の窒素は、炭素の場合と同様に循環にはあまり影響しません。海洋に存在する窒素もその95%以上が窒素ガスという形態であり、その量は2.2×1013tに達します。海洋中にはさらに5.7×1011tの硝酸・アンモニア態窒素、それとほぼ同量の有機態窒素が存在すると推定されます。他方陸域では3.0×1011tの有機態窒素と1.6×1011tの無機態窒素が土壌中に存在します。大気圏から陸域への循環は生物的窒素固定などにより行われ、その推定量は年間約3×108tで、大気圏に存在する窒素量の約107分の1に相当します。そのため、窒素の循環は炭素の循環とは大きく異なります。窒素循環は、さまざまな生物の働きによって行われます。N2O,N2)が大きな割合を占め、近年は人間活動に由来する肥料の施用や燃焼にともなう窒素循環量が急増しています。その結果、断定的には言えませんが、窒素酸化物の増加のもたらすオゾン層破壊の影響も懸念されています。その原因は、酸化二窒素ガスが大気中で一酸化窒素ガスに変化し、成層圏では一酸化窒素や二酸化窒素ガスがオゾンと反応し分解するためといわれています。加えて21世紀は農業生産に用いる窒素等の施用量が生物的窒素固定量に匹敵する量に達しているといわれています。作物等の高等植物は、アンモニア(NH3)、硝酸(NO3)の形態で窒素を根から吸収し、タンパク質などの有機態窒素に同化します。したがって、枯死して土に還元された植物遺体中の窒素は有機態窒素です。この有機態窒素を無機化し、高等植物が再利用できる形にするのが土中の微生物です。(4)リンの循環*2リン(P)は元素記号でいうと15番目の元素です。同様にリンもその一つです。