土壌の肥沃度を高めるために肥料を散布する農家

肥料とは、土壌または植物組織に施用され、植物に栄養を供給する天然または合成由来の物質です。肥料は、石灰剤やその他の非栄養性の土壌改良剤とは異なります。肥料には、天然のものも工業的に生産されたものも含め、多くの供給源があります。[1]現代の農業では、施肥は主に窒素（N）、リン（P）、カリウム（K）の3つの主要栄養素に重点が置かれており、微量栄養素として岩粉などの補助剤が時折添加されます。農家は、乾燥施肥、ペレット施肥、液体施肥、大型農業機械の使用、手工具による施肥など、様々な方法でこれらの肥料を施用します。

歴史的に、施肥は自然または有機的な資源、すなわち堆肥、動物の糞尿、人糞、採取された鉱物、輪作、そして人間と自然の共存する産業の副産物（例：魚の加工廃棄物、動物の屠殺による血粉）から行われてきました。しかし、19世紀以降、植物栄養における革新を経て、合成農薬肥料を中心とした農業が発展しました。この変化は世界の食料システムの変革において重要であり、大規模な工業型農業と高収量農業を可能にしました。

1960年、フィンランドのヤナッカラで農夫が畑に固形肥料を撒いている。

20世紀初頭に発明され、第二次世界大戦中に創出された生産能力によって増幅されたハーバー法などの窒素固定化学プロセスは、窒素肥料の使用ブームをもたらした。 [2] 20世紀後半には、窒素肥料の使用量の増加（1961年から2019年の間に800%増加）は、いわゆる「緑の革命」の一環として、従来の食料システムの生産性向上（一人当たり30%以上）の重要な要素であった。[3]

人工肥料や工業的に施用される肥料の使用は、栄養分の流出による水質汚染や富栄養化、肥料生産・採掘に伴う炭素などの排出、土壌の汚染といった環境問題を引き起こしてきました。肥料や農薬の使用による環境への悪影響、そして工業型農業による環境破壊を軽減するために、様々な持続可能な農業手法を実践することが可能です。

歴史

肥料の種類別総生産量[4]
合成窒素肥料の有無にかかわらず支えられる世界人口[5]
1812 年に設立された肥料製造会社Mirat は、サラマンカ(スペイン)で最も古い工業企業と言われています。
農地窒素収支（成分別・地域別）[6]

土壌肥沃度の管理は、農業の始まり以来、農民の最大の関心事でした。中東、中国、メソアメリカ、そして中央アンデスの文化は、いずれも早期に農業を導入しました。このことが、これらの文化圏の人口増加を加速させ、近隣の狩猟採集民集団への文化の伝播を可能にしたと考えられています。農業と肥料の使用を併用することで、これらの初期社会の一部は近隣諸国に対して決定的な優位性を獲得し、それぞれの地域で支配的な文化圏へと発展しました (P Bellwood - 2023 [7] ) [8]。エジプト人、ローマ人、バビロニア人、そして初期ドイツ人は、いずれも農場の生産性を高めるために鉱物や肥料を使用していたことが記録されています[1] 。植物栄養に関する科学的研究は、ドイツの化学者ユストゥス・フォン・リービッヒの研究よりずっと前から始まっていましたが、彼の名前は「肥料産業の父」として最もよく知られています。[9] ニコラ・テオドール・ド・ソシュールと当時の科学仲間たちは、フォン・リービッヒの単純化をすぐに反証した。フォン・リービッヒが参考にした著名な科学者には、カール・ルートヴィヒ・シュプレンガーとヘルマン・ヘルリーゲルがいる。この分野では、経済と研究の混在が一因となり、 「知識の浸食」 [10]が起こった。 [11] イギリスの実業家ジョン・ベネット・ローズは、1837年に鉢植えの植物に対する様々な肥料の効果に関する実験を開始し、1、2年後には実験を畑の作物にまで広げた。その直接的な成果として、1842年に彼はリン酸を硫酸で処理して生成した肥料の特許を取得し、人工肥料産業を初めて創出した。翌年、彼はジョセフ・ヘンリー・ギルバートの協力を得て、一緒に耕作作物研究所で作物実験を行った。[12]

ビルケランド・アイデ法は、窒素肥料生産の初期段階において、競合する工業プロセスの一つであった。[13]このプロセスは、大気中の窒素（N 2）を硝酸（HNO 3 ）に固定するために用いられた。これは窒素固定と呼ばれる化学プロセスの一つである。得られた硝酸は、硝酸塩（NO 3 −）の供給源として利用された。このプロセスに基づく工場がノルウェーのリューカンとノトッデンに建設され、大規模な水力発電所も建設された。[14]

1910年代と1920年代には、ハーバー法とオストワルド法が台頭した。ハーバー法は、メタン（CH 4）（天然ガス）ガスと空気中の分子状窒素（N 2 ）からアンモニア（NH 3）を生成する。ハーバー法で生成されたアンモニアは、その後、オストワルド法で部分的に硝酸（HNO 3 ）に変換される。[15]世界の年間食糧生産の3分の1はハーバー・ボッシュ法によるアンモニアを使用しており、これは世界人口のほぼ半分を支えていると推定されている。[16] [17]第二次世界大戦後、戦時中の爆弾製造のために増強された窒素製造工場は、農業用途に転換された。[18]合成窒素肥料の使用は過去50年間で着実に増加し、現在では年間窒素1億トンのペースでほぼ20倍に増加している。 [19]

合成窒素肥料の開発は、世界の人口増加を大きく支えてきました。現在、地球上のほぼ半数の人々が合成窒素肥料の使用によって食料を供給されていると推定されています。[20]リン酸肥料の使用量も、1960年の年間900万トンから2000年には年間4000万トンに増加しました。

2021年の農業における無機肥料使用量は1億9,500万トンで、そのうち56%は窒素であった。[21] 2021年の世界全体の農業における無機肥料使用量のうち、アジアが53%を占め、次いでアメリカ大陸（29%）、ヨーロッパ（12%）、アフリカ（4%）、オセアニア（2%）の順となった。この地域別順位は、すべての栄養素について同じである。無機肥料の主な使用国は、中国、インド、ブラジル、アメリカ合衆国の順であり（表15参照）、各栄養素において中国が最大の使用国となっている。[21]

1ヘクタール（2.5エーカー）あたり6～9トンの穀物を収穫できるトウモロコシには、31～50キログラム（68～110ポンド）のリン酸肥料が必要です。大豆の場合は、その約半分、1ヘクタールあたり20～25キログラムが必要です。[22] ヤラ・インターナショナルは、世界最大の窒素肥料生産者です。[23]

機構

栄養分の乏しい砂質粘土質土壌で、硝酸塩肥料を与えた株と与えなかった株で育てたトマトの苗6本。栄養分の乏しい土壌で育てた苗のうち1本が枯れてしまった。
地域別無機肥料使用量[24]

肥料は植物の成長を促進します。この目的は2つの方法で達成されます。1つは従来の方法で、栄養素を添加することです。もう1つは、土壌の保水性と通気性を改善することで、土壌の有効性を高めることです。この記事は、肥料に関する多くの記事と同様に、栄養面に重点を置いています。

肥料は通常、さまざまな割合で以下を提供します：[25]

植物の健全な生育に必要な栄養素は元素によって分類されますが、これらの元素は肥料として用いられるのではなく、これらの元素を含む化合物が肥料の原料となります。主要栄養素は植物が大量に消費するものであり、植物組織においては乾物（DM）（水分0%）基準で0.15%から6.0%の量で存在します。植物は、水素、酸素、炭素、窒素という4つの主要元素で構成されています。炭素、水素、酸素は、それぞれ二酸化炭素と水中に広く存在しています。窒素は大気の大部分を占めていますが、植物には利用できない形態です。窒素はタンパク質（アミノ酸間のアミド結合）、DNA（尿素塩基とピリミジン塩基）、その他の成分（例えば、クロロフィル中のテトラピロールヘム）に存在するため、最も重要な肥料です。植物にとって栄養価の高い窒素は、「固定」された形で利用される必要があります。一部の細菌とその宿主植物（特にマメ科植物）だけが、大気中の窒素（N 2 ）をアンモニア（NH 3 ）に変換して固定することができます。リン酸（PO 3−4）は、 DNA（遺伝コード）や細胞内の主なエネルギー運搬体であるATPのほか、特定の脂質（細胞膜の脂質二重層の主成分であるリン脂質）の生成に必要です。

微生物学的考慮

2 セットの酵素反応は窒素ベースの肥料の効率に大きく関係しています。

ウレアーゼ

一つ目は、尿素（CO(NH 2 ) 2 ）の加水分解（水との反応）です。多くの土壌細菌はウレアーゼという酵素を持っており、尿素をアンモニウムイオン（NH +4）および重炭酸 イオン（HCO−3）。

アンモニア酸化

ニトロソモナス属などのアンモニア酸化細菌（AOB）は、アンモニア（NH 3）を亜硝酸（NO−2）と呼ばれるプロセスである。 [ 27] 亜硝酸酸化細菌、特にニトロバクターは亜硝酸（NO−2）から硝酸塩（NO−3）は、極めて溶解性が高く、移動性も高いため、富栄養化や藻類の大量発生の主な原因となっています。

分類

肥料はいくつかの方法で分類されます。単一の栄養素（例えば、K、P、N）を供給するかどうかによって分類され、その場合は「単一肥料」に分類されます。「複合肥料」（または「複合肥料」）は、NとPなど、2つ以上の栄養素を供給します。肥料は、無機肥料（本稿の大部分の主題）と有機肥料に分類されることもあります。無機肥料は、尿素以外の炭素含有物質を含みません。有機肥料は通常、（リサイクルされた）植物または動物由来の物質です。無機肥料は、製造に様々な化学処理が必要となるため、合成肥料と呼ばれることもあります。[28]

単一栄養素（「ストレート」）肥料

主な窒素ベースの直接肥料は、アンモニア（NH 3）アンモニウム（NH 4 +）またはその溶液であり、以下が含まれます。

主な純粋リン酸肥料は過リン酸石灰です。

  • 14 ～ 18% の P 2 O 5からなる「単一過リン酸塩」（SSP）。これも Ca(H 2 PO 4 ) 2の形ですが、リン石膏( Ca SO 4・ 2 H 2 O ) の形でもあります。
  • トリプルスーパーリン酸塩（TSP）は通常、44～48％のP 2 O 5で構成され、石膏は含まれません。

単重過リン酸石灰と三重過リン酸石灰の混合物は、重重過リン酸石灰と呼ばれます。一般的な過リン酸石灰肥料の90%以上は水溶性です。

主なカリウム系単肥は、塩化カリウム（MOP、95～99% KCl）です。通常、0-0-60または0-0-62の肥料として入手可能です。

多栄養肥料

これらの肥料は一般的で、2つ以上の栄養成分で構成されています。

二成分系（NP、NK、PK）肥料

主要な二成分肥料は、植物に窒素とリンの両方を供給します。これらはNP肥料と呼ばれます。主なNP肥料は以下のとおりです。

MAP 肥料と DAP 肥料の約 85% は水に溶けます。

NPK肥料

NPK肥料は、窒素、リン、カリウムを供給する三成分肥料です。NPK肥料には、複合肥料と混合肥料の2種類があります。複合肥料は化学的に結合した成分を含み、混合肥料は単一の栄養成分を物理的に混合したものです。

NPK等級は、肥料に含まれる窒素、リン、カリウムの量を表す等級システムです。NPK等級は、肥料の化学成分含有量を表すために、ダッシュで区切られた3つの数字（例：10-10-10、16-4-8）で構成されています。[30] [31]最初の数字は製品中の窒素の割合、2番目の数字はP 2 O 5、3番目の数字はK 2 Oを表しています。肥料には実際にはP 2 O 5やK 2 Oは含まれていませんが、この等級システムは肥料中のリン（P）またはカリウム（K）の量を簡略化して表す慣例的な表現です。 16-4-8とラベルが貼られた50ポンド（23kg）入りの肥料袋には、窒素が8ポンド（3.6kg）（50ポンドの16%）、リンはP 2 O 5 2ポンド（50ポンドの4%）、K 2 O 4ポンド（50ポンドの8%）含まれています。ほとんどの肥料はこのNPK表記法に基づいて表示されていますが、オーストラリアの表記法ではNPKS方式を採用し、硫黄に4つ目の数字を追加し、PとKを含むすべての元素価を使用しています。[32]

微量栄養素

微量栄養素は少量しか摂取されず、植物組織中に0.15～400 ppm（乾燥物質の0.04%未満）のオーダーで存在する。[33][34] これらの元素は、植物の代謝に必須の酵素に必要とされることが多い。これらの元素は触媒（酵素）を有効にするため、その影響は重量％をはるかに超える。代表的な微量栄養素は、ホウ素、亜鉛、モリブデン、鉄、マンガンである。[25]これらの元素は水溶性塩の形で供給される。鉄は、中程度の土壌pHとリン酸濃度で不溶性（生体に利用できない）化合物に変換されるため、特別な問題を引き起こす。このため、鉄は多くの場合、EDTAまたはEDDHA誘導体などのキレート錯体として投与される。微量栄養素の必要量は、植物と環境に依存する。例えば、テンサイはホウ素を必要とし、マメ科植物はコバルトを必要とするようですが[1]、熱や干ばつなどの環境条件により、植物が利用できるホウ素は少なくなります。[35]

生産

合成肥料、つまり無機肥料の製造には調合された化学物質が必要ですが、有機肥料は生化学物質を使用した生物学的プロセスにおける植物や動物の有機プロセスから得られます。

窒素肥料

地域ごとの窒素肥料の総消費量（年間総栄養素トン数で測定）。

窒素肥料は、ハーバー・ボッシュ法[29]によって生成されるアンモニア（NH 3）から作られます。このエネルギー集約型プロセスでは、通常、天然ガス（CH 4）から水素が供給され、窒素（N 2）は空気から生成されます。このアンモニアは、無水硝酸アンモニウム（NH 4 NO 3）や尿素（CO(NH 2 ) 2） など、他のすべての窒素肥料の原料として使用されます。

チリのアタカマ砂漠には硝酸ナトリウム（NaNO 3）（チリ硝石）の鉱床も見つかっており、1830年に使用された最初の窒素肥料の一つでした。[36]現在でも肥料用に採掘されています。[37]硝酸塩はオストワルド法によってアンモニアから生成されることもあります。

リン酸肥料

フィンランドのシーリンヤルヴィにあるリン酸塩のアパタイト鉱山

リン酸肥料はリン鉱石からの抽出によって得られます。リン鉱石には、フッ化アパタイトCa 5 (PO 4 ) 3 F (CFA) とヒドロキシアパタイトCa 5 (PO 4 ) 3 OH という 2 つの主要なリン含有鉱物が含まれています。毎年数十億 kg のリン鉱石が採掘されていますが、残りの鉱石のサイズと品質は低下しています。これらの鉱物は、酸で処理することで水溶性リン酸塩に変換されます。[38]硫酸の大量生産は、主にこの用途のためです。[39]ニトロリン酸塩法またはオッダ法 (1927 年発明)では、最大 20% のリン (P) 含有量のリン鉱石を硝酸(HNO 3 ) で溶解して、リン酸 (H 3 PO 4 ) と硝酸カルシウム(Ca(NO 3 ) 2 )の混合物を生成します。この混合物はカリウム肥料と組み合わせることで、溶解しやすい形で3つの主要栄養素であるN、P、Kを含む複合肥料を作ることができます。 [40]

カリウム肥料

カリは、カリウム（化学記号：K）肥料の製造に使用されるカリウム鉱物の混合物です。カリは水に溶けるため、鉱石からこの栄養素を生産するには、塩化ナトリウム（NaCl）（食塩）を除去するなどの精製工程が主に必要となります。 [41]カリウム含有量を表す便宜上、カリはK 2 Oと呼ばれることもあります。実際、カリ肥料は通常、塩化カリウム、硫酸カリウム、炭酸カリウム、または硝酸カリウムです。[42]

NPK肥料

NPK 肥料 (主成分である窒素 (N)、リン (P)、カリウム (K) にちなんで名付けられています) を製造する主な方法は 3 つあります。

  1. バルクブレンド。個々の肥料を、必要な栄養分比率で混合します。
  1. 湿式法は、液体原料（リン酸、硫酸、アンモニアなど）と固体原料（塩化カリウムなど）間の化学反応に基づいています。

ステップ2. 硝酸カルシウムの除去。硝酸カルシウムは非常に吸湿性が高いため、除去することが重要です。

  • 方法1.（オッダ法）硝酸カルシウムの結晶を遠心分離により除去する。
  • 方法2. 硫酸硝酸法 Ca(NO 3 ) 2 + H 2 SO 4 + 2NH 3 → CaSO 4 + 2NH 4 NO 3
  • 方法3.リン酸化法 Ca(NO 3 ) 2 + H 3 PO 4 + 2NH 3 → CaHPO 4 + 2NH 4 NO 3
  • 方法4.炭酸硝酸法 Ca(NO 3 ) 2 + CO 2 + H 2 O + 2NH 3 → CaCO 3 + 2NH 4 NO 3

有機肥料

小規模有機肥料生産用堆肥箱
大規模な商業用堆肥製造事業

「有機肥料」とは、生物由来、つまり生物またはかつて生物であった物質に由来する肥料を指します。また、「有機農業」や「環境に優しい」園芸といった、合成肥料や農薬の使用を大幅に制限または厳格に回避する食品・植物生産システムにおける期待と制限事項に従うよう努めた、市販され、頻繁に包装される製品を指す場合もあります。「有機肥料」製品には通常、ある程度の有機物に加えて、栄養価の高い岩石粉末、粉砕した貝殻（カニ、カキなど）、シードミールや昆布などのその他の調製物、培養された微生物およびその誘導体などの許容される添加物が含まれています。

有機由来肥料（最初の定義）には、動物性廃棄物、農業由来の植物性廃棄物、海藻、堆肥、処理済み下水汚泥（バイオソリッド）が含まれます。堆肥以外にも、動物由来の肥料には、動物の屠殺物（血粉、骨粉、羽毛粉、皮、蹄、角など）が含まれます。[25]下水汚泥などの産業で利用可能な有機由来物質は、残留汚染物質から一般の認識に至るまで、様々な要因により、有機農業や園芸の原料として受け入れられない場合があります。一方、市販の「有機肥料」には、消費者の嗜好性が高いため、加工有機物が含まれており、推奨されている場合があります。定義や成分に関わらず、これらの製品のほとんどは栄養素の濃度が低く、その栄養素の定量が容易ではありません。土壌改良効果をもたらすだけでなく、より「自然な」農業や園芸に挑戦する人々にとって魅力的です。[43]

量の点では、ピートは最も広く使用されているパッケージ化された有機土壌改良剤です。これは未熟な石炭であり、通気性と吸水性によって土壌を改良しますが、植物に栄養価を与えません。したがって、この記事の冒頭で定義した肥料ではなく、改良剤です。ココヤシの殻から得られるコイア、樹皮、おがくずを土壌に追加すると、ピートと似たような（ただし同一ではない）働きをし、栄養素の投入量が限られているため、有機土壌改良剤、またはテクスチャライザーと見なされます。一部の有機添加物は栄養素に逆効果を及ぼす可能性があります。たとえば、新鮮なおがくずは分解するときに土壌の栄養素を消費し、土壌の pH を下げる可能性があります。しかし、これらの同じ有機テクスチャライザー（および堆肥など）は、陽イオン交換の改善、または特定の植物栄養素の利用可能性を高める微生物の増殖の増加を通じて、栄養素の利用可能性を高める可能性があります。堆肥や肥料などの有機肥料は、産業生産されずに地元で流通される場合があり、実際の消費量を定量化することがより困難になります。

肥料消費量

肥料使用量（2023年）。FAOの世界食料農業統計年鑑2025より[44]
この図は、世界銀行が 2012 年に発表したデータに基づく西ヨーロッパおよび中央ヨーロッパ諸国の肥料消費量の統計を示しています。

中国は窒素肥料の最大の生産国および消費国となっている一方[47]、アフリカは窒素肥料への依存度が低い。[48]農業用鉱物および化学用鉱物は、肥料の工業用途において非常に重要であり、その価値は約 2,000 億ドルである。[49]窒素は世界の鉱物用途に大きな影響を与えており、次にカリとリン酸が重要である。窒素の生産量は 1960 年代から大幅に増加している。リン酸とカリは 1960 年代から価格が上昇しており、消費者物価指数よりも大きい。[49 ]カリはカナダ、ロシア、ベラルーシで生産されており、これら 3 カ国で世界の生産量の半分以上を占めている。 [49] カナダのカリ生産量は 2017 年と 2018 年に 18.6% 増加した。[50] [42] [51]アメリカ合衆国では、肥料の消費量が農地面積を上回っています。[49]

2012年の耕作地1ヘクタールあたりの肥料消費量に関するデータは、世界銀行によって公表されている[52]。下の図は、欧州連合（EU）諸国における肥料消費量をヘクタールあたりのキログラム（エーカーあたりのポンド）で示している。EUにおける肥料の総消費量は、1億500万ヘクタールの耕作地面積に対して1590万トンである[53]（別の推計では1億700万ヘクタール[54]）。この数字は、EU諸国が平均して耕作地1ヘクタールあたり151キログラムの肥料を消費していることを意味する。

応用

肥料散布機
ドローン農作物肥料
ニュージーランド、1938年、過リン酸肥料を手で施す

肥料はあらゆる作物の栽培に広く用いられており、施用量は土壌の肥沃度（通常は土壌検査で測定）と作物の種類に応じて異なります。例えば、マメ科植物は大気中の窒素を固定するため、一般的に窒素肥料は必要ありません。

液体と固体

肥料は、固形肥料と液体肥料の両方で作物に施用されます。肥料の約90%は固形肥料として施用されます。最も広く使用されている固形無機肥料は、尿素、リン酸二アンモニウム、塩化カリウムです。[55]固形肥料は通常、粒状または粉末状です。多くの場合、固形肥料はプリル（球状）として入手可能です。液体肥料は、無水アンモニア、アンモニア水溶液、硝酸アンモニウム、または尿素水溶液から構成されます。これらの濃縮物は水で希釈して濃縮液肥（例：UAN）にすることができます。液肥の利点は、効果がより早く、かつ容易に施用できることです。[25]灌漑用水に肥料を加えることを「施肥灌漑」といいます。[42]粒状肥料は、施用が容易なだけでなく、輸送と保管も経済的です。[56]

尿素

尿素は水に非常に溶けやすいため、硝酸アンモニウム（UAN）と組み合わせて肥料溶液（例えば葉面散布肥料）に使用するのにも非常に適しています。肥料用途では、粒度分布が狭いためプリルよりも顆粒が好まれ、機械散布に有利です。

尿素は通常40～300kg/ha（35～270ポンド/エーカー）で散布されますが、施用量は様々です。少量散布することで、溶脱による損失を抑えることができます。夏季には、揮発（窒素がアンモニアガスとして大気中に放出されるプロセス）による損失を最小限に抑えるため、降雨直前または降雨中に尿素を散布することがよくあります。

尿素は窒素濃度が高いため、均一に散布することが非常に重要です。発芽を阻害する恐れがあるため、種子に接触したり、種子の近くで播種したりしないでください。尿素は水に溶け、散布または灌水システムを通して施用されます。

穀物や綿花では、尿素は植え付け前の最後の耕作時に施用されることが多いです。降雨量の多い地域や砂質土壌（窒素が溶脱しやすい）で、かつシーズン中の降雨量が良好と予想される場合は、生育期に尿素を側施用または追肥することができます。牧草や飼料作物でも、追肥はよく行われています。サトウキビ栽培では、植え付け後に尿素を側施用し、株出し作物ごとに施用します。

尿素は大気中の水分を吸収するため、密閉容器に保管されることが多いです。

尿素の過剰投与や種子の近くに置くことは有害である。[57]

緩効性肥料および制御放出肥料

メチレンジウレア（MDU）は、最も人気のある徐放性肥料の成分です。[58]
徐放性肥料（CRF）は、土壌に養分を徐々に放出する（つまり、放出期間が制御されている）粒状 肥料です。[59]徐放性肥料は、効能制御型肥料、遅延放出肥料、定量放出肥料、または緩効性肥料とも呼ばれます。通常、CRFは窒素系肥料を指します。緩効性および徐放性肥料は、肥料市場のわずか0.15%（56万2千トン）を占めています（1995年）。

葉面散布

葉面施肥は葉に直接施用されます。この方法は、水溶性の単窒素肥料を施用する際にほぼ必ず用いられ、特に果物などの高付加価値作物に用いられます。最も一般的な葉面施肥は尿素です。[25]

肥料焼け

窒素吸収に影響を与える化学物質

効率を高めた肥料、N-ブチルチオホスホリルトリアミド。

窒素ベースの肥料の効率を高めるために、さまざまな化学物質が使用されています。これにより、農家は窒素の流出による汚染の影響を抑えることができます。硝化抑制剤（窒素安定剤とも呼ばれる）は、アンモニアから浸出しやすい陰イオンである硝酸塩への変換を抑制します。1-カルバモイル-3-メチルピラゾール（CMP）、ジシアンジアミド、ニトラピリン（2-クロロ-6-トリクロロメチルピリジン）、および3,4-ジメチルピラゾールリン酸（DMPP）が一般的です。[60] 尿素分解酵素阻害剤は、尿素からアンモニアへの加水分解を遅らせるために使用されます。アンモニアは蒸発しやすく、硝化も起こりやすいためです。尿素からアンモニアへの変換は、ウレアーゼと呼ばれる酵素によって触媒されます。一般的なウレアーゼ阻害剤は、N-（n-ブチル）チオリン酸トリアミド（NBPT）です。

過剰施肥

過剰な栄養分は有害となる可能性があるため、施肥技術の慎重な使用が重要です。[61]肥料が多すぎると 肥料焼けが発生し、植物に損傷を与えたり、枯死させたりすることがあります。肥料の焼けやすさは、おおよそその塩分指数によって異なります。[62] [63]

環境への影響

暴風雨による土壌と肥料の流出

農業で使用される合成肥料は広範囲にわたる環境への影響を及ぼします。

気候変動に関する政府間パネル（IPCC）の 「気候変動と土地」特別報告書によると、これらの肥料の生産と関連する土地利用慣行は地球温暖化の要因となっている。[3]肥料の使用はまた、農業用流出物による海洋デッドゾーンや水路汚染などの下流への影響、土壌微生物の劣化、[64]生態系への毒素の蓄積など、多くの直接的な環境影響も引き起こしている。間接的な環境影響には、ハーバー法で使用される天然ガスの水圧破砕法の環境影響、農業ブームが急速な人口増加の一因となっていること、大規模な工業型農業慣行が生息地の破壊、生物多様性への圧力、農業用土壌の流失に関連していることなどがある。

環境と食料安全保障への懸念を軽減するため、国際社会は、気候に優しく持続可能な食料生産システムの構築に焦点を当てた持続可能な開発目標2に食料システムを組み入れました。[65]これらの問題に対処するためのほとんどの政策と規制のアプローチは、農業慣行を持続可能または再生可能な農業慣行に転換することに重点を置いています。これらの慣行では、合成肥料の使用が少なくなり、土壌管理が改善され（例えば、不耕起農業）、有機肥料が多く使用されます。

フロリダ州フォートミード近郊のリン酸石膏廃棄物の大きな山。

リン鉱石の加工によって生成されるリン酸1トンごとに、5トンの廃棄物が発生します。この廃棄物は、リン酸石膏と呼ばれる不純で無用な放射性固体です。世界中で年間1億トンから2億8千万トンのリン酸石膏廃棄物が発生していると推定されています。[66]

水

赤い円は、多くのデッドゾーンの位置とサイズを示しています。

リンや窒素肥料は、多雨による水路へのミネラルの拡散[49 ] や [67] [68]雪解け水、時間の経過とともに地下水に浸出することで、土壌、表層水、地下水に影響を及ぼす可能性があります。[69]農業用排水は淡水域の富栄養化の主な原因です。たとえば、米国では、湖の約半分が富栄養化しています。富栄養化の主な原因はリン酸塩で、通常は制限栄養素ですが、高濃度になるとシアノバクテリアや藻類の成長が促進され、それらの死滅に酸素が消費されます。[70]シアノバクテリアのブルーム（「藻類ブルーム」）も有害な毒素を生成する可能性があり、食物連鎖の中で蓄積して人体に有害となる可能性があります。[71] [72]肥料の流出は、天候に最適化された施肥戦略を使用することで削減できます。[67]

肥料流出物に含まれる窒素を豊富に含む化合物は、海洋の多くの地域、特に沿岸域、湖沼、河川において深刻な酸素欠乏の主な原因となっています。その結果生じる溶存酸素の不足は、これらの地域における海洋生物の生存能力を著しく低下させます。[73]居住可能な海岸線付近の海洋デッドゾーンの数は増加しています。[74]

2006年現在、北西ヨーロッパ[75]とアメリカ合衆国では窒素肥料の施用がますます規制されつつある。[76] [77]富栄養化を逆転させることができる場合でも、地下水中に蓄積された硝酸塩が自然のプロセスによって分解されるまでには、数十年[78]と大規模な土壌管理[79]が必要になる可能性がある。

硝酸塩汚染

窒素系肥料のうち、植物体に変換されるのはごくわずかです。残りは土壌に蓄積するか、流出して失われます。[80]窒素含有肥料の施用量が多いと、硝酸塩の水溶性が高いため、表層水への流出量が増加し、地下水への浸出も増加し、地下水汚染を引き起こします。[81] [82] [83]窒素含有肥料（合成肥料であれ天然肥料であれ）の過剰使用は特に有害です。植物に吸収されない窒素の多くは、容易に浸出する硝酸塩に変換されるからです。[84]

地下水中の硝酸塩濃度が10mg/L（10ppm）を超えると、「青色児症候群」（後天性メトヘモグロビン血症）を引き起こす可能性があります。[85]肥料に含まれる栄養素、特に硝酸塩は、土壌から水路に流出したり、土壌を通して地下水に浸出したりすると、自然生息地や人間の健康に問題を引き起こす可能性があります。[86]流出は、酸素を消費する藻類の大量発生を引き起こし、他の魚類や水生生物が生息できない広大な「デッドゾーン」を残す可能性があります。[87]

土壌

酸性化

土壌酸性化とは、土壌のpH値が時間の経過とともに酸性に傾くプロセスを指します。土壌pHは土壌の酸性度またはアルカリ性度を表す指標で、0から14のスケールで表され、7が中性です。pH値が7未満の場合は酸性土壌、7を超える場合はアルカリ性または塩基性土壌を示します。

土壌の酸性化は、農業や園芸において重大な懸念事項です。これは、土壌が時間の経過とともに酸性化するプロセスを指します。

窒素含有肥料は、施用すると土壌の酸性化を引き起こす可能性があります。[88] [89]これにより、養分の利用度が低下する可能性がありますが、石灰施用によって相殺される可能性があります。これらの肥料はアンモニウムイオンまたは硝酸イオンを放出し、それらが化学反応を起こして土壌を酸性化させる可能性があります。

これらの窒素含有肥料を土壌に加えると、土壌溶液中の水素イオン (H+) の濃度が増加し、土壌の pH が低下します。

毒性元素の蓄積

カドミウム

リン含有肥料中のカドミウム濃度は大きく変動し、問題となることがある。 [90]例えば、リン酸一アンモニウム肥料のカドミウム含有量は0.14 mg/kgから50.9 mg/kgまでと幅広い。[91]製造に用いられるリン鉱石には、188 mg/kgものカドミウムが含まれることがある[92] （例として、ナウル[93]やクリスマス諸島[94]の鉱床が挙げられる）。カドミウム含有量の高い肥料を継続的に使用すると、土壌（ニュージーランドの例）[95]や植物が汚染される可能性がある。[96]欧州委員会は、リン酸肥料のカドミウム含有量の制限について検討してきた。[97] [98] [99]リン含有肥料の生産者は現在、カドミウム含有量に基づいてリン鉱石を選択している。[70]

フッ化物

リン酸塩岩には高濃度のフッ素が含まれています。その結果、リン酸肥料の広範な使用により土壌中のフッ素濃度が上昇しました。[96]植物は土壌からフッ素をほとんど蓄積しないため、肥料に​​よる食品汚染はそれほど懸念されていません。より懸念されるのは、汚染された土壌を摂取した家畜へのフッ素中毒の可能性です。[100] [101]また、フッ素が土壌微生物に及ぼす影響も懸念される可能性があります。[100] [101] [102]

放射性元素

肥料の放射性物質含有量は大きく異なり、母鉱物中の放射性物質の濃度と肥料製造工程の両方に依存します。[96] [103]ウラン238の濃度は、リン鉱石では7～100 pCi/g（ピコキュリー/グラム）の範囲です。[104]また、リン酸肥料では1～67 pCi/gです。[105] [106] [107]リン肥料の年間使用量が多い場合、土壌や排水中のウラン238の濃度が通常の濃度より数倍高くなることがあります。[106] [108]しかし、これらの濃度上昇が食品の放射性核種汚染による人体への健康リスクに与える影響は非常に小さいです（0.05 m Sv /年未満）。 [106] [109] [110]

その他の金属

鉄鋼業界の廃棄物は、亜鉛（植物の成長に必須）を高レベルで含んでいるため肥料にリサイクルされますが、廃棄物には、鉛[111]ヒ素、カドミウム[111]、クロム、ニッケルなどの有毒金属が含まれている可能性があります。このタイプの肥料に含まれる最も一般的な有毒元素は、水銀、鉛、ヒ素です。[112] [113] [114]これらの潜在的に有害な不純物は除去できますが、コストが大幅に増加します。純度の高い肥料は広く入手可能で、ミラクルグローなど、家庭で使用される青色染料を含んだ水溶性の肥料として最もよく知られています。これらの水溶性肥料は植物の苗床ビジネスで使用され、小売量よりも大幅に安価な大容量のパッケージで入手できます。安価な小売粒状園芸肥料の中には、高純度の成分で作られたものもあります。

微量ミネラルの枯渇

過去 50～60 年にわたって、多くの食品中の鉄、亜鉛、銅、マグネシウムなどの元素の濃度が低下していることに注目が集まっています。[115] [116]合成肥料の使用を含む 集約的な農業慣行がこれらの低下の原因として頻繁に示唆され、有機農業が解決策としてしばしば提案されています。[116] NPK 肥料による作物の収量増加は植物の他の栄養素の濃度を薄めることが知られていますが、[115] [117]測定された低下の大部分は、生産性の低い先祖よりもミネラル濃度の低い食品を生産する、次第に収量の高い作物品種の使用に起因します。[115] [118] [119]そのため、有機農業や肥料の使用削減で問題が解決する可能性は低いです。栄養密度の高い食品は、古くて収量の少ない品種を使用するか、新しい高収量で栄養密度の高い品種を開発することで実現できると考えられている。[115] [120]

実際、肥料は微量ミネラル欠乏の問題を引き起こすよりも、解決する可能性の方が高い。西オーストラリア州では、 1940年代と1950年代に、亜鉛、銅、マンガン、鉄、モリブデンの欠乏が広大な農作物や牧草地の成長を制限する原因であることが判明した。[121]西オーストラリア州の土壌は非常に古く、風化が激しく、多くの主要な栄養素と微量元素が欠乏している。[121]この頃から、これらの微量元素は、この州の農業で使用される肥料に日常的に添加されるようになった。[121]世界中の他の多くの土壌でも亜鉛が欠乏しており、植物と人間の両方の欠乏につながっており、亜鉛肥料はこの問題を解決するために広く使用されている。[122]

土壌生物学の変化

肥料の過剰投与は植物の根と菌根菌の共生関係の崩壊を引き起こす可能性がある。[123]

有機農業

農業経営には、有機農業と慣行農業の2種類があります。前者は、効率を最大化するために、地域資源を活用して土壌の肥沃度を高めます。有機農業は合成農薬の使用を避けます。慣行農業は、有機農業では使用されないすべての成分を使用します。[124]

水素消費と持続可能性

ほとんどの肥料は汚染水素から作られています。[125]アンモニアは天然ガスと空気から生産されます。[126]天然ガスのコストは、アンモニア生産コストの約90%を占めています。[127]過去10年間の天然ガス価格の上昇は、需要の増加などの他の要因とともに、肥料価格の上昇に寄与しています。[128]

気候変動への貢献

窒素肥料の製造と使用中に生成される温室効果ガスである 二酸化炭素、メタン、亜酸化窒素の量は、人為的な温室効果ガス排出量の約5％と推定されています。3分の1は肥料の製造時に、3分の2は肥料の使用時に生成されます。[129]窒素肥料は土壌細菌によって温室効果ガスである亜酸化窒素に変換されます。[130]人間による亜酸化窒素排出量（そのほとんどは肥料由来）は、2007年から2016年の間に年間700万トンと推定されており、[131]これは地球温暖化を2℃未満に抑えるという目標と両立しません。[132]

雰囲気

2005年の世界メタン濃度（地表および大気）; 明確なプルームに注目

窒素肥料の使用量の増加により、2012年には年間約1億1000万トン（窒素）が使用され[133] [134] 、既存の反応性窒素に加えて亜酸化窒素（N2O ）が二酸化炭素とメタンに次ぐ3番目に重要な温室効果ガスとなっている。亜酸化窒素は同質量の二酸化炭素の296倍の地球温暖化係数を持ち、成層圏オゾン層の破壊にも寄与している[135] 。プロセスや手順を変更することで、人為的な気候変動 への影響の一部を軽減することは可能であるが、すべてを軽減することはできない[136]。

農作物（特に水田）からのメタン排出量は、アンモニウム系肥料の施用によって増加します。メタンは強力な温室効果ガスであるため、これらの排出量は地球規模の気候変動に寄与します。[137] [138]

ポリシー

規制

ヨーロッパでは、流出水中の高濃度硝酸塩の問題は、欧州連合の硝酸塩指令によって対処されている。[139]イギリスでは、農家は「集水域に配慮した農業」において、より持続可能な方法で土地を管理することが奨励されている。[140]アメリカでは、流出水や排水中の高濃度硝酸塩やリンは、その拡散起源のため、非点源汚染物質に分類され、州レベルで規制されている。[141]アメリカの オレゴン州とワシントン州では、肥料の化学分析を掲載したオンラインデータベースを備えた肥料登録プログラムが実施されている。[142] [143] 炭素排出権取引とエコ関税は、肥料の生産量と価格に影響を与えている。[144]

補助金

中国では、農業における窒素肥料の使用を規制する規制が導入されている。2008年、中国政府は肥料輸送や産業における電力・天然ガス使用への補助金を含む肥料補助金の一部撤廃を開始した。その結果、肥料価格が上昇し、大規模農家は肥料使用量を削減し始めた。大規模農家が肥料補助金の使用を削減し続ければ、保有する肥料を最大限に活用せざるを得なくなり、穀物収量と収益の両方が向上することになる。[145]

2022年3月、米国農務省は、米国産肥料の生産を促進するため、新たに2億5,000万ドルの助成金を発表しました。商品信用公社（CFC）の一部であるこの助成金プログラムは、主要な肥料供給業者から独立し、米国産で、革新的な生産技術を活用し、将来の競争を活性化させる肥料生産を支援します。[146]

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  •  この記事にはフリーコンテンツからのテキストが含まれています。CC BY-SA IGO 3.0（ライセンスステートメント／許可）に基づきライセンスされています。テキストはFAOの「世界食料農業統計年鑑2023」より引用しています。
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ウィキソースには、1920 年のEncyclopedia Americana の記事 「肥料」のテキストがあります。
  • 食物に栄養を与える窒素、その地球上の起源、ハーバー法 2017年1月11日アーカイブ ウェイバックマシン
  • 国際肥料工業会（IFA）
  • 農業ガイド、肥料と施肥の完全ガイド（2011年10月6日アーカイブ）
  • 有機肥料の窒素・リン・カリウム価。2021年2月26日アーカイブ、Wayback Machine。