ホーム＜地球科学一般｜地球環境学＜

物質循環とは（Geochemical Cycle）

自然界（Nature）の物質（Substance）の動態（Movement）は地球化学サイクル（Geochemical Cycle）として理解されるが、物質循環（Material Cycle）と言う場合が多い。循環が確認されない場合には物質移動（Material Movement）などとも言う。 　一般に、炭素循環（Carbon Cycle）などのように元素単位（by Each Element）で示すことも多いが、水循環（Water Cycle）のように化合物単位（by Each Compond）で示すこともある。循環は、その物質がある期間内は留まる場所であるリザーバ（Reservoir）の大きさと、その間の移動量〔Movement Amount：フラックス（Flux）またはフロー（Flow）量〕とで示されるのが普通である。リザーバに留まる時間は滞留時間（Residence Time）で表わされ、移動量は時間当りの量で表わされることが多い。 　なお、人間社会（Human Society）を中心とした物質循環（物質移動）に対してはマテリアル・フロー（Material Flow）という言い方がされる。

• 『リンク』は別ページへ移動
• 硫黄化学種はこちらを参照。
• リンについては『リン』のページを参照。
• 水循環については『河川について』のページも参照。
• 水圏は『水圏について』のページを参照。
• 気圏は『気圏について』のページを参照。
• 地圏は『地圏について』のページを参照。
• 生物圏は『生物圏について』のページを参照。
• 地球構成物質の化学組成については『地球構成物質の化学組成』のページを参照。
• 安定同位体比については『安定同位体地球化学』のページを参照。
• 資源の流れは『マテリアルフローについて』のページを参照。
• エネルギーフローは『エネルギーフローについて』のページを参照。
• 自然のエネルギーフローは『気候変動とは』のページを参照。
• 環境負荷物質については『環境負荷物質』のページを参照。
• 地球規模モデルおよび将来予測シナリオについては『地球観測とは』のページを参照。
• 地質年代については『年代測定法とは』のページを参照。

  ---

• 文献は『論文リスト（物質循環）』のページを参照。

物質循環

【2011】

• 科研費特定領域研究「海洋表層・大気下層間の物質循環リンケージ」（HP）によ『大気海洋物質循環』から
  

  科研費特定領域研究「海洋表層・大気下層間の物質循環リンケージ」による（2006〜2011年）大気海洋物質循環から

循環速度

【1992】

• 鹿園（1992）による〔『地球システム科学入門』（45-48p）から〕【見る→】

水循環

【1999】

• 安成（1999）による〔『水・物質循環系の変化』（1-2p）から〕【見る→】

【1996】

• 住（1996）による〔『地球システム科学』（119-122p）から〕【見る→】

【1995】

• 加藤（1995）による〔『地球の水圏−海洋と陸水』（88-94p）から〕【見る→】

炭素循環

【2012】

• 藤岡（2012）による『CCSの現状と未来』から
  

  藤岡（2012）による『CCSの現状と未来』から

【2011】

• 増田（HP/2011/6）による『増田耕一によるCO2濃度モデル�F』から
  

  図7.3。 1990年代の全球の炭素循環。主要なフラックス(流量)を、「GtC/yr」 [つまり年あたり炭素としてのギガトン= 109 t = 1012 kg = 1015 g] を単位として示す。そのうち、工業化前の「自然」のフラックスを黒で、「人為起源の」フラックスを赤で示す。 [また、主要な貯留量を「GtC」つまり炭素ギガトンを単位として示す。] (Sarmiento and Gruber 2006をもとにし部分変更。貯留の大きさについてはSabineほか(2004a)によって変更。) [図の説明: IPCC第4次第1部会報告書(Solomonほか, 2007)の英語から増田が仮に訳したもの。ただし角かっこ内は増田による補足。] [(2010-03-08 補足) ここで「人為起源の」フラックスとは、「自然」の状態からの量の差を示すものであり、人為起源の炭素を別に数えているわけではない。] 陸からの総損失 -39 GtCは、化石燃料(fossil fuels)からの排出量の累積値から、大気中の増加量と、海への蓄積とをひくことによって推算されたものである。 「植生、土壌、枯死物」(vegetation, soil & detritus)の部分の損失 -140 GtCは、土地利用変化(land use change)による排出量の累積値(Houghton, 2003)を表わし、同時に陸上生態系への[累積]吸収 101 GtCがあることを想定している。 (根拠はSabineほかの文献だが、そこで示されているのは、前者は -140から-80 GtC、後者は 61から141 GtCという幅をもった形でであり、そのほかの不確かさは彼らの表1に示されている。) 大気との間の人為起源の正味交換量は[IPCC第4次第1部会報告書の] 表7.1の第5列「AR4」に示されたものである。 総計されたフラックス値は一般に±20%以上の不確かさをもつが、川(rivers)による輸送、風化(weathering)、海底への堆積などの項の見積もられた値はGtC/yrの小数点以下の値であるため、これらを含む収支を全体として合わせるために多めの桁数をとっている項もある。「GPP」は(陸上生態系の) 1年間の総一次生産量である。 [Respirationは呼吸である。] 大気(atmosphere)中の炭素貯留量と1750年から累積されたフラックス値は、 1994年末現在のものである。 [注意] 炭素量 12 gが、二酸化炭素量 44 gに対応する。 増田（HP/2011/6）による『増田耕一によるCO2濃度モデル�F』から

【2010】

• ウィキペディア（HP）による『炭素循環』から
  

  炭素循環の概念図。黒の数値はそれぞれのリザーバーに存在する炭素量、青の数値はリザーバー間での年間の炭素の移動量。単位はギガt（10億トン） 〔フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』の中の『炭素循環』から〕

• The Woods Hole Research Center（HP）による『Global Carbon Cycle』から
  

  The Missing Carbon Sink For the decade of the 1990s, the global carbon cycle can be summarized as follows (units are PgC. - One Pg [petagram]=one billion metric tonnes=1000 x one billion kg ): Atmospheric increase ＝ Emissions from fossil fuels ＋ Net emissions from changes in land use − Oceanic uptake − Missing carbon sink 3.2 (±0.2) ＝ 6.3 (±0.4) ＋ 2.2 (±0.8) − 2.4 (±0.7) − 2.9 (±1.1) 〔The Woods Hole Research Centerの中の『Global Carbon Cycle』から〕

【2008】

• 永田・宮島（編）（2008）による『流域環境評価と安定同位体』（189p）から〕
  

  表4-5-1　環境水（淡水）中の各態有機炭素濃度の平均値と、溶存態有機炭素（DOC）と懸濁態有機炭素（POC）の比

  	全有機炭素（TOC） （mg-1）	溶存態有機炭素（DOC） （mg-1）	懸濁態有機炭素（POC） （mg-1）	DOC：POC
  地下水	0.7	0.65	0.05	13：1
  降水	1.1	1.0	0.1	10：1
  貧栄養湖	2.2	2.0	0.2	10：1
  河川	7.0	5.0	2.0	3：1
  富栄養湖	12.0	10.3	1.7	6：1
  湿地−低湿地	17.0	15.3	1.7	9：1
  高層湿原	33.0	30.3	2.7	11：1

【2004】

• Lal(2004)による〔『Soil carbon sequestration impacts on global climate change and food security』（1623p）から〕【見る→】
• Morisada et al.(2004)による〔『Organic carbon stock in forest soils in Japan』（21p）から〕【見る→】

【2000】

• Robert et al. (Eds.)(2000)による〔『Land Use, Land-Use Change, and Forestry. 2000 Special Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change』（4p）から〕（植生及び深さ1mまでの土壌炭素プール中の地球規模炭素貯蔵量）【見る→】

【1996】

• 田近（1996）による〔『地球システム科学』（27-32p）から〕【見る→】

【1992】

• 鹿園（1992）による〔『地球システム科学入門』（38-42p）から〕【見る→】

【1990】

• 茅根（1990）による〔『地球規模のCO2循環におけるサンゴ礁の役割』（11-13p）から〕【見る→】

【1979】

• ホランド（1979）による〔『大気・河川・海洋の化学−環境科学特論−』（261p）から〕【見る→】

｛

窒素循環

【2010】

• Canfield et al.(2010)による『The Evolution and Future of Earth's Nitrogen Cycle』から
  

  Fig. 1. The major biological nitrogen transformation pathways are linked by their associated enzymes [adapted from (63)]. Genes encoding enzymes that conduct the important transformations include those for various nitrate reductases (nas, euk-nr, narG, napA), nitrite reductases (nir, nrf), nitric oxide reductase (norB), nitrous oxide reductase (nosZ), nitrogenase (nif), ammonium monooxygenase (amo), hydroxylamine oxidoreductase (hao), nitrite oxidoreductase (nxr), and hydrazine hydrolase (hh). Fig. 2. The size of nitrogen reservoirs on Earth is highly variable. (44, 64.67). Fig. 3. The marine nitrogen cycle responded to changes to biological evolution and ocean chemistry through geologic time. The five major biological innovations are indicated by different vertical profiles of ocean chemistry. Rates of oceanic primary production (mol C year-1) also increased as they changed in response to the evolving biosphere and the oxygenation of the oceans. Fig. 4. Rates of nitrogen flux in the modern nitrogen cycle depend on the efficiency of the transformations between reservoirs. Arrow size reflects relative size of the flux. The dark brown arrows represent anthropogenic inputs (25, 45, 46, 52, 53, 68, 69). Canfield et al.(2010)による『The Evolution and Future of Earth's Nitrogen Cycle』から Aammox＝Anaerobic ammonia oxidation（嫌気性アンモニア酸化）。 【参考】Anammox　　http://en.wikipedia.org/wiki/Anammox Anammox　　http://unit.aist.go.jp/emtech-ri/ci/e-keyword/Anammox/anammox.html

• 窒素化合物と酸化状態
  

  化学種 （Species）	名称（Name）	酸化状態 （Oxidation State）
  NO3-	硝酸イオン（Nitrate ion）	+5
  HNO3	硝酸（Nitric acid）	+5
  NO2	二酸化窒素（Nitrogen dioxide）	+4
  NO2-	亜硝酸イオン（Nitrite ion）	+3
  HNO2	亜硝酸（Nitrous acid）	+3
  NO	一酸化窒素（Nitric oxide）	+2
  N2O	一酸化二窒素（Nitrous oxide）	+1
  N2	窒素ガス（Nitrogen）	0
  NH2OH	ヒドロキシルアミン（Hydroxylamine）	-1
  N2H4	ヒドラジン（Hydrazine）	-2
  NH4+	アンモニウムイオン（Ammonium ion）	-3
  NH3	アンモニア（Ammonia）	-3

• Illinois State Water Survey　Nitrogen Cycles Project Group（HP）による『Nitrogen Cycles Project』から　
  

  Sizes of Global N Reservoir
  Reservoir/ Pool Type		Metric Tons	％ of Total
  Biosphere（生物圏）		2.8 x 1011	0.0002
  Hydrosphere（水圏）		2.3 x 1013	0.014
  Atmosphere（気圏）		3.86 x 1015	2.3
  Geosphere（地圏）		1.636 x 1017	97.7
  	Crust（地殻）	0.13 - 1.4 x 1016	0.78-8.4
  	Soils and Sediments（土壌と堆積物）	0.35 - 4.0 x 1015	0.21-2.4
  	Mantle and Core（マントルと核）	1.6 x 1017	95.6

• Smil（HP）による『Global Population and the Nitrogen Cycle』から
  

  〔Vaclav Smil氏による『Global Population and the Nitrogen Cycle』から〕

【2008】

• 永田　俊・宮島利宏（編）（2008）による〔『流域環境評価と安定同位体−水循環から生態系まで』（30p）から〕
  

  表１−２　窒素の酸化数とそれに対応する代表的な物質

  酸化数	代表的な物質	用語
  		全窒素 （結合態窒素）	反応性窒素	可給態窒素	栄養塩 （DIN）※3
  -3	アンモニア（NH3）、アンモニウム（NH4+）	○	○	○	○
  	尿素（(NH2)2CO）	○	○	○
  	遊離アミノ酸	○	○	○
  	その他の有機態窒素（易分解性）※1	○	○	（○）
  	その他の有機態窒素（難分解性）※1	○	（○）
  -2	ヒドラジン（N2H4）	○	○
  -1	ヒドロキシルアミン（NH2OH）	○	○
  0	窒素ガス（N2）
  +1	一酸化二窒素（亜酸化窒素、N2O）※2		○
  	ニトロソ化合物（R-NO）	○	○
  +2	一酸化窒素（NO）	○	○
  +3	亜硝酸イオン（NO2-）	○	○	○	○
  	ニトロ化合物（R-NO2）	○	○
  +4	二酸化窒素（NO2）	○	○
  +5	硝酸イオン（NO3-）	○	○	○	○
  ※1　有機態窒素とは有機化合物の中に共有結合として含まれている窒素原子を指す。-3以外の酸化数を持つ有機態窒素も存在する。 ※2　一酸化二窒素の酸化数は正確には一方の窒素原子が0、他方が+2で、平均して+1となる。 ※3　栄養塩にはDINのほかに、リン酸イオン（PO43-）やケイ酸（Si(OH)4）も含まれる。

【2006】

• Bohlke（oの頭に¨） et al.(2006)による〔『Ammonium transport and reaction in contaminated groundwater: Application of isotope tracers and isotope fractionation studies』（W05411-2p）から〕
  

  Figure 1. Biogeochemical and physical-chemical (phys.) processes affecting the speciation of nitrogen in aquatic systems. Highlighted are some of the major reactions considered in the current study, including nitrification, denitrification, anammox, and NH4+ exchange with solids. 窒素循環（nitrogen cycle） anammox：嫌気性アンモニア酸化（Anaerobic Ammonium Oxidation） assimilation：同化 denitrification：脱窒、脱窒素作用 mineralization：無機化 nitrification：消化作用 nitrogen fixation：窒素固定 〔Bohlke（oの頭に¨） et al.(2006)による〔『Ammonium transport and reaction in contaminated groundwater: Application of isotope tracers and isotope fractionation studies』（W05411-2p）から〕

【2005】

• Hulth et al.(2005)による〔『Nitrogen removal in marine environments: recent findings and future research challenges（海洋環境における窒素除去：最近の発見と将来の研究課題）』（126p）から〕.【見る→】
  

  Table 1 Nitrogen-containing compounds can be found in a multiplicity of forms at a wide range of oxidation states in marine environments

  Compound		Oxidation state
  Nitrate	NO3-	+V
  Nitrogendioxide	NO2	+IV
  Nitrite	NO2-	+III
  Nitric oxide	NO	+II
  Nitrous oxide	N2O	+I
  Di nitrogen	N2	0
  Hydroxylamine	NH2OH	-I
  Hydrazine	N2H4	-II
  Ammonium	NH4+	-III
  Amino acids	R-NH2	-III
  Urea	NH2CONH2	-III

【2004】

• 岩手県環境生活部環境保全課（2004）による『平成16 年度岩手県窒素・リン物質循環フロー調査報告書』から
  

  図 3-6 県全体における窒素循環フロー（平成14 年度、単位：×10t/年） 〔岩手県環境生活部環境保全課による（株式会社 日水コン、平成17 年3 月）『平成16 年度岩手県窒素・リン物質循環フロー調査報告書』（26p）から〕

  
  

  図 3-8 河川・湖沼・海域に対する排出負荷密度の内訳（岩手県全体、平成14 年度） 図 3-9 土壌・地下水に対する排出負荷密度の内訳（岩手県全体、平成14 年度） 〔岩手県環境生活部環境保全課による（株式会社 日水コン、平成17 年3 月）『平成16 年度岩手県窒素・リン物質循環フロー調査報告書』（28、29p）から〕

【2002】

• 中江（2002）による『有機質廃棄物の資源化−家畜ふん尿を中心として−』から
  

  〔石崎勝義氏の『長崎大学関係』の『平成14年度卒業論文』の中の中江譲二氏による『有機質廃棄物の資源化−家畜ふん尿を中心として−』から〕 出典は水谷（1997）。

【2000】

• 国土審議会調査改革部会（2000）による『「環境負荷の少ない国土・地域構造」のイメージ等に関する資料』から
  

  〔国土交通省の国土審議会調査改革部会の『第４回持続可能な国土の創造小委員会・資料』の中の『「環境負荷の少ない国土・地域構造」のイメージ等に関する資料』から〕

【1998】

• 三井情報開発（株）　総合研究所（1998）による『循環と共生を基調とした持続可能な圏域形成の手引き』の『（１）窒素循環（循環）』から
  

  図１−２　日本の窒素収支（１９９８年）と収支のアンバランスにより発生する問題群 〔三井情報開発（株）の総合研究所の『環境・資源研究サイト』の『循環と共生を基調とした持続可能な圏域形成の手引き』の中の『（１）窒素循環（循環）』から〕

【1997】

• （独）農業環境技術研究所の地球環境部　物質循環ユニット（1997）による『わが国の農業生産システムにおける近年の窒素収支』から
  

  （独）農業環境技術研究所の地球環境部の物質循環ユニットによる『わが国の農業生産システムにおける近年の窒素収支』から

• 水谷（1997）による『全窒素物質循環図（1992）』から
  

  図2　全窒素物質循環図 〔石崎勝義・三浦真慈・船水尚行・稲森悠平・大瀧雅寛・中川直子氏らによる『サステーナブルサニテーションによる流域の水・物質循環の健全化』から〕

【1979】

• ホランド（1979）による〔『大気・河川・海洋の化学−環境科学特論−』（284-285p）から〕【見る→】

硫黄循環

【1997】

• 鹿園（1997）による〔『地球システムの化学』（220-222p）から〕【見る→】

リン循環

• 『リン』のページも参照。

【2005】

• 岩手県環境生活部環境保全課（2005）による『平成16 年度岩手県窒素・リン物質循環フロー調査報告書』から
  

  図 3-7 県全体におけるリン循環フロー（平成14 年度、単位：×10t/年） 〔岩手県環境生活部環境保全課による（株式会社 日水コン、平成17 年3 月）『平成16 年度岩手県窒素・リン物質循環フロー調査報告書』（27p）から〕

【1997】

• 鹿園（1997）による〔『地球システムの化学』（222-224p）から〕【見る→】
  

  表33　リンサイクル、リザーバー中のリン量、フラックス、滞留時間
  （Lerman et al., 1975）

  	リザーバー （iまたはj）	質量Mi （トンP）	フラックスFij （106トンP/y）	滞留時間 （τi＝Mi/Fij(y)）
  1	堆積物	4×1015	F12＝20	τ12＝2×108
  2	陸	2×1011	F21＝18.3 F23＝63.5 F25＝1.7	τ21＝1.09×104 τ23＝3.15×103 τ25＝1.18×105
  3	陸の生物	3×109	F32＝63.5	τ32＝47
  4	海の生物	1.38×108	F45＝998 F46＝42	τ45＝0.14 τ46＝3.3
  5	表層海水	2.71×109	F54＝1040 F56＝18	τ54＝2.6 τ56＝150
  6	深層海水	8.71×1010	F61＝1.7	τ61＝5.12×104
  7	採掘可能なリン鉱石	1×1010	F72＝12 　または F72＝12×e0.07t	τ72＝830 　または τ72＝60

• 水谷（1997）による『全リン物質循環図（1992）』から
  

  図−3　全リン物質循環図 〔長崎大学環境科学部の石崎勝義氏による『し尿は大地に戻そう』の『図−3　全リン物質循環図』から〕

• Scientific Committee On Problems of the Environment (SCOPE)（HP）による『2 C, N, P, and S Cycles: Major Reservoirs and Fluxes』から
  

  Figure 2.4 A global phosphorus cycle. Fluxes are in Tg P yr-1 and reservoirs are in Tg P. From Table 2.5 〔Scientific Committee On Problems of the Environment (SCOPE)によるSCOPE 21 The Major Biogeochemical Cycles and Their Interactionsの中の『2 C, N, P, and S Cycles: Major Reservoirs and Fluxes』から〕

  
  Scientific Committee On Problems of the Environment (SCOPE)（HP）による『16 Biogeochemical Cycles and the airsea Exchange of Aerosols』から〕
  

  Figure 16.8 The atmospheric phosphorus cycle. The numbers in parentheses are the estimated inputs of sea-water soluble phosphorus through rivers and through the atmosphere (After Graham and Duce, 1979). Reproduced by permission of Pergamon Press Ltd. 〔Scientific Committee On Problems of the Environment (SCOPE)によるSCOPE 21 The Major Biogeochemical Cycles and Their Interactionsの中の『16 Biogeochemical Cycles and the airsea Exchange of Aerosols』から〕 Graham,W.F. and Duce,R.A.(1979): Atmospheric pathways of the phosphorus cycle. Geochim.Cosmochim.Acta, 43, 1195-1208.

同位体マップ

【2003】

• 和田ほか（2003）による〔『物質循環と水資源−水系を中心として』（28p）から〕【見る→】

生物系廃棄物

【2000】

• 茅野（2000）による『生物系廃棄物リサイクルの現状と課題』から　　
  

  表２　生物系廃棄物の発生量及び成分含有量（推計）

  種　　類	発　生　量 （万トン）	近年の増減傾向	成分含有量（万トン）
  			窒　素	リン酸	加　里
  わら類	1,172	減少（米麦収穫量減少）	6.9	2.4	11.7
  もみがら	232	減少（米収穫量減少）	1.4	0.5	1.2
  家畜ふん尿	9,430	減少（家畜飼養頭数減）	74.9	27.4	51.9
  畜産物残さ	167	減少（と畜頭数減）	8.4	11.9	6.2
  樹皮（バーク）	95	減少（材生産・輸入減）	0.5	0.1	0.3
  おがくず	50	同　上	0.1	0.0	0.1
  木くず	402	同　上	0.6	0.1	0.6
  動植物性残さ	248		1.0	0.4	0.4
  食品産業汚泥	1,504		5.3	3.0	0.6
  建設発生木材	632	減　少	1.0	0.2	0.9
  生ごみ（家庭、事業系）	2,028	横ばい	8.0	3.0	3.2
  木竹類	247	増加（都市緑化）	1.9	0.5	0.9
  下水汚泥	8,550	増加（施設整備進展）	8.9	9.2	0.6
  し尿	1,995	減少（下水等の整備）	12.0	2.0	6.0
  浄化槽汚泥	1,359	増加（施設整備）	1.4	1.5	0.1
  農業集落排水汚泥	32	同　上	0.0	0.0	0.0
  合　　　計	28,143		132.1	62.1	84.6