海洋施肥

海洋施肥または海洋栄養とは、表層海洋に鉄やその他の栄養素を補充する自然および意図的なプロセスを指し、それによって植物プランクトンの成長が促進され、場合によっては光合成によって大量の二酸化炭素(CO ₂ ) が吸収されます。意図的な海洋施肥は、氷河期以前^{[ 1 ]}や火山噴火後、クジラの排泄後 [ 2 ]、熱水噴出^孔付近[ 3 ] に大気中の CO 2 を除去した自然プロセスのバイオミミクリーです。表層^海洋への栄養素_の導入^は、海洋食物生産を増加させるとともに、大気中の二酸化炭素を除去します。^{[ 4 ] [ 1 ] [ 5 ] [ 6 ]}

微量栄養素である鉄による施肥（「海洋鉄施肥」またはOIFと呼ばれる）や、窒素とリン（両方とも多量栄養素）による施肥など、多くの技術が提案されている。NOAAの特別報告書は、OIFを「他の海洋隔離アイデアと比較して、コスト、拡張性、炭素貯蔵期間の点で中程度の潜在力がある」と評価した。^{[ 7 ]}

海洋への鉄施肥は植物プランクトンの光合成を促進する可能性がある。植物プランクトンは海洋に溶け込んだ二酸化炭素を炭水化物に変換し、その一部は深海に沈むことが示されている。10件以上の外洋実験で、海洋に鉄を加えると植物プランクトンの光合成が最大30倍増加することが確認されている。^{[ 8 ]}

OIFは、研究が進んでいる二酸化炭素除去（CDR）アプローチの1つであり、気候回復の提唱者によって支持されています。^{[ 9 ]}批判者は、このアプローチの効果的な海洋炭素隔離の期間に関する不確実性を指摘しています。しかし、画期的なフィールド試験では、植物プランクトンのバイオマスの半分以上が1,000メートルより下に沈み、そこで数百年から数千年隔離されたままになる可能性が高いことがわかりました。^{[ 10 ]}米国科学・工学・医学アカデミー（NASEM）の2021年の海洋CDR（mCDR）に関する研究では、OIFはmCDRアプローチの中で最も高い可能性を秘めていると結論付けています。^{[ 11 ]}

この報告書は、この技術が低コストで効率的かつ拡張可能であり、環境リスクは中程度であるという中程度から高い確信度を示している。^{[ 11 ]}「この生物学的アプローチは、比較的高い拡張性と低コストでの展開が可能であるが、課題としては、検証可能な炭素会計、そして大規模な海洋CDRのほとんどと同様に、食物連鎖の上下における意図的および予期せぬ生態学的影響の慎重な監視などが挙げられる。」^{[ 11 ]}

ピーター・フィエコウスキーとキャロル・ダグラスは、「鉄施肥は、潜在的な気候回復策のリストの中で重要な項目だと考えています。鉄施肥は何百万年も大規模に行われてきた自然現象であるため、副作用のほとんどは既知のものであり、大きな脅威にはならないでしょう。」と書いています。^{[ 12 ]}

海洋食物連鎖は、有機物を生成するために炭素と無機栄養素を結合する海洋植物プランクトンによる光合成に基づいています。生産は、最も一般的な窒素または鉄などの栄養素の利用可能性によって制限されます。数多くの実験^{[ 13 ]}は、鉄施肥が植物プランクトンの生産性をどのように高めることができるかを示しています。窒素は海洋の大部分で制限栄養素であり、シアノバクテリアによる固定など、さまざまな供給源から供給できます。植物プランクトンの炭素対鉄比は、炭素対窒素比または炭素対リン比よりもはるかに大きいため、鉄は添加された単位質量あたりに最も高い隔離の可能性を秘めています。

海洋炭素は、同様の規模の 2 つの「ポンプ」を介して、表層と深層の間で自然に循環します。「溶解度」ポンプは、海洋循環と海水中のCO ₂の溶解度によって駆動されます。「生物」ポンプは、植物プランクトンとそれに続くデトリタス粒子の沈降または溶存有機炭素の分散によって駆動されます。前者は、大気中の CO ₂濃度の増加の結果として増加しています。この CO ₂シンクは、約 2 GtC/年と推定されています。^{[ 14 ]} 

世界の植物プランクトンの個体数は、1950年から2008年の間に約40%減少し、年間約1%の減少率となりました。最も顕著な減少は極地と熱帯海域で発生しました。この減少は海面水温の上昇に起因すると考えられています。^{[ 15 ]}別の研究では、植物プランクトンの中で最大の種である珪藻が、1998年から2012年にかけて年間1%以上減少したことが分かりました。特に北太平洋、北インド洋、赤道インド洋で顕著でした。この減少は、深海における植物プランクトンの炭素隔離能力を低下させるようです。^{[ 16 ]}

施肥は、気候変動を遅らせる目的で大気中の温室効果ガスの濃度を低下させると同時に、一次生産を増加させることで魚類資源を増加させる可能性を秘めている。この減少は、深海における海洋の炭素隔離速度を低下させる。^{[ 17 ]}

海洋の各領域には、年間などの時間スケールでの基本隔離速度が存在する。施肥はこの速度を増加させる必要があるが、自然のスケールを超える規模で増加させなければならない。そうでなければ、施肥は隔離のタイミングを変えるだけで、隔離される総量は変わらない。しかし、タイミングの加速は、隔離による効果とは別に、一次生産に有益な効果をもたらす可能性がある。^{[ 14 ]}

バイオマス生産は、本質的にすべての資源（太陽と水を除く）を枯渇させる。それらはすべて施肥の対象とならなければならないか、あるいは最終的には、最もゆっくりと補充されるもの（一定数のサイクル後）によって隔離が制限されることになる。ただし、究極的な制限資源が太陽光や表面積である場合は別である。一般的に、リン酸は究極的な制限栄養素である。海洋のリンは（隔離によって）枯渇するため、陸上の供給源から供給される施肥カクテルに含めなければならない。^{[ 14 ]}

植物プランクトンはさまざまな栄養素を必要とします。これには、硝酸塩やリン酸塩などの主要栄養素（比較的高い濃度）と、鉄や亜鉛などの微量栄養素（はるかに少量）が含まれます。栄養素の必要量は系統群によって異なります（例：珪藻はケイ素を必要とします）が、個々の栄養素が総バイオマス生産を制限するとは限りません。複数の栄養素間の共制限は、ある栄養素が別の栄養素の不足を部分的に補うことができることを意味する場合もあります。ケイ素は総生産には影響しませんが、再鉱化時間およびその後の中深層における栄養素の垂直分布に影響を及ぼすタイミングと群集構造を変化させる可能性があります。^{[ 14 ]}

高栄養・低クロロフィル（HNLC）水は、海洋の亜熱帯環流系（表面積の約40%）を占めており、風による沈降流と強い水温躍層が深層水からの栄養塩の供給を妨げている。シアノバクテリアによる窒素固定は、窒素の主要な供給源となっている。事実上、これは最終的に海洋が光合成に必要な窒素を失うのを防いでいる。リンには実質的な供給経路がないため、究極の制限マクロ栄養素となっている。一次生産を支える供給源は、深層水の蓄積と流出水または塵埃である。^{[ 14 ]}

窒素（尿素）

この技術は、窒素を豊富に含む尿素で海洋を肥沃化して植物プランクトンの増殖を促進することを提案している。 ^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]}海洋表面の面積あたりのマクロ栄養素の濃度は、大規模な自然湧昇流に匹敵するだろう。表面から排出された炭素は、長期間隔離されたままとなる。^{[ 26 ]}

オーストラリアの企業であるオーシャン・ナリッシュメント・コーポレーション（ONC）は、二酸化炭素の増加を促進するために、数百トンの尿素を海洋に注入する計画を立てた。₂ - 気候変動対策として、植物プランクトンを吸収する。2007年、シドニーに拠点を置くONCは、フィリピン沖のスールー海^{で1トンの窒素を用いた実験を完了した。 [ 27 ]}このプロジェクトは、海洋生態系への副作用に関する知識が不足していたため、欧州委員会^{[ 28 ]}を含む多くの機関から批判された^{。 [ 29 ]}

マクロ栄養素の摂取は、地球平均で0.38  W/m²^{の負の強制力をもたらすことができ[ 22 ]} 、これは現在の人為的CO₂排出量の約4分の1による温暖化効果を逆転させるのに十分である。_2つの排出量。

主なコストは窒素の製造と栄養素の供給である。^{[ 30 ]}

鉄の微量栄養素は十分だが窒素が不足している水域では、藻類の成長には尿素施肥がより良い選択肢となる。 ^{[ 31 ]}尿素は、窒素含有量が高く、コストが低く、水に対する反応性が高いため、世界で最も広く使用されている肥料である。^{[ 32 ]}海水にさらされると、尿素はウレアーゼ酵素を介して植物プランクトンによって代謝され、アンモニアを生成する。^{[ 33 ]}

${\displaystyle {\ce {CO(NH_2)_2 + H_2O ->[ウレアーゼ] NH_3 + NH_2COOH}}}$

${\displaystyle {\ce {NH_2COOH + H_2O -> NH_3 + H_2CO_3}}}$

中間生成物であるカルバミン酸塩は水とも反応して合計2分子のアンモニアを生成する。^{[ 34 ]}

もう一つの懸念事項は、同等の鉄施肥と同じ量の炭素を捕捉するために必要な尿素の量が膨大であることです。典型的な藻類細胞における窒素と鉄の比率は16:0.0001であり、これは、海に鉄原子を1つ加えるごとに、窒素原子を1つ加える場合と比べて、はるかに多くの炭素が捕捉されることを意味します。^{[ 35 ]}また、科学者たちは、海水に尿素を加えると酸素含有量が減少し、有毒な海洋藻類が増加する可能性があることを強調しています。^{[ 35 ]}これは魚類の個体群に壊滅的な影響を与える可能性があり、一方で、尿素施肥によって魚類の個体群は恩恵を受けると主張する人もいます（その主張は、魚類の個体群が健全な植物プランクトンを餌とするからである）。^{[ 36 ]}

農業を支援し、人間の利益のために陸上生態系を操作することは（副作用があるにもかかわらず）長らく受け入れられてきたが、海洋生産性を直接的に高めることには反発が見られる。

海洋鉄施肥は国際的なモラトリアムの対象とされることが多いが、ガバナンスの枠組みでは正式な評価と許可の手続きの下での科学研究が認められている。適用される2つの国際的枠組み、すなわちロンドン条約／ロンドン議定書（LC/LP）システムと生物多様性条約（CBD）は、いずれも科学研究のための余地を明確に確保している。^{[ 66 ]}

海洋施肥の国際的なガバナンスは、2000年代半ばに最初の懸念が提起されて以来、大きく進化してきた。2007年6月、ロンドンダンピング条約は「大規模な海洋鉄施肥が海洋環境と人間の健康に悪影響を及ぼす可能性」を指摘する懸念声明を発表したが、^{[ 67 ]}「大規模」の定義は示さなかった。

2008年、ロンドン条約／ロンドン議定書は決議LC-LP.1において、海洋施肥の有効性と潜在的な環境影響に関する知識は、研究以外の活動を正当化するには不十分であると指摘した。この拘束力のない決議は、研究以外の施肥は「条約および議定書の目的に反するものとみなされるべきであり、現時点では投棄の定義からのいかなる免除にも該当しない」と述べた。^{[ 68 ]}この拘束力のない決議は、推奨しない商業活動と、維持する科学研究を明確に区別した。

2008 年 5 月、生物多様性条約において、191 か国が科学者が影響をよりよく理解するまで海洋施肥を禁止するよう求めた。^{[ 69 ]} この決定はしばしば一時停止と呼ばれているが、法的な意味では一時停止ではない。生物多様性条約締約国会議 (COP) の決定は条約ではなく、採択時の加盟国政府の合意を反映するものの、拘束力のある法的義務は生じない。この決定では科学研究のための例外も設けられたが、奇妙なことに「沿岸水域」に限定されており、定義上深海環境で行われる外洋施肥研究には実際的な関連性がほとんどない制限となっている。^{[ 70 ] [ 71 ]}

2010年、締約国は決議LC-LP.2を採択し、海洋施肥を伴う科学研究のための正式な評価枠組みを確立し、環境評価、リスク管理、モニタリング要件を含む研究提案の評価方法に関する詳細なガイダンスを提供した。^{[ 72 ] [ 73 ]}

2013年、ロンドン議定書締約国は決議LP.4(8)を採択し、議定書を改正して海洋施肥を含む海洋地球工学を具体的に扱う新たな第6条の2と附属書4を追加した。^{[ 74 ]} この枠組みの下では、海洋施肥活動は正当な科学研究を構成すると評価された場合に許可を得て認可される可能性があるが、商業展開はさらなる評価が行われるまで禁止されたままである。この2013年の改正は、現在施行されている規制枠組みを表している。

2018年8月、ドイツは、この問題がEUおよびEASACレベルで議論されている間に、炭素隔離システムとしての海洋種まきの販売を禁止した^{[ 75 ] [ 76 ]。} 2018年12月、ドイツは、ロンドン議定書の2013年の海洋地球工学の枠組み（決議LP.4(8)）をホーエゼー導入法（HSEG）を通じて国内法に組み込み、そうした最初の国の1つとなった。ドイツの規制は商業的な海洋施肥活動を禁止しているが、ドイツ連邦環境庁（Umweltbundesamt）が管理する許可プロセスの下での科学研究プロジェクトは明示的に許可している。^{[ 77 ]}

施肥によって硫酸エアロゾルが生成され、それが太陽光を反射して地球のアルベドを変化させ、気候変動の影響の一部を軽減する冷却効果を生み出す可能性がある。南極海における自然な硫黄循環^{[ 79 ]}を強化し、鉄を施肥してジメチルスルフィドの生成と雲の反射率を高めることで、これを実現できる可能性がある。^{[ 80 ] [ 81 ]}

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• Williamson, Phillip; Wallace, Douglas WR; Law, Cliff S.; Boyd, Philip W.; Collos, Yves; Croot, Peter; Denman, Ken; Riebesell, Ulf; Takeda, Shigenobu (2012年11月1日) 「地球工学のための海洋施肥：有効性、環境影響、および新たなガバナンスのレビュー」 Process Safety and Environmental Protection . 90 (6): 475– 488. Bibcode : 2012PSEP...90..475W . doi : 10.1016/j.psep.2012.10.007 . ISSN 0957-5820 . 
• ディーン、ジェニー（2009）。「鉄肥料：国際政策提言を含む科学的レビュー」（PDF） 。 2017年6月4日取得。
• 「海洋施肥」（PDF）。geoengineeringmonitor.org 。2021年1月。