カリウムの施肥量を抑えた水稲の栽培方法により土壌中に難分解性炭素が蓄積することを発見

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農業が可能にする新たな地球温暖化対策

2021-07-20 農研機構

ポイント

農研機構と龍谷大学は、カリウムの施肥量を抑えて多収イネを栽培すると、分解しにくい難分解性の炭素が土壌に蓄積することを発見しました。これは、イネのカリウム施肥を制御することにより土壌への難分解性炭素の蓄積を人為的に促進できる可能性を示しており、新たな地球温暖化対策の開発につながることが期待されます。

概要

地球温暖化対策として、堆肥等を農地に施用して土壌中に積極的に炭素を蓄積させようという試みが推進されています。しかし、堆肥等は微生物等により分解されると、最終的には二酸化炭素となって大気に放出されるため、炭素は土壌に長期間蓄積しません。他方、アルミニウム等と結合した炭素(難分解性炭素)は、微生物により分解されにくく、数千年にわたって土壌に蓄積していることが知られていますが、このメカニズムはわかっていません。このため、土壌に炭素を貯める技術を開発するには、土壌中で難分解性炭素が形成・蓄積されていく過程を明らかにする必要があります。そこで、農研機構と龍谷大学等は、水田を対象として研究を実施し、カリウムの施肥量を抑えて多収イネ1)を栽培すると、土壌中に難分解性炭素が形成・蓄積されることを明らかにしました。
カリウムの施肥量を抑えて多収イネを栽培した水田では、11年間で10アールあたり76.3kgの難分解性炭素が土壌に蓄積しました。一方、カリウムを十分に施肥してコシヒカリを栽培した水田には難分解性炭素は蓄積しませんでした。水田の養分収支とイネの根・土壌の調査から、①カリウムの施肥の抑制により、肥料・灌漑(かんがい)水・土壌に由来する吸収しやすい形のカリウムの供給量が不足しても、多収イネは他の給源から必要量のカリウムを吸収し正常に生育した、②多収イネの根が土壌中の鉱物2)を壊し、その構成元素であるカリウム、ケイ酸、アルミニウムを放出する、③鉱物から放出されたカリウム、ケイ酸を多収イネが吸収し、アルミニウムは根圏に残る、④アルミニウムは土壌中の炭素と結合して難分解性炭素が形成・蓄積する、ことが分かりました。一方、カリウムが十分に施肥されたコシヒカリ栽培水田では鉱物が利用されず、難分解性炭素が形成しませんでした。この結果は、イネのカリウム施肥を制御することにより、難分解性炭素の土壌蓄積を人為的に促進できる可能性を示しており、新たな地球温暖化対策技術の開発につながると期待されます。
今後、鉱物中のカリウム、ケイ酸を利用できる能力がイネの品種によって異なるのか、堆肥などの施用が、難分解性炭素の蓄積をいっそう増加させることができるのか等について検討をおこなう予定です。
※本成果は放射性セシウムが蓄積している水田を考慮したものではありませんので、放射性セシウムを吸収するおそれのある地域では、カリウムの施用等に関して自治体の吸収抑制対策に従ってください。

関連情報

予算:運営費交付金、科学研究費補助金 基盤研究C

問い合わせ先

研究推進責任者 :
農研機構中日本農業研究センター所長中村 ゆり

研究担当者 :
農研機構中日本農業研究センター 転換畑研究領域上級研究員草くさ佳那子
龍谷大学農学部准教授森泉 美穂子
龍谷大学食と農の総合研究所客員研究員阿あ江え教治

広報担当者 :
農研機構中日本農業研究センター広報チーム長谷脇 浩子

詳細情報

開発の社会的背景および研究の経緯

地球温暖化が進行している現在において、堆肥等を農地に施用して土壌中に積極的に炭素を蓄積させようという試みが推進されています。しかし、土壌に施用した堆肥は微生物等の働きにより分解され、最終的には二酸化炭素として大気に放出されるため、その全てが蓄積する訳ではありません。このため、地球温暖化対策として、微生物が分解しにくい(難分解性の)炭素を土壌に蓄積させるための技術開発が求められています。炭素を多く含む土壌では、アルミニウム等と結合して分解されにくい形態となった炭素が数千年間にわたり蓄積していることが知られていますが、その形成メカニズムは分かっていません。そこで農研機構と龍谷大学等は、我が国で最も栽培面積が大きい多い水稲(イネ)を対象とし、水田土壌中の難分解性炭素の形成・蓄積メカニズムの解明に取り組みました。

研究成果の内容と意義

1.研究用水田における栽培試験の結果、カリウム施肥を抑制して多収イネを栽培した水田の土壌には、アルミニウム等と結合した難分解性の炭素が11年間で10アール当たり76.3kg(1年間の平均では10アール当たり6.9kg)蓄積したことが分かりました(図1)。一方で、カリウムを十分に施肥してコシヒカリを栽培した水田の土壌には難分解性の炭素は蓄積していませんでした。

2.調査した水田において、カリウムとケイ酸の供給量(肥料・灌漑水・土壌に由来する利用しやすい形のカリウム、ケイ酸)とイネの吸収量を比較したところ、多収イネの吸収量は供給量を大きく超過していました(表1)。この結果、植物が利用できるカリウム、ケイ酸の量の指標となる土壌の交換性カリウム3)と可給態ケイ酸4)は減少しましたが、イネは良好に生育し、収量およびカリウムとケイ酸の吸収量は低下しませんでした(図2)。一方で、コシヒカリは生育に充分な量のカリウムが肥料等から供給されていました。

3.鉱物と多収イネ(北陸193号)の根を使った実験により、イネの根は鉱物を壊すことによってカリウムとケイ酸を吸収していることがわかりました。表1の結果と合わせて、多収イネは土壌中の鉱物を壊して、施肥等で不足するカリウム・ケイ酸を吸収したと考えられました。

4.土壌中の鉱物はカリウム、ケイ酸に加えてアルミニウムを含むため、イネが鉱物を壊してカリウムとケイ酸を吸収すると、アルミニウムが土壌に残ります。土壌中ではアルミニウムは炭素と速やかに結合し、難分解性炭素を形成します。多収イネ栽培水田の土壌には、このようなメカニズムで難分解性炭素が蓄積したと考えられました(図1、図2)。他方、コシヒカリは、鉱物由来のカリウムを利用しなかったため、難分解性炭素が蓄積しなかったと推定されました。

5.以上の結果から、肥料等から供給されるカリウムが不足する場合、多収イネは鉱物を壊して必要な量のカリウム・ケイ酸を吸収し、その結果、土壌中に難分解性の炭素が蓄積したことが分かりました(図3)。これは、イネのカリウム施肥を制御することで、難分解性炭素の土壌蓄積を人為的に促進できる可能性を示しており、新たな地球温暖化対策技術の開発につながると期待されます。

今後の期待

本研究では、多収イネのカリウム施肥を制御することで、生産性を落とすことなく、人為的に難分解性炭素の土壌蓄積を促進できる可能性を示すことができました。多収イネの生産は食料自給率の向上に加えて温暖化対策にも役立つことが分かり、水田の持つ多角的な機能は持続可能な社会の形成に大きく貢献していることが分かりました。世界に目を向ければ、およそ1億6千万ヘクタールでイネが栽培されており、イネの施肥管理は地球温暖化を緩和するための有効な手段になることが期待されます。
一方、鉱物を壊してカリウム、ケイ酸を利用する能力がイネの品種によって異なるのか、多収イネを栽培した水田のようにアルミニウムが蓄積している土壌に堆肥等を投入すると、難分解性の炭素蓄積をさらに促進できるのか、カリウム制御可能な土壌母材(地質)は何か、さらに長期的なカリウム抑制が収量に及ぼす影響等、の解明すべき点が残されており、今後研究を進めていく予定です。

用語の解説
1)多収イネ:
「コシヒカリ」のような従来の主食用品種よりも地上部が大きい飼料用および子実収量が高い業務加工用品種を指します。本試験では「ホシアオバ」と「たちすずか」を1年、「リーフスター」を4年、「北陸193号」を5年間栽培しました。
2)鉱物:
母岩や母材に由来し、風化や土壌化の過程で変質を受けていない一次鉱物で、ケイ素が主成分でアルミニウム、鉄、カルシウム、カリウム、マグネシウム等が含まれます。カリウムを含むものには、長石類、雲母類、角せん石類、火山ガラス等があります。
3)交換性カリウム:
粘土や腐植がもつ荷電によって土壌中に保持されており、植物が吸収しやすい形態のカリウムです。
4)可給態ケイ酸:
植物が利用可能な形のケイ酸のことで、ここではリン酸緩衝液法で分析しました。
発表論文

1. 1. K.Kusa, M.Moriizumi, S.Hobara, M.Kaneko, S.Matsumoto, J.Kasuga and N.Ae. Mineral weathering and silicon uptake by rice plants promote carbon storage in paddy fields. 2021, 67(2), 162-170: Soil Science and Plant Nutrition. doi10.1080/00380768.2021.1878471

参考図


図1 多収イネとコシヒカリ栽培水田における難分解性炭素の推移

表1 多収イネとコシヒカリの水田におけるカリウムとケイ酸の収支(試験期間の平均値)


図2 多収イネとコシヒカリの収量の推移
多収イネ水田の栽培品種:1年目「ホシアオバ」、2~5年目「リーフスター」、6~10年目「北陸193号」、11年目「たちすずか」


図3 多収イネが鉱物中のカリウム・ケイ酸を吸収した結果、土壌で難分解性炭素が形成し蓄積するメカニズムの概念図

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