３．物質循環

(５)温室効果ガス等の発生制御技術

　大気中に存在するメタンと亜酸化窒素は、二酸化炭素とともに、地球の大気を暖める温室効果ガスであり、その大気中での濃度の増加は、地球の温暖化に寄与する、と推測されている。また亜酸化窒素は、対流圏大気中での平均寿命が約120年と長いので、成層圏にまで輸送されて、化学反応により成層圏上部オゾン層のオゾンを減少させる物質である、と推測されている。

　対流圏のメタンと亜酸化窒素の濃度は、現在、それぞれ、約18ppmv、310ppbvであるが、1800年代からそれらの大気中の濃度は増加し続けており、最近では、それぞれ、年間約1%およびO.3%の割合で増加していることが、観測から明らかになっている(なお、1990年代にはこれらの増加率は減少しつつある)。

　これらのガスの主要な発生源の一つとして農業生態系があり、メタンは水田や反すう動物が、亜酸化窒素は施肥土壌や家畜排泄物があげられている。そこで、地球の温暖化を防ぐという観点から、現在、これらの発生源から大気中に放出されるメタンと亜酸化窒素を抑制する技術の開発が、緊急の課題となっている。

１)メタン(CH4)

　水稲栽培期間中の湛水した水田では、メタンが還元状態下の湛水土壌中で微生物の作用により生成され、おもに根から水稲体を通して大気中へ放出されることがよく知られている。

　水田からのメタンの発生要因としては、おもに次のようなものがある。

(1)土壌のタイプ、土壌の生化学的性質

(2)水稲の品種、根の活性度

(3)有機物の施用

(4)栽培体系

(5)施肥管理

(6)水管理

(7)気温、地温、日射量などの気象および気候

(8)地形

　ところで、水田が湛水した後に土壌がしだいに還元されていく過程は、大別して2段階に区分することができる(1)。第1段階は、好気性および条件的嫌気性細菌の活動によって、土壌中の有機物の酸化的分解が進み、二酸化炭素とアンモニウムの生成が活発に行われ、酸化還元電位が低下する過程である。そして第2段階になると、さらに還元状態が発達して、絶対的嫌気性細菌が活躍し、最終的にメタン生成細菌によりメタンが生成される過程である。したがって、メタンの発生を抑制するためには、なるべく水田土壌をメタンが生成される第2段階の還元状態にまでさせないことが、必要条件となる。

　水田土壌中で生成されるメタンと二酸化炭素との比は、土壌の還元容量と酸化容量との比で決定されることが、室内実験で明らかにされている(1)。還元容量は、易分解性有機炭素量あるいは可給態窒素量(アンモニウムイオンを指標とする)、また酸化容量は、酸素、硝酸イオン、生成した第2鉄、易還元性マンガン量との和で示されている。すなわち、還元容量が多いほどメタン生成能力が大きく、酸化容量が大きいほど、メタン生成能力が小さいことを示している。したがって、還元容量が少なく、酸化容量が多い土壌ほど、メタンの生成能力は小さいことを示している。

　前述したメタンの発生要因のなかで、メタンを抑制する技術として現実的に可能なものは、水管理方法と有機物の施用方法、栽培体系、化学肥料や鉄資材の効果的な投入、さらには品種の改良などである。

ア．水管理

　ライシメータ水田で、水の排水速度を0,5,20mm/dayに設定して、栽培期間中に測定したフラックスから計算したメタン発生量は、それぞれ、9.25,4.79,0.34gCH4/㎡であり、水の浸透速度が大きいほどメタン発生量は減少した(2)。一方、透水速度をO,7,14mm/dayに設定した黒ボク土壌でのポット試験で実施した、稲わら区と稲わら無施用区でのメタンフラックスの測定によれば、メタン発生量は、無透水区に比べて、稲わら区では7mm/dayの区では減少し14mm/dayの区では逆に増加した。稲わら無施用区では、逆に7mm/dayの区で増加し14mm/dayの区で減少した(3)。

　日本における水管理の特徴は、一般的に、栽培期間中の中ごろに、根に酸素を与えるために一時的に田面水を落としてしまう“中干し”を行い、その後は間断潅概をして、刈り取り前に完全に水を落としてしまう、という方法である。

　メタンフラックス自動モニタリング装置により水田圃場で測定された結果によれば、中干しを徹底することにより、それまで湛水状態の水田から常時発生していたメタンは、発生しなくなり、その後、再湛水とともにメタンも再び発生し始めることが、明らかになった(4)。また、3地域での水田圃場(湿田、半湿田、乾田)でのメタンフラックスの測定から、中干しの強さの度合によって、その期間中のメタン発生量の減少量は左右されることが明らかになった(5)。

　水稲の栽培期間中、常時湛水にした処理区と現地の慣行水管理（中干しまでは湛水状態で、その後は間断灌漑）に従った処理区とを設定して、前述したメタンフラックス自動モニタリング装置により測定された結果によれば、栽培期間中のメタン発生量は、慣行水管理区のほうが常時湛水区の発生量の約半分と少なかった(6)。また、水稲の栽培期間中に2回落水期間を設定した処理区のメタン発生量は、常時湛水区に比べて約半分と少なかった(6)。

　以上のように、日本で通常行われている水管理は、メタンの発生を削減する方法として、非常に有効であることが明らかになった。また、中国においても、間断灌漑をした水田からは、伝統的な水管理方法による水田よりもメタンの発生が約60%削減したという報告(7)がある。しかし、潅がい設備がないか、水管理をこまめに行う習慣のないでは、この方法をそのまま用いることは困難である。

イ．有機物管理

　水田土壌中の有機物は、稲の刈り株、稲わら、水稲の根からの分泌物、雑草、堆きゅう肥、有機肥料などである。このなかで、とくにメタンの発生に大きく影響を及ぼすのは、刈り取った後の稲わらのすきこみである。

　水田圃場に設定した、化成区、化成区＋堆肥区、化成区＋稲わら区での水稲栽培期間中のメタンフラックスの測定結果によれば、メタン発生量はそれぞれ、8.2,10.5,27.0gCH4/㎡であった(8)。これから、稲わらをすきこんだ区は、すきこまない区にくらべてメタンの発生量が多くなっており、一方、堆肥区では、稲わら区にくらべて、メタンの発生量は少なくなった。稲わらをすきこむとメタン発生量が増加することは、他にも報告(9,10)があり、一般的な現象である。このことは、稲わらを直接土壌にすきこまないで、堆肥にしてから土壌にかえせば、メタンの発生量は少なくなることを示唆している。しかし、堆肥を用いた水田からのメタン発生量が稲わら区とほぼ同程度か、より多かった、という報告(11,12)もある。また、日本の4地点における堆肥連用区の水田土壌の風乾土を12週間培養した室内実験では、連用期間が長く総堆肥量が多いほど、無堆肥区に比べてメタン生成量の増加率が多くなった(13)。このように、堆肥施用によるメタン発生量は、堆肥の質や量あるいは連用期間の違いによって大きく異なっている可能性があり、今後の検討課題である。

　ところで、稲わらを土壌にすきこむ時期によって、メタンの発生量は変化することが予想される。実際の水田圃場で秋と春に稲わらをすきこんだ場合のメタン発生量は、稲わら無施用区で2.8gCH4/㎡、秋すきこみ区で6.2、秋すきこみ＋石灰窒素区で3.3、秋表面施用春すきこみ区で10.9、春施用春すきこみ区で30.3gCH4/㎡であった(14,15)。これらから、メタン発生量は秋表面施用春すきこみ区は春施用春すきこみ区にくらべて約60%の減少、また、秋すきこみ区は春施用春すきこみ区に比べて約80%の減少、さらに石灰窒素を併用することによって約90%も減少したという結果が得られた。

　以上から、有機物管理によるメタンの発生を抑制するには、稲わらを堆肥化して土壌に施用することが最も有効で、直接すきこむ場合でも、稲わらの秋すきこみ処理は、春すきこみに比べてメタンの発生量を少なくする方法として有効であることが明らかになった。

ウ．栽培方法

　農業の生産コスト低減と省力化に対応した水稲栽培方法として、いわゆる不耕起栽培が検討されている。不耕起水田では、一般的に排水性がよく土壌が酸化的であるため、メタンの発生も抑制されると推測されている。長期不耕起栽培継続水田(不耕起水田)と、それに隣接した耕起移植栽培継続水田(隣接耕起水田)および乾田的な栽培管理を実施している耕起移植栽培継続水田(乾田耕起水田)とで、メタンフラックスを一栽培期間中測定した結果によれば、隣接耕起水田、乾田耕起水田、不耕起水田からのメタン発生量は、それぞれ26,7.2,O.44 gCH4/㎡であり、不耕起水田では栽培期間中ほとんどメタンの発生が認められなかった(16)。これから、不耕起水田は、メタン発生を抑制する栽培方法の一つであることが明らかになった。

　また、水稲の移植を1～2ヵ月遅らせたポット試験でのメタン発生量は、30～70%減少し、水田圃場で水稲を、5,6,7月の各上旬に移植した区からの中干し期までのメタン発生量は、移植が遅い区ほど少なかった(17)。

エ．土壌改良

　前述したように、水田土壌中の酸化容量を大きくすれば、メタンの生成は抑制される可能性があり、その一方法として、遊離鉄を多く含む資材の土壌中への投入がある。黒ボク土壌を充填したポットでの水稲栽培において、Fe2O3を添加した稲わら区と無施用区からのメタン発生量は、Fe2O3を添加しない区に比べて、稲わら区では98%、無施用区では57%と少なかった、という報告(18)がある。また、鉄を多く含む山土を水田土壌に混合したポット実験によれば、メタンの発生量は山土を混合した割合が多い水田土壌ほど少なく（なお生育状況から適正混合割合は1割以下）、酸化還元電位も低くならなかった(17)。

オ．化学肥料

　前述したように、水田土壌中では硫酸イオンは酸化剤として作用するので、その存在はメタン発生を抑制する可能性があるが、よく知られているように、硫酸イオンは土壌中で硫化水素に変化するので、生育阻害を引き起こさないように注意しなければならない。たとえば、硫酸根を含む肥料を施用した区でのメタン発生量は、無硫酸根を施用した区よりも少なかったという報告(19)がある。また、窒素肥料の種類として、塩安区、硫安区、(塩安＋硫安)区を設定し、さらに非晶質酸化鉄を添加した群と無添加群とに分けたポット試験の結果によれば、メタン発生量は、鉄添加群では、硫安区と混合区とでそれぞれ塩安区の53%、47%に減少した(18)。しかし、無添加群では、硫酸根肥料による抑制が認められなかった。なお、硫酸根の施用による水稲の生育阻害は、みられなかった。

　以上、水田からのメタン発生を抑制する方法として、現在実施されているいろいろな調査研究を紹介したが(これらをまとめた報告(20)もある)、まだこの分野は、水稲品種の研究を含めて研究の発展途上にあり、さらに今後の総合的な調査研究が期待されている。

２)亜酸化窒素(N2O)

　土壌から大気中に放出される亜酸化窒素は、おもに土壌中の微生物活動によって生成されるが、非生物的過程でも生成されることがある(化学的脱窒)。微生物による生成過程では、よく知られているように、脱窒作用と硝化作用との2種類がある。前者は、嫌気条件下の土壌中で、硝酸態窒素(NO3-N)が窒素ガス(N2)に還元される過程であり、後者では、好気条件下でアンモニウム窒素(NH4-N)が亜硝酸態窒素(NO2-N)、さらにNO3-Nに酸化される過程であり、それらの過程の途中でN2Oが生成される。

　硝化作用は2段階にわたって起こることが知られている。最初にNH4-N→NO2-NがおもにNitrosomonas属の微生物によって引き起こされ、その後にNO2-N→NO3-NがおもにNitrobacter属の微生物によって引き起こされる。N2Oは、前者の段階で生成される。

　これまでの窒素肥料に関する調査研究で、一般的には、アンモニウム態窒素肥料を施用した土壌のほうが、硝酸態窒素肥料を施用した土壌よりも、N2Oの発生量が多いことがわかっている。

　農耕地からのN2Oの発生を抑制する方法として、前述した硝化作用を抑制する硝化抑制剤を使用する方法と、緩効性肥料を用いる方法とがある。ここでは、これらを用いた調査結果について述べる。

ア．硝酸化成抑制剤

　作物による窒素の吸収効率を大きくし、地下水への窒素の溶脱を減少させて地下水の硝酸汚染を防ぐために、硝化作用の第1段階の過程を人為的に遅らす方法、すなわち、硝化抑制剤の開発が行われている。この硝化抑制剤を使用することにより、N2Oの生成をも抑制することが期待され、これまでのいくつかの調査で硝化抑制剤が有効であることが明らかになった。

(１)ニトラピリン

　アメリカのアイオワ州の土壌を用いた30日間の室内培養実験の結果では、100ngN/gの硫安と尿素を添加した土壌からのN2O生成量は、それぞれ148,122ngN/gであったが、ニトラピリンを添加したそれぞれの土壌からは、10,4ngN/gで、N2Oの生成量が90%以上も減少した(21)。ニトラピラリンを窒素施肥土壌に使用してN2Oの生成量が減少した報告は他(22,23)にもあるが、スラリーに添加した場合は、N2Oを制御できなかった、という報告(24)がある。

(２)カプセル状カルシウムカーバイド(ECC)・ワックス被覆カルシウムカーバイド(CCC)

　カルシウムカニバイト(CC)が水と反応して生成したアセチレンが硝化作用を抑制する作用があるのを利用して、CCをカプセル状にしたもの(ECC)、さらに改良してCCをワックスで被覆したもの(CCC)である。アメリカのコロラドでの灌漑したとうもろこし畑での2年間の測定結果によれば、大気中へのN2O放出量は、初年度は、尿素区で3362gN/haだったのに対して、ニトラピリン添加区で1174、ECC(20g/ha)添加区で2555gN/haと少なくなった。なお、2年目の結果は、それぞれ、1651,980,483gN/haであり、やはり硝化抑制剤を使用することにより、N2Oの発生量が減少した(25)。コロラドの別の調査では、尿素、尿素＋CCC、尿素＋ニトラピリンを施用した畑地で、N2Oのフラックス測定が行われた(26)。その測定結果によると、N2Oの平均フラックスは、潅概トウモロコシ畑、冬小麦畑、乾燥直播稲田で、尿素＋CCC施用区は尿素区に比べて、それぞれ17,40,22%に減少した。一方、尿素＋ニトラピリンを施用した区では、尿素区に比べて、潅概トウモロコシ畑では52%に減少したが、乾燥直播稲田では逆に136%と増加した。これらの結果は、CCCはニトラピリンよりも効果の大きい硝酸化成抑制剤材であることを示している。

(３)ジシアンジアミド(DCD)

　前述したコロラドの冬小麦畑での調査では、同時にDCD施用区も設定しており、尿素＋DCD区からのN2Oの平均フラックスは、尿素区に比べて43%も減少したと報告(26)されている。また、DCDは動物の糞尿に対して硝化を抑制する効果があり(27)、イギリスの森林土壌への添加により、脱窒作用で放出されるN2Oが減少した、という報告(28)もある、

(４)チオ硫酸塩

　アメリカのデルウェア州の土壌を用いた8週間の培養実験によれば、硫安、硝安、尿素肥料にチオ硫酸ナトリウムを添加して測定したNH4-NとNO3-Nの濃度から、硝化作用がそれぞれ、85,100,81%抑制された、という報告(29)があるが、N2Oの測定はされていなかった。

(５)N-2,5-ジクロルフェニルサクシナミド酸(DCS)

　日本で製造されている硝化抑制剤を用いて、ニンジンを116日間栽培したライシメータでN2Oのフラックスを測定した結果によれば、N2Oの発生量は、硫安区で60gN/10aであったのに対し、硫安＋DCS区では25gN/10aと半分以下であった(30)。

　このように、硝化抑制剤は、N2Oの発生を抑制する方法の一つとして有効であるが、広域的な使用による生態環境への影響評価をも同時に検討する必要がある。

イ．緩効性肥料

　緩効性肥料は大別して、化学合成緩効性窒素肥料と被覆肥料との2種類がある。被覆肥料は、肥料を薄膜で覆って粒状にしたもので、窒素分は、内部から外部へおもに拡散によってゆっくりと放出される。その拡散速度は、おもに温度に依存するので、作物の生長に伴う養分吸収度合に対応して、窒素分が溶出するように調節されることが試みられている。特に、水稲栽培において、この被覆肥料がN2Oの発生を抑制する方法の一つとして有効であることが、圃場実験で確認されてきている。

　この緩効性肥料を畑地での窒素肥料として用いれば、N2Oの生成、および地下浸透水への窒素の溶脱を減少させることが期待される。

　ニンジンを栽培した黒ボク土壌でのライシメータ実験によれば、硫安区と被覆肥料(硝安)区からのN2Oの大気への放出量は、約70日間で各36.1,73mgN/㎡であり、被覆肥料を使用することにより、N2Oの発生が減少した(31,32)。なお、被覆肥料の場合には、実際に溶出した窒素量に対して揮散したN2O-N量の割合を求めることも必要である。

　また、1994年の夏期を中心とした4ヶ月間のライシメータ試験によれば、尿素区に対して、尿素系被覆肥料区のN2Oの発生量は、約77%に減少したことが明らかになった(33)。このように、畑地においても緩効性肥料は、N2Oの大気への放出量の抑制に効果があることが明らかになりつつあるが、一般に普及するには、価格を大巾に下げる必要があり、今後の課題である。なお、肥料を被覆した膜が土壌中に残るので、その長期的な分解による土壌等への影響を評価・把握することも重要である。

　なお、化学合成緩効性肥料を用いた場合は、通常の肥料を施用した場合よりもN2Oの発生量は多かったという報告(33,34)がある。

　以上、農耕地から発生するN2Oの抑制方法の調査研究を紹介したが、研究例が非常に少なく、さらに、その他の方法、たとえば施肥位置や施肥方法、施肥回数などによるN2Oの発生量の調査研究なども重要であり、今後の研究の発展が期待される。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(農業環境技術研究所　鶴田治雄)

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