窒素施肥量の不確実性に対処することでトウモロコシ生産の環境・社会コストは低減する

なぜ過剰な肥料が誰にとっても重要なのか

現代のトウモロコシ農業は、穀物を生産して人々や家畜の飼料やバイオ燃料を供給するために窒素肥料に大きく依存しています。しかし、その多くは作物に取り込まれることなく失われます。代わりに大気や水に流出し、気候変動を促進し、飲料水を汚染し、生態系に害を与えます。本研究は、一見単純だが影響が大きい問いを投げかけます。肥料推奨の不確実性を正直に織り込んだ場合、米国のトウモロコシ農家はどれだけ窒素を安全に削減できるのか？

失われる窒素の問題点

トウモロコシは窒素利用効率が意外と低い作物です。米国のコーンベルトでは農家が大量の肥料を施用しますが、その50～70％が圃場から失われています。一部は硝酸塩として河川や地下水に流出し、藻類増殖や酸欠域（デッドゾーン）を引き起こし、がんや先天性欠損と関連する飲料水汚染を招きます。一部は強力な温室効果ガスである一酸化二窒素として大気中に放出され、オゾン層にもダメージを与えますし、その他の窒素ガスはスモッグや微粒子状大気汚染を悪化させます。肥料の製造自体もエネルギーを大量に消費し、通常は化石燃料に依存しています。同時に、多くの圃場では適切な時期に適量の窒素が供給されていないため、過剰施肥と栄養不足が同時に起き得ます。

「最適」肥料指針の再考

肥料ガイドラインは通常、収量を最大化する（農学的最適）か利益を最大化する（経済的最適）かのいずれかの単一の「最良」窒素施肥量を提示します。しかし実際には、土壌条件、天候、作物生長が年や場所ごとに変動するため、これらの数値には不確実性があります。農家はそれを理解しており、悪い年に備える保険として追加で窒素を加えることが多く、公的な推奨を超えて施用することがあります。著者らは、コーンベルト8州の49地点での詳細なフィールド試験を用いて、窒素投与量の増加に対するトウモロコシ収量の反応を統計モデルで構築しました。最適施肥量を固定値として扱うのではなく、各地点でどの「最良」施肥量がどの程度の確率で現れるかを表す確率分布として扱いました。

より安全な窒素使用に向けた2段階

これらの確率分布を用いて、農家が肥料を2段階で削減した場合に何が起きるかを検討しました。フェーズIでは、窒素施用量を平均的な収量最大化レベルから平均的な利益最大化レベルへと下げます。この変化だけでも農家のコストを節約し、肥料使用量を約8％削減します。一方で期待される収量損失は0.5％未満で、経済的には無視できる程度です。フェーズIIではさらに踏み込み、利益曲線上の保守的な点まで施用量を下げます。そこでは収量損失の確率は依然として低く、発生した場合の損失も約1％未満に収まります。全地点で両フェーズを組み合わせると、合計で概ね12～16％の肥料削減となり、収量はわずか0.48～1.43％低下します。しかもその小さな損失は年ごとに必ず起きるわけではありません。

よりきれいな空気、安全な水、実際の経済効果

著者らは、これらの控えめな施肥削減を現実の成果に結びつけるため、窒素使用の減少を硝酸塩の漏出、亜酸化窒素（N2O）排出、および肥料の製造・輸送に伴う二酸化炭素排出の変化に変換しました。平均的に見て、12～16％の肥料削減はN2O排出を約10％、硝酸塩流出を約13％、肥料関連のCO2をシナリオによっては最大16％低下させました。これらの変化をコーンベルト全域に拡大し、公表された汚染の社会的費用の推定値を用いると、空気と水質の改善だけで年間約2.3億から5.3億ドルの社会的便益が見積もられます。これらの数字は、すべての窒素関連汚染や生態系への影響を含んでいないため、便益を過小評価している可能性があります。

食料供給チェーンにおけるリスクと利益の共有

12～16％の範囲を超えるさらなる窒素削減は環境面でより大きな利益をもたらしますが、目に見える収量損失のリスクが急増するため、既に生産リスクの大部分を負っている農家には魅力的ではありません。著者らは、現実的な気候政策や水質政策はこの不均衡を認識する必要があると主張します。窒素クレジット市場、グループインセンティブ、窒素保険といった手段は、大きな公共的利益の一部を使って、稀に発生する収量損失が起きた際に農家を補償することができます。肥料推奨を魔法の数値ではなく不確実な範囲として扱い、リスクと利益を食料システム全体で分かち合うことで、食料安全保障を損なうことなく窒素汚染を大幅に削減できるのです。

引用: Palmero, F., Davidson, E.A., Guan, K. et al. Environmental and societal costs of maize production decrease by addressing the uncertainty in nitrogen rate recommendations. Nat Commun 17, 2375 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68988-y

キーワード: 窒素肥料, トウモロコシ生産, コーンベルト, 水質, 温室効果ガス