半乾燥作物系におけるバイオチャーと堆肥の温室効果ガス放出および地球温暖化ポテンシャルへの対照的な影響

乾燥地の農地が気候にとって重要な理由

アメリカ西部の広大な地域では、土壌が傷みやすく収穫がわずかな水に依存する暑く乾いた条件で栽培が行われています。これらの半乾燥の圃場は、黙って温室効果ガスを排出しており、地球温暖化に寄与しています。本研究は単純だが緊急性の高い問いを投げかけます。疲弊した土壌に異なる種類の有機物、具体的には堆肥またはバイオチャーを投入すれば、土壌を再生しつつその気候への影響を低減できるでしょうか？

土を養う二つの非常に異なる方法

研究者たちは降雨が少なく年間の気温変動が大きいニューメキシコ州東部のソルガム（モロコシ）圃場で作業を行いました。比較したのは4つの区画で、無処理の区画、牛の堆肥を施した区画、木材由来のバイオチャー（酸素がほとんどない状態で植物質を加熱して作る炭素に富む物質）を施した区画、そして堆肥とバイオチャーの両方を施した区画です。すべての区画は同じ方法で施肥と灌漑が行われました。監視された主要なガスは、二酸化炭素（土壌と根の呼吸由来）、一酸化窒素（窒素肥料に関連する強力な温室効果ガス）、およびメタン（土壌が放出することも吸収することもある）でした。

土の呼吸を24時間見守る

研究チームは断続的な測定だけでなく、自動チャンバーを用いて4月から10月まで2時間ごとにガスを採取しました。この高頻度のモニタリングにより、日周期、嵐や灌漑後の短い急増、より長い季節的変動を捉えることができました。排出量は土壌水分と温度に連動して増減しました。微生物が窒素と水を利用できる湿潤時には一酸化窒素が急増し、二酸化炭素は暖かい午後に土壌生物や植物の根の呼吸が活発になることで上昇しました。メタンは異なる振る舞いを示し、これらの乾燥地土壌は主にネットでメタンを吸収する沈降源でした。

バイオチャーは主要な温室効果ガスを削減する

対照的な土壌改良材は明確に異なる気候フットプリントを生みました。堆肥を施した区画では、特に初夏にかけて一酸化窒素の急増が顕著で、暖かく湿った条件が微生物に利用しやすい窒素と炭素を供給しました。対照的に、バイオチャー処理土壌は対照区画に比べ一酸化窒素を52％、メタンを16％減らし、依然として強いメタン吸収源でした。バイオチャーの多孔質構造は硝酸塩を吸着し通気性を改善するため、一酸化窒素を生成する微生物経路を抑制し、メタンを消費する微生物を有利にするようです。バイオチャー区画は全体としてわずかに多くの二酸化炭素を排出しましたが、これは土壌がより暖かく良好に通気されて微生物呼吸が促進されたためと考えられます。しかしこの控えめな上昇は、一酸化窒素とメタンの大幅な削減によって相殺されました。

季節、根、そして水のパルスが排出を再形成する

作物の存在は時間経過で状況を変えました。ソルガムの生育期には、平均二酸化炭素排出が裸地期と比べ約3/4増加し、一酸化窒素もほぼ半分ほどさらに増加しました。これは根の成長、根分泌物、およびより速い栄養循環を反映しています。一方でメタンの吸収も栽培期に強まりました。すべての処理において最大の一酸化窒素パルスは灌漑や降雨の後に続き、土壌が乾燥で酸素豊富な状態から一時的に湿潤で微生物に有利な状態に変わるときに発生しました。統計解析では、一酸化窒素の変動の多くは土壌水分で説明され、メタンの挙動は温度によってより強く規定されていることが示されました。

圃場から肥料までの総合的な温暖化を評価する

全体的な気候影響を推定するために、著者らは各ガスを100年の間の二酸化炭素換算で変換し、農業作業、灌漑、肥料製造、および改良材自体の生産からの排出を加えました。堆肥は処理なしの対照と比べて純粋な温暖化ポテンシャルを高めました。これは主に堆肥が速やかに分解されることと、堆肥生産自体がかなりの二酸化炭素を放出するためです。バイオチャーは製造時の排出があるにもかかわらず、ネットの温暖化は最も低く、1kgの穀物当たりの温室効果ガス強度も最小でした。堆肥とバイオチャーの混合はその中間に位置し、土壌炭素の利点を一部得る一方で、追加の利用可能な窒素によりバイオチャーの一酸化窒素低減効果の多くを失いました。

将来の乾燥地農業にとっての意味

乾燥地域で気候に配慮した施策を探る農家や政策立案者にとって、メッセージは明瞭です。土をどう養うかは、どれだけ養うかと同じくらい重要です。このニューメキシコの圃場では、バイオチャーは半乾燥土壌を再生しつつ、一酸化窒素とメタンの排出を実質的に削減する方法として際立ち、製造に使われるエネルギーを考慮しても有効でした。堆肥は栄養と有機物の供給源として価値がありますが、それ単独では圃場の全体的な温暖化フットプリントを増加させる可能性があります。本研究はまた、短時間に発生する排出の急増を継続的にとらえることが正確な気候計算に不可欠であることを示しています。これらの知見は、バイオチャーを長期的な戦略として、乾燥地作物を生産的かつ気候に対してより優しいものにするための的を絞ったインセンティブやさらなる研究を支持します。

引用: Madhuwanthi, P., Ghimire, R., Sapkota, S. et al. Contrasting effects of biochar and compost on greenhouse gas emissions and the global warming potential of semi-arid cropping systems. Sci Rep 16, 12380 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42554-4

キーワード: バイオチャー, 堆肥, 半乾燥農業, 温室効果ガス排出, 土壌改良材