化学肥料施用の多目的空間最適化が中国南西部の持続可能な作物生産を可能にする

土地を傷めずに人々に食糧を供給する

世界の人口が増えるにつれて農家はより多くの食糧を生産する圧力にさらされていますが、化学肥料の過剰使用は河川の汚染、気候の温暖化、そして経済的な無駄を招いています。本研究は中国南西部の主要穀物生産地を調べ、重要な問いを投げかけます：肥料の使い方や配分を変えることで、稲、トウモロコシ、小麦の収量を確保しつつ汚染と不要なコストを削減できるか？

肥料がやりすぎになる理由

化学肥料—主に窒素、リン、カリウム—は世界的な作物生産の飛躍的な伸びを支えてきました。しかし多くの地域、特に中国では過剰に使われています。余剰の窒素は河川へ流出し、地下水に浸透し、大気中へ温室効果ガスとして放出されます。リンの蓄積は藻類の大発生を引き起こして魚を窒息させる一方、カリウムの不足は目に見えない形で作物の成長を制限します。山に囲まれた肥沃な“米どころ”である四川盆地は顕著な例で、農家はヘクタール当たり300キログラムを超える肥料を施用しており、世界的な平均を大きく上回り、上流の長江や局所的な生態系に負荷をかけています。

データとアルゴリズムで圃場ごとの実際の必要量を描く

一律の肥料施用指針から脱却するため、研究者たちは10年分の詳細なデータを集めました：数万点の土壌サンプル、農家の肥料調査、そして窒素・リン・カリウムの正確な組み合わせで施肥した2,000以上の対照圃場試験です。これらに衛星画像や気象記録を組み合わせ、ランダムフォレストと呼ばれる機械学習手法を訓練して、地域内の細かな空間スケールで肥料あり・なしの作物収量を予測しました。これにより、作物の収量が土壌や気候という本来的な条件によるものか、追加の肥料によるものかを推定できるようになりました。

偏りと不均衡：どこで栄養素が過剰でどこが不足しているか

地図は鮮明なパターンを示しました。2009年から2019年にかけて、肥料使用量が減少したにもかかわらず、稲、トウモロコシ、小麦の平均収量はわずかに上昇し、土壌の健全性が向上し、以前の過剰施用が抑制されたことを示唆しています。それでも肥料が収量に寄与する割合は実際に1〜3％低下しており、特に肥沃な低地平野での稲とトウモロコシで追加肥料の効き目が低下していました。同時に、栄養素のバランスは大きく歪んでいました。窒素は一般に過剰で、特に平野部や主要河川沿いでは一部の水田が必要量の最大10倍もの窒素を受けていました。一方でリンとカリウムは不足する傾向が強く、とくにトウモロコシや小麦が栽培される中部や北東部の丘陵地で顕著でした。これは中国の耕地が一様にリン過剰であるという通説と矛盾します。

収量と汚染の間の最適点を探る

これらの診断を具体的な対策に結びつけるため、研究チームは多目的最適化アルゴリズム—トレードオフを扱う探索ツール—を使い、肥料率を何千通りにも調整して検討しました。アルゴリズムは総穀物生産を維持または向上させつつ、特に窒素を全体的に削減する組み合わせを探しました。最適解は、盆地全体の窒素施用量を約18％削減できることを示唆しており、肥沃な西部平野の稲ではより大幅な削減が可能でした。一方でリンとカリウムは現在不足している地域でいくらか増やすことが提案されました。この計画の下では、総穀物生産は2019年よりわずかに増加し、窒素重視だった1:0.38:0.33（N:P:K）の比率は、より持続可能な国内推奨に近い1:0.51:0.42へとバランスが改善します。

農家と環境にとっての意義

専門外の読者にとってメッセージは明快です：データと現代のアルゴリズムに導かれた賢い肥料使用は、農家が同じ量、あるいはそれ以上の食糧を生産しつつ、無駄で汚染を招く投入資材を削減できるということです。単に肥料の総量を増減するよう指示するのではなく、この手法はどこで窒素を大幅に減らすべきか、どこでリンやカリウムを補うべきか、圃場ごとに示します。広く適用すれば、同様の手法は多くの地域で食糧供給を支え、農家のコストを節約し、水系をより清浄に保ちながら、農地を拡大したり収量を犠牲にしたりすることなく導入できます。

引用: Liao, G., Qian, J., He, P. et al. Multiobjective spatial optimization of fertilizer rates enables sustainable crop production in southwest China. npj Sustain. Agric. 4, 22 (2026). https://doi.org/10.1038/s44264-026-00127-y

キーワード: 肥料最適化, 持続可能な農業, 栄養素バランス, 農業における機械学習, 四川盆地作物