1244. 土壌の健全性が作物収量と窒素利用効率に与える影響

世界人口80億人の食料生産を支えるため、年間1億2000万トン以上の窒素肥料が投入されています。しかし、この投入量の大部分は作物に吸収されずに環境に放出され、大気や水質の悪化、生態系の健全性、気候の安定性など、深刻な環境問題を引き起こしています。窒素利用効率（NUE）を高めて作物の収量を向上させ、同時に環境中の窒素過剰を抑制することは、地球の持続可能性にとって不可欠です。

土壌の健全性は、食料生産と環境の質の両方に影響を及ぼします。しかし、包括的な土壌の健全性データの不足と、その影響を他の変数から切り離すことの複雑さのため、その影響を定量化することは、大きな世界的課題となっています。Nature Food誌で発表された研究は、土壌、気候、圃場管理慣行に関する高解像度の世界的データを統合し、土壌の健全性が農業生産性に及ぼす影響を体系的に評価し、食料安全保障と環境の持続可能性の両方を達成するために、土壌の健全性管理が重要であることを示しました。

研究は、世界の農耕地を対象に、0.5°×0.5°の解像度で包括的な地球規模の土壌健全性データセットを構築しました。このデータセットは、土壌pH、栄養含有量、嵩密度といった従来の要因だけでなく、土壌細菌、ウイルス、動物相も考慮に入れているそうです。土壌健全性が農業生産性にどの程度寄与するかを定量化するため、本データセットは農業管理と気候条件といった側面も組み込んでいます。

世界的に、土壌は作物収量とNUEの両方において一貫したパターンを示し、北ヨーロッパ、ロシア、ニュージーランド、ラテンアメリカ南部などの高緯度地域では高いスコアが見られます。逆に、米国南部、北アフリカ、インドなどの低緯度の乾燥地帯では、土壌の健全性スコアが低い傾向にあります。このパターンは、土壌の健康状態の向上により、作物の収穫量と NUE が同時に改善される可能性があることを示しています。

研究はまた、土壌・気候・管理要因が、作物収量およびNUEに及ぼす寄与とその機能的経路の解明を試みました。評価したすべての直接および間接的な影響要因の中で、窒素投入量が主要な要因として浮かび上がり、窒素投入量の標準偏差変化1あたり、収量の標準偏差変化は0.56でした。この知見は、窒素固定のためのハーバー・ボッシュ過程が、世界の作物生産量のほぼ半分に貢献しているという考え方と整合的です。土壌化学物質の含有量と農薬の使用は、作物収量と正の相関関係にありました。対照的に、窒素投入量、農薬の使用、気温、土壌化学成分など、いくつかの要素はNUEと負の相関関係がありました。逆に、圃場規模の拡大と土壌の物理的・生物学的条件の健全性は、作物による養分利用を向上させるため、NUEと正の相関関係にあります。気候要因は、作物収量とNUEにそれぞれ標準係数0.07と-0.2と、直接的には控えめに寄与するものの、土壌の健全性を通じて間接的に大きな影響を及ぼします。気温は、生物的特性を除き、土壌の健全性に悪影響を及ぼします。一方、降水量は土壌の物理的特性にプラスの影響を与える一方で、土壌の化学的特性と生物的特性にはマイナスの影響を与えます。気候条件は、土壌ウイルスの多様性に影響を与える重要な要因である水分レベルと土壌組織を変化させることで土壌の健全性を形成し、ひいては農地の生産量とNUEに影響を与えます。

作物収量と NUE は世界各地でばらつきが見られます。南米、米国、西ヨーロッパ、中国では、1,000 kg N ha-1 yr-1 を超える高い作物収量を示します。一方、アフリカ、中央ヨーロッパ、オーストラリアでは、200 kg N ha-1 yr-1 を下回っています。NUE は異なるパターンを示し、南米、中央米国、ヨーロッパ、アフリカでは高い効率 (60% 以上) を示していますが、アジアとオーストラリアでは一般に 50% を下回っています。これらの差異は、土壌の健全性、気候、農業管理が空間スケール全体で相互作用していることに起因しています。アジア、西ヨーロッパ、南米の一部など、集約的な農業管理が行われている地域では、多くのホットスポットで土壌の健全性が作物収量の変動に及ぼす寄与が 10% 未満、平均 6% となっています。しかし、過剰施肥が一般的ではない北米、アフリカ、中央ヨーロッパから北ヨーロッパでは、土壌の健全性が重要視され、寄与の30%以上を占めています。注目すべきは、NUE変動に対する土壌の健全性の寄与は作物収量よりも大きく、北ヨーロッパ、米国南部、中東、ラテンアメリカの一部、南アフリカ、オーストラリア南東部などの地域では50%を超えていることです。しかし、中国やインドなど過剰な施肥が見られる地域では、土壌の健全性はNUEにわずか7%しか寄与していません。

農業管理は世界の作物収量に常に大きな影響を与えており、その代表例が中国で、79%を占めています。また、中国、インド北部、西ヨーロッパ、南米の一部では、平均60%のNUE変動が農業管理によって左右されています。一方、その他の地域では、管理慣行による寄与は概ね10%から40%の範囲で、平均25%となっています。これは、土壌の健全性、気候、および管理が様々な空間スケールで相互作用していることを示しており、地域的な土壌健全性管理が食料生産と環境の持続可能性の両方にとって不可欠であることを強調しています。

研究はまた、被覆作物、保全耕起、土壌改良、生物学的病害防除などの統合的な土壌健全性管理を通じ、世界的に作物収量の増加と窒素肥料利用効率の向上が期待できるとします。土壌健全性管理手法の実現可能性の費用便益シナリオ分析によると、被覆作物、不耕起農法、輪作、有機肥料の施用といった多様な技術の導入に必要な初期費用は、すべてのシナリオにおいて一律1,550億米ドルと高額で、必要な資本投入が相当に大きいことを象徴しています。こうしたコストにもかかわらず、これらの投資のメリットは、穀物生産量の増加、健全性の改善、生態系サービスの強化、そして炭素隔離による気候変動緩和への多大な貢献などが多面的です。とくに2050年に近づくにつれ、穀物生産量と気候変動関連の利益において、統合的な土壌健全性管理メリットが著しく増大することが注目され、累積利益は最大で8,940億米ドルに達すると推計され、長期にわたる持続可能な土壌管理への取り組みから得られる経済的および環境的利益の大きさを浮き彫りにしています。

このような慣行は、単に費用対効果が高いだけでなく、私たちの食料システムと地球の健全性の基盤そのものへの投資でもあります。人新世は、地球の地質と生態系に対する人間の影響を意味しており、土壌の健全性にも深刻な影響を与えています。世界の食料生産の基盤である土壌の健全性は、人類文明そのものの持続可能性のバロメーターです。土壌の健全性を守ることは有益であるだけでなく不可欠であることを示唆する証拠が積み重なり、包括的な土壌健全性対策を世界の農業政策に組み込むことが急務となっています。

論文は、本研究は貴重な知見を提供する一方で、研究結果の解釈には限界があることも認めています。本研究の分析は主に土壌の健全性と気候に焦点を当てていますが、作物の品種と農業慣行も農業生産性において極めて重要な役割を果たしていることを認識することが重要です。作物の品種によって土壌条件、養分供給量、気候に対する反応が異なり、それが収量とNUEに影響を与える可能性があります。今後の研究では、土壌健全性データセットを精緻化し、作物の品種と管理慣行に関するより詳細なデータを組み込むことで、世界的に作物収量とNUEを左右する要因をより包括的かつ正確に評価することが求められます。

(参考文献)
Xu, J., Ren, C., Zhang, X. et al. Soil health contributes to variations in crop production and nitrogen use efficiency. Nat Food (2025). https://doi.org/10.1038/s43016-025-01155-6

（文責：情報プログラム　飯山みゆき）