Changing soil physicochemical properties, reducing net global warming potential and increasing maize silage yields by one-time high-dose incorporation of vegetable residue in drylands

技術要約：乾燥地における野菜残渣の一回大量投入

問題提起
中国では、年間3億4,000万トンを超える野菜残渣が発生しており、これは主要穀物のストロー（茎葉）に次いで2番目に多い農業残渣の発生源となっている。これらの残渣には、かなりの栄養分（N、P、K）と有機物が含まれている一方で、高い含水率（>85%）と低い乾物含有量（<15%）が、従来の圃場への混入方法の効率を妨げている。取引市場や生産地域における不適切な処分は、深刻な環境汚染を引き起こしている。さらに、主要な野菜生産地域である黄土高原では、集約的な栽培と不十分な施肥による土壌劣化に直面しており、現在の収量は潜在能力の60%を下回ることが多い。半乾燥生態系において、環境負荷の軽減（温室効果ガス排出）と農業生産性のバランスをとるための、野菜残渣のリサイクルに関する最適な戦略を決定することが喫緊の課題となっている。

研究手法
2年間のフィールド実験（2020–2022年）が、中国・甘粛省の黄土高原半乾燥生態系実験ステーションにおいて実施された。本研究では、試験作物としてサイレージ用トウモロコシ（Zea mays L.）を用いたランダム化ブロックデザインを採用した。実験処理には、以下の要因を組み合わせた要因配置が行われた：

• 投入量 (W): 一回大量投入の3つのレベル：W1 (800 t·ha⁻¹)、W2 (1600 t·ha⁻¹)、および W3 (2400 t·ha⁻¹)。
• 投入深さ (D): 3つの深さ：D1 (10 cm)、D2 (20 cm)、および D3 (30 cm)。
• 対照区 (Control): 残渣の添加を行わずに表層土を耕起した無投入処理 (NW)。

野菜残渣は、地元の取引センターから回収されたベビーキャベツ、カリフラワー、セロリ、およびアスパラガス・レタスの混合物で構成された。2021年には不耕起条件下でトウモロコシを栽培し、2022年には畝（うね）・溝（みぞ）マルチ技術を導入した。

主な測定項目は以下の通りである：

• 土壌理化学特性: 温度、含水率、pH、酸化還元電位 (RP)、溶存有機炭素 (DOC)、および無機態窒素 (NH₄⁺-N, NO₃⁻-N)。
• 温室効果ガス (GHG) 排出量: 静的チャンバー法とガスクロマトグラフィーを用いて、CO₂、N₂O、および CH₄ のフラックスをモニタリングした。
• 気候影響指標: 直接的な土壌排出、農業作業による間接的な排出、および残渣投入による炭素固定能を統合した、純地球温暖化係数 (NGWP) および温室効果ガス強度 (GHGI) を算出した。
• 作物生産性: 生理的乳熟期におけるサイレージ用トウモロコシのバイオマス収量を測定した。
• 統計解析: データの分析には、ANOVA、構造方程式モデリング (SEM)、ピアソンの相関、およびランダムフォレスト分析を用い、因子の重要度を決定した。

主な結果

• 土壌理化学特性: 高用量の投入は、土壌条件を著しく変化させた。投入量と投入深さの両方が、土壌温度および含水率と正の相関を示した。残渣の投入は、土壌pHの二相的な応答（初期の上昇とその後の低下）と、持続的な酸化還元電位の低下を引き起こした。DOCおよびNH₄⁺-N濃度は投入後15〜30日でピークに達し、投入量に強く依存して、対照区に対して最大でDOCが4.8倍、NH₄⁺-Nが139.9倍まで増加した。逆に、NO₃⁻-Nの蓄積は、投入強度と逆の傾向を示した。
• 温室効果ガス (GHG) 排出量: 投入量の増加に伴い、CO₂、N₂O、および CH₄ の排出量が有意に上昇した（それぞれ対照区の5.15–12.77倍、25.54–70.67倍、0.92–2.24倍）。CO₂排出は三峰性の時間的パターンを示し、20日目にピークに達した。N₂O排出は主に投入深さの影響を受け、深い投入は低投入量（W1, W2）では排出を抑制したが、最高投入量（W3）では排出を増加させた。CH₄フラックスは150日後に正から負（吸収源）へと転じた。
• 純地球温暖化係数 (NGWP) および 温室効果ガス強度 (GHGI): GHG排出量の増加にもかかわらず、高用量処理は負のNGWP値を示し、これは純粋な炭素吸収効果を示唆している。投入量とNGWPの間には強い負の相関（r = -0.91, P < 0.01）が認められた。大量の有機炭素投入による炭素固定の便益が、それに伴う排出量を上回った。
• 作物収量: サイレージ用トウモロコシの収量は、投入量に対して放物線状の反応を示した。中程度の投入量（W1およびW2）は収量を大幅に増加させたが（対照区比で最大112.4%）、最高投入量（W3）では二次的な塩類集積と過剰な栄養蓄積により、収量の減少（対照区より17.7–41.1%低）を招いた。収量は投入深さと正の線形関係を示した。
• 最適戦略: 1600 t·ha⁻¹ の投入量 (W2) と 30 cm の投入深さ (D3) の組み合わせが最適であると特定された。この処理は、作物生産性の利益を最大化しつつ、環境への影響を最小限に抑え、炭素固定と収量のバランスを実現した。

意義および主張
本論文は、野菜残渣の一回大量投入が、廃棄物管理と土壌肥沃度の両方の問題に対処するための、半乾燥地黄土高原における実現可能な戦略であることを主張している。本研究は、このような投入が当初はGHG排出を促進するものの、大幅な炭素固定能力と、それに伴う作物生産性の向上（中程度の処理において）がこれらの排出を効果的に相殺し、結果として純な地球温暖化係数の減少をもたらすことを示している。

著者らは、この慣行が土壌肥沃度を高め、化学肥料を部分的に代替し、作物収量を向上させ、したがって持続可能な資源利用を促進できると断言している。しかし、過剰な投入量（例：2400 t·ha⁻¹）は土壌の塩類集積と収量減少を招く可能性があるため、最適量の特定が必要であると注意を促している。本研究は、炭素固定目標と農業生産性のバランスをとるための重要な知見を提供しており、制御された野菜残渣の投入（特に畝・溝マルチのような農学的介入と組み合わせた場合）が、乾燥地域における持続可能な管理戦略となることを示唆している。著者らは、土壌炭素の飽和および継続的なGHG排出に関するこれら戦略の持続可能性を完全に評価するためには、長期的なモニタリングが必要であると述べている。