Silicate rock remineralizers sustain soil potassium availability and irrigated rice yield in subtropical agroecosystems

技術要約：亜熱帯灌漑水稲体系におけるケイ酸塩岩再ミネラル化剤

問題提起
国家の食料安全保障の重要な要素であるブラジルの灌漑水稲生産は、カリウム（K）管理に関する重大な課題に直面している。南ブラジル、主にアルバカルフ（Albaqualfs）に見られる水集成土壌は、陽イオン交換容量（CEC）が低く、高い収量（しばしば8 Mg ha⁻¹を超える）を維持するための天然のK蓄積量も不十分である。その結果、農業システムは鉱物肥料に大きく依存している。現在、ブラジルで使用される肥料の約80%が輸入されており、塩化カリウム（KCl）が主要なK供給源となっている。この依存は、国際的なコスト上昇や、高溶解性肥料（溶脱損失など）に関連する環境への懸意により、経済的な脆弱性を生み出している。ケイ酸塩岩粉末（再ミネラル化剤）は、Kとともに他の栄養素を提供し、土壌化学を改善する代替案となる可能性があるが、亜熱帯灌漑水稲体系においてKClの直接的な代替品としての有効性を検証したフィールドデータは依然として乏しい。

方法論
この知識の空白を埋めるため、2023/24栽培シーズン中に、南ブラジル（リオグランデ・ド・スル州のカパン・ド・レアン、リオグランデ、およびカマクアン）の4地点でフィールド実験を実施した。本研究では、以下の6つのカリウム施肥処理を評価するために、4反復の乱塊法を用いた：

1. T1: K施肥なし（対照区）。
2. T2: 塩化カリウム（KCl）（従来型管理）。
3. T3: フェノライト（響石）。
4. T4: シエナイト。
5. T5: ネフェリン・シエナイト。
6. T6: 雲母片岩。

ケイ酸塩岩処理（T3–T6）は、KClの100%の溶解度と比較して、その低い水溶性（<1%）を考慮し、全K含有量に基づいた推奨KCl施用量の3倍の割合で適用された。施用時期は異なり、KClはV4生育段階で施用されたが、ケイ酸塩再ミネラル化剤は、土壌との相互作用と風化時間を延ばすために、冬期被覆作物（ペルシャクローバー）の播種15日前に混入された。

主な評価項目は以下の通りである：

• 土壌分析: 0–0.20 m深さにおける交換態K（Mehlich-1およびアンモニウム酢酸塩経由）および全K（X線蛍光分析経由）の定量。岩石の鉱物組成はX線回折（XRD）により決定した。
• 植物分析: 地上部バイオマス（AGB）における窒素（N）およびK濃度、草丈、およびクロロフィル指数（SPAD）を特定の生育段階で測定。
• 収量とバランス: 生理的成熟期に水稲の籾実収量を測定。Kの投入量（肥料）とKの輸出量（穀物輸出）および土壌交換態Kストックの変化を比較することにより、土壌Kバランスを算出した。

主な結果

• 土壌カリウムの有効性: ケイ酸塩再ミネラル化剤の適用により、全地点において土壌の交換態K（Mehlich-1）濃度がKClと比較して平均128%有意に増加した。全土壌Kは処理による影響を受けなかったが、代替供給源は可動態K分を維持または強化することに成功した。
• 植物の栄養と生理: バイオマス中の窒素濃度はK源による影響を受けなかった。しかし、AGB中のK濃度は、KCl（T2）および雲母片岩（T6）処理において有意に高く（約34 g kg⁻¹）、これは他の処理よりも約55%高い値であった。草丈およびクロロフィル指数は地点特異的な反応を示した。特に、T5およびT6はL1において草丈を増加させ、T6はL2およびL4において最も高いクロロフィル指数をもたらした。
• 穀物収量: ほとんどの地点において、水稲の籾実収量は従来のKCl施肥と同等のレベル（約8.5 Mg ha⁻¹）に維持された。性能は場所によって変動したが（例：L2およびL3ではT5が最高、L4ではT6が最高）、代替供給源は一般に、対照区やKClと比較して生産性を損なわなかった。
• カリウムバランス: システムはすべての地点で正のKバランス（19–40 kg ha⁻¹）を示した。再ミネラル化剤は、いくつかの指標においてKClよりも100%以上の改善を示し、より良好な土壌交換態Kバランスに寄与しており、土壌プロファイルにおける利用可能なKの蓄積が効果的であることを示唆している。

意義と主張
著者らは、ケイ酸塩岩粉末、特にフェノライト、ネフェリン・シエナイト、および雲母片岩は、亜熱帯灌漑水稲体系における従来のKCl施肥の実行可能な代替策であると結論付けている。本研究は、これらの材料が作物の生産性と栄養状態を維持できると同時に、以下のような明確な農学的利点を提供することを実証している：

1. 土壌Kバランスの向上: 高溶解性のKClは溶脱しやすいが、ケイ酸塩鉱物からのKの緩やかな放出は、栄養供給と作物の需要を同期させ、交換態Kの蓄積をより促進するように見える。
2. 持続可能性とレジリエンス: 地域で利用可能な岩石残渣を利用することで、輸入肥料への依存を減らし、生産コストを下げ、鉱物副産物の価値向上を促進する。
3. システムの安定性: 結果は、これらの再ミネラル化剤が、特に還元条件（湛水）が鉱物の風化を促進する可能性のあるシステムにおいて、構造的Kの貯蔵庫として機能し、長期的な土壌肥沃度を支えられることを示唆している。

論文は、単一シーズンの結果は有望ではあるものの、鉱物の風化と累積的な土壌肥沃度の改善による完全な恩恵を評価するには、連続した栽培サイクルでの評価が必要であるとし、長期的な影響については控えめなトーンを維持している。これらの知見は、栄養素の輸入に依存している地域において、これらの供給源がより強靭で持続可能なアグリフードシステムに貢献できる可能性を強調している。