Split injection with BNI breaks the trade-off between NH3 and greenhouse gas emissions in rice-wheat rotations

技術要約：分割注入とBNIの組み合わせによる、稲麦二期作におけるアンモニア（NH3）と温室効果ガスのトレードオフの解消

問題提起
従来の窒素（N）肥料管理は、稲麦二期作において深刻な環境上のトレードオフに直面している。尿素の表面散布は、PM2.5形成や大気汚染の原因となる大幅なアンモニア（NH3）揮発を招く。一方で、深層施肥（一回限りの尿素深層施入など）は、NH3を抑制するものの、一過性の窒素供給過多による一酸化二窒素（N2O）排出の増大や倒伏リスクの増加を招くことが多い。さらに、生物学的硝化抑制剤（BNI）であるメチル 3-(4-ヒドロキシフェニル) プロピオネート（MHPP）は、硝化を抑制してN2Oを減少させる効果があるが、表面散布によって適用すると、表層土壌におけるアンモニウム（NH4+）の滞留時間を長期化させ、NH3揮発を増加させることが示されている。本研究は、水溶性肥料の分割注入とBNIの適用を組み合わせることで、これらの相反する排出経路を同時に解決しつつ、作物生産性を維持または向上させることができるかという、知見の欠如した課題に取り組んでいる。

研究手法
中国の主要な稲麦生産地域である太湖地域において、2年間のフィールド実験（2022–2024年）を実施した。研究では、以下の6つの処理を含むランダム化完全ブロック設計を用いた：

1. BU（従来型尿素散布）: 尿素の3回分割散布（稲で300 kg N ha⁻¹、麦で250 kg N N ha⁻¹）。
2. RU（減施散布）: 窒素量を削減した散布（稲で30%削減、麦で20%削減）。
3. RU+MHPP: 減施散布とMHPPの組み合わせ（N施用量の2%）。
4. SI（水溶性肥料の分割注入）: 水溶性肥料の分割注入（減施N：稲で40%、麦で20%；基部施肥と茎挽き期の比率は6:4）。
5. SI+MHPP: 分割注入とMHPPの組み合わせ。
6. CK（コントロール）: 窒素施用なし。

主な測定項目は以下の通りである：

• ガス排出量: 静的チャンバー法および連続空気流法を用い、N2O、CH4、NH3の季節的なフラックスをモニタリングした。
• 土壌動態: 重要な生育段階（例：稲の中期通気期）における、様々な深さ（0–20 cm）および注入地点からの水平距離における土壌NH4+-NおよびNO3−-Nの空間拡散をマッピングした。
• 農学的および経済的指標: 穀物収量、収穫指数（HI）、窒素利用効率（NUE）、および純エコ経済的利益（NEEB）を算出した。NEEBは、経済的利益に、ガス排出に伴う環境被害コスト（EDC）および健康被害コスト（HDC）を統合したものである。

主な貢献と結果

• NH3と温室効果ガスのトレードオフの解消: SI+MHPP処理は、伝統的なトレードオフの解消に成功した。BUと比較して、SI+MHPPはN2O排出量を稲で71%、麦で54%削減し、CH4排出量を稲で34%、麦で47%削減した。極めて重要なことに、NH3揮発をほぼ完全に排除し、損失はコントロール（CK）と統計的に区別がつかないレベル（稲で<3.6 kg N ha⁻¹、麦で<1.6 kg N ha⁻¹）となった。
• 散布におけるBNIの「ペナルティ」: 注入の結果とは対照的に、RU+MHPP処理（BNIを用いた散布）は、RU単独と比較して、NH3揮発を稲で52%、麦で67%有意に増加させた。これは、表面へのBNI適用が表層土壌におけるNH4+の保持を長期化させ、揮発リスクを高めることを裏付けた。
• メカニズムの洞察:
  • 空間的閉じ込め: 分割注入によりNH4+-Nが深さ10 cm以内に閉じ込められ、大気への逃避を防ぎ、揮発に対する物理的な障壁を形成した。
  • 硝化抑制: MHPPがNH4+からNO3−への変換をさらに抑制した。SI+MHPP処理において、これにより、中期通気期（稲）および陸域期間（麦）におけるN2O生成のための基質可用性が減少した。
  • CH4の緩和: CH4の減少は、深層施肥による表面メタン酸化菌へのNH4+阻害の緩和、および根の成長改善による根圏酸素化の促進に起因する。
• 農学的および経済的パフォーマンス:
  • 収量と効率: SI+MHPPは最高の穀物収量（稲 7.69 t ha⁻¹、麦 4.51 t ha⁻¹）を達成し、これはBUに対してそれぞれ6%および20%の増加であった。また、収穫指数（HI）と窒素利用効率（NUE）も有意に向上した。
  • エコ経済的利益: 液状注入による施用コストは高いものの、SI+MHPP処理は最も高い純エコ経済的利益（NEEB）をもたらした。これは、ガス排出に関連する環境および健康被害コストの低減を収益化したことにより、BUと比較して稲で30%、麦で27%増加した。

意義と主張
本論文は、水溶性肥料の分割注入とMHPPの組み合わせが、NH3削減と温室効果ガス削減の間の固有の対立を解決する包括的な戦略であることを主張している。研究は、BNIの有効性が肥料の配置方法に強く依存することを実証しており、深層注入は、表面適用で見られるNH3ペナルティを引き起こすことなく、硝化を抑制してN2Oを減少させるための「安全な空間」を作り出す。

著者らは、このアプローチが「トリプルウィン」の結果をもたらすと結論付けている。すなわち、ガス状N損失（NH3、N2O、CH4）を大幅に削減し、作物生産性と窒素利用効率を高め、環境外部性を考慮した場合の純経済的リターンを向上させる。論文は、この技術は効果的であるものの、その大規模な普及は現在、水溶性肥料の分割注入のための専用機械の必要性によって制限されており、集約的な栽培システムにおける持続可能な強化を支援するためのさらなる開発を求めている。