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大学・研究所にある論文を検索できる 「有機物施用を主体とした栽培様式における土壌微生物群集構造と施肥対応の総合化に関する研究」の論文概要。リケラボ論文検索は、全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索できる論文検索サービスです。

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有機物施用を主体とした栽培様式における土壌微生物群集構造と施肥対応の総合化に関する研究

櫻井, 道彦 北海道大学

2021.12.24

概要

第1節 研究の背景
化学肥料を活用した農業生産はその生産性向上に大きく寄与している.作物や土壌条件に合わせた施肥設計によって効率的に化学肥料を使用することは作物生産と環境負荷低減との両立にとって重要となるが,生産現場では収量性の確保を重視するあまり,作物による養分吸収量を大きく上回る化学肥料が施用されている場合が多々ある.近年,世界的な食料増産に伴って化学肥料消費量も増加しているため,農業生産を継続的・安定的に行っていく上で化学肥料資源の維持・管理が大きな課題となっている.
一方で,地域内での有機物を活用した循環型農業が広がりを見せており,特に養分供給源を有機物のみに限定した有機農業は,全世界での取組面積が 1995 年からの 20 年間で約 5 倍に拡大し,特に欧州諸国でその傾向が顕著である.我が国でも有機農業の取組面積は徐々に増加しているものの,国内の全耕地面積の約 0.5 %に過ぎない(農林水産省,2020).この状況は,有機農業の拡大には克服すべき多くの課題があることを示しており,有機農産物の生産(以下,有機栽培)を推し進めるためには,有機栽培に対応した病害虫や雑草の抑制技術だけでなく,生産者からの要望の多い土づくり技術(北海道農政部,2010)への対応が重要である.
有機物の施用は土壌の緩衝作用の増加や理化学性の改善,生物性の多様化などの効果をもたらす(橋本,1981)が,その分解は概して緩慢であるため,確実な肥効を求めて資材の多投入や過度の連用などに陥りやすい.実際,北海道内の有機栽培露地野菜畑を対象とした実態調査によれば,熱水抽出性窒素,有効態リン酸,交換性カリ・苦土含有量は土壌診断基準値を上回り,交換性塩基のアンバランスも認められている(北海道立中央農業試験場,2007).また,愛知県(瀧・加藤,1998)や京都府(堀ら,2002)でも同様の事例が確認されていることを鑑みれば,この状況は我が国全体の課題と考えることができよう.さらに,過剰な有機物施用は有機態窒素の継続的な無機化に伴って硝酸性窒素の溶脱(前田,2007)などの環境負荷を招くだけでなく,葉菜類の硝酸濃度の上昇や還元糖含量の低下(山﨑・六本木,1998)などの品質低下も危惧される.このような背景から,有機物施用を主体とした栽培様式に適合した施肥対応技 術の確立が求められている.
有機質資源の施用により作物生育の確保と環境負荷の低減を両立させるためには,多量要素である窒素,リンが土壌中で適度に放出(無機化)される必要があるが,この作用は主に土壌微生物が担っている(堀,1994).近年,土壌微生物の解析にあたって培養過程を経ずに DNA を抽出する手法が開発され,土壌微生物群集の DNA を直接解析できるようになった(Ogram et al., 1987;Trsvik, 1980).DNA を用いた微生物の群集構造解析法として,クローンライブラリー法(Pace et al., 1986),DGGE 法(Denaturing Gradient Gel Electrophoresis:変性剤濃度勾配ゲル電気泳動法,Torsvik et al., 1998;Muyzer, 1999),T-RFLP(Liu et al., 1997),マイクロアレイ(Guschin et al., 1997),次世代シークエンス(Shokralla et al., 2012)などがある.その中で,DGGE 法は PCR(polymerase chain reaction:ポリメラーゼ連鎖反応)によって増幅された DNA を電気泳動することで微生物群集をバンドパターンとして視覚化する解析手法である.DGGE 法におけるバンドの数,位置,相対強度は,それぞれの微生物の数,種類,存在比率を表し,多数のサンプルを低コストで迅速かつ容易に解析できるため群集間の比較検討に有効である(Nakatsu et al., 2000;Tourlomousis et al., 2010).また,次世代シークエンスも群集構造解析において主要な手法となっており,環境サンプル中の多数の分類群や存在比率の詳細情報を一度に得られる強力な技術であるが,コストが高くデータ解析が難しいなどハードルが高い側面もある(大森, 2017).その点,DGGE 法はそのハードルが比較的低いことから,都道府県の試験研究機関が土壌微生物の群集構造を調査するために導入する例もあり(吉田, 2014;對馬,2015),生産現場に近い試験研究への適用に向いている.

第2節 既往の研究成果
1.有機物施用による土壌微生物活性とその生成細菌群集構造との関係 圃場の施用された有機態窒素は,主に代謝回転が速いバイオマス窒素を経由してタンパク分解,アンモニア化成などを経て最終的に無機態窒素として作物に吸収される(渡辺・早野,1996).プロテアーゼはこの窒素代謝の第一段階であるタンパク分解に作用し,窒素循環を制御する律速酵素で(Ladd and Butler, 1972),その供給源は従属栄養性の土壌細菌である(Asmar et al., 1992; Nannipieri et al., 1983).Bach and Munch(2000)は,広範な土壌に存在するタンパク分解細菌は Pseudomonas fluorescens biotypes, Bacillus cereus, B. mycoides, Flavobacterium-Cytophaga species で,これらは金属が触媒作用に関係している金属プロテアーゼを放出することを培養法によって示した.ただ,培養可能な微生物は 0.3 から 20 %程度(Torsvik et al., 1990)であるため,培養法では土壌環境中の一部しか評価できない.
近年,分子生物学の発展により培養を経ることなく土壌微生物の解析が可能となり,その一つに先述した DGGE 法がある.DGGE 法では 16S rRNA 遺伝子を対象とした解析が数多くなされ,農耕地の細菌群集構造解析に用いられている(Girvan et al., 2004;Sun et al., 2004).これは 16S rRNA 遺伝子がすべての原核生物に存在し,遺伝的な系統関係を解析する上で有用であるためで,細菌全般を対象とした解析には好都合である.一方,特異的な微生物の解析に関しては,特定の機能を有する微生物群に特徴的な遺伝子を用いることで対応可能であり,アンモニア酸化酵素遺伝子( Oved et al., 2001 ),キチナーゼ遺伝子 (Williamson et al., 2000),安息香酸分解酵素遺伝子(Morimoto et al., 2005),β -グルコシダーゼ遺伝子(Li et al., 2013)を対象とした解析がなされている.土壌中の主要な金属プロテアーゼであるアルカリ金属プロテアーゼ遺伝子(apr)や中性金属プロテアーゼ遺伝子(npr)を対象とした DGGE 解析が可能となれば,土壌中のプロテアーゼ遺伝子資源や窒素循環について重要な情報が得られる可能性がある.
また,リンは窒素と並んで作物生育に重要な元素の一つで,土壌中での存在形態や挙動は農業生産性と密接に関わっている.土壌中に存在するリンの約半分は有機態であるが,微生物は有機態リンを直接細胞内に取り込むことができ ないため,細胞外に多様なホスファターゼを分泌し,生成した無機態リンを取り込んでいる(早野,1997).核酸やリン脂質などのリン酸ジエステルはホスホジエステラーゼによってリン酸モノエステルに変換され,これがさらにホスホモノエステラーゼにより加水分解され,無機態リンが生成することで作物に取り込まれる(Nannipieri et al., 2011).リン酸ジエステルは土壌中で分解され易い (Stewart and Tiessen, 1987;Tate, 1984)ため,ホスホモノエステラーゼによるリン酸モノエステルの分解が律速段階となり,有機態リンの無機化速度はホスホモノエステラーゼ活性と正の相関を示す場合がある(Bünemann, 2015).このホスホモノエステラーゼの代表格が酸性ホスファターゼとアルカリホスファターゼ(ALP)である(Nannipieri et al., 2011).酸性ホスファターゼの主要供給源は植物根である(Speir and Cowling, 1991;Dinkelaker and Marschner, 1992)一方, ALP の主要供給源は主に細菌である(Nakas et al., 1987;Tarafdar and Claassen, 1988).有機物の施用により ALP 活性が上昇した事例は数多く確認され(Mandal et al., 2006;Yang et al., 2006;Lee et al., 2004),有機物の施用は ALP 生成細菌に大きな影響を与えている可能性がある.

2.有機栽培畑の土壌診断に基づく窒素施肥対応
作物を栽培する上で,養分供給や収量性はもちろんのこと環境負荷,品質と良好なバランス関係を維持することは,生産性の安定的かつ継続的な営農管理をする上で重要である.収量だけを目標とすれば養分供給量をやや過剰域で管理すれば良いが,養分の過剰供給は農作物の品質を低下させる.また,作物により吸収しきれない余剰養分は資源の無駄となることに加え,地下水の硝酸汚染などの環境負荷を招く恐れがある(図 1-2-1;北海道農政部,2020).

図 1-2-1 作物への養分供給と収量,環境負荷の関係
(北海道農政部,2020)

作物の養分吸収が良好に進行するためには,肥料成分が作物の養分要求時期に,過不足なく根群域に存在する必要がある.このため,化学肥料あるいは有機物による施肥だけでなく土壌そのものから供給される養分の把握が必要で,その適正管理には土壌診断に基づく施肥対応が有効である.すなわち,土壌分析によって土壌由来の養分供給量を推定し,不足する量を肥料などで補うことで,合理的で無駄のない施肥が可能となる.この考え方を窒素施肥に適用すると目標収量を得るための作物の窒素吸収量,窒素無施用条件での窒素吸収量,施肥窒素利用率の 3 項目を明らかにすれば窒素施肥量を設定できる(斉藤ら, 2007).慣行栽培では水稲をはじめ畑作物,園芸作物,牧草・飼料作物についての施肥対応が北海道施肥ガイドにまとめられている(北海道農政部,2020).一方,有機栽培では露地野菜畑向けの窒素肥沃度指標として熱水抽出性窒素が適し(中辻ら,2008),その簡易測定法が開発されている(坂口ら,2010)が,窒素肥沃度の目安(土壌窒素診断基準値)や土壌診断に基づく窒素施肥対応は未設定である.

3.有機栽培畑における地力の醸成と施肥対応の総合化
有機栽培に取り組んで間もない圃場では窒素肥沃度が十分醸成されていないために収量性が不安定となることが多い.窒素肥沃度を高める手段としては堆肥の施用があるが,近隣に畜産施設がないため堆肥の入手が困難な事例だけで なく,堆肥を散布する労力が確保出来ない場合も見受けられる.緑肥は地力の向上はもちろん,病害虫や雑草の抑制,有用微生物の増加などの効果を有する (北海道農政部,2004).よって,化学肥料や化学合成農薬に依存しない有機栽培にとって緑肥を導入する意義は大きいと考えられる.有機 JAS では有機栽培に取り組むにあたって播種または植付けの時点から遡り 2 年以上,化学肥料や化学合成農薬を使用しない転換期間を設ける必要があるが,この転換期間に緑肥を活用して窒素肥沃度を高める方策は土壌生物性を維持,向上させる観点からも有益である(唐澤,2020).
また,本道の有機栽培畑ではリン酸を含めた各種養分が蓄積している(桑原, 2012;三木ら,2017).リン酸の蓄積は,微量要素欠乏による生理障害(渡辺, 2002)のみならずアブラナ科根こぶ病などの土壌病害を助長する(村上ら,2004)ため,化学合成農薬での対応ができない有機栽培では大きな問題となる.また,有機質資材の価格は上昇傾向にあるため,経営面からもリン酸施肥の適正化が求められている. 加えて,生産場面では主に窒素,リン酸,カリの 3 要素を対象とした施肥設計をするが,有機質資材は 1 成分のみを含む単肥ではなく,2 成分以上含む複合肥料に相当するため,窒素,リン酸,カリの施肥量を目標とする量にそれぞれ揃えるのは困難である.その対応として,表計算ソフトを活用するなどして 3 要素の施肥量計算とそれに基づく有機質肥料の施用量設定ができるツールの開発も望まれている.

第3節 研究の目的
本研究は,有機栽培をはじめとする有機物施用を主体とした栽培様式において,窒素とリン酸代謝に関わる土壌微生物群集を解析するとともに作物生産と環境保全を両立する総合的な施肥対応技術を確立することを目的とした.
第 2 章では窒素に関してプロテアーゼ,リンに関してアルカリホスファターゼを対象酵素として,有機物施用による酵素活性の変動とその生成細菌群集との関係を解析する(Sakurai et al., 2007;Sakurai et al., 2008).
第 3 章では有機栽培畑の土壌診断に基づく窒素施肥対応を確立するために,生産現場での活用が期待される鶏ふん堆肥の窒素肥効を評価し,有機物施用を主体とした栽培様式に適した資材を選定する(櫻井ら,2013a).また,有機栽培畑に適した土壌窒素診断基準値を設定するとともに,本道の主要な作物であるカボチャ,スイートコーン,レタス,タマネギ,バレイショについて,窒素施肥対応を検討する(櫻井ら,2013b;櫻井ら,2016;櫻井ら,2018b).
第 4 章では有機栽培で施用されることの多い堆肥について,窒素収支の観点からその施用上限量について検討する.また,有機栽培畑へ転換する際の生産安定化に資する緑肥導入モデルについて提案する(櫻井ら,2021).さらに,有機栽培畑における適正なリン酸施肥量をリン酸肥沃度別に設定するととも に,これまでの検討結果を活用しながら,有機栽培畑に適した窒素,リン酸,カリの施肥量目標値を算出し,有機質肥料の施用量を簡易に設定できる総合施肥設計ツールを開発する(櫻井・谷藤,2020).

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参考文献

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