[編集発行] (公財)つくば科学万博記念財団 [協力] 科学技術振興機構(JST)・文科省研究交流センター

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気候変動下でも持続可能な農業への道

(2019年9月01日)

図1 平均気温が3℃上昇した際の収量変化予測。2050年までに収量が減る地域が赤色で、増える地域が緑色で示されている。

増え続ける農産物需要、しかし農業に立ちはだかる二つの壁

 地球の人口は増加の一途をたどり、国連経済社会局の最新の予測(2019年)によれば、2050年には地球上の人口は約100億人に達するとされています。これだけの人口を養うにはさらなる食糧の増産が必須ですが、現在の米、小麦、トウモロコシ、大豆といった農作物の増産のスピードを見ると、2050年までには食糧不足になるという予測もあります。現在では、農産物はヒトの食糧だけでなく、家畜の飼料、バイオ燃料の原料としても使用されており、農産物の需要は多様化するとともに増加の一途をたどっています。一方で、気候変動によって農作物の収穫量は減少すると予測されています。さらに、水田からはメタンが、畑からは肥料残渣からの酸化窒素ガスといった強力な温室効果ガスが発生し、土中に残った肥料残渣の不溶リンが塩害を引き起こすなど、農業そのものが環境に対して多大な負荷をかけていることも知られるようになってきました。

 

気候変動下でも収量を確保するには

 二酸化炭素濃度が高くなると、作物がどのようなふるまいをするか調べるため、開放系大気二酸化炭素増加(FACE)実験が1990年ごろから世界各国で行われました。この実験では、実際の畑や水田で、人工的に二酸化炭素を放出するパイプを取り付けて、50年後の二酸化炭素濃度を模して、現在の二酸化炭素濃度より200ppm高い約600ppm(現在のままの二酸化炭素排出が続けは2050年には大気中二酸化炭素濃度は約600ppmに達します)の二酸化炭素濃度での作物の挙動が調べられました。日本では、1998年から岩手県で、続いて2009年からは茨城県でFACE実験が行われました。二酸化炭素は植物の光合成の材料となることもあり、二酸化炭素濃度が200ppm程度上昇すると、植物の成長は促進され、収量も増えましたが、二酸化炭素濃度と気温の両方が高くなると、作物の品種によっては収量が減少することが分かりました。考えられる原因としては、二酸化炭素濃度が高くなると、葉の表面にあって外気を取り込む役割をしている、気孔という穴が閉じがちになり、ガス交換の効率が低下することが挙げられています。こうなると、二酸化炭素の流入が抑えられて光合成活性が低下し、気孔から出ていく水蒸気の量も減るので、気化熱が減って植物体の温度が上昇して高温障害が起きやすくなると考えられています。気候変動では、二酸化炭素濃度だけが上昇することはなく、二酸化炭素濃度の上昇は、必ず気温の上昇をも伴います。従って、高二酸化炭素濃度、高温、の両方に適した農作物の品種を作る必要があると考えられます。しかし、植物が高二酸化炭素・高温のダブルストレスに対してどのような応答をするのか、そのメカニズムの解明はまだ始まったばかりで、今後の研究が重要です。また、実際の農業の現場で使えるような、高二酸化炭素濃度・高温に耐える品種を作るためには、実際の田畑で、高二酸化炭素濃度、高温を再現し、そういった環境でも高収量が得られるような、より良い品種を選抜する必要があります。実際の作物のパフォーマンスを野外の圃場で調べるためには、年に1度しかデータが取れませんので、長い時間がかかるため、早いうちから準備しておくことが重要だと考えられます。

 

農業による環境負荷

 植物は光合成に必要なタンパク質を生合成するために、大量の窒素分を必要とします。光合成を行うタンパク質はあまり性能が良くないので、大量の光合成産物を得るには、大量のタンパク質と、その原料となる窒素肥料が必要なのです。実際、地球上に最も多く存在するタンパク質は光合成で使われる、二酸化炭素固定酵素(RubisCO)だと言われています。農業とは、植物の光合成の結果としてできる、デンプンなどの炭素化合物を収穫するものだと言えますが、現代の農業では、作物から最大限の炭素化合物を収穫するために大量の施肥を行います。実際、第二次世界大戦後、化学肥料の製造方法が発明され、また化学肥料でよく育つ品種が次々と開発されて、単位面積当たりの農産物の収量は劇的に増加しました。これが、「緑の革命」です。緑の革命以降の品種は、過剰な施肥によく耐え、大量の化学肥料で良く育つようにデザインされているのです。

 農業による環境負荷の大部分は、肥料残渣によって引き起こされます。植物が一度には吸収できない量の化学肥料を与えるため、残った肥料分が温室効果ガスの原因となったり、土壌中の成分と化学反応を起こして不溶化し、塩害を引き起こしたりするのです。この土壌中の過剰な窒素分やリンによる環境負荷は、地球の限界を超えて危険な状態であると考えられています。センサー等を駆使して必要な個所に必要なだけの施肥を実現するスマート農業は、余剰肥料を減らすための画期的な技術だと言えますが、基本的に、化学肥料を大量投入しなければ高い収量は得られません。高二酸化炭素濃度・高温でも、環境負荷を低減する農業を実現するためには、根本的に作物デザインを考え直す必要があるのです。

 

土壌、土壌微生物、作物、圃場の微気象の調和を考える

 作物を育てる圃場には、土壌があり、土壌中には多種多様な大量の微生物が住んでいます。土壌微生物と作物、環境負荷には密接な関係があります。具体的には、植物が肥料分を吸収するのを助けたり、空気中の窒素を吸収して窒素化合物を作り出すものもいます。一方で、肥料分の窒素を変換して酸化窒素ガスを発生させたり、枯死した葉を分解してメタンを発生させるものもいます。酸化窒素ガスもメタンも、二酸化炭素の数十倍の効果を持つ温室効果ガスです。こうした微生物の挙動は、ある程度モデル化されてシミュレーションによって温室効果ガスの発生量を予測することもできるようになってきました。しかし、土壌、土壌微生物、作物のベストな組み合わせについてはまだまだ研究途上です。最近の例では、作物の品種によっては、根から独特な成分を分泌して、肥料分の吸収を助ける細菌を自分の周りに集めやすい品種とそうでない品種が存在することが分かってきています。また、分子生物学的な研究からは、肥料分の吸収を制御する遺伝子の相互作用や、その分子メカニズムも続々と明らかにされています。こうした遺伝子が実際の圃場でどのように働いているかを調べることで、より肥料利用効率の高い作物の作出につなげることができるでしょう。一方、先にも述べたように、蒸散量が多い作物は、高温でも気化熱で植物体の熱を下げることができます。作物が密植される圃場では、この効果は抜群で、圃場外の気温より最大4~5℃ほど圃場の作物付近の気温(これを圃場の微気象と言います)を下げることができると言われています。このような最新の知見を踏まえると、低施肥でも土壌微生物の助けを借りながら肥料を効率よく吸収して良く育ち、高二酸化炭素濃度・高温でも蒸散量が多くて高温障害を避けることができ、高い収量を得られる作物、が未来の作物像と言えるでしょう。換言すれば、未来の農業は、窒素肥料の大量投入で光合成産物の収穫量最大化を目指すのではなく、土壌、土壌微生物、作物、圃場の微気象の調和がとれた状態を目指すことで、気候変動下でも環境負荷を低減する農業を目指すことになると言えるでしょう。

図2 持続可能な農業のために考慮すべき「調和」の概念

 

 

【参考文献】

    1. Will Steffen et al., (2015) Planetary boundaries: Guiding human development on a changing planet. Science 347: 1259855.
    2. Jingting Zhang et al., (2019) NRT1.1B is associated with root microbiota composition and nitrogen use in field grown rice. Nature Biotec 37: 676.
    3. つくばみらいFACE (Free Air CO2 Enrichment) 実験施設 ウェブサイト
      http://www.naro.affrc.go.jp/archive/niaes/outline/face/index.html
      (2019年8月アクセス)
    4. JST-CRDS 研究開発の俯瞰報告書「ライフサイエンス・臨床医学分野(2019年)」(2.4.2 植物・農業)
      https://www.jst.go.jp/crds/report/report02/CRDS-FY2018-FR-04.html
      (2019年8月アクセス)

 

 

 

科学技術振興機構(JST)研究開発戦略センター(CRDS)
ライフサイエンス・臨床医学ユニット フェロー
桑原 明日香

 

 

桑原 明日香(くわばら あすか)
 2003年、東京大学大学院理学系研究科博士後期課程修了。英国、スイスでの8年間の基礎植物学研究を経験後、2018年から現職。グリーン・テクノロジー分野の研究開発立案を担当。理学博士。