有機農業と気候変動
米国農務省天然資源保全局（NRCS）は、米国の環境保護活動で重要な役割を果たしています。NRCSが最近発表したテクニカルノート 12は、有機農業での環境保護プログラムの運営に役立つ指針です。この文書は、有機農家が必要とする情報をわかりやすく提供しています。
テクニカルノート 12 は、有機農業生産に関連するすべての情報を提供することを目的としています。有機基準に適合する保全活動に関する詳細なガイダンスを提供し、保全活動がどのように実施されているかを示す実際の例を示します。
今回はテクニカルノート12の有機農業と気候変動について書かれた部分を紹介します。
有機農業と気候変動
気候変動が農業、脆弱なコミュニティ、インフラ、および国家経済に与える影響が強まるにつれ、社会は解決策の一部として農家、牧場主、および農業専門家に目を向けています。
農家は以下のような管理戦略を通じて貢献することができます。
• 土壌中の炭素隔離
• 温室効果ガス（GHG）排出量の削減
• 気候変動の影響に対する食料システムの回復力の向上
土壌有機物（SOM）を増加させる保全実践は、炭素（C）も隔離します。SOMは約50パーセントの土壌有機炭素（SOC）で構成され、すべてのSOCは最終的に植物の光合成に由来します。植物は光合成産物の10〜40パーセントを根の分泌物を通じて土壌に寄与し、葉を落とすか死ぬときに表面にさらに炭素を追加します。土壌微生物がこの植物由来の炭素を摂取して成長する際、その一部を安定したSOCに変換します。
微生物はまた、土壌窒素（N）循環と亜酸化窒素（N2O）の形成、反芻動物の腸内メタン（CH4）生成、および堆肥分解を調節することで、農業活動からのGHG排出を制御します。大気中に放出されてから100年間の地球温暖化ポテンシャルでは、N2OはCO2の約300倍、CH4は約25倍の効力があります。
進行中の研究は、土壌の肥沃度と農業生産を維持しながら、これらの排出を最小限に抑えるための最適な管理方法を特定することを目指しています。
健康な土壌は、極端な気象条件、害虫、病気、およびその他のストレス要因に対する作物と家畜の回復力を高めます。
したがって、前のセクションで議論した土壌健康実践は、農場運営に対する気候変動の影響を緩和するのに役立ちます。
NOPの規制は気候変動の緩和と回復力に直接言及していませんが、いくつかの有機保全活動は重要な気候上の利点をもたらす可能性があります。表3は、これらの活動とNRCS実践基準との関係を示しています。
農業は、アメリカ合衆国の温室効果ガス（GHG）総排出量に寄与する多くの部門の1つです。2019年、直接的な農業GHG排出量（耕地、放牧地、および堆肥貯蔵を含む畜産施設からのGHGと定義）は、総排出量の9.6パーセントを占めました（米国環境保護庁、2021年）。
これらの直接的な農業GHG排出量の内訳は以下の通りです。
• 54パーセントが肥料、堆肥、または緑肥を施した土壌からのN2O
• 28パーセントが反芻動物からの腸内CH4
• 14パーセントが貯水池やその他の堆肥貯蔵からのN2OとCH4
• 4パーセントが水田からのCH4と、野焼きおよび圃場に施用された石灰と尿素からのCO2排出
これらの数値は、農業機械用の化石燃料の使用や、肥料、農薬、その他の投入物に含まれる体化エネルギーを除外しています。これらの発生源からのCO2排出の地球温暖化ポテンシャルは、直接的なN2OとCH4排出の6分の1程度と推定され、これにより農業のGHGフットプリントは米国全体の約11パーセントに増加します。これらすべての発生源を考慮すると、地球温暖化ポテンシャルに最も寄与しているのは、それぞれN2O、CH4、CO2です（図3）。
農業および土地利用活動による土壌有機炭素（SOC）と植物バイオマス炭素の純損失を考慮すると、農業の世界的なGHGフットプリントは人為的GHG総排出量の約25パーセントにまで倍増します。この損失の約半分は風食と水食によるもので、これらは不均衡に土壌有機物（SOM）を除去し、侵食された堆積物が水域に沈むと酸化やCH4への変換にさらされます。
言い換えれば、GHG総排出量の約6パーセントが土壌侵食に起因すると言えます。残りの半分は、過剰な耕起、裸地休閑、過剰な栄養素と農薬の施用、森林やその他の植生の伐採による現地での土壌劣化によるものです。
ほとんどの有機農家は、自身の環境価値観と顧客の価値観に沿って、自らの事業の純GHGフットプリントを最小限に抑えるよう努めています。国家有機プログラム（NOP）の規制には特定の気候管理基準は含まれていませんが、いくつかの規制が農業GHG排出の主要な発生源の緩和に関連しています（図3）。
有機農業は気候変動の緩和に役立つか？
有機農業システムは以下のような方法でGHG緩和に貢献します
土壌有機物（SOM）の構築は炭素を隔離します。
合成農薬を避けることで、体化エネルギーのCO₂排出を減らし、土壌有機炭素（SOC）と窒素循環に関与する土壌微生物を保護します。
放牧ベースの畜産システム（NOPで要求される）は、堆肥の分布を改善し、貯蔵される堆肥量を減らすことで、堆肥のGHG排出を緩和します。
農場で生成された堆肥の農場内コンポスト化は、液体貯蔵（ラグーンや貯留池）や管理されていない乾燥堆積物よりもGHG排出が少なくなります。
輪作放牧は牧草地の土壌にSOCを隔離し、反芻動物の腸内CH₄を30パーセント削減できる高品質の飼料を提供します。
有機農家は、事業のネットGHGフットプリントを最小限に抑えるにあたり、いくつかの課題に直面しています。
耕起と耕作はSOCの酸化に寄与します。
堆肥とコンポストによる高い土壌リン濃度は、SOC隔離に重要な役割を果たす菌根菌を阻害する可能性があります。収量を維持するために鶏糞のような濃縮有機肥料に依存することは、SOCの蓄積と窒素循環の効率を損なう可能性があります。
有機栄養源は一般的に、可溶性肥料と比較してより多くのSOCを構築し、窒素の浸出を43パーセント減少させ、アンモニア（NH₃）排出を52パーセント削減しますが、N₂O排出は最大25パーセント増加する可能性があります。
有機農業システムにおける土壌炭素隔離と輸入炭素
有機管理された土壌は、従来の対照区と比較して、全国および世界の複数サイト比較でそれぞれ13パーセントおよび19パーセント多くのSOCを含んでいます。長期的な農業システム試験では、有機的な輪作が従来の輪作よりも年間約400ポンド/エーカーのSOCを蓄積することが示されています。15の異なるメタ分析のレビューでは、有機的に肥料を与えられた土壌の総SOC貯蔵量が、可溶性肥料のみを受ける土壌と比較して年間約1.1パーセント増加することがわかりました。
エーカーあたり25,000ポンドのSOC（約2.5パーセントのSOM）を含む土壌では、1.1パーセントの年間増加は年間275ポンド/エーカーのSOC増加を意味します。
多くの有機農場は、CPS 336土壌炭素改良で概説されているように、SOCと土壌の健康を構築するために農場外からのコンポストやその他の有機改良材を適用しています。有機システムにおけるSOC蓄積の割合のうち、現場で隔離されるのではなく輸入されるものは40パーセントと推定されています。
土壌炭素改良材を輸入することの純気候影響は、その供給源に依存します。
例えば、ラグーンや埋立地からの堆肥、木の葉、庭の刈り込み、または食品スクラップなどの残渣を輸入してコンポスト化したり、農地に直接適用したりすることは、大きな気候利益をもたらす可能性があります。しかし、農地や自然地域から有機残渣や植物バイオマスを除去して他の場所で使用する土壌改良材を作ることは、せいぜいゼロサムゲームであり、バイオマスが取られた場所の土壌有機炭素（SOC）を枯渇させる可能性があります。
ほとんどの有機農家とコンポスト企業は、気候に悪影響を与える廃棄物になる可能性のある原料を使用しています。
土壌炭素の安定性と耕起およびその他の管理実践の影響
植物の根の分泌物は、土壌有機炭素（SOC）の隔離において重要な役割を果たします。土壌微生物は根の分泌物や残渣中の糖分やその他の有機物を消費し、その大部分を鉱物関連有機物（MAOM）に変換します。このMAOMは植物の根の深さ全体に堆積し、1,000年以上存在し続ける可能性があります。
深根性作物を含む、生きた被覆と生きた根の期間を最大化する作付けシステムは、MAOM形成を促進します。Prescottら（2021）はMAOMを構築するための3つの戦略を特定しました：
過剰な窒素（N）とリン（P）を避ける。これらの栄養素を地上部成長の最適値よりもわずかに低い割合で提供することで、収量に影響を与えることなく、根の成長、根の分泌、微生物活性、およびMAOM形成を促進します。対照的に、豊富なNとPは根の成長と分泌を減少させ、SOC隔離を制限します。
輪作にマメ科植物を含める。可溶性肥料とは異なり、マメ科植物のN豊富な根の分泌物は微生物活性とMAOM形成を促進します。
牧草地では、葉が余剰炭素を生成する成長段階の間、草を維持する。余剰植物炭素を活用して土壌有機物（SOM）の再生を促進することは、永年牧草地における放牧時期の管理によって達成できます。肥料を与えていない牧草地では、葉のバイオマスが回復し、光合成速度が高くなる活発な成長段階の後半に、植物が余剰光合成産物を生成する可能性が高いです。
SOCは土壌団粒内で物理的に保護されることもあります。連続的な不耕起栽培では、年間約500ポンド/エーカーのSOCが土壌表面付近の団粒に蓄積されます。
しかし、この SOCの多くは1回の耕起で失われる可能性があります。ほとんどの不耕起農家は、匍匐性多年生雑草や除草剤耐性を進化させた他の雑草を管理するために、少なくとも数年に一度は耕起する必要があります。MAOMの炭素は、特に土壌プロファイルの大部分を乱さない浅い耕起では、1回の耕起操作による急速な酸化にはるかに影響を受けにくいです。
浅い非反転耕起の下での土壌微生物バイオマスが、プラウ耕や連続的な不耕起栽培よりも高いことは、浅い耕起が微生物駆動のMAOM形成と両立することを示唆しています。
土壌呼吸と土壌の健康：土壌CO₂排出のパラドックス
現在、一部の土壌研究所では土壌の生物学的活性を推定するための土壌呼吸テストを提供しており、これは一般的に全体的な土壌の健康の指標と考えられています。
しかし、農場の純気候影響を推定する際、土壌からのCO₂排出は農場の温室効果ガス（GHG）バランスシートの借方側に位置します。保全実践基準（CPS）329残渣・耕起管理 - 不耕起とCPS 345残渣・耕起管理 - 減耕起には、土壌からのCO₂排出を最小限に抑えるための戦略が含まれています。この明らかな矛盾は、気候に優しい戦略を開発しようとする農家や保全の専門家を混乱させる可能性があります。
土壌の生物学的活性が増加すると、呼吸と土壌CO₂排出も増加します。しかし、これは必ずしもSOCの純損失やGHG排出の増加を示すものではありません。
被覆作物、多様な輪作、有機物の施用などの土壌健康実践は、微生物の成長と有機残渣のSOCへの処理を促進すると同時に、微生物の呼吸も促進します。
したがって、土壌テストの生物学的活性（簡単な3日間の土壌呼吸テストで評価され、CO₂排出を測定します）は、より大きなSOC蓄積と他の土壌健康パラメータに直接関連しています。
土壌CO₂排出は、集中的な耕起、長期の休閑、または過剰な可溶性N施用によっても増加する可能性があります。これらのストレスは、微生物の成長とSOC蓄積を減少させながら、微生物の維持呼吸の急増を引き起こし、結果として土壌炭素の純損失をもたらします。
有機システムにおける土壌窒素循環と亜酸化窒素排出
強力な温室効果ガスである亜酸化窒素（N₂O）は、微生物駆動の脱窒プロセスを通じて農業土壌で形成されます。脱窒を促進する土壌条件には、高レベルの可溶性N、豊富な分解可能な有機炭素、高い微生物活性、そして高い土壌水分や土壌圧縮による酸素レベルの低下が含まれます。
土壌の孔隙空間が約80パーセント水で満たされている場合、酸素レベルはN₂O形成に理想的です。対照的に、完全に飽和した嫌気条件下（例：水田）での脱窒は主に元素状N₂ガスをもたらしますが、他の嫌気プロセスはCH₄排出につながります。圃場容水量以下（約50パーセントの水で満たされた孔隙空間）の十分に通気された土壌は脱窒を支持しません。
土壌N₂O排出は予測と制御が困難です。というのも、通常、激しい降雨や雪解けが湿った土壌条件を作り出した後の短く激しい突発的な排出として発生するからです。年間総N₂O排出量は、植物が利用可能なNの供給が作物の需要を超えて増加するにつれて指数関数的に増加することが示されており、これはNが可溶性肥料から来るか有機源から来るかに関係ありません。したがって、N管理はこの温室効果ガスの緩和に重要な役割を果たします。
有機農家にとっての課題は、健康な土壌を構築することがN₂O排出の2つの要素を提供することです：高い生物学的活性と豊富な分解可能な有機炭素（有機改良材、根の分泌物、被覆作物の残渣、活性SOMから）。
有機農家はしばしば、トウモロコシやブロッコリーのような多食性作物の生産をサポートするために、鶏糞、羽毛粉、または全てマメ科の緑肥作物のような高分析の有機N源を使用します。一部の農家は緑肥をすき込む直前に堆肥を施用します。マメ科作物と堆肥のすき込み後のタイミングの悪い豪雨イベントは、N₂O排出の完璧な条件を作り出し、季節的な総N₂O排出量は10〜27 lb N/acに達する可能性があります。これらの排出は1,300〜3,500 lb/acのSOC隔離を相殺します。
しかし、研究は有機システムのためのより気候に優しいN管理オプションを特定しています。完熟堆肥（C:N比約20:1）のような適度なC:N比を持つ有機改良材は、鶏糞やコウモリのグアノ（C:N比約7）のようなより濃縮された有機栄養源よりも多くのSOCを構築し、より効率的なN循環を促進します。カリフォルニアでは、堆肥を施用した有機トマト畑が最高の収量を維持しながら、土壌の可溶性NレベルがN₂O排出を最小限に抑えるのに十分低く保たれました。
ワシントン州海洋性気候地域の研究チームは、鶏糞（年間1.8〜2.7 t/ac、C:N比約7）と混合植物残渣と堆肥からのコンポスト（年間6〜8 t/ac、C:N比約20）を施用した有機野菜輪作を比較しました。これらは同等の総N量を提供しました。11年後、コンポストを施用した土壌は以下を示しました：
エーカーあたり43パーセント高い総SOC
SOMから植物が利用可能なNを無機化する能力が19パーセント大きい
過剰な可溶性Nを固定しN₂O排出を制限する能力が大きい。
2つのN源からの類似した作物収量。
バイオチャー（有機残渣の熱分解（制限された酸素下での加熱）によって作られる炭のような土壌改良材）は、SOC隔離と作物収量の両方を改善しながらN₂O排出を緩和する可能性を示しています。
メタアナリシスによると、バイオチャーはN₂O排出を平均40パーセント削減し、収量を12パーセント改善します。
長期的な有機管理下の健康な土壌は、土壌有機物（SOM）の無機化を通じて作物の窒素（N）ニーズのほとんどを満たすことができ、施用Nの必要性を大幅に減少または排除します。
NRCS COMET Plannerツールは、施用肥料Nを全て土壌由来のNに置き換えることで、年間エーカーあたり3,965 lb CO₂当量の温室効果ガス（GHG）排出量を削減できると推定しています。
これに対し、従来の肥料を使用した保全実践基準（CPS）590栄養管理では年間エーカーあたり440 lb CO₂当量です。有機N管理の詳細については、「有機農業システムにおける栄養管理」を参照してください。
炭素隔離、GHG緩和、気候レジリエンスのための優先的な有機実践
土壌の健康の4つの原則を適用する：土壌を被覆し、生きた根を維持し、生物多様性を最大化し、撹乱を最小限に抑える。
侵食を防ぐ。侵食は選択的に土壌有機炭素（SOC）を除去し、それをCO₂とCH₄に変換します。急な斜面やその他の侵食しやすい場所には永久的な植生被覆を維持する。
植生実践（被覆作物、輪作など）と堆肥などの有機改良材を組み合わせて、SOCに相乗効果をもたらす。
適度な炭素対窒素（C:N）比を持つ有機改良材と被覆作物の混合物を使用する。
土壌栄養素の過剰、特にNとリン（P）を避ける（栄養管理を参照）
輪作にマメ科植物を含め、イネ科植物やその他の草本植物とバランスを取る。
生産システムに多年生植物を統合する。
飼料の急速成長期の後半に輪換放牧のタイミングを合わせる。
今回はここまでです。
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