有機農業生態系の養分循環におけるバイオアクセラレーターとしての雑草の機能

• 研究課題/領域番号: 22K05592
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分39020:作物生産科学関連
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 西田 瑞彦 東北大学, 農学研究科, 教授 (20355324)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2024年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2023年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2022年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
• キーワード: 雑草由来窒素 / 牛ふん堆肥由来窒素 / 有機水田 / 窒素循環 / バイオアクセラレーター / 重窒素

研究開始時の研究の概要

有機農業では作物と競合して繁茂する雑草も農業生態系の養分循環の一部をなし、作物の養分供給源になり得る。さらに雑草には養分循環をアクセラレートする機能を有する可能性が示唆されている。本研究では、この雑草の養分循環アクセラレート機能を解明するために、有機農業において雑草が吸収した養分が、有機農業生態系でどのように循環するのか詳細に解明する。有機水田における代表的強害雑草のコナギとヒエを重窒素標識し、その窒素動態を詳細に追跡し、有機水田生態系の窒素循環における雑草の役割を定量的に解明する。

研究実績の概要

本研究は、有機農業生態系における雑草が吸収した養分の循環システム全体を解明し、雑草が有機農業生態系の養分循環をアクセラレートする機能を解明することを目的とする。
研究対象とする養分は作物の生育と生産にとって最も重要な窒素とし、対象雑草は代表的強害雑草のコナギ（広葉雑草）およびヒエ（イネ科雑草）とする。雑草のような有機物を由来とする窒素の循環を正確に解明するには、重窒素トレーサー法が有効である。本研究ではコナギとヒエを重窒素標識し、その形態変化とフローを解明する。
コナギとヒエを重窒素標識し、2021年の12月に有機水田に設けた１株試験区の土壌に施用し、昨年および一昨年の２カ年にわたり水稲作におけるこれらの雑草由来窒素の水稲および雑草による吸収量、土壌への残存量を定量した。雑草由来窒素は２年とも水稲による吸収が認められ、雑草種で大きな違いはなかった。また，土壌中に残留した雑草由来窒素の2年間の推移から、雑草窒素の無機化は初期に活発なこと、２作目には緩やかに進むことが示唆された。また２回の水稲栽培を経てもなお４割程度が土壌に残存しており、雑草由来窒素が有機農業生態系に長期的に関与することが示唆された。
有機栽培水田では雑草は機械除草時に土壌に還元されることが想定される。そこで、機械除草時期を想定し、７月初旬に重窒素標識したコナギおよびヒエを還元し、雑草由来窒素の水稲および雑草による吸収量、土壌への残存量を定量した。その結果、７月に還元された雑草由来窒素は当年の水稲に吸収され、コナギの方がヒエよりも水稲による吸収率が高く、雑草種間で明瞭な違いが認められた。
以上のことから、雑草の窒素は有機農業生態系の養分循環システムにおいて重要な役割を持つこと、また雑草の還元時期および雑草の種類によってその窒素動態が異なることが明らかとなった。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

有機水田において冬に還元されたコナギとヒエ由来窒素の水稲２作後の動態を定量化できた。また、雑草の還元時期を実際の圃場条件に近づけ、機械除草のタイミングで還元された雑草由来窒素の動態を定量化できた。さらに、予備実験により、本研究で用いている小規模プロットを仕切るための枠内で雑草が周囲よりも繁茂しない原因を明らかにした。これらのことから、順調に推移していると考えている。

今後の研究の推進方策

これまでに土壌還元した雑草由来窒素の動態は継続して追跡する。また、収穫後の耕起のタイミングで雑草が土壌還元される処理も設けたので、今後はその窒素動態も追跡する。また雑草由来窒素の土壌中の可給態窒素画分への関与を解明する。また、本研究で用いている小規模プロットを仕切るための枠内で雑草が周囲よりも繁茂しない原因を明らかにしたので、堆肥由来窒素の水稲と雑草との競合関係を改めて定量的に解明する方針である。