気候変動下の水田生態系の炭素循環を左右する窒素：メタン削減に繋ぐ機作の解明

2014 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26252061
• 研究機関: 独立行政法人農業環境技術研究所
• 研究代表者: 林 健太郎 独立行政法人農業環境技術研究所, 物質循環研究領域, 主任研究員 (70370294)
• 研究分担者: 長谷川 利拡 独立行政法人農業環境技術研究所, 大気環境研究領域, 上席研究員 (10228455) ; 小野 圭介 独立行政法人農業環境技術研究所, 大気環境研究領域, 主任研究員 (20549555) ; 常田 岳志 独立行政法人農業環境技術研究所, 物質循環研究領域, 任期付研究員 (20585856) ; 八島 未和(松島未和) 千葉大学, 園芸学研究科, 講師 (60527927)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2017-03-31
• キーワード: メタン / 窒素 / 水田 / 高CO2 / 気候変動 / イネ / 根域

研究実績の概要

水田は強い温室効果をもつメタン（CH4）の発生源である．水田のCH4動態は地球システムの炭素循環と気候に影響を及ぼし，二酸化炭素（CO2）の大気濃度の増加や昇温は水田のCH4発生を促して気候変動を助長する．CH4発生は水田の炭素循環の一つの過程であり，その炭素循環はイネに対する窒素可給性の影響を強く受けると考えられる．本研究の目的は，気候変動下の水田のCH4発生削減に繋がる機作とその窒素条件の解明である．このために，平成26年度は主にポット試験および作物生産モデルの検証を行った．
ポット試験は窒素条件（窒素施肥なし，標準窒素施肥）およびイネ品種（コシヒカリ，タカナリ）の組み合わせで実施した．また無植栽ポットも設けることで，施肥ありイネなし，施肥なしイネあり，および施肥・イネなしの３通りの対照を用意した．主な調査項目は土壌とイネの窒素収支，イネの部位別バイオマス，土壌溶液溶存CH4濃度，および溶存アンモニア態窒素濃度とした．窒素収支に関するデータは解析中であるが，主な結果として，窒素施肥の有無によりバイオマスには15倍程度の差が生じたこと（元の土壌が貧栄養であったと解釈），コシヒカリに比べてタカナリは根のバイオマスが多いこと，窒素施肥なしのポットでは溶存CH4がごく低濃度で推移したことなどが挙げられる．
作物生産モデルについては，主にコシヒカリとタカナリの品種間差を表現するための検証とモデルの改良を行った．タカナリの特徴として，高CO2処理により窒素吸収が増えること，また，穂と根への窒素配分が多い一方で葉への分配は少ないことが見出され，少なくとも穂が窒素の強力なシンクであること，また，大きな根域で窒素を獲得していることの２点をモデルに導入する必要があることがわかった．

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

平成26年度は開放系二酸化炭素増加実験（FACE）水田における試験よりもポット試験による窒素収支・分配のイネ品種間差を明らかにする方針に切り換え，また，これまで既往データの解析により作物生産モデルの改良点を見い出すことに集中し，一定の成果を挙げることができた．

今後の研究の推進方策

平成26年度のポット試験およびモデル検証・改良の成果を活用し，平成27年度はFACE水田においてフィールドレベルの窒素動態・収支の品種間差を明らかにするための重窒素標識実験を行うとともに，CH4の生成と酸化を分離して定量することにより水田のCH4動態を本質的に解明するためのメタン酸化阻害剤添加実験を行い，また，作物生産モデルについても実データ用いた検証を交えつつ，他のモデルとの比較検討を通じて更なる改良を行う．

研究成果

• [雑誌論文] Cropland soil–plant systems control production and consumption of methane and nitrous oxide and their emissions to the atmosphere (2015)
  • 著者名/発表者名: Hayashi K, Tokida T, Kajiura M, Yanai Y, Yano M
  • 雑誌名: Soil Science and Plant Nutrition 巻: 61 ページ: 2-33
  • DOI: 10.1080/00380768.2014.994469
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Elevated CO2 affect community structure of rice root-associated bacteria (2015)
  • 著者名/発表者名: Okubo T, Liu D, Tsurumaru H, Ikeda S, Asakawa S, Tokida T, Tago K, Hayatsu M, Aoki N, Ishimaru K, Ujiie K, Usui Y, Nakamura H, Sakai H, Hayashi K, Hasegawa T, Minamisawa K
  • 雑誌名: Frontiers in Microbiology 巻: 6, Article 136 ページ: 1-8
  • DOI: 10.3389/fmicb.2015.00136
  • 査読あり
• [雑誌論文] Characterization of leaf blade- and leaf sheath-associated bacterial community and assessment of their responses to environmental changes of CO2, temperature, and nitrogen levels under field conditions (2015)
  • 著者名/発表者名: Ikeda S, Tokida T, Nakamura H, Sakai H, Usui Y, Okubo T, Tago K, Hayashi K, Sekiyama Y, Ono H, Tomita S, Hayatsu M, Hasegawa T, Minamisawa
  • 雑誌名: Microbes and Environments 巻: 30 ページ: 51-62
  • DOI: 10.1264/jsme2.ME14117
  • 査読あり
• [雑誌論文] A fully-automated high-throughput instrumentation for δ13C measurement of methane and its application to rice paddy samples (2014)
  • 著者名/発表者名: Tokida T, Nakajima Y, Hayashi K, Usui Y, Katayanagi N, Kajiura M, Nakamura H, Hasegawa T
  • 雑誌名: Rapid Communications in Mass Spectrometry 巻: 28 ページ: 2315-2324
  • DOI: 10.1002/rcm.7016
  • 査読あり
• [雑誌論文] FACE to FACE: 気候変動影響に立ち向かう土壌肥料学と作物学 (2014)
  • 著者名/発表者名: 林健太郎・長谷川利拡・臼井靖浩・常田岳志・Charles P. Chen・八島未和・片柳薫子・堅田元喜・麓多門・池田成志・大久保卓
  • 雑誌名: 日本土壌肥料学雑誌 巻: 85 ページ: 269-274
• [雑誌論文] Elevated CO2 decreases the photorespiratory NH3 production but does not decrease the NH3 compensation point in rice leaves (2014)
  • 著者名/発表者名: Miyazawa S, Hayashi K, Nakamura H, Hasegawa T, Miyao M
  • 雑誌名: Plant and Cell Physiology 巻: 55 ページ: 1582-1591
  • DOI: 10.1093/pcp/pcu088
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of elevated carbon dioxide, elevated temperature, and rice growth stage on the community structure of rice root-associated bacteria (2014)
  • 著者名/発表者名: Okubo T, Tokida T, Ikeda S, Bao Z, Tago K, Hayatsu M, Nakamura H, Sakai H, Usui Y, Hayashi K, Hasegawa T, Minamisawa K
  • 雑誌名: Microbes and Environments 巻: 29 ページ: 184-190
  • DOI: 10.1264/jsme2.ME14011
  • 査読あり
• [学会発表] Short term effect of no-tillage and bagasse mulching on soil carbon through modification of water stable aggregate under sugarcane field in Lampung Province, Sumatra, Indonesia (2015)
  • 著者名/発表者名: Arai M, Fujie K, Mori Y, Niswati A, Swibawa G, Haryani S, Gunito H, Kaneko N
  • 学会等名: First Global Soil Biodiversity Conference
  • 発表場所: Palais des Congrès, Dijon, France
  • 年月日: 2015-12-03
• [学会発表] イネの摘葉が水田からのメタン放出量の日変化に及ぼす影響 (2015)
  • 著者名/発表者名: 荒井見和・常田岳志・林健太郎・長谷川利拡・中村浩史
  • 学会等名: 第62回日本生態学会鹿児島大会
  • 発表場所: 鹿児島大学
  • 年月日: 2015-03-21
• [学会発表] Strategy to address nitrogen issues in Japan (2015)
  • 著者名/発表者名: Hayashi K
  • 学会等名: International workshop of nitrogen footprint: Local reality and global connection
  • 発表場所: Hokkaido University
  • 年月日: 2015-03-17
• [学会発表] Growth-stage dependence of CH4 emissions from rice paddies exposed to atmospheric CO2 enrichment and soil warming treatments (2015)
  • 著者名/発表者名: Tokida T, Hayashi K, Usui Y, Sakai H, Nakamura H, Hasegawa T
  • 学会等名: International Symposium on Agricultural Meteorology 2015
  • 発表場所: Tsukuba Center for Institutes
  • 年月日: 2015-03-16
• [学会発表] 世界の中の日本として窒素問題にどう向き合うべきか (2015)
  • 著者名/発表者名: 林健太郎
  • 学会等名: 第32回土・水 研究会
  • 発表場所: 農業環境技術研究所
  • 年月日: 2015-02-27
• [学会発表] 人間活動による窒素循環の撹乱が気候変動に及ぼす影響 (2014)
  • 著者名/発表者名: 林健太郎
  • 学会等名: 新化学技術推進協会エネルギー・資源技術部会資源代替材料分科会講演会「窒素循環」
  • 発表場所: 新化学技術推進協会
  • 年月日: 2014-12-16
  • 招待講演
• [学会発表] 大気－イネ葉身間のアンモニア交換の高CO2応答：フィールド実 験の教訓と室内実験の知見 (2014)
  • 著者名/発表者名: 林健太郎・宮澤真一・常田岳志・梶浦雅子・片柳薫子・臼井靖浩・宮尾光恵・中村浩史・長谷川利拡
  • 学会等名: 第4回生物起源微量ガスワークショップ
  • 発表場所: 文部科学省研究交流センター
  • 年月日: 2014-11-20
• [学会発表] 地球規模の窒素問題に向き合う (2014)
  • 著者名/発表者名: 林健太郎
  • 学会等名: サイエンスアゴラFuture Earthワークショップ「対話で考える日本の戦略」
  • 発表場所: 日本科学未来館
  • 年月日: 2014-11-07
  • 招待講演
• [学会発表] Canopy-scale water-use efficiency of irrigated rice under different climates and management practices (2014)
  • 著者名/発表者名: Ono K, Mano M, Takimoto T, Baten MA, Zhu J, Miyata A
  • 学会等名: 12th AsiaFlux Workshop
  • 発表場所: International Rice Research Institute, Los Baños, Philippines
  • 年月日: 2014-08-20
• [学会発表] Effect of flood irrigation on production and soil-to-atmosphere emission processes of nitrous oxide from paddy fields (2014)
  • 著者名/発表者名: Yano M, Toyoda S, Tokida T, Hayashi K, Hasegawa T, Makabe A, Koba K, Yoshida N
  • 学会等名: 7th International Symposium on Isotopomers
  • 発表場所: Tokyo Institute of Technology
  • 年月日: 2014-07-02
• [学会発表] Prediction of soil nitrogen mineralization as affected by in-situ warming in paddy fields in Japan (2014)
  • 著者名/発表者名: Sudo S, Matsushima MY, Tokida T, Hayashi K, Kawai Y, Katayanagi N, Miura S, Inubushi K, Hasegawa T
  • 学会等名: 20th World Congress of Soil Science
  • 発表場所: International Convention Center, Jeju, South Korea
  • 年月日: 2014-06-09
• [学会発表] 関東地方の水田における大気－水田間交換および灌漑による窒素収支 (2014)
  • 著者名/発表者名: 林健太郎
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合大会2014年大会
  • 発表場所: パシフィコ横浜
  • 年月日: 2014-05-02
• [備考] つくばみらいFACE（Free-Air CO2 Enrichment）実験施設ウェブサイト
  • URL: http://www.niaes.affrc.go.jp/outline/face/index.html